热成型机控制系统设计 热成型机毕业论文

PAGE37热成型机毕业论文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TheControlSystemoftheThermoformingMachineDesignAbstractInthisthesis,ItaketheprojectofdevelopingthecontrolsystemofZXSJAutomaticVacuumPlastic-absorbingMachineforShantouMingfaMechanicalCo.,Ltdasbackground,discussthecourseofsystem’sdesignandrealizationinanrngineeringviewandemphasizethetwocharactersofthissystem:IntelligenceandHuman.ThisdesignisbaseonthestudyoftheThermoformingMachine’sMovement-controlTechnology.ZXSJautomaticvacuumplastic-absorbingmachineachievedthesefunctionshereasfollows:programcontrolforplastic-absorbingmovement,digitalparameter,humantouchscreeninterface,bymeansofintroducedsomeadvancedcontrolinstrumentsandskillsintosystem,suchasPLC,LocationcontrolModule,Sensor,touchscreenandsoon.ItmeansthatthecontrolperformanceofZXSJplastic-absorbingmachinehasincreasedalotandachievedtheadvancedlevel.ThedesignincludingtheHardwaredesignsuchasPLC,Functionmodule,touchsrceen,Circuitdesignandinstallation,simulation;Thesoftwaredesignwasmadeupofprogramdisignandinterfacedesign.ThedisignofthecontrolsystemhasfullfilledtherequirementsofZXSJautomaticvacuumplastic-absorbingmachine.Thehardwaredesignissimple,practical.Moreover,thesystemhasfrendlyeasy-to-useinterfaceandadvancedcontroltechnology.Asaresult,itcanapplytoordinaryusersandaccordwiththeprincipleofhumandesign.Keywords:ThermoformingMachine;Movementtechnology;PLC;Movementcontrol;Touchscreen目录TOC\o"1-4"\h\z\u1．绪论 11.1本课题研究的目的、意义及国内外研究概况 11.2主要研究内容及研究方法 21.2.1主要研究内容 21.2.2研究方法、手段 22.ZXSJ型吸塑机控制系统总体方案 32.1系统的需求分析 32.1.1功能需求 32.1.2性能需求 42.2系统控制方案的论证 42.3控制系统总体设计方案 52.3.1系统中的输入信号 52.3.2系统的控制任务及要求 52.3.3系统的总体方案 53.控制系统硬件详细设计 63.1硬件系统总体结构设计 63.1.1控制系统的选型 63.1.2系统的运行方式选择 73.2系统硬件设计依据 83.2.1真空吸塑机工艺要求 83.2.2设备状况 103.2.3控制功能 113.2.4I/O点数和种类 113.3PLC选型 113.3.1PLC容量的选择与确定 123.3.2PLC外设的选择与确定 123.3.3PLC生产厂家的选择与确定 123.4硬件电路设计 143.4.1主机I/O地址表 143.4.2控制系统硬件接线图 153.5CPU及扩展模块供电设计 163.5.1供电设计原则 163.5.2电源需求计算 164.伺服模块设计 184.1伺服系统概述 184.1.1伺服系统的基本构成 184.1.2交流伺服系统的工作原理 184.2控制系统伺服模块详细设计 194.2.1位置控制模式工作原理 194.2.2高速脉冲输出模式 194.2.2.1高速脉冲输出模式位置控制原理 194.2.2.1硬件接线图 204.2.3EM253位置控制模块 214.2.2.1EM253模块位置控制原理 214.2.2.2EM253硬件接线图 225.控制系统软件详细设计 235.1设计目标 235.2系统软件总体设计 235.2.1设计任务分析 235.2.2软件结构设计 245.3软件模块详细设计 245.3.1主程序设计 245.3.2成型子程序设计 265.3.3冲剪子程序设计 265.3.4堆叠子程序设计 276.控制系统人机界面设计 286.1人机界面概述 286.1.1人机交互原理 286.1.2触摸屏简介 296.2人机界面设计 296.2.1设计目标 296.2.2触摸屏选型 306.2.3人机界面的控制需求分析 306.2.4触摸屏画面的规划与设计 316.3PLC与触摸屏通信的实现 337.控制系统的安装与调试 337.1系统模型的配置与接线 337.1.1系统配置 337.1.2硬件布局及接线 347.2系统调试过程 347.2.1PLC与触摸屏联机调试 347.2.2调试结果 358．结论 358.1研究工作总结 358.2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 491．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。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。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]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。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。图2-1ZXSJ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。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作的控制要求做详细的分析：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。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。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。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。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。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。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。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。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。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：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37～40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]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37～40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)＝(1～1.25)×(DI×10＋DO×8＋AI/O×100＋CP×300)/1024＝(1～1.25)×(17×10＋14×8＋0＋1×300)/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。3.3.2PLC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。3.3.3PLC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PLCCPU226DC/DC/DCCN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3-2CPU22﹡系列PLC的主机外形(1)S7-200CPU22﹡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4～6个高速计数器。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3-1ZXSJ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（CPU226CN）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1-1Q1.0拉伸控制拉伸电磁阀1-2Q1.1拉伸控制拉伸电磁阀2-1Q1.2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：输入口。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。拉伸系统的3个接近开关分别连至PLC主机输入口I0.2～I0.4。计数系统的光电开关连至PLC主机输入口I0.5。各电机的保护开关分别连至PLC主机I0.6～I2.0。剩下的输入口为备用口。输出口。PLC主机输出口Q0.0控制送片速度，Q0.1口控制堆叠速度。PLC主机输出口Q0.2控制送片方向，Q0.3口控制堆叠方向。PLC主机输出口Q0.4控制油泵电机的启停。PLC主机输出口Q0.5控制报警指示灯。PLC主机输出口Q0.6控制加热箱进退驱动电磁阀。PLC主机输出口Q0.7控制下闸电磁阀。PLC主机输出口Q1.0～1.2分别控制拉伸系统的3个电磁阀。PLC主机输出口Q1.3控制夹脚电磁阀。PLC主机输出口Q1.4控制真空电磁阀。PLC主机输出口Q1.5控制润滑电磁阀。剩下的两个输出口Q1.6、Q1.7备用。图3-3ZXSJ型全自动真空吸塑机PLC控制部分硬件接线图3.5CPU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、I／O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I／O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3-2S7-200系列CPU的供电能力CPU型号电流供应＋5VDC+24VDCCPU2210mA180mACPU222340mA180mACPU224/224XP660mA280mACPU226/226XM1000mA400mA表3-3CPU上及扩展模块上的数字量输入所消耗的电流CPU上及扩展模块上的数字量电流需求＋5VDC+24VDC每点输入-4mA/每输入表3-4EM253位控模块输入输出所消耗的电流扩展模块型号电流需求＋5VDC+24VDCEM2536ES7253-1AA22-0XA0190mA130mA本系统的配置包括以下模块：1)CPU226DC/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3-5ZXSJ型全自动真空吸塑机控制系统电源需求CPU电源预算5VDC24VDCCPU226DC/DC/DC1000mA400mA减系统要求5VDC24VDCCPU226.24输入－24*4mA=96mA4EM253,5V电源需求4*190mA=760mA－4EM253，每个5输入－4*(4*5+15)=140mA4EM253，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电源供电设计方面，外接4个EM253模块是合理的。CPU226自带一个24VDC传感器电源，它为本机输入点和扩展模块输入点及扩展模块继电器线圈提供24VDC。但从上述计算可知，总的电源需求超出了CPU226模块的电源定额，因此我们可以增加一个外部24VDC电源来提供给扩展模块，可保证系统稳定、高效地运行。4.伺服模块设计4.1伺服系统概述4.1.1伺服系统的基本构成伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。伺服系统主要由控制对象、伺服电机、检测器、伺服驱动器、上位装置构成。[7](1)控制对象：控制“位置”或“速度”的机械机构，包含电机的传动机构；在本系统中主要体现为送片机构、成型机构、冲剪机构、堆叠机构等。(2)伺服电机：驱动控制对象的代表性执行装置，在本系统中选用的是安川交流伺服电动机；(3)位置或速度的检测器，一般用安装在电机上的编码器，进行位置的检测，本系统中的检测器为安川伺服电动机自带的编码器；(4)伺服驱动器：是指“指令”和“反馈”的“误差信号”进行补偿处理，驱动伺服电机的驱动器由处理“误差信号”的“比较、控制放大器”和驱动电动机的“功率放大器”构成，本系统选用的是与安川伺服电动机配套的SGMD伺服驱动器；(5)上位装置：以“位置”或“速度”为目标对伺服驱动器进行控制的装置，本系统以西门子PLC作为上位装置进行控制。4.1.2交流伺服系统的工作原理交流伺服系统的工作原理是伺服驱动器发送运动命令，驱动伺服电机运动，并接收来自编码器的反馈信号，然后重新计算伺服电机运动目标位置，从而达到精确控制伺服电机运动的目的。[8]在实际运行过程中，伺服系统可在位置控制模式、转矩控制模式及速度控制模式下控制伺服电机的运动，且模式间可以实时转换。交流伺服系统的控制精度由旋转编码器来保证。4.2控制系统伺服模块详细设计在ZXSJ型全自动真空吸塑机控制系统中，送片机构、开合模机构、冲剪机构及堆叠机构都是通过伺服电机来驱动。根据控制系统的功能和性能需求，上述机构在运动过程中对速度调节及运动定位有较高的要求。因此，每个伺服系统须工作在位置控制模式下，以实现对伺服电机运动位置较为精准的控制。S7-200系列PLC提供了多种位置控制模式可供用户选择，分别是高速脉冲模式、EM253位置控制模块及自由口通信等三种模式。但由于本系统总共需要对6台伺服电机进行控制，在优先考虑高速脉冲模式的情况下，只能通过CPU226集成的两个高速脉冲口控制2台伺服电机，其余的四台电机可以采用EM253模块或者自由口通信两种模式进行控制。考虑到自由口通信模式在编程方面工作量大，实现起来较为复杂，决定采用EM253位置控制模块控制其中的四台伺服电机。因此，本系统的伺服控制方案最终确定为CPU226+EM253+EM253+EM253+EM253。下面分别就两种位置控制模式举例进行具体设计过程的说明。4.2.1位置控制模式工作原理位置控制的根本任务就是使执行机构对位置控制指令的精确跟踪，被控量一般是负载的空间位移，当给定量随即变化时，系统能使被控量无误地跟踪并反馈给定量，给定量可以是角位移或线位移。在位置控制模式下，伺服驱动器接收PLC发出的位置指令信号脉冲/方向，送入脉冲列形态，经电子齿分/倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际产生的脉冲数，经过四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度控制指令信号。速度指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相同比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变化后，由SPWM输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由旋转编码器每转产生的脉冲数控制，在脉冲编码器是安川伺服电机自带的。[9]4.2.2高速脉冲输出模式4.2.2.1高速脉冲输出模式位置控制原理西门子CPU226集成了两个高速脉冲口，它有脉冲串输出(PTO)和脉冲宽度调制输出两种脉冲发生模式可供选择。这两个脉冲输出口的最大脉冲输出频率为100KHz。在PTO输出模式下，PLC可生成一个占空比为50%的脉冲串，用于伺服电机的位置和速度控制。[8]高速脉冲输出方式的位置控制原理图如图4-1所示：图4-1高速脉冲模式位置控制原理图根据上图所示，在控制过程中，将伺服驱动器定义在脉冲+方向的控制模式下，由Q0.0或Q0.1口发送脉冲信号，控制电机的转速和目标位置；通过Q0.3或其他输出口发送方向信号，控制电机的正反转。在位置控制模式下，安川伺服驱动器可以通过自带的CN1端口与CPU中的I/O口相连接，相互传送信号。4.2.2.1硬件接线图伺服驱动器自带的CN1、CN2端口设有多个输入输出端子，在设计过程中，我们可以按照各种工作模式引用相应的端子，以达到对伺服电机的正反转、定位反馈、速度、给定距离、以及故障信号等参数的控制。图4-2为伺服驱动器在高速脉冲位置控制模式下引用CN1、CN2端口的示意图，图4-3为本系统中送片伺服电机的主电路接线图。[10]图4-2CN1、CN2端口示意图在图4-3中，主电源为三相AC380经过变压器TC转为三相AC220V输入，经过电机保护开关和交流接触器后，连接到安川SGMD伺服驱动器的L1、L2、L3和L1C、L2C端口；安川伺服电机电源通过SGMD伺服驱动器的U、V、W三个端口输入；伺服驱动器的CN2插口与伺服交流电机用编码电缆相连，实现反馈功能；CPU226中编号为75、76、78、79的输入口分别与图中伺服驱动器的7、11、31、44图4-3伺服电机主电路接线图4.2.3EM253位置控制模块4.2.2.1EM253模块位置控制原理EM253位置控制模块是西门子S7-200的特殊功能位置控制模块，它能够产生脉冲串用于伺服电机的位置和速度的开环控制。[8]EM253位置控制原理图如4-4所示：如图4-4所示，在运行过程中，伺服驱动器同样需要定义在脉冲+方向的工作模式下。由模块的P0口发送脉冲，P1口发送方向，DIS端口使能放大器并同时清除放大错误。图4-4EM253位置控制原理图4.2.2.2EM253硬件接线图比较图4-1和图4-4可知，高速脉冲模式与EM253位控制模块在硬件配置上大体相同。EM253位置控制模块实际上可视为CPU226的高速脉冲口扩展，但其属于开环控制，不能很好地反映电机的实际运行情况，因此需要利用伺服驱动器本身的差分输出信号，通过伺服驱动器软件设置，反馈给PLC，从而实现闭环位置控制。在EM253模块控制方式下，系统的主电路连接与高速脉冲模式基本相同，这里不再赘述。EM253模块接线如图4-5所示：图4-5EM253位置控制模块接线示意图5.控制系统软件详细设计5.1设计目标ZXSJ型全自动真空吸塑机对各机构的动作的配合要求很高，且时间上的逻辑关系较为复杂，只有严格按照程序设定的逻辑关系协调执行各机构的动作才能使吸塑机正常运行并提高生产效率和产品质量。[2]因此，本系统软件设计的目标可以归纳为两点：(1)实现吸塑机各动作包括下闸、送片、拉伸、成型、夹脚、开合模、冲剪、堆叠等动作的顺序与同步控制,在功能上实现工艺流程的控制；(2)保证各动作准确可靠，使吸塑机能够持续稳定地运行，在此基础上尽力提高生产效率。5.2系统软件总体设计5.2.1设计任务分析在进行软件设计时，要达到上述设计目标，大致需要从两个方面着手，具体分析如下：(1)准确地控制吸塑机动作的顺序与同步执行的逻辑关系，规划好软件结构。首先，在深入研究ZXSJ型全自动真空吸塑机的工艺流程的基础上理顺各机构动作之间的关系并确定每个动作在一个循环里所占用的时间，从而在程序中设定各种控制信号的读入和送出的时间；其次，根据PLC获取的来自行程开关、编码器等的位置控制信号，适时地控制每台电机的启停，保证各机构动作准确到位；通过设定各计时器延时的长短、脉冲频率等参数来调整吸塑机的运行状态，适应不同的生产需求。[11](2)尽量减小PLC的输出随机延时影响，提高响应速度，保证程序稳定、可靠地运行。由于PLC采用的是循环扫描的工作方式会对控制信号的输出造成随机延时，当扫描周期相对于控制对象输入输出要求过长时甚至可能会导致机构误动作影响整机的正常工作。为了提高PLC的响应速度，在编写程时可以采取以下措施：[3]1)选用执行时间短的基本指令，从而缩短扫描的程序长度，减少扫描时间；2)合理地调整指令顺序，使某些不会在每个扫描周期都执行的动作指令不与对时间要求较高的指令在同一扫描周期中执行；3)选用反应快速的中间继电器，尽量减少中间环节，缩短延时时间。5.2.2软件结构设计根据图3-1所示的系统控制流程，可以将软件划分为几大模块，包括主程序、伺服驱动、基本动作控制、工作流程控制、及参数初始化等。采用功能模块设计法进行程序设计可以把吸塑机相同功能的程序集中在一起，使得程序结构清晰、可读性强，便于调试，还可以根据实际需要灵活增加一些其他的控制功能。程序各模块之间的关系如图5-1所示：图5-1程序结构原理图5.3软件模块详细设计ZXSJ型全自动真空吸塑机工作流程的控制较为复杂，基本动作主要包括加热箱进退、送片、合模、油泵、拉伸、真空、夹脚、开模、冲剪、堆叠等，其中设计顺序与同步控制的问题。在本控制系统中，有许多机构的动作是并行进行的，即在某个动作结束后需要同时起动几个机构，经过不同的延时动作后在汇合到同一状态，进行下一个循环。因此，在编写程序时可采用并行型分支与汇合的状态转移方法，在一个状态完成后，同时驱动数个分支的状态，同时进行多个程序的执行。下面将根据上述编程思想对本控制系统的主程序及各个分支程序进行详细的剖析。5.3.1主程序设计基于上述编程思想，可将系统中同一系列的基本动作划分为一个子过程，通过调用子程序的方式来完成对子过程的控制。主程序流程图如图5-2所示，程序中设置两种工作方式：当选择手动方式时，只需按照图示流程来顺序执行，不必考虑同步控制的问题；当选择自动方式时，主程序包含了顺序与同步控制执行方式，主程序的循环周期从下闸复位开始到成型、冲剪及堆叠子过程完成后结束。其中，主程序所调用的三个子过程执行的起始时间相同但结束时间不同，当最后一个子过程执行完毕才进入下一个循环，各个状态转移的判断条件为执行时间或位置信号输入（在流程控制功能模块中进行相应的设置）。图5-2ZXSJ型全自动真空吸塑机主程序流程图5.3.2成型子程序设计成型子过程包含了比较多的基本动作，是本系统中最为重要的部分，成型过程的控制水平将直接影响到产品的质量。成型子程序的任务是控制有关伺服电机及电磁阀的顺序与同步执行过程。如图5-3所示，该子程序的控制内容包括开合模及拉伸、真空和夹脚等动作，其中拉伸动作构成一个小循环，整个子程序的结束标志为三个复位动作完成。图5-3成型子程序流程图5.3.3冲剪子程序设计冲剪子程序只要求控制两台伺服电机的同步运行，控制目标实现两台伺服电机同步启动、同步到位及同步复位。在具体的执行过程中，如图5-4所示，当冲剪上模下行及下模上行同时到位后即可分别复位。特别需要注意的是，两台伺服电机动作的同步性是决定冲剪动作是否符合工艺要求的最重要的技术指标。图5-4冲剪子程序流程图5.3.4堆叠子程序设计堆叠子程序的控制内容主要是对产品进行计数并通过计数值来控制堆叠电机的行程。在具体的运行过程中，计数器通过光电开关检测堆叠结构上产品的有无，由PLC及触摸屏将产品的个数计算出来并显示在触摸屏的终端上，且控制堆叠电机行程信号的输出。[12]如图5-5所示，产品的计数值可通过人机界面进行设置，未达到计数值前，堆叠升降台在上行到位后随即复位；当人机界面显示的当前计数值为设定值时，升降台继续上行到极限行程再复位，即可实现把产品打包的功能。图5-5堆叠子程序流程图6.控制系统人机界面设计6.1人机界面概述6.1.1人机交互原理人机界面与可编程控制器CPU连接时，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标）写入工作参数或者输入操作命令，实现人与机器信息交互，人机界面所进行的动作最终由PLC来完成，人机界面仅仅是改变或者显示PLC的数据。具体的工作原理说明如下：[13](1)触摸开关的工作原理。从画面的触摸板进行输入，按下接触画面的触摸开关，PLC作用的位（“通知位”）的状态就会改变，它可以以四种方式中的任一种变化。瞬动：当按下触摸开关时，通知位置成“1”（ON），释放时，通知位还原成“0”（OFF）。交替：每次按下触摸开关时，如果当前状态是“0”（OFF）则通知位置成“1”；如果当前状态是“1”(ON)则通知位置成“0”（OFF）。置位：按下触摸开关，通知位置成“1”（ON）。复位：按下触摸开关，通知位置成“0”（OFF）。(2)在人机界面中，为按钮、指示灯及数据显示单元分配固定的地址，可实现通过画面监视各种设备的运行状态并改变PLC数据。6.1.2触摸屏简介人机界面产品是一种包含硬件和软件的人机交互设备。触摸屏作为人机界面产品，是一种新型的输入设备，它为计算机提供了一种简单、直观的输入方式。具有界面直观、操作简单，“一触即发”的特点，大大改善了人机交互方式，与键盘和鼠标输入相比，更显人性化，可以有效的提高人机对话的效率，已经成为当前最简单的输入方式之一。[2]各种触摸屏技术都是依靠传感器来工作的，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。总的来说，触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制部件组成。触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接收后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它能接受CPU发来的命令并执行。按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，可以把触摸屏分为四种，分别为电阻式、电容感应式、红外线式及表面声波式。在触摸屏选型时应根据上述触摸屏的优缺点来判断其适用于哪种场合。[13]6.2人机界面设计6.2.1设计目标一套优良的触摸屏及PLC控制系统要能最大限度的满足工艺控制要求，具有足够的稳定性、可靠性以及实现高标准的控制。本系统中的人机界面是实现ZXSJ型全自动真空吸塑机控制系统与外界进行信息交换的接口，主要面向操作工人及底层的一些技术人员，要求界面友好、操作简便，尽量符合人性化的设计原则。6.2.2触摸屏选型目前国内市场上的触摸屏有很多知名品牌，各品牌的产品在功能、性能和价格方面各有千秋。根据工程实践经验，触摸屏的选型大致应根据触摸屏的显示屏尺寸色彩，分辨率；处理器速度性能；输入方式；画面存储容量；通信口的种类及数量，是否支持打印功能；触摸屏漂移等技术指标。[14]按照上述技术指标，综合考虑控制系统的控制方案及触摸屏的性价比，本系统选用的是与西门子PLC兼容性较好的威纶MT6100i型触摸屏，可以很方便地实现对控制系统的操作、监控和参数设置等功能。有以下主要技术指标：(1)显示器：10"、Widescreen、16:9宽屏、显示色彩为65536色、分辨率为800x480；(2)触控类型：4线电阻式(3)处理器：32BitRISC400MHz(4)内存（DRAM）：64MBDDR2onboard闪存：128MBflashmemoryonboardserprojectsize：16MB；DataandEventlogsize：50MB(5)通讯口：3组异步式串行通讯端口、COM1(RS-232/RS-4852W/4W)、COM2(RS232)；COM3(RS232/RS-4852W)(6)电源输入：24±20%VDC,300Ma@24VDC(7)外形尺寸WxHxD：271x212x50mm；开孔尺寸WxH：259x201m