毕业设计（论文）-热成型机控制系统设计.doc

i 热成型机控制系统设计 摘要 本文以为汕头市明发机械有限公司 zxsj 型全自动真空吸塑机配套开发的 控制系统为背景，从工程的角度论述了该系统的设计和开发过程，主要突出了 系统智能化和人性化的特点。 本设计是在热成型机动作控制工艺的研究的基础上，将 plc、位置控制模 块、传感技术、触摸屏等先进的控制手段和技术引入到热成型机的控制系统中， 实现了热成型机的动作顺序控制、控制参数及工艺参数的数字化、人机交互的 人性化设计，使该机的功能和性能都得到质的提高。设计内容主要包括硬件部 分 plc、功能模块、触摸屏等的配置及硬件电路的详细设计、系统的安装、仿 真；软件部分包括控制系统的 plc 程序设计、人机界面设计等。 该设计基本上实现了 zxsj 型全自动真空吸塑机的控制要求，系统简约、 实用性强。系统的人机界面友好美观、操作简便、控制水平较高，符合人性化 设计原则，能满足厂方技术人员的使用需求。 关键词：热成型机；工艺流程；可编程控制器；运动控制；触摸屏 ii the control system of the thermoforming machine design abstract in this thesis, i take the project of developing the control system of zxsj automatic vacuum plastic-absorbing machine for shantou mingfa mechanical co.,ltd as background, discuss the course of systems design and realization in an rngineering view and emphasize the two characters of this system: intelligence and human. this design is base on the study of the thermoforming machines movement- control technology. zxsj automatic vacuum plastic-absorbing machine achieved these functions here as follows: program control for plastic-absorbing movement, digital parameter, human touch screen interface, by means of introduced some advanced control instruments and skills into system, such as plc, location control module, sensor, touch screen and so on. it means that the control performance of zxsj plastic-absorbing machine has increased a lot and achieved the advanced level. the design including the hardware design such as plc, function module, touch srceen, circuit design and installation, simulation; the software design was made up of program disign and interface design. the disign of the control system has fullfilled the requirements of zxsj automatic vacuum plastic-absorbing machine. the hardware design is simple, practical. moreover, the system has frendly easy-to-use interface and advanced control technology. as a result, it can apply to ordinary users and accord with the principle of human design. keywords: thermoforming machine; movement technology; plc; movement control; touch screen iii 目 录 1绪论 .1 1.1 本课题研究的目的、意义及国内外研究概况 .1 1.2 主要研究内容及研究方法 .2 1.2.1 主要研究内容.2 1.2.2 研究方法、手段.2 2. zxsj 型吸塑机控制系统总体方案.3 2.1 系统的需求分析.3 2.1.1 功能需求 .3 2.1.2 性能需求 .4 2.2 系统控制方案的论证 .4 2.3 控制系统总体设计方案 .5 2.3.1 系统中的输入信号 .5 2.3.2 系统的控制任务及要求 .5 2.3.3 系统的总体方案 .5 3.控制系统硬件详细设计 6 3.1 硬件系统总体结构设计 .6 3.1.1 控制系统的选型 .6 3.1.2 系统的运行方式选择 .7 3.2 系统硬件设计依据 .8 3.2.1 真空吸塑机工艺要求 .8 3.2.2 设备状况 10 3.2.3 控制功能 11 3.2.4i/o 点数和种类 .11 3.3 plc 选型 11 3.3.1plc 容量的选择与确定 .12 3.3.2 plc 外设的选择与确定 12 3.3.3 plc 生产厂家的选择与确定 12 3.4 硬件电路设计 14 3.4.1 主机 i/o 地址表 14 3.4.2 控制系统硬件接线图 15 iv 3.5 cpu 及扩展模块供电设计 16 3.5.1 供电设计原则 16 3.5.2 电源需求计算 16 4.伺服模块设计 .18 4.1 伺服系统概述 18 4.1.1 伺服系统的基本构成 18 4.1.2 交流伺服系统的工作原理 18 4.2 控制系统伺服模块详细设计 19 4.2.1 位置控制模式工作原理 19 4.2.2 高速脉冲输出模式 19 4.2.2.1 高速脉冲输出模式位置控制原理.19 4.2.2.1 硬件接线图.20 4.2.3 em253 位置控制模块 21 4.2.2.1em253 模块位置控制原理21 4.2.2.2 em253 硬件接线图.22 5.控制系统软件详细设计 .23 5.1 设计目标 23 5.2 系统软件总体设计 23 5.2.1 设计任务分析 23 5.2.2 软件结构设计 24 5.3 软件模块详细设计 24 5.3.1 主程序设计 24 5.3.2 成型子程序设计 26 5.3.3 冲剪子程序设计 26 5.3.4 堆叠子程序设计 27 6.控制系统人机界面设计 .28 6.1 人机界面概述 28 6.1.1 人机交互原理 28 6.1.2 触摸屏简介29 6.2 人机界面设计 29 6.2.1 设计目标 29 6.2.2 触摸屏选型 30 6.2.3 人机界面的控制需求分析 30 6.2.4 触摸屏画面的规划与设计31 v 6.3 plc 与触摸屏通信的实现 33 7.控制系统的安装与调试 .33 7.1 系统模型的配置与接线 33 7.1.1 系统配置 33 7.1.2 硬件布局及接线 34 7.2 系统调试过程 34 7.2.1 plc 与触摸屏联机调试 34 7.2.2 调试结果 35 8结论 35 8.1 研究工作总结35 8.2 研究展望36 参考文献 .38 附录一 电气原理图 39 附录二 人机界面 49 1 1绪论 1.1 本课题研究的目的、意义及国内外研究概况 全自动真空吸塑成型机（又叫热塑成型机）是利用真空吸力，将加热塑化 的 pvc、pe、pp、pet、hips 等热塑性塑料卷材吸制成各种形状的高级包装 装璜盒、框等产品。其应用极其广泛，主要包括玩具、五金、食品、电子、药 品等的包装。1由于我国正处于经济飞速发展的阶段，自动吸塑机在我国有着 巨大的市场空间。2工业发达国家的热成型机技术成熟，自动化程度高，但在 热成型生产工艺及控制方案上仍存在一些问题。相比之下，我国经过多年的努 力，全国各地已经发展了不少自动吸塑机生产厂商，如上海久罗机电设备有限 公司、深圳市恒隆机械设备有限公司、深圳市恒隆基机械设备有限公司等。但 其大多在引进国外技术上基础上对吸塑机的机械系统或控制系统做某方面的改 良，并没有革命性的突破，吸塑机的整体性能和质量跟国外技术水平仍有一定 的差距，不能满足社会高效率、低成本的发展需求。 目前国内市场上流通的吸塑机功能和性能各异，主要以气动装置为主动力 源，其拉片、送片采用电动、减速器，时间继电器，中间继电器，行程开关等 电器组成全自动控制系统。这样的系统存在两大方面的不足：1)整体运行速度 和控制精度不高，相比气动驱动方式，采用电动驱动可以大大提高各运动部件 的运动速度和控制精度；2)整机柔性不理想，由三相异步电动机和减速器、行 程开关等构成的控制系统不能根据工艺参数和控制参数的改变来作出灵活、精 确的调整，不利于改进生产工艺、提高产品质量。 本设计从吸塑工艺要求出发，结合厂方在全自动真空吸塑机机械结构上的 改进，采用已经相当成熟的 plc 技术、伺服技术、传感技术、人机界面等手段 完成全自动真空吸塑机的开发，提高其生产效率、生产质量及整机的稳定性， 也可以增加系统的柔性。同时，本系统中采用的技术和理论将有助于：1)提高 热成型机的自动化生产程度，满足社会发展的需求；2)提高国产热成型机的档 次和控制水平，增加其技术附加值；3)完善和发展热成型机控制理论，改进热 成型生产工艺，改善热成型机的功能和性能。 2 1.2 主要研究内容及研究方法 1.2.1 主要研究内容 在实际生产中，吸塑机被大量用于各种塑料产品的生产制造过程中，全自 动真空吸塑机由于其生产效率高，生产成本低，应经成为了应用最广泛的生产 设备。因此在原有的基础上研究先进的运动自动控制技术，大力提高真空吸塑 机的控制水平，对于提高塑料产品的质量和生产效率有着重要意义。 本设计的主要工作是针对 zxsj 型全自动真空吸塑机设计一套可靠的智能 控制系统，对其各机构的运动进行自动控制，并结合实验室的具体条件进行仿 真实验，检验设计的成效。整个系统设计的研究内容包括以下方面： (1) 热成型机动作控制工艺的研究。对整台全自动真空吸塑机的机构运动 进行准确可靠的控制，首先必须了解自动吸塑机的工作过程及工艺要求。在厂 方提供的资料基础上，通过多次到工厂现场参观吸塑机成品，与工厂的技术人 员讨论吸塑机的工作原理和设计思想，详细了解其工作过程，总结其中的细节 问题。并在此基础上总结出每一动作执行时，各机构的动作顺序，将其用流程 图的形式表达出来，为实现全自动真空吸塑机的控制做必要的准备。全自动真 空吸塑机的运动控制主要包括吸塑机各种开关、按钮功能的实现及有效控制。 2 (2)热成型机运动机构的同步与顺序运转问题的研究。现在市场上大多数的 吸塑机采用的是继电器控制，这必须考虑电气与机械结构的同步性问题。很可 能会出现控制精度不准确的情况，也造成了在某些位置无法判断机械部件的确 切位置或者导致机构的误动作，影响了生产效率的提高。本设计采用可编程控 制器作为控制核心，采用伺服驱动器解决拉片等机构的定位问题。2 (3)热成型机的 plc 控制方法的实现。在完善上述设计的基础上，可利用实 验室现有的条件如 plc、触摸屏、电源模块、指示灯等搭建了一个简单的控制 系统进行仿真实验，以验证设计的成效。该系统通过人性化的触摸屏界面对系 统的运行进行监控和操作，如进行工艺参数的修改、系统的调试等。 1.2.2 研究方法、手段 本设计的研究主要是在总结个人在大学四年所学的关于自动控制的理论、 plc 编程知识及项目实践经验的基础上，查阅各类文献并结合在工厂现场所学 习的热成型机的设计理念，分析真空吸塑成型工艺的原理、特点与相关因素， 深入了解热成型机的工作过程，为 热成型机动作控制工艺的研究提供理论基 3 础并确定设计方案。在总体设计方案的框架下，逐步完善各功能模块的设计， 并利用 触摸屏 开发软件设计 一个人机交互界面，利用触摸屏等硬件设备 结合仿真软件进行设计、调试，整合热成型机的整机控制系统，确保系统 使用简单，性能稳定。 整个系统主要由触摸屏、西门子 plcs7-200cpu 模块、位控制模块、电子放 大器、电源模块、安川伺服电动机、安川伺服驱动器、指示灯及各种开关、按 钮、电磁阀构成。由于实验室所能提供的硬件有限，本系统在安装调试时搭建 控制系统模型的时候只能从简，演示部分功能。但从设计的角度看，由于省略 部分的设计原理和方法与最后实现的部分功能相同，所以这并不影响仿真验证 对本设计理论的验证。 系统功能的实现方法主要是触摸屏与 plc 进行通信，通过点击触摸屏完成 系统的启动、调试、参数的更改、控制命令的输入等。plc 驱动各伺服电机、 单相异步电机和电磁阀等完成各机构的动作，并将系统的运行状态实时反馈到 触摸屏界面上，以便操作人员监视热成型机的工作过程。 2. zxsj 型吸塑机控制系统总体方案 2.1 系统的需求分析 2.1.1 功能需求 zxsj 型全自动真空吸塑机是汕头市明发机械有限公司最新开发的一款升级 换代产品，产品的定位属于中高档真空吸塑机，因此对控制系统的性能和功能 提出了更高的要求。其所需要实现的功能主要有以下方面： (1)实现对吸塑机基本功能动作的可靠控制。zxsj 型真空吸塑机的基本动 作包括送料、送片、下闸、开合模、拉伸、夹脚、真空、冲剪、堆叠、输送、 收料、启动运行、手动停车和紧急停车等。上述动作大部分是顺序控制的，是 吸塑机实现吸塑功能的基本要求。 (2)运行保护功能。吸塑机在工作过程中对各机构的动作协调度要求较高， 为了避免在吸塑机的机械或者电气系统出现故障时，导致机构误动作损坏吸塑 机，需要有一定的保护功能。主要是动作的互锁、出现故障时自动停车等。 (3)全中文的人机交互界面。保证操作人员可以直观简便地监视吸塑机的运 行状况，查看报警信息，设定或修改各种参数等。 4 2.1.2 性能需求 (1)可靠性。系统是为工业产品设计的，其工作环境较为恶劣且需要持续 不断地工作，因此对系统的可靠性要求较高。 (2)可操作性。系统主要是面向基层的技术人员和一线技工，因此要求人 机交互界面必须友好简洁，力求做到人性化操作。并且要具备一定的容错及安 全保护措施。 (3)可维护性。系统应采用模块化设计，便于检修、维护。 (4)开放性。便于厂方技术人员进行二次开发。 2.2 系统控制方案的论证 控制系统的设计方案主要是根据系统的上述功能和性能要求提出来的，在 设计可提出多个候选方案。各个方案的主要差异体现在控制器、人机界面和吸 塑机运动控制实现方法的不同。在控制器核心的选择上有两种方案：单片机控 制和 plc 控制；而人机界面的设计也有两种方案可选择，液晶+单片机、触摸 屏显示。在方案的评估上，本设计主要把系统的各项性能要求如可靠性、可操 作性、可维护性以及经济性作为主要指标，最终选定了一种设计方案，以下对 各种设计方案进行比较分析：2 表 2-1 单片机系统与 plc 系统的比较 方案可靠性可实现性可维护性经济性 plc 系统 好，平均无故 障时间可达十 万个小时 实现相对简单， 大部分信号可以 直接输入输出 可模块化设 计、安装， 方便维护 价格比单片 机高，但性 价比较理想 单片机系统 较差，容易受 干扰，需要设 计各种抗干扰 措施 实现相对复杂， 需要设计大量的 外围接口电路 使用元器件 较多，系统 较为复杂， 维护工作量 大 价格便宜 如表 2-1 所示，考虑到吸塑机一般处于间歇工作或 24 小时连续工作的状态， 且工作环境较为恶劣，对控制系统的可靠性和稳定性要求较高，最后选择了采 用 plc 作为核心控制器的方案。对 plc 的品牌选择上，采用了厂方的应用惯 例，初步确定选择西门子的 plc 作为控制核心。 在人机界面的设计上，可从以下两种方案进行选择：2 5 表 2-2 两种人机界面设计方案的比较 方案可靠性可实现性可维护性经济性 触摸屏好 采用与触摸屏配套 的组态软件进行开 发，且内置通信程 序，相对容易实现 通过组态软件可 以简便的进行模 块修改和维护 价格较高， 但可选择档 次适中的产 品降低成本 单片机+ 液晶 一般 编程复杂，工作量 大，较难实现 程序的修改工作 量大，难度高， 不利于及时地维 护 价格便宜 同样，根据表 2-2 列出的四项指标进行综合分析，选择了触摸屏显示这种 较为人性化的设计方案。 2.3 控制系统总体设计方案 2.3.1 系统中的输入信号 输入系统的信号主要有：启动信号、急停信号、产品计数信号、拉伸行程 信号、同步行程信号和报警信号等，全部都是开关量信号。大部分可以直接接 入 plc 的数字量输入口。 2.3.2 系统的控制任务及要求 本系统的主要控制对象有：6 台伺服电动机（送片电机、成型电机 2 台、 冲剪电机 2 台、堆叠电机） ，1 台三相异步电动机（液压泵电机） ，8 个电磁阀 （加热箱驱动电磁阀、下闸电磁阀、拉伸下限位电磁阀、拉伸上限位电磁阀、 拉伸复位电磁阀、夹脚电磁阀、真空电磁阀、润滑电磁阀等） ，2 个气缸（加热 箱动作气缸、下闸气缸） ，1 个液压缸（拉伸液压缸） 。对各种驱动部件的控制 要求如下： (1)各种电机。保证转向和定位及速度控制准确，尤其是对送片、成型开合 模等动作要求精准地控制电机转数，保持送片长度，开合模行程的恒定。 (2)电磁阀。要求适时地控制下闸、拉伸等动作，做到动作快速到位。 (3)气缸。确保各动作正确运行，按控制要求实现各种功能。 6 2.3.3 系统的总体方案 整个控制系统由 plc、触摸屏及各功能模块构成。其中，plc 作为控制核 心，输入系统的所有信号都要经过 plc 进行处理，进而控制相应的执行机构动 作，实现吸塑机的工作流程。而触摸屏则为系统的人机交互提供友好的界面， 系统所有的数据都可以存放在 plc 的内部 ram 中，由 plc 的串行口与触摸屏 相连，通过触摸屏对各个参数进行读取、修改和设定。总的来说，本设计都是 围绕上述几大子模块展开的，各模块的功能目标如下： (1)plc 顺序控制系统。要求实现真空吸塑机各种机构的运动、延时与协调 动作，保证吸塑机可靠稳定地工作。 (2)人机界面。为控制系统和外界交换信息提供通道，主要包括触摸屏界面 的开发和各种接口方案的实现。 各功能模块的详细设计见后续章节的详细论述。 威纶触摸屏 s7-200 plc cpu226 工 作 模 式 选 择 开 关 停 止 按 钮 拉 伸 停 止 接 近 开 关 拉 伸 上 限 接 近 开 关 拉 伸 下 限 接 近 开 关 光 电 开 关 送 料 报 警 送 片 报 警 成 型 上 模 报 警 成 型 下 模 报 警 油 泵 报 警 冲 剪 上 模 报 警 冲 剪 下 模 报 警 堆 叠 报 警 拨 臂 报 警 输 送 报 警 收 料 报 警 送 片 速 度 堆 叠 升 降 速 度 送 片 方 向 堆 叠 方 向 油 泵 电 机 报 警 指 示 灯 加 热 箱 电 磁 阀 下 闸 电 磁 阀 拉 伸 电 磁 阀 1-1 拉 伸 电 磁 阀 1-2 拉 伸 电 磁 阀 2-1 夹 脚 电 磁 阀 真 空 电 磁 阀 润 滑 电 磁 阀 备 用 备 用 em253-1em253-2em253-3em253-4 成型上 模伺服 成型下 模伺服 冲剪上 模伺服 冲剪下 模伺服 图 2-1 zxsj 型全自动真空吸塑机控制系统框架图 3.控制系统硬件详细设计 由于目前用于工业控制的 plc 种类繁多，性能各异。在本项目实践中如何 进行系统的选型，如何设计系统硬件，选择机型时应考虑哪些性能指标，怎样 选择各种扩展模块，如何进行供电设计等都是要考虑到的问题。 7 3.1 硬件系统总体结构设计 3.1.1 控制系统的选型 一般来说，由 plc 构成的控制系统可分为单机控制系统、分布式控制系统 以及远程 i/o 控制系统四种类型，在实际的设计中需要根据对控制对象的实际 要求来确定系统的类型：3 (1)单机控制系统。单机控制系统的被控对象往往是一台机器或一条生产流 水线，其控制是用一台 plc 实现被控对象控制的，这种系统对 plc 的输入输 出点数要求较少，对存储器的容量要求较小，对控制系统的构成简单明了。此 种系统在选用 plc 时，任何类型的 plc 都可以选用。 (2)集中控制系统。集中被控系统的被控对象通常是由数台机器或数条流水 线构成，这种系统是用一台 plc 控制多台被控设备，每个被控对象与 plc 的指 定 i/o 相连接。由于采用一台 plc 控制，因此各被控对象之间的数据及状态不 需要另设专门的通信线路。 (3)分布式控制系统。分布式控制系统的被控对象较多，他们分布在一个较 大区域内，相互之间的距离较远，而且各被控对象之间要求经常地交换数据和 信息。这种系统的控制由若干个相互之间具有通信联网功能的 plc 构成，系统 的上位机可以采用 plc，也可以采用计算机。 (4)远程 i/o 控制系统。远程 i/o 控制系统实际上是集中式控制系统的特殊 情况。远程 i/o 控制系统就是 i/o 模块不与 plc 放在一起，而是远距离地放在 被控设备附近。 在本控制系统中，被控对象是一条真空吸塑机，主要实现其各机构动作的 顺序控制，对 plc 的输入输出点要求相对较少，对存储器的容量要求不高，系 统的构成单一，因此可以选用单机控制系统方案，而在 plc 的选用放在仍需要 进一步根据实际需要来确定。 3.1.2 系统的运行方式选择 plc 控制系统的运行方式有三种类型，及手动、半自动和自动。3 (1)手动运行方式。手动运行方式不是控制系统的主要运行方式，而是用于 设备调试、系统调整和特殊情况下的运行方式，因此它是自动运行方式的辅助 方式。 (2)半自动运行方式。这种运行方式的特点是系统在启动和运行过程中的某 些步骤需要人工干预才能进行下去。半自动方式多用于检测手段不完善，需要 8 人工干涉的场合。 (3)自动运行方式。自动运行方式是控制系统的主要运行方式。这种方式的 主要特点是系统工作过程中系统按给定的程序自动完成被控对象的动作，不需 要人工干预。 在全自动真空吸塑机的实际运行过程中，一般不需要人工干预，所有的工 作过程均可以按系统设定的程序自动完成，但在日常维护、加工新产品或出现 一些异常情况时，需要进行设备调试、调整系统参数和工艺参数等需要通过手 动控制来完成。因此，本系统选用的运行方式包括自动运行方式和手动方式 （辅助方式） 。另外，根据工程实践经验，每台机器设备都需要设计急停保护。 在自动真空吸塑机正常情况下以自动循环的方式运行，工作结束后正常停机。 若在运行过程中需要调整某些控制参数或工艺参数可暂停程序的执行，待调整 完毕可继续执行下去。另外，在遇到设备某个部分出现紧急的异常情况时，可 选择触摸屏上的按钮紧急停机或者通过硬件直接切断电源，使所有设备停机， 防止机器被损坏。 3.2 系统硬件设计依据 在实际的工程应用中，系统硬件设计必须根据控制对象而定，需要考虑的 因素包括控制对象的工艺要求、控制功能、设备状况及 i/o 点数，从而构成比 较先进完善的控制系统。3 3.2.1 真空吸塑机工艺要求 真空吸塑机的工艺要求是本控制系统设计的主要依据，也是本控制系统设 计的要实现的最终目的，因此在进行硬件系统的详细设计之前必须对真空吸塑 机的工艺流程有深入的研究。下面是对 zxsj 型真空吸塑机工艺要求和控制流 程的总结分析： zxsj 型全自动真空吸塑机的工作过程包括送料、送片、加热、加热箱进退、 下闸、成型、拉伸、夹脚、开合模、冲剪、堆叠、输送、收料等，此外，还有 一些机构和电机可实现整机系统的调整（电气原理图见附录一） 。从吸塑机的制 造成本、工作效率、产品质量、控制的实际需要来看，只需要将大部分的核心 功能纳入 plc 控制即可，包括送片、加热箱进退驱动、下闸、成型、拉伸、夹 脚、开合模、冲剪、堆叠及电机保护。其他的功能如送料、输送、收料等可以 由继电器接触器控制电路来控制。由此构成整个全自动的真空吸塑机控制系 统，即可实现所要求的控制目标，又不影响生产效率、生产质量及系统的柔性， 还可以尽量缩减系统的开发成本。下面就 zxsj 型全自动真空吸塑机的每个动 9 作的控制要求做详细的分析： (1) 开机预热。在系统进入正常工作状态前需要先启动加热系统，把加热箱 的温度提升到设定值并保持恒温，使塑料片材通过加热箱时可以在预定的时间 内加热变软。 (2) 送料。送料部件的功能是将卷好挂在滚筒上的抽出来以便送料链轨顺利 的夹住片材往前送。送料电机可通过上下两个接近开关、接触器来实现自动起 动或停机。 (3) 送片。送片部件的功能则是将片材按照设定的速度、长度等参数送给加 热箱、成型模具、冲剪部件以完成各个加工工序。送片电机为安川伺服电机， 其速度和方向均需设定参数，并通过 plc 来控制启停。同时，送片是整个自动 循环工作过程的第一个动作。 (4) 加热箱进退。在吸塑机进入工作状态前，需要把加热箱移动至链轨上方 加热片材，而加热箱的进退是由电磁阀控制气缸来驱动的。 (5) 下闸。当送片动作到位后，下闸电磁阀动作，是下闸上升压紧片材，以 便其他机构进行成型、冲剪等动作。下闸的动作需要配合计时器设定的时间差 来跟其他动作进行协调，在系统进入下次循环前复位。 (6) 开合模。开合模动作由上下模两台伺服电机驱动，同样需要控制伺服电 机的运动速度、方向及动作时间。确保在开模后已经完成拉伸、成型、夹脚等 动作。 (7) 拉伸。合模之后进行的下一个工序是拉伸。拉伸这个工序由一个简单的 液压系统来完成，使加热变软的片材迅速形成一个较为规则的形状，便于真空 成型。液压系统包括一台三相异步电动机、三个接近开关、接通延时继电器等。 (8) 成型。片材的成型是通过模具内抽真空使软化的片材吸附在模具上形成 期望的规则形状。在本系统中，通过电磁阀启停真空泵。 (9) 夹脚。夹脚这个动作视产品的加工需要而定，同样是通过电磁阀来制动， 作为一个真空成型的辅助动作，有利于产品形成规则的形状。 (10)冲剪。开模以后片材被加工成期望的形状，通过冲剪这一工序把产品 从片材上剪断，进而进行堆叠打包。同样，冲剪动作也是由两台伺服电机，需 要在程序中设定电机的转速、转向、及动作时间。 (11)堆叠。堆叠动作由伺服电机配合光电开关、计数器完成。堆叠升降台 把冲剪出来的产品按设定的个数堆叠起来，方便打包，在计数器达到设定计数 值前，升降台按照程序设置的行程动作；达到计数值时，升降台按另外设定的 形成动作，把堆叠好的产品推出。 (12)拨臂动作。拨臂机构的功能是把堆叠好的产品送到输送链上。拨臂电 10 机单相异步电动机，其启停由接近开关来控制，当堆叠升降台推出产品时，触 发接近开关启动拨臂电机，而电机的反转和复位由另外的接近开关来控制。 (13)输送。输送是通过链轨机构来完成，输送电机为单相异步电动机，由 接近开关来控制其动作与否。 (14)收料。收料动作的控制与送料部件相似，也是通过接近开关来判断是 否需要启停电机，把废料收卷起来。收料电机为三相异步电动机。 上述为 zxsj 型全自动真空吸塑机的工作流程。其中，在下闸压紧片材后， 系统同时进行成型、冲剪、堆叠等动作，在这一系列动作完成之后下闸复位， 进入下一个循环。此外还有其他机构实现辅助功能，如在换不同材质的片材进 行加工前，需要调整其片材宽度，片材夹紧气缸的行程等，可通过硬件来实现。 系统的控制流程图如 3-1 所示。 11 电源启动 热炉 加热箱前进到位 手动/自动 复位 送片 退片 下闸 合模 油泵 拉伸下 拉伸上 拉伸复位 成型 夹脚 开模 冲剪 堆叠 下闸下降 送片 到位 下闸上升 到位 冲剪上模下降冲剪下模上升 到位到位 上模复位下模复位 堆叠升降台上升计数 顶出制品 升降台复位 下模上升上模下降 到位延时 上模复位 拉伸 到位 成型 下模复位拉伸复位 延时 夹脚 计数到设定值 延时 图 3-1 系统控制流程图 3.2.2 设备状况 在控制系统中，设备状况是具体的控制对象应满足整个工艺要求。3掌握 设备状况对控制系统的设计具有重要意义。下面对 zxsj 型全自动真空吸塑机 的设备状况作简要分析： 在本控制系统中，送片、开合模、冲剪及堆叠等工序均由伺服驱动完成； 加热箱驱动、下闸、由气缸驱动完成；拉伸由液压驱动完成；真空成型由电磁 阀驱动真空泵完成；夹脚动作也是由气缸驱动完成。上述气缸的动作均由相应 12 的电磁阀来控制；拉伸行程由接近开关的安装位置决定；而各伺服电机均按位 控控制模式工作，电机的保护可在伺服系统及控制程序中设定相应的参数和命 令。此外，整个控制系统的保护在硬件及软件上均设计了相应的保护功能。 3.2.3 控制功能 控制系统所应实现的控制功能是由真空吸塑机的工艺要求和设备状况提出 来的。本设计主要依据控制功能来进行系统的类型、规模、机型、模块、软件 等详细设计。 根据上一节可知 zxsj 型全自动真空吸塑机的系统类型和运行方式。在系 统的实际运行中我们所要实现的功能目标主要有两个方面： (1)手动操作。作为自动运行的辅助方式，手动操作包含了系统循环过程的 每一个步骤，并可通过点击触摸屏上的控制按钮来实现每一个动作的单独控制。 4在调试完成后可切换成自动运行模式让机器按设定的程序进行工作。 (2)自动运行。4在自动运行的工作模式下，系统按照 plc 中设定的程序 连续不断地循环执行各机构的动作，在工作结束或者发生意外时收到停机或暂 停信号时停止工作。同样，自动运行的每一个动作均可在触摸屏上进行监视， 在发生报警时，触摸屏上显示警报来源等故障信息。 3.2.4i/o 点数和种类 经过系统工艺要求、设备状况和控制功能的分析，控制系统硬件设计基本 上形成了一个初步方案。为了选定系统的规模、机型和配置，需要对系统的 i/o 点数和种类进行精确的统计，且在设计过程中，实际的 i/o 点数要比统计点数 增加 20%30%，以便在有需要的时候进行系统的扩展或二次开发。由前面的章 节可知，zxsj 型全自动真空吸塑机控制系统中的输入输出信号全部为开关量信 号，数字量输入点数为 17 点，数字量输出点数为 14 点，总共所需 i/o 点数为 31 点。实际的 i/o 点数为 3740 点。只需要选择小型的 plc 即可满足控制需 求。 3.3plc 选型 plc 的选型主要考虑以下三个方面：plc 容量的选择与确定、plc 外设的 选择与确定、plc 生产厂家的选择与确定等。5 13 3.3.1plc 容量的选择与确定 (1) i/o 点数的估算。由前面对系统的控制任务分析可知，本系统的实际需 要的 i/o 点数为 3740 点，且所有的输入输出信号为开关量信号，不需要进行 模拟量等的扩展。系统中的输入输出信号包括继电器、接触器、电磁阀、指示 灯等，但主要以交流信号为主，直流信号为辅。由于系统中包含多个伺服系统， 要求输出高速脉冲，且动作较为频繁，这就需要选用无触点的晶体管输出型 plc。 (2)存储器容量估算。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如 i/o 点 数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估 算。根据经验，每个 i/o 点及有关功能器件占用的内存大致如下 所需存储器容量： (kb)(11.25)(di10do8ai/o100cp300)/1024 (11.25)(171014801300)/1024 0.7kb 其中：di 为数字量输入总点数；do 为数字量输出总点数；ai/ao 为模拟 量 i/o 通道总数；cp 为通信接口总数。 3.3.2 plc 外设的选择与确定 在本系统中，由于输入输出点数为开关量信号，且所需点数规模较小，一 般不考虑扩展点数，尽量选取点数配套的 plc 机型，另外，也不需要扩展模拟 量单元和通信单元。但由于系统中包含多个伺服系统，均需要在位置控制模式 下工作输出高速脉冲，而一般的 plc 高速脉冲输出口不能满足需求，在本设计 中，选用若干位置控制模块来补充 plc 的不足。在显示单元的选择上，采用的 是触摸屏的显示方案，根据厂方的使用惯例，在本系统中选用威纶 mt6100i 触 摸屏作为系统扩展的显示单元。 3.3.3 plc 生产厂家的选择与确定 在进行 plc 生产厂家的选择与确定上同样考虑了 plc 的功能、价格和设 计者（设计团队）的设计能力等三个方面。由于 zxsj 型全自动真空吸塑机在 功能、性能等的市场定位为中高档改良型产品，plc 的价格因素并不是最重要 的决定因素，所以我们首要考虑的是能否使其整机功能、性能达到较高的控制 水平。鉴于本人在 plc 的开发应用方面欠缺很多实践经验，对 plc 的了解还 14 不够深入，因此只能在详细分析系统的功能和性能要求的基础上，遵循厂方的 开发与应用习惯进行设计，选定了西门子 s7-200 系列 plc cpu226 dc/dc/dc cn 及与之配套的模块。 s7-200 系列 plc 的功能及性能介绍如下：5 图 3-2 cpu22系列 plc 的主机外形 (1)s7-200 cpu22系列 plc 的 cpu226 型号结构配置包括：具有 24 个输 入点和 16 个输出点，共计 40 个 i/o 点。2 个模拟量电位器，最多可扩展 35ai/ao 点。8kb 用户程序区和 5kb 数据存储区。有 6 路高速计数器(30hz), 2 路高速脉冲输出，2 个 rs485 通信/编程口。主要用于点数较多、要求较高的 小型或中型控制系统。 (2)s7-200 系列 cpu 的主要特点如下： 1)内部集成的具有强劲的通信能力的 ppi 接口是 s7-200 的用户口，cpu 接 口物理特性为 rs485，可在三种方式下工作。 1)ppi 方式：通过 ppi 方式，s7-200 系列 plc 与计算机之间或者是 plc 相 互之间可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。 2)mpi 方式：通过 mpi 方式，s7-200 可以通过内置接口连接到 mpi 网络上， 它可与 s7-300/s7-400cpu 进行通信。 3）自由口通信方式：通过自由口通信方式，s7-200 系列 plc 可以与任何 通信协议公开的其他设备、控制器进行通信。 2)丰富的内置集成功能： 1)集成的 24v 负载电源，可直接连接到传感器和变送器。 2)对于不同的设备类型，其 cpu 各有 2 各种类型，具有不同的电源电压和 控制电压。 3)中断输入，允许以极高的速度对过程信号的上升沿作出相应。 4)具有 46 个高速计数器。 15 5)2 路高速脉冲输出(最大 20khz)用于控制步进电机，或伺服电机的运动， 从而实现对目标的定位任务。 (3)丰富的扩展模块对数字量和模拟量扩展模块可方便选用，且经济实惠。 (4)具有易于掌握、便捷的操作以及丰富的指令集。 (3)存储系统。s7-200 系列 plc 的存储系统由 ram 和 eeprom 两种类型 的存储器构成，cpu 模块内部配备了一定容量的 ram 和 eeprom。同时， s7-200 系列 plc 的 cpu 模块支持可选的 eeprom 存储器卡。在 cpu 模块内 部的超级电容和电池模块用于长时间的保存数据，用户数据可通过主机的超级 电容存储若干天。 3.4 硬件电路设计 plc 控制系统的硬件电路设计主要有 plc 以及外围线路的设计、电气线路 的设计和系统抗干扰设计等。5在选定了 plc 以及其扩展模块与分配好 i/o 地 址后，本系统的硬件设计主要进行电气原理图的设计：包括主电路的设计和控 制电路的设计。主电路是指强电中的主干电路设计，而控制电路主要是指 plc 控制部分的设计，包括 plc 的 i/o 接线、自动部分接线、手动部分接线等。 3.4.1 主机 i/o 地址表 根据 2.3.3 节给出的 zxsj 型全自动真空吸塑机控制系统框架图及所选定的 plc 及扩展模块分配本系统的 i/o 口地址如下表所示： 表 3-1 zxsj 型全自动真空吸塑机 plc 主机的 i/o 资源分配 zxsj 型全自动真空吸塑机 plc 主机的 i/o 资源分配（cpu226 cn） 名称地址编号说明 输入信号 手动/自动按钮 i0.0 选择工作模式 停止按钮 i0.1 停止系统 拉伸停止接近开关 i0.2 停止拉伸系统 拉伸上限接近开关 i0.3 控制拉伸行程 拉伸下限接近开关 i0.4 控制拉伸行程 光电开关 i0.5 产品计数 送料报警 i0.6 伺服警报输入 拉片报警 i0.7 伺服警报输入 成型上模报警 i1.0 伺服警报输入 成型下模报警 i1.1 伺服警报输入 油泵报警 i1.2 热继电器输入 冲剪上模报警 i1.3 伺服警报输入 16 冲剪下模报警 i1.4 伺服警报输入 堆叠报警 i1.5 伺服警报输入 拨臂报警 i1.6 热继电器输入 输送报警 i1.7 热继电器输入 收料报警 i2.0 热继电器输入 zxsj 型全自动真空吸塑机 plc 主机的 i/o 资源分配 名称地址编号说明 输出信号 拉片速度 q0.0 拉片速度控制 堆叠升降速度 q0.1 堆叠速度控制 拉片方向 q0.2 拉片方向控制 堆叠升降方向 q0.3 堆叠方向控制 油泵电机 q0.4 油泵启停控制 报警指示灯 q0.5 故障提示 加热箱驱动电磁阀 q0.6 加热箱进退控制 下闸电磁阀 q0.7 下闸控制 拉伸电磁阀 1-1 q1.0 拉伸控制 拉伸电磁阀 1-2 q1.1 拉伸控制 拉伸电磁阀 2-1 q1.2 拉伸控制 夹脚电磁阀 q1.3 夹脚控制 真空电磁阀 q1.4 成型控制 润滑电磁阀 q1.5 润滑控制 备用 q1.6 备用 备用 q1.7 备用 3.4.2 控制系统硬件接线图 根据 plc 主机的 i/o 资源分配以及 plc 主机的硬件框图，则 plc 主机的 硬件接线图如图 3-3 所示。其他电气原理图如主电路、系统各模块控制电路详 见附录，这里不再赘述。下面就 plc 控制部分硬件接线图作简要的说明： (1)输入口。 1) 手动/自动工作模式选择按钮连至 plc 主机的输入口 i0.0，停止按钮连 至 plc 主机的输入口 i0.1。 2) 拉伸系统的 3 个接近开关分别连至 plc 主机输入口 i0.2i0.4。 3) 计数系统的光电开关连至 plc 主机输入口 i0.5。 4) 各电机的保护开关分别连至 plc 主机 i0.6i2.0。 5) 剩下的输入口为备用口。 (2)输出口。 1) plc 主机输出口 q0.0 控制送片速度，q0.1 口控制堆叠速度。 17 2) plc 主机输出口 q0.2 控制送片方向，q0.3 口控制堆叠方向。 3) plc 主机输出口 q0.4 控制油泵电机的启停。 4) plc 主机输出口 q0.5 控制报警指示灯。 5) plc 主机输出口 q0.6 控制加热箱进退驱动电磁阀。 6) plc 主机输出口 q0.7 控制下闸电磁阀。 7) plc 主机输出口 q1.01.2 分别控制拉伸系统的 3 个电磁阀。 8) plc 主机输出口 q1.3 控制夹脚电磁阀。 9) plc 主机输出口 q1.4 控制真空电磁阀。 10) plc 主机输出口 q1.5 控制润滑电磁阀。 11) 剩下的两个输出口 q1.6、q1.7 备用。 图 3-3 zxsj 型全自动真空吸塑机 plc 控制部分硬件接线图 3.5 cpu 及扩展模块供电设计 3.5.1 供电设计原则 在 plc 控制系统中，plc 的输入点、小容量的数字扩展模块、输入输出功 能模块、外围的接近开关、光电开关、人机界面等都需要+24v 电源。plc 主机 18 及大容量的数字扩展模块本身都带有+24v 电源。为了防止 plc+24v 电源因外 围的电气故障而损坏，影响 plc 的整体性能，一般在实际应用中，plc 的输入 点利用其本身的+24v 电源，其他的扩展模块及外围器件电源尽量外接+24v 电 源。 3.5.2 电源需求计算 电源模块选择仅对于模块式结构的 plc 而言，对于整体式 plc 不存在电源 的选择。电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。电源模 块的输出额定电流必须大于 cpu 模块、io 模块和其它特殊模块等消耗电流的 总和，同时还应考虑今后 io 模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场 的实际需要而定。s7-200 系列 cpu 模块的电源预算和扩展模块的电源消耗分别 如下列表格所示：6 表 3-2 s7-200 系列 cpu 的供电能力 电流供应 cpu 型号 5vdc+24vdc cpu2210 ma180ma cpu222340 ma180ma cpu224/224 xp660 ma280ma cpu226/226 xm1000 ma400ma 表 3-3 cpu 上及扩展模块上的数字量输入所消耗的电流 电流需求 cpu 上及扩展模块上的数字量 5vdc+24vdc 每点输入 - 4ma/每输入 表 3-4 em253 位控模块输入输出所消耗的电流 电流需求 扩展模块型号 5vdc+24vdc em 253 6es7 253-1aa22-0xa0190ma130ma 本系统的配置包括以下模块：1)cpu 226 dc/dc/dc；2)4 个 em253 位置控 制模块。共有 44 个输入和 40 个输出。根据表 3-2 及表 3-3 可计算本系统的电 源需求如下： 表 3-5 zxsj 型全自动真空吸塑机控制系统电源需求 cpu 电源预算5vdc24vdc cpu226dc/dc/dc1000ma400ma 减 系统要求5vdc24vdc 19 cpu226.24 输入 24*4ma=96ma 4em253,5v 电源需求 4*190ma=760ma 4em253，每个 5 输入 4*(4*5+15)=140ma 4em253，每个 8 输出 4*130ma=520ma 总需求760ma756ma 等于 电流平衡5vdc24vdc 总电流平衡剩 240ma缺 356ma 由上表可知，cpu226 通过 i/o 总线为 4 个 em253 位控模块提供 5v 电源， 所有扩展模块的 5v 电源消耗之和不超过该 cpu 提供的电源额定值，在 5v 电 源供