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目 錄 1緒 論 1 1.1課題提出與研究意義 1 1.2 線材卷繞系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 2 線材卷繞系統(tǒng)的特點與應用場合 3 2.1線材自動卷繞系統(tǒng)的特點 3 2.2線材自動卷繞系統(tǒng)的優(yōu)點 3 2.3 線材自動卷繞系統(tǒng)的應用領(lǐng)域 4 3 線材自動卷繞系統(tǒng)的設計要求 5 3.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的控制要求 5 3.2 線材自動卷繞系統(tǒng)中被控對象和元件之間的邏輯控制關(guān)系 5 4 PLC控制系統(tǒng)設計原則 6 4.1可編程控制器的簡介 6 4.2 PLC 的一般結(jié)構(gòu) 6 4.3 PLC產(chǎn)品一些常見的技術(shù)指標 6 4.4 PLC的選用原則 7 4.5 PLC控制系統(tǒng)設計基本的原則 7 4.6 PLC控制系統(tǒng)設計的基本內(nèi)容 8 4.7 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 8 4.8 PLC控制系統(tǒng)設計的方法 9 5 線材自動卷繞系統(tǒng)的設備選型 9 5.1 線材自動卷繞系統(tǒng)設計圖 9 5.2 PLC的選型 10 5.3 觸摸屏的選型 10 5.4 變頻器的選型 10 5.5 旋轉(zhuǎn)編碼器的選型 11 5.6 步進電動機的選型 11 5.7 步進電機驅(qū)動器的選型 11 5.8 其他設備選型 12 6 線材自動卷繞系統(tǒng)的理論設計 12 6.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的初步設計 12 6.2 卷繞的進入速度識別 12 6.3 卷繞速度計算 13 6.4 線材卷繞導向部分 13 6.5 卷繞的長度測定 14 6.6 卷繞的誤差補償 14 7 線材自動卷繞系統(tǒng)的程序設計 15 7.1 I\O分配 15 7.2 程序設計 15 8 線材自動卷繞系統(tǒng)的觸摸屏畫面設計 24 8.1 觸摸屏畫面設計概述 24 8.2 觸摸屏畫面的設計 24 9 線材自動卷繞系統(tǒng)主軸卷繞部分設計 28 9.1 MMX-440C 變頻器與三相異步電動機的鏈接 28 9.2 變頻器的參數(shù)設置與接線 28 總 結(jié) 30 參考文獻 31 附 錄 32 線材自動卷繞系統(tǒng)設計材料清單 32 致 謝 33 33 天津職業(yè)技術(shù)師范大學2010屆本科生畢業(yè)設計 1緒 論 1.1課題提出與研究意義 在工業(yè)生產(chǎn)中，有時需要對生產(chǎn)出的線材進行卷繞或要將線材卷繞規(guī)定的匝數(shù)（如變壓器線圈），纏繞到規(guī)定直徑的卷軸上。在過去的工業(yè)生產(chǎn)過程中，該卷繞系統(tǒng)對線材的長度計量和張緊度把握是通過機械或人力來完成的。這樣的卷繞方法效率低下，精度較差。對于卷繞有彈性的線材時容易造成拉伸線材變形或卷繞過松的現(xiàn)象。特別需要注意的是，這類機械的卷繞系統(tǒng)只能適應于一種特定彈性和直徑的線材，同時也只能適應特定直徑和寬度的卷軸。因此需要對現(xiàn)有非自動卷繞系統(tǒng)進行必要的自動化更新或改造。 而線材自動卷繞裝置是由PLC進行軟件卷繞控制。其線材的進入速度通過旋轉(zhuǎn)編碼器測得。線材的直徑、卷軸的直徑和寬度由觸摸屏直接輸入。當需要改變卷繞線材或卷軸的參數(shù)時。只需通過觸摸屏改變相應的參數(shù)，免去了機械卷繞系統(tǒng)的機械調(diào)試工作。 相較其它非自動卷繞系統(tǒng)，由PLC控制的自動卷繞系統(tǒng)成本低廉、操作簡便、構(gòu)造簡單、便于維護、精度高、效率高?？梢蕴娲F(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)中使用的非自動線材卷繞系統(tǒng)。 線材繞系統(tǒng)是一種將線材（尤其是有彈性的線材）卷繞到規(guī)定直徑的軸上的機構(gòu)。它和線材生產(chǎn)機構(gòu)一同工作。在卷繞過程中，線材生產(chǎn)部分相當于放卷機，卷繞機相當于是收卷機。只有線材生產(chǎn)部分和卷繞機進行同步轉(zhuǎn)動，也就是說只有當放卷機和收卷機的速度保持一致時，才不會對線材造成損害。由于線材生產(chǎn)部分（放卷機）在轉(zhuǎn)動過程中速度是接近保持不變的，卷繞機在卷繞過程中，收卷直徑會越來越大，因此放卷到收卷的傳輸線速度越來越大，這就需要不斷的降低線材卷繞機主軸的卷繞速度以配合放卷的速度。從而達到同步收放的效果。這也是我在設計中的重點和難點我在這次畢業(yè)設計中，首先是對卷繞機的機械傳動設備和輔助設備進行設計。再對其控制系統(tǒng)提出自己的方案。我對其控制系統(tǒng)所設計的方案是由一臺三相異步電動機驅(qū)動線材卷繞機主軸轉(zhuǎn)動的速度。由旋轉(zhuǎn)編碼器測量線材生產(chǎn)速度（既放卷速度），并把檢測到的信號傳遞給可編程控制器PLC，同時，根據(jù)線材直徑和卷繞長度（由Siemens TP-177B觸摸屏輸入）確定卷繞速度和卷繞長度。由可編程控制器PLC通過計算、把結(jié)果傳遞給變頻器，再由變頻器控制電動機轉(zhuǎn)速。從而達到收放同步的效果。另外根據(jù)線材直徑，PLC還需要控制步進電動機實現(xiàn)線材卷繞的導向問題。 1.2 線材卷繞系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 線材卷繞系統(tǒng)應用于線材或膠管的生產(chǎn)制造、加工等領(lǐng)域。在該系統(tǒng)發(fā)展初期，是通過硬性的機械拖動來完成線材的圈繞動作。此時的圈繞系統(tǒng)動力多由靠變電壓調(diào)速的直流拖動電機實現(xiàn)卷繞動作。這種卷繞系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，操作直觀。但是，這種卷繞系統(tǒng)由于機械設計的原因大多只能適應一種線材和單一的卷軸。當需要更換另外直徑的線材或其他型號的卷軸時。需要調(diào)試甚至更換相應的卷繞機械機構(gòu)以改變卷繞的線速度。另外還需要改變導向機構(gòu)。此外，這樣線材卷繞系統(tǒng)的卷繞線速度和導向機構(gòu)的移動速度與移動距離是通過機械結(jié)構(gòu)計算，這樣的機械變速機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，容易磨損，需要定期的維護，且調(diào)試、維護這樣的系統(tǒng)需要很高的機械基礎(chǔ)，維護成本很高。 目前的半自動卷繞系統(tǒng)多使用變頻器驅(qū)動三相交流異步電動機或使用步進電動機、伺服電動機以實現(xiàn)卷繞的直接、精確控制。此外，線材導向機構(gòu)也簡化了機械部分。直接應用步進電動機或伺服電動機實現(xiàn)精確的導向。 控制這些電動機實現(xiàn)卷繞動作的多為單片機或可編程邏輯控制器（PLC）。在工業(yè)生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)環(huán)境中存在的眾多的干擾原。如電機啟動，觸點的接通、關(guān)斷，以及電力變流設備對電源的干擾。要求這樣的控制設備要具有較強的抗干擾性能。由于PLC具有較強的抗干擾性能和多樣的功能。目前，比較成熟的線材卷繞系統(tǒng)多是以PLC作為線材卷繞系統(tǒng)的控制器。卷繞動作由PLC控制相關(guān)電機和氣動執(zhí)行元件完成。能十分方便的嵌入到各類生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)線中。 日益復雜、精確的工業(yè)生產(chǎn)過程要求未來的線材卷繞系統(tǒng)的智能化程度較高。最基本的要求是具有人性化的簡便智能操作界面。同時對相應的控制精度、控制穩(wěn)定性也提出了更高的要求。在要求高速度、高精度、高可靠性、人性化的操作操作界面、具有自主故障判斷功能、維修簡便的同時。還要使單機價格不斷下降、機械結(jié)構(gòu)模塊化、可升級、可重構(gòu)化發(fā)展。 2線材卷繞系統(tǒng)的特點與應用場合 2.1線材自動卷繞系統(tǒng)的特點 線材自動卷繞裝置是一種將線材（尤其是有彈性的線材）卷繞到規(guī)定直徑的軸上的的機構(gòu)。它和線材生產(chǎn)機構(gòu)一同工作。在卷繞過程中，線材生產(chǎn)部分相當于放卷機，卷繞機相當于是收卷機。只有線材生產(chǎn)部分和卷繞機進行同步轉(zhuǎn)動，也就是說只有當放卷機和收卷機的速度保持一致時，才不會對線材造成損害。由于線材生產(chǎn)部分（放卷機）在轉(zhuǎn)動過程中速度是接近保持不變的，卷繞機在卷繞過程中，收卷直徑會越來越大，因此在卷繞拖動電機轉(zhuǎn)速不變的情況下，收卷的線速度越來越大，這就需要不斷的降低線材卷繞機主軸的卷繞速度以配合放卷的速度。從而達到同步收放的效果。這也是我在設計中的重點和難點我在這次畢業(yè)設計中，首先是對卷繞機的機械傳動設備和輔助設備進行設計。再對其控制系統(tǒng)提出自己的方案。我對其控制系統(tǒng)所設計的方案是由一臺三相異步電動機驅(qū)動線材卷繞機主軸轉(zhuǎn)動的速度。由旋轉(zhuǎn)編碼器測量線材生產(chǎn)速度（既放卷速度），并把檢測到的信號傳遞給可編程控制器PLC，同時，根據(jù)線材直徑和卷繞長度（由Siemens TP-177B觸摸屏輸入）確定卷繞速度和卷繞長度。由可編程控制器PLC通過計算、把結(jié)果傳遞給變頻器，再由變頻器控制電動機轉(zhuǎn)速。從而達到收放同步的效果。另外根據(jù)線材直徑，PLC還需要控制步進電動機實現(xiàn)線材卷繞的導向問題。 2.2線材自動卷繞系統(tǒng)的優(yōu)點 這樣的自動卷繞系統(tǒng)具有如下優(yōu)點: 1.節(jié)省了人力資源 卷繞工作有線材卷繞系統(tǒng)自動完成控制卷繞?？梢宰鞯綗o人值守。當卷繞到規(guī)定長度或系統(tǒng)傳感器檢測到卷繞故障時，機器停機報警。這時才需要人工完成更換卷軸或進行維修工作。節(jié)省人力資源。 2.提高了工作效率 線材自動卷繞裝置相叫較半自動卷繞系統(tǒng)。其卷繞張力控制是由PLC自動控制完成。在出現(xiàn)卷繞誤差時也是由PLC自動完成誤差補償。其卷繞動作連續(xù)、快速。提高了工作效率。 3.操作簡便容易 在卷繞生產(chǎn)過程中，操作人員是通過觸摸屏操作該自動卷繞系統(tǒng)。省去了機械卷繞系統(tǒng)中需要的機械設備調(diào)試。減輕了操作人員的勞動強度。操作界面簡單、直觀，操作簡便、容易。 4. 提高了安全性可靠性 在該線材自動卷繞系統(tǒng)中。操作人員不必去接觸有可能轉(zhuǎn)動的機械部分，只需要通過觸摸屏操作卷繞系統(tǒng)。因此提高了該線材卷繞系統(tǒng)的操作安全性。 由于省去了部分機械卷繞裝置的機械測速、變速部分。簡化了該卷繞系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，減少了零件總數(shù)。提高了設備運轉(zhuǎn)的可靠性。 5. 減少了制造與維修成本 該線材自動卷繞系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)簡單。大部分功能通過PLC的軟件實現(xiàn)。簡化了生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本。同時，由于結(jié)構(gòu)簡單，維修變得更加容易，減少了維修難度與維修成本。 2.3 線材自動卷繞系統(tǒng)的應用領(lǐng)域 1、線材生產(chǎn)、加工部門 在線材的生產(chǎn)與加工領(lǐng)域，無可避免的就是各種型號的線材要根據(jù)不同的需要卷繞在不同大小的卷軸上。特別是彈性線材和熱的塑膠線材（如熱的膠管）的卷繞。其對卷繞張力控制要求十分精確。否則會造成線材卷繞的不均勻甚至損壞線材。而一般的半自動機械控制的卷繞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，成本高昂，在卷繞這些線材時需要極其嚴格的調(diào)試和改造。但仍不能滿足卷繞的要求。但由PLC控制的線材自動卷繞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，控制精度高，完全能夠滿足卷繞這些彈性線材的性能要求。而且操作、維護簡便。 2、生產(chǎn)成品需要線材卷繞流程的部門 在某些線圈（例如變壓器）的生產(chǎn)過程中。需要對某種線材進行規(guī)定長度或規(guī)定匝數(shù)的精確卷繞。該線材自動卷繞系統(tǒng)能夠通過修改觸摸屏的卷繞參數(shù)就能滿足規(guī)定的要求。而半自動機械卷繞裝置則需要調(diào)整甚至修改機械結(jié)構(gòu)改變卷繞的變比。有一定的操作與調(diào)試難度。因此，該線材自動卷繞裝置能夠滿足生產(chǎn)成品需要線材卷繞流程的部門進行高精度的線材卷繞要求。 3線材自動卷繞系統(tǒng)的設計要求 3.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的控制要求 在線材自動卷繞系統(tǒng)的設計中，要求有給定輸入速度（由旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)）。應用觸摸屏輸入線材直徑、卷繞長度、卷軸直徑和卷軸寬度（由線材直徑、卷軸寬度和卷軸直徑確定卷繞速度。不同的參數(shù)在卷繞中線速度不同）再參考給定輸入速度確定最終的卷繞速度。在系統(tǒng)運行中。應在觸摸屏中有相應的監(jiān)控情況。此外，由于在卷繞過程中存在誤差。還應在卷繞中加入張緊度測試。在過松或過緊時，自動調(diào)節(jié)卷繞速度，并要求在觸摸屏中有相應的故障指示。 3.2 線材自動卷繞系統(tǒng)中被控對象和元件之間的邏輯控制關(guān)系 給定輸入速度的測定：由旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn) 線材參數(shù)（包括線材直徑、卷繞長度）：通過用戶對觸摸屏輸入數(shù)據(jù)實現(xiàn) 卷軸參數(shù)（包括卷軸直徑、卷軸寬度）：通過用戶對觸摸屏輸入數(shù)據(jù)實現(xiàn) 監(jiān)控卷繞情況（包含已卷繞長度）：通過觸摸屏顯示監(jiān)控 卷繞線材的導向機構(gòu)：通過步進電動機驅(qū)動 卷繞主軸的驅(qū)動：通過變頻器控制的三相異步交流電動機實現(xiàn) 卷繞長度和卷繞圈數(shù)的測定：通過旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn) 4 PLC控制系統(tǒng)設計原則 4.1可編程控制器的簡介 可編程控制器過去簡稱PC，為區(qū)別于個人計算機，現(xiàn)一般簡稱PLC。它采用可編程序的存儲器，用來存儲用戶指令，完成確定的邏輯、順序、定時、計數(shù)、運算和一些確定的功能是通過數(shù)字或模擬的輸入輸出，來控制各種類型的機械設備或生產(chǎn)過程。PLC不采用固定接線萬式，比繼電器控制系統(tǒng)設計周期短、更改容易、接線簡單、成本低，而且把計算機的功能和繼電器控制系統(tǒng)結(jié)合起來，使控制更為容易。同時，它還有簡單易學、使用和維護方便、運行穩(wěn)定可靠及設計周期短的特點。 4.2 PLC 的一般結(jié)構(gòu) 中央處理器(CPU)、存儲器、輸入接口電路、輸出接口電路。 4.3 PLC產(chǎn)品一些常見的技術(shù)指標 (1)輸入/輸出點數(shù) ( 即I/O點數(shù)) 即指PLC外部輸入、輸出端子數(shù)。這是重要的一項技術(shù)指標。 (2)掃描速度 一般以執(zhí)行100O步指令所需要的時間來衡量，故單位為mS/千步。也有時以執(zhí)行一步指令的時間計算，如DS/步。這決定了控制速度。 (3) 內(nèi)存容量 一般以PLC所能存放用戶程序來衡量。這決定了控制的復雜程度。在PLC中程序指令使按"步"存放的一“步”占用一個地址單元，一個地址單元一般占用兩個字節(jié)。如一個內(nèi)存容量為1000步的PLC可推知其內(nèi)存為2K字節(jié)。 (4)指令條數(shù) 這是衡量PLC軟件功能強弱的主要指標。PLC具有的指令越多，說明其控制功能越強。 (5)內(nèi)部寄存器 PLC內(nèi)部有許多寄存器用以存放變量狀態(tài)、中間結(jié)果等，還有許多輔助寄存器可供用戶使用，可提供許多特殊化或簡化整體系統(tǒng)設計。寄存器配置情況是衡量PLC硬件功能的一個指標。 (6)高級功能模塊 PLC除了主控模塊外還可以配接各種高功能模塊。主控模塊實現(xiàn)基本控制功能。高功能模塊則可實現(xiàn)某種特殊的專門功能，使PLC不但能進行開關(guān)量順序控制，而且能進行精確的定位和速度控制、和計算機進行通信、直接用高級語言進行編程等，給用戶提供了強有力的工具。高功能模塊的多少、功能強弱常是衡量PLC產(chǎn)品水平高低的一個重要指標。 4.4 PLC的選用原則 隨著現(xiàn)代PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC應用的范圍也很廣泛，所以，一般我們對PLC的選用我們有以下方面的考慮：可靠性、維修方便、可以在惡劣環(huán)境下工作、使用方便、編程方便、可兼容性、修改與擴充能力、自診斷能力、價格、特殊性能、聯(lián)網(wǎng)能力、運行速度等。 4.5 PLC控制系統(tǒng)設計基本的原則 任何一種控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則: (1)充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度的滿足用戶提出的技術(shù)條件要求，了解整個被控對象(包括生產(chǎn)設備或生產(chǎn)過程的工作原理、工藝、性能、參數(shù)等)，并深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集資料，與機械部分的設計人員和現(xiàn)場操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，以協(xié)同解決系統(tǒng)設計中出現(xiàn)的各種問題，并能根據(jù)需要方便的進行修改。 (2)在滿足控制要求的前提下，讓整個PLC控制系統(tǒng)及控制電路安全、可靠、簡單，具有較高的性能價格比。 (3)合理的選擇PLC機型及電器元件。同時，在PLC的I\O點數(shù)和內(nèi)存容量上應適當留有余地，以滿足今后生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進。 (4) 容易掌握，便于操作和維修。 4.6 PLC控制系統(tǒng)設計的基本內(nèi)容 (1)擬訂控制系統(tǒng)設計的技術(shù)條件。 (2)選擇電力拖動形式和電動機、電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)。 (3) 選定PLC的型號。 (4)分配PLC的I/O點，繪制PLC的I/O硬件接線圖。 (5)設計控制系統(tǒng)梯形圖并調(diào)試。 (6)設計控制系統(tǒng)的操作臺、電氣控制柜等以及安裝接線圖。 (7)編寫設計書和使用說明書。 4.7 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 一般PLC控制系統(tǒng)的設計步驟具體操作如下: (1)分析被控對象:分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象的 全部功能，設備內(nèi)部之間的關(guān)系。 (2)確定輸入/輸出設備:根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的輸入設備(如按鈕、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)等);輸出設備 (如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)。 由此，確定PLC的I/O 點數(shù)。 (3)選擇PLC:包括PLC的機型、容量、I/O模塊、電源和其他擴展模塊的 選擇。 (4)分配I/O點:畫出PLC的I/O端子與輸入/輸出設備的連線圖或?qū)怼? (5)設計控制系統(tǒng):如畫功能圖、梯形圖、對程序的調(diào)試等。 (6)硬件設計及現(xiàn)場施工。 (7)聯(lián)機調(diào)試:是指將模擬調(diào)試通過的程序進行再線調(diào)試。 4.8 PLC控制系統(tǒng)設計的方法 PLC編程方法靈活，指令系統(tǒng)強大，控制系統(tǒng)設計方便，軟、硬件設計可同時進行。PLC由很強的驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動接觸器和電磁閥等執(zhí)行元件，在工作控制中具有廣泛的通用性。 對電氣控制設備來講，PLC 控制系統(tǒng)是設備控制要求和工藝流程的具體體現(xiàn)，但是任何PLC控制系統(tǒng)的設計都是在控制方式和電動機技術(shù)數(shù)據(jù)確定以后進行的。 5 線材自動卷繞系統(tǒng)的設備選型 5.1 線材自動卷繞系統(tǒng)設計圖 圖5-1 線材自動卷繞系統(tǒng)設計圖 5.2 PLC的選型 在該線材卷繞系統(tǒng)中，需要控制步進電動機。因此，使用的PLC需要具有高速脈沖輸出功能。一般具有高速脈沖輸出功能的PLC多為晶體管輸出類型，學校能夠?qū)崿F(xiàn)高速脈沖輸出功能的PLC有松下的FP-0系列和西門子的S7-300 CPU 314C。而松下的FP-0輸出端口少，內(nèi)存?。删幊炭臻g只有2.7K）不能滿足端口數(shù)量和編程空間的要求。況且在線材卷繞系統(tǒng)中，需要精確的對卷繞主軸電動機進行精確的調(diào)速控制。主軸卷繞電動機是三相異步交流電動機，想要實現(xiàn)自動精確調(diào)節(jié)主軸驅(qū)動電動機的速度，必須選用變頻器模擬量速度調(diào)節(jié)功能。而要實用上述功能。選用的PLC還必須具備0-10V或0-5V的模擬量輸出功能。但是松下FP-0系列PLC不具備模擬量輸出功能。因此選用西門子S7-300 CPU314C才能夠滿足設計要求。 5.3 觸摸屏的選型 在該線材自動卷繞系統(tǒng)中，需要應用觸摸屏進行如下應用： 1、對卷繞線材和卷軸的參數(shù)的設置。 2、對線材卷繞裝置的使用幫助說明。 3、對卷繞狀況的監(jiān)控（包含卷繞長度的顯示、卷繞動作的模擬以及故障和錯誤的報警）。 因此，能夠滿足以上應用要求的觸摸屏需要具備多畫面顯示、動畫顯示、參數(shù)的預置與監(jiān)控等多種功能。為了使該線材卷繞系統(tǒng)的操作更加簡便和人性化。因此，在這個線材卷繞系統(tǒng)的設計中我選用了西門子TP-177 B pn\dp color型觸摸屏。該款觸摸屏具有5.7英寸的彩色顯示可觸摸畫面。集成RS422/485接口。其機身內(nèi)存為2048KB。完全可以滿足線材卷繞系統(tǒng)的設計要求。 5.4 變頻器的選型 在該線材卷繞系統(tǒng)中。需要應用PLC對驅(qū)動卷繞主軸的三相交流異步電動機進行大范圍精確的無級調(diào)速。因此，需要應用變頻器對該電動機進行調(diào)速控制。這樣的調(diào)速要求需要變頻器具有無級、大范圍穩(wěn)定調(diào)速的功能。我們在PLC的選型中已經(jīng)說明，我們會利用PLC的模擬量輸出功能控制變頻器以實現(xiàn)這樣的調(diào)速功能。所以，我們選擇的變頻器亦應該具有相應的模擬量輸入控制無級調(diào)速的相應功能。 因此，在這個線材卷繞系統(tǒng)的設計中我選用了西門子的MMX-440C變頻器作為主軸卷繞電動機的控制。因為該型號變頻器能夠兼容于西門子S7-300型PLC的模擬量輸出實現(xiàn)主軸卷繞電動機的精確無級調(diào)速控制。 5.5 旋轉(zhuǎn)編碼器的選型 在該線材自動卷繞系統(tǒng)中采用了旋轉(zhuǎn)編碼盤以采集線材的進入速度和卷繞主軸的卷繞圈數(shù)，為達到規(guī)定的卷繞精度，該系統(tǒng)選用了100p/r的編碼盤。當旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)時，會在輸出端在產(chǎn)生VP-P為24V的方波信號，每轉(zhuǎn)一圈輸出100個脈沖。可以提供給PLC的高速計數(shù)器，用于線材卷繞的速度控制和導向控制。 5.6 步進電動機的選型 該卷繞系統(tǒng)的步進電動機是用來驅(qū)動線材導向機構(gòu)。在設計中我選擇的是二相八拍混合式步進電機其主要特點為：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點。本系統(tǒng)設計中采用串聯(lián)型接法，其電氣圖如圖5-2所示： 圖5-2 步進電機電氣圖 5.7 步進電機驅(qū)動器的選型 步進電機驅(qū)動器主要有電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。 驅(qū)動器電源由面板上電源模塊提供，驅(qū)動器信號端采用+24V供電。驅(qū)動器輸入端為低電平有效。 驅(qū)動器電流設定為0.63A，細分設定為8細分。將24V電源接入驅(qū)動器，此時驅(qū)動器的電源指示燈應點亮。將24V與OPTO端（驅(qū)動器使能端）連接起來。PUL端是脈沖輸入端。DIR是方向控制輸入端。 5.8 其他設備選型 需要應用機械部分來實現(xiàn)步進電動機每過一個細分，卷繞導向臂移動1mm。 6 線材自動卷繞系統(tǒng)的理論設計 6.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的初步設計 在線材卷繞系統(tǒng)的設計中，一共分為4部分： 1、線材進入速度測量采用旋轉(zhuǎn)編碼器直接給PLC輸入線材進入速度。 2、線材卷繞導向部分采用步進電動機驅(qū)動的機械導向器。其導向控制計算方法是利用觸摸屏輸入的線材直徑d和卷軸的寬度H以及卷繞的速度決定的。 3、線材卷入的速度V是由線材輸入速度v，線材直徑d和卷軸直徑D決定的。 4、因為線材卷繞中，PLC在線材進入速度識別和卷繞過程中存在一定的誤差。因此還需要在該系統(tǒng)中加入卷繞誤差控制。 6.2 卷繞的進入速度識別 在本項設計中，采用旋轉(zhuǎn)編碼器識別線材進入的線速度。設定線材每進入一米，旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生100個脈沖（通過機械結(jié)構(gòu)解決）則可通過PLC編寫程序計算出進入速度。根據(jù)公式 進入PIC的線材長度（取1cm為標準單位，設脈沖個數(shù)為N）： S=1*N （6-1） 進入速度（令t=1s）： v=S/t （6-2） 6.3 卷繞速度計算 設卷繞時卷軸的角速度為則卷繞的線速度： V=R*ω （6-3） 為完成卷繞要求，則需要做到線材卷繞的線速度與線材的進入速度相等。則有： V=v （6-4） S/t=Rω （6-5） 所以：ω=s/(RT) （6-6） 在上式中R是未知的該R經(jīng)畫圖分析與卷軸直徑D﹑卷繞層數(shù)X和線材直徑d有關(guān)，線材在卷繞過程中，每卷繞一層，卷軸的半徑就增加了一個d（線材的直徑）。此外，為了增加卷繞速度的計算精度。還不應忽略在卷繞中的最外層。因此，還需在卷繞半徑上卷上最外層的增加的卷繞半徑d/2。 卷繞半徑計算公式為： R=D/2+Xd+d/2 （6-7） 6.4 線材卷繞導向部分 該導向部分是由步進電動機驅(qū)動擺臂進行線材卷繞中的導向動作。步進電動機是以轉(zhuǎn)動角度控制擺臂的擺動量。擺臂尖端的擺動幅度為卷軸的寬度H。在線材卷繞開始之前，擺臂是在中間位置（與卷軸垂直，并且垂足位于卷軸橫向的中點）。當用戶通過觸摸屏輸入卷軸寬度H后。擺臂尖端向左移動到與卷軸左端對齊。此時用戶在導向臂中穿入待卷線材，并與卷軸固定。按開始卷繞按鈕啟動卷繞裝置。在設計中，卷軸轉(zhuǎn)動圈數(shù)測定依然采用旋轉(zhuǎn)編碼器。卷軸每卷繞一圈，PLC會給控制導向臂的步進電動機發(fā)送運動信號，讓導向臂尖端向右移動一個距離d(線材直徑）當運行卷繞至卷軸最右端是，一共移動了X次。 X＝H/d-1 （6-8） 當導向臂向右移動了X次時，卷軸的第一層已被卷滿。此時卷繞第二層。此時每纏繞一圈導向臂向左移動一個d。如此往復。完成卷繞導向過程。 6.5 卷繞的長度測定 在本系統(tǒng)中，用戶可在系統(tǒng)的觸摸屏中輸入要求卷繞的長度，啟動該卷繞系統(tǒng)開始卷繞后系統(tǒng)的進入速度測試編碼開關(guān)會累計卷繞長度。當卷繞長度達到用戶預設值時。系統(tǒng)自動停機。并在觸摸屏上顯示卷繞完成信號。 6.6 卷繞的誤差補償 因為線材卷繞中，PLC在線材進入速度識別和卷繞過程中存在一定的誤差。因此還需要在該系統(tǒng)中加入卷繞誤差控制。該誤差控制的基本思想為：在線材導向機構(gòu)與卷軸之間加入三個卷繞誤差測定裝置，在本人的設計中，本人采用的是三個紅外位置傳感器。三個傳感器縱向排列，自上而下分別為線材卷繞過緊傳感器﹑卷繞正常傳感器和卷繞過松傳感器。 在線材卷繞過程中，線材導向機構(gòu)與卷軸之間的線材自然下垂。此時線材在過緊與過松傳感器之間，可能會觸發(fā)卷繞正常傳感器，但此時卷繞力度在誤差允許范圍內(nèi)，不會引起卷繞速度的變化。 當卷繞過緊時，線材繃緊。卷繞過緊傳感器動作，給PLC發(fā)送卷繞過緊信號。此時PLC會在正常的卷繞速度V中，減去過緊調(diào)節(jié)速度v松（該參數(shù)應在觸摸屏中預置，默認為0.1m/s）。此時卷繞速度減小，線材卷繞變松。緩慢下垂。當線材觸發(fā)卷繞正常傳感器時，PLC將過緊調(diào)節(jié)減去的速度v松去除。此時線材的卷繞速度恢復為PLC根據(jù)公式計算的正常卷繞速度V。 當卷繞過松時，線材下垂，觸發(fā)卷繞過松傳感器。這是PLC會在正常卷繞速度中加上過松調(diào)節(jié)速度v緊。這時線材加速卷繞，線材緩慢繃緊。當觸發(fā)卷繞正常傳感器時。卷繞速度恢復至正常卷繞速度V，完成誤差調(diào)節(jié)要求。 7 線材自動卷繞系統(tǒng)的程序設計 7.1 I\O分配 I0.0 開始按鈕 I0.1 卷繞進入速度旋轉(zhuǎn)編碼器輸入 I0.2 卷繞圈數(shù)旋轉(zhuǎn)編碼器輸入 I0.3 急停按鈕 I0.4 卷繞過緊傳感器輸入 I0.5 卷繞正常傳感器輸入 I0.6 卷繞過松傳感器輸入 Q0.0變頻器模擬量輸出 VA0變頻器模擬量輸出 M變頻器模擬量輸出 Q0.1導向步進電動機步進脈沖輸出 Q0.2導向步進電動機方向電平輸出 Q0.3導向步進電動機脫機電平輸出 7.2 程序設計 在該程序的設計過程中，參照理論設計為設計思路，具體的設計思想、計算方法都在程序中的注釋中說明。在這里就不在進行文字說明了。 8 線材自動卷繞系統(tǒng)的觸摸屏畫面設計 8.1 觸摸屏畫面設計概述 在線材自動卷繞系統(tǒng)的設計中，應用了觸摸屏進行如下控制功能： 1、 輸入卷繞參數(shù)：包含線材直徑、卷繞長度、卷軸直徑、卷軸寬度等。 2、 監(jiān)控卷繞狀況：包含卷繞長度的顯示，卷繞層數(shù)的監(jiān)控等。 3、 指導卷繞系統(tǒng)的使用：包含開始卷繞之前的線材安裝、固定等。 4、 故障的報警：包含顯示因故障引起的停機原因，和卷繞過程中的誤差補償情況顯示。 8.2 觸摸屏畫面的設計 圖8-1 畫面 1 畫面1 為線材自動卷繞系統(tǒng)的開始畫面，當用戶點擊“點擊進入”按鈕時。觸摸屏畫面進入卷繞參數(shù)設置畫面。 圖8-2 畫面 2 畫面2 為線材自動卷繞系統(tǒng)的參數(shù)設置畫面。用戶點擊“線材參數(shù)設置”、“卷軸參數(shù)設置”、“卷繞長度設置”這三個選項時。觸摸屏進入相應的參數(shù)設置。當參數(shù)都設置完成時。點擊“確認”按鈕進入下一步卷繞準備畫面。當用戶在畫面2中設置完成卷繞參數(shù)時，點擊“確認”按鈕時，觸摸屏進入卷繞的準備畫面，指導用戶完成卷繞前的線材裝入工作。 圖8-3 畫面 3 畫面3 為指導線材裝定畫面。用戶只有在線材裝定完成后才能進行開始卷繞動作。以上的觸摸屏畫面中“幫助”按鈕在實做過程中可以新建畫面，在新的畫面中添加圖片和文字說明，更加形象的指導用戶完成線材的裝入過程。用戶穿好線材后，可以點擊“確認”鍵，進入下一步。 圖8-4 畫面 4 畫面4 是正式的卷繞開始畫面。用戶在完成參數(shù)設置和線材裝定后才能進入該畫面。這樣避免了卷繞動作的誤啟動，增加了該系統(tǒng)的安全性。用戶點擊開始卷繞按鈕后，線材開始卷繞。當前畫面顯示用戶設定的卷繞長度和當前已經(jīng)卷繞的長度。用戶可以點擊“暫?！卑粹o暫停卷繞。 圖8-5 畫面 5 畫面5 為卷繞過程中的監(jiān)控畫面。卷繞開始后點擊“進入卷繞監(jiān)控系統(tǒng)”按鈕后，該畫面顯示。在該畫面中，顯示了線材的設置卷繞長度、已卷繞長度、線材進入速度、導向機構(gòu)的運動情況以及當卷繞出現(xiàn)誤差時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)狀況和系統(tǒng)停機報錯的原因。 圖8-6 畫面 6 畫面6 為線材卷繞完成畫面，線材在卷繞到規(guī)定長度后，系統(tǒng)停機，該畫面顯示。指示該卷線材的長度，匝數(shù)和層數(shù)。 9 線材自動卷繞系統(tǒng)主軸卷繞部分設計 9.1 MMX-440C 變頻器與三相異步電動機的連接 圖9-1 變頻器主電路圖 圖9-1 為SIEMENS MMX-440C變頻器與三相異步電動機的主電路連接電氣接線圖。在設計中。三相異步電動機的選型還要根據(jù)該卷繞系統(tǒng)的具體應用范圍（卷繞線材的直徑）來確定該三相異步電動機的容量。 9.2 變頻器的參數(shù)設置與接線 首先對變頻器進行如下設置 參數(shù)設置步驟如下： Step1：復位變頻器參數(shù) Step2：設定P0003=3 //設定參數(shù)設定方式（專家級模式） Step3：設定P0700=2 //命令源選擇“由端子排輸入” Step4：設定P0701=1 //選擇數(shù)字量輸入1為啟動/停止端 Step5：設定P1120= //設置加速時間（s） Step6：設定P1121=？ //設置減速時間（s） Step7：設定P2000=50 //基準頻率采用50HZ Step8：設定P0756=(0~4) //選擇模擬量的輸入方式 Step9：設定P0757=？ //標定ADC的X1值（V/mA） Step10：設定P0758=？ //標定ADC的y1值 Step11：設定P0759=？ //標定ADC的X2值（V/mA） Step12：設定P0760=？ //標定ADC的y2值（V/mA） Step13：設定P0761=？ //標定ADC死區(qū)的寬度（V/mA） 變頻器的主電路接線圖與上面圖9-1相同，控制部分接線如圖9-2所示： 圖9-2 變頻器控制接線圖 總 結(jié) 在此次畢業(yè)設計中，我主要做了四項工作: 一、認真、仔細學習可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)，主要特點、工作原理以及使用場合，并能根據(jù)被控對象的不同要求選擇不同類型型號的機型，輸入輸出接口，連接線以及與上位機相連時使用的適配器等，同時在此基礎(chǔ)上對線材自動卷繞系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計工作，掌握用了編程控制器進行自動化控制的基本設計思路。 二、掌握了使用可編程控制器進行自動控制的設計，對軟件進行了深入的學習和研究。 三、學習并掌握了線材自動卷繞系統(tǒng)的工作過程，控制要求，電路特點等內(nèi)容，對線材自動卷繞系統(tǒng)有了較深入研究。 四、掌握了PLC的基本指令與高級指令和梯形圖的編程技巧，及通訊過程，從而達到本次設計的目的和要求。 本次設計經(jīng)過十六周的學習和工作，能夠順利完成設計要求。這次設計的系統(tǒng)接線相對簡單，安裝比較方便，工作效率提高，同時工作可靠，維修量小。在調(diào)試時，系統(tǒng)可以達到設計的控制要求。由于畢業(yè)設計時間和經(jīng)驗有限，該系統(tǒng)程序還可以進行優(yōu)化和完善，硬件上也需要作一些改進，以充分適應工業(yè)生產(chǎn)設計的要求。 參考文獻 [1] 柴瑞娟,陳海霞.西門子PLC編程技術(shù)及北京工程應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006. [2] 吉順平,孫承志,路明.西門子PLC與工業(yè)網(wǎng)絡技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008. [3] 洪志育.例說PLC[M].北京:人民郵電出版社,2007. [4] 胡學林.可編程控制器教程（提高篇）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005. [5] Frank D.Petruzella著,侯世英等譯.PLC教程（第三版）[M]北京:人民郵電出版社,2007. [6] John W.Webb Ronald A.Reis著,丑武勝,韓壯志等譯.可編程邏輯控制器---原理與應用（第五版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005. [7] 張曉婷,高棪,蔡俊才.計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)[M].北京:人民郵電出版社,2003. [8] 陳在平,岳有軍.工業(yè)控制網(wǎng)絡與現(xiàn)場總線技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006. [9] 崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡通信指南（上冊）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005. [10] 崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡通信指南（下冊）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005. [11] 高鴻斌,孔美靜,赫孟合.西門子PLC與工業(yè)控制網(wǎng)絡應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006. [12] SIEMENS.SIMATIC S7-300和M7-300可編程序控制器模板規(guī)范參考手冊[M] [13]廖常初.西門子人機界面（觸摸屏）組態(tài)與應用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007. [14]馬寧,孔紅.S7-300PLC和MM440變頻器的原理與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006. [15] SIEMENS.MICROMASTER 440通用型變頻器0.12KW-250KW使用大全[M].2003. [16] 許其義.基于可編程控制器網(wǎng)絡的智能控制系統(tǒng)與開發(fā)[D].山東，曲阜師范大學,2007. 附 錄 線材自動卷繞系統(tǒng)設計材料清單 編程計算機 1臺 西門子S7-300PLC CPU314C 1臺 西門子S7-300PLC編程電纜 1條 西門子TP-177 B pn\dp color型觸摸屏 1個 RS 485通訊電纜 1條 直流24V電源 1個 步進電動機 1個 旋轉(zhuǎn)編碼器 2個 西門子MMX-440C變頻器 1臺 交流三相異步電動機 1臺 致 謝 經(jīng)過幾個月的努力，本次畢業(yè)設計的任務己經(jīng)圓滿結(jié)束了。 大學四年的學習生活即將結(jié)束，能夠順利完成這四年的學業(yè)和畢業(yè)設計，這和幫助過我的老師們是分不開的。 首先，我要感謝的是指導我這次畢業(yè)設計的李建國老師，他在畢業(yè)設計中給予了我很大的幫助，在畢業(yè)設計初期，他詳細的講解使我對此次設計有了深刻地了解和認識，這使我有計劃，有目標的進行了下面的工作。平時當我遇到問題時，他都會從百忙中抽出時間，耐心的給我認真解答。早我開始擬寫論文時，他又給了我很多幫助，督促我順利完成了此次的畢業(yè)設計。他高尚的品德，認真嚴謹?shù)膽B(tài)度，為人師表的風范，都給我樹立了榜樣。 其次，我要感謝在我大學這四年所有給予我很大幫助的各位任課老師們，感謝他們教授了各種各樣的文化知識、專業(yè)知識，并且教會了我很多學習方法，這些知識一定是我受用終身，為我今后的工作打下了良好的理論基礎(chǔ)。 大恩不言謝，我會在今后的工作于生活中繼續(xù)努力！回報社會，回報母校！