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1、热成型机控制系统设计摘要本文以为汕头市明发机械有限公司ZXSJ型全自动真空吸塑机配套开发的控制系统为背景，从工程的角度论述了该系统的设计和开发过程，主要突出了系统智能化和人性化的特点。本设计是在热成型机动作控制工艺的研究的基础上，将PLC、位置控制模块、传感技术、触摸屏等先进的控制手段和技术引入到热成型机的控制系统中，实现了热成型机的动作顺序控制、控制参数及工艺参数的数字化、人机交互的人性化设计，使该机的功能和性能都得到质的提高。设计内容主要包括硬件部分PLC、功能模块、触摸屏等的配置及硬件电路的详细设计、系统的安装、仿真；软件部分包括控制系统的PLC程序设计、人机界面设计等。该设计基本上实现
2、了ZXSJ型全自动真空吸塑机的控制要求，系统简约、实用性强。系统的人机界面友好美观、操作简便、控制水平较高，符合人性化设计原则，能满足厂方技术人员的使用需求。关键词：热成型机；工艺流程；可编程控制器；运动控制；触摸屏The Control System of the Thermoforming Machine DesignAbstractIn this thesis, I take the project of developing the control system of ZXSJAutomatic Vacuum Plastic-absorbing Machine for Shantou
3、Mingfa Mechanical Co.,Ltd as background, discuss the course of systems design and realization in an rngineering view and emphasize the two characters of this system: Intelligence and Human.This design is base on the study of the Thermoforming Machines Movement- control Technology. ZXSJ automatic vac
4、uum plastic-absorbing machine achieved these functions here as follows: program control for plastic-absorbing movement, digital parameter, human touch screen interface, by means of introduced some advanced control instruments and skills into system, such as PLC, Location control Module, Sensor, touc
5、h screen and so on. It means that the control performance of ZXSJ plastic-absorbing machine has increased a lot and achieved the advanced level. The design including the Hardware design such as PLC, Function module, touch srceen, Circuit design and installation, simulation; The software design was m
6、ade up of program disign and interface design.The disign of the control system has fullfilled the requirements of ZXSJ automatic vacuum plastic-absorbing machine. The hardware design is simple, practical. Moreover, the system has frendly easy-to-use interface and advanced control technology. As a re
7、sult, it can apply to ordinary users and accord with the principle of human design. Keywords: Thermoforming Machine; Movement technology; PLC; Movement control; Touch screen目 录1绪论11.1本课题研究的目的、意义及国内外研究概况11.2主要研究内容及研究方法21.2.1 主要研究内容21.2.2 研究方法、手段22. ZXSJ型吸塑机控制系统总体方案32.1 系统的需求分析32.1.1功能需求32.1.2性能需求42.2
8、系统控制方案的论证42.3控制系统总体设计方案52.3.1系统中的输入信号52.3.2系统的控制任务及要求52.3.3系统的总体方案53.控制系统硬件详细设计63.1硬件系统总体结构设计63.1.1控制系统的选型63.1.2系统的运行方式选择73.2系统硬件设计依据83.2.1真空吸塑机工艺要求83.2.2设备状况103.2.3控制功能113.2.4I/O点数和种类113.3 PLC选型113.3.1PLC容量的选择与确定123.3.2 PLC外设的选择与确定123.3.3 PLC生产厂家的选择与确定123.4硬件电路设计143.4.1主机I/O地址表143.4.2控制系统硬件接线图153.5
9、 CPU及扩展模块供电设计163.5.1供电设计原则163.5.2电源需求计算164.伺服模块设计184.1伺服系统概述184.1.1伺服系统的基本构成184.1.2交流伺服系统的工作原理184.2控制系统伺服模块详细设计194.2.1位置控制模式工作原理194.2.2高速脉冲输出模式194.2.2.1高速脉冲输出模式位置控制原理194.2.2.1硬件接线图204.2.3 EM253位置控制模块214.2.2.1EM253模块位置控制原理214.2.2.2 EM253硬件接线图225.控制系统软件详细设计235.1设计目标235.2系统软件总体设计235.2.1设计任务分析235.2.2软件结
10、构设计245.3软件模块详细设计245.3.1主程序设计245.3.2成型子程序设计265.3.3冲剪子程序设计265.3.4堆叠子程序设计276.控制系统人机界面设计286.1人机界面概述286.1.1人机交互原理286.1.2 触摸屏简介296.2人机界面设计296.2.1设计目标296.2.2触摸屏选型306.2.3人机界面的控制需求分析306.2.4 触摸屏画面的规划与设计316.3 PLC与触摸屏通信的实现337.控制系统的安装与调试337.1系统模型的配置与接线337.1.1系统配置337.1.2硬件布局及接线347.2系统调试过程347.2.1 PLC与触摸屏联机调试347.2.
11、2调试结果358结论358.1 研究工作总结358.2 研究展望36参考文献38附录一 电气原理图39附录二 人机界面491绪论1.1本课题研究的目的、意义及国内外研究概况 全自动真空吸塑成型机（又叫热塑成型机）是利用真空吸力，将加热塑化的PVC、PE、PP、PET、HIPS等热塑性塑料卷材吸制成各种形状的高级包装装璜盒、框等产品。其应用极其广泛，主要包括玩具、五金、食品、电子、药品等的包装。1由于我国正处于经济飞速发展的阶段，自动吸塑机在我国有着巨大的市场空间。2工业发达国家的热成型机技术成熟，自动化程度高，但在热成型生产工艺及控制方案上仍存在一些问题。相比之下，我国经过多年的努力，全国各地
12、已经发展了不少自动吸塑机生产厂商，如上海久罗机电设备有限公司、深圳市恒隆机械设备有限公司、深圳市恒隆基机械设备有限公司等。但其大多在引进国外技术上基础上对吸塑机的机械系统或控制系统做某方面的改良，并没有革命性的突破，吸塑机的整体性能和质量跟国外技术水平仍有一定的差距，不能满足社会高效率、低成本的发展需求。 目前国内市场上流通的吸塑机功能和性能各异，主要以气动装置为主动力源，其拉片、送片采用电动、减速器，时间继电器，中间继电器，行程开关等电器组成全自动控制系统。这样的系统存在两大方面的不足：1)整体运行速度和控制精度不高，相比气动驱动方式，采用电动驱动可以大大提高各运动部件的运动速度和控制精度；
13、2)整机柔性不理想，由三相异步电动机和减速器、行程开关等构成的控制系统不能根据工艺参数和控制参数的改变来作出灵活、精确的调整，不利于改进生产工艺、提高产品质量。本设计从吸塑工艺要求出发，结合厂方在全自动真空吸塑机机械结构上的改进，采用已经相当成熟的PLC技术、伺服技术、传感技术、人机界面等手段完成全自动真空吸塑机的开发，提高其生产效率、生产质量及整机的稳定性，也可以增加系统的柔性。同时，本系统中采用的技术和理论将有助于：1)提高热成型机的自动化生产程度，满足社会发展的需求；2)提高国产热成型机的档次和控制水平，增加其技术附加值；3)完善和发展热成型机控制理论，改进热成型生产工艺，改善热成型机的
14、功能和性能。1.2主要研究内容及研究方法1.2.1 主要研究内容在实际生产中，吸塑机被大量用于各种塑料产品的生产制造过程中，全自动真空吸塑机由于其生产效率高，生产成本低，应经成为了应用最广泛的生产设备。因此在原有的基础上研究先进的运动自动控制技术，大力提高真空吸塑机的控制水平，对于提高塑料产品的质量和生产效率有着重要意义。本设计的主要工作是针对ZXSJ型全自动真空吸塑机设计一套可靠的智能控制系统，对其各机构的运动进行自动控制，并结合实验室的具体条件进行仿真实验，检验设计的成效。整个系统设计的研究内容包括以下方面：(1) 热成型机动作控制工艺的研究。对整台全自动真空吸塑机的机构运动进行准确可靠的
15、控制，首先必须了解自动吸塑机的工作过程及工艺要求。在厂方提供的资料基础上，通过多次到工厂现场参观吸塑机成品，与工厂的技术人员讨论吸塑机的工作原理和设计思想，详细了解其工作过程，总结其中的细节问题。并在此基础上总结出每一动作执行时，各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表达出来，为实现全自动真空吸塑机的控制做必要的准备。全自动真空吸塑机的运动控制主要包括吸塑机各种开关、按钮功能的实现及有效控制。2(2)热成型机运动机构的同步与顺序运转问题的研究。现在市场上大多数的吸塑机采用的是继电器控制，这必须考虑电气与机械结构的同步性问题。很可能会出现控制精度不准确的情况，也造成了在某些位置无法判断机械部件的确
16、切位置或者导致机构的误动作，影响了生产效率的提高。本设计采用可编程控制器作为控制核心，采用伺服驱动器解决拉片等机构的定位问题。2(3)热成型机的PLC控制方法的实现。在完善上述设计的基础上，可利用实验室现有的条件如PLC、触摸屏、电源模块、指示灯等搭建了一个简单的控制系统进行仿真实验，以验证设计的成效。该系统通过人性化的触摸屏界面对系统的运行进行监控和操作，如进行工艺参数的修改、系统的调试等。1.2.2 研究方法、手段本设计的研究主要是在总结个人在大学四年所学的关于自动控制的理论、PLC编程知识及项目实践经验的基础上，查阅各类文献并结合在工厂现场所学习的热成型机的设计理念，分析真空吸塑成型工艺
17、的原理、特点与相关因素，深入了解热成型机的工作过程，为热成型机动作控制工艺的研究提供理论基础并确定设计方案。在总体设计方案的框架下，逐步完善各功能模块的设计，并利用触摸屏开发软件设计一个人机交互界面，利用触摸屏等硬件设备结合仿真软件进行设计、调试，整合热成型机的整机控制系统，确保系统使用简单，性能稳定。整个系统主要由触摸屏、西门子PLCS7-200CPU模块、位控制模块、电子放大器、电源模块、安川伺服电动机、安川伺服驱动器、指示灯及各种开关、按钮、电磁阀构成。由于实验室所能提供的硬件有限，本系统在安装调试时搭建控制系统模型的时候只能从简，演示部分功能。但从设计的角度看，由于省略部分的设计原理和
18、方法与最后实现的部分功能相同，所以这并不影响仿真验证对本设计理论的验证。系统功能的实现方法主要是触摸屏与PLC进行通信，通过点击触摸屏完成系统的启动、调试、参数的更改、控制命令的输入等。PLC驱动各伺服电机、单相异步电机和电磁阀等完成各机构的动作，并将系统的运行状态实时反馈到触摸屏界面上，以便操作人员监视热成型机的工作过程。2. ZXSJ型吸塑机控制系统总体方案2.1 系统的需求分析2.1.1功能需求 ZXSJ型全自动真空吸塑机是汕头市明发机械有限公司最新开发的一款升级换代产品，产品的定位属于中高档真空吸塑机，因此对控制系统的性能和功能提出了更高的要求。其所需要实现的功能主要有以下方面： (1
19、)实现对吸塑机基本功能动作的可靠控制。ZXSJ型真空吸塑机的基本动作包括送料、送片、下闸、开合模、拉伸、夹脚、真空、冲剪、堆叠、输送、收料、启动运行、手动停车和紧急停车等。上述动作大部分是顺序控制的，是吸塑机实现吸塑功能的基本要求。 (2)运行保护功能。吸塑机在工作过程中对各机构的动作协调度要求较高，为了避免在吸塑机的机械或者电气系统出现故障时，导致机构误动作损坏吸塑机，需要有一定的保护功能。主要是动作的互锁、出现故障时自动停车等。(3)全中文的人机交互界面。保证操作人员可以直观简便地监视吸塑机的运行状况，查看报警信息，设定或修改各种参数等。2.1.2性能需求(1)可靠性。系统是为工业产品设计
20、的，其工作环境较为恶劣且需要持续不断地工作，因此对系统的可靠性要求较高。(2)可操作性。系统主要是面向基层的技术人员和一线技工，因此要求人机交互界面必须友好简洁，力求做到人性化操作。并且要具备一定的容错及安全保护措施。(3)可维护性。系统应采用模块化设计，便于检修、维护。(4)开放性。便于厂方技术人员进行二次开发。2.2系统控制方案的论证控制系统的设计方案主要是根据系统的上述功能和性能要求提出来的，在设计可提出多个候选方案。各个方案的主要差异体现在控制器、人机界面和吸塑机运动控制实现方法的不同。在控制器核心的选择上有两种方案：单片机控制和PLC控制；而人机界面的设计也有两种方案可选择，液晶+单
21、片机、触摸屏显示。在方案的评估上，本设计主要把系统的各项性能要求如可靠性、可操作性、可维护性以及经济性作为主要指标，最终选定了一种设计方案，以下对各种设计方案进行比较分析：2表2-1 单片机系统与PLC系统的比较方案可靠性可实现性可维护性经济性PLC系统好，平均无故障时间可达十万个小时实现相对简单，大部分信号可以直接输入输出可模块化设计、安装，方便维护价格比单片机高，但性价比较理想单片机系统较差，容易受干扰，需要设计各种抗干扰措施实现相对复杂，需要设计大量的外围接口电路使用元器件较多，系统较为复杂，维护工作量大价格便宜如表2-1所示，考虑到吸塑机一般处于间歇工作或24小时连续工作的状态，且工作
22、环境较为恶劣，对控制系统的可靠性和稳定性要求较高，最后选择了采用PLC作为核心控制器的方案。对PLC的品牌选择上，采用了厂方的应用惯例，初步确定选择西门子的PLC作为控制核心。在人机界面的设计上，可从以下两种方案进行选择：2表2-2 两种人机界面设计方案的比较方案可靠性可实现性可维护性经济性触摸屏好采用与触摸屏配套的组态软件进行开发，且内置通信程序，相对容易实现通过组态软件可以简便的进行模块修改和维护价格较高，但可选择档次适中的产品降低成本单片机+液晶一般编程复杂，工作量大，较难实现程序的修改工作量大，难度高，不利于及时地维护价格便宜同样，根据表2-2列出的四项指标进行综合分析，选择了触摸屏显
23、示这种较为人性化的设计方案。2.3控制系统总体设计方案2.3.1系统中的输入信号 输入系统的信号主要有：启动信号、急停信号、产品计数信号、拉伸行程信号、同步行程信号和报警信号等，全部都是开关量信号。大部分可以直接接入PLC的数字量输入口。2.3.2系统的控制任务及要求 本系统的主要控制对象有：6台伺服电动机（送片电机、成型电机2台、冲剪电机2台、堆叠电机），1台三相异步电动机（液压泵电机），8个电磁阀（加热箱驱动电磁阀、下闸电磁阀、拉伸下限位电磁阀、拉伸上限位电磁阀、拉伸复位电磁阀、夹脚电磁阀、真空电磁阀、润滑电磁阀等），2个气缸（加热箱动作气缸、下闸气缸），1个液压缸（拉伸液压缸）。对各种驱
24、动部件的控制要求如下：(1)各种电机。保证转向和定位及速度控制准确，尤其是对送片、成型开合模等动作要求精准地控制电机转数，保持送片长度，开合模行程的恒定。(2)电磁阀。要求适时地控制下闸、拉伸等动作，做到动作快速到位。(3)气缸。确保各动作正确运行，按控制要求实现各种功能。2.3.3系统的总体方案整个控制系统由PLC、触摸屏及各功能模块构成。其中，PLC作为控制核心，输入系统的所有信号都要经过PLC进行处理，进而控制相应的执行机构动作，实现吸塑机的工作流程。而触摸屏则为系统的人机交互提供友好的界面，系统所有的数据都可以存放在PLC的内部RAM中，由PLC的串行口与触摸屏相连，通过触摸屏对各个参
25、数进行读取、修改和设定。总的来说，本设计都是围绕上述几大子模块展开的，各模块的功能目标如下：(1)PLC顺序控制系统。要求实现真空吸塑机各种机构的运动、延时与协调动作，保证吸塑机可靠稳定地工作。(2)人机界面。为控制系统和外界交换信息提供通道，主要包括触摸屏界面的开发和各种接口方案的实现。 各功能模块的详细设计见后续章节的详细论述。图2-1 ZXSJ型全自动真空吸塑机控制系统框架图3.控制系统硬件详细设计由于目前用于工业控制的PLC种类繁多，性能各异。在本项目实践中如何进行系统的选型，如何设计系统硬件，选择机型时应考虑哪些性能指标，怎样选择各种扩展模块，如何进行供电设计等都是要考虑到的问题。3
26、.1硬件系统总体结构设计3.1.1控制系统的选型 一般来说，由PLC构成的控制系统可分为单机控制系统、分布式控制系统以及远程I/O控制系统四种类型，在实际的设计中需要根据对控制对象的实际要求来确定系统的类型：3(1)单机控制系统。单机控制系统的被控对象往往是一台机器或一条生产流水线，其控制是用一台PLC实现被控对象控制的，这种系统对PLC的输入输出点数要求较少，对存储器的容量要求较小，对控制系统的构成简单明了。此种系统在选用PLC时，任何类型的PLC都可以选用。(2)集中控制系统。集中被控系统的被控对象通常是由数台机器或数条流水线构成，这种系统是用一台PLC控制多台被控设备，每个被控对象与PL
27、C的指定I/O相连接。由于采用一台PLC控制，因此各被控对象之间的数据及状态不需要另设专门的通信线路。(3)分布式控制系统。分布式控制系统的被控对象较多，他们分布在一个较大区域内，相互之间的距离较远，而且各被控对象之间要求经常地交换数据和信息。这种系统的控制由若干个相互之间具有通信联网功能的PLC构成，系统的上位机可以采用PLC，也可以采用计算机。(4)远程I/O控制系统。远程I/O控制系统实际上是集中式控制系统的特殊情况。远程I/O控制系统就是I/O模块不与PLC放在一起，而是远距离地放在被控设备附近。在本控制系统中，被控对象是一条真空吸塑机，主要实现其各机构动作的顺序控制，对PLC的输入输
28、出点要求相对较少，对存储器的容量要求不高，系统的构成单一，因此可以选用单机控制系统方案，而在PLC的选用放在仍需要进一步根据实际需要来确定。3.1.2系统的运行方式选择PLC控制系统的运行方式有三种类型，及手动、半自动和自动。3(1)手动运行方式。手动运行方式不是控制系统的主要运行方式，而是用于设备调试、系统调整和特殊情况下的运行方式，因此它是自动运行方式的辅助方式。(2)半自动运行方式。这种运行方式的特点是系统在启动和运行过程中的某些步骤需要人工干预才能进行下去。半自动方式多用于检测手段不完善，需要人工干涉的场合。(3)自动运行方式。自动运行方式是控制系统的主要运行方式。这种方式的主要特点是
29、系统工作过程中系统按给定的程序自动完成被控对象的动作，不需要人工干预。在全自动真空吸塑机的实际运行过程中，一般不需要人工干预，所有的工作过程均可以按系统设定的程序自动完成，但在日常维护、加工新产品或出现一些异常情况时，需要进行设备调试、调整系统参数和工艺参数等需要通过手动控制来完成。因此，本系统选用的运行方式包括自动运行方式和手动方式（辅助方式）。另外，根据工程实践经验，每台机器设备都需要设计急停保护。在自动真空吸塑机正常情况下以自动循环的方式运行，工作结束后正常停机。若在运行过程中需要调整某些控制参数或工艺参数可暂停程序的执行，待调整完毕可继续执行下去。另外，在遇到设备某个部分出现紧急的异常
30、情况时，可选择触摸屏上的按钮紧急停机或者通过硬件直接切断电源，使所有设备停机，防止机器被损坏。3.2系统硬件设计依据在实际的工程应用中，系统硬件设计必须根据控制对象而定，需要考虑的因素包括控制对象的工艺要求、控制功能、设备状况及I/O点数，从而构成比较先进完善的控制系统。33.2.1真空吸塑机工艺要求真空吸塑机的工艺要求是本控制系统设计的主要依据，也是本控制系统设计的要实现的最终目的，因此在进行硬件系统的详细设计之前必须对真空吸塑机的工艺流程有深入的研究。下面是对ZXSJ型真空吸塑机工艺要求和控制流程的总结分析：ZXSJ型全自动真空吸塑机的工作过程包括送料、送片、加热、加热箱进退、下闸、成型、
31、拉伸、夹脚、开合模、冲剪、堆叠、输送、收料等，此外，还有一些机构和电机可实现整机系统的调整（电气原理图见附录一）。从吸塑机的制造成本、工作效率、产品质量、控制的实际需要来看，只需要将大部分的核心功能纳入PLC控制即可，包括送片、加热箱进退驱动、下闸、成型、拉伸、夹脚、开合模、冲剪、堆叠及电机保护。其他的功能如送料、输送、收料等可以由继电器接触器控制电路来控制。由此构成整个全自动的真空吸塑机控制系统，即可实现所要求的控制目标，又不影响生产效率、生产质量及系统的柔性，还可以尽量缩减系统的开发成本。下面就ZXSJ型全自动真空吸塑机的每个动作的控制要求做详细的分析：(1) 开机预热。在系统进入正常工作
32、状态前需要先启动加热系统，把加热箱的温度提升到设定值并保持恒温，使塑料片材通过加热箱时可以在预定的时间内加热变软。(2) 送料。送料部件的功能是将卷好挂在滚筒上的抽出来以便送料链轨顺利的夹住片材往前送。送料电机可通过上下两个接近开关、接触器来实现自动起动或停机。(3) 送片。送片部件的功能则是将片材按照设定的速度、长度等参数送给加热箱、成型模具、冲剪部件以完成各个加工工序。送片电机为安川伺服电机，其速度和方向均需设定参数，并通过PLC来控制启停。同时，送片是整个自动循环工作过程的第一个动作。(4) 加热箱进退。在吸塑机进入工作状态前，需要把加热箱移动至链轨上方加热片材，而加热箱的进退是由电磁阀
33、控制气缸来驱动的。(5) 下闸。当送片动作到位后，下闸电磁阀动作，是下闸上升压紧片材，以便其他机构进行成型、冲剪等动作。下闸的动作需要配合计时器设定的时间差来跟其他动作进行协调，在系统进入下次循环前复位。(6) 开合模。开合模动作由上下模两台伺服电机驱动，同样需要控制伺服电机的运动速度、方向及动作时间。确保在开模后已经完成拉伸、成型、夹脚等动作。(7) 拉伸。合模之后进行的下一个工序是拉伸。拉伸这个工序由一个简单的液压系统来完成，使加热变软的片材迅速形成一个较为规则的形状，便于真空成型。液压系统包括一台三相异步电动机、三个接近开关、接通延时继电器等。(8) 成型。片材的成型是通过模具内抽真空使
34、软化的片材吸附在模具上形成期望的规则形状。在本系统中，通过电磁阀启停真空泵。(9) 夹脚。夹脚这个动作视产品的加工需要而定，同样是通过电磁阀来制动，作为一个真空成型的辅助动作，有利于产品形成规则的形状。(10)冲剪。开模以后片材被加工成期望的形状，通过冲剪这一工序把产品从片材上剪断，进而进行堆叠打包。同样，冲剪动作也是由两台伺服电机，需要在程序中设定电机的转速、转向、及动作时间。(11)堆叠。堆叠动作由伺服电机配合光电开关、计数器完成。堆叠升降台把冲剪出来的产品按设定的个数堆叠起来，方便打包，在计数器达到设定计数值前，升降台按照程序设置的行程动作；达到计数值时，升降台按另外设定的形成动作，把堆
35、叠好的产品推出。(12)拨臂动作。拨臂机构的功能是把堆叠好的产品送到输送链上。拨臂电机单相异步电动机，其启停由接近开关来控制，当堆叠升降台推出产品时，触发接近开关启动拨臂电机，而电机的反转和复位由另外的接近开关来控制。(13)输送。输送是通过链轨机构来完成，输送电机为单相异步电动机，由接近开关来控制其动作与否。(14)收料。收料动作的控制与送料部件相似，也是通过接近开关来判断是否需要启停电机，把废料收卷起来。收料电机为三相异步电动机。上述为ZXSJ型全自动真空吸塑机的工作流程。其中，在下闸压紧片材后，系统同时进行成型、冲剪、堆叠等动作，在这一系列动作完成之后下闸复位，进入下一个循环。此外还有其
36、他机构实现辅助功能，如在换不同材质的片材进行加工前，需要调整其片材宽度，片材夹紧气缸的行程等，可通过硬件来实现。系统的控制流程图如3-1所示。图3-1 系统控制流程图3.2.2设备状况在控制系统中，设备状况是具体的控制对象应满足整个工艺要求。3掌握设备状况对控制系统的设计具有重要意义。下面对ZXSJ型全自动真空吸塑机的设备状况作简要分析：在本控制系统中，送片、开合模、冲剪及堆叠等工序均由伺服驱动完成；加热箱驱动、下闸、由气缸驱动完成；拉伸由液压驱动完成；真空成型由电磁阀驱动真空泵完成；夹脚动作也是由气缸驱动完成。上述气缸的动作均由相应的电磁阀来控制；拉伸行程由接近开关的安装位置决定；而各伺服电
37、机均按位控控制模式工作，电机的保护可在伺服系统及控制程序中设定相应的参数和命令。此外，整个控制系统的保护在硬件及软件上均设计了相应的保护功能。3.2.3控制功能控制系统所应实现的控制功能是由真空吸塑机的工艺要求和设备状况提出来的。本设计主要依据控制功能来进行系统的类型、规模、机型、模块、软件等详细设计。根据上一节可知ZXSJ型全自动真空吸塑机的系统类型和运行方式。在系统的实际运行中我们所要实现的功能目标主要有两个方面：(1) 手动操作。作为自动运行的辅助方式，手动操作包含了系统循环过程的每一个步骤，并可通过点击触摸屏上的控制按钮来实现每一个动作的单独控制。4在调试完成后可切换成自动运行模式让机
38、器按设定的程序进行工作。(2)自动运行。4在自动运行的工作模式下，系统按照PLC中设定的程序连续不断地循环执行各机构的动作，在工作结束或者发生意外时收到停机或暂停信号时停止工作。同样，自动运行的每一个动作均可在触摸屏上进行监视，在发生报警时，触摸屏上显示警报来源等故障信息。3.2.4I/O点数和种类经过系统工艺要求、设备状况和控制功能的分析，控制系统硬件设计基本上形成了一个初步方案。为了选定系统的规模、机型和配置，需要对系统的I/O点数和种类进行精确的统计，且在设计过程中，实际的I/O点数要比统计点数增加20%30%，以便在有需要的时候进行系统的扩展或二次开发。由前面的章节可知，ZXSJ型全自
39、动真空吸塑机控制系统中的输入输出信号全部为开关量信号，数字量输入点数为17点，数字量输出点数为14点，总共所需I/O点数为31点。实际的I/O点数为3740点。只需要选择小型的PLC即可满足控制需求。3.3PLC选型PLC的选型主要考虑以下三个方面：PLC容量的选择与确定、PLC外设的选择与确定、PLC生产厂家的选择与确定等。53.3.1PLC容量的选择与确定(1) I/O点数的估算。由前面对系统的控制任务分析可知，本系统的实际需要的I/O点数为3740点，且所有的输入输出信号为开关量信号，不需要进行模拟量等的扩展。系统中的输入输出信号包括继电器、接触器、电磁阀、指示灯等，但主要以交流信号为主
40、，直流信号为辅。由于系统中包含多个伺服系统，要求输出高速脉冲，且动作较为频繁，这就需要选用无触点的晶体管输出型PLC。(2)存储器容量估算。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下所需存储器容量：(KB)(11.25)(DI10DO8AI/O100CP300)/1024(11.25)(171014801300)/10240.7KB其中：DI为数字量输入总点数；DO为数字量输出总点数；AI/AO为模拟量I/O通道总数；CP为通信接口总数。3.3.2 PLC外设的
41、选择与确定在本系统中，由于输入输出点数为开关量信号，且所需点数规模较小，一般不考虑扩展点数，尽量选取点数配套的PLC机型，另外，也不需要扩展模拟量单元和通信单元。但由于系统中包含多个伺服系统，均需要在位置控制模式下工作输出高速脉冲，而一般的PLC高速脉冲输出口不能满足需求，在本设计中，选用若干位置控制模块来补充PLC的不足。在显示单元的选择上，采用的是触摸屏的显示方案，根据厂方的使用惯例，在本系统中选用威纶MT6100i触摸屏作为系统扩展的显示单元。3.3.3 PLC生产厂家的选择与确定在进行PLC生产厂家的选择与确定上同样考虑了PLC的功能、价格和设计者（设计团队）的设计能力等三个方面。由于
42、ZXSJ型全自动真空吸塑机在功能、性能等的市场定位为中高档改良型产品，PLC的价格因素并不是最重要的决定因素，所以我们首要考虑的是能否使其整机功能、性能达到较高的控制水平。鉴于本人在PLC的开发应用方面欠缺很多实践经验，对PLC的了解还不够深入，因此只能在详细分析系统的功能和性能要求的基础上，遵循厂方的开发与应用习惯进行设计，选定了西门子S7-200系列PLC CPU226 DC/DC/DC CN及与之配套的模块。S7-200系列PLC的功能及性能介绍如下：5图3-2 CPU22系列PLC的主机外形(1)S7-200 CPU22系列PLC的CPU226型号结构配置包括：具有24个输入点和16个
43、输出点，共计40个I/O点。2个模拟量电位器，最多可扩展35AI/AO点。8KB用户程序区和5KB数据存储区。有6路高速计数器(30Hz),2路高速脉冲输出，2个RS485通信/编程口。主要用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。(2)S7-200系列CPU的主要特点如下：1)内部集成的具有强劲的通信能力的PPI接口是S7-200的用户口，CPU接口物理特性为RS485，可在三种方式下工作。1)PPI方式：通过PPI方式，S7-200系列PLC与计算机之间或者是PLC相互之间可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。2)MPI方式：通过MPI方式，S7-200可以通过内置接口连接到MPI网络上
44、，它可与S7-300/S7-400CPU进行通信。3）自由口通信方式：通过自由口通信方式，S7-200系列PLC可以与任何通信协议公开的其他设备、控制器进行通信。2)丰富的内置集成功能：1)集成的24V负载电源，可直接连接到传感器和变送器。2)对于不同的设备类型，其CPU各有2各种类型，具有不同的电源电压和控制电压。3)中断输入，允许以极高的速度对过程信号的上升沿作出相应。4)具有46个高速计数器。5)2路高速脉冲输出(最大20KHz)用于控制步进电机，或伺服电机的运动，从而实现对目标的定位任务。(3)丰富的扩展模块对数字量和模拟量扩展模块可方便选用，且经济实惠。(4)具有易于掌握、便捷的操作
45、以及丰富的指令集。(3)存储系统。S7-200系列PLC的存储系统由RAM和EEPROM两种类型的存储器构成，CPU模块内部配备了一定容量的RAM和EEPROM。同时，S7-200系列PLC的CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。在CPU模块内部的超级电容和电池模块用于长时间的保存数据，用户数据可通过主机的超级电容存储若干天。 3.4硬件电路设计PLC控制系统的硬件电路设计主要有PLC以及外围线路的设计、电气线路的设计和系统抗干扰设计等。5在选定了PLC以及其扩展模块与分配好I/O地址后，本系统的硬件设计主要进行电气原理图的设计：包括主电路的设计和控制电路的设计。主电路是指强电中的主干电路
46、设计，而控制电路主要是指PLC控制部分的设计，包括PLC的I/O接线、自动部分接线、手动部分接线等。 3.4.1主机I/O地址表根据2.3.3节给出的ZXSJ型全自动真空吸塑机控制系统框架图及所选定的PLC及扩展模块分配本系统的I/O口地址如下表所示：表3-1 ZXSJ型全自动真空吸塑机PLC主机的I/O资源分配ZXSJ型全自动真空吸塑机PLC主机的I/O资源分配（CPU226 CN）名称地址编号说明输入信号手动/自动按钮I0.0选择工作模式停止按钮I0.1停止系统拉伸停止接近开关I0.2停止拉伸系统拉伸上限接近开关I0.3控制拉伸行程拉伸下限接近开关I0.4控制拉伸行程光电开关I0.5产品计数送料报警I0.6伺服警报输入拉片报警I0.7伺服警报输入 成型上模报警I1.0伺服警报输入成型下模报警I1.1伺服警报输入油泵报警I1.2热继电器输入冲剪上模报警I1.3伺服警报输入冲剪下模报警I1.4伺服警报输入堆叠报警I1.5伺服警报输入拨臂报警I1.6热继电器输入输送报警I1.7热继电器输入收料报警I2.0热继电器输入ZXSJ型全自动真空吸塑机PLC主机的I/O资源分配名称地址编号说明输出信号拉片速度Q0.0拉片速度控制堆叠升降速度Q0.1堆叠速度控制拉片方向Q0.2拉片方向控制
