本科毕业设计PLC张力控制系统的设计5.docx

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本科毕业设计PLC张力控制系统的设计5

绪论

随着科学技术的不断进展，工业生产的自动化程度不断地提高，微处置器、运算机和数字通信技术的应用愈来愈普遍。

工业自动化的主要支柱之一——PLC在工业生产上具有普遍的应用，如造纸业、纺织业、橡皮业、薄膜加工业等等。

而PLC张力控制在上述工业中具有关键的作用。

在一般的造纸厂、印刷厂、纺织漂染厂、食物厂等，当处置一些如纸张、薄片、丝、布等长尺寸材料或产品时，都会用上卷壳及滚筒组成的加工生产线，因此，放料作业的张力控制，便成为通用的基础技术。

张力控制的作用就是在料膜动态处置进程中，维持恒定的张力，抑制外来干扰引发的张力抖动。

以料膜为例，在放卷，收卷和供料进程中，料膜上要维持必然的张力（或称之为拉伸力），过大的张力会致使料膜变形乃至短裂，而过小的张力又会使料膜松弛，致使褶皱，或处置尺寸不准等弊病。

如此就要求在料膜的处置进程，要维持恒定的张力。

张力控制的作用就是在料膜动态处置进程中，维持恒定的张力，抑制外来干扰引发的张力抖动。

本设计利用了伺服电机，三菱变频器、普通电机、西门子可编程控制器（PLC）、角度传感器。

项目中对两部份张力控制所选用的电机不同，是因为考虑到了生产本钱的因素。

在卷膜传送部份，需要的控制要求高，因此选用在性能好但价钱高的伺服电机，而在卷纸回收部份，需要的控制要求比较低，因此选用了廉价但能知足生产要求的普通电机。

设计中的张力控制系统，在利用传感器上选择了角度传感器。

通过对传送卷膜、卷纸的可动辊与水平面的夹角的测量，来判断张力大小是不是发生转变。

把检测出转角的模拟量送入控制器——PLC中进行控制。

第一章：

张力控制系统的初步熟悉

张力控制系统概述

1.1.1张力控制

在一般的造纸厂、印刷厂、纺织漂染厂、食物厂等当处置一些如塑料膜卷、纸张、薄片、

丝、布长尺寸材料或产品时，都会用上卷壳及滚筒组成的加工生产线，因此，放料作业的张力控制，便成为通用的基础技术。

以料膜为例，在放卷，收卷和供料进程中，料膜上要维持必然的张力（或称之为拉伸力），过大的张力会致使料膜变形乃至短裂，而过小的张力又会使料膜松弛，致使褶皱，或处置尺寸不准等弊病。

如此就要求在料膜的处置进程，要维持恒定的张力。

张力控制的作用就是在料膜动态处置进程中，维持恒定的张力，抑制外来干扰引发的张力抖动。

1.1.2张力控制系统

图张力控制系统示用意

所谓的张力控制系统就是为实现张力控制而必需的系统组成，典型的张力控制系统包括张力控制器，张力检测器和磁粉制动器。

本项目的张力控制系统包括PLC、伺服电机、变频器、传感器。

图为一放卷张力控制系统示用意:

项目中利用角度传感器代替上图张力检测器，其输出反馈回PLC，而用伺服电机代替磁粉制动器控制放卷辊。

PLC的利用

1.2.1PLC介绍

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC，产生于60年代末，那时只能进行逻辑运算，主要用于顺序控制。

70年代后期，随着微电子技术个人运算机技术的进展，PLC更多的具有了运算机的功能，不仅用逻辑程序取代了硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处置等功能，而且做到了小型化或超小型化。

这种采用微电脑技术的工业控制器装置的功能远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，故称为可编程控制器（ProgrammableController），简称PC。

由于PC易于与个人运算机（PersonalComputer）混淆，人们仍适应用PLC作为可编程序控制器的简称。

PLC本身除具有可塑性、记忆性，更具可同意多种方式做输出、输入控制的壮大功能，且稳固性及寿命皆高，除单唯一台的控制之外，更可进行多台的连接，易于达到整体自动化的目标，因此已广受自动控制界的普遍欢迎。

尤其是具可更改性，可重复利用，減少因更改造成的资源浪费，是超级环保的控制器，超级值得推行。

PLC作为一种特殊形式的运算机控制系统，是利用运算机技术对传统的硬件逻辑控制系统“继电器控制”进行"硬件软化"的结果。

但在运行方式上，PLC的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的区别。

PLC的控制功能是通过寄存在贮存器内的程序来实现的，若是要对控制功能做必要的修改，只需改变软件指令即可，使硬件软件化。

1.2.2PLC的主要特点

（1）高靠得住性

所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气

上隔离。

各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时刻常数一般为10~20ms.

各模块均采用屏蔽办法，以避免辐射干扰。

采用性能优良的开关电源。

⑤对采用的器件进行严格的挑选。

⑥良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异样情形，CPU当即采用有效办法，以避免故障扩大。

⑦大型PLC还能够采用由双CPU组成冗余系统或有三CPU组成表决系统,使靠得住性更进一步提高。

（2）丰硕的I/O接口模块:

为了提高操作性能，它还有多种人—机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通信联网的接口模块，等等。

（3）采用模块化结构

为了适应各类工业控制需要，除单元式的小型PLC之外，绝大多数PLC均采用模块化

结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可按照用户的需要自行组合。

1.2.3PLC的长处

（1）PLC的软件简单易学

它采用独具特色的以继电器梯形图为基础的形象编程语言，梯形图符号的和概念与常规继电器展开图一致，电气操作人员利用起来的驾轻就熟。

（2）利用和保护方便

硬件配置方便：

PLC的硬件都是专门生产厂家接必然标准和规格生产的，市场上可方便买到

方便安装：

内部不需要接线和焊接，只要编写程序就可以够了。

利用方便：

节点的利用不受次数限制，只需要考虑输入、输出点个数，选用不同类型的PLC，即可取得知足。

保护方便

PLC内部有很多监控程序，能检查出自身的故障，而且接线少，维修时只需要改换插入式模块，为调试和保护提供了方便。

（3）运动稳固靠得住

PLC是专门为工业控制设计，在设计和制造进程中采用了多层次抗干扰和精选元件办法，可在恶劣的环境下与强电设备一路工作。

目前PLC的整机平均无端障工作时刻一般可达2～5万小时，乃至更长。

（4）设计施工周期短

利用PLC来完成一项控制工程，在系统设计完成后，现场施工和PLC程序设计可同时进行，周期短，程序的调试和修改都很方便。

综上所述，PLC在性能上优于继电器逻辑控制，与微型运算机、单片机一样也是一种用于工业控制的理想工具。

最近几年来，PLC的集成度愈来愈高，功能愈来愈强，应用愈来愈普遍。

PLC可进行数字量/模拟量控制、位置控制。

专门是采用多种功能的高级编程语言和先进指令系统，还能实现PLC之间和PLC与管理运算机之间的通信，易于实现柔性加工和制造系统（FMS）。

1.2.4PLC的功能

（1）逻辑控制

（2）按时控制

（3） 计数控制

（4） 步进（顺序）控制

（5） PID控制

（6） 数据控制，PLC具有数据处置能力。

（7） 通信和联网

　　PLC还有许多特殊功能模块，适用于各类特殊控制的要求，如：

定位控制模块，CRT

模块。

1.2.5PLC的一般结构

用PLC实施控制，是依照必然的算法进行输入输出变换，并将变换以物理实现。

因此，PLC采用了典型的运算机结构，主要有CPU、ROM、RAM和专门设计的输入输出接口电路等组成，如图、所示：

（1）中央处置单元（CPU）

中央处置单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它依照PLC系统程序给予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O和警戒按时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，第一它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并别离存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，通过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄放器内。

等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄放器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的靠得住性，最近几年来对大型PLC还采用双CPU组成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

如此，即便某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

（2）存储器

①PLC常常利用的存储器类型

A） RAM （Random Assess Memory） 

　　这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。

B） EPROM （Erasable Programmable Read Only Memory）

　　这是一种可擦除的只读存储器。

在断电情形下，存储器内的所有内容维持不变。

（在

紫外线持续照射下可擦除存储器内容）。

C） EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）

这是一种电可擦除的只读存储器。

利用编程器就可以很容易地对其所存储的内容进行修改。

②PLC存储空间的分派

　　虽然各类PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，可是按照PLC的工作原理其存储空

间一般包括以下三个区域：

系统程序存储区、系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）、 用户程序存储区

A）系统程序存储区

在系统程序存储区中寄存着相当于运算机操作系统的系统程序。

包括监控程序、管理程序、

图PLC结构示用意

输入接线端子

输出接线端子

图PLC原理框图

命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。

由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。

它和硬件一路决定了该PLC的性能。

B）系统RAM存储区:

系统RAM存储区包括I/O映象区和各类软设备　　

a）I/O映象区 由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设因此，它需要必然数量的存储单元（RAM）以寄存I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。

一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。

因此整个I/O映象区可看做两个部份组成：

开关量I/O映象区、模拟量I/O映象区

b）系统软设备存储区

除I/O映象区区之外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄放器和累加器等）的存储区。

该存储区又分为具有失电维持的存储区域和无失电维持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。

c）用户程序存储区

用户程序存储区寄存用户编制的用户程序。

不同类型的PLC，其存储容量各不相同。

（3）电源 

　　PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。

若是没有一个良好的、靠得住得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，能够不采取其它办法而将PLC直接连接到交流电网上去。

1.2.6PLC的工作原理

PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即若是一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会当即动作，必需等扫描到该触点时才会动作。

考虑到继电器控制装置各类触点的动作时刻一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时刻一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型运算机的运行方式---扫描技术。

如此在对于I/O响应要求不高的场合

PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式与微机有专门大的区别。

微机一般采用等待命令工作方式，当有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，没有则采用继续扫描。

PLC从第一条指令开始执行程序，直到碰到结束符后又返回到第一条指令，如此周而复始不断循环，即从0000首地址寄存的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不断的周期扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。

其工作进程如图所示：

（1）每次扫描用户程序之前，都要先执行故障自诊断程序。

自诊断程序。

自诊断内容：

I/O部份、存储器、CPU等，发觉异样，停机显示犯错信息；正常则继续向下扫描。

PLC检查是不是有与编程器、运算机等的通信请求，如有则进行相应处置，并把信息送

到编程器、运算机显示。

图PLC工作进程框图

输入采样阶段：

CPU对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄放器。

程序执行阶段：

CPU将指令慢慢伐出执行

输出刷新阶段：

当所有的指令执行完毕时，集中把输入状态寄放器的状态通过输出部

件转换成控制设备所能同意的电压或电流信号，以驱动被控设备。

CPU通过这五个阶段的进程，为一个扫描周期。

完成一个周期后，又从头执行上述进程。

扫描周期用T来表示。

T=（读入1点时刻×输入点数）＋（运算速度×程序步数）＋（输出1点时刻×输出点数）＋故障诊断时刻

PLC与继电器控制的重要区别之一就是工作方式不同。

继电器按“并行”方式工作，PLC是以“串行”方式工作的，它避免了继电器控制的触点竞争和时序失配问题。

也就是说，实际的PLC工作进程老是：

公共处置--I/O刷新--运行用户程序--再公共处置--……反复不断地重复着。

1.2.7PLC的选定

（1）选择原则

由前面的程序要求，咱们能够肯定所选定的PLC除可进行数字量逻辑控制外，还应具有较强的数据处置能力（如：

数据传送、转换；位操作等等）。

而更重要的是，能够让操作人员在现场就可以方便地输入参数进行测试。

咱们决定选择西门子S7-200系列PLC，包括主模块：

CPU226，模块EM235。

S7-200PLC设备设计成安装简便，能够利用安装孔把模块固定在一个标准的（DIN）的导轨上，体积小巧的S7-200能够使你更为有效地安排空间。

其中：

①主模块的CPU226本身集成有24输入/16输出共40个数字量I/O点；可连接7个扩展模块，最大扩展至28路数字量I/O点或35路模拟量I/O点；13K字节程序和数字存储空间；6个独立的30KHz高速计数器；2个独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器；2个RS485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力；I/O端子排可很容易地整体拆卸；可用于较高要求的控制系统，适用于一些复杂的中小型控制系统。

②数字量扩展模块：

EM222（继电器输出）具有8个数字量输出点，它通过总线电缆与

图PLC运行流程图

CPU相连，不需额外提供电源。

③TD200是专门与西门子S7-200系列PLC搭配的文本显示器。

（2）特点：

图S7-200PLC

这一系列的产品能够知足多种多样的自动化控制需求，上图展示了一台MicroPLC，它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价钱和壮大的功能指令，使得S7-200能够近乎完美知足小规模的控制要求。

另外，丰硕的CPU类型和电压品级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。

（3）安装：

S7-200PLC设备设计成安装简便，能够利用安装孔把模块固定在一个标准的（DIN）的导轨上，体积小巧的S7-200能够使你更为有效地安排空间。

（4）推荐设备：

STEP7-MicroWIN32，版是基Windows的应用软件，它支持32位Windows95，Windows98和WindowsNT利用环境。

利用STEP7-Micro/WIN32时，应具有以下设备：

①一台PC机，CPU为80586或更高的处置器，16M内存；或是装有STEP7-Micro/WIN32的西门子编程器（例如PG7400，最低要求为：

CPU80486，8M内存。

②以下一种设备：

一根连接到通信口的PC/PPI电缆

一个通信处置器（CP）卡

③VGA显示器

④至少50M的硬盘空间

⑤Window9五、Window9八、Window

⑥MicrosoftWindows所支持的鼠标。

伺服电机

项目中利用的MINAS系列交流伺服电机，是日本松下电器公司于1990年投入批量化生产的全新全数字化（位置、速度、电流三环全数字化）的交流伺服。

由于内部控制采用32位DSP，运用IGBTPWM控制方式，因此系统响应快、精度高、体积小，目前已经普遍应用于数控机床、机械人、轻工机械、纺织机械、自动化生产线、半导体生产等各类有精准调速、定位要求的场合。

松下伺服的特点：

（1）操作面板，控制和利用简便易行

每套松下伺服驱动器上都配有操作面板，各类参数和控制方式都可通过操作面板实行调整，超级适合于现场调试。

面板可显示运行速度、位置脉冲、实际转矩、接线I/O状态、参数设定、错误原因等大量信息。

专门是实际转矩的显示给设计、选型提供了极大方便。

通过操作面板能够检查接线状态，用户可用此功能判别接线错误，十分有效

（2）稳妥方便的自动调整，刚性调整更方便

用户在调试设备时能够启动自动增益调整功能来调节伺服系统的刚性。

松下伺服在自动增益调整时运动范围小（电机正转两圈反转两圈）运动速度低（约100rpm），所以在磨床等运动行程超级有限的场合运历时超级安全靠得住。

（3）控制方式多样化

（4）有三种控制方式可供选择：

速度控制方式、位置控制方式、转矩控制方式

以上三种方式也可进行复合控制。

其中位置控制方式极具特色，用户能够采用电子线路、单片机、PC机及其他方式超级简便而廉价地实现数控功能。

系统中还配备了“电子齿轮”功能，也就是说能够通过参数设定对输入指令脉冲任意分/倍频而达到和机械系统的良好配合。

（4）保护设施齐全

　　系统还配有各种自诊断保护措施，硬件软件双重保护，并可以胜任三倍过载。

一旦发生错误，便立即停机，并告以报警故障原因，在用户解除故障后方可重新工作，因此可靠性极高。

变频器

随着生产力的提高，工业进程化的加速，电动机作为动力拖动的主要驱动源，在工业生产的各个领域中被普遍利用，据不完全统计，其消耗的电能约占了总工业耗电量的60%左右，在经历了70年代的中期的能源危机后，人们充分熟悉到了节能工作的重要性。

因此如何合理的利用电机，提高其工作效率，显得尤其重要。

交流变频调速技术在这一阶段取得了专门大的进展，前后出现了变极调速、调压调速、交流串极调速、电磁转差聚散器调速等交流调速方式。

作为变频调速技术的核心的变频器,也开始慢慢进入了实用阶段.最近几年来随着电力电子技术、自控技术和运算机技术的进展加上变频调速传动理论的慢慢完善,变频器的性能不断提高,在各行各业中的应用也愈来愈普遍,除传统的电力拖动系统之外,在钢铁、电力、冶金、石

油、工业制造等几乎所有的工业生产领域,都能够看到变频器的身影。

1.4.1变频器的概念:

变频器是在保证电机原有性能的情形下，通过改变电机的供电频率和电压的方式，实现电机转速的调节的现代电力电子设备。

它按照电机不同负载可别离实现节能、提高生产效率、提高产品质量、实现自动化、增加设备利用寿命并使设备下型化等用途，普遍应用在钢铁、轻工，化学、纤维、汽车、电机（机械）、机床、食物、造纸、水泥、矿业、煤气、交通、装卸搬运、工厂建筑、农业、生活服务、电力、实验研究、石油等领域。

1.4.2变频器的用途

提高生产率、生产质量、节约能源和控制功能的高度自动化是变频器的主要特点.采用变频器对交流异步电动机进行调速控制,能够很方便地进行电动机的正反转转换,进行高频度的起停运转;能够调节电动机加减速的时刻,使变速运行加倍光滑,启动电流加倍小;能够对电动机进行持续调速,最高速度不受电源的影响;通过内部的制动回路,能够进行电气制动,必要时还能够加入直流电压,进行直流制动；低速时可维持恒转矩输出,进行转矩提升;容易实现对现有交流拖动系统的改造；在功率匹配适合的情形下,能够用一台变频器驱动多台电动机；通过与PLC等控制设备的连接能够组成高性能的控制系统；完善的故障诊断和保护功能（过压,欠压、过流、过载、短路等故障的检测与显示）等等。

1.4.3变频器大体组成及工作原理

（1）变频器大体结构

变频器进展至此刻已有几十年的历史，种类繁多，但都有以下的大体结构：

外电网频率电压可调的

交流电交流电

图变频器大体结构

一般三相变频器的整流电路是由三相全波整流桥组成，主如果对工频外部电源进行整流，给中间电路、逆变电路及控制电路供电。

一般情形下，整流输出含有高频电压谐波分量（其频率为电源电压频率的六倍）或电流纹波，影响了直流输出的质量，这就要用到中间电路进行光滑。

中间电路的作用是对整流输出进行光滑，以保证逆变电路及控制电路能取得较高质量的直流电源，光滑电路的主要组成与整流电路有关，若整流输出是电压源，则光滑电路的主要元件是大容量是电解电容，若整流输出是电流源，则光滑电路的主要元件是大容量电感。

除此之外，中间电路还包括有制动电阻和其它辅助电路。

逆变电路是变频器的主要部件，其作用是在控制电路的控制下，将光滑电路输出的直流电转换为频率和电压均任意可调的交流电。

逆变器的输出就是变频器的输出。

控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路、保护电路等。

主要作用是将检测到的各类信号送至运算电路。

使运算电路能按照要求为变频器主电路提供必要的门极驱动信号，并对变频器和电机提供必要的保护。

控制电路还有A/D和D/A接口，使变频器能与外部设备配合利用。

控制电路的好坏决定了变频器性能的好坏。

（2）变频器大体工作原理　　

逆变电路是变频器的重要部份，要了解变频器的工作原理，只须了解逆变部份的工作原理。

咱们明白，逆变部份的作用是将直流电转变成频率和电压都可调的交流电。

下图为一个简单的三相逆变电路，在那个电路中，六个开关组成一个三相桥式电路，依次打开和关断这六个开关，就可以够在输出端取得相位相差120度的交流电。

　　　　　S1S3S5

　直流电压U/V/W

ES4S6S2

图三相逆变电路原理　

开关频率不同，输出交流电的频率就不同。

同时，输出电压的平均值也就不同了，这就达到变频变压的目的。

固然，实际变频器内部的电路比那个复杂得多，还包括其它很多的辅助器件及保护电路等等。

（3）变频器控制方式及大体原理

在本实验中，采用的是变频变压（VVVF）方式，主如果通过调节电源频率来调速。

由电机拖动理论可知，在调频的同时，电机的输出转矩也同时发生转变，为了达到较理想的转矩特性，在改变电流频率时，电枢电压也必需有相应的改变，知足

=常数

分析如下：

因为电机输出转矩与磁通有关，

T=CTΦ1I2COSψ

其中CT为常数，Φ1为每极磁通，I2为转子电流，COSψ为功率因数。

而

Φ＝MIM

其中M为励磁电感，IM为励磁电流。

又有　

　　E=j2πfMIM=j2πfΦ

因此，要使磁通不变，只要使

=常数

即可。

但由于感应电动势E不便测量和控制，而电源电压V≈E,故只要使

=常数

即可使条件近似知足。

故变频调速就是变频变压调速。

1.4.4变频器的选用

变频器种类很多,在进行选型时,应该按照项目的控制要求和所带负载的特性来选择适合自己的产品。

下面对变频器的主要规格和大体功能进行进一步的介绍。

（1）电压品级

一般的通用变频器可分为交流200V和400V两种,另外某些高、中压大功率变频器电压品级能够达到上千伏。

在选型时,应注意选择与供电电源和电动机的电压二者相匹配的电压品级

（2）适