【基于PLC自动生产线非标控制系统设计与实现9000字（论文）】

PAGEPAGE10PAGEPAGE11基于PLC自动生产线非标控制系统设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u7337第一章绪论 2151781.1课题研究背景及意义 2227131.2国内外的发展及研究现状 22901.3研究的内容 332694第二章总体方案设计 5283512.1总体结构 5109512.1.1上料机构 5160352.1.2开卷校平机构 531192.1.3上料机构 7312462.1.4定长送料剪切机构 7142332.1.5传送机构 724192.2工艺过程 8216712.3控制方案设计 920535第三章系统硬件设计 11101603.1PLC硬件设计 11239903.1.1PLC选型 11294463.1.2PLC硬件组态 11288963.1.3PLC系统I/O分配 11139143.2通讯连接 135200第四章系统软件设计 1431814.1开发软件和开发语言 14221544.2控制系统设计 14265084.3PLC程序设计 1547104.3.1程序构成 15134134.3.2OB1主程序 16292354.3.2手动运行程序 24274144.3.4自动程序 2520597第五章系统调试 26183575.1PLC仿真调试 2610845.2PLC与Winccflexible联机 2812478结束语 3011993参考文献 32摘要：我国工业技术随着现代化的需求和工业生产需求的不断发展下，出现了一些关于工业技术和作业人员方面的问题，例如市场人力资源的匮乏、操作人员安全事故、帮助企业减少不必要经济支出等一系列问题也随着工业需求而逐渐增多。在这些问题中，施工人员的生命财产安全问题也逐渐的受到了各方的重视，为了解决这些问题，我国相关领域的科技研究人员研究出了纵横剪自动生产线，该生产线流程不仅可以帮助企业减少不必要的经济损失，流程化的作业让其可以保障操作员的安全，而且还可以加速工业领域的发展，更重要的是该设备可以广泛的运用到电器、汽车、工业商品加工所作业中，所以该设备广受工业领域的制造商所喜爱。鉴于此，本文提出了集PLC、HMI、伺服驱动于一体的纵横剪自动生产线非标控制系统设计方案，以提高纵横剪自动生产线生产效率。在介绍系统结构及工艺的基础上，阐述了PLC子系统的控制方案、与HMI的连接方式以及硬件组态，完成了校平、定尺送料、纵横剪等功能模块的设计，实现了金属卷料的开卷、校平、送料以及堆垛等操作控制。仿真调试结果表明，设计方案可行，并利用PLC系统进行控制，让其剪裁模型呈现出高可控性、高效性、可靠性。并且该设备整体构成零件由变频器、小料车、开卷机、送料机、校平机、摆桥、触摸屏、纵横裁剪机、废料卷取机、横剪机、输送带、排料架、堆垛台等部件组成。关键词：纵横剪自动生产线，PLC，伺服驱动，自动控制第一章绪论1.1课题研究背景及意义随着我国经济不断上升,工业生产进入高速发展新时代,对各种自动化技术和产品质量都提出了更高的要求。各种领先技术有望在制造过程中以综合应用模式实现智能化、自动化和高效化,这也体现了我国当前工业发展的高科技水平和发展方向。在我国社会生产力不断发展的同时，我国制造业的发展也渐渐呈现上升的趋势。我们生产方式从手工制造业到机械化生产线再到自动化生产线。因考虑到市场竞争的要求以及各种小规模产品需求的逐步增加，提高自动化生产水平，提高生产效率以及加快生产效率已经成了必然的趋势。近几年，随着制造强国战略的稳步推进，很多劳动密集型产业向智能制造方向发展，引入了大量自动化设备，逐步摆脱对人工的依赖，装订行业便是其中之一。相对于人工，自动化生产设备在产量、质量和时效性上拥有更大的优势。因此，很多中小企业开始大量引入工业自动化设备，其中就包括非标自动化设备。非标设备是指国家尚无定性标准的非通用性设备，非标设备往往是根据产品实际功能和客户特定要求而定制的，不仅能够满足生产工艺要求，而且具有很大的灵活性。1.2国内外的发展及研究现状张传林的《纵横剪自动生产线控制系统的设计》一文中提出,早期的开卷剪板机多采用一台普通剪板机,费力且位置缺陷大,造成不必要的材料浪费。生产效率高、材料消耗高、自动化水平高、产品质量好是开卷自动玛咖产品系列的主要优势。自动切割生产线的主要装置是进料过程,它决定了最终产品的生产速度和精度。早期的给料装置多采用气缸-岩石-离合器-滚动给料方式。由于离合器打滑油缸的冲击力,进给精度偏差很大。气动送料机广泛应用于当前的切割生产线配置。该产品系列具有良好的功能性;另一种是安装带开卷装置的多工位送料装置。带调平设备等的产品系列。王海峰的《飞剪最佳剪切系统研究》指出,以往的的定长切割方式有明显的劣势比如缺乏智能判断功能,往往会出现切割不美观、切割精度不够等问题，带来了不必要的浪费。安装在精剪前部或粗加工出口的优化剪切装置可以通过放置中间坯的头尾形状来确定最佳剪切长度和切割线的位置,并将该数据传输。调整控制系统以实现最佳切割。采用优化的玛咖系统的主要目的是保证中坯头尾的良好形状。大大减少对中坯头尾的损伤,提高成品率。最终,优化后的剪切系统在鞍钢热连轧1780线上正常运行,飞切损伤率降低0.1%以上,取得了良好的应用效果。伴随着我国计算机技术、电子技术、控制理论的飞速发展以及伺服驱动技术的飞速发展，很大程度上降低了伺服电机的经济成本。目前国外自动切割生产线的送料方式通常配备永磁同步伺服电机、高精度的减速机，减少了误差,保证送料精度一致,控制方便，便于操作。1.3研究的内容本课题研究的纵横剪自动生产线是专门用于非标金属板料加工。其自动化、机械化的设计可以减少用工数量以及工作强度，降低企业的用工成本，通过对原有工艺的分析改进，设计了更高效的生产工艺，可以缩短生产周期并且保证产品质量的一致性，从而让企业在市场的利益竞争中获取更大的效益，让企业的市场竞争力更加强力。所以本次设计的主题是以完成自动化纵横剪自动生产线非标准控制系统为主，并主要完成以下几点项目为优先：首先对纵横剪的生产流程以及生产模式结构进行介绍，并对生产线的总体进行合理的分析，了解其具体的运作规模和流程。对生产线的流程与控制方案进行详细且科学化的设置，尽可能的保障设备不会出现意外，以此危害到操作人员的生命安全。按照严格标准对PLC程序进行设定，以此实现手动与联动的运行模式。并保障该系统的运营测试完善，可以进行触摸屏进行相应的系统设置，以此达到测试系统性能和指令的要求。第二章总体方案设计2.1总体结构本课题设计的纵横剪非标自动生产系统能够精准的控制板料的定尺加工，可以将板料金属通过手动或者自动两种运行模式完成板料的开卷、定尺送料以及纵横剪等生产过程。生产过程中主要有送料板车、开卷机、校平机、纵横剪切机、传送轨道以及剁料机等。本课题的生产总结构图如图2.1所示。图2.1生产线结构图a上料车b引料压头c开卷支撑d开卷机e托料板f直头压辊g校平机h定长送进机i纵剪机j废边卷取机k横剪机l传送机m垛料机2.1.1上料机构上料机构由送料板车和轨道组成，送料板车由底座和传送板组成，底座下有四个电机控制的轮子，送料板车可以在预定轨道上平稳送料，传送板由油缸推动，将卷料托起至开卷机轴芯处。2.1.2开卷校平机构开卷校平机可以在生产时，可以通过相应的系统设置，让变频器对校平机的运行指令进行更改，对一些金属板料进行开卷与校平，从而让所有剪切的材料都按照当前产品所需的规格要求所生产，帮助企业节约不必要的材料浪费。因为开卷机可以轻易的对一些金属材料进行开卷，所以该设备被家用电器、汽车、装饰等工业领域所喜爱。而且其校平机则由于其使用方便、使用领域广（机械、建材、化工、电子、科技）、操作方便、材料需求低等多项优点，让其在各个领域深受喜爱，而且校平机对材料的定性还可以根据所定性的产品进行相应的变动，无需花费过多的钱财进口不同的设备来满足不同的需求。校平机平行辊排的上、下两排是相互平行的两排工作辊，上排工作辊可以上下移动。该校平机由于其特殊的需求，主要适用于中厚板材的校平中。而辊轮校平机的上、下工作辊辊平行式的行可以形成一定的角度，从而让最上面一行的工作辊可以上下移动，以此形成一定的倾角和底部运行工作辊的运作，从而让其运用于薄中型材料板的校平。观察了上列的三种不同生产线的需求，本次以模拟的生产线需求为主，适当的结合不同的校平机优缺点，对其进行综合性改良，此次制造的辊轮校平机采用15辊的校平机，并将15辊轮设置为上7下8的校平方式，以此来让该校平机处于可控状态，来满足不同条件下的不同需求。本次研究的开卷校平机全自动生产设备原理如图2.2所示：当校平机运作时，开卷机会被校平机的动力所带动，进而运作，将校平后的材料进行开卷，施工人员可以通过观察板料的位置是否在高/低位光电开关之间，如果在此之间，则表明该设备运作正常，满足当前的生产以及送料速度需求。图2.2开卷校平机构的结构2.1.3上料机构上料机构由送料板车和轨道组成，送料板车由底座和传送板组成，底座下有四个电机控制的轮子，送料板车可以在预定轨道上平稳送料，传送板由油缸推动，将卷料托起至开卷机轴芯处。2.1.4定长送料剪切机构定长送料机由校直装置和送料辊共同组成。校直装置在板宽两侧设有三组校直辊，校直辊分别支撑在可移动的滑座上，当板宽需要发生改变时，转动滑轮就可以带动滑座前后移动，让校直辊靠在板料的两侧，纠正进料方向，防止板料在剪切过程中发生横向的偏移，造成剪切板料的误差，影响成板精度。送料辊的主要功能是向横剪机定尺送料。纵剪机两侧的刀轴安装在活动支架和固定支架上，是和定长送料机一体的，并且刀轴上装有带刀座的刀盘，刀轴方向位置由螺钉固定，刀盘在刀轴上能实现自由移动，由扳手通过丝杆螺母带动其转动来改变两刀轴间的距离。纵剪机的两侧下方各有一台废边卷取机，由电机控制其转动和收取，手动伸缩，方便卸料用来卷取被纵剪机剪下的金属板材两边的废料。在横剪机上装有行程开关，用来对板料进行横向剪切，刀具由上向下剪切板料，以此达到控制刀具上行和下行的位置。2.1.5传送机构传送机构由传送轨道和成板收纳仓组成。传送轨道由电机带动皮带将剪切下的板料传送到成板收纳仓内，它由电机带动皮带转动，实现正常运行。成板收纳仓由翻转落料架、排料架、升降料台及出料轨道组成。翻转落料架由侧边挡料架、可移动后挡板等部分组成。侧挡料可根据待裁料的宽度进行适当的调节，以此满足生产商品的需求，后挡料可根据待裁料的长度调节，支撑架由气缸驱动。当该设备开始运行时，堆垛轨道上升到最高接收位置，调整转板，随着堆垛刀片高度的增加，光电开关向PLC发出信号，当刀片达到一定高度时，整条线停止运行，然后启动排水轨道电机广播堆叠的板材。堆垛台可堆垛3吨，堆垛台最大有效起重能力为400mm。2.2工艺过程图2.3工艺流程图本系统的生产工艺流程图如图2.3所示。（1）送料板车到位后抬起引料压头。（3）将卷料基本对称地吊放在送料板车上，启动送料板车至开卷机卷筒轴线处，点动操作板车升降，使卷料机的孔心升起至与开卷机卷筒轴线重合。（4）根据卷料宽度尺寸点动送料板车至相应位置，此时送料将卷料推出。（5）正向点动开卷机，涨紧开卷机芯轴。（6）剪断捆扎在卷料上的扎带，压下引料压头，通过与压辊的配合使用，将料头扳直。（8）为了保障材料的长短度适宜，需要开启送料辊对其进行适当的剪裁，以此达到材料的最低需求标准。（9）对材料的传送带进行适当的调整，让其符合材料的剪切需求，并且要根据纵切的标准去带两侧的收边机进行适当的调整，以此满足纵切的需求。（10）将传送轨道升到接料的初始位置。（11）在触摸屏上设置好剪切长度、剪切张数等参数，按下手动按钮，转至手动工作方式。（12）为确保施工安全，要保证施工作业区没有人员，否则不应启动设备，直到确保施工区域无人员时再进行相应的施工作业，并且要在作业时，时刻观测传输带的速度，并进行适当的调节，以此让传输带与校平机的效率保持一致，让产品质量和设备使用寿命都得到相应保障。（13）当收纳仓内板料上达到一定高度时，挡住光电开关后，装满指示灯就会亮起。该仓则会被传出，换为另一空仓，堆料至适当高度或设定剪切张数到达，停止自动工作。移出仓内的板料，装入新的料板，按下启动按钮，重新开始。（14）当卷料接近料尾时，应适当减慢校平速度和送料速度。待料尾接近送料辊时，按下停止按钮，停止自动工作，手动操作将料尾送出。2.3控制方案设计纵横剪自动生产线非标控制系统采用西门子S7-300系列的PLC作为核心控制系统。本系统由西门子300系列的PLC和WinCCFlexible2008触摸屏组成，两者之间通过MPI接口进行通讯，系统框架如图2.4所示。本系统的控制方案图如图2.5所示。自动剪切生产线控制系统主要由以下三个部分组成：可编程控制器（PLC）一台。PLC用于接收外部信号，例如：触摸屏上启停按钮的信号，设定参数时参数的输入信号，控制外部设备的各种动作实现，来达到生产与控制要求。触摸屏一台。其用于参数的设定和相关动作的控制，同时生产过程中设备的生产信息及时反馈给用户。有了触摸屏，使用者可以直观的看到控制系统当前的工作状态，如：生产批次编号、送料速度、裁剪的张数、校平机的校平速度、送料加速度、码垛速度、裁剪板料的长、宽设置值等。从而使控制系统能更好运行。伺服驱动一套。通过触摸屏所设的板料裁剪的长度进行剪切，电机转速的不同，送料速度就有所变化，所以该机构为送料的核心执行机构。图2.4控制方案图第三章系统硬件设计3.1PLC硬件设计3.1.1PLC选型在一般的工控系统中，可以通过选择PLC或者单片机来实现系统的自动化要求，PLC能够胜任大规模的控制器件，功能强大而且稳定性非常高。单片机体积很小，并且不能满足大型工业要求，所以本课题最终选择西门子300系列的PLC。3.1.2PLC硬件组态本系统的PLC硬件组态如图所示3.1所示。图3.1PLC硬态组件图3.1.3PLC系统I/O分配根据纵横裁剪自动生产控制系统的结构和工作原理可以将IO口进行分配：表3.1I/O分配表符号PLC地址注释E_STOPI0.0急停按钮SA1I0.1手自动选择开关SQ1I0.2液压刀具上位SQ2I0.3液压刀具下位SB1I0.4启动按钮SB2I0.5停止按钮SB3I0.6复位按钮EN_SI0.7伺服就绪SQ3I2.0小车到位光电SQ4I2.2入料板链有料光电SQ5I2.3横向刀具下位SQ6I3.0校平电机有料光电SQ7I3.1码垛槽满料光电SQ8I3.2出料板链有料光电KA10Q1.0送料板车正转KA15Q1.5送料板车反转KA13Q1.3入料轨道启动KA00Q0.0开卷机正转KA7Q0.7开卷机反转KA11Q1.1引料压头电机KA12Q1.2直头压辊电机KA02Q0.2牵引辊电机正转KA17Q1.7牵引辊电机反转KA01Q0.1校平辊电机KA04Q0.4纵剪刀具电机KA16Q1.6油泵电机KA26Q2.6废卷机正转KA27Q2.7废卷机反转KA06Q0.6横剪刀具电机KA14Q1.4轴阀电机KA03Q0.3出料轨道KA05Q0.5小车出料气缸KA20Q2.0校平机变频速度1KA21Q2.1送料轨道变频速度2KA22Q2.2送料轨道变频速度33.2通讯连接在SIMATICManager窗口选择图标，界面只有一个西门子300PLC，可以通过右击工程项目的方式添加一个西门子触摸屏设备，之后进行MPI地址分配，完成MPI网络连接，最后创建S7连接，如图3.2-3.3所示。图3.2通信连接图3.3设置S7连接属性第四章系统软件设计4.1开发软件和开发语言本系统采用西门子STEP7作为PLC程序的设计软件，梯形图为编程语言。STEP7编程软件具备了硬件诊断、网络组态等一系列的应用工具，可以对硬件和网络实现组态，不仅简单、直观，而且方便用户修改。梯形图是一种图形编程语言，梯形图语言比较形象直观，对于熟悉继电器控制线路的电气技术人员来说，很容易被接受。因此，梯形图是使用的最基本、最普遍的编语言。4.2控制系统设计本控制系统有手动和自动两种工作方式，当选择手动工作方式时根据要求通过手动操作来控制各部分的动作。当选择自动时由系统自行运行来实现全线的运行，PLC程序流程图如4.1图所示。在控制系统中，送料的长度是通过触摸屏来设定的，PLC控制的送料裁切程序流程图如图4.2所示。横剪机只有当材料都输送完毕后才会进行启动，定长裁片，即每次定长进给后，横切机的切刀移动裁切片材，然后返回原位。当下一次进给完成时，横切机再次动作以切割片材。，当横剪过程到位后，板材停止运动，PLC向横剪机发出指令，横剪机的刀具从上往下移动，对板材进行水平剪切。刀具返回上排开关位置，返回PLC剪切完成信号，PLC再次驱动送料辊通过交流伺服送料，达到控制要求。图4.1PLC程序流程图图4.2送料剪切程序流程图4.3PLC程序设计4.3.1程序构成本系统采用模块化设计，将系统分为各个功能的模块，再由主程序统一调用，实现系统功能。本系统中采用的控制程序模块有OB（组织块）、FB（功能块）、FC（功能）、DB（数据块）、SFB（系统功能块）。根据系统设计需要，采用OB1来进行组织块软件编程，本系统在OB1中设计的是系统的启动、板车上料、手动自动的选择以及出料。FB（功能）是提供手动、联动所需要的子程序编写。PLC的输入信号主要由来自触摸屏的输入信号、操作手柄和各个操作台上输入信号、检测装置的信号以及各种到位的反馈信号组成。4.3.2OB1主程序该段为系统启动程序，当屏幕按下M11.0系统启动，按下停止按钮或按下I0.0急停按钮系统停止运行。使用手动选择开关I0.1对系统手动模式和自动模式进行选择。当I0.1通时此时系统为自动模式，当I0.1不通时此时系统为手动模式。此模块主要是为了调用手动运行子程序。此模块主要是为了调用自动运行子程序。此程序段为板车正反转输出程序，当通过执行手动或自动程序后板车正反转标志位M201.0或M301.0正转标志为1则输出Q1.0正转，当子程序执行后M1030.2即板车反转标志为真则输出反转。此段程序为板车行走动画的程序及出料气缸控制程序，当板车正转输出时即Q1.0为真，则MW700开始自动增加数字以M0.5及1S的脉冲，当增加到300后输出M1020.0同时将MW700赋值300使其不再增加，当数字达到300说明板车移动到位，此时M1020.0驱动出料气缸Q0.5,同样当板车为反转时，MW700的数值以M0.5的1S脉冲递减数值，此时实现板车动画返回移动。当开卷机启动时引料压头下压，压住板料防止板料翘起。接着由牵引辊电机控制板料抬起、落下，便于板料进入电机。最后由校平压辊将板料校平。当开卷未启动时，按下M1911.5,牵引棍电机执行反转动作。此为入料轨道输出先去驱动程序和动态显示程序，第一段当子程序执行后M2012或M3030启动标志位为真，则驱动输出线圈Q1.3，第二段为当Q1.3为真后，执行动态显示功能程序此为校平辊电机输出先去驱动程序和动态显示程序，第一段当子程序执行后M3040或M2S启动标志位为真，则驱动输出线圈Q0.1，第二段为当Q0.1为真后，执行动态显示功能程序当板材完成纵横剪切出料，码垛槽满料光电检测到板材装满时，进行板材送出。当子程序执行后对应标注位驱动对应剪切电机，由于是液压控制，刀具液压动作必然需要启动油泵。当Q0.3通后MW710开始存储数据，以M0.5，1秒一个脉冲，1秒断开1次。然后自动加数字代表它在移动，MW710移动第一次，MW720移动第二次，MW730移动第三次。当三块移动完成S1、S2、S3亮驱动M1000.5。出料轨道移动效果，当Q0.3为真出料轨道电机开始运转，开始动作之后M1、M2、M3、M4、M5轮流开始显示。4.3.2手动运行程序手动运行子程序主要是通过手动运行进行操作，当PLC与触摸屏连接后。按下触摸屏上启动按钮即启动系统，然后按下对应按钮就可以进行板车上料，板料开卷、校平、纵横剪以垛料。程序为板车转反转，按下按钮板车开始正转，按下按钮板车开始反转。该程序为伺服电机定位功能模块。4.3.4自动程序当启动系统按钮时，按流程自动走手动的流程，依次实现板车上料、开卷、校平以及垛料等。该程序为自动运行模式下伺服电机设定的距离自动转动对应脉冲数。第五章系统调试当PLC部分的设计和Winccflexible界面都设计完成后，必须对系统进行仿真调试。仿真的时候，要先对PLC的程序进行调试，然后再对触摸屏界面进行仿真，当都没有错误时，就需要对PLC和WinCCflexible进行联调。5.1PLC仿真调试PLC部分的仿真调试有两种方式，一种是利用实验室的仿真台进行调试，另外一种就是通过下载PLCSIM软件，通过软件进行仿真。一般而言，软件开发者首次设计的程序难保没有瑕疵，如果程序有错，直接与仿真台连调可能会对仪器设备造成损坏。所以，最合理方案是利用PLCSIM进行仿真。具体的仿真步骤如下：（1）建立仿真环境首先，安装好PLCSIM软件之后，打开Step7软件，在工具栏菜单中单击图标按钮即可打开仿真软件，弹出如图5.1所示窗口。图5.1仿真界面当DC为绿色表明PLC电源接通，RUN表示系统运行，STOP为停止，SF红色时说明系统有问题。在选择框有RUN-P、RUN、STOP三种模式，没调试之前默认是STOP状态下，在仿真时，要将模式切换为RUN或RUN-P，RUN与RUN-P的区别为在RUN-P模式下，可以对程序进行修改与下载，而在RUN模式下，只允许对程序进行调试，不允许修改与下载。（2）选择模块可以在仿真工具栏中选择需要的输入与输出窗口模块。将本设计所用到输出输出添加到仿真器中。（3）下载程序在设置好各模块后，需要在Step7界面选择图标将PLC的程序下载到仿真器中。下载时，一定要保证仿真器处在RUN-P模式或者STOP模式，不能处于运行模式。（4）程序运行状态监测在仿真器运行后，打开需要调试的程序块，在工具栏中选择按钮，可以动态地显示程序的运行情况，能够直观地体现出程序的错误。图5.2仿真运行界面5.2PLC与Winccflexible联机当触摸屏界面仿真