基于PLC交流电动机控制系统设计.docx

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基于PLC交流电动机控制系统设计

摘要

瓦楞纸通常用作包装箱纸，是生产及生活中用量极大的纸产品。

本课题是利用PLC控制技术实现它的生产工艺过程，其主要工艺过程包括主轴开卷、纸板压痕、涂胶、烘干、纸板分切、磨刀控制等工序，分切压痕机是瓦楞纸生产中的主要设备，PLC是生产过程控制的主要控制器，变频器、继电器是其主要的电气控制元件。

本次设计主要对瓦楞纸分切压痕机控制系统进行功能分析，通过对硬件电路的设计，实现了分切压痕机的启动和停止，并利用变频器来调节电动机的转速。

本系统的核心部分选用了西门子公司的S7-200系列的小型PLC进行控制，其软件控制程序主要分为四部分，分别为自动纠偏、变频器控制和磨刀控制及其磨刀时间和间隔设定。

关键词：

瓦楞纸；可编程序控制器（PLC）；分切；压痕

ABSTRACT

Corrugatedboardwhichisusuallyusedforpackagingisconsumedinproductionandourdailylifeatalargequantity.WithapplyingPLCcontroltechnology,theprojectcarriesouttheproductionprocessofthecorrugatedboard.Themainprocessesincludespindleuncoiling,boardcreasing,gluing,drying,boardslittingandstoningcontrolling.Thecuttingandcreasingmachineisthemainequipmentofcorrugatedboardmanufacturing.PLCisthemaincontrollerofproductionprocess,whosemainelectricalcontrolcomponentsarefrequencyconverterandrelay.

Thedesignaimstoconductafunctionalanalysisonthecontrolsystemofcuttingandcreasingmachineforcorrugatedboard.Bydesigninghardwarecircuit,thestartingandstoppingofcuttingandcreasingmachinerealized,meanwhile,therevolvingspeedoftheelectromotorisconditionedbyfrequencyconverter.ThecorepartofthesystemiscontrolledbysmallPLCofSiemensS7-200series,thesoftwarecontrolprogramofwhichconsistsoffourparts-automaticbiasdetection,frequencyconvertercontrolling,stoningcontrollingandstoningtimeaswellasitsintervalsetting.

Keywords:

corrugatedboard；Programmablelogiccontroller（PLC）；Slitting；Creasing

第1章绪论

本课题是基于PLC对瓦楞纸分切压痕机的控制，主要内容包括：

瓦楞纸分切压痕机电气控制系统研制的背景，瓦楞纸分切压痕机电气控制系统介绍，瓦楞纸生产工艺流程，主要控制器PLC控制器和相关电气设备的选择，瓦楞纸分切压痕机电气控制系统的硬件设计，瓦楞纸分切压痕机的控制系统软件的编写，系统调试等内容。

瓦楞纸通常用作包装箱纸，是生产及生活中用量极大的纸产品。

瓦楞纸分切压痕技术及设备的目前发展主要有两个用途:

一方面可以满足部分小型个体生产企业的需求，随着生产现场的发展逐渐向集成化、智能化、低价位发展；另一方面是为满足大、中型工业生产的需求，向大型化、快速化、高效化、高自动化方向发展。

瓦楞纸分切压痕机是一种纸张加工设备，它广泛应用于印刷业、包装业、特种行业和加工业等十多个相应行业，并逐渐成为这些行业不可缺少和替代的关键设备。

过去传统的瓦楞纸分切压痕机采用的是继电器-控制器方式的控制系统，控制设备一经生产出来，功能就固定了，若控制要求发生变化，则必须改变控制器内部的硬件接线，这样的控制系统一方面耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢，另一方面使用起来不灵活，也不方便。

基于此，人们研制出PLC之类的新型电子器件设计瓦楞纸分切压痕机的控制系统[1]。

相比较而言，PLC可用于数字量逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理及通信联网，它的主要特点是：

（1）可靠性高，抗干扰能力强。

高可靠性是用户选择控制装置的首要条件，在PLC系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑到了工业输出环境、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采用了一系列抗干扰措施，因而具有极高的可靠性；

（2）配套齐全，适应性强，应用灵活，由于PLC产品均成系统化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求；（3）编程方便，易于使用，PLC的编程采用与继电器电路极为类似的梯形图语言，直观易懂，同时又有面向对象的顺控流程图语言，使编程更加简单方便，深受现场电气技术人员的欢迎；

（4）功能强，扩展能力强，性价比高，PLC中含有数量巨大的供用户使用的编程软件，可轻松地实现大规模的控制。

PLC配合功能单元能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能，PLC具有通信联网功能，可以控制多个机群，多个生产线。

它不仅可以进行现场控制，也可进行远程监控；

（5）PLC控制系统设计安装、调试方便，PLC用程序代替硬接线，安装接线工作量小；

（6）维修方便，维修工作量小，PLC有完善的自我诊断、履历情报存储及监视功能；

（7）PLC体积小、能耗低、易于实现机电一体化。

正是由于PLC用途广，又能克服之前继电器-控制器方式的控制系统的不利因素。

所以能满足人们的需要[2]。

1.1电气控制系统的应用设计

1.1.1工业电气控制系统规划设计的基本原则

由于构成系统的核心设备及关键技术上的差别，工业电气控制系统规划设计的中心内容可以有很大的不同。

但是，就工业电气控制系统规划设计的基本原则来说，各类系统却都是一样的。

这些原则如下所述：

（1）最大限度的满足被控对象的控制要求。

不能满足被控对象控制要求的系统是毫无用处的。

能最大限度地满足被控对象要求的设计，就是最好的设计。

因而在设计前，应调查清楚生产要求，对机械设备的性能、结构特点和实际加工情况有充分的了解。

（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统操作简单、使用及维修方便。

尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的环节和线路；尽量缩短连接导线的长度；尽量缩减电器的数量，采用标准件，并尽可能选用相同型号的电器元件；尽量减少不必要的触点以简化电路；尽量减少不必要的通电时间。

（3）保证控制系统安全可靠，具有合理的使用寿命。

为了保证线路工作可靠，最主要的是选用可靠的元件，如尽量选择机械和电气寿命长、结构坚实、动作可靠、抗干扰性能好的电器。

（4）在满足以上各点的基础上，尽量少花钱，多办事。

总的来说：

工业电气控制系统规划设计的基本原则简化就是：

适用、好用、耐用、经济[3]。

考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择控制系统设备时，设备能力应适当留有余量。

此外，设计还应符合国家及安全管理部门的各种相关规定，设计选用的各种器件、器材应满足国家的各种相关标准。

1.1.2可编程控制器的软件及性能指标

PLC的软件包括系统软件和用户程序。

系统软件有PLC制造商固化在机内，用以控制可编程控制器本身的运作。

主要包括以下三个步骤：

（1）系统程序管理，它是系统软件中最重要的部分，主管可编程控制器运行管理、存储空间管理及系统自检。

运行管理主要是时序安排，如何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等时间上的分配管理。

存储空间管理指生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址。

系统自检程序则包括各种系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等；

（2）用户指令解释程序，它是联系高级程序语言和机器码的桥梁。

众所周知，任何计算机最终都是执行机器指令语言的。

可编程控制器可用梯形图语言编程，把使用者直观易懂的梯形图变成机器易懂的机器语言，这就是解释程序的任务；

（3）标准程序模块及系统调用，它由许多独立的程序块组成，各程序块具有不同的功能，有些完成输入、输出处理，有些完成特殊运算等。

可编程控制器的各种具体工作都是由这部分来完成的。

这部分程序的多少决定了可编程控制器性能的强弱[4]。

整个系统软件是一个整体，其质量的好坏很大程度上影响可编程控制器的性能。

很多情况下，通过改进系统软件就可在不增加任何设备的条件下大大改善可编程控制器的性能。

用户程序由可编程控制器的使用者编制并输入，用于控制外部对象的运行。

用户程序即是应用程序，是可编程控制器的使用者针对具体控制对象编制的程序。

根据不同的控制要求，相当于改变PLC的用途，相当于设计和改变继电器控制设备的接线线路，也就是所谓的“可编程序”。

程序既可由编程器方便的送入到PLC内部的存储器中，也能通过它读出、检查与修改。

1.2瓦楞纸分切压痕机电气控制系统介绍

1.2.1瓦楞纸分切压痕机电气控制系统研制的背景

作为一个行业和我国国民经济的重要组成部分，包装业的发展日新月异，随着包装业的发展日新月异，瓦楞纸生产已经成为我国目前国民经济的重要组成部分之一，成为我国经济建设中所不可缺少的重要组成部分。

随着包装业的迅速蓬勃发展，对高强度瓦楞纸的需求越来越大，瓦楞纸在这一行业中日趋增加，成为涉及行业最广生产量最多的外包装材料。

过去来说，包装主要是对产品的简单的修饰、保护和产品的附属品，而今已经成为产品的一部分了，对产品的销售增值至关重要。

甚至，它已经成为一种产品，一种特殊的附属产品。

1.2.2瓦楞纸分切压痕机电气控制系统研制意义

切纸机是一种纸张加工设备,它广泛应用于印刷业、包装业、特种行业和加工业等十多个相应行业,并逐渐成为这些行业不可缺少和替代的特殊和关键设备。

由于社会生产规模的扩大，生产水平的提高，电气控制技术已从手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统，慢慢发展到以计算机为中心的网络化自动控制系统。

现代电气控制技术综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等许多先进的科学技术成果而迅速发展起来的，并向集成化、智能化、信息化和网络化方向发展。

瓦楞纸分切压痕技术及设备的发展方向主要有两个方面，一是为满足小型和个体生产企业的需求，向小型化，简易化，低价位，低档次发展；二是为了满足大、中型生产企业的需求，向宽幅面、高速度、高精度、高自动化方向发展。

PLC技术在瓦楞纸生产中的应用正是满足这些需求的技术保证[5]。

为了促进国内包装行业的发展，缩小同发达国家的差距，我国制订了该行业的总体目标：

瓦楞纸生产线向机电一体化、智能化、自动控制方向发展；以控制理论和计算机技术为先导引进新技术、增强自动开发能力；促进机械技术和自动化技术的结合，推进瓦楞纸生产线向机电一体化，进而向包装机械智能化迈进。

第2章瓦楞纸分切压痕机电气控制系统的介绍

2.1瓦楞纸的生产工艺流程

瓦楞纸生产工艺主要流程包括开卷、压痕、涂胶、烘干、分切等工序，如图2.1所示：

图2.1瓦楞纸生产流程图[6]

瓦楞纸生产主要工艺流程如上示意图2.1所示。

其工作原理主要是：

上电开机后，首先是开卷机轴开始转动，把纸板装好，再同步开动压痕轴电机和分切轴电机，同时涂胶装置和烘干装置也开始运行。

整个系统启动完成后，在运行过程中压痕机的线速度要求与主轴开卷机轴的线速度保持一致。

根据生产要求可知开卷机的速度必须是是可调的，所以用适当的测速机检测主轴的速度，把检测到的模拟信号转换为标准电压通过采样输入到PLC内部存储器中，经过数据处理后再通过控制变频器来驱动电机进而控制压痕轴的速度。

同样，分切装置转速控制还要考虑纸板的速度和主轴速度进行适当调整，所以分切装置的驱动也要用到变频器驱动电机。

分切装置上的分切刀片在分切纸板一段时间后会变钝，磨刀装置就需要对刀片进行磨削锐化，磨刀分为手动磨刀和自动磨刀两种方式，手动时，只有按下磨刀按钮时才进行一次磨刀；自动状态时,PLC会自动根据主轴的速度和分切轴速度粗设转速来调整它的磨刀时间和间隔时间[7]。

在生产的过程中纸板的传送会发生跑偏，影响分切的质量，所以纸板在传送过程中要随时进行纠偏，纠偏的方式有手动和自动两种方式。

在自动纠偏时，在工作台的两边设有光点开关检测传送的纸板是否发生跑偏，PLC会根据检测的结果随时对其进行跟踪纠偏。

如果在机器的运行过程中涂胶装置的胶将要用完，PLC会根据检测到的信号停止主轴电机的运行，同时如纸板已经加工完，PLC也会根据检测到的信号停止主轴电机的运行。

2.2瓦楞纸分切压痕机电气控制系统要求

2.2.1压痕机轴的速度

瓦楞纸在分切压痕之前是连续的，要承受一定的张力，在运行过程中为了防止瓦楞纸的断裂和影响生产过程，要求压痕机的线速度与主轴开卷机轴的线速度尽量保持一致，开卷机的速度范围为0-1500r/s，由于开卷机的速度可以通过变频器调频或调压来改变，所以可以用测速机检测主轴的速度，把检测到的信号转换成电压输入到PLC模拟量输入端口，转换电压为0-10V，经过综合处理后再通过调节变频器来驱动控制压痕轴的线速度。

根据开卷机的速度调整范围可知，要求压痕轴的速度范围为0-1500r/s，主轴的速度用测速机检测，输出电压为0-10V。

同样分切装置的转速也要跟随送来纸板的速度进行同步调整，所以分切装置轴的驱动也要用变频器驱动[8]。

压痕机控制方案如图2.2所示。

图2.2压痕机控制方案图

2.2.2分切装置的分切刀片

分切装置的分切刀片的位置可以根据要求调整，刀片的速度应根据纸板的速度变化而变化，所以分切装置的驱动也采用变频器驱动，同时又有最低转速和最高转速的限制，根据主轴速度和上、下限的要求确定的刀片速度范畴为300-1200r/s。

如图2.3所示。

图2.3分切装置

2.2.3磨刀装置

分切装置上设定的刀片在进行一定次数分切后会变钝，需要设定磨刀装置对刀片进行锐化，以便有效的分切瓦楞纸，分切刀片变钝的时间主要由分切速度和分切次数决定，因此磨刀频率和磨刀时间要与分切装置的转速保持一定关联。

磨刀可设定有自动模式和手动模式，可以通过开关来选择磨刀方式，当设定在手动模式时，可自行决定磨刀间隔和磨刀时间，操作方便快捷；但是由于人为因素，无法准确把握分切刀具的锋利程度，所以需要自动磨刀模式来保证分切刀的锋利程度，在自动模式下，PLC会根据粗设的磨刀间隔时间和刀片分切速度来微调磨刀时间和磨刀间隔时间，粗设的磨刀时间范围为500-1000ms，磨刀时间间隔为5000-10000ms，有PLC上的模拟量电位器设定自动的进行磨刀操作。

磨刀装置上的四片磨刀砂轮由不同的电磁阀控制，分别对四片刀片磨削，磨刀要求有手动与自动两种控制方式。

手动时，按一次磨刀按钮进行一次磨刀操作；自动时，分切只要运行，PLC便根据粗设的磨刀间隔时间和根据刀片的速度微调的间隔时间，自动地进行磨刀操作。

每个刀片的磨刀装置可以人为设置为工作及停止两种状态。

2.2.4跟踪纠偏

生产过程中会发生纸板跑偏现象，横向移动装置应随时自动地进行跟踪纠偏，它也可以手动横向移动进行纠偏，用两个光电开关作为纠偏的位置检测，用两个行程开关限制横向移动的行程范围。

其工作原理为：

如图2.4所示，光电开关有一个光源发射器，用于发射光线，还设有一个光源接收器，正常工作情况下，光源发射器发出的光源能被接收器接收，此时左右移动电机不工作；当瓦楞纸发生走偏时，例如向左侧倾斜时，瓦楞纸会阻断左侧光源，使接收器无法接收光源，此时右移电机启动，使瓦楞纸右移，移动到一定位置后，光源接收器可以接收到光线，右移电机停止。

瓦楞纸两侧分别设定一个光电开关，同理当瓦楞纸右移时，会遮住右侧光电开关，左移电机会启动，使瓦楞纸处在正常生产线上[9]。

图2.4光电检测图

第3章PLC、变频器和继电器的选型和参数设定

3.1PLC的简介

可编程序控制器又简称为PLC，是计算机技术与继电接触器控制技术相结合的产物。

它是以微处理器为核心，顺序控制为主的控制器，不仅具有顺序控制器的特点，而且具有微处理器的运算功能。

PLC的设计以工业控制为目标，因而具有功率级输出、接线简单、通用性好、编程容易、抗干扰能力强。

工作可靠等一系列优点。

它一问世就以强大的生命力，大面积地占领了传统的控制领域。

1969年，在美国出现第一台可编程序逻辑控制器（PLC,programmablelogiccontroller）以来，经过多年的发展，PLC现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机，它应用大规模集成电路、微型计算机技术和通信技术的发展成果，逐步形成了具有多种优点的微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLC系列产品，应用于从继电-接触器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。

可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱。

初期的PLC只是用于逻辑控制的场合，代替继电-接触器控制系统。

随着微电子技术的发展，PLC以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。

目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控制系统、集散系统、分散系统等。

在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，例如构成逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等[10]。

3.1.1PLC的工作原理和运行状态及方式

作为电器控制装置，可编程控制器必须接入电路，与主令器件、传感器件及执行器件共同构成系统才能承担控制任务。

可编程控制器是一种基于计算机的运算控制装置。

它将工业控制中的各种控制信号存入自己的输入存储单元，也将运算的结果存入自己的输出存储单元，并且将运算结果作为输出信号去控制执行器件以完成工业控制。

而作为输入存储单元及输出存储单元联系的应用程序则是控制的核心。

可编程控制器的运行大致可分为以下三个部分：

（1）上电处理。

PLC上电后对系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块硬件，I/O模块配置检查，停电保持范围设定等。

（2）扫描过程。

以程序扫描执行而得名。

一是扫描执行系统程序，二是扫描执行应用程序。

每次执行应用程序前先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。

而执行不执行应用程序还和PLC的运行状态有关。

PLC的运行状态一般有STOP及RUN两种。

状态的转换一般可以通过机箱上的硬件开关或编程设备切换。

当CPU处于STOP方式时，PLC不执行应用程序，转入执行自诊断检查。

当CPU处于RUN方式时，则执行用户程序和输出处理，再转入执行自诊断检查。

扫描过程除去通信任务及内部特殊存储单元管理，扫描过程可分为输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。

（3）出错处理。

PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否正常，检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。

当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止[11]。

可编程控制器的运行方式是串行方式，扫描一遍遍地进行，程序一条条地执行。

可编程控制器的运行方式是建立在计算机工作原理基础上的，CPU以分时操作来处理各条指令，所以只按程序顺序依次完成各响应电器的动作，这就是所谓的串行。

PLC的工作就是周而复始地循环扫描过程。

每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。

以目前PLC的一般运行速度而言，这个周期为100ms左右。

3.1.2本系统PLC的选型

西门子S7-200系列PLC属于小型可编程控制器，内部设置集成I/O接口，至多可扩展32个模块。

其自带的RS-485接口，极大的增强了其通信功能，可以应用于大型网络设计中。

它具有结构小，速度快指令系统丰富的特点。

便于操作，性价比高。

图3.1下列出了S7-200系列完整系统的构成情况[12]。

图3.1系统的结构图[13]

西门子S7-200系列PLC包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226等五种型号的CPU。

内部电路基本相同，只是输入输出I/O口数量差别，各个型号都设有交流220V供电，直流24V供电，继电器输出和晶体输出[14]。

综合控制方案和控制要求可以知道，本系统共需要开关量至少14个输入点，开关量输出点至少8个，因此，选型CPU224就可以满足要求。

除此之外，系统还需要一路模拟量输入端口和两路模拟量输出端口，选用DM231四模拟量输入模块及EM232两路模拟量输出模块。

3.2继电器选择

根据瓦楞纸分切压痕机的控制要求可知道，主电路中有三台电机需要控制，其中有一台电机需要控制正反转，所以共需要四只电磁继电器KM1-KM4。

其中，KM1和KM2分别需要一个主触头主要控制正反转，另外还各需要一个常闭触点来互锁，防止主电路发生短路；KM3控制压痕机的运行和停止，需要一个主触头和一个常开触点来自锁，另外还要一个常开触点来控制电源指示灯；KM4控制分切机的运行和停止，需要一个主触头和一个常开触点来完成自锁，另外还要一个常开触点来控制电源指示灯。

综上所述要求可知道，根据本设计要求可选用JZ20系列接触继电器，JZ20接触器式继电器（以下简称继电器）主要用于交流50Hz（60Hz），额定工作电压660V及以下的用电设备，直流额定工作电压220V及以下的控制电路中，也可按国际标准的要求，接入主电路作接触器用。

具有装卸方便迅速之优点，以使信号扩大或将信号同时传送给有关控制元件，选用JZ20型号，其包含两个常开触电和两个常闭触电，可以满足设计要求。

主触头额定电压要求380V，所以根据要求选用JZ20-

-1-22-O继电器可以满足设计要求。

其参数含义如图3.2。

JZ20

线圈电压信号

触头组合代号

操作方式和功耗代号

基本规格代号

设计序号

接触式继电器

图3.2参数含义图[15]

3.3变频器选择

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器在主电路中的应用大体上可分为两类：

是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波方式是电感滤波。

电流型由三部分构成，整流器将工频电源变换为直流功率，平波回路吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动，逆变器将直流功率变换为交流功率。

电压型是将电压源的直流逆变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

本课题需要两个变频器实现对两个三相异步电动机的调速，三相相电压为380V，所以选用FR-A500（L）系列产品可达到要求，其主要参数简介为：

功率范围：

0.4