自动剪切生产线的plc控制系统设计.docx

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自动剪切生产线的plc控制系统设计

编号

淮安信息职业技术学院

毕业论文

题目

自动剪切生产线的PLC控制系统设计

-软件设计

学生姓名

学号

系部

电气工程系

专业

机电一体化技术

班级

指导教师

顾问教师

摘要

自动剪切生产线用于将金属卷料加工成一定尺寸的板料,可同时将板料冲压成形,有效地提高了产品的加工精度及生产效率,提高了生产过程的自动化程度,适合较大规模生产,具有十分广阔的应用前景。

本课题设计了自动剪切生产线的PLC控制系统,主要工作集中在：

一、介绍自动剪切生产线的组成及工作原理。

整个生产线由开卷机、送料机和冲床三部分组成。

开卷机由变频器驱动；送料机由伺服电机驱动；冲床对板料冲压成形。

二、根据生产线的工艺流程,设计其控制系统。

对PLC、变频器、伺服驱动器/伺服电机及触摸屏等设备进行选型；三、根据生产工艺要求,设计控制程序,包括触摸屏画面和PLC程序。

四、完成系统的总体调试。

系统正常运行时,送料长度在触摸屏上设置,PLC根据设定值计算出脉冲数后,向伺服驱动器发送,控制伺服电机送料,从而实现精确的伺服定位。

确保了送料机高精度和高效率地送料,定位精度达到1m±0.01mm,完全满足实际要求。

关键词：

可编程序控制器；伺服驱动器／伺服电机；变频器：

触摸屏

Abstract

Automaticshearingproductionlineusedformetalcoilprocessingintoacertainsizeofsheetmetal,butatthesametimethesheetmetalstamping,effectivelyimprovethemachiningprecisionandproductionefficiencyofproducts,andenhancetheautomationoftheproductionprocess,suitableformassproduction,hastheverybroadapplicationprospects.ThistopicdesignthePLCcontrolsystemofautomaticshearingproductionline,themainworkisin:

a,introducesthecompositionandworkingprincipleofautomaticshearingproductionline.Thewholeproductionlineconsistsofdecoiler,feederandpressofthreeparts.Uncoilerdrivenbyfrequencyconverter.Feederdrivenbyservomotor;Punchinsheetmetalstampingforming.Second,accordingtotheproductionprocessflow,designthecontrolsystem.OfPLC,frequencyconverter,servodriver/servomotorselectionandtouch-screendevicessuchas;Third,accordingtotheproductionprocessrequirement,designthecontrolprogram,includingtouchscreenandPLCprogram.Fourth,completesystemoveralldebugging.Systemnormaloperation,thefeedlengthsetthetouchscreen,PLCpulsenumberaccordingtothesetvaluecalculated,aftersendservodriver,servomotorcontrolfeeding,soastorealizepreciseservopositioning.Ensuresthatthefeedingmachine,highprecisionandhighefficiency,precisionreaches1m+/-0.01mm,fullymeetthepracticalrequirements.

Keywords：

PLC；ServoDriver／ServoMotor；FrequencyConverter；TouchPanel.

第一章绪论

1.1课题研究背景

随着我国工业技术的飞速发展，对金属板料的剪切生产有了越来越高的要求，生产过程控制系统的高度自动化要求、产品的质量精度要求越来越高。

但是许多企业中传统的生产设备由于元件更新、设备陈旧和技术落后等原因致使实际生产过程经常发生一些故障，灵活性差，加工精度和生产效率并不高，许多配件由于达不到所需的生产要求而成为废品，给企业带来诸多不便与损失，严重影响了其经济效益和生产效益，也给社会造成资源的严重浪费。

而国外的剪切控制系统价格昂贵，为了在激烈的市场竞争中占据有利地位获得较好的竞争力和经济效益，研制出具有更高自动化程度的自动剪切生产线对于提高我国自动化水平、改变生产落后的局面有着重要的实际意义，同时提高剪切精度和效率，也可以提高生产能力，扩大生产规模，降低工人劳动强度，提高产品质量，适应产品在国际市场的竞争需求。

本课题题的目的就在于设计一套具有较高自动化水平的剪切自动生产线控制系统------基于可编程序控制器（PLC）控制系统。

基于PLC的伺服控制系统具有定位精度高、响应速度快、抗干扰能力强和运行平稳等优点，能准确地实现用户设定的送料长度，提高生产过程的自动化程度和产品的综合性能，满足各个高精度产品生产厂家的要求，具有十分广阔的应用前景。

1.2自动剪切生产线国内的现状

我国以前生产的剪切系统电气控制普遍采用交流接触器和继电器进行控制，经过长期使用电器元件老化，触点烧损，造成设备故障频发。

在维护中由于线路接点多，元件更新，许多故障不能及时处理，给企业生产带来诸多不便。

随着电子和信息技术的发展，PLC技术也获得了长足进步。

许多企业为了提高剪切的效率与精度，开始对设备进行技术改造，运用PLC、变频控制、伺服系统、触摸屏、网络控制等技术提高系统的可靠性和精度，提高设备现代化技术水平，以适应市场经济带来的挑战。

1.3自动剪切生产线国外的现状

国外的自动剪切系统经过多年的发展，功能越来越齐全，操作也越来越方便。

意大利葛氏巴利尼机械制造股份公司研制的闸式剪板系统，具有良好的强度、刚度和精度保持性；集成式液压系统伺服驱动，极大地提高了机床运行的可靠性；根据被剪板料的材质、厚度和剪切强度，自动调整剪切角度、剪切行程、刀片间隙和后挡料位置；可配备前送料系统或后托料系统或后托料装置，集送料、卸料于一体，有效地提高了设备的自动化程度。

德国博士公司研制的LB13QUICK型角剪系统，是具有两个工位的多功能角剪机，主工位的剪切角度为90，辅工位则可对板材进行冲孔或冲切。

1.4自动剪切生产线的发展前景

随着国外剪切生产线技术由专用型封闭式向通用型开放式发展，剪切系统必将实现控制智能化、体系开放化、驱动数据化、通信网络化、设备运行的高速化和加工高精化。

主要体现以下几点：

（1）高精度性：

极大地提高了产品剪切的精度，使产品实物尺寸趋于一致，方便用户使用。

（2）可靠性：

系统的保护功能可靠，延长了设备的使用寿命，减少系统故障停机时间。

（3）快捷性：

操作简单，提高了企业的劳动生产率。

（4）自动化：

采用工控计算机，提供了良好的人机交互界面，并且参数设定与修改、系统报警与清除和重要数据保存与显示等都得到了极好地解决，降低了操作人员的劳动强度。

（5）易用性：

该控制系统操作灵活，使用方便，可靠性高，具有极大的推广应用价值。

[1]

1.5论文简介

本文研究了一套具有较高自动化水平的自动剪切生产线的控制系统，主要完成以下内容：

（1）生产线的总体分析。

主要对生产线的介绍，国内外的现状及发展的前景进行介绍。

（2）自动剪切生产线的组成及原理。

主要对生产线的组成，各组成机构的作用，机工作原理进行介绍。

（3）自动剪切生产线的硬件设计。

主要针对生产线的硬件部分进行设计，使其能够实现要求。

（4）自动剪切生产线的软件设计。

主要针对生产线的软件部分进行设计，如PLC编程，触摸屏组态等。

第二章自动剪切生产线的整体方案设计

随着高精度机械产品的不断发展，对产品所需配件的加工精度和生产效率的要求越来越高。

传统的生产设备由于种种原因已经不能满足其生产要求，因此在工业生产中高精度自动剪切生产线的应用越来越广泛，实现了产品的自动开卷、定长送料和自动剪切，有效地提高了产品的加工精度及生产效率，提高了生产过程的机械化和自动化程度，适合较大规模生产，具有十分广阔的应用前景。

2.1自动剪切生产线的组成

自动剪切生产线用于将金属卷料加工成一定尺寸的板料，由开卷机、送料机和冲床三部分组成，如图2．1所示。

[2]

图2.1自动剪切生产线的组成结构图

（1）开卷机包括开卷轴、保持器和弧形托起器。

开卷轴由变频器驱动的电动机带动，可主动放料也可收回卷料（电动机的正反转）。

保持器在开卷机转动时压住卷料，避免卷料松动。

弧形托起器托起已展开的卷料，避免其触地。

（2）送料机包括折压器、送料压辊、控制面板、控制手柄组成。

通过伺服驱动器/伺服电机驱动送料压辊旋转，对物料进行加工，使物料更加平整的进入冲床机构。

（3）冲床包是由电机带动的主运动，对物料进行冲压、剪切，是生产线的最后一道工序。

（4）可在冲床后接一段皮带传送机进行码垛。

[3]

2.1.1开卷机

开卷机是金属板料开卷的专用设备，可以根据需求组成开卷、校平、剪切的生产线和其他板材制品的生产线，广泛应用于汽车、集装箱、家用电器、装饰等行业。

在本控制系统中，开卷机作为上料的初始端，在结构上采用悬臂式的开卷机，其优点是刚性好，开卷张力大，同时可以更具实际卷料的重量使用辅助装置增加稳定性。

开卷机主要由开卷轴、保持器和弧形托起器等部件组成。

开卷轴由变频器驱动的电动机带动，负责将卷料展开。

为了避免送料机工作时对已展开的卷料产生较大的张力以及对机械设备造成损伤，开卷机先预放一定长度的料，起到缓冲的作用。

在装料和卸料过程中，开卷轴的轴筒可以扩张和压缩，涨缩范围为465"-"515mm，其动作由电磁阀控制。

保持器在开卷机转动时压住卷料，避免卷料松动。

弧形托起器托起已展开的卷料，避免其触地。

设备上装有上、下两个光电开关，当卷料位于上光电开关之上时，变频器高速运行，控制开卷机高速放料；当卷料位于上、下两个光电开关之间时，变频器低速运行，控制开卷机低速放料；当卷料足够长以至于挡住下光电开关时，变频器停转，同时开卷机停止运行。

2.1.2送料机

送料机构主要由机架、送料辊和传送机构组成。

该环节是将固定长度的料板送到下一个环节进行剪切，上下辊轮均由伺服电机通过高精度的减速机、齿轮箱、精密联轴器连接在一起，从而保证送料的精度！

上送料辊轮固定在一个可升降的横梁上，该横梁由油缸带动升降，从而根据板料的厚度调节上辊轮的升降，其他辊轮组的作用就是增强了央送辊的刚性，能保证送料辊面与材料面有较大的接触面积，使送料更加地平稳，从而提高了送料精度。

该送料系统做间歇运动。

因为，当进行剪切时必须完全停止送料，才能保证送料精度和刀具不被损坏。

具体由伺服电机进行控制，当送料长度到达设定值时，伺服电机停止运转，送料辊伦停止送料，然后冲床动作，剪切板料。

2.1.3冲床

冲床完成对送料的剪切及冲压成型，是整个生产线的最后一道工序。

设备主要部件曲轴、齿轮、传动轴等部位均经硬化热处理后在研磨加工都有很高的耐磨性，长期性能稳定，确保了高精度稳定的要求。

采用了区别于传统的刹车器，离合器/刹车器的组合装置具有很高的灵敏度，再加上国际高端设备通用的双联电磁控制阀以及过负荷保护装置，确保了冲床滑块高速运动及停止的精确与安全性。

其操作按钮为双手操纵，当用双手同时按住两方的按钮时，滑块启动。

在下降行程的过程中，如果手离开按钮，滑块立即停止运转，这样可避免操作人员双手进入危险区。

连续冲压时，双手按按钮时间应大于3秒钟，以确认连续冲压动作。

工作台两侧设有光电保护装置，用以保护人身安全。

在滑块的下行程期间，当光电保护装置发出的光束被手或其它东西隔断时，滑块立即停止运行并保持事故状态，起保护作用。

冲床上装有多组凸轮开关，是由行程开关和凸轮片组合而成从而控制冲床动作的一种微动机械装置。

两只180度凸轮片及一只行程开关共同组成一套控制装置，通过两只凸轮片组成角度来控制行程开关的通断，从而控制冲床所需动作的位置。

凸轮开关将冲床位罱转化为电信号作为输入信号提供给PLC。

PLC根据这些信号，协调开卷机、送料机和冲床三者的动作，最终使整个生产线能够协调运行。

[4]

2.1.4码垛

冲床剪切好的板料由传送带送至固定地点进行码垛，落入码垛槽内一端的气缸动作伸出，整理板料。

节约人力资源，大大的提高了自动化水平。

2.2自动剪切生产线的优点

（1）该生产线采用西门子的PLC，伺服驱动器、伺服电机，开环控制系统。

保证了每道工序的精度要求。

（2）具有自动化程度高、校平质量好、剪切精度高、生产效率高、性能稳定可靠、操作维护方便等特点。

（3）冲床机身采用焊接结构，刚性好。

滑块采用六面长导轨，导向精度好。

（4）冲床曲轴纵放，传动齿轮置于机身内并浸入油池，造型美观，结构紧凑，齿轮传动工作条件好，并大大降低其噪音。

（5）冲床采用组合多片的湿式气动摩擦离合器和制动器，结构紧凑，传递平稳，动作灵活，接合噪音小，使用寿命长，安全可靠。

（6）滑块内装设液压过载保护装置，如遇叠片误冲发生过载时，立即卸荷，从而保护冲床不致受损，一旦故障排除，过载消失，自行复原，冲床又重新工作。

[5]

第三章自动剪切生产线的硬件设计

3.1自动剪切生产线的硬件组成结构

控制系统主要由PLC、伺服驱动器／伺服电机、变频器、触摸屏、光电开关和电

磁阀等硬件组成，结构如图：

图3.1自动剪切生产线的硬件组成结框图

（1）控制面板：

它允许用户查看并操作基本的系统设置和控制，比如添加硬件，添加/删除软件，控制用户帐户，更改辅助功能选项，等等。

（2）触摸屏：

用来进行参数的设定和相关动作的控制，同时将设备的动作信息反馈给用户。

通过触摸屏，用户可以方便的看到控制系统当前的工作状态。

为用户提供良好的人机交互界面。

（3）控制手柄：

进行手动控制

（4）PLC：

获取各种外部输入信号以控制伺服电机的运转，是整条生产线能够按要求协调动作，从而满足生产控制要求。

（采用西门子cpu226的PLC）

（5）伺服驱动器及伺服电机：

PLC和伺服驱动器进行通信，以控制伺服电机的转动位置及速度，可以提高很大的精度。

（6）变频器：

在变频器上设置参数，接受来自PLC的信号，根据控制要求控制交流异步电动机的转速。

（采用MM440）

（7）光电开关、行程开关、电机设备：

接受外部信号、驱动外部设备。

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3.2自动剪切生产线的PLC的外部连接

3.2.1PLC的型号选择

我们采用西门子CPU226的PLC，因为S7-200是一款适用于机器以及工厂中开环和闭环控制任务的小型PLC。

它可以最低的成本，实现最大的自动化性能。

S7-200的应用范围广泛，从取代继电器和接触器，到单机模式、组网以及分布式组态中处理复杂的自动化任务。

为节省成本，许多以前需要使用专用电子装置的应用场合也逐渐转向使用S7-200。

西门子CPU226，具有24个输入、16个输出，共计40个数字量I/O点，13KB程序和数据存储空间。

它可以连接7个扩展模块，最大扩展248路数字量I/O或35路模拟量I/O点，这也有高速计数器和高速脉冲输出端，同时增加了通讯口的数量，通讯能力大大增强！

S7-200有两种操作模式：

停止模式和运行模式。

CPU面板上的LED状态灯可以显示当前的操作模式。

在停止模式下，S7--200不执行程序，可以下载程序和CPU组态。

在运行模式下，S7-200将运行程序。

S7-200提供一个方式开关来改变操作模式，可以用方式开关（位于S7-200前盖下面）手动选择操作模式：

当方式开关拨在停止模式，停止程序执行；当方式开关拨在运行模式，启动程序的执行；也可以将方式开关拨在TERM（终端）（暂态）模式，允许通过编程软件来切换CPU的工作模式，即停止模式或运行模式。

如果方式开关打在STOP或者TERM模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会自动进入STOP模式。

如果方式开关打在RUN模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会进入RUN模式。

集成式2V编码器/负载电源:

用于直接连接传感器和编码器。

具有400mA输出电流，它也可用作负载电源。

2种型号：

带多种电源和控制电压内置数字量输入/输出：

24个输入和16个输出。

2个通讯接口：

作为PPI接口，用于编程功能、HMI功能（TD200、OP），S7-200内部CPU/CPU通信（9.6/19.2/187.5kbps），或作为MPI从站，用于和MPI主站（S7-300/-400、OP、TD、按钮板）进行数据交换。

用户可编程接口（FreePort），带中断能力，用于和非西门子设备进行串行数据交换，可将PC/PPI电缆用作为RS232/RS485适配器。

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3.2.2PLC的外部连接

图3.2PLC的外部连接框图

3.3变频器外部连接

3.3.1变频器型号的选择

我们采用的是西门子MM440。

因为在变频器领域，也存在着一些难以控制的东西。

直到西门子功能强大的变频器问世之后，情况才有了改观。

MICROMASTER440是专门针对与通常相比需要更加广泛的功能和更高动态响应的应用而设计的。

这些高级矢量控制系统可确保一致的高驱动性能，即使发生突然负载变化时也是如此。

由于具有快速响应输入和定位减速斜坡，因此，甚至在不使用编码器的情况下也可以移动至目标位置。

该变频器带有一个集成制动斩波器，即使在制动和短减速斜坡期间，也能以突出的精度工作。

HMI纯文本面板简化了操作，并支持使用多种外国语言，动态驱动和制动，具有各种控制和制动类型，具有通讯功能，各种通讯接口可确保能够用于最常见的网络应用。

MM440的特点：

（1）丰富的控制功能。

通过P1300参数可以选择从V/F控制到带传感器的矢量控制VC等12种不同特点的控制模式，适用于恒转矩、变转矩等各种性质负载，满足各行业的驱动控制要求。

（2）强大的通讯功能。

利用Profibus通讯可选件，可以将MM440接入开放的、高速（12Mb/S）的DP网，实现性能更佳、精度更高的通讯控制。

自由功能模块和BICO技术。

MM440继承和吸收了6SE70工程型变频器的许多优良特点，其中最具实用性的是具有区别一般通用变频器的自由功能模块和BICO技术，利用丰富的自由功能模块和灵活的BICO技术，可方便地实现各种不同目的的组态设计，完成复杂控制设计的要求；

丰富的停车和制动功能。

MM440具有3种停车方式，即按斜坡减速停车（OFF1）、惯性停车（OFF2）快速停车（OFF3）。

3种制动功能，即直流制动、复合制动、动力制动（须外接制动电阻，75kW以下已内置制动单元）。

停车方式和制动方式的灵活配用，可适应不同机械惯性负载的要求。

3.3.2变频器外部接线

图3.3变频器外部接线图

3.4自动剪切生产线触摸屏型号的选择

我们采用西门子TP170B触摸屏十分坚固，可满足工厂级应用前端防护等级为IP65/NEMA4、高EMC和高抗振性，使得SIMATIC操作面板非常适合于恶劣工业环境下的机器设备。

其在诸多领域应用中的广泛认可即证明了这一点。

第四章自动剪切生产线系统软件设计

4.1自动剪切系统用到的软件

4.1.1PLC编程软件

该系统运用的PLC编程软件是STEP7-Micro/WIN32,STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专为SIMATICS7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。

下面将介绍该软件的安装、基本功能以及如何应用编程软件进行编程、调试和运行监控等内容。

4.1.2触摸屏组态软件

该系统运用的触摸屏组态软件是WinCCflexible，德国西门子（SIEMENS）公司工业全集成自动化（TIA）的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI软件。

WinCCflexible用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。

通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展；“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。

[8]

4.1.3变频器调试

一、对于440变频器的调试应首先确认变频器的一些初始状态，在确认好电动机与变频器的连接后，利用内控先用操作器来控制电动机转动，首先需要设置以下参数：

P0003=3，P0700=1，P1070=1050。

设置完成后，可以把操作权交给操作器来手动操作。

二、在第一步顺利完成后，应首先对电动机做快速调试，只有在这种模式下才可输入电机参数，而做好快速调试有利于变频器对电机参数的计算与优化，但快速调试的前提是变频器的另一端是空电机，如联有机械部分有可能造成变频器对电机模型计算的不准确，快速调试步骤如下：

　　P0003=3P0004=0P0010=1（启用快速调试）

　　P0100=0P0205=0P0300=1

　　P0304=电动机额定电压P0305=额定电流P0307=额定功率

　　P0308=功率因数P0310=额定频率P0311=额定转速

　　P0335=0P0640=过载倍数P0700=2（选择命令源）

　　P1000=2P1080=0P1082=50

　　P1120=10P1121=10P1135=5

　　P1300=0线性V/F控制P1500=0P1910=1

　　P3900=1

三、快速调试过后根据电机有无编码器还有变频器所控制的电机的数量来选择对电机的控制方式（P1300）。

再把P1070设置为755，也就是选择由模拟量输入1来控制电机的速度给定，根据操作台电位计的实际情况来选择端子上的ADC1与ADC2两个开关，0－10V打成OFF，0－20mA打成ON。

如果选择第5口数字输入DIN1为给定允许的话，将P0701=1，选择有了速度给定后电机的运行方式为接通正转，这样就实现了变频器速度的远程控制。

对于点动的控制应首先根据设计中点动所对应的数字输入的端口，来选择P701－P708之间所对应的数字输入的端口的参数，例如：

端子的7和8口为正点与反点，应把P703=99