曲面印刷机PLC自动控制系统设计3.docx
《曲面印刷机PLC自动控制系统设计3.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《曲面印刷机PLC自动控制系统设计3.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
曲面印刷机PLC自动控制系统设计3
5曲面印刷机自动控制系统硬件设计
5.1变频器的选择
5.1.1变频器的工作原理
根据电机学原理，交流电动机转速公式为：
式中：
n为电动机转速，n0为同步转速，f为电源频率，p为电动机磁极对数，s为转差率。
由上式可知，当p和s不变时，电动机转子转速与定子电源频率f成正比，连续改变异步电动机供电电源的频率，则可连续平滑的调节电动机的转速。
这是变频器的工作原理。
变频器自带有完善的保护功能，如过流、过压、欠压、过热、过载等功能。
当电机发生赌转等故障时，变频器可跳闸，以保护电机。
变频器每次故障都有故障记忆，可将最新的故障记忆下来，以便运行人员进行故障分析。
变频器输出的电源频率可通过操作面板的手动旋钮调节，也可在频率设置输入端上接入控制信号实现远程控制模式。
5.1.2变频器的选型
此曲面印刷机对变频器功能要求是调节印刷机的速度即调节主电动机的转速。
由于主电动机的功率是7.5KW，输入电压为三相380V交流电，电流19A，选择的变频器也应该大于等于电动机的功率，考虑到成本问题，安川变频器全球销量比较好，性价比比较高，所以选择安川VS-616G5型号的变频器其功率为11KW。
其端子详解图如图5-1所示。
我们所使用的端子有1正传运行/停止、3异常复位、4外部异常。
图5-1安川VS-616G5端子详解图
5.2光电编码器的选择
5.2.1光电编码器的概述
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，是目前应用最多的传感器。
一般的光电编码器主要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。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。
根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
5.2.2光电编码器的选型
根据去面印刷机的工作方式要求，在本设计中我们选用增量式光电编码器。
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
其型号为TR公司IE－40编码器如图5-2所示。
图5-2光电编码器
5.3PLC显示器的选型
5.3.1PLC显示器的选择
采用了MD204L可编程文本显示器对PLC进行监控。
MD204L的外观形状如图5-3所示。
MD204L是一个小型的人机界面，可以采用TP200V4.0.0专用的组态软件在PC上制作组态画面,自由输入汉字及设定PLC地址,使用串口通讯下载画面，通讯协议和画面数据一同下载到显示器,无须PLC编写通讯程序。
它主要与各类PLC（或带通信口的智能控制器）配合使用，以文字或指示灯等形式监视、修改PLC内部寄存器或继电器的数值及状态，从而使操作人员能够自如地控制机器设备。
图5-3MD204L可编程显示器
MD204L的正面除液晶显示窗之外，还有20个薄膜开关按键,触摸手感好、使用寿命长、安全可靠。
所有的20个按键除了具备基本功能外，还能被设定成特殊功能按键，直接完成画面跳转，开关量设定等功能。
MD204L可编程显示器的前面板的所有20个按键都能被用户定义成特定功能。
如Bit置位、Bit复位、画面跳转等。
对于这次的设计，主要是采用此显示器显示印刷机的转速以及印刷杯子的速度。
它的基本功能包括设定寄存器数值、初始画面复位、前页后页画面跳转；在背面，左侧为外接DC电源端子和9针D型公座的通讯端口，RS422通讯端口是置于9针D型插座中，下载画面数据时，使用通讯电缆MD2-PC将MD204L的9芯通讯口和个人计算机的9芯通讯口连接起来；和PLC通讯时，用MD2-FX2N连接。
调试当中，如果发现液晶屏对比度不合适，可以用小尺寸螺丝刀旋转产品背面右侧的对比度调节电位器，直到对比度达到合适程度为止MD204L显示屏自带LED背景光灯，只要有按键操作，背景光打开。
持续3分钟以上没有任何键按下，背景光自动熄灭。
5.3.2MD204L显示器与PLC的连接
MD204L目前可以和三菱FX系列PLC通讯，通讯口为PLC的编程口。
FX系列PLC的RS422串行通讯接口采用8针阳头。
以下为MD204L显示器与PLC的连接的项目和内容，如表1所示。
表1MD204L与PLC连接的项目和内容
项目
内容
MD204L通讯口
9针通讯口
PLC通讯口
编程口
缺省通讯参数
9600bps、7bits、1stop、Even
站号号
1局
通信距离（最大）
70米
通讯方式
RS-422串形通讯接口
电缆型号
MD2-FX2N（必须用此专用线缆）
开关量对应地址
M000-M511
数字量对应地址
D000-D511
5.4光纤传感器的选择
5.4.1光纤传感器的工作原理
光纤传感器应该属于光电传感器中的一种，相对来说，光纤传感器通常比普通的光电传感器的精度要高，对射式传感器是光纤传感器的一种，是发射端发出红光或红外，接收端接收。
有物体经过光线切断，便输出信号。
光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：
发送器，接收器和检测电路。
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
光纤传感器的优点：
一、灵敏度较高；
二、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；
三、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；
四、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；
五、而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
5.4.2光纤传感器的选型
此传感器主要是为了实现曲面印刷机的无杯不印检测的，当八工位料盘上模头处有杯子时，发射端发射红外线，接收端会被杯子挡住，开关常开，当无杯子时就会有输出，根据上述，可以选择欧姆龙E3F-5DN1型光纤传感器如图5-4所示。
图5-4E3F-5DN1型光纤传感器
欧姆龙E3F-5DN1型光纤传感器的相关参数如下：
安装方式：
对射型电压类型：
直流6-36V
输出方式：
三线制（NPN）检测距离：
5m
工作温度：
-20～+55℃
5.5接近开关的选择
5.5.1接近开关的原理
接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。
接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。
有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。
接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。
当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。
它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。
在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。
接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。
5.5.2接近开关的选型
根据工作条件和印刷机所需动作在本设计中我选用欧姆龙公司E2E-X2E1型接近开关。
如图5-5。
该开关用于曲面印刷机的手动和自动的切换，是手轮插入的确认开关，首轮插入开关ON。
所有的自动动作停止，一切动作由手轮旋转控制。
图5-5E2E-X2E1型接近开关
E2E-X2E1型接近开关的技术参数如下：
检测距离：
5mm±10%设定距离：
0～4mm
应答频率：
直流200HZ工作环境：
-20～+60℃
便准检测物：
12*12*1mm
5.6调速电机的选择
主机控制系统主要使用两个调速电机，在下杯吸附皮带和下杯传输皮带处两处需要两个调速电机。
印刷机每分钟最多印刷300个杯子，杯子最大直径12cm，保证两个杯子之间距离8cm，则皮带的速度为（12+8）×300cm/min=1m/s，即皮带轮的线速度为1m/s。
电动机的功率
，平摩擦轮传动效率
Fe为皮带的有效拉力，其大小等于带与带轮的总摩擦力。
取皮带的预紧力为F0为500N，摩擦系数f为0.15，Fe=75N所以电动机的功率
。
为保证电动机能提供足够的动力，取P为90W,根据公式回推预紧力的F0为540N。
根据《机械设计课程设计手册》第3版表12-12YS系列电动机技术数据选用型号为YS5624的电动机（见图5-6），其功率为90W，电压380v，转速1400r/min,外形尺寸长×宽×高=170mm×120mm×135mm。
YS系列三相电动机，具有优良的起动和运行性能，结构简单，使用、维修方便，适用于使用三相电源的小型机械。
图5-6调速电机
5.7抽风机的选择
图5-7负压风机
抽风机使箱体内部形成负压吸住杯子。
主要用在下杯吸附、下杯传输，以及干燥箱和摞杯处等。
设杯子的重量为0.02kg，杯底直径5cm，所以根据P=F/S，吸住杯子的最小压强P=0.02/196=102Pa，选择4-48型离心机，机号4.5，转速2900r/min，全压990Pa，流量1131m3/h,电动机功率1.1kw,电动机型号Y802-2见图5-7。
5.8真空泵的选择
真空泵在里面的使用主要是为八工位料盘上的C前处理，E印刷，A上料等提供真空源吸气的，没有什么特别的要求。
在此我们选择的型号是2XZ—4真空泵如图5-8。
其参数为
型号：
2XZ—4抽气速率（升/秒）：
4
极限真空（Pa）：
6x10-2转速（r/min）：
1440
进气口直径（mm）：
Φ19 泵油温升（℃ ）：
45
电机功率（KW）：
0.55噪音（分贝）：
70
图5-82XZ—4真空泵
5.9空气压缩机的选择
空气压缩机为整个印刷机的工作中下杯吹气，下杯辅助吹气和四螺头上杯吹气等提供气源，其他没什么特殊的要求因此选择空气压缩机型V-0.7/30如图5-9。
其主要参数为：
型号：
V-0.7/30型式：
双列V型两级级差活塞式
冷却方式：
风冷排气量：
0.7（m3/min）
额定压力：
3.0（MPa）压缩机转速：
1000（r.p.m.）
电机功率：
1.1（kw）外形尺寸（长x宽x高）：
1630x680x1340（mm）
图5-9空气压缩机
5.10开关电源的选择
由于在全自动曲面印刷机中有部分电子元件需要DC24V的电源，故在次选取可提供直流电源的开关电源，以便给电磁制动器等用电器提供电源。
有开关电源使得：
电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态，电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；开关电源输出的是直流而不是交流。
根据用电器的综合考虑，在本设计中选用上海翔惠电子有限公司的开关电源型号为SW60-1G-24。
如图5-10所示。
该电源的输出电压为24V，输出电流为2.5A，功率60W，效率86%。
图5-10功率开关电源
5.11速度调节器的选择
本设计中我们选用了 无级变速PLC调速调速器，可以满足使用要求，实现无级调速，PLC调速。
自带电源反接保护，控制电压过压保护，20A快速熔断陶瓷保险丝。
可以用PLC电压直接控制。
其外形图如图5-11
图5-11无极调速器
主要技术指标:
（1）工作电压:
DC6V-DC90V
（2）控制功率:
0.01-1000W（最大电流15A）
（3）静态电流:
0.005A（待机状态）
（4）PWM占空比：
0%-100%
（5）PWM频率：
15khz
（6）控制电压：
0-5v（电压控制型，可以用PLC直接控制电机的速度）
6曲面印刷机电气控制系统的设计
6.1主机控制电路的设计
印刷机的主电路采用380V的三相交流电源，控制回路和照明灯则由控制变压器TC降压供电，其电压分别为36V，220V。
指示灯，电磁制动器等用电器由外接开关电源提供24V的电源。
开关QS1作为印刷机的电源总开关，VS-616G5变频器的电源端子R、S、T经输入交流电抗器ACL1，交流接触器MC以及电源断路器QF与电源连接，无需考虑相序，但是变频器的输出电源必须接到端子U、V、W上。
具体见图6-1。
主电机M1采用三相异步电机，它经过过热保护FR1以及输出交流电抗器ACL2，与变频器的输出端子U、V、W相连接。
为了实现主电机的无级变频调速，主电路采用了电位器RP来实现，它经过变频器的模拟输入端子，通过控制变频器模拟电压的大小，使变频器的输出端子U、V、W上产生电压频率可变的电源，从而来改变三相异步电机的速度。
整机主要由主电机M1提供动力源，通过主电机可实现印刷机的顺序同步控制；空气压缩机M2为间歇回转料盘提供正压力，以便于对印刷杯进行上杯、前处理、印刷、下杯等的相关操作，在各个部分通过“吹气”来辅助各个动作的完成；真空泵M3则用于为间歇回转料盘提供负压力，使杯子在八工位料盘的各个工位进行相关操作时能够吸附在模把上，不会脱落；电动机M4、M5主要用于在下杯机构中的传输皮带上让杯子从下杯工位和谐的运送到干燥箱皮带上。
M6、M7、M8、M9分别是副机部分各个机构所用的电动机，分别有开关QS2、QS3、QS4、QS5、QS6、QS7控制，例如：
料杯的上料传输、干燥、下料传输等；完成所需要的相关加工处理。
全自动曲面印刷机的电气控制原理图如图6-1。
图6-1自动曲面印刷机的电气控制原理图
图6-1自动曲面印刷机的电气控制原理图
6.2全自动曲面印刷机电气布件图
电器位置图反映了各电器元件的实际安装位置。
图6-2所示为全自动曲面印刷机的电器位置图。
图6-2全自动曲面印刷机电控柜电器布置图
6.3全自动曲面印刷机电气连接图
电气连接图是用来表明电气设备个单元之间的接线关系，为了安装电器设备和电器元件进行配线或检修电器故障而服务的。
在图中可以显示出各电器设备中各元件的空间位置和接线情况，它可在安装或检修时对照原理图使用。
它是根据电器位置布置的合理性和经济性的原则安排的，如图6-3是根据图6-2电器原理图绘制的接线图。
它表示机车电器设备各个单元之间的接线关系，并标注出外部接线所需的数据。
根据此接线图就可以进行机床电器设备的总装接线。
对于某些较为复杂的电器设备，电器安装板上的元件较多时，还可画出安装板的接线图。
对于简单设备仅画出接线图就可以了。
实际工作中，接线图常与电器原理图结合起来使用
图6-3全自动曲面印刷机控制系统电气连接图
全自动曲面印刷机电气连接图表明了该电器设备中电源进线、按钮板、照明灯、行程开关、电动机与机床安装板接线端之间的连接关系，表3说明了所采用的包塑金属软管的直径和长度、连接导线的根数、截面积及颜色。
表2连接线说明
连接线材料名称
连接线的尺寸
连接导线的尺寸
连接线的位置
包塑金属软管
Ф20mm×1m
1×1mm2（黄绿）+
7×1mm2（红）+
1×1mm2（白）
L1、L2、L3
包塑金属软管
Ф20mm×3m
3×1.5mm2（黑）﹢
1×1.5mm2（黄绿）
M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9
包塑金属软管
Ф10mm×1m
3×1mm2（红）
电器柜中元件
包塑金属软管
Ф10mm×3m
1×1mm2（红）+
1×1mm2（白）
EL、UC
包塑金属软管
Ф10mm×3m
1×1mm2（红）+
1×1mm2（白）
HL1、HL2、HL3、HL4、HL5、HL6、HL7、HL8、HL9、HL10、HL11、HL12、HL13、HL14、HL15、HL16、HL17
包塑金属软管
Ф15mm×3m
3×1mm2（红）
SB1、SB2、SB3、SA1
SA2、SA3、SA4、SA5、SA6
包塑金属软管
Ф10mm×1m
1×1mm2（白）
HT、SP、A、RP
6.4电器控制柜的设计
电气控制柜是用来安排摆放电器元件的柜子，全自动曲面印刷机的所用用的到的控制元件都在电控柜中摆放接线。
根据全自动曲面印刷机电器位置图以及相关的附件的尺寸，全自动曲面印刷机电器控制柜的设计，相关的技术要求在图上都有说明。
图6-4曲面印刷机的主机电控柜
6.5操作台的设计
根据全自动曲面印刷机的自动控制的原理以及相关控制按钮、开关、指示灯等设备需要，全自动曲面印刷机的操作台的设计如图6-5所示。
图6-5全自动曲面印刷机的操作台
7结束语
中国是印刷术诞生之故乡，中国的印刷术在农业经济时代独领风骚上千年，在工业经济时代，印刷术推动了工业文明的传播，奠定了第一传媒400年的主体地位，在进入知识经济时代之际，印刷产业正在进行数字化网络化改造。
但是，从长远来看，在未来的很长一段时间里，胶印还会占有一定的市场，印刷品的增长会一直持续到2040—2050年，之后将逐步减少，但不会消亡。
同时，联合国教科文组织把一个国家的印刷工业产值占该国国民经济总值的比例，作为衡量该国科学文化发展水平的标志。
因此在当前来研究、设计曲面印刷机仍具有很大的现实意义。
改革开放以来中国的印刷业取得了飞速的发展和令人瞩目的成绩。
随着中国加入WTO,我国印刷业面前所未有的机遇和挑战。
从根本上说，改变印刷方式的趋势在科学技术向前发展的进程中是必然的。
参考文献
[1]马维金，李风兰.全自动曲面印刷机.中国专利：
ZL93248040.3，1994-08-17
[2]张琦.曲面印刷常见问题分析.丝网印刷,2006,10:
6～9
[3]金银河.曲面网印机.网印工业,2005,3:
34～35
[4]陆长安.中国印刷及印刷机制造技术发展趋势分析.印刷工业,2005,1:
19
[6]徐世垣.2008-印刷业的机遇与挑战.今日印刷,2008,1:
6～7
[7]林其水.浅谈曲面丝网印刷的技术要求.网印工业,2004,7:
12～15
[8]王廷才变频器原理及应用机械工业出版社
[9]姜继海，宋锦春，高常识液压与气压传动.高等教育出版社
[10]秦曾煌主编电工学简明教程高等教育出版社2007.6
[11]富士机械曲面印刷机使用说明手册
[12]吴中俊，黄永红主编.可编程控制器原理及应用.北京：
机械工业出版,2004.4
[13]三菱PLC编程手册.
[14]GXDeveloper-Ver-8操作手册.
[15]安川VS616-G5变频器的使用手册.
[16]彭小平.电气控制与PLC应用技术.机械工业出版社
[17]姜继海，宋锦春，高常识主编.液压与气压传动.北京：
高等教育出版社，2009.5
[18]金银河﹒包装印刷﹒北京：
印刷工业出版社，2003.331
[19]王子美﹒数字式印刷机的发展历程﹒北京印刷学院学报，2003,11
（2）：
34
[20]张燕宾主编.变频调速应用实践.北京：
机械工业出版社，2001.300
[21]吴宗泽，罗圣国主编.机械设计课程设计手册（第3版）.北京：
高等教育出版社，2006
[22]付家才主编.电气CAD工程实践技术.北京：
化学工业出版社，2006.12
致谢
时光如梭，转眼间就到了毕业的时间了，非常感谢马维金老师在我大学的最后学习阶段—毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，资料收集，每次的辅导，说明书的写作，修改和到后面的定稿，马老师给了我耐心的指导和无私的帮助。
为了指导我们的论文马老师放弃自己的休息时间，周日从中北过来给我们辅导一整天，马老师
知识渊博，平易近人，每次给我们辅导我们都能学到好多的东西，日积月累，我们逐渐的了解和掌握自己所设计的内容，然后再通过充分利用网络查阅资料，让我们把这几年学到的理论知识和实践相结合，完善了自己的知识结构，拓展了自己的知识面，总之，通过此次设计我受益匪浅。
设计完后我的感受总结有有以下几点：
1、面对新课题一点要不畏惧，认真面对，只要认真做，一定会做的很好，自己还能学到好多的东西。
2、网络上的资源很丰富，我们一点要充分利用网络这个资源，在做好自己的设计的基础上多学点东西。
3、编程是个学习的过程，熟能生巧，只要多练习，掌握了基本要领，就能编好程序。
在这次的毕业论文中，发挥了我在学校学到的知识的应用，也算是最后一次做学校交给的作业了，我要感谢我的指导老师，还有其他代课老师，感谢他们平时对我的知识以及各方面的照顾。
相信这次设计对我以后的工作会是一个很好的开始。
附录一
附录二
升级会员 