小型成捆区打捆机自动化控制设计

小型成捆区打捆机自动化控制设计摘 要 ：在对国外多种棒材自动打捆机的研究基础上，本文严格根据工艺要求，设计了一种新型的小型材全自动棒材打捆机，通过从分析任务、硬件配置选型及其相关软件需求等方面，全面阐述了实现打捆机自动控制及手动控制任务的设计过程。选择莫迪康 PC-984-145 PLC 的自动控制系统，其结构紧凑、易于操作和维护。不但提高了打捆速度和可靠性，而且给予了良好的人机交互操作面板。并提出了打捆机利用 MB+网并入现场总线的方法，利于实现钢铁厂的网络管理控制系统。关 键 词：打捆机、自动化控制、PLC 应用、MB+网目录1 绪 论 .31.1 引言 .31.2 自动打包机国内外研究状况 .41.3 课题设计内容及重要工作 .42 电气控制系统设计 .62.1 系统概述 .62.2 系统供电设计及选型依据及说明 .62.3 PLC 系统的设计 .92.4 传感器及驱动电路 .122.5 系统操作面板 .163 PLC 程序设计 .183.1 系统原理分析 .183.2 控制程序结构 .183.3 PLC 程序的设计 .194 结论 .235 致 谢 .246 参考文献 .251 绪 论1.1 引言小型材打捆机是钢铁厂小型连轧生产线精整包装工段自动化包装的核心设备。 1 在当今市场经济情况下，产品质量和形象是企业生存发展的决定性因素之一。而随着社会对钢材需求和钢铁企业现代化程度的日益提高，越来越多的钢铁企业发现钢铁产品的包装质量成为影响钢铁产量发展的关键。传统的人工包装效率低，工作强度大，作业环境差，而且易产生散捆、混号和捆松的情况，从而大大制约了钢铁产量的提高。所以，全自动打捆机的设计与研制是当务之急。1.2 自动打包机国内外研究状况为了解决解决生产线上的瓶颈现象，各钢铁企业都逐步开始采用精整生产线自动打捆机。可国际上也只有瑞典 Sund Birsta 公司、法国 Botaram 公司、德国 Simac 公司等少数几家掌握了精整自动打捆机的关键技术。而国内诸如宝钢、首钢、唐钢、八钢等大型钢铁企业只能相继从国外引进了自动打捆机。自动打捆机的设计将填补国内自动打捆机这一技术领域的空白。1.3 课题设计内容及重要工作经过对多种结构形式的棒材打捆机的深入分析, 我们选择具有维修检测方便, 打捆效率高,使用可靠性高等特点的立式机型。采用全液压驱动方式, 打捆机可以长期稳定运行,采用莫迪康 PC-984-145 PLC 作为控制器, 负责打捆机 11 个动作的控制、对生产线进行适当的判断、对设备故障监视并报警、与生产线其它设备的通讯等。设计需要完成硬件系统设计：根据打包机生产工艺要求，完成打捆机控制系统的设计，画出系统的电气原理图，结构图等。软件系统设计：根据生产工艺要求完成打捆机 PLC 程序设计，编写 PLC 控制梯形程序图。打包机的生产工艺要求：钢从辊道过来，到达设定（由操作工在人机界面设定、包括打捆位置和打捆道数）打捆长度后，辊道停止、打包机抱紧臂开始抱紧，打包机头下降，1#夹紧缸加紧、抽线、2#夹紧缸加紧、扭转头扭转、扭转头复位、打包机头上升、打包机抱紧臂打开、打包机喂线等待，钢捆离开等待打下一捆，控制要求有自动控制和手动控制两种，正常时使用自动控制，异常时操作工在本地进行手动单步控制。2 电气控制系统设计2.1 系统概述自动打捆机是典型的机电液体化设备，由机械、液压和电气控制三部分组成。机械系统由导丝架、送抽丝结构、主机、导丝槽抱臂、和扭转机构组成，是设备的支撑系统；液压统由机载液压站、电磁阀、液压缸和液压马达组成，是设备的驱动系统；电气控制系统由操作台（电气控制柜）、各种检测开关、电缆、PLC 等组成，是设备的控制中心 2。由于精整工艺生产连续不间断、可靠性要求高，而所处工作环境恶劣（振动、氧化铁粉尘等），同时打捆包装的工序繁多，运动复杂，对控制系统提出了严格的要求，在这种情况下，选择了 PLC 作为控制系统的核心部件。本章将详细阐述系统电气控制部分的设计方案。2.2 系统供电设计及选型依据及说明本设计电源供电采用 380V 交流电网供电如图 2-1 所示,它直接提供设备需要的 380V交流电源并通过一台变压器提供控制系统所需的 24V 直流电源和 220V 交流电源。整个供电由一个主开关控制关断，其中打包机液压泵 M1 和冷却循环泵 M2 各通过低压断路器F1、F2 和接触器 K1，K2 直接驱动 380V 交流异步电动机。2.2.1 断路器选型1)低压断路器的选择和应用 低压断路器用途广泛，它不仅用于主干线、支路、电路末端等作线路（电缆、电线）及电气设备的不频繁合、分和过载、短路、欠电压等故障的保护，还应用于各种负载，如照明回路、电热回路、电动机回路、可控硅整流回路、电容器回路等的单独使用和保护。负载的性质不同，选用断路器的额定电流和保护特性也有差异。2)选择低压断路器应满足下列条件低压断路器的额定电压应不低于保护线路的额定电压。低压断路器的额定电流应不小于它所装的脱扣器的额定电流。低压断路器的类型应符合安装条件，保护性能及操作方式的要求。 F1 的选择：M1 电机的额定电流是 6A，单台直接起动电动机 断路器额定电流(1.31.5)电动机额定电流，由 IFN (1.31.5) IN 可计算出 F1，其中 IFN 断路器额定电流，IN 为电机额定电流。在计算时由于电机启动不频繁，我们采用 1.5 倍计算。IF1N=1.5 I1N=1.56A=9A F2 的选择：M2 电机的额定电流是 2A，单台直接起动电动机 断路器额定电流(1.31.5)电动机额定电流，由 IFN (1.31.5) IN 可计算出 F1，其中 IFN 断路器额定电流，IN 为电机额定电流。在计算时由于电机启动不频繁，我们采用 1.5 倍计算。IF1N=1.5 I1N=1.52A=3A根据上述计算，我们 F1 和 F2 分别采用额定电流为 9A 和 3A 的断路器。2.2.2 接触器的选择接触器是用来接通和切断电动机或其它负载主电路的一种控制电器.接触器具有强大的执行机构,大容量的主触头及迅速的熄灭电弧的能力.当系统发生故障时,能根据故障检测元件所给出的动作信号,迅速可靠的切断电源,并有低压释放功能.与保护电器组合可构成各种电磁启动器,用于电机的控制及保护。选择接触器的类型：根据电路中负载电流的种类选择。交流负载应选用交流接触器，直流负载应选用直流接触器，如果控制系统中主要是交流负载，直流电动机或直流负载的容量较小，也可都选用交流接触器来控制，但触点的额定电流应选得大一些。选择接触器主触头的额定电压：应等于或大于负载的额定电压。选择接触器主触头的额定电流：被选用接触器主触头的额定电流应不小于负载电路的额定电流。也可根据所控制的电动机最大功率进行选择。如果接触器是用来控制电动机的频繁启动、正反或反接制动等场合，应将接触器的主触头额定电流降低使用，一般可降低一个等级。主触头额定电流由经验公式：ICN=PN103KUNK 为常数取 11.4,一般为 1.2 ICN主触头额定电流(A)PN被控制的电动机的额定功率(KW) UN电动机的额定电压(v)。ICN1 = 2.48A 根据国标选择 K1 为 LC1-D1222Q5NICN2 = 0.98A 根据国标选择 K2 为 LC1-D0922Q5N主 开 关图 2-1 系统 380V 供电原理图本设计中除了上述几种辅助设备 380V 的动力电源供电外，其控制系统的供电也是非常重要的部分。控制控制系统中如电磁阀等用电容量大、负载变化大、对系统干扰严重。测控装置使用的直流低压电源容量小, 但要求电压稳定性高、干扰小。因此, 两种电源不易合一供电。PLC 系统的供电考虑会受到诸多干扰, 多数干扰是通过电源系统进入的, 对系统危害严重。因此在系统供电系统设计时有效合理的处理上述问题是至关重要的。所以本设计将采用电源变压器分开供电，即如图 2-2 所示，整体供电网络中动力电源和控制电源通过一台变压器分别供电，PLC 系统和测控系统配备专用变压器，动力负载所产生的干扰可以得到有效的隔离。 电 源面 板 电 源传 感 器 电 源电 源图 2-2 控制系统供电原理图2.3 PLC系统的设计在打包机自动控制系统中，24 个开关量输入：钢检测冷检信号、一个自动点位、一个手动点位，打包机头下降点位等。33 个开关量输出：1#夹紧缸加紧，2#夹紧缸加紧、抽线、喂线、拧转头扭转和若干指示灯指示等。两个模拟量输入：打捆位置编码器、抽线抽紧编码器。三个模拟量输出：低速喂线、高速喂线、扭转头扭转圈数整个系统还需一个总启动开关，一个总停止开关；总的控制量：开关量输入点 26 个，开关量输出点 33 个，模拟量输入点 2 个，模拟量输出点 3 个。在工业生产中的这些自动控制问题，采用 PLC 控制已成为最有效的解决方案之一，本结将详细叙述 PLC 控制系统设计时应该注意的问题和设计思路 3。本设计的核心控制器采用 Modicon 公司的 PC-984-145 PLC 来实现。这种 PLC 是机架安装的紧凑型 PLC。它具有体积小，价格便宜，并且能长期工作在恶劣的环境下等优点。其基本配置如图 2-3 所示。首先我们确定打包机控制系统要用 PLC 形成网络，本设计我们将采用 984-154 PLC，其 CPU 上集成了 MB+现场总线网的接口。通过各控制环节输入输量的统计本设计进一步确定了 PLC 模块的数量最终将形成一个完整的配置，同时在实际需要点数的基础上还预留了 10%的余量。 打包机的动作的频率等，从而 PLC 采用晶体管输出型模块以保证系统的稳定运行 4。DEO216DAO216DAP216ZAE201DEO216DAP216ZAE201图 2-3 PLC 系统配置图其中：ZAE 201 模块是高速计数/脉冲模块，用于接收从编码器来的脉冲信号，计算喂线长度及扭转头旋转的圈数。DEO 216 模块是数字量输入模块，输入点数为 16 点。DAO 216 模块是数字量输出模块，输出点数为 16 点。DAP 208 模块是数字量输出模块，输出点数为 8 点。图 2-4 为 PLC 系统的电源接入方式。图 2-4 PLC 电源2.4 传感器及驱动电路控制系统除主要完成对打包机各个动作的实时控制外, 还通过接近开关，压力传感器等对现场条件进行监控、反馈及对机旁操作面板上的操作进行相应的动作控制。控制系统自动检测辊道上钢捆是否到打包位置, 根据所检测到的钢捆位置, 打捆机本身的状态, 预紧成型状态等条件自动打捆,这些所有功能的实现都离不开控制系统中的自动检测环节和液压阀台的控制环节。 打捆机的检测元件及阀台的分布框图如图 2-5 所示。控制系统主要围绕打捆机的动作要求和现场条件进行其功能设计, 主要是对系统检测和液压系统进控制进行综合设计。根据各个动作的协调关系确定出可同时动作的执行元件。DCDCDCDCDCDCDCDCDCDC图 2-5 系统检测元件及阀台框图控制系统的输入电路包括现场检测接近开关及压力开关量的输入电路和操作面板按钮输入电路。输入回路供电电源为 DC24V，输入电流为几十毫安至几百毫安，为保证 PLC 安全稳定的运行，我们在输入回路上端设置了短路保护，有效的避免的应输入回路的短路故障而损坏 PLC 输入模块 5。本系统的输入包括功能选择切换开关、开始按钮、液压泵的启动按钮、手动打捆操作的各类按钮等。如图 2-6 所示，为系统部分按钮输入回路的电气原理图。功 能 1功 能 2功 能 3功 能 4功 能 5开 始液 压 泵 1液 压 泵 启 动图 2-6 部分按钮输入原理图系统中各位置的检测均由接近开关完成，接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作 ”信号。其特点是接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便等； 缺点是 触点容量较小、输出短路时易烧毁。 由于打捆机系统动作频繁，采用接近开关作为检测元件将会有效保证系统的稳定运行，降低故障率。本系统采用了 DC24V 供电的两线制接近开关，其可知其通过电源连接至 PLC的输入模块，图 2-7 为系统部分接近开关的输入原理图。 线 停 止 位棒 捆 到 位打 包 丝在 高 位在 低 位到 打 包 位液 压 油位 低DCDCDCDCDCDC 液 压 油位 低图 2-7 部分接近开关输入原理图本系统的所有动作都是由液压系统驱动的。本设计采用 24 V 电磁换向阀控制各动作油缸、液压电机的动作和运动方向，由于每个电磁换向阀都需要 1A 以上的驱动电流，为防止驱动电流过大或驱动电路短路对 PlC 造成损伤，在 PLC 输出点与电磁阀线圈之间加入了继电器环节。PLC 的输出首先触发中间继电器，而继电器的触点可以支持较大的电流，该电流再驱动电磁阀线圈以完成动作，这样保护了 PLC 的输出触点。而且通过中间继电器实现 PLC 控制，便于单机调试和故障诊断及排除 6。如图 2-8 所示，为系统阀台控制原理图。本系统的阀台主要包括有液压总开关阀台、一号夹紧缸、二号夹紧缸、打捆扭转、扭转头复位、打捆单元上升、打捆单元下降、打捆单元在打捆位等环节的控制。图 2-8 阀台控制原理图2.5 系统操作面板作为打捆机的 MMI 界面本系统的操作面板集中了打捆机所有的手动环节的操作按钮及转化开关等，而且操作面板通过指示灯显示了打捆机的运行状态和系统故障。由于操作面板大小的限制，本设计采用转换开关加开始按钮的方式来选择相应的功能。是打捆机的操作更加简单、直观。如图 2-9，为打捆机的操作面板。上 升夹 紧 关扭 转2#夹 紧抽 线下 降1夹 紧喂 线 扭 转 头 复 位自 动手 动 油 位 低线 故 障停 止PLC系 统 故 障复 位 灯 检 测 急 停运 行 指 示 液 压 泵 散 热 器 加 热 器01开 始 关 开开 始夹 紧 轮关 机 旁开图 2-9 打捆机操作面板3 PLC 程序设计3.1 系统原理分析打捆机打捆的基本过程为：线从喂线单元喂进导线槽，通过喂线单元夹送轮的编码器来控制，使线完全地喂满导线槽，当检测有钢时，线的一头被夹紧开始抽线，舌板一个个打开，抽线抽紧之后（由编码器来检测，在单位时间内其变化量小于一定值即认为线已抽紧，此值在 PLC 程序内可设定），线的另一头亦被夹紧，扭转头开始旋转，当旋转到一定圈数后，将线的两端均切断，然后松开夹紧轮。这样一个打捆的基本过程就结束了。3.2 控制程序结构由系统原理可知，自动打捆机的动作复杂，输入输出点多，我们采用了流程图转化PLC 梯形图的设计方法来实现程序的设计。按照系统要求，每个打捆机的动作对应一个相应的子程序，在程序扫描执行过程中，由主程序调用相关的子程序来完成打捆任务，主程序控制流程图如图 3-1 所示。当 PLC 上电后，程序开始执行，若为上电后的第一个周期时，则进行程序初始化，在以后的扫描周期内不再执行这一步，接着调用警情处理处理子程序，接着查看警情标志位，检查是否有警情发生，若有则跳转到程序尾，开始新一轮的扫描，若无警情发生，则继续依次调用启动、升压控制子程序，如出现自动打捆或手动打捆命令则进入自动打捆步骤子程序和手动分步打捆子程序。这样周而复始的循环、以满足不问断生产的需求。下面我们将对自动和手动程序进行设计、编写。开 始程 序 初 始 化有 报 警 ？急 停 否 ？自 动 运 行 否 ？手 动 分 步 运行 否 ？ 报 警 处 理 报 警 完 成 ？调 用 急 停 处理 程 序 处 理 完 成 ？调 用 自 动 运 行 子程 序调 用 手 动 分 步 运行 子 程 序NYYYYNN图 3-1 主程序控制流程图3.3 PLC程序的设计自动打捆机的 PLC 程序分为自动程序和手动程序。如图 3-2 所示为自动打捆机自动打捆步骤的控制流程。打捆机选择自动打捆方式后，当打捆机检测到辊道上的棒捆到打捆位置后，打捆机可升降的打捆单元开始下降，当定位开关检测到位后，停止下降，送抽丝液压马达反向旋转进行抽丝，抽丝编码器根据单位时间的变化量判定是否抽紧（变化量小于设定值时认为已经抽紧），抽紧后使一号夹紧缸夹紧，拧丝头在拧丝液压马达的作用下开始拧丝，旋转一定时间后停止扭转，至此捆扎过程完成。接着打捆机打捆单元上升，拧丝头复位，重新送抽丝液压电机正向旋转进行送丝，送丝检测到位后二号夹紧缸夹紧，即完成一个捆扎周期。根据该流程，我们可以编写 PLC 的程序。开始下降是否到位抽丝 （ 液压马达反转 ）抽丝到位 ？ ( 编码器单位时间变化量 )抽紧停 ， 一号夹紧缸夹紧扭转时间到 ？扭转停 ， 打捆丝切断打捆单元上升 ，扭转头复位上升到位 ？喂丝 ，（ 液压马达反转 ） 一号 、二号夹紧缸松开喂丝检测到位 ？喂丝停 ， 二号夹紧缸夹紧打捆单元下降抽紧扭转停止等待YNNNYNYY自动打捆流程自动 PLC 程序由每一步的程序段组成，并且每步之间有关联，在执行程序的时候可以根据打包流程一次执行相关程序段。下面为打捆机的部分程序。012016013017301801701701201701251071017301801720172017201201301740178 01730173 01801701940132 016 01780189 01801780701320179017401601801801890180178019 018 01790179 018014901750182018 0176 014014 018014014 017 01760176 018017601701780179 017017 018手动分步模模式大多用于工艺调试、设备故障排除和转载打捆丝等操作。其程序分单步的打捆步骤，由操作面板按钮控制执行。其控制流程与自动流程基本相同，但需要人工给出执行命令。4 结论全自动打捆机是一个机、电、液、计算机