PLC在细纱机控制系统中的应用.docx
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PLC在细纱机控制系统中的应用
引言
FA502型细纱机是一种在我国棉纺行业广泛使用的机型。
随着棉纺行业生产水平的提高和对棉纱质量要求的提高，FA502型细纱机已不能满足市场的需求，因而对FA502型细纱机进行改造势在必行。
（FA502型细纱机如图1所示）
我们根据细纱纺织工艺，应用PLC技术，对FA502细纱机的电气控制系统进行了改造，使老设备增添新动力，使之在优质高效和环保的前提下达到FA506型细纱机的生产水平。
图1FA502型细纱机
第一章细纱机的介绍及其电气控制系统的改造方案
1.1细纱机的介绍
一、国内细纱机的发展
1950年以来，中国生产的纺织机器，在总结生产实践经验和借鉴国外先进技术的基础上，进行几次革新，国内细纱机的发展经历了三个发展阶段：
1.第一代细纱机：
1291、1292、1293。
1954年，大批量生产，1291、1301型，E=14～20。
60年代起对1291型改进，重力加压改为前、中罗拉杠杆加压，大铁辊改磁性辊，分离式弹性支承高速锭子、高速钢领钢丝圈，E=20～40。
2.第二代细纱机：
A512、A513。
65年，A512型，408锭/台，70mm锭距，三罗拉长短皮圈牵伸、弹簧摆动销、YJ-00摇架，E=10～50。
70年代大批量生产A512型，还有出口。
1974年，A513型：
96～480锭/台，改进，喂入、牵伸、卷绕、成形、传动、吸棉、墙板、龙筋，有A、B、C、D、E、F、G、H、M和MA（纺中长纤维）、W、S（超大牵伸）、SA等系列。
3.第三代细纱机：
FA502—FA508。
80年代，FA502、FA503采用YJ1系列摇架，可调前罗拉中心距，可纺棉和中长。
二、细纱机的作用
细纱是纺织过程中的最后一道工序，它是将粗纱经过进一步的拉长抽细到一定程度，加捻卷绕成一定卷装，并符合国家质量标准的细纱，以供制线，织造使用，其具体作用是：
1.牵伸将粗纱抽长拉细成所需细度的须条。
2.加捻将须条加捻成有一定捻度的细纱。
3.卷绕成形将细纱绕成一定卷装，供存储、运输和进一步加工之用。
三、细纱机的主要机构
1.喂入部分
粗纱架、粗纱支持器（托锭支持器吊锭支持器两种）导纱杆、横动导纱装置。
2.牵伸部分
牵伸罗拉、罗拉轴承、胶辊、罗拉座、上下皮圈销和皮圈\弹簧摇架、隔距块、集合器
3.加捻卷绕部分
导纱、隔纱板、钢领、钢丝圈、清洁器、锭子、纱管、锭带轮等。
4.成型部分
成型凸轮、成型摇臂、链条、分配轴、牵吊轮（杆带、钢领板和导纱板的升降横臂）。
四、细纱机的工艺过程
细纱机的工艺过程如图1-1所示：
图1-1细纱机的工作过程
粗纱筒管——导纱杆——牵伸装置——前罗拉——导纱钩——钢丝圈——细纱筒管
1.2FA502型细纱机的电气控制系统
一、电路特点
1.主轴电动机的功率为15KW以上，在棉纺生产线设备电动机中功率最大。
2.FA502型细纱机的工艺行程开关与机械配合较紧密，自动完成一落纱生产过程。
二、FA502型细纱机电气控制线路的组成和作用
FA502型细纱机电气控制线路由主电路、控制电路两大部分组成。
1.主电路
FA502型细纱机的主电路图如图1-2所示：
图1-2FA502型细纱机主电路
主电路有三台鼠笼式异步电动机，其中M1是钢领板升降电动机，KM1是钢领板上升接触器，KM2是钢领板下降接触器。
M2是吸风电动机，受接触器KM3控制。
M3是主轴电动机，型号为FXD-180M1-4/6-15KW/7KW，是双速电动机，低速启动受接触器KM4控制，高速运行受接触器KM5、KM6控制，M3安装在车尾吸棉箱下，有利于散热。
2.控制电路
FA502型细纱机控制电路如图1-3所示：
图1-3FA502型细纱机控制电路
控制电路的电压为380V，SA1为控制电路电源开关，热继电器FR1-FR4、车头门安全开关SB1、全机停止按钮SB2的常闭触头联锁控制线路。
控制线路中主要器件的代号、名称及作用如表1-1所示：
表1-1控制线路中主要器件的代号、名称及作用
代号
名称及作用
KM1
钢领板上升（复位）继电器
KM2
钢领板下降继电器
KM3
吸风接触器
KM4
主轴低速接触器
KM5、KM6
主轴高速接触器
KM8
中途停车
KM9
满管、限位电磁铁
KM10
停主电动机、打撑爪
KM11
主轴制动继电器
YV1
1.5KG、用于钢领板自动下降时打开级升撑爪
YV2
8KG、用于拉动制动器、使主轴刹车停转
YV3
3KG、用于操作2SQ行程开关座进入工作位置
KT1
主轴低速转高速延时时间继电器
KT2
延时停电源时间继电器
SA1
控制线路电源开关
SB1
钢领板复位、风机启动按钮
SB2
主轴电动机启动按钮
SB3
中途落纱按钮
SB4
中途停车按钮
SB5
手动高速按钮
SB6
手动/自动选择旋钮
SB7
落纱电源按钮
SB8
全机停止按钮
1SQ1
钢领板上升复位时，1SQ1动作，断开KM1、接通主轴运转
1SQ2
满纱时1SQ2动作，接通KM8
1SQ3
钢领板下降落纱位置时，1SQ3动作，断开KM2
2SQ1
2SQ1动作时，接通KM9，断开主轴电动机电源
2SQ2
2SQ2动作时，接通KM2，使钢领板下降
2SQ3
2SQ3动作时，接通KM10，主轴刹车
该控制电路有如下联锁：
（1）钢领板上升继电器KM1与钢领板下降继电器KM2联锁，防止同时动作，造成电源短路；
（2）停主轴继电器KM10与主轴启动接触器联锁，防止主轴制动时主轴电动机通电运转；
（3）主轴运转接触器KM3、KM4联锁主轴制动继电器KM11；
（4）风机接触器KM3联锁其他接触器（除电磁铁电路外），因此开车时首先要启动风机。
三、FA502型细纱机的工作原理
将主轴低速转高速【手动/自动】旋钮SA2拨到【自动】位置。
1.运转
把车尾开关箱的【电源开关】SA1拨“通”（电源指示灯亮），按【钢领板复位，风机启动】按钮SB1，吸风接触器KM3通电自锁，吸风电动机M2启动；钢领板复位继电器KM1线圈通电自锁，钢领板升降电动机M1启动，钢领板上升。
钢领板复位时，触动行程开关1SQ1，KM1线圈得电，M1停转，钢领板上升停止。
1SQ1接通主轴启动接触器线路，为主轴电动机通电做好准备。
按主轴电动机【启动】按钮SB2，KM4线圈通电自锁，主轴电动机M3低速启动，指示灯HL亮；同时低速时间继电器KT1通电自锁，开始延时，延时时间到，KT1断开低速接触器KM4，接通高速接触器KM5、KM6，并且KM6自锁，主轴电动机高速运转，指示灯HL灭。
2.自动落纱、适位停车
当满纱时，行程开关1SQ2动作，KM9线圈通电自锁，指示灯HL亮，YV3电磁铁通电将2SQ2行程开关座推向工作位置。
当2SQ1动作时，停主轴电动机继电器KM10线圈通电自锁，KM10联锁主轴高速接触器KM5、KM6断电，主轴电动机M3断电，全机惯性运转。
YV1电磁铁打开级升撑爪，为钢领板下降做准备。
当2SQ2动作时，钢领板下降继电器KM2线圈通电自锁，钢领板升降电动机M1启动，钢领板下降，到达落纱位置时,1SQ3动作，KM2断电，M1断电停转。
当2SQ3动作时，主轴制动继电器KM11线圈通电自锁，YV2电磁铁和时间继电器KT2线圈通电，YV2吸力拉下制动器连杆，全机刹车停转，停转的位置是钢领板一个升降小动程向下的三分之一处。
延时后，KT2延时断开触头断开KM3及整个控制线路电源，撑爪落下，制动器打开，2SQ行程开关复位，满纱指示灯熄灭，为再次开车做好准备。
3.中途落纱
如需在满管前提前落纱，只要按【中途落纱】按钮SB3，就能产生各种动作，最后适位停车。
从原理图上可以看出，SB3与1SQ2并联，作用一样。
4.中途停车
纺纱过程中，如需关车，只要按【中途停车】按钮SB4，就能自动适位停车。
从原理图上可以看出，KM8与1SQ2并联，作用一样。
但KM8的常闭触头切断了钢领板下降继电器KM2线圈线路，因此不会产生下钢领板的过程。
5.紧急停车
如遇事故需紧急停车时，可按车头处【全机停止】按钮SB6，或将车尾开关箱上控制线路电源开关SA1拨断，这种情况下不会适位停车。
1.3FA502型细纱机电气控制系统的改造方案
原FA502型细纱机的控制电路为继电-接触器控制，现采用可编程序控制器（PLC）对其进行改造。
一、可编程序控制器与继电-接触器控制的区别
1.在组成器件方面
继电-接触器控制电路是由各种硬件继电器、接触器组成的，硬件继电器、接触器触点易磨损。
而PLC梯形图则由许多软继电器组成。
这些软继电器实质上是存储器中的某一位触发器，可以置“0”或置“1”，软继电器无磨损现象。
2.在工作方式方面
继电-接触器控制电路工作时，电路中硬件继电器、接触器都处于受控状态，凡符合条件吸合的继电器、接触器都处于吸合状态，受各种制约条件不应吸合的继电器、接触器都处于断开状态，属于“并行”的工作方式。
PLC梯形图中各软继电器都处于周期循环扫描工作状态，受同一条件制约的各个软继电器的线圈工作和它的触点动作并不同时发生，属于“串行”的工作方式。
3.在元件触点数量方面
继电-接触器控制电路的硬件触点数量是有限的，一般只有4～8对。
PLC梯形图中软继电器的触点数量无限，在编程时可无限次使用。
4.控制电路实施方式不同
继电-接触器控制电路是依靠硬件接线来实施控制功能的，其控制功能通常是不变的，当需要改变控制功能时必须重新接线。
PLC控制电路是采用软件编程来实现控制的，可进行在线修改，控制功能可根据实际要求灵活实施。
综上所述，用PLC来实现控制电路是可行的。
第二章PLC在细纱机电气控制系统中的应用
2.1PLC的概述
一、PLC的基本概念
可编程序控制器（ProgrammableLogicControllerPLC）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、和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
二、PLC的特点
1.编程方法简单易学；
2.功能强、性价比高；
3.可靠性高，抗干扰能力强；
4.系统的设计、安装、调试工作量少；
5.维修工作量小，维修方便；
6.体积小、能耗低。
三、PLC的工作原理
PLC采用循环扫描工作方式。
这个工作过程一般包括五个阶段：
内部处理、与编程器等的通讯处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程原理如图2-1所示。
图中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后三个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。
图2-1工作原理图
PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期。
PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始的进行。
2.2PLC的选型
一、PLC的选型
以FA502型细纱机工艺流程的特点和应用要求为PLC选型的主要依据。
PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与细纱机电气控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型，所选PLC应是在相关纺织工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能要与细纱机规模和控制要求相适应。
因此，在PLC的选型过程中应主要从以下几点考虑：
1.PLC类型的选择
PLC按结构分为整体型和模块型两类。
整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小；而模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活。
2.输入输出（I/O）点数的估算
在细纱机电气控制系统中输入点约为15点，输出点约为15点。
3.经济性的考虑
性能价格比高。
综上所述，西门子S7-200完全符合其要求。
二、西门子S7-200系列PLC
德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。
其第一代可编程序控制器是1975年投放市场的SIMATICS3系列的控制系统；在1979年，微处理器技术被应用到可编程序控制器中，产生了SIMATICS5系列，取代了S3系列，之后在20世纪末，又推出了S7系列产品。
西门子S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检监测及控制自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此，S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
（1）极高的可靠性
（2）极丰富的指令集
（3）易于掌握
（4）便捷的操作
（5）丰富的内置集成功能
（6）实时特性
（7）强劲的通讯能力
（8）丰富的扩展模块
三、S7-200PLC的主机结构
1.各CPU介绍及I/O系统
（1）主机外形
SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图2-2所示：
图2-2S7-200PLC主机外形
（2）基本结构特点
①输出信号类型
②电源输出
③基本I/O
④存储安全
⑤高速反应
⑥模拟电位器
⑦实时时钟
⑧输入输出可扩展性
4种CPU各有晶体管输出和8个继电器输出两种类型，具有不同电源电压和控制电压。
各类型的型号如表2-1所示：
表2-1CPU型号
CPU
类型
电源电压
输入电压
输出电压
输出电流
CPU221
DC输出
DC输入
24VDC
24VDC
24VDC
0.75A,晶体管
继电器输出
DC输入
85-264VAC
24VDC
24VDC
24-230VAC
2A，继电器
CPU222
CPU224
CPU226
DC输出
24VDC
24VDC
24VDC
0.75A,晶体管
继电器输出
85-264VAC
24AC
24VAC
2A，继电器
SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机及I/O特性如表2-2所示：
表2-2主机及I/O特性
型号
主机输出类型
主机输入点数
主机输出点数
可扩展模块数
CPU221
DC继电器
6
4
无
CPU222
DC继电器
8
6
2
CPU224
DC继电器
14
10
7
CPU226
DC继电器
24
16
7
2.存储系统
存储系统如图2-3所示：
图2-3存储系统
综上所述，选用西门子S7-200CPU226的PLC完全符合要求。
第三章PLC的程序设计
3.1I/O分配表
据分析，应使用输入点数为15，输出点数为15。
其I/O分配表如表3-1所示：
表3-1I/O分配表
输入
输出
元件代号
输入继电器
作用
元件代号
输出继电器
作用
SA1
I0.0
电源开关旋钮
KM1
Q0.0
钢领板上升（复位）继电器
SA2
I0.1
手动/自动选择旋钮
KM2
Q0.1
钢领板下降继电器
SA3
I0.2
落纱电源旋钮
KM3
Q0.2
吸风接触器
SB1
I0.3
钢领板复位、风机启动按钮
KM4
Q0.3
主轴低速接触器
SB2
I0.4
主轴电动机启动按钮
KM5
Q0.4
主轴高速接触器
SB3
I0.5
中途落纱按钮
KM6
Q0.5
主轴高速接触器
SB4
I0.6
中途停车按钮
KM7
Q0.6
落纱接触器
SB5
I0.7
手动高速按钮
KM8
Q0.7
中途停车接触器
SB6
I1.0
全机停止按钮
KM9
Q1.0
满管接触器
1SQ1
I1.1
钢领板上升复位时接通
KM10
Q1.1
停主电动机、打撑爪接触器
1SQ2
I1.2
满纱时动作
KM11
Q1.2
主轴制动接触器
1SQ3
I1.3
钢领板下降落纱位置时接通
YV1
Q1.3
用于钢领板自动下降时打开级升撑爪
2SQ1
I1.4
2SQ1动作时，断开主轴电动机电源
YV2
Q1.4
用于拉动制动器，使主轴刹车停转
2SQ2
I1.5
2SQ2动作时，钢领板下降
YV3
Q1.5
用于操纵2SQ行程开关座进入工作位置
2SQ3
I1.6
2SQ3动作时、主轴刹车
HL
Q0.6
灯
3.2PLC接线图
PLC接线图如图3-1所示：
图3-1PLC接线图
3.3流程图
细纱机有低速运行、高速运行、吹吸风、落纱等过程.落纱分为自动落纱和中途落纱（暂停工作）。
接通电源后，吸风电动机开始工作，同时，钢领板升降电动机正转，钢领板上升，当钢领板升到始纺位置时，其复位开关动作，电动机停止。
按下主轴电动机启动按钮，主机开始低速运行，进行细纱接头；延时1min后，自动转换为高速运转，全机进入正常纺纱阶段（也可点动操作低速、高速）。
纺纱满管后,钢领板复位开关动作，满管信号灯亮。
进入工作位置，主机停止开关接通，此时，主机高速接触器释放，钢领板升降中间继电器吸合，主机断电保持惯性回转。
随后，钢领板升降电动机反转，钢领板开始下降，降到极限位置时，钢领板下降限位开关动作，停止下降。
撑爪电磁铁吸合时，将撑爪打开，主轴制动电磁铁吸合，主轴制动刹车。
经过一段延时后，切断控制电源，落纱完毕。
需要中途停车时，按下中途停车按钮，主机即可停车，并自行制动。
需要提前落纱时，按下中途落纱按钮即可。
当机器发生意外时，按下紧急停车按钮，可使全机立即停车。
一、运转阶段流程
运转阶段流程如图3-2所示：
图3-2运转阶段流程图
二、自动落纱阶段流程
自动落纱阶段流程如图3-3所示：
图3-3自动落纱阶段流程图
3.4梯形图
完整的梯形图如图3-4所示：
图3-4完整的梯形图
结束语
经过近两个月的努力，我终于顺利完成了《PLC在细纱机电气控制系统中的应用》这篇论文。
从刚开始确定论文题目，到现在论文的完成，每一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在技校期间独立完成的最大的项目。
在这段时间里，我学到了很多知识，从对细纱机的一无所知的状态，我开始查阅相关资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，经过一次次的修改，使自己非常稚嫩的论文一步步完善起来。
由于时间的仓促和自己的技术水平有限，在编写和设计当中难免会出现错误及不足之处，诚恳地希望老师批评指正。
答谢辞
在这份毕业论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，我得到了许多人的帮助。
首先，要感谢我的指导老师恽琦老师和班主任邱建瑛老师，她们认真负责的工作态度、严谨的治学精神、一丝不苟的作风是我学习的榜样；她们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
在我写论文的过程中遇到不如意的地方，是她们耐心地帮我梳理了思路。
然后，还要感谢的我的组长骈栋栋同学和组员吴晓霞同学。
在我遇到难题的时候，骈栋栋同学帮助我一起克服了它，吴晓霞同学鼓励我继续努力、不要放弃。
最后，要感谢我的父母，是他们辛勤的劳作和无私的付出，为我创造了良好学习的条件，是他们一直默默地支持我，鼓励我。
在这里，请你们接受我最真挚的谢意，祝你们永远健康快乐！
参考文献
1.张伟林、赵春生、张智勇编，棉纺织设备电气控制.北京：
中国纺织出版社，2008
2.巢文元主编，PLC操作技能（西门子系列）.北京：
中国劳动社会保障出版社，2006
3.佚名，PLC在细纱机控制系统中的应用.电子发烧友网，2009年06月17日
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