基于PLC高速全自动包装机的控制系统应用

摘   要
可编程控制器(PLC )作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定可靠。在现代工业自动化生产中得到了广泛的应用。取得了理想的控制效果。
本论文以东莞佳鸣机械制造有限公司开发的高速全自动卷纸包装机控制系统为背景，理论与实践相结合，详细阐述了集PLC技术，变频器技术，光电感应技术，通信技术于一体的先进控制技术在该包装机控制系统中的应用。论文主要内容如下:1.概述了可编程控制器PLC的现状及其在包装机械上应用的可能性和前景。2.通过对卷纸包装机生产工艺流程的了解，统计其输入输出I/O点，然后进行PLC选型，硬件组态的设计。3.详细分析了包装纸放卷过程中的受力(尤其是张力)情况，并建立了数学模型，利用自适应控制原理实现了送料过程中的张力控制。4.在卷纸包装机中，卷纸和包装纸要求能同时到达工位1，这就产生了送料过程中的同步控制问题，在同步控制中，我们在卷纸供送系统的驱动轴上安装一个半圆形金属片，在侧面装上接近开关探头，通过判断每次光电传感器检测到色标时接近开关的输出状态，就能知道包装纸供送系统是滞后还是超前于卷纸供送系统，从而使伺服电机正、反转或不动，实现了送料过程中的同步控制。5.卷纸的包装是一个典型的顺序控制，因此我们利用一个移位寄存器，使工艺盘的每一个V形槽对应一个二进制位，通过移位寄存器的移动，实现了包装过程的程序控制。6.利用Siemens公司的编程软件Step7、软件WinCC及其通信功能设计了包装过程以完成数据的采集并控制输出设备安全、高速、高效地运行，实现了该包装过程的监视功能。经过我们的努力，卷纸包装机控制系统的设计己经完成。并且经过了严格的测试，在实验室的模拟运行中，取得了良好的控制效果。使该机无论从功能上还是效率上都获得了质的提高，基本达到了九十年代末期国际先进水平，较好地实现了厂方提出的控制要求。
关键词:包装机;PLC;张力控制;自适应控制;同步控制;WinCC; Step7。                      

Abstrac
    This thesis mainly discussed the design of contrnl system of roll packing.As the kermel device control system, PLC is widely used in modern industrial production and do well in this field.
This thesis takes the control system of the high-speed full-automatic roll packing machine that was developed Dongguan Jiaming Machine Manufacturing Limited Company as a background. We apply the advanced control technique in the packing machine control system such as the technique of PLC, the inverter technique, light electricity technique and so on. By using these techniques, we realized tension control, Synchronous control in transmitting process and packing process program control. To complete the data of collecting and control the output equipments ments to work safely, high speed and efficiently, we designed the PLC correspondence network by using the WinCC, a supervise contrnl and configuration software of the company of Siemens, and its communication function, to realize the surveillance function of the packing process.
The machine got the exaltation of the quality whether the function or the efficiency, basically came to the international advanced level in the late of 90's,realized well the control request that the company put forward.This control system is well running in the lab.
Key  words:Packing machine; PLC; tension control; self-adaptive Control control; WinCC; Step7.

卷纸包装机主要功能是将来自卷纸库的卷纸以每分钟60个的速率包装成合格的卫生卷筒纸。简单的工艺流程如图2-1所示。
   
 包装纸以卷筒的形式放在原料架上，当上位机发出命令时，放卷电机动作，开始放卷。放卷到一定长度(长度由色标来检测)时，通过色标信号向切纸机构发出指令。切纸机构采用交流变频调速电机，带动一个凸轮旋转，以带动切断刀上下运动，在凸轮上安装一个位置传感器，当凸轮转到某一位置时，切刀向上运动，二刀分离，当有色标信号时，刀又向下运动。切刀上、下的工作频率可由变频调速电机来调整，操作简便。切好的纸片经整理后放入纸片库中，等待推纸空心台送纸片。同时卷纸库的卷纸经过整理等待托盘推杆送卷纸球。包装过程通过包装工艺盘及其辅助机构来实现。包装工艺盘共有八个V形槽三个加工工位，当包装纸和待包装的卷筒纸放入槽中后，由工艺盘载着其转动，依次送入各加工工位。工艺盘的转动是由交流电机通过皮带传动带动的，各加工工位的动作是通过顺序逻辑控制电磁阀进而带动执行机构动作的。工件从1号工位装入;在2号工位由夹钳机构完成前进，抓紧，旋转，窝边的动作，同时分别向托盘和推纸空心台发出送纸球和送纸片信号;在3号工位，包装好的产品由于重力作用落入成品库。

由于这是一个典型的顺序控制⒂，利用移位寄存器操作最为方便。设定一个8位移位寄存器，每位移位寄存器相应于一个V形槽，每120ms移位一次，控制相应的操作。当到2号工位时发出上料信号，推纸空心台推动纸片(其总的上升时间大于490ms小于640ms)，托盘推动纸球(其总的上升时间略小于640ms)同时以相同的速度前进，当工艺盘V形槽到达第一工位时，工艺盘停止，在此延时150ms，待放纸空心台压到纸片到位行程开关，停止，托盘压到托盘到位行程开关，托盘停止，完成了上料操作，当延时到，托盘和放纸空心台后退，同时，插纸板前进，托住纸球与工艺盘一同运动。当到达2号工位时，工艺盘停止，延时250ms,同时发出上料信号，在此时段内，插纸板在工艺盘停止后也相继停止，但由于惯性，会使包装纸带着纸球旋转一个较小的角度，使包装纸能完全包住纸球，然后再后退，同时夹钳机构轴向运动，碰到限位开关时，轴向运动停止，而三个夹杆同时径向运动，抓紧包装纸的两端，当碰到抓紧限位开关时，夹钳机构轴旋转90度后继续向前移动，进行窝边。窝边到位，该机构就后退。到达3号工位时，成品落下，完成一次包装，这样如此循环，直到发出停止信号。从图2-2的时序图分析，包装一个卫生卷纸只需880ms，可为什么在1分钟内却只能包60个啦，这里还有个PLC扫描周期的问题，本包装程序中PLC扫描周期为120 ms。











目    录
摘要┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈1
ABSTRACT┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈2
目录┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈3
第一章 绪论┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈5
1.1可编程控制技术的现状┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈5
1.2可编程控制技术的发展趋势┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈6
1.3 PLC与其它工业控制系统的比较┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈6
1.3.1 PLC与继电器控制系统的比较┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈7
1.3.2 PLC与单片机控制系统比较┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈7
1.3.3 PLC与计算机控制系统的比较┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈8
1.3.4 PLC与集散型控制系统的比较┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈8
1.4卷纸包装机产生的背景及意义┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈8
1.5  PLC在包装机械上应用的可能性和前景┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈9
1.6项目研究的主要内容┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈9
1.7论文的安排┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈10
第二章卷纸包装机控制系统的总体设计┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈11
2.1卷纸包装机生产工艺概述┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 11
2.2卷纸包装机速度影响的分析和提高┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈12
2.3可编程控制系统控制方案的设计┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈12
2.4系统的运行方式┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈13
2.5控制系统硬件总体设计┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14
2.5.1总体结构关系┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14
2.5.2控制系统主要器件的选择┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14
2.6本章小结.......................................................................................................21
第三章电控系统电路及各功能模块的设计┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈22
3.1供电线路┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈22
3.2主要控制功能模块的设计┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈23
3.2.1装料工位1┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈23
3.2.2夹钳抓紧、旋转、窝边工位2 ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈25
3.2.3卸料工位3 ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈26
3.3放卷、分切部分的张力控制. ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈26
3.3.1包装纸分切机调节原理简介┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈26
3.3.2放卷部分. ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈27
3.3.3张力控制系统的实现┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈29
3.4送料过程中的同步控制┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈33
3.4.1同步控制系统........................................................................................ ..33
3.4.2信号的获取┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈35
3.4.3同步控制电路原理的实现┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈37
3.5本章小结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈37
第四章系统的软件介绍┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈38
4.1 PLC的软件设计........................................................................................38
4.1.1概述.....................................................................................................38
4.1.2 PLC程序的总体结构.............................. ...........................................39
参考文献. ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈39
全文总结. ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈40
致谢┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈40
附录包装电路图. ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈41