1、目 錄1緒 論11.1課題提出與研究意義11.2 線材卷繞系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀22 線材卷繞系統(tǒng)的特點與應(yīng)用場合32.1線材自動卷繞系統(tǒng)的特點32.2線材自動卷繞系統(tǒng)的優(yōu)點32.3 線材自動卷繞系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域43 線材自動卷繞系統(tǒng)的設(shè)計要求53.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的控制要求53.2 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54 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計原則64.1可編程控制器的簡介64.2 PLC 的一般結(jié)構(gòu)64.3 PLC產(chǎn)品一些常見的技術(shù)指標(biāo)64.4 PLC的選用原則74.5 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計基本的原則74.6 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容84.7 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟84.8

2、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的方法95 線材自動卷繞系統(tǒng)的設(shè)備選型95.1 線材自動卷繞系統(tǒng)設(shè)計圖95.2 PLC的選型105.3 觸摸屏的選型105.4 變頻器的選型105.5 旋轉(zhuǎn)編碼器的選型115.6 步進(jìn)電動機(jī)的選型115.7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選型115.8 其他設(shè)備選型126 線材自動卷繞系統(tǒng)的理論設(shè)計126.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的初步設(shè)計126.2 卷繞的進(jìn)入速度識別126.3 卷繞速度計算136.4 線材卷繞導(dǎo)向部分136.5 卷繞的長度測定146.6 卷繞的誤差補(bǔ)償147 線材自動卷繞系統(tǒng)的程序設(shè)計157.1 IO分配157.2 程序設(shè)計158 線材自動卷繞系統(tǒng)的觸摸屏畫面設(shè)計248.1

3、 觸摸屏畫面設(shè)計概述248.2 觸摸屏畫面的設(shè)計249 線材自動卷繞系統(tǒng)主軸卷繞部分設(shè)計289.1 MMX-440C 變頻器與三相異步電動機(jī)的鏈接289.2 變頻器的參數(shù)設(shè)置與接線28總 結(jié)30參考文獻(xiàn)31附 錄32線材自動卷繞系統(tǒng)設(shè)計材料清單32致 謝331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(jìn)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(jī)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，

4、這類機(jī)械的卷繞系統(tǒng)只能適應(yīng)于一種特定彈性和直徑的線材，同時也只能適應(yīng)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(jìn)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(jìn)行軟件卷繞控制。其線材的進(jìn)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(dāng)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(yīng)的參數(shù)，免去了機(jī)械卷繞系統(tǒng)的機(jī)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(hù)、精度高、效率高。可以替代現(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(jī)構(gòu)。

5、它和線材生產(chǎn)機(jī)構(gòu)一同工作。在卷繞過程中，線材生產(chǎn)部分相當(dāng)于放卷機(jī)，卷繞機(jī)相當(dāng)于是收卷機(jī)。只有線材生產(chǎn)部分和卷繞機(jī)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動，也就是說只有當(dāng)放卷機(jī)和收卷機(jī)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(jī)）在轉(zhuǎn)動過程中速度是接近保持不變的，卷繞機(jī)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(jī)主軸的卷繞速度以配合放卷的速度。從而達(dá)到同步收放的效果。這也是我在設(shè)計中的重點和難點我在這次畢業(yè)設(shè)計中，首先是對卷繞機(jī)的機(jī)械傳動設(shè)備和輔助設(shè)備進(jìn)行設(shè)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(shè)計的方案是由一臺三相異步電動機(jī)驅(qū)動線材卷繞

6、機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速。從而達(dá)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(jìn)電動機(jī)實現(xiàn)線材卷繞的導(dǎo)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(yīng)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(jī)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(jī)實現(xiàn)卷繞動作。這種卷繞系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡

7、單，操作直觀。但是，這種卷繞系統(tǒng)由于機(jī)械設(shè)計的原因大多只能適應(yīng)一種線材和單一的卷軸。當(dāng)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(yīng)的卷繞機(jī)械機(jī)構(gòu)以改變卷繞的線速度。另外還需要改變導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。此外，這樣線材卷繞系統(tǒng)的卷繞線速度和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的移動速度與移動距離是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)計算，這樣的機(jī)械變速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易磨損，需要定期的維護(hù)，且調(diào)試、維護(hù)這樣的系統(tǒng)需要很高的機(jī)械基礎(chǔ)，維護(hù)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(jī)或使用步進(jìn)電動機(jī)、伺服電動機(jī)以實現(xiàn)卷繞的直接、精確控制。此外，線材導(dǎo)向機(jī)構(gòu)也簡化了機(jī)械部分。直接應(yīng)用步進(jìn)電動機(jī)或伺服電動機(jī)實現(xiàn)精確的導(dǎo)向。控制這些

8、電動機(jī)實現(xiàn)卷繞動作的多為單片機(jī)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(jī)啟動，觸點的接通、關(guān)斷，以及電力變流設(shè)備對電源的干擾。要求這樣的控制設(shè)備要具有較強(qiáng)的抗干擾性能。由于PLC具有較強(qiáng)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(jī)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(fù)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(yīng)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

9、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(jī)價格不斷下降、機(jī)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(yīng)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(jī)構(gòu)。它和線材生產(chǎn)機(jī)構(gòu)一同工作。在卷繞過程中，線材生產(chǎn)部分相當(dāng)于放卷機(jī)，卷繞機(jī)相當(dāng)于是收卷機(jī)。只有線材生產(chǎn)部分和卷繞機(jī)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動，也就是說只有當(dāng)放卷機(jī)和收卷機(jī)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(jī)）在轉(zhuǎn)動過程中速度是接近保持不變的，卷繞機(jī)在卷繞過程中，收卷直徑會越來越大，因此在卷繞拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，收卷的

10、線速度越來越大，這就需要不斷的降低線材卷繞機(jī)主軸的卷繞速度以配合放卷的速度。從而達(dá)到同步收放的效果。這也是我在設(shè)計中的重點和難點我在這次畢業(yè)設(shè)計中，首先是對卷繞機(jī)的機(jī)械傳動設(shè)備和輔助設(shè)備進(jìn)行設(shè)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(shè)計的方案是由一臺三相異步電動機(jī)驅(qū)動線材卷繞機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速。從而達(dá)到收放同步的效果。另外根據(jù)線材

11、直徑，PLC還需要控制步進(jìn)電動機(jī)實現(xiàn)線材卷繞的導(dǎo)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。可以作到無人值守。當(dāng)卷繞到規(guī)定長度或系統(tǒng)傳感器檢測到卷繞故障時，機(jī)器停機(jī)報警。這時才需要人工完成更換卷軸或進(jìn)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(bǔ)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(jī)械卷繞系統(tǒng)中需要的機(jī)械設(shè)備調(diào)試

12、。減輕了操作人員的勞動強(qiáng)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(jī)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(jī)械卷繞裝置的機(jī)械測速、變速部分。簡化了該卷繞系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少了零件總數(shù)。提高了設(shè)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(shè)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(yīng)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，

13、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(jī)械控制的卷繞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，在卷繞這些線材時需要極其嚴(yán)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(hù)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(jìn)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)

14、就能滿足規(guī)定的要求。而半自動機(jī)械卷繞裝置則需要調(diào)整甚至修改機(jī)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(jìn)行高精度的線材卷繞要求。3線材自動卷繞系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計中，要求有給定輸入速度（由旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)）。應(yīng)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(yīng)在觸摸屏中有相應(yīng)的監(jiān)控情況。此外，由于在卷繞過程中存在誤差。還應(yīng)在卷繞中加入張緊度測試。在過松

15、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(yīng)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(dǎo)向機(jī)構(gòu)：通過步進(jìn)電動機(jī)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(jī)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(shè)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(jī)，現(xiàn)一般簡稱PLC。它采用可編程序的

16、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(jī)械設(shè)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(shè)計周期短、更改容易、接線簡單、成本低，而且把計算機(jī)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(xué)、使用和維護(hù)方便、運行穩(wěn)定可靠及設(shè)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(biāo)(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(biāo)。(2)掃描速度一般以執(zhí)行1

17、00O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(fù)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(qiáng)弱的主要指標(biāo)。PLC具有的指令越多，說明其控制功能越強(qiáng)。(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(shè)計。寄存器配置情況是衡量PLC硬件功能

18、的一個指標(biāo)。(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(jìn)行開關(guān)量順序控制，而且能進(jìn)行精確的定位和速度控制、和計算機(jī)進(jìn)行通信、直接用高級語言進(jìn)行編程等，給用戶提供了強(qiáng)有力的工具。高功能模塊的多少、功能強(qiáng)弱常是衡量PLC產(chǎn)品水平高低的一個重要指標(biāo)。4.4 PLC的選用原則隨著現(xiàn)代PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC應(yīng)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(kuò)充能力、自診斷能力、價格、特殊性能、聯(lián)網(wǎng)能力、運行速

19、度等。4.5 PLC控制系統(tǒng)設(shè)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(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，應(yīng)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(shè)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(jìn)行調(diào)查研究，收集資料，與機(jī)械部分的設(shè)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(shè)計中出現(xiàn)的各種問題，并能根據(jù)需要方便的進(jìn)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(jī)型及電

20、器元件。同時，在PLC的IO點數(shù)和內(nèi)存容量上應(yīng)適當(dāng)留有余地，以滿足今后生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進(jìn)。(4) 容易掌握，便于操作和維修。4.6 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容(1)擬訂控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)條件。(2)選擇電力拖動形式和電動機(jī)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)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(shè)計控制系統(tǒng)梯形圖并調(diào)試。(6)設(shè)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(shè)計書和使用說明書。4.7 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟 一般PLC控制系統(tǒng)的設(shè)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

21、部功能，設(shè)備內(nèi)部之間的關(guān)系。(2)確定輸入/輸出設(shè)備:根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的輸入設(shè)備(如按鈕、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)等);輸出設(shè)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(jī)型、容量、I/O模塊、電源和其他擴(kuò)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(shè)備的連線圖或?qū)?yīng)表。 (5)設(shè)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(shè)計及現(xiàn)場施工。 (7)聯(lián)機(jī)調(diào)試:是指將模擬調(diào)試通過的程序進(jìn)行再線調(diào)試。4.8 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的方法PLC編程方法靈活，指令系統(tǒng)強(qiáng)大，控制系統(tǒng)設(shè)計方便，軟、硬

22、件設(shè)計可同時進(jìn)行。PLC由很強(qiáng)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(shè)備來講，PLC 控制系統(tǒng)是設(shè)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(shè)計都是在控制方式和電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)確定以后進(jìn)行的。5 線材自動卷繞系統(tǒng)的設(shè)備選型5.1 線材自動卷繞系統(tǒng)設(shè)計圖圖5-1 線材自動卷繞系統(tǒng)設(shè)計圖5.2 PLC的選型在該線材卷繞系統(tǒng)中，需要控制步進(jìn)電動機(jī)。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(xué)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。

23、而松下的FP-0輸出端口少，內(nèi)存小（可編程空間只有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(jī)進(jìn)行精確的調(diào)速控制。主軸卷繞電動機(jī)是三相異步交流電動機(jī)，想要實現(xiàn)自動精確調(diào)節(jié)主軸驅(qū)動電動機(jī)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(shè)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(yīng)用觸摸屏進(jìn)行如下應(yīng)用：1、對卷繞線材和卷軸的參數(shù)的設(shè)置。2、對線材卷繞裝置的使用幫助說明

24、。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(yīng)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(yù)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(shè)計中我選用了西門子TP-177 B pndp 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(jī)身內(nèi)存為2048KB。完全可以滿足線材卷繞系統(tǒng)的設(shè)計要求。5.4 變頻器的選型在該線材卷繞系統(tǒng)中。需要應(yīng)用PLC對驅(qū)動卷繞主軸的三相交流異步電動機(jī)進(jìn)行大范圍精確的無級調(diào)速。因此，需要應(yīng)用變頻器對該電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速

25、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(yīng)該具有相應(yīng)的模擬量輸入控制無級調(diào)速的相應(yīng)功能。因此，在這個線材卷繞系統(tǒng)的設(shè)計中我選用了西門子的MMX-440C變頻器作為主軸卷繞電動機(jī)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(jī)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(jìn)入速度和卷繞主軸的卷繞圈數(shù)，為達(dá)到規(guī)定的卷繞精度，該系統(tǒng)選用了100p/r的編碼盤。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器旋

26、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(dǎo)向控制。5.6 步進(jìn)電動機(jī)的選型 該卷繞系統(tǒng)的步進(jìn)電動機(jī)是用來驅(qū)動線材導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。在設(shè)計中我選擇的是二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)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(shè)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(jìn)電機(jī)電氣圖5.7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選型步進(jìn)電機(jī)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(shè)定為0.63A，

27、細(xì)分設(shè)定為8細(xì)分。將24V電源接入驅(qū)動器，此時驅(qū)動器的電源指示燈應(yīng)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(shè)備選型需要應(yīng)用機(jī)械部分來實現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)每過一個細(xì)分，卷繞導(dǎo)向臂移動1mm。6 線材自動卷繞系統(tǒng)的理論設(shè)計6.1 線材自動卷繞系統(tǒng)的初步設(shè)計 在線材卷繞系統(tǒng)的設(shè)計中，一共分為4部分：1、線材進(jìn)入速度測量采用旋轉(zhuǎn)編碼器直接給PLC輸入線材進(jìn)入速度。2、線材卷繞導(dǎo)向部分采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的機(jī)械導(dǎo)向器。其導(dǎo)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

28、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(jìn)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(jìn)入速度識別 在本項設(shè)計中，采用旋轉(zhuǎn)編碼器識別線材進(jìn)入的線速度。設(shè)定線材每進(jìn)入一米，旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生100個脈沖（通過機(jī)械結(jié)構(gòu)解決）則可通過PLC編寫程序計算出進(jìn)入速度。根據(jù)公式進(jìn)入PIC的線材長度（取1cm為標(biāo)準(zhǔn)單位，設(shè)脈沖個數(shù)為N）： S=1*N （6-1） 進(jìn)入速度（令t=1s）： v=S/t （6-2）6.3 卷繞速度計算 設(shè)卷繞時卷軸的角速度為則卷繞的線速度： V=R* （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(jìn)入速度

29、相等。則有： V=v （6-4） S/t=R （6-5） 所以：=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(yīng)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(dǎo)向部分該導(dǎo)向部分是由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動擺臂進(jìn)行線材卷繞中的導(dǎo)向動作。步進(jìn)電動機(jī)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

30、置（與卷軸垂直，并且垂足位于卷軸橫向的中點）。當(dāng)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)向臂的步進(jìn)電動機(jī)發(fā)送運動信號，讓導(dǎo)向臂尖端向右移動一個距離d(線材直徑）當(dāng)運行卷繞至卷軸最右端是，一共移動了X次。 XH/d-1 （6-8） 當(dāng)導(dǎo)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(dǎo)向臂向左移動一個d。如此往復(fù)。完成卷繞導(dǎo)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

31、求卷繞的長度，啟動該卷繞系統(tǒng)開始卷繞后系統(tǒng)的進(jìn)入速度測試編碼開關(guān)會累計卷繞長度。當(dāng)卷繞長度達(dá)到用戶預(yù)設(shè)值時。系統(tǒng)自動停機(jī)。并在觸摸屏上顯示卷繞完成信號。6.6 卷繞的誤差補(bǔ)償 因為線材卷繞中，PLC在線材進(jìn)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(dǎo)向機(jī)構(gòu)與卷軸之間加入三個卷繞誤差測定裝置，在本人的設(shè)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(dǎo)向機(jī)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

32、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(dāng)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(yīng)在觸摸屏中預(yù)置，默認(rèn)為0.1m/s）。此時卷繞速度減小，線材卷繞變松。緩慢下垂。當(dāng)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(fù)為PLC根據(jù)公式計算的正常卷繞速度V。當(dāng)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(dāng)觸發(fā)卷繞正常傳感器時。卷繞速度恢復(fù)至正常卷繞速度V，完成誤差調(diào)節(jié)要求。7

33、 線材自動卷繞系統(tǒng)的程序設(shè)計7.1 IO分配I0.0 開始按鈕I0.1 卷繞進(jìn)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(dǎo)向步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)脈沖輸出Q0.2導(dǎo)向步進(jìn)電動機(jī)方向電平輸出Q0.3導(dǎo)向步進(jìn)電動機(jī)脫機(jī)電平輸出7.2 程序設(shè)計 在該程序的設(shè)計過程中，參照理論設(shè)計為設(shè)計思路，具體的設(shè)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(jìn)行文字說明了。8 線材自動卷繞系統(tǒng)的觸摸屏畫面設(shè)計8.1 觸摸屏畫面設(shè)計概述

34、在線材自動卷繞系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)用了觸摸屏進(jìn)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(dǎo)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(jī)原因，和卷繞過程中的誤差補(bǔ)償情況顯示。8.2 觸摸屏畫面的設(shè)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(dāng)用戶點擊“點擊進(jìn)入”按鈕時。觸摸屏畫面進(jìn)入卷繞參數(shù)設(shè)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(shè)置畫面。用戶點擊“線材參數(shù)設(shè)置”、“卷軸參數(shù)設(shè)置”、“卷繞長度設(shè)置”這三個選項時

35、。觸摸屏進(jìn)入相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。當(dāng)參數(shù)都設(shè)置完成時。點擊“確認(rèn)”按鈕進(jìn)入下一步卷繞準(zhǔn)備畫面。當(dāng)用戶在畫面2中設(shè)置完成卷繞參數(shù)時，點擊“確認(rèn)”按鈕時，觸摸屏進(jìn)入卷繞的準(zhǔn)備畫面，指導(dǎo)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(dǎo)線材裝定畫面。用戶只有在線材裝定完成后才能進(jìn)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(dǎo)用戶完成線材的裝入過程。用戶穿好線材后，可以點擊“確認(rèn)”鍵，進(jìn)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(shè)置和線材裝定后才能進(jìn)入該畫面。這樣避免了卷繞動作的誤啟動，增加了該

36、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(dāng)前畫面顯示用戶設(shè)定的卷繞長度和當(dāng)前已經(jīng)卷繞的長度。用戶可以點擊“暫停”按鈕暫停卷繞。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(jìn)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(shè)置卷繞長度、已卷繞長度、線材進(jìn)入速度、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運動情況以及當(dāng)卷繞出現(xiàn)誤差時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)狀況和系統(tǒng)停機(jī)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(jī)，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(shè)計9.1 MMX-440C 變頻器與三相異步電動機(jī)的連接 圖9

37、-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(jī)的主電路連接電氣接線圖。在設(shè)計中。三相異步電動機(jī)的選型還要根據(jù)該卷繞系統(tǒng)的具體應(yīng)用范圍（卷繞線材的直徑）來確定該三相異步電動機(jī)的容量。9.2 變頻器的參數(shù)設(shè)置與接線首先對變頻器進(jìn)行如下設(shè)置參數(shù)設(shè)置步驟如下：Step1：復(fù)位變頻器參數(shù)Step2：設(shè)定P0003=3 /設(shè)定參數(shù)設(shè)定方式（專家級模式）Step3：設(shè)定P0700=2 /命令源選擇“由端子排輸入”Step4：設(shè)定P0701=1 /選擇數(shù)字量輸入1為啟動/停止端Step5：設(shè)定P1120= /設(shè)置加速時間（s）Step6：設(shè)定P1121=？ /設(shè)置減速

38、時間（s）Step7：設(shè)定P2000=50 /基準(zhǔn)頻率采用50HZStep8：設(shè)定P0756=(04) /選擇模擬量的輸入方式Step9：設(shè)定P0757=？ /標(biāo)定ADC的X1值（V/mA）Step10：設(shè)定P0758=？ /標(biāo)定ADC的y1值Step11：設(shè)定P0759=？ /標(biāo)定ADC的X2值（V/mA）Step12：設(shè)定P0760=？ /標(biāo)定ADC的y2值（V/mA）Step13：設(shè)定P0761=？ /標(biāo)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(shè)計中，我主要做了四項工作: 一、認(rèn)真、仔細(xì)

39、學(xué)習(xí)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(jī)型，輸入輸出接口，連接線以及與上位機(jī)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(shè)計工作，掌握用了編程控制器進(jìn)行自動化控制的基本設(shè)計思路。 二、掌握了使用可編程控制器進(jìn)行自動控制的設(shè)計，對軟件進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)和研究。 三、學(xué)習(xí)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(dá)到本次設(shè)計的目的和要求。 本次設(shè)計經(jīng)過十六周的學(xué)習(xí)和工作，能夠順利完成設(shè)計要求。這次設(shè)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(dá)到設(shè)計的控制要求。由于畢業(yè)設(shè)計時間和經(jīng)驗有限，該系統(tǒng)程序還可以進(jìn)行優(yōu)化和完善，硬件上也需要作一些改進(jìn)，以充分適應(yīng)工業(yè)生