基于变频器和PLC的卷笼机控制系统设计.docx
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基于变频器和PLC的卷笼机控制系统设计
专业：
电气工程及其自动化
学号：
0413110314
本科毕业设计
（自然科学）
题目：
基于变频器和PLC的卷笼机控制系统设计
院（系、部）：
机电工程学院
学生姓名：
刘汉斌
指导教师：
程辉职称讲师
2015年6月2日
河北科技师范学院教务处制
河北科技师范学院
本科毕业设计
基于变频器和PLC的卷笼机控制系统设计
院（系、部）名称：
机电工程学院
专业名称：
电气工程及其自动化
学生姓名：
刘汉斌
学生学号：
0413110314
指导教师：
程辉
2015年5月24日
河北科技师范学院教务处制
摘要
在桥梁工程施工过程中，钢筋笼加工是桩基础施工的主要环节。
随着建筑工程的快速发展，工程需求量的不断增加，卷笼机在建筑生产中变得越来越重要。
目前市场上的卷笼机虽然已经能够实现自动化，但是耗材比较高，钢筋笼直径误差控制不精准，箍筋间距误差较大，产品品质有待提高，一些生产环节仍需要手工完成，不能实现完全自动化机械化的生产。
分析卷笼机的工作原理及生产需求，该系统利用变频器和PLC改进了钢筋笼传统制作工艺，提高了钢筋笼加工质量，实现全自动化作业，实现工厂化生产，生产效率高，加工质量稳定可靠，节省原材料，施工成本降低。
关键词：
PLC,变频器,PID控制。
Abstract
Inbridgeconstruction,thesteelcageprocessingisanimportantpartofPileFoundationConstruction.Withtherapiddevelopmentofconstructionprojectsandengineeringincreasingdemandformachinerollcagebecomingincreasinglyimportantinbuildingproduction.Rollcagemachinescurrentlyonthemarketalthoughhasbeenabletoautomate,butmoresupplies,steelcagediametererrorcontrolisnotaccurate,stirrupspacingerrorislarger,productqualityneedstobeimproved,someproductionprocessesstillneedtobedonemanually,wecannotachieveafullyautomatedmechanizedproduction.Analysisrollcagemachineworksandproductionneeds,thesystemusesthedriveandPLCimprovedsteelcagetraditionalproductionprocess,improvedprocessingqualitysteelcage,implementfullyautomatedjobs,industrialproduction,Highproductionefficiency,stableandreliableprocessingquality,saverawmaterialsandreduceconstructioncosts.
Keywords:
PLC,Drive,PIDControl.
目录
摘要I
1绪论1
1.1论文研究背景与意义1
1.2钢筋卷笼机的发展现状1
1.2.1钢筋卷笼机发展现状1
1.2.2卷笼机存在的问题1
1.3研究目的及方法2
1.3.1研究目的和内容2
1.3.2研究方法2
2钢筋卷笼机的设计2
2.1工艺要求2
2.2工作原理2
2.3技术参数3
3控制系统硬件的选择3
3.1变频器的选择3
3.2PLC的选择4
3.3电机的选择4
4控制系统的设计5
4.1控制系统程序流程图5
4.1.1控制系统子程序流程图5
4.1.2控制系统主程序流程图6
4.2控制系统程序编写6
4.2.1GXWorks2编程软件介绍6
4.2.2控制系统的设计7
4.3控制系统电气接线图11
4.3.1I/O地址编排表11
4.3.2I/O电气接口图12
4.3.3主电路图13
5卷笼机系统中电机的控制方法13
5.1利用变频器和PLC实现速度同步控制13
5.2利用变频器和PLC实现稳定速比控制15
6自动上料架和自动焊接部分的设计15
6.1自动上料架的设计15
6.2自动焊接部分的设计15
结论16
参考文献16
致谢17
附录17
1绪论
1.1论文研究背景与意义
随着建筑行业的快速发展，人工已不能满足当代社会的发展需求，人们对于自动化生产的需求变得越来越大。
在此环境下，卷笼机得到了广泛的应用，在产品快速发展的同时，对于卷笼机的生产性能与安全可靠运行的要求也越来越严格。
目前钢筋笼主筋基本都是通过自动上料到分料架；分料架的主筋需人工穿过固定盘导管到达移动盘导管，并经过电动工具将主筋固定在移动盘导管上；箍筋（绕筋）经过钢筋矫直器后直接焊接在主筋上面；然后开始自动焊接，固定盘及移动盘同步旋转且移动盘按照预先设定的速度（行走速度可根据操作工人的熟练程度进行调整）运行，同时进行焊接，从而生产出成品钢筋笼。
但目前市场中所生产的卷笼机并没有实行全自动化作业，还需要进一步的研究以实现工厂化生产，以提高功效，节约成本，提高质量。
1.2钢筋卷笼机的发展现状
1.2.1钢筋卷笼机发展现状
国内的钢筋卷笼机发展由于各种原因，在机械化自动化上的研究比较晚。
在卷笼机出现以前，卷笼机的生产全靠手工完成，手工作业存在多种弊端，不能保证安全生产，生产效率底下，产品精度低。
虽然已经实现了“机械化”、“自动化”生产，但这并不是真正意义上的自动化生产，因为还有一些步骤需要人工操作才可以完成，如上料，焊接等。
目前市场上生产钢筋卷笼机的公司还比较少，就山东飞宏工程机械有限公司的钢筋卷笼机而言，该厂生产的型号为FH2000钢筋卷笼机已经基本能够实现自动化生产，该卷笼机的工作原理是，依据工程施工要求，钢筋笼的主筋通过手工通过固定旋转盘上边相应的用于支撑钢筋的圆孔至移动旋转盘的相应固定孔中进行固定（但上料和固定还要人工完成），工人手工把箍筋端头先固定焊接在一根主筋上，然后通过固定旋转盘及移动旋转盘同时同速旋转把箍筋缠绕到主筋上边（移动盘是在旋转的同时通过牵引电机牵引后移），同时完成手动焊接，从而形成产品钢筋笼。
1.2.2卷笼机存在的问题
近些年来，虽然国内的自动化生产已经取得了一些成果，提高了生产过程中的机械化率。
但是在生产自动化的过程中，仍然不可避免的产生了许多问题。
下面来列出一些的问题。
（1）操作复杂，仍需人工作业，使用繁琐，且安全保护措施有待提高。
（2）钢筋笼直径误差控制精准，误差较大。
（3）耗材损耗量大，施工成本还需进一步降低。
（4）产品加工质量以待提高。
（5）自动焊接过程中易出现脱焊，焊接产品不牢固的现象。
1.3研究目的及方法
1.3.1研究目的和内容
研究目的就是改进现有钢筋卷笼机的缺点，设计一种更为便捷，安全可靠的钢筋卷笼机。
本课题的主要研究内容如下：
（1）设计自动上料机，改变以往的人工上料方式，节省人力。
（2）设计自动焊接部分，改变以往的焊接方式，避免出现脱焊现象。
（3）设计主电路和控制电路，增加安全保护器件，实现安全可靠生产。
（4）plc内控制程序的设计，精确控制箍筋间距。
提高产品质量。
（5）通过PID调节两台电动机的同步控制，实现同步调速，减小误差，控制达到极限偏差要求。
（6）改善移动盘和固定盘结构，使生产的钢筋笼直径可以在一定范围内调节。
1.3.2研究方法
研究方法就是查阅相关材料，以现有的钢筋卷笼机为基础，分析钢筋卷笼机运动过程以及控制要求，利用现有资源，改善钢筋卷笼机，实现自动化机械化生产。
2钢筋卷笼机的设计
2.1工艺要求
（1）主筋间距误差小，能控制在1cm之内。
（2）一米之内盘筋间距误差可控制在5mm以内。
（3）生产安全得到保障。
（4）焊点饱满、牢固，笼子不散架。
2.2工作原理
本设计的工作原理是，首先通过电机带动的自动上料机上料，在自动上料机上有限位器，当限位器被压下时，延时一秒后，支料架按固定旋转一定的角度，然后通过推进系统将主筋推到相关位置，最后通过电动电动螺丝刀拧紧。
如此反复直至所有主筋被固定好。
卷笼过程是将通过钢筋矫直机矫直过的钢筋固定焊接到主筋上，通过PID控制移动盘电机和固定盘电机同步同速，电机转速可根据施工要求通过变频器修改。
牵引电机牵引移动盘移动，速度同样可根据施工要求通过变频器调节。
在焊接部分，采取自适应控制自动化焊接设备自动焊接。
同时在盈动盘移动的过程中，没通过两米，就会有一个液压支撑架启动，支撑钢筋笼，防止钢筋笼因为自身重力发生形变，直到钢筋笼制作完成。
2.3技术参数
表1卷笼机技术参数
标题
参数
外形尺寸（最大工作状态）（mm）
28000*6000*2500
总重量（KG）
2000
适用桩径（mm）
600-2500
钢筋笼长度（m）
12182227
钢筋笼重量（KG）
8000
主筋直径（mm）
12-40
箍筋直径（mm）
6-16
箍筋间距（mm）
50-400
焊接方式
二氧化碳保护焊
液压参数（MP）
8
电源参数
380V50Hz
3控制系统硬件的选择
3.1变频器的选择
变频器的内部结构就是IGBT[1]，它通过内部结构中的IGBT的开和闭来调整变频器的输出电源的频率和电压，根据工作电机的实际生产要求，来提供工作电机所需要的电源的频率和电压，从而实现快速的调节速度。
另外，变频器本身还具有的自保护功能，例如过电流、过电压、过载保护等。
随着工业生产自动化程度的快速发展，变频器已被越来越广泛的使用。
在本设计中选择三菱的FR-E740-3.7K-CHT（3.7KW,9.5A）变频器。
该变频器在工作在0.5Hz的频率下，通过使用先进的磁通矢量控制模式可以把工作电机的转矩提高到原来的二倍 （3.7KW以下，本文所选电机功率均在3KW以下）。
同时它还具有目前最先进的自学习功能。
瞬时过载增加到原来的二倍时，允许的最大持续时间变为3秒（以前的产品过载200%时最多只被允许持续0.5秒），极少出现错误报警的现象。
使用最新研制的一种风扇，它的使用寿命能够达到10年或者更长，当利用冷却风扇开/关控制时，可以进一步延长这款风扇的使用寿命。
他所使用的电容器也是目前电容器产品中使用寿命比较长的一款，可以达到10年之久。
3.2PLC的选择
可编程逻辑控制器（简称PLC），它是目前用于自动控制系统中一种非常方便快捷的控制设备[2]。
在可编程逻辑控制器还没有出现的时候，想要完成一套具有相同功能的自动化控制系统，大多数情况下要使用大概一千个继电器以及计数器才能完成。
可编程逻辑控制器一般在卖给用户以前就已经把它的内部系统程序初始化完毕，用户在使用时可以直接根据自己的需要，自行的编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求[3]。
目前市场中的PLC产品基本上是美国、欧洲和日本三个国家的品牌。
在型号选择中经过反复查阅比较，从经济性、操作性和实用性等角度考虑，选中了三菱FX系列的小型PLC。
FX3G系列PLC内部的程序存储器具有很大的容量，程序编写最高可以达到32K步，在标准模式时在0.21μs的时间内就可以完成基本指令处理，同时它的软元件数量还可以得到大幅的扩充，使用户可以更加便捷的编写程序并进行处理数据[5]。
FX3G系列PLC本身就带有两个具有很高通讯速度的接口，它们既可以一起使用，也可以分开单个使用，因此在通讯配置的选择方面变得更加便捷。
晶体管输出型的PLC内部的基本单元具有很高的输出速度，最高可以达到100KHZ，这样的话，我们便可以通过编写指令既方便又快捷的进行定位设置。
在保护程序方面，FX3G也在本质上有了进展。
它本身带有两个不同级别的密码，这些密码可以分别区分出设备制造商的访问权限和使用用户的访问权限。
它内部具有的程序保护功能可以将PLC封锁住，但是新的程序被写入时它又可以再次打开。
考虑到要与原有系统匹配兼容，右侧总线则可连接传统三菱PLC的I/O扩展模块和特殊功能模块。
FX3G系列PLC传承了PLC的经典，不断开拓创新，为客户提供非常专业非常具又人性化设计的解决方案，对于各种行业的不同用户的控制系统要求都可以一一满足，在竞争越来越激烈的现代工业领域，具有高度灵活性的FX3G系列PLC必将在众多PLC产品中脱颖而出。
3.3电机的选择
本设计采用交流异步电动机。
费拉里斯坚信他所讲述的旋转磁场理论以及他所发明的新产品在科学领域上的价值远远超过在物质领域上的价值，因此他故意不为自己的发明申请专利，而是在他的实验室向所有人展示他所有的最新的研究成果。
鼠笼型异步电机是目前市场上应用最广泛的一种异步电机[7]。
因为异步电机作的转子绕组的电流是由于转子转动切割磁铁产生的磁感线感应产生的，所以它又被称为感应电动机。
目前在所有种类的电动机中，异步电机是使用最多的一种电动机。
在各国的以电为动力的机械生产应用中，异步电动机占了百分之九十左右的份额，其中小型异步电动机就占到70%以上。
4控制系统的设计
4.1控制系统程序流程图
程序流程图在程序分析中是最为基本、最为重要的一种分析技术，在进行生产程序流程分析过程中，它是最基本的一种工具。
通过使用工序图示符号，来对制造现场的整个生产制作过程做详细的记录，以方便人们对产品在整个生产制造过程中包括生产、加工、检验、储存等在内的环节进行详细的了解与深度的分析，特别适用于分析生产过程中成本浪费很大的生产，有效的提高经济效益。
4.1.1控制系统子程序流程图
子程序流程图如图1所示:
图1子程序流程图
4.1.2控制系统主程序流程图
主程序流程图如图2所示：
Y
N
Y
N
Y
N
图2主程序流程图
4.2控制系统程序编写
4.2.1GXWorks2编程软件介绍
GXWORKS2是三菱株式会社推出的一款三菱综合PLC编程软件，是一种专门用于PLC设计、调试、维护的编程软件。
与传统的GXDeveloper软件相比较，取得了很大的进步，不仅增加了功能，还提高了操作性能，变得更加容易学习使用。
GXWorks2性能优越，因为它既能够完美完成制作Q系列和FX系列PLC的数据,也能够将程序转化成GPPQ和GPPA两种格式的文档。
除此之外，在用户使用了FX系列的PLC的时候，它还能转变成FXGP（DOS）格式和FXGP（WIN）格式的两种文档。
在大多数的用户中，他们使用的的操作系统都是Windows系统，通过利用Windows操作系统的种种优点，还可以使GXWORKS2操作性能得到飞跃上升，它能够把通过Excel,Word等制作完成的数据进行复制，粘贴，并利用这些数据。
通过这些标号编程制作程序的话，也不再需要懂得软元件的号码，就能够依据标号制作出标准的程序。
通过标号编程制作的程序也能够依据汇编来作为实际需要使用的程序来使用。
同时GXWORKS2软件具有FB功能，FB是一种为了提高顺序程序的制作效率而开发的一种全新的功能。
它把在制作顺序程序时反复多次利用到的顺序程序回路块变得零件化，从而使顺序程序的制作变得更加简单。
除此之外，变得零件化之后，还能够有效的预防把它使用到其他的顺序程序中时而造成的顺序输入错误的现象。
GXWorks2软件在由于连接对象时的指定被图形化而构造形成的复杂的系统的情况下也能够很容易的设定和其他站点的链接。
这款软件还可以通过多种方式与可编程控制器CPU进行连接，比如通过串行通讯口，USB和各种计算机插板等。
4.2.2控制系统的设计
（1）主程序的设计
程序如图3所示：
图3主程序的设计
（2）自动上料系统编写
自动上料程序的描述：
钢筋通过电机传送装置被传送到钢筋支撑架上，并固定在移动盘的导管内。
程序如图4所示：
图4自动上料程序
（3）自动卷笼部分程序的编写
钢筋笼在自动卷笼的过程中，移动盘和固定盘同步旋转且速度可以调节，牵引盘移动速度根据客户需求也可以调节不同速度，并在旋转过程中实现自动焊接。
程序如图5所示：
图5自动卷笼程序
（4）在卷笼机工作过程中，随着卷笼机的不断卷笼，钢筋笼变得越来越长，使得钢筋笼的质量变得越来越大，最后会出现中间部位由于重量而发生形变，所以在本设计中加入了液压支架系统，在系统中，每两米的位置有一个限位器，当钢筋笼到达相应位置时液压支架自动升起。
液压支架程序设计如图6所示。
图6液压支架程序设计
（5）当卷笼机工作结束后，到达最后的位置，工作人员将钢筋笼通过天车将钢筋笼移动到相应位置，最后按下复位按钮，钢筋卷笼机移动盘回到原位，液压支架恢复原位，具体程序设计如图7所示。
图7复位程序设计
（6）在卷笼机工作过程中，需要进行调速，所以在程序中分别预先设置几个档位，（具体速度需要由实际生产需求制定，所以本程序暂列3个档位）。
图8调速程序设计
（7）再电机工作过程中还需要设置PID程序的比例系数、积分系数、微分系数等的参数，以及PID指令，以实现PLC程序的PID调节。
在本设计中的扫描时间为100ms，另外确定本次PID程序的动作方向，根据控制的调节规律，我们可以确定本次的动作方向为负方向，再者就是确定滤波常数、比例系数KP、积分时间、微分增益、微分时间，这些我们要通过实际试验，通过反复尝试获得最终得合理参数值。
图9PID调节程序设计
（8）在PID调速过程中，需要将编码器的脉冲信号传到PLC中，利用SPD指令将脉冲信号转换成数字信号，具体程序如图9所示。
图10SPD程序设计
4.3控制系统电气接线图
4.3.1I/O地址编排表
表2I/O地址编排表
输入
输出
器件号
地址号
功能说明
器件号
地址号
功能说明
SB1
X0
启动
YV1
Y11
主筋推上
SB2
X1
卷笼机起动
YV2
Y12
主筋拧紧
SQ1
X2
上料架限位开关
YV3
Y13
电动螺丝刀回原位
SQ2
X3
上料时支撑件旋转到位限位开关
YV4
Y14
住进推进系统回原位
SQ3
X4
液压推进系统原位限位开关
YV5
Y15
一号液压支架起动
SQ4
X5
主筋推到位限位开关
YV6
Y16
二号液压支架起动
SQ5
X6
电动螺丝刀原位限位开关
YV7
Y17
三号液压支架起动
SQ6
X7
电动螺丝刀下降到位限位开关
YV8
Y20
四号液压支架启动
SQ8
X10
二号液压支架限位开关
YV9
Y21
五号液压支架起动
SQ9
X11
三号液压支架限位开关
LED
Y22
上料完毕指示灯
SQ10
X12
四号液压支架限位开关
KM2
Y23
自动焊接
SQ11
X13
五号液压支架限位开关
KM1
Y24
上料架电机启动
SQ12
X14
移动盘原点限位开关
SB3
X15
牵引电机高速运行
SB4
X16
牵引电机中速运行
SB5
X17
牵引电机低速运行
SB6
X20
固定盘电机高速运行
SB7
X21
固定盘电机中速运行
SB8
X22
固定盘电机低速运行
SB9
X23
复位开关
SQ7
X24
一号液压支架限位开关
SB10
X25
自动焊接
SB11
X26
一号变频器输出停止
SB12
X27
二号变频器输出停止
SB13
X30
三号变频器输出停止
4.3.2I/O电气接口图
图11I/O电气接口图
4.3.3主电路图
图12主电路图
5卷笼机系统中电机的控制方法
变频调速能够有效的提高卷笼机的工作速度，实现有效的控制电动机，目前最有发展和人们普遍认为最理想的调速方式就是这种方式。
通过使用利用变频器构成变频调速系统的主要原因是:
一是可以有效的避免浪费社会能源，降低生产制作成本，而且在实际的应用中，用户还可以根据自己的生产需求选择不同型号的变频器，既方便快捷，构造成本又低;二是能够有效的改善产品质量，提高劳动生产率、提高工作质量、提升设备的自动化机械化程度并改善生活环境等。
目前在大部分工业自动控制系统中，通过使用PLC与变频器的组合来对生产过程进行控制，通过利用PLC与变频器的组合来形成各种各样的PLC控制变频器的方法已经被普遍采纳并在实际生产中使用。
这种方法在处理对应的故障信息时能够有效的处理，它更容易控制，反应更加迅速、测量更加精准，同时还具备远距离传输，节省经费的优势，还具有抗干扰能力很强、高传输效率等优势。
5.1利用变频器和PLC实现速度同步控制
在整个机器中，有好几个电动机的速度需要同时进行控制，如牵引电机，移动盘电机，固定盘电机等，电机间的速度存在着一定的关系，例如移动盘电机要与固定盘电机同轴且同速，牵引电机要与移动盘电机速度协调，否则，箍筋间距将变化，钢筋笼将不能满足生产要求。
在上述机组的传动系统中，由于每个电机间都没有办法利用刚性的机械轴来连接，所以为了能够实现移动盘电机和固定盘电机在运动过程中同步控制，移动盘电机和固定盘电机分别采用独立的变频器进行调速，再通过PLC对变频器进行控制[8]。
移动盘电机和固定盘电机采用变频调速，在这个闭环控制系统中，以牵引电机的速
度为目标，使用编码器1和编码器2分别采集的两个电机的脉冲信号，然后传送到PLC的AD扩张模块中的高速计数端口，以这两个在电动机编码器上获取到的速度信号的数据做为PLC的输入量，然后开始计算比例积分控制算法，计算出来的结果作为输出信号传送PLC的扩展的DA模拟量模块，来达到控制移动盘电机的变频器的目的，这样，就可以保证移动盘电机转动速度与固定盘电机转动速度的变化而发生变化，使两个速度保持同步[9]。
采用PI控制算法进行调节电动机的速度，程序设计框图见图8，图中把通过由电动机上边安装的编码器采集的运动的转速的脉冲信号，转换成了电机的转动的一些数字，
经过速度上下限的处理后，存储在通过PLC的I/O接口扩展出来的AD扩展模块中的某
图13PID程序设计框图
个DM区中，来作为我们接下来需要进行的PID运算处理中的Y值[10]。
经过数据处理后的P值，送到模拟量输出的通道，经过上下限处理后，换算成三菱E
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