基于plc的剥线机控制系统设计

摘要 (2)
一、研究的意义和背景： (3)
二、plc系统设计的一般方法 (4)
（一）Plc控制系统的组成 (4)
1、硬件部分 (4)
2、软件部分 (4)
（二）Plc系统设计步骤 (4)
（三）Plc系统设计方法 (5)
1、经验设计法 (6)
2、顺序功能图设计法 (6)
3、逻辑流程图设计法 (7)
三、剥线机系统控制设计 (7)
（三）剥线机软件系统设计 (12)
五、参考文献 (16)
摘要
本论文以作者基于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)综述了基于PLC的剥线机控制系统的研究背景、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。

(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。

一、研究的意义和背景：
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，设备贵，如深圳市光大激光技术有限公司生产的GD-C02-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Machine makers r. s.公司生产的CTSS 32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Thomas Net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。

二、plc系统设计的一般方法
（一）Plc控制系统的组成
PLC控制系统主要由硬件部分和软件部分组成。

1、硬件部分
PLC控制系统的硬件部分不仅包括符合系统控制要求的PLC机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块、通信模块、模拟量输入/输出模块和其他特殊功能模块等，还包括合适的外围装置，如输入设备(按钮、开关、传感器等)、输出设备(接触器、继电器等)和执行装置控制的现场设备(电机、水泵、阀门等)。

2、软件部分
PLC控制系统软件部分包括对I/O地址、内部继电器、定时器、计数器的使用和分配，根据要求设计的PLC控制程序及人机界面等。

（二）Plc系统设计步骤
PLC控制系统设计的一般步骤，具体分析如下:
(1)分析控制要求:在设计PLC控制系统之前，要深入了解和分析被控对象的工艺要求和控制要求，设计出令人满意的控制系统。

(2)确定输入/输出设备:根据控制要求选择合适的输入设备(控
制按钮、开关、传感器等)和输出设备(接触器、继电器等)，并确定PLC所需的I/O点数。

(3)选择合适的PLC:根据所需的I/O点数和具体PLC控制系统的功能要求，选择类型合适的PLC，需要考虑PLC的机型、存储容量、电源模块和其他功能模块等。

(4) I/O分配:规定PLC的I/O端子和输入/输出设备之间的对应关系，绘制出I/O端子的连接图。

(5) PLC程序设计:根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。

在PLC程序设计阶段一般先画出程序流程图，再编写程序。

(6)模拟调试:可以用按钮、开关来模拟数字量，用电压源和电流源来代替模拟量，对程序反复调试、修改，直到满足控制要求。

(7)现场安装与配线:将输入/输出设备与PLC之间的连线接好。

(8)联机调试:将PLC程序与现场的输入/输出设备一起进行调试，解决发现的问题，使系统满足控制要求。

(9)整理技术文档:要整理的技术文档包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单、元器件明细表、使用说明书等。

（三）Plc系统设计方法
在实际工程中，PLC程序设计有多种方法，如:经验设计法、顺序功能图设计法、逻辑流程图设计法、解析法(逻辑设计法)、时序图设计法等，前三种方法比较常用，也是本文在PLC程序设计中常用的方法。

1、经验设计法
经验设计法是根据系统工艺流程和控制要求，运用自己的或者别人的经验来设计PLC程序。

有时为了得到一个好的设计结果，需要进行多次调试和修改。

这种设计方法具有一定的局限性和随意性，设计所需的时间和设计的质量都与设计者的经验有很大的关系。

经验设计法一般用于对简单的控制系统的PLC程序设计，可以收到快速完成的效果。

对于比较复杂的控制系统，则很少采用经验设计法。

2、顺序功能图设计法
对于按动作的先后顺序进行控制的系统，适合使用顺序功能图法进行PLC程序设计。

顺序控制就是按照生产工艺规定的动作顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，各个执行机构有序的进行操作。

顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作(或命令)组成。

步又可称为工作步，它表示系统中的一个稳定状态;转换条件就是从一个步向另一个步转移时的触发条件;两个步之间用有向连线表示转换;在每个稳定状态(即一个步)下，可以有一个或者多个PLC输出触点的动作。

采用顺序功能图设计法时，首先要理顺系统的工艺控制过程，明确各步的转换条件;然后准确的画出顺序功能图，是使用这种设计方法的关键;最后根据顺序功能图来编程(一般用梯形图)。

要用好顺序功能图设计法，重要的是熟练掌握功能图的画法及根据功能图编程的方法。

3、逻辑流程图设计法
流程图即流程框图或称为框图，它是用约定的几何图形、有向线和简单的文字说明来描述控制系统的处理过程和程序的执行步骤。

流程图从结构上分有单一顺序流程图、并发顺序流程图及选择顺序流程图等。

逻辑流程图设计法就是根据控制系统的工艺流程，首先画出系统的逻辑流程框图，然后根据流程框图进行PLC程序设计。

这种设计方法类似于高级语言的编程方法。

这种方法详细地描述了控制系统的控制过程，便于设计、调试和维护程序，是设计PLC程序的有力工具，也是本文项目中用得最多的一种设计方法。

三、剥线机系统控制设计
目前，机械化剥线的发展以两种趋势为主，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;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，生产效率高，可精确控制剥线长度，但开发成本高，设备贵。

本章旨在探讨剥线机控制系统的设计与实现，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，它综合了以上两种控制系统的优点。

整个剥线机系统包括控制系统部分和机械部分，作者完成基于PLC的控制系统部分(其中单片机的编码部分由项目合作者梁俊英完
成)，其他机械部分委托东莞建通电子五金有限公司完成。

（一）剥线机总体设计要求
1、剥线机组成
图4-1为剥线机系统结构简图，由图可知，剥线机系统主要由三部分组成，分别是液晶显示部分、PLC控制部分、步进电机部分。

其中液晶显示部分包括同时将信息输入单片机和PLC的键盘、用于显示控制的单片机和液晶显示屏;PLC通过编程控制步进电机按要求动作，来完成系统功能，一部分错误信息由PLC编码送给单片机，解码后在显示屏上显示;步进电机部分包括四个步进电机及其驱动，步进电机的驱动接收由PLC发来的脉冲、方向等信号，驱动相应的电机来控制左滚轮、裁刀、右滚轮及扭线轮的运动。

4-1 剥线机系统结构简图
2、剥线机工作原理
图4-2为剥线机系统的工作原理图，图中右滚轮步进电机带动上、下右滚轮转动，从而带动被夹持的加工线左右移动;裁刀步进电机带动上、下两裁刀向相反方向运动，通过控制上、下裁刀之间的位移，实现剥皮和裁线的功能;左滚轮步进电机带动上、下左滚轮转动，从而带动被夹持的加工线左右移动;扭线轮步进电机带动上、下左滚
轮(扭线轮与左滚轮在物理上是指同一滚轮)向相反方向前后运动，实现扭线功能。

4-2 剥线机系统的工作原理图
（二）剥线机硬件系统设计
1、减少PLC输入点数原理
4-3 剥线机系统按键编码原理图
根据设计要求，剥线机控制系统共有36个输入按键和3个传感器(分别是刀座归位传感器、扭线轮归位传感器和线材检测传感器)，即共有39路输入。

按常规PLC输入接入将需要39点PLC输入，小型PLC一般只有16点输入，扩展输入模块将大大增加成本。

为了节省输入点数，经过多次方案对比，采用了如图4-3所示的按键编码方案。

将36路输入按6X6矩阵排列，经单片机编码后成6路输出，再经电平转换后变成PLC能识别的6路输入。

系统中36路按键中任意一个
按键按下，都将有6路信号分别传送到PLC的X1至X6口，然后再通过PLC编程解码来识别特定按键。

2、PLC设备选型及I/O分配
由上节可知，剥线机控制系统共有9路输入，即PLC需9点输入;PLC输出部分主要控制四台步进电机及错误信息编码等，经计算需16点输出。

经过对比、分析，选择了松下公司生产的FPO-T32型PLC。

松下FPO-T32型PLC除了具有一般的输入输出功能外，还具有非常丰富的扩展单元，如多种选择的I/O点数扩展，可方便实现功能的扩展;其他智能扩展模块，可实现各种不同的用途。

松下FPO-T32型PLC主要具有如下特点:
.超小型尺寸，长60mm，宽25mm，高90mm
.I/O点数为16点输入、16点输出，最大可以扩展到128点的选择空间
.价格相对便宜
.安装面积是同类产品中最小的
.程序容量可达到l OK步
剥线机控制系统PLC输入、输出模块对应具体应用的规划，如表4-4和表4-5所示。

4-4 剥线机控制系统PLC输入输出接线示意图
在图4-4中，PLC输出部分只画出了左滚轮步进电机和右滚轮步进电机的接线示意图，裁刀步进电机和扭线轮步进电机的接线情况类似。

YB片选信号控制选通裁刀步进电机或扭线轮步进电机，例如:当YB=0时，Y1输出的脉冲将驱动裁刀步进电机;当YB=1时，Y1输出的脉冲将驱动扭线轮步进电机。

Y6和Y8分别为裁刀步进电机和扭线
轮步进电机的方向控制。

（三）剥线机软件系统设计
4-5 为剥线机控制系统PLC主程序流程图
图4-5为剥线机控制系统PLC主程序流程图，通过键盘输入的各初始参数值信息将保存在对应寄存器中，在程序后续执行过程中都将用到这些初始值信息。

主程序中根据“三段剥皮”参数值来判断是进入两段剥皮程序流程还是执行三段剥皮程序流程:当“三段剥皮”参数为零时，执行两段剥皮程序;当“三段剥皮”参数不为零时，执行三段剥皮程序。

两段剥皮流程和三段剥皮流程是剥线机控制系统主程序中的两大核心模块，下面分别介绍这两个模块。

1、两段剥皮模块
根据前文的描述，可知两段剥皮又可分为5种剥皮方式(具体可参见“剥线机工作方式”一节)。

在图4-6所示的剥线机两段剥皮流程中，实现了所有这5种剥皮方式。

另外，剥线机的扭线功能也在此流程中实现。

两段剥皮模块是剥线机控制系统程序中最重要的部分。

4-5 剥线机两段剥皮流程图
4-6 剥线机三段剥皮流程图
根据控制要求，三段剥皮又包括4三段剥皮程序中，在剥线机控制系统的三段剥皮流程中没有扭线的功能种不同的剥皮方式(具体可
参见“剥线机工作方式”实现了所有这4种不同的剥皮方式。

4-7功能按键模块流程图
剥线机控制系统共有26个功能按键，各功能按键之间或与数字按键之间有一定的逻辑关系。

功能按键信息经过PLC程序解码后，以设置标志位的形式保存下来，根据多个按键标志的组合实现不同的功能。

图4-8数字按键输入模块流程图
剥线机控制系统共有10个数字输入按键，根据要求，每次最多键入6个数字，即PLC程序通过键盘最大可接收的数字是999999。

此模块数字按键的输入用于剥线机未启动前的参数设置阶段，在表示某参数的功能按键按下后，按下数字键，PLC主程序程序将调用此子程序。

总结
本章从PLC控制系统设计的角度出发，讨论了剥线机控制系统的设计与实现。

首先简要介绍了剥线机系统;接下来是控制系统的整体设计描述，包括步进电机脉冲计算、步进电机加、减速控制及剥线机的工作方式等内容;在剥线机硬件设计章节中，主要分析了PLC输入编码原理(为节省PLC输入端子), PLC设备的选型及I/O分配，绘出了PLC接线图;最后是剥线机控制系统的软件设计与实现，详细分析了剥线机的PLC程序设计思想和程序设计与实现流程。

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