基于PLC的高速全自动包装机本科毕业论文.docx

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基于PLC的高速全自动包装机本科毕业论文

基于PLC的高速全自动包装机毕业论文

姓名:

XX

系部:

XXXXXXXX

专业:

XXXXXXX

班级:

XXXXX

指导老师:

XXXX

日期:

201/12/17—201/06/16

第一章绪论

ABSTRACT

Thisthesismainlydiscussedthedesignofcontrolsystemofrollpacking．氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。

Asthekenneldevicecontrolsystem，PLCiswidetyusedinmodemindustrialproductionanddowellinthisfield．釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。

Thisthesistakesthecontrolsystemofthehigh-speedfull—automaticrollpacking怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。

machinethatwasdevelopedbyDongguanJiamingMachineManufacturingLimitedCompanyalongwithUSasabackground．WeapplytheadvancedcontroltechniqueinthepackingmachinecontrolsystemsuchasthetechniqueofPLC，theinverter谚辞調担鈧谄动禪泻類。

technique，lightelectricitytechniqueandSOon．Byusingthesetechniques，werealizedtensioncontrol，Synchronouscontrolintransmittingprocessandpackingprocess嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。

programcontr01．Tocompletethedataofcollectingandcontroltheoutputequipmentstoworksafely，highspeedandefficiently，wedesignedthePLCcorrespondencenetworkbyusingtheWinCC，asupervisecontrolandconfigurmionsoftwareofthe熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。

companyofSiemens，anditscommunicationfunction，torealizethesurveillancefunctionofthepackingprocess．鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。

Themachinegottheexaltationofthequalitywhetherthefunctionortheefficiency，basicallycametotheinternationaladvancedlevelinthelateof90’S，realizedwellthecontrolrequestthatthecompanyputforward．纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。

Thiscontrolsystemiswellrtmninginthelab．

Keywords：

Packingmachine；PLC；tensioncontrol；self-adaptiveControl颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。

Synchronouscontrol；WinCC；Step7

1．1可编程控制技术的发展趋势

随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。

仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。

今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展：

一个是向超小型专用化和低价格方向发展；另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。

总的趋势如下濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。

1．可编程控制技术的标准化

在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相台作。

一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。

标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。

出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。

按照这些标准，各种型号的PLC产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。

但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。

为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。

銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。

2．CPU处理速度进一步加快

目前PLC的CPU与微型计算机的CPU相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在80486一级。

将来会全部使用64位RISC芯片，实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。

这样PLC执行指令的速度将达到纳秒级。

挤貼綬电麥结鈺贖哓类。

3．可编程控制技术的智能化

提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。

4．系统的开放性和兼容性

开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。

一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。

当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题；另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。

除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。

赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。

5．通用性和专业化的结合

可编程控制产品是通用的。

但是工业的每一领域都有其自己的特点。

怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢?

硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。

这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。

常用的专用模块包括：

定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。

塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。

6．可靠性进一步提高

随着PLC进入过程控制的领域，对PLC可靠性的要求进一步提高。

硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、I/O单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。

但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。

要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。

MTBF（平均无故障时间）是衡量产品质量的重要指标。

纵观各著名厂商，其PLC产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。

裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。

7．控制系统分散化

根据分散控制、集中管理的原则，PLC控制系统的i／o模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主CPU进行数据通信。

这样使控制更有效，系统更可靠。

仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。

8．控制与管理功能一体化

为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。

信息管理功能融为一体。

综上所述，我们不难得出下面几个结论：

1．工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着～条相互融合的道路。

2．智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。

3．系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强

4．基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。

5．通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。

1．2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，我们开发了“卷纸包装机控制系统”，我在其中负责控制系统的研究与设计工作。

骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。

1．3PLC在包装机械上应用的可能性和前景

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：

瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。

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；鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。

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；栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。

7）具有扩展单元或扩展模块，当需要较多i／o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。

辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。

1．4项目研究的主要内容

1．对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍，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。

峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。

2．卷纸包装机各动作控制工艺的研究。

了解卷纸包装机的工作过程及工艺要求。

总结各机构的动作顺序，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。

詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。

3．可编程控制器部分的设计，包括控制方案的选取与设计、I/O接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计与调试。

则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。

第二章PLC构成的包装机控制系统的总体设计

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。

胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。

2．1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。

工艺盘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。

鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。

简单的工艺流程如图2-1所示。

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。

稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。

由于这是一个典型的顺序控制，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2-2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，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120ms。

陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。

2．2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／O控制系统。

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2-3所示，每个被控制对象与可编程控制器指定I／O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联系的场合。

单主机控制方式，对主机要求较高，危险相对集中。

远程I／O控制系统的控制结构比较独特，类似于集中控制系统，又具有分散型控制系统的特点，经常用于控制规模中等，控制对象比较分散、工程费用较低的场合。

沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。

图2-2集中控制系统

PLC作为一种控制设备，用它单独构成一个控制系统是有局限性的，主要是无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和打印汉字报表，没有良好的界面。

这些不足，我们选用上位机来弥补。

上位机完成监测数据的存贮、处理与输出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示、分析限值或报警信息，驱动打印机实时打印各种图表。

钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。

2．3系统的运行方式

运行方式分为手动、单步、周期及自动等四种操作方式。

1．手动：

各工步都可单独点动，按钮释放即停止运行；

2．单步：

按下启动按钮，运行一个工步，到位即停。

再按启动，则进入下一工步运行；

3．周期：

从初始位置开始，按启动按钮，程序自动完成一个周期的动作后返回到第一步开始位置停止。

4．自动：

按启动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运行，自动循环。

在自动方式下，中途若按下复位按钮，则系统要继续运行到第一步开始位置才停止；若按下停止按钮，则运行立即停止，此时若再按启动，系统即从该位置运行到第一步开始处停止。

懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。

根据卷纸包装机的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式。

与运行方式的设计相对应，还必须考虑停止运行方式的设计。

可编程控制器的停运方式有正常停运，暂时停运和紧急停运…三种。

根据控制系统要求，由于包装机运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设备出现故障或异常情况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统立即停车。

謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。

包装机控制功能要求：

手动运行可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，主要用于故障恢复与检修。

全自动运行按下启动按钮，系统即可连续、协调、周期性地循环完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。

2．4总体结构关系

在前面己经说明，本系统采用可编程控制器（PLC）和工控机两级控制的结构。

PLC负责按钮、行程开关和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、继电器、变频器等电气元件，进而控制各电机的运行，同时控制相应指示灯的显示。

工控机用来进行参数的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。

工控机通过串行口与PLC相连，进行相互通信，所以工控机是通过发出命令去控制PLC的运行以达到进行全自动控制的目的。

呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。

2．4．1控制系统主要器件的选择

卷纸包装机控制系统主要器件包括工控机（另配显示器）、PLC、变频器等。

它们的选择都是以在保证功能的前提下尽可能地选择可靠性高和使用方便的产品为依据，具体情况如下：

莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。

本系统上位机选用研华IPC-610工控机，128M内存，10G硬盘，内部底板上有4个ISA总线插槽、2个PCI总线插槽和一个CMJ插槽，可以方便地进行系统扩展，另外选配飞利浦IOSA型显示器，可清晰地显示各种图形和文字，运行WINDOWSNT操作系统，外接打印机，打印报表。

工控机由一台500VA的不问断电源UPS供电，保证报表数据的完整记录。

下位PLC的选型及其模块配置在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和分析。

然后确定系统的规模、机型和配值。

据统计，该包装机控制系统需要配置如下的不同性质的I／O点：

麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。

80个开关量输入：

50个开关量输出；

15个模拟量输入；

15个模拟量输出；

根据对上述控制任务的分析，本项目选择了Siemens的模块化中小型PLC系统S7-300，它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。

其模块化、无排风扇结构、和易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案。

S7-300系列所具有的多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I／O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。

当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加的模块对PLC进行扩展。

SIMATICS7-300所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。

它具有很强的计算能力和完善的指令集，以及通过MPI接口和SINECLANS联网的能力，适用于高速的过程处理需要。

本系统所用的主机模块是CPU315-2DP，可以通过MPI转接电缆或通讯模块与计算机进行通讯，再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术，使其具有极高的可靠性，极其适合本系统的需求。

除此之外，它自带的STEP7编程软件功能强大，使用方便，也使开发过程变得简单快捷。

此外，S7—300系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。

根据I/O点数的确定要按照实际点数再加20％一30％的备用量及其特性，配置了如下的模块：

納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。

1．2个模拟量输入模块SM331（M8*12Bit）：

可提供具有12位分辨率的总数为16路的模数转换通道；風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。

2．4个模拟量输出模块SM332（AO4*12Bit）：

可提供具有12位分辨率的总数为16路的模数转换通道；灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。

3．4个数字量输入模块SM321（D132*24VDC）：

可提供总数为128路的开关量输入通道；

4．3个数字量输出模块SM322D032*24VDC／0．5A：

可提供总数为96路的开关量输出通道；铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。

5．中央处理单元CPU315—2DP；

6．通讯处理器CP343—5

7．接口模块IM360和IM361。

图2-4系统结构和配置图

在本系统中，PLC的主要任务是接受外部开关信号（按钮、行程开关、继电器节点）的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。

除此之外，另一个重要的任务就是接受工控机（上位机）的控制命令，以进行全自动包装循环。

图2-4给出了本项目中配置的S7-32路数字输入模块SM321。

攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。

数字输入模块SM321向外提供电源，将位于现场的开关触点的状态经过光电隔离和滤波，将从过程传输来的外部数字信号转化为内部S7--300信号电平。

然后送至输入缓冲器等待CPU采样，采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。

趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。

SM321数字输入模块具有32位独立的输入点，用于连接开关或2线接近开关（BERO）。

数据采集部分与背板总线通过光电耦合器隔离。

模块的每个输出点有一个绿色发光二极管LED显示输入状态。

输入开关闭合即有输入电压时，LED亮。

夹覡闾辁駁档驀迁锬減。

32位数字输出模块SM322D032*24DC／0．5A数字输出模块将s7—300的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。

按负载回路使用的电源不同分为：

直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。

视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。

SM322：

D032"24DC／0．5A属于晶体管输出方式的模块，只能带直流负载：

32个输出点，分成8组；0．5A的输出电流；该模块输出具有短路保护功能，适用于连接电磁阀、接触器、小功率电机灯和电机启动器。

偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。

8路12位分辨率模拟量输入模块SM331：

A18*12Bit是8通道的模拟量输入模块，在系统中用于输入主传动电机转速、放卷机转速、放卷辊直径等的测量值。

模块主要是由A／D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。

緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。

A／D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。

积分式A／D转换的积分时间直接影响到A／D转换时间和A／D转换精度。

积分时间越长，被测值的精度越高。

SM331可选的积分时间有：

25ms，167ms，20ms和l00ms。

在我国为了抑制工频及谐波干扰，一般选用20ms的积分时间，相应精度为12位。

S7—300的CPU用16位的二进制补码表示模拟量的值，其中最高位为符号位“0”表示正值，“1”表示负值。

S7-300模拟输入模块的输入测量值范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。

它用于不带附加放大器的模拟执行元件和传感器，可以将扩展过程中的模拟信号转化为S7-300内部处理用的数字信号。

SM331的8个模拟量输入通道共用一个积分式A／D转换部件。

即通过模拟切换开关，各个输入通道按顺序