1、I目 录1 绪 论 .11.1 课题提出与研究意义 .11.2 线材卷绕系统的发展现状 .22 线材卷绕系统的特点与应用场合 .32.1 线材自动卷绕系统的特点 .32.2 线材自动卷绕系统的优点 .32.3 线材自动卷绕系统的应用领域 .43 线材自动卷绕系统的设计要求 .53.1 线材自动卷绕系统的控制要求 .53.2 线材自动卷绕系统中被控对象和元件之间的逻辑控制关系 .54 PLC 控制系统设计原则 .64.1 可编程控制器的简介 .64.2 PLC 的一般结构 .64.3 PLC 产品一些常见的技术指标 .64.4 PLC 的选用原则 .74.5 PLC 控制系统设计基本的原则 .7
2、4.6 PLC 控制系统设计的基本内容 .84.7 PLC 控制系统设计的一般步骤 .84.8 PLC 控制系统设计的方法 .95 线材自动卷绕系统的设备选型 .95.1 线材自动卷绕系统设计图 .95.2 PLC 的选型 .105.3 触摸屏的选型 .105.4 变频器的选型 .105.5 旋转编码器的选型 .115.6 步进电动机的选型 .115.7 步进电机驱动器的选型 .115.8 其他设备选型 .126 线材自动卷绕系统的理论设计 .126.1 线材自动卷绕系统的初步设计 .126.2 卷绕的进入速度识别 .126.3 卷绕速度计算 .136.4 线材卷绕导向部分 .13II6.5
3、卷绕的长度测定 .146.6 卷绕的误差补偿 .147 线材自动卷绕系统的程序设计 .157.1 IO 分配 .157.2 程序设计 .158 线材自动卷绕系统的触摸屏画面设计 .248.1 触摸屏画面设计概述 .248.2 触摸屏画面的设计 .249 线材自动卷绕系统主轴卷绕部分设计 .289.1 MMX-440C 变频器与三相异步电动机的链接 .289.2 变频器的参数设置与接线 .28总 结 .30参考文献 .31附 录 .32线材自动卷绕系统设计材料清单 .32致 谢 .33天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计11 绪 论1.1 课题提出与研究意义在工业生产中，有时需要对生
4、产出的线材进行卷绕或要将线材卷绕规定的匝数（如变压器线圈） ，缠绕到规定直径的卷轴上。在过去的工业生产过程中，该卷绕系统对线材的长度计量和张紧度把握是通过机械或人力来完成的。这样的卷绕方法效率低下，精度较差。对于卷绕有弹性的线材时容易造成拉伸线材变形或卷绕过松的现象。特别需要注意的是，这类机械的卷绕系统只能适应于一种特定弹性和直径的线材，同时也只能适应特定直径和宽度的卷轴。因此需要对现有非自动卷绕系统进行必要的自动化更新或改造。而线材自动卷绕装置是由 PLC 进行软件卷绕控制。其线材的进入速度通过旋转编码器测得。线材的直径、卷轴的直径和宽度由触摸屏直接输入。当需要改变卷绕线材或卷轴的参数时。只
5、需通过触摸屏改变相应的参数，免去了机械卷绕系统的机械调试工作。相较其它非自动卷绕系统，由 PLC 控制的自动卷绕系统成本低廉、操作简便、构造简单、便于维护、精度高、效率高。可以替代现有的工业生产中使用的非自动线材卷绕系统。线材绕系统是一种将线材（尤其是有弹性的线材）卷绕到规定直径的轴上的机构。它和线材生产机构一同工作。在卷绕过程中，线材生产部分相当于放卷机，卷绕机相当于是收卷机。只有线材生产部分和卷绕机进行同步转动，也就是说只有当放卷机和收卷机的速度保持一致时，才不会对线材造成损害。由于线材生产部分（放卷机）在转动过程中速度是接近保持不变的，卷绕机在卷绕过程中，收卷直径会越来越大，因此放卷到收
6、卷的传输线速度越来越大，这就需要不断的降低线材卷绕机主轴的卷绕速度以配合放卷的速度。从而达到同步收放的效果。这也是我在设计中的重点和难点我在这次毕业设计中，首先是对卷绕机的机械传动设备和辅助设备进行设计。再对其控制系统提出自己的方案。我对其控制系统所设计的方案是由一台三相异步电动机驱动线材卷绕机主轴转动的速度。由旋转编码器测量线材生产速度（既放卷速度） ，并把检测到的信号传递给可编程控制器 PLC，同时，根据线材直径和卷绕长度（由 Siemens TP-177B 触摸屏输入）确定卷绕速度和卷绕长度。由可编程控制器 PLC 通过计算、把结果传递给变频器，再由变频器控制电动机转速。从而达到收放同步
7、的效果。另外根据线材直径，PLC 还需要控制步进电动机实现线材卷绕的导向问题。天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计21.2 线材卷绕系统的发展现状线材卷绕系统应用于线材或胶管的生产制造、加工等领域。在该系统发展初期，是通过硬性的机械拖动来完成线材的圈绕动作。此时的圈绕系统动力多由靠变电压调速的直流拖动电机实现卷绕动作。这种卷绕系统的优点是结构简单，操作直观。但是，这种卷绕系统由于机械设计的原因大多只能适应一种线材和单一的卷轴。当需要更换另外直径的线材或其他型号的卷轴时。需要调试甚至更换相应的卷绕机械机构以改变卷绕的线速度。另外还需要改变导向机构。此外，这样线材卷绕系统的卷绕线速度和
8、导向机构的移动速度与移动距离是通过机械结构计算，这样的机械变速机构结构复杂，容易磨损，需要定期的维护，且调试、维护这样的系统需要很高的机械基础，维护成本很高。目前的半自动卷绕系统多使用变频器驱动三相交流异步电动机或使用步进电动机、伺服电动机以实现卷绕的直接、精确控制。此外，线材导向机构也简化了机械部分。直接应用步进电动机或伺服电动机实现精确的导向。控制这些电动机实现卷绕动作的多为单片机或可编程逻辑控制器（PLC） 。在工业生产中，由于生产环境中存在的众多的干扰原。如电机启动，触点的接通、关断，以及电力变流设备对电源的干扰。要求这样的控制设备要具有较强的抗干扰性能。由于 PLC 具有较强的抗干扰
9、性能和多样的功能。目前，比较成熟的线材卷绕系统多是以 PLC 作为线材卷绕系统的控制器。卷绕动作由 PLC控制相关电机和气动执行元件完成。能十分方便的嵌入到各类生产工业生产线中。日益复杂、精确的工业生产过程要求未来的线材卷绕系统的智能化程度较高。最基本的要求是具有人性化的简便智能操作界面。同时对相应的控制精度、控制稳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、具有自主故障判断功能、维修简便的同时。还要使单机价格不断下降、机械结构模块化、可升级、可重构化发展。天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计32 线 材 卷 绕 系 统 的 特 点 与 应 用 场
10、 合2.1 线材自动卷绕系统的特点线材自动卷绕装置是一种将线材（尤其是有弹性的线材）卷绕到规定直径的轴上的的机构。它和线材生产机构一同工作。在卷绕过程中，线材生产部分相当于放卷机，卷绕机相当于是收卷机。只有线材生产部分和卷绕机进行同步转动，也就是说只有当放卷机和收卷机的速度保持一致时，才不会对线材造成损害。由于线材生产部分（放卷机）在转动过程中速度是接近保持不变的，卷绕机在卷绕过程中，收卷直径会越来越大，因此在卷绕拖动电机转速不变的情况下，收卷的线速度越来越大，这就需要不断的降低线材卷绕机主轴的卷绕速度以配合放卷的速度。从而达到同步收放的效果。这也是我在设计中的重点和难点我在这次毕业设计中，首
11、先是对卷绕机的机械传动设备和辅助设备进行设计。再对其控制系统提出自己的方案。我对其控制系统所设计的方案是由一台三相异步电动机驱动线材卷绕机主轴转动的速度。由旋转编码器测量线材生产速度（既放卷速度） ，并把检测到的信号传递给可编程控制器 PLC，同时，根据线材直径和卷绕长度（由 Siemens TP-177B 触摸屏输入）确定卷绕速度和卷绕长度。由可编程控制器 PLC 通过计算、把结果传递给变频器，再由变频器控制电动机转速。从而达到收放同步的效果。另外根据线材直径，PLC 还需要控制步进电动机实现线材卷绕的导向问题。2.2 线材自动卷绕系统的优点这样的自动卷绕系统具有如下优点:1.节省了人力资源
12、卷绕工作有线材卷绕系统自动完成控制卷绕。可以作到无人值守。当卷绕到规定长度或系统传感器检测到卷绕故障时，机器停机报警。这时才需要人工完成更换卷轴或进行维修工作。节省人力资源。2.提高了工作效率线材自动卷绕装置相叫较半自动卷绕系统。其卷绕张力控制是由 PLC 自动控制完成。在出现卷绕误差时也是由 PLC 自动完成误差补偿。其卷绕动作连续、快速。提高了工作效率。3.操作简便容易天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计4在卷绕生产过程中，操作人员是通过触摸屏操作该自动卷绕系统。省去了机械卷绕系统中需要的机械设备调试。减轻了操作人员的劳动强度。操作界面简单、直观，操作简便、容易。4. 提高了安
13、全性可靠性在该线材自动卷绕系统中。操作人员不必去接触有可能转动的机械部分，只需要通过触摸屏操作卷绕系统。因此提高了该线材卷绕系统的操作安全性。由于省去了部分机械卷绕装置的机械测速、变速部分。简化了该卷绕系统的机械结构，减少了零件总数。提高了设备运转的可靠性。5. 减少了制造与维修成本该线材自动卷绕系统设计结构简单。大部分功能通过 PLC 的软件实现。简化了生产难度和生产成本。同时，由于结构简单，维修变得更加容易，减少了维修难度与维修成本。2.3 线材自动卷绕系统的应用领域1、线材生产、加工部门在线材的生产与加工领域，无可避免的就是各种型号的线材要根据不同的需要卷绕在不同大小的卷轴上。特别是弹性
14、线材和热的塑胶线材（如热的胶管）的卷绕。其对卷绕张力控制要求十分精确。否则会造成线材卷绕的不均匀甚至损坏线材。而一般的半自动机械控制的卷绕系统结构复杂，成本高昂，在卷绕这些线材时需要极其严格的调试和改造。但仍不能满足卷绕的要求。但由 PLC控制的线材自动卷绕系统结构简单，调试方便，控制精度高，完全能够满足卷绕这些弹性线材的性能要求。而且操作、维护简便。2、生产成品需要线材卷绕流程的部门在某些线圈（例如变压器）的生产过程中。需要对某种线材进行规定长度或规定匝数的精确卷绕。该线材自动卷绕系统能够通过修改触摸屏的卷绕参数就能满足规定的要求。而半自动机械卷绕装置则需要调整甚至修改机械结构改变卷绕的变比
15、。有一定的操作与调试难度。因此，该线材自动卷绕装置能够满足生产成品需要线材卷绕流程的部门进行高精度的线材卷绕要求。天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计53 线 材 自 动 卷 绕 系 统 的 设 计 要 求3.1 线材自动卷绕系统的控制要求在线材自动卷绕系统的设计中，要求有给定输入速度（由旋转编码器实现） 。应用触摸屏输入线材直径、卷绕长度、卷轴直径和卷轴宽度（由线材直径、卷轴宽度和卷轴直径确定卷绕速度。不同的参数在卷绕中线速度不同）再参考给定输入速度确定最终的卷绕速度。在系统运行中。应在触摸屏中有相应的监控情况。此外，由于在卷绕过程中存在误差。还应在卷绕中加入张紧度测试。在过松或
16、过紧时，自动调节卷绕速度，并要求在触摸屏中有相应的故障指示。3.2 线材自动卷绕系统中被控对象和元件之间的逻辑控制关系给定输入速度的测定：由旋转编码器实现线材参数（包括线材直径、卷绕长度）：通过用户对触摸屏输入数据实现卷轴参数（包括卷轴直径、卷轴宽度）：通过用户对触摸屏输入数据实现监控卷绕情况（包含已卷绕长度）：通过触摸屏显示监控卷绕线材的导向机构：通过步进电动机驱动卷绕主轴的驱动：通过变频器控制的三相异步交流电动机实现卷绕长度和卷绕圈数的测定：通过旋转编码器实现天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计64 PLC 控制系统设计原则4.1 可编程控制器的简介可编程控制器过去简称 PC，
17、为区别于个人计算机，现一般简称 PLC。它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能是通过数字或模拟的输入输出，来控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC 不采用固定接线万式，比继电器控制系统设计周期短、更改容易、接线简单、成本低，而且把计算机的功能和继电器控制系统结合起来，使控制更为容易。同时，它还有简单易学、使用和维护方便、运行稳定可靠及设计周期短的特点。4.2 PLC 的一般结构中央处理器(CPU)、存储器、输入接口电路、输出接口电路。4.3 PLC 产品一些常见的技术指标(1)输入/输出点数 ( 即 I/O 点数) 即指 PLC 外部
18、输入、输出端子数。这是重要的一项技术指标。(2)扫描速度一般以执行 100O 步指令所需要的时间来衡量，故单位为 mS/千步。也有时以执行一步指令的时间计算，如 DS/步。这决定了控制速度。(3) 内存容量一般以 PLC 所能存放用户程序来衡量。这决定了控制的复杂程度。在 PLC中程序指令使按“步“ 存放的一 “步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节。如一个内存容量为 1000 步的 PLC 可推知其内存为 2K 字节。(4)指令条数这是衡量 PLC 软件功能强弱的主要指标。PLC 具有的指令越多，说明其控制功能越强。(5)内部寄存器PLC 内部有许多寄存器用以存放变量状态、中间结
19、果等，还有许多辅助寄存器可供用户使用，可提供许多特殊化或简化整体系统设计。寄存器配置情况是衡量 PLC 硬件功能的一个指标。(6)高级功能模块PLC 除了主控模块外还可以配接各种高功能模块。主控模块实现基本控制功能。高功能模块则可实现某种特殊的专门功能，使 PLC 不但能进行开关量顺天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计7序控制，而且能进行精确的定位和速度控制、和计算机进行通信、直接用高级语言进行编程等，给用户提供了强有力的工具。高功能模块的多少、功能强弱常是衡量 PLC 产品水平高低的一个重要指标。4.4 PLC 的选用原则随着现代 PLC 技术的发展，PLC 应用的范围也很广泛，
20、所以，一般我们对PLC 的选用我们有以下方面的考虑：可靠性、维修方便、可以在恶劣环境下工作、使用方便、编程方便、可兼容性、修改与扩充能力、自诊断能力、价格、特殊性能、联网能力、运行速度等。4.5 PLC 控制系统设计基本的原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计 PLC 控制系统时，应遵循以下基本原则:(1)充分发挥 PLC 的功能，最大限度的满足用户提出的技术条件要求，了解整个被控对象( 包括生产设备或生产过程的工作原理、工艺、性能、参数等)，并深入现场进行调查研究，收集资料，与机械部分的设计人员和现场操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，
21、以协同解决系统设计中出现的各种问题，并能根据需要方便的进行修改。(2)在满足控制要求的前提下，让整个 PLC 控制系统及控制电路安全、可靠、简单，具有较高的性能价格比。(3)合理的选择 PLC 机型及电器元件。同时，在 PLC 的 IO 点数和内存容量上应适当留有余地，以满足今后生产发展和工艺的改进。(4) 容易掌握，便于操作和维修。4.6 PLC 控制系统设计的基本内容(1)拟订控制系统设计的技术条件。(2)选择电力拖动形式和电动机、电磁阀等执行机构。(3) 选定 PLC 的型号。(4)分配 PLC 的 I/O 点，绘制 PLC 的 I/O 硬件接线图。(5)设计控制系统梯形图并调试。(6)
22、设计控制系统的操作台、电气控制柜等以及安装接线图。(7)编写设计书和使用说明书。4.7 PLC 控制系统设计的一般步骤一般 PLC 控制系统的设计步骤具体操作如下:天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计8(1)分析被控对象 :分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象的全部功能，设备内部之间的关系。(2)确定输入/ 输出设备: 根据系统的控制要求，确定系统所需的输入设备(如按钮、位置开关、转换开关等);输出设备 (如接触器、电磁阀、信号指示灯等)。由此，确定 PLC 的 I/O 点数。(3)选择 PLC:包括 PLC 的机型、容量、 I/O 模块、电源和其他扩展模块的选择。(4)分配 I/O 点:画出 PLC 的 I/O 端子与输入/输出设备的连线图或对应表。(5)设计控制系统 :如画功能图、梯形图、对程序的调试等。(6)硬件设计及现场施工。(7)联机调试 :是指将模拟调试通过的程序进行再线调试。4.8 PLC 控制系统设计的方法PLC 编程方法灵活，指令系统强大，控制系统设计方便，软、硬件设计可同时进行。PLC 由很强的驱动能力，可直接驱动接触器和电磁阀等执行元件，在工作控制中具有广泛的通用性。对电气控制设备来讲，PLC 控制系统是设备控制要求和工艺流程的具体体现，但是任何 PLC 控制系统的设计都是在控制方式和电动机技术数据确定以后进行的。
