鋼板剪切系統(tǒng)電氣設(shè)計.doc

哈爾濱理工大學學士學位論文鋼板剪切系統(tǒng)電氣設(shè)計摘要文章對我國發(fā)展低成本自動化的重要性等方面進行了研究。以工業(yè)用剪板機為對象，探討了鋼板切割系統(tǒng)電氣設(shè)計的實現(xiàn)方案。根據(jù)實際需要和市場的需求，在常規(guī)的可編程控制器（PLC）和單片機控制中，選擇了以可編程控制器為主的控制方案。由于鋼板剪切系統(tǒng)是一種可按加工要求，將金屬板材剪開、自動計數(shù)、并由送料車送到下一工序的順序控制的設(shè)備。它要求其控制設(shè)備具有很強的抗干擾能力，而PLC是近幾年發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制器。由于它把計算機的編程靈活、功能齊全、應用面廣泛等優(yōu)點與控制器系統(tǒng)的控制簡單、使用方便、抗干擾能力強、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，而其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點，在工業(yè)過程控制中的應用越來越廣泛。加之PLC以其在硬件設(shè)計中采用了屏蔽、濾波、光電隔離等技術(shù)，在軟件設(shè)計中采用了故障檢測、信息保護與恢復等措施，進一步提高了PLC的可靠性。文章中采用了以工業(yè)順序控制過程中廣泛使用的可編程控制器（PLC）對自動剪板機進行控制。通過對自動剪板機的工作原理的分析，提出總體設(shè)想，初步設(shè)計了電氣傳動部分的設(shè)計方案和PLC控制的程序流程圖。關(guān)鍵詞可編程控制器（PLC）；鋼板剪切系統(tǒng)；自動控制；順序控制Steel plate cutting system electricity designAbstractArticles develop to our country low cost automatic importance, etc. respect carry on research. Regard industrial board cutting machine as target, probe into full-automatic to can cut board quick-witted realization scheme of the control system. According to the real demand of and the market, in the regular programmable controller (PLC) and one-chip computer control, have chosen the control scheme relying mainly on programmable controller.Steel plate cutting system whether one can according to requirement of processing , cut off , count , and give metal panel skip send order apparatus that control of process the next automatically. It requires its apparatus of control to have very strong anti-interference ability, and PLC is the controller of a kind of infant industry developed in recent years. Because the programming of a pair of computer of its is flexible , and controller control of system simple easy to use, anti-interference ability strong, price getting cheap advantage combined together, and it has characteristics such as small , light , power consumptive provinces ,etc., the application in the industrial process is controlled is more and more extensive. In addition PLC adopt , shield , strain wave , photo electricity person who isolate technology in hardware design with their, have adopted measures such as detection of trouble , information protection and resuming ,etc. in software design, have further improved the dependability of PLC. Article adopt in industrial order controlling programmable controller (PLC ) that course using extensively to cutting the board machine control automatically. Through to cutting the analysis of the operation principle of the board machine automatically , put forward the general program, have designed the procedure flow diagram that design plan and PLC of the electric running part controlled tentatively. Keywords Programmable controller ; Steel plate cutting system; Automatic control; The order is controlled- II -目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 目的和意義11.2 發(fā)展現(xiàn)狀1第2章 鋼板剪切系統(tǒng)工藝要求32.1 系統(tǒng)的控制要求32.2 鋼板剪切系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理42.2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)42.2.2 工作原理42.3本章小結(jié)5第3章 總體設(shè)計方案63.1 機械部分設(shè)計73.2 電氣部分設(shè)計73.3 軟件部分設(shè)計113.4本章小結(jié)12第4章 鋼板剪切系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計134.1系統(tǒng)主電路設(shè)計134.1.1 PLC控制器的選擇184.1.2 I/O端子分配204.2 系統(tǒng)的軟件214.2.1系統(tǒng)的流程圖214.2.2 系統(tǒng)的梯形圖及其程序語句表234. 3 旋式編碼器的選擇254.3.1 概述254.3.2 原理254.4 本章小結(jié)27結(jié) 論28參考文獻29致 謝30附錄A英文文獻31附錄B中文翻譯42附錄C相關(guān)數(shù)表46- III -第1章 緒論1.1 目的和意義剪板機是用于完成板料的分離及切制成品的通用設(shè)備，傳統(tǒng)的剪板機多為機械式，剪切角及剪切間隙都不能自動調(diào)整；上下料由手工完成；剪切件精度靠手工劃線及燈光對線等方法保證，加工精度低，特別是一些板料尺寸較大的厚板，加工質(zhì)量很難控制。隨著數(shù)控技術(shù)在機械制造業(yè)的廣泛應用，已經(jīng)開發(fā)出數(shù)控剪板機，可根據(jù)板料的厚度自動調(diào)整間隙及剪切角。在薄板剪切方面開發(fā)出剪切中心，但對大規(guī)格厚板的自動剪切還沒有實現(xiàn)全自動控制，操作方式是手工上下料，勞動強度高，工件質(zhì)量差，使厚板剪切加工在精度及效率方面遠遠落后于其他設(shè)備?？删幊炭刂破魇且环N為工業(yè)機械控制所設(shè)計的專用計算機，在各種自動控制系統(tǒng)中有著廣泛的應用，他是在繼電器控制和計算機控制基礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)，通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。早期的可編程控制器在功能上只能進行邏輯控制，因而稱為可編程程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)簡稱PLC。1.2 發(fā)展現(xiàn)狀隨著技術(shù)的發(fā)展，其控制功能不斷增強，可編程程序控制器還可以進行算術(shù)運算，模擬量控制、順序控制、定時、計數(shù)等，并通過數(shù)字，模擬的輸入、輸出控制各種類型的機械生產(chǎn)過程。目前，我國機械制造業(yè)存在大量的通用設(shè)備，在發(fā)展現(xiàn)代機械自動化技術(shù)時，可以應用微電子技術(shù)改造這些已有通用設(shè)備，比如用數(shù)顯、數(shù)控裝置改造通用設(shè)備，提高單機自動化程度；用可編程序控制器改造通用機床、專用機床、組合機床及自動設(shè)備與半自動設(shè)備組成的生產(chǎn)線，這樣可以把計算機功能完備、編程靈活、適應性強的優(yōu)點和繼電器控制簡單、抗干擾能力強、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，這是一條低成本、高效益，符合我國國情的機械自動化技術(shù)發(fā)展應用新途徑。隨著可編程控制器技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)機械設(shè)備的控制柜逐漸被新一代的智能化儀表所代替，對于日益復雜的控制功能,傳統(tǒng)控制柜顯得無能為力，而可編程控制器具有可編程序的特點，運行時可以根據(jù)要求，自動選擇控制算法、適應性強、可編程控制器采用軟件代替硬件的方法，可以簡化線路，使控制設(shè)備的性能價格比不斷提高，本設(shè)計的研究目的，在于探索在板材加工中，應用可編程控制技術(shù)，實現(xiàn)板材加工的自動控制。鋼板剪切系統(tǒng)廣泛的應用于在板材加工系統(tǒng)中，板料長度檢測，板料進料、壓緊、走刀、落料、長度調(diào)整等過程必須按一定的節(jié)拍控制精確度動作，而且不同長度、不同厚度、不同材料的板材,各動作行程、先后順序、刀具位置等要求都不一樣，對于這樣的控制要求,傳統(tǒng)控制柜很難實現(xiàn)，綜合考慮設(shè)備的性能價格比，顯示直觀性、外表美觀性、靈活性等諸方面因素，本設(shè)計采用可編程控制器，根據(jù)鋼板切割系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的要求進行方案設(shè)計。 第2章 鋼板剪切系統(tǒng)工藝要求剪板機應用于許多金屬加工和薄板開料操作，在設(shè)計剪板機之前必須對幾個因素進行考慮，包括剪板機的剪切能力、產(chǎn)率增強選件和安全性。剪板機類型由許多因素決定，諸如剪板機可處理材料的長度、厚度和種類。 剪板機可以按剪切形式及其驅(qū)動系統(tǒng)進行分類，有兩種結(jié)構(gòu)形式常用于電動龍門剪床：閘式（也叫滑塊式）和擺式。 閘式剪板機利用驅(qū)動系統(tǒng)操縱動刀片向下移動到一定的位置，使動刀片在整個行程內(nèi)幾乎與定刀片保持平行。為了使刀架片橫梁在相互移動的過程保持合適的狀態(tài)，閘式剪板機需要一個滑塊導向系統(tǒng)。 擺式剪板機驅(qū)動系統(tǒng)中有一個用來操縱動刀片，使動刀片依附于滾柱軸承向下回轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)不再需要利用凹字形導向條或滑道使刀片在剪切過程保持合適的姿勢。 在評價剪板機時需要考慮的一個因素是指定的工作需要多大的剪切能力。剪板機的規(guī)格數(shù)據(jù)幾乎都以低碳鋼和不銹鋼為剪切對象。為了把金屬加工廠對剪板機的要求同這些數(shù)據(jù)進行對照，必須根據(jù)剪板機的能力核對工廠的材料規(guī)格。 有些剪切能力是針對低碳鋼規(guī)定的，因此可能包括抗張強度60,000psi，而另一些剪切能力適用于A-36或抗張強度80,000 psi。剪切不銹鋼的能力幾乎總是小于低碳鋼或A-36鋼。另外，某些鋁合金所需要的剪切力竟然和鋼一樣大。剪切角（動刀片通過定刀片時的角度）是決定切口質(zhì)量的重要因素。一般而言，剪切角越小，切口質(zhì)量越好。如果落在剪板機后面的零件比較短（小于4(1.22m)），可能出現(xiàn)俯曲、扭曲和拱起等切口質(zhì)量問題。剪切角較小的剪板機需要較大的動力。 剪板機依靠重要的標準部件和能夠增加生產(chǎn)率的選購件來增強產(chǎn)率，提高生產(chǎn)率可以表現(xiàn)為許多形式：節(jié)約人力，改進物料流動，提高精度，改善切口質(zhì)量并避免輔助操作，但最重要的是增強安全性。2.1 系統(tǒng)的控制要求據(jù)鋼板剪切系統(tǒng)的工作特點,對控制系統(tǒng)提出控制要求如下：1上電后，檢測各工作機構(gòu)的狀態(tài)，控制各工作機構(gòu)處于初始位置；2進料，由控制系統(tǒng)控制進料機構(gòu)將待剪板料自動輸送到位；3定剪切尺寸，采用旋式編碼器進行采樣設(shè)置剪切尺寸，其尺寸可是定值也可以設(shè)置為循環(huán)變動值；4壓緊和剪切，待剪板料長度達到設(shè)定值后由主電動機帶動壓料器和剪切刀具，先壓緊板料，然后剪斷板料；5送料車的運行，包括卸載后自動返回；6剪切板料的尺寸設(shè)定、自動計數(shù)及每車板料數(shù)的預設(shè)定；7具備斷電保護和來電恢復功能；8能實現(xiàn)加工過程自動控制，加工參數(shù)顯示，系統(tǒng)檢測；9保證板料加工精度、加工效率和安全可靠性；10 具有良好的人機操作界面。2.2 鋼板剪切系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理鋼板剪切系統(tǒng)1是一種精確控制板材加工尺寸，將大塊金屬板材進行自動循環(huán)剪切加工，并由送料車運送到下一工序的自動化加工設(shè)備，其結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。 圖2-1 鋼板剪切系統(tǒng)工作原理圖2.2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)置了7個限位開關(guān)，分別用于檢測各部分的工作狀態(tài)。其中，SQ1 檢測待剪板料是否被輸送到位。SQ2、SQ3 分別檢測壓塊B 的狀態(tài)，檢測壓塊是否壓緊已到位的板料；SQ4 檢測剪切刀A 的狀態(tài)；SQ7 為光電接近開關(guān), 檢測板料是否被剪斷落入小車；SQ5 用于檢測小車是否到位；SQ6 用于判斷小車是否空載。送料機構(gòu)E、壓塊B、剪切刀A和送料小車分別由四臺電動機拖動。系統(tǒng)未動做時, 壓塊及剪切刀的限位開關(guān)SQ2、SQ3 和SQ4 均斷開, SQ1、SQ7也是斷開的。2.2.2 工作原理當系統(tǒng)啟動時,輸入板料加工尺寸、加工數(shù)量等參數(shù)，按下自動開關(guān)，系統(tǒng)自動運行。1首先檢查限位開關(guān)SQ6 的狀態(tài),若小車空載, 系統(tǒng)開始工作, 起動送料小車。小車運行到位, 限位開關(guān)SQ5 閉合,小車停車。2起動送料機構(gòu)E 帶動板料C 向右移動。當板料碰到行程開關(guān)SQ1 時, 送料停止同時制動器松開、電磁離合器結(jié)合，主電動機通過傳動機構(gòu)工作。3壓塊電機啟動,使壓塊B 壓下, 壓塊上限開關(guān)SQ2 閉合。當壓塊到位, 板料壓緊時, 壓塊下限開關(guān)SQ3閉合。4剪切刀電動機起動, 控制剪刀下落。此時，SQ4 閉合, 直到把板料剪斷, 板料落入小車。5當小車上的板料夠數(shù)時, 起動小車控制電動機, 帶動小車右行，將切好的板料送至下一工序。6卸下后, 再起動小車左行, 重新返回剪板機下, 開始下一車的工作循環(huán)。板料的長度L 可根據(jù)需要進行調(diào)整, 每一車板料的數(shù)量可預先設(shè)定。2.3本章小結(jié)本章論述了鋼板剪切系統(tǒng)的工藝控制要求，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)等，對鋼板剪切系統(tǒng)的工作過程進行了的論述，并介紹了鋼板剪切系統(tǒng)的工作原理等內(nèi)容，使我們初步了解了鋼板剪切系統(tǒng)的工作過程及其工作原理，對鋼板建切系統(tǒng)有了初步的認識。第3章 總體設(shè)計方案傳統(tǒng)的控制方法是采用繼電器-接觸器控制，但控制系統(tǒng)較復雜,大量的接線使系統(tǒng)可靠性降低,也間接地降低了設(shè)備的工作效率。采用可編程控硬件制器較好地解決了這一問題。它是一種將計算機技，自動控制技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合在一起的新型工業(yè)自動控制設(shè)備，不僅能實現(xiàn)對開關(guān)量信號的邏輯控制,還能實現(xiàn)與上位計算機等智能設(shè)備之間的通信。因此,將PLC應用于該控制，完全能滿足技術(shù)要求，且具有操作簡單、運行可靠、工藝參數(shù)修改方便、自動化程度高等優(yōu)點。為實現(xiàn)自動化必須根據(jù)板材自動精確剪切加工的工作特點及動作要求進行設(shè)計，因此本方案采用了可編程控制器2來實現(xiàn)對自動剪板機的控制，設(shè)計思想如圖3-1，3-2所示圖3-1總體設(shè)計方案簡圖圖3-2設(shè)計方案的控制框圖3.1 機械部分設(shè)計采用矢量變頻器低速電機和電磁抱閘有效地克服慣性對定位的影響以及送料機的沖力，提高了裁切精度。影響精度的因素眾多，如編碼器的干擾、電機與連軸器間的間隙、連軸器的背隙、編碼器與連軸器的間隙、原料與滾輪間在運動和停止時存在打滑等等，為此，除了設(shè)計時采用高精度編碼器、矢量型變頻器、快速響應的電磁抱閘外，在安裝調(diào)試時必須盡量減小連軸器的背隙，增加板材與滾軸間的摩擦力。為了使送料機與校平機的速度相適應，可在送料機與校平機之間采用挖地坑的方法實現(xiàn)緩沖，如送料機以16m/s的速度送料，校平機以2m為一塊板切割，則要求留足2m的余量。若挖3m長，2m深的地坑，剛好可以滿足2m的余量滿足速度匹配。但實際鋼板是不可能拉到水平的，也不能接觸到地坑底部，因此在地坑底部適當位置加裝一對光電開關(guān)，檢測越限信號，只要超限就啟動送料機，為了方便挖一個4m長，3m深的地坑就可以滿足工藝要求。3.2 電氣部分設(shè)計在此對PLC3進行簡單介紹，在自動化控制領(lǐng)域，PLC是一種重要的控制設(shè)備。目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)300多品種PLC產(chǎn)品，應用在汽車（23%）、糧食加工（16.4%）、化學/制藥（14.6%）、金屬/礦山（11.5%）、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)。以下對PLC的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應用等基本知識做一簡介。1PLC的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱ProgrammableController（PC）4。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為ProgrammableLogicController（PLC），現(xiàn)在，仍常常將PLC簡稱PC。PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量的能力、數(shù)字運算的能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。2PLC的構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 3CPU的構(gòu)成 CPU4是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及工作數(shù)據(jù)。PLC常用的存儲類型有RAM 、ROM、 EPROM、 EEPROM。PLC采用循環(huán)掃描工作方式，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，如此周而復始的不斷循環(huán)。PLC的掃描過程如圖3-3。圖3-3 PLC的工作原理這個工作過程分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復位監(jiān)視定時器等。同信操作服務階段，PLC與一些智能模塊通信，響應程序器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當PLC處于停止狀態(tài)時，只進行內(nèi)部處理和通信操作服務等內(nèi)容。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、到程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。輸入處理又叫輸入采樣。在此階段，順序輸入所有端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存所對應的映像寄存器。在此輸入映像寄存器被刷新，接著進入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時，輸入映像寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映像寄存器的內(nèi)容也不會發(fā)生變化，只有在下一次掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。程序執(zhí)行階段根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。循環(huán)掃描的工作方式是PLC的一大特點，也可以說PLC是串行工作的，這和傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)并行工作有質(zhì)的區(qū)別。PLC的串行工作方式避免了繼電器控制系統(tǒng)中觸點競爭和時序失配的問題。由于PLC采用掃描工作過程，所以在程序的執(zhí)行階段即使發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映像寄存器的內(nèi)容也不會變化，要等到下一個周期的輸入采樣階段才能改變。掃描周期是一個很重要的指標，小型PLC的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。PLC的掃描時間取決于I/O掃描速度和用戶程序的長短，以及程序使用的指令類型。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的影響滯后是允許的，但是對某些I/O快速響應的設(shè)備，則采取相應的處理措施。如選用高速CPU，提高掃描速度，采用快速響應模塊、高速記數(shù)模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時間。影響I/O滯后的主要原因：輸入濾波器的慣性，輸出繼電器接點的慣性，程序執(zhí)行的時間，程序設(shè)計不當?shù)母郊佑绊懙?。我們在此不必要詳細分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。4I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊5集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。開關(guān)量是指，只有開和關(guān)（或1和0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指，連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA，0-20mA）、電壓型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受到最大的底板或機架槽數(shù)限制。5電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。6底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。7PLC系統(tǒng)的其他設(shè)備1） 編程設(shè)備6：編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。2) 人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普及。3） 輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。8PLC的通信聯(lián)網(wǎng)依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出“網(wǎng)絡就是控制器”的觀點說法。 PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC之間、PLC與上位計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信，還未實現(xiàn)互操作性，IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標準，PLC各廠家均有采用。對于一個自動化工程(特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡非常重要的。首先，網(wǎng)絡必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展；其次，針對不同網(wǎng)絡層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡標準的協(xié)議、機制的前提下進行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡標準。3.3 軟件部分設(shè)計分析可知，本系統(tǒng)是一個多工步的順序控制系統(tǒng)，運用模塊化程序結(jié)構(gòu),實現(xiàn)系統(tǒng)，有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便等優(yōu)點。利用PLC移位寄存器的移位功能，可實現(xiàn)步進順序控制，使每一步嚴格按順序動作。計數(shù)器對每車板料進行計數(shù)，其值由用戶根據(jù)需要設(shè)定。3.4本章小結(jié)本章圍繞鋼板剪切系統(tǒng)的總體設(shè)計方案進行闡述，描述了對電氣部分、機械部分、軟件部分的設(shè)計。介紹了PLC等在系統(tǒng)中的應用及各元器件的構(gòu)成與應用等方面的問題，系統(tǒng)的闡述了對于鋼板剪切系統(tǒng)的設(shè)計思想和流程。第4章 鋼板剪切系統(tǒng)基于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1系統(tǒng)主電路設(shè)計1設(shè)計進料機構(gòu)用交流電機帶動送料皮帶，傳送皮帶送料只向一個方向運動，只要求電機向一個方向旋轉(zhuǎn)即可，輕負載小工率電動機可直接起動，用熔斷器和熱繼電器作短路、過載保護。使待剪板料自動快速穩(wěn)定地輸送到剪切位置。2設(shè)計電磁制動機構(gòu)電磁制動機構(gòu)的作用是壓緊板料，以利于剪切刀切斷板料。采用矢量變頻器及減速電機和電磁抱閘有效地克服慣性對定位的影響以及送料機的沖力，提高了裁切精度。影響精度的因素眾多，如編碼器的干擾、電機與連軸器間的間隙、連軸器的背隙、編碼器與連軸器的間隙、原料與滾輪間在運動和停止時存在打滑等等，為此，除了設(shè)計時采用高精度編碼器、矢量型變頻器、快速響應的電磁抱閘外，在安裝調(diào)試時必須盡量減小連軸器的背隙，增加板材與滾軸間的摩擦力。電磁抱閘制動電動機電路圖如圖4-1中所示。圖4-1 電磁抱閘制動電動機電路所謂聯(lián)鎖控制7是指，凡是生產(chǎn)線上某些環(huán)節(jié)或一臺設(shè)備的某些部件之間具有相互制約或相互配合的控制均稱為聯(lián)鎖控制，聯(lián)鎖控制包括：自鎖控制、互鎖控制、正常工作與點動的聯(lián)鎖控制、實現(xiàn)按順序工作時的控制。電機正反轉(zhuǎn)就需要互鎖控制。3剪切刀 剪切刀有兩種運動，下行切斷板料，然后上升復位，帶動剪切刀機構(gòu)的電動機也應具有正反轉(zhuǎn)，控制電路有聯(lián)鎖保護8、用熔斷器和熱繼電器作短路、過載保護。所謂聯(lián)鎖控制是指，凡是生產(chǎn)線上某些環(huán)節(jié)或一臺設(shè)備的某些部件之間具有相互制約或相互配合的控制均稱為聯(lián)鎖控制，聯(lián)鎖控制包括：自鎖控制、互鎖控制、正常工作與點動的聯(lián)鎖控制、實現(xiàn)按順序工作時的控制。電機正反轉(zhuǎn)就需要互鎖控制。根據(jù)電機控制要求，其電機正反轉(zhuǎn)主電路圖如圖4-2所示，程序流程框圖如圖4-3所示。圖4-2 電機正反轉(zhuǎn)主電路圖4-3 電機正反轉(zhuǎn)程序流程框圖電機正反轉(zhuǎn)控制PLC設(shè)計討論：1）電力拖動是指對電動機的控制，采用繼電器-接觸器控制，都有自己的基本控制電路。采用PLC控制也應該有自己的基本控制環(huán)節(jié)，為此而提出電機正反轉(zhuǎn)控制PLC設(shè)計討論，尋找其較好的控制方案。2）繼電器-接觸器電氣控制原理： 繼電器-接觸器電氣控制9原理如圖4-4所示。上、下兩圖比較，不管是電器元件、觸點數(shù)量、連接導線的數(shù)量都是一樣的，分別是5只、9個、13條。按鈕連線也是6根，但上圖的按鈕和接觸器連線較集中，從維修的角度看要比下圖優(yōu)越。3) 元件代號的意義SB0帶磨姑頭急停按鈕。5SB1、5SB2正反轉(zhuǎn)啟/停按鈕。5KM1正轉(zhuǎn)接觸器。5KM2反轉(zhuǎn)接觸器。其中的5KM1和5KM2要求選用帶機械聯(lián)鎖的交流接觸器。圖4-4 繼電器-接觸器電氣控制原理4) 電氣元件的工作情況正轉(zhuǎn)啟動撳5SB1，5KM1得電動作，其中一個觸點自鎖，另一個觸點則用于互鎖，即斷開5KM2的線圈回路。 反轉(zhuǎn)啟動撳5SB2，首先是5KM1失電，其互鎖觸點恢復閉合，才是5KM2得電動作，其中一個觸點自鎖，另一個觸點則用于互鎖，即斷開5KM1的線圈回路。 再次正轉(zhuǎn)啟動撳5SB1，首先是5KM2失電，其互鎖觸點恢復閉合，才是5KM1得電動作，其中一個觸點自鎖，另一個觸點則用于互鎖，即斷開5KM2的線圈回路。5) 設(shè)計小車送料裝置為實現(xiàn)板料自動輸送到下一工位并返回,可采用交流電通過帶傳動帶動驅(qū)動軸,驅(qū)動行走輪來完成小車往返各機構(gòu)的運動動力來自電機,根據(jù)控制的特點和經(jīng)濟性要求,用交流電機來實現(xiàn)進料、小車送料、托架下料，采用伺服電機控制擋料器精確定長。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。而且永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。2）定子繞組散熱比較方便。3）慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。4）適應于高速大力矩工作狀態(tài)。伺服的額定速度比一般異步電機高的多，并且可以控制轉(zhuǎn)速和位移，而一般的變頻器只側(cè)重于轉(zhuǎn)速控制，適用于開環(huán)調(diào)速10，而伺服可以做到精確定位，速度環(huán)控制響應比變頻器加外圍速度控制更直接，動態(tài)響應好。為了實現(xiàn)對交流電機的控制，采用圖4-5所示主電路,控制對象為4臺電機和一個蜂鳴器。KM1KM7為接觸器，KM1是緊急停止接觸器,KM2控制蜂鳴器,KM3KM7分別控制送料、低速電機、剪切和小車電機。FR1FR5都采用熱敏電阻作為測量元件的熱繼電器,FR1、FR3的設(shè)定值取送料和剪切電機上限溫度的95%,當?shù)竭_此溫度時進行閃光報警。圖4-5 控制系統(tǒng)的主電路圖該控制系統(tǒng)需要完成對工作機構(gòu)的控制情況如下：1）進料控制,執(zhí)行器件為進料電機,通過對進料電機的起停控制,實現(xiàn)進給機構(gòu)輸送板料，停止輸送板料的控制。2）刀具剪切控制,執(zhí)行器件為電磁離合器和電磁制動器。通過控制主電機傳動路線中的電磁離合器,控制傳動機構(gòu)帶動刀具完成向下剪切板料,撤回利用彈簧完成。為了防止慣性造成連續(xù)剪切需要控制制動器剪切一次制動一次。3） 小車往返運動及停止控制,執(zhí)行器件為小車電機,通過控制小車電機的起、停、正反轉(zhuǎn),控制送料小車在剪板機與下一工位往返送料。 其中,1）執(zhí)行機構(gòu)都可采用光電、開關(guān)量控制。由于可編程控制器是低壓直流輸出,所以,我們使用中間繼電器作為控制器輸出的第1級執(zhí)行機構(gòu),通過繼電器的觸電控制大功率接觸器的通斷,從而控制交流電機的起、停。執(zhí)行機構(gòu)中的電磁離合器、制動器需要采用專用輸出驅(qū)動控制電路。 系統(tǒng)原來采用繼電器接觸器控制,但控制系統(tǒng)較復雜,大量的硬件接線使系統(tǒng)可靠性降低, 也間接降低了設(shè)備的工作效率。采用可編程控制器較好地解決了這一問題, 它不僅減少了系統(tǒng)的硬件接線, 提高了工作可靠性, 而且在加工工藝改變時, 只需修改程序, 就可適應新的加工要求, 大大提高了工作效率。4.1.1 PLC控制器的選擇在此設(shè)計中，采用日本松下公司生產(chǎn)的FP1C24系列PLC系統(tǒng)作為主機。見圖4-6。 圖4-6 松下電工FP1C24系列主機面板圖日本松下電工公司的FP系列PLC是可編程控制器市場上的后起之秀，它具有豐富的指令系統(tǒng)，即使是小型機也有近200條指令。CPU處理速度快，運行速度1.6s/步。程序容量高達2700步/500步，小型機一般都達到3千步左右，最高可達5千步，而大型機最大也只有60千步。編輯工具的功能強大，無論是手持編程器還是編程工具軟件，其編程可監(jiān)控能力都很強。強大、統(tǒng)一的編程工具,是設(shè)計人員的最佳選擇。網(wǎng)絡通信11功能強大，此系列的各種機型都提供了通信功能，松下電工提供了多達6種的PLC網(wǎng)絡產(chǎn)品，在同一子網(wǎng)中集成了幾種通信方式，我們可根據(jù)需要選擇。FP1屬于小型機。產(chǎn)品型號以C字母開頭代表主控單元或稱主機，以E字母開頭代表擴展單元或稱擴展機，后面跟的數(shù)字代表I/O點數(shù)。該產(chǎn)品包括C14C72六款主控單元和E8E40四款擴展單元，主機有14.16.24.40.56.72點六種,還有8.16.24.40點四種擴展單元。主機上配有RS232C通訊口及機內(nèi)時鐘，形成系列化產(chǎn)品。FP1的指令系統(tǒng)十分強大，共有190多條指令，除基本的邏輯運算，數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)處理 數(shù)制轉(zhuǎn)換指令之外，還有中斷、子程序調(diào)用、步進控制、電子凸輪控制、速度及位置控制等特殊功能指令。另外，F(xiàn)P1還有功能完備的編程工具，利用這些工具，我們可以方便的進行編程和實現(xiàn)監(jiān)控。即使是使用手持編程器,也可以實現(xiàn)多種監(jiān)控功能。由于FP1具有結(jié)構(gòu)緊湊、硬件配置全、軟件功能強等特點，而且，它的某些功能甚至能與大型機媲美，所以性能價格比高，較適合在中小企業(yè)中推廣使用。FP1雖屬于小型PLC，但卻包含了大中型 PLC的許多功能，可以說它是“麻雀雖小五臟具全”他的特殊功能主要 有以下幾方面：1高速計數(shù)功能 FP1內(nèi)置高速計數(shù)器，最高計數(shù)頻率可達10000 Hz。2脈沖輸出功能 FP1型PLC中晶體管輸出型可輸出頻率可調(diào)脈沖，最高脈沖頻率大5000 Hz。3可調(diào)輸入延時濾波 為提高可靠性，在FP1的輸入端采用了可調(diào)輸入延時濾波 ，它可以減少應機械開關(guān)抖動帶來得不可靠性。4脈沖捕捉功能 在FP1的輸入端增加了脈沖捕捉功能，可以根據(jù)需要選擇。該功能可以使PLC捕捉到瞬間的窄脈沖，這在故障檢測中十分有用。5中斷功能手動可調(diào)數(shù)值輸入功能 只要在小旋具或螺絲刀調(diào)節(jié)面板上的螺桿的旋轉(zhuǎn)角，即可從外部方便的改變其內(nèi)部寄存器中所存的數(shù)值，數(shù)值范圍可在0256之間改變，在FP1中還有其他一些特殊功能，如時鐘日歷、掃描時間設(shè)置、口令保護、看門狗等。FP1C24型可編程控制器的主控單元外型圖如圖4-7所示，主控單元的輸入/輸出點數(shù)為16/8，其工作電壓24V DC。主控單元和擴展單元的I/O點數(shù)加起來最多可達152個點。在主控單元內(nèi)含有高速計數(shù)器，可輸入的脈沖頻率高達5000Hz，并能同時輸入兩路脈沖，晶體管輸出型PLC可輸出頻率可調(diào)的脈沖信號。主控單元還具有8個中斷源的中斷優(yōu)先權(quán)管理等功能。同時通過PC機可對PLC進行梯形圖程序的編輯、狀態(tài)監(jiān)控等。圖4-7 FP1可編程序控制器輸入/輸出電路的基本結(jié)構(gòu)除主控單元和擴展單元外，還有A/D、D/A單元，最多可控制152點加4通道A/D,4通道D/A，還有C-NET鏈接單元等高級模塊，可進行模擬量處理，通過C-NET網(wǎng)絡模塊可方便地將最多32臺PLC聯(lián)成網(wǎng)絡,距離達1.2km，可方便的工業(yè)現(xiàn)場PLC控制網(wǎng)絡。4.1.2 I/O端子分配1輸入設(shè)備限位開關(guān)：SQ1,，SQ2，SQ3，SQ4，SQ5，SQ6，SQ7系統(tǒng)的停止啟動按鈕：SB1，SB22輸出設(shè)備 一塊板料剪切完成并落入小車時，光電檢測開關(guān)SQ7合一次，計數(shù)器作減1計數(shù)。本設(shè)計中假設(shè)小車可最多載40塊板料。KM1控制送料機構(gòu)電機的接觸器；KM2、KM2控制壓塊電機的接觸器，驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)，控制壓塊壓緊和放松板料；KM3、KM3分別控制剪切電機的接觸器，驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)，控制剪切刀上下運行；KM4和KM4控制送料小車電機的接觸器，驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn),從而控制小車的左行和右行。HL1為小車空載指示,根據(jù)需要, 還可增設(shè)其它信號指示。其輸入輸出端子分配如圖4-8所示。把現(xiàn)場開關(guān)輸入設(shè)備按編號接在PLC的輸入端子上，相應的輸出設(shè)備接在輸出端子上。其端子的對應輸入輸出為：輸入：SB1X0 SB2X1 SQ1X2 SQ2X3 SQ3X4 SQ4X5SQ5X6 SQ6X7 SQ7X8輸出：KM1Y0 KM2Y1 KM2Y2 KM3Y3 KM3Y3KM4Y5 KM4Y6 HL1Y7 圖4-8 鋼板剪切系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)I/O端子分配圖4.2 系統(tǒng)的軟件分析可知，本系統(tǒng)是一個多工步的順序控制系統(tǒng)12，運用模塊化程序結(jié)構(gòu),實現(xiàn)系統(tǒng)，有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便等優(yōu)點。利用PLC移位寄存器的移位功能，可實現(xiàn)步進順序控制，使每一步嚴格按順序動作。計數(shù)器對每車板料進行計數(shù)，其值由用戶根據(jù)需要設(shè)定。4.2.1系統(tǒng)的流程圖控制系統(tǒng)的流程順序如圖4-9所示： 圖4-9控制系統(tǒng)的流程圖4.2.2 系統(tǒng)的梯形圖及其程序語句表1系統(tǒng)的梯形圖圖4-10系統(tǒng)的梯形圖2程序語句表0STX31AN/X12ANX53OTR04STR05ANX06OTR17STR18PUSH9AN/X710OTY711RDS12AN/X713AN/Y614OTY515POPS16ANX617OTR218STR219OTY020STR221ANX222OTR323STR324AN/Y225OTY126STR327ANX428OTR429STR430AN/Y431OTY332STR433ANX834OTR535STR536AN/Y137OTY238STR539AN/Y340OTY441STR542AN/C10043OTR644STR545AN/C10046OTR247STR648STR549CT10050K4051STR652AN/Y553OTY654STR655ANX356ANX557OTR058ED4. 3 旋式編碼器的選擇4.3.1 概述旋轉(zhuǎn)編碼器13是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個到幾千個都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。編碼器如以信號原理來分，有增量型編碼器,絕對型編碼器。4.3.2 原理編碼器如以信號原理來分，有增量型編碼器,絕對型編碼器。增量型編碼器與絕對型編碼器的區(qū)分如下：增量型編碼器(旋轉(zhuǎn)型)工作原理：由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。分辨率編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度510000線。信號輸出：信號輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、HTL）,集電極開路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱A, A-; B, B-; Z, Z-），HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應與編碼器對應。信號連接編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。如單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。對于TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達150米。對于HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300米。增量式編碼器的問題：增量型編碼器存在零點累計誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機需斷電記憶，開機應找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對型編碼器可以解決。增量型編碼器的一般應用:測速，測轉(zhuǎn)動方向，測移動角度、距離(相對)。增量型編