plc自动剪切机

PLC在木板自动剪切机中的应用

届 电气工程 系 专 业 自动化 学 号 学生姓名 指导教师

完成日期 年 月 日

摘 要

随着我国经济的持续高速增长和企业之间的竞争日益加剧和人力资源成本的上升，社会对各类板材的需求量不断增长，对板材加工的效率也提出了更高的要求。该设计对我国木板自动剪切机的重要性等方面进行了研究，探讨了木板自动剪切机智能控制系统的实现方案。根据实际需要和市场的需求，选择了以可编程控制器为主的控制方案。

本设计的木板自动剪切机，控制系统自动进行送料、压块压料、剪刀剪切等功能。系统可以自动剪切自动计数，并有数码管显示剪切数的功能，当计数器记满，报警器发出报警声同时计数器复位。剪切机循环进行生产，只有按下停止按钮剪切机才会停止工作。采用组态软件监控画面，可实现无人操作就可现场监控。系统自动循环剪切，由电动机提供动力。该控制系统具有结构简单、加工容易、维修方便、经济实用的优点。设计中，通过组态王界面控制设计，实现对整个机构运动过程的仿真。

本文主要采用了基于三菱FX2N系列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的木板自动剪切机控制系统的设计方案。编程时调用了编程软件FX2N中自带的数码管显示控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。利用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。

关键词： 可编程控制器 剪切机 光电开关 组态王

Abstract

With China's sustained economic growth, intensifying competition between enterprises and rising cost of human resource, the demand of society for all kind of plank is continuously growing and the efficiency also been put to higher request. This design studies the importance of Chinese board automatic cutting machine and analyses the implementation scheme of intelligence control system. According to the actual needs and the needs of the market, we chose programmable controller as the main control scheme.

The board automatic cutting machine of this design has Functions of automatic control for feeding, pressing block and makings, scissors shearing etc. The system can automatically shear and count, and display the shear number with a Nixie tube. When the counter, the alarm will ring and the counter reset. Shear machine product circularly and when press the stop button it will stop working. Using configuration software to monitor screen, it can realize site monitoring without people operating. The system automatically and circularly shears powered by electric motors. This control system has advantages of simple structure, easy processing, and convenient maintenance. It’s economical and practical. The design realizes the simulation of mechanism motion process through the control of Kingview interface.

The paper mainly bases on design scheme of FX2N series Mitsubishi programmable controller and Asiacontrol’s configuration software configuration king board automatic shear machine control module of programming software FX2N, which makes the process more concise and the running speed more ideal. Using configuration software configuration king design human-machine interface, we realize the real-time monitoring and real-time data sampling and processing.

Key word: PLC Alligator shear Photoelectric switch Configuration king

目 录

第1章 绪论 ····································································································································· 1 1.1 课题研究的目的意义 ············································································································· 1 1.2 国内外研究现状 ····················································································································· 2 1.2.1 国内研究现状 ·················································································································· 2 1.2.2 国外研究现状 ·················································································································· 2 1.3 课题研究内容及创新点 ········································································································· 3 1.3.1 主要研究内容 ·················································································································· 3 1.3.2 主要创新点 ······················································································································ 3 第2章 PLC和组态王简介 ·············································································································· 4 2.1 可编程控制器介绍 ················································································································· 4 2.1.1 可编程控制器的概述 ······································································································ 4 2.1.2 可编程控制器的基本结构 ······························································································· 4 2.1.3 可编程控制器的特点及应用 ··························································································· 5 2.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 ·················································································· 6 2.2.1 PLC控制系统设计的基本原则 ······················································································· 7 2.2.2 PLC控制系统设计的一般步骤 ······················································································· 7 2.3 组态王的基础 ························································································································ 9 2.3.1 组态软件概述 ·················································································································· 9 2.3.2 组态王的特点················································································································10 2.3.3 组态软件在国内外的发展 ···························································································10 2.3.4 组态王的使用 ···············································································································12 第3章 基于PLC的木板自动剪切机系统硬件的设计 ··································································14 3.1 系统原理框图 ·······················································································································14 3.2 主电路接线图 ·······················································································································14 3.3 PLC的端子接线图 ················································································································15 3.4 木板自动剪切机PLC的I/O分配表 ·····················································································16 3.5 PLC的选型 ···························································································································17 3.6 硬件配置 ·······························································································································18 3.6.1 光电开关 ························································································································18 3.6.2 电机选型 ························································································································20 3.6.3 其他设备选型 ·················································································································20 3.6.4 主要电气元件目录表 ·····································································································23 第4章 基于PLC的木板自动剪切机系统软件的设计 ··································································24 4.1 PLC程序设计方法 ················································································································24

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4.1.1 图解法编程 ···················································································································24 4.1.2 经验法编程 ···················································································································24 4.1.3 计算机辅助设计编程 ···································································································25 4.2 编程软件FX2N的介绍 ········································································································25 4.2.1 FX系列介绍 ···················································································································25 4.2.2 FX2N系列介绍 ··············································································································25 4.3 控制程序流程图 ····················································································································25 4.4 梯形图分段设计 ····················································································································27 4.4.1 启动及木料右移 ·············································································································27 4.4.2 压块与剪刀下移 ·············································································································27 4.4.3 压块与剪刀上移 ·············································································································27 4.4.4 计数功能 ························································································································28 4.4.5 报警功能 ························································································································29 4.5 指令表 ···································································································································29 4.6 系统的调试 ···························································································································29 第5章 组态王软件监控设计 ·········································································································31 5.1 新建工程 ·······························································································································31 5.2 设备定义 ·······························································································································32 5.3 变量定义 ································································································ 错误！未定义书签。 5.4 画面绘制 ·······························································································································33 5.5 动画连接及程序编写 ············································································································34 5.5.1 动画连接 ························································································································34 5.5.2 程序编写 ························································································· 错误！未定义书签。 5.6 配置系统 ·······························································································································35 5.7 运行与调试 ···························································································································36

II

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

⑥通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便[2]。

2.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤

评估控制任务 PLC机型的选择 控制流程的设计 程序设计 控制柜设计及布线 程序检查、调试 PLC安装 模拟运行 联机调试 修改软、硬件 是否满足要求 程序备份 投入使用 图3-1 PLC控制设计

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明白PLC的基本工作原理和指令系统后,就可以把PLC应用到实际的工程项目中。无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图3-1所示的步骤。

2.2.1 PLC控制系统设计的基本原则

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点：

(1)完整性原则：最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 (2)可靠性原则：确保计算机控制系统的可靠性。 (3)经济型原则：力求控制系统简单、实用、合理。

(4)发展性原则：适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。

根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑：

(1)控制规模

一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。

(2)工艺复杂程度

当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性。 (3)可靠性要求

目前,当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。 (4)数据处理速度

若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜。

2.2.2 PLC控制系统设计的一般步骤

PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步进行：

(1)熟悉被控对象

深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作

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及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护；电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系；PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网；系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。

(2)硬件选择

①系统I/O设备的选择:输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等；输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。

②选择PLC：PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。 ③PLC的I/O端口分配：在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。

④绘制PLC外围硬件线路图：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图,到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

⑤计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。 (3)编写应用程序

根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：

①初始化程序：在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

②检测、故障诊断和显示等程序：这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。

③保护和连锁程序：保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。

(4)程序调试

程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。 程序模拟调试：以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

①硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

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②软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

现场调试：当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。

(5)编写技术文件

技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等[3]。

2.3 组态王的基础

2.3.1 组态软件概述

新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。目前世界上有不少专业厂商包括专业软件公司和硬件系统厂商生产和提供各种组态软件产品。

“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（Distributed Control System简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控

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层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容[4]。

2.3.2 组态王的特点

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

2.3.3 组态软件在国内外的发展

组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。究其原因，大致有以下几点：

(1)国内用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，而不采用组态软件；

(2)在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件（早期的组态软件多为国外厂家开发），很少有用户愿意去购买正版。

(3)当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，

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系统具有自动计数功能，每一次有效剪切都将做一数值上的累加，显示在数码管上；数码管显示记满9999次，报警灯亮，同时数码管显示为0。

按下停止按钮剪切机停止工作。

木板自动剪切机的PLC外围端子接线图如图3-3所示：

图3-3 PLC端子接线图

3.4 木板自动剪切机PLC的I/O分配表

该设计木板自动剪切机控制系统，根据PLC的端子接线图输入有8个输入端子，38个输出端子。

根据本设计控制系统PLC外围接线图，输入端子中SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，SQ1为木料到位的限位开关，SQ2为压块下降到位的限位开关，SQ3为剪刀下降到位的限位开关，SQ4为剪刀上升到位的限位开关，SQ5为压块上升到位的限位开关，SQ为光电开关。输出端子中有4位七段数码管，有木板右移、压块下降、压

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块上升、剪刀下降、剪刀上升和报警灯的表示。

K2Y0表示Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7，七段显示千位。

K2Y10表示Y10、Y11、Y12、Y13、Y14、Y15、Y16、Y17，七段显示百位。 K2Y20表示Y20、Y21、Y22、Y23、Y24、Y25、Y26、Y27，七段显示十位。 K2Y30表示Y30、Y31、Y32、Y33、Y34、Y35、Y36、Y37，七段显示个位。 控制系统中I/O点分配表如表3-1所示。

表3-1 I/O分配表

输入分配

输入地址 X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007

名称 启动按钮 木料右移到位 压块下降到位 剪刀下降到位 剪刀上升到位 压块上升到位 光电开关被遮 停止按钮

代号 SB1 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ SB2

输出地址 Y000~Y007 Y010~Y017 Y020~Y027 Y030~Y037 Y040 Y041 Y042 Y043 Y044 Y046

输出分配

名称

七段数码管显示千位 七段数码管显示百位 七段数码管显示十位 七段数码管显示个位

木料右移 压块下降 剪刀下降 剪刀上升 压块上升 报警器报警

代号 KM0 KM1 KM2 KM3 KM4 L1

3.5 PLC的选型

(1)选择PLC机型的基本原则

在满足控制要求的前提下，保证工作可靠，使用维护方便，以获得最佳的性能价格比。

PLC的型号种类很多，对于开关量控制的应用系统，当选用小型PLC就能满足要求。这里选用FX2N系列。

(2)PLC容量的估算

I/O的点数和用户存储器的容量。

①I/O点数是衡量PLC规模大小的重要指标，根据控制任务估算出所需I/O的点数是硬件设计的重要内容。

一般来说，输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的。输入信号有多少输入点选多少，输出信号有多少输出点也应与之对应。

②PLC用户程序所需内存容量一般与开关量输入、输出点数，模拟量输入、输出点数及用户程序的编写质量等有关。

对控制较复杂、数据处理较大的系统，要求的存储容量就要大些。对于同样的系

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统，不同的用户编写的程序也可能会使程序长度和执行时间差别很大。

本设计根据实际情况要求和PLC选型的原则，选出PLC的型号为FX2N-128MR可以满足控制要求。

它表示的含义包括如下几部分：基本单元，内部包括CPU、存储器、输入输出口及电源；其输入输出总点数为128点，其中输入点数为64点，输出点数为64点；输出类型为继电器型[7]。

3.6 硬件配置 3.6.1 光电开关

光电开关也称光电传感器，是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

(1)传感器的介绍

传感器有四种开关，分别是：接近开关、光电开关、电容开关、模拟量开关。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器按工作原理分为物理传感器和化学传感器。

物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应，被测信号量的微小变化都将转换成电信号；化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号[8]。

(2)光电开关的选型

光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。

接收器有光电二极管或光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

光电开关分NPN，PNP两种。

三菱的PLC一般用NPN型，棕色接+24V，蓝色接0V，黑色是常开，白色是常闭。NPN型是低电平输出，PNP型是高电平输出，PNP输出的是+24V信号，而NPN

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输出的是0V信号，所以COM接0V。

本设计选型为E3F-5DN1 5L光电开关：电源电压：5-10（V），输出方式：电压；使用环境温度：常温。

(3)A/D与D/A的选型

A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。

三菱FX2N系列模拟量输入输出模块：

模拟量输入模块（A/D模块）是把现场连续变化的模拟信号转换成适合PLC内部处理的数字信号。输入的模拟信号经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电藕合器为PLC提供一定位数的数字信号。

模拟量输出模块（D/A模块）是将PLC处理后的数字信号转换成相应的模拟信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟信号输出接口一般由光电隔离、D/A转换、信号驱动等环节组成。

模数转换（A/D）转换：A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。

模数转换（A/D）模块：将现场仪表输出的（标准）模拟量信号0-10mA、4-20mA、1-5VDC等转化为计算机可以处理的数字信号。

模数转换（A/D）器：即A/D转换器，或简称ADC，通常是指将一个模拟信号转变为数字信号的电子元件。

A/D转换器的型号：AD7367是一款双极性、14-bit、高速、低功耗、逐次逼近型模数转换器，采样速率高达1MSPS。它包括两个ADC，每个ADC的前面都有一个双通道多路复用器，以及1个低噪声、宽带、跟踪与保持放大器，可以处理超过10MHZ的输入频率。AD7367内置2.5V基准电压源，但是可使用外部基准电压。AD7367是14位的串行模拟转换器，模拟输入电压范围-10V到10V。

数模转换（D/A）器：即D/A转换器，或简称DAC，通常是指将一个数字信号转变为模拟信号的电子元件。数模转换（D/A）转换：D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的电路。数字量输入的位数有8位、12位和16位等，输出的模拟量有电流和电压两种。

D/A转换器的内部电路构成无太大差异，一般按输出是电流还是电压、能否作乘

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法运算等进行分类。

①电压输出型（如TLC5620）电压输出型D/A转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速D/A转换器使用。

②电流输出型（如THS5661A）电流输出型D/A转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流—电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法：一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流—电压转换，二是外接运算放大器。用负载电阻进行电流—电压转换的方法，虽可在电流输出引脚上出现电压，但必须在规定的输出电压范围内使用，而且由于输出阻抗高，所以一般外接运算放大器使用。

③乘算型（如AD7533）D/A转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型D/A转换器。

④一位D/A转换器与前述转换方式全然不同，它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出（又称位流方式），用于音频等场合。

3.6.2 电机选型

根据电源电压和控制电动机的容量，参照Z3040型摇臂钻床电气控制系统低压电器元件选取的方法，本设计系统控制中电动机选用三相异步电动机带动，电机表示如图3-4所示[9]。

图3-4 异步电机表示

本设计中，送料电动机M1选取Y100L2-4型，其额定功率为3kW，额定电流为6.8A，转速为1420r/min；压块电动机M2和剪刀电动机M3都选取Y90L-4型电动机，其额定功率为1.5kW，额定电流为3.7A，转速为1400r/min。

3.6.3 其他设备选型

(1)低压断路器的选型

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低压断路器主要用于电源的引入。低压断路器的额定电压应不小于保护线路的额定电压；低压断路器的额定电流应不小于它所安装的脱扣器的额定电流。

脱扣器的额定电流应不小于线路的计算电流I30，其计算电流的公式为（3-1）所示。

I30?S30??3UN （3-1）

?其中，S30?Q30?cos?，无功计算负荷Q30?P30tan?，有功计算负荷P30?KdPe，其中Kd取0.16到0.2之间，cos?取0.5，tan?取1.73。

根据计算，本设计控制系统中控制总电源输入的低压断路器QF的额定电流应大于6.31A，所以低压断路器QF选用型号为DZ15-63/3901，DZ15-63/3901塑料外壳式断路器额定电压380V，其脱扣器额定电流为10A。

(2)熔断器的选型

熔断器选择的主要内容是其类型、额定电压、熔断器额定电流等级与熔体额定电流。根据负载保护特性、熔断电流大小、各类熔断器的适用范围来选用其类型。额定电压是根据被保护电路的电压来选择的。

① 熔体额定电流的选择：

保护单台电动机，熔体的额定电流按（3-2）所示选取。

IfN?(1.5~2.5)IN （3-2）

式中：IN为电动机的额定电流，全压启动时，系数取2.5，降压启动时，系数取1.5。

保护多台电动机，若各台电动机不同时启动熔体的额定电流按下式（3-3）选取。

IfN?(1.5~2.5)INmax??IN （3-3）

式中：INmax为容量最大一台电动机的额定电流；?IN是除容量最大的电动机之外，其余电动机额定电流之和。

②熔断器规格的选择：熔断器的额定电压必须大于电路工作电压，额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流。

③熔断器类型的选择：根据负载保护特性的短路电流大小及安装条件来选择。 根据计算和实际情况的分析，本设计控制系统中FU的额定电流应大于17.6A，FU1的额定电流应小于等于17A，FU2的额定电流应小于等于9.25A，FU3的额定电流应小于等于9.25A。所以熔断器FU选用RC1A-30型熔断器，其熔体额定电流为20A。FU1选取RC1A-30型熔断器，其熔体额定电流为20A；FU2选取RC1A-15型熔断器，其熔体额定电流为10A；FU3选取RC1A-15型熔断器，其熔体额定电流为10A。

(3)交流接触器的选型

选择时主要考虑主触点的额定电压与额定电流、辅助触点的数量、吸引线圈的电

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压等级、使用类别、操作频率等。

① 额定电压与额定电流：

选择交流接触器，其主触点的额定电流应等于或大于负载或电动机的额定电流；额定电压应不小于负载的额定线电压，其额定电压可由公式（3-4）计算选型，额定电流由公式（3-5）计算。

UKMN?UCN （3-4） IKMN?IN?PMN?103??KUMN? （3-5）

式中：UKMN为接触器的额定电压；UCN为负载的额定线电压；IKMN为接触器的额定电流；IN为接触器主触点电流；PMN为电动机额定功率；UMN为电动机额定线电压；

K为经验常数；K取1~1.4。

② 吸引线圈的电流种类及额定电压：

对于频发动作的场合，宜选用直流励磁方式，一般情况下采用交流控制。线圈额定电压应根据控制电路的复杂程度，维护、安全要求，设备所采用的控制电压等级来考虑。

③ 辅助触点及其他方面的选择：

考虑辅助触点的额定电流、种类和数量，根据使用环境选择有关系列接触器或特殊用的接触器。

根据计算和实际情况，本设计控制系统中送料电动机启动、停止交流接触器KM1的额定电流应大于9.7A到13.6A的，所以KM1选用型号为CJX2-12，其额定电流为12A。

压块升降电动机正转交流接触器KM2、压块升降电动机反转交流接触器KM5的额定电流应大于5.18A到7.4A的，选用CJX2-09型接触器，其额定电流为9A。

剪刀升降电动机正转交流接触器KM2、剪刀升降电动机反转转交流接触器KM3的额定电流应大于5.18A到7.4A的，选用CJX2-09型接触器，其额定电流为9A。

(4)热继电器的选型

热继电器结构形式的选择主要取决于电动机绕组接法及是否要求断相保护。热继电器热元件的整定电流可按下式（3-6）选取：

IFRN?(0.95~1.05)Ied （3-6）

式中：IFRN为热元件整定电流；Ied为电动机的额定电流。

在工作环境恶劣、电动机频繁启动情况下，热继电器也可根据公式（3-7）选取：

IFRN?(1.15~1.5)Ied （3-7）

对于过载能力较差的电动机，选取热继电器时，其热元件的整定电流为电动机额定电流的60%到80%。

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在本设计电气控制系统中，过载保护热继电器FR1的额定电流应大于6.46A小于7.14A，最大不能超过10.2A，本设计中过载保护热继电器FR1选用JRO-20/3型,其额定电流为7.5A。

载保护热继电器FR2的额定电流应大于3.52A小于3.89A，最大不能超过5.55A，设计中过载保护热继电器FR2、FR3选用JRO-20/3型,其额定电流为4.5A。

过载保护热继电器FR3的额定电流应大于3.52A小于3.89A，最大不能超过5.55A，设计中过载保护热继电器FR2、FR3选用JRO-20/3型,其额定电流为4.5A。

3.6.4 主要电气元件目录表

根据选型，本设计的主要电气目录表如表3-2所示。

表3-2 电气元件目录表

符号 M1 M2 M3 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 QF FU FU1 FU2 FU3 FR1 FR2 FR3 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ SB1 SB2 L1

名称 电动机 电动机 电动机 交流接触器 交流接触器 交流接触器 交流接触器 交流接触器 低压断路器 熔断器 熔断器 熔断器 熔断器 热继电器 热继电器 热继电器 限位开关 限位开关 限位开关 限位开关 限位开关 光电开关 七段数码管 启动按钮 停止按钮 指示灯

型号规格 Y100L2-4 3KW Y90L-4 1.5KW Y90L-4 1.5KW

CJX2-12 CJX2-09 CJX2-09 CJX2-09 CJX2-09 DZ15-63/3901 RC1A-30 RC1A-30 RC1A-15 RC1A-15 JRO-20/3 7.5A JRO-20/3 4.5A JRO-20/3 4.5A

LX5-11 LX5-11 LX5-11 LX5-11 LX5-11 E3F-5DN1 5L LG5611BH 5V

LA19-11 LA19-11 XD1

用途

驱动送料 驱动压块升降 驱动剪刀升降 送料电动机启停 压块升降电动机正转 剪刀升降电动机正转 剪刀升降电动机反转 压块升降电动机反转

总电源输入 电源总保险 送料电机保险 压块电机保险 剪刀电机保险 送料电动机过载保护 压块电动机过载保护 剪刀电动机过载保护 控制板料到位 控制压块下降到位 控制剪刀下降到位 控制剪刀上升到位 控制压块上升到位 送数码管显示计数 显示剪切数 总启动 总停止 报警

数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1

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第4章 基于PLC的木板自动剪切机系统软件的设计

4.1 PLC程序设计方法

设计PLC控制系统中软件的设计是工作量较大的一项工作，主要内容有：对复杂的控制系统应绘制工艺流程图或控制功能图；编制梯形图；根据梯形图编写程序单；对复杂的程序首先进行分段调试，然后进行总调试，并作必要的修改，知道功能完全。

编写PLC程序的方法有很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。

4.1.1 图解法编程

图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。

(1)梯形图法：梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法，其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。

这种方法很容易地把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。

(2)逻辑流程图法：逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反映输入与输出的关系。

逻辑流程图会使整个程序脉络清晰，便于分析控制程序、查找故障点及调试和维修程序。

(3)时序流程图法：时序流程图法是首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把框图写成PLC程序。

这种方法很适合以时间为基准的控制系统的编程方法。

(4)步进顺控法：步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序可以看成整个控制过程的一步。

4.1.2 经验法编程

经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。

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结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。

4.1.3 计算机辅助设计编程

计算机辅助设计是通过PLC编程软件（比如FX2N）在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。使用编程软件可以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE文件[10]。

4.2 编程软件FX2N的介绍

4.2.1 FX系列介绍

FX系列功能指令可分为程序流向控制指令、数据传送和比较指令、算术逻辑运算指令、位移和循环指令、数据处理指令、方便指令、外部输入输出处理和通信指令等。

4.2.2 FX2N系列介绍

FX2N系列是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。FX2N系列为大量实际应用而开发的特殊功能，开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要--模拟I/O，高速计数器。定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。

对每一个FX2N主单元可配置总计达8个特殊功能模块。内置式24V直流电源24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元；小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息；可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中X000到X017）；元件注解可以记录在程序寄存器中[11]。

4.3 控制程序流程图

系统流程图可以详细地表达设计的内容和方法，帮人们理清思路，同时也让别人

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第5章 组态王软件监控设计

随着自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。组态王界面控制是一种智能化操作控制显示装置。它一般与PLC等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互。其主要功能有：数据的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信息显示；报警处理及打印；数据归档和报表系统。此外，新一代人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能。

5.1 新建工程

组态王和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便，提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，对于新手来说很容易上手。

图5-1 新建工程

我们可以在网上下载组态王6.5.3演示版，利用下载好的组态王6.5.3演示版，进行安装和使用。安装好后，双击桌面图标，打开工程管理器，建立工程。如图5-1所示，最下面的一行是我们新建的工程，工程名称为“剪切机”。双击工程管理器中的

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工程名“剪切机”，出现工程浏览器。在工程浏览器中，双击新建图标，新建画面“剪切机”，如图5-2所示。

图5-2 新建画面

5.2 设备定义

设备定义：把地理上分散的物理硬件在软件上变成集中的逻辑硬件。

图5-3 设置串口

设置串口及设备配置向导，可以在电脑上显示运行界面。为了能在电脑上演示运行界面，我们选择仿真PLC，如图5-3设置串口，对通讯参数进行设置，如图5-4设

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置设备配置向导选择通讯方式。

图5-4 设备配置向导

图5-7 定义启停

5.4 画面绘制

打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，利用工具箱做好“启停”按钮、“木板”、“压块”、“剪刀”、“计数器”、“报警灯”、“报警复位”按钮以及一些

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其他的如小车等的设计与绘制。

完整的主界面如图5-8所示。

图5-8 主界面

5.5 动画连接及程序编写

对于没有实际对象的模拟监控变量一定要人为编程改变其数据变化，以此来仿真动画效果。

5.5.1 动画连接

打开主界面，双击“木板”图框，出现如图5-9所示的动画连接画面，设置木板的动画效果，类似依次设置“压块”、“剪刀”等的动画连接。设置好动画连接才能让木板、压块、剪刀在运行系统中动作。

双击“计数器”图框，出现如图5-10所示的动画连接窗口，设置计数器的动作，在运行系统中，计数器能够显示已经剪切的木板数量，便于人为控制木板自动剪切机的剪切数目。

在模拟值输出左边打钩，出现模拟值输出连接画面。点击表达式框右边的问号，选择变量“计数器”。输出格式中设置整数位数为4，小数位数为0，显示格式设置为十进制，最后点击“确定”。这样，变量“计数器”的动画连接设置就完成了。

依照这样的设置对“启停”按钮、“报警复位”按钮进行动画的连接。当按下“启停”按钮时木板开始动作，当计数器计满数时报警灯亮，按下“报警复位”按钮，报

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警灯灭。

图5-9 木板动画连接

图5-10 计数器的动画连接

5.6 配置系统

打开工程浏览器，点击“运行”对“运行系统外观”、“主画面配置”、“特殊”进行设置，如图5-11运行系统配置所示。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cng6.html