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plc泡沫塑料切片机自动化设计

江苏城市职业学院

毕业设计说明书

（2013届）

设计（论文）题目

泡沫塑料切片机自动化设计

办学点（系）

连云港（信息工程系）

专业

机电一体化

班级

08机电（五）

学号

07

学生姓名

朱义基

指导教师

徐渠职称讲师

2013年1月7日

江苏城市职业学院教务处制

【内容摘要】随着科学技术的发展，泡沫塑料切片机在现在加工行业中应用越1717来越广泛。

本文是介绍可编程序控制器泡沫塑料切片机的结构及工作原理上，设计了一个关于PLC控制的泡沫塑料自动切片加工控制器。

主要设计自动切片控制器的硬件电路图、控制程序方框图，并对一些相关的元器件及PLC进行了选型分析和设计。

这次所设计的泡沫塑料自动切片机主要操作对象是工业中的塑料泡沫，采用的是自动化控制技术，从生产而言，基本上实现了泡沫塑料切片机在生产过程中的自动化。

与以前手工切片机相比在效率上有明显的提高.

【关键词】泡沫塑料；自动控制；切片；可编程控制器；

引言

切片机主要用于半导体材料硅、锗、玻璃、陶瓷、铌酸锂等脆硬材料的切割。

在80年代初，泡沫塑料加工行业是在西德引进了数10台W12型的切片机，用于泡沫胚料的平面切割。

它可以根据用户所要求将胚料切割成3mm至几百毫米的成品，切割后的产品主要用在包装、家具、机械、电子和医药等行业。

随着科学技术的发展，可编程控制器从无到有，在工业控制中的应用越来越广泛，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键；功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。

今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。

由可编程控制器控制的切片机在工业中也应用极广，切片机可以把大小，形状各异的同一物品切成厚度一定。

我所设计的泡沫塑料自动切片机主要操作对象是工业中所用的塑料泡沫，因为塑料泡沫在工业中有很的作用，而采用自动控制技术，提高设备稳定性和可维护性与以前手工切片相比在效率和切片厚度上有了很大的提高。

1.泡沫塑料自动切片机设计简介

1.1设计目的

主要设计了一个关于PLC泡沫塑料自动切片机加工控制器。

其重点设计了自动切片控制系统的硬件电路图、控制程序方框图，并对一些相关的元器件及PLC进行了选型分析和设计。

从生产而言，基本上实现了泡沫塑料切片机在生产过程中的自动化。

与以前手工切片机相比在效率上都明显的提高。

1.2主要内容及要求

泡沫塑料切片机的功能是把泡沫塑料切成一片片一定的厚度塑料片。

其工作原理如图2—1所示，切片过程：

先将泡沫块放在台面上，在切割开始时，使台面后移到限定的位置，接着刀架下移一定位置量并锁住，然后台面带动泡沫块一起前移到限定的位置，旋转的刀会随之切割出一片一定厚度的泡沫塑料片，台面再后移至限定的位置，同时刀架上移动到初始位置。

不断重复上述过程。

台面体积长、宽、高分别为1米、0.5米0.005米的铁块。

图1—1切片机工作原理示意图

2.PLC概述

2.1可编程控制器的定义

可编程控制器简称PC（英文全称：

ProgrammableController），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：

ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。

为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。

可编程控制器是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。

目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。

1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

　　“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”

2.2PLC的国内外状况

世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。

限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。

此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

　　20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。

最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。

接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。

目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。

上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。

此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。

可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

我国工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，按目前的经济形势分析，我国将迎来一个PLC市场高速增长的时期。

基于中国经济稳定迅速增长的现状，今后若干年内中国PLC市场将保持持续高速增长。

相关数据显示，初步估计目前在我国本土销售的PLC总量为30～40亿元人民币（不含随进口主设备配套的PLC），年增长率为15～20%。

巨大的市场需求为发展PLC业务提供了难得的历史机遇，国内有实力的自动化公司应充分利用在市场、技术、行业影响和品牌等方面的积累，大力拓展PLC业务，使国产PLC早日成为中国PLC市场的主要参与者之一。

长期以来，可编程控制器始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎立之势。

同时，PLC也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。

2.3当代PLC技术的发展要求

发展迅速，产品更新换代；开发各种智能化模块，不断增强过程功能；PLC与个人计算机（PC）结合；通信联网功能不断增强；发展新的编程语言，增强容错功能。

当代PLC技术的发展动向，美国通用汽车以用户身份提出新一代控制器应具备十大条件，这十大条件是：

1.编程方便，可在现场修改程序；

2.维修方便，最好是插件式；

3.可靠性高于继电器控制柜；

4.体积小于继电器控制柜；

5.可将数据直接送入管理计算机；

6.在成本上可与继电器控制竞争；

7.输入可以是交流115V；

8.输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀；

9.在扩展时，原有系统只要很小变更；

10.用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。

1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。

接着美国MODICON公司也研制出084控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。

1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。

1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。

我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。

进入20世纪70年代，随着微电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器就不在不局限于当初的逻辑运算了，功能得到更进一步增强。

进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。

2.4可编程控制器的分类及特点

2.4.1分类

（１）根据结构形式分

①整体式（箱体式）

②机架模块式

（2）按功能分类

①低档PLC

②中档PLC

③高档PLC

（3）按Ｉ／Ｏ点数及存储器容量分为

①小型ＰＬC

②中型ＰＬＣ

③大型ＰＬＣ

2.4.2特点

（1）可靠性高、抗干扰能力强；

（2）控制系统结构简单，通用性强；

（3）编程方便，易于使用；

（4）功能完警；

（5）设计、施工、调试的周期短；

（6）体积小，维护操作方便。

2.5可编程控制器的应用

PLC是以自动控制技术、微计算机技术、和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，随着微处理器技术的发展，PLC得到了迅速的发展，也在社会各领域的生产得到了越来越多的应用。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下六类:

（1）开关量的逻辑控制

（2）模拟量控制

（3）运动控制

（4）过程控制

（5）数据处理

（6）通信及联网

2.6PLC控制系统的分类

控制系统分类主要有：

集中式、远程式、分布式三种。

（1）集中式控制系统

集中式控制系统是用一个PLC控制一台或多个被控设备。

主要用于输入、输出点数较少，各被控设备所处的位置比较近，且相互间的动作有一定联系的场合。

其特点是控制结构简单。

（2）远程式控制系统

远程式控制系统是指控制单元远离控制现场，PLC通过通信电缆与被控设备进行信息传递。

该系统一般用于被控设备十分分散，或工作环境比较恶劣的场合。

其特点是需要采用远程通信模块，提高了系统的成本和复杂性。

（3）分布式控制系统

分布式控制系统即采用几台小型PLC分别独立控制某些被控设备，

然后再用通信线将几台PLC连接起来，并用上位机进行管理。

该系

统多用于有多台被控设备的大型控制系统，其各被控设备之间有数

据信息传送的场合。

其特点是系统灵活性强、控制范围大，但需要

增加用于通信的硬件和软件，系统的复杂性也更大。

3.PLC泡沫塑料切片机控制系统的设计

3.1PLC泡沫塑料切片机控制系统的组成

泡沫塑料切片机控制系统组成主要由硬件设计和软件设计两部分组成。

3.2泡沫塑料切片机工作原理

泡沫塑料切片机控制系统的主电路如图3-1所示，共有五拖动个电机，带锯电机驱动刀片旋转；两个磨刀电机带动砂轮对刀片研磨，使刀片锋利；台面电机为直流电机（直流电由晶闸管直流调速装置供给），驱动台面前移和后移；刀架电机通过蜗轮/蜗杆传动机构减速。

驱动左、右丝杆正转或反转，刀架随滑套上移或下降，刀架电机制动方式为电磁刹车。

电磁刹车使用制动电磁铁；QF1控制5台电机的通断情况；FU1一FU3分别对4台电机起过载保护的作用；当某台电机的电路出现故障时，空气开关QF会自动跳闸，使故障电机与电路分离，便于维修人员的检修，又不影响系统的工作。

KMl～KM7为交流接触器的常开主触头，通过程序对交流接触器线圈通断的控制从而达-到对电机的控制。

FR1～FR2对各台电机起（过流、断相、短路、过载保护作用，保证电路的正常工作。

晶闸管直流调速装置主要控制直流电机M5的控制。

（a）

（b）

（图3-1切片机主电路（a）、（b））

3.3PLC控制系统的功能如下

泡沫塑料切片机的工作状态有两种：

手动和自动。

由工作方式选择开关S1确定，在图3-2输入点00011接通时为手动方式，断开时为自动方式。

（1）由手动进入自动时，先停止手动状态，按下自动启动按钮后，根据拨盘开关所设定厚度值，将进行自动切割。

过程如下图4-5所示。

由自动进入手动时，应先自动状态工作停止，随后操作人员操作手动按钮，来控制切片机的动作。

（2）台面向前/后运动时，带锯电机必须先启动，一旦带锯电动机停转，后台面前/后运动会立即停止。

（3）磨刀必须在带锯启动后才能启动。

（4）无论手动或自动方式下，当按下总停按钮后，即带锯、磨刀外刀架、台面的动作应该会立即停止。

（5）PLC电源接通工作时，台面刹车交流接触器KM7会立即通电。

自动方式下使用的高速计数器。

用编程器置DM6642为0114，表示使用高速计数器的加模式、软复位，在DM0000---DM0003中位高速计数器建立中断比较表：

DM0000比较的次数（在程序中置1）

DM0001目标值1低4位（在程序中计算设置）

DM0002目标值1高4位（在程序中置为0000）

DM0003比较1中断子程序号（在程序中置为000）

后到位到位

台面向后落刀台面向前

前到位

（图3-2自动方式下的工作流程）

4硬件设计

如图4-1所示，切片机控制系统原理，切割厚度由4位拨盘开关设定输入，范围为000.0～199.9mm。

在刀架电机的传动轴上装有测速齿轮，沿圆周均匀开5个槽，使用二线制接近开关，传动轴每转1圈，向PLC发出5个计数脉冲，转两圈刀架高度变化1mm，接近开关发出10个脉冲，根据设定的切割厚度可以简单的计算出PLC应计的脉冲个数。

传动轴转速为10转/秒，PC的计数频率应达到50HZ，因此，采用CPM1A的单相高速计数功能，计数频率可达5KHZ。

（图4—1控制系统原理图）

4.1PLC选型

本设计选用日本欧姆龙CPM2A系列可编程控制器控制电机的切片，切片机的工作方式有两种；自动和手动。

CPM2A是一台设有20点，30点，40点和60点I/O端子的PLC。

它有两种输出方式分别为：

继电器输出型和晶体管输出型，并有二种电源可用。

为使PLC的I/O容量提高到最大的120点I/O，与CPU单元连接的扩展单元可多达三个。

有三个扩展单元可用：

20点I/O单元有12点输入单元和8点输出单元。

将3个20点I/O单元与60内装I/O缎子的CPU单元连接就得到120点I/O的最大I/O容量。

本设计在两种方式下的输入点共有30个（输入端子有24个，输出端子有6个），超出PLC本身24个输入点，由于手动和自动只能以一种方式工作，故某些输入点可以分时复用，一点顶两点用，还考虑留有15%～20%余量，所以本系统选用60点I/O端子的PLC。

4.2PLC外部接线图

PLC外部接线图如图4-2所示。

高速计数的输入点是00000；QF2是控制PLC的电源通断，Fu4对PLC以及其外部电路起过载保护作用；S1选择开关对工作方式进行选择（手动或自动），接通时为手动方式，断开时为自动方式。

SB0为落刀按钮，控制落刀程序；SB1为抬刀按钮，控制抬刀程序；SB2为台面向前按钮；SB3为台面向后按钮；SB4为刀架停止按钮；SB5为台面停止按钮；SB6为带锯启动按钮；SB7为带锯停止按钮；S2为磨刀开关，控制磨刀程序；SB8为总停按钮；SB9自动启动按钮；ST1为落刀限位开关；ST2为抬刀限位开关；ST3为台面前到位开关；ST4为台面后到位开关；拨盘开关用来输入—位十进制数的0—9，或一位十六进制数的0～F；四个拨盘开关分别用来设定百、十、个小数位数，利用每个拨盘开关的拨码盘调整各拨码开关的值；--极管对PC输入点进行扩展避免形成寄生电路，导致自动和手动输入相互干扰，造成混乱；FR1～FR2热继电器起到过载保护作用；KM1～KM7交流接触器线圈，用来控制交流接器的闭合与断开；KM5、KM6分别为KM5、KM6接触器辅助触头控制线圈KM5、KM6、KM7的先后工作的顺序；KM3、KM4分别为KM3、KM4接触器的辅助触头控制线圈KM3、KM4的先后工作顺序。

在自动方式下，SB0～SB5按钮失去作用；在手动方式下，拨盘开关输入无效。

（图4-2PLC外部接线图）

4.3参数计算及器件选型

一、电机的选用

（1）型号：

Y801—4数量：

二个额定值：

380V/1.5A0.55KW

转速：

1390转/分磨刀电机M2、M3、

（2）型号：

JO2—31—4数量：

二个额定值：

380V/4.9A1.8KW

转速：

1430转/分带锯电机M1、刀架M4、

（3）型号：

Z2-82数量：

一个额定值：

220V/3.77A0.6KW

转速：

1500转/分直流电动机M5

二、保护元件的选用

（1）熔断器

熔断额定电流IFe一般为电动机额定电流IMe（1.5～3.5）倍，对于给多台，电机供电的主干线母线处的熔断器的熔断体额定电流可按下式计算：

IFe≥（2.0～2.5）IMemax+其余电机总电流之和

IFe——熔断器的额定电流IMe——电动机的额定电流

IMemax——多台电动机中容量最大的一台电动机的额定电流

IFe（小电机）≥IMe（1.5～3.5）=1.5×（1.5～3.5）=（2.5～5.25）A

IFe（大电机）≥IMe（1.5～3.5）=4.9×（1.5～3.5）=（7.35～17.15）A

其余电机总电流=4.9×2+1.5×3＝14.3

IFe（总）≥IMemax（2.0～2.5）+其余电机总电流之和

=4.9×（2.0～2.5）＋14.3=（24.1～26.55）A

电路总电流=（2.5+7.35）×3+（5.25+17.15）×3=96.75A

根据上述计算公式可选择以下器材：

（1）空气开关

QF1型号：

NM1-225/3300—100A数量：

1个

QF2型号：

DZ47-2P/15A数量：

1个

（2）熔断器

FU1～FU4型号：

RL1—10数量：

10个

（3）熔体

FU4为2A/220VFU2、FU1、FU3、为15A/380V

（2）继电器

继电器选用额定电流为总电流的80%以上

（1）功率较小电机电流为1.5A

1.5×80%=1.2A

（2）功率较大电机电流为4.9A

4.9×80%=3.92A

根据上述计算公式可选择以下器材：

交流接触器KM1～KM7型号：

CJ10—10数量：

7个

额定值：

380V/10A4KW

热继电器：

FR1～FR2型号：

JR16B—20/3数量：

2个

额定值：

380V/Ith5A

（3）按钮开关

SB0～SB5型号：

LA4—3H数量：

6个

（4）导线

型号：

227IEC01（BV）规格：

截面积为：

1平方毫米2.5平方毫米

型号：

AWG26～AWG18规格：

直径为0.4～1.2毫米

（5）电磁铁

数量：

1个

（6）晶闸管直流调速装置

型号：

KCS12/2数量：

1个

（7）接近开关

SW型号：

PE2-CSN2S数量：

1个

（8）限位开关

ST1～ST4型号：

Z/T335数量：

4个

额定值：

2.5A/400VAC

（9）拨码器

数量：

1个

5软件设计

控制程序主要由公用程序、手动程序、自动程序三部分组成。

但本文主要设计的是公用程序与自动程序，不涉及手动程序。

其中公用程序完成对带锯电机、磨刀电机、台面刹车的控制。

手动或自动的工作状态由20002表示，当20002为“0”时表示手动状态，当20002为“1”时表示自动状态。

再自动程序里，选用23000---23005这6个内部辅助继电器为工作的步标志，控制循环动作。

5.1公用程序设计

程序图5—1所示为公用程序，主要完成对带锯电机、台面刹车的控制。

按下外部硬件电路图中的按钮SB6，00001常开触点得电闭合，带锯电机01000线圈得电电机运行工作并自锁，01000辅助常开触点闭合，同时台面刹车01002继电器得电运行；按下外部硬件电路图中的S2磨刀开关，00003常开触点得电闭合磨刀线圈01001得电电机运行工作；按下外部硬件电路图中的选择开关S1，00011常开触点得电闭合，JMP（04）跳转指令执行，执行手动控制程序。

000010000201000

000030100001001

010030100401002

00011

图5-1公用程序

JMP（04）00

5.2自动程序设计

当20002为“1”时，切片机进入自动控制状态，在自动程序里，选用23000～23005这6个内部辅助继电器作为工作的步标志，来控制循环动作，其功能表如图5—2所示。

普通计数器对外部事件的计数频率受到扫描周期（一般数10ms），输入滤波器时间常数（1—80ms），而高速计数器的计数频率不受这两者的影响，从而可以获得较高的计数频率（CPM2A高速计数器的最大响应频率为20kHz）。

CTBL指令,比较表登记指令CTBL（63），用来登记一个高速计数器的比较表。

（1）格式：

P是定义符，取000。

C是控制数据，取值范围是：

000、001、002、003。

TB是比较表开始通道，其范围是：

IR、SR、HR、AR、LR、DM、*DM。

（2）功能：

当执行条件为ON时，根据控制数据C的值，完成表9所示的4种功能之一。

当C=000或002时，TB的内容是比较次数（BCD），TB+1的内容是目标值1的低4位（BCD），TB+2的内容是目标值1的高4位（BCD），TB+3的内容是比较1的中断子程序号；TB+4的内容是目标值2的低4位（BCD），TB+5的内容是目标值2的高4位（BCD），TB+6的内容是比较2的中断子程序号；…，依次类推。

当C=001或003时，TB的内容是下限值1的低4位（BCD），TB+1的内容是下限值1的高4位（BCD），TB+2的内容是上限值1的低4位（BCD），TB+3的内容是上限值1的高4位（BCD），TB+4的内容是比较1的中断子程序号；TB+5的内容是下限值2的低4位（BCD），TB+6的内容是下限值2的高4位（BCD），TB+7的内容是上限值2的低4位（BCD），TB+8的内容是上限值2的高4位（BCD），TB+9的内容是比较2的中断子程序号；…，依次类推。

表5-2CTBL指令控制数据的定义