毕业设计（论文）基于PLC的剥线机的控制系统的研究.doc

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1、 学科分类号：_湖南人文科技学院本科生毕业设计题 目： 基于PLC的剥线机的 控制系统的研究 学生姓名： 学号 系 部： 通信与控制工程系 专业年级： 自动化08级 指导教师： 职 称： 助 教 湖南人文科技学院教务处制湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：（手写） 二 年 月 日（手

2、写）基于PLC的剥线机的控制系统的研究摘 要:随着激动控制理论和PLC技术的发展，具有易于使用、功能强大、高可靠性、扩展能力强、广泛的适用性和组成控制系统的简洁性等诸多优点的PLC控制技术，得到了越来越广泛的应用。本论文以作者研究的基于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，完成了如下几项工作。（1） 综述了PLC控制技术的产生、发展、国内外应用现状以及与其他控制技术的对比、介绍了剥线机控制系统项目的来源、背景、国内外的研究现状、研究意义。（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

3、和软件设计的方法和步骤。（3） 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。在该系统的总体设计中，分析了步进电机脉冲计算原理，采用了呈阶梯形的速度曲线来控制步进电机的加、减速运动的控制方法；硬件的设计又包括减少PLC输入点数设计、PLC设备选型、I/O分配、PLC接线图、步进电机等内容；软件的设计主要是PLC程序的设计，包括主程序、两段剥皮模块、三段剥皮模块、功能按键模块、数字按键输入模块等。关键词：PLC；步进电机；控制系统；剥线机The Study of Control System of Wire-Stripping Machine Based on

4、PLCAbstract：With the development of automatic control theory and PLC technology, the PLC control technology which has advantages of use easily, powerful function, high reliability, strong expansion, wide applicability and the simplicity of building a control system and so on, has got a broad applica

5、tion increasingly.During the study time of graduate, the author has finished the research work of wire-machine. The system is based on PLC technology. This is the backgrounds to this article which mainly discusses the application of the PLC control technology, and the following research work is comp

6、leted.First, this article gives a overview of PLC control technology about its generation, development, status quo of application at home and abroad, and the contrast with other control technique. The source, background, status quo of research at home an abroad, significance of research about the co

7、ntrol system of wire-stripping machine, is introduced.Second, a method which is suited widely about the design of control system based on PLC is covered. Starting with the structure and design principle of control system based on PLC, analyzes the method and steps of hardware design and software des

8、ign emphatically.Third, the design which includes the overall design, hardware design and software design to the control system of wire-stripping machine based on PLC is completed. To the systems overall design, calculating the pulse number of stepping motor is analyzed. Whats more is that the metho

9、d of speed curve like ladder controlling stepping motor is used also. The design of hardware to the system includes the design of reducing PLC input numbers, the selection of PLC equipment, I/O distribution, PLC wiring diagram, stepping motor and so on. The design of software to the system is the de

10、sign of PLC program which includes main routines, two segments wire-stripping module, three segments wire-stripping module, functional pressed keys module and the input module of digital pressed keys and so on.Keywords： PLC; Stepping motor; Control system; Wire-stripping machine第1章 绪论随着微电子技术、控制技术及信息

11、技术的不断发展，PLC（即可编程逻辑控制器）控制技术也得到了迅速的发展。本章首先讲述了PLC控制技术的产生、发展、国内外应用现状、与其他控制技术的区别；然后介绍了基于PLC的剥线机控制系统的来源、研究背景、研究现状及研究意义。1.1PLC控制技术的产生和发展在早期的工业控制中，多采用继电器控制系统，这种系统体积大、耗电多，改变生产程序非常困难。为改变这种状况，20世纪60年代末期，美国通用汽车公司提出需求，公开招标。随后，美国数字设备公司研制出了世界上第一台可编程控制器，并成功的应用于汽车生产线上。随后，日本、德国等相继引入PLC技术，许多知名公司的加入使得PLC技术得到了迅速的发展，如：日本

12、的三菱、松下、OMRON；德国的西门子、BBC等公司。目前，全世界约有200多家公司从事PLC的研究与制造，生产着400多个系列的产品。早期的可编程控制器指令系统简单，只能完成顺序控制，一般只具有逻辑运算、定时、计数等功能，随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展，PLC也在不断发展。20世纪80年代后期，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了巨大的发展，使其在概念上、设计上、性价比等方面都有了很大的突破。可编程控制器具有了浮点运算、函数运算、高速计数、中断计数、PID控制及联网等功能，这些都使得PLC技术的应用范围和领域不断扩大。1.2PLC控制技术国内外应用现状目前，不仅在传

13、统制造领域，PLC控制技术在其他领域也已得到了广泛的应用。在国内，杨建等人引进PLC控制技术，设计了水净化工艺控制系统，PLC在该系统的水净化过程中控制加药加氯动作，实现了水处理系统的自动化，减轻了人工的劳动强度，取得了不错的效果；在太阳能开发领域，耿立明等人成功设计了基于PLC的太阳能热水器控制系统，在该系统中，PLC通过控制液位、电源的通断、采集温度和风压等数据实现了自动控制的功能；在裂纹检测领域，王建国等人设计的基于PLC的裂纹检测台，很好的发挥了PLC控制系统的稳定性、智能化的优点，在汽车轮毂等转轴零件的检测中取得了良好的效果；在煤炭生产领域，吕书勇利用PLC控制技术的优点，设计的基于

14、PLC的焦化备煤控制系统，实现了金马焦化厂备煤过程，满足了生产需要，提高了企业生产效率；在垃圾处理领域，郭瑞国设计的基于PLC的垃圾焚烧炉控制系统，发挥了PLC控制系统稳定、可靠、便于操作、易于控制的优点，保证了垃圾焚烧炉安全经济运行、炉温稳定、尾气污染控制达标；在船舶领域，董猛利用PLC控制技术抗干扰能力强，组成的控制系统硬件电路结构简单等特点，实现船舶主机遥控系统的主要功能，设计了基于PLC的船舶主机遥控系统，特别适合于在中、小型船舶上应用，也可应用于在船舶的主机遥控系统的改造设计中。在国外，D.W.Russell在设计的工厂信息系统中，将PLC应用于采集、预处理并传送实时数据给计算机，节

15、约了成本，保证了系统的稳定性，收到了很好的效果；在生物研究领域，Frederico等人为了研究微生物在不同浓度氧气环境中的生长和生产情况，在使用的带氧化功能的生物反应器中，PLC被用来自动控制氧气的浓度，获得了成功的应用；Atef A.Ata等人在机器人应用于颜色识别的研究中也成功引入了PLC技术。在线加工领域，PLC控制技术也得到了一些应用，如：丁士启将PLC应用在铜线加工中；荣竑将PLC应用在环锭捻线机上等等，但总的来说，在线加工领域PLC控制技术的应用还不太多，因此，本文的研究对PLC控制技术在线加工领域的应用具有一定的参考意义。1.3PLC控制技术与其他控制技术的区别随着电子技术和信息

16、技术的飞速发展，出现了多种实用的控制技术，如继电器控制技术、计算机控制技术、单片机控制技术及PLC控制技术等，每种控制技术有各自的优缺点和应用领域。1.4剥线机控制系统的研究背景、研究现状及研究意义对线束使用需求大的电子行业，手工剥线往往既费时又不能满足需求，剥线机械化是必然的趋势。随着电子技术以及通讯技术的发展，对线束使用需求量大的电子行业，剥线机械化是必然。现在剥线机也有多种多样的控制技术，工业现场控制提出了以高性能、稳定、可靠及高性价比的PLC设备为剥线机系统的核心控制部分。随着可编程控制器技术的发展，为剥线机技术带来了强有力的支持，但仅仅依靠单独的PLC系统控制剥线机还不够，这里运用到

17、PLC与上位计算机的组合，来使得控制系统更加的稳定和智能化，能够最直观的对工业流程进行控制，达到更高效的目的。1.5本章小结本章首先对PLC控制技术的产生、发展和国内外应用现状作了些探讨，并和其他控制技术作了详细的比较；然后介绍了剥线机控制系统的来源、背景、国内外研究现状、研究意义等。第二章PLC控制系统设计的一般方法将PLC控制技术应用与工程的过程即是设计基于PLC的控制系统的过程。基于PLC的控制系统的设计在不同的应用中会有不同，如简单的应用可能只需设计PLC的输入/输出模块的功能，而复杂的应用可能需要设计PID控制及PLC联网等复杂功能。本章旨在探讨一种广泛适用的PLC控制系统设计方法，

18、在完成本章内容的过程中，参考了大量的国内外PLC控制系统设计的应用实例，同时结合了在实践项目中的一些设计经验。本章内容对于在工程应用中设计基于PLC的控制系统具有一定的指导意义。2.1PLC的结构和工作原理PLC是基于PLC的控制系统的核心部分，设计基于PLC的控制系统先要理解PLC的结构和工作原理。2.1.1PLC的基本结构PLC的组成与计算机十分相似，主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等部分组成，如图2-1所示。图2-1 PLC的基本组成简图（1） 中央处理器（CPU）：CPU是PLC的核心，控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/

19、O部件接收现场的状态或数据；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；执行用户程序、完成各种数据的运行、传递和存储等功能；根据数据处理的结果，刷新相关标志位的状态和输出状态存储器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。现代PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机微处理器和位片式微处理器。（2） 存储器：根据存储器在系统中的作用，PLC存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放系统程序，并固化在ROM中，用户不能直接更改。用户存储器包括用户程序存储器和功能存储器两部分。用户存储器用来存放根据具体的控制任务编写的PLC程序，需要经常调试、修改，存储器类型一般为RAM

20、、EPROM或EEPROM等。用户功能存储器则一般用来存放用户程序中使用的状态变量，数值数据等。（3） 输入/输出（I/O）接口：PLC通过I/O接口与外界连接，输入接口接收和采集开关量输入信号或模拟量输入信号，如按钮、行程开关、电位器、传感器等；输出接口连接被控对象中的各种执行元件，如电磁阀、指示灯、电机等。（4） 电源：小型PLC内部有一个开关式稳压电源，一般可以为输入电路和外部的电子传感器提供24V直流电源。2.1.2PLC的工作原理PLC从硬件结构上看与计算机组成相似，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等。PLC有两种操作方式：RUN方式与STOP方式。

21、在RUN方式，通过执行用户程序来实现控制功能；在STOP方式，CPU不执行用户程序，可用编程软件创建和编辑用户程序，并将用户程序下载到PLC中。PLC的工作过程可以概括地归纳为上电初始化，CPU自诊断过程，网络通信处理，用户程序扫描，输入/输出信息处理等五个阶段。图2-2为PLC的工作过程示意图。图2-2 PLC的工作过程（1） 上电初始化：PLC上电后进行系统初始化，清除内部继电器区，复位定时器等，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查。（2） CPU自诊断：PLC在每个扫描周期都要进入CPU自诊断阶段，以确保系统可靠进行。自诊断程序定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、I/O总

22、线是否正常，定期复位监控定时器等。（3） 网络通信处理：配有网络的PLC系统才有此处理过程。在这个阶段，进行PLC之间以及PLC与计算机或其他终端设备之间的信息交换。（4） 用户程序扫描阶段：PLC靠执行用户程序来实现控制要求。PLC的CPU采用分时操作的原理，其工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程，扫描从第一条用户程序考试，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方式顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结束，即完成一个扫描周期，然后又从头开始执行用户程序，并周而复始地重复。（5） 输入/输出信息处理：PLC在正常运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、输出信息处理，PLC

23、在内存中设置了两个映像区；将运算后的结果存入输出映像区，直至传送到外部被控设备。2.1.3PLC的编程语言PLC的逻辑控制功能是通过编程语言来实现的。一般来说，有五种PLC编程语言；顺序功能图、功能块图、梯形图、指令表和结构文本、其中最常用的是顺序功能编程语言和梯形图编程语言，下面具体介绍这两种编程语言。（1） 顺序功能图（SFC）图2-3 顺序功能图顺序功能图（Sequential Function, SFC）是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将动作流程分成步和转换条件，如图2-3所示，根据转换条件一步一步的按照顺序动作来执行控制过程。图中每一步代表一个控制功能任务，每个控制任务

24、可以有一个或者多个动作。每一步用一个方框表示，在方框内有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。顺序功能图使程序的结构清晰，易于阅读和维护，减轻了编程、调试的工作量，主要应用与系统的规模大、程序关系较复杂的场合。（2）梯形图（LD）梯形图（Ladder Diagram, LD）是PLC程序设计中用得最多的一种编程语言。梯形图采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。在PLC梯形图中使用的内部继电器、定时器、计数器等都是由软件来实现的，因而使用方便，修改灵活。梯形图与继电器控制系统的电路图非常相似，在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，易于掌握和学习梯形图，使得梯形图得

25、到了广泛的应用。图2-4为一个简单的三菱FX2N系列PLC梯形图示例。图2-4 三菱FX2N系列PLC梯形图2.2PLC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、水源、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

26、程序及人机界面等。2.3PLC控制系统的设计原则PLC控制系统是为现场工艺控制服务的，其设计一般应遵循以下几个原则：（1） 根据工艺流程进行设计，保证能满足控制对象的工艺要求，能按照工艺流程准确、可靠的工作。（2） 在满足控制要求的前提下，设计合理、经济，既要能发挥PLC控制技术的优点，又要尽量减少PLC系统硬件的费用。（3） 要考虑PLC控制系统未来的可扩展性。（4） 控制系统的构成应力求简单、实用，操作、维护、检修方便，安全可靠。2.4PLC控制系统的设计步骤图2-5为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

27、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。开始设计分析控制要求确定输入/输出设备选择合适的PLCI/O分配PLC程序设计现场安装与配线模拟调试现场联机调试整理技术文件设计结束图2-5 PLC控制系统设计步骤示意图（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

28、/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，在编写程序。（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。2.5PLC控制系统硬件设计在PLC控制系统的设计中硬件设计和软件设计

29、是两个主要部分。PLC控制系统的硬件设计主要指硬件的选型、外部电路的设计及PLC接线图的绘制等，其中PLC及其功能模块的选择又是硬件设计中首要考虑因素，也是本节PLC控制系统硬件设计的主要探讨内容。2.5.1PLC机型选择在考虑PLC机型时，在满足系统功能的前提下，选择最可靠、使用和维护方便及性价比最优的机型。PLC机型一般分为整体式和模块式结构，对于控制过程比较简单的系统一般选用低档整体式结构机型，对于控制过程比较复杂、控制功能要求较高的系统，如要求实现PID运算、环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中档或高档模块式结构机型，便于功能的扩展。另外，由于PLC是直接针对工业控制

30、设计的一种控制器，生产厂家在设计时都把它考虑成能在恶劣的环境条件下可靠的工作。尽管如此，不同的PLC还是有不同的环境技术条件，因此，在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。2.5.2I/O模块及点数的选择PLC控制系统与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC输入端子从现场收集的信息及输出端子输出给外部设备的控制信号都需要经过一定距离，为了确保这些信息的准确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际应用的不同，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可根据实际需要进行选择使用。I/O点数的确定既

31、要尽可能的降低费用，又要充分考虑一定的余量，一般I/O点数较多，PLC价格也高，若备用的I/O点数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入、输出总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%20%考虑备用量。2.5.3存储容量的选择PLC用户程序所需的存储容量主要与系统的I/O点数、控制要求、编程者的编程水平等有关。一般情况下，PLC的存储容量随着机型的大小变化，小机型PLC的最大存储容量一般低于6KB，中等机型的PLC最大存储容量一般可到64KB，而大机型的PLC最大存储容量可达到上兆字节。选择存储容量时一般只能做大致的估算：用户存储容量=开关量输入点数10+开关量输出点

32、数5+模拟量输入/输出点数100（字节）。为了使用的方便，一般也应留有估算容量的30%50%的余量，对于经验缺乏者，留有的余量应该更大些。2.5.4特殊功能模块的选择模块式结构的PLC有许多扩展功能模块可供选择。在设计PLC控制系统时，可能会遇到开关量I/O模块或模拟量I/O模块不能解决的问题，如A/D转换、D/A转换、高速计数、PLC通信、PID运算等，此时可根据控制系统的功能需求来选择合适的特殊功能模块。2.6PLC控制系统软件设计PLC控制系统软件的设计主要包括PLC程序设计和人机界面设计。2.6.1PLC程序设计步骤图2-6为PLC程序设计的基本步骤，具体分析如下：开始设计前期准备工作

33、程序逻辑流程图设计编写程序修改程序模拟调试模拟调试正常？ 否 修改程序现场联机调试 是联机调试正常？ 否整理技术文件 是设计结束图2-6 PLC程序设计步骤（1） 前期准备工作：这一步主要是详细分析控制系统的工业流程和控制要求，了解各种被控设备的特征。如果控制系统比较复杂，可以将控制系统分成多个模块，这样有利于简化编程。（2） 程序逻辑流程图设计：根据控制系统工艺要求和控制系统的具体情况，确定程序的逻辑流程图。如果是分模块设计，分别设计各模块的逻辑流程图，然后确定各模块之间的连接关系。程序流程图是PLC编程的主要依据，要尽可能详细。（3） 编写程序：根据设计出的流程图来编写程序，这是整个PLC

34、程序设计的核心部分。在保证程序准确、可靠的同时，要及时地对编出的程序进行注释，便于阅读、调试和修改程序。（4） 模拟调试：程序编写完成后，可借助于电压源、电流源、开关等设备来进行程序的模拟调试。可分单元或分模块来调试程序，然后对整个程序进行调试。（5） 现场联机调试：将PLC程序与现场的输入/输出设备一起进行调试，及时解决发现的问题，这是整个控制系统设计中的重要环节，只有经过现场调试，才能确定控制系统的设计是否满足控制要求。（6） 整理技术文件：对软件部分来说，技术文件主要包括PLC程序、逻辑流程图、使用说明书和帮助文件等。2.6.2PLC程序设计方法在实际工程中，PLC程序设计有许多种方法，

35、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，前三种方法比较常见，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。有事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

36、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（或指令）组成，如图2-3所示为顺序功能图的表示方式。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接表示转换；在每个稳步状态（即一个步）下，可以有一个或者多个PLC输出触电的动作。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）

37、。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。图2-7为单一顺序流程图的表示方法。动作1条件1 YES NO动作2图2-7 单一顺序流程图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、调试和程序维护，是设计PLC程

38、序的有力工具，也是本人项目中用得最多的一种设计方法。2.6.3人机界面设计在某些场合的PLC控制系统的设计中，需要有方便用户操作的人机界面。人机界面的功能有：一是通过人机界面，满足用户方便的与机器“交流”；二是通过人机界面中诸如仿真动画，实时数据显示等，用户可以获得系统执行过程中的一些重要信息；三是用户可以通过人机界面选择命令，键入数据或设置参数等方式来调整控制系统的执行。在人机界面设计时，通常需要考虑以下几点：（1） 使用对象：控制系统的使用对象不同，要求也会不同。生产一线的工人通常要求设计的界面简单，容易掌握，提示功能丰富；具有一定专业技术知识的人员，通常要求界面尽可能多的包含有用信息量。

39、（2） 学习的难易程度：在人机界面设计时，要尽可能的有形象提示，让用户花少量的时间就能掌握。（3） 人机界面的控制方式：人机交互方式有多种类型，如对话方式、命令语言方式、菜单界面方式、功能按键方式、填表式界面及图形符号界面等。通常在实际项目中用得最多的是菜单界面方式和功能按键方式。（4） 编程语言的选择：人机界面的设计可使用常用的计算机语言，如VB、VC、DELPHI等，也可使用工业组态软件来设计。设计人员可根据实际情况来选择。（5） 硬件的选择：人机界面的开发需要有硬件的支持，如计算机、触摸屏等，可根据系统的实际情况和要求来选择。2.7本章小结本章首先介绍了PLC的基本结构和工作原理；然后主

40、要分析了PLC控制系统的组成、PLC控制系统的设计原则和设计步骤、PLC控制系统的硬件设计和软件设计的一些要点，为后续的章节的剥线机控制系统的研究做好准备。第三章剥线机系统的设计与研究目前，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，突出了以高性能、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

41、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。3.1剥线机系统简介及具体设计要求3.1.1剥线机系统的组成图3-1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、

42、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。3.1.2剥线机系统工作原理图3-2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、下左滚轮向相反方向运动，实现扭线功能。图3-2 剥线机的工作原理图3.1.3剥线机具体设计要求（1） 按键设置各控制参数：根据初始设置值的不同，剥线机共有9种不同的工作方式，即能加工9种不同要求的线束；可以增、减

43、对已被加工成裸线部分线束的扭线功能，包括4种扭线方式。（2） 启停控制：如果无故障检测报错，按下启动按钮可启动剥线机自动工作；按下停止按钮时剥线机完成当前一条线束才停止工作；按下紧急停止按钮时，剥线机立即停止所有工作。（3） 连续剥线：要求剥线机能连续剥线，直到设定的工作数量。（4） 自动计数：每剥完一条线，剥线机根据设定可以按加1或者加2计数；自动计数又分本次加工计数和累积总计数。（5） 实时显示：要求液晶显示屏能实时显示各个设定的数据、故障报错、工作计数等。（6） 故障报错：故障报错包括设定数据时超出剥线机参数范围，扭线轮、裁刀未归位，缺线等情况。（7） 其他：适合线径为AWG#16AWG

44、#32；剥线精度为0.1毫米；系统性能稳定、可靠。3.2剥线机控制系统总体设计3.2.1步进电机脉冲计算步进电机在控制系统中是执行元件，步进电机运行的可靠性关系到剥线机控制系统对线束的加工精度。在剥线机控制系统中，PLC是通过向步进电机发送脉冲的多少来精确控制步进电机转动的距离。步进电机的步距角是脉冲计算中的一个重要参数，步距角是指，当输入一个电脉冲时，电动机转子所应转过角度的理论值，其计算公式如下：(3-1)其中：N为转子转过一个齿距的运行拍数；Z为转子的齿数。那么步进电机转动一圈需要的脉冲数量为360/个。在剥线机控制系统中，步进电机与滚轮间通过皮带传动。下面主要分析左滚轮步进电机机械传递

45、的情况（其他执行轮的机械传动与此类似）。图3-3左滚轮步进电机机械传动简图在图3-3中，步进电机齿轮与左滚轮齿轮之间的传动比为1：，即左滚轮转动一圈，步进电机需要转动圈。这样，在知道左滚轮周长L的情况下，可得出单位长度左滚轮步进电机需要的脉冲数N的计算公式：(3-2)有式（3-2）可知，当左滚轮送线S长时PLC需要发送给步进电机的脉冲数的计算公式为：(3-3)3.2.2步进电机加、减速控制步进电机的转速V（r/min）计算公式如下：(3-4)其中：F为输入脉冲的频率（Hz）；N为转子转过一个齿距的运行拍数；Z为转子的齿数。可见步进电机的转速，取决于输入的脉冲频率的高低，因此，步进电机的运动控制

46、问题从根本上说就是要控制输入到步进电机的脉冲频率。步进电机的加、减速过程其实是加、减速运行与时间之间的辩证的关系，影响因素包括电机每步的速度差距的大小，以及加、减速过程的长短。步进电机每步运行的速度差距过大，会使电机输出力矩不足，无法正常运行或出现失步的情况；加、减速过程过短，则需要更多的运行时间来使其稳定运行。步进电机在加速、恒速、减速各个阶段，转速与输入脉冲频率、步进电机的负载转矩、惯性转矩有关。为了防止失步，改善步进电机运行平稳性和可靠性，在剥线机控制系统中，采用了呈阶梯型的速度曲线来控制步进电机的加、减速运动，图3-4为本系统的步进电机加、减速曲线示意图，其加、减速过程均分成30步来完成。图3-4 步进电机加、减速曲线示意图上图中，为步进电机启动频率，为步进电机最高频率，为步进电机有启动频率到加速至最高频率的时间，为步进电机由最高频率减速到0的时间。由上图可知，加速过程中每步频率变化量