基于S7-200 PLC薄钢板定长剪切控制系统设计

目录1．绪论.............................................................11.1课题背景和目的意义..........................................11.2设计现状及发展趋势..........................................11.3PLC控制系统设计的原则......................................21.4方案论证....................................................22．系统总体设计.....................................................42.1系统控制要求................................................42.2系统结构及工作原理..........................................42.3运动控制的基本架构..........................................43．系统硬件设计.....................................................63.1光电编码器..................................................63.2高速计数器..................................................63.3高速光耦转换器..............................................83.4PLC控制系统................................................93.4.1PLC选型..............................................93.4.2系统硬件接线图.......................................103.4.3PLC端口分配.........................................104.系统软件设计.....................................................114.1高速计数器的编程...........................................114.2系统程序...................................................12参考文献...........................................................15结束语.............................................................16PLC课程设计1基于S7-200PLC薄钢板定长剪切控制系统设计1．绪论1.1课题背景和目的意义定长剪切机是一种精确控制板材加工尺寸，将大型板块进行定长剪切的设备。传统定长剪切机采用继电器作为控制器件，其控制系统较复杂，参数改变不灵活，大量接线使系统可靠性降低，维修率高，降低了生产效率。PLC以其灵活性、快速性、可靠性和性价比高等特点越来越受到企业或者团体设计者们的欢迎，在各行各业的应用越来越广泛。用PLC替代继电器设计剪切控制系统，具有操作简单，运行可靠，抗干扰能力强，编程方便，控制精度高的明显优势。基于以上PLC特点，本课题主要研究如何应用S7-200PLC设计一个薄钢板定长剪切控制系统，设计的关键是如何提高定长剪切的精度。1.2设计现状及发展趋势薄钢板剪切是钢材加工行业中常见的工序，钢板剪切的主要设备是剪切机，而普通剪切机存在诸多不足。普通剪切机存在的主要不足有：(1)加工精度不高造成加工精度不高的主要原因，一方面是加工尺寸由操作人员用普通钢尺手动测得，精度难以保证；另一方面采用异步电动机带动链条传动机构，这样不仅定位精度低，而且易造成剪切面的机械偏差，这种偏差随加工板材宽度增加而加大。(2)操作繁琐，容易出错剪切机需要人工操作，剪切动作的控制需人工完成，占用人力资源，也容易出错。(3)能耗大，效率低剪切机的动力系统一般使用普通异步电机，在剪板过程中不断启停，能耗大、效率低。由普通剪切机发展而来的传统自动剪切机采用继电器作为控制器，其控制系统较复杂，参数改变不灵活，大量接线使系统可靠性降低，维修率高，降低了生产效率。随着我国经济的持续高速增长，社会对各类板材的需求量不断增长，对板材加工的精度提出了更高的要求，由于板材生产对一定长度的要求，人们希望能够精确对板材进行定长切割。另外，随着企业之间的竞争日益加剧和人力资源成本的上升，厂家为了在竞争中占据有利地位，除了保证板材加工的精度外，对板材加工的效率也提出了更高的要求。PLC课程设计2基于上述情况，板材生产加工企业迫切需要高精度、高效率的生产设备。剪切机是板材加工企业的关键生产设备之一。在可预见的未来，剪板机发展趋势和需求方向是，一些资金雄厚的企业，出巨资购买全新数控剪切机；相当一批中小企业没有足够的资金，希望通过对原设备的技术改造来满足要求。对普通剪切机或传统自动剪切机升级改造，提高工作效率和剪板精度，降低能耗，这方面有较大的市场需求。PLC一直以来为各种工业设备提供了非常好的控制定长切割，其功能越来越强大，不断完善和扩展的网络功能，朝着高性能小型化发展。用可编程序控制器进行控制，省去了如继电器之类的固体电子器件，简化了繁杂的硬件接线线路，使控制具有极强的的柔性和功能的可拓展性；同时可编程序控制器具有性能稳定,工作可靠，操作简单，调节方便，显示直观，自动保护等特点。1.3PLC控制系统设计的原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量为目的的。PLC系统设计应遵循以下原则。（1）满足要求原则最大限度的满足被控对象的控制要求是设计控制系统的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。（2）安全可靠原则控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，对设计控制系统来说至关重要。为了达到这一点，要求在系统设计、器件选择和软件编程上全面考虑。例如，在设计上应该保证PLC程序不仅在正常条件下能正确运行，而且在一些非正常情况下也能正常工作。系统应该具有能接受并且只能接受合法操作，对非法操作程序能予以拒绝的能力。（3）经济实用原则经济实用也是系统设设计的一项重要原则，这就要求不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护既方便又低成本。（4）适应发展原则控制系统的要求也一定会不断的在提高和完善。在控制系统设计时，要考虑今后的发展和完善，这就是要求选择的PLC机型和输入/输出模块要能适应发展的需要，要适当留有发展余量。1.4方案论证方案一：在剪板机刀口后面安装一个接近开关，当钢板经过夹送辊，通过刀口到达预定位置，接近开关检测到钢板头已经到达就启动刹车系统停车，并发送信号给PLC，PLC发送信号启动冲压系统将钢板剪切。如果钢板超过了设定位置，就命令电机反转，直到与设定值一致。改变接近开关距离刀口的长度就能够方便改变要剪切钢板的尺寸。此方案的好处是原理简单，安装和维护方便，编程较容易。不足的是，钢板的长度只有到达位置和没有到达位置两种粗略状态，系统不能够PLC课程设计3监测实际尺寸跟设定参数差距值，因此使PLC控制电机运转幅度不好把握，很难得到预想结果，造成误差较大。方案二：针对方案一体现的不足，可用旋转光电编码器测量实际的钢板尺寸，安装光电编码器和夹送辊同轴，根据夹送辊的周长和旋转数据能方便地计算出钢板经过夹送辊的尺寸，将检测数据以脉冲形式反馈到PLC进行处理存储。一开始先加速运行，后匀速运行，快到达预定位置之后再制动减速停车。当检测到钢板尺寸与设定值一致，PLC启动冲压系统将钢板剪切，如果超过设定值，PLC命令电机反转，直到和设定值一致。本方案的优点是，在不掉电情况下，继电器能够记录钢板的尺寸参数，调整电机正转或反转幅度有具体的参数指导，控制精度比方案一较高。相对方案一，方案二取消了接近开关，使用了旋转增量式光电编码器，成本上较有上升，编程也较复杂，但其控制精度较高，且成本在可承受范围内，性价比比较高，总体来说比方案一好。本设计采用方案二。PLC课程设计42．系统总体设计2.1系统控制要求本设计的薄钢板定长剪切控制系统要达到以下控制要求：（1）待切材料从左向右牵引电动机前行，光电编码器信号用来测量牵引的长度，待牵引长度达到预先设定的数值时，电动机制动且动作。（2）通过PLC高速计数器控制指令和光电编码器实现精确定长切割。2.2系统结构及工作原理图2-1定长切割结构图工作原理：待切材料从左向右牵引电动机前行，光电编码器信号用来测量牵引的长度，待牵引长度达到在高速计数器中预先设定的数值时，电动机制动且切刀动作，即实现定长切割。从图2-1中可以看出，S7-200作为控制的核心，主要对牵引长度进行计算和对切刀进行控制。2.3运动控制的基本架构运动控制是电气控制的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备，如液压泵、线性执行机或者电机来控制机器的位置和速度。运动控制在机器人和数控机床领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常称为通用运动控制。运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。一个运动控制系统的基本架构（如图2-2）包含以下部分：PLC课程设计5一个运动控制（如PLC）。用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置反馈环。许多控制器也可以在内部闭合成一个速度环。一个驱动器或放大器（如伺服控制器和步进控制器）。用以将来自动控制器的控制信号（通常是速度或扭矩信号）转换为更高功率的电流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。一个执行器，如液压泵、气缸、线性执行机或电机，用以输出运动。一个反馈传感器，如光电编码器、旋转变压器或霍尔效应设备等，用以反馈执行器的位置到位置控制器，实现和位置控制环的闭合。PLC电机光电编码器图2-2运动控制系统基本构架众多机械部件用以将执行器的运功形式转换为期望的运动形式，包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。通常，一个运动控制的工艺文件的功能主要如下：（1）速度控制。（2）点位控制（点到点）。有很多方法可以计算出一个运动轨迹，它们通常基于一个运动的速度曲线，如三角速度曲线、梯形速度曲线或者S型速度曲线。（3）电子齿轮（或电子凸轮），也就是从动轴的位置在机械上跟随一个主动轴的位置变化。一个简单的例子：一个系统包含两个转盘，它们按照一个给定的相对角度关系转动。电子凸轮较电子齿轮更复杂一些，它使得主动轴和从动轴之间的随动关系曲线是一个函数。这个曲线可以是非线性的，但必须满足一个函数关系。从运动控制的基本架构可以看出，PLC作为一种典型的运动控制核心，起到了非常重要的作用，这主要归结于PLC具有高速脉冲输入、高速脉冲输出和运动控制模块等软硬件功能。设定值发生器设定值序列伺服控制器步进控制器现场命令运动控制的工艺文件0.20.40.44设定值序列T（s）设定值00.00.10.20.20.40.30.4……PLC课程设计63．系统硬件设计3.1光电编码器光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，它是通过电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的。旋转编码器分为绝对式和增量式两种，绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或循环码（格雷码），通过接收器将该数码送入计算机。绝对式编码器常用于检测转角，若需得到转速，必须对转角进行微分处理。增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅。光电编码器的光栅盘与电动机同轴，电动机转