plc的具有示教功能的箔绕机柔性生产系统设计
摘 要箔绕机是工业生产控制的重要设备之一，是绕制变压器箔式线圈的专用设备，在工业发达国家有广泛使用。如何将箔绕机生产绕制变压器箔式线圈的工艺过程做到可示教化，将其生产工艺流程步骤化，是该设计的出发点。本设计利用箔绕机设备结合可编程逻辑控制器西门子S7-200 PLC、触摸屏MCGSTPC，光电传感器等硬件设备组成箔绕机柔性生产控制系统。其中嵌入式触摸屏作为上位机控制系统，进行生产参数的输入设置和输出显示，监控箔绕机生产系统的实时运行情况；PLC作为通信设备负责传送从上位机上传来的程序和指令，操作继电线圈；箔绕机作为执行设备，主电动机带动方形铁芯旋转缠绕铝箔，伺服从电动机负责在指定位置放置导气条；光电传感器作为信号检测元件，和PLC保持实时通信，二者共同控制箔绕机设备的运行。 本文设计的基于PLC具有示教功能的箔绕机柔性生产软件系统，一方面具有示教功能，用户可以在每个手动控制步骤中学习箔绕机柔性生产原理，另一方面，生产功能则完全实现了系统的全自动化生产。软件设计中PLC读取MCGS触摸屏上设定的产品序列和光电传感器上测得的电流模拟量经A/D转换后的数字量，再将二者输入到PID控制模块端口，模块的输出控制主电机和从电机的顺序循环启停。软件部分分模块编程，设计了主程序，子程序，以及中断程序等，每个模块能够完成特定的功能并组成一个完整系统。相对于传统的继电器控制硬连接电器多、自动化程度不高、稳定性差等不足，本文所述的基于PLC和触摸屏的箔绕机性生产软件设计，人机交互友好，功能涵盖全面，操作方便，实时性强。PLC体积小、操作简单、稳定性好、灵活性强的特点深得设计者的青睐。既可以用于普通企业变压器箔式线圈的规模生产，也可用于教研单位的模型演示等教研学习活动，未来将会有更广阔的应用前景。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 箔绕机简介 1
1.2 箔绕机柔性生产系统研究现状 3
1.3 箔绕机柔性生产系统研究意义 4
1.4 本文主要内容及章节安排 5
第二章 系统硬件设计 6
2.1系统总体硬件结构设计 6
2.2设备选型 7
2.2.1组态软件——MCGSE 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
/> 2.2.2编程软件——STEP 7Micro/WIN 9
2.2.3 PLC设备——西门子S7200 11
2.2.4 触摸屏——MCGSTPC 13
2.2.5变频器——台达 13
2.2.6检测传感器 14
2.3 硬件模块连接 15
2.3.1 MCGS触摸屏与PLC的连接 15
2.3.2 检测传感器与PLC的连接 16
2.3.3变频器与PLC、箔绕电机的连接 16
第三章 系统软件设计 18
3.1 系统软件总体设计 18
3.2 上位机软件设计 19
3.2.1 欢迎界面设计 19
3.2.2 箔绕机介绍界面设计 20
3.2.3 选择界面设计 20
3.2.4 示教界面设计 21
3.2.5 生产界面设计 22
3.2.6 历史产品序列界面设计 23
3.2.7 设备通道属性设置 25
3.3下位机软件设计 28
3.3.1 示教/生产模式切换设计 29
3.3.2 上电初始化及断电复位模块设计 30
3.3.3 主电动机启动模块设计 31
3.3.4 判断延时模块设计 32
3.3.5 从电动机启动模块设计 34
3.3.6 循环模块设计 35
3.3.7 模数转换模块设计 36
第四章 调试问题与解决方法 37
第五章 总结与展望 39
5.1 课题总结 39
5.2 课题展望 39
参考文献 40
附录 41
附录1 硬件电路连接详图 41
附录2 PLC梯形图主要程序 41
致谢 49
第1章 绪论
1.1箔绕机简介
箔式绕线机又名箔式线圈绕制机、箔绕机。箔式绕线机是绕制变压器箔式线圈的专用设备，箔绕机（由前到后）包括操作面板、焊接机构、纠偏机构、卷绕机构、压毛机构、层收机构、开卷机构、配电柜八大部分。
（一）操作面板是人机交流的平台，所有指令都要通过面板给定。上电前对三相交流电电压、进行检查，以防缺相造成电机振动或烧掉（正常情况下有变频器的会自动报警缺相）。确保无误后按下启动按钮，对设备上电检查，包括检查各个动作有无或相反，各个按钮有无输出指示。
（二）自动焊接结构是卷绕线圈前首先用到的设备，该机构配备专门的氩弧焊机，对于箔材的焊接有的可能要对操作人员进行培训，由于焊机的不同一些操作按钮可能不一致，培训人员要提前熟悉焊机的操作，才能更好的培训操作人员。
（三）调偏系统是卷绕中最重要的一个环节，绕制线圈的整齐程度是衡量设备性能的一个重要参数。关于调偏的应用可大体分为以下几个部分：中心复位，模具定位，放箔，电眼定位，调整感度和平衡，精确调整电眼位置等。影响箔材卷绕不正的几点原因：起点位置与电眼位置不一致、箔本身有S弯、模具粗细不均匀、焊接时没垂直导致一开始就偏。
（四）卷绕机构是设备绕制线圈的部分。是由三相变频电机经过涡轮蜗杆减速机，具有结构紧凑、传动比大、振动小、噪音低、能耗低以及在一定条件下具有自锁功能等优点。
（五）压毛机构是去除箔材边缘毛刺的装置，通过气缸带动轴的转动，将压毛刺轮下压从而达到去除毛刺的目的。
（六）层收机构是放置层绝缘的地方，层绝缘的调偏为手动手轮（每旋转一圈为5mm）调节。绝缘纸放置的起始位置很重要，要根据箔材在主轴放置的位置来调节绝缘纸的位置。
（七）开卷机构是放置箔材的装置。卷绕过程中，开卷电机为箔材提供向后的张力，张力的大小可以通过操作面板上的电位器给定（有的通过屏幕输入尺寸由PLC模拟量给定），提供张力时是处于转矩模式，而放卷、收卷时是速度模式，这时电机如果静止不转会过载报警。收卷、放卷的默认速度为8Hz，如果感觉太慢或者太快可以适当作调整。放卷机在导轨上的左右移动起到调偏的作用，动力来自调偏伺服电机。
（八）配电柜是整个设备的心脏。所有的信号都要通过这里再将信号传给执行部分，电气方面的维修主要在这里。安全问题要放在首位，380V动力电和24V控制电要分清。
全自动箔绕机生产设备如下图1.1所示
图1.1 箔绕机实体图
箔绕机的具体工作流程主要如下：如图所示箔绕机设备，铝箔从机尾牵引到机头，然后在机头位置缠绕。铁芯为方形铁芯。在缠绕过程中，会隔几圈在较窄的一面放置导气条。由于是自动放置，需要检测放置时的状态，如铁芯是否在垂直位置。同时还需检测铝箔绕制的实时长度，传感器检测的值必须实时反馈到上位机。绕制结束后，需要剪切铝箔，而剪切完的铝箔缠绕到铁芯上时，正好与窄边的一个边沿平齐。
箔式绕线机采用PLC自动控制变频无级调速系统、光电液压纠偏系统、自动焊接机构等自动化控制功能。确保了变压器绕箔的焊接质量，使变压器的损耗大幅度降低，其性能参数已经达到了国内行业的领先水平[1]。该设备放料头采用液压涨缩机构操作方便、省力。箔材涨紧采用独立两档控制准确方便，正绕，停止，退绕均能保持所需张力，确保线圈紧实。层间纸涨紧采用气胀轴，磁粉离合器等先进装置，换料，张力调节方便快捷。自动焊接机构，速度自动调整，确保了设备的高效可靠。
1.2 箔绕机柔性生产系统研究现状
1952年美国麻省理工学院研制成功第一台数控铣床，计算机辅助制造被公认为解决多品种小批量生产自动化的有效途径，为柔性自动化。
如今，在柔性自动化领域，美国、日本、德国一直占据世界领先位置。美、日一条柔性自动化生产线加工零件品种数一般为7种以上，最多达到150种，多用于大企业；德国的柔性加工生产线加工零件品种多数可达50250种，是世界上柔性最强的系统，大部分用于中型企业。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 箔绕机简介 1
1.2 箔绕机柔性生产系统研究现状 3
1.3 箔绕机柔性生产系统研究意义 4
1.4 本文主要内容及章节安排 5
第二章 系统硬件设计 6
2.1系统总体硬件结构设计 6
2.2设备选型 7
2.2.1组态软件——MCGSE 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
/> 2.2.2编程软件——STEP 7Micro/WIN 9
2.2.3 PLC设备——西门子S7200 11
2.2.4 触摸屏——MCGSTPC 13
2.2.5变频器——台达 13
2.2.6检测传感器 14
2.3 硬件模块连接 15
2.3.1 MCGS触摸屏与PLC的连接 15
2.3.2 检测传感器与PLC的连接 16
2.3.3变频器与PLC、箔绕电机的连接 16
第三章 系统软件设计 18
3.1 系统软件总体设计 18
3.2 上位机软件设计 19
3.2.1 欢迎界面设计 19
3.2.2 箔绕机介绍界面设计 20
3.2.3 选择界面设计 20
3.2.4 示教界面设计 21
3.2.5 生产界面设计 22
3.2.6 历史产品序列界面设计 23
3.2.7 设备通道属性设置 25
3.3下位机软件设计 28
3.3.1 示教/生产模式切换设计 29
3.3.2 上电初始化及断电复位模块设计 30
3.3.3 主电动机启动模块设计 31
3.3.4 判断延时模块设计 32
3.3.5 从电动机启动模块设计 34
3.3.6 循环模块设计 35
3.3.7 模数转换模块设计 36
第四章 调试问题与解决方法 37
第五章 总结与展望 39
5.1 课题总结 39
5.2 课题展望 39
参考文献 40
附录 41
附录1 硬件电路连接详图 41
附录2 PLC梯形图主要程序 41
致谢 49
第1章 绪论
1.1箔绕机简介
箔式绕线机又名箔式线圈绕制机、箔绕机。箔式绕线机是绕制变压器箔式线圈的专用设备，箔绕机（由前到后）包括操作面板、焊接机构、纠偏机构、卷绕机构、压毛机构、层收机构、开卷机构、配电柜八大部分。
（一）操作面板是人机交流的平台，所有指令都要通过面板给定。上电前对三相交流电电压、进行检查，以防缺相造成电机振动或烧掉（正常情况下有变频器的会自动报警缺相）。确保无误后按下启动按钮，对设备上电检查，包括检查各个动作有无或相反，各个按钮有无输出指示。
（二）自动焊接结构是卷绕线圈前首先用到的设备，该机构配备专门的氩弧焊机，对于箔材的焊接有的可能要对操作人员进行培训，由于焊机的不同一些操作按钮可能不一致，培训人员要提前熟悉焊机的操作，才能更好的培训操作人员。
（三）调偏系统是卷绕中最重要的一个环节，绕制线圈的整齐程度是衡量设备性能的一个重要参数。关于调偏的应用可大体分为以下几个部分：中心复位，模具定位，放箔，电眼定位，调整感度和平衡，精确调整电眼位置等。影响箔材卷绕不正的几点原因：起点位置与电眼位置不一致、箔本身有S弯、模具粗细不均匀、焊接时没垂直导致一开始就偏。
（四）卷绕机构是设备绕制线圈的部分。是由三相变频电机经过涡轮蜗杆减速机，具有结构紧凑、传动比大、振动小、噪音低、能耗低以及在一定条件下具有自锁功能等优点。
（五）压毛机构是去除箔材边缘毛刺的装置，通过气缸带动轴的转动，将压毛刺轮下压从而达到去除毛刺的目的。
（六）层收机构是放置层绝缘的地方，层绝缘的调偏为手动手轮（每旋转一圈为5mm）调节。绝缘纸放置的起始位置很重要，要根据箔材在主轴放置的位置来调节绝缘纸的位置。
（七）开卷机构是放置箔材的装置。卷绕过程中，开卷电机为箔材提供向后的张力，张力的大小可以通过操作面板上的电位器给定（有的通过屏幕输入尺寸由PLC模拟量给定），提供张力时是处于转矩模式，而放卷、收卷时是速度模式，这时电机如果静止不转会过载报警。收卷、放卷的默认速度为8Hz，如果感觉太慢或者太快可以适当作调整。放卷机在导轨上的左右移动起到调偏的作用，动力来自调偏伺服电机。
（八）配电柜是整个设备的心脏。所有的信号都要通过这里再将信号传给执行部分，电气方面的维修主要在这里。安全问题要放在首位，380V动力电和24V控制电要分清。
全自动箔绕机生产设备如下图1.1所示
图1.1 箔绕机实体图
箔绕机的具体工作流程主要如下：如图所示箔绕机设备，铝箔从机尾牵引到机头，然后在机头位置缠绕。铁芯为方形铁芯。在缠绕过程中，会隔几圈在较窄的一面放置导气条。由于是自动放置，需要检测放置时的状态，如铁芯是否在垂直位置。同时还需检测铝箔绕制的实时长度，传感器检测的值必须实时反馈到上位机。绕制结束后，需要剪切铝箔，而剪切完的铝箔缠绕到铁芯上时，正好与窄边的一个边沿平齐。
箔式绕线机采用PLC自动控制变频无级调速系统、光电液压纠偏系统、自动焊接机构等自动化控制功能。确保了变压器绕箔的焊接质量，使变压器的损耗大幅度降低，其性能参数已经达到了国内行业的领先水平[1]。该设备放料头采用液压涨缩机构操作方便、省力。箔材涨紧采用独立两档控制准确方便，正绕，停止，退绕均能保持所需张力，确保线圈紧实。层间纸涨紧采用气胀轴，磁粉离合器等先进装置，换料，张力调节方便快捷。自动焊接机构，速度自动调整，确保了设备的高效可靠。
1.2 箔绕机柔性生产系统研究现状
1952年美国麻省理工学院研制成功第一台数控铣床，计算机辅助制造被公认为解决多品种小批量生产自动化的有效途径，为柔性自动化。
如今，在柔性自动化领域，美国、日本、德国一直占据世界领先位置。美、日一条柔性自动化生产线加工零件品种数一般为7种以上，最多达到150种，多用于大企业；德国的柔性加工生产线加工零件品种多数可达50250种，是世界上柔性最强的系统，大部分用于中型企业。
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