线材自动卷绕装置控制系统的设计.doc

目 录
1绪 论 1
1.1课题提出与研究意义 1
1.2 线材卷绕系统的发展现状 2
2 线材卷绕系统的特点与应用场合 3
2.1线材自动卷绕系统的特点 3
2.2线材自动卷绕系统的优点 3
2.3 线材自动卷绕系统的应用领域 4
3 线材自动卷绕系统的设计要求 5
3.1 线材自动卷绕系统的控制要求 5
3.2 线材自动卷绕系统中被控对象和元件之间的逻辑控制关系 5
4 PLC控制系统设计原则 6
4.1可编程控制器的简介 6
4.2 PLC 的一般结构 6
4.3 PLC产品一些常见的技术指标 6
4.4 PLC的选用原则 7
4.5 PLC控制系统设计基本的原则 7
4.6 PLC控制系统设计的基本内容 8
4.7 PLC控制系统设计的一般步骤 8
4.8 PLC控制系统设计的方法 9
5 线材自动卷绕系统的设备选型 9
5.1 线材自动卷绕系统设计图 9
5.2 PLC的选型 10
5.3 触摸屏的选型 10
5.4 变频器的选型 10
5.5 旋转编码器的选型 11
5.6 步进电动机的选型 11
5.7 步进电机驱动器的选型 11
5.8 其他设备选型 12
6 线材自动卷绕系统的理论设计 12
6.1 线材自动卷绕系统的初步设计 12
6.2 卷绕的进入速度识别 12
6.3 卷绕速度计算 13
6.4 线材卷绕导向部分 13
6.5 卷绕的长度测定 14
6.6 卷绕的误差补偿 14
7 线材自动卷绕系统的程序设计 15
7.1 I\O分配 15
7.2 程序设计 15
8 线材自动卷绕系统的触摸屏画面设计 24
8.1 触摸屏画面设计概述 24
8.2 触摸屏画面的设计 24
9 线材自动卷绕系统主轴卷绕部分设计 28
9.1 MMX-440C 变频器与三相异步电动机的链接 28
9.2 变频器的参数设置与接线 28
总 结 30
参考文献 31
附 录 32
线材自动卷绕系统设计材料清单 32
致 谢 33

33

天津职业技术师范大学2010届本科生毕业设计

1绪 论
1.1课题提出与研究意义
在工业生产中，有时需要对生产出的线材进行卷绕或要将线材卷绕规定的匝数（如变压器线圈），缠绕到规定直径的卷轴上。在过去的工业生产过程中，该卷绕系统对线材的长度计量和张紧度把握是通过机械或人力来完成的。这样的卷绕方法效率低下，精度较差。对于卷绕有弹性的线材时容易造成拉伸线材变形或卷绕过松的现象。特别需要注意的是，这类机械的卷绕系统只能适应于一种特定弹性和直径的线材，同时也只能适应特定直径和宽度的卷轴。因此需要对现有非自动卷绕系统进行必要的自动化更新或改造。
而线材自动卷绕装置是由PLC进行软件卷绕控制。其线材的进入速度通过旋转编码器测得。线材的直径、卷轴的直径和宽度由触摸屏直接输入。当需要改变卷绕线材或卷轴的参数时。只需通过触摸屏改变相应的参数，免去了机械卷绕系统的机械调试工作。
相较其它非自动卷绕系统，由PLC控制的自动卷绕系统成本低廉、操作简便、构造简单、便于维护、精度高、效率高。可以替代现有的工业生产中使用的非自动线材卷绕系统。
线材绕系统是一种将线材（尤其是有弹性的线材）卷绕到规定直径的轴上的机构。它和线材生产机构一同工作。在卷绕过程中，线材生产部分相当于放卷机，卷绕机相当于是收卷机。只有线材生产部分和卷绕机进行同步转动，也就是说只有当放卷机和收卷机的速度保持一致时，才不会对线材造成损害。由于线材生产部分（放卷机）在转动过程中速度是接近保持不变的，卷绕机在卷绕过程中，收卷直径会越来越大，因此放卷到收卷的传输线速度越来越大，这就需要不断的降低线材卷绕机主轴的卷绕速度以配合放卷的速度。从而达到同步收放的效果。这也是我在设计中的重点和难点我在这次毕业设计中，首先是对卷绕机的机械传动设备和辅助设备进行设计。再对其控制系统提出自己的方案。我对其控制系统所设计的方案是由一台三相异步电动机驱动线材卷绕机主轴转动的速度。由旋转编码器测量线材生产速度（既放卷速度），并把检测到的信号传递给可编程控制器PLC，同时，根据线材直径和卷绕长度（由Siemens TP-177B触摸屏输入）确定卷绕速度和卷绕长度。由可编程控制器PLC通过计算、把结果传递给变频器，再由变频器控制电动机转速。从而达到收放同步的效果。另外根据线材直径，PLC还需要控制步进电动机实现线材卷绕的导向问题。
1.2 线材卷绕系统的发展现状
线材卷绕系统应用于线材或胶管的生产制造、加工等领域。在该系统发展初期，是通过硬性的机械拖动来完成线材的圈绕动作。此时的圈绕系统动力多由靠变电压调速的直流拖动电机实现卷绕动作。这种卷绕系统的优点是结构简单，操作直观。但是，这种卷绕系统由于机械设计的原因大多只能适应一种线材和单一的卷轴。当需要更换另外直径的线材或其他型号的卷轴时。需要调试甚至更换相应的卷绕机械机构以改变卷绕的线速度。另外还需要改变导向机构。此外，这样线材卷绕系统的卷绕线速度和导向机构的移动速度与移动距离是通过机械结构计算，这样的机械变速机构结构复杂，容易磨损，需要定期的维护，且调试、维护这样的系统需要很高的机械基础，维护成本很高。
目前的半自动卷绕系统多使用变频器驱动三相交流异步电动机或使用步进电动机、伺服电动机以实现卷绕的直接、精确控制。此外，线材导向机构也简化了机械部分。直接应用步进电动机或伺服电动机实现精确的导向。
控制这些电动机实现卷绕动作的多为单片机或可编程逻辑控制器（PLC）。在工业生产中，由于生产环境中存在的众多的干扰原。如电机启动，触点的接通、关断，以及电力变流设备对电源的干扰。要求这样的控制设备要具有较强的抗干扰性能。由于PLC具有较强的抗干扰性能和多样的功能。目前，比较成熟的线材卷绕系统多是以PLC作为线材卷绕系统的控制器。卷绕动作由PLC控制相关电机和气动执行元件完成。能十分方便的嵌入到各类生产工业生产线中。
日益复杂、精确的工业生产过程要求未来的线材卷绕系统的智能化程度较高。最基本的要求是具有人性化的简便智能操作界面。同时对相应的控制精度、控制稳定性也提出了更高的要求。在要求高速度、高精度、高可靠性、人性化的操作操作界面、具有自主故障判断功能、维修简便的同时。还要使单机价格不断下降、机械结构模块化、可升级、可重构化发展。

2线材卷绕系统的特点与应用场合
2.1线材自动卷绕系统的特点
线材自动卷绕装置是一种将线材（尤其是有弹性的线材）卷绕到规定直径的轴上的的机构。它和线材生产机构一同工作。在卷绕过程中，线材生产部分相当于放卷机，卷绕机相当于是收卷机。只有线材生产部分和卷绕机进行同步转动，也就是说只有当放卷机和收卷机的速度保持一致时，才不会对线材造成损害。由于线材生产部分（放卷机）在转动过程中速度是接近保持不变的，卷绕机在卷绕过程中，收卷直径会越来越大，因此在卷绕拖动电机转速不变的情况下，收卷的线速度越来越大，这就需要不断的降低线材卷绕机主轴的卷绕速度以配合放卷的速度。从而达到同步收放的效果。这也是我在设计中的重点和难点我在这次毕业设计中，首先是对卷绕机的机械传动设备和辅助设备进行设计。再对其控制系统提出自己的方案。我对其控制系统所设计的方案是由一台三相异步电动机驱动线材卷绕机主轴转动的速度。由旋转编码器测量线材生产速度（既放卷速度），并把检测到的信号传递给可编程控制器PLC，同时，根据线材直径和卷绕长度（由Siemens TP-177B触摸屏输入）确定卷绕速度和卷绕长度。由可编程控制器PLC通过计算、把结果传递给变频器，再由变频器控制电动机转速。从而达到收放同步的效果。另外根据线材直径，PLC还需要控制步进电动机实现线材卷绕的导向问题。
2.2线材自动卷绕系统的优点
这样的自动卷绕系统具有如下优点:
1.节省了人力资源
 卷绕工作有线材卷绕系统自动完成控制卷绕。可以作到无人值守。当卷绕到规定长度或系统传感器检测到卷绕故障时，机器停机报警。这时才需要人工完成更换卷轴或进行维修工作。节省人力资源。
2.提高了工作效率
线材自动卷绕装置相叫较半自动卷绕系统。其卷绕张力控制是由PLC自动控制完成。在出现卷绕误差时也是由PLC自动完成误差补偿。其卷绕动作连续、快速。提高了工作效率。
   3.操作简便容易
 在卷绕生产过程中，操作人员是通过触摸屏操作该自动卷绕系统。省去了机械卷绕系统中需要的机械设备调试。减轻了操作人员的劳动强度。操作界面简单、直观，操作简便、容易。
4. 提高了安全性可靠性
在该线材自动卷绕系统中。操作人员不必去接触有可能转动的机械部分，只需要通过触摸屏操作卷绕系统。因此提高了该线材卷绕系统的操作安全性。
由于省去了部分机械卷绕装置的机械测速、变速部分。简化了该卷绕系统的机械结构，减少了零件总数。提高了设备运转的可靠性。
5. 减少了制造与维修成本
  该线材自动卷绕系统设计结构简单。大部分功能通过PLC的软件实现。简化了生产难度和生产成本。同时，由于结构简单，维修变得更加容易，减少了维修难度与维修成本。
2.3 线材自动卷绕系统的应用领域
1、线材生产、加工部门
   在线材的生产与加工领域，无可避免的就是各种型号的线材要根据不同的需要卷绕在不同大小的卷轴上。特别是弹性线材和热的塑胶线材（如热的胶管）的卷绕。其对卷绕张力控制要求十分精确。否则会造成线材卷绕的不均匀甚至损坏线材。而一般的半自动机械控制的卷绕系统结构复杂，成本高昂，在卷绕这些线材时需要极其严格的调试和改造。但仍不能满足卷绕的要求。但由PLC控制的线材自动卷绕系统结构简单，调试方便，控制精度高，完全能够满足卷绕这些弹性线材的性能要求。而且操作、维护简便。
2、生产成品需要线材卷绕流程的部门
在某些线圈（例如变压器）的生产过程中。需要对某种线材进行规定长度或规定匝数的精确卷绕。该线材自动卷绕系统能够通过修改触摸屏的卷绕参数就能满足规定的要求。而半自动机械卷绕装置则需要调整甚至修改机械结构改变卷绕的变比。有一定的操作与调试难度。因此，该线材自动卷绕装置能够满足生产成品需要线材卷绕流程的部门进行高精度的线材卷绕要求。

3线材自动卷绕系统的设计要求
3.1 线材自动卷绕系统的控制要求
在线材自动卷绕系统的设计中，要求有给定输入速度（由旋转编码器实现）。应用触摸屏输入线材直径、卷绕长度、卷轴直径和卷轴宽度（由线材直径、卷轴宽度和卷轴直径确定卷绕速度。不同的参数在卷绕中线速度不同）再参考给定输入速度确定最终的卷绕速度。在系统运行中。应在触摸屏中有相应的监控情况。此外，由于在卷绕过程中存在误差。还应在卷绕中加入张紧度测试。在过松或过紧时，自动调节卷绕速度，并要求在触摸屏中有相应的故障指示。
3.2 线材自动卷绕系统中被控对象和元件之间的逻辑控制关系
给定输入速度的测定：由旋转编码器实现
线材参数（包括线材直径、卷绕长度）：通过用户对触摸屏输入数据实现
卷轴参数（包括卷轴直径、卷轴宽度）：通过用户对触摸屏输入数据实现
监控卷绕情况（包含已卷绕长度）：通过触摸屏显示监控
卷绕线材的导向机构：通过步进电动机驱动
卷绕主轴的驱动：通过变频器控制的三相异步交流电动机实现
卷绕长度和卷绕圈数的测定：通过旋转编码器实现

4 PLC控制系统设计原则
4.1可编程控制器的简介
可编程控制器过去简称PC，为区别于个人计算机，现一般简称PLC。它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能是通过数字或模拟的输入输出，来控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC不采用固定接线万式，比继电器控制系统设计周期短、更改容易、接线简单、成本低，而且把计算机的功能和继电器控制系统结合起来，使控制更为容易。同时，它还有简单易学、使用和维护方便、运行稳定可靠及设计周期短的特点。
4.2 PLC 的一般结构
中央处理器(CPU)、存储器、输入接口电路、输出接口电路。
4.3 PLC产品一些常见的技术指标
(1)输入/输出点数 ( 即I/O点数)
即指PLC外部输入、输出端子数。这是重要的一项技术指标。
(2)扫描速度
一般以执行100O步指令所需要的时间来衡量，故单位为mS/千步。也有时以执行一步指令的时间计算，如DS/步。这决定了控制速度。
(3) 内存容量
一般以PLC所能存放用户程序来衡量。这决定了控制的复杂程度。在PLC中程序指令使按"步"存放的一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节。如一个内存容量为1000步的PLC可推知其内存为2K字节。
(4)指令条数
这是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。PLC具有的指令越多，说明其控制功能越强。
(5)内部寄存器
PLC内部有许多寄存器用以存放变量状态、中间结果等，还有许多辅助寄存器可供用户使用，可提供许多特殊化或简化整体系统设计。寄存器配置情况是衡量PLC硬件功能的一个指标。
(6)高级功能模块
PLC除了主控模块外还可以配接各种高功能模块。主控模块实现基本控制功能。高功能模块则可实现某种特殊的专门功能，使PLC不但能进行开关量顺序控制，而且能进行精确的定位和速度控制、和计算机进行通信、直接用高级语言进行编程等，给用户提供了强有力的工具。高功能模块的多少、功能强弱常是衡量PLC产品水平高低的一个重要指标。
4.4 PLC的选用原则
随着现代PLC技术的发展，PLC应用的范围也很广泛，所以，一般我们对PLC的选用我们有以下方面的考虑：可靠性、维修方便、可以在恶劣环境下工作、使用方便、编程方便、可兼容性、修改与扩充能力、自诊断能力、价格、特殊性能、联网能力、运行速度等。
4.5 PLC控制系统设计基本的原则
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则:
(1)充分发挥PLC的功能，最大限度的满足用户提出的技术条件要求，了解整个被控对象(包括生产设备或生产过程的工作原理、工艺、性能、参数等)，并深入现场进行调查研究，收集资料，与机械部分的设计人员和现场操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，以协同解决系统设计中出现的各种问题，并能根据需要方便的进行修改。
(2)在满足控制要求的前提下，让整个PLC控制系统及控制电路安全、可靠、简单，具有较高的性能价格比。
(3)合理的选择PLC机型及电器元件。同时，在PLC的I\O点数和内存容量上应适当留有余地，以满足今后生产发展和工艺的改进。
(4) 容易掌握，便于操作和维修。
4.6 PLC控制系统设计的基本内容
(1)拟订控制系统设计的技术条件。
(2)选择电力拖动形式和电动机、电磁阀等执行机构。
(3) 选定PLC的型号。
(4)分配PLC的I/O点，绘制PLC的I/O硬件接线图。
(5)设计控制系统梯形图并调试。
(6)设计控制系统的操作台、电气控制柜等以及安装接线图。
(7)编写设计书和使用说明书。
4.7 PLC控制系统设计的一般步骤
一般PLC控制系统的设计步骤具体操作如下:
(1)分析被控对象:分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象的
全部功能，设备内部之间的关系。
(2)确定输入/输出设备:根据系统的控制要求，确定系统所需的输入设备(如按钮、位置开关、转换开关等);输出设备 (如接触器、电磁阀、信号指示灯等)。
由此，确定PLC的I/O 点数。
(3)选择PLC:包括PLC的机型、容量、I/O模块、电源和其他扩展模块的
选择。
(4)分配I/O点:画出PLC的I/O端子与输入/输出设备的连线图或对应表。
(5)设计控制系统:如画功能图、梯形图、对程序的调试等。
(6)硬件设计及现场施工。
(7)联机调试:是指将模拟调试通过的程序进行再线调试。
4.8 PLC控制系统设计的方法
PLC编程方法灵活，指令系统强大，控制系统设计方便，软、硬件设计可同时进行。PLC由很强的驱动能力，可直接驱动接触器和电磁阀等执行元件，在工作控制中具有广泛的通用性。
对电气控制设备来讲，PLC 控制系统是设备控制要求和工艺流程的具体体现，但是任何PLC控制系统的设计都是在控制方式和电动机技术数据确定以后进行的。

5 线材自动卷绕系统的设备选型
5.1 线材自动卷绕系统设计图

图5-1 线材自动卷绕系统设计图

5.2 PLC的选型
在该线材卷绕系统中，需要控制步进电动机。因此，使用的PLC需要具有高速脉冲输出功能。一般具有高速脉冲输出功能的PLC多为晶体管输出类型，学校能够实现高速脉冲输出功能的PLC有松下的FP-0系列和西门子的S7-300 CPU 314C。而松下的FP-0输出端口少，内存小（可编程空间只有2.7K）不能满足端口数量和编程空间的要求。况且在线材卷绕系统中，需要精确的对卷绕主轴电动机进行精确的调速控制。主轴卷绕电动机是三相异步交流电动机，想要实现自动精确调节主轴驱动电动机的速度，必须选用变频器模拟量速度调节功能。而要实用上述功能。选用的PLC还必须具备0-10V或0-5V的模拟量输出功能。但是松下FP-0系列PLC不具备模拟量输出功能。因此选用西门子S7-300 CPU314C才能够满足设计要求。
5.3 触摸屏的选型
在该线材自动卷绕系统中，需要应用触摸屏进行如下应用：
1、对卷绕线材和卷轴的参数的设置。
2、对线材卷绕装置的使用帮助说明。
3、对卷绕状况的监控（包含卷绕长度的显示、卷绕动作的模拟以及故障和错误的报警）。
因此，能够满足以上应用要求的触摸屏需要具备多画面显示、动画显示、参数的预置与监控等多种功能。为了使该线材卷绕系统的操作更加简便和人性化。因此，在这个线材卷绕系统的设计中我选用了西门子TP-177 B pn\dp color型触摸屏。该款触摸屏具有5.7英寸的彩色显示可触摸画面。集成RS422/485接口。其机身内存为2048KB。完全可以满足线材卷绕系统的设计要求。
5.4 变频器的选型
在该线材卷绕系统中。需要应用PLC对驱动卷绕主轴的三相交流异步电动机进行大范围精确的无级调速。因此，需要应用变频器对该电动机进行调速控制。这样的调速要求需要变频器具有无级、大范围稳定调速的功能。我们在PLC的选型中已经说明，我们会利用PLC的模拟量输出功能控制变频器以实现这样的调速功能。所以，我们选择的变频器亦应该具有相应的模拟量输入控制无级调速的相应功能。
因此，在这个线材卷绕系统的设计中我选用了西门子的MMX-440C变频器作为主轴卷绕电动机的控制。因为该型号变频器能够兼容于西门子S7-300型PLC的模拟量输出实现主轴卷绕电动机的精确无级调速控制。
5.5 旋转编码器的选型
在该线材自动卷绕系统中采用了旋转编码盘以采集线材的进入速度和卷绕主轴的卷绕圈数，为达到规定的卷绕精度，该系统选用了100p/r的编码盘。当旋转编码器旋转时，会在输出端在产生VP-P为24V的方波信号，每转一圈输出100个脉冲。可以提供给PLC的高速计数器，用于线材卷绕的速度控制和导向控制。
5.6 步进电动机的选型
该卷绕系统的步进电动机是用来驱动线材导向机构。在设计中我选择的是二相八拍混合式步进电机其主要特点为：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。本系统设计中采用串联型接法，其电气图如图5-2所示：

图5-2 步进电机电气图

5.7 步进电机驱动器的选型
步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。
驱动器电源由面板上电源模块提供，驱动器信号端采用+24V供电。驱动器输入端为低电平有效。
驱动器电流设定为0.63A，细分设定为8细分。将24V电源接入驱动器，此时驱动器的电源指示灯应点亮。将24V与OPTO端（驱动器使能端）连接起来。PUL端是脉冲输入端。DIR是方向控制输入端。
5.8 其他设备选型
需要应用机械部分来实现步进电动机每过一个细分，卷绕导向臂移动1mm。

6 线材自动卷绕系统的理论设计
6.1 线材自动卷绕系统的初步设计
在线材卷绕系统的设计中，一共分为4部分：
1、线材进入速度测量采用旋转编码器直接给PLC输入线材进入速度。
2、线材卷绕导向部分采用步进电动机驱动的机械导向器。其导向控制计算方法是利用触摸屏输入的线材直径d和卷轴的宽度H以及卷绕的速度决定的。
3、线材卷入的速度V是由线材输入速度v，线材直径d和卷轴直径D决定的。
4、因为线材卷绕中，PLC在线材进入速度识别和卷绕过程中存在一定的误差。因此还需要在该系统中加入卷绕误差控制。
6.2 卷绕的进入速度识别
在本项设计中，采用旋转编码器识别线材进入的线速度。设定线材每进入一米，旋转编码器产生100个脉冲（通过机械结构解决）则可通过PLC编写程序计算出进入速度。根据公式
进入PIC的线材长度（取1cm为标准单位，设脉冲个数为N）：

S=1*N （6-1）

进入速度（令t=1s）：

v=S/t （6-2）

6.3 卷绕速度计算
设卷绕时卷轴的角速度为则卷绕的线速度：

V=R*ω （6-3）

为完成卷绕要求，则需要做到线材卷绕的线速度与线材的进入速度相等。则有：

V=v （6-4）
S/t=Rω （6-5）
所以：ω=s/(RT) （6-6）

在上式中R是未知的该R经画图分析与卷轴直径D﹑卷绕层数X和线材直径d有关，线材在卷绕过程中，每卷绕一层，卷轴的半径就增加了一个d（线材的直径）。此外，为了增加卷绕速度的计算精度。还不应忽略在卷绕中的最外层。因此，还需在卷绕半径上卷上最外层的增加的卷绕半径d/2。
卷绕半径计算公式为：

R=D/2+Xd+d/2 （6-7）

6.4 线材卷绕导向部分
该导向部分是由步进电动机驱动摆臂进行线材卷绕中的导向动作。步进电动机是以转动角度控制摆臂的摆动量。摆臂尖端的摆动幅度为卷轴的宽度H。在线材卷绕开始之前，摆臂是在中间位置（与卷轴垂直，并且垂足位于卷轴横向的中点）。当用户通过触摸屏输入卷轴宽度H后。摆臂尖端向左移动到与卷轴左端对齐。此时用户在导向臂中穿入待卷线材，并与卷轴固定。按开始卷绕按钮启动卷绕装置。在设计中，卷轴转动圈数测定依然采用旋转编码器。卷轴每卷绕一圈，PLC会给控制导向臂的步进电动机发送运动信号，让导向臂尖端向右移动一个距离d(线材直径）当运行卷绕至卷轴最右端是，一共移动了X次。

X＝H/d-1 （6-8）

当导向臂向右移动了X次时，卷轴的第一层已被卷满。此时卷绕第二层。此时每缠绕一圈导向臂向左移动一个d。如此往复。完成卷绕导向过程。
6.5 卷绕的长度测定
在本系统中，用户可在系统的触摸屏中输入要求卷绕的长度，启动该卷绕系统开始卷绕后系统的进入速度测试编码开关会累计卷绕长度。当卷绕长度达到用户预设值时。系统自动停机。并在触摸屏上显示卷绕完成信号。
6.6 卷绕的误差补偿
因为线材卷绕中，PLC在线材进入速度识别和卷绕过程中存在一定的误差。因此还需要在该系统中加入卷绕误差控制。该误差控制的基本思想为：在线材导向机构与卷轴之间加入三个卷绕误差测定装置，在本人的设计中，本人采用的是三个红外位置传感器。三个传感器纵向排列，自上而下分别为线材卷绕过紧传感器﹑卷绕正常传感器和卷绕过松传感器。
在线材卷绕过程中，线材导向机构与卷轴之间的线材自然下垂。此时线材在过紧与过松传感器之间，可能会触发卷绕正常传感器，但此时卷绕力度在误差允许范围内，不会引起卷绕速度的变化。
当卷绕过紧时，线材绷紧。卷绕过紧传感器动作，给PLC发送卷绕过紧信号。此时PLC会在正常的卷绕速度V中，减去过紧调节速度v松（该参数应在触摸屏中预置，默认为0.1m/s）。此时卷绕速度减小，线材卷绕变松。缓慢下垂。当线材触发卷绕正常传感器时，PLC将过紧调节减去的速度v松去除。此时线材的卷绕速度恢复为PLC根据公式计算的正常卷绕速度V。
当卷绕过松时，线材下垂，触发卷绕过松传感器。这是PLC会在正常卷绕速度中加上过松调节速度v紧。这时线材加速卷绕，线材缓慢绷紧。当触发卷绕正常传感器时。卷绕速度恢复至正常卷绕速度V，完成误差调节要求。

7 线材自动卷绕系统的程序设计
7.1 I\O分配
I0.0 开始按钮
I0.1 卷绕进入速度旋转编码器输入
I0.2 卷绕圈数旋转编码器输入
I0.3 急停按钮
I0.4 卷绕过紧传感器输入
I0.5 卷绕正常传感器输入
I0.6 卷绕过松传感器输入
Q0.0变频器模拟量输出
VA0变频器模拟量输出
M变频器模拟量输出
Q0.1导向步进电动机步进脉冲输出
Q0.2导向步进电动机方向电平输出
Q0.3导向步进电动机脱机电平输出
7.2 程序设计
在该程序的设计过程中，参照理论设计为设计思路，具体的设计思想、计算方法都在程序中的注释中说明。在这里就不在进行文字说明了。

8 线材自动卷绕系统的触摸屏画面设计
8.1 触摸屏画面设计概述
在线材自动卷绕系统的设计中，应用了触摸屏进行如下控制功能：
1、 输入卷绕参数：包含线材直径、卷绕长度、卷轴直径、卷轴宽度等。
2、 监控卷绕状况：包含卷绕长度的显示，卷绕层数的监控等。
3、 指导卷绕系统的使用：包含开始卷绕之前的线材安装、固定等。
4、 故障的报警：包含显示因故障引起的停机原因，和卷绕过程中的误差补偿情况显示。
8.2 触摸屏画面的设计

图8-1 画面 1

画面1 为线材自动卷绕系统的开始画面，当用户点击“点击进入”按钮时。触摸屏画面进入卷绕参数设置画面。

图8-2 画面 2

画面2 为线材自动卷绕系统的参数设置画面。用户点击“线材参数设置”、“卷轴参数设置”、“卷绕长度设置”这三个选项时。触摸屏进入相应的参数设置。当参数都设置完成时。点击“确认”按钮进入下一步卷绕准备画面。当用户在画面2中设置完成卷绕参数时，点击“确认”按钮时，触摸屏进入卷绕的准备画面，指导用户完成卷绕前的线材装入工作。

图8-3 画面 3

画面3 为指导线材装定画面。用户只有在线材装定完成后才能进行开始卷绕动作。以上的触摸屏画面中“帮助”按钮在实做过程中可以新建画面，在新的画面中添加图片和文字说明，更加形象的指导用户完成线材的装入过程。用户穿好线材后，可以点击“确认”键，进入下一步。

图8-4 画面 4

画面4 是正式的卷绕开始画面。用户在完成参数设置和线材装定后才能进入该画面。这样避免了卷绕动作的误启动，增加了该系统的安全性。用户点击开始卷绕按钮后，线材开始卷绕。当前画面显示用户设定的卷绕长度和当前已经卷绕的长度。用户可以点击“暂停”按钮暂停卷绕。

图8-5 画面 5
画面5 为卷绕过程中的监控画面。卷绕开始后点击“进入卷绕监控系统”按钮后，该画面显示。在该画面中，显示了线材的设置卷绕长度、已卷绕长度、线材进入速度、导向机构的运动情况以及当卷绕出现误差时系统的调节状况和系统停机报错的原因。

图8-6 画面 6

画面6 为线材卷绕完成画面，线材在卷绕到规定长度后，系统停机，该画面显示。指示该卷线材的长度，匝数和层数。
9 线材自动卷绕系统主轴卷绕部分设计
9.1 MMX-440C 变频器与三相异步电动机的连接
图9-1 变频器主电路图
图9-1 为SIEMENS MMX-440C变频器与三相异步电动机的主电路连接电气接线图。在设计中。三相异步电动机的选型还要根据该卷绕系统的具体应用范围（卷绕线材的直径）来确定该三相异步电动机的容量。
9.2 变频器的参数设置与接线
首先对变频器进行如下设置
参数设置步骤如下：
Step1：复位变频器参数
Step2设定P0003=3 //设定参数设定方式（专家级模式）
Step3：设定P0700=2 //命令源选择“由端子排输入”
Step4：设定P0701=1 //选择数字量输入1为启动/停止端
Step5：设定P1120= //设置加速时间（s）
Step6：设定P1121=？ //设置减速时间（s）
Step7：设定P2000=50 //基准频率采用50HZ
Step8：设定P0756=(0~4) //选择模拟量的输入方式
Step9：设定P0757=？ //标定ADC的X1值（V/mA）
Step10：设定P0758=？ //标定ADC的y1值
Step11：设定P0759=？ //标定ADC的X2值（V/mA）
Step12：设定P0760=？ //标定ADC的y2值（V/mA）
Step13：设定P0761=？ //标定ADC死区的宽度（V/mA）

变频器的主电路接线图与上面图9-1相同，控制部分接线如图9-2所示：

图9-2 变频器控制接线图

总 结
在此次毕业设计中，我主要做了四项工作:
一、认真、仔细学习可编程控制器的基本结构，主要特点、工作原理以及使用场合，并能根据被控对象的不同要求选择不同类型型号的机型，输入输出接口，连接线以及与上位机相连时使用的适配器等，同时在此基础上对线材自动卷绕系统的控制系统设计工作，掌握用了编程控制器进行自动化控制的基本设计思路。
二、掌握了使用可编程控制器进行自动控制的设计，对软件进行了深入的学习和研究。
三、学习并掌握了线材自动卷绕系统的工作过程，控制要求，电路特点等内容，对线材自动卷绕系统有了较深入研究。
四、掌握了PLC的基本指令与高级指令和梯形图的编程技巧，及通讯过程，从而达到本次设计的目的和要求。
本次设计经过十六周的学习和工作，能够顺利完成设计要求。这次设计的系统接线相对简单，安装比较方便，工作效率提高，同时工作可靠，维修量小。在调试时，系统可以达到设计的控制要求。由于毕业设计时间和经验有限，该系统程序还可以进行优化和完善，硬件上也需要作一些改进，以充分适应工业生产设计的要求。

参考文献
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[16] 许其义.基于可编程控制器网络的智能控制系统与开发[D].山东，曲阜师范大学,2007.

附 录
线材自动卷绕系统设计材料清单
编程计算机 1台
西门子S7-300PLC CPU314C 1台
西门子S7-300PLC编程电缆 1条
西门子TP-177 B pn\dp color型触摸屏 1个
RS 485通讯电缆 1条
直流24V电源 1个
步进电动机 1个
旋转编码器 2个
西门子MMX-440C变频器 1台
交流三相异步电动机 1台

致 谢

经过几个月的努力，本次毕业设计的任务己经圆满结束了。
大学四年的学习生活即将结束，能够顺利完成这四年的学业和毕业设计，这和帮助过我的老师们是分不开的。
首先，我要感谢的是指导我这次毕业设计的李建国老师，他在毕业设计中给予了我很大的帮助，在毕业设计初期，他详细的讲解使我对此次设计有了深刻地了解和认识