機電液實驗臺液壓系統(tǒng)自動化改造

1、學學 士士 學學 位位 論論 文文系系 別：機電工程系別：機電工程系 學科專業(yè)：機械設計制造及其自動化學科專業(yè)：機械設計制造及其自動化姓姓 名：王玉鵬名：王玉鵬 運運 城城 學學 院院 2010 年年 5 月月 II基于基于 PLC 的自動包扎機電氣控制系的自動包扎機電氣控制系統(tǒng)設計統(tǒng)設計系系 別：機電工程系別：機電工程系學科專業(yè)：機械設計制造及其自動化學科專業(yè)：機械設計制造及其自動化姓姓 名：王玉鵬名：王玉鵬指導教師：弓指導教師：弓 鏘鏘 運運 城城 學學 院院 2010 年年 5 月月運城學院學士學位論文基于 PLC 的自動包扎機電氣控制系統(tǒng)設計設計總說明：設計總說明： 絕緣材料的包扎是線

2、圈生產(chǎn)中重要工序之一，包扎的質(zhì)量是決定電機性能的一個重要指標1。近年來國際設備市場上雖然出現(xiàn)一些電機定子線圈自動包扎機，但這些包扎機，結(jié)構復雜，造價很高。國內(nèi)現(xiàn)有的半自動包扎機,結(jié)構比較簡單，受人工影響較大，包扎質(zhì)量不高2。綜上所述，現(xiàn)有的包扎機都不能滿足我國市場需求，進行自動包扎機的研究十分必要。本課題主要是設計一種結(jié)構比較簡單、精度較高，通用性好的全自動鼓形線圈包扎機。本課題完成的是基于 PLC 控制的自動包扎機電氣控制系統(tǒng)的設計3，主要完成控制方案的設計選擇，動力系統(tǒng)的選型，PLC 控制程序的設計，硬件設計（包括 PLC 型號的確定） ，程序的調(diào)試。設計完全按照機械設計手冊中規(guī)定的傳動系

3、統(tǒng)標準和設計原則來進行設計。設計方法主要運用了比較法、順序設計法。比較法主要用在方案選擇上，順序設計法主要用在梯形圖的編制上。系統(tǒng)動力的選擇利用比較法在步進電機和直流電機之間選擇4，由于步進電機可以精確啟停，而且相對容易控制的特點，最終選擇步進電機提供動力5。設計過程中綜合考慮非標準件和標準件6，選擇標準件，設計非標準件，非標準件受標準件的限制。在設計的過程中，由于傳動元件多，要考慮傳動元件的支撐與固定以及保證所有部件之間互不干涉。最大限度使傳動系統(tǒng)簡單化，精確化。主要觀點是設計應考慮安全可靠性、經(jīng)濟性和可行性等綜合因素,其中安全可靠性放在首位。安全可靠性體現(xiàn)在一些基礎參數(shù)的選擇上，國內(nèi)參數(shù)大

4、部分依據(jù)經(jīng)驗來確定，而且按國內(nèi)參數(shù)設計一般比較安全。經(jīng)濟性體現(xiàn)在方案簡單和技術成熟。如果方案選擇了 PLC 控制，在設計中力求元件最少?？尚行钥紤]技術資料和制造成本。本設計控制系統(tǒng)成熟、制造成本較低，可行性較強。方案選擇了 PLC 控制，在設計中力求控制元件最少，結(jié)構最簡，包扎精運城學院學士學位論文確， 運行穩(wěn)定可靠。通過比較幾種可選控制方案，選擇最優(yōu)的方案進行初步設計、計算。如果達不到設計要求，對其余方案進行比較，然后選擇最優(yōu)方案再次進行初步設計，如果達到要求，則選擇該模式，進行詳細設計?？刂品桨傅倪x擇：在選擇控制方案時由于現(xiàn)實硬件、軟件的限制，不得不對一些要求進行簡化處理，綜合考慮各種因素

5、后，確定方案為基于 PLC 控制的電氣系統(tǒng)。本主要技術資料：國內(nèi)對包扎機改造的資料以及國內(nèi)外包扎機的視頻資料，以及其他相關的機械設計資料。關鍵詞：關鍵詞：自動，包扎機,PLC，電氣控制,系統(tǒng)設計運城學院學士學位論文Automatic PLC based electrical control system design Design General Information:Coil insulation material is packed in the important process of production, one is to determine the quality of dre

6、ssing an important indicator of motor performance. In recent years, the international equipment market, despite a number of automatic wrapping machine stator coils, but these dressing machine, structural complexity, high cost. Existing domestic semi-automatic wrapping machine, simple structure, infl

7、uenced by man, dressing quality is not high. In summary, the existing dressing machines can not satisfy the market demand of the automatic wrapping machine is necessary. The main task is to design a simple structure, high precision, versatile drum loop good automatic wrapping machine. The completion

8、 of this subject is based on the automatic PLC control dressing the design of electrical control systems, the main control program to complete the design of choice, selection of power system, PLC control program design, hardware design (including the PLC model to determine), the program debugging. D

9、esigned in full accordance with the provisions of the manual mechanical transmission system design standards and design principles to the design. Design mainly used the comparison method, sequence design. Comparison is mainly used in the program selection, the sequential design method is mainly used

10、 in the preparation of the ladder. System, the choice of using more power in between the stepping motor and DC motor options, as stepper motor can be precisely start and stop, and relatively easy to control, step motor to power the final choice. Taken into account during the design of non-standard p

11、arts and standard parts, standard parts selection, design non-standard parts, standard parts of non-standard 運城學院學士學位論文parts by the restrictions. In the design process, as more transmission components, transmission components to be considered with the fixed support and to ensure non-interference bet

12、ween all the components. Possible to simplify the transmission system, accurate. Main point is the design should consider safety and reliability, economy and feasibility of such a combination of factors, including safety and reliability first place. Safety and reliability is reflected in the choice

13、of some basic parameters, most of the domestic parameters determined based on experience, but also by internal parameters of the design is generally more secure. Economy reflected in the program simple and mature technology. If the program selected the PLC control components in the design sought to

14、at least. Consider the feasibility of technical information and manufacturing costs. The design of control systems mature, lower manufacturing costs, feasibility strong. Select the PLC control program, seek to control components in the design at least, the simplest structure, bandaging accurate, sta

15、ble and reliable. A comparison of alternative control scheme, choose the best program for preliminary design, calculation. If not meet design requirements, compared to the rest of the program, and then choose the best preliminary design of the program again, if meet the requirements, select the mode

16、l, the detailed design. Control options: options in the choice of control because the reality hardware and software limitations, some requirements had to be simplified, considering the various factors to determine the program for the PLC-based control of electrical systems. The main technical data:

17、Renovation of internal information on the dressing and bandaging machine video at home and abroad, and other information related to the mechanical design. Key words: Automatic, wrap machine, PLC, electrical control system design 運城學院學士學位論文I目 錄第一章 緒論 .11.1 選題目的、價值和意義.11.2 研究范圍以及所要達到的技術要求.11.3 本課題在國內(nèi)外

18、的發(fā)展狀況及存在的問題.21.4 本課題的指導思想.21.5 本課題應解決的主要問題.3第二章 基于 PLC 的自動包扎機電氣控制系統(tǒng)設計、控制方案介紹.42.1 控制方案簡介、分析、選擇.42.2 控制方案確定、介紹.4第三章 步進電機基本原理.73.1 步進電機簡介.73.2 步進電機結(jié)構及工作原理.83.3 步進電機的運行控制.103.3.1 工作過程 .103.4 PLC 介紹.113.4.1 PLC（可編程控制器）的特點.113.5 PLC 基本原理.123.6 CPM2A 的性能和功能.15第四章 編程設計（接線圖、梯形圖、功能表圖）.164.1 步進電機.164.2 PLC 選擇

19、、參數(shù).174.3 控制過程分析.184.4 程序編制.194.5 電機間的速比.214.6 步進電機與 PLC 銜接配合.35運城學院學士學位論文II第五章 實驗 .365.1 條件實驗.365.2 實物連線圖.365.3 設計成本分析.38第六章 結(jié)論 .39參考文獻 .40附錄 .42致謝 .48運城學院學士學位論文1第一章 緒論1.1 選題目的、價值和意義隨著我國工業(yè)化化程度的快速提高，電動機將更加廣泛的使用。牽引電機用直流、交流電機電樞、定子線圈絕緣包扎是線圈生產(chǎn)中的重要工序，電機電樞、定子線圈絕緣包扎是決定電機性能的一個重要指標7，故包扎機的研究和改造十分必要。我國加入到 WTO

20、之后，國內(nèi)電動機與國際電動機進行競爭愈來愈激烈，而我國的包扎機整體處于低水平，自主改進包扎機成為一種必然趨勢。本設計的價值和意義在于，現(xiàn)在封閉式鼓型線圈的包扎設備多為半自動，效率不高，包扎精度也主要依靠操作員，包扎機本身和包扎的線圈都缺乏市場競爭力，本設計中的包扎機特點是，傳動系統(tǒng)結(jié)構簡單，運行速度較快，PLC控制系統(tǒng)對電動機轉(zhuǎn)速、工作臺運動軌跡的控制使包扎機實現(xiàn)全自動包扎8，用步進電機進給，可以精確的起停特點保障了線圈包扎的精度和很強的通用性，采用 PLC 控制線圈的包扎精度更高，能有效提高和保證包扎質(zhì)量，降低企業(yè)的投入，提升包扎機的競爭力，基本能滿足國內(nèi)市場需求，提高國內(nèi)線圈企業(yè)的競爭力，

21、給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，因此，本設計課題有很大的現(xiàn)實意義，有助于提高我國國民經(jīng)濟和工業(yè)化水平。1.2 研究范圍以及所要達到的技術要求1、基于 PLC 控制的自動包扎機電氣系統(tǒng)設計，主要工作包括：機械系統(tǒng)總體方案的分析確定；動力方案的選擇；PLC 型號的選擇；編制 PLC控制步進電機的程序；設計硬件系統(tǒng)；模型加工與組裝；調(diào)試。2、自動包扎機應滿足以下條件：繞包頭轉(zhuǎn)速：0-300r/min （分高速與低速）注：由于實際條件所限，此次設計轉(zhuǎn)速降低。繞包頭內(nèi)徑：200mm檔位選擇：迭包選擇1/2 迭、1/3 迭運城學院學士學位論文23、包扎機能完成自動控制的 U 型運動，且運行過程保持恒速與迭包速度

22、相關聯(lián)。4、繞包頭拖動電機采用 1 臺步進電機，進給系統(tǒng)采用 2 臺步進電機。5、完成自動包扎機電氣控制系統(tǒng)的成本分析。1.3 本課題在國內(nèi)外的發(fā)展狀況及存在的問題國外線圈自動包扎方法有手工包扎，包扎頭固定，手工控制線圈的進給速度，缺點是包扎精度無法保證傳統(tǒng)的恒速半自動包扎機，該機型的優(yōu)點是效率較高、成本低，缺點是包扎精度低，通用性差。全自動多軸線圈包扎機，近年來國際設備市場上雖然出現(xiàn)一些自動包扎機，但由于多采用微機控制的多軸運動，設備造價極高，且包扎一支線圈用時過長。該機型的優(yōu)點是高精度，自動化程度高，缺點是包扎效率低，經(jīng)濟性差。目前我國大量使用的包扎機有三種類型：第一種包扎頭固定，有傳送帶

23、，半自動 ，彎曲部分由人工完成。 第二種包扎頭固定，沒有傳送帶，工人手持線圈完成包扎。第三種包扎頭轉(zhuǎn)動，夾持裝置夾緊線圈，完成包扎。國際設備市場上雖然出現(xiàn)一些電機電樞、定子線圈絕緣全自動包扎機，但由于多采用微機控制的多軸運動，可是設備造價極其高昂，而且包扎一支線圈用時過長（例如法國阿爾斯通公司研制的一種六軸機器人，能根據(jù)線圈尺寸自動調(diào)整繞包參數(shù)，但包扎一支定子線圈用時 15-20min，不能滿足大部分國內(nèi)市場需求） 。國內(nèi)有幾家廠引進了國外幾臺繞包機，有的廠家也進行了國產(chǎn)化嘗試，國內(nèi)包扎機的技術的改進不大，速度低、精度差、生產(chǎn)效率很低，在技術上也已落后，屬 7080 年代水平，與現(xiàn)在國際上的新

24、進展有很大差距，需要采取措施發(fā)展國產(chǎn)新一代高速、高精度自動化程度高的包扎機，以縮小與國外的技術差距，自主開發(fā)全自動包扎機已刻不容緩。1.4 本課題的指導思想本課題的主要指導思想是利用 PLC 的豐富功能來控制可以精確啟停的步進運城學院學士學位論文3電機，從而設計一款包扎效率、精度更優(yōu)良，成本低的全自動包扎機，提高國內(nèi)包扎機的自動化程度8。1.5 本課題應解決的主要問題利用 PLC（可編程控制器）控制步進電機，設計一款全自動包扎機?；?PLC 的自動包扎機電氣控制系統(tǒng)設計，主要工作包括：基于 PLC控制的自動包扎機電氣控制系統(tǒng)設計、不同控制方案的選擇確定；步進電機的選型、動力的選擇；控制步進電

25、機 PLC 的選擇、學習；設計 PLC 控制步進電機程序，利用 CX-Program 軟件編制程序，設計硬件系統(tǒng)（PLC 型號的確定）四臺步進電機正反轉(zhuǎn)程序調(diào)試。運城學院學士學位論文4第二章 基于 PLC 的自動包扎機電氣控制系統(tǒng)設計、控制方案介紹2.1 控制方案簡介、分析、選擇方案一：采用單片機控制動力系統(tǒng)。利用驅(qū)動器增大脈沖頻率和電源，通過驅(qū)動器的功率放大驅(qū)動步進電機，帶動步進電機進行線圈包扎作業(yè)。方案二：利用 PLC 控制步進電機，通過驅(qū)動器增大脈沖頻率，帶動步進電機進行線圈包扎作業(yè)。方案三：利用 PLC 產(chǎn)生脈沖信號直接控制步進電機，帶動步進電機進行線圈包扎作業(yè)。方案一，人機界面好，應

26、用較為簡單，成本相對較低，但是對于工作環(huán)境要求較高，限制了應用范圍。方案二，擴展性能好，但是使用驅(qū)動器增使系統(tǒng)更加復雜，維護難度加大，制造和使用成本都較高。方案三，現(xiàn)代控制系統(tǒng)中, PLC 作為廣泛應用于工業(yè)自動化領域的控制器, 它的功能越來越強, 性能越來越先近，整個控制系統(tǒng)由PLC 和步進電機組成，提高系統(tǒng)的可靠性，軟硬件功能強，運行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，通用性強、采用模塊化結(jié)構，而且人機界面好，成本也可以控制，有較高的推廣和實用價值9。2.2 控制方案確定、介紹通過步三種方案的對比分析，并綜合考慮多方面實際后，確定本設計采用方案三，即 PLC 直接控制進電機。運城學院學士學位論文5圖

27、2-1 設計方案圖 2-2 電氣控制方案圖各部件功能：PLC 承擔產(chǎn)生脈沖信號，控制步進電機 M1/M2/M3 運動的功能。M1 步進電機控制包扎頭旋轉(zhuǎn)，將絕緣材料包扎到線圈上。M2 步進電機控制 Y 軸方向進給，實現(xiàn)對線圈斜邊的包扎。M3 步進電機控制 X 軸方向進給，實現(xiàn)對線圈直線邊的包扎。M4 步進電機控制包扎臺的旋轉(zhuǎn)，調(diào)整至轉(zhuǎn)角角度。工作過程：將線圈用夾具固定,手工將絕緣材料固定在包扎起點。運城學院學士學位論文6起動設備,包扎前端斜邊,此時 M1 恒速運行,M2M3 按需求進給運行。當包扎至第 1 轉(zhuǎn)角時, M1 恒速運行,M2M3 停止,M4 按一定速度使得工作臺轉(zhuǎn)過一定角度。轉(zhuǎn)角結(jié)

28、束后, M1 恒速運行,M2 恒速運行,M3 停止,M4 停止。當包扎至第 2 轉(zhuǎn)角時, M1 恒速運行,M2M3 停止,M4 按一定速度使得工作臺轉(zhuǎn)過一定角度。包扎后端斜邊,此時 M1 恒速運行,M2M3 按需求進給運行。包扎結(jié)束后,4 臺電機停止,卸下線圈。按與上述相反的程度,工作臺回程至起點結(jié)束。利用步進電機隨脈沖信號精確起停的特點實現(xiàn)控制的精確性，用 PLC 編程實現(xiàn)以下動作： M1 起動，帶動包扎頭以一定速度旋轉(zhuǎn)，隨著對直線邊的包扎， PLC 控制 M2 工作， M4 工作旋轉(zhuǎn)角度為 A，隨著對短邊的包扎，PLC 控制 M3 工作，然后拆卸包扎另一半。圖 2-3 包扎示意圖運城學院學

29、士學位論文7第三章 步進電機基本原理3.1 步進電機簡介步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件10。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常

30、規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。圖 3-1 步進電機外觀圖步進電機的一些特點：（1）步進電機沒有積累誤差：一般步進電機的精度為實際步距角的百分之三到五，且不累積。（2）步進電機在工作時，脈沖信號按一定順序輪流加到各相繞組上（由驅(qū)動器內(nèi)的環(huán)形分配器控制繞組通斷電的方式） 。（3）即使是同一臺步進電機，在使用不同驅(qū)動方案時，其矩頻特性也相差很大。（4）步進電機與其它電動機不同，其標稱額定電壓和額定電流只是參考值；運城學院學士學位論文8又因為步進電機是以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，

31、而不是平均電壓，所以，步進電機可以超出其額定值范圍工作。但選擇時不應偏離額定值太遠。（5）步進電機外表允許的最高溫度：步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 80-90 度完全正常。（6）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。3.2 步進電機

32、結(jié)構及工作原理圖 3-2 步進電機結(jié)構工作原理：步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化設備中。步進電機和普通電動機不同之處在于它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構，它同時完成兩個工作：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)角位置或速度。圖 3-2 為兩相步進電機的工作原理示意圖，它有兩個運城學院學士學位論文9繞組。當一個繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下，通電方向順序按照四個狀態(tài)AABBAABB周而復始進行變化，電機可順時針轉(zhuǎn)動；通電時序為時，AABBAABB電機就逆時針轉(zhuǎn)動?？刂泼}沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機轉(zhuǎn)動

33、一步，即 90 度。4 個脈沖電機轉(zhuǎn)動一圈。脈沖頻率越高，電機轉(zhuǎn)動越快，實際電機的節(jié)構要比模型復雜，并且每轉(zhuǎn)一步，一般為 1.8。步進電機的輸出力矩與電機的有效體積、線圈匝數(shù)、磁通量、電流成正比，因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之越小。圖 3-3 兩相步進電機原理圖步進電機的極性：步進電機分為雙極性電機和單極性電機。如圖 34 所示雙極性電機，電流在兩個線圈流動時序為。AABBAABB運城學院學士學位論文10圖3-4 雙極性電機3.3 步進電機的運行控制步進電機和普通電機的不同之處在于它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行動作，同時完成兩項工作：一是傳

34、遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)交速度或位移。對于本課題，PLC每給步進電機一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)過一個步距角，實現(xiàn)步進電機的精確啟停。對于PLC的輸入輸出指令的控制由PLC的人機交互界面來實現(xiàn)，人機交互界面可以是常規(guī)按扭、監(jiān)視用儀表或指示燈等，也可以應用觸摸屏來實現(xiàn)人機交互11。3.3.1 工作過程圖 3-5 為兩相四拍制步進電機的工作時序圖，它有兩個繞組。當一個繞組通電后，其定子磁極會產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下，通電方向順序按照四個狀態(tài)周而復始進行變AABBAABB化，電機就可順時針轉(zhuǎn)動；通電時序為時，電機就能逆AABBAABB時針轉(zhuǎn)動。控制脈沖每作用一次，通電方向就變化一

35、次，使電機轉(zhuǎn)動一步，脈沖頻率越高，電機轉(zhuǎn)動越快。運城學院學士學位論文11圖3-5 兩相四拍制步進電機時序圖3.4 PLC 介紹PLC 即可編程控制器（Programmable logic Controller） ，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置12。在 1987 年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義：“PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式

36、或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 ”3.4.1PLC（可編程控制器）的特點1、可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。從 PLC 的機外電路來說，使用 PLC 構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模運城學院學士學位論文12的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警

37、報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。2、配套齊全，功能完善，適用性強PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3、易學易用PLC 作為通用工業(yè)控制

38、計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。4、系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。5、體積小，重量輕，能耗低以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝

39、入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。3.5 PLC 基本原理PLC 主要由中央處理單元（CPU） 、存儲器（RAM、ROM） 、輸入/輸出部運城學院學士學位論文13件（I/O） 、電源和編程器幾大部分組成。圖 3-7 是 PLC 結(jié)構圖19。圖 3-7 PLC 的結(jié)構圖 3-8 直流輸入電路圖 3-8 直流輸入電路，輸入電路的一次電路與二次電路間用光耦合器隔離。在電路中設有 RC 濾波器，以消除輸入觸點的抖動和沿輸入線引入的外部噪聲的干擾。因此，外部輸入從 ONOFF 或從 OFFON 變化時，PLC 內(nèi)部約有運城學院學士學位論文1410ms 的響應滯后。當輸入開關閉合時，一次電路中流

40、過電流，輸入指示燈亮，光耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，而三極管從截止狀態(tài)變?yōu)轱柡蛯顟B(tài)，PLC 的輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生了 0 和 1 的改變。圖 3-9 輸出電路（繼電器輸出）圖 3-9 輸出電路（繼電器輸出） ，每種輸出電路的有隔離措施。繼電器輸出型是利用繼電器的觸點和線圈將 PLC 的內(nèi)部電路與外部負載電路進行電氣隔離。輸出電路的負載電源由外部提供。輸出電流一般為 0.5 至 2A。輸出電流的額定值與負載性質(zhì)有關。圖 3-10 掃描過程運城學院學士學位論文15PLC 是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的13。即在 PLC 運行時，CPU 根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令

41、步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC 的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。PLC 在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。PLC 在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄

42、存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應輸出設備工作。3.6 CPM2A 的性能和功能CPM2A 的性能：CPM2A 在一個小巧的單元內(nèi)綜合有各種性能，包括同步脈沖控制，中斷輸入，脈沖輸出，模擬量設定，和時鐘功能等。CPM2A CPU單元又是一個獨立單元，能處理廣泛的機械控制應用，所以它是在設備內(nèi)用作內(nèi)裝控制單元的理想產(chǎn)品，完整的通信功能保證了與個人計算機、其它OMRON PC 和 OMRON 可編程終端的通信。這些通信能力使用戶能設計一個經(jīng)濟的分布生

43、產(chǎn)系統(tǒng)22。運城學院學士學位論文16圖 3-11 CPM2A 的外觀第四章 編程設計（接線圖、梯形圖、功能表圖）4.1 步進電機綜合以上因素選擇的步進電機型號是 42BYG250-48，參數(shù)如下：表 4-1 步進電機參數(shù)型號步距角相數(shù)電流A電阻電感mH靜轉(zhuǎn)矩g.cm引線數(shù)機身長mm42BYG250-481.820.430805000448圖 4-1 所選用步進電機主要特點：高轉(zhuǎn)速，低慣量，低噪音運城學院學士學位論文17圖 4-2 電氣原理圖4.2 PLC 選擇、參數(shù)綜合考慮各項要求后 PLC 選擇型號為 CPM2A-40CDR-A，參數(shù)如下表：表 4-2 PLC 型號型號晶體管輸出說明輸入點輸

44、出點電源繼電器輸出漏型源型最大 I/O 擴展單元數(shù)最大的I/O 數(shù)40 點 I/O 的CPU 單元24 點16 點ACCPM2A-40CDR-A3100圖 4-3 所選用的 PLC 外型圖運城學院學士學位論文18表 4-3 I/O 接口分配項目CPM2AH輸入位IR00000IR00915IR02000IR02515輸出位IR01000IR00915IR03000IR03515I/O 存儲器工作位IR02000IR04915IR20000IR22715模擬量 I/O 單元：為提供模擬量輸入和輸出可連接多達 3 個模擬量 I/O 單元。每個單元提供 2 點模擬量輸入和 1 點模擬量輸出，所以連接

45、 3 個模擬量 I/O單元就能得到最大的 6 點模擬量輸入和 3 點模擬量輸出。（將模擬量 I/O 點與PID()和 PWM()指令結(jié)合就能完成時間-比例控制）。模擬量輸入范圍可以設置為 010VDC，15VDC，或 420mA；分辨率為 1/256。（15VDC 和420mA 設定可以使用開路檢測功能）。模擬量輸出范圍可以設置為010VDC，-1010VDC，或 420mA；分辨率為 1/256。高速計數(shù)器和中斷：CPM2A 計有五個高速計數(shù)器輸入。一個響應頻率為20 kHz/5 kHz 的高速計數(shù)器輸入，與四個響應頻率為 2 kHz 的高速計數(shù)器輸入（在計數(shù)器方式下）。高速計數(shù)器可以用在四

46、種輸入方式中的任一種下；微分相位方式(5 kHz)，脈沖+方向輸入方式(20 kHz)，增/減脈沖方式(20 kHz)，或遞增方式(20 kHz)。當計數(shù)與一設置值匹配或下降在一規(guī)定范圍內(nèi)時，能觸發(fā)中斷。中斷輸入（計數(shù)器方式）可用遞增計數(shù)器或遞減計數(shù)器(2 kHz)并在計數(shù)與目標值匹配時觸發(fā)中斷（執(zhí)行中斷程序）。高速中斷輸入功能有四個輸入用于中斷輸入（與快速響應輸入和計數(shù)方式的中斷輸入共用），最小輸入信號寬度與50s，響應時間為 0.3 ms。當一中斷輸入變?yōu)?ON 時，主程序停止而中斷程序執(zhí)行。快速響應輸入功能有四個輸入用于快速響應輸入（與中斷輸入和計數(shù)方式的中斷輸入共用），能可靠地讀出信號

47、寬度短到 5s 的輸入信號。穩(wěn)定輸入濾波器功能：所有輸入的輸入時間常數(shù)都可以設置為 1 ms，2 ms，3 ms，5 ms，10 ms，20ms，40 ms 或 80 ms。信號抖動和外部噪聲可以通過提高輸入時間常數(shù)來降低。間隔計時器中斷間隔計時器可以設置在 0.5 和319,968 ms 之間，并能設置為只產(chǎn)生一次中斷（單次方式）或定時中斷（預定中斷方式）。運城學院學士學位論文194.3 控制過程分析表 4-4 步進電機工作狀態(tài)表4.4 程序編制單臺步進電機功能表圖、時序圖圖 4-4 單臺步進電機時序運城學院學士學位論文20圖 4-5 單臺步進電機功能表圖運城學院學士學位論文21圖 4-6

48、單臺步進電機梯形圖4.5 電機間的速比根據(jù)線圈包扎過程控制過程圖可以知道，在包扎兩端斜邊時控制 X 軸的步進電機 M3 和控制 Y 軸的步進電機 M2 是同時啟停的，它們之間在包扎過程中需要相互配合，則速度之間必有關系， ，因此需要計算 M2、M3 之間的速度關系，首先假設線圈的轉(zhuǎn)角是 120。 圖 4-7 M2/M3 電機速比示意圖運城學院學士學位論文22則約等于 3/5。32cot60mmVV考慮 M3 與 M2 的速比后,梯形圖如下：圖 4-8 M3 梯形圖圖 4-9 M2 梯形圖包扎頭電機速比：圖 5-10 包扎頭速比示意圖步進電機外輪與繞包頭的傳動比是 8/40=1/5。脈沖當量=步

49、進電機步距角螺距/( 360 傳動速比)，已知螺距是 5mm，而絕緣材料包扎 5mm 就是前進了一個螺距。包扎頭電機 M1 的脈沖當量= =0.181.8 513605繞包頭的梯形圖如下運城學院學士學位論文23圖 4-10 包扎頭步進電機梯形圖我們采用多個 PLC 基礎脈沖組成一個步進電機工作脈沖，其工作流程圖如下。這樣通過改變基礎脈沖個數(shù)即可實現(xiàn)對步進電機工作脈沖的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對步進電機的調(diào)速。圖 4-11 脈沖定義示意圖運城學院學士學位論文24圖 4-12 流程圖重新定義脈沖寬度的程序如下圖 4-13 重新定義脈沖寬度的梯形圖運城學院學士學位論文25對于兩相步進電機，當電源極性發(fā)生改變時，保

50、持控制過程不變，則電機轉(zhuǎn)向發(fā)生改變，即改變電源的正負極向，實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)。圖 5-8 所示為電源正反轉(zhuǎn)控制原理圖。圖中當開關 1000 和 1001 接通時，電源輸出極性為上+下-，當開關 1002 和 1003 接通時，電源輸出極性為上-下+?？紤]到 1000、1002 和 1003、1001 分別同時接通時會發(fā)生短路現(xiàn)象，故必須增加互鎖保護。本設計里，采用 PLC 程序進行電源互鎖保護。 圖 4-14 電源反接原理圖電源反接梯形圖圖 4-15 電源反接梯形圖運城學院學士學位論文26四臺步進電機梯形圖，根據(jù)控制流程圖寫出，圖 5-16 四臺步進電機控制流程圖根據(jù)控制流程圖。用 CX-Progr

51、am 寫出梯形圖，把控制的主程序放在最前，把四臺步進電機的程序放在后面，中間用開關控制。運城學院學士學位論文27運城學院學士學位論文28運城學院學士學位論文29運城學院學士學位論文30運城學院學士學位論文31運城學院學士學位論文32運城學院學士學位論文33運城學院學士學位論文34運城學院學士學位論文35四臺步進電機語句表因為長度過大，因此置于附錄。4.6 步進電機與 PLC 銜接配合運城學院學士學位論文36圖 4-17 PLC 與步進電機接線圖第五章 實驗運城學院學士學位論文375.1 條件實驗實驗設備：THORM-3 型可編程控制器實驗箱、42BYG250-48 步進電機四臺、12V 的穩(wěn)壓

52、電源一臺、開關 5 個、接線端子 10 個、熔斷器 4 個、導線及數(shù)據(jù)線若干。由于 THORM-3 型可編程控制器實驗箱的是 CPM2AH 型號，而CPM2AH 的 I/O 接口數(shù)是 12 個，因此達不到要求，所以只能將每臺電機的程序一個個的在實驗箱上實驗、調(diào)試。實驗時應注意步進電機不應該立置，并注意不要長時間將步進電機通電閑置，以免溫度過高，燒毀電機。步進電機控制程序用 CX-Program 軟件編制好以后上傳至 PLC，上傳過程中 PLC 電源應打開，程序才可以上傳至 PLC 內(nèi)部。上傳后運行程序，程序運行時會有淺顏色綠線表示為導通狀態(tài)，查看檢驗程序運行過程與設計是否相同，經(jīng)檢驗，此次試驗

53、程序運行與設計相符。5.2 實物連線圖圖 5-1 單臺步進電機連線圖運城學院學士學位論文38圖 5-2 兩臺步進電機連線圖圖 5-3 程序運行運城學院學士學位論文395.3 設計成本分析 本設計的控制系統(tǒng)用到的設備包括：表 5-1 成本清單設備名稱單價數(shù)量合計（元）步進電機2004800PLC(CPM2AH)250012500穩(wěn)壓電源2001200開關205100接線端子520100熔斷器5840輔助材料略略150由上表得本設計的成本為 800+2500+200+100+100+40+150=3890（元）運城學院學士學位論文40第六章 結(jié)論通過本設計，設計出了符合要求的控制系統(tǒng)，基本達到了預

54、期目標。1. 新型全自動包扎機具有步進電機提供動力，應用面廣，包扎準確，調(diào)節(jié)簡便，結(jié)構輕巧,采用 PLC 控制抗干擾能力前，人機界面好。2.由于在結(jié)構上考慮了不同步進電機之間速度的協(xié)調(diào)關系，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)角能任意而準確的調(diào)節(jié)，全自動包扎斜邊和直線邊，而且包扎精度得到了很好的保證，包扎速度也大幅的提高，因此解決了長期來未能解決的包扎精度和包扎速度不能同時提高問題，克服了以往絕緣材料包扎后不合格產(chǎn)品率居高不下的現(xiàn)象，避免了原材料和人力資源的浪費，大量降低了生產(chǎn)成本，對今后發(fā)展具有脆性的玻璃絲包絕緣的技術經(jīng)濟方向創(chuàng)造了有利條件。3.基于 PLC 的控制系統(tǒng)有很好的適用性，對于不同型號的全封閉線圈只要改變

55、PLC 程序中的數(shù)值，上傳至 PLC，就能實現(xiàn)包扎。同時，由于現(xiàn)實的硬件及軟件條件限制，本設計也存在一些不足：1.如現(xiàn)在可以提供的 PLC 實驗箱為：THORM-3 型可編程控制器實驗箱，這個型號的實驗箱的接口數(shù)量 12 個而設計中的 PLC 接口數(shù)量需要 20 個，可是滿足此條件的 PLC 價格至少千余元，依靠現(xiàn)有條件無法獲得，所以只能使用THORM-3 型可編程控制器實驗箱進行逐步驗證。2.由于 THORM-3 型可編程控制器實驗箱內(nèi)置的是歐姆龍 CPM2AH 型可編程控制器，而此型號是繼電器型，可是設計應選擇晶閘管型 PLC，由于CPM2AH 是繼電器型，造成脈沖頻率低，電機轉(zhuǎn)速相應也就降低，不能實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動。運城學院學士學位論文41參考文獻1胡曉明.電氣控制及 PLC M.北京: 機械工業(yè)出版社 2005.151-2032何衍慶,俞金壽.可編程序控制器原理及應用技巧 M.北京: 化學工業(yè)出版社 2000.144-159 3王淑英.電氣控制與 PLC 應用.M.北京:機械工業(yè)出版社 2005.47-78 4