（完整版）切纸机毕业设计

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题
⽬：切纸机
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摘要
根据程控切纸机的⼯作过程，为克服继电器、接触器控制故障率⾼、可靠性低等缺点，设计了⼀套以PLC为核⼼的切纸机裁切⾃动控制系统。

它利⽤PLC完善的内部功能，有效⽽可靠的实现了⾃动裁切、⾃动送纸等全⾃动控制。

本⽂⾸先对现代可编程控制技术的应⽤现状、发展趋势作了较为详细的介绍，并简要介绍了切纸机的产⽣背景和应⽤意义。

简单概括了切纸机的电⽓系统的总体⽅案设计，并⽐较了⼯控机、可编程控制器等控制⽅案的优缺点。

对于三菱公司的F2-
20MR型PLC也做了⼀定的介绍。

之后详细讲述了程控切纸机系统主体软硬件的研制过程和设计⽅法。

本设计的关键就是要在原继电器控制电路的基础上，经过合理的转换，从⽽设计出具有相同功能的控制程序。

关键词：PLC ; 继电器; 切纸机
Abstract
According to the working process of the cutter program, to overcome the relays, high reliability, low failure rate control, a set of faults in PLC is the core of cutter cutting automatic control system. It USES PLC perfect internal functions, effective and reliable realizes automatic paper
feeding, automatic cutting full automatic control, etc.
This paper firstly modern programmable control technology application situation and the development trends are introduced, and briefly introduces the background and cutter. Simply summarized cutter electrical system, and the overall design of industrial computer, compares the programmable controller to control scheme. In the F2-20MR mitsubishi type PLC made certain. After discoursed program-controlled cutter system hardware and software development process and the main design method.
The key originally designed is that should be on the basis of control circuit of original relay, through rational conversion , thus design PLC control procedure with same function
Key Words：PLC ; Relay ; Cardboard cutting machine
⽬录
摘要 (1)
Abstract (4)
引⾔ (1)
1绪论 (1)
1 .1切纸机的基本概况 (1)
1.2切纸机的基本设计要求 (2)
2切纸机的总体设计⽅案 (3)
2.1课题分析 (3)
2.2设计思路 (3)
3硬件设计与分析 (6)
3.1原继电器控制电路与分析 (6)
3.2 PLC控制电路分析 (7)
3.3可编程控制器简介 (8)
3.3.1 PLC的产⽣与发展 (8)
3.3.2 PLC的基本结构与特点 (10)
4切纸机的PLC控制系统设计 (19)
4.1 PLC的环境技术条件设计 (19)
4.2切纸机的加⼯⼯艺过程 (21)
4.3切纸机的控制要求 (29)
4.4 PLC型号的选择 (22)
5设备布置图及程序说明 (25)
5.1设备布置图 (25)
5.2程序设计要求及程序说明 (26)
5.2.1编程⽅法及编程规则 (26)
5.2.2程序说明 (30)
结论 (38)
参考⽂献 (39)
致谢 (40)
引⾔
可编程控制器简称PLC，它是⼀种⽤作数字控制的专⽤计算机。

它按照⽤户程序存储器⾥的指令安排，通过输⼊接⼝采集现场信号，执⾏逻辑或数值运算，进⽽通过输出接⼝去控制执⾏机构动作。

它组态灵活、编程简单、维护⽅便、可靠性⾼，现已成为⼯业⾃动化核⼼技术之⼀。

⽬前，我国的造纸⼯业技术⽔平仍停留在上世纪80年代初的⽔平，许多机器仍采⽤继电器控制电路，属于低⽔平加⼯制造业，⽽国外已普遍采⽤PLC控制电路。

造纸⼯业是国民经济的基础产业之⼀，与社会经济发展和⼈民⽣活息息相关，纸和纸板的消费⽔平已成为⼀个国家现代化和⽂明程度的重要标志之⼀。

本⽂对PLC的概念，发展情况进⾏总结，对如何将继电器电路如何⽤PLC系统代替作了详细的分析。

1绪论
1 .1切纸机的基本概况
我国的造纸⼯业技术⽔平仍停留在上世纪80年代初的⽔平，许多机器仍采⽤继电器控制电路，属于低⽔平加⼯制造业，⽽国外已普遍采⽤PLC控制电路。

造纸⼯业是国民经济的基础产业之⼀，与社会经济发展和⼈民⽣活息息相关，纸和纸板的消费⽔平已成为⼀个国家现代化和⽂明程度的重要标志之⼀。

可编程控制器简称PLC，它是⼀种⽤作数字控制的专⽤计算机。

它按照⽤户程序存储器⾥的指令安排，通过输⼊接⼝采集现场信号，执⾏逻辑或数值运算，进⽽通过输出接⼝去控制执⾏机构动作。

它组态灵活、
编程简单、维护⽅便、可靠性⾼，现已成为⼯业⾃动化核⼼技术之⼀。

本⽂介绍了柴河纸板⼚继电器控制电路旧设备的改造。

“PLC控制的`纸板切割机”作为控制系统中的⼀个典型的实验设计。

柴河纸板⼚的纸板切割机是特种⼯业⽤纸⽣产重要的配套设备之⼀，由于该设备仍采⽤继电器控制电路，设备⽼化，逻辑电路的接线较复杂。

由于器件的⽼化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，⼤⼤降低了系统的可靠性，继电器控制系统的维修⼯作不仅耗资费时,⽽且停产维修所造成的损失也不可估量,⽽现代化⽣产过程是不断变化的,⽣产⼯艺和市场需求也是不断地变化,所以⽤PLC取代继电器控制已是⼤势所趋。

1.2切纸机的基本设计要求
该控制系统的关键是在原继电器控制电路的基础上,经过合理的转换,从⽽设计出具有相同功能的PLC控制程序。

在把继电器控制转换成PLC 控制时要注意转换⽅法,以确保转换后系统的功能不变。

（1）根据原继电器电路和⼯艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。

（2）分配输⼊、输出设备，即确定哪些外围设备是发送信号给PLC 的，哪些外围设备是接收来⾃PLC的信号的。

同时还要将PLC的输⼊、输出点与之⼀⼀对应,对I/O进⾏分配，在此基础上确定PLC的机型。

（3）根据原继电器电路和控制系统的控制要求和所选PLC的I/O 点的情况及⾼功能模块的情况,设计PLC⽤户程序,此时采⽤梯形图形式的⽤户程序。

2切纸机的总体设计⽅案
2.1课题分析
PLC控制的纸板切割机，就是利⽤PLC作为纸板切割机控制电路的主控制器，PLC采⽤环扫描⼯作⽅式，在系统软件控制下，扫描输⼊的状态，按纸板切割机⼯作程序进⾏运算处理，然后向输出发出响应的控制信号。

整个⼯作过程可分为5个阶段：⾃诊段，与编程器或计算机等的通信，现场输⼊信号的采集，⽤户程序执⾏，输出结果。

PLC经过这些5个阶段的⼯作过程，称为⼀个扫描周期。

完成⼀个扫描周期后，⼜重新执⾏上述过程，扫描周期周⽽复始地进⾏。

本PLC控制系统的具体指标要求是：对导辊从造纸机上接纸板的线速度⽐造纸机上纸板传输度⾼1%-5%。

纸板完全静⽌在切纸机导辊上的预定位置不能超过10mm。

2.2设计思路
本设计包括硬件配置和软件程序设计两部分。

硬件设计时，对被控设备的⼯艺要求和所选PLC的特点与性能有较全⾯的了解；软件设计时在对原继电器控制电路熟悉掌握的基础上，以步为核⼼，⼀步步设计，⼀步步修改直到完成整个程序的设计。

对于PLC程序设计采取以下⼏步：
（1）根据原继电器控制电路和⼯艺要求确定被控系统必须完成的动作，确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。

（2）分配输⼊、输出设备，即确定哪些外围设备是送信号给PLC 的，哪些外围设备是接收来⾃PLC的信号的，同时还要将PLC的输⼊、
输出点与之⼀⼀对应，对I/O进⾏分配。

在此基础上确定PLC的机型。

（3）根据原继电器电路、控制系统的控制要求、所选PLC的I/O 点的情况及⾼功能模块的情况，设计PLC⽤户程序，此时采⽤梯形图形式的⽤户程序。

纸板切割机的加⼯⼯艺过程如下：
①启动设备，切纸机导辊从造纸机上接到纸板传到预想位置。

②导辊停⽌导纸，当纸板完全静⽌在切纸机导辊上预定位置时，切纸⼑车开始切割，⼑车运动到另⼀侧后，⼑车电机与切⼑电机停机。

③导辊向接纸台传送已切割完毕的纸板。

④送纸结束，切纸机导辊⼜恢复⾼速，等待造纸机下⼀副纸板的到来。

⼑车再由另⼀侧向原⽅向运动进⾏下⼀次切割过程。

如此反复。

（4）控制要求：
①导辊的速度由主传动机控制。

主传动电机是CYT—4型三相交电磁调速电动机。

调整器外装两只电位器，当导辊从造纸机上接纸板时为了顺利地从造纸机上接到纸板，根据纸板的密度，原料和定量的不同情况，导辊速度要⽐造纸机上纸板传输速度⾼1%—5%，由电位器W1设定。

当导辊向接纸台传送已切割完毕的纸板时，由光电管E2发出切割完毕信号，经继电器Z5，Z9调速器和电位器W2投⼊，由电位器W2设定。

②当切纸机导辊从造纸机上接到纸板传到预想位置时，由光电管E1向时间继电器ST2发出信号，经中间继电器K1，控制继电器Z3，Z8及C4。

调速器与电位器W1同时脱机发出零速度信号，导辊停⽌导纸。

③导辊停⽌后，纸板在导辊上仍然存在惯性滑动，由时间继电器ST2的延时作⽤来调节纸副的位置。

④当纸板完全静⽌在切纸机导辊上预定位置时，由时间继电器ST3向切纸⼑发出开始的命令。

⼑车电机MZ与切⼑电机
M3，M4，M5同
时启动切割纸板。

当⼑车离开纸板，运动到光电管侧端后，由光电管发出切割完毕信号，⼑车电机与切⼑电机均断电停机。

⑤送纸结束后，主传动输出恢复⾼速，由于时间继电器SJ1延时时间达到，接点断开，继电器Z6，Z7失电，使K1失
电，Z9，C4得电。

由调速器和电位器W1投⼊实现。

3硬件设计与分析
3.1原继电器控制电路与分析
剪板机原来采⽤继电器—接触器控制，但控制系统较复杂，⼤量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的⼯作效率。

采⽤PLC 控制可较好地解决这⼀问题。

剪板机的原理结构，如图3?1所⽰：
图3.1剪切板原理结构⽰意图
系统由送料、定位压紧、剪切、⾃动传送4个部分组成。

采⽤7个限位开关和1个光电开关检测各部分的⼯作状态。

送料机构E、压板B、剪切⼑A、送料⼩车分别由4台电动机拖动。

系统未动作时，压板及剪切⼑的限位开关SQ1、SQ3和SQ4均断
开，SQ1、SQ7也是断开的。

启动时，⼩车应处于接料⼝位置，限位开关SQ5、SQ6闭合。

若⼩车空载或板料数未达到设定数，起动送料机构Ｅ，带动板料C向右移动。

当板
料碰到⾏程开关SQ1时，送料停⽌。

同时启动压块电动机，使压块B压下，压块上限开关SQ2闭合。

当压块到位，板料压紧时，压块下限开关SQ3闭合，剪切电动机起动，控制剪⼑下落。

此时，SQ4闭合，直到把板料剪断，板料落⼊⼩车。

光电接近开关SQ7对落⼊⼩车的板料进⾏检测并产⽣计数脉冲。

当⼩车上的板料达到设定数时，启动⼩车控制电动机，带动⼩车右⾏，将切好的板料送⾄包装线。

卸下后，再启动⼩车左⾏，重新返回到剪切机下，开始下⼀车的⼯作循环。

3.2 PLC控制电路分析
可编程控制器（以下简称PLC）由于采⽤了微机技术，具有微机的许多优良性能，⼜有较强的抗⼲扰能⼒，可在强电磁⼲扰的⼯业⽣产场合可靠运⾏，因⽽得到很快的发展。

它⽐传统的继电接触控制系统控制精度⾼、时间响应快、改变控制程序⽅便、开发周期⼤⼤缩短，⽽且设备体积⼩、能耗少。

设备结构除超⼩型、⼩型机为整体式的外，⼤多采⽤模块结构，⽤户可根据控制要求选择模块组成系统，⾮常灵活，维护维修也容易，⽽软件⼤多采⽤梯形图程序，具有继电接触控制线路清晰直观的优点，易被⼴⼤熟悉继电接触控制线路的⼯程技术⼈员接受。

随着微机技术的发展和新电⼦器件的不断出现，PLC 技术必将得到更⼤的发展，成为⼯业控制的主要⼿段和重要的基础控制设备之⼀。

PLC技术进⼊我国只有⼗⼏年时间，已经得到相当⼴泛的应⽤，许多⼯⼚企业已把它作为新产品开发、⽼产品更新及旧设备改造的重要控制⼿段。

其中应⽤最多的是进⾏开关逻辑控制。

⽬前国内的PC产品，功能越来越多样，有些⼩型机、超⼩型机也装置有⼀些特殊单元，如⾼速计数、定位、定时单元，甚⾄有模拟量输⼊、模拟量输出和PID单元，
可⽤来进⾏闭环过程控制图，应⽤前景⾮常⼴阔。

3.3可编程控制器简介
3.3.1 PLC的产⽣与发展
可编程控制器是以⾃动控制技术、微机技术和通信技术为基础发展起来的新⼀代⼯业控制装置，⽬前它已被⼴泛应⽤于各个领域。

早期的可编程控制器只能进⾏计数、定时及对开关量的逻辑控制。

因此，可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。

后来，可编程控制器采⽤微处理器作为其控制核⼼，它的功能已远远超过逻辑控制的范畴，于是⼈们⼜将其称为Programmable Controller ，简称PC 。

但个⼈计算机（Personal Computer）也常简称PC，为避免混淆，可编程控制器仍被称为PLC。

1987年，国际电⼯委员会（IEC）在可编程控制器国际标准草案第三稿中，对可编程控制器定义如下：可编程控制器是⼀种数字运算操作的电⼦系统，为⼯业环境下应⽤⽽设计。

它采⽤可编程序的存储器，⽤来在其内部存储执⾏逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输⼊与输出，控制各种机械或⽣产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于⼯业控制系统连成⼀个整体、易于扩充其功能的原则设计。

PLC是⽣产⼒发展的必然产物。

20世纪60年代初，美国的汽车制造业竞争激烈，产品更新换代的周期越来越短，其⽣产线必须随之频繁的变更。

传统的继电器控制对频繁变动的⽣产线很不适应。

⾃然，⼈们对控制装置提出了更⾼的要求，即经济、可靠、通⽤、易变、易修。

⾸先提出PLC概念的是美国最⼤的汽车制造⼚家通⽤公司（GM）。

1986年，该公司提出⽤⼀种新型控制装置替代继电器控制，这种控制装置更把计算机的通⽤、灵活、功能完善等优点与继电器控制的简单、易懂、操作⽅便、价格便宜等特点结合起来，⽽且要使那些不很熟悉电脑的⼈也能⽅便的使⽤。

根据这种设
想，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第⼀台PLC，并在美国GM公司的汽车⾃动装置⽣产线上试⽤获得成功。

由于PLC优越的性能，其问世后发展极为迅速。

1971年，⽇本引进了这项技术并开始⽣产PLC。

70年代中期，欧美及⽇本的⼀些⽣产⼚家，其PLC产品中多以微处理器及⼤规模集成电路芯⽚为其核⼼部件，使PLC的功能进⼀步扩展，并且有了⾃诊断功能，可靠性得到进⼀步提⾼。

随着微电⼦技术的迅猛发展，80年代中期，PLC⼏乎完全计算机化，其速度更快、功能更强，PLC的各种智能化模块不断的被开发出来，⼀些⼚家还推出了PLC的计算机辅助编程软件，许多⼩型PLC的性能也不可⼩视。

现在，PLC不仅能进⾏逻辑控制，在模拟量的闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联⽹及集散控制等⽅⾯都得到⼴泛的应⽤。

如今⼤、中、甚⾄⼩型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还具有PID功能。

这些功能使PLC 应⽤与模拟量的闭合相应的传感器及伺服装置，PLC可以实现数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备（如触摸屏）可以实时显⽰采集到的现场数据及分析结果，为分析、研究系统提供依据；利⽤PLC的⾃检信号可实现系统监控；PLC 具有较强的通信功能，可与计算机或其他智能装置进⾏通信和联⽹，从⽽能⽅便地实现集散控制。

功能完备的PLC不仅能满⾜控制的要求，还能满⾜现代化⼤⽣产的需要。

⽬前，世界上⼀些著名的电器⽣产⼚家⼏乎都在⽣产PLC，产品功能⽇趋完善、换代周期越来越短。

为了进⼀步扩⼤PLC在⼯业⾃动化领域的应⽤范围，适应⼤、中、⼩型企业的不同需要，PLC产品⼤致向两个⽅向发展：⼩型PLC向体积缩⼩、功能增强、速度加快、价格低廉的⽅向发展，使之能更加⼴泛地取代继电器控制，更便于实现机电⼀体化；⼤中型PLC向可靠性、⾼速度、多功能、⽹络化的⽅向发展，将PLC 系统的控制功能和信息管理功能融为⼀体，使之能对⼤规模、复杂系统进⾏综合性的⾃动控制。

我国从70年代中期开始研制PLC。

1977年，我国采⽤美国Motorola 公司的⼀位机集成芯⽚，研制成功了国内第⼀台有实⽤价值的PLC。

此后，在不断引进国外PLC⽣产线的同时，积极开发国产PLC。

许多企业在PLC的应⽤⽅⾯进⾏了积极的探索，取得了成功的经验和良好的效益。

随着PLC产品性能价格⽐的不断提⾼，中⼩企业普及应⽤PLC的投资已经完全可以承受。

可以预见，PLC技术的推⼴应⽤会使我国的⼯业⾃动化⽔平产⽣⼀个⾰命性的飞跃。

3.3.2 PLC的基本结构与特点
可编程控制器内部的基本结构与普通微机是类似的，特别是和单⽚机的结构极为相似。

可编程控制器实施控制的基本原理是按⼀定算法实现输⼊、输出变换，并加以物理实现。

这种输⼊、输出变换就是信息处理。

当今⼯业控制中信息处理最为常⽤的⽅式是采⽤微处理机技术，PLC 也是利⽤微处理机技术将其应⽤于⼯业⽣产现场，使其专业化。

相对于普通微机，物理实现是PLC的特长，因为普通微机⼤多只考虑⾃⾝的数据、信息处理能⼒和通信等功能，⼜要考虑实际控制能⼒及其实现等问题。

因此，PLC在硬件设计时更注重I/O接⼝技术和抗⼲扰等问题的解
决。

根据控制系统的基本要求，PLC采⽤典型的计算机结构，它主要由中央处理单元CPU、存储器
（RAM，ROM，EFPROM，EEPROM等）、专门设计的输⼊输出接⼝电路、通信接⼝电源等单元组成。

PLC优越的性能表现在以下⼏个⽅⾯：
1.灵活性和通⽤性强
继电器控制系统的控制电路要使⽤⼤量的控制电器，需要通过⼈⼯布线、焊接、组装来完成电路的连接。

其致命的弱点是，如果⼯艺的要求稍有改变，控制电路必须随之做相应的变动，耗时且费⼒。

PLC是利⽤存储在主机内的程序实现各种控制功能的。

因此，在PLC外部接线改动极少，甚⾄可不必改动。

⼀台PLC可以⽤于不同的控制系统中，只不过改变了其中的程序罢了。

其灵活性和通⽤性是继电器控制电路所⽆法⽐拟的。

2.抗⼲扰能⼒强、可靠性⾼
继电器控制系统中，由于器件⽼化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，⼤⼤降低了系统的可靠性。

继电器控制系统的维修⼯作不仅耗⼒费时，⽽且停产维修所造成的损失也不可估量。

⽽在PLC控制系统中⼤量的开关动作是由⽆触点的半导体电路来完成，因此PLC可以直接安装在⼯业现场⽽稳定的⼯作。

从国外使⽤PLC的实际情况来看，平均⽆故障率可以达到⼏万甚⾄⼏⼗万⼩时以上。

因此PLC被誉为“专为适应恶劣的⼯业环境⽽设计的计算机”。

PLC在硬件和软件⽅⾯主要采取以下措施来提⾼其可靠性：
(1)硬件⽅⾯采取的措施
对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，均采⽤严格措施进⾏屏
蔽，以防外界⼲扰；对供电系统及输⼊电路采⽤多种形式的滤波，以消除或抑制⾼频⼲扰,也削弱了各部分之间的相互影响；对PLC内部所需的+5V电源采⽤多级滤波，并⽤集成电压调整器进⾏调整，以消除由于交流电⽹的波动引起的过电压、⽋电压的影响；采⽤光电隔离措施，有效地隔离了内部与外部电路之间的直接电联系，以减少故障和误动作；采⽤模块结构的PLC，⼀旦某⼀模块有故障，就可以迅速更换模块，从⽽尽可能缩短系统的故障停机时间。

(2)软件⽅⾯采取的措施
其⼀，对掉电、⽋电压、后备电池电压过低及强⼲扰信号等，PLC 通过监控程序定时的进⾏检测。

当检测到故障时，⽴即把当前状态保存起来，并禁⽌对程序的任何操作，以防⽌存储信息被冲掉。

故障排除后⽴即恢复到故障前的状态继续执⾏程序。

其⼆，PLC设置了监视定时器，如果程序每次循环的执⾏时间超过了规定值，表明程序进⼊了死循环，则⽴即报警。

其三，加强对程序的检查和校验，发现错误⽴即报警，并停⽌程序的执⾏。

其四，利⽤后备电池对⽤户程序及动态数据进⾏保护，确保停电时信息不丢失。

由于采取了以上措施，PLC的抗⼲扰能⼒和可靠性得到了⼤⼤的提⾼。

3.编程语⾔简单易学
虽然PLC是以微型计算机技术为核⼼的控制装置，但是不要求使⽤者精通计算机⽅⾯复杂的硬件和软件知识。

⼤多数PLC采⽤类似继电器控制电路的“梯形图”语⾔编程，清晰直观，简单易学，了解继电器控制线路的电⽓技术⼈员很容易接受。

4.PLC与外部设备的连接简单，使⽤⽅便。