基于PLC的全自動剪板機(jī)的控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.1doc

上海電視大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱： 可編程控制原理 題目： 剪板機(jī)系統(tǒng) 專業(yè)班次： 11機(jī)電春 姓 名： 吳俊培 指導(dǎo)教師： 王一光 全自動剪板機(jī)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 可編程控制器是一種為工業(yè)機(jī)械控制所設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，在各種自動控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，他是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展 成為以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。早期的可編程控制器在功能上只能進(jìn)行邏輯控制，因而稱為可編程程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)簡稱PLC。隨著技術(shù)的發(fā)展，其控制功能不斷增強(qiáng)，可編程程序控制器還可以進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，模擬量控制、順序控制、定時、計(jì)數(shù)等，并通過數(shù)字，模擬的輸入、輸出控制各種類型的機(jī)械生產(chǎn)過程。目前,我國機(jī)械制造業(yè)存在大量的通用設(shè)備,在發(fā)展現(xiàn)代機(jī)械自動化技術(shù)時,可以應(yīng)用微電子技術(shù)改造這些已有通用設(shè)備,比如用數(shù)顯、數(shù)控裝置改造通用設(shè)備,提高單機(jī)自動化程度;用可編程序控制器改造通用機(jī)床、專用機(jī)床、組合機(jī)床及自動設(shè)備與半自動設(shè)備組成的生產(chǎn)線,這樣可以把計(jì)算機(jī)功能完備、編程靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制簡單、抗干擾能力強(qiáng)、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，這是一條低成本、高效益，符合我國國情的機(jī)械自動化術(shù)發(fā)展應(yīng)用新途徑。隨著可編程控制器技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的控制柜逐漸被新一代的智能化儀表所代替,對于日益復(fù)雜的控制功能,傳統(tǒng)控制柜顯得無能為力,而可編程控制器具有可編程序的特點(diǎn),運(yùn)行時可以根據(jù)要求,自動選擇控制算法、適應(yīng)性強(qiáng)、可編程控制器采用軟件代替硬件的方法,可以簡化線路,使控制設(shè)備的性能價格比不斷提高,本設(shè)計(jì)的研究目的,在于探索在秸稈的自動切割中,應(yīng)用可編程控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)秸稈切割的自動控制。全自動剪板機(jī)系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中,秸稈長度的檢測，秸稈進(jìn)料、壓緊、走刀、落料、長度調(diào)整等過程必須按一定的節(jié)拍控制精確度動作，而且不同長度、不同厚度、不同材料的秸稈,各動作行程、先后順序、刀具位置等要求都不一樣，對于這樣的控制要求,傳統(tǒng)控制柜很難實(shí)現(xiàn),綜合考慮設(shè)備的性能/價格比，顯示直觀性、外表美觀性、靈活性等諸方面因素,本設(shè)計(jì)采用可編程控制器，根據(jù)秸稈自動切割機(jī)對控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。 1 剪板機(jī)工藝剪板機(jī)應(yīng)用于許多農(nóng)業(yè)中對各種秸稈進(jìn)行切割的操作，在設(shè)計(jì)之前必須對幾個因素進(jìn)行考慮，包括剪板機(jī)的切割能力、產(chǎn)率增強(qiáng)選件和安全性。剪板機(jī)類型由許多因素決定，諸如可處理材料的長度、厚度和種類。 也可以按剪切形式及其驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行分類，有兩種結(jié)構(gòu)形式常用于電動龍門剪床：閘式（也叫滑塊式）和擺式。 閘式剪板機(jī)利用驅(qū)動系統(tǒng)操縱動刀片向下移動到一定的位置，使動刀片在整個行程內(nèi)幾乎與定刀片保持平行。為了使刀架片橫梁在相互移動的過程保持合適的狀態(tài)，閘式剪板機(jī)需要一個滑塊導(dǎo)向系統(tǒng)。擺式剪板機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中有一個用來操縱動刀片，使動刀片依附于 滾柱軸承向下回轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)不再需要利用凹字形導(dǎo)向條或滑道使刀片在切割過程保持合適的姿勢。 在評價剪板機(jī)時需要考慮的一個因素是指定的工作需要多大的切割能力。 切割角（動刀片通過定刀片時的角度）是決定切割質(zhì)量的重要因素。一般而言，剪切角越小，秸稈切割之后體積越小。如果落在切割機(jī)后面的零件比較短（小于4(1.22m)），可能出現(xiàn)切割長度不均勻問題。切割角較小的切割機(jī)需要較大的動力。 剪板機(jī)依靠重要的標(biāo)準(zhǔn)部件和能夠增加生產(chǎn)率的選購件來增強(qiáng)產(chǎn)率，提高生產(chǎn)率可以表現(xiàn)為許多形式：節(jié)約人力，改進(jìn)物料流動，提高精度，改善切割均勻長度并避免輔助操作，但最重要的是增強(qiáng)安全性。1.1 系統(tǒng)的控制要求據(jù)剪板機(jī)的工作特點(diǎn),對控制系統(tǒng)提出控制要求如下:1 上電后,檢測各工作機(jī)構(gòu)的狀態(tài),控制各工作機(jī)構(gòu)處于初始位置。2 進(jìn)料,由控制系統(tǒng)控制進(jìn)料機(jī)構(gòu)將秸稈自動輸送到位。3 定切割尺寸,采用伺服電機(jī)控制擋料器位置保證精確的剪切尺寸,其尺寸可是定值也可以設(shè)置為循環(huán)變動值。4 壓緊和切割,待秸稈長度達(dá)到設(shè)定值后由主電動機(jī)帶動壓料器和切割刀具,先壓緊秸稈,然后剪斷秸稈。5 送料車的運(yùn)行,包括卸載后自動返回。6 秸稈的尺寸設(shè)定、自動計(jì)數(shù)及每車秸稈數(shù)的預(yù)設(shè)定。7 具備斷電保護(hù)和來電恢復(fù)功能。8 能實(shí)現(xiàn)加工過程自動控制,加工參數(shù)顯示,系統(tǒng)檢測。9 保證秸稈加工均勻、加工效率和安全可靠性。10 具有良好的人機(jī)操作界面。1.2 剪板機(jī)結(jié)構(gòu)原理剪板機(jī)是借于運(yùn)動的上刀片和固定的下刀片,采用合理的刀片間隙,對各種厚度的金屬板材施加剪切力,使板材按所需要的尺寸斷裂分離的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。 圖1 自動切割機(jī)原理圖1.2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)置了7個限位開關(guān)，分別用于檢測各部分的工作狀態(tài)。其中，SQ1 檢測待切割秸稈是否被輸送到位。SQ2、SQ3 分別檢測壓塊B 的狀態(tài)，檢測壓塊是否壓緊已到位的秸稈；SQ4 檢測剪切刀A 的狀態(tài)；SQ7 為光電接近開關(guān), 檢測秸稈是否被剪斷落入小車；SQ5 用于檢測小車是否到位；SQ6 用于判斷小車是否空載。送料機(jī)構(gòu)E、壓塊B、切割刀A和送料小車分別由四臺電動機(jī)拖動。系統(tǒng)未動做時, 壓塊及切割刀的限位開關(guān)SQ2、SQ3 和SQ4 均斷開, SQ1、SQ7也是斷開的。1.2.2 工作原理當(dāng)系統(tǒng)啟動時,輸入秸稈加工尺寸、加工長度等參數(shù)，按下自動開關(guān)，系統(tǒng)自動運(yùn)行。1 首先檢查限位開關(guān)SQ6 的狀態(tài),若小車空載, 系統(tǒng)開始工作, 起動送料小車。小車運(yùn)行到位, 限位開關(guān)SQ5 閉合,小車停車。2 起動送料機(jī)構(gòu)E 帶動秸稈C 向右移動。當(dāng)秸稈碰到行程開關(guān)SQ1 時, 送料停止同時制動器松開、電磁離合器結(jié)合，主電動機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)工作。3 壓塊電機(jī)啟動,使壓塊B 壓下, 壓塊上限開關(guān)SQ2 閉合。當(dāng)壓塊到位, 秸稈壓緊時, 壓塊下限開關(guān)SQ3閉合。4 切割刀電動機(jī)起動, 控制剪刀下落。此時,SQ4 閉合, 直到把秸稈剪斷, 秸稈落入小車。5 當(dāng)小車上的秸稈夠數(shù)時, 起動小車控制電動機(jī), 帶動小車右行,將切好的秸稈送至下一工序。6 卸下后, 再起動小車左行, 重新返回切割機(jī)下, 開始下一車的工作循環(huán)。秸稈的長度L 可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整, 每一車秸稈的數(shù)量可預(yù)先設(shè)定。2 總體設(shè)計(jì)方案傳統(tǒng)的控制方法是采用繼電器-接觸器控制，但控制系統(tǒng)較復(fù)雜,大量的接線使系統(tǒng)可靠性降低,也間接地降低了設(shè)備的工作效率。采用可編程控硬件制器較好地解決了這一問題。它是一種將計(jì)算機(jī)技，自動控制技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合在一起的新型工業(yè)自動控制設(shè)備,不僅能實(shí)現(xiàn)對開關(guān)量信號的邏輯控制,還能實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備之間的通信。因此,將PLC應(yīng)用于該控制,完全能滿足技術(shù)要求，且具有操作簡單、運(yùn)行可靠、工藝參數(shù)修改方便、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)。在此對PLC進(jìn)行簡單介紹，在自動化控制領(lǐng)域，PLC是一種重要的控制設(shè)備。目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)300多品種PLC產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車（23%）、糧食加工（16.4%）、化學(xué)/制藥（14.6%）、金屬/礦山（11.5%）、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)。以下對PLC的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等基本知識做一簡介。1 PLC的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱ProgrammableController（PC）。個人計(jì)算機(jī)（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為ProgrammableLogicController（PLC），現(xiàn)在，仍常常將PLC簡稱PC。PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量的能力、數(shù)字運(yùn)算的能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。2 PLC的構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 3 CPU的構(gòu)成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及工作數(shù)據(jù)。PLC常用的存儲類型有RAM 、ROM、 EPROM、 EEPROM。內(nèi)部處理通信操作輸入處理程序執(zhí)行輸出處理運(yùn) 行停止停止圖2 PLC的工作原理PLC采用循環(huán)掃描工作方式，在PLC中，用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結(jié)束符后，又返回第一條，如此周而復(fù)始的不斷循環(huán)。PLC的掃描過程如圖2。這個工作過程分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時器等。同信操作服務(wù)階段，PLC與一些智能模塊通信，響應(yīng)程序器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)PLC處于停止?fàn)顟B(tài)時，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、到程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。輸入處理又叫輸入采樣。在此階段，順序輸入所有端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存所對應(yīng)的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新，接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時，輸入映象寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映象寄存器的內(nèi)容也不會發(fā)生變化，只有在下一次掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。程序執(zhí)行階段根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。循環(huán)掃描的工作方式是PLC的一大特點(diǎn)，也可以說PLC是串行工作的，這和傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)并行工作有質(zhì)的區(qū)別。PLC的串行工作方式避免了繼電器控制系統(tǒng)中觸點(diǎn)競爭和時序失配的問題。由于PLC采用掃描工作過程，所以在程序的執(zhí)行階段即使發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映象寄存器的內(nèi)容也不會變化，要等到下一個周期的輸入采樣階段才能改變。掃描周期是一個很重要的指標(biāo)，小型PLC的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。PLC的掃描時間取決于I/O掃描速度和用戶程序的長短，以及程序使用的指令類型。毫秒級的掃描時間對于一般工業(yè)設(shè)備通常是可以接受的，PLC的影響滯后是允許的，但是對某些I/O快速響應(yīng)的設(shè)備，則采取相應(yīng)的處理措施。如選用高速CPU，提高掃描速度，采用快速響應(yīng)模塊、高速記數(shù)模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時間。影響I/O滯后的主要原因：輸入濾波器的慣性，輸出繼電器接點(diǎn)的慣性，程序執(zhí)行的時間，程序設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙?。我們在此不必要詳?xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。4 I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。開關(guān)量是指，只有開和關(guān)（或1和0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指，連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（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，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受到最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。5 電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。6 底板或機(jī)架 大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。7 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備1） 編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。2） 人機(jī)界面：最簡單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。3） 輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。8 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出網(wǎng)絡(luò)就是控制器的觀點(diǎn)說法。 PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信，還未實(shí)現(xiàn)互操作性，IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，PLC各廠家均有采用。 全自動切割機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)械部分電氣部分送料機(jī)構(gòu)壓料機(jī)構(gòu)卸料機(jī)構(gòu)小車機(jī)構(gòu)PLC電機(jī)電路工作電路工作電源軟件部分圖3 總體設(shè)計(jì)方案簡圖對于一個自動化工程(特別是中大規(guī)模控制系統(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展；其次，針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、機(jī)制的前提下進(jìn)行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)自動化必須根據(jù)板材自動精確切割加工的工作特點(diǎn)及動作要求進(jìn)行設(shè)計(jì),因此本方案采用了可編程控制器來實(shí)現(xiàn)對自動切割機(jī)的控制，設(shè)計(jì)思想如圖3所示。 3 自動切割機(jī)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 1 設(shè)計(jì)進(jìn)料機(jī)構(gòu)E用交流電機(jī)帶動送料皮帶，傳送皮帶送料只向一個方向運(yùn)動，只要求電機(jī)向一個方向旋轉(zhuǎn)即可，輕負(fù)載小工率電動機(jī)可直接起動，用熔斷器和熱繼電器作短路、過載保護(hù)。使待切割秸稈自動快速穩(wěn)定地輸送到剪切位置。2 設(shè)計(jì)壓料機(jī)構(gòu)B壓塊B的作用是壓緊秸稈，以利于切割刀切斷秸稈，壓塊B又上升和下降兩種運(yùn)動，要求帶動壓塊的電動機(jī)具有正反轉(zhuǎn)運(yùn)動，控制電路有聯(lián)鎖保護(hù)、用熔斷器和熱繼電器作短路、過載保護(hù)。圖4 電機(jī)正反轉(zhuǎn)主電路所謂聯(lián)鎖控制是指，凡是生產(chǎn)線上某些環(huán)節(jié)或一臺設(shè)備的某些部件之間具有相互制約或相互配合的控制均稱為聯(lián)鎖控制，聯(lián)鎖控制包括：自鎖控制、互鎖控制、正常工作與點(diǎn)動的聯(lián)鎖控制、實(shí)現(xiàn)按順序工作時的控制。電機(jī)正反轉(zhuǎn)就需要互鎖控制。3 切割刀 剪切刀有兩種運(yùn)動，下行切斷板料，然后上升復(fù)位，帶動剪切刀機(jī)構(gòu)的電動機(jī)也應(yīng)具有正反轉(zhuǎn)，用熔斷器和熱繼電器作短路、過載保護(hù)。根據(jù)電機(jī)控制要求，其電機(jī)正反轉(zhuǎn)主電路圖如圖4所示，程序流程框圖如圖5所示。圖5 電機(jī)正反轉(zhuǎn)程序流程框圖電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制PLC設(shè)計(jì)討論：1）電力拖動是指對電動機(jī)的控制，采用繼電器-接觸器控制，都有自己的基本控制電路。采用PLC控制也應(yīng)該有自己的基本控制環(huán)節(jié)，為此而提出電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制PLC設(shè)計(jì)討論，尋找其較好的控制方案。2）繼電器-接觸器電氣控制原理： 繼電器-接觸器電氣控制原理如圖6所示。上、下兩圖比較，不管是電器元件、觸點(diǎn)數(shù)量、連接導(dǎo)線的數(shù)量都是一樣的，分別是5只、9個、13條。按鈕連線也是6根，但上圖的按鈕和接觸器連線較集中，從維修的角度看要比下圖優(yōu)越。3）元件的代號意義SB0帶磨姑頭急停按鈕。5SB1、5SB2正反轉(zhuǎn)啟/停按鈕。5KM1正轉(zhuǎn)接觸器。5KM2反轉(zhuǎn)接觸器。其中的5KM1和5KM2要求選用帶機(jī)械聯(lián)鎖的交流接觸器。圖6 繼電器-接觸器電氣控制原理4） 電器元件的工作情況正轉(zhuǎn)啟動撳5SB1，5KM1得電動作，其中一個觸點(diǎn)自鎖，另一個觸點(diǎn)則用于互鎖，即斷開5KM2的線圈回路。 反轉(zhuǎn)啟動撳5SB2，首先是5KM1失電，其互鎖觸點(diǎn)恢復(fù)閉合，才是5KM2得電動作，其中一個觸點(diǎn)自鎖，另一個觸點(diǎn)則用于互鎖，即斷開5KM1的線圈回路。 再次正轉(zhuǎn)啟動撳5SB1，首先是5KM2失電，其互鎖觸點(diǎn)恢復(fù)閉合，才是5KM1得電動作，其中一個觸點(diǎn)自鎖，另一個觸點(diǎn)則用于互鎖，即斷開5KM2的線圈回路。4 設(shè)計(jì)小車送料裝置為實(shí)現(xiàn)秸稈自動輸送到下一工位并返回,可采用交流電通過帶傳動帶動驅(qū)動軸,驅(qū)動行走輪來完成小車往返各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動動力來自電機(jī),根據(jù)控制的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性要求,用交流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)料、小車送料、托架下料，采用伺服電機(jī)控制擋料器精確定長。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。而且永磁交流伺服電動機(jī)同直流伺服電動機(jī)比較，主要優(yōu)點(diǎn)有：1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護(hù)和保養(yǎng)要求低。2）定子繞組散熱比較方便。3）慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。4）適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。伺服的額定速度比一般異步電機(jī)高的多，并且可以控制轉(zhuǎn)速和位移，而一般的變頻器只側(cè)重于轉(zhuǎn)速控制，適用于開環(huán)調(diào)速，而伺服可以做到精確定位，速度環(huán)控制響應(yīng)比變頻器加外圍速度控制更直接，動態(tài)響應(yīng)好。為了實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的控制，采用圖7所示主電路,控制對象為4臺電機(jī)和一個蜂鳴器。KM1KM7為接觸器，KM1是緊急停止接觸器,KM2控制蜂鳴器,KM3KM7分別控制送料、壓塊、剪切和小車電機(jī)。FR1FR5都采用熱敏電阻作為測量元件的熱繼電器,FR1、FR3的設(shè)定值取送料和剪切電機(jī)上限溫度的95%,當(dāng)?shù)竭_(dá)此溫度時進(jìn)行閃光報(bào)警。該控制系統(tǒng)需要完成對工作機(jī)構(gòu)的控制情況如下：1）進(jìn)料控制,執(zhí)行器件為進(jìn)料電機(jī),通過對進(jìn)料電機(jī)的起?？刂?實(shí)現(xiàn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)輸送秸稈，停止輸送秸稈的控制。2）刀具切割控制,執(zhí)行器件為電磁離合器和電磁制動器。通過控制主電機(jī)傳動路線中的電磁離合器,控制傳動機(jī)構(gòu)帶動刀具完成向下剪切秸稈,撤回利用彈簧完成。為了防止慣性造成連續(xù)剪切需要控制制動器切割一次制動一次。3） 小車往返運(yùn)動及停止控制,執(zhí)行器件為小車電機(jī),通過控制小車電機(jī)的起、停、正反轉(zhuǎn),控制送料小車在切割機(jī)與下一工位往返送料。 圖7 控制系統(tǒng)的主電路圖其中,1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)都可采用光電、開關(guān)量控制。由于可編程控制器是低壓直流輸出,所以,我們使用中間繼電器作為控制器輸出的第1級執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過繼電器的觸電控制大功率接觸器的通斷,從而控制交流電機(jī)的起、停。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電磁離合器、制動器需要采用專用輸出驅(qū)動控制電路。 系統(tǒng)原來采用繼電器接觸器控制,但控制系統(tǒng)較復(fù)雜,大量的硬件接線使系統(tǒng)可靠性降低, 也間接降低了設(shè)備的工作效率。采用可編程控制器較好地解決了這一問題, 它不僅減少了系統(tǒng)的硬件接線, 提高了工作可靠性, 而且在切割精度改變時, 只需修改程序, 就可適應(yīng)新的加工要求, 大大提高了工作效率。3.1.1 PLC控制器的選擇在此設(shè)計(jì)中，采用日本松下公司生產(chǎn)的FP1C24系列PLC系統(tǒng)作為主機(jī)。 日本松下電工公司的FP系列PLC是可編程控制器市場上的后起之秀，它具有豐富的指令系統(tǒng)，即使是小型機(jī)也有近200條指令。CPU處理速度快，運(yùn)行速度1.6s/步。程序容量高達(dá)2700步/500步，小型機(jī)一般都達(dá)到3千步左右，最高可達(dá)5千步，而大型機(jī)最大也只有60千步。編輯工具的功能強(qiáng)大，無論是手持編程器還是編程工具軟件，其編程可監(jiān)控能力都很強(qiáng)。強(qiáng)大、統(tǒng)一的編程工具,是設(shè)計(jì)人員的最佳選擇。網(wǎng)絡(luò)通信功能強(qiáng)大，此系列的各種機(jī)型都提供了通信功能，松下電工提供了多達(dá)6種的PLC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，在同一子網(wǎng)中集成了幾種通信方式，我們可根據(jù)需要選擇。FP1屬于小型機(jī)。產(chǎn)品型號以C字母開頭代表主控單元或稱主機(jī)，以E字母開頭代表擴(kuò)展單元或稱擴(kuò)展機(jī)，后面跟的數(shù)字代表I/O點(diǎn)數(shù)。該產(chǎn)品包括C14C72六款主控單元和E8E40四款擴(kuò)展單元，主機(jī)有14.16.24.40.56.72點(diǎn)六種,還有8.16.24.40點(diǎn)四種擴(kuò)展單元。主機(jī)上配有RS232C通訊口及機(jī)內(nèi)時鐘，形成系列化產(chǎn)品。 圖8 松下電工FP1C24系列主機(jī)面板圖 圖9 FP1可編程序控制器輸入/輸出電路的基本結(jié)構(gòu)FP1的指令系統(tǒng)十分強(qiáng)大，共有190多條指令，除基本的邏輯運(yùn)算，數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理 數(shù)制轉(zhuǎn)換指令之外，還有中斷、子程序調(diào)用、步進(jìn)控制、電子凸輪控制、速度及位置控制等特殊功能指令。另外，F(xiàn)P1還有功能完備的編程工具，利用這些工具，我們可以方便的進(jìn)行編程和實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。即使是使用手持編程器,也可以實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)控功能。由于FP1具有結(jié)構(gòu)緊湊、硬件配置全、軟件功能強(qiáng)等特點(diǎn)，而且，它的某些功能甚至能與大型機(jī)媲美，所以性能價格比高，較適合在中小企業(yè)中推廣使用。FP1雖屬于小型PLC，但卻包含了大中型 PLC的許多功能，可以說它是“麻雀雖小五臟具全”他的特殊功能主要 有以下幾方面：1 高速計(jì)數(shù)功能 FP1內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)頻率可達(dá)10000 Hz。2 脈沖輸出功能 FP1型PLC中晶體管輸出型可輸出頻率可調(diào)脈沖，最高脈沖頻率大5000 Hz。3 可調(diào)輸入延時濾波 為提高可靠性，在FP1的輸入端采用了可調(diào)輸入延時濾波 ，它可以減少應(yīng)機(jī)械開關(guān)抖動帶來得不可靠性。4 脈沖捕捉功能 在FP1的輸入端增加了脈沖捕捉功能，可以根據(jù)需要選擇。該功能可以使PLC捕捉到瞬間的窄脈沖，這在故障檢測中十分有用。 中斷功能 手動可調(diào)數(shù)值輸入功能 只要在小旋具或螺絲刀調(diào)節(jié)面板上的螺桿的旋轉(zhuǎn)角，即可從外部方便的改變其內(nèi)部寄存器中所存的數(shù)值，數(shù)值范圍可在0256之間改變，在FP1中還有其他一些特殊功能，如時鐘日歷、掃描時間設(shè)置、口令保護(hù)、看門狗等。FP1C24型可編程控制器的主控單元外型圖如圖8所示，主控單元的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為16/8，其工作電壓24V DC。主控單元和擴(kuò)展單元的I/O點(diǎn)數(shù)加起來最多可達(dá)152個點(diǎn)。在主控單元內(nèi)含有高速計(jì)數(shù)器，可輸入的脈沖頻率高達(dá)5000Hz，并能同時輸入兩路脈沖，晶體管輸出型PLC可輸出頻率可調(diào)的脈沖信號。主控單元還具有8個中斷源的中斷優(yōu)先權(quán)管理等功能。同時通過PC機(jī)可對PLC進(jìn)行梯形圖程序的編輯、狀態(tài)監(jiān)控等。除主控單元和擴(kuò)展單元外，還有A/D、D/A單元，最多可控制152點(diǎn)加4通道A/D,4通道D/A，還有C-NET鏈接單元等高級模塊，可進(jìn)行模擬量處理，通過C-NET網(wǎng)絡(luò)模塊可方便地將最多32臺PLC聯(lián)成網(wǎng)絡(luò),距離達(dá)1.2km，可方便的工業(yè)現(xiàn)場PLC控制網(wǎng)絡(luò)。3.1.2 I/O端子分配1 輸入設(shè)備限位開關(guān): SQ1, SQ2, SQ3,SQ4,SQ5, SQ6, SQ7系統(tǒng)的停止啟動按鈕: SB1, SB22 輸出設(shè)備 一批秸稈切割完成并落入小車時, 光電檢測開關(guān)SQ7合一次,計(jì)數(shù)器作減1計(jì) 數(shù)。本設(shè)計(jì)中假設(shè)小車可最多載40根秸稈。KM1控制送料機(jī)構(gòu)電機(jī)的接觸器；KM2、KM2控制壓塊電機(jī)的接觸器，驅(qū)動電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制壓塊壓緊和放松秸稈；KM3、KM3分別控制剪切電機(jī)的接觸器，驅(qū)動電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制切割刀上下運(yùn)行；KM4和KM4控制送料小車電機(jī)的接觸器，驅(qū)動電機(jī)的正反轉(zhuǎn),從而控制小車的左行和右行。HL1為小車空載指示,根據(jù)需要, 還可增設(shè)其它信號指示。其輸入輸出端子分配如圖10所示。 圖10 自動切割機(jī)PLC控制系統(tǒng)I/O端子分配圖把現(xiàn)場開關(guān)輸入設(shè)備按編號接在PLC的輸入端子上，相應(yīng)的輸出設(shè)備接在輸出端子上。其端子的對應(yīng)輸入輸出為：輸入：SB1X0 SB2X1 SQ1X2 SQ2X3 SQ3X4 SQ4X5SQ5X6 SQ6X7 SQ7X8輸出：KM1Y0 KM2Y1 KM2Y2 KM3Y3 KM3Y3KM4Y5 KM4Y6 HL1Y73.2 系統(tǒng)的軟件分析可知，本系統(tǒng)是一個多工步的順序控制系統(tǒng)，運(yùn)用