PLC控制V带包布机的研制

2021-09-04唐浩鹤

橡塑技术与装备 2021年17期

唐浩鹤

(金久龙实业有限公司，河南尉氏 475500)

V带包布成型机是橡胶传动带生产流程中必须使用的生产设备。包布是将黏合好的V带带芯包上两层按45度角斜裁好的胶帆布，完成半成品带的成型。通过对 V带包布成型机的控制进行设计，提高我国普通V带生产行业的自动化程度，促进国内橡胶V型传动带设备生产领域企业的自主创新与可持续发展。

我国普通V带自动化生产设备的研发生产，自80年代引进国外设备开始，距今已有近四十年的历程。近年随着市场形势的发展和国内劳动力成本的不断提高，各个普通V带生产厂家对设备自动化需求不断提升，国内各橡胶机械生产厂家也开始对V带生产设备进行了自动化改进。

1 设计要求及内容

实现以PLC为控制核心，对V带包布机的自动控制。通过修改PLC内的控制程序与系统参数，实现对V带包布成型机的动作控制。

V带包布机的生产需要可以实现多型号的V带包布成型、单双层包布的交换。控制分为自动和手动两种操控方式。

2 V带包布成型机设计

2.1 V带包布成型机的工序与工作原理

V带包布成型机的工作顺序：开始时由人工挂上带芯，设备自动递上包布布头后，点动脚踏开关，使挤压黏合轮将V带带芯与包布黏合，然后V带包布机将V带带芯包上两层按45度角斜裁好用于包布的胶帆布，将带芯成型成半成品带胚，设备包布结束，最后自动剪断布头，人工从机器上取下成品。

2.2 包布机自动控制的机械分析与解决方案

包布成型机使用PLC进行控制，为了实现设备动作的自动控制，在原包布机的基础上，对原型包布机做出以下设计，设备需能自动完成以下一系列连贯动作：①自动送出并粘贴布条；②自动包布；③自动裁刀；④收尾及退出。

上述问题的解决，在原型基础上改进以下机构：机箱、机箱左侧连接送料箱、送料箱上从左到右依次连接有料布卷轴、导开装置、导布槽。机箱上从左到右依次连接有自动裁断总成、机头；机箱右侧连接有涨紧总成、料布卷轴、导开装置和导布槽，导布槽为两组，两组之间平行设置：自动裁断总成包括裁刀槽固定座、长刀片、裁断气缸、圆盘刀片，长刀片固定连接在裁刀槽固定座上，圆盘刀片连接在裁断气缸上，裁断气缸水平横向设置，圆盘刀片向右运动的极限位置位于长刀片的上方[2]。

2.3 V带包布成型机相应部分设计

机械部分的设计是基于原单工位包布机的基础上进行的改进，所以参考橡胶工业手册第九分册橡胶机械的基础进行的机械设计，整体选用的零件数据与生产工艺来自原型，所选用零件与工艺不变，仅进行气动阀的改动与机械结构的改动。

2.3.1 供布装置设计

原供布装置如图1所示，导布需人工配合，当将设备启动后，由人工将包布所需布头贴和于带芯底部，包布时由设备供布电机带动包布缠绕辊供布，在包布进行完后，还需人工进行剪断包布。当进行双层包布时，还需人工重复以上步骤。

图1 原V型包布机供布装置

改进型供布装置如图2所示，导布无需人工配合，当将设备启动后，装置将包布所需布头自动贴和于带芯底部，包布时由设备两侧其中之一供布电机带动摩擦辊递进供布，在包布进行完后，将由下一步设计的自动裁断总成剪断包布。当进行双层包布时，设备将自动重复以上步骤。

图2 改进型供布装置

2.3.2 自动裁刀装置设计

原裁刀装置如图3所示，裁刀动作需要由人工进行裁刀。

图3 手动裁刀装置

自动裁刀装置如图4所示，裁刀动作由圆盘裁刀与裁刀槽配合，裁刀推动气缸推动进行裁刀，过程可由PLC控制自动进行[2]。

图4 自动裁刀装置

2.3.3 张紧装置设计

原拉紧装置如图5所示，原拉紧装置由液压装置提供拉伸动力，维修时对工作环境影响较坏。

图5 原拉紧装置

自动拉紧装置如图6所示，改进型选用气压缸提供拉伸动力，维修时对工作环境影响较小。

图6 包布拉紧装置

2.3.4 包布黏合挤压装置设计

原包布黏合挤压装置如图7所示。

图7 黏合包布挤压装置

自动包布黏合挤压装置如图8所示，包布黏合挤压装置在原型的基础上没有进行大的改进，仅将原液压缸改为气压缸，加装了包布分隔轮。

图8 包布黏合挤压机构

2.3.5 总体设备框架设计

原包布机总体设备框架如图9所示。

图9 原包布机总结构框架

自动包布机总体设备框架如图10所示。

图10 改进型包布机总结构框架

3 系统的软件设计

对V带包布成型机成型机的控制方式有多种，本机采用PLC为控制核心来实现控制功能。所以，须对PLC、输出、输入等控制设备进行比较选择[3]，所选PLC与其他硬件应满足如图11控制的功能与要求。

图11 控制结构

3.1 系统分析

该机系统是针对V带包布成型机的控制，对v带带芯包布与成型动作所设计的系统。

系统动作步骤：第一步，由工人将带芯标准的挂在机器上；第二步，由PLC输出信号设备进行机械动作涨紧轮涨紧；第三步，设备进行滑槽送布；第四步，设备进行黏合挤压轮上升；第五步，设备进行送布滑槽退回；第六步，设备进行裁刀架推送；第七步，设备进行电磁离合器吸合；第八步，设备进行主动轮转动；第九步，设备进行编码器计数器工作；第十步，设备进行涨力测量辊感应；第十一步，当设备测量辊感应到涨力大于预定值时包布条牵引电机启动，当测量辊感应到涨力小于预定值时包布条牵引电机停止；第十二步，设备进行计数器输出、数据记为输出1；第十三步，设备进行主动轮停止转动；第十四步，设备进行压合辊压合；第十五步，设备进行裁刀推送裁布；第十六步，设备进行合辊退回；第十七步，设备进行离合器吸合；第十八步，设备进行编码器；第十九步，设备进行计数器输出、输出量0；第二十步，设备进行离合器松开；第二十一步，设备进行主动轮停止；第二十二步，设备进行压合辊压合；第二十三步，设备进行裁刀推送裁布；第二十四步，设备进行压合辊退回；第二十五步，设备进行离合器吸合；第二十六步，设备进行主动轮转动；第二十七步，设备进行编码器；第二十八步，设备进行计数器输出输出量2；第二十九步，设备进行离合器松开；第三十步，设备进行主动轮停止；第三十一步，设备进行裁刀，裁刀架、黏合挤压辊退回；第三十二步，控制设备根据起始输入进行选择是双层包布还是单层包布，选择双层包布由第三步开始重复以上步骤直到再次进行此步骤时进行最后两步，设备涨紧轮退回，由人工收回成品，选择单层包布直接进行最后两步设备涨紧轮退回与收回成品。

3.2 程序流程

根据以上系统分析可得出控制动作流程，如图12所示。

图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外部接线

引用表1与根据系统动作要求，PLC外部接线设计如图13所示。

图13 PLC接线图

3.5 设计主线路接线选择操作、输入、输出设备

根据系统动作要求，主线路接线图设计如图14所示。

图14 主干路接线图

人机控制界面：昆仑通态触摸屏。

操作设备选用：触摸屏、脚踏开关、急停按钮、两档旋钮和漏电开关。

输入设备选用：控制变压器、24V开关电源、编码器、电磁感应线圈和接近开关。

输出设备选用：变频器、电动机、欧姆龙 MY2NJ继电器、三位五通电磁阀和指示灯。

3.6 PLC的选型

根据以上数据，关于PLC的选型，我们需要考虑全面。因为PLC的型号不同其功能的差别也很大，如输入、输出的端子数量、内存容量的大小、扫描速度的快慢、指令条数多少、功能模块种类等。同时我们须要考虑到经济实用性以及工作环境对它运行的影响。

3.6.1 PLC的简述

由于本论文需用PLC为核心，可编程控制器简称PLC，它具备了过程控制、模拟量控制、远程通信等强大功能，以极为迅速的趋势代替了其他电子装置，成为自动化设备核心[3]。

PLC是为在较恶劣工业环境下，仍可以正常运行而设计开发的工业用计算机核心。其具有数字运算、逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的电子装置，以接入式CPU为核心，通过数字式或模拟式的数据信号的输入和输出，来控制各类型的器械来执行动作指令[3]。PLC与其它外围设备，具有良好的匹配性，是极易与工业控制系统形成整体的根本。

PLC的编程使用的是与继电器电路图相接近的梯形图语言，仅使用少量的开关量与逻辑控制指令，就可以实现继电器电路板的功能[3]。

PLC控制系统具有方便的数据修改特性，一旦设备发生故障，当场就能用笔记本电脑对程序进行检测，方便排除故障。同时PLC还具有联网功能，当将PLC联网后，工程师可以在任意具有网络的地方对程序进行修改。

加上PLC通讯功能的开发增强、人机操作界面技术的突破，使PLC已具备完善的整体功能组成。以上特性使得使用PLC为核心的设备在程序与硬件建设的周期大大缩短，设备升级速度提升。

3.6.2 常用PLC的类型介绍

世界上的PLC可按产地分成三大派：一派是美国产，一派是欧洲产，还有一派是日本产。

美国产较著名的有：

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

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

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

（4）MODICON公司：大型机M584；中型机M884、M484；小型机M84等。

欧州产较著名的有：

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

日本产较著名的有：

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

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

中国产较著名的有：

（1）台达公司：中型机AH500系列；小型机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：小型机驰恩系列。

3.6.3 确定本设计PLC选用型号

经过设计分析，所选用的PLC，需输入点X为18个、输出点Y为21个、辅助继电器点M为1 12 7个，状态继电器点S为52个，定时器点T为90个，计数器点C点为236个，数据寄存器点D点为1 129个[7]。对比输入、输出的端子数量、内存容量的大小、扫描速度的快慢、指令条数多少、功能模块种类、经济实用性以及工作环境对PLC运行的影响等因素。最终选择台达DVP-60ES2为设计用PLC。

3.7 台达DVP-60ES简介

DVP-60ES具有整合的通讯功能，内部具有两种通讯模式一组RS-232通讯、一组RS-485通讯均支持MODBUS主站与从站模式控制，DVP-60ES通讯型主机但还支持DVP-60ES模拟与温度混合型主机搭配使用，提供各种I/O点数60位，同时可搭配AIO扩展模块，配合内建PID Auto Tuning功能，提供完整的模拟与温度控制方案，满足设备的功能控制需要。结合新一代主机的高速处理器，处理速度远高于同价位PLC，16k steps数据寄存器方便存储与运行较大型的程序，固有的高速处理功能，可在1 ms内处理完成1k steps数据运算，搭配100 kHz的脉冲，可控各种多轴高精度运动，台达DVP-60ES机芯具有高抗干扰特性，可进行现场设备搭建，配合程序的4重密码保护，更有效的保护使用者的知识产权不受到侵害。

3.7.1 台达DVP-60ES的结构功能简述

台达DVP-60ES结构如图15所示。

图15 DVP-60ES结构框架

（1）电源、运行、错误、COM1到COM3的指示灯。作用为可以通过灯号的显示情况来确认 PLC的运行状态。电源灯：灯号颜色绿色，则PLC电源启动时亮。运行灯：灯号颜色绿色，PLC运行时亮。错误灯：灯号颜色红色，PLC程序发生错误时闪烁。COM1到COM3指示灯：灯号颜色橘色，PLC通讯时闪烁。

（2）输入指示灯 X 输入点导通时，输入指示灯亮起。

（3）输出指示灯 Y 输出点导通时，输出指示灯亮起。

（4）电源、输出、输入出端子编号。

（5）Run/Stop开关。

（6）COM1程序通讯端口COM1程序通讯端口，可当主或从站使用。

（7）机种型号机种型号与输出入点数。

（8）COM2、COM3 COM2 、COM3 通讯端口，可当主或从站使用。

（9）DIN 轨固定扣。

（10）I/O模块固定扣下一级I/O模块固定使用。

（11）I/O模块连接端口连接下一级I/O模块。

（12）输出类型 T：晶体管， R：继电器。

（13）标签铭牌。

（14）DIN 轨槽适用于35 mm之DIN铝轨或钢制导轨。

（15）直接固定孔适用于M4螺丝。

（16）脱落式欧式输入或输出端子。

3.7.2 台达DVP-60ES型号的安装与使用说明

台达DVP-60ES安装方式：多使用将主机固定在DIN铝轨上，而将DIN铝轨安装在控制箱等位置的安装方法[6]；台达DVP-60ES适用于35 mm的DIN铝轨。

PLC在安装时，应注意：

（1）当将PLC装配于封闭式控制箱中时，请注意其与周围控制箱箱壁保持大于50 mm的空间距离，以保证PLC的正常散热[8]。

（2）请尽可能远离高压设备、高压电线、及马达等机械。

（3）为防止PLC机器温度上升，请勿安装在控制箱内的地面上。

（4）应水平安装在控制箱内。

（5）若有增加模块的计划，应在左右保留适当的安装空间。

（6）安装前请贴上防尘贴纸，防止导电异物掉入。

（7）请先将主机下方的固定塑料片，用一字形起子插入凹槽，并向外撑开拉出[8]，将主机挂上铝轨，将将主机下压，最后固定塑料片压扣回去即可。

（8）进行输出与输入控制线接线时，以一字形起子伸至脱落式端子与主机接缝处，由外向内推将脱落式端子撑开[8]。使用单蕊噴线或多蕊线铜导线，将线头处橡胶剥去，将线头一端接与PLC端子上，另一端接在所需控制设备上，完成安装。

（9）送电前将所有杂物清除，并撕去PLC散热孔上的防尘贴纸。

（10）在通上电源前，请务必检查电源线及输出与输入配线是否正确。

（11）确认负载电源与PLC输出组件是否一致。

（12）确认 DC24V 输入 SINK/SOURCE极性与您的配线是否极性一致。

（13）确认晶体管输出的极性与您的配线极性是否一致。

（14）确认无误后为PLC接通电源，进行检查工序。

（15）使用外围设备将程序写入主机，若主机ERROR指示灯没有闪烁，进行下一步，由使用者下达RUN的命令，若主机ERROR指示灯闪烁，使用者程序出现问题，若电源指示POWER指示灯亮。DVP-PLC发生异常，进行检查，检查后如为硬件问题，进行返厂。

（16）若载入正常可使用WPLSof2.36执行输出接点强制开始与结束测试。

（17）如无问题结束操作。

3.8 台达DVP-60ES2编程器的介绍与使用说明

编程器是PLC必不可少的外部设备。编程器的作用是：将用户所需要控制设备所体现的动作，通过编程语言设计出所对应设计的程序，并将程序传输到PLC的用户程序存储器中，通过PLC控制外部设备来实现。随着PLC的发展，编程语言已经变得复杂化，手持编程器已经无法满足工程师的编写需要，所以性能更高的计算机，已经代替手持编程器编程。台达DVP-60ES2的编程器也由手持编程器编程变为在计算机软件上完成，台达DVP-60ES2计算机编程软件是WPLSof2.36。

WPLSof2.36:WPLSof2.36为台达系列PLC可编器的电脑编辑软件。适用于台达DVP-PLC全系列。

编程软件WPLSof2.36的使用说明：

（1）在安装好WPLSof2.36程序后，可选择双击桌面上的WPLSof2.36快捷方式进入程序，或单击右键选择打开进入程序。

（2）打开菜单栏，在菜单栏中找到“文件”按钮，点击选择新建，将会弹出“机种设置”的窗口，在弹出的“机种设置”的窗口内点击“程序标题”栏，在其中输入所用PLC名称，在弹出的“机种设置”的窗口内点击“机种分类”选择你所需的机种，在点击菜单栏中的“通信设置”在弹出的标题栏中选择传输方式。本设计选用的是ES2-USB。点击“确定”按钮，回到主界面。然后在书写界面编写梯形图程序就可以了。

（3）可以在相应工具栏中找到相对应的输入、输出的符号，点击符号按钮就可以添加到程序窗口中，也可以选择双击蓝色方块，同样可以进行指令模式的程序书写[9]。

（4）完成程序设计编写后，进行以下步骤，点击菜单栏，进入菜单栏选择菜单栏中的编译按钮点击，选择编辑栏中的“梯形图=>指令”按键点击，软件将会自主的进行程序编译，当梯形图没有错误编译，且整体编译成功的情况下，主窗口最下方将会给出提示。当梯形图中有错误编译时，主窗口最下方同样将会给出错误提示，提示编译失败，并给出错误的位置。

（5）编译完成后，点击菜单栏，选择菜单栏内的通信栏，点击通讯栏中的PC<=>PLC选项，点击确定后，就由电脑将程序自动下载到PLC内进行最后的调试了。