基于PLC控制的绕线机系统的设计与检修.docx
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基于PLC控制的绕线机系统的设计与检修
独立本科段毕业设计（论文）
毕业设计（论文）题目
基于 PLC 控制的绕线机系统的设计与检修
助学院校：
平顶山工业职业技术学院
专业名称：
机电设备管理
学生姓名：
指导教师：
罗玉华
河南理工大学高等教育自学考试
20 15年 10月8 日
0
毕业设计（论文）任务书
助学院校平顶山工业职业技术学院
年级专业 13 级机电设备管理
学生姓名
一、设计（论文）题目：
基于 PLC 控制的绕线机系统的设计与检
修
二、设计（论文）任务与要求
三、设计（论文）时间：
年月日至年月
日
指导教师罗玉华（签名）
河南理工大学自学考试中心（盖章）
1
毕业设计（论文）评定书
助学院校年级专业学生姓名
一、设计（论文）题目：
二、 设计（论文）共页，附图张
三、审阅意见及评语
根据学院教学管理的有关规定，同意（不同意）该生参加毕业答辩
指导教师（签名）
职称
工作单位
2
毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议
助学院校年级专业学生姓名
该生于年月日进行毕业设计（论文）答辩
设计（论文）题目：
答辩委员会：
主任委员（组长）
委员（成员）
答辩学生向答辩委员会（小组）提交如下资料：
设计（论文）说明书共
页
设计（论文）图纸共
页
指导教师评阅意见共页
3
根据学生所提供的毕业设计（论文）材料和指导教师
意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计
（论文）答辩委员会（小组）作出如下决议：
一、毕业设计（论文）的总评语
二、毕业设计（论文）的总评成绩：
毕业设计答辩委员会主席（组长）（签
名）
委员（成员）（签
名）
年月日
4
摘要 ...............................................................7
ABSTRACT ...........................................................8
第一章 课题概述 ....................................................9
1.1 题目背景及目的 ..............................................9
1.2 国内外发展现状 .............................................11
1.3 论文的主要内容 .............................................12
第二章 系统设计与说明 .............................................13
2.1 系统组成 ..................................................13
2.2 系统组成的硬件简介 .........................................14
2.2.1 PLC（可编程逻辑控制器） ..............................14
2.2.2 HMI（人机界面） ......................................14
2.2.3 伺服系统（sevro system） .............................14
2.2.4 步进电机 .............................................15
第三章 系统硬件选型及主要电路设计 .................................16
3.1 硬件选型 ..................................................16
3.2 系统主要电路设计 ...........................................16
第四章 软件设计 ...................................................21
4.1 主程序设计 ................................................21
4.2 HMI 功能设计 ...............................................24
第 5 章 PLC 系统的程序调试及设备维护 ...............................28
5.1 PLC 系统的程序调试 .........................................28
5.2 步进电机的日常维护 .........................................30
5.2.1 电机常见故障及处理 ...................................30
5.2.2 电机的保养及保护功能 .................................33
结束语 ............................................................35
致谢 ..............................................................36
参考文献 ..........................................................37
5
摘要
半定子绕线机主要服务于塑封电机的生产，是塑封电机生产工艺中十分重
要的一个环节，伴随着塑封电机生产技术的发展，半定子绕线机的机械硬件技
术及控制技术也日趋完善，随着应用技术的提高及社会化大生产的要求，对半
定子绕线机的品质要求也越来越高。
本文设计了一种基于 PLC+HMI+伺服+步进组成的半定子绕线机控制系统，
从硬件和软件两方面阐述了此系统对半定子绕线机进行控制的设计方法。
首先，本文介绍了半定子绕线技术的发展背景，半定子绕线的原理以及现
在国内外的半定子绕线机控制系统的发展现状。
其次，介绍了基于 PLC+HMI+伺服+步进组成的半定子绕线机控制系的硬件
设计。
再次，介绍了该系统的软件设计，包括 HMI 的画面组态。
最后，进行了系统的仿真和测试。
结果表明，该 PLC+HMI+伺服+步进组成的控制系统能够对半定子绕线机进
行各种控制，并能达到提高生产率的效果，因此该基于 PLC+HMI+伺服+步进组
成的控制系统设计达到了设计的要求。
关键词：
半定子绕线机，塑封电机，PLC
6
ABSTRACT
Half a stator winding machine services mainly in the production of plastic
package motor, is a plastic-sealed motors are important in the production aspect,
with the development of production technology of plastic package motor, half a
stator winding machine of mechanical hardware technology and control technology
becomes more and more perfect, as technology improves and socialized production
demands, increasingly high quality requirements are stator winding machine in half.
Design based on PLC+HMI+ servos + step consisting of half a stator winding
machine control system, from hardware and software aspects of the system design
method of stator winding machine control in half. First, this paper introduces the
development of semi-stator winding and stator winding principle and now half a
stator winding machine control system development. Secondly, it introduces the
PLC+HMI+ servo + step consisting of half a stator winding machine control system
hardware design.
Once more, introduces the software design, including the HMI screen
configuration.
Finally, simulation and testing of the system. Results show that the PLC+HMI+
servo + step control system consisting of stator winding machine control in half, and
can achieve the effect of increased productivity, so the PLC+HMI+ servo + step-based
control system consisting of design meets the design requirements.
Keyword：
Halfastatorwindingmachine,laminationmachine,PLC
7
第一章 课题概述
1.1 题目背景及目的
图 1-1 PLC 绕线机图
经过二十多年的发展，塑封电机（如图 1-1 所示）生产工艺技术已经比较
成熟，其在家用电器中应用广泛，其最大优点是噪音低。
塑封电机由塑封定子、
轴、转子、轴承、端盖及热保护器、引出线、插座等组成。
塑封电机的定子铁
芯系两个半圆铁芯拼合成一个整圆而制成。
半圆型铁芯制成后用两个半圆形的
绝缘护套分别从半圆型铁芯两端套上，然后再绕线，拼合，即可塑封。
塑封时
先把嵌好线圈的定子铁芯和引出线等装入注塑的金属模中，然后注塑成型。
半
圆型铁芯结构拼合方式有 3 种：
①日本东芝公司采用的焊接结构，两个半圆型
铁芯绕完线后，采用氩弧焊焊接使两个半圆型铁芯形成整圆。
注意须采用专用
夹具以确保绕组不受损伤，以免引起匝间短路或击穿等。
②日本松下公司采用
的分半铁芯扣合结构，就是扣合后注塑，使两个半圆成为一个整体。
但要注意
不能错位且塑料不得进入结合面处。
③日本草津电机株式会社采用压合结构，
即在结合面上分别有相对应的凸凹部 ，把二者压合在一起，使之紧密配合。
要
求冲片具有较高的加工精度 ，同时铁芯迭压精度要高。
8
图 1-2 塑封电机实物图
众所周知，电机的定子线圈的品质直接决定着电机的性能，所以对半定子
绕线机性能的要求可谓日趋严格。
半定子绕线机在机械工艺技术方面已经非常
成熟的今天，其生产质量和效率主要取决于控制及执行机构系统，早期的半定
子绕线机采用的所谓微机控制，实际就是单片机+液晶显示+直流无刷电机+步进
电机架构（如图 1-3）控制，由于单片机的局限性和直流无刷电流机的精度等因
素，此架构功能单一，控制精度低，配套功能有限，功能扩展不灵活，造成生
产速度慢，成品合格率低，使生产效率大打折扣，并不能有效地满足产品的大
规模生产以及绕线技术日益更新对绕线机系统升级的需求。
图 1-3 半定子绕线单机片机控制组成硬件实物图
9
本课题即以上述半定子绕线技术控制问题为出发点，设计实现了基于 PLC+
触摸屏+伺服的控制架构，该系统在不增加控制成本的前提下，不仅可以大大提
高生产效率，而且控制系统稳定、功能扩展灵活；友好的人机界面，使用配方
的编辑功能简单快捷，能够迅速转换生产不同产品的参数配置，更在绕线细节
上支持在绕线过程中运动中根据线径和匝数更改排线的速度，使成品率大大提
高。
1.2 国内外发展现状
塑封电机在八十年代初中期首先在美国研制成功并发展起来，随后在日本
获得了广泛应用，特别是在家分体用空调行业。
在日本生产塑封电机的有松下、
三菱、芝浦、草津、日立等公司。
伴随着塑封电机的高速发展，其配套技术—
—半定子绕线技术也日趋成熟，应用广泛。
塑封电机在家用电器中应用较多，其最大优点是噪音低，因而它首先用在
空调器上。
在日本，分体式空调的室内风机已大多采用塑封电机，如松下分体
式空调室内机轻载时噪声 23 分贝、运转时则为 34 分贝。
此外日本产的高档洗
衣机为防潮及吸振减振也已开始采用塑封电机。
松下在日本洗衣机行业中率先
应用塑封电机，该塑封电机采用整体塑封结构在电机外部连轴承都无法见到。
日本的同步电机和无刷直流电机也已开始采用塑封结构，如索尼公司 1985 年研
制出塑封结构的 HC 型磁滞同步电机已用在盒式录像机上作主导轴电机。
日立
公司研制并投入生产的机电一体化的无刷直流塑封电机的本体和控制线路被塑
封成一个整体，可在 200～500rpm 范围内无级变速，主要用在空调器、空气清
洁器等产品上[4]。
美国生产的厨房用品上也较多采用塑封电机，如厨房垃圾粉碎机用的
100W 电机即为塑封结构等。
我国研制塑封电机始于九十年代初，塑料封装技术在微电机中的应用曾被
微特电机行业列为“八五”期间重点推广应用项目。
国内研制生产塑封电机的
厂家多集中在沪、粤、苏、浙、闽等地。
如宁波电器厂的 YYS 型全塑壳单相电
容运转电机；上海日用电机厂的 YYK-6-4DA 型全塑壳单相电容运转异步电机，
功率 6W，噪声小于 36 分贝，用在分体壁挂式家用空调器上；浙江家用电机厂
10
的 YFN 系列塑封电机也主要用在分体式空调上。
塑封电机在我国的生产及应用目前仍处于高速增长阶段，定子铁芯的塑封
及绕组的绕线技术也得到了高速的发展，为近年来我国的塑封电机产能和品质
的提高提供了有力技术支持；由于竞争激烈，中国企业凭借着产品生产成本优
势，占据世界的半壁江山；目前国外厂家已几乎完全退出塑封电机产业的竞争，
转由中国进口，同时，先进国家除了在高端产品应用的绕线技术外，用于一般
大批量生产的定子绕线机技术几乎不再投入研发 ；纵观国内，却是另番景象，
生产塑封电机的厂家众多，加上现在日本的同步电机和无刷直流电机也开始逐
渐采用塑封结构，使得半定绕线机的市场前景广阔，为其控制技术提供极大的
发展空间，这也是我们设计操作更简单、结构更合理、功能更强大、更经济的
半定子绕线机控制系统推动力。
1.3 论文的主要内容
本设计在硬件选型方面选择了价格经济、技术成熟、功能强大、性能优越、
扩展灵活的 PLC 为主要控制器，通过人机界面（HMI）和伺服系统和步进系统
的配合，在软件开发的过程中，尽可能的采用模块化的设计思想设计，以便于
系统日后的维护、升级和操作。
整个系统是有进行仿真的。
第二章介绍了系统的硬件设计，包括系统的控制器、主要执行部件（伺服
及步进），界面显示（HMI）方面等的器件选择和电路原理图。
第三章介绍了系统硬件选型和主要电路设计，整个选型思路是围绕系统工
作稳定和成本优先的原则进行。
第四章介绍了系统的软件设计，整个程序以模块化的思想设计，大致可有
系统初始化，显示，控制，等几个模块供主控模块调用。
其中大部分模块可以
形成标准的子程序，可方便地实现移植和调用。
第五章对 PLC 系统的程序调试及设备维护。
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第二章 系统设计与说明
系统是通过 HMI 与 PLC 通讯，从而实现用 HMI 进行绕线工艺的各种参数设
定和设备实时工况的显示，而 PLC 则通过对各种执行机构的控制（如伺服、步
进等），从而实现对机械部分进行控制，实现按工艺要求作出相应的机械动作，
以完成绕线工艺动作。
2.1 系统组成
系统主要由五个部件组成：
PLC、HMI（人机介面）、伺服电机、步进电机
（两套）。
系统硬件组成示意图见图 2.1。
图 2.1 系统硬件组成示意图
PLC：
主要用来控制和协调其它硬件工作，与 HMI 通讯接收来自 HMI 的参
数设定，并将一些主要的实时工况在 HMI 上显示出来；对于伺服和步进系统，
根据其实现功能的不同，通过编程使用不同的控制算法，以达到动作要求；系
统外部事件捕捉与管理等。
HMI：
为人机对话提供了友好的介面，主要用于参数设定和设备实时工况
的显示。
伺服系统：
由伺服驱动器及伺服电机组成，主要完成绕线工作。
步进系统：
由两步进电机及其配套驱动器组成，它们共同完成换槽位（分
度）和排线（摇摆）工艺。
12
2.2 系统组成的硬件简介
对于本控制系统的硬件选用，主要是基于目前技术及性能都很成熟的产品，
目的是能使设备的性能稳定及成本都能得到有效的控制，以下对这些硬件分别
作一些简要介绍。
2.2.1 PLC（可编程逻辑控制器）
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogic
Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种
采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，
因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。
但是为了避免与个人计算机
（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称 PLC,PLC 自 1966
年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控
制器质量优良，功能强大。
我国在 1974 年研制出第一台 PLC，目前也有不少厂
家自主研发生产 PLC，如和利时、汇川、南大傲拓等，一般的控制环境下应用
是具有较高的性价比的。
2.2.2 HMI（人机界面）
系统显示器 HMI 是 Human Machine Interface 的缩写，“人机接口”，也叫人
机界面。
人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互
和信息交换的媒介， 它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。
凡参与人机信息交流的领域都存在 着人机界面。
目前我国人机界面的生产技术
已经比较成熟，近年国内涌现不少性价比极高的产品，如：
威纶通、昆仑通态、
同辰、显控等，这些产品凭着较高的性价比，在国内市场部得到了广泛的应用。
2.2.3 伺服系统（sevro system）
伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
又称随动系
统。
在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位
移速度、加速度的反馈控制系统， 其作用是使输出的机械位移（或转角）准确
地跟踪输入的位移（或转角）。
伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统
13
没有原则上的区别。
伺服系统具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。
说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转速随
转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。
由于近年来
伺服应用技术的发展迅速，伺服的生产技术成熟及成本不断下降，国内也有不
少厂家看好其前景，投入伺服的研发和生产，其中主要有：
广数、华中、汇川
等，此类产品目前在低端应用还是能够满足要求的。
2.2.4 步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲
数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步
进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定
的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准
确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，
从而达到调速的目的。
目前国内步进的生产技术己经相当成熟，国内企业基本
不再使用进口产品。
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第三章 系统硬件选型及主要电路设计
3.1 硬件选型
由于目前国内厂家在工控产品的研发生产都比较成熟，加上本设备的工艺
要求不算太高，出于成本控制考虑，本控制系统硬件均选择国内产品，具体如
下：
（1）PLC：
选用汇川的 H1U-1410MT,此 CPU 本体是 14DI/10DO（晶体管输
出），含 4 路高速脉冲计数器及 3 路 100KHz 高速脉冲输出，正好满足本系统一
套伺服和两套步进的运动控制要求，可以说是物美价廉的产品。
（2）伺服系统：
选用汇川近年才推出的 IS500400W 伺服系统，此产品性
能一般，最大的亮点是使用单相 220V 交流输入，省去变压器的成本及需要三相
380V 电源供电的缺点，由于本系统的控制精度要求不算高，用此伺服能够满足
工艺要求并有利于控制成本。
（3）HMI：
选用同辰的 7 吋真彩触摸屏，此屏价格便宜，美观大方、能兼
容多款主流 PLC；组态软件简单易学。
（4）步进：
选用固若金的产品，此品牌在国内属中上位置，有着极高的性
价比。
总之，本次设计是本着成本优先、够用就好的原则进行的，并不盲目追求
高性能和大品牌。
3.2 系统主要电路设计
本系统设计主要是完成半定子的绕线工艺动作的自动化控制，因此只作
主要部件的电路设计，其他辅助电路并未作详细设计阐述。
图 3.1 和图 3.2 是系统的主回路，绕线设备的主要执行部件是三个电机（一
个伺服电机和两个步进电机）。
通过控制器去控制三个电机的相互动作配合，完
成整个半定子绕线的工艺过程，其中伺服电机负责驱动飞叉以完成绕线工艺动
作；主要作速度控制；步进电机 1 主要驱动分度盘（即完成换槽动作）；而步进
电机 2 主要驱动半夹具所在的轴，使其均速来回摇摆从而完成排线动作。
在这
三个工艺动作里，精度及动作要求最高的是绕线动作，它的绕线速度最快达
15
3000 转，而其它两个电机只是作分度及均速摇摆的简单动作，故出于制造成
本考虑，才会有绕线飞叉使用伺服电机驱动，而分度和排线却使用步进电机驱
动的特别设计。
图 3.1 系统主回路示意图
（一）
16
图 3.2 系统二次主回路示意图
（二）
图 3.4 为系统的三个
升级会员 