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完整版学生毕业设计
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13535密码：
030315
毕业论文
论文题目：
基于PLC的U型板折板机控制系统
学位申请人
：
贾琪
学科专业
：
机械设计制造及其自动化
指导教师
：
答辩日期
：
独创性声明
本人声明所呈交的毕业论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
毕业论文作者签名：
日期：
年月日
毕业论文版权使用授权书
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保密□，在年解密后适用本授权书。
不保密□。
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毕业论文作者签名：
指导教师签名
日期：
年月日日期：
摘要
U型折板机能把金属材料折成U形，并且拥有加工动作快捷、加工精度高、一次成型等特点，所以普通型材加工厂经常使用U型折板机作为加工设备，还普遍运用于机床、汽车、建筑行业。
体积太大、维护困难、线路复杂是传统控制方式的弊端，而PLC通用性强、外界线路少、体积小、编程简单、易于维修、可靠性高。
本次设计就是围绕这些进行PLC控制设计，首先介绍结构组成、加工工艺跟工作原理，相应的控制程序也是根据控制要求设计的，控制程序包括：
复位操作、单步加工控制、单周期跟误操作的禁止四个环节正是因为上述优点，所以越来越多设备当中应用PLC技术。
关键字：
U型折板机、PLC控制、气动系统
Abstract
U-shapedflapfunctionofthemetalmaterialfoldedintoaU-shape,andfast,machining,molding,etc.,sotheordinaryplantsoftenuseaU-shapedprofilefoldingmachineasaprocessingdevice,alsocommonlyusedinmachinetools,automotive,constructionindustry.Toobulkyanddifficulttomaintain,circuitcomplexityarethedrawbacksoftraditionalcontrolmethods,andPLCversatility,fewoutsidelines,small,simpleprogramming,easymaintenance,iscarriedaroundthesePLCcontroldesign,firstintroducedthestructureandcomposition,processworkswiththecorrespondingcontrolprogramisbasedonthedesignofthecontrolrequirements,controlproceduresinclude:
resetoperation,single-stepprocesscontrol,single-cyclewithmisuseitisbecauseofthesefourareasisprohibitedbit,somoreandmoredeviceswhichusePLCtechnology.
Keywords:
U-typefoldingmachine,PLCcontrol,pneumaticsystem
1引言6
1.1PLC的课题背景7
1.2PLC的构成7
1.3PLC简介7
2.气动系统设置
2.1基本气动模块的组成8
2.2电气动模块工作原理10
2.2电气动模块工作过程10
3.PLC的硬件系统设计12
3.1PLC设备选择12
3.2IO分配12
3.3控制系统工作流程图12
3.31复位操作14
3.32单步加工控制14
3.33单周期控制14
3.34误操作时动作的禁止14
3.4PLC控制程序图14
4安全保护模块设计14
4.1光栅安全保护构成15
4.1.1对射式红外传感器TX05C15
4.1.2CC4068集成电路16
4.1.3TLP521光电耦合器17
5结束语19
答谢辞20
参考文献20
引言
工业控制的各个领域中得到广泛应用的就是可编程，可编程的重要作用就是实现工业生产的自动化。
虽然产品的智能化技术跟出产过程已经比较成熟，但是新世纪的科技依然飞速发展，使PLC的发展前景依然不可限量。
中小型规模型材加工厂需要生产效率高、安全性高、工作性能稳定、操作简单方便、设备便宜的机械来满足分批加工的需求，PLC控制的U型板在现代化的工业生产中很好的满足的这一点。
U型折板机能够一次成型，因为其加工动作快捷和加工精度高。
它被大量运用于机床、汽车还有建筑行业就是因为这些优点。
U型折板机的构成由模版、安全光棚、操作盘、左右折板、气压机构、限位开关等组成。
1.1PLC的课题背景
在早起的工业生产过程中，都是通过气动或者电器控制系统控制需要按照逻辑条件进行顺序动作的大量开关量的顺序，连锁保护动作的控制需要按照逻辑关系控制，及大量离散量的数据采集等。
不过在1968年美国GM公司提出研究能更替代继电器控制装置的要求，并面向全世界招标，第二年，第一代可编程序控制器基于集成电路跟电子技术的控制装置，也就是—ProgrammableController（PC），第一次用于电器控制的程序化技术，被美国数字设备公司（DEC）研制出来了。
二十世纪80年代到90年代中期被称为PLC的高速发展时期，在一些运用上在控制系统处于统领位置的DCS系统被渐渐进入控制系统领域的PLC替代，PLC计算数字能力、人机接口能力、网络能力和处理模拟量能力大幅度提高，PLC平均年增长率一直维持在30-40%，这些是其在一些领域替代DCS系统的关键所在。
过去的时代，我们看的得在各种场合控制继电器连接的场面。
现在只有低端的简单设备或者控制模块才会使用的继电器。
而PLC其超级稳定的硬件穿插灵活的软件控制，是跨时代的科学，是自动化的一个新纪元。
人们看到了自动化与产品品质的保证，带来极大的便利，在生产实践中的同事，减少了劳动强度，减少人员配备上。
在许多复杂的生产过程中，熟练的操作工、管理人员、技术人员或者专家能够很容易的获得满意的效果。
例如实现整体优化、控制目标的实现、最佳决策。
研究的目标是利用人工智能计算机来实现，模拟这些情报的操作，通过协调人脑和计算机的工作，并结合人机模型求解非常复杂的问题，找出最佳的方式。
一路走来PLC已经可以用于各种领域的商业控制场合，使其形成了各种各样的系列化产品，到今天PLC已经成为现代自动化控制领域一个无法替代的控制设备。
各种各样的数字控制领域都使用到PLC完美的数据计算能力，当然除了逻辑处理功能。
位置控制、NCN、温度控制等这种工业控制对PLC的使用，使大量五花八门的功能单元出现。
目前钢铁、化工、建材、器械制造、轻纺、环保、石油、电力、汽车、交通运输及文化娱乐等各个行业都运用到PLC技术，所以PLC技术有着广阔的空间跟无线的潜力。
PLC组成各种各样的控制系统之所以非常容易，得利于PLC通信能力的增强跟人机界面技术的进步。
今天的工业控制领域的主要控制设备可编程控制器，在全球每个角落发挥着举足轻重的作用。
我国机械行业80%以上的设施还运用的是传统的继电器跟接触版控制，显得我国工业企业的自动化程度偏低。
PLC20世纪70年代进入中国市场，PLC在我国的运用已有三十多年国内的PLC市场还是以国外产品为主，作为离散控制的第一选择产品，PLC制造产业化可以说在我国尚未形成。
经过这些年的发展国内PLC厂家已有四十多家，应用增长快速，可惜国内没有形成具有规模的生产和产品。
1.2PLC的构成
U形折板机基本结构由模板，下限位开关，左、右限位开关，左、右折板，气压机构，安全光栅及工作平台组成，结构如图1-2所示U型折板机可以把金属材料折成图1-2a的形状，其基本结构如图1-2所示。
机器两边的模板形状不一样，所以加工出来的U型板材料的折角大小就不同。
左右的限位开关的位置决定折角的大小。
可以依据不同的生产要求，模板可以随时的替换。
被加工的金属板料放在平台上，当模板下移压紧板料后，工作平台上的左右折板在气压机构的推动下把板料加工成U型。
图1-2折板机基本结构
图1-2a加工样板
1.3PLC简介
30年可编程控制器作为通用的工业控制机计算机，实现工业控制领域的逻辑连接到存储逻辑的飞跃，追求自己的逻辑控制到字数控制的进步体现了它的功能由弱到强。
其简单的实现了运动控制、集散控制、过程控制等不同的任务。
为了适合多品种、小批量的生产情况，PLC为了缩短控制系统设计和建造的周期，大大减少了控制设备外部的接线并采用储存逻辑代替接线逻辑，也使得维护变得容易很多。
更重要的是，同样的设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
今天的可编程控制器控制设备成为主流的研究是在工业现场控制中起着重要作用。
PLC最大的特点在于：
电气工程师再也不用花费太多的精力在电气的硬件上，只需要将按钮开关或感应器的输入点连接到PLC的输入点上就能解决问题，控制高功率输出点由接触器或继电器的启动装置连接，直接连接输出功率小的设备。
电器控制设备的性能的关键是高可靠性。
PLC的可靠性很高，内部电路采用了先进的抗干扰技术，严格的制造工艺等使其成为现代大规模使用的集成电路技术。
PLC出现故障时可马上发出警告信息，因为PLC带有自我检测功能。
加上与相同领域的继电器系统相对比，开关节点及电气接线已经减少到了数百甚至数千分之一，所以就PLC的机外电路来说，将大大降低故障的产生。
如果想使系统电路和PLC以外的电路获得故障自我诊断保护应用者还可以在应用软件中编入故障自我诊断程序的外围器件。
这样就可以使这个系统具有超高的可靠性
PLC自诞生到现在，进过长时间的进步可以用于各种规模的工业控制应用，形成了大规模、中规模、小规模等各种规模的系列产品。
工矿企业的工业控制设备一般采用PLC，该方法和继电器电路图具有非常接近的梯形图语言的图形符号和表发方式，它接口容易语言程序简单明了容易被工程技术人员所接受。
就算不了解计算机原理、不熟悉电子电路跟汇编语言的人也能轻易从事工业控制。
U型折板机的组成结构、加工工艺过程跟工作原理是本次设计的重心，选用一款合适的控制器是对其气动系统进行控制是通过对U型板折板机气动系统的控制要求跟气动原理的需求分析选定的。
相应的控制程序也是根据控制要求设计的，控制程序包括：
复位操作、单步加工控制、单周期跟误操作的禁止四个环节。
2气动系统设置
2.1基本气动模块的组成
电动器模块的组成一般由电动机、单向阀、储气罐、自动排水器、冷冻室空气干燥器、压缩机、压力开关、压力表、安全阀、主管通道过滤器等组成。
整体来说是由压缩空气消耗系统和压缩空气的产生系统两个系统组成
1、压缩空气产生系统的各个组件以及他们的主要功能
1、电动机：
采用能量转换将电能转化成机械能，为压缩机提供机械能
2、单向阀：
就是让压缩空气从压缩机进入气罐，压缩机关闭后，压缩机阻止压缩空气反向运动
3、储气罐：
就是储存压缩空气。
储气罐的大小由压缩机的容量来决定，储存罐能容纳的越大，压缩机运行时间间隔就越长。
4、自动排水器：
不需要人工操作，将冻结在储气罐里的所有水排放掉
5、冷冻室空气干燥器：
把压缩空气冷却到零上，让空气中的大部分湿气凝固，从而减少空气中的水分。
6、压缩机：
把大气压力下的空气压缩并且以很高的压力输送给气动系统，从而把机械能转化为气压能。
7、压力开关：
把储气罐内的压力转化成电信号，以此来控制电动机。
压力开关被调节到最高压力时这个压力就是使电动机停止运动；被调节到另一个最低压力时储气罐内压力就会重新激活电动机。
8、压力表：
显示的是储气罐内的压力。
9、安全阀：
如果储气罐内的压力超过最大限度，将压缩空气溢出。
10、主管通道过滤器：
主管通道过滤器清除主要管道内灰尘、油和水分。
主管通道过滤器必须要具备油雾分离的功能和最小的压力降。
2、压缩空气消耗系统
1、自动排水器：
每一根下接管的最下面都应该有一个排水器，用自动排水器将残留在管道里的水自动排掉。
2、方向控制阀：
对汽缸两个接口交换的排气和加压，以此来控制运动的方向。
3、速度控制阀：
可以快捷简便的实现执行组件的无极调速。
4、压缩空气的分支输出管道：
要将压缩空气从主管道输出到分支管路，将偶尔出现的冻结水依然留在主管道里，当压缩空气到低处时，水就会传到管子的下部，从而流入排水器中，将冻结水去除。
5、空气处理组件：
可以保持压缩空气的适合压力和清洁，还有加润滑油到润滑零件中延迟这些启动组件的使用寿命。
6、执行元件：
将压缩空气的压力能转化成机械能，执行元件可以是气动马达也可以是直线气缸或者回旋执行组件
2.2电气动模块的工作原理
电气动模块一般运用三位五通电磁阀来控制，电磁阀是控制流体自动化的基本元件，而且不限于气压、液压两种，食欲执行器。
电磁阀主要用于控制空气压力的流动方向，一般工厂的机械装置全部都是由液压缸控制，所以都会用到电磁阀。
它的工作原理是电磁阀的里面有密闭的腔，在不同位置都有通孔，而且每个孔全都通向不同的气压管，阀在腔的中间，两边各有一块电磁铁，哪一边的磁铁线圈通了电阀体就会被吸引到通电的那一边，通过对阀体移动的控制来露出或者挡住不一样的排气孔，但是进气孔是常开的，所以气压就会进入不同的排气管，之后通过起的压力来推动汽缸的活塞，然后活塞杆被活塞带动，机械装置被活塞杆带动。
通过电磁铁的控制电流来控制汽缸的机械运动。
2.3电气动模块的工作过程
电气动工作模块如图2-3
工作流程：
压缩空气经过气源后被分成3路，一路到模板控制汽缸2.另外两路到右左折板控制汽缸1、3，电磁阀8的电磁线圈接通电时，压缩空气途径电磁阀8跟节流阀5到模板汽缸2上缸体，模板降低至压紧板材并在碰到ST1行程开关后停止，电磁阀8的电磁线圈JQ2-1接通电路后，压缩空气进入缸体2下缸体，而模板升高回到原位；电磁阀7、9的电磁线圈JQ1-0和JQ3-1接通电路后，右左折板汽缸1、3推进折板，直至左右限位行程开关，折板结束，材料被折成U型；电磁阀7、9的电磁线圈JQ1-1和JQ3-0接通电路后，右左折板汽缸3、1推进折板，折板恢复至原位，折板机停止折板。
图2-3
3PLC的硬件系统设置
3.1PLC设备选择
依据设计的控制要求，如图3-1PLC的操作盘要求有这几个方面：
停车跟系统开关（占一个点）、工作方式选择开关（占一个点）、用于接通或者断开PLC的电源开关（不占用输入点）、分单补位跟单周期位、一个操作按钮，手动操作跟自动操作都要使用操作按钮；一个复位按钮，如果停机时左右折板和模版不在原位，再开机时需要进行复位操作。
图3-1
不仅要上面的提到的输入元件，一个开关用于安全设计中传感器触发输入，2个限位各一个用在开关左、右折板的上折限位，一个下限位开关用于模板下移的控制，所以需要8个输入端。
输出执行元件包括折板的折回和上折模版的下移跟上移需要的电磁阀，所以需要6个输出端。
依据控制要求跟端口数量，这里选择交直流继电器型PLCS7-200cpu222acdc继电器，工作电压20.4至28.8伏直流电，它有8个输入端，6个输出端，终端需要满足控制，4096字节非在线程序编辑，在线程序编辑时4096字节，数据存储器2048字节。
该处理器具备24V直流电流，也可以外加电源根据实际情况，效果最佳的是UPS电源，要时刻保证cpu有电，因为模块输出电源的功率是有限，而且输入和输出点延伸到现场操作箱，该部分电路跟电压消耗容，易产生信号失真。
避免断电造成的事。
3.2IO分配
根据设备选择的分析，PLC的端口分配如下：
输入方面：
操作按钮I0.00，方式选择开关I0.01，复位按钮I0.02，启动停止按钮I0.03，左折板机上限位开关I0.04，右折板机上限位开关I0.05，模板下限为开关I0.06，安全保护开关I0.07.
输出方面：
模板下移Q0.00，左折板上折Q0.01，右折板上折Q0.02，左折板返回Q0.03，右折板返回Q0.04，模板上移Q0.05
输入
输出
操作按钮
I0.00
模板下移
Q0.00
方式选择开关
I0.01
左折板上折
Q0.01
复位按钮
I0.02
右折板上折
Q0.02
启动停止按钮
I0.03
左折板返回
Q0.03
左折板机上限位开关
I0.04
右折板返回
Q0.04
右折板机上限位开关
I0.05
模板上移
Q0.05
模板下限为开关
I0.06
安全保护开关
I0.07
图3-2
PLC的端口IO端口接线图如3-2
（1）所示
图3-2
（1）
3.3控制系统工作流程图
U型板折板机的核心是程序设计，程序的工作效率、操作方便性、机器使用性能的好坏关系到本次程序设计的成功与否。
所以，折板机控制系统程序设计的步骤为：
复位操作、单周期、单步加工控制和误操作的禁止等步骤。
工作流程如图3-3
图3-3
3.31复位操作
必须先启动复位操作以保证机器从正确的位置开始工作，不然不能启动机器。
模式选择开关在单步位，自然操作是禁止I0.01。
复位I0.02过程是：
首先，复位寄存器,M1.0～M1.4.然后M0.4被设置，T39在计时0.5秒后将M0.0置位，做好板料加工的准备。
Q0.03跟Q0.04都开始，两个折板开始返回。
自折板开始返回1S后，然后才让模板开始上移，避免折板跟模板相互摩擦，因此设置T41定时1秒。
T41定时1秒，模板开始上移，当折板跟模板都返回原位时，松开复位按钮复位过程完成。
3.32单步加工控制
方式开关放到单补位，常开触电I0.01断开禁止自动方式单步方式是允许的，按操作按钮I0.00ON一次输入一个移位脉冲，并且M1.0跟Q0.00都是ON。
首先，模板开始下移，然后，M0.2将M0.0复位，输入下一次位移是“0”。
当模板向下移动到下限位开关I0.06，此时模板停止下移并紧压板料，等待下操作按钮I0.00，再输入一个移位脉冲，M1.0为0FF，M1.1为ON。
这时两折板看是上折，Q0.01跟Q0.02均为0N。
折板上折到位压限位开关I0.04和I005，Q0.01和Q0.02都是OFF，折板上折停止，同时T40记时2S进行保压，2S后按下复位按钮I0.00，输入一个移动脉冲，M1.1为0FF，M1.2为ON。
因此折板机开始返回，T37进行折板返回计时。
T37计时到Q0.3和Q0.4都为OFF，因此折板返回停止。
再按下操作按钮I0.00，输入一个唯一脉冲M1.2为0FFM1.3为ON。
因此模版开始上移T38开始模板上移计时。
T38计时首先，输入一个唯一脉冲，使M1.3为0FF，M1.4为ON，则Q0。
05为0FF，模板上移停止；接着M1.4使位移寄存器复位；然后T3.8为ON将M0,0置为，为下一次加工做好准备。
3.33单周期控制
把切割好的板料放在平台上，折板跟模板都返回原位。
将方式开关放在单周期位，常开触电I0.01关闭，使SHRB位移脉冲输入点连接，然后单步运行方式被禁止。
按下操作按钮I0.01，位移第一次执行，M1.0和Q0.01均为0N，然后模板开始下移，M0.2为ON病将M0.0复位，下一次位移时位移输入为“0”。
模板下移到位压下限位开关I0.06.首先，使Q0.00为0FF，模板下移停止并压紧板料；然后输入一个移位脉冲，使M1.0为0FF，M1.1为ON，所以Q0.01跟Q0.02为ON，两折板开始上折。
当两折板上折到位，压动限位开关I0.04和I0.05，首先使Q0.01和Q0.02都为0FF，折板上折停止；然后，当I0.04跟I0.05都为ON时，T40开始计时2秒进行保压。
T40计时到输入一个位移脉冲，使M1.1为0FF，M1.2为ON，则Q0.03和Q0.04均为ON。
折板开始返回T37进行折板返回计时。
T37定时时间到，输入一个移位脉冲，使M1.2为0FF，M1.3为ON，Q0.03和0.04为0FF，折板机返回停止。
Q0.05为0N使模板开始上移，T38开始模板上移计时。
T38计时到输入一个移位脉冲使M1.3为0FF，M1.4为0N。
首先，Q0。
05为0FF模板上移停止，然后T38为ON。
将M0.0置为，为下一次加工做好准备。
最后，M1.3为ON使移位寄存器复位。
然后，加工一块板料的过程结束，下一块板料的加工与上述过程相同。
3.34误操作时动作的禁止
误操作在生产过程中将被禁止。
单步操作时误动作的禁止：
当按下才做按钮一次，在执行某步加工的过程又误按了一下操作按钮时，一个过程，不会产生误操作。
因为在每一步启动时都会按一次按钮I0.01，对应每一个步骤，分别使Q0.00、Q0.01、Q0.03、Q0.05、为0N，都会使M0.2为0N常闭触点断开。
所以在某一步运行过程中误操作按钮I0.00时，不会再输入移位脉冲，还可以避免误操作。
单周期操作时误操作的禁止：
当第一次按过操作按钮I0.00，设备启动后Q0.00为ON，M0.2为ON将M0.0复位。
由于I0.00与M0.00的常开触电串联后连接在移位脉冲输入端，在整个过程中，常开触电M0.0总是断开，不会拆生移位脉冲输入错误所以误操作按钮而产生误操作不会发生。
4安全保护模块设计
在U形板部分的生产过程中，很容易发生事故，在操作期间由于人工放料，操作员很可能由于疏忽忘记处理身体跟机器之间的距离。
从而导致事故的发生。
为了解决现有的安全风险，提高生产的安全系数。
把安全光栅安装在折板机上是必要的。
一般安全光栅都安装在靠近操作人员的折板机这一侧，并且安全光栅要安装在左、右折板之间，还要在人与模板之间。
光栅保护必须一直处于工作状态，这有这样才能当折板模板下移，左、右折板上折时，身体任何部位被光栅发出的光线击中时，折板机模板和左、右才会停止运动，防止事故的发生。
安全光栅位置图如图4-0
图4-0
4.1光栅安全保护构成
由红外感应器、CMOS集成电路CC4068、光栅旋转支架、和TLP521光电耦合器等组成安全光栅保护模块。
为了红外传感器的损坏或老话更换方便，光栅采用5块TS05C对射式设计。
5块TX05C旨在保护高度为50CM左右。
折板机需要能对折板机执行机构工作进行可靠性监控的光栅来保证系统的安全。
而TX5光栅的宽度保护距离非常完美的适合折板机的使用场合。
全部采用摇臂支架式的光栅，支架全部采用经处理的不锈钢，高强度、高高可靠性，好把光栅安装后的影响降到最低。
在生产过程中是可靠的，抗震性强，不宜松动支架，调节轻便灵活，所以支架结构设计十分合理。
为了适用于所有模具生产的要求，根据折板机工作台的大小，摇臂长度可以任意调节，并且不影响操作者工作还可以灵活调整。
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