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• 本文标题：基于PLC的卷纸包装机成品运输系统二的研究与设计.docx
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• 内容摘要：基于PLC的卷纸包装机成品运输系统二的研究与设计杨富洪摘要：PLC是一款新型可编程序控制器，随着包装产业的发展，传统以继电器为控制系统的包装，已经不能适应市场的需求了，为了实现全自动化卷纸包装，为人们带来便利。本文主要对卷纸包装机的结构进行设计，并对卷纸包装机皮带、电机、挡板、滚筒和支撑架的三维模型进行展示说明，对数据进行了校核和计算。也设计了皮带的张紧调节和宽度调节装置。本文利用了PLC和PID的控制能力，研究并设计了卷纸包装机皮带5的控制系统，实现卷纸包装流程的高效化和自动化。通过对各部分的组成以及功能的详细介绍，还有其运作流程的分析，进一步的了解PLC对包装过程的控制特点[1]。关键字：卷纸包装机；PLC控制；PID控制；结构设计绪论我们国家正处于快速，多元的发展状态下，信息化、智能化、高效化，是这个时代的代表词。在过去几十年里，随着国民生活水平提高，对物资的需求也进一步增加，不仅物资的数量庞大，而且种类也越来越繁多。物资的大量流通，也就让包装行业得到了快速，蓬勃的发展，包装就是其中得到广泛使用和发展的一个分支，现如今的包装可以说是覆盖了我们生活的方方面面。传统包装控制系统，早已达不到现如今的生活生产的使用需求，为了能够满足供需双方的期望，迎合市场经济的发展方向，基于PLC的包装控制系统也就应运而生，使用PLC作为包装流程的核心控制处理器，会让包装流水线发生翻天覆地的变化，加快包装产业的发展速度，这种控制系统比起传统的控制系统要更加稳定，高效以及实用[2]。PLC是一种新型的可编程控制器的简称，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置[3]。可编程序控制器从发明到现如今得到了快速的发展，因为其有着非常良好的性能以及市场的需求，有许多的公司对其进行开发和研究，到现在不仅PLC的功能越来越强大，而且规格也变多了，使用范围也越来越广了。这次我们的控制器选用的就是西门子公司的规格为S7200的PLC，这是一款性相当的可编程序控制器，因其有着高性能、体积小、运行速度快、性价比高、编程容易、易于掌握等的优势，这款PLC已经在很多领域得到了应用，比如工厂的各种电气设备，机械设备等，在其中起到自动检测，监测，纠错的作用。更是有着数百万计的成功案例。S7200PLC系列发展到现如今，已经有了五款CPU的PLC了[4]。一个比较全面的，可以在工业中得以使用的S7200PLC，一般包括以下五部分，CPU，PLC的数据运算处理部分、扩展模块，可以扩展PLC的安装点数以及功能的加强、带有编程软件的计算机，使得我们编写程序方便，控制简单、通讯网络，可以实现数据的流通，加强了PLC与PLC之间的联系、人机界面，可以的实时得到PLC的程序运行结果，有利于对PLC的控制[5]。卷纸包装机的原理：纸包装机顾名思义就是根据卫生包装合格率，将卷纸仓库中的卷纸包装成委托单张纸。完成纸包装机的具体流程有四个步骤。第一步是放电。卷纸放在原料架上。第二步是发送指令。该步骤是将绕线电机放入绕线棒中，用色标值记录并测量长度。当绕线棒的长度达到长度L时，放线电机执行命令操作，即根据色标值的信号将命令发送到切纸装置机构。切纸机构采用交流变频调速方式。刀具的工作原理是凸轮旋转驱动刀具，凸轮上的位置传感器确定凸轮的位置，然后动作生成切削指令。切纸机的作用是向上操作，把一卷纸切成一个整体。当达到某一水平时，色码信号再次出现，此时刀具又开始向下移动。变频功能可以调节电机的频率，然后上下调节刀具的工作频率，使刀具操作简单。第三步：分类。切纸、分拣、入库时，放入纸库，借助推纸空心平台送至操作平台。在最后一步，它被发送出去。卷纸库中的纸张整齐有序，纸卷球由托盘的运动推动。1卷纸包装机成品运输系统二结构研究与设计1。1基本参数和结构组成1。1。1皮带传动参数卷纸直径100130mm，卷纸长度：100120mm，单个卷纸重量：0。125kg每个皮带上纸的个数：10个，，速度：220PPM（paperperminute）由于卫生纸的传送需要平稳的工作环境，所以选择大、小两带轮的直径相等的两个相同带轮，即传动比相等为1。皮带与带轮之间的夹角是180°，所以皮带与带轮所相切的弧长L=nπr180°，其中n为包角度数卷纸包装机送纸皮带5的基本结构由皮带、电机、机架、传动轴等组成。如下图1所示，皮带5的作用是把成品送出来。皮带1和皮带2作为送纸皮带，把卷筒送到卷纸机构进行卷纸，卷好后由皮带3、4、5将卷好的纸送出，得到成品。图1。1卷纸包装机的组成1。2带传动的设计1。2。1皮带的宽度根据卷纸的大小要求皮带的宽应在110150mm之间，留有10mm的余地采用可以手动调节皮带的宽度的方式。取带宽度为160mm1。2。2皮带的初步选择根据基本参数卷纸包装机的基本功做要求，这里我们采用的是平带传动，而皮带的选型我们根据下表1平带常用皮带的传动带的类型、结构、特点和应用分析对比，选用胶帆布皮带。表1传动带平带的类型、结构、特点和应用根据表2的平带规格查看和皮带的实际宽度进行对比，实际中，我们预算的皮带的宽度为150mm所在这里我们选用胶帆布4层，带厚4。8mm，带的宽度范围（20315）mm，最小带轮直径建议224mm，这里根据实际情况选择160mm。表2胶帆布平带规格1。2。3皮带的长度根据卷纸的大小尺寸和皮带上卷纸的个数，以及卷纸与卷纸之间的间隙等。计算皮带的长度（C），卷纸的直径为100130mm之间，长度为100120mm之间，皮带上最少要有10个卷纸，取每个卷纸与卷纸之间的间隙为50mm。带轮直径为160mm，半径80mm，包角180°即弧长L=180°×3。14×80180°=251。2mm。皮带的长度C1C1=（10130+1050）2mm=3600mm则取皮带长为3600mm（不包含传动轴带轮部分）。带轮部分的皮带长度为两个相等的圆弧C2C2=2L=2251。2mm=502。4mm1。2。4皮带的横截面积由于皮带的宽度和厚度已知，所以皮带的横截面积：宽度厚度=4。8160mm2=768mm21。2。5皮带转轮的转速根据已知条件速度220PPM，即4个s，得出每秒用包装纸的长度为（130+50）×4=720mm，也就等于带速为720mms，带轮的周长为πd=3。14×160=502。4mm，即带轮的转速为720502。4=1。43rs。1。2。6皮带正常工作时皮带上的负载质量卫生纸单个的重量是0。125kg皮带上同时存在有个10卫生纸，即负载为10×0。125=1。25kg。1。3皮带的最终选择与校核胶帆布皮带由数层挂胶帆布粘和而成，有包边式和开边式两种。其特点包括：抗拉强度较大，预紧力保持性能较好，耐湿性较好，但过载能力较小，耐热、耐油性较差等。适用于ν30ms、P500kW、i6轴间距较大的传动系统中，胶帆布皮带的长度可根据需要截取，然后将其端部联接起来。平带的接头应保证平带两侧边的周长相等，以免受力不均，加速损坏。1。3。1摩擦系数带轮采用金属铸铁材料，胶帆布的材料为橡胶。通过资料查得胶帆布皮与带轮的带静摩擦系数为0。8，动摩擦系数为0。5。1。3。2皮带的负载F皮带上单个卷纸的质量为0。125kg每天皮带上的卷子数量为10个，皮带设计时为保证卷纸平稳运输，所以皮带为水平设计，卷纸垂直皮带放置，即F=100。1259。8N=12。25N。1。3。3计算中心距=1880mm1。3。4计算皮带总长度C（不含皮带接头）取皮带长为4120mm。（包含皮带接头）1。3。5计算皮带的功率Pdd=KAP=1。1KA为工况系数，经查表得1。1查机械设计手册胶帆布平带单位截面积传递的基本额定功率和工况系数表查得P为1。3kW表3额定功率和计算参数1。3。6皮带的校核安全系数强度校核：已知条件倾斜度0°，负1。875kg。输送带最大张力为Smax=[(q+qd)Lsin+（q+qd）Lcos]g=[(1。25+3。59)×4。12×sin0°+(1。25+3。59)×4。12×0。04×cos0°]×9。8=7。82N其中Smax为传送带最大张力为助力系数，取0。04q为负载质量qd为胶帆布质量，qd=层数×胶帆布每层质量（1。36kg）×带宽×带长即为4×1。36×0。16×4。12=3。59kgL为皮带的长度，取4。12m抗拉强度计算=FbSo=2760502=0。35MPa其中Fb为作用在轴上的力，为2760N，So为受力方向上的横截面积，胶带强度安全系数计算公式为m=BSmax=160×0。357。82=7。16，其中B为带宽。根据以上计算，输送带强度安全系数满足要求。So为受力方向上的横截面积，r2=3。14502，胶带强度安全系数计算，公式为m=BSmax=160×0。357。16=7。82，其中B为带宽。根据以上计算，输送带强度安全系数满足要求。1。4模型的研究与设计1。4。1基本设计理念卷纸运输系统5的整体结构方案是采用两组传送带机构夹持卷纸进行传送。将普通挡板（普通塑料板）立起来使用，利用传送带的侧面与卷纸进行接触，通过传送带和卷纸之间的摩擦力作为传送的动力。为保证运输过程的平稳进行，在设计时，皮带水平设计，而挡板与皮带垂直且不接触的设计，固定于侧面支撑架上，。两个异步电机通过变频器调频同步后，同时带动皮带转动，从而将卷纸平稳且有效的运出。1。4。2具体三维模型展示下图为皮带和普通挡板所组成的三维建模细节展示，宽度调整部分采用滚珠丝杠与光杠结合的方式，通过摇动手轮，将丝杆旋转并可以通过图中红色按钮进行宽度的手动调节，皮带宽度可调节为110160mm之间图4。1手动调节宽度设计皮带的张紧部分的结构设计，如下图所示，在这里同意采取张紧轮调节设计，进行人工不定期调节，在调节过程中，旋转图中银色转盘进行调节。图4。2皮带张紧设计皮带5部分主要由胶帆布皮带，普通塑料挡板，支撑支架，皮带宽度调节机构，人工张紧机构和两个异步电机组成。具体结构如下图所示图4。3皮带5的整体结构图2基于PLC的卷纸包装机成品运输系统二的研究与设计2。1PLC的选型选用西门子公司规格为S7200CPU226的PLC，这是一款非常出色的可编程序控制器，因其有着高性能、体积小、运行速度快、性价比高、编程容易、易于掌握等的优势，这款PLC已经在很多领域得到了应用，比如工厂的各种电气设备，机械设备等，在其中起到自动检测，监测，纠错的作用。更是有着数百万计的成功案例。S7200PLC系列发展到现如今，已经有了五款CPU的PLC了它们分别是CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP以及CPU226。虽然这五种规格的PLC在外形上有所不同，但其结构上基本一致[6]。一个比较全面的，可以在工业中得以使用的S7200PLC，一般包括以下五部分，CPU，PLC的数据运算处理部分、扩展模块，可以扩展PLC的安装点数以及功能的加强、带有编程软件的计算机，使得我们编写程序方便、控制简单、通讯网络，可以实现数据的流通，加强了PLC与PLC之间的联系、人机界面，可以的实时得到PLC的程序运行结果，有利于对PLC的控制[7]。S7200PLC的CPU共有五种规格，工况性能也随时间的发展越来越好，功能也是越来越强大。第一代CPU221的PLC在很多地方都存在严重例如IO的点数不能更改，而在以后所生产的四代CPU222、CPU224、CPU22XP、CPU226的PLC都可以进行IO接口的扩展更改，进一步提高了S7200PLC的市场竞争力[8]。在这里，根据实际工作要求，选择各方面性能都是最先进的CPU226的S7200PLC。2。2选择接触器接触器分为交流接触器（电压AC）和直流接触器（电压DC），它应用于电力、配电与用电场合。接触器是指工业电中运用电流流经线圈之后，线圈产生磁场，使常开触头闭合，以达到控制负载的电电机的启动和停止。接触器由于控制容量大，适用于远距离控制和频繁操作多使用于自动控制系统中的低压电器[9]。接触器的工作原理是：当接触器线圈通电后，线圈电流产生磁场，磁场使静铁芯产生电磁吸力吸引动铁芯靠近，并带动交流接触器点动作，常闭触点断开，常开触点闭合，两者是同时进行的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，常开触点断开，常闭触点闭合[9]。其主要控制对象是电机，也可以控制其他设备如电热器、电容器和照明灯等电力负荷。接触器利用电磁力的吸合和反向弹力作用可使接触点频繁的闭合和分断从而达到电路接通和断开的效果特点是工作可靠寿命长，性能稳定，维护方便。可快速切断交流与直流主回路，并且可频繁反复地接通与关断大电流控制的电路装置，但是因为接触器不能切断短路电流，所以通常与熔断器配合使用[9]。2。3选择空开空气开关是一种在电路中带有保护和控制的断路器，又被称为空气断路器，是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关，集控制和保护于一体的断路器，主要作用发生严重过载或短路故障时，起到失电压保护的作用[10]。选用标准：空气开关的额定电压(u)大于等于控制电路额定电压(U)空气开关的额定电流（i）和过电流脱扣器的额定电流(i)大于等于控制电路计算负荷电流(I)在这里选择市场上常见的飞羽KDR10E4，其具体参数如下：（1）额定功率（W）3000（2）出水温度范围3045℃（3）电线截面要求1。5m㎡（4）空气开关16A（5）额定压力0。6Mpa（6）工作压力范围0。040。6Mpa（7）电压频率220V50HZ（8）防水等级IPX4（9）产品尺寸（mm）330×220×60图2。1。1空气开关的原理结构2。4选择驱动器驱动器的选用伺服驱动器，又称为“伺服放大器”或“伺服控制器”是一种用来控制伺服电机的控制器。目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现目前比较复杂的控制算法。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路IPM内部集成了驱动电路同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路在主回路中还加入软启动电路以减小启动过程对驱动器的冲击[11]。伺服控制器通过自动化接口可很方便地进行操作模块和现场总线模块的转换，同时使用不同的现场总线模块实现不同的控制模式主要应用于高精度的定位系统例如注塑机、纺织机械、包装机械、数控机床。广泛应用于卷纸包装，机器人生产，机床数控加工等自动化设备中，其中又以控制交流永磁同步电机的伺服驱动器，更是当今世界在自动化控制中的重点研究，是其研究的热门点。在当前交流伺服驱动器设计中，大多数采用基于矢量控制的电流、速度、位置，闭环控制算法[12]。伺服控制器具有调速比大（1:5000），转速比大（0。3:1500），起动力矩大，转速不受负载影响，有位置控制等特点。2。5电机的选择2。5。1电机的转速V卷纸包装机卷纸的速度为220ppm则一秒完成4个卷纸的包装即4130+504（mms）=720mms。皮带速度为720mms，功率为1。43KW。设电动机的原轴承直径为40mm，得出周长为125。6mm，即电动机转速V=720×60125。6rmin=343。94rmin2。5。2电机的功率PP=P11n2P1为负载的功率n1为生产机械的效率n2为电机的效率，即传动效率上表是电机在空载，负载情况下的工作效率。通过查表得皮带得动摩擦系数为0。5。经计算得机械的效率n1=80%，电机效率按0。85计算，则电机的功率：P=P11n2=1。430。8kw=1。52kw表2。5。1负载对比2。5。3选择合适的电机由于我们需要对电机进行精准的速度控制，这里选用伺服电机中交流伺服同步电机。伺服电机可精确控制电机的速度平稳准确，并且位置精度也非常准确，在其信号的传递之中，可以将电压信号转化为特定转矩和特定转速，以驱动皮带滚筒的运行。伺服电机大体可分为直流伺服电机和交流交流两种类型，交流伺服电机是无刷电机，分为同步和异步电机，运动控制中一般都用同步电机，无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，而由于我们对于卷纸包装机成品运输系统的设计中，要求运输平稳有效，且传输力矩不高，每条皮带仅需承受10个成品卷纸的重量。所以在这里选择SA系列中130系列的SM13000720LFB型号的电机，电机的额定功率为1。6kw，额定转速为2000rmin，转矩为7。7Nm电机效率为78%。图2。5。1伺服电机的型号分析2。5。4电动机相关数据由第一章算出的皮带速度为720mms，功率为1。43KW。设电动机的原轴承直径为30mm，得出周长为94。2mm，即电动机转速：720mms94。2mm×60=458。60rmin2。5。5基本控制思路由计算机装置STEP7 Microwin V4。0编程软件后，编写电路图的控制程序，程序有可编程控制器运行后，将电信号传送到伺服控制器，伺服放大器控制伺服电机的启动，停止和运行。从而达到精确控制电机转速和启动和停止的时间。图2。5。2基本控制思路2。6轴和联轴器的选择和连接2。6。1轴的直径选取由上述可知带轮的直径为160mm所以我们试选轴的直径为小于160mm即可。2。6。2轴的间距根据带长所求的结果得出轴间距为10130+1050mm=1800mm2。6。3作用在轴上的力根据查找资料的，作用在轴上的力的计算公式为Fr=2σ0Asinα12，其中σ0为带的预紧应力（MPa），根据机械设计手册胶帆布皮带传动设计计算，推荐σ0为1。8MPa，A为带的横截面积，α1为带轮包角。即作用在轴上的力Fr=2×1。8×768×sin180°2=2。76kN。2。6。4轴的选择由于轴承的作用只是通过联轴器连接滚筒，滚筒直接带动皮带转动，所以这里选用的轴承是只承受转矩而不承受弯矩的心轴，所以这里通过转矩的计算公式，可以计算出轴承转矩的大小。所以选用轴承的扭矩大于33。32Nm即可。T=1。6Kw9550458。60rmin=33。32NmP功率千瓦kw；T扭矩牛米Nm；n转速每分钟转数rmi9550是常数2。6。5联轴器的选择由于在这里，只需要实现同轴线的传动，所以直接选择结构简单，拆装方便的TL型弹性套柱销联轴器，通过下图2。6。1的，在这里选用TL4型弹性套柱销联轴器。图2。6。1联轴器的型号[键入文档的引述或关注点的摘要。您可将文本框放置在文档中的任何位置。请使用“绘图工具”选项卡更改引言文本框的格式。]2。6。6键的选择由于工作本身负载不是特别的大，仅是功率为1。6Kw转速为343。94rmin，转矩为33。32Nm的轴承的连接，所以直接选择结构简单，安装方便的普通平键连接。图2。6。2普通平键的连接2。7滚筒的选择现在市场有很多现成的皮带滚筒，由于滚筒不需要完成什么特殊的工况要求，所以由上面的计算出的皮带的宽度为160mm而滚筒的直径160mm。因此，只要滚筒大小和长度满足此要求的均可。图2。7。1滚筒结构示意图3卷纸包装架成品纸运输系统二控制系统研究与设计3。1基本组成断路器QF、控制按钮SB、电动机M、接触器KM、熔断器FU、时间继电器KT、中间继电器KA、热继电器FR。断路器：又可以叫空气开关，是电路中常见的保护电器，选用时必须考虑其额定电压、额定电流、通断效率等因素，对于不同电压等级的电路需要采用不同规格的断路器来保护电路。控制按钮：控制电路的启停，主要参数有外观形式、触点数量及电流容量的不同。接触器：是用来自动接通和断开电路的电器，主要参数要考虑其额定电压、额定电流、使用寿命等因素。熔断器：是一种常见的保护电路的电器，结果简单、使用方便，其工作原理是利用熔断器中溶体熔点较低的特性，在电路发生短路时会产生大量热量导致溶体溶解，使得电路断开，从而达到避免电路一直遭受破坏的情况。时间继电器：即在有一个输入信号后，电路会在经过设定的时间后才发生变化，或者说触点才会接通或者断开。热继电器：当电路温度高于一定值时起保护电路的电器。中间继电器：为了适当增加触点所需。在包装流水线生产中，需要控制主电路的安全可靠，当电路发生故障时，要保证维修人员可以安全的修理设备，保护人身安全，而且电路不应过于复杂，以此来保证维修人员可以快速准确的排除故障。电路图中程序硬件部分主要由接触器和空开对电路进行保护；PLC和伺服控制对伺服电机的启动、停止和转速进行控制。当电源安装接通后，按下启动按钮后，PLC传出一个稳定的信号值给伺服驱动器，驱动器接受到这个稳定的信号之后控制电机转速进行工作，此时电机反馈一个稳定数值给PLC控制器，PLC接受到信号之后，重复上诉过程运行，当电机没有反馈信息给PLC后，PLC传递停止信号给伺服驱动器，伺服驱动器控制电机停止运行。电路控制图（4）如下：图4电路控制3。2PID算法3。2。1PID简介目前，在控制点上包含这三种比较简单的PID控制算法，分别是：位置式算法，增量式算法，微分先行。这三种PID算法虽然简单，但是各有各的特点，基本能满足一般控制的大多数要求。首先必须明确PID算法是基于反馈的。一般情况下，这个反馈就是速度传感器返回给单片机当前电机的转速。简单的说，就是用这个反馈跟预设值进行比较，如果转速偏大，就减小电机两端的电压；相反，则增加电机两端的电压[13]3。2。2模糊控制模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制[14]。而模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统不需要知道系统的精确信息仅依赖于操作人员的经验和直观判断非常容易应用。同传统的控制比较模糊控制响应快、超。。。
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