線材自動卷繞裝置控制系統(tǒng)的設計

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目 錄 1緒 論 1 1.1課題提出與研究意義 1 1.2 線材卷繞系統(tǒng)的發(fā)展現狀 2 2 線材卷繞系統(tǒng)的特點與應用場合 3 2.1線材自動卷繞系統(tǒng)的特點 3 2.2線材自動卷繞系統(tǒng)的優(yōu)點 3 2.3 線材自動卷繞系統(tǒng)的應用領域 4 3 線材自動卷繞系統(tǒng)的設計要求 5 3.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的控制要求 5 3.2 線材自動卷繞系統(tǒng)中被控對象和元件之間的邏輯控制關系 5 4 PLC控制系統(tǒng)設計原則 6 4.1可編程控制器的簡介 6 4.2 PLC 的一般結構 6 4.3 PLC產品一些常見的技術指標 6 4.4 PLC的選用原則 7 4.5 PLC控制系統(tǒng)設計基本的原則 7 4.6 PLC控制系統(tǒng)設計的基本內容 8 4.7 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 8 4.8 PLC控制系統(tǒng)設計的方法 9 5 線材自動卷繞系統(tǒng)的設備選型 9 5.1 線材自動卷繞系統(tǒng)設計圖 9 5.2 PLC的選型 10 5.3 觸摸屏的選型 10 5.4 變頻器的選型 10 5.5 旋轉編碼器的選型 11 5.6 步進電動機的選型 11 5.7 步進電機驅動器的選型 11 5.8 其他設備選型 12 6 線材自動卷繞系統(tǒng)的理論設計 12 6.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的初步設計 12 6.2 卷繞的進入速度識別 12 6.3 卷繞速度計算 13 6.4 線材卷繞導向部分 13 6.5 卷繞的長度測定 14 6.6 卷繞的誤差補償 14 7 線材自動卷繞系統(tǒng)的程序設計 15 7.1 I\O分配 15 7.2 程序設計 15 8 線材自動卷繞系統(tǒng)的觸摸屏畫面設計 24 8.1 觸摸屏畫面設計概述 24 8.2 觸摸屏畫面的設計 24 9 線材自動卷繞系統(tǒng)主軸卷繞部分設計 28 9.1 MMX-440C 變頻器與三相異步電動機的鏈接 28 9.2 變頻器的參數設置與接線 28 總 結 30 參考文獻 31 附 錄 32 線材自動卷繞系統(tǒng)設計材料清單 32 致 謝 33 33 天津職業(yè)技術師范大學2010屆本科生畢業(yè)設計 1緒 論 1.1課題提出與研究意義 在工業(yè)生產中，有時需要對生產出的線材進行卷繞或要將線材卷繞規(guī)定的匝數（如變壓器線圈），纏繞到規(guī)定直徑的卷軸上。在過去的工業(yè)生產過程中，該卷繞系統(tǒng)對線材的長度計量和張緊度把握是通過機械或人力來完成的。這樣的卷繞方法效率低下，精度較差。對于卷繞有彈性的線材時容易造成拉伸線材變形或卷繞過松的現象。特別需要注意的是，這類機械的卷繞系統(tǒng)只能適應于一種特定彈性和直徑的線材，同時也只能適應特定直徑和寬度的卷軸。因此需要對現有非自動卷繞系統(tǒng)進行必要的自動化更新或改造。 而線材自動卷繞裝置是由PLC進行軟件卷繞控制。其線材的進入速度通過旋轉編碼器測得。線材的直徑、卷軸的直徑和寬度由觸摸屏直接輸入。當需要改變卷繞線材或卷軸的參數時。只需通過觸摸屏改變相應的參數，免去了機械卷繞系統(tǒng)的機械調試工作。 相較其它非自動卷繞系統(tǒng)，由PLC控制的自動卷繞系統(tǒng)成本低廉、操作簡便、構造簡單、便于維護、精度高、效率高?？梢蕴娲F有的工業(yè)生產中使用的非自動線材卷繞系統(tǒng)。 線材繞系統(tǒng)是一種將線材（尤其是有彈性的線材）卷繞到規(guī)定直徑的軸上的機構。它和線材生產機構一同工作。在卷繞過程中，線材生產部分相當于放卷機，卷繞機相當于是收卷機。只有線材生產部分和卷繞機進行同步轉動，也就是說只有當放卷機和收卷機的速度保持一致時，才不會對線材造成損害。由于線材生產部分（放卷機）在轉動過程中速度是接近保持不變的，卷繞機在卷繞過程中，收卷直徑會越來越大，因此放卷到收卷的傳輸線速度越來越大，這就需要不斷的降低線材卷繞機主軸的卷繞速度以配合放卷的速度。從而達到同步收放的效果。這也是我在設計中的重點和難點我在這次畢業(yè)設計中，首先是對卷繞機的機械傳動設備和輔助設備進行設計。再對其控制系統(tǒng)提出自己的方案。我對其控制系統(tǒng)所設計的方案是由一臺三相異步電動機驅動線材卷繞機主軸轉動的速度。由旋轉編碼器測量線材生產速度（既放卷速度），并把檢測到的信號傳遞給可編程控制器PLC，同時，根據線材直徑和卷繞長度（由Siemens TP-177B觸摸屏輸入）確定卷繞速度和卷繞長度。由可編程控制器PLC通過計算、把結果傳遞給變頻器，再由變頻器控制電動機轉速。從而達到收放同步的效果。另外根據線材直徑，PLC還需要控制步進電動機實現線材卷繞的導向問題。 1.2 線材卷繞系統(tǒng)的發(fā)展現狀 線材卷繞系統(tǒng)應用于線材或膠管的生產制造、加工等領域。在該系統(tǒng)發(fā)展初期，是通過硬性的機械拖動來完成線材的圈繞動作。此時的圈繞系統(tǒng)動力多由靠變電壓調速的直流拖動電機實現卷繞動作。這種卷繞系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單，操作直觀。但是，這種卷繞系統(tǒng)由于機械設計的原因大多只能適應一種線材和單一的卷軸。當需要更換另外直徑的線材或其他型號的卷軸時。需要調試甚至更換相應的卷繞機械機構以改變卷繞的線速度。另外還需要改變導向機構。此外，這樣線材卷繞系統(tǒng)的卷繞線速度和導向機構的移動速度與移動距離是通過機械結構計算，這樣的機械變速機構結構復雜，容易磨損，需要定期的維護，且調試、維護這樣的系統(tǒng)需要很高的機械基礎，維護成本很高。 目前的半自動卷繞系統(tǒng)多使用變頻器驅動三相交流異步電動機或使用步進電動機、伺服電動機以實現卷繞的直接、精確控制。此外，線材導向機構也簡化了機械部分。直接應用步進電動機或伺服電動機實現精確的導向。 控制這些電動機實現卷繞動作的多為單片機或可編程邏輯控制器（PLC）。在工業(yè)生產中，由于生產環(huán)境中存在的眾多的干擾原。如電機啟動，觸點的接通、關斷，以及電力變流設備對電源的干擾。要求這樣的控制設備要具有較強的抗干擾性能。由于PLC具有較強的抗干擾性能和多樣的功能。目前，比較成熟的線材卷繞系統(tǒng)多是以PLC作為線材卷繞系統(tǒng)的控制器。卷繞動作由PLC控制相關電機和氣動執(zhí)行元件完成。能十分方便的嵌入到各類生產工業(yè)生產線中。 日益復雜、精確的工業(yè)生產過程要求未來的線材卷繞系統(tǒng)的智能化程度較高。最基本的要求是具有人性化的簡便智能操作界面。同時對相應的控制精度、控制穩(wěn)定性也提出了更高的要求。在要求高速度、高精度、高可靠性、人性化的操作操作界面、具有自主故障判斷功能、維修簡便的同時。還要使單機價格不斷下降、機械結構模塊化、可升級、可重構化發(fā)展。 2線材卷繞系統(tǒng)的特點與應用場合 2.1線材自動卷繞系統(tǒng)的特點 線材自動卷繞裝置是一種將線材（尤其是有彈性的線材）卷繞到規(guī)定直徑的軸上的的機構。它和線材生產機構一同工作。在卷繞過程中，線材生產部分相當于放卷機，卷繞機相當于是收卷機。只有線材生產部分和卷繞機進行同步轉動，也就是說只有當放卷機和收卷機的速度保持一致時，才不會對線材造成損害。由于線材生產部分（放卷機）在轉動過程中速度是接近保持不變的，卷繞機在卷繞過程中，收卷直徑會越來越大，因此在卷繞拖動電機轉速不變的情況下，收卷的線速度越來越大，這就需要不斷的降低線材卷繞機主軸的卷繞速度以配合放卷的速度。從而達到同步收放的效果。這也是我在設計中的重點和難點我在這次畢業(yè)設計中，首先是對卷繞機的機械傳動設備和輔助設備進行設計。再對其控制系統(tǒng)提出自己的方案。我對其控制系統(tǒng)所設計的方案是由一臺三相異步電動機驅動線材卷繞機主軸轉動的速度。由旋轉編碼器測量線材生產速度（既放卷速度），并把檢測到的信號傳遞給可編程控制器PLC，同時，根據線材直徑和卷繞長度（由Siemens TP-177B觸摸屏輸入）確定卷繞速度和卷繞長度。由可編程控制器PLC通過計算、把結果傳遞給變頻器，再由變頻器控制電動機轉速。從而達到收放同步的效果。另外根據線材直徑，PLC還需要控制步進電動機實現線材卷繞的導向問題。 2.2線材自動卷繞系統(tǒng)的優(yōu)點 這樣的自動卷繞系統(tǒng)具有如下優(yōu)點: 1.節(jié)省了人力資源 卷繞工作有線材卷繞系統(tǒng)自動完成控制卷繞?？梢宰鞯綗o人值守。當卷繞到規(guī)定長度或系統(tǒng)傳感器檢測到卷繞故障時，機器停機報警。這時才需要人工完成更換卷軸或進行維修工作。節(jié)省人力資源。 2.提高了工作效率 線材自動卷繞裝置相叫較半自動卷繞系統(tǒng)。其卷繞張力控制是由PLC自動控制完成。在出現卷繞誤差時也是由PLC自動完成誤差補償。其卷繞動作連續(xù)、快速。提高了工作效率。 3.操作簡便容易 在卷繞生產過程中，操作人員是通過觸摸屏操作該自動卷繞系統(tǒng)。省去了機械卷繞系統(tǒng)中需要的機械設備調試。減輕了操作人員的勞動強度。操作界面簡單、直觀，操作簡便、容易。 4. 提高了安全性可靠性 在該線材自動卷繞系統(tǒng)中。操作人員不必去接觸有可能轉動的機械部分，只需要通過觸摸屏操作卷繞系統(tǒng)。因此提高了該線材卷繞系統(tǒng)的操作安全性。 由于省去了部分機械卷繞裝置的機械測速、變速部分。簡化了該卷繞系統(tǒng)的機械結構，減少了零件總數。提高了設備運轉的可靠性。 5. 減少了制造與維修成本 該線材自動卷繞系統(tǒng)設計結構簡單。大部分功能通過PLC的軟件實現。簡化了生產難度和生產成本。同時，由于結構簡單，維修變得更加容易，減少了維修難度與維修成本。 2.3 線材自動卷繞系統(tǒng)的應用領域 1、線材生產、加工部門 在線材的生產與加工領域，無可避免的就是各種型號的線材要根據不同的需要卷繞在不同大小的卷軸上。特別是彈性線材和熱的塑膠線材（如熱的膠管）的卷繞。其對卷繞張力控制要求十分精確。否則會造成線材卷繞的不均勻甚至損壞線材。而一般的半自動機械控制的卷繞系統(tǒng)結構復雜，成本高昂，在卷繞這些線材時需要極其嚴格的調試和改造。但仍不能滿足卷繞的要求。但由PLC控制的線材自動卷繞系統(tǒng)結構簡單，調試方便，控制精度高，完全能夠滿足卷繞這些彈性線材的性能要求。而且操作、維護簡便。 2、生產成品需要線材卷繞流程的部門 在某些線圈（例如變壓器）的生產過程中。需要對某種線材進行規(guī)定長度或規(guī)定匝數的精確卷繞。該線材自動卷繞系統(tǒng)能夠通過修改觸摸屏的卷繞參數就能滿足規(guī)定的要求。而半自動機械卷繞裝置則需要調整甚至修改機械結構改變卷繞的變比。有一定的操作與調試難度。因此，該線材自動卷繞裝置能夠滿足生產成品需要線材卷繞流程的部門進行高精度的線材卷繞要求。 3線材自動卷繞系統(tǒng)的設計要求 3.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的控制要求 在線材自動卷繞系統(tǒng)的設計中，要求有給定輸入速度（由旋轉編碼器實現）。應用觸摸屏輸入線材直徑、卷繞長度、卷軸直徑和卷軸寬度（由線材直徑、卷軸寬度和卷軸直徑確定卷繞速度。不同的參數在卷繞中線速度不同）再參考給定輸入速度確定最終的卷繞速度。在系統(tǒng)運行中。應在觸摸屏中有相應的監(jiān)控情況。此外，由于在卷繞過程中存在誤差。還應在卷繞中加入張緊度測試。在過松或過緊時，自動調節(jié)卷繞速度，并要求在觸摸屏中有相應的故障指示。 3.2 線材自動卷繞系統(tǒng)中被控對象和元件之間的邏輯控制關系 給定輸入速度的測定：由旋轉編碼器實現 線材參數（包括線材直徑、卷繞長度）：通過用戶對觸摸屏輸入數據實現 卷軸參數（包括卷軸直徑、卷軸寬度）：通過用戶對觸摸屏輸入數據實現 監(jiān)控卷繞情況（包含已卷繞長度）：通過觸摸屏顯示監(jiān)控 卷繞線材的導向機構：通過步進電動機驅動 卷繞主軸的驅動：通過變頻器控制的三相異步交流電動機實現 卷繞長度和卷繞圈數的測定：通過旋轉編碼器實現 4 PLC控制系統(tǒng)設計原則 4.1可編程控制器的簡介 可編程控制器過去簡稱PC，為區(qū)別于個人計算機，現一般簡稱PLC。它采用可編程序的存儲器，用來存儲用戶指令，完成確定的邏輯、順序、定時、計數、運算和一些確定的功能是通過數字或模擬的輸入輸出，來控制各種類型的機械設備或生產過程。PLC不采用固定接線萬式，比繼電器控制系統(tǒng)設計周期短、更改容易、接線簡單、成本低，而且把計算機的功能和繼電器控制系統(tǒng)結合起來，使控制更為容易。同時，它還有簡單易學、使用和維護方便、運行穩(wěn)定可靠及設計周期短的特點。 4.2 PLC 的一般結構 中央處理器(CPU)、存儲器、輸入接口電路、輸出接口電路。 4.3 PLC產品一些常見的技術指標 (1)輸入/輸出點數 ( 即I/O點數) 即指PLC外部輸入、輸出端子數。這是重要的一項技術指標。 (2)掃描速度 一般以執(zhí)行100O步指令所需要的時間來衡量，故單位為mS/千步。也有時以執(zhí)行一步指令的時間計算，如DS/步。這決定了控制速度。 (3) 內存容量 一般以PLC所能存放用戶程序來衡量。這決定了控制的復雜程度。在PLC中程序指令使按"步"存放的一“步”占用一個地址單元，一個地址單元一般占用兩個字節(jié)。如一個內存容量為1000步的PLC可推知其內存為2K字節(jié)。 (4)指令條數 這是衡量PLC軟件功能強弱的主要指標。PLC具有的指令越多，說明其控制功能越強。 (5)內部寄存器 PLC內部有許多寄存器用以存放變量狀態(tài)、中間結果等，還有許多輔助寄存器可供用戶使用，可提供許多特殊化或簡化整體系統(tǒng)設計。寄存器配置情況是衡量PLC硬件功能的一個指標。 (6)高級功能模塊 PLC除了主控模塊外還可以配接各種高功能模塊。主控模塊實現基本控制功能。高功能模塊則可實現某種特殊的專門功能，使PLC不但能進行開關量順序控制，而且能進行精確的定位和速度控制、和計算機進行通信、直接用高級語言進行編程等，給用戶提供了強有力的工具。高功能模塊的多少、功能強弱常是衡量PLC產品水平高低的一個重要指標。 4.4 PLC的選用原則 隨著現代PLC技術的發(fā)展，PLC應用的范圍也很廣泛，所以，一般我們對PLC的選用我們有以下方面的考慮：可靠性、維修方便、可以在惡劣環(huán)境下工作、使用方便、編程方便、可兼容性、修改與擴充能力、自診斷能力、價格、特殊性能、聯(lián)網能力、運行速度等。 4.5 PLC控制系統(tǒng)設計基本的原則 任何一種控制系統(tǒng)都是為了實現被控對象的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。因此，在設計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則: (1)充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度的滿足用戶提出的技術條件要求，了解整個被控對象(包括生產設備或生產過程的工作原理、工藝、性能、參數等)，并深入現場進行調查研究，收集資料，與機械部分的設計人員和現場操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，以協(xié)同解決系統(tǒng)設計中出現的各種問題，并能根據需要方便的進行修改。 (2)在滿足控制要求的前提下，讓整個PLC控制系統(tǒng)及控制電路安全、可靠、簡單，具有較高的性能價格比。 (3)合理的選擇PLC機型及電器元件。同時，在PLC的I\O點數和內存容量上應適當留有余地，以滿足今后生產發(fā)展和工藝的改進。 (4) 容易掌握，便于操作和維修。 4.6 PLC控制系統(tǒng)設計的基本內容 (1)擬訂控制系統(tǒng)設計的技術條件。 (2)選擇電力拖動形式和電動機、電磁閥等執(zhí)行機構。 (3) 選定PLC的型號。 (4)分配PLC的I/O點，繪制PLC的I/O硬件接線圖。 (5)設計控制系統(tǒng)梯形圖并調試。 (6)設計控制系統(tǒng)的操作臺、電氣控制柜等以及安裝接線圖。 (7)編寫設計書和使用說明書。 4.7 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 一般PLC控制系統(tǒng)的設計步驟具體操作如下: (1)分析被控對象:分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象的 全部功能，設備內部之間的關系。 (2)確定輸入/輸出設備:根據系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的輸入設備(如按鈕、位置開關、轉換開關等);輸出設備 (如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)。 由此，確定PLC的I/O 點數。 (3)選擇PLC:包括PLC的機型、容量、I/O模塊、電源和其他擴展模塊的 選擇。 (4)分配I/O點:畫出PLC的I/O端子與輸入/輸出設備的連線圖或對應表。 (5)設計控制系統(tǒng):如畫功能圖、梯形圖、對程序的調試等。 (6)硬件設計及現場施工。 (7)聯(lián)機調試:是指將模擬調試通過的程序進行再線調試。 4.8 PLC控制系統(tǒng)設計的方法 PLC編程方法靈活，指令系統(tǒng)強大，控制系統(tǒng)設計方便，軟、硬件設計可同時進行。PLC由很強的驅動能力，可直接驅動接觸器和電磁閥等執(zhí)行元件，在工作控制中具有廣泛的通用性。 對電氣控制設備來講，PLC 控制系統(tǒng)是設備控制要求和工藝流程的具體體現，但是任何PLC控制系統(tǒng)的設計都是在控制方式和電動機技術數據確定以后進行的。 5 線材自動卷繞系統(tǒng)的設備選型 5.1 線材自動卷繞系統(tǒng)設計圖 圖5-1 線材自動卷繞系統(tǒng)設計圖 5.2 PLC的選型 在該線材卷繞系統(tǒng)中，需要控制步進電動機。因此，使用的PLC需要具有高速脈沖輸出功能。一般具有高速脈沖輸出功能的PLC多為晶體管輸出類型，學校能夠實現高速脈沖輸出功能的PLC有松下的FP-0系列和西門子的S7-300 CPU 314C。而松下的FP-0輸出端口少，內存?。删幊炭臻g只有2.7K）不能滿足端口數量和編程空間的要求。況且在線材卷繞系統(tǒng)中，需要精確的對卷繞主軸電動機進行精確的調速控制。主軸卷繞電動機是三相異步交流電動機，想要實現自動精確調節(jié)主軸驅動電動機的速度，必須選用變頻器模擬量速度調節(jié)功能。而要實用上述功能。選用的PLC還必須具備0-10V或0-5V的模擬量輸出功能。但是松下FP-0系列PLC不具備模擬量輸出功能。因此選用西門子S7-300 CPU314C才能夠滿足設計要求。 5.3 觸摸屏的選型 在該線材自動卷繞系統(tǒng)中，需要應用觸摸屏進行如下應用： 1、對卷繞線材和卷軸的參數的設置。 2、對線材卷繞裝置的使用幫助說明。 3、對卷繞狀況的監(jiān)控（包含卷繞長度的顯示、卷繞動作的模擬以及故障和錯誤的報警）。 因此，能夠滿足以上應用要求的觸摸屏需要具備多畫面顯示、動畫顯示、參數的預置與監(jiān)控等多種功能。為了使該線材卷繞系統(tǒng)的操作更加簡便和人性化。因此，在這個線材卷繞系統(tǒng)的設計中我選用了西門子TP-177 B pn\dp color型觸摸屏。該款觸摸屏具有5.7英寸的彩色顯示可觸摸畫面。集成RS422/485接口。其機身內存為2048KB。完全可以滿足線材卷繞系統(tǒng)的設計要求。 5.4 變頻器的選型 在該線材卷繞系統(tǒng)中。需要應用PLC對驅動卷繞主軸的三相交流異步電動機進行大范圍精確的無級調速。因此，需要應用變頻器對該電動機進行調速控制。這樣的調速要求需要變頻器具有無級、大范圍穩(wěn)定調速的功能。我們在PLC的選型中已經說明，我們會利用PLC的模擬量輸出功能控制變頻器以實現這樣的調速功能。所以，我們選擇的變頻器亦應該具有相應的模擬量輸入控制無級調速的相應功能。 因此，在這個線材卷繞系統(tǒng)的設計中我選用了西門子的MMX-440C變頻器作為主軸卷繞電動機的控制。因為該型號變頻器能夠兼容于西門子S7-300型PLC的模擬量輸出實現主軸卷繞電動機的精確無級調速控制。 5.5 旋轉編碼器的選型 在該線材自動卷繞系統(tǒng)中采用了旋轉編碼盤以采集線材的進入速度和卷繞主軸的卷繞圈數，為達到規(guī)定的卷繞精度，該系統(tǒng)選用了100p/r的編碼盤。當旋轉編碼器旋轉時，會在輸出端在產生VP-P為24V的方波信號，每轉一圈輸出100個脈沖。可以提供給PLC的高速計數器，用于線材卷繞的速度控制和導向控制。 5.6 步進電動機的選型 該卷繞系統(tǒng)的步進電動機是用來驅動線材導向機構。在設計中我選擇的是二相八拍混合式步進電機其主要特點為：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉矩等優(yōu)點。本系統(tǒng)設計中采用串聯(lián)型接法，其電氣圖如圖5-2所示： 圖5-2 步進電機電氣圖 5.7 步進電機驅動器的選型 步進電機驅動器主要有電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。 驅動器電源由面板上電源模塊提供，驅動器信號端采用+24V供電。驅動器輸入端為低電平有效。 驅動器電流設定為0.63A，細分設定為8細分。將24V電源接入驅動器，此時驅動器的電源指示燈應點亮。將24V與OPTO端（驅動器使能端）連接起來。PUL端是脈沖輸入端。DIR是方向控制輸入端。 5.8 其他設備選型 需要應用機械部分來實現步進電動機每過一個細分，卷繞導向臂移動1mm。 6 線材自動卷繞系統(tǒng)的理論設計 6.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的初步設計 在線材卷繞系統(tǒng)的設計中，一共分為4部分： 1、線材進入速度測量采用旋轉編碼器直接給PLC輸入線材進入速度。 2、線材卷繞導向部分采用步進電動機驅動的機械導向器。其導向控制計算方法是利用觸摸屏輸入的線材直徑d和卷軸的寬度H以及卷繞的速度決定的。 3、線材卷入的速度V是由線材輸入速度v，線材直徑d和卷軸直徑D決定的。 4、因為線材卷繞中，PLC在線材進入速度識別和卷繞過程中存在一定的誤差。因此還需要在該系統(tǒng)中加入卷繞誤差控制。 6.2 卷繞的進入速度識別 在本項設計中，采用旋轉編碼器識別線材進入的線速度。設定線材每進入一米，旋轉編碼器產生100個脈沖（通過機械結構解決）則可通過PLC編寫程序計算出進入速度。根據公式 進入PIC的線材長度（取1cm為標準單位，設脈沖個數為N）： S=1*N （6-1） 進入速度（令t=1s）： v=S/t （6-2） 6.3 卷繞速度計算 設卷繞時卷軸的角速度為則卷繞的線速度： V=R*ω （6-3） 為完成卷繞要求，則需要做到線材卷繞的線速度與線材的進入速度相等。則有： V=v （6-4） S/t=Rω （6-5） 所以：ω=s/(RT) （6-6） 在上式中R是未知的該R經畫圖分析與卷軸直徑D﹑卷繞層數X和線材直徑d有關，線材在卷繞過程中，每卷繞一層，卷軸的半徑就增加了一個d（線材的直徑）。此外，為了增加卷繞速度的計算精度。還不應忽略在卷繞中的最外層。因此，還需在卷繞半徑上卷上最外層的增加的卷繞半徑d/2。 卷繞半徑計算公式為： R=D/2+Xd+d/2 （6-7） 6.4 線材卷繞導向部分 該導向部分是由步進電動機驅動擺臂進行線材卷繞中的導向動作。步進電動機是以轉動角度控制擺臂的擺動量。擺臂尖端的擺動幅度為卷軸的寬度H。在線材卷繞開始之前，擺臂是在中間位置（與卷軸垂直，并且垂足位于卷軸橫向的中點）。當用戶通過觸摸屏輸入卷軸寬度H后。擺臂尖端向左移動到與卷軸左端對齊。此時用戶在導向臂中穿入待卷線材，并與卷軸固定。按開始卷繞按鈕啟動卷繞裝置。在設計中，卷軸轉動圈數測定依然采用旋轉編碼器。卷軸每卷繞一圈，PLC會給控制導向臂的步進電動機發(fā)送運動信號，讓導向臂尖端向右移動一個距離d(線材直徑）當運行卷繞至卷軸最右端是，一共移動了X次。 X＝H/d-1 （6-8） 當導向臂向右移動了X次時，卷軸的第一層已被卷滿。此時卷繞第二層。此時每纏繞一圈導向臂向左移動一個d。如此往復。完成卷繞導向過程。 6.5 卷繞的長度測定 在本系統(tǒng)中，用戶可在系統(tǒng)的觸摸屏中輸入要求卷繞的長度，啟動該卷繞系統(tǒng)開始卷繞后系統(tǒng)的進入速度測試編碼開關會累計卷繞長度。當卷繞長度達到用戶預設值時。系統(tǒng)自動停機。并在觸摸屏上顯示卷繞完成信號。 6.6 卷繞的誤差補償 因為線材卷繞中，PLC在線材進入速度識別和卷繞過程中存在一定的誤差。因此還需要在該系統(tǒng)中加入卷繞誤差控制。該誤差控制的基本思想為：在線材導向機構與卷軸之間加入三個卷繞誤差測定裝置，在本人的設計中，本人采用的是三個紅外位置傳感器。三個傳感器縱向排列，自上而下分別為線材卷繞過緊傳感器﹑卷繞正常傳感器和卷繞過松傳感器。 在線材卷繞過程中，線材導向機構與卷軸之間的線材自然下垂。此時線材在過緊與過松傳感器之間，可能會觸發(fā)卷繞正常傳感器，但此時卷繞力度在誤差允許范圍內，不會引起卷繞速度的變化。 當卷繞過緊時，線材繃緊。卷繞過緊傳感器動作，給PLC發(fā)送卷繞過緊信號。此時PLC會在正常的卷繞速度V中，減去過緊調節(jié)速度v松（該參數應在觸摸屏中預置，默認為0.1m/s）。此時卷繞速度減小，線材卷繞變松。緩慢下垂。當線材觸發(fā)卷繞正常傳感器時，PLC將過緊調節(jié)減去的速度v松去除。此時線材的卷繞速度恢復為PLC根據公式計算的正常卷繞速度V。 當卷繞過松時，線材下垂，觸發(fā)卷繞過松傳感器。這是PLC會在正常卷繞速度中加上過松調節(jié)速度v緊。這時線材加速卷繞，線材緩慢繃緊。當觸發(fā)卷繞正常傳感器時。卷繞速度恢復至正常卷繞速度V，完成誤差調節(jié)要求。 7 線材自動卷繞系統(tǒng)的程序設計 7.1 I\O分配 I0.0 開始按鈕 I0.1 卷繞進入速度旋轉編碼器輸入 I0.2 卷繞圈數旋轉編碼器輸入 I0.3 急停按鈕 I0.4 卷繞過緊傳感器輸入 I0.5 卷繞正常傳感器輸入 I0.6 卷繞過松傳感器輸入 Q0.0變頻器模擬量輸出 VA0變頻器模擬量輸出 M變頻器模擬量輸出 Q0.1導向步進電動機步進脈沖輸出 Q0.2導向步進電動機方向電平輸出 Q0.3導向步進電動機脫機電平輸出 7.2 程序設計 在該程序的設計過程中，參照理論設計為設計思路，具體的設計思想、計算方法都在程序中的注釋中說明。在這里就不在進行文字說明了。 8 線材自動卷繞系統(tǒng)的觸摸屏畫面設計 8.1 觸摸屏畫面設計概述 在線材自動卷繞系統(tǒng)的設計中，應用了觸摸屏進行如下控制功能： 1、 輸入卷繞參數：包含線材直徑、卷繞長度、卷軸直徑、卷軸寬度等。 2、 監(jiān)控卷繞狀況：包含卷繞長度的顯示，卷繞層數的監(jiān)控等。 3、 指導卷繞系統(tǒng)的使用：包含開始卷繞之前的線材安裝、固定等。 4、 故障的報警：包含顯示因故障引起的停機原因，和卷繞過程中的誤差補償情況顯示。 8.2 觸摸屏畫面的設計 圖8-1 畫面 1 畫面1 為線材自動卷繞系統(tǒng)的開始畫面，當用戶點擊“點擊進入”按鈕時。觸摸屏畫面進入卷繞參數設置畫面。 圖8-2 畫面 2 畫面2 為線材自動卷繞系統(tǒng)的參數設置畫面。用戶點擊“線材參數設置”、“卷軸參數設置”、“卷繞長度設置”這三個選項時。觸摸屏進入相應的參數設置。當參數都設置完成時。點擊“確認”按鈕進入下一步卷繞準備畫面。當用戶在畫面2中設置完成卷繞參數時，點擊“確認”按鈕時，觸摸屏進入卷繞的準備畫面，指導用戶完成卷繞前的線材裝入工作。 圖8-3 畫面 3 畫面3 為指導線材裝定畫面。用戶只有在線材裝定完成后才能進行開始卷繞動作。以上的觸摸屏畫面中“幫助”按鈕在實做過程中可以新建畫面，在新的畫面中添加圖片和文字說明，更加形象的指導用戶完成線材的裝入過程。用戶穿好線材后，可以點擊“確認”鍵，進入下一步。 圖8-4 畫面 4 畫面4 是正式的卷繞開始畫面。用戶在完成參數設置和線材裝定后才能進入該畫面。這樣避免了卷繞動作的誤啟動，增加了該系統(tǒng)的安全性。用戶點擊開始卷繞按鈕后，線材開始卷繞。當前畫面顯示用戶設定的卷繞長度和當前已經卷繞的長度。用戶可以點擊“暫停”按鈕暫停卷繞。 圖8-5 畫面 5 畫面5 為卷繞過程中的監(jiān)控畫面。卷繞開始后點擊“進入卷繞監(jiān)控系統(tǒng)”按鈕后，該畫面顯示。在該畫面中，顯示了線材的設置卷繞長度、已卷繞長度、線材進入速度、導向機構的運動情況以及當卷繞出現誤差時系統(tǒng)的調節(jié)狀況和系統(tǒng)停機報錯的原因。 圖8-6 畫面 6 畫面6 為線材卷繞完成畫面，線材在卷繞到規(guī)定長度后，系統(tǒng)停機，該畫面顯示。指示該卷線材的長度，匝數和層數。 9 線材自動卷繞系統(tǒng)主軸卷繞部分設計 9.1 MMX-440C 變頻器與三相異步電動機的連接 圖9-1 變頻器主電路圖 圖9-1 為SIEMENS MMX-440C變頻器與三相異步電動機的主電路連接電氣接線圖。在設計中。三相異步電動機的選型還要根據該卷繞系統(tǒng)的具體應用范圍（卷繞線材的直徑）來確定該三相異步電動機的容量。 9.2 變頻器的參數設置與接線 首先對變頻器進行如下設置 參數設置步驟如下： Step1：復位變頻器參數 Step2：設定P0003=3 //設定參數設定方式（專家級模式） Step3：設定P0700=2 //命令源選擇“由端子排輸入” Step4：設定P0701=1 //選擇數字量輸入1為啟動/停止端 Step5：設定P1120= //設置加速時間（s） Step6：設定P1121=？ //設置減速時間（s） Step7：設定P2000=50 //基準頻率采用50HZ Step8：設定P0756=(0~4) //選擇模擬量的輸入方式 Step9：設定P0757=？ //標定ADC的X1值（V/mA） Step10：設定P0758=？ //標定ADC的y1值 Step11：設定P0759=？ //標定ADC的X2值（V/mA） Step12：設定P0760=？ //標定ADC的y2值（V/mA） Step13：設定P0761=？ //標定ADC死區(qū)的寬度（V/mA） 變頻器的主電路接線圖與上面圖9-1相同，控制部分接線如圖9-2所示： 圖9-2 變頻器控制接線圖 總 結 在此次畢業(yè)設計中，我主要做了四項工作: 一、認真、仔細學習可編程控制器的基本結構，主要特點、工作原理以及使用場合，并能根據被控對象的不同要求選擇不同類型型號的機型，輸入輸出接口，連接線以及與上位機相連時使用的適配器等，同時在此基礎上對線材自動卷繞系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計工作，掌握用了編程控制器進行自動化控制的基本設計思路。 二、掌握了使用可編程控制器進行自動控制的設計，對軟件進行了深入的學習和研究。 三、學習并掌握了線材自動卷繞系統(tǒng)的工作過程，控制要求，電路特點等內容，對線材自動卷繞系統(tǒng)有了較深入研究。 四、掌握了PLC的基本指令與高級指令和梯形圖的編程技巧，及通訊過程，從而達到本次設計的目的和要求。 本次設計經過十六周的學習和工作，能夠順利完成設計要求。這次設計的系統(tǒng)接線相對簡單，安裝比較方便，工作效率提高，同時工作可靠，維修量小。在調試時，系統(tǒng)可以達到設計的控制要求。由于畢業(yè)設計時間和經驗有限，該系統(tǒng)程序還可以進行優(yōu)化和完善，硬件上也需要作一些改進，以充分適應工業(yè)生產設計的要求。 參考文獻 [1] 柴瑞娟,陳海霞.西門子PLC編程技術及北京工程應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006. 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[16] 許其義.基于可編程控制器網絡的智能控制系統(tǒng)與開發(fā)[D].山東，曲阜師范大學,2007. 附 錄 線材自動卷繞系統(tǒng)設計材料清單 編程計算機 1臺 西門子S7-300PLC CPU314C 1臺 西門子S7-300PLC編程電纜 1條 西門子TP-177 B pn\dp color型觸摸屏 1個 RS 485通訊電纜 1條 直流24V電源 1個 步進電動機 1個 旋轉編碼器 2個 西門子MMX-440C變頻器 1臺 交流三相異步電動機 1臺 致 謝 經過幾個月的努力，本次畢業(yè)設計的任務己經圓滿結束了。 大學四年的學習生活即將結束，能夠順利完成這四年的學業(yè)和畢業(yè)設計，這和幫助過我的老師們是分不開的。 首先，我要感謝的是指導我這次畢業(yè)設計的李建國老師，他在畢業(yè)設計中給予了我很大的幫助，在畢業(yè)設計初期，他詳細的講解使我對此次設計有了深刻地了解和認識，這使我有計劃，有目標的進行了下面的工作。平時當我遇到問題時，他都會從百忙中抽出時間，耐心的給我認真解答。早我開始擬寫論文時，他又給了我很多幫助，督促我順利完成了此次的畢業(yè)設計。他高尚的品德，認真嚴謹的態(tài)度，為人師表的風范，都給我樹立了榜樣。 其次，我要感謝在我大學這四年所有給予我很大幫助的各位任課老師們，感謝他們教授了各種各樣的文化知識、專業(yè)知識，并且教會了我很多學習方法，這些知識一定是我受用終身，為我今后的工作打下了良好的理論基礎。 大恩不言謝，我會在今后的工作于生活中繼續(xù)努力！回報社會，回報母校！