1、基于PLC的切割机系统设计毕业设计（论文）题 目 基于PLC的自动切锁管机控制系统设计 指导教师 院 别 班 级 学 号 姓 名 二一一年三月二十日基于PLC的自动切锁管机控制系统设计摘 要：随着自动行业的发展，在生活生产中到处都出现了不同种类的自动化设备。在当今的工业领域中，板材管料切割是成品加工过程中最为重要的步骤，也是保证成品质量的重要工序。本文在基于PLC的切割机控制系统设计中，设计了PLC控制系统总体方案，给出了软、硬件设计与实现方案。在硬件设计部分，阐述了电动机主电路及其电器控制电路的设计过程，给出了这两个电路的电器元件的选择结果。在控制电路的设计部分，阐述了I/O接线图的设计过程
2、，给出PLC及其输入输出元件的选择结果。在软件设计部份详细地阐述了PLC用户程序的设计过程，其中包括对公用程序、手动程序、自动程序与故障报警程序的设计过程的阐述，并给出了上述所有程序的梯形图和指令表。关键词：切割机；PLC；控制系统。The System Design of The Automatic Cutting Machine Base on PLCProfession：Automation Class：D072 Name：Zheng-Zhong Instructor：Ganfei LouAbstract: With the development of automatic indust
3、ry,various kinds of automatic equipments appear all around of our life and production.In todays industrial field,Incising the material of tube and plank stuff is not only the most important step during the procedure of processing finished products but the important process of ensuring the productsqu
4、ality.Designed the PLC control system a total project in according to the PLC static cutting the machine control system design, give soft, hardware design and carry out a project. Design part in the hardware, elaborate the design process of the electric motor main electric circuit and its electric a
5、ppliances control electric circuit, gave the choice of these two electric appliances components of electric circuits the result. Be controlling the design part of the electric circuit, elaborate I/O to connect the design process of the line diagram, give the PLC and the choice of its input/output co
6、mponent the result. Design the design process that the part elaborated the PLC customer procedure in detail in the software, include among them to the public procedure, hand to move the design process that the procedure, automatic procedure and give alarm signal procedure to elaborate, and gave abov
7、e-mentioned all trapezoid diagrams of procedures and the repertoire.Keywords:cutter; PLC; control system第一章 概述随着自动行业的发展，在生活生产中到处都出现了不同种类的自动化设备。在当今的工业领域中，板材管料切割是成品加工过程中最为重要的步骤。也是保证成品质量的重要工序。利用先进的现代切割技术，不但可以保证产品的质量，提高劳动生产率，同时也使得企业产品的制造成本大幅度下降，缩短了产品生产周期。1.1 切割机发展现状国外生产制造切割机或拥有切割机技术的有：西波列斯(SIPOREX)公司、求劳
8、克斯(DUROX)公司、伊通(YTONG)公司、司梯玛(STEMA)公司、海波尔(HEBEL)公司、道斯腾(DORSTENER)公司、威汉(Vv3EHRHAHN)公司、乌尼泊尔(UNIPOL)公司、赫腾(HETEN)公司等。为了学习、借鉴国外发展加气混凝土的技术和经验，建立并发展我国加气混凝土工业，我国先后引进了外国技术和设备。1.2 切割机控制方法与控制系统的确定切割机控制系统有继电器控制、单片机控制、PLC控制等。现将几种控制系统作出分析比较选取最优的控制系统来实现其功能。（1）PLC与继电器控制的比较1.功能强，性能价格比高2.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强3.可靠性高，抗干扰能力
9、强4.系统的设计、安装、调试工作量少5.编程方法简单6.维修工作量少，维修方便7.体积小，能耗低（2）PLC与单片机的比较1 对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。 2对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。1.3 PLC的特点1.高可靠性：所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。各输入端均采用R-C滤波器，
10、其滤波时间常数一般为1020ms.各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。采用性能优良的开关电源。对采用的器件进行严格的筛选。良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2.丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块
11、; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。3.采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4.编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5.安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
12、各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。6. PLC的功能：(1) 逻辑控制。(2) 定时控制。(3) 计数控制。(4) 步进(顺序)控制。(5) PID控制。(6) 数据控制：PLC具有数据处理能力。(7) 通信和联网。(8) 其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。1.4 本文主要设计内容大学期间我到鸿利锁业公司实习，该公司现在正在自主研发自动化设备仪器来代替人工操作来提高产量和利润。其中也与我所学专业有很大的关联。我有幸参
13、与了其中一台设备的制造线路的连接以及调试工作。为了使物料精确度更高、操作更方便、安全系数更高，该厂自行设计了这台由PLC为控制核心的切割机，虽然市场上有很多自动的或者更加先进的切割机，但是由于厂里产品形状等特殊原因，所以自行设计了一台自动的切割机。第二章 系统的设计2.1 切割机主要构造及技术参数2.1.1 切割机主要构造及动作过程该设计主要由电气控制箱、刀架、台面、刀片组成，如图2.1所示。台面是由两排滑轮组成的，用来夹紧锁管和推进锁管。图2.1 切割机结构示意图切割过程：启动机器，先将刀架回原点，将锁管放置在台面上锁紧台面；设定好要切割的厚度和长度；然后启动连续切割，机械就会自动切割管材，
14、直到切完为止。 2.1.2 切割机技术参数切割机技术参如下：表2.1 切割机技术参数切割机性能：数值单位切割显示分辨率0.01mm切割尺寸精度1mm刀架有效行程5070mm切割循环次数5-50次整机质量1T表2.2 切割机电气系统参数电气系统参数：数值单位动力系统工作电压380V控制系统工作电压220V推料电机功率1.5kW刀片电机功率4.0kW刀架电机功率1.1kW总装机功率7.1kW2.2 电气元件的选择1.主电路的电机选择电动机是主要的动力机械，它的应用是非常广泛的，所以就其全国电动机的总耗电量来说，它是极为可观的。因此，合理选择电动机是相当重要的，它直接关系到生产机械的运行安全和投资效
15、益。电动机的选择内容包括电动机种类、外壳型式、额定电压、额定转速、额定功率、各项性能等根据主电路的要求和控制方式结合以上对电机的各项标准和参数的介绍可确定主电路所用的元件的型号和参数。刀片电机的是用来带动电锯并切割材料，所选的电机功率要大，转速要高。刀架电机用来控制刀片的上下移动，而刀片的移动并不能很快，所以所选的电机转速要稍微低，虽有蜗轮减速，带在经济角度考虑下，可以用转速小、功率低的电机以节约成本。台面电机控制材料的进给，定位须准确，采用直流电机。所以可以列出电机的型号参数如下。表2.3 刀片电机型号参数型号额定电压额定功率额定电流转速效率功率因素最大转矩最小转矩堵转转矩堵转电流额定转矩额
16、定转矩额定转矩额定电流VkWAr/min%cos倍倍倍倍Y2-112M-238048.1289085.00.882.31.42.27.5表2.4 刀架电机型号参数型号额定电压额定功率额定电流转速效率功率因素最大转矩最小转矩堵转转矩堵转电流额定转矩额定转矩额定转矩额定电流VkWAr/min%cos倍倍倍倍Y2-100L2-83801.13.470073.00.692.01.21.85.0表2.5 台面电机型号参数型号额定电压额定功率额定电流转速效率削弱磁场时最大转速飞轮力矩VkWAr/min%r/minkgm2Z2-422201.59.1675074.515000.182.主电路的其他元件选择主
17、电路的其他元件的选型就为断路器的选择、交流接触的选择、熔断器的选择、中间继电器的选择表等各种元件的选择。元件的选择对整个设备的性能起到很大的作用。刀开关是用来控制设备的总电源，三组熔断器是防止电流过大而设计的，热继电器也有同样的效果，但是工作原理不同，由于电机的功率不同，在功率稍小的电机中就未使用交流接触器KM1是控制带锯电机M1的，KM2控制两台磨刀电机，KM3、KM4分别是控制刀架电机M4的正反转的，电磁刹车时给刀架电机其精确定位的，KM5和KM6构成的两组是用来控制台面电机的正反转的，KM7是直流电机回馈制动的。表2.6 电气主电路其他元件元件名称元件数量元件名称元件数量刀开关1个熔断器
18、3组接触器7个热继电器4组电动机5台电磁刹车1个(1) 刀开关的选择刀开关主要用于成套配电设备中隔离电源，刀开关的技术规格有：a、额定电压，b、额定电流，c、短时耐受电流，通常用刀开关在1S内所能承受的短路电流峰值表示，d、接通于分断能力，视刀开关的结构不同，可接通与分断250%600%额定电流，e、机械寿命，用操作次数表示。 我们所用的刀开关是塑壳刀开关,塑壳刀开关是一种结构最简单、应用最广泛的手动电器，由操作手柄、熔丝、触刀、触头底座组成，刀开关的安装时要注意手柄向上，不要倒装或平装，否则会因自动下滑而引起误合闸。接线时，应将电源接线接在上端，负载接在熔丝下端，这样在拉闸后可以安全的更换熔
19、丝。QS0选选用规格HD11-100/38型单投三极刀开关1只。主要技术参数：额定交流电压380V，额定交流电流100A。通断能力100A，1S短时耐受电流6KA，动态稳定电流峰值15KA。 (2) 熔断器的选择熔断器是低压配电网中的保护元件之一，主要做短路保护用，当通过熔断器的电流大于规定值时，以及自产生的热量使熔体熔化而自动分断电路。通过熔断器的熔化特性和熔化特性的配合以及熔断器与其他电器的配合，在一定的短路范围内可达到选择性保护。而在本系统中是在电动机回路中用作短路保护，应考虑到电动机的起动条件，按电动机时间长短选择熔体的额定电流，对起动时间不长的场合可按下式决定熔体额定电流Ie： Ie
20、=Id/(2.53) (2.1)对起动时间长或较频繁起动，按下式决定电流Ie Ie=Id/(1.62.0) (2.2)式中，Id-电动机的起动电流。FU1选用RT16-00C型，其主要技术参数：额定电流32A，额定电压500V，额定功率3.32W。FU2选用RT16-00C型，其主要技术参数：额定电流6A，额定电压500V，额定功率0.67W。FU3选用RT16-00C型，其主要技术参数：额定电流10A，额定电压500V，额定功率1.14W。(3) 接触器的选择交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断交流电路的电器，其主要控制对象是电动机，也可用于控制如电焊机、电容器组、电热装置、照明设备
21、等其他负载。接触器具有操作频率高、使用寿命长、工作可靠、性能稳定、维修简便等优点，是用途广泛的控制电路之一。随使用场合及控制对象不同，接触器的操作条件与工作繁重程度也不同。为了尽可能经济地、正确地选用接触器，必须对控制对象的工作情况以及接触器性能有一较全面的了解，不能仅看产品的铭牌数据，因接触器铭牌上所规定的电压、电流、控制功率等参数为某一使用条件下的额定值，选用时应根据具体使用条件正确选用。通常，先根据接触器的实际使用类别选用相应的接触器类型。然后，根据接触器控制对象的工作参量（如工作电压、工作电流、控制功率、操作频率、工作制等）确定接触器的容量等级。再按控制电路要求决定接触器的线圈参数。用
22、于特殊环境条件的接触器应选用派生型产品（如湿热带型TH或符合防爆、防尘、防滴等使用要求的产品）。交流接触器的负载主要可分为电动机负载与非电动机负载（如电热设备、照明装置、电容器、电焊机等）两大类。本设计中交流接触器使用属于电动机负载，且其负载的轻重程度为一般任务型，其操作频率不高。选用接触器时只要使被选用接触器的额定电压和额定电流等于或稍大于电动机的额定电压和额定电流即可。KM1、KM3KM7选用NC6-09 10型，KM2选用NC6-09 08型，其主要技术参数：额定电压AC 380V，额定工作电流9A，约定发热电流20A，可控三相鼠笼电动机的功率4kW。(4) 热继电器的选择热继电器是依靠
23、电流通过发热元时产生的热，使双金属片受热，弯曲而推动机构动作的一种电器，主要用于电动机的过载保护，断相及电流不平衡运行的保护及其他电气设备设备发热状态的控制。因此选用时，必须了解被保护对象的工作环境，起动情况，负载性质，工作制以及电动机允许的过载能力，保护要遵循的原则：应使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之中，并尽量可能地接近，甚至重合，以充分发挥电动机的过载能力，同时使电动机在短时过载和起动瞬间（56Ie）时不受影响。在热继电器的选择方面还要注意以下的几点：1.原则上，热继电器的额定电流应按电机的额定电流选择。2.再不频繁启动的场合，要保证热继电器不会应电机的启动而起误动作。3.当电机
24、为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。FR1、FR2选用NR2(JR28)-11.5型，其主要技术参数：电流等级13，额定绝缘电压690V，具有断相保护、温度补偿、手动与自动复位、脱扣指示、测试按钮、停止按钮，额定电压AC 380V，额定电流1.58A2.3 控制电路设计2.3.1 控制系统电路图图2.2 切割机控制系统原理图2.3.2 PLC硬件接线图及I/O端口分配1. PLC控制系统的控制要求PLC控制系统的控制要求如下：(1) 系统设有手动、单周期、单步、连续、回原点、五种工作方式，台面在最前面，刀架在最上面，为系统的原点状态。(2) 台面机构前/后运动时，带锯电机必须
25、已启动，而带锯电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止。(3) 磨刀必须在刀片旋转时才能工作。(4) 五种工作状态下，按下总停止按钮后，除带锯、磨刀装置外，刀架、台面的动作应立即停止。(5) 电源接通后控制台面刹车的接触器KM7立即通电。根据以上的要求，设计出PLC的外部接线图如下图所示：图2.3 PLC的外部接线图根据上图所示切割机的5种工作方式有选择开关控制：当输入点X1接通时为手动方式，X2接通时为回原点方式，X3接通时为单步工作方式，X4接通时为单周期工作方式，X5接通时为连续工作方式。台面在最前面且刀架在抬刀限位称为系统处于原点状态。在公用程序中台面前到位开关X15、抬刀限位开关X2
26、0的常开触点的串联电路接通时，“原点条件”辅助继电器M5变为ON。在选择单周期、连续和单工步工作方式之前，系统应处于原点状态；如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式，然后按回原点启动按钮X6，使系统自动返回原点状态。在原点状态，顺序功能图中的初始步M0为ON，为进入单周期、连续和单工步工作方式作好了准备。高速计数器只有在自动方式下才工作。主要的功能是对在自动方式下的键盘设定值进行比较，判断材料的厚度，控制台面的向前或向后运动。对于不同的设定值要有不同的计数值相符合。计数器的计数源就是测速齿轮所送的脉冲个数。2. I/O端口分配从上面的控制电路图所示，可以得出下面的分配表：表2.7 输入端口表
27、输入元件输入点输入元件输入点接近开关X0台面向后X22手动X1刀架停止X23回原点X2台面停止X24单步X3总停X25单周期X4预停X26连续X5小数位1X27回原点启动X6小数位2X30带锯启动X7小数位4X31带锯停止X10小数位8X32磨刀X11个位1X33总停X12个位2X34落刀限位X13个位4X35抬刀限位X14个位8X36台面前限位X15十位1X37台面后限位X16十位2X40落刀X17十位4X41抬刀X20十位8X42台面向前X21百位1X43表2.8 输出端口表输出元件输出点输出元件输出点KM1Y0KM6Y4KM2Y1KM3Y5KM7Y2KM4Y6KM5Y3L1Y72.3.3
28、 电气元件的配置1. 刀开关QS1：刀开关QS1串接控制主电路的单相电源，选用规格HD11-100/28型单投双极刀开关1只。主要技术参数：额定交流电压220V，额定交流电流100A。通断能力100A，1S短时耐受电流6kA，动态稳定电流峰值15kA。2. 熔断器FU4：选用RT18K-25型，主要技术参数： 壳架等级额定电流25A，额定电流2A，额定电压AC 220V，额定断路分断能力：220V/50kA。 3. 按钮SB1、SB2、SB5、SB15：选用NP4-20BN/2型，颜色为绿色，按钮SB3、SB10、SB11、SB12、SB13、SB14：选用NP4-20BN/4型，颜色为红色，
29、按钮SB4、SB6、SB7、SB8、SB9：选用NP4-20BN/6型，颜色为蓝色。NP4系列按钮其主要技术参数如下：额定绝缘电压380V，额定交流工作电压AC 220V，约定发热电流10A，额定交流工作电流4.5A。额定直流工作电压24V,额定直流工作电流2.5A。4. 行程开关SQ1SQ4：选用YBLX-K3/20HS/Z型，其主要技术参数：额定交流电压AC 380V，额定直流电压DC 220V，额定控制容量交流200VA直流50W,含1对常开和1对常闭触点，动作最大行程3mm，最大差程1.2mm，最大操动力30N，最小回复力5N,最大全行程6.0mm。5. 信号指示灯：选用ND16-22
30、B/4型，其主要技术参数：额定交流电压220V，额定电流20mA，指示灯选红色。6. 接触器：选用NCH 8-20型，其主要计数参数：额定绝缘电压500V，额定工作电压AC 230V，约定发热电流20A，额定工作电流20A，控制功率4Kw7. 接近开关：选用E2E-X20DM8，其主要技术参数：检测距离20mm10%，设定距离*1：016mm，应差距离：检测距离的10%以下，标准检测物体：铁54541mm，应答频率*2：0.1kHz，电源电压（使用电压范围）：DC1224V 脉动(p-p)10以下 （DC1030V）。8. 拨盘开关：选用A7CN型，其主要技术参数：开关负载容量（阻性负载）：1mA0.1A、DC530V，连续通电电流：1A，接触电阻，200m以下，操作力：4.41N以下。9. 转换开关：选用LW
