基于西门子plc全制动剪切机.docx

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基于西门子plc全制动剪切机

开封大学

毕业设计

（2012届）

题目PLC在剪切机控制系统中的应用

院别机电工程学院

专业电气自动化

班级09电气

（1）班

姓名杨怀战

指导教师杨志帮

2011年12月12日

摘要

自动剪板机是一种可按加工要求，将金属板材剪开、自动计数、并由送料车送到下一工序的顺序控制的设备,它要求其控制设备具有很强的抗干扰能力。

PLC是近几年发展起来的一种新型工业控制器,由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广泛等优点与控制器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，在工业程控中的应用越来越广泛。

加之PLC以其在硬件设计中采用了屏蔽、滤波、光电隔离等技术，在软件设计中采用了故障检测、信息保护与恢复等措施，进一步提高了PLC的可靠性。

故本文采用了以工业顺序控制过程中广泛使用的可编程控制器（PLC）对自动剪板机进行控制。

通过对自动剪板机的工作原理的分析，提出总体设想，初步设计了电气传动部分的设计方案和PLC控制的程序流程图。

过去的控制方法是采用继电器-接触器控制，但控制系统较复杂,大量的接线使系统可靠性降低,也间接地降低了设备的工作效率。

为实现自动化必须根据板材自动精确剪切加工的工作特点及动作要求进行设计,因此本方案采用了可编程控制器来实现对自动剪板机的控制。

采用可编程控硬件制器较好地解决了这一问题。

它是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备,不仅能实现对开关量信号的逻辑控制,还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。

因此,将PLC应用于该控制,完全能满足技术要求，且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。

目录

1绪论………………………………………………………………………………3

1.1概述论文现状及意义……………………………………………………………4

1.2论文的系统控制要求……………………………………………………………5

1.3剪板机结构及工作原理…………………………………………………………5

2．0电气总的设计方案……………………………………………………………10

2.1PLC简介……………………………………………………………………11

2.2总体设计方案……………………………………………………………14

3．0自动剪板机的PLC控制系统设计…………………………………………15

3.1系统主电路设计……………………………………………………………15

3.1.1设计进料机构E…………………………………………………………15

3.1.2设计压料机构B…………………………………………………………16

3.1.3剪切刀……………………………………………………………………18

3.1.4设计小车送料装置………………………………………………………18

4PLC控制器的选择……………………………………………………………20

4.1PLC控制器的选择…………………………………………………………...20

4.2I/O端子分配……………………………………………………………...23

4.3系统的软件…………………………………………………………………..24

4.4系统的流程图……………………………………………………………24

4.5系统的梯形图及其仿真图……………………………………………………25

结束语………………………………………………………………………………28

参考文献……………………………………………………………………………29

1绪论

1.1概述

目前,我国机械制造业存在大量的通用设备,在发展现代机械自动化技术时,可以应用微电子技术改造这些已有通用设备,比如用数显、数控装置改造通用设备,提高单机自动化程度;用可编程控器改造通用机床、专用机床、组合机床及自动设备与半自动设备组成的生产线,这样可以把计算机功能完备、编程灵活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，这是一条低成本、高效益，符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。

在我国,国家政策对发展低成本自动化的重要性等方面进行了大力的支持,以工业用剪板机为对象，探讨了全自动剪板机智能控制系统的实现方案。

根据实际需要和市场的需求，在常规的可编程控制器（PLC）和单片机控制中，选择了以可编程控制器为主的控制方案。

自动剪板机是一种可按加工要求，将金属板材剪开、自动计数、并由送料车送到下一工序的顺序控制的设备,它要求其控制设备具有很强的抗干扰能力。

PLC是近几年发展起来的一种新型工业控制器,由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广泛等优点与控制器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，在工业程控中的应用越来越广泛。

加之PLC以其在硬件设计中采用了屏蔽、滤波、光电隔离等技术，在软件设计中采用了故障检测、信息保护与恢复等措施，进一步提高了PLC的可靠性。

故本文采用了以工业顺序控制过程中广泛使用的可编程控制器（PLC）对自动剪板机进行控制。

通过对自动剪板机的工作原理的分析，提出总体设想，初步设计了电气传动部分的设计方案和PLC控制的程序流程图。

可编程控制器是一种为工业机械控制所设计的专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用，他是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品，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，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。

随着技术的发展，其控制功能不断增强，可编程程控器还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并通过数字，模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。

随着可编程控制器技术的发展,传统机械设备的控制柜逐渐被新一代的智慧化仪表所代替,对于日益复杂的控制功能,传统控制柜显得无能为力,而可编程控制器具有可编程序的特点,运行时可以根据要求,自动选择控制算法、适应性强、可编程控制器采用软件代替硬件的方法,可以简化线路,使控制设备的性能价格比不断提高,本设计的研究目的,在于探索在板材加工中,应用可编程控制技术,实现板材加工的自动控制。

全自动剪板机广泛的应用于在板材加工系统中,板料长度检测，板料进料、压紧、走刀、落料、长度调整等过程必须按一定的节拍控制精确度动作，而且不同长度、不同厚度、不同材料的板材,各动作行程、先后顺序、刀具位置等要求都不一样，对于这样的控制要求,传统控制柜很难实现,综合考虑设备的性能/价格比，显示直观性、外表美观性、灵活性等诸方面因素,本设计采用可编程控制器，根据自动剪板机对控制系统的要求进行方案设计。

1.2系统的控制要求：

据剪板机的工作特点,对控制系统提出控制要求如下:

1上电后,检测各工作机构的状态,控制各工作机构处于初始位置。

2进料,由控制系统控制进料机构将待剪板料自动输送到位。

3定剪切尺寸,采用伺服电机控制挡料器位置保证精确的剪切尺寸,其尺寸可是定值也可以设置为循环变动值。

4压紧和剪切,待剪板料长度达到设定值后由主电动机带动压料器和剪切刀具,先压紧板料,然后剪断板料。

5送料车的运行,包括卸载后自动返回。

6剪切板料的尺寸设定、自动计数及每车板料数的预设定。

7具备断电保护和来电恢复功能。

8能实现加工过程自动控制,加工参数显示,系统检测。

9保证板料加工精度、加工效率和安全可靠性。

10具有良好的人机操作接口。

1.3剪板机结构及工作原理

1.3.1剪板机的结构

自动剪板机是一种精确控制板材加工尺寸,将大块金属板材进行自动循环剪切加工,并由送料车运送到下一工序的自动化加工设备，其结构及原理如图1-1所示。

图1-1自动剪板机原理图

系统设置了7个限位开关，分别用于检测各部分的工作状态。

其中，SQ1检测待剪板料是否被输送到位。

SQ2、SQ3分别检测压块B的状态，检测压块是否压紧已到位的板料；SQ4检测剪切刀A的状态；SQ7为光电接近开关,检测板料是否被剪断落入小车；SQ5用于检测小车是否到位；SQ6用于判断小车是否空载。

送料机构E、压块B、剪切刀A和送料小车分别由四台电动机拖动。

系统未动做时,压块及剪切刀的限位开关SQ2、SQ3和SQ4均断开,SQ1、SQ7也是断开的。

1.3.2剪板机工作原理

当系统启动时,输入板料加工尺寸、加工数量等参数，按下自动开关，系统自动运行。

1首先检查限位开关SQ6的状态,若小车空载,系统开始工作,起动送料小车。

小车运行到位,限位开关SQ5闭合,小车停车。

2起动送料机构E带动板料C向右移动。

当板料碰到行程开关SQ1时,送料停止同时制动器松开、电磁离合器结合，主电动机通过传动机构工作。

3压块电机启动,使压块B压下,压块上限开关SQ2闭合。

当压块到位,板料压紧时,压块下限开关SQ3闭合。

4剪切刀电动机起动,控制剪刀下落。

此时,SQ4闭合,直到把板料剪断,板料落入小车。

5当小车上的板料够数时,起动小车控制电动机,带动小车右行,将切好的板料送至下一工序。

6卸下后,再起动小车左行,重新返回剪板机下,开始下一车的工作循环。

板料的长度L可根据需要进行调整,每一车板料的数量可预先设定。

2总体设计方案

传统的控制方法是采用继电器-接触器控制，但控制系统较复杂,大量的接线使系统可靠性降低,也间接地降低了设备的工作效率。

采用可编程控硬件制器较好地解决了这一问题。

它是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备,不仅能实现对开关量信号的逻辑控制,还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。

因此,将PLC应用于该控制,完全能满足技术要求，且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。

2.1PLC简介

在此对PLC进行简单介绍，在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。

目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

以下对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识做一简介。

图2-1PLC的工作原理

PLC采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后，又返回第一条，如此周而复始的不断循环。

PLC的扫描过程如图2。

这个工作过程分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。

全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。

内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。

同信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信，响应程序器键入的命令，更新编程器的显示内容。

当PLC处于停止状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、到程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

输入处理又叫输入采样。

在此阶段，顺序输入所有端子的通断状态，并将读入的信息存入内存所对应的映象寄存器。

在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序执行阶段。

在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一次扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。

程序执行阶段根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。

循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，也可以说PLC是串行工作的，这和传统的继电器控制系统并行工作有质的区别。

PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。

由于PLC采用扫描工作过程，所以在程序的执行阶段即使发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一个周期的输入采样阶段才能改变。

扫描周期是一个很重要的指针，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。

PLC的扫描时间取决于I/O扫描速度和用户程序的长短，以及程序使用的指令类型。

毫秒级的扫描时间对于一般工业设备通常是可以接受的，PLC的影响滞后是允许的，但是对某些I/O快速响应的设备，则采取相应的处理措施。

如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速记数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。

影响I/O滞后的主要原因：

输入滤波器的惯性，输出继电器接点的惯性，程序执行的时间，程序设计不当的附加影响等。

我们在此不必要详细分析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。

　　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，其输入缓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，即受到最大的底板或机架槽数限制。

　　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24VDC）。

　大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

编程设备，编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

　　人机接口，最简单的人机接口是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机接口非常普及。

　输入输出设备，用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条形码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

PLC的通信联网，依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理资料。

因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

　PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其它智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。

对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。

首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。

2.2总体设计方案

为实现自动化必须根据板材自动精确剪切加工的工作特点及动作要求进行设计,因此本方案采用了可编程控制器来实现对自动剪板机的控制，设计思想如图3所示。

图2-2总体设计方案简图

3自动剪板机的PLC控制系统设计

3.1系统主电路设计

3.1.1设计进料机构E

用交流电机带动送料皮带，传送皮带送料只向一个方向运动，只要求电机向一个方向旋转即可，轻负载小工率电动机可直接起动，用熔断器和热继电器作短路、超载保护。

使待剪板料自动快速稳定地输送到剪切位置。

3.1.2设计压料机构B

压块B的作用是压紧板料，以利于剪切刀切断板料，压块B又上升和下降两种运动，要求带动压块的电动机具有正反转运动，控制电路有联锁保护、用熔断器和热继电器作短路、超载保护。

图3-1电机正反转主电路

所谓联锁控制是指，凡是生产在线某些环节或一台设备的某些部件之间具有相互制约或相互配合的控制均称为联锁控制，联锁控制包括：

自锁控制、互锁控制、正常工作与点动的联锁控制、实现按顺序工作时的控制。

电机正反转就需要互锁控制。

3.1.3剪切刀

剪切刀有两种运动，下行切断板料，然后上升复位，带动剪切刀机构的电动机也应具有正反转，用熔断器和热继电器作短路、超载保护。

根据电机控制要求，其电机正反转主电路图如图3-1所示，程序流程框图如图3-2所示。

图3-2电机正反转程序流程框图

电机正反转控制PLC设计讨论：

1）电力拖动是指对电动机的控制，采用继电器-接触器控制，都有自己的基本控制电路。

采用PLC控制也应该有自己的基本控制环节，为此而提出电机正反转控制PLC设计讨论，寻找其较好的控制方案。

2）继电器-接触器电气控制原理：

继电器-接触器电气控制原理如图3-3所示。

上、下两图比较，不管是电器组件、触点数量、连接导线的数量都是一样的，分别是5只、9个、13条。

按钮联机也是6根，但上图的按钮和接触器联机较集中，从维修的角度看要比下图优越。

3）组件的代号意义

SB0——磨姑头急停按钮。

5SB1、5SB2——正反转启/停按钮。

5KM1——正转接触器。

5KM2——反转接触器。

其中的5KM1和5KM2要求选用带机械联锁的交流接触器。

图3-3继电器-接触器电气控制原理

4）电器组件的工作情况

正转启动——揿5SB1，5KM1得电动作，其中一个触点自锁，另一个触点则用于互锁，即断开5KM2的线圈回路。

反转启动——揿5SB2，首先是5KM1失电，其互锁触点恢复闭合，才是5KM2得电动作，其中一个触点自锁，另一个触点则用于互锁，即断开5KM1的线圈回路。

再次正转启动——揿5SB1，首先是5KM2失电，其互锁触点恢复闭合，才是5KM1得电动作，其中一个触点自锁，另一个触点则用于互锁，即断开5KM2的线圈回路。

3.1.4设计小车送料装置

为实现板料自动输送到下一工位并返回,可采用交流电通过带传动带动驱动轴,驱动行走轮来完成小车往返各机构的运动动力来自电机,根据控制的特点和经济性要求,用交流电机来实现进料、小车送料、托架下料，采用伺服电机控制挡料器精确定长。

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器回馈信号给驱动器，驱动器根据回馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

而且永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：

1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

2）定子绕组散热比较方便。

3）惯量小，易于提高系统的快速性。

4）适应于高速大力矩工作状态。

伺服的额定速度比一般异步电机高的多，并且可以控制转速和位移，而一般的变频器只侧重于转速控制，适用于开环调速，而伺服可以做到精确定位，速度环控制响应比变频器加外围速度控制更直接，动态响应好。

为了实现对交流电机的控制，采用图3-4所示主电路,控制对象为4台电机和一个蜂鸣器。

KM1~KM7为接触器，KM1是紧急停止接触器,KM2控制蜂鸣器,KM3~KM7分别控制送料、压块、剪切和小车电机。

FR1~FR5都采用热敏电阻作为测量组件的热继电器,FR1、FR3的设定值取送料和剪切电机上限温度的95%,当到达此温度时进行闪光报警。

该控制系统需要完成对工作机构的控制情况如下：

1）进料控制,执行器件为进料电机,通过对进料电机的起停控制,实现进给机构输送板料，停止输送板料的控制。

2）刀具剪切控制,执行器件为电磁离合器和电磁制动器。

通过控制主电机传动路线中的电磁离合器,控制传动机构带动刀具完成向下剪切板料,撤回利用弹簧完成。

为了防止惯性造成连续剪切需要控制制动器剪切一次制动一次。

3）小车往返运动及停止控制,执行器件为小车电机,通过控制小车电机的起、停、正反转,控制送料小车在剪板机与下一工位往返送料。

图3-4控制系统的主电路图

其中,1）执行机构都可采用光电、开关量控制。

由于可编程控制器是低压直流输出,所以,我们使用中间继电器作为控制器输出的第1级执行机构,通过继电器的触电控制大功率接触器的通断,从而控制交流电机的起、停。

执行机构中的电磁离合器、制动器需要采用专用输出驱动控制电路。

系统原来采用继电器—接触器控制,但控制系统较复杂,大量的硬件接线使系统可靠性降低,也间接降低了设备的工作效率。

采用可编程控制器较好地解决

了这一问题,它不仅减少了系统的硬件接线,提高了工作可靠性,而且在加工工艺改变时,只需修改程序,就可适应新的加工要求,大大提高了工作效率。

4.1PLC控制器的选择

4.2PLC的发展历程

　　在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

PLC的定义有许多种。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

　　上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量的能力、数字运算的能力、人机接口能力和网络