全自动切石机的大学本科毕业论文.doc

青岛市维修电工技师毕业设计

前 言

自动切石机是模拟人锯木头的动作而开发设计的，具有全自动切出石料板材的机械设备，它可以模仿人的动作把一块几十吨重的石料从头到尾自动切成所需要的板材。把人从机械、繁琐的劳动中解放出来，具有以往机械式的切石机无可比拟的优越性，效率提高了十几倍。以往一台锯需要一人手工操作，即费人工，设备又容易损坏，所有的动作要靠人工调节，调节尺寸时易出现视觉误差，还容易出现误操作，给设备造成不同程度的损坏，影响了产品质量。而使用全自动切石机，一人看守十几台锯绰绰有余，期间基本不需要人工操作。
本论文中用PLC控制技术所设计的全自动切石机，除保持传统的中间继电器——接触器自动切石机的功能外，还具备动作可以细化，机动灵活，程序可以增减，外部接线简单，运行稳定可靠，故障率低，排故简单，占用面积小等优点。在同类设备中处于领先地位。
本论文通过对可编程控制器PLC进行简介，根据PLC的功能特点，详细介绍了把其应用于切石机的自动控制过程，以期得到抛砖引玉的作用。

目 录
前 言 1
1、毕业设计任务书 4
1.1 改造前的状况 4
1.2 该设备的基本构造及其工作原理 4
1.3 设计要求 4
1.4 设计要求分析 5
1.4.1 工作初始阶段 5
1.4.2 锯片循环切割阶段 5
1.4.3 锯片切割后期 5
1.4.4 锯片上升阶段 5
1.4.5 定板料厚度 5
1.4.6 安全复位设定 6
2、PLC简介: 7
2.1 PLC的性能分析 7
2.2 PLC的主要特点： 7
2.3 PLC的选择 8
2.3.1 PLC选择的一般原则 8
2.3.2 OMRON公司CPM1A系列PLC的主要特点 8
2.3.3 本设计中PLC的选择 8
2.4 I/O分配 9
2．4．1主电路电气原理图 9
2．4．2 PLC外部接线图 9
2．4．3 I/O分配表 9
2．4．4自动程序顺序功能图 9
2．4．5梯形图 9
2．4．6语句表 9
3、PLC的控制工作过程 9
3.1 本设计中PLC工作过程综述 9
3.2 公用程序 10
3.3 手动工作方式 10
3.4 单周期运行 12
3.5 连续工作方式 13
3.5.1 安全复位 13
3.5.2 初始等待 14
3.5.3 连续运行标志 14
3.5.4 下行定时 14
3.5.5 低速左行，低速右行 15
3.5.6 左行，右行 16
3.5.7 主要工作步 16
3.5.8 下限左行右行一次 16
3.5.9 缓冲定时 17
3.5.10 上行 17
3.5.11 矿车前进或后退 18
结 束 语 19
参考文献 20
附 录 21
附录1 主电路电气原理图 21
附录2 PLC外部接线图 22
附录3 I/O分配表 23
附录3 I/O分配表 23
附录4 自动程序顺序功能图 24
附录5 梯形图 25
附录6语句表 错误！未定义书签。

1、毕业设计任务书
1.1 改造前的状况
我公司有8台自动切石机，其中4台单臂式，4台双臂式，专用来切割石料板材，全都是中间继电器-接触器控制，控制箱占用面积大，接线复杂，故障率高，查找故障较难，自动化程度低。我通过学习PLC编程，打算通过PLC控制代替传统的继电器控制，可以克服上述缺点，提高使用性能，先对4台双臂式切割机进行技术改造。
1.2 该设备的基本构造及其工作原理
现对该类设备原理和控制要求叙述一下：
首先，将需切割的荒料吊到矿车上，通过轨道将矿车固定在丝母上，电动机转轴与丝杠通过连轴器相连接，这样电动机的正反转控制矿车的进退。锯片安装在锯架上，锯架沿着滑道用相交轴齿轮副通过丝杠上带动着，通过电动机的正反转而升降。通过齿轮齿条传动而使锯架沿着桥臂滑道而左右移动，控制左右移动的电动机通过变频器调节转速。这样，前后上下左右6个方向都可以通过电动机的正反转而随机控制，左右速度由变频器调节，前后移动间距由前后时间继电器调节，向下移动距离由下降时间继电器调节，上下左右限位由行程开关控制，越位由安全行程双重控制，电机过载由热继电器控制。由于前后方向主要控制矿车运动，切割石料过程中不工作，只在调板材厚度时由前后时间继电器控制，使用时间短和调节频率低，且工作环境恶劣，故省去限位保护，只设置过载热继电器保护。
1.3 设计要求
自动切石机的任务是将大块荒料切成板材。切割前锯片位于左上角或要求的位置，切石机在正常状态下才能工作，否则自动停机。在自动工作方式下，打开冷却水，启动主电机后，按一下启动按钮，锯片开始下行3s(手动转自动下跨过该步)，然后向左慢行，到左限后又下降3s，后缓慢左行，至右限后下降3s，此后左右行速度恢复正常，锯片不断重复左行至左限，下降3s，后右行至右限，又下降3s，锯片不断重复这个过程，直到下限位后，再次重复一个左右循环，若在左限至下限位，锯片向右行至右限后上升；若在右限至下限位，锯片左行至左限，过3s后，又向右行至右限位后上升，直到上限位后停止，接着矿车前行或后行10s，至此一个完整的工作周期完成。根据需要设定一个工作周期或连续循环。又根据需要设置为手动工作方式，在手动工作下需增加按住前行或后行按钮不计时的功能。
1.4 设计要求分析
1.4.1 工作初始阶段
开始将料石需切割的起始点与锯片对齐，打开冷却水，启动主电机带动锯片旋转，运行正常后，按下启动按钮，切石机开始工作。在工作起始，由于锯片切进料石内尺寸较小，为防止锯片受压变形，故开始一个左右行走速度减半。速度减半还有另一个目的，就是由手动变自动时，有可能出现下行两倍位移的积累，为了减轻锯片压力，也需要减速。为了实现速度减半的目的，需在变频器调速电位器的高电位端串接一个几千欧的电阻。
1.4.2 锯片循环切割阶段
走完第一个左右行程后短接该电阻速度恢复正常，由于锯片进入石材内部，锯片不易变形，故速度恢复正常。每当到达左限位或右限位，位于锯座左右的行程开关就碰到挡铁，于是通过下行定时器控制锯片下行3s而后向相反方向行走，如此周而复始不断左右下行直到位于锯架的下限行程开关碰到挡铁。
1.4.3 锯片切割后期
当锯片至下限位时，由于最后一个下行位移还没切割完毕，故还需要一个左右行走并在由左行至左限时停止，缓冲3s后再向右行至右限。
1.4.4 锯片上升阶段
当锯片为右下角后，第一块板材切割完毕，锯片开始上行直到上行限位开关碰到挡铁。
1.4.5 定板料厚度
前后时间继电器控制矿车向前或向后移动规定的距离，定出切割的板材厚度，一个完整的循环周期完成，又开始下一个周期的工作。
1.4.6 安全复位设定
由于工作环境恶劣，工人技能参差不齐故需要设置各种保护，包括手动自动超限位安全保护，自动超限位安全保护，顺序控制安全保护，软件与硬件相结合安全保护，以提高安全系数。

2、PLC简介:
2.1 PLC的性能分析
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过30多年的发展PLC在工业生产中获得了极其广泛应用。目前，PLC已成为工业自动化领域中最重要应用最广泛的控制装置之一，居工业生产自动化三大支柱（PLC 机器人 CAD）之首。
2.2 PLC的主要特点：
1、 高可靠性：微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机器振动、温度和湿度的变化，都可以使一般的通用微机不能正常工作。而PLC是专为工业环境应用而设计的，故对于可能受到的电源干扰、高低温及电源波动等影响，已在PLC硬件及软件的设计上采取了措施。
2、 结构简单、使用灵活：PLC在硬件结构上采用了模块化积木式结构，各种输入/输出信号模块，通信模块及一些特殊功能，模块品种齐全，针对不同的控制对象，可以方便灵活的组合成不同要求的控制设备，硬件接线简单，一般不需要很多配套的外围设备。
3、 编程方便，易于使用：
PLC采用了与继电器控制器电路有许多相似之处的梯形图作为主要的编程语言，程序形象直观，指令简单易学，编程步骤和方法容易理解和掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内学会。
4、 功能完善 PLC具有对数字量和模拟量很强的处理功能；PLC具有常用的控制功能；PLC可以扩大特殊功能；PLC可以组成多种工业网络，实现数据传递，上位监控等功能。
由于PLC具有以上功能和特点，因此PLC现已发展成为 一种首选的工业控制设备。利用PLC的上述功能和特点，通过对传统继电器控制设备的改造，在保证设备原有功能的前提下，通过不断完善和提高设备的功能。
2.3 PLC的选择
2.3.1 PLC选择的一般原则
PLC机型的选择一般从以下几个方面考虑。
（1）性能与任务相适应
要看PLC的控制规模，即最大I/0点数。工作速度，内存容量，电源要求，输出方式，有时还要考虑PLC的安装尺寸等.是否满足工艺要求. I/0的选择，应在满足控制要求和留有一定余量的前提下力争少使用I/0点数。
一方面PLC有自身电源,另一方面PLC的输入输出电路需要驱动电源,PLC向外提供一个DC24V电源,使用时注意不要超出其额定容量。
(2 ) PLC要结构合理,机型统一
PLC结构分为整体式和模块式两种,整体式每一I/0点的平均价格比模块式的便宜,适应于工艺过程比较稳定控制要求比较简单的系统。模块式PLC的功能扩展，I/0点数的增减，输入与输出点数的比例都比整体式的方便灵活。
在一个企业里，应尽量使用机型一致，以方便编程和维修等
（3 ）可靠性
生产PLC的厂家很多，应尽可能选择使用广泛，口碑好的大公司产品，或者有较长生产历史，有一定知名度的厂家产品。另外，还要考虑PLC厂家售后服务，技术支持等方面的问题。
2.3.2 OMRON公司CPM1A系列PLC的主要特点
CPM1A系列PLC是OMRON公司生产的小型整体式可变程序控制器，它的性能价格比很高，在小规模控制中已获广泛应用。
CPM1A有CPU（主机），I/0扩展单元，特殊功能单元和通信单元。
CPM1A的CPU单元有16种规格，按I/0点数分为10点，20点。30点，40点四种，按使用电源分为AC型和DC型两种，按输出形式分为继电器型和晶体管型两种。
2.3.3 本设计中PLC的选择
根据本设计要求，在输入端接有三个转换开关（共6个触点），12个按钮，8个行程开关，1个压力开关，2个热继电器触点，共有29个输入点。输出端接有7个交流接触器3个继电器，共10个输出点。而CPM1A-40CDR-D共40点，其中输入24点输出16点。输出形式为继电器输出，电源电压输入DC24V，输出最大开关能力AC250V/2A(4A/公共端)，因此输入点缺5个，为满足设计要求，并留有一定的安全和备用量，需配置I/0扩展单元，而CPM1A-20EDR为20点输入12点，故选用OMRON的CPM1A-40CDR-A和扩展配置CPM1A20EDR单元。
2.4 I/O分配
2．4．1主电路电气原理图
见附录1
2．4．2 PLC外部接线图
见附录2
2．4．3 I/O分配表
见附录3
2．4．4自动程序顺序功能图
见附录4
2．4．5梯形图
见附录5
2．4．6语句表
见附录6
3、PLC的控制工作过程
3.1 本设计中PLC工作过程综述
根据前述要求，该设计用顺序控制法进行PLC控制，现对PLC的工作分析如下；
该系统设有三种工作方式：手动，单周期，连续，后两种属于自动工作方式，其工作方式由选择开关确定。
整个程序分为三段：公用程序，手动程序和自动程序，公用程序在手动和自动方式下共用，手动程序完成手动工作方式下的控制功能，自动程序完成自动工作方式下的控制功能，用跳转指令控制手动程序和自动程序的切换。
3.2 公用程序
该程序中设置了主电机的星形三角形启动方式，按一下启动按钮00001，输出继电器01000，01002得电，延时5秒后输出继电器01002断电，再过0.5秒输出继电器01001吸合，星三角启动完成，主电机M1进入正常运转状态，按下停止按钮00002，输出继电器01000，01001断电，M1停止运转。主电机功率37KW，带动锯片旋转。

3.3 手动工作方式
工作方式开关SA1拨到手动位置，00101接通。
当系统从自动方式切换到手动方式下，应将代表各步的辅助继电器和代表连续工作方式的20100复位，代表手动方式的20102置位.否则在返回自动方式时可能出现错误动作。
20102表示手动/自动工作方式，20102为“1”时表示手动方式，为“0”时表示自动方式。如下图:

手动按钮00104-00110控制设备的各种动作，程序中设置了一些必要的互锁。
按一下左行启动按钮00104输出继电器01003吸合，电机M4正转，锯片左行，按一下停止按钮00106或碰到ST1（00005）输出继电器01003断开，M4停转，左行停止。

按一下右行启动按钮00105输出继电器01004吸合，M4反转，锯片右行，按一下停止按钮00106，或碰到ST2（00006），输出继电器01004断开，M4停转，右行停止。

按住上行按钮00107，输出继电器01005吸合，电机M2正转，锯片上行，松开按钮或碰到ST3（00007），01005断开，M2停转，上行停止。
按住下行按钮00108，输出继电器01006吸合，电机M2反转，锯片下行，松开按钮或TIM002延时3s到碰到ST4(00008)，01006断开，M2停转，下行停止。

前后选择开关SA2拨到前行位置，00201接通，前后不计时拨动开关SA3OFF，按住前行按钮00109，输出继电器01100吸合，电动机M3正转，矿车前行，松开按钮或TIM003延时10S到，输出继电器01100断开，电机M3停转，前行停止。
前后选择开关SA2拨到后行位置，00201接通，前后不计时拨动开关SA3OFF，按住后行按钮00110输出继电器01101吸合，电机M3反转，矿车后行，松开按钮或TIM003延时10S到，01101断开，M3停转，后行停止。
当SA3ON时00203接通TIM003不起作用，只要按住前或后行按钮，输出继电器01100或01101吸合，电机M3运转，矿车一直前进或后退，直到松开按钮01100或01101断电，M3停转。此操作是为了方便加工前或后搬运石材而设置的

3.4 单周期运行
工作方式开关SA1拨到单周期位置，00102接通。
当上电时在初始位置（所谓初始位置是指锯片位于右上侧00006和00007为ON）或直接由手动拨到单周期位置，初始步20000激活。按一下启动按钮00003，内部辅助继电器20001吸合，（由手动转单周期时，跨过该步，直接执行下一步），设备执行一个工作周期后停止，如果设备再次工作需再按一下启动按钮，即按一下启动按钮设备只能工作一个周期。

3.5 连续工作方式
3.5.1 安全复位
当自动程序在工作过程中出现下列情形之一， 处在初始等待状态，不再执行以后的程序步。
主电机(01001)停止运转、冷却水压力(00000)不足.左右上下限位行程失灵，上下前后电机过载热继电器（KH2或KH3）动作、急停按钮(00204)按下。如果该程序内部不设热继电器保护，当出现过载后过载电动机虽然停转，但程序还固定于某一步，假若热继电器处于自动复位状态，当其冷却后电动机马上运转执行剩余的程序，而其间故障有可能未被发现或排除。故该处软件保护与硬件保护相结合。

3.5.2 初始等待
如果系统上电时处在自动方式，且在初始位置，则25315将初始步20000激活；从手动切换到自动时20102将20000步激活，随后，20102应马上失去作用，即20102只能激活20000一次，因此自动程序的最后一条将20102置“0”.特殊辅助继电器“25315”为初始化脉冲，“25313”为ON继电器。

3.5.3 连续运行标志
按一下启动按钮00003，内部辅助继电器20100吸合并自保。
20100表示自动方式下的连续运行状态，20100为“1”时表示处在连续运行状态，为“0”时表示连续运行处在停止状态。

3.5.4 下行定时
每当左右行程开关(00005、00006)碰到各自挡铁，输出继电器01006吸合，定时器TIM002通电延时，电机M2反转，锯片下降3s后，01006断开，TIM002为OFF，M2停转，下降停止。由手动转到自动时，手动设置可不在初始位置，直接跨过开始的下行定时步。

3.5.5 低速左行，低速右行
当开始切割石料时，由于锯片进入石料内部距离小，为防止锯片受压变形，故开始一个左右行走，速度减半，靠在变频器调整电位器的高电位端串联一个几千欧的电阻实现，这个过程靠低速继电器(01102)实现。当手动转到自动时，从初始步直接进入低速左行步。

3.5.6 左行，右行
由于锯片深入石料内部，锯片两侧靠石料扶持着，故不易变形，此时低速继电器(01102)断电，其常闭触点短接串联电阻，速度恢复正常。

3.5.7 主要工作步
左行、右行、下行定时是主要工作步骤，工作周期的大部分时间重复这几个过程，直到下限行程开关碰到挡铁为止。

3.5.8 下限左行右行一次
当下限行程开关(00008)碰到挡铁时，由于石料还没切割到位，故需要再行走一次，直到右限行程开关(00006)碰到挡铁，锯片开始上升。

3.5.9 缓冲定时
由于此时石料切割到位，当锯片左行至左限时，需再返回至右限，为缓冲换向时的冲击，需间隔3s后换向。

3.5.10 上行
板材切割到位，锯片开始上升，直到上限行程开关(00007)碰到挡铁，锯片停止上升。

3.5.11 矿车前进或后退
定时器TIM003初始值定在10s，根据前后选择开关的位置，矿车前进或后退10s的间距就是板材的厚度，至此一个完整的工作周期完成，大锯进入下一个工作周期。

结 束 语

通过对PLC的学习和实践，对PLC的广泛应用有了进一步的了解，PLC对工业自动化的控制作用令人鼓舞，一个企业乃至社会的向前发展，科技是第一生产力，作为当今工业自动化三大支柱之首的PLC技术，无疑谁领先于它，谁就在激烈的市场竞争中位于不败之地，而与PLC相关产业及其延伸技术必将成为未来高科技的发展方向。这就要求我们努力学习，跟上科技发展的步伐，以至于不被时代所淘汰。
本论文中所应用的PLC控制技术，只是其功能的冰山一角，但通过编写本论文，使我对PLC的技术有了一个系统而全面的学习机会，把它应用于生产实践中，这使我对该技术产生浓厚的学习兴趣，这将促使我不断努力探索，向更高的层次发展，在学习中求发展，在实践中求进步，通过理论与实践相结合，必将产生事半功倍的效果。
在学习和编写本论文的过程中，我衷心感谢青岛开发区培训中心的孙增全、薛学健老师的大力支持和帮助，是你们放弃了休息时间和节假日坚持不懈的指导我们，日夜陪伴着我们学习，百问不烦，百学不厌，用你们渊博的知识，培养了一批批社会有用人才，你们这种勤勤恳恳的敬业精神永远是我们学习的榜样，听你们授课是一种享受，这使我感受到学习的乐趣，工作的快乐，生活的丰富多彩，我希望有机会还能接受深造，聆听各位老师的教导。
由于本人初次尝试设计论文，错误和肤浅之处在所难免，敬请各位老师提出批评和指正。
参考文献

1 徐世许 朱妙其 王毓顺主编 《可编程序控制器—原理应用网络》 中国科学技术大学出版社2008
2 劳动和社会保障部教材办公室组织编写《维修电工（技师·高级技师）》中国劳动社会保障出版社2013
3 王 建 庄建源 施立春主编《维修电工（技师·高级技师）国家职业资格证书取证问答》机械工业出版社2012

4 殷建国主编 《可编程序控制器及其应用》机械工业出版社 2006
5 孙增全主编《电气控制技术点点通---从继电器到PLC控制实例解析》化学工业出版社2013
附 录
附录1 主电路电气原理图
附录2 PLC外部接线图

附录3 I/O分配表
序号
输入信号
输入点地址
输出信号
输出点地址
1
压力继电器ＳＰ
00000
主电机供电电源接触器KM1
01000
2
主机启动按钮SB1
00001
三角形连接接触器ＫＭ２
01001
3
主机停止按钮SB2
00002
星形连接接触器ＫＭ３
01002
4
单周期或连续运行启动按钮SB3
00003
左行继电器KA1
01003
5
连续运行停止按钮SB4
00004
右行继电器KA2
01004
6
左限位行程开关ST1
00005
上行接触器KM4
01005
7
右限位行程开关ST2
00006
下行接触器KM5
01006
8
上限位行程开关ST3
00007
前行接触器ＫＭ６
01100
9
下限位行程开关ST4
00008
后行接触器KM7
01101
10
左限位安全行程开关ST5
00009
左右低速继电器KA3
01102
11
右限位安全行程开关ST6
00010

12
上限位安全行程开关ST7
00011

13
下限位安全行程开关ST8
00100

工作方式选择开关SA1

14
手动工作方式
00101

15
单周期工作方式
00102

16
连续工作方式
00103

17
手动左行按钮SB5
00104

18
手动右行按钮SB6
00105

19
手动左右行停止按钮SB7
00106

20
手动上行点动按钮SB8
00107

21
手动下行点动按钮SB9
00108

22
手动前行点动按钮SB10
00109

23
手动后行点动按钮SB11
00110

24
上下热继电器常开触点KH2
00111

25
前后热继电器常开触点KH3
00200

前后选择开关SA2

26
前进工作方式
00201

27
后退工作方式
00202

28
前后不计时拨动开关ＳＡ３
00203

29
急停按钮SB12
00204

附录4 自动程序顺序功能图
附录5 梯形图

25