毕业论文-平板切纸机电气系统设计及制作

PAGEPAGE45桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 PAGE目录引言 11绪论 21.1课题的研究背景 21.2国内外切纸机的现状分析及其差距 21.2.1现状分析 21.2.2国内外切纸机的差距 41.3课题研究的目的和意义 51.4系统设计主要任务 51.4.1硬件部分 51.4.2软件部分 62平板切纸机电气控制设计方案 72.1平板切纸机的组成及工艺流程 72.2设计要求 82.3设计方案 82.3.1系统控制方案的选择 92.3.2系统控制方案的确定 103平板切纸机电气控制系统主电路的设计 113.1系统主要电气设备 113.1.1电动机 113.1.2可编程逻辑控制器（PLC） 153.1.3相关电气设备 163.2三相电源的电气控制设计 183.2.1三相电源电气控制线路设计及说明 183.2.2三相电源控制线路主要设备参数计算和选择 183.3主电机电气控制线路设计 203.3.1主电机电气控制线路设计及说明 203.3.2主电机线路主要设备的计算和选择 213.4升降电机电气控制线路设计 233.4.1升降电机电气控制线路设计及说明 233.4.2升降电机线路主要设备的计算和选择 244平板切纸机电气控制系统控制电路的设计 254.1电源欠压或过压及主电机过流保护的设计 254.1.1电量变送器 254.1.2电流互感器 264.1.3欠压、过压和过流保护的实现 264.2断纸报警及纸张计数设计 264.3PLC程序设计 275平板切纸机电气控制系统模拟样机设计与制作 285.1系统模拟样机的安装 285.2系统模拟样机的检查 305.3系统模拟样机的试机 306结论 32谢辞 33参考文献 34附录一 35附录二 39附录三 42附录四 43引言21世纪，世界经济飞速发展，互联网及计算机技术也以迅雷不及掩耳的速度发展；在经济全球一体化的大背景下，资源在世界范围内地流动和配置更加自由、全面和便捷，使得世界各国经济愈加开放，世界经济的变化与各国经济的发展也愈加相互影响和制约。在这样的大背景下，印刷后设备制造行业也在不断的变革和发展。随着印刷工艺及印刷设备的迅速发展，人们也更多地关注到印后设备方面，并逐渐形成了新的发展热点。在印后加工设备中，切纸机械的发展格外引人注目。切纸机是广泛应用于印刷行业的一种传统印后设备，它主要用于造纸厂的纸张和印刷企业纸张及印品的加工。切纸机是印刷企业的必备设备之一。至2005年底，全国印刷企业(不含复印、打印企业)估计为近10万家。【23】如此众多的印刷企业给切纸机的发展提供了广阔的市场前景。不仅如此，切纸机还可用于非纸类材料或产品的裁切，切纸机在这些领域同样也有广阔的市场前景。切纸机是传统产品，从机械式切纸机发展到磁带控制式切纸机，又发展到微机程控，彩色显示，全图像操作引导可视化处理及计算机辅助裁切外部编程和编辑生产数据的裁切系统，使生产准备时间更短，裁切精度更高，劳动强度更低，而操作更安全。切纸机的这种飞速发展，令世人刮目相看。【25】现代社会对物质文化的要求越来越高，为适应市场的需要，印后设备的设计及制造水平也必须进行提高，尤其是自动控制技术、检测传感技术和电子技术的发展，更加促进印后设备的控制系统进行改革，变频调速技术、可编程序控制技术、温度控制技术等在印刷机械中的应用越来越广泛，使得印后设备向着高速、高自动化和高质量的方向发展。1绪论1.1课题的研究背景提高造纸机械的技术水平，加快造纸机械的技术革新改造是造纸行业应对加入WTO带来的机遇和挑战采取的重要举措。国内造纸机械的水平与国外有相当的差距。以国内切纸机为例，切纸车速低，造纸行业生产效率难以提高；切纸过程中裁纸不均，分切造成浪费，使纸产品质量下降，影响产品的出口。国内造纸机械的现状严重制约了造纸工业的发展。虽然国外造纸机械的水平高，但是进口产品的价格居高不下，国内众多小型造纸企业难以接受。即使是对大型企业而言，大量购进进口设备也是巨额的投资。因此在市场对纸业技术装备水平和投资成本提出更高要求的情况下，需要加快改变国内造纸机械行业落后状况，在引进技术的基础上，消化吸收和开发经济实用的大型先进造纸装备，以适应造纸工业发展。这是今后中国造纸机械提高技术水平应采取的对策。我国造纸工业正处于社会需求高增长阶段，近十年来，国内外纸张需求年增长率为8.77%，高于GDP的增长率，远远超过美国和日本等发达国家2%-3%年增长率。不断增长的市场需求对造纸机械提出新的要求，新型、高效、精确的造纸机械有着广阔的前景，这也是国内造纸机械行业人士关注的问题。因此，设计一种面向国际水平，结构合理，尤其控制精度高的新一代高速高精度切纸机至关重要。切纸机械是造纸工业的灵魂，而造纸工业在整个国民经济中占有重要的地位。有关人士认为切纸机有较好的市场前景，主要表现在三个方面：（1）造纸厂现配备的切纸机，大都是八、九十年代购入，那时国产的切纸机主要是机械式的，这一大批设备需要逐步更新换代。（2）我国印刷品消费水平与世界发达国家和世界平均水平都还有着相当大的差距，切纸机市场的增长是必然趋势。（3）现有切纸设备的速度一般为60m/min以下【18】。1.2国内外切纸机的现状分析及其差距1.2.1现状分析随着印刷行业的发展，对印后加工的要求也越来越高，而切纸机是印后加工的重要设备。目前波拉、沃轮贝格、上海申威达、长春、中江等国内外著名切纸机厂的最新产品代表了切纸机的发展趋势。波拉切纸机包括波拉92E、115E、66、1370ED等利用人体工程学原理设计产出的新一代机型。其共同特点是在裁切尺寸显示、裁切误差自动补偿、安全防护方面都有很大发展。PolarE型切纸机是适用于一般裁切业务的可编程式基本机型，有128KB存储容量；而PolarED型切纸机被称为最先进的切纸机，代表了切纸机的发展方向。它向用户提供了多种附加功能包括清费功能，是整个裁切生产线的中心，配备有在机外进行编程操作的编程软件，并与数据控制系统联网。控制面板上的图形按钮，使人一目了然，操作简单、方便；高分辨力彩色屏显示，备有29种文字的操作信息；当裁切材料发生变化或变形时，可选用相应修正功能，纠正.纸张尺寸误差；自我诊断系统对切纸机所有功能进行连续监视，如有任何错误和不正常，便立即有信号显示和文字显示，以便操作人员尽快排除故障。PolarED切纸机具有高精度测量和定位系统，包括直接脉冲发生器、频率控制的驱动马达、带万向滚珠轴承的高精度主轴及推纸器所使用的精确线性引导系统、裁切位置定位精度达0.01mm，推纸器最高速度为30m/min。近年来，国产切纸机已形成品种、规格齐全的系列产品。上海申威达公司的SQZK程控切纸机是国内切纸机最高水平的代表。其外观、功能、安全性、稳定性已达到国际90年代中期水平，是采用模块化设计的集电脑程序、机、电、液、气于一体的技术密集型智能切纸机。控制系统采用1.04英寸彩色显示屏电脑，软盘驱动，可以进行裁切数据的传递或软件升级，所存裁切数据容量巨大，可以人机对话，实现双语(英、中)选择；具有所需裁切尺寸的工作表及裁切线可视图示功能。采用纸堆高度监测装置及辨刀感应装置，最大程度地减少了纸张空行程时间；采用滚珠丝杠使推纸器定位更快、更准；在115cm以上尺寸机型上可选配废边清除装置。当压纸器压紧纸，前平板前移，使裁切时废边掉入废纸箱，而后前平板与后平板再拢，使裁切现场清洁有调理。为了贯彻欧洲CE安全标准，申威达公司采取了多措施，以进一步切纸机的安全性；强电方面采用了两套PLC可编程控制器、12束红外线光电保护装置、无触点感应开关、内置式电子刀锁等。应该说国产切纸机的进步很快，这是有目共睹的。它已能满足印刷、包装等各方面的需求，但与国外著名切纸机仍有差距，主要表现在机器的性能、稳定性、可靠性、故障频率、切纸机配套设备等方面。现在国内切纸机配套工业整套水平跟不上世界科技发展的潮流，配套的电气元件、电脑、液压件、气动件等不能满足要求。所以要真正使国产切纸机的稳定性、可靠性得到根本提高，除了切纸机厂家自身努力之外，配套工业，尤其是电气元件、液压件等制造厂家必须提高其产品的稳定性、可靠性。目前，国内只有极少数厂家如申威达公司生产切纸机辅机(包括升降车、闯纸机、卸纸机等)。大多数厂家只生产切纸机主机，不能组成裁切生产线，而这也是我国切纸机工业与世界先进水平的一大差距。据了解，Polar切纸机正朝着整体裁切系统取代单机裁切的方向发展，即将切纸机与辅助设备相互组合成网络系统。这不仅可以提高裁切质量和劳动生产率，还可以大大减轻工人的劳动强度。如果我们的切纸机想占领国外尤其是工业发达国家的市场，发展整体裁切系统是必不可少的。【4】1.2.2国内外切纸机的差距（1）技术上的差距切纸机是风险性最大的机械产品之一，安全性是切纸机选购和使用中的首要问题。技术上的差距主要表现在设备的稳定性、可靠性、成套性和自动化程度方面。具体为：①速度低、辅助时间长国产切纸机的裁切速度比国外低10%左右，推纸器速度比国外低30%-50%，裁切循环时间比国外长约10%。②自动化、联动化水平较低国外纸制品加工设备趋向全自动、高速度、多功能化，形成拥有成套设备的多功能生产流水线而国内切纸机目前还以单机为主,流水作业的厂家目前还不多。③质精度和可靠性不够进口刀片换刀时间最长可达36个小时，而有的国产刀片工作10多分钟就需要换刀。④控制系统比较落后从控制系统来讲，我国刚开始使用PLC控制技术,而国外已经采用全线计算机控制。⑤成套性和适应性较差国外裁切机多数都配备了品种繁多的周边设备，形成以高档切纸机为中心的裁切生产线，而我国仅有极少数厂家生产切纸机辅机（包括升降车、闯纸机、卸纸机等）,大多数厂家只生产切纸机主机,不能组成裁切生产线。（2）国内外切纸机的优劣比较与国外切纸机相比,国内切纸机的优势主要体现在中低端市场。一是同国外切纸机相比,国内低廉的劳动力成本使国产切纸机普遍具有价格优势；二是虽然程控切纸机的市场份额正在逐步提升,但是程控切纸机的市场主要集中在欧美等发达地区，在一些经济欠发达地区一般切纸机的需求总要远远超过程控切纸机，包括在国内,数量庞大的中小型加工企业仍然占据了很大的市场，相比较程控切纸机动辄十几万到几十万元的价格,他们在购买时容易倾向于价格低廉的一般液压切纸机或机械式切纸机。而发达国家目前以生产先进的数显和程控式切纸机为主,并向裁切生产线方向发展，已不再生产机械式切纸机,所以国产的普通液压及机械式切纸机还具有一定的出口空间和消费市场。国外切纸机的劣势首先表现在价格方面，国产的程控切纸机大多在十几万元到二十几万元,而进口的切纸机多则上百万元人民币，价格相差悬殊。国外切纸机的另一个劣势表现在售后服务方面，相对于购买国内自主品牌切纸机的用户而言,国外切纸机的维修费用高昂，并且对于一些国内无法解决的维修项目必须等待国外维修人员进行检修，用户必须为此付出更多的时间和金钱。最后，国外厂商一味生产高档切纸机及其配套的辅助生产线,热衷于引入JDF技术，但是JDF技术是一套将整个印刷供应链进行统一管理的工作单元格式。如果只有一段印前或印后流程,没有前后段流程来支持JDF,即使拥有一台装上了JDF的切纸机也没有任何实际作用。想要真正享受到采用JDF带来的实惠,要求投资者不但要拥有从印前到印后的大部分生产线,还要有从订单开始到生产的管理系统,除此之外还要愿意投资给所有印刷、印后设备都装上昂贵的JDF接口。这只有少数几家实力雄厚的大印刷机构才能做得到。由此可以看出国外切纸机主要追求高端市场,而退出或放弃中低端市场的开发。【5】1.3课题研究的目的和意义随着我国政治、经济以及科技的不断发展，大大小小的印刷企业如雨后春笋般遍布我国大江南北，对高性能的切纸机的需求不言而喻；同时，通过国内外切纸机技术差距的研究表明，我国自主研发的切纸机相对来说仍然较为落后，在技术等等方面仍然亟需提高和完善。因此，在国内外印刷行业迅猛发展的大背景下，高性能切纸机的研发生产成为了行业发展的迫切要求。经查找、阅读大量关于切纸机及可编程逻辑控制器控制技术的文献、资料等，在对平板切纸机电气控制系统的设计及制作过程中，不仅要保证该系统的控制性能，同时要考虑控制电器性价比、系统工作过程等等方面；从而最大程度地实现生产监控人员少、生产时间短、操作控制方便、加工工序少、产品质量高和适应现代社会工业生产需求。本次课题的研究和设计对切纸机性能的提高和完善以及自动化程度具有重要的实践意义。目前，国内市场上遍布着各式各样的切纸机，应用广泛，种类繁多，但是许多切纸机的技术水平相对还比较落后，而本课题所研究的基于PLC可编程逻辑控制器电气自动化控制的切纸机能够在一定程度上适应印刷行业的生产需求。1.4系统设计主要任务平板切纸机电气控制系统设计及制作分为两个主要部分：系统的硬件设计和控制程序的编写，即硬件和软件的设计；这也是本课题最重要、最关键的问题。1.4.1硬件部分平板切纸机电气控制系统的硬件主要分为六大部分，即主电路控制部分、接纸升降台控制部分、断纸检测部分、纸张计数部分、电压监测保护部分以及电流监测保护部分。主电机和接纸升降台部分由电机及相关的低压控制电器构成；断纸检测和纸张计数部分由光电开关构成，它们分别对经过传送带的纸以及经切好的纸张进行光感应，从而检测是否断纸和纸张数目；电压监测部分主要由电压变送器构成，电源线路的电压经过电压变送器接入PLC可编程逻辑控制器的A/D模块，并与内部的设定值进行比较，从而判断是否欠压或者过压，最终决定是否输出保护动作，确保系统正常工作；电流监测部分主要由电流互感器构成，将其接入主电机线路以及PLC可编程逻辑控制器的A/D模块，监测到的主电机线路电流经电流变送器输入PLC，并与内部的设定值进行比较，从而判断主电机是否过流，最终决定是否输出保护动作，确保主电机正常工作。将这几个部分绘制成系统主电路图和PLC的I/O接线图，最后选择相关元器件，布置安装一个相对完整的电气控制柜模拟样机。1.4.2软件部分软件部分主要是平板切纸机电气控制系统的控制程序的编写，其中的难点在于如何编写PLC可编程逻辑控制器A/D模块的控制程序，这也是本系统控制电路的关键部分。这部分的编程包括电压监测和电流监测两个方面；就如前面所述的一样，电压和电流监测室通过电压和电流变送器将监测到的电路的电压和电流值经转化后与PLC可编程逻辑控制器A/D模块内部的设定值进行比较，然后做出相关的控制动作，以保证系统的正常工作。初次编好的程序经过多次调试修改后，便得出系统的最终控制程序。在安装电气柜时经过与制作出的硬件电路进行连接、安装、调试，形成一个相对较为完整的平板切纸机电气控制系统。2平板切纸机电气控制设计方案设计一个稳定性好、可靠性高、成套性和适应性好以及精度高和自动化程度高的相对完整的平板切纸机电气控制系统是一个非常复杂的过程，由于技术、知识储备等主观及客观因素的制约，本人只针对平板切纸机工作流程的核心部分，即切纸和接纸升降台两个电机控制系统做了详细的设计及制作。一卷卷的纸张在纸筒上根据客户的需求经过切纸刀裁切成各种规格的纸张。此切纸机中，切纸刀和送纸滚筒等用一个电机带动，形成同步工作，保证裁切出来的纸张的精度。该系统的电气控制方案的设计就是根据课题要求对系统硬件和软件进行规划、设计，并选择最佳的硬件电路以及控制程序来达到设计要求。硬件电路的设计是经过对课题设计要求的详细研读、分析，查阅各种低压控制电器的相关介绍资料，绘出主电路及控制电路图，分析、计算并选择适合的电动机、低压断路器、交流接触器、继电器、互感器、变送器及电缆线等主要电器或元件的功率、型号、等级等具体的参数，然后根据这些数据来制作硬件电路，安装在一个电气控制柜上，从而实现课题要求的硬件设计；控制程序的设计是通过对可编程逻辑控制器的编程介绍的深入学习后，经过多次调试、修改、从而实现了对硬件电路的控制，最终制作完成一个相对完整的平板切纸机电气控制系统。2.1平板切纸机的组成及工艺流程切纸机主要有上纸机构、退卷、张力调节辊、反曲、喂纸/切纸、废纸收集和接纸升降台组成。见图2.1。张力调节辊张力调节辊反曲机构上纸机构喂纸/切纸废纸收集传送带升降台图2.1切纸机的结构图切纸机生产流程为：大约1~5卷的卷筒纸，经上纸机构装置于退纸架上，开卷后首次经过引纸辊、导辊、喂纸辊、切纸辊输送牵引，压上喂纸辊；启动切纸机，成卷的白纸在喂纸辊连续不断的拉动下前进，经纵切/横切刀分切成客户要求的纸宽、纸长后，由传送带输送到升降台，堆积成纸剁，随着纸张的不断进入，纸剁也在不断升高，达到一定张数时，接纸台下降一段距离，直到最低位置停止。切纸张数由反射式光电开关提供，下降距离定时控制，上述过程反复进行。【6】2.2设计要求根据课题的要求，此设计的平板切纸机电气控制系统应实现以下功能：当系统处于正常工作状态时，卷纸经牵引、传送依次通过切纸刀并被裁切，断纸光电开关工作，监测是否断纸并伴有声光报警；纸张计数光电开关也同时工作，计算裁切后的纸张数量，当达到一定数量后自动控制升降台下降一定距离，当纸张高度达到百分之九十纸高时发出声音和指示灯提示搬纸；当供电电路欠压或过压及主电机电路过流时，系统自动断开电源并伴有声光报警，保证系统的器件安全及正常工作。以上功能归结为以下几点：（1）系统正常运行，卷纸经牵引至切刀被裁切成要求的规格，经传送至升降台，计数光电开关计算纸张的数量，升降台定期下降，当纸剁达到一定高度时，升降台发出声光搬纸提示，完成切纸流程。（2）在卷纸被裁切前，由断纸光电开关对断纸信号进行采集，当出现断纸时，迅速发出声光报警响应，保证切纸流水线的连续性。（3）当电源线路电压大于1.15倍额定电压时，系统迅速切断总电源开关并同时伴有声光报警。（4）当电源线路电压小于0.75倍额定电压时，系统迅速切断总电源开关并同时伴有声光报警。（5）当主电机线路电流大于1.05倍额定电流时，系统迅速切断主电路开关并同时伴有声光报警。2.3设计方案经过对课题的详细研读，并查阅大量相关的文献资料后，系统的设计思路为：首先，接通电源前，电源线路电压经电压变送器输入PLC的A/D模块与内部设定值比较，若电源电压小于0.75倍额定电压或者大于1.15倍额定电压，则系统无法接通并伴有声光报警，若电源电压正常，则系统通电；主电机启动后，若主电路电流大于1.05倍额定电流，主电机断电停止并伴有声光报警，反之，主电机正常运行，系统进行正常的切纸流程；当纸带出现断纸时，在传动带上的断纸光电开关将信号输入PLC中，PLC处理后响应输出动作，系统发出声光报警，若无断纸，则系统正常运行，进行后续工作；切好的纸张经过纸张计数光电开关，此开关检测到后自动对纸张进行计数，每达到一定数量，接纸升降台下降一定时间，当最后纸张厚度达到一定高度时，系统通过PLC发出声光搬纸提示动作。将上述过程划分为四部分：信号采集、输入处理、输出控制、动作响应。信号采集：电压和电流变送器监测并采集电源及主电路电压或者电流的实时值，根据系统所采用的电源电力线路380V电压，应当选用0~500V的电压变送器和0~5A的电流变送器对信号进行采集。输入处理：采集到的电压或者电流等信号经过必要的放大或缩小处理，与设定的信号值比较，这就需要能把模拟量转化为数字量并进行比较的装置，系统采用的是可编程逻辑控制器的A/D模块。输出控制：通过设定的控制方式实现对设计要求的准确操作，通过各方面的比较考虑，本次课题的设计采用的是PLC可编程逻辑控制器，从而可以实现精确控制。动作响应：将PLC的控制信号用实物模拟出准确的动作，本次课题的设计采用的是普通发光二极管和蜂鸣器作为声光报警提示，安装电气柜时则采用电气柜上的指示灯。2.3.1系统控制方案的选择在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量等模拟量等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭，工件的位置、速度、加速度的测定，产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。传统的工业控制主要由继电器和分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜，但却存在着不少弱点。仅适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。目前，工控行业比较有代表的控制方式主要有以下几个类别:继电器控制系统、PLC控制系统、单片机控制系统、微型计算机系统等。[7]一、PLC与继电器控制系统的比较[8]继电器控制是采用硬接线逻辑.利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于PLC来讲，只要用PLC配备的编程器在现场就可以完成更改。至于PLC对外部的联系，只有I/O点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。二、PLC与单片机控制系统比较虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制大都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。在很大程度上，PLC是专为工业控制而设计的，其编程语言也比单片机编程语言更加简单可靠。因此，它具有较好的环境适应性。一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都比较差。[9]三、PLC与计算机控制系统的比较PLC是专为工业控制所设计的；而微型计算机是为科学计算、数据处理等而设计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同，PLC较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿度环境、输入、输出一般采用“光一电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的继电器或可控硅(也有用晶体管)输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。此外，使用面向工业控制的专用语言而使编程及修改更加方便，并有较完善的监控功能。而微机系统则不具备上述特点，一般对运行环境要求苛刻，使用高级语言编程，要求使用者有相当水平的计算机硬件和软件知识。此外，微机系统的外设配备较多，有些对工业控制并非必需。因此PLC显然较微机系统更适合于工业控制。【10】2.3.2系统控制方案的确定通过分析比较，综合来说，随着PLC成本的下降和生产设备对控制要求的不断提高，使用PLC控制系统进行工业生产已经越来越成为发展趋势。无论是与传统的继电器控制系统，还是与现代的计算机控制系统或者专用于控制的单片机控制系统相比，在工业控制方面PLC控制系统都表现出了明显的优势。PLC控制系统具有使用寿命长、稳定性好、可靠性高、适应性强、成本低、工作周期短、操作快捷方便、功能多而强等优点，是现代工业控制装置的理想选择。3平板切纸机电气控制系统主电路的设计本系统主电路采用的是两台电动机，分别为切纸主电机和接纸升降电机，它们由一台PLC进行控制。PLC通过I/O接口以及A/D模块进行信号输入处理和输出控制，I/O接口连接总电源开闭、电动机启停、声光报警及电气柜控制等输入输出按钮及外围设备。系统的硬件结构图如图3.1所示。升降电机M升降电机M3~M3~M3~M3~CPUI/O模块A/D模块电压/电流变送器电磁调速装置PLC变速箱声光报警等电气控制柜主电机图3.1硬件结构图3.1系统主要电气设备在系统的设计过程中，为了提高平板切纸机电气系统的各项性能指标及其自动化程度，就需要有自动控制器件，例如自动接纸等；同时要有保护装置，例如欠压、过压保护，主电机过流保护等，并伴有声光报警。因此也会需要较多的电气元件，比如电动机、断路器、交流接触器、继电器、互感器、电量变送器、电缆线等，还需要有PLC可编程逻辑控制器，这就涉及到了元器件的选择问题，下面就系统的元器件进行介绍。3.1.1电动机将电能转换为机械能的电机，称为电动机（Motor）。电动机按照使用电源的不同分为直流电动机和交流电动机两大类；交流电动机又分为单相和三相的，同步和异步的。交流电动机应用较为普遍，尤其是异步电动机，因为它的结构简单、坚固耐用、维护方便、价格便宜和工作可靠等。电力系统中的电动机大部分采用的是交流电动机。（1）滑差电动机滑差电动机又称电磁调速异步电动机，它是一种恒转矩交流无级变速电动机。它的特点是在笼型异步电动机轴上装有一个电磁滑差离合器，并由晶闸管控制装置控制离合器励磁绕组的电流，改变这个电流就可以调节离合器的输出转速；由于它特性很软，具有调速范围广、速度调节开滑、起动转矩大、控制功率小、有速度负反馈、自动调节系统时机械特性硬度高等一系列优点，因此在印刷机及订书机、无线装订、高频烘干联动机、链条锅炉炉排控制中都得到广泛应用。滑差电动机与测速发电机和控制装置一起组成了交流无级调速系统，适用于恒转矩负载。①工作原理[11]电磁调速异步电动机由笼型异步电动机、电磁离合器和控制装置三部分组成；它由晶闸管控制装置控制电磁离合器励磁绕组的电流，改变励磁电流，即可调节离合器的输出转速。电磁滑差离合器的主要部件是电枢、磁极和励磁绕组，如图3.2所示。电枢是由铁磁材料制成的圆筒，它与笼型异步电动机转轴相连接，称为主动部分。磁极做成爪形结构，装在另一根轴上，称为从动部分。磁极上装有励磁绕组，励磁绕组和磁极的组合称为感应子，被拖动的生产机械就连接在感应子的轴上。励磁绕组的引线接于集电环上，通过电刷与直流控制电源接通。电枢与感应子之间在机械上没有任何联系，隔有很小的空气隙。当励磁绕组中通入直流电流时，磁极便形成很多对S、N极，磁通通过电枢与感应子形成闭合磁路。当异步电动机带动离合器的电枢旋转时，电枢与磁极之间便有相对运动，电枢切割感应子所建立的磁通，根据电磁感应定律可知，电枢上将产生感应电动势。由于电枢是整块的铸钢做成，因而感应电动势在电枢内产生涡流。涡流在感应子所产生的磁场中受力，产生电磁转矩，于是离合器的从动部分便跟着电枢（主动部分）旋转起来。前者的速度要低于后者，因为只有当电枢与磁极存在相对运动时，电枢才可能切割磁力线，才有感应电流和电磁转矩产生。66134521-原动机2-工作气隙3-主轴4-输出轴5-磁极6-电枢图3.2电磁滑差离合器结构示意图当从动部分转矩带有一定负载运行时，励磁电流的大小就决定了从动部分的转矩的高低。励磁绕组电流愈大，则感应子所产生的磁感应强度愈强，电磁转矩将大于负载转矩，从动部分加速，使电枢与磁极之间有相对转速减小，电枢内感应的感应电流减小，电磁转矩也减小，直至电磁转矩与负载转矩相等，从动部分在一个比原转速较高的转速下稳定运行，反之，减小励磁电流，则负载转速降低。可见，只要平滑地调节电磁离合器的励磁电流，则可实现负载的无级调速。②电磁调速电动机的机械特性电磁调速电动机的机械特性是指其输出轴上的输出转矩与转速的函数关系。为了提高电磁调速电动机机械特性的硬度，扩大调速范围，滑差电动机采用带转速负反馈的闭环调速系统。由安装在电磁调速电动机输出轴上的测速测试发电机，将实际运行速度与设定速度进行比较，按速度偏差值控制电压来调节电动机的励磁电流，从而调节输出转矩，可以得到速度变化率较小的硬机械特性，见图3.3。nnTTN10%TN0图3.3采用转速负反馈后电磁调速电动机的机械特性③电磁调速异步电动机的技术参数经过查阅大量关于电磁调速电动机的资料，并结合课题要求，YCT系列电磁调速电动机对于本系统的设计来说是较好的选择，经分析选择型号为YCT160-4A的电磁调速异步电动机作为系统的主电机，其技术参数见表3.1。表3.1YCT系列（联合设计）电磁调速三相异步电动机技术参数型号额定转矩/调速范围/（r/min）转速变化率（s）拖动电动机型号额定功率/kW额定电压/V额定电流/A额定转速(r/min)YCT160-4A14.121250～1253%Y100L1-42.23805.01420④主电机启动选择三相笼型异步电动机的启动方法有直接启动、减压启动和软启动三种；减压启动又包括电阻减压或电抗减压启动、自耦减压启动、星形-三角形启动及延边三角形启动。对于Y系列电动机来说，容量大于4KW时，应当采用星形-三角形减压启动，若容量小于4KW时，则应采用直接启动。根据本系统选择的主电机，启动方法采用直接启动方法。（2）Y系列电动机经过分析，本系统选择Y系列三相异步电动机作为接纸升降电机。Y系列电动机是全封闭自冷式鼠笼型三相异步电动机，具有高效、节能、启动转矩高、噪声小、可靠性高、寿命长、维护方便等优点，应用于一般无特殊要求的机械设备，如风机、水泵、机床、搅拌机等。额定电压为380V，额定频率为50Hz。功率3kW及以下为Y接法；其它功率均为△接法。电动机启动时，先将定子绕组接成星形，此时加在每相绕组上的电压是电源电压的根号三分之一倍，约为220V。电机启动平稳后，再改接为三角形联结，此时电机的端电压为额定值。升降电机控制的是接纸台的上升和下降，本课题设计的升降台拟升降距离约为1000mm左右，经分析比较，本系统选用的升降电机型号为Y90S-4，采用直接启动。它的技术参数见表3.2。表3.2Y90S-4型鼠笼型三相异步电动机技术参数型号功率千瓦（kW）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（rpm）效率（%）功率因数（）绝缘等级Y90S-41.13802.7140078.00.78B3.1.2可编程逻辑控制器（PLC）可编程逻辑控制器(PLC)是专为在工业环境下工作而设计的专用计算机系统，它具有可靠性高、抗干扰能力强、灵活性好、编程简单、维修方便及成本低廉等优点，具有比一般计算机更强的与工业过程相连接的I/O接口，具有更适合于控制要求的编程语言和更适应于工业环境的抗干扰能力。因此，与其他控制器相比较它更适合工业控制和市场的要求。其主要功能有：数据采集与输出、控制功能、数据处理功能、输入/输出信号调制功能、通信、联网功能、支持人机界面功能等。（1）PLC的选择根据课题要求及主客观条件，本次设计采用的是日本三菱公司型号为FX2N-64MR-001的PLC，以下是它的主要性能指标[12]：电源电压：AC100～240V，50/60Hz电压允许范围：AC85～264V功率（V*A）：60允许瞬间断电时间：对于10ms以下的瞬间断电，控制动作不受影响输入电压：DC24V程序语言：继电器符号+梯形图（SFC）程序容量：8K步RAM输入点形式：直流输出点形式：继电器输出（2）A/D模块的选择本次设计采用的A/D模块同样也是三菱公司的产品，型号为FX2N-4AD的模拟量输入特殊扩展模块，作用是将模拟量输入并转化为数字量，同时将数据传送到PLC，PLC便可像处理开关量一样地处理输入的模拟量。FX2N-4AD的技术指标见表3.3。表3.3FX2N-4AD性能指标项目电压输入电流输入4通道模拟量输入，通过输入端子变换可选电压或电流输入模拟量输入范围DC-10V~+10V（输入电阻200KΩ）绝对最大输入±15VDC-20mA~20mA（输入电阻250Ω）绝对最大输入±32mA数字量输出范围带符号位的16位二进制（有效数值11位）。数值范围-2048~+2047分辨率5mV（10V*1/2000）20μA（20mA*1/1000）总体精度±1%（在-10V~10V范围）±1%（在-20mA~20mA范围）转换速度15ms/通道（常速），6ms/通道（高速）模拟量电源DC24V±10%55mA3.1.3相关电气设备【13】（1）隔离开关隔离开关是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过/欠热继电器等的组合；而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，因此也获得了广泛的应用。综合来讲，其主要功能为带负荷分断和接通线路。刀闸的主要特点是无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。在选用隔离开关时，其额定电压和额定电流均应大于所控负载电路额定电压与额定电流。此外，隔离开关的刀片数、通断能力等参数都应符合被控负载电路的要求。(2)低压断路器低压断路器又称自动开关或自动空气断路器。按结构分为：万能式和塑壳式；按使用类别分为：选择型和非选择型；按灭弧介质分为：油浸式、真空式和空气式；按动作速度分为：快速型和普通型；按极数分为：单级、二级、三级和四级等；按安装方式分为：插入式、固定式和抽屉式等。低压断路器主要根据以下几点来选择：①确定额定工作电压和额定电流：低压断路器的额定电压UC和额定电流Ic，应分别不低于线路与设备的额定电压和额定电流或计算电流。②确定长延时脱扣器整定电流Ir1:所选断路器的长延时脱扣器整定电流Ir1应大于等于线路的计算负载电流，可按计算负载电流的1~1.1倍确定；同时应大于线路导体长期允许电流的0.8~1倍。③确定瞬时或短路延时脱扣器的整定电流Ir2：所选断路器的瞬时或短延时脱扣器整定电流Ir2应大于线路尖峰电流。一般来说，选用低压断路器的额定电流为电机额定电流的2倍。（3）接触器接触器是一种用来频繁接通或断开交直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。它是利用电磁吸力和弹簧反作用配合动作而使触头闭合或分断的一种电器，还具有低压释放保护的功能，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠压保护，在自动控制系统中得到广泛应用，其主要控制对象是电动机。接触器按控制电流的种类可分为交流接触器和直流接触器。在此主要介绍比较常用的交流接触器。接触器主要依据以下几点来选择：=1\*GB3①根据负载性质选择接触器的类型；=2\*GB3②额定电压应大于或等于主电路工作电压；=3\*GB3③额定电流应大于或等于被控电路的额定电流；对于电动机负载，可按下面的公式计算：（3-1）k取1.3至1.5，本文中k统一取1.3=4\*GB3④吸引线圈的额定电压及频率要与所在控制电路的电压和频率一致。（4）热继电器在电力拖动控制系统中，当三相交流电动机出现长期带负荷欠电压下运行、长期过载运行以及长期单相运行等不正常情况时，会导致电动机绕组严重过热甚至烧坏，为了充分发挥电动机的过载能力，保证电动机的正常起动和运转，当电动机一旦出现长时间过载时又能自动切断电路，从而出现了能随过载程度而改变动作时间的电器，这就是热继电器；它是利用测量元件被加热到一定程度而动作的一种继电器。热继电器的技术参数主要有额定电压、整定电流、相数、热元件编号及整定电流调节范围等。热继电器的整定电流是指热继电器的热元件允许长期通过又不致引起电机过热的电流值。选用热继电器时，主要是根据电动机的使用场合和额定电流来确定热继电器的型号及热元件的额定电流等级，在不频繁起动场合，要保证热继电器在电动机的启动过程中不产生误动作，通常可按电动机的额定电流选取热继电器。对于三角形连接的电动机，应选择带断相保护功能的热继电器。（5）连接导线的选择选择导线主要就是选择导线截面，一般应根据导线的机械强度要求、导线允许载流量和线路电压损失要求三个基本原则来选择导线截面。制造商根据导线的容许温升，制定了各类导线在不同敷设条件下的持续容许电流表，在选择导线时，导线中通过的电流不允许超过表3.4中的规定。本系统所用的导线都是以线路额定电流的1.5倍来选择的。表3.4导线技术参数导线标称截面（mm2）导线的持续容许电流（A）BX型铜芯橡皮线BLX型铝芯橡皮线BV、BVR型铜芯塑料线BLV型铝芯塑料线0.50.7518-16-121-19-1.5271924182.5352732254453542326584555421085657559161108510580251451101381053.2三相电源的电气控制设计3.2.1三相电源电气控制线路设计及说明三相电源线路由隔离开关及交流接触器构成线路的欠压/过压保护，电压变送器分别对三相电压进行监测采集，并通过PLC来发出控制信号控制电源的通断。三相电源线路图及PLC的I/O控制接线图分别如图3.4和附录三所示。图3.4三相电源线路图PLC的控制工作过程为：首先合上隔离开关QS，按下电源按钮SB1,输入X000闭合，输出Y000及Y014接通，接触器KM1线圈得电并自锁，KM1主触头闭合，电源线路接通，指示灯亮；电压变送器同时对三相电压进行实时监测，将采集到的数据输入A/D模块，A/D模块将此模拟量转化成为数字量，通过与PLC内部预设值比较，若线路电压小于0.75倍额定电压或大于1.15倍额定电压，则接触器KM1线圈失电，主触头断开，保证了系统的安全运行。3.2.2三相电源控制线路主要设备参数计算和选择选择隔离开关时，其额定电压和额定电流均应大于所控负载电路额定电压与额定电流。接触器的额定电流应大于或等于被控电路的额定电流，对于电动机负载，通常按照1.3倍的电动机额定电流来选择。本系统中流过接触器和连接导线的电流大小为：接触器电流：IKM1＝1.3*（5+2.7）=10.01（A）连接导线电流：IL1＝1.5*（5+2.7）=11.25（A）根据计算得出的数据选择相应的设备，其型号见表3.5。表3.5三相电源线路主要设备型号电气设备名称电气设备额定电流（A）电气设备型号隔离开关25HZ10-25接触器16CJ20-16连接导线16BV型铜芯塑料线（0.75mm2表3.6CJ20-16交流接触器主要技术参数[11]型号绝缘电压（V）额定工作电压Ue（V）约定发热电流Ith（A）额定工作电流（AC-3）(A)额定控制功率（AC-3）(kW)额定操作频率（AC-3）(次/h)动作特性线圈控制功率（VA/W）起动吸持CJ20-1669022016164.51200吸合电压范围0.8-1.1Us释放电压范围0.2-0.7Us65147.88.5/2.6380167.512006601311600表3.7HZ10-25隔离开关主要技术参数[14]型号额定电压（V）额定电流（A）极限操作电流（A）极数额定电压及电流下的通断次数直流时间常数/s接通分断≥0.8≥0.3≤0.0025≤0.01HZ10-25DC220.AC380251251083200001000020000100003.3主电机电气控制线路设计3.3.1主电机电气控制线路设计及说明主电机电气控制线路由自动空气断路器、交流接触器和热继电器构成；电流变送器实时监测主电机线路的电流，进行主电机过流保护。主电机接线图及PLC的I/O控制接线图分别见图3.5和附录三。图3.5主电机接线图PLC的控制工作过程为：按下按钮SB2，输入端X001闭合，输出端Y001、Y002同时接通，使接触器KM2和KM3线圈得电并自锁，接触器KM2和KM3的主触头闭合，主电机得电直接起动；同时，电磁抱闸YB线圈获电，吸引衔铁（动铁芯），使动、静铁芯吸合，动铁芯克服弹簧拉力，迫使制动杠杆向上移动，从而使制动器的闸瓦与闸轮分开，取消对电动机的制动。热继电器FR1接到输入端X003，当电机严重过热时，热继电器FR1常闭触头断开，X003断开，Y001停止工作，接触器KM2和KM3线圈失电，主电机停止运转并被迅速制动。按下停止按钮SB3，接触器KM2和KM3线圈失电，主电机断电，电磁制动器YB动作，制动器的闸瓦与闸轮闭合，使电机迅速停止转动。3.3.2主电机线路主要设备的计算和选择一般选择低压断路器的额定电流为为电机额定电流的2倍；热继电器的选择通常可按照电动机的额定电流来选取。流过线路各设备的电流大小为：低压断路器：IQF1＝2IN＝2*5＝接触器：IKM2＝IKM3＝1.3IN＝1.3*5＝6.5（A）热继电器：IFR1＝IN＝5（A）导线：IL2=51.5=7.5（A）根据以上计算得到的数据选择相应的设备，其型号见表3.8。表3.8主电机线路主要设备型号电气设备名称电气设备额定电流（A）电气设备型号低压断路器25DZX7-25交流接触器10CJ20-10热继电器20JR16-20/3D连接导线16BV型铜芯塑料线（1mm2）表3.9DZX7-25低压断路器主要技术参数型号绝缘电压/V额定电流/A额定短路分断能力/kA寿命（120次/h）控制电动机功率(kW)380V660V机械寿命电寿命220V380V660VDZX7-256600.16,0.25,0.4,0.63,1.1,6,2.5,4,6.3,10,16,201.511000050005.51118.5表3.10CJ20-10交流接触器主要技术参数型号绝缘电压（V）额定工作电压Ue（V）约定发热电流Ith（A）额定工作电流（AC-3）(A)额定控制功率（AC-3）(kW)额定操作频率（AC-3）(次/h)动作特性线圈控制功率（VA/W）起动吸持CJ20-1069022010102.21200吸合电压范围0.8-1.1Us释放电压范同0.2-0.7Us65147.68.3/2.538010412006605.24600表3.11JR16-20/3D热继电器主要技术参数[15]型号额定电流/A热元件适配的接触器型号额定整定电流/A整定电流调节范围/AJR16-20/3D20116.8～9.0～11CJX2-12~323.4升降电机电气控制线路设计3.4.1升降电机电气控制线路设计及说明升降电机电气控制线路由自动空气断路器、交流接触器及热继电器构成；线路的通断、升降电机的启停及升降台的上升和下降等由PLC输出控制。升降电机接线图和PLC的I/O控制接线图分别见图3.6和附录三。图3.6升PLC的控制过程如下：裁切好的纸张一张张往升降台传送，装在传送带上的放射式光电开关K2每检测到一份纸张时，送往PLC输入端口的开关量就闭合一次并立即断开，即完成对一张纸的计数。纸张不断往升降台传送，计数不断累加，当计数到预设的数量时，Y003接通，接触器KM4得电吸合，升降电机正转启动，带动升降台缓慢下降，2秒后升降电机停转，同时计数器清零，重新进行计数。每计数一定数量的纸张，升降台便下降一次，如此往复。纸剁也不断升高，升降台不断下降，当下降到最低位置且纸高达到预设纸高的90%时，Y011和Y012得电，发出搬纸声光提示，工作人员将纸用叉车运走。搬好之后，按下SB10按钮，Y004得电，升降电机反转带动升降台上升，直到最高位置后停止。3.4.2升降电机线路主要设备的计算和选择低压断路器、交流接触器以及热继电器的选择方法与前述基本相同；流过线路各设备的电流大小为：低压断路器：IQF2＝2IN＝2接触器：IKM4＝IKM5＝1.3IN＝1.3*2.7＝3.51（A）热继电器：IFR2＝IN＝2.7（A）导线：IL3=1.5*2.7=4.05（A）根据以上计算得到的数据选择相应的设备，其型号见表3.12。表3.12升降电机线路主要设备型号电气设备名称电气设备额定电流（A）电气设备型号低压断路器25DZX7-25交流接触器5CJ20-5热继电器3.5JR16-20/3D连接导线16BV型铜芯塑料线（1mm2）表3.13JR16-20/3D热继电器主要技术参数型号额定电流/A热元件适配的接触器型号额定整定电流/A整定电流调节范围/AJR16-20/3D203.52.2～2.8～3.5CJX2-12~324平板切纸机电气控制系统控制电路的设计4.1电源欠压或过压及主电机过流保护的设计本系统的设计中，电源欠压、过压及主电机过流保护的控制是采用FX2N的特殊模块FX2N-4AD模拟量输入模块来实现的。电源线路的电压及主电机线路的电流经过电压/电流变送器采集，降压处理后输入该模块，并将模拟量转化成数字量，与PLC内部预设值进行比较，由PLC程序控制输出动作。当电源电压小于0.75倍额定电压时，PLC输出动作，产生欠压报警，电源线路断开，系统掉电；当电源电压大于1.15倍额定电压时，PLC输出动作，产生过压报警，电源线路断开，系统掉电；当主电机线路电流大于1.05倍额定电流时，PLC输出动作，产生主电机过流报警，主电机线路断开，电机停转。4.1.1电量变送器【16】电量变送器变送器是一种将被测电量参数（如电流、电压、功率、频率、功率因数等信号）转换成直流电流、直流电压并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。它的优点概括为：（1）不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响；（2）抗干扰能力强（3）工作误差小，允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；（4）灵活性高，使用方便；（5）将4mA用于零电平，易于判断开路或传感器损坏等问题。三相电压和电流变送器的选择主要是根据被测线路的电压和电流来决定的。经过查找分析，选用的电压变送器型号为JAVS-AC0～500，电流变送器型号为JAAS-AC0～5，它们的技术参数见表4.1。表4.1三相电压变送器和三相电流变送器技术参数【17】三相电压变送器三相电流变送器型号JAVS-AC0～500JAAS-AC0～5输入三相AC0～500V三相AC0～5A输出DC-10～+10V，RL≤250DC+4～+20mA，RL≤250隔离输出、电源三隔离输出、电源三隔离响应时间≤250ms≤250ms精度0.2级0.2级隔离电压≥2500V≥2500V供电电压AC220VAC220V4.1.2电流互感器电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成；它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过；二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器一、二次额定电流之比，称为电流互感器的额定互感比：KN=I1N/I2N因为一次线圈额定电流I1N己标准化，二次线圈额定电流I2N统一为5A，所以电流互感器额定互感比亦已标准化。KN还可以近似地表示为互感器一、二次线圈的匝数比，即KN=N2/N1，其中N1、N2为一、二线圈的匝数。本系统采用的电流互感器型号为LMZJ1-0.5；该电流互感器为半封闭式浇绝缘，户内型产品；适用于交流50Hz，500V及以下线路，供电流、电能功率测量以及继电保护用。4.1.3欠压、过压和过流保护的实现首先，将线路的电压或者电流经过三相电量变送器，并对它们进行转换。根据前面的选择，电压变送器的输入电压范围为0~500V，输出电流为DC-10~+10V；设定电网的额定电压为380V，则过压时的电压=380*1.15=437V，欠压时的电压=380*0.75=285V，经过三相电压变送器后，其=4.37V，=2.85V，即输入FX2N-4AD模拟量输入模块的过压电压为4.37V，欠压电压为2.85V。电流变送器的输入电流范围为0～5A

，输出电流为DC+4～+20mA；本系统中主电机的额定电流为5A，那么过电流I1=5*1.05=5.25A，经过三相交流互感器后I2=5.25*1/5=1.05A,再经过三相电流变送器，经变送器后输入FX2N-4AD模拟量输入模块的过电流转化为电压量是1.05V。本系统中，FX2N-4AD模拟量输入模块的CH1通道和CH2通道作为电量变送输入，通过编程由PLC输出控制实现对系统过压、欠压和主电机过流的保护。本系统设计过程中，电源欠/过压及主电机过流保护采用外部5V电源进行模拟；0~5V电压对应的程序K值为0到1000；经过计算，欠压电压对应的K值是570，即K570；过压电压对应的K值是874，即K874；主电机过流时的K值是375，即K375。4.2断纸报警及纸张计数设计在卷纸送往切纸机的传送带中装有一个光电开关，当断纸时，该开关中的继电器就动作，使系统产生声光报警。同样，在裁切好的纸张传送带上也安装有一个光电开关，光电开关每检测到一张纸张时，它内部的继电器就动作一次，如此往复，当开关闭合次数达到PLC内部计数器设定的值时，PLC发出控制动作，升降台下降，最终直到最低位置，系统发出搬纸声光提示。计数器可通过定时器复位或者人工进行复位。光电开关的工作原理为：光电开关内脉冲电源接通后，将产生一定频率的点脉冲信号，此脉冲信号被送到投光器的固体红外发光二极管上，即转换为相同频率的光脉冲信号，并由投光器发射出去。此时，如果被检测物未进入检测区，那么投光器发出的光脉冲信号就被受光器接受，经过光电转换，又变为相应频率的电脉冲信号。该信号经放大后被送入控制门选通，再经检测后送入鉴别，若此时开关的“动作方式选择”为“亮动”，那么开关的继电器就动作，电平输出高电平（“1”信号）；若此时“动作方式选择”为“暗动”，那么开关中的继电器就不动作，电平输出低电平（“0”信号）。亮动的定义为：当受光器接受到光时，继电器动作。暗动的定义为：当受光器接受到光时，继电器不动作。如果此时被检测物体进入检测区，那么就会发生与上述情形完全相反的过程，这样，就达到了检测的目的[18]。4.3PLC程序设计在本课题设计的系统中，PLC的主要任务是采集电源线路电压、主电机电路电流，控制主电机和升降电机工作，PLC先对A/D模块采集的信号进行运算比较，在不出现欠压、过压和过流故障时，启动主电机切纸，当无断纸时，进行切纸后的纸张计数，并控制接纸台的下降或上升。系统的控制程序编写主要是电源欠压、过压及主电机过流保护程序的编写，详细程序见附录一、二。PLC编程采用的是GXDeveloperversion8软件；通过该软件，用户可以进行系统的配置和程序的编写、调试，在线诊断PLC硬件配置状态、监控PLC的运行状态和I/O通道状态，以及A/D、D/A的在线状态数据量。GXDeveloperversion8的编辑界面如图4.1所示。图4.1PLC编程环境5平板切纸机电气控制系统模拟样机设计与制作在完成了主电路、控制电路及程序的设计之后，将平板切纸机的主要电器、PLC可编程控制器、数据采集器件、各种输入输出显示仪表安装在同一个电气控制柜中，制作成一个相对完整的平板切纸机电气控制系统模拟样机。5.1系统模拟样机的安装（1）根据对课题要求以及绘制的电气主电路图等，选择各种电器的参数及具体型号，在安装过程中，本人结合实验室的硬件条件，将相关电器元件进行了整理、选择，详见表5.1。编号器件名称型号数量1主电机和升降电机Y112M-22台2低压断路器NM10-100/3302个3交流接触器CJ20-252个CJ20-401个4热继电器R36-632个5隔离开关M012B-2001/311个6电流互感器LMZJ1-0.52个7开关按钮和指示灯--若干8PLCFX2N-64MR-0011台9A/D模拟量输入模块FX2N-4AD1台10自制电路控制板--2块11螺丝刀--2把12扳手--1把13尖嘴老虎钳--1把14剪子--1把15万用表--1块表5.1元器件明细表本系统采用0~5V的电源来代替电压和电流变送器提供给PLC的A/D模块进行数据采集；由于实验室的部分电气器件与设计所选器件型号有些差异，所以本人根据实际条件采用了控制功能相近的电器代替设计所需的电器。（2）根据设计选择，电气柜中安装的电气元件有：隔离开关、断路器、交流接触器、热继电器、交流互感器、PLC和端子板等。本人将相关的元器件进行合理的排版后，设计出了电器布置图，如图5.1所示。 图5.1电气控制柜电器布置图（3）根据设计好的电器布置图，便可以进行电气柜的安装。安装原则为：先安装主回路器件，再安装控制回路器件，从上到下，从左到右，先后安装。安装时，应该充分考虑电器元件之间的空间，以方便安装和接线。（4）安装好元器件后，便开始接线，依次连接主回路导线和控制回路导线，安装导线时分别套上U型号码管，以方便区别和检查，安装的导线应保持规整并置于线槽中封闭好。连线是电气柜安装的关键，也是较为繁杂的部分，需特别细心，以保证系统的安全和正常运行。5.2系统模拟样机的检查安装、接线完成后，必须对样机进行详细的检查，尤其是接线的检查。（1）主回路的检查

①检查电气柜中安装的器件以及接线是否正确，是否与设计的电气主电路图、控制接线图一致；

②用万用表检测主回路导线及各电器触点是否良好接触、导通；

③用万用表检查主回路接线及各电器是否有短路现象及各电器是否有损坏等。（2）控制回路的检查①检查在电气柜中安装的控制回路器件及接线是否正确，是否与设计的电气主电路图、控制接线图一致；②用万用表检查控制回路接线是否良好导通及各电器仪表是否完好或是否有短路现象；

（3）电机的检查

①检查电动机是否有损坏或其他异常；

②用万用表检查电机的绕组阻值是否正常；

③新安装或停用三个月以上的电动机，启动前应用兆欧表检测电机的绝缘电阻是否达到要求，否则应进行干燥处理，处理温度不超过120摄氏度；

④检查电机的旋转方向是否满足生产的要求；

⑤检查电机紧固螺栓是否拧紧，轴承是否缺油，电机是否可靠接地等。经过以上检查，发现了一下几个问题：a、主电路连接的导线当中，出现了几条线路自动脱落，连接松动，原因可能是螺丝过于拧紧导致导线被拧断；b、主电路其中一个断路器有损坏，开合不可靠，原因可能是该断路器已经损坏；c、控制回路中有部分按钮的采用与实际安装操作不符，导致实际工作中不能运行；d、电机接线端子部分零部件缺失，必须采用导线连接才能按设计要求接线。经过对检查中出现的问题进行进一步仔细研究解决后，主电路、控制电路及电机的接线，器件等都已经修复完善，电气柜主回路、控制回路、各个导线及电机等都能够正常进行工作，表明所安装的电气柜是达到了设计要求，切纸机模拟样机也初步成型。5.3系统模拟样机的试机检查完成后，便可以开始对模拟样机的试机。方法如下：用万用表检查外部电源插座各相电压是否正常，零线、地线是否良好接通；断开自动空气断路器、刀开关；将电气柜门板关上；将电源线接上外部电源插座；将电气柜门板打开；合上刀开关；合上自动空气断路器；打开PLC可编程逻辑控制器电源使其上电；再将电气柜门板关上；按下总电源接通按钮，接通总电源，电源指示灯亮；按下主电机启动按钮，主电机启动；根据所设计的控制程序进行各项功能测试。在整个试机过程中应注意：刀开关没有灭弧能力，而断路器有很强的灭弧能力，可以在线路不正常时切断线路，因此合上刀开关前必须确保断路器是断开的，在开机时应先合上刀开关，再合上断路器，以确保操作人员及