全自动纸管打捆机PLC控制系统设计讲课讲稿.docx

全自动纸管打捆机PLC控制系统设计讲课讲稿.docx

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全自动纸管打捆机PLC控制系统设计讲课讲稿

1概述

很长时间以来，人们一直使用继电器来控制PLC的纸管打捆过程。

继电器寿命高，可靠性强，灵敏度高，控制功率小，兼容性好，因此被广泛应用。

但继电器仍有许多不方便的地方，比如反应慢，无法精确控制，温度特性和抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，成本高。

为了解决这一问题，PLC控制系统应运而生。

PLC有很多优势，它可靠性高，抗干扰能力强，灵活通用，方便设计人员编程。

使用PLC可以避免传统控制的缺陷，节省大量的人力、物理和财力，因此提出了全自动纸管打捆机PLC控制系统的课题。

可编程序控制器（PLC）是一种以计算机（微处理器）为核心的通用工业控制装置，目前已被广泛的应用于工业生产的各个领域。

早期的可编程序控制器只能进行开关量的逻辑控制，现代可编程序控制器采用微处理器（Microprocessor）作为中央处理单元，其功能大大增强，它不仅具有逻辑控制功能，还具有过程控制、运动控制和通信联网的功能。

在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成，其过程费时费力。

而PLC是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少的接线即可。

而且，同一台PLC还可以用于不同的控制对象，改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有喊打的灵活性，通用性。

全自动纸管打捆机的整个工作过程由送带、抓带、收带、拉紧、咬扣和切带以及复位组成。

全自动纸管打捆机的主要工作流程:

（1）送带:

PETP带捆11,被送入导带通路4,触发到位信号,打捆机头1下降至成形纸管捆,驱动PETP带沿导带通路围绕成形纸管一周,PETP带头重新回到机头处,直至进、出的两层PETP带重叠;

（2）抓带:

送带完成后,捆扎机头抓紧重新进入打捆机头的PETP带头;

（3）收带:

打捆机头反向驱动PETP带,将多余的PETP带回收,PETP带贴紧成形纸管捆表面;

（4）收紧:

PETP带贴紧成形纸管捆表面后打捆机头进行慢速收紧,产生很大的捆扎拉紧力;

（5）咬扣和切带:

成形纸管捆被收紧后,打捆机头在PETP带重合处进行咬扣和切带,完成一个打捆动作;

（6）复位:

各个动作完成后,打捆机进行复位,捆扎机头的动作单元恢复原位,蓄带电机重新进行蓄带,准备下次打捆。

其工作结构图如下：

1-打捆机头2-移动横梁3-立柱4-导带通路5-立柱底座6-蓄带机架座

7-蓄带盘8-固定导带轮9-活动导带轮10-PETP带11-成型纸管12-气控面板

图1-1全自动纸管打捆机工作结构

根据以上全自动纸管打捆机的流程及功能，此次PLC控制设计的要求设计如下：

PLC投入运行，系统处于复位状态，准备好启动。

打捆过程：

启动时开始送带。

PETP带被送入导带通路触发到位信号停止送带，延时2s后开始抓带。

延时1s后带开始慢速收紧。

延时1s后开始咬扣与切带。

至此完成一个打捆动作。

各个动作完成后，延时1s，打捆机开始复位。

若未完成此6个动作的任一个动作，则开始报警，若不急停，则机器重新复位并开始第一步送带。

若急停，则进行急停处理，系统复位并自动停机。

要求能实现：

送带、抓带、收带、拉紧、咬扣和切带、复位、报警及急停

（1）根据控制要求，制定合理的设计方案，绘制主电路原理图；

（2）绘制系统流程图；

（3）模拟调试

（4）PLCI/O点分配，并绘制I/O接线图；

（5）正确计算选择电器元件，列出电器元件一览表；

（6）课程设计的心得，整理技术资料。

1．1PLC控制特点

PLC采用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。

例如目前大多数PLC采用梯形图语言编程方式，既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到大多数电气人员的读图习惯及应用微机的水平，很容易被电气技术人员所接受。

PLC易于编程，程序改变时也容易修改，灵活方便。

这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但是对于大多数的机电控制设备来说，PLC的控制速度是足够快的。

而且，PLC的输入输出接口已经做好，可直接与控制现场的用户设备相连。

输入口可以与各种开关和传感器连接，输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器。

接触器、电磁阀等连接，使用很方便。

1．2控制系统框图

全自动纸管打捆机的整个工作过程由送带、抓带、收带、拉紧、咬扣和切带以及复位六个动作组成。

在传统的纸管打捆机中，这些过程分别由相应的按钮来控制，这无疑会带来很多不便。

本次设计使用PLC控制全自动纸管打捆机的所有打捆过程。

对西门子S7-300系列PLC进行编程，对打捆机各个过程的开关和电磁阀等实行控制，最终达到全自动打捆的目的。

根据过程和设计要求，首先规划出打捆机元件的总体设计。

PLC的控制系统框图如图1-2。

图1-2系统控制框图

1．3控制系统对应设备及功能

根据控制过程中的送带、抓带、收带、拉紧、咬扣和切带、复位和报警等控制要求，对控制所需的开关及继电器初步统计如下表1-1

表1-1对应设备及功能表

对应的外部设备

对应的输出设备

启动按扭

捆带分配器电磁铁送抽带电磁铁

停止按扭

托板打开行程开关

托板打开电磁铁

送带到位行程开关

预卡紧电磁铁机头摆动电磁铁

卡扣锁死行程开关

卡扣锁死电磁铁卡抓返回电磁铁

卡扣用完行程开关

报警器

机头摆动到位行程开关

抽带变速电磁铁

机头复位行程开关

机头复位电磁铁

压力继电器

高速送抽带行程开关

高速送抽带电磁铁

托板复位行程开关

托板复位电磁铁卡扣推出电磁铁

推板返回行程开关

推板返回电磁铁

1．4控制系统原理

全自动纸管机的送带、抓带、收带、拉紧、咬扣和切带是由各动作的行程开关和各动作的电磁铁配合控制的，从而达到自动控制的目的。

启动按钮控制纸管打捆机的捆带分配器及马达，启动后，高速送抽带电磁铁动作，把PETP带送到指定位置，然后延时，触动送带到位行程开关，预卡紧电磁铁动作，使带预紧。

延时，触动托板打开行程开关，托板打开电磁铁动作使托板打开，延时，抽带电磁铁动作进行抽带，然后机头进行摆动，触动摆动到位行程开关进行抽带处理，延时，触动卡扣锁死行程开关，卡扣锁死电磁铁动作，卡扣锁死，之后卡抓返回，打捆机准备高速送带。

如果卡扣用完了则触动卡扣用完行程开关，卡扣用完电磁铁动作使报警器报警。

最后进行机头复位，托板复位，卡扣推出，推板返回。

准备下一次启动

2硬件电路的选择

2.1PLC的选择

2.1.1I/O点数统计

I/O点数选择是否合理，首先，可以满足系统的控制要求，又可以使系统成本降低。

PLC的I/O总点数和种类应根据系统中被控制的程序所需的模拟量、开关量、I/O设备来确定，通常情况下一个I/O元件需要占用一个I/O点。

考虑到程序设计过程中的调整和扩充，还要在估计的总点数上加上20%—30%的备用量。

本次设计的系统程序共有12个数字输入点14个数字输出点，具体的I/O点数统计见表2-1.

表2-1I/O点数统计表

对应的外部设备

对应的输出设备

启动按扭

捆带分配器电磁铁送抽带电磁铁

停止按扭

托板打开行程开关

托板打开电磁铁

送带到位行程开关

预卡紧电磁铁机头摆动电磁铁

卡扣锁死行程开关

卡扣锁死电磁铁卡抓返回电磁铁

卡扣用完行程开关

报警器

机头摆动到位行程开关

抽带变速电磁铁

机头复位行程开关

机头复位电磁铁

压力继电器

高速送抽带行程开关

高速送抽带电磁铁

托板复位行程开关

托板复位电磁铁卡扣推出电磁铁

推板返回行程开关

推板返回电磁铁

2.1.2I/O存储器容量的计算

PLC的内存分为EPROM、EEPROM和RAM。

用户存储器容量决定了PLC可以容纳用户程序的长短，一般以字节为单位来计算。

用户的程序占用取决于多方面的因素，比如I/O点数，程序大小，运算方法，控制要求等等，在设计程序之前可以初步的估算所占内存。

根据以往大部分的PLC设计，一个I/O点和其他功能元件占用的内存如下：

开关量输入元件：

10—20B/点

开关量输出元件：

5—10B/点

定时器/计数器：

2B/个

模拟量：

100—150B/个

通信接口：

一个接口需要300B以上

根据上面列出的元器件占用内存情况，再额外增加25%左右的备用量，就可以估算出用户的程序所需的内存大小，选出合适的PLC型号。

本系统有12个数字输入点和14个数字输出点，内存一共260B，13个定时器，需内存16B，加上余量共需内存360B。

2.1.3CPU功能与结构的选择

PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作命令，并通过数字式，模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。

选型时还要考虑PLC的编程选择。

全自纸管打捆机控制系统所要求的功能简单，小型PLC即可。

PLC的类型根据两方面选择，一是程序所需的I/O点数，二是整个程序所占内存大小。

本设计需用12个数字输入点和14个数字输出点，13个定时器，共需内存360B。

CPU模块可以选择313C模块，此模块带有16个数字输入点和16个数字输出点，满足要求。

综上所述本次设计选用西门子S7-300型PLC。

2．2PLC外部接线图

当做完对系统的I/O点数统计和PLC型号的确定之后，就可以根据统计和型号对PLC进行外部接线设计。

具体接线如图2-1。

图2-1PLC外部接线图

3软件设计

3．1I/O分配表

3.1.1输入地址分配表

把统计的I/O点数进行分配，输入地址见表3-1。

表3-1输入地址分配表

输入地址

对应的外部设备

I0.0

启动按扭

I0.1

自动按扭

I0.2

停止按钮

I0.3

托板打开行程开关

I0.4

送带到位行程开关

I0.5

卡扣锁死行程开关

I0.6

卡扣用完行程开关

I0.7

机头摆动到位行程开关

I1.0

机头复位行程开关

I1.1

高速送带行程开关

I1.2

托板复位行程开关

I1.3

推板返回行程开关

I1.4

压力传感器开关

3.1.2输出地址分配表

把统计的I/O点数进行分配，输出地址见表3-2。

表3-2输出地址分配表

输出地址

对应的输出设备

Q0.0

捆带分配器及马达

Q0.1

高速送带电磁铁

Q0.2

预卡紧电磁铁

Q0.3

托板打开电磁铁

Q0.4

抽带电磁铁

Q0.5

机头摆动电磁铁

Q0.6

抽带处理电磁铁

Q0.7

卡扣锁死电磁铁

Q1.0

卡爪返回电磁铁

Q1.1

机头复位电磁铁

Q1.2

托板复位电磁铁

Q1.3

卡扣退出电磁铁

Q1.4

推板返回电磁铁

Q1.5

报警器

3.1.3内部元件地址分配表

将统计的定时器地址进行分配，分配地址见表3-3。

3．2系统流程图

根据任务书做出系统流程图。

全自动纸管打捆机的打捆流程是：

启动按钮控制纸管打捆机的捆带分配器及马达，启动后，高速送抽带电磁铁动作，把PETP带送到指定位置，然后延时，触动送带到位行程开关，预卡紧电磁铁动作，使带预紧。

延时，触动托板打开行程开关，托板打开电磁铁动作使托板打开，延时，抽带电磁铁动作进行抽带，然后机头进行摆动，触动摆动到位行程开关进行抽带处理，延时，触动卡扣锁死行程开关，卡扣锁死电磁铁动作，卡扣锁死，之后卡抓返回，打捆机准备高速送带。

如果卡扣用完了则触动卡扣用完行程开关，卡扣用完电磁铁动作使报警器报警。

最后进行机头复位，托板复位，卡扣推出，推板返回。

准备下一次启动。

流程图见图3-1。

表3-3内部地址分配表

定时器/计时器

对应的作用

T37

高速送带暂停计时

T38

预卡紧计时

T39

托板打开暂停计时

T40

机头摆动计时

T41

抽带计时

T42

卡爪返回计时

T43

抽带处理暂停计时

T44

托板复位暂定计时

T45

卡扣退出暂停计时

T46

机头复位暂停计时

T47

卡扣锁死暂停计时

T48

报警计时

T49

推板返回暂停计时

3．3程序设计

3.3.1PLC控制状态流程图

控制状态流程图又叫状态转移图、状态图或流程图，是描述控制系统的控制过程、功能和特征的一种图形，利用它可以很方便的设计出顺序控制的梯形图。

本次设计的全自动纸管打捆机控制系统PLC控制状态流程图见图3-2。

图3-1运行流程图

图3-2PLC控制状态流程图

3.3.2系统梯形图

一、梯形图的特点

梯形图表达式是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的。

它与电气控制原理图相呼应，形象、直观和实用。

PLC梯形图在形式上类似于继电器控制梯形图。

梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列。

一般一个继电器线圈对应一个逻辑行。

梯形图的最左边是起始母线，每一行逻辑行必须从起始母线开始画起，然后是触点的各种连接，最后终了于继电器线圈。

梯形图的最右边是结束母线，有时可以省去不画。

在梯形图中的每个编程单元应按一定的规则加注字母和数字串，不同的编程元件常用不同的字母符号和一定的数字串来表示。

PLC梯形图具有以下特点:

（1）梯形图中的继电器不是物理继电器，每个继电器实际上是映像七寸器中的一位，因此称为“软继电器“。

相应位的状态为1，表示该继电器线圈通电，其常开触点闭合，常闭触点断开；相应位的状态为0，表示该继电器失电，其常开触点断开，常闭粗点闭合。

梯形图中继电器线圈时广义的，出了输出继电器、辅助继电器线圈外，还包括定时器、计数器、位移寄存器以及各种算术运算等

（2）每个继电器对应映像寄存器中的一位，其状态可以反复读取，因此，可以认为继电器有无限多个常开触点和常闭触点，在程序中可以被反复引用。

（3）梯形图是PLC形象化的编程手段，梯形图两端是没有任何电源可接的。

梯形图中并没有真实的物理电流流动，而仅仅只是“概念“电流，是用户程序解算中满足输出执行条件的形象表示方式。

”概念“电流只能从左向右流动。

（4）输入继电器供PLC接受外部输入信号，而不是由内部其他继电器的触点驱动，因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现输入继电器的线圈。

输入继电器的触点表示相应的输入信号。

（5）输出继电器供PLC作输出控制用。

它通过开关量输出模块对应的输出开关（晶体管、双向晶闸管或继电器接触器）去驱动外部负载。

因此，当梯形图中输出继电器线圈满足接通条件是，就表示在对应的输出点有输出信号。

（6）当PLC处于运行状态时，PLC就开始按照梯形图符号排列的先后顺序（自上而下，从左到右）逐一处理，也就是说，PLC对梯形图是按扫描方式顺序执行程序。

（7）用户程序解算时，输入触点和输出线圈的状态是从I/O映像寄存器中读取的，不是解算时现场开关的实际状态。

梯形图中前面程序解算的结果马上可以被后面程序的解算所利用。

二、系统梯形图

根据梯形图的定义、基本特点以及控制状态流程图，使用STEP7-Micro/WIN编程软件画出全自动洗衣机控制系统梯形图。

STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专为S7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。

STEP7-Micro/WIN适用于所有西门子S7-300PLC机型软件编程，支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。

也可将写好的程序导入到模拟软件中进行测试。

系统梯形图见附录一。

3.3.3系统指令语句表

由于系统指令语句表在此处排版影响文章美观而且不便于阅读，所以将本系统的指令语句表同样排版在附录二。

4程序运行过程分析

（1）复位功能模块。

功能是打捆机初次运行的状态初始化和每个打捆过程循环结束后各动作执行元件的复位,以及故障排除后系统的重启和状态复位等。

正常情况下,一个打捆循环结束后,复位的允许条件是咬扣与切带动作的完成,其完成信号有二合一气缸的活塞杆位置检测接近开关（3#）触发,需要复位的动作包括:

蓄带复位;打捆头升降复位;二合一气缸复位;送扣与导带通路闭合、气马达复位。

（2）送带功能模块:

功能是钢带在气马达的驱动下,钢带头经打捆头,沿导带通路围绕钢管捆一周后重新回到打捆头处,在到达咬扣单元前触发钢带头检测接近开关传感器,由快速送带转换为慢速定时送带,定时结束后,钢带在咬扣单元处产生一定长度的重合段。

这里需要一个气马达由高速转入低速的变化,主要是为了便于钢带重合段长度的控制,不至于重合段钢带过长,浪费钢带或重合段长度不够,造成脱扣。

（3）抓带功能。

送带结束后,钢带头重新回到打捆头处并产生一定长度的重合段,二合一气缸的第一级气缸动作,咬扣单元的咬爪握住钢扣并使钢扣予变形,从而卡紧处于重合段下层的钢带头,而上层的钢带是可以自由活动的。

（4）收带功能。

钢带头被卡死后,气马达即可以反向旋转,驱动摩擦轮反向收带,将钢带从导带槽中拉出,随着钢带的缩短,钢带裹住钢管捆。

在收带的过

程中气马达始终处于高速的状态。

当位于气马达输出轴端的接近开关传感器检测到输出轴停止旋转时,收带过程结束。

（5）抽紧功能。

大量多余的钢带在收带过程中被收回,但不能产生较大抽紧力来捆紧钢管捆,所以,气马达要转入低速状态,这时虽然被回收的钢带已经很少,但产生很大的抽紧力。

在将钢管捆捆紧后,气马达轴端的接近开关传感器检测到输出轴再次停止旋转时,抽紧过程结束。

（6）咬扣与切带功能:

在钢扣予变形的基础上,控制咬扣与切带单元的二合一气缸的第二级气缸动作,最终使钢扣和钢带产生永久变形而完成打结,切断钢带。

5系统仿真与硬件模拟连接

5．1系统仿真

S7-300仿真软件简介：

（1）该仿真软件可以仿真大量的S7-300指令（支持常用的位触点指令、定时器指令、计数器指令、比较指令、逻辑运算指令和大部分的数学运算指令等）。

仿真程序提供了数字信号输入开关、两个模拟电位器和LED输出显示，仿真程序同时还支持对TD-200文本显示器的仿真，在实验条件尚不具备的情况下，完全可以作为学习S7-300的一个辅助工具。

（2）仿真软件的界面和所有基于Windows的软件一样，仿真软件最上方是菜单，仿真软件的所有功能都有对应的菜单命令；在工件栏中列出了部分常用的命令（如PLC程序加载，启动程序，停止程序、AWL、KOP、DB1和状态观察窗口等）。

常用菜单命令介绍:

Program|LoadProgram：

加载仿真程序。

（仿真程序梯形图必须为awl文件，数据块必须为dbl或txt文件）

Program|PasteProgram（OB1）：

粘贴梯形图程序

Program|PasteProgram（DB1）：

粘贴数据块

View|ProgramAWL：

查看仿真程序（语句表形式）

View|ProgramKOP：

查看仿真程序（梯形图形式）

View|Data（DB1）：

查看数据块

View|StateTable：

启用状态观察窗口

View|TD200：

启用TD200仿真

Configuration|CPUType：

设置CPU类型

输入位状态显示：

对应的输入端子为1时，相应的LED变为绿色

输出位状态显示：

对应的输出端子为1时，相应的LED变为绿色

CPU类型选择：

点击该区域可以选择仿真所用的CPU类型

模块扩展区：

在空白区域点击，可以加载数字和模拟I/O模块

信号输入开关：

用于提供仿真需要的外部数字量输入信号

模拟电位器：

用于提供0～255连续变化的数字信号

（3）仿真软件不提供源程序的编辑功能，因此必须和STEP7Micro/Win程序编辑软件配合使用，即在STEP7Micro/Win中编辑好源程序后，然后加载到仿真程序中执行。

1）在STEP7Micro/Win中编辑好梯形图

2）利用File|Export命令将梯形图程序导出为扩展名为awl的文件，

3）如果程序中需要数据块，需要将数据块导出为txt文件。

（4）程序仿真

1）启动仿真程序。

2）利用Configuration|CPUType选择合适的CPU类型（仿真软件不同类型的CPU支持的指令略有不同，某些214不支持的仿真指令226可能支持）。

3）模块扩展（不需要模块扩展的程序该步骤可以省略）

在模块扩展区的空白处点击，弹出模块组态窗口。

在窗口中列出了可以在仿真软件中扩展的模块。

选择需要扩展的模块类型后，点击Accept按钮即可。

不同类型CPU可扩展的模块数量是不同的，每一处空白只能添加一种模块。

4）程序加载

选择仿真程序的Program|LoadProgram命令，打开加载梯形图程序窗口，仅选择LogicBlock（梯形图程序）和DataBlock（数据块）。

点击Accept按钮，从文件列表框分别选择awl文件和文本文件（数据块默认的文件格式为dbl文件，可在文件类型选择框中选择txt文件）。

加载成功后，在仿真软件中的AWL、KOP和DB1观察窗口中就可以分别观察到加载的语句表程序、梯形图程序和数据块。

5）点击工具栏运行按钮，启动仿真。

6）仿真启动后，利用工具栏中的浏览按钮，启动状态观察窗口。

5．2模拟连接

完成程序设计和仿真后，进入本次设计的最后阶段，硬件模拟。

但由于条件所限，不能进行完全的实物制作，只能进行简单的元件模拟连接。

具体模拟如下：

自动和步进开关ST1、ST2使用两个刀开关来模拟。

其他的启动开关、停止开关、模式选择开关和对应的传感器，采用几个个按钮开关来模拟。

全自动纸管打捆机的送带、抓带、收带、拉紧、咬扣和切带、复位、报警及急停等功能，均采用发光二极管来模拟。

将选择的模拟元件按照PLC外部接线图连接好，然后标注各个模拟元件的使用功能，便于操作。

将写好的程序导入到PLC中，按照预设的开关进行控制，对应的发光二极管发光说明设计和连接成功。

6全自动纸管打捆机的展望

随着在工业加工包装领域，主要是一些大型纸管厂，对设备自动化程度的要求越来越高，又迫于引进国外的打捆设备价格比较昂贵，近几年来，我国开始自行研制自动化程度比较高的棒材打捆机，并已经取得一定的研究成果，主要有首钢自行研制的卧式棒线材打捆机、北京航空航天大学改造的达涅利打捆机和鞍山科技大学研制的钢材打捆机等，部分已应用于实际的生产过程，并取得不错的打捆效果。

但是纵观我国的打捆机现状，多数还是靠引进国外的打捆机，究其原因主要是跟国外的几家著名的打捆机制造商相比，国内打捆机稳定性不足，虽然能够完成打捆任务，质量也满足打捆要求，但是经过一定时间的实际运行后，经常会出现扭结不理想、易散捆或打捆失败等现象，故障率较高。

这样就会影响整个流水线的正常工作，降低整个生产过程的工作效率，还会给运输过程造成麻烦，不得不进行二次打捆或人工打捆等。

现在国内的大部分地区（如北京、大连、哈尔滨等）的打捆机销售商也主要销售国外知名打捆机制造商生产的设备。

所以目前就造成了一些企业宁可花高昂的费用去购买国外的打捆机设备也不愿使用国内自己生产的设备的尴尬局面

事实证明，我国的打捆机行业的发展远远落后于国外，且市场环境也严重影响着国内打捆机行业的发展，另外国内企业对棒材打捆机研发环节重视不够，造成国内打捆机行业的恶性循环，发展缓慢。