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流程中必須使用的生產設備。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計，提高我國普通V帶生產行業(yè)的自動化程度，促進國內橡膠V型傳動帶設備生產領域企業(yè)的自主創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展。

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

1 設計要求及內容

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

V帶包布機的生產需要可以實現多型號的V帶包布成型、單雙層包布的交換?？刂品譃樽詣雍褪謩觾煞N操控方式。

2 V帶包布成型機設計

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，設備自動遞上包布布頭后，點動腳踏開關，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，設備包布結束，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，為了實現設備動作的自動控制，在原包布機的基礎上，對原型包布機做出以下設計，設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，在原型基礎上改進以下機構：機箱、機箱左側連接送料箱、送料箱上從左到右依次連接有料布卷軸、導開裝置、導布槽。機箱上從左到右依次連接有自動裁斷總成、機頭；機箱右側連接有漲緊總成、料布卷軸、導開裝置和導布槽，導布槽為兩組，兩組之間平行設置：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帶包布成型機相應部分設計

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

2.3.1 供布裝置設計

原供布裝置如圖1所示，導布需人工配合，當將設備啟動后，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，導布無需人工配合，當將設備啟動后，裝置將包布所需布頭自動貼和于帶芯底部，包布時由設備兩側其中之一供布電機帶動摩擦輥遞進供布，在包布進行完后，將由下一步設計的自動裁斷總成剪斷包布。當進行雙層包布時，設備將自動重復以上步驟。

圖2 改進型供布裝置

2.3.2 自動裁刀裝置設計

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

2.3.5 總體設備框架設計

原包布機總體設備框架如圖9所示。

圖9 原包布機總結構框架

自動包布機總體設備框架如圖10所示。

圖10 改進型包布機總結構框架

3 系統(tǒng)的軟件設計

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

圖11 控制結構

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輸出信號設備進行機械動作漲緊輪漲緊；第三步，設備進行滑槽送布；第四步，設備進行黏合擠壓輪上升；第五步，設備進行送布滑槽退回；第六步，設備進行裁刀架推送；第七步，設備進行電磁離合器吸合；第八步，設備進行主動輪轉動；第九步，設備進行編碼器計數器工作；第十步，設備進行漲力測量輥感應；第十一步，當設備測量輥感應到漲力大于預定值時包布條牽引電機啟動，當測量輥感應到漲力小于預定值時包布條牽引電機停止；第十二步，設備進行計數器輸出、數據記為輸出1；第十三步，設備進行主動輪停止轉動；第十四步，設備進行壓合輥壓合；第十五步，設備進行裁刀推送裁布；第十六步，設備進行合輥退回；第十七步，設備進行離合器吸合；第十八步，設備進行編碼器；第十九步，設備進行計數器輸出、輸出量0；第二十步，設備進行離合器松開；第二十一步，設備進行主動輪停止；第二十二步，設備進行壓合輥壓合；第二十三步，設備進行裁刀推送裁布；第二十四步，設備進行壓合輥退回；第二十五步，設備進行離合器吸合；第二十六步，設備進行主動輪轉動；第二十七步，設備進行編碼器；第二十八步，設備進行計數器輸出輸出量2；第二十九步，設備進行離合器松開；第三十步，設備進行主動輪停止；第三十一步，設備進行裁刀，裁刀架、黏合擠壓輥退回；第三十二步，控制設備根據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以上步驟直到再次進行此步驟時進行最后兩步，設備漲緊輪退回，由人工收回成品，選擇單層包布直接進行最后兩步設備漲緊輪退回與收回成品。

3.2 程序流程

根據以上系統(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與根據系統(tǒng)動作要求，PLC外部接線設計如圖13所示。

圖13 PLC接線圖

3.5 設計主線路接線選擇操作、輸入、輸出設備

根據系統(tǒng)動作要求，主線路接線圖設計如圖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。

操作設備選用：觸摸屏、腳踏開關、急停按鈕、兩檔旋鈕和漏電開關。

輸入設備選用：控制變壓器、24V開關電源、編碼器、電磁感應線圈和接近開關。

輸出設備選用：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

根據以上數據，關于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、輸出的端子數量、內存容量的大小、掃描速度的快慢、指令條數多少、功能模塊種類等。同時我們須要考慮到經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計開發(fā)的工業(yè)用計算機核心。其具有數字運算、邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的電子裝置，以接入式CPU為核心，通過數字式或模擬式的數據信號的輸入和輸出，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，僅使用少量的開關量與邏輯控制指令，就可以實現繼電器電路板的功能[3]。

PLC控制系統(tǒng)具有方便的數據修改特性，一旦設備發(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還具有聯網功能，當將PLC聯網后，工程師可以在任意具有網絡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為核心的設備在程序與硬件建設的周期大大縮短，設備升級速度提升。

3.6.2 常用PLC的類型介紹

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

美國產較著名的有：

（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 確定本設計PLC選用型號

經過設計分析，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，計數器點C點為236個，數據寄存器點D點為1 129個[7]。對比輸入、輸出的端子數量、內存容量的大小、掃描速度的快慢、指令條數多少、功能模塊種類、經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為設計用PLC。

3.7 臺達DVP-60ES簡介

DVP-60ES具有整合的通訊功能，內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60位，同時可搭配AIO擴展模塊，配合內建PID Auto Tuning功能，提供完整的模擬與溫度控制方案，滿足設備的功能控制需要。結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數據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內處理完成1k steps數據運算 ，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，可進行現場設備搭建，配合程序的4重密碼保護，更有效的保護使用者的知識產權不受到侵害。

3.7.1 臺達DVP-60ES的結構功能簡述

臺達DVP-60ES結構如圖15所示。

圖15 DVP-60ES結構框架

（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 輸入點導通時，輸入指示燈亮起。

（3）輸出指示燈 Y 輸出點導通時，輸出指示燈亮起。

（4）電源、輸出、輸入出端子編號。

（5）Run/Stop開關。

（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。

（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的地面上。

（4）應水平安裝在控制箱內。

（5）若有增加模塊的計劃，應在左右保留適當的安裝空間。

（6）安裝前請貼上防塵貼紙，防止導電異物掉入。

（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，由外向內推將脫落式端子撐開[8]。使用單蕊噴線或多蕊線銅導線，將線頭處橡膠剝去，將線頭一端接與PLC端子上，另一端接在所需控制設備上，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）使用外圍設備將程序寫入主機，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?？墒褂肳PLSof2.36執(zhí)行輸出接點強制開始與結束測試。

（17）如無問題結束操作。

3.8 臺達DVP-60ES2編程器的介紹與使用說明

編程器是PLC必不可少的外部設備。編程器的作用是：將用戶所需要控制設備所體現的動作，通過編程語言設計出所對應設計的程序，并將程序傳輸到PLC的用戶程序存儲器中，通過PLC控制外部設備來實現。隨著PLC的發(fā)展，編程語言已經變得復雜化，手持編程器已經無法滿足工程師的編寫需要，所以性能更高的計算機，已經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“機種設置”的窗口，在彈出的“機種設置”的窗口內點擊“程序標題”欄，在其中輸入所用PLC名稱，在彈出的“機種設置”的窗口內點擊“機種分類”選擇你所需的機種，在點擊菜單欄中的“通信設置”在彈出的標題欄中選擇傳輸方式。本設計選用的是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）可以在相應工具欄中找到相對應的輸入、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內進行最后的調試了。

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，即可由機器自動上布黏合總成上，主軸轉動包布、裁斷、收尾。如果是兩層布可以自動換布后重復上次動作。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，進行相應的操作，完成工藝步驟，直到包布結束。再點擊手動控制界面中的自動畫面按鈕，轉回自動控制界面重新工作。

(未完待續(xù)）