基于PLC的玻璃造型生产线控制系统的设计毕业论文.docx

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基于PLC的玻璃造型生产线控制系统的设计毕业论文

本科毕业论文

基于PLC的玻璃造型生产线

控制系统的设计

GlassMoldingProductionLineControlSystemDesignBasedonPLC

学院名称：

电子信息与电气工程学院

专业班级：

自动化2010级1班

******

学号：

************

指导教师姓名：

王頔

指导教师职称：

讲师

2014年5月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　期：

使用授权说明

本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

基于PLC的玻璃造型生产线控制系统的设计

摘要：

根据控制系统的控制要求，完成玻璃造型生产线的控制系统设计，即在玻璃生产过程中，需要对生产出的纵向运动的板材进行定尺寸切割，并且切割是精确定尺寸的，这就要求在对运动板材测量的同时进行快速准确的切割。

在该课题的设计中，主要包括控制系统的主电路设计、控制电路设计、控制系统控制程序设计、HMI人机界面的编程与组态以及光电编码器的选型与应用。

设计一种基于PLC的玻璃造型生产线控制系统。

硬件方面：

系统采用PLC为中心控制器，通过旋转编码器测得各方向电机的旋转频率并转换为高速计数脉冲送入PLC中进行计数运算可获得刀具或水平台行进的精确位移量，将其与设定的初值相比较，当达到设定值时PLC复位相应的方向电机线圈使其停车，输出高电平使切割电动机工作以实现精准切割。

系统的操作控制、实时数据的采集和动作过程的监视、各种参数的显示和设定，由挂接在PLC上的人机界面来实现。

软件方面：

根据设计的思想进行了实现系统功能的梯形图的设计，并利用S7-200的STEP-Micro/WIN编程软件进行编程，它可以方便地在Windows环境下对PLC进行编程、调试、监控，且编程方便、快捷。

关键词：

PLC；STEP-Micro/WIN；HMI人机界面；光电编码器；高速计数器

GlassMoldingProductionLineControlSystemDesign

BasedonPLC

Abstract:

Accordingtothecontrolrequirementsofthecontrolsystem,controlsystemdesignofthefinishedglassmoldingline,namelyintheglassproductionprocess,needsheetonlongitudinalmotionproducedbyfixedsizecutting,andthecuttingisexactsize,whichrequiresfastandaccuratecuttingonthemovingplatemeasuredsimultaneously.

Intheprocessofdesign,includingthedesignofmaincircuit,controlcircuitdesign,programmingandconfigurationsystemcontrolprogramdesign,HMIinterfaceandphotoelectricencoderselectionandapplicationofcontrolsystem.

ControlsystemdesignofaPLCglassmoldingproductionlinebasedon.Hardware:

thesystemadoptsPLCascentralcontroller,therotatingfrequencythroughtherotaryencodertomeasurethedirectionofmotorandconvertedtohighspeedcountingpulsecountingalgorithmforprecisedisplacementtoolorplatformmovingintoPLC,andsettheinitialvaluecomparison,whenreachingthesetthedirectionofmotorcoilvaluePLCresetsomeoftheparking,outputhighlevelsothatthecuttingmotorworktoachieveprecisioncutting.Theoperationcontrolofthesystem,variousparametersacquisitionandactionprocessmonitoring,real-timedatadisplayandset,byhanginginthePLConthehuman-machineinterfacetoachieve.Softwaredesign:

accordingtotheideaofthedesignofladderdiagramtorealizethefunctionofthesystem,andtheuseofS7-200programmingSTEP-Micro/WINprogrammingsoftware,itcanbeeasilyintheenvironmentofWindowsPLCprogramming,debugging,monitoring,andconvenientforprogramming,andfast.

Keywords:

PLC;STEP-Micro/WI2;Human-machineinterface;Photoelectricencoder.Highspeedcounter

引言

在当今的玻璃生产行业中，造型切割是成品加工过程中最为重要的步骤，也是保证成品质量的重要工序。

利用先进的现代切割技术，不但可以保证产品的质量，提高劳动生产率，同时也使得企业产品的制造成本大幅度下降，缩短了产品生产周期。

随着新产品、新工艺、新技术的广泛运用，基于PLC的智能化精密切割将成为切割行业今后发展的趋势。

传统的玻璃造型生产线采用继电器、时间继电器控制方式，但控制系统接线复杂，系统的可靠性较低，维修维护费用大。

最主要的问题是在自动控制中，由于采用时间继电器定时控制切割时间，定时精度差，电机速度受电源波动影响大，因而切割误差较大，降低成品率，增加抛磨难度。

PLC是适用于现场运行的微机控制器，抗干抗能力强、编程简单，价格适中，非常适合用于切割加工机械。

在切割方面，因为不同的厚度，以及要求切割的切割方式形态各异，如果使用完全的人工操作，不但很费时间，同时也浪费人力且效率低下，给企业带来巨大的人工成本。

最重要的是在切割的过程中会产生大量的粉尘，对切割机的操作人员以及附近的人员的身体，特别是呼吸道﹑肺部有着极大的伤害。

所以如果能够实现对于板材切割的PLC自动控制，操作人员就不用时时刻刻守在机器旁边了，不但节省了大量的人力和时间，更能够极大的减少切割过程对于人体的伤害。

基于PLC的玻璃造型生产线控制系统的设计，通过对PLC、光电编码器与HMI人机界面组态等相关知识的理解与运用，有利于掌握把理论知识同生产实践相结合，有利于锻炼设计控制系统和处理有关问题的能力，促进对自动化控制的认识和理解。

第一章绪论

1.1PLC的背景

随着科学技术的发展，电气控制技术在各个领域中的到了越来越广泛的应用。

可编程序控制器（PLC）的应用使电气控制技术发生了根本的变化。

PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，半导体技术，自动控制技术，数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。

PLC以其可靠性高，灵活性强，使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。

从运动控制到过程控制，从单机自动化到生产线自动化乃至工厂自动化，从工控机器人，数控设备到柔性制造系统（FMS），从集中控制系统到大型集散控制系统，PLC均充当着重要角色，并展现出强劲的态势。

1.2PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

（3）运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

（5）数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（6）通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

PLC的应用领域仍在扩展，在日本，PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：

中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关连的机器、与环境关连的机器，而且均有急速的上升趋势。

值得注意的是，随着PLC、DCS相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候，PLC从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展。

1.3PLC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ProgrammableController（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，专为在工业环境下应用而设计。

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在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

1.4本设计的主要内容

此次控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两个方面。

硬件方面：

系统采用PLC为中心控制器，通过旋转编码器测得各方向电机的旋转频率并转换为高速计数脉冲送入PLC中进行计数运算可获得刀锯或水平台行进的精确位移量，将其与设定的初值相比较，当达到设定值时PLC复位相应的方向电机线圈使其停车，输出高电平使切割电动机工作以实现精准切割。

系统的操作控制、实时数据的采集和动作过程的监视、各种参数的显示和设定，由挂接在PLC上的人机界面来实现。

软件方面：

根据设计的思想进行了实现系统功能的梯形图的设计，并利用S7-200的STEP-Micro/WIN32编程软件进行编程，它可以方便地在Windows环境下对PLC进行编程、调试、监控，且编程方便、快捷。

第二章系统硬件设计

2.1系统的设计思想与结构流程图

系统的控制要求是实现玻璃的定尺寸切割，即要求驱动流水线横向运动的电动机M1在达到设置尺寸后停止运动，光电编码器与横向运动电动机M1同轴连接，电动机的水平驱动位移与光电编码器的脉冲数输出成比例关系，光电编码器的输出与S7-200CPU的高速计数器输入相连接，利用高速计数器实时计算光电编码器输出脉冲数，通过计算即可测量出横向运动的长度。

TD200实现长度宽度尺寸的设置和显示功能，人机界面将设置的相关参数传递给S7-200CPU的寄存器，执行用户程序计算当前横向移动距离和设置值的关系，切割机构根据限制尺寸实现切割，待切割完成后，电动机M3驱动切割机构实现纵向位移，光电编码器测量纵向位移的尺寸，当设置尺寸和测量尺寸相等时，垂直电动机M2驱动切割机构垂直位移，行程开关限制垂直电动机行程位置，切割机构垂直运动达到设置行程后，完成一次完整的控制任务，控制系统再次驱动电机进行流水线横向运动。

实现以上控制任务，控制系统应包括三大部分：

主电路、控制部分和显示部分。

因此可以设计出控制系统的结构流程图。

系统结构流程图如下：

图2.1系统结构流程图

2.2控制系统主要构造及动作过程

主电路表示系统执行机构，包括电动机、光电编码器、TD200人机界面、行程开关和激光切割束。

执行机构切割过程：

启动机器，先将切割机构回原点，将玻璃板材放置在台面上，行程开关检测到玻璃后，垂直电动机M2正转驱动切割机构下行直到预设位置，根据设置宽度参数驱动纵向电动机M3实现定宽度尺寸，然后启动横向电动机M1驱动生产线水平运动，达到设置长度后纵向电动机M3反转实现定长切割，然后会原点。

当设定值等于预置值时，断开进给电机的接触器，电磁离合制动器的离合分离，刹车起作用以消除推进系统的惯性，从而实现精准定位。

因此控制系统包括三大部分：

横向电动机运动，纵向电动机正反转运动和垂直电动机正反转运动。

控制系统动作流程图如下图所示：

图2.2控制系统动作流程图

2.3电气元件的选型

2.3.1电动机选型

电动机是主要的动力机械，它的应用是非常广泛的，所以就其全国电动机的总耗电量来说，它是极为可观的。

因此，合理选择电动机是相当重要的，它直接关系到生产机械的运行安全和投资效益。

电动机的选择内容包括电动机种类、外壳型式、额定电压、额定转速、额定功率、各项性能等。

采用三相异步电动机控制流水线水平移动和切割刀具的垂直升降运动，利用直流电动机控制切割刀具的定长定宽切割，实现玻璃造型控制系统的设计任务。

流水线的横向运动是定向单向运动，只需电动机启停运动即可。

切割刀具需要垂直升降运动和正反进给运动，需要启停和正转反转运动。

根据主电路的要求和控制方式结合以上对电机的各项标准和参数的介绍可确定主电路所用的元件的型号和参数。

台面电机的是用来带动玻璃流水线横向运动，所选的电机功率要大，转速稍微低即可。

刀架电机用来控制刀片的上下移动，而刀片的移动并不能很快，所以所选的电机转速要稍微低，虽有蜗轮减速，带在经济角度考虑下，可以用转速小、功率低的电机以节约成本。

刀具进给电机控制材料的进给，定位须准确，采用直流电机

表2.1横向电机M1型号参数

型号

额定电压

额定

功率

额定电流

转速

效率

功率因素

最大转矩

最小转矩

堵转转矩

堵转电流

额定转矩

额定转矩

额定转矩

额定电流

V

kW

A

r/min

%

倍

倍

倍

倍

Y2-112M-2

380

4

8.1

2890

85.0

0.88

2.3

1.4

2.2

7.5

表2.2垂直电机M2型号参数

型号

额定电压

额定

功率

额定电流

转速

效率

功率因素

最大转矩

最小转矩

堵转转矩

堵转电流

额定转矩

额定转矩

额定转矩

额定电流

V

kW

A

r/min

%

倍

倍

倍

倍

Y2-100L2-8

380

1.1

3.4

700

73.0

0.69

2.0

1.2

1.8

5.0

表2.3纵向电机M3型号参数

型号

额定电压

额定

功率

额定电流

转速

效率

削弱磁场时最大转速

飞轮力矩

V

kW

A

r/min

%

r/min

kg·m2

Z2-42

220

1.5

9.16

750

74.5

1500

0.18

2.3.2主电路其他元件选型

主电路的其他元件的选型就为断路器的选择、交流接触的选择、熔断器的选择、中间继电器的选择表等各种元件的选择。

元件的选择对整个设备的性能起到很大的作用，下面是电器元器件选择方法。

（1）刀开关是用来控制设备的总电源，三组熔断器是防止电流过大而设计的，热继电器也有同样的效果，但是工作原理不同。

KM1是控制横向运动电机M1，KM2和KM3分别是控制垂直运动电机M2正反转，KM4和KM5分别是控制纵向运动电机M3的正反转，KM6控制激光束的启停。

KM7和KM8控制电磁离合制动器，刹车时给电机其精确定位的。

（2）熔断器是低压配电网中的保护元件之一，主要做短路保护用，当通过熔断器的电流大于规定值时，以及自产生的热量使熔体熔化而自动分断电路。

通过熔断器的熔化特性和熔化特性的配合以及熔断器与其他电器的配合，在一定的短路范围内可达到选择性保护。

而在本系统中是在电动机回路中用作短路保护。

应考虑到电动机的起动条件，按电动机时间长短选择熔体的额定电流，对起动时间不长的场合可按下公式决定熔体额定电流

：

=

（2.1）

对起动时间长或较频繁起动，按下公式决定电流

：

=

（2.2）

式中，

为电动机的起动电流。

FU1选用RT16-00C型，其主要技术参数：

额定电流16A，额定电压500V，额定功率1.14W。

FU2选用RT16-00C型，其主要技术参数：

额定电流6.5A，额定电压500V，额定功率0.67W。

FU3选用RT16-00C型，其主要技术参数：

额定电流3A，额定电压500V，额定功率0.31W

（3）交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断交流电路的电器，其主要控制对象是电动机，也可用于控制如电焊机、电容器组、电热装置、照明设备等其他负载。

接触器具有操作频率高、使用寿命长、工作可靠、性能稳定、维修简便等优点，是用途广泛的控制电路之一。

随使用场合及控制对象不同，接触器的操作条件与工作繁重程度也不同。

为了尽可能经济地、正确地选用接触器，必须对控制对象的工作情况以及接触器性能有一较全面的了解，不能仅看产品的铭牌数据，因接触器铭牌上所规定的电压、电流、控制功率等参数为某一使用条件下的额定值，选用时应根据具体使用条件正确选用。

通常，先根据接触器的实际使用类别选用相应的接触器类型。

然后，根据接触器控制对象的工作参量（如工作电压、工作电流、控制功率、操作频率、工作制等）确定接触器的容量等级。

再按控制电路要求决定接触器的线圈参数。

用于特殊环境条件的接触器应选用派生型产品（如湿热带型―TH或符合防爆、防尘、防滴等使用要求的产品）。

交流接触器的负载主要可分为电动机负载与非电动机负载（如电热设备、照明装置、电容器、电焊机等）两大类。

本设计中交流接触器使用属于电动机负载，且其负载的轻重程度为一般任务型，其操作频率不高。

选用接触器时只要使被选用接触器的额定电压和额定电流等于或稍大于电动机的额定电压和额定电流即可。

对特重任务电机，如印刷机、镗床等，操作频率很高，可达600～12000次/h，经常运行于起动、反接制动、反向等状态，接触器大致可按电寿命及起动电流选用，接触器型号选CJl0Z，因此KM1、KM2、KM4～KM6选用CJl0Z型。

AC－3笼型感应电动机的启动、分断风机，泵等负载，所以KM2选用AC-3型，其主要技术参数：

额定电压AC380V，额定工作电流9A，约定发热电流20A，可控三相鼠笼电动机的功率4kW。

（4）热继电器是依靠电流通过发热元时产生的热，使双金属片受热，弯曲而推动机构动作的一种电器，主要用于电动机的过载保护，断相及电流不平衡运行的保护及其他电气设备设备发热状态的控制。

因此选用时，必须了解被保护对象的工作环境，起动情况，负载性质，工作制以及电动机允许的过载能力，保护要遵循的原则：

应使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之中，并尽量可能地接近，甚至重合，以充分发挥电动机的过载能力，同时使电动机在短时过载和起动瞬间（5～6

）时不受影响。

在热继电器的选择方面还要注意以下的几点：

①原则上，热继电器的额定电流应按电机的额定电流选择。

②在不频繁启动的场合，要保证热继电器不会应电机的启动而起误动作。

③当电机为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。

FR1、FR2选用NR2（JR28）-11.5型，其主要技术参数：