黄庆强毕业设计答辩后修改.docx
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黄庆强毕业设计答辩后修改
青岛农业大学
毕业论文（设计）
题目：
基于PLCQ02及运动控制器Q172的定长截断控制系统设计
姓名：
黄庆强
学院：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
2006.02
学号：
20060532
指导教师：
刘立山
2010年06月18日
毕业论文（设计）诚信声明
本人声明：
所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
论文（设计）作者签名：
日期：
年月日
毕业论文（设计）版权使用授权书
本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。
本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。
本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。
论文（设计）作者签名：
日期：
年月日
指导教师签名：
日期：
年月日
基于PLCQ02及运动控制器Q172的定长截断控制系统设计
摘要
定长截断是造纸、板材、制袋等工业过程中的重要工序，其动作速度影响到流水线的生产效率，切割精度影响到产品质量。
本论文是基于三菱Q系列PLC及其运动控制CPU的定长截断控制系统的设计。
论文介绍了运动控制技术在现代工业控制的应用现状以及定长截断控制技术的发展状况，设计了定长截断控制系统的结构，确定了系统的实现方案。
在硬件选型方面，选择三菱Q02PLC及运动控制器Q172作为控制核心，伺服电机及其伺服放大器作为送料和随动截断系统的执行机构，三相异步电动机及变频器作为放料驱动系统，步进电机及驱动器实现纠偏控制，采用威纶触摸屏MT6070iH建立友好的人机界面。
论文详细论述了该定长截断控制系统定长控制、随动截断等关键环节的实现方法以及编程原理，针对实际现场控制的需要对PLC的I/O模块输入输出进行了合理分配，并完成了触摸屏人机界面的制作。
关键词：
PLC；运动控制器；伺服系统；定长截断；触摸屏
DesignOFFixed-lengthcutcontrolsystembasedonPLCQ02andMotionControllerQ172
Abstract
Fixed-lengthcutisthepaper,board,bagandotherimportantprocessesinindustrialprocesses,itsmovementspeedaffectstheproductionlineefficiencyandcuttingprecisionaffectsproductquality.Thisthesisisadesignoffixed-lengthcutcontrolsystemwhichisbasedontheMitsubishiQseriesPLCandmotioncontroller.Thisthesisintroducestheapplicationstatusofthemotioncontroltechnologyinthemodernindustrialcontrolandthedevelopmentoffixed-lengthcutcontroltechnology,designsthestructureoffixed-lengthcutcontrolsystemanddeterminestheimplementationoftheprogram.Intermsofhardwareselection,selecttheMitsubishiQ02PLCandMotionControllerQ172asthecontrolkernel,servomotorandservoamplifierastheexecutivebodyoffeedingandservocuttingsystem,three-phaseasynchronousmotorandVariable-frequencyDriveasfeedingdrivesystem,steppermotoranddrivetorectifyadeviation,andestablishfriendlytouchscreenuserinterfacewithWEINVIEWMT6070iH.Thisthesisdiscussedfortherealizingmethodandprincipleofprogrammingoffixed-lengthcontrolandservocuttingcontrol,distributedtheportoftheI/OmodulesofPLCaccordingtotheactualneedsreasonably,andcompletedthetouchhuman-machineinterface.
Keywords:
PLC,MotionController,servosystem,fixed-lengthcut,HMI
1绪论
1.1PLC概述
20世纪60年代末，随着现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，对工业控制器的要求也越来越高。
1968年，美国通用汽车公司（GM）为使其汽车装配线能适应多种产品的要求，对装配线控制系统提出10条招标意见，被称为GM10条。
1969年，美国数据设备公司（DEC）研制出基本满足GM10条的控制器，并在GM的装配线上成功使用，这种控制器称为可编辑程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，用来取代继电器控制柜，功能仅限于执行继电逻辑、定时和计数控制等。
1987年2月，国际电工委员会对可编程控制器给出的定义是：
“可编程控制器是一种数字运算操作系统，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的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产机械和生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原理设计。
”按照以上定义，PLC是一种工业计算机，因而它必须具有很强的抗干扰能力，这是与一般的微机系统不同的。
其存储器可存储执行多种操作的指令，是可以通过软件编程的控制器，所以又与以往的继电接触控制装置有质的区别。
它有控制能力强、操作方便灵活、价格便宜、可靠性高等特点，不仅可以取代传统的继电接触控制系统，还可以构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制器[1]。
1.2运动控制技术在工业控制系统中的应用
运动控制起源于早期的伺服控制。
简单的说，运动控制是将运动控制器、伺服电机及其驱动器、传感器、传动机构组合在一起，通过软件编程的方法实现电机位移、速度、加速度和力矩控制的一门技术[2]。
随着计算机技术和微电子技术的发展，机电一体化技术得到迅速发展，运动控制技术作为其关键的组成部分，也得到了前所未有的发展。
典型的运动控制系统如图1-1所示。
图1-1典型的运动控制系统
操作员站是工业现场操作人员使用的设备，它提供控制系统与操作人员的完整接口，操作人员通过它实现各种控制调节和管理功能。
它通常采用PC装载组态软件，运行人员通过专用键盘、鼠标可进行各种操作。
在小型系统中，操作员站也经常采用触摸屏。
驱动器将控制器输出的小信号放大以驱动伺服机构。
针对不同类别的伺服机构，驱动器有电动、液压、气动等类型。
在现代电力拖动系统中，电动机及其驱动器已成为难以分割的整体，运动控制系统的性能实现在很大程度上取决于电动机及其驱动器的性能。
相对于电动机来说，电力电子驱动装置的开发研究具有更大的灵活性和更快的更新速度。
运动控制器在运动控制系统处于核心位置。
运动控制器是运动控制系统中发展、更新最快的一类部件。
运动控制器已经从以单片机、微处理器或专用芯片（ASIC）为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC总线、以DSP和FPGA（或CPLD）为核心处理器的开放式运动控制器。
基于网络的开放式、嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为运动控制领域里的主导产品之一。
在产品形式上，运动控制器通常表现为运动控制卡、具有运动控制功能的PLC控制单元、数控系统（CNC）或专用运动控制系统等[3]。
在制造业现代化高速发展的今天，生产的高效率和产品的高质量要求使得一些高精度电气系统和高性能自动控制系统应运而生，同时也使许多普通电气控制系统难以解决的问题变得相对的简单一些，并且在很大程度上增加了自动控制系统的稳定性。
长期以来，PLC以其可靠性高、编程简单、通用性好、抗干扰能力强、功能完善、接口功能多等特点始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。
例如三菱电机有限公司目前推出的Q系列PLC以及Q系列运动控制器就是专门针对需要高精度电气控制的产品。
1.3定长截断控制技术的发展和现状
定长截断系统是工业生产线上广泛应用的一类系统，其动作速度影响到流水线的生产效率，切割精度影响到产品质量。
传统采用PLC控制各气动换向阀的电磁铁，由气压驱动完成顺序动作的飞剪定长切割系统[4]，机械结构复杂，开环控制跟随架与传送带之间的跟随，而且气压传动本身存在稳定性差、输出功率小、噪声大、定位精度不高等缺点，已不能满足高速定长切割系统对动态响应和定位精度提出的严格要求。
定长切割系统基于运动控制器，以直接电机控制取代了传统的气压传动，简化了机械结构，且控制方便，定位精度高；以两轴位置随动系统取代了传统的跟随架与传送带之间的开环控制，大大提高了系统的动态响应速度和定位精度，特别适合高速定长切割的场合。
随着国内制造业的兴起及先进技术的普及，定长截断系统的应用日益广泛，但与国外相比，国产设备还存在一定差距，其主要表现在稳定性、提速、降速以及加工精度等方面。
在自动化控制部分，国内自动化水平还停留在中下等水平上，虽说国内控制器运用已非常普及，价格也较低廉，但国内定长截断系统在使用的深度上远远落后于国外发达国家水平，特别是在控制系统上与机械结构及所分切的物料上缺乏有机的结合，从这个层面上讲，国产定长截断设备绝大多数还停留在粗线条水平上，还没有深入领会定长截断控制系统的严密性和合理性。
尽管近几年来先进控制技术的应用取得了可喜的进展，逐步应用了伺服控制器和变频器控制，但基本上是局部改进，应看到控制系统仍不具备先进性，系统的精度与运行可靠性不能满足要求。
随着数字化、信息化、自动化等新技术的发展和应用，定长截断控制系统面临着巨大机遇和严峻挑战[5][6]。
本设计是基于PLC及其运动控制器的定长截断控制系统的控制方案，在成本增加较少的前提下，无论从控制精度与可靠性、操作简便与直观性、先进技术的应用性上，都有着明显的提升。
伴随着计算机技术在工业控制领域应用的日益广泛与深入，国内定长截断工艺必将随着其控制系统的不断改善得到全面的提升，外形简洁、操作人性化、维护方便、高效节能是定长截断控制系统今后的发展趋势。
1.4课题研究的背景、目的及内容
三菱MELSEC系列PLC为当今世界上最先进的超小型、超快速的模块式PLC，并具有各类功能齐全的高性能模块，及快速可靠的系统网络。
三菱Q系列运动控制器是新一代高性能、小型化、实现高速运动控制的控制器，适用于与Q系列可编程控制器一起构成多CPU系统。
根据当前运动控制技术的发展情况和目前实验室具备的条件，本课题运用Q02PLC及其运动控制器Q172对定长截断控制系统进行了初步的探索研究，旨在为改善定长截断系统的控制提供一种新的思路和方法，提高定长截断生产过程的生产效率和定位精度。
本课题的内容是设计基于PLC及运动控制器的定长截断控制系统。
具体内容有以下几点：
（1）设计定长截断控制系统的结构，确定系统的控制方案。
（2）完成各系统的硬件选型。
（3）论述定长截断系统的控制原理，给出各部分的软件实现方法。
（4）设计人机界面，通过人机界面实现参数输入、信息显示以及基本的控制功能。
2定长截断控制系统的总体设计
本章按照定长截断控制系统的要求，完成了系统的总体结构设计，介绍了整体控制系统的组成。
针对各控制过程的特点和控制原理，实现了对硬件的选择，给出了外部接线图，配置了相应的参数。
2.1定长截断控制系统总体控制方案
2.1.1控制系统的分析
由于需要输入输出的开关量比较多，需要设定和显示的控制信息比较多，所以选取以PLC为核心控制器来设计系统。
PLC丰富的I/O口解决了开关量输入、输出比较多的难题，对输入输出信号集中控制。
设定和显示的多参数信息采用触摸屏编辑人机界面来完成。
通过核心PLCCPU和触摸屏通信的方式来完成对整机系统的控制。
PLC以其功能完备、组合灵活、编程方便、同时可靠性高、开发周期短而广泛应用于工业生产与控制的各个领域中。
PLC有以下的有突出特点[7]：
（l）编程简单。
用于编程的梯形图与传统的继电接触控制线路图有许多的相似之处，便于熟悉机电控制的工程技术人员上手。
大缩短整个系统设计、生产、调试节约系统投资。
（2）可靠性高。
PLC是专门应用于工程现场设备和自动控制装置，在系统的硬件和软件上都采用了抗干扰措施。
例如光电祸合、自诊断、多个CPU并操作、冗余控制技术等。
具有较好较高的可靠性，能在恶劣的工业环境下正常运行，一般平均无故障时间可达几万小时以上。
（3）功能强大。
PLC能进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完成A/D与D/A转换、数据处理和互联网等任务，具有很强的功能。
（4）便于维护。
PLC具有较完善的自诊断、自测试功能，可迅速方便地检查判断出故障，缩短检修时间。
它以软件编程取代硬件接线，使其构成的控制系统结构简单，安装方便，维护方便。
由于PLC无法单独构成监控系统，无法显示各种控制图标和曲线,可采用触摸屏作为人机界面，实现简单、方便、自然的一种人机交互界面，架起操作人员和机器设备之间双向沟通的桥梁。
用户可通过触摸屏以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化的信息情况。
HMI能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松地操作整个机器设备。
使用触摸屏还可以使机器的配线标准化、简单化，能减少PLC控制器所需的I/O点数，使面板控制小型化和高性能化，在降低生产成本的同时相对地提高了整套设备的附加价值。
综上所述，本系统采用PLC为核心的控制器，触摸屏作为监控显示模块，两者通过串口进行通信来控制系统的执行部件，实现整个控制系统的功能。
2.1.2总体控制方案
本设计的定长截断系统采用三菱PLC及运动控制器作为控制核心，主PLC负责处理I/O输出输入信息，并通过串口通讯实现与人机界面共享其内部的所有信息，把从人机界面接收到的外部的输入信息保存到其内部相对应的32位数据寄存器的字单元，同样可将主PLC内部储存的系统运行状态的信息显示在触摸屏上，实现人机的形象交流，进而实现系统的可调整和监控。
通过PLCCPU与运动控制器构建多CPU系统，可以将顺序控制和运动控制分开，多CPU自动刷新功能可实现多CPU系统中各CPU之间数据自动收发，其它CPU的软件数据可以作为主CPU数据使用，也可以通过PLCCPU发出专用控制指令到运动控制CPU读取动作CPU的软件数据，启动运动SFC程序。
通过运动控制器的强大运动控制功能可实现复杂的多轴运动控制功能。
主PLC也可通过扩展的I/O模块进行简单动作的控制。
主PLC和运动控制器两者优点的结合可实现复杂的定长截断控制功能。
在执行机构的选择上，根据要实现动作的需要，各个控制过程的实现选择不同的执行机，在后面的硬件选型中作具体分析。
本定长截断控制系统的总体控制方案如图2-1所示。
图2-1总体控制方案图
2.2整体结构设计
本设计定长截断系统的控制结构主要有放料的开卷机，负责匀速送料的送料辊，跟随送料电机的跟随架（由两台伺服电机组成位置随动系统），此外还配置了防止材料偏斜的纠偏机，反映放料走料情况的位置感应器。
控制结构如图2-2所示。
图2-2定长截断控制结构
（1）开卷机主要用于放料控制，控制系统开始工作时，主PLC输出控制信号，通过变频器控制伺服电机的调速来实现送料调节。
送料调节的信号输入由位置感应器来完成。
（2）送料辊由一台伺服电机驱动，并且伺服电机上配有绝对位置编码器，可通过软件计数测出材料走过的长度。
送料辊由两个橡胶辊组成，上辊为从动辊，可旋转且固定在一个支架上，通过调节支架的弹簧可以适度改变两辊之间的压力；下辊为主动辊，它固定于机架并由伺服电机驱动旋转，上下两辊之间的压力使进料随下辊的旋转而进给，控制电机的转速，可以实现匀速送料的目的[8]。
（3）在送料辊进给材料后，由于在切断之前无拉紧装置，走料会发生偏斜，影响截断后的产品质量。
为解决这一问题，在送料辊之后添加一个纠偏装置，由一台步进电机来驱动。
在截断前的走料轨道上安装两组光电传感器，前后两个传感器在一条平行线上，走料正常时材料边缘会遮盖里测的光电传感器，而且不会遮盖外侧的传感器。
当走料发生偏斜时会出现非正常的遮盖光电传感器，此时传感器会通过I/O模块将信号输入主PLC，通过触摸屏发出报警信号，并且主PLC通过驱动步进电机的正反转来纠正走料路线。
（4）在定长截断中最重要的指标是截断的响应速度和截断精度，本设计采用两轴位置随动系统，充分发挥运动控制器处理复杂运动的优势，实现两轴的跟随定位，最终精确快速的完成截断动作。
2.3本章小结
本章结合定长截断控制系统的特点，分析并确定了总体控制方案，设计了定长截断控制系统的整体结构，在此基础上进行了硬件的设计。
3定长截断控制系统的硬件设计
结合上一章总体控制方案和整体结构的设计，下面进行定长截断控制系统各控制过程的硬件设计。
3.1控制器的的设计
3.1.1主PLC及运动控制器的选型
三菱的MELSECQ系列PLC为当今世界上最先进的超小型、超快速的模块式PLC，并具有各类功能齐全的高性能模块，及快速可靠的系统网络。
它将现场设备层和控制层直接引入工厂的生产管理系统中，并极有创意地将Windows技术融入PLC中，充分利用因特网等通信手段，以适应当前不断发展的信息技术之需求。
此外，三菱电机PLC的优势并非只局限于硬件，它还提供了及编程、监控、维护及其系统高度为一体的高效、友好的开发监控软件[9]。
高性能型QCPU是以中大规模系统为对象的，在大幅提高CPU模块处理性能和程序寄存器容量的同时，还提高了与网络模块，编程用外围设备之间数据通信的性能。
支持的本地I/O最大可达4096点，程序容量最大有252K步。
最快指令仅需34纳秒。
除了可以使用梯形图、语句表、ST（结构化文本，类高级语言）、SFC、FB等5种编程语言进行编程外还支持结构化编程，最大程序数量为252个。
内置标准RAM及ROM，还可插存储卡。
有12M的USB和115K的RS232两个编程接口（Q02CPU只有RS232编程口）。
高性能QCPU可支持多达4个CPU，一个系统中可集成顺控CPU、过程控制CPU、运动控制CPU（最大96轴）、PCCPU。
本定长截断控制系统选择高性能的Q02PLC作为主PLC，来处理整个定长截断控制系统的信息的处理。
为实现复杂的运动控制动作，本设计配置了高性能的运动控制器，与主PLC构建多CPU系统，把顺序控制和运动控制分开实现，实现系统的高速运行[10][11]。
在运动控制器的选型上，本设计选用了日本三菱电机推出的第二代高性能运动控制器Q172CPUN作为实现运动控制的运动CPU。
Q172CPUN主要有以下特点：
（1）高速运动控制
Q173CPUN运动控制器采用64位RISC处理器，使运行周期降至0.88ms，提升了凸轮速度并缩短了操作响应时间。
（2）SSCNET控制功能
Q173CPUN运动控制器采用高速串行通讯简单设置伺服电机同步或绝对系统。
同时，运动CPU能够通过三菱伺服系统控制网络SSCNET（ServoSystemControllerNetwork）与伺服放大器连接，可以在运动控制器里收集伺服数据，修改伺服参数，试运行和监控伺服放大器，速度命令输出最高可达10MPPS，以实现高速高精度定位，单个运动控制器可以控制伺服放大器最多32轴，伺服电机容量从10W到55KW。
SSCNET使多轴的同步、插补等高级定位功能发挥得淋漓尽致,更改善了系统的可靠性，方便系统维护。
（3）MotionSFC编程
独特的MotionSFC语言编程，更具可视性。
实际的运动顺序在程序上直接反映出来，易于组织程序结构并通过监控工具来调试。
具有丰富多样的运动控制功能，在虚模式下可支持机械程序，替代机械主轴实现高精度同步控制，可以创建凸轮曲线，实现电子凸轮控制。
Q02PLCCPU和运动控制器Q172CPUN安装在CPU基板上，两者在基板上的位置如图3-1所示，通过基板的连接构建多CPU系统，分散伺服控制，机器控制及信息控制等任务，可实现弹性系统构成。
两个CPU之间的数据传送通过多CPU自动刷新功能自动进行，这可以把运动CPU的软件数据作为主CPU的软件数据使用，可通过运动专用PLC指令从PLCCPU访问运动CPU软件数据并启动运动SFC程序。
图3-1多CPU在基板上的布局图
3.1.2PLCI/O模块的选型
Q02PLC没有外部的输入输出模块，由于本定长截断控制系统需要较多开关量来控制系统某些过程的运行，需为其配置了输入输出模块。
本设计选用了Q系列专用的输入输出混合模块QH42P作为Q02PLC的外部输入输出模块。
QH42P模块输入点数32点，DC24V共阳极输入，响应时间为1/5/10/20/70ms（CPU参数设置，初始化设置是10ms）,使用外部连接线连接器连接；输出点数32点，DC12-24V，0.1A漏型输出，使用外部接线连接器连接，带短路保护功能和热保护功能，响应时间为1ms或更短。
QH42P外观及其引脚排列如图3-2所示，其中左侧连接器连接输入端子，右侧连接器连接输出端子。
图3-2QH42P及其连接器引脚排列
3.1.3PLC的I/O设置
本定长截断控制系统设计是基于PLC的控制系统，需要给各工作台上的按钮和感应器的信号分配输入点和各种指示灯的输出信号分配输出点。
下面对本论文设计的定长截断系统的特点，具体设置一些输入输出信号，并作相应的功能说明。
分析整个定长截断系统的控制流程，输入需要设置10个输入按钮信号和5个感应器输入信号以及一个变频器异常信号，共需设置16个PLC输入端。
本定长截断控制系统设置的按钮及其功能说明如表3-1所示。
表3-1按钮及其功能说
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