基于plc高速全自动包装机的控制系统应用说明书

基于plc高速全自动包装机的控制系统应用说明书内容摘要：

能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。 并开始与小型计算机联成网络，构成了 以 PLC 为重要部件的分布式控制系统。 随着网络通信功能的不断增强， PLC 与 PLC 及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据高速公路上 (Data Highway)挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已经具备了集散控制系统的形态，加上 PLC 价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相互竞争。 由于以上的原因，可以预见随着 PLC 成本的下降和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。 无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还是与现代的微型计算机系统 乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面 PLC 都具有明显的优越性。 尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接受等优点，是现代机电一体化产品控制装置的理想选择。 卷纸包装机产生的背景及意义 卫生卷纸是人们生活中的必须品，随着人们对纸质品用量的增加，对卫生纸的需求也越来越大，且对卫生纸的安全性，方便性要求也越来越高。 为使包装出的物品整齐、美观 并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。 目前，该类包装机多半为进口产品，价格昂贵。 为此，我以东莞佳鸣机成都信息工程学院毕业论文 第 １１ 页 共 42 页 械制造有限公司的卷纸包装机控制系统为题材，论 PLC 在高速全自动的应用。 PLC 在包装机械上应用的可能性和前景⑴ 包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。 在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用 PLC 控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。 从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合 ，而后者只是 PLC 的内部寄存器，在 PLC 编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。 一般的 PLC 都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对 PLC 进行编程。 事实上 PLC 用于这种场合是最能显现出其经济性。 当然我们不仅忽视了 PLC 的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲， PLC 最适合于需要大量中间继电器的场合。 且 PLC 与其他工业控制系统比较具有许多优点 : 1)更改控制逻辑只需修改软件， 无需对硬件作改动。 2)程序可以复制，批量生产很容易。 3)电气硬件设计大大简化。 4)由于 PLC 除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化。 5)可靠性高。 6)成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而 PLC 控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性。 7)具有扩展单元或扩展模块，当需要较多 I/0 时可以方便地扩展。 因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了 PLC 来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。 我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。 如果能用 PLC 来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。 更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。 通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用 PLC 控制系统。 项目研究的主要内容 ，明确背景知识与选型根据；分析 PLC 在包装机械上应用的可能性与前景。 研究。 了解卷纸包装机的工作过程及工艺要求。 总结成都信息工程学院毕业论文 第 １２ 页 共 42 页 各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实现高速全自动运动控制做准备。 ，包括控制方案的选取与设计、 I/0 接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计。 5. S7300 与上位机的通信设计。 论文的安排 全文共分四章。 论文的第一章主要介绍了可编程控制器的现状及发展趋势及其在包装机械上应用的可能性及前景，分析了 PLC 控制系统与其他控制系统的区别，介绍了本课题的研究内容。 第二章分析了卷纸包装机工艺流程和包 装各动作的时序及包装机速度的影响因素及提高方法，设计了包装机控制系统的控制方案、运行方式及硬件的选择和组态，并详细介绍了组态的各模块。 第三章主要对控制系统的供电线路及包装各工位的电气图进行设计，并根据放卷分切部分的受力分析，建立模型，然后依据自适应控制原理设计和实现了张力控制，同时也实现了送料过程中的同步控制并绘出了电路图。 第四章根据 PLC 原理用 SIEMENS 的 STEP7 设计包装机的软件。 下面就具体结合卷纸包装机电控系统的实际来看一下它的应用。 这里需要说明的是，正如前面所提到的那样，可编程控制技术并非单纯是 指 PLC 本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。 本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。 在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺。 第二章卷纸包装机控制系统的总体设计 第一章介绍了可编程控制技术的一些概要情况，下面就具体结合卷纸包装机电控系统的实际来看一下它的应用。 这里需要说明的是，正如前面所提到的那样，可编程控制技术 并非单纯是指 PLC 本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。 本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。 在设计控制系统成都信息工程学院毕业论文 第 １３ 页 共 42 页 之前，首先得了解其生产工艺。 卷纸包装机生产工艺概述 卷纸包装机主要功能是将来自卷纸库的卷纸以每分钟 60 个的速率包装成合格的卫生卷筒纸。 简单的工艺流程如图 21 所示。 包装纸以卷筒的形式放在原料架上 ，当上位机发出命令时，放卷电机动作，开始放卷。 放卷到一定长度 (长度由色标来检测 )时，通过色标信号向切纸机构发出指令。 切纸机构采用交流变频调速电机，带动一个凸轮旋转，以带动切断刀上下运动，在凸轮上安装一个位置传感器，当凸轮转到某一位置时，切刀向上运动，二刀分离，当有色标信号时，刀又向下运动。 切刀上、下的工作频率可由变频调速电机来调整，操作简便。 切好的纸片经整理后放入纸片库中，等待推纸空心台送纸片。 同时卷纸库的卷纸经过整理等待托盘推杆送卷纸球。 包装过程通过包装工艺盘及其辅助机构来实现。 包装工艺盘共有八个 V形槽三 个加工工位，当包装纸和待包装的卷筒纸放入槽中后，由工艺盘载着其转动，依次送入各加工工位。 工艺盘的转动是由交流电机通过皮带传动带动的，各加工工位的动作是通过顺序逻辑控制电磁阀进而带动执行机构动作的。 工件从 1 号工位装入。 在 2 号工位由夹钳机构完成前进，抓紧，旋转，窝边的动作，同时分别向托盘和推纸空心台发出送纸球和送纸片信号。 在 3 号工位，包装好的产品由于重力作用落入成品库。 成都信息工程学院毕业论文 第 １４ 页 共 42 页 由于这是一个典型的顺序控制⒂，利用移位寄存器操作最为方便。 设定一个 8 位移位寄存器，每位移位寄存器相应于一个 V 形槽，每 120ms 移位一次， 控制相应的操作。 当到 2 号工位时发出上料信号，推纸空心台推动纸片 (其总的上升时间大于490ms 小于 640ms)，托盘推动纸球 (其总的上升时间略小于 640ms)同时以相同的速度前进，当工艺盘 V 形槽到达第一工位时，工艺盘停止，在此延时 150ms，待放纸空心台压到纸片到位行程开关，停止，托盘压到托盘到位行程开关，托盘停止，完成了上料操作，当延时到，托盘和放纸空心台后退，同时，插纸板前进，托住纸球与工艺盘一同运动。 当到达 2 号工位时，工艺盘停止，延时 250ms,同时发出上料信号，在此时段内，插纸板在工艺盘停止后也相继停 止，但由于惯性，会使包装纸带着纸球旋转一个较小的角度，使包装纸能完全包住纸球，然后再后退，同时夹钳机构轴向运动，碰到限位开关时，轴向运动停止，而三个夹杆同时径向运动，抓紧包装纸的两端，当碰到抓紧限位开关时，夹钳机构轴旋转 90 度后继续向前移动，进行窝边。 窝边到位，该机构就后退。 到达 3 号工位时，成品落下，完成一次包装，这样如此循环，直到发出停止信号。 从图 22 的时序图分析，包装一个卫生卷纸只需 880ms，可为什么在 1分钟内却只能包 60 个啦，这里还有个 PLC 扫描周期的问题，本包装程序中 PLC 扫描周期为 120 ms。 卷纸包装机速度影响的分析和提高 随着中国改革开放与 WTO 的加入，中国的工业正向高速化、流水化发展，而中国的传统包装业以手动与半自动为主，大大阻碍了高速化发展。 目前国外已有卷纸包装机，而且速度已经达到 120 个 /分，而我们国家的卷纸包装还是半自动甚至有的小作坊还是手动操作，平均包装速度仅仅能达 20 个 /分。 如果引进国外产品，除了价格昂贵外而且也不利于本国的发展。 因此研制高速包装机已成为社会发展的必然。 成都信息工程学院毕业论文 第 １５ 页 共 42 页 为了满足厂方的要求，本设计的高速卷纸包装机包装能力要求达到 60 个 /Min。 我们知道包装机速度越高，要求稳定性和可靠性愈强。 这就要求包装材料供送速度快、精度高、定位准确，包装材料质量标准要符合规格，停机率低，以减少包装材料损耗，且包装材料的装卸都要自动化等。 一 . 影响卷纸包装机高速化的包装材料的性质有： (拉 )强度要大 在高速包装机中，包装材料运动的线速度可达 500m / min 以上，同时包装机都是间歇式运动，材料直径大，材料运动惯性力大，所以应具有足够的抗拉强度，防止被拉断。 在现行的卷纸包装机材料供送机构中可通过增加冲击力缓冲装置来解决。 包装材料在运行中，由于卷筒直径大、包装运行速度大，使之受到很大的拉力和惯性冲击力，易造成包装材料拉伸，影响包装纸定位准确性，所以材料的伸缩性要小，以保证包装机工作的可靠性和包装质量。 卷筒包装材料在卷曲和使用过程中，易产生静电。 当包装材料按定长切断后，在移送过程中，一旦发生静电粘附时；就需马上停机，所以静电性越小越好。 二 .机械结构的影响。 传统的包装机在包装材料切断后迅速离开的办法是用不等速机构。 常见的不等速机构有 :偏心链轮机构，偏置曲柄导杆机构，凸轮、齿轮组合机构 ，凸轮一四连杆组合不等速转动机构以及非圆齿轮机构等。 由于偏心链轮机构的变速范围有限，结构复杂，高速时易引起链条的跳动，而且传递的力不易过大，因此它只适合于一些速度不太高、传递的力不太大的小袋包装机。 而凸轮齿轮组合机构，凸轮一四连杆组合机构因结构复杂，调整不方便，运动冲击又大，因此不常用。 其中偏置曲柄导杆机构是目前高速包装机中应用较多的一种不等速机构。 它的结构比较简单，加工方便，调节容易，成本低。 但体积比较大，调整环节比较长。 传动过程中，传动角 Y 不等于 90 度，因此传力特性不太好。 当速度超过 300r/ min 时，整个机构的动力性能变坏，动载振动和动平衡较难解决。 在设计中我们利用控制精度高，动态响应快的 6SE70 系列变频器及其配套电机来替代不等速机构，从而达到变速的目的，且使包装机结构紧凑，惯性小。 在包装过程中，通过严格的时序分析，知道要达到要求的速度，电机的启动、停止的时间一定要快，也就是电机的响应速度要快。 一般的步进电机从上升到运行平稳成都信息工程学院毕业论文 第 １６ 页 共 42 页 的时间约需 200400ms，达不到 120 ms的要求。 通过各种资料的查询，发现松下 MSMA 400W 交流伺服电机从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒。 因此，我们在要求快速启停的控制场合⒃，利用松下 MSMA400W 交流伺服电机作为执行电机。 整个控制系统以西门子 S7300 系列 PLC 作为基础，其扫描速度在其他工业控制系统中处于领先地位，每 1000 条指令约需 0. 3 ms。 通过材料，机械，电气的综合考虑，我们的设计达到了预期目标，且在实验室也调试成功。 可编程控制系统控制方案的设计 利用 PLC 可以构成多种控制系统 :单机控制系统，集中控制系统，分散型控制系统和远程 I/0 控制系统⑺。 由于卷纸包装机控制对象较多，有放卷分切中的 张力控制，包装过程控制，送料过程中的同步控制，且被控对象比较集中，因此我们采取集中控制系统方案。 集中控制系统如图 23 所示，每个被控制对象与可编程控制器指定 I/0相连接，因此各被控对象之间的数据、状态的变换不需要另外设置专门的信号线路。 该控制系统多用于控制对象所处的地理位置比较接近，且相互之间的动作有一定。