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1、基于PLC的钢板定长剪切控制系统设计毕业论文目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题背景和目的意义11.2 设计现状及发展趋势11.3 PLC控制系统设计的原则21.4 方案论证3第2章 系统总体设计42.1 系统控制要求42.2 系统结构及工作原理4第3章 系统硬件设计63.1 光电编码器6 3.1.1 光电编码器的原理63.1.2 光电编码器的选型63.1.3光电编码器脉冲数计算83.2 PLC控制原理及选型9 3.2.1 PLC定义93.2.2 PLC构成10 3.2.3 CPU构成10 3.2.4 I/O模块10 3.2.5 电源模块10 3.2.6 PLC特点10 3
2、.3 PLC选型123.3.1 PLC的型号选择123.3.2 I/O模块的选型13第4章 电气原理及软件设计154.1 电气原理设计154.2 系统控制方案154.3 PLC I/O分配164.4 PLC硬件接线174.5 程序设计17第5章 总结20致谢21参考文献22附录I22附录II22 IV第1章 绪论1.1课题背景和目的意义定长剪切机是一种精确控制板材加工尺寸，将大型板块进行定长剪切的设备。传统定长剪切机采用继电器作为控制器件，其控制系统较复杂，参数改变不灵活，大量接线使系统可靠性降低，维修率高，降低了生产效率。PLC以其灵活性、快速性、可靠性和性价比高等特点越来越受到企业或者团体
3、设计者们的欢迎，在各行各业的应用非常广泛。用PLC替代继电器设计剪切控制系统，具有操作简单，运行可靠，抗干扰能力强，编程方便，控制精度高的明显优势。基于以上PLC特点，本课题主要研究如何应用FX2N PLC设计一个薄钢板定长剪切控制系统，设计的关键是如何提高定长剪切的精度。1.2设计现状及发展趋势随着我国经济的持续高速增长，社会对各类板材的需求量不断增长，对板材加工的精度提出了更高的要求，人们希望能够精确对板材进行定长切割。另外，随着企业之间的竞争日益加剧和人力资源成本的上升，厂家为了在竞争中占据有利地位，除了保证板材加工的精度外，对板材加工的效率也提出了更高的要求。钢板剪切的主要设备是剪切机
4、，而普通剪切机存在诸多不足。(1) 加工精度不高造成加工精度不高的主要原因，一方面是加工尺寸由操作人员用普通钢尺手动测得，精度难以保证；另一方面采用异步电动机带动链条传动机构，这样不仅定位精度低，而且易造成剪切面的机械偏差，这种偏差随加工板材宽度增加而加大。 (2) 操作繁琐，容易出错剪切机需要人工操作，剪切动作的控制需人工完成，占用人力资源，也容易出错。 (3) 能耗大，效率低剪切机的动力系统一般使用普通异步电机，在剪板过程中不断启停，能耗大、效率低。基于上述情况，面对板材生产加工企业迫切需要高精度、高效率的生产设备，在可预见的未来，剪板机发展趋势和需求方向是：一些资金雄厚的企业，出巨资购买
5、全新数控剪切机；相当一批中小企业没有足够的资金，希望通过对原设备的技术改造来满足要求。对普通剪切机或传统自动剪切机升级改造，提高工作效率和剪板精度，降低能耗，这方面有较大的市场需求。PLC一直以来为各种工业设备提供了非常多的控制功能，不断完善和扩展的网络功能，朝着高性能小型化发展。用可编程序控制器进行控制，省去了如继电器之类的固体电子器件，简化了繁杂的硬件接线线路，使控制具有极强的的柔性和功能的可拓展性；同时可编程序控制器具有性能稳定, 工作可靠，操作简单，调节方便，自动保护等特点。1.3 PLC控制系统设计的原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量为目
6、的的。PLC系统设计应遵循以下原则。（1）满足要求原则最大限度的满足被控对象的控制要求是设计控制系统的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。（2）安全可靠原则控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，对设计控制系统来说至关重要。为了达到这一点，要求在系统设计、器件选择和软件编程上全面考虑。例如，在设计上应该保证PLC程序不仅在正常条件下能正确运行，而且在一些非正常情况下也能正常工作。系统应该具有能接受并且只能接受合法操作，对非法操作程序能予以拒绝的能力。（3）经济实用原则经济实用也是系统设设计的一项重要原则，这就要求不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护既方便又低成本。（
7、4）适应发展原则控制系统的要求也一定会不断的在提高和完善。在控制系统设计时，要考虑今后的发展和完善，这就是要求选择的PLC机型和输入/输出模块要能适应发展的需要，要适当留有发展余量。1.4 方案论证方案一：在剪板机刀口后面安装一个接近开关，当钢板经过夹送辊，通过刀口到达预定位置，接近开关检测到钢板头已经到达就启动刹车系统停车，并发送信号给PLC，PLC发送信号启动冲压系统将钢板剪切。改变接近开关距离刀口的长度就能够方便改变要剪切钢板的尺寸。此方案的好处是原理简单，安装和维护方便，编程较容易。不足的是，钢板的长度只有到达位置和没有到达位置两种粗略状态，系统不能够监测实际尺寸跟设定参数差距值，因此
8、使PLC控制电机运转幅度不好把握，很难得到预想结果，造成误差较大。方案二：针对方案一显现的不足，可用旋转光电编码器测量实际的钢板尺寸，安装光电编码器和夹送辊同轴，根据夹送辊的周长和旋转数据能方便地计算出钢板经过夹送辊的尺寸，将检测数据以脉冲形式反馈到PLC进行处理存储。当检测到钢板尺寸与设定值一致，PLC启动冲压系统将钢板剪切。本方案的优点是，在不掉电情况下，计数器能够记录钢板的尺寸参数，控制精度比方案一较高。相对方案一，方案二取消了接近开关，使用了旋转增量式光电编码器，成本上较有上升，编程也较复杂，但其控制精度较高，且成本在可承受范围内，性价比比较高，总体来说比方案一好。本设计采用方案二。第
9、2章 系统总体设计2.1 系统控制要求 本设计的薄钢板定长剪切控制系统要达到以下控制要求：（1）待切材料从左向右牵引电动机前行，光电编码器信号用来测量牵引的长度，待牵引长度达到预先设定的数值时，电动机制动且剪切机动作。 （2）通过PLC高速计数器控制指令和光电编码器实现精确定长切割。2.2 系统结构及工作原理钢板定长剪切生产线由开卷机、校平机、剪切机和堆垛机四部分组成，如图2-1所示。钢卷经校平机压平，按照给定剪切长度定位后，剪切机将钢板剪切成成品，再由堆垛机的皮带输送入框堆垛。开卷机无电机驱动，采用电磁抱闸制动；校平机采用异步电机M1驱动，经皮带减速后由传动箱将运动传递给各主动辊，上下辊的压
10、紧力由分布在四角的四个螺栓施加，用于测量钢板长度的光电编码器经传动连接在最后一根测长辊侧；剪板机采用下传动式剪板机，由异步电机M2驱动,通过控制M2正反转来控制剪切机构的上下运动；堆垛机由输送带和料框组成，输送带由异步电机M3驱动。图2-1 钢板定长剪切生产线结构示意图工作原理：待切材料从左向右牵引电动机前行，光电编码器通过测量电动机M1的转速，输出与转速成一定关系的脉冲信号，通过PLC高速计数器记录脉冲的个数用，间接测量出牵引的长度，待牵引长度达到在高速计数器中预先设定的数值时，电动机制动且切刀动作，即实现定长切割。第3章 系统硬件设计3.1 光电编码器3.1.1光电编码器的原理光电编码器是
11、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。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是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6，其原理示意图如图3-1所示；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。图3-1光电编码器的原理图3.1.2光电编码器的选型在光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。 （1）
12、分辨率，光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在5006000PPR的增量式光电编码器， （2）精度，精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。（3）输出信号的稳定性，编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。 （4）响应频率，编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。（5）信号输出形式，推挽式输出方式由上下两个NPN型的
13、三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。电流通过输出侧的两个晶体管向两个方向流入，并始终输出电流。因此它阻抗低，而且不太受噪声和变形波的影响，主要应用领域有自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。下表3-1是EPC-755A型光电编码器的主要参数。表3-1EPC-755A型光电编码器的主要参数主要参数参数说明输入电压070和085时为4.7528.0VDC0100时为4.7524.0VDC输入电流最大无负载电流为100mA输入波动在0100KHz时，峰峰之间为100mV输出波形增量式，正交输出，当转轴顺时针旋转时，A通道的方波领先B通道输出电路推挽输出每通道最大
14、驱动电流20mA，基准脉冲每转一周输出600个脉冲。频率响应标准10KHz，可选高达1MHz。抗干扰性经IEC 801-3测试，符合欧洲标准。分辨率1-10000PPR精度2001999 PPR：0.017（1.0弧度分）之内（机械角度）20003000 PPR：0.01（0.6弧度分）之内（机械角度）3000 PPR以上另附加插值误差0.005（机械角度）光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，它是通过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。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的。旋转编码器分为绝对式和增量式两种，绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或循环码（格雷码），通过接收器将该数码送入计算机。绝对式编码器常用于检测转角，若需得到转速，必须对转角进行微分处理。增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅。光电编码器的光栅盘与电动机同轴，电动机转动时，光栅盘与电动机同速旋转，经过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，其原理如图所示。通过计算每秒钟光电编码器输出脉冲的个数就能得到当前电动机的转速，此外为判断旋转方向，光栅还可以提供相位差90的双向脉冲正交信号。增量式光电编码器输出两路相位相差90的脉冲信号A和B，当电动机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90，经逻辑电路处理后形成高
