基于PLC的磨线机和剥线机控制系统的设计与实现.pdf
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基于PLC的磨线机和剥线机控制系统的设计与实现.pdf
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广西师范大学硕士学位论文基于PLC的磨线机和剥线机控制系统的设计与实现姓名:
刘建申请学位级别:
硕士专业:
电路与系统指导教师:
罗晓曙20080401摘要I基于基于PLC的磨线机和剥线机控制系统的设计与实现的磨线机和剥线机控制系统的设计与实现研究生:
刘建导师:
罗晓曙教授专业:
电路与系统研究方向:
微机控制及检测技术年级:
2005级摘摘要要随着自动控制理论和PLC技术的发展,具有易于使用、功能强大、高可靠性、扩展能力强、广泛的适用性和组成控制系统的简洁性等诸多优点的PLC控制技术,得到了越来越广泛的应用。
本论文以作者研究的基于PLC的磨线机控制系统项目和基于PLC的剥线机控制系统项目为背景,从PLC控制系统设计的角度,探讨PLC控制技术的应用,完成了如下几项工作:
(1)综述了PLC控制技术的产生、发展、国内外应用现状以及与其他控制技术的对比,介绍了磨线机控制系统和剥线机控制系统两个项目的来源、背景、国内外研究现状、研究意义。
(2)探讨了广泛适用的基于PLC的控制系统设计的一般方法。
从PLC控制系统的组成、设计原则分析入手,重点分析了PLC控制系统硬件设计和软件设计的方法和步骤。
(3)实现了基于PLC的磨线机控制系统的设计,包括系统的总体设计、硬件设计和软件设计。
在该系统的总体设计中,提出了分多段打磨的线径加工方法,分析了线径检测计算原理;硬件的设计又包括PLC设备选型、I/O分配、PLC接线图、线径检测器、模拟量输入模块、伺服放大器等内容;软件的设计包括多个模块的PLC程序的设计、多个画面的人机界面的设计。
(4)完成了基于PLC的剥线机控制系统的设计,包括系统的总体设计、硬件设计和软件设计。
在该系统的总体设计中,分析了步进电机脉冲计算原理,采用了呈阶梯形的速度曲线来控制步进电机的加、减速运动的控制方法;硬件的设计又包括减少PLC输入点数设计、PLC设备选型、I/O分配、PLC接线图、步进电机等内容;软件的设计主要是PLC程序的设计,包括主程序、两段剥皮模块、三段剥皮模块、功能按键模块、数字按键输入模块等。
基于PLC的磨线机控制系统,经过一年多的生产运行,结果表明:
该系统运行稳定、可靠,加工的金属细线品质好,据厂家认定,其性能指标已达到国外同类产品的技术水平(见附录)。
基于PLC的剥线机控制系统,目前已进入后期调试、完善阶段,预期该系统的研制成功将能产生较大的经济效益。
关键词关键词:
PLC,磨线机,剥线机,控制系统AbstractIITheDesignandImplementationofControlSystemofWire-GrindingMachineandWire-StrippingMachineBasedonPLCName:
JianLiuAdvisor:
Prof.XiaoshuLuoMajor:
CircuitandSystemGrade:
2005AbstractWiththedevelopmentofautomaticcontroltheoryandPLCtechnology,thePLCcontroltechnologywhichhastheadvantagesofuseeasily,powerfulfunction,highreliability,strongexpansion,wideapplicabilityandthesimplicityofbuildingacontrolsystemandsoon,hasgotabroadapplicationincreasingly.Duringthestudytimeofgraduate,theauthorhasfinishedtheresearchworkoftwoprojectswhicharewire-grindingmachineandwire-strippingmachine.BothofthesystemsarebasedonPLCtechnology.ThesearethebackgroundstothisarticlewhichmainlydiscussestheapplicationofthePLCcontroltechnology,andthefollowingresearchworkiscompleted.First,thisarticlegivesaoverviewofPLCcontroltechnologyaboutitsgeneration,development,statusquoofapplicationathomeandabroad,andthecontrastwithothercontroltechnique.Thesource,background,statusquoofresearchathomeandabroad,significanceofresearchaboutthetwoprojects,thecontrolsystemofwire-grindingmachineandwire-strippingmachine,areintroduced.Second,amethodwhichissuitedwidelyaboutthedesignofcontrolsystembasedonPLCiscovered.StartingwiththestructureanddesignprincipleofcontrolsystembasedonPLC,analyzesthemethodandstepsofhardwaredesignandsoftwaredesignemphatically.Third,thedesignwhichincludestheoveralldesign,hardwaredesignandsoftwaredesigntothecontrolsystemofwire-grindingmachinebasedonPLCisimplemented.Duringthesystemsoveralldesign,amethodofmultistagewire-grindingisproposed,andthetheoryofcalculatingwirediameterisalsoanalyzed.TheselectionofPLCequipment,I/Odistribution,PLCwiringdiagram,thewirediameterdetector,analoginputmoduleandservoamplifiersarebelongtothesystemshardwaredesign.ThesoftwaredesigntothesystemincludesthedesignofmanymodulesofPLCprogramandmanyhuman-machineinterfaces.Fourth,thedesignwhichincludestheoveralldesign,hardwaredesignandsoftwaredesigntothecontrolsystemofwire-strippingmachinebasedonPLCiscompleted.Tothesystemsoveralldesign,calculatingthepulsenumberofsteppingmotorisanalyzed.WhatsmoreisthatAbstractIIIthemethodofspeedcurvelikeladdercontrollingsteppingmotorisusedalso.ThedesignofhardwaretothesystemincludesthedesignofreducingPLCinputnumbers,theselectionofPLCequipment,I/Odistribution,PLCwiringdiagram,steppingmotorandsoon.ThedesignofsoftwaretothesystemisthedesignofPLCprogramwhichincludesmainroutines,twosegmentswire-strippingmodule,threesegmentswire-strippingmodule,functionalpressedkeysmoduleandtheinputmoduleofdigitalpressedkeysandsoon.Sincethecontrolsystemofwire-grindingmachinebasedonPLCbegantoprocesswire,thesystemwhichlastabouthalfandoneyearrunsstablyandreliably,andtheproductionhasahighquality.Accordingtotheusersidentification(referringtoappendix),thissystemsperformanceindexhasarrivedatthesamelevelofthiskindsofproductsinforeign.Atpresent,thecontrolsystemofwire-strippingmachinebasedonPLCisinanadvancedstateofdebugginganddevelopment.Asitisdevelopedsuccessfully,itwillbringagreatbeneficialeffecttotheeconomy.Keywords:
PLC,wire-grindingmachine,wire-strippingmachine,controlsystem论文独创性声明论文独创性声明本人郑重声明:
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研究生签名:
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导师签名:
日期:
第一章绪论1第一章绪论第一章绪论随着微电子技术、控制技术及信息技术的不断发展,PLC(ProgrammableLogicController,即可编程逻辑控制器)控制技术也得到了迅速的发展。
本章首先讲述了PLC控制技术的产生、发展、国内外应用现状、与其他控制技术的区别;然后介绍了基于PLC的磨线机控制系统和基于PLC的剥线机控制系统的来源、研究背景、研究现状及研究意义。
1.1PLC控制技术的产生和发展控制技术的产生和发展在早期的工业控制中,多采用继电器控制系统,这种系统体积大、耗电多,改变生产程序非常困难。
为改变这种状况,20世纪60年代末期,美国通用汽车公司(GM)提出需求,公开招标。
随后,美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程控制器,并成功的应用于汽车生产线上1。
随后,日本、德国等相继引入PLC技术,许多知名公司的加入使得PLC技术得到了迅速的发展,如:
日本的三菱、松下、OMRON;德国的西门子、BBC等公司。
目前,全世界约有200多家公司从事PLC的研究与制造,生产着400多个系列的产品2。
早期的可编程控制器指令系统简单,只能完成顺序控制,一般只具有逻辑运算、定时、计数等功能。
随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展,PLC也在不断发展。
20世纪80年代后期,以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了巨大的发展,使其在概念上、设计上、性价比等方面都有了很大的突破。
可编程控制器具有了浮点运算、函数运算、高速计数、中断计数、PID控制及联网等功能3,这些都使得PLC技术的应用范围和领域不断扩大。
1.2PLC控制技术国内外应用现状控制技术国内外应用现状目前,不仅在传统制造领域,PLC控制技术在其他领域也已得到了广泛的应用。
在国内,杨健等人引进PLC控制技术,设计了水净化工艺控制系统4,PLC在该系统的水净化过程中控制加药加氯动作,实现了水处理系统的自动化,减轻了工人的劳动强度,取得了不错的效果;在太阳能开发领域,耿立明等人成功设计了基于PLC的太阳能热水器控制系统5,在该系统中,PLC通过控制液位、电源的通断、采集温度和风压等数据实现了自动控制的功能;在裂纹检测领域,王建国等人设计的基于PLC的裂纹检测台6,很好的发挥了PLC控制系统的稳定性、智能化的优点,在汽车轮毂等转轴零件的检测中取得了良好效果;在煤炭生产领域,吕书勇利用PLC控制技术的优点,设计的基于PLC的焦化备煤控制系统7,实现了金马焦化厂备煤过程,满足了生产需要,提高了企业生产效率;在第一章绪论2垃圾处理领域,郭瑞国设计的基于PLC的垃圾焚烧炉控制系统8,发挥了PLC控制系统稳定、可靠、便于操作、易于控制的优点,保证了垃圾焚烧炉安全经济运行、炉温稳定、尾气污染控制达标;在船舶领域,董猛利用PLC控制技术抗干扰能力强,组成的控制系统硬件电路结构简单等特点,实现船舶主机遥控系统的主要功能,设计了基于PLC的船舶主机遥控系统9,特别适合于在中、小型船舶上应用,也可应用于在航船舶的主机遥控系统的改造设计中。
在国外,D.W.Russell在设计的工厂信息系统10中,将PLC应用于采集、预处理并传送实时数据给计算机,节约了成本,保证了系统的稳定性,收到了很好的效果;在生物研究领域,Frederico等人为了研究微生物在不同浓度氧气环境中的生长和生产情况11,在使用的带氧化功能的生物反应器中,PLC被用来自动控制氧气的浓度,获得了成功的应用;AtefA.Ata等人在机器人应用于颜色识别的研究12中也成功引入了PLC技术。
在线(本文指金属细线及线束等)加工领域,PLC控制技术也得到了一些应用,如:
丁士启将PLC应用在铜线加工中13;荣竑将PLC应用在环锭捻线机上14等等,但总的来说,在线加工领域PLC控制技术的应用还不太多,因此,本文的研究对PLC控制技术在线加工领域的应用具有一定的参考意义。
1.3PLC控制技术与其他控制技术的区别控制技术与其他控制技术的区别随着电子技术和信息技术的飞速发展,出现了多种实用的控制技术,如继电器控制技术、计算机控制技术、单片机控制技术及PLC控制技术等,每种控制技术有各自的优缺点和应用领域。
1.3.1PLC控制技术与继电器控制技术的区别控制技术与继电器控制技术的区别在PLC的编程语言中,梯形图是用得最多的语言。
PLC的梯形图与继电器控制线路图比较相似,信号的输入/输出形式及控制功能也相同,但PLC的控制与继电器的控制又有不同之处,主要体现在以下几个方面1。
(1)控制逻辑:
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑,利用继电器机械触头的串联或并联以及时间继电器的延时等组合成控制逻辑。
其缺点是接线复杂,增加或改变功能都非常困难,继电器触头数目也有限。
而PLC利用其内部存储器,以程序方式将控制逻辑存储在内存中,通过改变程序就可以很方便的改变控制逻辑,另外,软继电器触头数一般都非常多,因此PLC控制逻辑的灵活性和扩展性都很好。
(2)控制速度:
继电器控制是通过继电器机械触头的动作来实现,触头的开闭动作一般在几十毫秒数量级。
而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制逻辑,一般一条指令的执行时间在微秒数量级。
第一章绪论3(3)限时控制:
继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制,但其定时精度不高,易受环境影响,调整比较困难。
PLC使用半导体集成电路定时器,定时精度高,定时范围可从0.001s到若干分钟,通过编写程序来进行定时控制,非常方便。
(4)计数控制:
继电器控制逻辑一般不具备计数的功能,而PLC能通过程序方便的实现计数功能。
(5)可靠性和可维护性:
继电器控制逻辑使用了大量的机械触头,触头开闭时产生的电弧容易损坏触点,因此可靠性和可维护性都比较差。
而PLC采用无触点的半导体电路来代替继电器触点,因而不存在上述缺陷。
PLC还带有自检功能,为现场的调试和维护提供了方便。
(6)价格:
继电器控制逻辑多使用机械开关、继电器等,功能简单,价格比较便宜。
而PLC多使用集成电路,价格相对比较昂贵。
1.3.2PLC控制技术和通用计算机控制技术的区别控制技术和通用计算机控制技术的区别PLC是专门为工业控制环境而设计的,而通用计算机是专门为科学计算和数据处理等而设计的,两者采用的都是计算机结构,但两者设计的出发点不同,因此也存在许多的差异,主要体现在以下几个方面15,16。
(1)应用范围:
通用计算机除了应用在控制领域外,还大量应用在科学计算、数据处理、计算机通信等方面。
而PLC主要用于工业控制领域。
(2)使用环境:
通用计算机对环境要求高。
而PLC能适用于环境差的工业现场。
(3)程序设计:
通用计算机具有丰富的程序设计语言,如汇编语言、C语言等,能实现复杂的应用,对编程者要求高。
而PLC能提供的编程语言少,逻辑简单,容易学习和使用。
(4)运算速度和存储容量:
随着各种电子技术的发展,通用计算机运算速度越来越快,一般在微秒级,存储容量也在增大。
而PLC相对通用计算机运算速度要慢,其编程的软件少,编程简短,内存容量也很小。
(5)价格:
通用计算机功能多,硬件复杂,而PLC相对功能单一,因此在价格上一般PLC要比通用计算机便宜。
1.3.3PLC控制技术与单片机控制技术的区别控制技术与单片机控制技术的区别单片机控制技术一般用于数据采集和工业控制,单片机在配置上比通用计算机简单,价格上相对便宜,但它和通用计算机一样,也不是专门为工业现场控制所设计的。
与通用计算机一样,单片机编程复杂、不易掌握,需要处理大量I/O接口,其输出口驱动负载能力较弱,要驱动工业负载需要复杂的外围电路。
单片机控制技术的突出优点在于它具有较第一章绪论4强的数据处理能力,但工业控制过程要处理的是大量的开关量,因而运用在工业现场控制中单片机的长处得不到发挥,其可靠性也远不如PLC。
一般单片机控制技术仅使用于比较简单的工业控制过程和数据处理能力要求比较高的场合。
PLC控制技术与单片机控制技术相比较而言,更适合于工业现场过程控制,但其数据处理能力不如后者。
所以二者各有所长,不能互相替代。
由此可见,随着PLC的成本降低及数据处理能力的增强,在工业现场控制方面,PLC控制技术面对其他的控制技术的挑战将会一直具有自身的优势。
因此,掌握PLC控制技术对于工业控制技术人员来说是必不可少的技能之一。
1.4磨线机控制系统的研究背景、研究现状及研究意义磨线机控制系统的研究背景、研究现状及研究意义东莞建通电子五金有限公司(台资企业)光纤部门负责生产光纤接头中的陶瓷插针(圆柱型),贯穿陶瓷插针圆柱顶面至底面有一百微米左右的均匀圆孔(用于光的传输),此圆孔需要有锥度的金属细线穿孔,而市场上只能提供粗细均匀、无锥度的金属细线(如:
124.7m)。
该公司以前采用化学腐蚀的方法来加工金属细线,由于化学腐蚀的非均匀性,加工的金属细线品质差,达不到厂家的要求,致使陶瓷插针成品合格率低。
正是在上述背景下,以该公司委托设计的磨线机控制系统为具体的研究内容,提出了基于先进的PLC控制技术来设计磨线机的控制系统。
经过调研,目前国内生产打磨金属细线机器的厂家还非常的少;在国外,生产此类设备的厂家主要集中在欧美等少数国家,如瑞士的MICROCUT公司。
总的来说,应用PLC控制技术来打磨金属细线的设备还非常少,因此,本项目的研究对PLC控制技术应用于此领域具有一定的参考意义。
另外,经过一年多的生产运行,该系统打磨的金属细线满足厂家的要求,加工的陶瓷插针成品合格率高,仅此一项,厂家每年可节约成本约100万元。
1.5剥线机控制系统的研究背景、研究现状及研究意义剥线机控制系统的研究背景、研究现状及研究意义对线束使用需求大的电子行业,手工剥线往往既费时又不能满足需求,剥线机械化是必然的趋势。
目前,国内研制这种产品的厂家都集中在沿海和广东等地,以两种发展趋势为主:
一种是面向精度要求不高的低端用户,以单片机为控制核心,配以机械刀具的剥线机,这种系统设计成本较低,一般精度不高,如东莞荣富电子机械设备厂生产的RF-200全自动电脑裁线剥皮机,浙江君权自动化设备总厂生产的ZDBX-2通用型电脑剥线机等;另一种是面向精度要求高的高端用户,一般采用PLC或单片机为控制核心,加上比较先进的激光技术,具有可精确控制剥线长度、不损坏铜芯、剥线速度快、废品率低等特点,但开发成本高,第一章绪论5设备贵,如深圳市光大激光技术有限公司生产的GD-CO2-B30/55型激光剥线机,广东省三工激光应用科技有限公司生产的SCB系列激光剥线机等。
在国外,亚洲地区的厂家以生产中低档产品为主,如印度的Machinemakersr.s.公司生产的CTSS32型裁线剥皮机,马来西亚的Kawa公司生产的KM-702N型数字剥线机等。
而欧美等地的厂家对剥线机的研制以高端产品为主,对剥线机的性能、精度要求更高,机器更加智能化,如美国的ThomasNet公司生产的UniStrip2600型智能剥线机,德国的Kodera公司生产的C373型高性能剥线机等。
基于以上现状,提出了以高性能、稳定、可靠及高性价比的PLC设备作为剥线机系统的核心控制部分,通过定位准确的步进电机控制切刀的运动,它综合了以上两种系统的优点,既能降低系统成本,又能保证精度,适合多种用户的需求。
预期该系统的研制成功将能产生较大的经济效益,可广泛应用于各种电子行业的线束加工。
1.6项目的来源项目的来源本论文的工作来源于以下两个项目:
(1)东莞建通电子五金有限公司委托设计的“高精度磨线机计算机控制系统”项目(负责人:
罗晓曙),属于校企横向合作项目。
该项目的控制系统部分由作者负责完成,机械设备部分由委托方负责。
(2)广西研究生教育创新计划资助项目(项目编号:
2007106020809
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- 基于 PLC 磨线机 剥线机 控制系统 设计 实现
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