机电系毕业设计基于PLC的自动切纸机控制系统设计.docx

1、机电系毕业设计基于PLC的自动切纸机控制系统设计毕业论文（设计） 课题名称：基于PLC的自动切纸机控制系统设计 学生姓名： 专 业： 机电一体化 指导老师： 摘 要 随着我国科技水平的蓬勃发展，各类产业产品的发展已趋向精致化、多元化。在大环境的趋势下，多元化、弹性化且具有多种切换功能的自动化机种方能适应市场的需求。而自动化技术已经成为科技事业中的重要组成部分。自动化技术与我们的生产生活息息相关，它直接影响到人们的生产生活水平。为了提高生产水平和产品的质量，首先是要提高科技，也就是提高生产的自动化技术，但是传统的手工生产方法已经无法满足现实生活的需求，这迫切的要求我们提高科技，发展自动化生产技术

2、。本课题研究基于PLC的自动切纸机控制系统，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。本文对现在可编程控制技术的应用现状、发展趋势作了详细的介绍，并简要介绍了课题研究的背景和意义，而且具体的作出了该课题的设计方案。此次课题的研究，具有重要的意义，它是我们由理论到具体实践的过度，是对独立完成实践设计能力的考验。关键词：可编程控制器；切纸机；步进电机；步进驱动器；组态控制ABSTRACTWith the vigorous development of Chinas scientific and technological level, the d

3、evelopment of all kinds of industrial products has tended refined and diversified. The trend of the environment, diversified, flexible and automated switching function with a variety of models in order to adapt to market demand. Automation technology has become an important part of the scientific an

4、d technological undertakings. Automation technology with our production and life are closely related, it directly affects the peoples production and living standards. In order to improve the level of production and product quality, to improve the technology, automation technology is to improve produ

5、ction, but the traditional manual production methods have been unable to meet the needs of real life, and the urgent requires us to improve the scientific and technological development of automated production technology.This study is based on the the PLC automatic paper cutter control system, which

6、is a microprocessor-based, integrated computer technology, automatic control technology and communication technology evolved a new type of industrial control devices. Programmable control technology application status, trends were described in detail, and briefly describes the background and signifi

7、cance of the research, and made the subject of specific design. The research projects of great significance, it is from the theoretical to the concrete practice of excessive practice design capabilities independently test.Keywords: Programmable controller; Cutter; Stepper motor; Stepper drives; Conf

8、iguration control.第一章 绪论 11.1 课题研究的基本概况 11.2 本课题研究的意义 2第二章 切纸机控制系统的设计方案 42.1 切纸机控制系统的控制要求 42.2 切纸机的硬件选型 42.2.1 PLC的类型选择 42.2.2 步进电机的工作原理及分类 52.2.3 步进驱动器的选择 72.3 切纸机控制系统的构造关系 10第三章 切纸机控制系统的组态设计 123.1 切纸机控制系统的组态设计 123.3.1 MCGS简介 123.2 切纸机控制系统组态监控画面 133.3 控制系统的联机通讯 14第四章 切纸机控制系统的软件设计 164.1 I/O表的设定 164.

9、2 硬件接线图 164.3 程序说明 18第五章 切纸机控制系统的调试 205.1 切纸机控制系统实物接线图 205.2 主站和从站的调试 215.3 程序调试结果 21总 结 25致 谢 26参 考 文 献 27第一章 绪论1.1 课题研究的基本概况伴随着社会的快速发展，产品的生产效率也越来越受到人们的关注，大到大型机械设备、航空用品，小到零器件甚至更微小的原件的加工制造，都离不开自动化设备的应用。进入工业社会以来，社会生产力飞速发展，由起初的简单机械代替手工操作，到现在一条条自动化生产流水线。高效率、高精度、高可靠性，还有生产成本降低化、生产便捷化等成为人们心目中理想的生产设计。 以切纸机

10、为例，它是一种常用的纸张加工设备，在人类工业历史上的应用已经长达数百年。它广泛用于印刷企业印前及印后的裁切设备用于各种纸张印刷品的加工。随着国家经济的迅速发展使切纸机得以在更为广泛的使用范围来为各行各业服务，成为印刷、出版、造纸、包装、食品、橡胶塑料、皮革木材、纺织、铝合金板材等各行各业的裁切通用设备。三面切书机主要作为装订生产线的组成部分。随着社会进步和科学技术的发展，切纸机的应用越来越广泛，而其自身的技术含量也会随着生产要求不断提升。工业自动化的发展趋势应该是分布式、开放化和信息化1。最早的切纸机是机械式的，它采用单导轨结构，结构简单，维修起来也简单，但是它的尺寸定位不够准确，不能满足一些

11、高精度的印刷品的要求。另外它的噪声大、冲击力大、安全性能也不好，极易出现工伤事故，且工作效率低。所以在现代生产中几乎被淘汰。继机械式切纸机之后的是液压式切纸机，它采用液压驱动的压制器，压力大且恒定不变，相对于机械式切纸机冲力小，在精度控制方面也有了一定的提高。但随着控制理论和电子技术的发展，数字显示和程控式液压切纸机开始成为切纸机发展的主流和方向。自1956年，第一台磁带控制的切纸机诞生于波拉公司，从此便开辟了程控设计的先河。虽然切纸机的发展非常迅速，但是在推广和应用方面还存在一些问题。国产切纸机技术水平与国际先进水平有一定的差距主要表现在：控制系统比较落后：从控制系统来讲.我国刚开始在机上配

12、备PLC系统.而国际上已经采用全线计算机控制利用计算机对各种执行部件进行监控和调整同时可预t参数，实行计算机控制下的自动调整大大缩短了辅助时间并保证了工作可靠；配套性差：国产切纸机很少能配上成套设备，如裁切及装订生产线；安全保证系统不够先进和齐全；操作方便程度及外观存在一定的差距。在计算机技术、传感器技术、传动技术、接口技术、软件技术及网络技术等2，我国还是发展中国家，与国外的技术水平的差距短时间内很难消除，更何况我国大多都是中小型企业，高档次的切纸机价格昂贵，不适宜在这些中小型企业中使用。国内最先进的切纸机已经实现了集机电、光、液、气于一体的技术。最具代表的是上海申威达公司生产的FQZK型切

13、纸机。其结构与polar切纸机差不多，安全性能也有较大的提高3。所以为适应不同层次的需求，中低档次的切纸机也应该存在，且我认为还有很大的市场需求。但是我们要时刻紧盯切纸机技术的发展前沿，以便自身的提升和创新。可编程控制器简称PLC，它是一种用作数字控制的专用计算机。它是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描，在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷

14、新等工作。它按照用户程序存储器里的指令安排，通过输入接口采集现场信号，执行逻辑或数值计算，进而通过输出接口去控制执行机构动作。它组态灵活，编程简单，维护方便，可靠性高等优点，它是一种以计算机的中央处理器为基础，综合了电子技术、通信技术和控制技术而开发的控制产品。相信在21世纪里，以PLC作为控制系统核心的机电一体化生产线及设备必将主导自动化控制、设备制造等大规模自动化控制领域。西门子公司生产的S7-200小型PLC在我国工业控制方面有着广泛的应用4。如果单从价位考虑，单片机控制最为便宜，但是在切纸机自动控制系统中对可靠性要求较高，并且还要求有可扩展的能力及通讯能力。恰恰PLC作为控制核心具有这

15、些方面的优点，所以成为最佳选择。1.2 本课题研究的意义本课题研究是基于PLC控制的自动切纸机的控制系统，通过步进电机的驱动来实现切纸机的自动化控制，同时以组态画面作为监控系统。这样就形成了控制及监控一体化的机电控制产品。在现实社会中生产效率决定了一个企业的生存能力，一个生产效率低下的企业必将被淘汰。而且，轻巧、方便、快捷已经越来越得到大众的认可。如今自动化控制已经深深的进入了人们在生活的方方面面。而自动切纸机恰好满足了人们对生活用纸、工业用纸等各方面的需求。自动切纸机的产生代替了传统的手工操作，大大的减少了人力、物力，提高了企业的生产效率，降低了企业的生产成本，改变了市场产品紧缺的现状。从以

16、前的小规模生产到大规模批量生产，这一切都离不开微电子技术和自动化技术的快速发展。步进电机作为切纸机的动力元件，大大增强了切纸机的运行稳定性。步进电机是一种常用的电气执行元件，是一种将脉冲信号变化成直线或者角位移的数字电磁执行装置。步进电机的角位移与输入脉冲个数成正比，其转速与脉冲频率也成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各组绕组的相序有关（步进电机的频率不能超过最高频率，否则力矩迅速减小电机不转）。步进电机具有结构简单、无累积误差、跟踪性能好、动态响应快等特点，广泛用于数控加工设备、自动生产线、自动控制仪表、计算机及办公室自动化设备。如今对步进电机的控制通常采用单片机作为控制系统的微处理器，通

17、过一些大规模集成电路来实现脉冲输出，从而实现对步进电机的运动控制。这种控制方法所需的周边器件比较多，对整个系统的稳定性、可靠性和处理速度有较大的影响。而采用PLC作为控制器，结合步进驱动器和步进电机组合的运动控制系统，就可以大大的减少系统设计的工作量，提高系统的准确性、可靠性和快速性。现代自动化技术也离不开模具制造工艺技术基础知识，内容包括：概论、模具的机械加工、模具的特种加工、典型模具制造工艺、模具的装配工艺、模具的使用与维修等5。可编程控制器经过十几年的发展，如今已经广泛的应用到工业生产当中。它的连接不需要大量的活动元件和电子元件连线，连线的减少有利于故障的减少且维修简单维修时间短。PLC

18、采用冗长的设计，如断电保护、故障诊断、信息保护即恢复，大大的提高了系统运行的可靠性。PLC还有较高的易操作性，它是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比普通计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件，它的编程简单，操作方便，维修简单，而且不容易发生操作和编程错误。PLC的程序输入可以直接显示，若发现有误，可以根据所需要的地址编号或者接点号进行搜索，或者程序寻找并进行更改。根据其硬件和软件的自诊断能力，维修人员可以很快的找到故障发生的部位。再者，PLC采用的汇编语言有梯形图、功能图表、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性是使编程变得简单且广泛的应用和扩展。加强了机械传动装置设计方

19、案的基本训练和设计方法6。以PLC为控制核心的自动化控制系统一定会成为显示社会发展的主流。综上所述，研究基于PLC为控制核心的自动切纸机的应用更加变得切合实际而有意义。通过对一系列问题的剖析，提高对机电一体化知识的应用能力，有机的将理论与实践结合在一起7。在专业课程中必须掌握的知识、技能，由简到繁、由浅入深展开讲解，这不仅使学生较系统地学习相应的理论知识，还通过一些实例来介绍生产中的实际应用，使学生在有限的学时内既能学到电工基础的知识，又能与实际相结合，达到学以致用的目的8。第二章 切纸机控制系统的设计方案2.1 切纸机控制系统的控制要求（1）监控画面对整个系统的运行进行监控，当按下启动按钮，

20、指示灯显示绿色，同时整个系统运转，当发生故障时，指示灯红绿相间闪烁。当按下停止按钮时，系统停止运转。（2）PC机和主站、从站之间采用N:N模式建立连接。（3）纸张所设定规格为50毫米，要求达到一定数量自动停止整个系统。 切纸机的加工工艺如下： （1）启动设备，切纸机导辊从造纸机上接到纸板传到预想的位置； （2）导辊停止导纸，当纸板完全静止在切纸机到预定的位置时，切刀开始切割，刀车运动到另一侧后，刀车电机与切刀电机停止； （3）导辊向接纸传送切割完毕的纸板； （4）纸张传送结束，切纸机导辊又恢复高速，等待造纸机下一副纸板的到来。刀车再由另一侧向原方向运动，从而进行下一次的切割过程，如此反复。2.

21、2 切纸机控制的硬件选型 2.2.1 PLC的类型选择可编程控制器简称PLC，它的种类很多，可以从不同的角度进行分类。按照控制规模大致可分为微型机、小型机、中型机、大型机和特大型机。微型机的控制点仅有十几点，比如德维森公司的V80系列PLC本体从16点到40点，西门子的LOGO仅10点。小型机控制点可达100多点，如OMRON公司的C60P可达148点，CQM1可达256点。而中型机的控制点可达500点以致几千点，比如德国西门子公司的S7-300机最多达521点等。大型机的控制点数一般在1000点以上，比如德维森公司的PPC22系列可扩展到2048点，OMRON公司的C1000H、CV1000

22、，当地配置可达1024点，比如美国的GE公司的90-70机，其控制点数可达24000点，另外还有8000路的模拟量。按照结构，可编程控制器可分为模块式和箱体式两大类。模块式是按照功能分为若干模块，比如输入模块、输出模块、电源模块等。模块式功能单一，便于系统配置，使PLC更能物尽其用，达到更高的使用效率。箱体式的PLC是把电源、CPU、内存、I/O系统都集中在一个小箱子内。一个是主体箱，一个是扩展箱。目前市场上PLC的主流产品主要来自欧美日等国家。国内的PLC生产厂家规模都不是太大，而且技术和机器性能和国外比起来有一定的差距。考虑到显示条件的制约，我们采用三菱FX系列PLC。三菱系列PLC对环境

23、的适应能力比较强，在恶劣的环境下运行也比较稳定。其外部通信业比较简单。同时由于是利用PLC驱动步进电机的运转，能提高高速脉冲，所以应当要选择晶体管输出型的。所以我们选择FX1N-40MT，如图2-1所示。图2-1可编程控制器2.2.2 步进电机的的工作原理及分类1.步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而

24、达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。它具有结构简单、无累积误差、跟踪性能好、动态响应快等特点，广泛应用于数控加工设备、自动化生产线

25、、自动控制仪表、计算机及办公室自动化设备。其种类很多，如表2-1所示。 表2-1 步进电机分类表分类方式具体类型按力矩生产原理 反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。 永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5或15）。按输出力矩大小 混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但

26、结构复杂、成本相对较高。 功率式：输出力矩在按输出力矩大小550N.m以上，可以直接驱动机床工作台等较大负载。按定字数 单定子式 双定子式 三定子式 多定子式按各相绕组分布 径向分布式：电机各相按照圆周依次排列。 轴向分布式：电机各相按照轴向依次排列。 步进电机是将脉冲信号转换为角位移或者线位移。一是过载性好。其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，步进电机使用时对速度和位置都有严格要求。二是控制方便。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显。三是整机结构简单。传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧

27、凑。测速电机是将转速转换成电压，并传递到输入端作为反馈信号。测速电机为一种辅助型电机，在普通直流电机的尾端安装测速电机，通过测速电机所产生的电压反馈给直流电源，来达到控制直流电机转速的目的。步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。本设计采用二相八拍混合式步进电机，其主要特点是：体积小，具有较高的起动和运行频率，有

28、定位转矩等优点。本模型中采用串联型接法，其电气图如下图2-2所示：2.步进电机的选型步进电机的选型一般情况从以下几个方面入手： （1）计算负载转矩 （2）计算传动构件的转动惯性 （3)计算转动比 （4）计算电动机启动转矩 （5）选取电动机 （6)选取驱动器步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元必须与驱动器直接耦合（防电磁干扰），也可理解成微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。本设计采用二相八拍混合式步进电机，其主要特点是：体积小，具有较高的起动和运行频率

29、，有定位转矩等优点。本模型中采用串联型接法，其电气图如下图2-2所示： 图2-2 电气图 由于我们是实验性质的探讨，所以对步进电机的电流要求较小，其本身的小且实验设备条件制约，所以我们选择42J1834-810，它是二相八拍混合式步进电机，主要特点；其体积小，具有较高的启动和运行频率，有定位转矩等优点。本模型中采用串联型接法，其能满足我们的设计要求。如图2-3所示。图2-3步进电机2.2.3 步进驱动器的选择从步进电机的运动原理可知，要使步进电机正常运转，必须按照规律控制步进电机的每一相得电。而步进驱动器是配合步进电机使用的元器件，它接受外部信号，其中有方向信号（DIR）、脉冲信号（CP)和脱

30、机信号（FREE）。步进驱动器内部可以分为两个部分，一个是环形分配器，一个是功率放大器。环形分配器的主要功能是把外部CP端送进来的脉冲信号进行分配，再送给放大器，功率放大器相应相的晶体管导通，步进电机的线圈通电9。图2-4为步进驱动器。图2-4 步进驱动器驱动器细分后将对电机的运行性能产生质的飞跃，但是这一切都是由驱动器本身产生的，和电机及控制系统无关。在使用时，用户唯一需要注意的一点是步进电机步距角的改变，这一点将对控制系统所发的步进信号的频率有影响，因为细分后步进电机的步距角将变小，要求步进信号的频率要相应提高。以1.8度步进电机为例：驱动器在半步状态时步距角为0.9度，而在十细分时步距角

31、为0.18度，这样在要求电机转速相同的情况下，控制系统所发的步进信号的频率在十细分时为半步运行时的5倍。步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。驱动器参数如下列表2-2、表 2-3、表2-4、表2-5所示：表2-2电气规格说明最小值典型值最大值单位供电电压182440V均值输出电流0.2111.50A逻辑输入电流61530mA步进脉冲响应频率100kHz脉冲低电平时间51s表2-3电流设定电流值SW1SW2SW3 0.21AOFFONON0.42AONOFFON0.63AOFFOFFON0.84AONONOFF1.05A0FFONOFF1.26AONOFFOFF1.50AOFFOFFOFF表2-4 细分设定细分倍数步数/圈（1.8整步）SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON1600OFFOFFOFF3200ONONOFF86400OFFONOFF1612800OFFONOFF由外部确定动态改细分/禁止工作OFFOFFOFF信 号