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1、南京工程學(xué)院先進(jìn)制造技術(shù)工程中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 目 錄 前言 1 第一章 緒論 2 1.1國內(nèi)外卷板機(jī)設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀 2 1.1.1國外卷板設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀 2 1.1.2國內(nèi)卷板設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀 2 1.2 課題研究意義 3 1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容 3 第二章 電氣控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1機(jī)器結(jié)構(gòu) 4 2.2 工藝過程 6 2.3 功能需求分析 7 2.4系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 8 第三章 電氣控制系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì) 10 3.1電氣控制系統(tǒng)圖 10 3.2電氣原理圖設(shè)計(jì) 11

2、 3.3常用低壓電器簡介及其選型 12 3.3.1常用的低壓電器 12 3.3.2低壓電器選型 12 第四章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 13 4.1 可編程邏輯控制器配置 13 4.1.1 PLC技術(shù)概述 13 4.1.2可編程邏輯控制器型號的選擇 15 4.2 人機(jī)界面配置 16 4.2.1觸摸屏工作原理及選型 16 4.2.2觸摸屏性能介紹 17 4.3傳感器配置 17 4.3.1 拉線位移傳感器 17 4.3.2 形程開關(guān) 18 第五章 控制系統(tǒng)的軟件

3、設(shè)計(jì) 19 5.1PLC程序設(shè)計(jì) 19 5.1.1 STEP 7設(shè)計(jì)軟件簡介 19 5.1.2 I/O地址分配 19 5.1.3 PLC程序編寫 20 5.2觸摸屏操作界面設(shè)計(jì) 25 5.2.1觸摸屏界面設(shè)計(jì)方法 25 5.2.2 系統(tǒng)的操作界面具體設(shè)計(jì) 26 5.3控制器與上位機(jī)通信 31 5.3.1 異步串行通信 31 5.3.2 PLC與MT6056I通信 31 第六章 總結(jié) 34 致謝 36 參考文獻(xiàn) 37 附件： 畢業(yè)論文光盤資料

4、 - 36 - 前 言 卷板機(jī)是建造海上石油采集平臺和生產(chǎn)壓力容器所必須的設(shè)備。它的功率很大一般在幾十千瓦，所以生產(chǎn)廠家大多采用交流電機(jī)作為驅(qū)動控制部件。一般采用手工操作，這種方式加工效率低，且加工精度難以保證，已不能很好地滿足現(xiàn)代市場對產(chǎn)品加工效率和質(zhì)量的要求，因而必須對卷板機(jī)進(jìn)行簡易的數(shù)控化改造，以適應(yīng)市場對卷板機(jī)加工效率和精度的要求。 隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，基于PLC、單片機(jī)和PC的自動化系統(tǒng)和自動化設(shè)備越來越普及，幾乎遍布所用的自動化領(lǐng)域，與之相應(yīng)的人機(jī)界面也應(yīng)運(yùn)而生，并得到了同步發(fā)展。卷板機(jī)是典型機(jī)電一體化實(shí)例，本次設(shè)計(jì)是在了解機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)

5、上，對用戶要求進(jìn)行詳細(xì)的需求功能分析，采取相應(yīng)的控制方案，使其滿足用戶要求。本次設(shè)計(jì)采用了PLC+觸摸屏的控制方案，其實(shí)就是控制系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)，是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型、實(shí)用的自動控制裝置，被廣泛地用于工業(yè)控制領(lǐng)域，具有可靠性好穩(wěn)定性高、實(shí)時處理能力強(qiáng)、使用靈活方便、編程容易等特點(diǎn)。  第一章 緒 論 本章主要介紹有關(guān)卷板機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，具體包括：卷板機(jī)的概念、特點(diǎn)、分類、用途、意義、發(fā)展、趨勢以及關(guān)鍵技術(shù)等，然后交代了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的意義，最后介紹了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。 1.1國內(nèi)外卷板設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀 卷板機(jī)是一種將金屬板材彎卷

6、成筒體、錐體、曲面體或其他形體的通用成型設(shè)備。該設(shè)備廣泛用于鍋爐、造船、石油、化工、金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)械制造行業(yè)。關(guān)于卷板機(jī)的分類，國外一般以工作輥的配置方式來劃分。國內(nèi)普遍以工作輥數(shù)量及調(diào)整型式等來分類，一般分為：三輥卷板機(jī)（包括對稱式三輥卷板機(jī)、非對稱式三輥卷板機(jī)、水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)、傾斜下調(diào)式三輥卷板機(jī)等）、四輥卷板機(jī)、特殊用途卷板機(jī)（有船用卷板機(jī)、錐體卷板機(jī)、雙輥卷板機(jī)等）。 1.1.1國外卷板設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀 目前，國外卷板設(shè)備生產(chǎn)水平較高的有瑞士、意大利、德國、日本等國家。這些國家對板厚小于38mm 的板料的卷制，大多采用機(jī)械式或機(jī)液混合驅(qū)動式。對板厚大于40mm 的板料的卷制，多采

7、用全液壓驅(qū)動式卷板機(jī)。由于三輥不對稱可調(diào)式卷板機(jī)較四輥卷板機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低、耗電少，且具有四輥卷板機(jī)便于端部預(yù)彎、剩余直邊小等特點(diǎn),已在不少國家得到廣泛開發(fā)和應(yīng)用。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，卷板設(shè)備也越來越多的采用計(jì)算機(jī)實(shí)行自動控制，使加工精度、工作效率大大提高，同時減少了工人的勞動強(qiáng)度、改善了工作條件。國外著名廠家的產(chǎn)品有：瑞士 Chr.Haeusler 公司，生產(chǎn)世界上最大的四輥卷板設(shè)備—VRM-hy 4000150mm冷卷鋼板規(guī)格為：1504000mm（最大厚度最大寬度），熱卷規(guī)格為2604000mm，主要用于核工業(yè)方面；意大利 PROMAU 公司生產(chǎn)全液壓式“DAVI”

8、系列四輥卷板機(jī)，它具有自動平衡系統(tǒng)（ABS）、行星擺式回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌（PSG）、自動潤滑系統(tǒng)（ALS）、節(jié)能系統(tǒng)（ESS）；國外生產(chǎn)卷板設(shè)備的著名廠家還有西德的瑟爾夫公司、福斯造船及機(jī)械公司；英國布郎克公司；日本富士車輛公司等。 1.1.2 國內(nèi)卷板設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對國外卷板技術(shù)的不斷學(xué)習(xí)和引進(jìn)，使我國卷板設(shè)備的 生產(chǎn)技術(shù)有了很大提高。近幾年，我國生產(chǎn)的三輥水平下調(diào)卷板機(jī)和四輥卷板機(jī) 越來越多地代替了在卷板設(shè)備中一直占據(jù)主要地位的對稱三輥卷板機(jī)。隨著液 壓產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步，國產(chǎn)液壓元件的精度、性能已達(dá)到較高的水平。所 以，液壓傳動也越來越多的應(yīng)用于卷板設(shè)備中。目前，用

9、于卷制中薄板的小功 率卷板機(jī)多采用機(jī)械傳動或機(jī)液混合驅(qū)動，用于卷制厚板的大功率卷板機(jī)多采 用液壓驅(qū)動或多電機(jī)同時驅(qū)動。但由于我國機(jī)械加工設(shè)備水平與加工技術(shù)水平 與世界發(fā)達(dá)國家相比，仍有一定的差距，所生產(chǎn)的機(jī)械零部件和液壓元件的加 工精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因機(jī)械摩擦造成的機(jī)械損失和因泄漏造成的液壓損失 較高。所以卷制同等規(guī)格的鋼板，所需卷板機(jī)功率要高于國外的卷板機(jī)，使得 卷板設(shè)備體積龐大，形體笨重。另外，我國引進(jìn)國外數(shù)控卷板技術(shù)，在數(shù)控卷 板工藝和設(shè)備研究方面作了大量工作。但無論國內(nèi)還是國外的卷板機(jī)，從數(shù)控 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上看，還均不能達(dá)到令人滿意的結(jié)果，還不能根據(jù)被卷制坯料的材 質(zhì)

10、、規(guī)格尺寸、卷曲曲率等，正確計(jì)算和調(diào)整工藝參數(shù)，達(dá)到真正的全自動控 制，而是需要較多的人工干預(yù)。 國內(nèi)生產(chǎn)卷板設(shè)備的廠家有一重、二重、沈陽重型機(jī)械廠、太原重型機(jī)械廠、、南京環(huán)力重工機(jī)械公司等。 1.2 課題研究意義 本次設(shè)計(jì)是結(jié)合工廠的實(shí)際需求對水平下調(diào)卷板機(jī)電氣控制部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，符合所學(xué)專業(yè)，把電、機(jī)、液三個部分有機(jī)的結(jié)合在一起，使課程有所延續(xù)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、分析問題及解決問題的能力，在其設(shè)計(jì)過程中綜合考慮各個方面，如：方案的確定、設(shè)計(jì)成本、可擴(kuò)展性等多方面因素，再結(jié)合本專業(yè)學(xué)以致用的特色，具有一定的實(shí)際意義，同時為以后從事電氣設(shè)計(jì)行業(yè)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

11、1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容 1．查閱資料，了解水平下調(diào)三輥卷板機(jī)機(jī)械本體結(jié)構(gòu)，明確其工作原理。 2．明確控制對象，并對需求功能進(jìn)行詳細(xì)的分析，確定控制方案并畫出整體控制框圖。 3．結(jié)合控制對象，繪制控制系統(tǒng)的原理圖，并對所用低壓電器進(jìn)行選型。 4．結(jié)合功能需求分析，對I/O口進(jìn)行地址分配、繪制工作流程圖、編寫可編程邏輯控制器梯形圖，繪制人機(jī)界面并進(jìn)行調(diào)試。 5．利用現(xiàn)有的設(shè)備，對整個系統(tǒng)模擬聯(lián)機(jī)調(diào)試并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。 第二章 電氣控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 2.1機(jī)器結(jié)構(gòu) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的水平下調(diào)式卷板機(jī)下輥可水平移動、下輥間距固定、能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)彎功能、上輥可上下運(yùn)動，因此可靈活的

12、變成對稱式和非對稱式三輥卷板機(jī)，既具有對稱三輥卷板機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作輥受力性能好的特點(diǎn)，又具有非對稱式三輥卷板機(jī)不用調(diào)頭即可預(yù)彎端頭的優(yōu)點(diǎn)。其圖如圖2.1 所示，可劃分為工作輥傳動系統(tǒng)、支承輥裝置、翻倒機(jī)構(gòu)、平衡裝置、制動系統(tǒng)及機(jī)架六個部分。 1．工作輥傳動系統(tǒng) 該機(jī)器有一個上輥和兩個下輥為工作輥，上輥由兩側(cè)的兩個機(jī)架支承并安裝在一整體機(jī)座上。下輥軸承座安置機(jī)座上，可沿機(jī)座上的導(dǎo)軌水平移動。由于該機(jī)器主要是用來卷制25mm～32mm 的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板，所需驅(qū)動功率是很大，不必采用全驅(qū)動，因此它采用下輥驅(qū)動的方式，即上輥?zhàn)鳛楸粍虞?。工作輥傳動系統(tǒng)分主、輔傳動系統(tǒng)，主傳動為兩下輥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)

13、動，輔傳動為下輥的水平移動和上輥的上下移動。上輥的上下移動可同步移動也可分別移動。 主傳動系統(tǒng)：它是采用機(jī)械傳動，即：電機(jī)—減速器—聯(lián)軸器—下輥。 輔助傳動系統(tǒng)：（1）下輥的水平移動也是采用機(jī)械傳動：電機(jī)—減速器—蝸輪蝸桿傳動—螺母傳動—下輥軸承座。（2）上輥的上升、下降是采用液壓的傳動方式：泵站—液壓缸—上輥（或下輥）軸承座。 2．支承輥裝置 三輥卷板機(jī)在工作過程中，上輥下壓、下輥旋轉(zhuǎn)，使板料繞上輥發(fā)生連續(xù)彎曲，從而卷制出筒體。一般來講，卷板機(jī)的上輥直徑大、剛性較好，下輥直徑較小，剛性不如上輥。如果卷板時上輥的壓下力較大，而下輥的剛度不足時，就會使輥軸在卷制筒體的過程中發(fā)生變形而出現(xiàn)

14、撓曲，使得卷出的筒體中間部位曲率半徑變大而形成鼓狀，當(dāng)板料寬度越大或卷制筒體直徑較小時。這種鼓體變形越嚴(yán)重。為防止工作輥撓曲變形而引起的工作精度低，影響卷板質(zhì)量，卷板機(jī)設(shè)置有支承輥裝置。 圖2.1 水平下調(diào)卷板機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖 1、減速器 2、制動器 3、平衡裝置 4、主電機(jī) 5、頻敏變阻器 6、萬向連器 7、左機(jī)架 8、右機(jī)架 9、上輥 10、支承輥 11、減速器 12、平移電機(jī) 13、右機(jī)架 14、翻倒缸 15、固定側(cè)油缸 16、翻倒側(cè)油缸 3．翻倒機(jī)構(gòu) 為方便卸下卷制成形的筒件，必須設(shè)置

15、傾倒機(jī)構(gòu)，使右側(cè)活動機(jī)架實(shí)現(xiàn)翻倒、復(fù)位動作。翻倒機(jī)構(gòu)由翻倒繞軸、翻倒油缸等組成。右側(cè)活動機(jī)架安裝有錐形軸承，該錐形軸承支承上輥右端軸徑。右機(jī)架翻倒前，上輥中心線必須位于設(shè)備中心，上輥也必須位于最高位置；卸料時右機(jī)架及軸承體由外力驅(qū)動繞銷軸轉(zhuǎn)動傾倒0～90，實(shí)現(xiàn)翻倒。右機(jī)架翻倒后，錐形軸承與上輥脫開，便于從上輥取出工件。卷制時由液壓缸復(fù)位支承上輥。 4．平衡裝置 平衡裝置是為了在卷板完成后卸下卷制成形的筒件而設(shè)置的。當(dāng)翻倒機(jī)架翻倒后由于平衡裝置的作用，翻倒側(cè)上輥處于懸臂狀態(tài)，它采用是下壓式，當(dāng)上輥到位后壓下行程開關(guān)，同時上輥?zhàn)蠖私佑|平衡裝置的下壓塊，此時按下翻倒運(yùn)行按鈕即可翻倒運(yùn)行。 5．

16、制動系統(tǒng) 由于卷板機(jī)運(yùn)行工況以帶負(fù)載頻繁啟動、制動為特征，所以主運(yùn)動（下輥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動）機(jī)構(gòu)必須設(shè)置制動系統(tǒng)，以減少轉(zhuǎn)動慣量，提高運(yùn)動精度和運(yùn)動的平穩(wěn)性。它采用的是：在主電機(jī)的輸出軸加液壓制動器，當(dāng)主電機(jī)得電時，液壓制動器同時得電，使得液壓制動器打開；當(dāng)主電機(jī)丟失電壓，液壓制動器也丟失電壓，制動器收縮，對主電機(jī)輸出軸進(jìn)行抱閘。 6．機(jī)架 機(jī)架部分包括底座、左右半機(jī)架。左右半機(jī)架分別由結(jié)構(gòu)件焊接而成；機(jī)架的下部用螺栓和平鍵固定在底座上。底座采用鋼板焊接而成。所有焊接件均經(jīng)過退火處理，消除應(yīng)力，防止變形。 2.2工藝過程 卷板時，將板料放在上、下工作輥之間。上輥垂直升降，兩下輥

17、做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動且相對于上輥軸心面水平移動。上輥下降時，板材在上下工作輥之間發(fā)生塑性變形而彎曲。下輥連續(xù)旋轉(zhuǎn)通過板與輥之間的摩擦力帶動鋼板進(jìn)、退，完成卷制， 卷板是利用卷板機(jī)對板料進(jìn)行連續(xù)三點(diǎn)彎曲的過程。如圖2.2所示，卷板工藝過程大致分為4步： a.預(yù)彎。卷板時平板兩端各有一段長度由于接觸不到上輥而不發(fā)生彎曲，稱為剩余直邊，工藝上將平板開始彎曲的最小力臂叫做理論剩余直邊，其大小與設(shè)備結(jié)構(gòu)及其彎曲形式（對稱彎曲，不對稱彎曲）有關(guān)。 b.對中。對中的目的是使工件母線與輥筒軸平行，防止產(chǎn)生扭斜。 c.卷圓。卷圓是產(chǎn)品成形的主過程，分一次進(jìn)給與多次進(jìn)給兩種，卷制厚板常用多次進(jìn)給。進(jìn)給次數(shù)取決于工藝限

18、制條件（如冷卷時不得超過允許的最大變形）及設(shè)備限制條件（如不打滑條件和功率條件）。冷卷回彈量顯著時，須加一定的過卷量。 d、矯圓。矯圓的目的是盡可能使整圓曲率均勻一致，保證產(chǎn)品質(zhì)量。一般矯圓工序分三個工步： （1）加載：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或計(jì)算將工作輥調(diào)到所需的最大矯正曲率的位置。 （2）滾圓：將輥筒在矯正曲率下滾卷 1～2 圈，使整卷曲率均勻一致。 （3）卸載:逐漸卸除載荷，使工件在逐漸減少的矯正載荷下多次滾卷。 b)對中 c)卷圓 d)矯圓 圖2.2 卷板工藝過程 a)預(yù)彎 2.3功能需求分析 通過學(xué)習(xí)和借鑒埃斯頓公

19、司的設(shè)計(jì)方式，采用人機(jī)對話式的電氣交互控制系統(tǒng)。根據(jù)用戶所要求的水平下調(diào)卷板機(jī)基本功能，對其任務(wù)進(jìn)行分解，并結(jié)合其機(jī)器的發(fā)展形態(tài)，按照畢業(yè)設(shè)計(jì)具體要求，其電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備的功能如下： 1．具有手提和操作臺兩種操作方式 由于在卷板的過程中操作人員需隨時調(diào)整機(jī)器上輥或下輥的位置，為了便于操作，此時需要手提裝置。 2．具有自動定位功能 在卷板機(jī)批量卷板的過程，我們可以記錄前一次上輥和下輥的位置，輸入要走到的位置，機(jī)器將自動定位到前一次的位置，節(jié)省了每次卷板前調(diào)整上下輥位置所用的時間，從而提高加工效率。 3．參數(shù)可在線修改 參數(shù)的在線修改可滿足各個用戶的不同要求，使得機(jī)器具有一定擴(kuò)展性，

20、具有數(shù)據(jù)交換、控制命令傳輸?shù)裙δ埽虼?，控制器間的控制命令傳輸必不可少，要求控制系統(tǒng)具有通信功能。如：當(dāng)機(jī)器編碼器破損后，維修人員只要更換上一個新的位移編碼器，然后對脈沖當(dāng)量進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置就可以了，無需選擇相同型號的編碼器，便于維修。 4．要求對整個系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測 卷板機(jī)的功率一般很大，在其運(yùn)行的過程中安全問題顯的尤為重要，通過PLC程序的編制，限制一些誤動作，并及時發(fā)出相信的報(bào)警信號，從而減少事故的發(fā)生。 5．實(shí)現(xiàn)上輥同步升降、單獨(dú)升降、也可在傾斜狀態(tài)下同升同降 在上輥同步升降時，要求上輥翻倒側(cè)和固定側(cè)同時上升或下降，由于上輥升降是靠兩個液壓缸實(shí)現(xiàn)的，因此要控制兩個液壓缸的同步，實(shí)

21、際上零誤差的同步我們是沒法達(dá)到的，我依靠拉線位移傳感器的對固定側(cè)和翻倒側(cè)上輥的位置不斷地監(jiān)測，做差與給定誤差進(jìn)行比較，然后進(jìn)行相應(yīng)的動作，將其差值控制在一定的范圍之內(nèi)。用戶給定同步誤差要適當(dāng)，過小會使得電磁閥頻繁得點(diǎn)，減少機(jī)器的壽命，同時由于傳感器的精度的限制，過小的同步誤差也不能實(shí)現(xiàn)；同步誤差過大會降低定位精度。在傾斜狀態(tài)下同升同降，有利于錐體的卷制。 6．具有制動系統(tǒng) 由于卷板機(jī)運(yùn)行工況以帶負(fù)載頻繁啟動、制動為特征，所以主運(yùn)動（下輥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動）機(jī)構(gòu)必須設(shè)置制動系統(tǒng)，以減少轉(zhuǎn)動慣量，提高運(yùn)動精度和運(yùn)動的平穩(wěn)性。 7.電氣系統(tǒng)應(yīng)具有完善的保護(hù)環(huán)節(jié) 在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行中，必須考慮

22、系統(tǒng)發(fā)生各種故障和不正常工作情況的可能性，需設(shè)有各種保護(hù)，如：過電流、過載、短路、失電壓、斷相保護(hù)等。 2.4系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 在現(xiàn)代化控制系統(tǒng)中，一般都少不了可編程邏輯控制器和觸摸屏，在這總控制系統(tǒng)中，人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)操作人員和機(jī)器設(shè)備的人機(jī)對話，可編程邏輯控制器可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器部件的直接操作和狀態(tài)監(jiān)控。由于這種控制結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)方便、速度快、開發(fā)周期較短、可靠性強(qiáng)、安全系數(shù)高，同時這種系統(tǒng)具有可在系統(tǒng)中改變參數(shù)、擴(kuò)展性好、易于控制、成本十分低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)?？梢?，采用這種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式非常適合水平下調(diào)卷板機(jī)的控制。 人機(jī)界面，用于用戶的登錄、狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)傳遞，把計(jì)算結(jié)果傳送給可編程邏輯控

23、制器。可編程邏輯控制器，通過梯形圖直接控制被控對象，如：平移電機(jī)、主電機(jī)（下輥旋轉(zhuǎn)電機(jī)）、液壓站電機(jī)，同時也可把計(jì)算結(jié)果傳給人機(jī)界面予以處理和現(xiàn)實(shí)。水平下調(diào)卷板機(jī)總體控制系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。 開關(guān)量輸入 開關(guān)量輸出 可編程邏輯控制器（PLC） 按鈕及限位信號 絕對式光電編碼器 電磁閥 電磁閥 中間繼電器 卷板機(jī)上輥、下輥位置 交流接觸器 電機(jī) 可觸摸液晶顯示屏 圖2.3 電氣控制系統(tǒng)框圖

24、 第三章 電氣控制系統(tǒng)圖設(shè)計(jì) 3.1電氣控制系統(tǒng)圖 電氣控制系統(tǒng)是由電氣控制元件按一定要求聯(lián)接而成。為了清晰地表達(dá)生產(chǎn)機(jī)械電器控制系統(tǒng)的工作原理，便于系統(tǒng)的安裝、調(diào)整、使用和維修，將電氣控制系統(tǒng)中的各電氣元器件用一定的圖形符號和文字符號來表示，再將其聯(lián)接情況用一定的圖形表達(dá)出來，這種圖形就是電氣控制系統(tǒng)圖。常用的電氣控制系統(tǒng)圖有電氣原理圖、電器布置圖與安裝接線圖。 1．電氣原理圖

25、 電氣原理圖是用來表示電路各電氣元器件中導(dǎo)電部件的連接關(guān)系和工作原理的圖。該圖應(yīng)根據(jù)簡單、清晰的原則，采用電氣元器件展開形式來繪制，它不按電氣元器件的實(shí)際位置來畫，也不反映電氣元器件的大小、安裝位置，只用電氣元件的導(dǎo)電部件及其接線端按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的圖形符號來表示電氣元器件，用導(dǎo)線將這些導(dǎo)電部件連接起來以反映其連接關(guān)系。所以電氣原理圖結(jié)構(gòu)簡單、層次分明、關(guān)系明確，適用于分析研究電路的工作原理。 2．電器布置圖 電器元件布置圖是用來表明電氣原理圖中各元器件的實(shí)際安裝位置，可視電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜程度采取集中繪制和單獨(dú)繪制。常畫的有電氣控制箱中的電器元件布置圖、控制面板圖等。電器元件布置圖

26、是控制設(shè)備生產(chǎn)及維護(hù)的技術(shù)文件，電器元件的布置應(yīng)注意以下幾方面： （1）體積大和較重的電器元件應(yīng)安裝在電器安裝板下方，而發(fā)熱元件應(yīng)安裝在電氣安裝板的上面。 （2）強(qiáng)電、弱點(diǎn)應(yīng)分開，弱電應(yīng)屏蔽，防止外界干擾。 （3）需要經(jīng)常維護(hù)、檢修、調(diào)整的電器元件安裝位置不宜過過低。 （4）電器元件的布置應(yīng)考慮整齊、美觀、對稱。外形尺寸與結(jié)構(gòu)類型的電器安裝在一起，便于安裝和配線。 （5）電器元件布置不宜過密，應(yīng)留有一定的余量。如有走線槽，應(yīng)加大各排電器間距，便于布線和維修。 3．安裝接線圖 安裝接線圖組要用于電器的安裝接線、線路檢查、線路維修和故障處理，通常接線圖與

27、電氣原理圖和元器件布置圖一起使用。接線圖表示出項(xiàng)目的相對位置、項(xiàng)目代號、端子、導(dǎo)線號、導(dǎo)線型號、導(dǎo)線截面等內(nèi)容。接線圖中的各個項(xiàng)目（如元件、器件、部件、組件、成套設(shè)備等）采用簡化外形（如正方形、矩形、圓形）表示，簡化外形旁應(yīng)標(biāo)注項(xiàng)目代號，并與電氣原理圖的標(biāo)志一致。 3.2電氣原理圖的設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)的電氣原理圖采用AUTOCAD 2008繪制完成的。其電氣原理圖見附件。它由主電機(jī)正反轉(zhuǎn)、平移電機(jī)正反轉(zhuǎn)、油泵電機(jī)、電源電路、PLC控制電路等其它輔助電路組成。下輥正反轉(zhuǎn)電機(jī)為三相繞線式，NP8Y頻敏變阻器直接連接于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中，不需另裝接觸器等短路設(shè)備，能使電動機(jī)獲得接近恒轉(zhuǎn)矩的機(jī)械

28、特性，該變阻器是一種靜止無觸點(diǎn)的電磁元件，相當(dāng)于一個等值阻抗。在電動機(jī)啟動過程中，由于等值阻抗隨轉(zhuǎn)子電流減小而自動下降（自動變阻），從而只需一級變阻器，就能使電動機(jī)完成平穩(wěn)起動，它主要用于啟動轉(zhuǎn)矩大的場合。平移電機(jī)為普通三相異步交流電機(jī)，它通過兩個交流接觸器的主觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，設(shè)有電氣互鎖電路。油泵電機(jī)也是三相交流異步電機(jī)，由于功率較大，采用Y-△降壓啟動，降低啟動電流。電源電路的設(shè)計(jì)主要是生成低壓元件所需的2相AC220V和DC24V電源。其中DC24V電源在本系統(tǒng)中使用較多，主要供中間繼電器、按鈕、指示燈等元件使用。為了便于現(xiàn)場施工時操作方便以及保證CPU工作的可靠性，在機(jī)柜中加入了AC2

29、20V電源和隔離變壓器，由于電磁閥為感性負(fù)載，故加入濾波器來提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。 電氣控制系統(tǒng)必須在安全可靠地前提下滿足生產(chǎn)工藝要求，為此在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須考慮系統(tǒng)發(fā)生各種故障和不正常工作的可能性，在控制系統(tǒng)中設(shè)置各種保護(hù)裝置以實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)。所以保護(hù)環(huán)節(jié)是所有電氣控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分。常用的保護(hù)環(huán)節(jié)有過載、短路、過電壓、失電壓、斷相等保護(hù)。電路中所用的斷路器（QF0、QF1、QF2、QF3、QF4）除了能起到短路、欠電壓、失電壓保護(hù)，還能起到手動開關(guān)的作用；熔斷器有在小容量控制電路上實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)；選用的熱繼電器除了具有過載保護(hù)還具有斷相保護(hù)功能。 3.3常用低壓電器簡介

30、及選型 低壓電器是指工作在直流1200V、交流1500V及以下的電路中，以實(shí)現(xiàn)對電路或非電對象的控制、檢測、保護(hù)、變換、調(diào)節(jié)等作用的電器。采用電磁原理構(gòu)成的低壓電器，稱為電磁式低壓電器；利用集成電路或電子元件構(gòu)成的低壓電器，稱為電子式低壓電器；利用現(xiàn)代控制原理構(gòu)成的低壓電器，稱為自動化電器、智能化電器或可通信電器等。 3.3.1 常用的低壓電器 本控制系統(tǒng)常用的低壓電器元件： 1．?dāng)嗦菲? 低壓斷路器又稱自動空氣開關(guān)，是一種既有手動開關(guān)作用又能自動進(jìn)行欠電壓、失電壓、過載和短路保護(hù)的開關(guān)電器。 2．熔斷器 熔斷器是一種當(dāng)電流超過規(guī)定值一定時間后，以它本身產(chǎn)生的熱量使熔體融化而分?jǐn)嚯?/p>

31、路器件。主要用于對單相交流電路的保護(hù)，一般不用在三相電路中作為保護(hù)，因?yàn)楫?dāng)三相電路發(fā)生短路時，很可能只有一相的熔斷器熔斷，造成單相運(yùn)行。而低壓斷路器，只要造成短路都會使開關(guān)跳閘，將三相電源全部切斷。 3.交流接觸器 交流接觸器是一種用于中遠(yuǎn)距離頻繁地接通與斷開交直流主電路及大容量控制電路的一種自動開關(guān)電器。主要用于自動控制交、直流電動機(jī)，電熱設(shè)備，電容器組等設(shè)備。接觸器具有大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，大容量的主觸點(diǎn)及迅速熄滅電弧的能力。當(dāng)電路發(fā)生故障時，能迅速、可靠地切斷電源，與保護(hù)電器配合可用于電動機(jī)的控制及保護(hù)，應(yīng)用十分廣泛。 4.熱繼電器 熱繼電器是利用電流流過發(fā)熱元件產(chǎn)生熱量來使檢測

32、元件受熱彎曲，進(jìn)而推動機(jī)構(gòu)動作的一種保護(hù)電器。由于發(fā)熱元件具有熱慣性，在電路中不能用于瞬時過載保護(hù)，主要用作電動機(jī)的長期過載保護(hù)。 5.控制按鈕 控制按鈕是一種簡單應(yīng)用的主令電器。主要用于遠(yuǎn)距離操作具有電磁線圈的電器，如接觸器、繼電器等 也用在控制電路中發(fā)布指令和執(zhí)行電氣互鎖。 3.3.2低壓電器的選型 低壓電器選型的一般原則： a.低壓電器的額定電壓不應(yīng)小于回路的工作電壓，即Ue ≥ Ug。 　　b.低壓電器的額定電流應(yīng)不小于回路的計(jì)算工作電流，即Ie≥Ig?！? 　　c.設(shè)備的遮斷電流應(yīng)不小于短路電流，即Izh≥Ich e.按回路起動情況選擇低壓電器。如，熔斷器就需按起動

33、情況進(jìn)行選擇。 具體元件的型號見附件。 第四章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件電路是整個機(jī)器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，所以對本系統(tǒng)中的硬件電路進(jìn)行具體分析是必要的。本系統(tǒng)的核心部件是PLC主控制器，其它配套硬件的分析主要包括：上觸摸屏配置、系統(tǒng)I/O模塊配置等。 4.1 可編程邏輯控制器配置 4.1.1PLC技術(shù)概述 可編程序控制器(Programmable Logic controller)是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型通用工業(yè)自動控制裝置。它具有體積小、功能強(qiáng)、編程方便、可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動

34、化生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，成為工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，與機(jī)器人技術(shù)、CAD/CAM并列稱為工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱。國際電工委員會(IEC)對PLC定義如下:PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，是帶有存儲器、可以編制程序的控制器。它能夠存儲和執(zhí)行指令，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)。 1．可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu) 從廣義上講，PLC是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只不過它比一般的計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過

35、程相連接的輸入輸出接口，具有更適用于控制的編程語言，具有更適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的抗干擾性能。其結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)十分相似，一般由中央處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出(I/O)接口、電源等部分組成。由于PLC的中央處理器都是由微處理器、單片機(jī)組成，存儲器和1/0部件也形式多樣，按照結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC還可以分為整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)。區(qū)別在于整體式的結(jié)構(gòu)將CPU、RAM、ROM、I/O單元等組裝成一個主體，構(gòu)成主機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.1所示。組合式的結(jié)構(gòu)是將PLC的各個部分分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，模塊之間通過底板上的總線相互連接。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳

36、感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算、處理后送到輸出端子，它們是PLC的輸出變量。PLC的系統(tǒng)程序和用戶程序都存放在存儲器中，現(xiàn)場輸入信號經(jīng)過I/O單元傳送至CPU，CPU按照用戶程序存儲器里的指令，執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算，并發(fā) … PLC 打印機(jī) 編輯器 上位機(jī) 存 儲 器 圖4.1 整體式PLC組成示意圖 I/O 擴(kuò)展口 用戶程序存儲器 系統(tǒng)程序存儲器 外設(shè)接口 C P U 用戶輸入設(shè)備塊 輸入單元 用 戶 輸 出 設(shè)

37、備 輸出單元 I/O擴(kuò)展單元 特殊功能單元 電 源 出相應(yīng)的控制指令，該指令通過I/O單元傳送至現(xiàn)場，驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，從而完成相應(yīng)的控制任務(wù)。 2．PLC的基本工作原理和主要技術(shù)指標(biāo) PLC的工作方式與微型計(jì)算機(jī)的中斷處

38、理方式相比，有很大的不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，PLC則采用循環(huán)掃描的工作方式。在PLC中，用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。PLC的掃描過程如圖4.2 所示。這個過程分為數(shù)據(jù)輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段三個階段。整個過程進(jìn)行一次所需的時間成為掃描周期。在數(shù)據(jù)輸入采樣階段，PLC以掃描方式讀入所有輸入端的通/斷狀態(tài)并存入輸入映像存儲區(qū)中，接著轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段。在非輸入采樣階段，無論輸入狀態(tài)如何變化，輸入映像存儲區(qū)的內(nèi)容都保持不變，直到進(jìn)入下一個掃描周期的輸入采樣階段，PLC才會將輸入端的狀態(tài)讀入

39、輸入映像存儲區(qū)中。在程序執(zhí)行階段，根據(jù)梯形圖程序先左后右、先上后下的掃描原則，順序執(zhí)行用戶程序指令。程序執(zhí)行結(jié)果并不直接輸出，而是將其寫入輸出映像存儲區(qū)。輸出映像存儲區(qū)中的每一位會隨著程序執(zhí)行的進(jìn)程而變化。輸出數(shù)據(jù)及處理階段，在戶程序執(zhí)行完，集中把輸出映像存儲區(qū)中的繼電器通/斷狀態(tài)傳送至輸出狀態(tài)鎖存器，再經(jīng)輸出驅(qū)動電路，進(jìn)行隔離和功率放大去驅(qū)動外部負(fù)載。 輸入端子 輸入濾波及光耦隔離 輸出映像寄存器 輸入映像寄存器 梯形圖用戶執(zhí)行程序 輸出狀態(tài)鎖存器 輸出驅(qū)動電路 輸出端子 輸入緩沖器 掃 描 周 期 輸入采樣階段 程序執(zhí)行 輸出刷新階段 圖4.2 PLC 掃描工作

40、過程 根據(jù)上述PLC的掃描工作過程，掃描周期是PLC一個很重要的指標(biāo)，小型PLC的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。從PLC輸入端有一個輸入信號發(fā)生變化到輸出端對該變化做出反應(yīng)，需要一段時間，這段時間就稱為PLC的響應(yīng)時間或滯后時間。影響I/O滯后的主要原因有:輸入濾波的時間常數(shù)，輸出繼電器的機(jī)械滯后，程序執(zhí)行的時間，程序設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙?。毫秒級的掃描時間對于一般工業(yè)設(shè)備通常是可以接受的，PLC的響應(yīng)滯后是允許的，但是對某些I/O快速響應(yīng)的設(shè)備，則應(yīng)采取相應(yīng)的處理措施。如選用高速CPU，提高掃描

41、速度，采用快速響應(yīng)模塊、高速計(jì)數(shù)模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時間。對用戶來說，選擇了一個PLC，合理的編制程序是縮短響應(yīng)時間的關(guān)鍵。 4.1.2可編程邏輯控制器型號的選擇 1．PLC機(jī)型選擇 PLC的選擇一般從基本性能、特殊功能和通信聯(lián)網(wǎng)三方面考慮。選擇的基本原則是在滿足控制要求的前提下力爭最好的性能價(jià)格比，并且有一定的先進(jìn)性和良好的售后服務(wù)。對于水平下調(diào)的控制系統(tǒng)而言，工藝卷板過程固定、環(huán)境條件一般，維修量比較小等，選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC機(jī)型比較合適。PLC選型時具體考慮如下幾個方面要求: (1)性能和任務(wù)的相適應(yīng):該系統(tǒng)多數(shù)是開關(guān)量控制的，對控制的速度要求不是很高，多是順序

42、控制和多模式的自動控制。選用小型的PLC(如西門子公司S7-200型機(jī))能滿足要求。 (2)I/0點(diǎn)的估算:根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，一般應(yīng)加上10%一15%的備用量。考慮因素包括開關(guān)量輸入/輸出、定時器/計(jì)數(shù)器數(shù)量、模擬量、通訊接口等。本系統(tǒng)的主要從開關(guān)量、定時計(jì)數(shù)、通信接口三方面的估算I/O點(diǎn)數(shù)。其開關(guān)量的輸入/輸出見表5.1。 (3)用戶的存儲容量的估算:PLC的用戶程序存儲器的容量以步為單位，每一步可存儲一條指令。對于僅有開關(guān)量控制功能的小型PLC，可以把PLC的總點(diǎn)數(shù)乘以10，作為估算用戶存儲容量的依據(jù)。 (4)系統(tǒng)對PLC的響應(yīng)速度要

43、求:從PLC語句的處理時間和掃描周期兩方面來考慮。對于開關(guān)量的系統(tǒng)響應(yīng)速度一般可滿足，對于模擬量控制的系統(tǒng)，而且有環(huán)控制要根據(jù)手冊計(jì)算。 (5)是否有特殊控制要求，如：是否需要采集模擬量、是否需要對高速脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 綜合考慮以上五點(diǎn)，本控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列(CPU224、16DI/10DO)PLC和EM223擴(kuò)展模塊（16DI/DO）就能滿足要求。具體參數(shù)見表4.1所示。 表4.1 CPU224、EM223主要技術(shù)指標(biāo) 參數(shù) 型號 外形尺寸/mm 程序（字） 執(zhí)行速度 I/O點(diǎn)數(shù) 高速計(jì)數(shù)器 通信口數(shù)量 CPU224 120.5*80*6

44、2 4096 0.37us/指令 14入/10出 6（30kHz） 1（RS485） EM223 138*80*62 無 / 16入 /16出 / / 4.2人機(jī)界面配置 在自動化生產(chǎn)與控制中，需要一種人機(jī)交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和命換。在其控制系統(tǒng)中，選擇觸摸屏為系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備，主要完成數(shù)據(jù)的輸入、顯示功能。系統(tǒng)運(yùn)行時需要用戶設(shè)定的控制參數(shù)主要包括:軟限位值、控制精度、脈沖當(dāng)量、翻倒復(fù)位時間等。觸摸屏這些控制信息通過串口將它們傳送給PLC，PLC按照用戶所輸入的參數(shù)，使得各部件協(xié)調(diào)運(yùn)動，完成卷板任務(wù)。同時在卷板過程中監(jiān)控工作運(yùn)行中的狀態(tài)參數(shù)

45、。 4.2.1觸摸屏工作原理及選型 為了操作方便，人們用觸摸屏來代替鼠標(biāo)或鍵盤。工作時，我們必須用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成，觸摸部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接受后送至觸摸屏控制器，控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)，再送給CPU，它同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。觸摸屏是顯示器和觸摸開關(guān)一體型的可編程終端，簡稱PT，是新一代高機(jī)界面產(chǎn)品。用它作為人機(jī)界面，具有交互性好性高、編程簡單以及與PLC連接簡便等優(yōu)點(diǎn)。 觸摸屏也從低檔向高

46、檔發(fā)展，從紅外線式、電阻式到電容感應(yīng)式，到現(xiàn)在表面聲波觸摸屏和五線電阻觸摸屏，性能越來越可靠，技術(shù)越來越先進(jìn)。 在此控制系統(tǒng)中，觸摸屏主要完成顯示、輸入功能，對觸摸屏的要求有足夠的畫面數(shù)據(jù)存儲器；有足夠的分辨率和顯示亮度；有基本的串行通信功能；這樣就可以滿足基于控制的要求。以次為原則選用了威綸MT6056I觸摸屏。 4.2.2觸摸屏性能介紹 威綸觸摸屏是工業(yè)觸摸屏領(lǐng)域的優(yōu)秀代表，它能夠理想、生動地顯示單片機(jī)、PLC、PC機(jī)上的數(shù)據(jù)信息，并直接支持市面上大多數(shù)的PLC產(chǎn)品，功能強(qiáng)。MT6056i是該公司生產(chǎn)的4線模擬電阻式(表面硬度4H)工業(yè)觸摸屏, 采用400MHz CPU、128MB

47、內(nèi)存配置，支持各主要生產(chǎn)廠家的PLC產(chǎn)品，功能強(qiáng)大、使用方便、可靠性高、壽命性價(jià)比高,本控制系統(tǒng)采用5.6寸彩色DSTN液晶觸摸屏，320x234點(diǎn)像素，支持65536色顯示，反應(yīng)速度快，顯示亮度為300(cd/m2)，電源電壓為DC24V，430mA，基于MT6056i的上述功能特點(diǎn)，結(jié)合此控制系統(tǒng)的功能要求， MT6056i完成系統(tǒng)的參數(shù)傳遞、實(shí)時監(jiān)控、顯示等功能。 4.3傳感器配置 傳感器是把被測量（包括物理量、幾何量、生物量、化學(xué)量等）變換為有用的電信號的一種裝置。傳感器具有兩種功能：其一是敏感作用，即對被測對象做出敏感反應(yīng)，以完成對北側(cè)對象的信號拾取；其二是變換作用，

48、即將被測非電量變換為電量輸出。傳感器輸出的電信號經(jīng)過調(diào)整和接口輸入微機(jī)進(jìn)行分析處理，提取有用信息，在通過控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動控制。 4.3.1拉線位移傳感器 將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的傳感器稱為旋轉(zhuǎn)編碼器。拉線位移傳感器的工作原理等同于旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理，旋轉(zhuǎn)編碼器分為增量式編碼器和絕對式編碼器，增量式編碼器開機(jī)后要回零點(diǎn)，而絕對編碼器開機(jī)后無需此動作且精度高于增量式編碼器。由于卷板機(jī)加工零件的精度無需太高，編碼器主要用來控制上輥同步運(yùn)行和自動定位功能。故采用分辨率2500線/轉(zhuǎn)絕對編碼器就可滿足控制要求。 圖4.3 旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖 絕對

49、編碼器的機(jī)構(gòu)如圖4.3所示，在發(fā)光二極管和光敏二極管之間由旋轉(zhuǎn)碼盤隔開，在碼盤上刻有柵縫。當(dāng)旋轉(zhuǎn)碼盤轉(zhuǎn)動時，光敏二極管斷續(xù)地接受發(fā)光二極管發(fā)出的光，輸出方波信號，通過可編程邏輯控制器的高數(shù)計(jì)數(shù)器，記錄其脈沖個數(shù)，脈沖個數(shù)乘以脈沖當(dāng)量就是移動的距離。絕對編碼器則通過與位數(shù)相對應(yīng)的發(fā)光二極管與光敏二極管對輸出的二進(jìn)制碼來檢測旋轉(zhuǎn)角度。 圖4.3 旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖 4.3.2行程開關(guān) 依據(jù)生產(chǎn)機(jī)器的行程發(fā)出命令，以控制其運(yùn)動方向和行程長短的主令電器稱為行程開關(guān)。本控制系統(tǒng)的行程開關(guān)主要起到限位的作用，將行程開關(guān)安裝于生產(chǎn)機(jī)器行程的終點(diǎn)處

50、，它可分為有觸點(diǎn)和無觸點(diǎn)兩種。由于無觸點(diǎn)行程開關(guān)（接近開關(guān)）在實(shí)際工作中易于損壞，故選用機(jī)械式行程開關(guān)。其選用原則： 1.根據(jù)應(yīng)用場合及控制對象選擇。 2.根據(jù)安裝使用環(huán)境使用防護(hù)型式。 3.根據(jù)控制電路的電壓和電流選擇行程開關(guān)系列。 4.根據(jù)運(yùn)動機(jī)械與行程開關(guān)的傳力和位移關(guān)系選擇行程開關(guān)的頭部型式。 第五章 軟件設(shè)計(jì) 其控制系統(tǒng)由軟件和硬件兩大部分組成，核心PLC主要完成控制功能，觸摸屏主要完成信息顯示、參數(shù)輸入、監(jiān)控功能。不論是PLC，還是觸摸屏，均需合理的編寫程序?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包

51、括PLC控制程序的設(shè)計(jì)和觸摸屏組態(tài)流程設(shè)計(jì)。 5.1 PLC程序設(shè)計(jì) 5.1.1 STEP 7設(shè)計(jì)軟件簡介 S7-200擁有功能強(qiáng)大的視窗編輯軟件STEP 7，此軟件具有強(qiáng)大的顯示、監(jiān)控功能和完善的調(diào)試、維護(hù)功能，使編程開發(fā)、系統(tǒng)維護(hù)更為簡單有效。我們可以運(yùn)用此軟件在Windows的環(huán)境中對PLC進(jìn)行編程調(diào)試，其中主要包括對PLC基本參數(shù)的確定(PLC的類型、通信接口)、配置PLC的主要功能參數(shù)(I/O存儲區(qū)地址分配)、編輯梯形圖并調(diào)試等。這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需的主要功能可以通過此軟件調(diào)試編程實(shí)現(xiàn)，外圍加以硬件的設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)此功能系統(tǒng)中的應(yīng)用。 5.1.2 I/O地址分配 系統(tǒng)

52、I/O地址分配按照同一設(shè)備所在I/O地址相同的原則，如：卷板機(jī)上輥的上升、下輥的水平移動等設(shè)備的分配地址如表5.1所示，同時分配地址時還要考慮在調(diào)試中可能臨時加入的輸入輸出點(diǎn)，一般是留有總點(diǎn)數(shù)的10%-20%的余量。 表5.1 I/O地址分配 輸入端子 端子說明 輸出端子 端子說明 I1.0 水平左限位 Q0.0 下輥正轉(zhuǎn)輸出 I1.1 水平右限位 Q0.1 下輥反轉(zhuǎn)輸出 I1.2 上輥上位 Q0.2 水平前移輸出 I1.3 翻倒到位 Q0.3 水平后移輸出 I1.4 復(fù)位到位 Q0.4 油泵啟動輸出 I2.0 油泵啟動 Q0.5 備用

53、 I2.1 油泵停止 Q0.6 翻倒閥 I2.2 翻倒復(fù)位 Q0.7 YV2 I2.3 翻倒運(yùn)行按鈕 Q2.0 閥復(fù)位 I2.4 油泵啟動完成 Q2.1 YV4 I2.5 備 用 Q2.2 閥固定降 I2.6 備 用 Q2.3 閥_翻倒降 I2.7 上輥上升按鈕 Q2.4 復(fù)位到位指示燈 I3.0 上輥下降按鈕 Q2.5 上輥上位指示燈 I3.1 翻倒側(cè)降按按鈕 Q2.6 上輥中央指示燈 I3.2 固定側(cè)降按按鈕 Q2.7 故障報(bào)警指示燈 I3.3 上輥?zhàn)笠瓢粹o Q3.0 油泵運(yùn)行指示燈 I3.4 上輥

54、右移按鈕 Q3.1 翻倒運(yùn)行指示燈 I3.5 下輥正轉(zhuǎn)按鈕 Q3.4-Q3.7 備 用 I3.6 下輥反轉(zhuǎn)按鈕 I3.7 備 用 5.1.3 PLC程序編寫 對于PLC程序設(shè)計(jì)，STEP7為我們提供了三種方法。基于這些方法，我們可以選擇最適合的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法。這三種方法分別為線性化編程、模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。由于我們需要控制的工藝相對而言較繁雜，所以我們采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)控制。由于STEP7軟件結(jié)構(gòu)是基于面向?qū)ο蟮乃悸范_發(fā)，因此，使得我們基于這一思路而設(shè)計(jì)程序變得簡單易行。S7-200PLC把程序分為三大類：主程序、子程序

55、和中斷程序。在實(shí)際應(yīng)用中有些程序內(nèi)容可能被反復(fù)使用，這些可能被反復(fù)使用的程序往往編成一個獨(dú)立的程序塊，存放在程序的某一個區(qū)域中，程序的模塊化是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法的核心思想，通過程序塊的組合來完成一個大的復(fù)雜的應(yīng)用程序的編寫。執(zhí)行程序時可隨時反復(fù)調(diào)用這些程序塊，避免了重復(fù)輸入，這些程序塊可以帶一些參數(shù)，也可以不帶參數(shù)，這類程序塊被叫做子程序，它具有特定功能，并且可以多次反復(fù)使用。本次PLC包含的子程序有： 1.上輥：控制各個電磁閥通斷電，使翻倒缸、上輥產(chǎn)生相應(yīng)動作。 2.高度：限制翻倒側(cè)與固定側(cè)位置的差值，避免上輥兩端軸承因受力不均衡被拉壞。其控制流程圖如圖5.1 所示。

56、 ︱翻倒側(cè)位置—固定側(cè)位置︱＞高度差？ 翻倒側(cè)位置—固定側(cè)位置＞高度差 固定側(cè)位置—翻倒側(cè)位置＞高度差 翻倒側(cè)升總條件、固定側(cè)降總條件 翻倒側(cè)降總條件、固定側(cè)升總條件 無限制 結(jié) 束 圖5.1 高度差限制流程圖 開始 NO YES 3.自動走位：本程序是上輥的自動走位，它便于同類板型的卷制，提高工作效率。輸入上輥位置并點(diǎn)擊上輥“走位”按鈕，就可激活自動走位功能，當(dāng)然要使其運(yùn)行還要滿足一些必備的條件，其控

57、制流程圖如圖5.2所示。 油泵啟動？ 翻倒側(cè)升總條件 翻倒側(cè)降總條件 固定側(cè)升總條件 固定側(cè)降總條件 翻倒側(cè)升條件 翻倒側(cè)降條件 固定側(cè)升條件 翻倒側(cè)降條件 翻倒側(cè)升 翻倒側(cè)降 固定側(cè)升 固定側(cè)降 結(jié) 束 上輥位移超過最大下壓值？ 上輥在上位？ 準(zhǔn) 備 NO ∣上輥位置－固定側(cè)位置(翻倒側(cè)位置)∣﹥定位誤差？ YES YES YES NO NO YES NO 5.2 自動走位流程圖

58、 4．升降同步：其主要實(shí)現(xiàn)上輥同升、同降功能并且在傾斜狀態(tài)下也能實(shí)現(xiàn)同步升降。其流程圖如圖5.3所示，從流程圖中可以看出，它是通過同步誤差的控制使得翻倒側(cè)和固定側(cè)液壓缸電磁閥不斷得電，從而實(shí)現(xiàn)同步。 翻倒側(cè)位置－固定側(cè)位置＋傾斜設(shè)置＞高度差 固定側(cè)位置—翻倒側(cè)位置—傾斜設(shè)置＞高度差 翻倒側(cè)升條件、固定側(cè)降條件制 翻倒側(cè)降條件、固定側(cè)升條件制 結(jié) 束 準(zhǔn) 備 ︱翻倒側(cè)位置—固定側(cè)位置＋傾斜設(shè)置值︱＞同步誤差？

59、 NO YES 圖5.3 升降同步控制流程圖 5.位置讀?。鹤x取上輥、下輥的位置，它是執(zhí)行上輥、下輥?zhàn)詣幼呶坏那疤嵋?。該程序通過高數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)，并在可編程邏輯控制器內(nèi)執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算，把運(yùn)算結(jié)果送給觸摸屏并予以顯示。 6.平移零點(diǎn)：確定下輥的中間位置，為了翻倒運(yùn)行做準(zhǔn)備，防止在翻倒運(yùn)行時，由于人為地疏忽，翻倒缸壓至下輥，從而破壞翻倒缸。 7．轉(zhuǎn)向:此程序用來處理主電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，并把轉(zhuǎn)向信

60、號傳送觸摸屏，通過觸摸屏程序處理此信號，做出動畫用來演示輥的轉(zhuǎn)向。由于該電機(jī)功率比較大，為了保護(hù)電機(jī)，要求正反轉(zhuǎn)之間的切換應(yīng)有停止的動作。 8．Alarm:此程序用于報(bào)警，主要是限制用戶一些誤操作并給用戶予以內(nèi)容顯示。其部分操作的成立條件由表5.2所示。否則給予報(bào)警。 表5.2 各部件動作前提要素 序號 動作 前提條件 1 上輥同升、翻倒側(cè)升、固定側(cè)升 上輥不在上位、油泵啟動、復(fù)位到位 2 上輥同降、翻倒側(cè)降、固定側(cè)降 沒有超過最大下壓值、油泵啟動、復(fù)位到位 3 翻倒運(yùn)行 上輥在上位、油泵啟動 4 前移 沒有超過前限位值、前限位行程開關(guān)沒動作、下輥不旋轉(zhuǎn)

61、5 后移 沒有超過后限位值、后限位行程開關(guān)沒動作、下輥不旋轉(zhuǎn) 9．自動平移：實(shí)現(xiàn)下輥的自動走位，在卷制同類零件時，節(jié)約了對中工序的時間,從而提高了加工效率。其工作流程如圖5.4所示。 10．翻倒：是對高數(shù)計(jì)數(shù)器的控制字進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，主要完成其初始化，當(dāng)每次關(guān)機(jī)重啟之后，我們并不知道輥當(dāng)前處于什么位置，所以我們要對高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化。在主程序中用首次掃描周期的特殊內(nèi)部存儲器SM0.1去調(diào)用一個子程序，完成初始化操作。固定、平移的作用類似翻倒作用，都是用來初始化。 11．油泵的啟動：該油泵電機(jī)是采用的是Y-△降壓啟動。 平移位置＞軟限

62、位值？ ︱平移值—當(dāng)前位置︱＞平移誤差？ 硬限位動作？ 平移值—當(dāng)前位置＞平移誤差 當(dāng)前位置—平移值＞平移誤差 水平右移 水平左移 準(zhǔn) 備 結(jié) 束 圖5.4 自動平移流程圖 YES NO YES NO NO YES 5.2觸摸屏操作界面設(shè)計(jì) 5.2.1觸摸屏界面的設(shè)計(jì)方法 人機(jī)界面的主要任務(wù)是迅速獲取、處理應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)、命令，并以適當(dāng)?shù)姆绞斤@示出來。人機(jī)界面的形式多種多樣，在設(shè)計(jì)時會存在不同的設(shè)計(jì)思路和

63、方法。常用的人機(jī)界面設(shè)計(jì)技術(shù)有兩種方法。 1.菜單界面設(shè)計(jì): 人機(jī)界面是PLC應(yīng)用系統(tǒng)中不可缺少的一部分，它直接關(guān)系到應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)用性能。菜單界面設(shè)計(jì)是近年來應(yīng)用最為廣泛的一種人機(jī)界面設(shè)計(jì)技術(shù)，幾乎任一個PLC軟件產(chǎn)品都使用了菜單界面技術(shù)。在菜單界面設(shè)計(jì)時，通常應(yīng)遵循以下幾個設(shè)計(jì)原則： (1)合理組織界面的層次和結(jié)構(gòu)。例如：EB8000菜單系統(tǒng)，最多可達(dá)6層。 (2)每幅菜單應(yīng)有一個明確的標(biāo)題。例如：第一層菜單通?？擅麨橹鞑藛危鞑藛沃械牟藛雾?xiàng)反映了該P(yáng)LC應(yīng)用系統(tǒng)的基本功能。 (3)菜單項(xiàng)的排列可依據(jù)使用功能、使用頻率的多少或字母順序排列。對于下拉式菜單中的菜單項(xiàng)，要合理地歸類、

64、分組排列。 (4)為使菜單界面使用靈活，應(yīng)提供多種點(diǎn)擊菜單的方法。通?？芍С质髽?biāo)和鍵盤，對菜單項(xiàng)可定義熱鍵和加速鍵。 2．圖形界面設(shè)計(jì)方式 在PLC控制系統(tǒng)中，圖形界面也是常常采用的人機(jī)交互式界面。為了照顧工程人員的習(xí)慣用法，在屏幕上形象地畫出若干圖形、按鈕等，使人在計(jì)算機(jī)或可編程終端上操作，如同在控制臺上操作一樣，十分形象、直觀。 5.2.2系統(tǒng)的操作界面設(shè)計(jì) 從基本原理上講，圖形界面與菜單界面是一樣的，都是在滿足系統(tǒng)控制要求的情況下給用戶一個直觀的方便的操作交互界面。本系統(tǒng)的觸摸屏界面采用的是菜單界面設(shè)計(jì)方式和圖形界面設(shè)計(jì)方式相結(jié)合的方法來設(shè)計(jì)的，顯示系統(tǒng)畫面菜單由MT8000系

65、列的人機(jī)交互界面軟件EB8000設(shè)計(jì)出的，這些畫面菜單組成:初始界面、用戶登錄界面、主畫面、菜單選擇界面、用戶操作界面、報(bào)警畫面、參數(shù)設(shè)置界面、操作簡介畫面、動態(tài)畫面等組成。具體設(shè)計(jì)如下所示: 1.初始界面:如圖5.5所示，是開機(jī)第一界面，主要顯示有關(guān)信息，包括日期、時間、控制系統(tǒng)類型、中英文切換。點(diǎn)擊系統(tǒng)登錄按鈕就會彈出用戶界面登錄對話框。 圖5.5初始界面 2．用戶登錄界面:如圖5.6所示，通過輸入用戶的用戶號和密碼，密碼驗(yàn)證正確后方可對機(jī)床進(jìn)行操作，可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置、密碼的修改同時還能代替控制柜面板所有的按鈕。避免非操作人員操作機(jī)床時

66、帶來不必要的麻煩，同時也利于系統(tǒng)的維護(hù)。 圖5.6 登錄界面 3．主畫面:如圖5.7所示，它是驗(yàn)證密碼成功后顯示的第一畫面，用來顯示上輥、下輥的位置同時可以通過用戶的輸入位置可實(shí)現(xiàn)自動走位功能，還可以用來動態(tài)顯示，顯示輥的轉(zhuǎn)向，顯示輥的移動的過程。動態(tài)畫面是通過EB8000內(nèi)的宏程序和PLC控制實(shí)現(xiàn)的,旋轉(zhuǎn)程序如下： macro_command main() bool forward,rew int forstate,rewstate,i,j,t //get the state of motor direction GetData(forward, "SIEMENS S7/200", VW_Bit, 105.5, 1) GetData(rew, "SIEMENS S7/200", VW_Bit, 105.6, 1) //cycle calculate the state of forward for i=0 to 2 step 1 if forward==1 and rew==0 and forstate<2 t