湖南工业职业技术学院电气毕业设计.docx

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湖南工业职业技术学院电气毕业设计

封面示例

湖南工业职业技术学院

毕业设计

课题名称

自动剪切生产线的PLC控制系统设计

系（院）名称

电气工程系

专业及班级

机维S2013-1班

学生姓名

邓鑫

学号

指导教师

张志田

完成日期年月日

摘要

针对普通剪切机或传统自动剪切机存在的不足，为满足中小企业对普通剪切机进行技术改造和升级的需求，提出一种基于可编程逻辑控制器S7-200PLC的薄钢板自动剪切控制系统方案并实现。

当系统传送薄钢板过来时，采用光电编码器检测系统对钢板的尺寸自动计数，当与设定值（要求用拨码盘设定）一致时启动冲压系统对薄钢板进行剪切，如果大于设定值时,电机反转,直至与设定值一致。

本课题的设计关键是薄钢板的剪切精度控制。

本设计内容主要包括系统总体设计，系统硬件设计，系统软件设计，具体介绍了薄钢板自动剪切控制系统结构组成，确定相关电路参数，选择器件型号，给出系统的硬件连线图，软件流程图和程序清单。

本设计的薄钢板剪切自动控制系统，剪切精度较高，提高了生产效率，安装方便，具有一定的应用和经济价值。

关键词：

S7-200PLC；自动剪切；光电编码器；变频调速

第1章绪论

1.1课题设计内容

课题要求设计一个基于S7-200PLC的薄钢板自动剪切控制系统，设计内容主要包括以下方面：

在第2章系统总体设计中，首先提出本设计的系统控制要求，作为系统设计的依据，接着分析采用方案二的薄钢板自动剪切控制系统的结构组成和基本工作原理。

第3章进行系统硬件设计，主要包括硬件电路相关参数确定，外围器件选型和安装；PLC控制系统的CPU选型、资源分配、硬件连线和相关参数。

第4章根据总体设计和硬件设计参数进行系统软件设计，完成程序流程图，程序清单和调试。

第2章系统总体设计

2.1系统控制要求

本设计的薄钢板自动剪切控制系统要达到以下控制要求：

（1）控制系统分手动档自动档。

手动档时，用点动的方式，人工完成钢板穿带，零位校准。

自动档时，系统自动完成薄钢板剪切工作。

（2）通过拨码盘设置薄钢板剪切尺寸参数，可根据不同需求改变其参数。

（3）有配套的故障分析判断和电气保护装置，若运行不正常，系统自动停车并发出警告信号。

（4）钢板剪切的精度要在一定范围之内，剪切尺寸2m，误差不超过1mm。

2.2系统结构组成和工作原理

本设计薄钢板自动剪切控制系统设备组成如图2.1所示。

1-开卷机；2-矫正机；3-光电开关；4、5-限位光电开关；6光电编码器；

7-测量辊；8-动力辊；9-电机；10-冲头；11-传送带；

12-行程开关；13-光电开关；14-小车；15-套坑

图2.1钢板剪切结构组成图

在图2.1中，PLC完成开卷机和矫正机同步传送，钢板位置检测采样，冲头控制，传送带运转控制，小车位置检测，小车装载钢板量检测等工作。

系统的基本工作原理是这样的：

一开始是手动控制，人工将钢带依次穿过矫正机、活套、测量辊和夹送辊一直到冲头，钢带运动是通过点动矫正机和夹送辊（由动力辊和测量辊组成）进行的。

用拨码盘设定剪切尺寸参数，钢带头对好冲头，光电编码器处于零位，然后启动自动控制按键，如果检测到装料小车到位，系统进入自动控制状态，将钢板剪切，传送到装料小车上。

钢板经历加速，匀速，降速和爬行四个阶段后停车。

如果钢板尺寸和设定一致，则启动冲压系统进行剪切，如果超出或者不够，则电机反转或正转补充直到与设定值一致再剪切，接着剪切下一块钢板，不断循环。

套坑起着缓冲的作用，标号3光电开关检测套坑前是否有钢带，若没有系统停车；标号4和5为一对限位光电检测开关，检测套坑钢板量是否合适，若过少加快矫正机速度一段时间，或过多减慢矫正机速度一段时间；标号12为行程开关，若检测到小车没有到位，系统停车；标号13为光电开关，若检测到小车钢板已经满载，系统自动停车并发出指示信息，等待小车把钢板运到下一道工序回来，系统继续开车。

本设计的薄钢板自动剪切控制系统简单分为控制部分，输入模块和输出模块，其结构组成和工作原理可以用图2.2所示的框图表示。

图2.2系统方框图

2.3本章小结

本章主要说明了设计的控制要求，并根据其要求提出钢板剪切结构的示意图，列出了系统涉及到的主要硬件设备，详细说明了本设计的薄钢板自动剪切控制系统的工作原理和运行过程。

第3章系统硬件设计

3.1光电编码器

3.1.1光电编码器原理

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

脉冲序列能正确地反映转速的高低，但不能鉴别转向。

为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4，两组脉冲序列A和B的相位相差90度，如图3.1所示。

正转时A相超前B相；反转时B相超前A相。

（a）正转（b）反转

图3.1区分旋转方向的A、B两组脉冲序列

3.1.2脉冲信号处理

为了消除振动等因素导致的脉冲计数误差和提高长度最小分辨力，加强系统抗干扰能力，对旋转编码器输出的二相脉冲信号送入图3.2所示的倍频和转向处理电路。

旋转编码器输出的二相90°相位差的矩形波脉冲经该电路处理后，计数脉冲P的频率为A相或B相的2倍；D为转向判别信号；顺时针旋转时为高电平，静止时为低电平；逆时针旋转时为低电平，静止时为高电平。

脉冲信号经处理后，长度最小分辨力提高了1倍。

利用转向判别信号D和倍频后的计数脉冲P计量测长，只对相应旋转电平出现时的脉冲计数，可消除振动等原因产生的脉冲计数误差。

图3.2脉冲信号处理电路

3.1.3光电编码器选择和安装

选择合适的光电编码器，对提高系统整体性能到头重要。

本设计选择欧姆龙的编码器产品，型号E6B2-CWZ6C2000P/R（中空型，电源电压DC5~24V，消费电力80mA以下，输出形式NPN开路输出，最高响应频率100KHZ，相位差A相、B相差90度），A相、B相信号经过脉冲处理电路后，编码器每旋转一周可得到4000个脉冲。

中空型光电编码器的机械安装主要注意以下问题：

要避免与编码器刚性连接，应采用板弹簧；安装时编码器应轻轻推入被套轴，严禁用锤敲击，以免损坏轴系和码盘；长期使用时，请检查板弹簧相对编码器是否松动；固定编码器的螺钉是否松动。

编码器在电气连接方面注意以下事项：

接地线应尽量粗，一般应大于φ3；编码器的输出线彼此不要搭接，以免损坏输出电路；编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流上，以免损坏输出电路；与编码器相连的电机等设备，应接地良好，不要有静电；配线时应采用屏蔽电缆；避免在强电磁波环境中使用。

前面曾经考试过，为了方便，不用外置电源，用PLC内部电源给各种传感器和光电开关提供电源。

后来考虑到PLC的电源的稳定性，光电编码器的电源接外接直流电源5V，其它光电开关和传感器也一样单独接电源。

3.2拨码盘应用

3.2.1拨码盘原理

在工业控制中，输人设备必不可少。

对PLC控制系统而言,人机交互的输人方式广泛采用触摸屏、拨码盘、光电及电磁开关等.。

由于拨码盘具有接口简单、数据锁存、操作方便直观、便于安装等优点，因此在需要输人少量控制参数和数据的系统中，经常采用拨码盘作为输人部件。

本设计采用BCD码拨码盘作为数据输入部件。

BCD拨码盘是十进制输入，BCD码（即2－10十进制）输出，又称为8421拨码盘。

如图3.3所示，每片BCD拨码开关可输入1位10进制数，N片BCD拨码开关拼接可得N位10进制输入。

每片BCD拨码盘后面有5个接点，其中C为输入控制线，另外4根是BCD码输出信号线。

拨码盘拨到不同的位置时，输入控制线C分别与4根BCD码输出线中的某根或某几根接通。

其接通的BCD码输出线状态正好与拨盘指示的10进制数相一致，符合2－10进制编码关系。

（a）拨码盘外形（b）拨码盘接线端子

图3.34位BCD拨码开关示意图

3.2.2拨码盘与PLC连接

一片只有一位十进制数输出的BCD拨码盘与PLC连接非常简单，只要将4根BCD码输出信号线分别与PLC的4个输入端相连，控制线C直接接高电平就可实现数据输入。

如图3.4所示。

图3.4一片拨码盘与PLC连接

本设计为了满足脉冲数设定需要使用了3片2位十进制数输出的BCD拨码盘，其与PLC连接如图3.5所示，最大设定数为99999。

图3.5多片拨码盘与PLC连接

在图3.5中，3片拨码盘分为A、B、C三组，各组拨码盘的每个开关输出点都串入二级管，利用二极管单向导电的特性来接通、断开拨码开关选通组和非选通组的输出信号。

当需要读取A组拨码盘所设定的数据时，PLC的输出端Q1.2输出高电平，Q1.3和Q1.4输出低电平，则A组拨码开关所串联的8个二极管处于正向接法，而B和C组拨码盘串联的16个二极管处于反向接法。

虽然A、B、C三组拨码盘输出是并联的，但从PLC的输入所读到的数是A组拨码盘所设定的数。

依此类推，如果需要读取B或C组拨码盘所设定的数时，只要令本身的控制端为高电平，其它两组的为低电平即可。

通过编程，PLC依次读入A、B、C三组拨码盘设定的数。

3.3检测开关安装

3.3.1光电开关

在自动控制系统中，往往应用到许多传感器，检测生产过程的各个物理量，为控制器做出合理的判断提供依据。

光电开关是一种常用的传感器，光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

在本设计中，用到了4对对射式光电开关检测薄钢板在不同位置的信息，安装方式如图3.6所示。

图3.6光电开关示意图

假如选用DC5V的光电开关，为了PLC的运行稳定，电源不由PLC直流电流供电，而是直接由外接电源供电。

光电开关的Ov按扭和PLC的输入公共端COM连接，光电开关的输出端与PLC的输入端口连接。

当光电开关输出高电平时表明光电开关发射器发射的光源被遮挡，光电开关接收器无法接收到光源，即光电开关发射器和接收器间存在物体。

在系统运行时，正常情况下，3号光电开关一直检测到传送带上一直有钢板；若是检测到钢带上没有了钢板，PLC控制系统即判定为开卷机已经没有钢带，发出停车指令。