基于plc的钢板定长剪切控制系统设计.docx
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基于plc的钢板定长剪切控制系统设计
大学
毕业设计
题目：
基于PLC钢板定长剪切系统设计
学生姓名：
学生学号：
院系名称：
专业班级：
机械设计制造及其自动化
指导教师：
2014年06月18日
毕业设计任务书
专业机械设计制造及其自动化班级机械下发日期2013-11-28
题目
基于PLC的钢板定长剪切控制系统设计
专题
电气控制
主
要
容
及
要
求
内容：
（1）根据钢板剪切结构，确定系统方案；
（2）PLC的选用；（3）光电编码器的选用；（4）控制系统原理图设计；（7）根据桥钢板定长剪切系统运行控制要求及系统PLC编程环境，设计系统软件程序。
要求：
（1）在教师指导下，独立完成设计任务，培养较强的创新意识和学习能力；
（2）收集相关的资料和阐述设计的思维；（3）熟悉系统整体设计，了解各部分性能。
主
要
技
术
参
数
光电编码器型号：
EPC-755A每转600个脉冲
PlC：
采用FX2N-32MR,共32点，16点输入，16点输出，主要组成模块为CPU模块、I/0扩展模块、功能扩展模块
进
度
及
完
成
日
期
4月01日--4月18日查阅国内外文献,上交开题报告；
4月22日—5月12日系统方案选择与论证,软硬件设计；
5月13日—5月23日主要参数计算及元器件的选择,上交中期审核表；
5月25日—6月05日完成毕业设计论文书的撰写,上交初稿；
6月06日—6月16日论文打印,完成答辩PPT,准备答辩。
系主任签字
日期
教研室主任签字
日期
指导教师签字
日期
指导教师评语
在为期三个月的毕业设计中，该同学能在老师的严格要求下顺利完成整个毕业设计工作和论文的撰写。
程序能正确的运行，界面安排合理，论文符合要求。
在整个毕业设计的过程，态度端正，学习也比较认真，时间安排也很合理，能按时到实验室，不存在无故早退或迟到的情况。
能基本在每个阶段完成相应的任务，还能主动加班，做到时间上前紧后松。
当然，在这其间也存在一些不足和需要提高的地方。
例如，知识面不够广，处理问题和运用知识的能力还有待提高，不能积极主动的和老师交流工作的进程。
希望该同学在以后的工作或学习中注意这些问题，争取更大的提高和进步，取得更好的成绩。
指导教师:
年月日
指导教师:
年月日
毕业设计评阅意见表
设计题目
基于PLC的钢板定长剪切控制系统设计
评价项目
评价标准（A级）
满分
评分
A
B
C
D
E
文献资料利用能力
能独立地利用多种方式查阅中外文献；能正确翻译外文资料；能正确有效地利用各种规范、设计手册等。
10
10
9
8
7
≤6
综合运用能力
研究方案设计合理；设计方法科学；技术线路先进可行；理论分析和计算正确；动手能力强；能独立完成设计；能综合运用所学知识发现和解决实际问题；研究结果客观真实。
20
19－20
17－18
15－16
13－14
≤12
设计质量
设计结构严谨；逻辑性强；语言文字表准确流畅；格式、图、表规范；有一定的学术水平或实际价值
40
37-40
32-36
28-31
25-27
≤24
创新能力
有较强的创新意识；所做工作有较大突破；设计有独到见解
15
15
13-14
11-12
10
≤9
工作量
工作量饱满；圆满完成了任务书所规定的各项任务。
15
15
13-14
11-12
10
≤9
总分
是否同意将该设计提交答辩：
是（）否（）
具体评阅及修改意见：
评阅人：
年月日
注：
1.请按照A级标准，评出设计（论文）各项目的具体得分，并填写在相应项目的评分栏中；
2.计算出总分。
若总分<60分，“设计（论文）质量”<24分，建议不能提交论文评阅乃至答辩。
该设计（论文）须限期修改合格后重新申请答辩。
3.评阅意见栏不够可另附页。
答辩委员会评语
评
定
成
绩
周记
说明书
（或论文）
图纸
答辩
总评
答辩委员会主席签字
日期
（5%）
（65%）
（30%）
百分制
等级制
摘要
随着科学技术的飞速发展，现代工业控制系统越来越复杂，传统控制面临着新的挑战。
PLC以其体积小、功能齐全、价格低廉和可靠性高等方面独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。
PLC的使用大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障。
如何在PLC自动控制领域发挥PLC的优势是目前自动控制学科的重要课题之一。
为实现钢板定长剪切生产线的安全、高精度、可靠和高效的自动控制，全面分析了钢板定长剪切生产线的结构、工作原理及控制特点，提出了一种基于可编程控制器的钢板定长剪切生产线PLC控制系统。
该系统以PLC（可编程控制器）为控制核心,采用光电编码器测量钢板长度，光电编输出与转速成一定关系的脉冲信号，通过PLC高速计数器记录脉冲的个数用，间接测量出钢板的长度，待钢板长度达到在高速计数器中预先设定的数值时，主电动机制动且剪切机动作，即实现定长切割。
关键词：
定长剪切,可编程控制器PLC,光电编码器
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,modernindustrialcontrolsystemismoreandmorecomplex,traditionalcontrolsciencefacesnewchallenges.PLCwithitssmallvolume,completefunctions,lowcostandhighreliabilityhasuniqueadvantages,wonawideapplicationinallfields.TheuseofPLCcontrolsystemcanbegreatlyimprovedthereliabilityandcontrollevel,fortheenterpriseprovidesamorereliableproductionsecurity.HowtoplaytotheadvantagesofPLCinthefieldofPLCautomaticcontrolisoneoftheimportanttopicsofcurrentautomaticcontrolsubjects
Toachievethesecurityofthesteelplatefixedlengthshearingproductionline,highprecision,reliableandefficientautomaticcontrol,comprehensiveanalysisofthesteelplatefixedlengthshearingproductionlineofthestructure,workingprincipleandcontrolcharacteristics,thispaperproposesafixedlengthshearproductionlinebasedonprogrammablecontrollerPLCcontrolsystem.ThesystemwithPLC（programmablecontroller）ascontrolcore,steelplatelengthmeasurementbyphotoelectricencoder,photoelectricpulsesignaloutputandthespeedwithacertainrelationship,throughthePLChigh-speedcounterrecordsthenumberofthepulsewithindirectmeasurethelengthofthesteelplate,forsteelplatelengthreachesthepresetvalue,inthehighspeedcountermainmotorbrakeandshearpower,namelytherealizationoffixedlengthcutting.
KEYWORDS：
fixed-lengthcutting,PLCprogrammablecontroller,photoelectricencod
第1章绪论
1.1课题背景和目的意义
定长剪切机是一种精确控制板材加工尺寸，将大型板块进行定长剪切的设备。
传统定长剪切机采用继电器作为控制器件，其控制系统较复杂，参数改变不灵活，大量接线使系统可靠性降低，维修率高，降低了生产效率。
PLC以其灵活性、快速性、可靠性和性价比高等特点越来越受到企业或者团体设计者们的欢迎，在各行各业的应用非常广泛。
用PLC替代继电器设计剪切控制系统，具有操作简单，运行可靠，抗干扰能力强，编程方便，控制精度高的明显优势。
基于以上PLC特点，本课题主要研究如何应用FX2NPLC设计一个薄钢板定长剪切控制系统，设计的关键是如何提高定长剪切的精度。
1.2设计现状及发展趋势
随着我国经济的持续高速增长，社会对各类板材的需求量不断增长，对板材加工的精度提出了更高的要求，人们希望能够精确对板材进行定长切割。
另外，随着企业之间的竞争日益加剧和人力资源成本的上升，厂家为了在竞争中占据有利地位，除了保证板材加工的精度外，对板材加工的效率也提出了更高的要求。
钢板剪切的主要设备是剪切机，而普通剪切机存在诸多不足。
（1）加工精度不高
造成加工精度不高的主要原因，一方面是加工尺寸由操作人员用普通钢尺手动测得，精度难以保证；另一方面采用异步电动机带动链条传动机构，这样不仅定位精度低，而且易造成剪切面的机械偏差，这种偏差随加工板材宽度增加而加大。
（2）操作繁琐，容易出错
剪切机需要人工操作，剪切动作的控制需人工完成，占用人力资源，也容易出错。
（3）能耗大，效率低
剪切机的动力系统一般使用普通异步电机，在剪板过程中不断启停，能耗大、效率低。
基于上述情况，面对板材生产加工企业迫切需要高精度、高效率的生产设备，在可预见的未来，剪板机发展趋势和需求方向是：
一些资金雄厚的企业，出巨资购买全新数控剪切机；相当一批中小企业没有足够的资金，希望通过对原设备的技术改造来满足要求。
对普通剪切机或传统自动剪切机升级改造，提高工作效率和剪板精度，降低能耗，这方面有较大的市场需求。
PLC一直以来为各种工业设备提供了非常多的控制功能，不断完善和扩展的网络功能，朝着高性能小型化发展。
用可编程序控制器进行控制，省去了如继电器之类的固体电子器件，简化了繁杂的硬件接线线路，使控制具有极强的的柔性和功能的可拓展性；同时可编程序控制器具有性能稳定,工作可靠，操作简单，调节方便，自动保护等特点。
1.3PLC控制系统设计的原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量为目的的。
PLC系统设计应遵循以下原则。
（1）满足要求原则
最大限度的满足被控对象的控制要求是设计控制系统的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。
（2）安全可靠原则
控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，对设计控制系统来说至关重要。
为了达到这一点，要求在系统设计、器件选择和软件编程上全面考虑。
例如，在设计上应该保证PLC程序不仅在正常条件下能正确运行，而且在一些非正常情况下也能正常工作。
系统应该具有能接受并且只能接受合法操作，对非法操作程序能予以拒绝的能力。
（3）经济实用原则
经济实用也是系统设设计的一项重要原则，这就要求不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护既方便又低成本。
（4）适应发展原则
控制系统的要求也一定会不断的在提高和完善。
在控制系统设计时，要考虑今后的发展和完善，这就是要求选择的PLC机型和输入/输出模块要能适应发展的需要，要适当留有发展余量。
1.4方案论证
方案一：
在剪板机刀口后面安装一个接近开关，当钢板经过夹送辊，通过刀口到达预定位置，接近开关检测到钢板头已经到达就启动刹车系统停车，并发送信号给PLC，PLC发送信号启动冲压系统将钢板剪切。
改变接近开关距离刀口的长度就能够方便改变要剪切钢板的尺寸。
此方案的好处是原理简单，安装和维护方便，编程较容易。
不足的是，钢板的长度只有到达位置和没有到达位置两种粗略状态，系统不能够监测实际尺寸跟设定参数差距值，因此使PLC控制电机运转幅度不好把握，很难得到预想结果，造成误差较大。
方案二：
针对方案一显现的不足，可用旋转光电编码器测量实际的钢板尺寸，安装光电编码器和夹送辊同轴，根据夹送辊的周长和旋转数据能方便地计算出钢板经过夹送辊的尺寸，将检测数据以脉冲形式反馈到PLC进行处理存储。
当检测到钢板尺寸与设定值一致，PLC启动冲压系统将钢板剪切。
本方案的优点是，在不掉电情况下，计数器能够记录钢板的尺寸参数，控制精度比方案一较高。
相对方案一，方案二取消了接近开关，使用了旋转增量式光电编码器，成本上较有上升，编程也较复杂，但其控制精度较高，且成本在可承受范围内，性价比比较高，总体来说比方案一好。
本设计采用方案二。
第2章系统总体设计
2.1系统控制要求
本设计的薄钢板定长剪切控制系统要达到以下控制要求：
（1）待切材料从左向右牵引电动机前行，光电编码器信号用来测量牵引的长度，待牵引长度达到预先设定的数值时，电动机制动且剪切机动作。
（2）通过PLC高速计数器控制指令和光电编码器实现精确定长切割。
2.2系统结构及工作原理
钢板定长剪切生产线由开卷机、校平机、剪切机和堆垛机四部分组成，如图2-1所示。
钢卷经校平机压平，按照给定剪切长度定位后，剪切机将钢板剪切成成品，再由堆垛机的皮带输送入框堆垛。
开卷机无电机驱动，采用电磁抱闸制动；校平机采用异步电机M1驱动，经皮带减速后由传动箱将运动传递给各主动辊，上下辊的压紧力由分布在四角的四个螺栓施加，用于测量钢板长度的光电编码器经传动连接在最后一根测长辊侧；剪板机采用下传动式剪板机，由异步电机M2驱动,通过控制M2正反转来控制剪切机构的上下运动；堆垛机由输送带和料框组成，输送带由异步电机M3驱动。
图2-1钢板定长剪切生产线结构示意图
工作原理：
待切材料从左向右牵引电动机前行，光电编码器通过测量电动机M1的转速，输出与转速成一定关系的脉冲信号，通过PLC高速计数器记录脉冲的个数用，间接测量出牵引的长度，待牵引长度达到在高速计数器中预先设定的数值时，电动机制动且切刀动作，即实现定长切割。
第3章系统硬件设计
3.1光电编码器
3.1.1 光电编码器的原理
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号[6]，其原理示意图如图3-1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
图3-1 光电编码器的原理图
3.1.2 光电编码器的选型
在光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。
（1）分辨率，光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。
根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在500～6000PPR的增量式光电编码器，
（2）精度，精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。
（3）输出信号的稳定性，编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。
影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。
（4）响应频率，编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。
（5）信号输出形式，推挽式输出方式由上下两个NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。
电流通过输出侧的两个晶体管向两个方向
流入，并始终输出电流。
因此它阻抗低，而且不太受噪声和变形波的影响，主要应用领域有自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
下表3-1是EPC-755A型光电编码器的主要参数。
表3-1 EPC-755A型光电编码器的主要参数
主要参数
参数说明
输入电压
0～70℃和0～85℃时为4.75～28.0VDC
0～100℃时为4.75～24.0VDC
输入电流
最大无负载电流为100mA
输入波动
在0～100KHz时，峰—峰之间为100mV
输出波形
增量式，正交输出，当转轴顺时针旋转时，A通道的方波领先B通道
输出电路
推挽输出每通道最大驱动电流20mA，
基准脉冲
每转一周输出600个脉冲。
频率响应
标准10KHz，可选高达1MHz。
抗干扰性
经IEC801-3测试，符合欧洲标准。
分辨率
1-10000PPR
精度
200～1999PPR：
0.017º（1.0弧度分）之内（机械角度）
2000～3000PPR：
0.01º（0.6弧度分）之内（机械角度）
3000PPR以上另附加插值误差0.005º（机械角度）
光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，它是通过电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。
光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的。
旋转编码器分为绝对式和增量式两种，绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或循环码（格雷码），通过接收器将该数码送入计算机。
绝对式编码器常用于检测转角，若需得到转速，必须对转角进行微分处理。
增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅。
光电编码器的光栅盘与电动机同轴，电动机转动时，光栅盘与电动机同速旋转，经过发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理如图所示。
通过计算每秒钟光电编码器输出脉冲的个数就能得到当前电动机的转速，此外为判断旋转方向，光栅还可以提供相位差90°的双向脉冲正交信号。
增量式光电编码器输出两路相位相差90°的脉冲信号A和B，当电动机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90°，经逻辑电路处理后形成高电平方向信号；当电动机反转时，脉冲信号A的相位滞后于脉冲信号B的相位90°，经逻辑电路处理后的方向信号为低电平。
因此根据超前和滞后的关系可以确定电动机的转向，转向判别的原理如图3-1所示。
图3-2区分旋转方向的A、B两组脉冲序列
3.1.3 光电编码器脉冲数计算
为方便计算，采用1:
1的同步带将测量辊的转动传动给编码器，即编码器的转数与测量辊的转数相同。
通过测量编码器的脉冲数即可测量钢板的长度，在剪切定长钢板时，通过以下公式即可计算出定长钢板所对应的编码器脉冲数：
式中n——校平机辊子（编码器）旋转的转数；
L——钢板长度；
R——测量辊子半径；
N——长度为L的钢板对应的光电编码器脉冲数。
3.2PLC简介及控制原理
3.2.1PLC定义
PLC可编程序控制器：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
3.2.2PLC的构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
3.2.3CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
3.2.4I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，
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