PLC控制V帶包布機的研制

唐浩鶴

(金久龍實業(yè)有限公司，河南 尉氏 475500)

V帶包布成型機是橡膠傳動帶生產(chǎn)流程中必須使用的生產(chǎn)設(shè)備。包布是將黏合好的V帶帶芯包上兩層按45度角斜裁好的膠帆布，完成半成品帶的成型。通過對 V帶包布成型機的控制進行設(shè)計，提高我國普通V帶生產(chǎn)行業(yè)的自動化程度，促進國內(nèi)橡膠V型傳動帶設(shè)備生產(chǎn)領(lǐng)域企業(yè)的自主創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展。

我國普通V帶自動化生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)，自80年代引進國外設(shè)備開始，距今已有近四十年的歷程。近年隨著市場形勢的發(fā)展和國內(nèi)勞動力成本的不斷提高，各個普通V帶生產(chǎn)廠家對設(shè)備自動化需求不斷提升，國內(nèi)各橡膠機械生產(chǎn)廠家也開始對V帶生產(chǎn)設(shè)備進行了自動化改進。

1 設(shè)計要求及內(nèi)容

實現(xiàn)以PLC為控制核心，對V帶包布機的自動控制。通過修改PLC內(nèi)的控制程序與系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)對V帶包布成型機的動作控制。

V帶包布機的生產(chǎn)需要可以實現(xiàn)多型號的V帶包布成型、單雙層包布的交換。控制分為自動和手動兩種操控方式。

2 V帶包布成型機設(shè)計

2.1 V帶包布成型機的工序與工作原理

V帶包布成型機的工作順序：開始時由人工掛上帶芯，設(shè)備自動遞上包布布頭后，點動腳踏開關(guān)，使擠壓黏合輪將V帶帶芯與包布黏合，然后V帶包布機將V帶帶芯包上兩層按45度角斜裁好用于包布的膠帆布，將帶芯成型成半成品帶胚，設(shè)備包布結(jié)束，最后自動剪斷布頭，人工從機器上取下成品。

2.2 包布機自動控制的機械分析與解決方案

包布成型機使用PLC進行控制，為了實現(xiàn)設(shè)備動作的自動控制，在原包布機的基礎(chǔ)上，對原型包布機做出以下設(shè)計，設(shè)備需能自動完成以下一系列連貫動作：①自動送出并粘貼布條；②自動包布；③自動裁刀；④收尾及退出。

上述問題的解決，在原型基礎(chǔ)上改進以下機構(gòu)：機箱、機箱左側(cè)連接送料箱、送料箱上從左到右依次連接有料布卷軸、導(dǎo)開裝置、導(dǎo)布槽。機箱上從左到右依次連接有自動裁斷總成、機頭；機箱右側(cè)連接有漲緊總成、料布卷軸、導(dǎo)開裝置和導(dǎo)布槽，導(dǎo)布槽為兩組，兩組之間平行設(shè)置：自動裁斷總成包括裁刀槽固定座、長刀片、裁斷氣缸、圓盤刀片，長刀片固定連接在裁刀槽固定座上，圓盤刀片連接在裁斷氣缸上，裁斷氣缸水平橫向設(shè)置，圓盤刀片向右運動的極限位置位于長刀片的上方[2]。

2.3 V帶包布成型機相應(yīng)部分設(shè)計

機械部分的設(shè)計是基于原單工位包布機的基礎(chǔ)上進行的改進，所以參考橡膠工業(yè)手冊第九分冊橡膠機械的基礎(chǔ)進行的機械設(shè)計，整體選用的零件數(shù)據(jù)與生產(chǎn)工藝來自原型，所選用零件與工藝不變，僅進行氣動閥的改動與機械結(jié)構(gòu)的改動。

2.3.1 供布裝置設(shè)計

原供布裝置如圖1所示，導(dǎo)布需人工配合，當將設(shè)備啟動后，由人工將包布所需布頭貼和于帶芯底部，包布時由設(shè)備供布電機帶動包布纏繞輥供布，在包布進行完后，還需人工進行剪斷包布。當進行雙層包布時，還需人工重復(fù)以上步驟。

圖1 原V型包布機供布裝置

改進型供布裝置如圖2所示，導(dǎo)布無需人工配合，當將設(shè)備啟動后，裝置將包布所需布頭自動貼和于帶芯底部，包布時由設(shè)備兩側(cè)其中之一供布電機帶動摩擦輥遞進供布，在包布進行完后，將由下一步設(shè)計的自動裁斷總成剪斷包布。當進行雙層包布時，設(shè)備將自動重復(fù)以上步驟。

圖2 改進型供布裝置

2.3.2 自動裁刀裝置設(shè)計

原裁刀裝置如圖3所示，裁刀動作需要由人工進行裁刀。

圖3 手動裁刀裝置

自動裁刀裝置如圖4所示，裁刀動作由圓盤裁刀與裁刀槽配合，裁刀推動氣缸推動進行裁刀，過程可由PLC控制自動進行[2]。

圖4 自動裁刀裝置

2.3.3 張緊裝置設(shè)計

原拉緊裝置如圖5所示，原拉緊裝置由液壓裝置提供拉伸動力，維修時對工作環(huán)境影響較壞。

圖5 原拉緊裝置

自動拉緊裝置如圖6所示，改進型選用氣壓缸提供拉伸動力，維修時對工作環(huán)境影響較小。

圖6 包布拉緊裝置

2.3.4 包布黏合擠壓裝置設(shè)計

原包布黏合擠壓裝置如圖7所示。

圖7 黏合包布擠壓裝置

自動包布黏合擠壓裝置如圖8所示，包布黏合擠壓裝置在原型的基礎(chǔ)上沒有進行大的改進，僅將原液壓缸改為氣壓缸，加裝了包布分隔輪。

圖8 包布黏合擠壓機構(gòu)

2.3.5 總體設(shè)備框架設(shè)計

原包布機總體設(shè)備框架如圖9所示。

圖9 原包布機總結(jié)構(gòu)框架

自動包布機總體設(shè)備框架如圖10所示。

圖10 改進型包布機總結(jié)構(gòu)框架

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

對V帶包布成型機成型機的控制方式有多種，本機采用PLC為控制核心來實現(xiàn)控制功能。所以，須對PLC、輸出、輸入等控制設(shè)備進行比較選擇[3]，所選PLC與其他硬件應(yīng)滿足如圖11控制的功能與要求。

圖11 控制結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)分析

該機系統(tǒng)是針對V帶包布成型機的控制，對v帶帶芯包布與成型動作所設(shè)計的系統(tǒng)。

系統(tǒng)動作步驟：第一步，由工人將帶芯標準的掛在機器上；第二步，由PLC輸出信號設(shè)備進行機械動作漲緊輪漲緊；第三步，設(shè)備進行滑槽送布；第四步，設(shè)備進行黏合擠壓輪上升；第五步，設(shè)備進行送布滑槽退回；第六步，設(shè)備進行裁刀架推送；第七步，設(shè)備進行電磁離合器吸合；第八步，設(shè)備進行主動輪轉(zhuǎn)動；第九步，設(shè)備進行編碼器計數(shù)器工作；第十步，設(shè)備進行漲力測量輥感應(yīng)；第十一步，當設(shè)備測量輥感應(yīng)到漲力大于預(yù)定值時包布條牽引電機啟動，當測量輥感應(yīng)到漲力小于預(yù)定值時包布條牽引電機停止；第十二步，設(shè)備進行計數(shù)器輸出、數(shù)據(jù)記為輸出1；第十三步，設(shè)備進行主動輪停止轉(zhuǎn)動；第十四步，設(shè)備進行壓合輥壓合；第十五步，設(shè)備進行裁刀推送裁布；第十六步，設(shè)備進行合輥退回；第十七步，設(shè)備進行離合器吸合；第十八步，設(shè)備進行編碼器；第十九步，設(shè)備進行計數(shù)器輸出、輸出量0；第二十步，設(shè)備進行離合器松開；第二十一步，設(shè)備進行主動輪停止；第二十二步，設(shè)備進行壓合輥壓合；第二十三步，設(shè)備進行裁刀推送裁布；第二十四步，設(shè)備進行壓合輥退回；第二十五步，設(shè)備進行離合器吸合；第二十六步，設(shè)備進行主動輪轉(zhuǎn)動；第二十七步，設(shè)備進行編碼器；第二十八步，設(shè)備進行計數(shù)器輸出輸出量2；第二十九步，設(shè)備進行離合器松開；第三十步，設(shè)備進行主動輪停止；第三十一步，設(shè)備進行裁刀，裁刀架、黏合擠壓輥退回；第三十二步，控制設(shè)備根據(jù)起始輸入進行選擇是雙層包布還是單層包布，選擇雙層包布由第三步開始重復(fù)以上步驟直到再次進行此步驟時進行最后兩步，設(shè)備漲緊輪退回，由人工收回成品，選擇單層包布直接進行最后兩步設(shè)備漲緊輪退回與收回成品。

3.2 程序流程

根據(jù)以上系統(tǒng)分析可得出控制動作流程，如圖12所示。

圖12 控制流程

3.3 I/O端口

I/O分配表如表1所示。

表1 I/O分配表

3.4 PLC外部接線

引用表1與根據(jù)系統(tǒng)動作要求，PLC外部接線設(shè)計如圖13所示。

圖13 PLC接線圖

3.5 設(shè)計主線路接線選擇操作、輸入、輸出設(shè)備

根據(jù)系統(tǒng)動作要求，主線路接線圖設(shè)計如圖14所示。

圖14 主干路接線圖

人機控制界面：昆侖通態(tài)觸摸屏。

操作設(shè)備選用：觸摸屏、腳踏開關(guān)、急停按鈕、兩檔旋鈕和漏電開關(guān)。

輸入設(shè)備選用：控制變壓器、24V開關(guān)電源、編碼器、電磁感應(yīng)線圈和接近開關(guān)。

輸出設(shè)備選用：變頻器、電動機、歐姆龍 MY2NJ繼電器、三位五通電磁閥和指示燈。

3.6 PLC的選型

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，關(guān)于PLC的選型，我們需要考慮全面。因為PLC的型號不同其功能的差別也很大，如輸入、輸出的端子數(shù)量、內(nèi)存容量的大小、掃描速度的快慢、指令條數(shù)多少、功能模塊種類等。同時我們須要考慮到經(jīng)濟實用性以及工作環(huán)境對它運行的影響。

3.6.1 PLC的簡述

由于本論文需用PLC為核心，可編程控制器簡稱PLC，它具備了過程控制、模擬量控制、遠程通信等強大功能，以極為迅速的趨勢代替了其他電子裝置，成為自動化設(shè)備核心[3]。

PLC是為在較惡劣工業(yè)環(huán)境下，仍可以正常運行而設(shè)計開發(fā)的工業(yè)用計算機核心。其具有數(shù)字運算、邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的電子裝置，以接入式CPU為核心，通過數(shù)字式或模擬式的數(shù)據(jù)信號的輸入和輸出，來控制各類型的器械來執(zhí)行動作指令[3]。PLC與其它外圍設(shè)備，具有良好的匹配性，是極易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成整體的根本。

PLC的編程使用的是與繼電器電路圖相接近的梯形圖語言，僅使用少量的開關(guān)量與邏輯控制指令，就可以實現(xiàn)繼電器電路板的功能[3]。

PLC控制系統(tǒng)具有方便的數(shù)據(jù)修改特性，一旦設(shè)備發(fā)生故障，當場就能用筆記本電腦對程序進行檢測，方便排除故障。同時PLC還具有聯(lián)網(wǎng)功能，當將PLC聯(lián)網(wǎng)后，工程師可以在任意具有網(wǎng)絡(luò)的地方對程序進行修改。

加上PLC通訊功能的開發(fā)增強、人機操作界面技術(shù)的突破，使PLC已具備完善的整體功能組成。以上特性使得使用PLC為核心的設(shè)備在程序與硬件建設(shè)的周期大大縮短，設(shè)備升級速度提升。

3.6.2 常用PLC的類型介紹

世界上的PLC可按產(chǎn)地分成三大派：一派是美國產(chǎn)，一派是歐洲產(chǎn)，還有一派是日本產(chǎn)。

美國產(chǎn)較著名的有：

（1）A-B公司：大中型機 PLC-5系列；小型P LC SLC500系列等。

（2）GE公司：大型機GE-V；中型機GE-Ⅲ；小型機GE-1、GE-1/J、GE-1/P等[4]；

（3）TI公司：大型機PM550、530、560、565；中型機TI300、5TI；小型機510、520和TI100等[5]。

（4）MODICON公 司：大 型 機M584；中 型 機M884、M484；小型機M84等。

歐州產(chǎn)較著名的有：

SIEMENS公司：大型機S7-400系列；中型機 S7-300系列、 S5-115U 、S5-115UH；小型機S5系列中，S5-90U、S-95U、S7-200系列等。

日本產(chǎn)較著名的有：

（1）三菱公司：大中型機有QNA系列、A系列、Q系列；小型機F1/F2系列、FX系列、FXOS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等[5]。

（2）松下公司：大型機FP20、FP5/FP10、FP10S； 中型機FP3；小型機FP1、FPO等。

中國產(chǎn)較著名的有：

（1）臺達公司：中型機AH500系列；小型機DVP-ES2/EX2/ES2-C 系列、DVP-EC3系列、DVP-EH3系 列、DVP-SE系 列、DVP-SS2系 列、DVP-20PM系列等[5]。

（2）正航公司：小型機馳恩系列。

3.6.3 確定本設(shè)計PLC選用型號

經(jīng)過設(shè)計分析，所選用的PLC，需輸入點X為18個、輸出點Y為21個、輔助繼電器點M為1 12 7個，狀態(tài)繼電器點S為52個，定時器點T為90個，計數(shù)器點C點為236個，數(shù)據(jù)寄存器點D點為1 129個[7]。對比輸入、輸出的端子數(shù)量、內(nèi)存容量的大小、掃描速度的快慢、指令條數(shù)多少、功能模塊種類、經(jīng)濟實用性以及工作環(huán)境對PLC運行的影響等因素。最終選擇臺達DVP-60ES2為設(shè)計用PLC。

3.7 臺達DVP-60ES簡介

DVP-60ES具有整合的通訊功能，內(nèi)部具有兩種通訊模式一組RS-232通訊、一組RS-485通訊均支持MODBUS主站與從站模式控制，DVP-60ES通訊型主機但還支持DVP-60ES模擬與溫度混合型主機搭配使用，提供各種I/O點數(shù)60位，同時可搭配AIO擴展模塊，配合內(nèi)建PID Auto Tuning功能，提供完整的模擬與溫度控制方案，滿足設(shè)備的功能控制需要。結(jié)合新一代主機的高速處理器，處理速度遠高于同價位PLC，16k steps數(shù)據(jù)寄存器方便存儲與運行較大型的程序，固有的高速處理功能，可在1 ms內(nèi)處理完成1k steps數(shù)據(jù)運算 ，搭配100 kHz的脈沖，可控各種多軸高精度運動，臺達DVP-60ES機芯具有高抗干擾特性，可進行現(xiàn)場設(shè)備搭建，配合程序的4重密碼保護，更有效的保護使用者的知識產(chǎn)權(quán)不受到侵害。

3.7.1 臺達DVP-60ES的結(jié)構(gòu)功能簡述

臺達DVP-60ES結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 DVP-60ES結(jié)構(gòu)框架

（1）電源 、運行、錯誤、COM1到COM3的指示燈。作用為可以通過燈號的顯示情況來確認 PLC的運行狀態(tài)。電源燈：燈號顏色綠色，則PLC電源啟動時亮。運行燈：燈號顏色綠色，PLC運行時亮。錯誤燈：燈號顏色紅色，PLC程序發(fā)生錯誤時閃爍。COM1到COM3指示燈：燈號顏色橘色，PLC通訊時閃爍。

（2）輸入指示燈 X 輸入點導(dǎo)通時，輸入指示燈亮起。

（3）輸出指示燈 Y 輸出點導(dǎo)通時，輸出指示燈亮起。

（4）電源、輸出、輸入出端子編號。

（5）Run/Stop開關(guān)。

（6）COM1程序通訊端口COM1程序通訊端口，可當主或從站使用。

（7）機種型號 機種型號與輸出入點數(shù)。

（8）COM2、COM3 COM2 、COM3 通訊端口，可當主或從站使用。

（9）DIN 軌固定扣。

（10）I/O模塊固定扣 下一級I/O模塊固定使用。

（11）I/O模塊連接端口 連接下一級I/O模塊。

（12）輸出類型 T：晶體管， R：繼電器。

（13）標簽銘牌。

（14）DIN 軌槽 適用于35 mm之DIN鋁軌或鋼制導(dǎo)軌。

（15）直接固定孔 適用于M4螺絲。

（16）脫落式歐式輸入或輸出端子。

3.7.2 臺達DVP-60ES型號的安裝與使用說明

臺達DVP-60ES安裝方式：多使用將主機固定在DIN鋁軌上，而將DIN鋁軌安裝在控制箱等位置的安裝方法[6]；臺達DVP-60ES適用于35 mm的DIN鋁軌。

PLC在安裝時，應(yīng)注意：

（1）當將PLC裝配于封閉式控制箱中時，請注意其與周圍控制箱箱壁保持大于50 mm的空間距離，以保證PLC的正常散熱[8]。

（2）請盡可能遠離高壓設(shè)備、高壓電線、及馬達等機械。

（3）為防止PLC機器溫度上升，請勿安裝在控制箱內(nèi)的地面上。

（4）應(yīng)水平安裝在控制箱內(nèi)。

（5）若有增加模塊的計劃，應(yīng)在左右保留適當?shù)陌惭b空間。

（6）安裝前請貼上防塵貼紙，防止導(dǎo)電異物掉入。

（7）請先將主機下方的固定塑料片，用一字形起子插入凹槽，并向外撐開拉出[8]，將主機掛上鋁軌，將將主機下壓，最后固定塑料片壓扣回去即可。

（8）進行輸出與輸入控制線接線時，以一字形起子伸至脫落式端子與主機接縫處，由外向內(nèi)推將脫落式端子撐開[8]。使用單蕊噴線或多蕊線銅導(dǎo)線，將線頭處橡膠剝?nèi)ィ瑢⒕€頭一端接與PLC端子上，另一端接在所需控制設(shè)備上，完成安裝。

（9）送電前將所有雜物清除，并撕去PLC散熱孔上的防塵貼紙。

（10）在通上電源前，請務(wù)必檢查電源線及輸出與輸入配線是否正確。

（11）確認負載電源與PLC輸出組件是否一致。

（12）確認 DC24V 輸入 SINK/SOURCE極性與您的配線是否極性一致。

（13）確認晶體管輸出的極性與您的配線極性是否一致。

（14）確認無誤后為PLC接通電源，進行檢查工序。

（15）使用外圍設(shè)備將程序?qū)懭胫鳈C，若主機ERROR指示燈沒有閃爍，進行下一步，由使用者下達RUN的命令，若主機ERROR指示燈閃爍，使用者程序出現(xiàn)問題，若電源指示POWER指示燈亮。DVP-PLC發(fā)生異常，進行檢查，檢查后如為硬件問題，進行返廠。

（16）若載入正常可使用WPLSof2.36執(zhí)行輸出接點強制開始與結(jié)束測試。

（17）如無問題結(jié)束操作。

3.8 臺達DVP-60ES2編程器的介紹與使用說明

編程器是PLC必不可少的外部設(shè)備。編程器的作用是：將用戶所需要控制設(shè)備所體現(xiàn)的動作，通過編程語言設(shè)計出所對應(yīng)設(shè)計的程序，并將程序傳輸?shù)絇LC的用戶程序存儲器中，通過PLC控制外部設(shè)備來實現(xiàn)。隨著PLC的發(fā)展，編程語言已經(jīng)變得復(fù)雜化，手持編程器已經(jīng)無法滿足工程師的編寫需要，所以性能更高的計算機，已經(jīng)代替手持編程器編程。臺達DVP-60ES2的編程器也由手持編程器編程變?yōu)樵谟嬎銠C軟件上完成，臺達DVP-60ES2計算機編程軟件是WPLSof2.36。

WPLSof2.36:WPLSof2.36為臺達系列PLC可編器的電腦編輯軟件。適用于臺達DVP-PLC全系列。

編程軟件WPLSof2.36的使用說明：

（1）在安裝好WPLSof2.36程序后，可選擇雙擊桌面上的WPLSof2.36快捷方式進入程序，或單擊右鍵選擇打開進入程序。

（2）打開菜單欄，在菜單欄中找到“文件”按鈕，點擊選擇新建，將會彈出“機種設(shè)置”的窗口，在彈出的“機種設(shè)置”的窗口內(nèi)點擊“程序標題”欄，在其中輸入所用PLC名稱，在彈出的“機種設(shè)置”的窗口內(nèi)點擊“機種分類”選擇你所需的機種，在點擊菜單欄中的“通信設(shè)置”在彈出的標題欄中選擇傳輸方式。本設(shè)計選用的是ES2-USB。點擊“確定”按鈕，回到主界面。然后在書寫界面編寫梯形圖程序就可以了。

（3）可以在相應(yīng)工具欄中找到相對應(yīng)的輸入、輸出的符號，點擊符號按鈕就可以添加到程序窗口中，也可以選擇雙擊藍色方塊，同樣可以進行指令模式的程序書寫[9]。

（4）完成程序設(shè)計編寫后，進行以下步驟，點擊菜單欄，進入菜單欄選擇菜單欄中的編譯按鈕點擊，選擇編輯欄中的“梯形圖=>指令”按鍵點擊，軟件將會自主的進行程序編譯，當梯形圖沒有錯誤編譯，且整體編譯成功的情況下，主窗口最下方將會給出提示。當梯形圖中有錯誤編譯時，主窗口最下方同樣將會給出錯誤提示，提示編譯失敗，并給出錯誤的位置。

（5）編譯完成后，點擊菜單欄，選擇菜單欄內(nèi)的通信欄，點擊通訊欄中的PC<=>PLC選項，點擊確定后，就由電腦將程序自動下載到PLC內(nèi)進行最后的調(diào)試了。

3.9 人機界面的操作過程

人機自動界面操作：按動電源控制按鈕，電源指示燈亮，點擊觸摸屏上自動按鍵，將帶芯掛到指定位置，腳點動一下腳踏開關(guān)，即可由機器自動上布黏合總成上，主軸轉(zhuǎn)動包布、裁斷、收尾。如果是兩層布可以自動換布后重復(fù)上次動作。在工作中如有翻帶、包布、中斷等情況發(fā)生可按停止按鈕，變?yōu)槭謩硬僮鳌?/p>

人機手動界面操作：當加工過程中有翻帶、包布、中斷等情況發(fā)生時，點擊自動控制界面中的按鈕，進行相應(yīng)的操作，完成工藝步驟，直到包布結(jié)束。再點擊手動控制界面中的自動畫面按鈕，轉(zhuǎn)回自動控制界面重新工作。

(未完待續(xù)）