毕业论文-基于PLC的玻璃造型生产线控制系统的设计.doc

本 科 毕 业 论 文基于PLC的玻璃造型生产线控制系统的设计Glass Molding Production Line Control System Design Based on PLC学院名称： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 自动化2010级1班 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 讲师 2014 年 5 月目 录摘要IAbstractII引 言1第一章 绪论21.1 PLC的背景21.2 PLC的应用领域21.3 PLC的发展历程31.4 本设计的主要内容4第二章 系统硬件设计52.1 系统的设计思想与结构流程图52.2 控制系统主要构造及动作过程52.3 电气元件的选型62.3.1 电动机选型62.3.2 主电路其他元件选型72.4 控制系统控制电路设计102.4.1 PLC的选型112.4.2 高速计数器112.4.3 光电编码器132.4.4 系统控制部分电路图132.5控制系统HMI人机界面14第三章 系统软件设计163.1 控制系统主程序设计163.2 高速计数器初始化程序183.3 中断程序193.4 TD200人机界面组态193.4.1 配置TD200文本显示器193.4.2 TD200文本显示器用户程序组态20结论22致谢23参考文献24附录25附录A 主程序25附录B 高速计数器初始化程序29附录C 中断程序31附录D TD200控制程序32基于PLC的玻璃造型生产线控制系统的设计摘要：根据控制系统的控制要求，完成玻璃造型生产线的控制系统设计，即在玻璃生产过程中，需要对生产出的纵向运动的板材进行定尺寸切割，并且切割是精确定尺寸的，这就要求在对运动板材测量的同时进行快速准确的切割。在该课题的设计中，主要包括控制系统的主电路设计、控制电路设计、控制系统控制程序设计、HMI人机界面的编程与组态以及光电编码器的选型与应用。设计一种基于PLC的玻璃造型生产线控制系统。硬件方面：系统采用PLC为中心控制器，通过旋转编码器测得各方向电机的旋转频率并转换为高速计数脉冲送入PLC中进行计数运算可获得刀具或水平台行进的精确位移量，将其与设定的初值相比较，当达到设定值时PLC复位相应的方向电机线圈使其停车，输出高电平使切割电动机工作以实现精准切割。系统的操作控制、实时数据的采集和动作过程的监视、各种参数的显示和设定，由挂接在PLC上的人机界面来实现。软件方面：根据设计的思想进行了实现系统功能的梯形图的设计，并利用S7-200的STEP-Micro/WIN编程软件进行编程，它可以方便地在Windows环境下对PLC进行编程、调试、监控，且编程方便、快捷。关键词：PLC；STEP-Micro/WIN；HMI人机界面；光电编码器；高速计数器Glass Molding Production Line Control System Design Based on PLCAbstract : According to the control requirements of the control system, control system design of the finished glass molding line, namely in the glass production process, need sheet on longitudinal motion produced by fixed size cutting, and the cutting is exact size, which requires fast and accurate cutting on the moving plate measured simultaneously.In the process of design, including the design of main circuit, control circuit design, programming and configuration system control program design, HMI interface and photoelectric encoder selection and application of control system. Control system design of a PLC glass molding production line based on. Hardware: the system adopts PLC as central controller, the rotating frequency through the rotary encoder to measure the direction of motor and converted to high speed counting pulse counting algorithm for precise displacement tool or platform moving into PLC, and set the initial value comparison, when reaching the set the direction of motor coil value PLC reset some of the parking, output high level so that the cutting motor work to achieve precision cutting. The operation control of the system, various parameters acquisition and action process monitoring, real-time data display and set, by hanging in the PLC on the human-machine interface to achieve. Software design: according to the idea of the design of ladder diagram to realize the function of the system, and the use of S7-200 programming STEP-Micro/WIN programming software, it can be easily in the environment of Windows PLC programming, debugging, monitoring, and convenient for programming, and fast.Key words: PLC; STEP - Micro/WI2; Human-machine interface; Photoelectric encoder. High speed counterII引 言在当今的玻璃生产行业中，造型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。随着新产品、新工艺、新技术的广泛运用，基于PLC的智能化精密切割将成为切割行业今后发展的趋势。传统的玻璃造型生产线采用继电器、时间继电器控制方式，但控制系统接线复杂，系统的可靠性较低，维修维护费用大。最主要的问题是在自动控制中，由于采用时间继电器定时控制切割时间，定时精度差，电机速度受电源波动影响大，因而切割误差较大，降低成品率，增加抛磨难度。PLC是适用于现场运行的微机控制器，抗干抗能力强、编程简单，价格适中，非常适合用于切割加工机械。在切割方面，因为不同的厚度，以及要求切割的切割方式形态各异，如果使用完全的人工操作，不但很费时间，同时也浪费人力且效率低下，给企业带来巨大的人工成本。最重要的是在切割的过程中会产生大量的粉尘，对切割机的操作人员以及附近的人员的身体，特别是呼吸道肺部有着极大的伤害。所以如果能够实现对于板材切割的PLC自动控制，操作人员就不用时时刻刻守在机器旁边了，不但节省了大量的人力和时间，更能够极大的减少切割过程对于人体的伤害。基于PLC的玻璃造型生产线控制系统的设计，通过对PLC、光电编码器与HMI人机界面组态等相关知识的理解与运用，有利于掌握把理论知识同生产实践相结合，有利于锻炼设计控制系统和处理有关问题的能力，促进对自动化控制的认识和理解。第一章 绪论1.1 PLC的背景随着科学技术的发展，电气控制技术在各个领域中的到了越来越广泛的应用。可编程序控制器（PLC）的应用使电气控制技术发生了根本的变化。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，半导体技术，自动控制技术，数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。PLC以其可靠性高，灵活性强，使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。从运动控制到过程控制，从单机自动化到生产线自动化乃至工厂自动化，从工控机器人，数控设备到柔性制造系统（FMS），从集中控制系统到大型集散控制系统，PLC均充当着重要角色，并展现出强劲的态势。1.2 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。（1）开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 （2）模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 （3）运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 （5）数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 （6）通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。PLC的应用领域仍在扩展，在日本，PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关连的机器、与环境关连的机器，而且均有急速的上升趋势。值得注意的是，随着PLC、DCS相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候，PLC从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展。1.3 PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。1.4 本设计的主要内容此次控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件方面：系统采用PLC为中心控制器，通过旋转编码器测得各方向电机的旋转频率并转换为高速计数脉冲送入PLC中进行计数运算可获得刀锯或水平台行进的精确位移量，将其与设定的初值相比较，当达到设定值时PLC复位相应的方向电机线圈使其停车，输出高电平使切割电动机工作以实现精准切割。系统的操作控制、实时数据的采集和动作过程的监视、各种参数的显示和设定，由挂接在PLC上的人机界面来实现。软件方面：根据设计的思想进行了实现系统功能的梯形图的设计，并利用S7-200的STEP-Micro/WIN32编程软件进行编程，它可以方便地在Windows环境下对PLC进行编程、调试、监控，且编程方便、快捷。第二章 系统硬件设计2.1 系统的设计思想与结构流程图系统的控制要求是实现玻璃的定尺寸切割，即要求驱动流水线横向运动的电动机M1在达到设置尺寸后停止运动，光电编码器与横向运动电动机M1同轴连接，电动机的水平驱动位移与光电编码器的脉冲数输出成比例关系，光电编码器的输出与S7-200 CPU的高速计数器输入相连接，利用高速计数器实时计算光电编码器输出脉冲数，通过计算即可测量出横向运动的长度。TD200实现长度宽度尺寸的设置和显示功能，人机界面将设置的相关参数传递给S7-200 CPU的寄存器，执行用户程序计算当前横向移动距离和设置值的关系，切割机构根据限制尺寸实现切割，待切割完成后，电动机M3驱动切割机构实现纵向位移，光电编码器测量纵向位移的尺寸，当设置尺寸和测量尺寸相等时，垂直电动机M2驱动切割机构垂直位移，行程开关限制垂直电动机行程位置，切割机构垂直运动达到设置行程后，完成一次完整的控制任务，控制系统再次驱动电机进行流水线横向运动。实现以上控制任务，控制系统应包括三大部分：主电路、控制部分和显示部分。因此可以设计出控制系统的结构流程图。系统结构流程图如下：图2.1 系统结构流程图2.2 控制系统主要构造及动作过程主电路表示系统执行机构，包括电动机、光电编码器、TD200人机界面、行程开关和激光切割束。执行机构切割过程：启动机器，先将切割机构回原点，将玻璃板材放置在台面上，行程开关检测到玻璃后，垂直电动机M2正转驱动切割机构下行直到预设位置，根据设置宽度参数驱动纵向电动机M3实现定宽度尺寸，然后启动横向电动机M1驱动生产线水平运动，达到设置长度后纵向电动机M3反转实现定长切割，然后会原点。当设定值等于预置值时，断开进给电机的接触器，电磁离合制动器的离合分离，刹车起作用以消除推进系统的惯性，从而实现精准定位。因此控制系统包括三大部分：横向电动机运动，纵向电动机正反转运动和垂直电动机正反转运动。控制系统动作流程图如下图所示：图2.2 控制系统动作流程图2.3 电气元件的选型2.3.1 电动机选型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。采用三相异步电动机控制流水线水平移动和切割刀具的垂直升降运动，利用直流电动机控制切割刀具的定长定宽切割，实现玻璃造型控制系统的设计任务。流水线的横向运动是定向单向运动，只需电动机启停运动即可。切割刀具需要垂直升降运动和正反进给运动，需要启停和正转反转运动。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。台面电机的是用来带动玻璃流水线横向运动，所选的电机功率要大，转速稍微低即可。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。刀具进给电机控制材料的进给，定位须准确，采用直流电机表2.1 横向电机M1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%倍倍倍倍Y2-112M-238048.1289085.00.882.31.42.27.5表2.2 垂直电机M2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%倍倍倍倍Y2-100L2-83801.13.470073.00.692.01.21.85.0表2.3 纵向电机M3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/minkgm2Z2-422201.59.1675074.515000.182.3.2 主电路其他元件选型主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，下面是电器元器件选择方法。（1）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。KM1是控制横向运动电机M1，KM2和KM3分别是控制垂直运动电机M2正反转，KM4和KM5分别是控制纵向运动电机M3的正反转，KM6控制激光束的启停。KM7和KM8控制电磁离合制动器，刹车时给电机其精确定位的。 （2）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公式决定熔体额定电流：= (2.1)对起动时间长或较频繁起动，按下公式决定电流：= (2.2)式中，为电动机的起动电流。FU1选用RT16-00C型，其主要技术参数：额定电流16A，额定电压500V，额定功率1.14W。FU2选用RT16-00C型，其主要技术参数：额定电流6.5A，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3A，额定电压500V，额定功率0.31W（3）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。对特重任务电机，如印刷机、镗床等，操作频率很高，可达60012000次/h，经常运行于起动、反接制动、反向等状态，接触器大致可按电寿命及起动电流选用，接触器型号选CJl0Z，因此KM1、KM2、KM4KM6选用CJl0Z型。AC3 笼型感应电动机的启动、分断风机，泵等负载，所以KM2选用AC-3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）热继电器是依靠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（56）时不受影响。在热继电器的选择方面还要注意以下的几点： 原则上，热继电器的额定电流应按电机的额定电流选择。 在不频繁启动的场合，要保证热继电器不会应电机的启动而起误动作。 当电机为重复短时工作时，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1.58A。电气元件清单如下表：表2.4 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3组接触器6个热继电器3组按钮1个行程开关3个电动机3台电磁刹车2个根据控制要求和选型的器件，绘制系统主电路电路图2.3所示。图2.3系统主电路图2.4 控制系统控制电路设计控制系统的控制电路由PLC、光电编码器、按钮、接触器和行程开关组成。按钮包括启动按钮和急停按钮，用来实现设备的启动和停止。光电编码器和电机相连，光电编码器的A相与PLC高速计数器输入端相连接，利用高速计数器实现定长定宽切割。PLC的输出部分为接触器线圈，控制电动机正反转运动。根据系统控制要求，控制电路中输入部分包括：2个光电编码器输入、一个急停按钮输入和3个行程开关输入。输出部分包括：控制电动机启动停止的5个接触器和激光束开关的接触器。2.4.1 PLC的选型S7-200不同的CPU模块的性能有较大的差别，在选择CPU模块时，考虑本机I/O点的点数、通信接口和高速计数器数量，综合考虑性价比，尽可能降低硬件成本。根据控制系统I/O分配表和所需高速计数器数量，考虑性价比的情况下，CPU222本机数字量I/O共有8入/6出，具有HSC0，HSC35共4路高速计数器输入，而且性价比相对较高，因此选择CPU222模块作为控制部分的CPU，选择接触器输出型PLC，电源选用AC电源。根据系统控制要求，I/O点分配情况如表2.5所示：表2.5 I/O分配表I/O分配表输入I输出Q输入器件符号I输出器件符号Q动作横向编码器A相I0.4接触器KM1Q0.1主轴进给纵向编码器A相I0.1接触器KM2Q0.5升降电机上升急停按钮SB1I0.2接触器KM3Q0.4升降电机下降上限开关SQ1I0.3接触器KM4Q0.2刀具电机正转下限开关SQ2I0.5接触器KM5Q0.3刀具电机反转行程开关SQ3I0.6接触器KM6Q0.6激光束启停2.4.2 高速计数器普通计数器受CPU扫描速度的影响，是按照顺序扫描的方式进行工作，在每个扫描周期中，对计数脉冲只能进行一次累加：对于脉冲信号的频率比PLC的扫描频率高时，如果仍采用普通计数器进行累加，必然会丢失很多输入脉冲信号，在PLC中对比扫描频率高的输入信号的计数也可使用高速计数器指令来实现。S7-200 PLC有六个高速计数器，其占有的输入端子各不相同，且不同的输入端有专用的功能，如：时钟脉冲端、方向控制端、复位端、启动端等。高速计数器共有12种工作模式，其工作模式和输入端子表如表2.6所示。高速计数器有四种计数方式：（1）单路脉冲输入的内部方向控制加/减计数：即只有一个脉冲输入端，通过高速计数器的控制字节的第3位来控制做加计数或者减计数。该位为1，加计数；该位为0，减计数。（2）单路脉冲输入的外部方向控制加/减计数：即有一个脉冲输入端，有一个方向控制端，方向输入信号等于1时，加计数；方向输入信号等于0时，减计数。如图所示为外部方向控制的单路加/减计数。该计数方式可调用当前值等预设值中断和外部输入方向改变的中断。（3）两路脉冲输入的单相加/减计数。即有两个脉冲输入端，一个是加计数脉冲，一个是减计数脉冲，计数值为两个输入端脉冲的代数和，该计数方式可调用当前值等预设值中断和外部输入方向改变的中断。（4）两路脉冲输入的双相正交计数。即有两个脉冲输入端，输入的两路脉冲A 相、B相，相位互差90（正交），A 相超前B相90时，加计数；A 相滞后B相90时，减计数。在这种计数方式下，可选择1x模式（单倍频，一个时钟脉冲计一个数）和4x模式（四倍频，一个时钟脉冲计四个数）。控制字节定义了计数器和工作模式之后，还要设置高速计数器的有关控制字节。每个高速计数器均有一个控制字节，它决定了计数器的计数允许或禁用，方向控制（仅限模式0、1和2）或对所有其他模式的初始化计数方向，装入初始值和预置值。系统控制部分有两个高速计数输入，根据表2.6每个高速计数器占用不同的输入端子，且计数器占用的输入端子不能另作它用，考虑节约I/O点数和经济成本，在满足控制要求的前提下，选择高速计数器HSC3和HSC5。表2.6 高速计数器工作模式和输入端子表HSC编号及其对应的输入端子 HSC模式功能及说明占用的输入端子及其功能HSC0I0.0I0.1I0.2HSC4I0.3I0.4I0.5HSC1I0.6I0.7I1.0I1.1HSC2I0.2I0.3I1.4I1.5HSC3I0.1HSC5I0.40单路脉冲输入的内部方向控制加减计数。控制字SM37.3=0，减计数；SM37.3=1，加计数脉冲输入端1复位端2复位端启动3单脉冲输入的外部方向控制加减计数。方向控制端=0，减计数；方向控制端=1，加计数脉冲输入端方向控制端4复位端5复位端启动6两路脉冲输入的单向加减计数加计数有脉冲输入，加计数；减计数有脉冲输入，减计数加计数脉冲输入端减计数脉冲输入端7复位端8复位端启动9两路脉冲输入的双向正交计数，A相脉冲超前B相脉冲，加计数；A相脉冲滞后B相脉冲，减计数A相脉冲输入端B相脉冲输入端10复位端11复位端启动2.4.3 光电编码器光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量被测物的转角或直线位移量。是一种通过光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。这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。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。光电编码器按测量方式可分为旋转编码器和直尺编码器；按编码方式的分为绝对式编码器、增量式编码器和混合式编码器。绝对式编码器是用光信号扫描分度盘上的格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出测量的位移量。其特点是：输出的位置数据唯一且掉电后数据不会丢失。增量式旋转编码器是用光信号扫描分度盘，通过检测、统计信号的通断数量来计算旋转角度。其特点是：编码器输出的位置数据是相对的，旋转角度的起始位置可以任意设定，掉电后数据丢失。混合式旋转编码器是用光信号扫描分度盘，通过检测、统计光信号的通断数量来计算旋转角度，同时输出绝对旋转角度编码与相对旋转角度编码。具备绝对编码器的旋转角度编码的唯一性与增量编码器的应用灵活性。根据增量式编码器、绝对式编码器和混合式编码器的特点，增量式编码器具有分辨能力强、测量范围大且、适应大多数情况且性价比较高等优点，因此选用增量式编码器。编码器的电路信号输出种类，主要是针对要连接编码器信号的计数器、PLC、人机界面等，它们能接受或要求传感器输出信号。因此选用编码器必须了解控制器规格或使用环境。2.4.4 系统控制部分电路图控制系统的控制电路由PLC、TD200、光电编码器、按钮、接触器和行程开关组成。TD200人机界面用来显示当前设定长度和宽度数值，包括用户界面和相关操作提示以及启动、停止、参数设置按钮，可以满足系统启动、停止，实现长度和宽度等参数的设置。按钮包括急停按钮，用来实现设备的紧急停止。光电编码器和电机同轴相连，光电编码器的A相与PLC高速计数器输入端相连接，利用高速计数器设置值和当前值比较，相等时产生中断，表示达到设定的长度或宽度，启动激光束切割玻璃板材，驱动电动机进行定长定宽切割。PLC的输出部分为接触器线圈，控制横向电动机水平运动实现玻璃板材长度测量，驱动纵向电动机实现定宽运动，垂直电动机正反转实现切割刀具向上和向下运动。PLC的硬件接线图如图2.4所示。图2.4 PLC接线图2.5控制系统HMI人机界面S7-200 TD设备是一种低成本的人机界面（HMI），使操作员能够与应用程序交互。可以使用TD设备组态一组层级式用户菜单，从而提供更多应用程序交互结构。TD设备与S7-200系列PLC通过TD/CPU（RS485接口）电缆建立通信，默认TD设备的通信地址为1，S7-200的地址为2。同时S7-200通过电缆为TD设备提供直流24V电源。 TD200、TD200C和TD400C还可以由独立的24V直流电源供电。S7-200 TD设备是一个2行或4行的文本显示设备，可以连接到S7-200 CPU。S7-200 TD设备可用于查看、监视和改变用户程序的过程变量。S7-200 TD产品系列提供了四种TD设备：TD 100C、TD200、TD200C和TD400C。查看用户菜单和屏幕的层级，通过这些可以实现操作员与应用程序或过程处理交互使用 STEP 7-Micro/WIN 的文本显示向导可以创建这些用户菜单和屏幕，显示由 S7-200 CPU 生成的报警位使能消息。 文本显示 (TD) 设备的功能，可以使用 TD 设备来执行以下任务：（1）使用STEP 7-Micro/WIN 的文本显示向导可以定义这些报警。 （2）修改指定的程序变量。 （3）使用TD设备可以将变量定义为文本字符串或数字字符串。 （4）文本字符串变量中的所有字符均可编辑 。（5）数字字符串仅数字字符可编辑光标将跳过所有非数字字符。 （6）TD设备允许定义字、双字或实数类型的变量。 （7）强制或取消强制I/O点可以将 S7-200 CPU中的各个I/O 。（8）点强制设为开on或关off仅TD 200C、TD200和TD 400C。 （9）设置时间和日期S7-200 CPU 支持实时时钟。 （10）TD200C和TD 400C提供其它用于与 S7-200 CPU 进行交互的功能。 （11）可以改变 S7-200 CPU 的操作模式 RUN运行或STOP停止。 （12）可以对存储在 S7-200 CPU 存储区中的数据进行访问和编辑。根据控制要求，本着在满足控制功能的前提下降低成本的原则，选择S7-200 TD200作为控制系统的人机界面。图2.5 TD200人机界面控制面板第三章 系统软件设计3.1 控制系统主程序设计针对本课题控制要求，设计的PLC控制系统，通过HMI人机界面完成对玻璃长、宽等参数的设置，利用S7-200系列PLC对台车电机、升降电机、进刀电机的运动控制。设计控制系统主程序的流程图如图3.1所示：图3.1 控制系统主程序流程图为实现系统控制要求，完成控制任务，系统需要加入定时安全报警程序，即每一个动作启动时同时启动定时器，根据每个动作完成的时间设置定时器的定时时间，如果系统出现故障，定时时间到而未完成相应动作，停止后续动作，触发报警动作。图3.2 控制系统主程序顺序功能图控制系统主要是为了完成玻璃定长定宽的切割，主程序是控制电动机的设置长度和设置宽度的定尺寸切割运动，主要完成下降、定宽、横向进给、定长切割和上升运动。在常用的梯形图设计方法中有经验设计法和顺序功能图设计方法，在此次主程序设计中采用顺序功能图设计方法，全部用寄存器位来代表步具有概念清楚、编程规范、梯形图易于阅读和查错的优点。利用以转换为中心的顺序控制梯形图设计方法，按照步及转换条件设计出主程序的顺序功能图如图3.2所示。根据控制系统主程序流程图编写梯形图程序，控制程序见附录A。3.2 高速计数器初始化程序高速计数器指令有两条：高速计数器定义指令HDEF和高速计数器指令HSC。HDEF指令功能是为某个要使用的高速计数器选定一种工作模式。每个高速计数器在使用前，都要用HDEF指令来定义工作模式，并且只能用一次。它有两个输入端：HSC为要使用的高速计数器编号，数据类型为字节型，数据范围为05的常数，分别对应H H;MOCE为高速计数的工作模式，数据类型为字节型，数据范围为011的常数，分别对应12种工作模式。当准许输入使能EN有效时，为指定的高速计数器HSC定义工作模式MODE。 HSC指令功能功能是根据与高速计数器相关的特殊继电器确定在控制方式和工作状态，使高速计数器的设置生效，按照指令的工作模式的工作模式执行计数操作。它有一个数据输入端N：N为高速计数器的编号，数据类型的字型，数据范围为05的常数，分别对应高速计数器HH.当准许输入EN使能有效时，启动N号高速计数器工作。如果预置长度和宽度尺寸是固定变化的，没有必要再初始化程序中设置SMD142传送指令，直接执行HSC指令即可。但是，预置值具有外部设定功能，为了使用设定值得变化，必须在初始化子程序中设置SMD142传送指令，使高数计数器预置值随着设置值得变化而变化。由于高速计数器的HDEF指令在进入RUN模式只能执行1次，为了减少程序运行时间优化程序结构，一般以子程序的形式进行初始化。以HSC3为例，高速计数器的初始化步骤。（1）利用SM0.1来调用一个初始化子程序。 （2）在初始化子程序中，根据需要向SMB137装入控制字。例如，SMB137=16#F8，其意义是：准许写入新的当前值，准许写入新的设定值，计数方向为曾计数，启动和复位信号为高电平有效。 （3）执行HDEF指令，其输入参数为:HSC端为3（选择3号高速计数器），MODE端为0(对应工作模式0，模式1，模式2)。 （4）将希望的当前技术值装入SMD138(装入0可进行计数器的清零操作) 。（5）将希望的设定值装入SMD142 。（6）如果希望捕获当前值等于设定值的中断事件，编写与中断事件号32相关联的中断服务程序。 （7）执行ENI指令。 （8）执行SMD142传送指令。（9）执行HSC指令。 （10）退出初始化子程序。STEP 7-Micro/WIN 提供一个方便实用的高速计数器指令编程向导，可以简单快速地配置高速计数器的功能。初始化子程序见附录B。3.3 中断程序控制系统要求对长度、宽度的定尺寸切割，通过HMI人机界面实现尺寸设定功能。利用高速计数器的输入端计数光电旋转编码器的输出脉冲，以此计算横向电机和纵向电机的进给尺寸，当达到设定值时高速计数器产生中断，驱动横向电动机和纵向电动机实现定长定宽切割，复位高速计数器的当前值，设置高速计数器的控制字节，启动高速计数器。在控制系统中用到两个高速计数器，因此需要对两个高速计数器分别编写中断程序，HSC3中断程序INT-0，HSC5中断程序INT-1。中断程序见附录C3.4 TD200人机界面组态3.4.1 配置TD200文本显示器配置TD200文本显示器，完成对文本显示器的基本参数设置，配置文本显示器型号，更新速率，配置用户程序所需的变量，按键动作，存储器，用户界面的数量，界面中显示信息及报警信息。TD200文本显示器的配置步骤：（1）进入“简介栏”，选择要编辑的配置。（2）进入“选择 TD 200型号和版本”栏，根据设备情况进行选择（3）进入“本地化显示”栏，选择“中文”语言和“中文简体”字符。（4）进入“标准菜单和密码”栏，选择启用TOD菜单、启用强制菜单，不启用密码保护。（5）进入“功能键和更新速率”栏，选择默认设置。（6）进入“报警选项”栏，选择“两行文本”，“3条信息”。（7）进入“分配存储区”栏，选择默认设置，即字节参数块的起始地址是VB0；使能标志字节的起始地址是VB14；信息存储区起始字节地址是VB24。 （8）进入“报警”栏，每一条信息可包含20个以下汉字。（9）进入“项目组件”栏，完成并保存TD200的配置文件。配置文件信息如图3.3所示图3.3 TD200配置信息3.4.2 TD200文本显示器用户程序组态完成TD200文本显示器的配置后，需要编写用户程序，并组态编写用户程序需要编写控制程序说明，根据控制程序说明和用户要求编写用户程序。控制程序说明如表3.1所示表3.1 TD200控制程序说明符号地址含义符号地址含义F1M0.0启动信息2V14.6设置长度F2M0.1停止信息3V14.5设置宽度F3M0.2增加存储器VD96长度显示存储单元F4M0.3减少存储器VD138宽度显示存储单元V3.2画面上翻存储器VD1000预设长度存储单元V3.3画面下翻存储器VD1100预设宽度存储单元信息1V14.7启停F1F2增减F3F4利用STEP 7-Micro/WIN 进行用户程序编写。为方便用户设置长度和宽度尺寸，TD200控制程序预设值长度和宽度尺寸，使用双字传送指令将预设值传送到显示寄存器中，以便用户参考，并在此基础上更改长度和宽度尺寸。利用ADD-DI和SUB-DI指令编写按键F3和F4功能，即每按下一次F