基于PLC高速全自动包装机的控制系统设计
3 控制系统硬件总体设计
3.1 总体结构关系
由于PLC管理按键、行程开关与其它开关量信号的导入，和把信号送去控制接触器、继电器、变频器等电气元件，这样就控制每个电机的运作，指示灯的显示也得到了控制工控机的作用是参数的修改和设置、全自动控制、在线监督、输送信号。工控机由串行口和PLC相接，通信交换，因此工控机是用发出信号来控制PLC的运作来完成全自动控制[8]。
3.2 控制系统主要器件的选择
工控机、PLC、变频器是卷纸包装机控制系统的主要零件。
工控机：本系统上位机选用研华IPC-610工控机，ISA总线插槽4个分布在内部底板上、由于有2个PCI总线插槽与一个CPU插槽，所以可以更简捷的拓展系统，运用WINDOWSNT操作系统，打印机外接一个，目的是报表的打印。达到报表数据完善性。如下是PLC的选择和它的模块配置一定要对控制对象与控制目的计算与研讨在工作开始前。这样才可以明确系统的机型，规模，与配值。据了解，这个包装机的控制操作系统应具备配置以下不相似的特点的I/0点。
首先选择80个开关量导入；然后再选择50个开关量导出；再对任意挑个类似量导入；最后任意挑个类似量导出；由控制任务得，该设计挑中了S7-300软件，它的特点是适合中等控制系统的需要，而且被非常广泛的应用。它的模块化、没有排风扇结构功能、但是很用以完成分布，用户学习操作起来简单等优势让S7-300能达到各式由小规模到中等性能需求控制任务的简捷且实惠的方式。
根据I/0点数的确定要按照实际点数再加20Yo-30%的备用量及其特性，配置了如下的模块：
（1）2个模拟量输入模块SM331为16路的模数转换通道； （2）4个模拟量输出模块SM332为16路的模数转换通道； （3）4个数字量输入模块SM321为输入通道； （4）3个数字量输出模块SM322关量输出通道； （5）中央处理单元CPU315-2DP； （6）通讯处理器CP343-5； （7）接口模块IM360和IM361。
在该系统中，主要功能是收集外部开关信号（按钮、行程开关、继电器节点）的输入，预测现在的系统的状态和输出信号来控制接触器、继电器等器件，用来达到控制任务的目的。另外，还有一个艰巨任务就是收集工控机的控制命令，达到全自动包装循环的效果。本项目中配置的S7-3OOPLC模板的型号和数量如图3.2-1所示。
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PS 307 CPU模块 IM 361 IM 321 SM 321 IM 321 SM 322 IM 322 SM 322 处理部件 IM 360 通信部件 CP 3436 SM 332 IM 332 SM 332 IM 331 IM 331 图3.2-1系统结构和配置图
变频器的选择
由于张力与精度控制联系密切，且负载小的特性，所以选用的变频器是西门子MICROMASTER 440矢量型变频器。这个系列的变频器控制和动态感应度都很好。另外，因为他的内部配备各种相关量数组构成，增加控制的自由度，让这款变频器更多运用在高运动性能的控制领域。完善了各种各样控制工程的需求。尤其是近期时期，这种工程型变频器的系统被大部分应用在机电气造纸生产行业中。MICROMASTER 440系列变频器作用稳定，可以适合各类环境的应用需求[9，10]。
在卷纸包装机控制的系统里大部分传感器用开关量分配给PLC，用它给执行决定的根据，例如：
（1）上位机开始命令 （2）色标信号 （3）货物配送命令 （4）纸片上路径按钮 （5）纸球上路径按钮
（6）工艺盘标准位置1,2,3工位的路径按钮 （7）送料机、皮带、推纸机的停止和开始命令 （8）皮带、电磁阀等的电源信号等
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4 电器线路和元件模块的设计
用三相异步电动机提供动力，通过专门的变频器电源提供，转速用变频调速来完成。配备数台小型电机依次辅助驱动提供动力源，切纸机构，送料机构，插纸板，拿放操作手等[11]。针对这款包装机的工序流程，大体包括原包装纸给料动作中的张力控制，送料步骤中的同步控制，包装动作的控制等。工艺盘的转动的动力源由三相异步电机用皮带传动提供的，电磁发给各道工序带来外加的动力转向从而带动机械结构移动来完成的。 4.1 供电线路
如图4.1-1所示，三相电源通过滑线导入电气柜中，通过一个露天开关（QS1）后连接电机主回路与系统的次回路。其控制部分配备了1.2KW的变压器（TC2）将380V的电压变为220V，还要分5条回路输出，依次向工控机、PLC, PLC输入回路、PLC输出回路与继电器回路输送电源。以便达到故障分散的目的，而且益于调试与检测。在QS1前导出的一路电源的目的是给空调器与照明灯提供电源，由于它们都是属于附属设备，和控制无关，因此可以从QS1之前引出，为了在检修时也不干涉它的正常运作[12]。
图4.1-1供电线路
4.2 主要控制功能模块的设计 4.2.1 装料工位1
要满足高速包装的要求，纸片与纸球需要迅速移动送到1工位，所以一定要考虑
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电机的速度响应性。步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要的时间大约为200-400毫秒。交流伺服系统的加速性能比较强，以松下MSMA 400W交流伺服电机作为对照，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒就可实现，可用于要求快速启停的控制场合。因此我们选用交流伺服电机作为装料机构的执行电机。在该工位上，推纸空心台推动已经切好的包装纸片，托盘推杆推动纸球的同时按照相同的速度前进，当压到纸片到位行程开关时，推纸空心板停止，当压到托盘到位行程开关时，托盘停止。卷纸与包装纸已进入这一工位，电机带动工艺盘继续不停转动，与此同时插纸板向前作运动，托盘推杆以及推纸空心台退到原来位置。包装纸推纸空心台与卷纸托盘推杆要自动在工艺盘与地面之间不停往返进而完成送料动作，控制线路图如图4.2.1-1所示。
图4.2.1-1装料工位控制线路图
为了能够在正式工作开始前合理调整推纸空心台与卷纸托盘推杆的位置，本线路设置的有操作选择控制，由按钮SB2以及中间继电器KA构成。如果要调整他们的方位，就不能按下选择按钮SB2，这样一来KA无法得电其常开触点断开，电动机正反转控制电路只能完成点动控制。推板位置调准后，按下SB2使KA得电，其常开触点闭合，电动机的正反转控制电路才可以实现连续的动作。在工艺盘的底部位置装有四个行程开关SQa，SQb，SQc，SQp，包装机底部装有两个行程开关SQd,，SQg(推
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板处在装料位)，一旦KT2延时到，即在1工位装料动作完成，KT2常开触点闭合，KMd,，KMr得电并且互锁，两电机进行反转，推纸空心台与托盘推杆同时开始下降，分别压动SQd,，SQg时，便停止下降。当工艺盘转到V3或V7槽时，压动行程开关SQa,，KT1得电，当延时到，其常开触点闭合，放纸空心台与托盘推杆一起往上升起，重复以上操作，SQp为到工位1时的行程开关，延时150毫秒之后，工艺盘开始转动，同时放纸空心台与托盘推杆开始下降。SQa为到工位2时的行程开关，当到达此处时，释放进料信号，放纸空心台与托盘推杆开始上升。
先按SBF KM得电自锁，托盘推杆上升 当压动SQc KM失电，上升停止
KMF得电自锁，推纸空心台上升 当压动SQb KMF失电，上升停止
4.2.2 夹钳抓紧、旋转与窝边工位2
如图4.2-1所示，当运行到V2和V6槽的时候，先是由这一位的行程开关释放信号，夹钳机构轴向电机开始动作，此时打开气缸的电磁阀，让两边的夹钳机构能够沿轴进行运动，到达限位开关时，轴向运动便停止，夹钳机构径向运动电磁阀打开，三个夹杆一起沿着导轨作径向运动，当到达抓紧开关时，抓紧动作正式结束。持续延时50ms，在这个时间段中，主电机带动这一机构轴旋转90度，此时延时正式结束，轴向电机继续进行动作，完成窝边工序。接着径向电机反转，同时松开夹紧装置，轴向电机进行反转，让夹钳机构退回到原来位置。
图4.2-1 第二工位控制线路原理图
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