基于PLC的钢板定长剪切控制系统毕业设计.docx
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基于PLC的钢板定长剪切控制系统毕业设计
基于PLC的钢板定长剪切控制系统毕业设计
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。
（a）正转
（b）反转
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，即受最大的底板或机架槽数限制。
3.2.5电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
3.2.6PLC特点
1.使用灵活、通用性强——PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。
在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。
当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。
2.可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器—接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5万小时。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。
如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。
3.接口简单、维护方便——PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。
有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。
4.体积小、功耗小、性价比高——以小型PLC为例，它具有128个I/O接口，可相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的10～20％。
PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。
5.编程简单、容易掌握——PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和习惯。
大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。
编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。
利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。
6.设计、施工、调试周期短——用继电器—接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。
而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。
由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。
PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。
3.3PLC选型
3.3.1PLC的型号选择
对PLC型号选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比，选择时应考虑以下几点。
（1）PLC的硬件功能
一些系统对PLC的功能有特殊要求,如通信、网络、PID闭环控制,响应速度快,高速计数和运动控制。
模块化PLC应该考虑是否有相应的特殊功能模块。
对模拟输入/输出系统，PLC需要考虑最大的模拟I / O是否可以满足要求,模块的分辨率和转换时间，以及平均每点的价格。
本系统不需要跨范围使用PLC，对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速I/O功能的PLC。
（2）PLC指令系统的功能
对于小型单台仅需要开关量控制的设备，一般的小型PLC便可以满足要求。
如果系统要求PLC完成某些特殊的功能，应考虑PLC指令系统是否有相应的指令来支持。
此系统只需用开关量控制，选用一般小型PLC即可。
（3）PLC物理结构的选择
PLC按结构分类，可分为整体式、组合式、叠装式和板式4类。
整体式结构的PLC把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内。
整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便，其缺点是输入与输出点数有限定的比例。
小型机多为整体式结构。
考虑此系统控制比较简单，应用于小批量的生产线故此选择整体式PLC的结构形式较为合适。
（4）确定输入/输出（I/O）点数并以此选择PLC类型
综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中的PLC,本系统可选择PLC型号为：
FX2N—32MR，合计总数32点—16点输入，16点继电器输出；其性能、价格都优于其他PLC。
PLC的型号选好后，根据I/O表和可以供选择的I/O模块的类型，确定I/O模块的型号和块数。
选择I/O模块时，I/O点数一般应留有一定的余量，以备今后系统改进或者扩充时使用。
3.3.2I/O模块的选型
（1）开关量输入模块的选择
开关量输入模块的输入电压为AC220VDC24V。
直流输入电路延迟时间较短,可以直接和接近开关、光电开关和其他电子输入设备连接。
交流输入模式适合于在有油雾、灰尘的条件下使用,在这些条件下交流输入触点的接触较为可靠。
（2）开关量输出模块的选择
开关输出模块是低电压转换为驱动在PLC外部开关信号输出装置,实现PLC信号内部和外部电气隔离。
在选择时应该考虑以下几个方面:
继电器型输出模块的工作电压范围广，触点的导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强，但是速度动作较慢，触点寿命（动作次数）有一定的限制。
如果系统的输出信号变化不是很频繁，优先选用继电器型的。
（3）输出方式
开关输出模块有继电器输出,晶闸管输出和晶体管输出三种方式。
继电器输出是便宜的,可以用来驱动交流负载,可用于直流负载,传导电压降小,同时有更好的能力去承受暂态过电压和过电流,它属于接触单元,缓慢的速度（驱动电感负载,接触行动频率必须小于1hz）,短寿命和可靠性较差,只适合于频繁的开启和关闭。
对于经常打开和关闭负载,应选择晶闸管输出或输出晶体管,他们属于非接触式组件。
但晶闸管输出只能用于交流负载,和晶体管输出只能用于直流负载。
本系统为中小型生产线自动控制系统，需要考虑价格相对要便宜，而本系统对动作速度要求不高，所以选择继电器输出作为输出方式。
工艺流程的特点和应用要求是PLC选型的主要依据。
控制系统中需要12个输入端口，6个输出端口。
为了保证输出端的COM端不会交叉连接，所以选择了32点的I/O点数的PLC，其输出要驱动电磁线圈，属于是既有交流负载，又有直流负载，所以应选择继电器输出方式。
经综合考虑，选择日本三菱公司的PLC进行控制，FX2N系列PLC的基本单元见表3-1。
本设计选用的PLC型号为FX2N-32MR。
FX2N-32MR速度块功能强，它的基本指令执行时间高达0.08us,内置的用户存储器为8K步。
I/O点最多可扩展到32个，并提供多种特殊功能模块或功能扩展板，可实现多轴定位控制，机内有实时钟。
每个FX2N的基本单元可扩展8个特殊单元。
通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接，如CC-Link，AS-IPROFIBUS，Devieenet等开放式网络通信，RS-232C，RS-422C和RS-485通信，并行链接，计算机链接和I/O链接[4]。
表3-1 FX2N系列PLC的基本单元
型号
输入点数输出点数 扩展模块可
（DC24V,点） （R、T，点）用点数（点）
继电器输出 晶体管输出晶闸管输出
FX2N-16MRFX2N-16MTFX2N-16MS8824～32
FX2N-32MRFX2N-32MTFX2N-32MS161624～32
FX2N-48MRFX2N-48MTFX2N-48MS242448～120
FX2N-64MRFX2N-64MTFX2N-64MS323248～120
FX2N-80MRFX2N-80MTFX2N-80MS404048～120
FX2N-128MRFX2N-128MT6464
第4章电气原理及软件设计
4.1电气原理设计
图4-1所示为电路电气控制原理图，其中，M1为驱动校平机的异步电动机，只需正转；M2为驱动剪切机的异步电动机，需要正转反转；M3为驱动堆垛机输送带的异步电机，只需正转;KM1控制校平机电机M1，KM2和KM6分别控制剪切机电机的正反转，YB1和YB2分别是开卷机料架和校平机电磁抱闸制动用的电磁线圈。
4-1电气原理图设计
4.2系统控制方案
钢板剪切生产线的控制系统硬件体系结构如图4-2所示，控制器采用三菱的可编程控制器FX2N-32MR，其高速计数端子X1可用于接收光电编码器的高速脉冲，以测量钢板长度，其开关量输入端子用于接收按钮等信号。
图4-2钢板定长剪切生产线控制系
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