#(通控系)畢業(yè)設(shè)計1

1、學科分類號：湖南人文科技學院本科生畢業(yè)設(shè)計題目:基于PLC的剝線機的控制系統(tǒng)的研究學生姓名：王子立學號08421234系部：通信和控制工程系專業(yè)年級：自動化08級指導教師：聶時君職稱:助教湖南人文科技學院教務(wù)處制湖南人文科技學院本科畢業(yè)設(shè)計誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。作者簽名：（手寫）二O年月日（手寫）基于PLC的

2、剝線機的控制系統(tǒng)的研究摘要:隨著激動控制理論和PLC技術(shù)的發(fā)展，具有易于使用、功能強大、高可靠性、擴展能力強、廣泛的適用性和組成控制系統(tǒng)的簡潔性等諸多優(yōu)點的PLC控制技術(shù)，得到了越來越廣泛的使用。本論文以作者研究的基于PLC的剝線機控制系統(tǒng)項目為背景，從PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的角度，完成了如下幾項工作。（1）綜述了PLC控制技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展、國內(nèi)外使用現(xiàn)狀以及和其他控制技術(shù)的對比、介紹了剝線機控制系統(tǒng)項目的來源、背景、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、研究意義。（2）探討了廣泛適用的基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計的一般方法，從PLC控制系統(tǒng)的組成、設(shè)計原則分析入手，重點分析了PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的方法和步驟

3、。（3）完成了基于PLC的剝線機控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括系統(tǒng)的總體設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。在該系統(tǒng)的總體設(shè)計中，分析了步進電機脈沖計算原理，采用了呈階梯形的速度曲線來控制步進電機的加、減速運動的控制方法；硬件的設(shè)計又包括減少PLC輸入點數(shù)設(shè)計、PLC設(shè)備選型、I/O分配、PLC接線圖、步進電機等內(nèi)容；軟件的設(shè)計主要是PLC程序的設(shè)計，包括主程序、兩段剝皮模塊、三段剝皮模塊、功能按鍵模塊、數(shù)字按鍵輸入模塊等。關(guān)鍵詞：PLC;步進電機；控制系統(tǒng)；剝線機TheStudyofControlSystemofWire-StrippingMachineBasedonPLCAbstract:Withthedev

4、elopmentofautomaticcontroltheoryandPLCtechnology,thePLCcontroltechnologywhichhasadvantagesofuseeasily,powerfulfunction,highreliability,strongexpansion,wideapplicabilityandthesimplicityofbuildingacontrolsystemandsoon,hasgotabroadapplicationincreasingly.Duringthestudytimeofgraduate,theauthorhasfinishe

5、dtheresearchworkofwire-machine.ThesystemisbasedonPLCtechnology.ThisisthebackgroundstothisarticlewhichmainlydiscussestheapplicationofthePLCcontroltechnology,andthefollowingresearchworkiscompleted.First,thisarticlegivesaoverviewofPLCcontroltechnologyaboutit'generation,development,statusquoofapplic

6、ationathomeandabroad,andthecontrastwithothercontroltechnique.Thesource,background,statusquoofresearchathomeanabroad,significaneeofresearchaboutthecontrolsystemofwire-strippingmachine,isintroduced.Second,amethodwhichissuitedwidelyaboutthedesignofcontrolsystembasedonPLCiscovered.Startingwiththestructu

7、reanddesignprincipleofcontrolsystembasedonPLC,analyzesthemethodandstepsofhardwaredesignandsoftwaredesignemphatically.Third,thedesignwhichincludestheoveralldesign,hardwaredesignandsoftwaredesigntothecontrolsystemofwire-strippingmachinebasedonPLCiscompleted.Tothesystem'overalldesign,calculatingthe

8、pulsenumberofsteppingmotorisanalyzed.What'moreisthatthemethodofspeedcurvelikeladdercontrollingsteppingmotorisusedalso.ThedesignofhardwaretothesystemincludesthedesignofreducingPLCinputnumbers,theselectionofPLCequipment,I/Odistribution,PLCwiringdiagram,steppingmotorandsoon.Thedesignofsoftwaretothe

9、systemisthedesignofPLCprogramwhichincludesmainroutines,twosegmentswire-strippingmodule,threesegmentswire-strippingmodule,functionalpressedkeysmoduleandtheinputmoduleofdigitalpressedkeysandsoon.Keywords：PLC;Steppingmotor;Controlsystem;Wire-strippingmachine第1章緒論隨著微電子技術(shù)、控制技術(shù)及信息技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC（即可編程邏輯控制器）控制技

10、術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。本章首先講述了PLC控制技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展、國內(nèi)外使用現(xiàn)狀、和其他控制技術(shù)的區(qū)別；然后介紹了基于PLC的剝線機控制系統(tǒng)的來源、研究背景、研究現(xiàn)狀及研究意義。1.1PLC控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展在早期的工業(yè)控制中，多采用繼電器控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)體積大、耗電多，改變生產(chǎn)程序非常困難。為改變這種狀況，20世紀60年代末期，美國通用汽車公司提出需求,公開招標。隨后，美國數(shù)字設(shè)備公司研制出了世界上第一臺可編程控制器，并成功的使用于汽車生產(chǎn)線上。隨后，日本、德國等相繼引入PLC技術(shù)，許多知名公司的加入使得PLC技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，如：日本的三菱、松下、OMRON;德國的西門子、BBC等公

11、司。目前，全世界約有200多家公司從事PLC的研究和制造，生產(chǎn)著400多個系列的產(chǎn)品。早期的可編程控制器指令系統(tǒng)簡單，只能完成順序控制，一般只具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，隨著微電子技術(shù)、控制技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC也在不斷發(fā)展。20世紀80年代后期，以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機化PLC得到了巨大的發(fā)展，使其在概念上、設(shè)計上、性價比等方面都有了很大的突破?？删幊炭刂破骶哂辛烁↑c運算、函數(shù)運算、高速計數(shù)、中斷計數(shù)、PID控制及聯(lián)網(wǎng)等功能，這些都使得PLC技術(shù)的使用范圍和領(lǐng)域不斷擴大。1.2PLC控制技術(shù)國內(nèi)外使用現(xiàn)狀目前，不僅在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，PLC控制技術(shù)在其他領(lǐng)域也已得到了廣泛

12、的使用。在國內(nèi)，楊建等人引進PLC控制技術(shù)，設(shè)計了水凈化工藝控制系統(tǒng)，PLC在該系統(tǒng)的水凈化過程中控制加藥加氯動作，實現(xiàn)了水處理系統(tǒng)的自動化，減輕了人工的勞動強度，取得了不錯的效果；在太陽能開發(fā)領(lǐng)域，耿立明等人成功設(shè)計了基于PLC的太陽能熱水器控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，PLC通過控制液位、電源的通斷、采集溫度和風壓等數(shù)據(jù)實現(xiàn)了自動控制的功能；在裂紋檢測領(lǐng)域，王建國等人設(shè)計的基于PLC的裂紋檢測臺，很好的發(fā)揮了PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、智能化的優(yōu)點，在汽車輪轂等轉(zhuǎn)軸零件的檢測中取得了良好的效果；在煤炭生產(chǎn)領(lǐng)域，呂書勇利用PLC控制技術(shù)的優(yōu)點，設(shè)計的基于PLC的焦化備煤控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了金馬焦化廠備煤過程

13、，滿足了生產(chǎn)需要，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率；在垃圾處理領(lǐng)域，郭瑞國設(shè)計的基于PLC的垃圾焚燒爐控制系統(tǒng)，發(fā)揮了PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、便于操作、易于控制的優(yōu)點，保證了垃圾焚燒爐安全經(jīng)濟運行、爐溫穩(wěn)定、尾氣污染控制達標；在船舶領(lǐng)域，董猛利用PLC控制技術(shù)抗干擾能力強，組成的控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡單等特點，實現(xiàn)船舶主機遙控系統(tǒng)的主要功能，設(shè)計了基于PLC的船舶主機遙控系統(tǒng)，特別適合于在中、小型船舶上使用，也可使用于在船舶的主機遙控系統(tǒng)的改造設(shè)計中。在國外，在設(shè)計的工廠信息系統(tǒng)中，將PLC使用于采集、預處理并傳送實時數(shù)據(jù)給計算機，節(jié)約了成本，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，收到了很好的效果；在生物研究領(lǐng)域，F(xiàn)red

14、erico等人為了研究微生物在不同濃度氧氣環(huán)境中的生長和生產(chǎn)情況，在使用的帶氧化功能的生物反應(yīng)器中，PLC被用來自動控制氧氣的濃度，獲得了成功的使用；AtefA.Ata等人在機器人使用于顏色識別的研究中也成功引入了PLC技術(shù)。在線加工領(lǐng)域，PLC控制技術(shù)也得到了一些使用口：丁士啟將PLC使用在銅線加工中；榮竑將PLC使用在環(huán)錠捻線機上等等，但總的來說，在線加工領(lǐng)域PLC控制技術(shù)的使用還不太多，因此，本文的研究對PLC控制技術(shù)在線加工領(lǐng)域的使用具有一定的參考意義。1.3PLC控制技術(shù)和其他控制技術(shù)的區(qū)別隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了多種實用的控制技術(shù)，如繼電器控制技術(shù)、計算機控制技術(shù)、

15、單片機控制技術(shù)及PLC控制技術(shù)等，每種控制技術(shù)有各自的優(yōu)缺點和使用領(lǐng)域。1.4剝線機控制系統(tǒng)的研究背景、研究現(xiàn)狀及研究意義對線束使用需求大的電子行業(yè)，手工剝線往往既費時又不能滿足需求，剝線機械化是必然的趨勢。隨著電子技術(shù)以及通訊技術(shù)的發(fā)展，對線束使用需求量大的電子行業(yè)，剝線機械化是必然?，F(xiàn)在剝線機也有多種多樣的控制技術(shù)，工業(yè)現(xiàn)場控制提出了以高性能、穩(wěn)定、可靠及高性價比的PLC設(shè)備為剝線機系統(tǒng)的核心控制部分。隨著可編程控制器技術(shù)的發(fā)展，為剝線機技術(shù)帶來了強有力的支持，但僅僅依靠單獨的PLC系統(tǒng)控制剝線機還不夠，這里運用到PLC和上位計算機的組合，來使得控制系統(tǒng)更加的穩(wěn)定和智能化，能夠最直觀的對工

16、業(yè)流程進行控制，達到更高效的目的。1.5本章小結(jié)本章首先對PLC控制技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展和國內(nèi)外使用現(xiàn)狀作了些探討，并和其他控制技術(shù)作了詳細的比較；然后介紹了剝線機控制系統(tǒng)的來源、背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究意義等。第二章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般方法將PLC控制技術(shù)使用和工程的過程即是設(shè)計基于PLC的控制系統(tǒng)的過程?；赑LC的控制系統(tǒng)的設(shè)計在不同的使用中會有不同，如簡單的使用可能只需設(shè)計PLC的輸入/輸出模塊的功能，而復雜的使用可能需要設(shè)計PID控制及PLC聯(lián)網(wǎng)等復雜功能。本章旨在探討一種廣泛適用的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計方法，在完成本章內(nèi)容的過程中，參考了大量的國內(nèi)外PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的使用實例，同時

17、結(jié)合了在實踐項目中的一些設(shè)計經(jīng)驗。本章內(nèi)容對于在工程使用中設(shè)計基于PLC的控制系統(tǒng)具有一定的指導意義。2.1PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理PLC是基于PLC的控制系統(tǒng)的核心部分，設(shè)計基于PLC的控制系統(tǒng)先要理解PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理。的基本結(jié)構(gòu)PLC的組成和計算機十分相似，主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）接口、電源等部分組成，如圖2-1所示。電源來自用戶設(shè)*丄輸入接中央灶理番x«出接口*至用戶設(shè)備存r塢程樹圖2-1PLC的基本組成簡圖（1）中央處理器（CPU）:CPU是PLC的核心，控制從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)的接收和存儲；用掃描的方式通過I/O部件接收現(xiàn)場的狀態(tài)

18、或數(shù)據(jù)；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等；執(zhí)行用戶程序、完成各種數(shù)據(jù)的運行、傳遞和存儲等功能；根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新相關(guān)標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)存儲器的內(nèi)容，實現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能?，F(xiàn)代PLC常用的CPU有通用微處理器、單片機微處理器和位片式微處理器。（2）存儲器：根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，PLC存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。系統(tǒng)存儲器用來存放系統(tǒng)程序，并固化在ROM中，用戶不能直接更改。用戶存儲器包括用戶程序存儲器和功能存儲器兩部分。用戶存儲器用來存放根據(jù)具體的控制任務(wù)編寫的PLC程序，需要經(jīng)常調(diào)試、修改，存儲器類型一般為RAM、EPROM或EEPR

19、OM等。用戶功能存儲器則一般用來存放用戶程序中使用的狀態(tài)變量，數(shù)值數(shù)據(jù)等。（3）輸入/輸出（I/O）接口：PLC通過I/O接口和外界連接，輸入接口接收和采集開關(guān)量輸入信號或模擬量輸入信號，如按鈕、行程開關(guān)、電位器、傳感器等；輸出接口連接被控對象中的各種執(zhí)行元件，如電磁閥、指示燈、電機等。（4）電源：小型PLC內(nèi)部有一個開關(guān)式穩(wěn)壓電源，一般可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供24V直流電源。的工作原理PLC從硬件結(jié)構(gòu)上看和計算機組成相似，它也有中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）接口、電源等。PLC有兩種操作方式：RUN方式和STOP方式。在RUN方式，通過執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制功

20、能；在STOP方式，CPU不執(zhí)行用戶程序，可用編程軟件創(chuàng)建和編輯用戶程序，并將用戶程序下載到PLC中。PLC的工作過程可以概括地歸納為上電初始化，CPU自診斷過程，網(wǎng)絡(luò)通信處理，用戶程序掃描，輸入/輸出信息處理等五個階段。圖2-2為PLC的工作過程示意圖。圖2-2PLC的工作過程（1）上電初始化：PLC上電后進行系統(tǒng)初始化，清除內(nèi)部繼電器區(qū)，復位定時器等，對電源、PLC內(nèi)部電路、用戶程序的語法進行檢查。（2）CPU自診斷：PLC在每個掃描周期都要進入CPU自診斷階段，以確保系統(tǒng)可靠進行。自診斷程序定期檢查用戶程序存儲器、I/O單元的連接、I/O總線是否正常，定期復位監(jiān)控定時器等。（3）網(wǎng)絡(luò)通信

21、處理：配有網(wǎng)絡(luò)的PLC系統(tǒng)才有此處理過程。在這個階段，進行PLC之間以及PLC和計算機或其他終端設(shè)備之間的信息交換。（4）用戶程序掃描階段：PLC靠執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制要求。PLC的CPU采用分時操作的原理，其工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描過程，掃描從第一條用戶程序測試，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲地址號遞增的方式順序逐條掃描用戶程序，也就是順序執(zhí)行程序，直到程序結(jié)束，即完成一個掃描周期，然后又從頭開始執(zhí)行用戶程序，并周而復始地重復。（5）輸入/輸出信息處理：PLC在正常運行狀態(tài)下，每一個掃描周期都要進行輸入、輸出信息處理，PLC在內(nèi)存中設(shè)置了兩個映像區(qū)；將運算后的結(jié)果存入輸出映像區(qū)

22、，直至傳送到外部被控設(shè)備。的編程語言PLC的邏輯控制功能是通過編程語言來實現(xiàn)的。一般來說，有五種PLC編程語言；順序功能圖、功能塊圖、梯形圖、指令表和結(jié)構(gòu)文本、其中最常用的是順序功能編程語言和梯形圖編程語言，下面具體介紹這兩種編程語言。(1)順序功能圖(SFC)圖2-3順序功能圖圖2-3順序功能圖順序功能圖(SequentialFunction,SFC)是為了滿足順序邏輯控制而設(shè)計的編程語言。編程時將動作流程分成步和轉(zhuǎn)換條件，如圖2-3所示，根據(jù)轉(zhuǎn)換條件一步一步的按照順序動作來執(zhí)行控制過程。圖中每一步代表一個控制功能任務(wù)，每個控制任務(wù)可以有一個或者多個動作。每一步用一個方框表示，在方框內(nèi)有用于

23、完成相應(yīng)控制功能任務(wù)的梯形圖邏輯。順序功能圖使程序的結(jié)構(gòu)清晰，易于閱讀和維護，減輕了編程、調(diào)試的工作量，主要使用和系統(tǒng)的規(guī)模大、程序關(guān)系較復雜的場合。(2) 梯形圖(LD)梯形圖(LadderDiagram,LD)是PLC程序設(shè)計中用得最多的一種編程語言。梯形圖采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。在PLC梯形圖中使用的內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器等都是由軟件來實現(xiàn)的，因而使用方便，修改靈活。梯形圖和繼電器控制系統(tǒng)的電路圖非常相似，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，易于掌握和學習梯形圖，使得梯形圖得到了廣泛的使用。圖2-4為一個簡單的三菱FX2N系列PLC梯形

24、圖示例。KjIIR10hP11.圖2-4三菱FX2N系列PLC梯形圖2.2PLC控制系統(tǒng)的組成PLC控制系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。（1）硬件部分PLC控制系統(tǒng)的硬件部分不僅包括符合系統(tǒng)控制要求的PLC機型、存儲器容量、輸入/輸出模塊、電源模塊、通信模塊、模擬量輸入/輸出模塊和其他特殊功能模塊等，還包括合適的外圍裝置，如輸入設(shè)備（按鈕、開關(guān)、傳感器等）、輸出設(shè)備（接觸器、繼電器等）和執(zhí)行裝置控制的現(xiàn)場設(shè)備（電機、水源、閥門等）。（2）軟件部分PLC控制系統(tǒng)軟件部分包括對I/O地址、內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器的使用和分配，根據(jù)要求設(shè)計的PLC控制程序及人機界面等。2.3PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

25、原則PLC控制系統(tǒng)是為現(xiàn)場工藝控制服務(wù)的，其設(shè)計一般應(yīng)遵循以下幾個原則：（1）根據(jù)工藝流程進行設(shè)計，保證能滿足控制對象的工藝要求，能按照工藝流程準確、可靠的工作。（2）在滿足控制要求的前提下，設(shè)計合理、經(jīng)濟，既要能發(fā)揮PLC控制技術(shù)的優(yōu)點,又要盡量減少PLC系統(tǒng)硬件的費用。（3）要考慮PLC控制系統(tǒng)未來的可擴展性。（4）控制系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)力求簡單、實用，操作、維護、檢修方便，安全可靠。2.4PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟圖2-5為PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟，具體分析如下：（1）分析控制要求：在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)之前，要深入了解和分析被控對象的工藝要求和控制要求，設(shè)計出令人滿意的控制系統(tǒng)。（2）確定輸

26、入/輸出設(shè)備：根據(jù)控制要求選擇合適的輸入設(shè)備（控制按鈕、開關(guān)、傳感器等）和輸出設(shè)備（接觸器、繼電器等），并確定PLC所需的I/O點數(shù)。（3）選擇合適的PLC:根據(jù)所需的I/O點數(shù)和具體PLC控制系統(tǒng)的功能要求，選擇類型合適的PLC，需要考慮PLC的機型、存儲容量、電源模塊和其他功能模塊等。（4）I/O分配：規(guī)定PLC的I/O端子和輸入/輸出設(shè)備之間的對應(yīng)關(guān)系，繪制出I/O端子的連接圖。（5）PLC程序設(shè)計：根據(jù)控制對象和控制要求對PLC進行編程。在PLC程序設(shè)計階段一般先畫出程序流程圖，在編寫程序。（6）模擬調(diào)試：可以用按鈕、開關(guān)來模擬數(shù)字量，用電壓源和電流源來代替模擬量，對程序反復調(diào)試、修改

27、，直到滿足控制要求。(7) 現(xiàn)場安裝和配線：將輸入/輸出設(shè)備和PLC之間的連線接好。(8) 聯(lián)機調(diào)試：將PLC程序和現(xiàn)場的輸入/輸出設(shè)備一起進行調(diào)試，解決發(fā)現(xiàn)的問題，使系統(tǒng)滿足控制要求。(9) 整理技術(shù)文檔：要整理的技術(shù)文檔包括設(shè)計說明書、I/O接線原理圖、程序清單、元器件明細表、使用說明書等。2.5PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計中硬件設(shè)計和軟件設(shè)計是兩個主要部分。PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要指硬件的選型、外部電路的設(shè)計及PLC接線圖的繪制等，其中PLC及其功能模塊的選擇又是硬件設(shè)計中首要考慮因素，也是本節(jié)PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的主要探討內(nèi)容。機型選擇在考慮PLC機型時，在滿足系

28、統(tǒng)功能的前提下，選擇最可靠、使用和維護方便及性價比最優(yōu)的機型。PLC機型一般分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)，對于控制過程比較簡單的系統(tǒng)一般選用低檔整體式結(jié)構(gòu)機型，對于控制過程比較復雜、控制功能要求較高的系統(tǒng)，如要求實現(xiàn)PID運算、環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等，可根據(jù)控制規(guī)模及復雜的程度，選用中檔或高檔模塊式結(jié)構(gòu)機型，便于功能的擴展。另外，由于PLC是直接針對工業(yè)控制設(shè)計的一種控制器，生產(chǎn)廠家在設(shè)計時都把它考慮成能在惡劣的環(huán)境條件下可靠的工作。盡管如此，不同的PLC還是有不同的環(huán)境技術(shù)條件，因此，在設(shè)計控制系統(tǒng)時，對環(huán)境條件要進行充分的考慮。模塊及點數(shù)的選擇PLC控制系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過I/O接口模塊來

29、實現(xiàn)的。PLC輸入端子從現(xiàn)場收集的信息及輸出端子輸出給外部設(shè)備的控制信號都需要經(jīng)過一定距離，為了確保這些信息的準確無誤，PLC的I/O接口模塊都具有較好的抗干擾能力。根據(jù)實際使用的不同，PLC相應(yīng)有許多種I/O接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊，可根據(jù)實際需要進行選擇使用。I/O點數(shù)的確定既要盡可能的降低費用，又要充分考慮一定的余量，一般I/O點數(shù)較多，PLC價格也高，若備用的I/O點數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對象的輸入、輸出總點數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴充，通常I/O點數(shù)按實際需要的10%20%考慮備用量。存儲容量的選擇PLC用戶程序所需的存儲

30、容量主要和系統(tǒng)的I/O點數(shù)、控制要求、編程者的編程水平等有關(guān)。一般情況下，PLC的存儲容量隨著機型的大小變化，小機型PLC的最大存儲容量一般低于6KB，中等機型的PLC最大存儲容量一般可到64KB，而大機型的PLC最大存儲容量可達到上兆字節(jié)。選擇存儲容量時一般只能做大致的估算：用戶存儲容量=開關(guān)量輸入點數(shù)X10+開關(guān)量輸出點數(shù)X5+模擬量輸入/輸出點數(shù)X100（字節(jié)）。為了使用的方便，一般也應(yīng)留有估算容量的30%50%的余量，對于經(jīng)驗缺乏者，留有的余量應(yīng)該更大些。特殊功能模塊的選擇模塊式結(jié)構(gòu)的PLC有許多擴展功能模塊可供選擇。在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，可能會遇到開關(guān)量I/O模塊或模擬量I/O模塊

31、不能解決的問題，如A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、高速計數(shù)、PLC通信、PID運算等，此時可根據(jù)控制系統(tǒng)的功能需求來選擇合適的特殊功能模塊。2.6PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計PLC控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要包括PLC程序設(shè)計和人機界面設(shè)計。程序設(shè)計步驟圖2-6為PLC程序設(shè)計的基本步驟，具體分析如下：r*開始設(shè)計前期準備工作程序邏輯流程圖設(shè)計編寫程序修改程序修改程序模擬調(diào)試否模擬調(diào)試正常?現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試聯(lián)機調(diào)試正常?修改程序否整理技術(shù)文件'設(shè)計結(jié)束r圖2-6plC鬼序設(shè)計步驟(1) 前期準備工作：這一步主要是詳細分析控制系統(tǒng)的工業(yè)流程和控制要求，了解各種被控設(shè)備的特征。如果控制系統(tǒng)比較復雜，可以將控制系統(tǒng)

32、分成多個模塊，這樣有利于簡化編程。(2) 程序邏輯流程圖設(shè)計：根據(jù)控制系統(tǒng)工藝要求和控制系統(tǒng)的具體情況，確定程序的邏輯流程圖。如果是分模塊設(shè)計，分別設(shè)計各模塊的邏輯流程圖，然后確定各模塊之間的連接關(guān)系。程序流程圖是PLC編程的主要依據(jù)，要盡可能詳細。(3) 編寫程序：根據(jù)設(shè)計出的流程圖來編寫程序，這是整個PLC程序設(shè)計的核心部分。在保證程序準確、可靠的同時，要及時地對編出的程序進行注釋，便于閱讀、調(diào)試和修改程序。(4) 模擬調(diào)試：程序編寫完成后，可借助于電壓源、電流源、開關(guān)等設(shè)備來進行程序的模擬調(diào)試?？煞謫卧蚍帜K來調(diào)試程序，然后對整個程序進行調(diào)試。（5）現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試：將PLC程序和現(xiàn)場的輸

33、入/輸出設(shè)備一起進行調(diào)試，及時解決發(fā)現(xiàn)的問題，這是整個控制系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，只有經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，才能確定控制系統(tǒng)的設(shè)計是否滿足控制要求。（6）整理技術(shù)文件：對軟件部分來說，技術(shù)文件主要包括PLC程序、邏輯流程圖、使用說明書和幫助文件等。程序設(shè)計方法在實際工程中，PLC程序設(shè)計有許多種方法，女口：經(jīng)驗設(shè)計法、順序功能圖設(shè)計法、邏輯流程圖設(shè)計法、分析法（邏輯設(shè)計法）、時序圖設(shè)計法等，前三種方法比較常見，也是本文在PLC程序設(shè)計中常用的方法。（1）經(jīng)驗設(shè)計法經(jīng)驗設(shè)計法是根據(jù)系統(tǒng)工藝流程和控制要求，運用自己的或者別人的經(jīng)驗來設(shè)計PLC程序。有事為了得到一個好的設(shè)計結(jié)果，需要進行多次調(diào)試和修改。這種設(shè)

34、計方法具有一定的局限性和隨意性，設(shè)計所需的時間和設(shè)計的質(zhì)量都和設(shè)計者的經(jīng)驗有很大的關(guān)系。經(jīng)驗設(shè)計法一般用于對簡單的控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計，可以收到快速完成的效果。對于比較復雜的控制系統(tǒng)，則很少采用經(jīng)驗設(shè)計法。（2）順序功能圖設(shè)計法對于按動作的先后順序進行控制的系統(tǒng)，適合使用順序功能圖法進行PLC程序設(shè)計。順序控制就是按照生產(chǎn)工藝規(guī)定的動作順序，在各個輸入信號的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間的順序，各個執(zhí)行機構(gòu)有序的進行操作。順序功能圖主要由步、有向連線、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和動作（或指令）組成，如圖2-3所示為順序功能圖的表示方式。步又可稱為工作步，它表示系統(tǒng)中的一個穩(wěn)定狀態(tài)；轉(zhuǎn)換條件就是從一個步向另

35、一個步轉(zhuǎn)移時的觸發(fā)條件；兩個步之間用有向連接表示轉(zhuǎn)換；在每個穩(wěn)步狀態(tài)（即一個步）下，可以有一個或者多個PLC輸出觸電的動作。采用順序功能圖設(shè)計法時，首先要理順系統(tǒng)的工藝控制過程，明確各步的轉(zhuǎn)換條件；然后準確的畫出順序功能圖，是使用這種設(shè)計方法的關(guān)鍵；最后根據(jù)順序功能圖來編程（一般用梯形圖）。要用好順序功能圖設(shè)計法，重要的是熟練掌握功能圖的畫法及根據(jù)功能圖編程的方法。（3）邏輯流程圖設(shè)計法流程圖即流程框圖或稱框圖，它是用約定的幾何圖形，有向線和簡單的文字說明來描述控制系統(tǒng)的處理過程和程序的執(zhí)行步驟。流程圖從結(jié)構(gòu)上分有單一順序流程圖，并發(fā)順序流程圖及選擇順序流程圖等。圖2-7為單一順序流程圖的表示

36、方法。動作1動作2圖2-7單一順序流程圖邏輯流程圖設(shè)計法就是根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝流程，首先畫出系統(tǒng)的邏輯流程框圖，然后根據(jù)流程框圖進行PLC程序設(shè)計。這種設(shè)計方法類似于高級語言的編程方法。這種方法詳細地描述了控制系統(tǒng)的控制過程、便于設(shè)計、調(diào)試和程序維護，是設(shè)計PLC程序的有力工具，也是本人項目中用得最多的一種設(shè)計方法。人機界面設(shè)計在某些場合的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計中，需要有方便用戶操作的人機界面。人機界面的功能有：一是通過人機界面，滿足用戶方便的和機器“交流”；二是通過人機界面中諸如仿真動畫，實時數(shù)據(jù)顯示等，用戶可以獲得系統(tǒng)執(zhí)行過程中的一些重要信息；三是用戶可以通過人機界面選擇命令，鍵入數(shù)據(jù)或設(shè)置

37、參數(shù)等方式來調(diào)整控制系統(tǒng)的執(zhí)行。在人機界面設(shè)計時，通常需要考慮以下幾點：（1）使用對象：控制系統(tǒng)的使用對象不同，要求也會不同。生產(chǎn)一線的工人通常要求設(shè)計的界面簡單，容易掌握，提示功能豐富；具有一定專業(yè)技術(shù)知識的人員，通常要求界面盡可能多的包含有用信息量（2）學習的難易程度：在人機界面設(shè)計時，要盡可能的有形象提示，讓用戶花少量的時間就能掌握。（3）人機界面的控制方式：人機交互方式有多種類型，如對話方式、命令語言方式、菜單界面方式、功能按鍵方式、填表式界面及圖形符號界面等。通常在實際項目中用得最多的是菜單界面方式和功能按鍵方式。（4）編程語言的選擇：人機界面的設(shè)計可使用常用的計算機語言，如VB、V

38、C、DELPHI等，也可使用工業(yè)組態(tài)軟件來設(shè)計。設(shè)計人員可根據(jù)實際情況來選擇。（5）硬件的選擇：人機界面的開發(fā)需要有硬件的支持，如計算機、觸摸屏等，可根據(jù)系統(tǒng)的實際情況和要求來選擇。2.7本章小結(jié)本章首先介紹了PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；然后主要分析了PLC控制系統(tǒng)的組成、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原則和設(shè)計步驟、PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的一些要點，為后續(xù)的章節(jié)的剝線機控制系統(tǒng)的研究做好準備。第三章剝線機系統(tǒng)的設(shè)計和研究目前，機械化剝線的發(fā)展以兩種趨勢為主，一種是面向精度要求不高的低端用戶，以單片機為控制核心，配以機械刀具的剝線機，這種系統(tǒng)設(shè)計成本較低，一般精度不高;另一種是面向精度要求的

39、高端用戶，一般采用PLC或單片機為控制核心，加上比較先進的激光技術(shù)，生產(chǎn)效率高，可精確控制剝線長度，但開發(fā)成本高，設(shè)備貴。本章旨在探討剝線機控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，突出了以高性能、穩(wěn)定、可靠及高性價比的PLC設(shè)備作為剝線機系統(tǒng)的核心控制部分，通過定位準確的步進電機控制切刀的運動，它綜合了以上兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點。整個剝線機系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)部分和機械部分，作者完成基于PLC的控制系統(tǒng)部3.1剝線機系統(tǒng)簡介及具體設(shè)計要求剝線機系統(tǒng)的組成圖3-1為剝線機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖，由圖可知，剝線機系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是液晶顯示部分、PLC控制部分、步進電機部分，其中液晶顯示部分包括同時將信息輸入單片機和PLC的

40、鍵盤、用于顯示控制的單片機和液晶顯示屏；PLC通過編程控制步進電機按要求動作，來完成系統(tǒng)功能，一部分錯誤信息由PLC編碼送給單片機，解碼后在顯示屏上顯示；步進電機部分包括四個步進電機及其驅(qū)動，步進電機的驅(qū)動接收由PLC發(fā)來的脈沖、方向等信號，驅(qū)動相應(yīng)的電機來控制左滾輪、裁刀、右滾輪及扭線輪的運動。剝線機系統(tǒng)工作原理圖3-2為剝線機系統(tǒng)的工作原理圖，圖中右滾輪步進電機帶動上、下右滾輪轉(zhuǎn)動，從而帶動被夾持的加工線左右移動；裁刀步進電機帶動上、下兩裁刀向相反方向運動，通過控制上、下裁刀之間的位移，實現(xiàn)剝皮和裁線的功能；左滾輪步進電機帶動上、下左滾輪轉(zhuǎn)動，從而帶動被夾持的加工線左右移動；扭線輪步進電機

41、帶動上、下左滾輪向相反方向運動，實現(xiàn)扭線功能。剝線機具體設(shè)計要求（1）按鍵設(shè)置各控制參數(shù)：根據(jù)初始設(shè)置值的不同，剝線機共有9種不同的工作方式，即能加工9種不同要求的線束；可以增、減對已被加工成裸線部分線束的扭線功能，包括4種扭線方式。（2）啟停控制：如果無故障檢測報錯，按下啟動按鈕可啟動剝線機自動工作；按下停止按鈕時剝線機完成當前一條線束才停止工作；按下緊急停止按鈕時，剝線機立即停止所有工作。（3）連續(xù)剝線：要求剝線機能連續(xù)剝線，直到設(shè)定的工作數(shù)量。（4）自動計數(shù)：每剝完一條線，剝線機根據(jù)設(shè)定可以按加1或者加2計數(shù)；自動計數(shù)又分本次加工計數(shù)和累積總計數(shù)。（5）實時顯示：要求液晶顯示屏能實時顯示

42、各個設(shè)定的數(shù)據(jù)、故障報錯、工作計數(shù)等。（6）故障報錯：故障報錯包括設(shè)定數(shù)據(jù)時超出剝線機參數(shù)范圍，扭線輪、裁刀未歸位，缺線等情況。（7）其他：適合線徑為AWG#16AWG#32;剝線精度為0.1毫米；系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠。3.2剝線機控制系統(tǒng)總體設(shè)計步進電機脈沖計算步進電機在控制系統(tǒng)中是執(zhí)行元件，步進電機運行的可靠性關(guān)系到剝線機控制系統(tǒng)對線束的加工精度。在剝線機控制系統(tǒng)中，PLC是通過向步進電機發(fā)送脈沖的多少來精確控制步進電機轉(zhuǎn)動的距離。步進電機的步距角是脈沖計算中的一個重要參數(shù)，步距角是指，當輸入一個電脈沖時，電動機轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過角度的理論值，其計算公式如下：_360NZ（3-1）其中：N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

43、過一個齒距的運行拍數(shù)；Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。那么步進電機轉(zhuǎn)動一圈需要的脈沖數(shù)量為360W個。在剝線機控制系統(tǒng)中，步進電機和滾輪間通過皮帶傳動。下面主要分析左滾輪步進電機機械傳遞的情況（其他執(zhí)行輪的機械傳動和此類似）左滾輪左滾輪步進電機圖3-3左滾輪步進電機機械傳動簡圖在圖3-3中，步進電機齒輪和左滾輪齒輪之間的傳動比為1:Kp，即左滾輪轉(zhuǎn)動一圈，步進電機需要轉(zhuǎn)動Kp圈。N這樣，在知道左滾輪周長L的情況下，可得出單位長度左滾輪步進電機需要的脈沖Np數(shù)N的計算公式：L*eNi360*Kp(3_2)有式(3-2)可知，算公式為：當左滾輪送線S長時PLC需要發(fā)送給步進電機的脈沖數(shù)NP的計360*Kp*SL*

44、二(3-3)步進電機加、減速控制步進電機的轉(zhuǎn)速V(r/min)步進電機的轉(zhuǎn)速V(r/min)計算公式如下:V畢NZ(3-4)其中：F為輸入脈沖的頻率其中：F為輸入脈沖的頻率(Hz);N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距的運行拍數(shù)；Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。可見步進電機的轉(zhuǎn)速，取決于輸入的脈沖頻率的高低，因此，步進電機的運動控制問題從根本上說就是要控制輸入到步進電機的脈沖頻率。步進電機的加、減速過程其實是加、減速運行和時間之間的辯證的關(guān)系，影響因素包括電機每步的速度差距的大小，以及加、減速過程的長短。步進電機每步運行的速度差距過大，會使電機輸出力矩不足，無法正常運行或出現(xiàn)失步的情況；加、減速過程過短，則需要更多的運行時間

45、來使其穩(wěn)定運行。步進電機在加速、恒速、減速各個階段，轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率、步進電機的負載轉(zhuǎn)矩、慣性轉(zhuǎn)矩有關(guān)。為了防止失步，改善步進電機運行平穩(wěn)性和可靠性，在剝線機控制系統(tǒng)中，采用了呈階梯型的速度曲線來控制步進電機的加、減速運動，圖3-4為本系統(tǒng)圖3-4步進電機加、減速曲線示意圖上圖中，F(xiàn)min為步進電機啟動頻率，F(xiàn)max為步進電機最高頻率，午-t0為步進電機有啟動頻率到加速至最咼頻率的時間，tt2為步進電機由最咼頻率減速到0的時間。由上圖可知，加速過程中每步頻率變化量和每步時間變化量分別為：FmaxFminf=30(3-5)30(3-6)在剝線機控制系統(tǒng)中，PLC程序通過修改Fmin、Fmax，

46、加速時間及減速時間等變量來調(diào)節(jié)步進電機的頻率特性，控制步進電機的加、減速運動323剝線機工作方式根據(jù)設(shè)計要求，剝線機控制系統(tǒng)應(yīng)能完成9種不同的剝線，這9種工作方式又可分為兩大類；三段剝皮工作方式和兩段剝皮工作方式，其中弟9種工作方式（不剝皮，僅裁線）可歸入兩段剝皮工作方式中，如表3-1所示。表3-1剝線機工作方式F面詳細分析這9種不同的剝線情況:種類剝線機工作方式1三段剝皮：前后端均無半剝2三段剝皮：前端半剝，后端無半剝3三段剝皮：前端無半剝，后端半剝4三段剝皮：前后端均有半剝5兩端剝皮：前后端均無半剝6兩段剝皮：前端半剝，后端無半剝7兩段剝皮：前端無半剝，后端半剝8兩段剝皮：前后端均有半剝9

47、不剝皮，僅裁線1.三段剝皮（前、后端均無半剝）模式如圖3-5所示，在此種剝皮方式中，因前、后端均無半剝，所以被加工線束前、后端的線皮被完全剝落；圖中特別之處在于“前端剝皮”長的線皮處會有一處切痕，這是由于“前端半剝”為零。A:前端剝皮；C:三段剝皮；D:中間留皮部分E:后端剝皮；F:后端半剝；G:全長圖3-5三段剝皮（前、后端均無半剝）示意圖2三段剝皮（前端半剝，后端無半剝）模式此種剝皮方式和三段剝皮（前、后端均無半剝）方式的區(qū)別在于“前端半剝”長度不為零，因此視覺上最能體現(xiàn)剝成“三段”的效果如圖3-6所示。A:前端剝皮；B:前端半剝；B+C:三段剝皮圖3-6三段剝皮（前端半剝，后端無半剝）示意圖3三段剝皮（前端無半剝，后端半剝）模式如圖3-7所示，此剝皮方式中，由于前端無半剝，因此前端線皮被剝落，且“前端剝皮”長線皮處有切痕；后端有半剝存在，即剝線機將“后端剝皮”長的線皮褪至后端露出“后端半剝”長度的金屬線芯處。A:前端剝皮；C:三段剝皮；D:中間留皮部分E:后端剝皮；F:后端半剝；G:全長圖3-7三段剝皮（前端無半剝，后端半剝）示意圖4. 三段剝皮（前、后端均半剝）模式此種剝皮方式前、后端均