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封面頁
XXX大學本科畢業(yè)設計說明書
摘 要
可編程控制器(PLC )作為控制系統(tǒng)的核心裝置，功能強大、性能穩(wěn)定可靠。在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產中得到了廣泛的應用。取得了理想的控制效果。
隨著生產自動化和無人化以及批量化的發(fā)展，越來越多的生產環(huán)節(jié)使用自動化機器操縱。本次課題是針對ABB公司在生產變壓器線圈時，需要將原始線圈通過一個放線裝置將線圈按照合理的速度放線，在這個過程中要求線圈速度既不能過快也不能過慢，過快會導致線圈打結無法順利切削，過慢會使線圈拉力增大，如何使線圈保持在一個合理的速度變化范圍之內是本次設計所要解決的重點也是難點問題。
本論文線圈放線機的控制系統(tǒng)為背景，理論與實踐相結合，詳細闡述了可編程控制器PLC技術在線圈放線機控制系統(tǒng)中的應用。論在程序設計之前，首先進行了方案的論證與設計，由于原始線圈在方向的過程中直徑在不斷的縮小，從而導致其方向的速度在不斷的變化，本文擬定采用伺服系統(tǒng)的轉矩控制模式，在保證電機轉矩恒定的情況下，達到控制的目的。通過對線圈放線機控制流程的了解，統(tǒng)計其輸入輸出I/O點，然后進行PLC選型，程序的仿真設計；本文利用三菱公司生產的FX2N系列PLC和其編程軟件GX Developer軟件進行程序的編寫和仿真。
關鍵詞：可編程控制器，線圈放線機，仿真，轉矩控制
Abstract
Programmable logic controller (PLC) as the core device of the control system, powerful, stable and reliable performance. Has been widely used in modern industrial automation production. Has the ideal control effect.
As the automation and unmanned and development of mass production, more and more use of automation control. This topic is for the ABB company in the production of transformer coil, need the original coil through a wire releasing device will coil in accordance with reasonable speed line, in this process requires the coil velocity cannot too fast nor too slow, too fast will cause the coil knot not smooth cutting, too slow will make coil tension increases, how to make the coil is kept within a reasonable range of the speed is to solve the design key point and also a difficult problem.
The control system in this paper. The line machine as the background, combining theory with practice, elaborates the programmable controller PLC coil wire machine application in control system. In the program design, first has carried on the analysis and design, since the original coil in the direction of the diameter during continued to narrow, resulting in the direction of the velocity is changing, this paper proposed torque control mode adopts servo system, in which the motor torque constant, achieve the purpose of control. Through the coil wire machine control process of understanding, the input and output I/O, followed by PLC selection, simulation design program; this program using FX2N series PLC produced by Mitsubishi Co and its programming software GX Developer software programming and simulation.
Keywords: programmable controller, coil wire machine, simulation, torque control
III
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 課題背景、目的及意義 1
1.1.1 課題背景 1
1.1.2 課題研究目的 1
1.1.3 課題研究意義 2
1.2國內外張力控制的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 2
1.3 PLC技術的發(fā)展及趨勢 3
1.4 本文的設計任務 4
2 線圈放線機的工作原理和控制方案的分析 5
2.1 線圈放線機的控制原理 5
2.2 控制方案比較與選擇 5
2.2.1 繼電器控制 5
2.2.2 單片機控制 5
2.2.3 PLC控制 7
2.2.4 PLC與其它控制裝置的比較 8
2.2.5 系統(tǒng)方案的確立 10
2.3 本章小結 10
3 線圈放線機控制系統(tǒng)的硬件設計 10
3.1 PLC控制系統(tǒng)結構組成 10
3.2 PLC和I/O擴展模塊的選型 11
3.3 PLC I/0的分配 11
3.4 伺服驅動器參數(shù)設置 12
3.4.1 伺服電機三種控制模式介紹 12
3.4.2 MR-J2S參數(shù)設置。 12
3.5 系統(tǒng)電氣控制接線圖設計 12
3.6 本章小結 14
4 系統(tǒng)軟件設計 15
4.1 三菱的GX Developer 編程軟件簡介 15
4.2 系統(tǒng)程序設計方法 15
4.3 PLC控制系統(tǒng)軟件程序的編寫及說明 17
4.3.1 系統(tǒng)運行條件程序 17
4.3.2 自動手動選擇程序 17
4.3.3 手動運行程序 18
4.3.3 自動運行程序 18
4.4 本章小結 20
5 程序的調試與仿真 21
5.1 仿真的步驟 21
5.2 本章小結 23
結論 24
致 謝 25
參考資料 26
附錄一 27
1 緒論
1.1 課題背景、目的及意義
1.1.1 課題背景
在工業(yè)生產的諸多行業(yè),如金屬加工、紡織、造紙、橡膠、化工及電線電纜等，經常遇到卷繞控制問題。它們通常要將產品卷繞在卷筒盤上，帶料或線材的收放卷張力對產品的質量至關重要，所以如何在卷筒直徑從開始階段到最后階段逐漸增大的整個過程中張力變化保持在所允許范圍內的問題是一個經常面對的問題。傳統(tǒng)的收卷都是采用機械傳動，這種方式不僅張力不易控制，而且機械的同軸傳動對機械的磨損是非常嚴重的。據了解，用于同軸傳動部分的機械基本上是一年，而且經常要維護，維護的時候也是非常麻煩的，不僅浪費人力而且維護費用很高，給很多客戶帶來不便。尤其是紡織設備基本上是開機后不允許中途停車，如發(fā)生意外情況停車會造成很大的浪費，在這種情況下，急需研制出一種張力控制卷繞裝置來取代傳統(tǒng)的機械傳動。
張力控制是指能夠持久的控制帶材設備卷繞時的張力的能力。這種控制對機器的任何運行速度都必須保持有效，包括機器的加速、減速和勻速。即使在緊急停車情況下，它也有能力保證材料不產生絲毫破損。卷繞機的張力控制可以說是整機的核心，只要張力控制穩(wěn)定，張力變化小，卷繞材料的卷繞精度和破損率就很容易控制。張力的波動和變化對卷繞材料的影響很大，尤其是設備的卷繞速度越高，張力控制就顯得越重要。為了解決這個問題，大多在機械結構上增添各種輔助設備或采用其他傳動系統(tǒng)以求實現(xiàn)。但其效果通常不太理想，同時還存在著設備復雜、費用大、使用維護困難等問題。隨著我國現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，對精度、速度和自動化程度的要求越來越高，其中的恒張力控制問題也變得更為突出。
現(xiàn)在，隨著電力電子技術的發(fā)展，各類張力控制變頻技術日趨成熟且在工業(yè)領域得到了廣泛應用。由于各類變頻器的出現(xiàn)使得工業(yè)控制領域發(fā)生了翻天覆地的變革。張力控制手段也因此得到發(fā)展。目前，恒張力的控制手段就成了卷繞裝置張力控制系統(tǒng)研究的重點。
1.1.2 課題研究目的
本論文以在卷繞過程中放卷實現(xiàn)恒張力控制為目標，提高卷筒卷繞過程中的被卷物品質量，確保卷筒材料的合格與優(yōu)良性。張力控制精度對卷筒材料的質量有很大的影響，張力過大會造成加工材料的拉伸變形；張力過小會使卷取的材料的層與層之間的應力變形，造成收卷不整齊，或者處理尺寸不準等弊病，影響加工質量；張力大小不穩(wěn)定會使帶材跳動,導致材料不平整重疊等卷繞故障。因此，為了保證生產的品質、效率及可靠性，必需要有一套功能完備的張力控制系統(tǒng)來引導產品加工過程。因而，收卷作業(yè)的張力控制，便成為通用的基礎技術。張力控制的作用就是在卷材處于動態(tài)處理過程中時，使卷材保持恒定的張力，抑制外來干擾引起的張力抖動。
1.1.3 課題研究意義
線圈放線機設計的意義，在課題設計的過程中我們能學到較多課堂上學不到的東西，在設計進行階段指導老師提供了很多PLC控制系統(tǒng)設計的基本要求和設計思路，整個設計過程中使受益匪淺。是我在即將離開學校踏入社會一次重要的設計體驗。也是為以后的工作生活打下了基礎，在此過程中我學到電氣控制系統(tǒng)的設計方法和步驟。這次設計是我在指導老師的指導下一點點親自完成，無論是在實地考察還是設計資料的查閱，都使得我們學到了很多東西。
1.2國內外張力控制的研究現(xiàn)狀與發(fā)展
國內外早期卷繞生產中的張力控制是采用單純的加重錘法，此方法不能根據張力的實際情況調節(jié)運行速度，速度大小對張力影響極大，調節(jié)精度很差。20世紀80年代出現(xiàn)了具有有限反饋調節(jié)功能的機械式卷筒導開裝置，此裝置在卷筒輥后部增加了一個摩擦片，通過調節(jié)摩擦力大小，可以在一定程度上調整卷材張力。但其反應不靈敏，調節(jié)范圍有限，控制精度也不太高，而且隨卷筒直徑大小的改變，張力大小也不斷改變。以上這些裝置都無法滿足生產高質量、高性能同步帶的要求。
20世紀80年代后期以來，隨著電力電子技術、計算機實時控制技術、檢測技術的發(fā)展，特別是微處理器技術的不斷成熟，很多企業(yè)將數(shù)字技術引入到張力控制系統(tǒng)中，于是出現(xiàn)了模擬－數(shù)字混合張力控制系統(tǒng)，并從單純的單機單路控制轉向一機多路控制，全面采用單板機、可編程序控制器控制。采用的控制方法都是外環(huán)（位置環(huán)或張力環(huán)）結合速度環(huán)和電流環(huán)，對于要求不高的系統(tǒng)，有時只需要外環(huán)即可。另外，隨著控制理論的不斷發(fā)展，一些新的控制思想和控制手段也被引入到張力控制系統(tǒng)中，這使控制系統(tǒng)的精度愈來愈高，控制方式也更加靈活多變。
根據控制系統(tǒng)輸出的控制對象分，目前市場上主要有以下幾種張力控制系統(tǒng)：一種是以磁粉制動器（離合器）為主要執(zhí)行部件的張力控制設備，由于磁粉制動器的的輸出轉矩與通過其電感線圈的電流具有優(yōu)良的線性關系，因而只要通過相應的壓力檢測器件檢測現(xiàn)場的壓力值，對應此輸出相應的通過磁粉制動器的激勵電流就能實現(xiàn)動態(tài)控制，保持現(xiàn)場張力的恒定。這類張力控制系統(tǒng)主要用于低張力控制的造紙、紡織等行業(yè)；另外一種就是以變頻電機為執(zhí)行部件的張力控制系統(tǒng)，其主要特點是通過控制變頻器的激勵電流或者激勵電壓來實現(xiàn)電機轉速的控制，從而實現(xiàn)現(xiàn)場壓力的恒定，該類系統(tǒng)主要應用于對速度和張力都有較高要求的大規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)中，如鋼鐵工業(yè)、電纜制造業(yè)等。
近年來，張力控制系統(tǒng)結合了最新的電力電子技術，檢測技術，數(shù)字控制技術于一身，向著多功能，一體化，產品系列化的方向發(fā)展。相對來說，國內外控制系統(tǒng)設備不僅對于卷取過程中張力有嚴格精確的控制，而且對于初始建立張力、卷取過程張力都有較好的控制，并且有友好的人機界面，完善的功能，如緩沖啟動、防松卷功能、手動/自動控制、模式選取、控制參數(shù)的保存和調用、自診斷模式、多種通訊接口等，但價格卻相對昂貴。國內的張力控制系統(tǒng)基本停留在手動隨機、隨時控制的水平上，有部分采用模擬檢測、模擬放大控制輸出的產品，可控性和人機界面差，控制精度不高，迫切需要更新?lián)Q代。
1.3 PLC技術的發(fā)展及趨勢
二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。
作為離散控的制的首選產品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內的PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領域占據著十分重要的位置。
PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。
近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經濟的高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。
1.4 本文的設計任務
（1）對線圈放線機的國內外的發(fā)展簡單的介紹，了解線圈放線機目前研究的意義，同時簡單介紹PLC的發(fā)展，確定其在線圈放線機控制系統(tǒng)中的可行性。
（2）線圈放線機各動作控制流程的研究。了解線圈放線機的工作過程及工藝要求。確認其控制方案。
（3）PLC程序的設計，包括控制方案的選取與設計、I/0接口信號的確定、模塊的選擇，控制程序的設計。
（4）控制程序的在線仿真。
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2 線圈放線機的工作原理和控制方案的分析
2.1 線圈放線機的控制原理
線圈放線機是由驅動伺服電機，原始線圈固定架和銅線導向輪組成。導向輪上配有旋轉編碼器，用于計算放線的長度。原始線圈固定架通過伺服電機同步帶輪驅動。在放線的過程中，伺服電機利用轉矩控制模式在保證伺服電機輸出的轉矩恒定，從而導致在防線的過程中張力的恒定，最終達到控制要求。
2.2 控制方案比較與選擇
目前的控制系統(tǒng)中通常采用的控制方法有:繼電器控制、單片機控制、PLC控制。這三種控制方式各有特點，適用的范圍也不同。
2.2.1 繼電器控制
繼電氣通俗意義上說就是開關，是，在條件滿足的情況下關閉或開啟。我們生活中常用的一種控制設備在條件滿足的情況下開啟和關閉。繼電器的開關特性在很多的控制系統(tǒng)尤其是離散的控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用，由于設計使用的電子電路中，或多或少都需要和一些機械設備相聯(lián)系，所以繼電器在系統(tǒng)中也起到電子設備和機械設備的接口作用。
繼電器控制系統(tǒng)具有電路直觀、結構簡單、價格低廉等優(yōu)點。繼電器控制系統(tǒng)適用于簡單一些的邏輯控制電路，在電路中繼電器類似計算機中的基本邏輯電路，組成了各種各樣的控制電路.隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，要求控制系統(tǒng)的越來越復雜，同時其可靠性指標也越來越高，在實際應用中僅依靠繼電器觸點的通斷來實現(xiàn)控制不可避免存在一些缺點:觸點轉換的時間造成響應速度慢，降低了控制精度;觸點頻繁通斷容易產生電火花，耗電量大，影響使用壽命;不同電路繼電器不能通用，對復雜邏輯關系設計不容易實現(xiàn):繼電器觸點長期使用容易磨損;繼電器的觸點容易產生電弧，甚至會熔在一起產生誤操作，引起嚴重的后果。對一個裝有上百個繼電器的設備，其控制箱將是龐大而笨重的。繼電器控制系統(tǒng)必須是手工接線、安裝，在全負荷運載的情況下，大的繼電器將產生大量的熱及噪聲，并且如果有簡單的改動，也需要花費大量時間及人力和物力去改制、安裝和調試，使用調整很不方便。［6］
2.2.2 單片機控制
一．單片機控制系統(tǒng)概述及其特點
單片機就是單片微型計算機的簡稱，也稱為微控制器，是指集成在一個芯片上的微型計算機，也就是把組成微型計算機的各種功能部件，包括CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、基本輸入/輸出接口電路、定時/計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等部件都制造在一塊集成芯片上，構成一個完整的微型計算機，從而實現(xiàn)微型計算機的基本功能。［7］
單片機可以構成各種各樣的應用系統(tǒng)，從微型、小型到中型、大型都可。對于量大的配套項目，采用單片機系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點，但這要有相當?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經驗才能使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運行。就控制而言:單片機只是一個芯片，用單片機直接開發(fā)控制系統(tǒng)，還必須進行系統(tǒng)硬軟件設計和抗干擾設計才能付諸應用，這里包含大量個性化及針對性的設計，對開發(fā)者要求相當高，工作量大、成本高、編程比較復雜、開發(fā)周期長，有很強的針對性。
二．單片機控制系統(tǒng)的設計方法［8］
單片機應用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是指MCU、存儲器、1/O接口和外設等物理器件的有機組合，軟件是指系統(tǒng)監(jiān)控程序的總稱。在開發(fā)的過程中，它們的設計不能完全分開，二者需要互相配合、不斷調整才能組成高性能的應用系統(tǒng)。單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)包括系統(tǒng)總體設計、硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)調試和產品化等幾個階段，但它們并不是決然分開的，有時要交叉進行。下面分別簡要予以討論。
1.總體設計
在進行系統(tǒng)設計之前，首先應根據對系統(tǒng)的功能要求及其應用環(huán)境等確定合理的、具體的功能和技術指標，對應用系統(tǒng)的可靠性、通用性、先進性、可維護性以及成本等進行綜合考慮，以盡量合理并符合相應的標準。然后根據市場上各種單片機的貨源情況和單片機的性能及開發(fā)工具等因素選擇合適的機型。接下來要根據系統(tǒng)中可能涉及到的傳感器、模擬電路I/O接口、存儲器、打印機和顯示器等器件和設備進行器件選擇，使之符合系統(tǒng)在精速度和可靠性等方面的要求。最后確定硬件和軟件的功能劃分。由于在系統(tǒng)設計中某系功能用硬件和軟件都能實現(xiàn)，在設計中應綜合考慮研制周期和成本等因素具體劃分軟硬件功能。
2.硬件設計
硬件設計的任務是根據總體要求，在所選的MCU和各個元器件型號的基礎上設計出系統(tǒng)的電路原理圖，做一些必要的部件實驗，以及工藝結構的設計加工，印刷電路板的設計制作和樣機的組裝等。在硬件設計中，需要考慮系統(tǒng)總線的負載能力、系統(tǒng)擴展是的片選方式、模擬電路的速度和精度等，如需擴展存儲器則盡量用一片完成這樣既降低了成本，又減小了線路板的面積，同時提高了系統(tǒng)的可靠性
3.軟件設計
單片機應用系統(tǒng)的軟件(即監(jiān)控程序）設計是系統(tǒng)設計中最基本而且工作量較大的任務。和系統(tǒng)機上操作系統(tǒng)支持下的純軟件設計不同，單片機的軟件設計是在裸機的條件下完成的，而且隨應用系統(tǒng)的不同而不同在軟件設計中一般要考慮以下幾個問題。
（1） 合理的軟件結構
（2）程序結構設計
（3）程序設計順序
在程序設計完成后，利用相應的開發(fā)工具和匯編軟件進行程序的匯編（或翻譯），生成程序的機器碼。
2.2.3 PLC控制
一．PLC控制系統(tǒng)概述及其特點
PLC(可編程控制器)是已經完成系統(tǒng)設計的一種控制設備，特點是具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等。只要規(guī)劃好輸入輸出信號，再用PLC指令根據控制要求編排出PLC控制程序即可。同時，PLC指令比較匯編語言或C語言要容易掌握得多。
PLC不但可以很容易地完成順序邏輯、運動控制、定時控制、計數(shù)控制、數(shù)字運算、數(shù)據處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立各類生產機械的數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實現(xiàn)生產過程的自動控制。
1.順序控制。所謂的順序控制，就是按照工藝流程的順序，在控制信號的作用下，使得生產過程的各個執(zhí)行機構自動地按照順序動作。由于還具有編程設計靈活、速度快、可靠性高、成本低、便于維護等優(yōu)點，所以在實現(xiàn)單機控制、多機群控制、生產流程控制中可以完全取代傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)。它主要是根據操作按扭、限位開關及其它現(xiàn)場給來的指令信號和傳感器信號，控制機械運動部件進行相應的操作，從而達到
了自動化生產線控制。
2.閉環(huán)過程控制。以往對于過程控制的模擬量均采用硬件電路構成的PID模擬調節(jié)器來實現(xiàn)開、閉環(huán)控制。而現(xiàn)在完全可采用PLC控制系統(tǒng)，選用模擬量控制模塊，其功能由軟件完成，系統(tǒng)的精度由位數(shù)決定，不受元件影響，因而可靠性更高，容易實現(xiàn)復雜的控制和先進的控制方法，可以同時控制多個控制回路和多個控制參數(shù)。
3.運動位置控制。PLC可以支持數(shù)控機床的控制和管理，在機械加工行業(yè)，可編程控制器與計算機數(shù)控(CNC)集成在一起，用以完成機床的運動位置控制，它的功能是接受輸入裝置輸入的加工信息，經處理與計算，發(fā)出相應的脈沖給驅動裝置，通過步進電機或伺服電機，使機床按預定的軌道運動，以完成多軸伺服電機的自控。目前已用于控制無心磨削、復雜零件分段沖裁、滾削摸削等應用中。
4.生產過程的監(jiān)控和管理。PLC可以通過通迅接口與顯示終端和打印機等外設相
連。顯示器作為人機界面(HMI )是一種內含微處理芯片的智能化設備，它與PLC相結合可取代電控柜上眾多的控制按鈕、選擇開關、信號指示燈，及生產流程模擬屏和電控柜內大量的中間繼電器和端子排。所有操作都可以在顯示屏上的操作元件上進行。PLC可以方便、快捷地對生產過程中的數(shù)據進行采集、處理，并可對要顯示的參數(shù)以二進制、十進制、十六進制、ASCII字符等方式進行顯示。在顯示畫面上，通過圖標的顏色變化反應現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)，如閥門的開與關，電機的啟動與停止，位置開關的狀態(tài)等。PID回路控制用數(shù)據、棒圖等綜合方法反映生產過程中量的變化，操作人員通過參數(shù)設定可進行參數(shù)調整，通過數(shù)據查詢可查找任一時刻的數(shù)據記錄，通過打印可保
存相關的生產數(shù)據，為今后的生產管理和工藝參數(shù)的分析帶來便利。
5.網絡特性。PLC可以實現(xiàn)多臺PLC之間或多臺PLC與一臺計算機之間的通訊。聯(lián)網要求，從而組成多級分布式控制系統(tǒng)，構成工廠自動化網絡。通過通訊模塊、上位機以及相應的軟件來實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的遠距離監(jiān)控。通過調制解調器和公用電話網與遠程客戶端計算機相連，從而使管理者可通過電話線對控制系統(tǒng)進行遠距離監(jiān)控。
2.2.4 PLC與其它控制裝置的比較
1.可靠性高，抗干擾能力強
這是PLC用戶關心的首要問題。為了滿足PLC專在工業(yè)環(huán)境下應用的要求，PLC采用了如下硬件和軟件措施：
（1）光電耦合隔離和R-C濾波器，有效的防止了各類電磁干擾信號的進入。
（2）采用內部電磁屏蔽，防止輻射干擾。
（3）采用優(yōu)良的開關電源，防止電源線引入的干擾。
（4）具有良好的自診斷功能?？梢詫PU等內部電路進行檢測，一旦出錯，立即報警。
（5）程序及有關數(shù)據用電池供電進行備份，一旦電源斷電或運行停止，有關狀態(tài)及信息不會丟失。
（6）采用了冗余技術進一步增強可編程序控制器的可靠性。對于某些大型的PLC，采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或三CPU構成表決式系統(tǒng)。
（7）對采用的器件都進行嚴格的篩選和老化處理，排除了因器件可靠問題而造成的故障。
隨著構成PLC的元器件自身性能的提高，PLC整體的可靠性也在相應提高。一般PLC的平均無故障時間可達到幾萬小時以上。某些PLC的生產廠家甚至宣布，今后生產的可編程序控制器不再標明可靠性這一指標，因為對可編程序控制器這一指標已毫無意義了。經過大量實踐，人們發(fā)現(xiàn)PLC系統(tǒng)在使用中發(fā)生的故障，大多是由于PLC的外部開關、傳感器、執(zhí)行機構引起的，而不是PLC自身的問題產生的。
2.通用性強，使用方便
現(xiàn)在的PLC產品都已系列化了，PLC配備有各種各樣，種類齊全的I/O模塊和配套部件用戶選用，可以很方便地搭建成可滿足不同控制要求的控制系統(tǒng),用戶不再需要自己設計和制作相應的硬件裝置。在確定了PLC的硬件配置和I/O外部接線后，用戶所做的工作只是程序設計而已。
3．程序設計簡單，易學易懂
PLC是一種工業(yè)自動化控制裝置，其主要的使用對象是廣大電氣技術人員。PLC生產廠家大都根據這種實際情況，一般不采用微機所用的編程語言，而采用與繼電器控制原理圖非常相似的梯形圖語言，工程技術人員學習和使用這種語言十分方便。
4．采用先進的模塊化結構，系統(tǒng)組合靈活方便
PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O通道等均采用模塊化設計，由機架和電纜將各模塊連接起來。系統(tǒng)的功能和規(guī)?？筛鶕脩舻膶嶋H需求自行組合，這樣便可滿足用戶要求的合理的性能價格比。
5．系統(tǒng)設計周期短
由于系統(tǒng)硬件的設計任務僅是依據對象的要求配置適當?shù)哪K，如同吃飯從菜單中點菜一樣方便，這就大大縮短了整個設計所花費的時間，加快了整個工程設計的進度。
6．安裝簡便、調試方便、維護工作量小
可編程序控制器一般不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端子相連，系統(tǒng)便可以投入運行，安裝接線工作量比繼電器控制系統(tǒng)小得多。PLC軟件的設計和調試大都可以在實驗室里進行，用模擬實驗開關代替輸入信號，其輸出狀態(tài)可以觀察PLC上的相應發(fā)光二極管顯示，也可以另接輸出模擬實驗板。模擬調試完成后，再將本身故障率很低，又有完善的自診斷能力和顯示功能，一旦發(fā)生故障可以根據PLC上發(fā)光二極管或編程器提供的信息，迅速查明原因或直接找到發(fā)生故障的外圍設備。如果是PLC本身故障，則可用更換模塊的方法迅速排除故障。這樣既提高了維護的工作效率，使故障造成的對工業(yè)生產的影響降低到最低程度，也保證了生產的正常進行。
2.2.5 系統(tǒng)方案的確立
在此綜合各種方面因素選擇PLC作為線圈放線機控制系統(tǒng)的核心，如2.4.4小節(jié)所分析的,PLC具有其他任何一種控制器所不具備的優(yōu)點,更符合設計要求。
2.3 本章小結
本章主要介紹了線圈放線機控制系統(tǒng)的功能要求、控制器的選擇和控制方案的論證選擇。?
3 線圈放線機控制系統(tǒng)的硬件設計
3.1 PLC控制系統(tǒng)結構組成
本設計的線圈放線機控制系統(tǒng)硬件主要由PLC、繼電器、接觸器、伺服控制器，伺服電機，旋轉編碼器，扭矩調功器等組成。
3.2 PLC和I/O擴展模塊的選型
選擇能滿足本線圈放線機控制要求的適當型號的PLC是應用設計中至關重要的一步，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經濟指標有著重要作用。PLC的選擇包括機型，容量，I/O模塊的選擇等幾個方面。
本線圈放線機輸入分配：12個點，輸出分配：8個點。本系統(tǒng)選取的是三菱公司生產的小型整體式可編程控制器FX2N-32MT-001系列，輸入端子選擇16點, 輸出端子選擇16點，滿足控制要求.三菱FX2N-40MT-001的CPU單元規(guī)格是：輸入16點，輸出16點，輸入、輸出為晶體管型形式,電源AC220V。
3.3 PLC I/0的分配
分配輸入/輸出點信號、輸出點與輸出控制是一一對應的。分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點號，分配給每一個輸入信號和輸出信號，即進行編號。FX2N型PLC的輸入/輸出通道號采用自由配置、固定通道方式。輸入輸出繼電器可自由選擇，與輸入點對應的即為輸入繼電器，與輸出點對應的即為輸出繼電器。
由上述控制要求可得到。線圈放線機控制系統(tǒng)輸入輸出接口如表3-1所示。
表3-1 I/O接口分配
輸入分配
輸出分配
名稱
地址
名稱
地址
編碼器脈沖輸入
X0
脈沖輸出
Y0
自動啟動
X1
正轉
Y1
暫停
X2
反轉
Y2
停機
X3
復位發(fā)出
Y3
手動選擇
X4
伺服運行
Y4
自動選擇
X5
距離到位
Y5
手動正轉
X6
剎車信號
Y6
手動反轉
X7
故障復位
X10
伺服上電
X11
3.4 伺服驅動器參數(shù)設置
3.4.1 伺服電機三種控制模式介紹
1、 轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小。
2、 位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。
3、 速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。
根據控制要求為橫張力控制，本文選用三菱MR-J2S伺服驅動器，采用轉矩控制模式。
3.4.2 MR-J2S參數(shù)設置。
采用轉矩控制模式的MR-J2S的參數(shù)設置如下表3-2所示：
表3-2 MR-J2S參數(shù)設置表
3.5 系統(tǒng)電氣控制接線圖設計
系統(tǒng)供電電源采用三相線制供電。供電電源等級為AC380V±5％，50Hz。PLC的接線圖如圖3-1所示，系統(tǒng)PLC接線圖，伺服接線圖和主電路圖如圖3-1到3-3所示。
圖3-1 PLC接線圖
圖3-2 伺服接線圖
圖3-3 主電路圖
3.6 本章小結
本章是本文的重點，主要介紹了線圈放線機控制系統(tǒng)的硬件設計部分，包括PLC點的分、PLC的選型、接線等。思路清晰，目的明確。
4 系統(tǒng)軟件設計
4.1 三菱的GX Developer 編程軟件簡介
進入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜單中，單擊“新建”菜單項，選擇創(chuàng)建一個新文件。在【設備名稱】中填寫設備名稱，設備類型選擇PLC的類型，然后單擊設定按鈕選擇CPU的類型，單擊確定后，即可進入梯形圖編程界面，開始編程，如
圖4-1所示界面。
圖4-1 編程界面
程序編寫完成后，下一步就可進行編譯、鏈接和調試了。如果編譯沒有錯誤，就可以進行在線運行。在編譯過程中，如果出現(xiàn)錯誤要進行修改時，我們既可以在梯形圖編程下修改，也可在助記符方式下修改。編譯完成，沒有語法錯誤，可加載程序到PLC，進行在線運行。
4.2 系統(tǒng)程序設計方法
工程設計中，可編程控制器應用程序的設計大體上有三種方法，也是使用最多的方法。這些方法的應用，也因不同設計人員有著不同的技術水平和習慣存在著差異。下面介紹一下常用的幾種應用程序的設計方法，以便對下面的設計更有一個清晰的認識，也使讀者更加明白可編程控制器的設計方法和技巧。
1、經驗設計法
經驗設計法也叫湊試法。在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設計的基礎上，根據被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經驗進行選擇、組合。這種方法對于一些簡單的控制系統(tǒng)的設計是比較湊效的，可以收到快速、簡單的效果。但是它沒有一個普遍的規(guī)律可遵循，具有一定的試探性和隨意性，最后得到的結果也不是唯一的，設計所用的時間、設計的質量與設計者的經驗的多少有關。
經驗設計法的具體步驟如下：
（1）確定輸入/輸出電器；
（2）確定輸入和輸出點的個數(shù)、選擇PLC機型、進行I/O分配；
（3）做出系統(tǒng)動作工程流程圖；
（4）選擇PLC指令并編寫程序；
（5）編寫其它控制控制要求的程序；
（6）將各個環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來，即得到一個滿足控制要求的程序。
2. 邏輯設計法
工業(yè)電氣控制線路中，有很多是通過繼電器等電器組件來實現(xiàn)的。而繼電器、交流接觸器的觸點都只有兩種狀態(tài)即：斷開和閉合，因此用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設計電氣控制線路是完全可以的。該方法法是根據數(shù)字電子技術中的邏輯設計法進行PLC程序的設計，它使用邏輯表達式描述問題。在得出邏輯表達式后，根據邏輯表達式畫出梯形圖。因此用邏輯設計法也可以適用于PLC應用程序的設計。
順序控制法
對那些按動作的先后順序進行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設計法進行編程。順序控制法規(guī)律性很強，雖然編程相當長，但程序結構清晰、可讀性。在用順序控制設計法編程時，功能圖是很重要的工具。功能圖能夠清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉換順序及其轉換條件。
功能圖由流程步、有向線段、轉移和動作組成，在使用時它有一些使用規(guī)則，具體如下：
（1）步與步之間必須用轉移隔開；
（2）轉移與轉移之間必須用步隔開；
（3）轉移和步之間用有向線段連接，正常畫順序功能圖的方向是從上向下或則從左向右。按照正常順序畫圖時，有向線段可以不加箭頭，否則必須加箭頭。
（4）一個順序功能圖中至少有一個初始步。
可編程控制器設計語言也有多種形式，因其在繼電器的基礎上研制而成，所以大部分都是以開關量為主的控制方式。很多表達形式也都是電氣符號的沿用，或直接使用。這樣，PLC的語言就有所不同。梯形圖語言是設計中使用最多的，還有流程圖，語句表，這些都為程序的閱讀提供了不同形式的方法，適合電氣方面的工程人員閱讀，也適合電子方面的工程人員進行參考使用。
4.3 PLC控制系統(tǒng)軟件程序的編寫及說明
4.3.1 系統(tǒng)運行條件程序
線圈放線機整個系統(tǒng)能夠正常運行，必須對伺服上電，其梯形圖如圖4-2所示
圖4-2 系統(tǒng)運行條件程序
在整個線圈放線機為開啟運行前，必須使得整個伺服驅動器上電，當按下X11按鈕時，Y4得電并和X11形成自鎖回路，保證整個系統(tǒng)正常運行。
4.3.2 自動手動選擇程序
當伺服驅動器上電后，需選擇選用何種控制模式，其控制程序如下圖4-3所示
圖4-3 手動自動選擇程序
由上述梯形圖可以看出，X4和X5分別為手動、自動選擇開關，當X4接通時，運行自動程序，當X5接通時運行手動程序，為了保證手動和自動程序由于誤操作導致被同時選擇，這里兩條程序形成互鎖回路。
4.3.3 手動運行程序
在原線圈上下料過程中，需要用點動來控制伺服電機的正反轉，其梯形圖如下圖4-4所示
圖4-4 二層存、取部分程序
上述程序可以看出，X6和X7分別用來控制電機的正轉和反轉，M1是手動程序執(zhí)行條件，PLSY是脈沖輸出指令。[PLSY D0 K0 Y000]中D0是脈沖的頻率，這個是由外部上位機輸入，K0是脈沖輸出的個數(shù)，此時值為0，指的是當執(zhí)行條件執(zhí)行時，此時Y0輸出無數(shù)個脈沖型號。當按下X6時，伺服電機執(zhí)行手動正轉程序，此時伺服電機運行的速度和D0的值有關；當按下X7時，伺服電機執(zhí)行手動反轉程序，此時伺服電機運行的速度和D0的值有關。為了保證正轉和反轉程序由于誤操作導致被同時選擇，這里兩條程序形成互鎖回路。
4.3.3 自動運行程序
在原線圈在放線的過程中大部分處于自動運行狀態(tài)，其梯形圖如下圖4-5所示
第31步程序是整個自動程序的運行條件，只有當Y4和M0都導通的情況下才能運行。[MUL D10 K20000 D1]這條指令的含義是D10的值乘以2000輸入到D1中，K20000Z這個值是根據編碼器的分辨率和安裝編碼器的滾輪直徑計算得出。在自動運行的過程中，Y0和Y1同時輸出，表示此事在轉矩控制模式下只有正轉輸出。C235是高速計數(shù)器指令，他的計數(shù)值就是D1，當計數(shù)值滿后，C235常開觸點閉合，Y5輸出，同時C235被復位。當程序運行過程中，需要暫停處理，這時按下X2，Y0和Y1斷開，電機停止，單C235中的技術值保持不變，下次運行啟動時，繼續(xù)累加。
4.4 本章小結
本章主要介紹了PLC控制線圈放線機系統(tǒng)設計的具體流程，其中包括PLC編程軟件的介紹、程序設計、梯形圖設計等內容，并對主要程序段所表達的控制功能進行詳細的說明，能夠便于更加迅速的理解程序。
5 程序的調試與仿真
仿真軟件的功能就是將編寫好的程序在電腦中虛擬運行，如果沒有編好的程序，是無法進行仿真的.首先，在安裝仿真軟件GX Simulator 6c 之前，必須先安裝編程軟件GX Developer。
5.1 仿真的步驟
（1）啟動編程軟件GX Developer
（2）通過“快捷圖標”啟動仿真如圖5-1所示。
圖5-1 仿真啟動畫面
啟動仿真后，程序開始在電腦上模擬PLC寫入過程
并且可以通過“在線”中的“軟元件測試”來強制一些輸入條件ON或者OFF。監(jiān)控程序的運行狀態(tài)，如圖5-2所示：
圖5-2 X11強制ON
圖5-3 X11強制OFF
當我們按下按鈕X11測試，Y4得電，當X11失電后，Y4依然得電，證明此段程序無誤。
當我們按下X4時，其運行狀態(tài)如圖5-4所示
圖5-4 強制X4軟元件ON的狀態(tài)
當我們同時強制X4和X5為ON時的程序運行狀態(tài)如下圖5-5所示：
圖5-5 同時強制X4和X5為ON
通過測試發(fā)現(xiàn)，當按下X4時，M0得電。當同時按下X4和X5時，M0和M1均不得電，證明程序的互鎖回路達到控制要求，程序無誤。
5.2 本章小結
本章主要對PLC程序進行仿真測試，通過仿真軟件的測試，最終確認編寫的程序無誤。
結論
本文是以達到實現(xiàn)線圈放線機的實用和可靠性為目的而進行的設計。在本次設計中經過對線圈放線機的控制要求的分析，采用可編程控制器（PLC）,實現(xiàn)對線圈放線機控制系統(tǒng)的設計，減少了硬件和控制線，克服了傳統(tǒng)繼電器-接觸器系統(tǒng)的不足，系統(tǒng)安全可靠，且控制程序可根據需要進行修改。本文旨在按實際生產要求進行理論上的設計，并未在實際應用中得到驗證，在實際應用之前還需經過反復的調試實驗，以確保系統(tǒng)安全可靠的運行，從而達到實際生產中的要求。
當然，鑒于本人水平有限，在設計過程中難免有不足之處，希望您能諒解并提出寶貴意見，以便我對其進行改正。
回顧這次畢業(yè)設計，從選題到定稿，從理論到實踐，在這段畢業(yè)設計期間里，可以說得是苦多于甜。通過本次畢業(yè)設計，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。
對我來說，收獲最大的是方法和能力——那些分析和解決問題的方法與能力。在整個設計過程中，我發(fā)現(xiàn)我們這些學生最最缺少的是經驗，沒有感性的認識，空有理論知識，有些東西很可能與實際脫節(jié)。此次設計需要我們將學過的相關知識都系統(tǒng)地聯(lián)系起來，從中暴露出自身的不足，以待改進。通過這次畢業(yè)設計，我懂得了理論與實際相結合是很重要的——只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。
在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重。在設計的過程中也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處：對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如電機選用的確定、曲軸連桿機構怎么計算、皮帶輪部分的具體應該怎么設計等等。通過這次畢業(yè)設計之后，又把以前所學過的知識重新溫故。
這次畢業(yè)設計使我受益匪淺，為我今后的學習和工作打下了一個堅實而良好的基礎。在此衷心感謝各位老師的幫助和指導。
致 謝
這次畢業(yè)設計可以圓滿的完成，離不開導師XXX的悉心指導。從課題的提出和論證到論文完成，X導師淵博的學識、先進的學術思想、對待研究的嚴謹態(tài)度和無私的奉獻精神都是學生的楷模，使我受益匪淺，在論文完成之際，謹向尊敬的X導師致以崇高的敬意和由衷的感謝。
經過這段時間的畢業(yè)設計，我感覺到掌握扎實的基礎知識和學會使用必要工具的重要性，深刻體會到網絡資源的巨大作用，在遇到難以解決的問題時，可以在網絡中尋找所需的資料，到相關的論壇上去求得幫助；學會靈活運用電腦網絡這個現(xiàn)代工具是我們必備的素質。同時畢業(yè)設計對我的英語水平也提出了較高的要求，通過閱讀英文資料、翻譯英文材料切實提高了我使用英語的水平，使我在今后的學習中不至落后現(xiàn)代技術發(fā)展的潮流。
在進行畢業(yè)設計的過程中 ，我的感激之情無以言表，僅以此文獻給他們，感謝我的朋友們，大家這四年來無論深處何地，距離多遠，我始終感受的到與你們大家在一起；感謝我的老師，四年來對我的關心幫助讓我在學校的生活和學習中都能有親人般的感覺；感謝我的同學們，大家雖然來自不同的地方，但是大家始終相親相愛，團結一致。我很慶幸能有了你們大家陪我一路走過艱難的歷程。回首大學四年，往事歷歷在目，心緒難以平復，如此多的關心和幫助讓我感到莫大的幸運，感覺充滿力量，無論是身邊的同學老師還是遠方的親人朋友們，他們的支持是我可以努力和堅持的最大動力，有了他們才真正讓我感受到這個世界是無與倫比的美麗，這些都將支持我走向新的崗位，為社會為他人貢獻我的綿薄之力。
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附錄一