基于PLC高速全自动包装机的控制系统设计
1 绪论
1.1 可编程控制技术的现状
可编程控制器（Programmable Logical Controller）简称PC或PLC，是60年代
末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC）为美国通用公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生[1]。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子（SIEMENS）公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降；加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能；并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍：1982年美国PLC用户中，有48%来自自动程序操作部门（如汽车、拖拉机工业、机械工业等）、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门。近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC已通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。
1.2 可编程控制技术的发展趋势
随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了
飞速的发展，其技术和产品日趋完善[2]。仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展：一个是向超小型专用化和低价格方向发展；另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下： （1）可编程控制技术的标准化
在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品
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的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的PLC产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。 （2）CPU处理速度进一步加快
目前PLC的CPU与微型计算机的CPU相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在80486一级。将来会全部使用64位RISC芯片，实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样PLC执行指令的速度将达到纳秒级。 （3）可编程控制技术的智能化
提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的
可靠性。
（4）系统的开放性和兼容性
开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第
三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题；另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。 （5）通用性和专业化的结合
可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使
一个系统既具有通用性又具备专业化呢?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括：定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。
（6）可靠性进一步提高
随着PLC进入过程控制的领域，对PLC可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、1/0单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。MTBF(平均无故障时间)是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其PLC产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。 （7）控制系统分散化
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根据分散控制、集中管理的原则，PLC控制系统的1/0模块将直接安装在控制现
场，通过通信电缆或光纤与主CPU进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。 （8）控制与管理功能一体化
为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。综上所述，我们不难得出下面几个结论：①工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路。②智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。③系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。
④基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。⑤通用性、高度专业化
的融合是可编程控制系统的新特征[3]。 1.3 PLC与其它工业控制系统的比较
在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭，工件的位置、速度、加速度的测定，产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点：只适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。目前，工业界比较有代表性的控制方式主要有以下几个类别：继电器控制系统，单片机控制系统，微型计算机系统，集散型控制系统[4]。
1.3.1 PLC与继电器控制系统的比较
继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于PLC来讲，只要用PLC配备的编程器在现场就可以完成更改。至于PLC对外部的联系，只有I/O点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。
继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作一般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而PLC是以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒(对于高速PLC则是5微秒以下)。并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。
对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而PLC则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范围一般为0.1秒，
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也有0.01秒的，精度一般高于10毫秒，只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于PLC的定时是对时基脉冲进行计数来实现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。现代的PLC一般都具有定时器和计数器功能。
从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而PLC则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。
PLC一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难。继电器逻辑只能对开关量进行控制。而PLC除了具有开关量控制功能外，有些功能较全的 PLC还具有A/D, D/A转换装置，可以用来对模拟量进行控制。但是目前在成本方面PLC还比继电器贵，一般进口产品每个I/O点为人民币80元左右；国产一般点I/O为60元左右。
1.3.2 PLC与单片机控制系统比较
虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。单片机与PLC的比较：在很大程度上，单片机是专为工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代PLC的核心就是单片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然PLC也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。而PLC用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场就可以开发调试。
单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受CPU、内存容量及I/O接口的限制；软件上主要受限于与CPU类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差。
1.3.3 PLC与计算机控制系统的比较
PLC是专为工业控制所设计的。而微型计算机是为科学计算、数据处理等而设计
的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同，PLC较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿度环境、输入、输出一般采用“光电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的继电器或可控硅(也
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有用晶体管)输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。此外，使用面向工业控制的专用语言而使编程及修改方便。并有较完善的监控功能。而微机系统则不具备上述特点，一般对运行环境要求苛刻，使用高级语言编程，要求使用者有相当水平的计算机硬件和软件知识。此外，微机系统的外设配备较多，有些对工业控制并非必须。因此PLC显然较微机系统更适合于工业控制。 1.3.4 PLC与集散型控制系统的比较
PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的[5]。而集散控制系统DCS（Distribution Control System）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。PLC随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以PLC为重要部件的分布式控制系统。随着网络通信功能的不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据高速公路上（Data Highway）挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就己经具备了集散控制系统的形态，加上PLC价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相互竞争。
由于以上的原因，可以预见随着PLC成本的下降和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面PLC都具有明显的优越性。尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接受等优点，是现代机电一体化产品控制装置的理想选择。 1.4 卷纸包装机产生的背景及意义
卫生卷纸是人们生活中的必须品，随着人们对纸质品用量的增加，对卫生纸
的需求也越来越大，且对卫生纸的安全性，方便性要求也越来越高。为使包装出 的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型 包装机是市场的迫切需求。目前，该类包装机多半为进口产品，价格昂贵。为此， 我选择了关于卷纸包装机控制系统设计的课题。 1.5 PLC在包装机械上应用的可能性和前景
包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PLC都有上百点内部
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