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1、牛皮纸印刷生产线研究 纸张质量检测系统设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：信息学院自动化庹俊学 号：职 称：160403106793杨聚庆教授，助教中国珠海二二二年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计牛皮纸印刷生产线研究纸张质量检测系统设计是在指导教师杨聚庆的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日目录摘 要3Abstract51 绪论61.1 课题设计目的和意义61.2 本课题设计内容71.3 系统控制方案的选择71.3.1单片机系统控制71.3.2可编程控制器系统控制71.
2、3.3可编程控制器+上位机系统控制81.4系统设计的基本步骤82 总体设计82.1 质量检测系统的总体设计82.2 可编程控制器介绍及选型92.2.1 PLC介绍92.2.2 PLC选型102.3 牛皮纸的厚度测量122.3.1 传感器的选型122.3.2 传感器的测量原理122.3.3 传感器的组成132.4 传送装置的设计142.5 系统主体方案的确认143 硬件设计163.1控制设计163.1.1硬件控制方案163.2电气系统设计统设计163.3电气控制系统的设计183.4 I/0分配表183.5 I/0端子接线图194 软件设计214.1编程软件的介绍214.2 梯形图224.3组态王
3、的使用365 总结36参考文献36致谢：37摘 要纸张的质量检测系统是纸张印刷生产线的组成部分中的最后一部分，是为整个生产线的质量把关，因此十分重要。质量检测系统硬件上主要依靠传送带和多个传感器（电容传感器、颜色传感器、光电开关等）组成。该系统会自动识别不符合生产标准的残次品，将其主动剔除并将检测合格的成品统计装箱，且计算产品的合格率。该系统是由可编程逻辑控制器（简称PLC）控制，可编程逻辑控制器是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它有着可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，且易学易用易上手的优点。关键词：质量检测、传感器、可编程控制器AbstractThe pape
4、r quality inspection system is the last part of the paper printing production line, which is to check the quality of the whole production line, so it is very important. The hardware of the quality inspection system mainly depends on the conveyor belt and multiple sensors (capacitance sensor, color s
5、ensor, photoelectric switch, etc.). The system will automatically identify the defective products that do not meet the production standards, actively remove them and pack the qualified products in statistical boxes, and calculate the qualified rate of products.The system is controlled by PLC, which
6、is a digital operation electronic system specially designed for application in industrial environment. It has the advantages of high reliability, strong anti-interference ability, perfect function, strong applicability, and easy to learn and use.Key words: quality inspection, sensor, PLC1 绪论1.1 课题设计
7、目的和意义随着时代的发展，人们生活越来越好，对身边的事物的精细要求也越来越高，纸张也不例外。为了满足人们日益增长的需求，造纸业对纸张的质量检测更加的严格。目前大多数造纸业采用的纸张质量检测手段还是人工检测，这种检测手段虽然容易实现，但是检测的效率十分低，而且因为是人工的关系，有的项目上的检测很容易出现较大的偏差，检测的准确性很难保证，难以适应现在的检测需求。因此实现生产线上的自动化检测就成了当代造纸业的新需求，以用来替换老式的人工检测。在1980年-1990年的中期，PLC的发展可谓是处于巅峰状态。它凭借着操作方法方便、可靠性高、抗干扰性强、功能好、功耗低、性价比高、实用性强等多处优点，无论是
8、在人们的生活还是在工业自动化控制中表现同样出色。虽然，如今有许许多多的牛皮纸生产线，但是其设计原理已经逐渐跟不上时代，它们还在沿用大量的人工进行生产，一种牛皮纸的工艺可以包括蒸煮，漂白，筛选，打浆，施胶等大量的复杂工艺，但是其中有一些技术含量不是十分高的地方，可以通过生产线的方式实现，所以本文以生产牛皮纸生产线为论题。今年来传感器技术发展迅速，各种传感器测量精度也进一步提高。而可编程控制器（以下简称PLC）的技术经过多年发展，现在在工业上使用的PLC已经相当或接近于一台紧凑型电脑的主机，其在扩展性和可靠性方面有着十分巨大的优势使。PLC作为工业自动化三大支柱的重要一部分，因为其可靠性高、抗干扰
9、能力强、设计安装容易等特点而被广泛的应用于自动化控制的各个领域。而本设计正是基于PLC作为设计基础，应用传感器来完成纸张的质量检测。根据本课题进行包括可编程控制器在内的一系列设计，是本人对大学期间4年学习成果的总结与验证。运用所学的知识，自己独立的完成纸张质量检测系统的总体设计，软件的编写，设备的模拟与调试。对自己查漏补缺，巩固所学，以此来为以后进入社会工作打下良好的基础。1.2 本课题设计内容本论文系统设计主要采用西门子的可编程逻辑控制器作为总控制单元，实现纸张自动检测系统的功能。 改系统由控制装置（PLC），传送装置以及检测装置（传感器）三部分组成。控制装置主要由PLC完成，上位机进行辅助
10、。传送装置由多条传送带组成，检测装置则依靠各种传感器来实现。本系统可以自动运行，为了应对突发的紧急状况，还设计了一个紧急停止按钮。1.3 系统控制方案的选择本次设计的系统控制方案有两个预案，一是使用PLC进行控制，二是使用单片机进行控制。PLC、单片机都是自动控制系统的核心构成部分，两者在功能方面各具有特色，也具有.交叉点。因此对两.者进行了对.比，以此.确定最佳方案。1.3.1单片机系统控制 我认为单片机系统控制功能比较强大，里面的代码又十分简单易懂，而且在后面的更新漏洞和减少错误中能大大减少工作量。但是我觉得单片机开发时间与PLC方案相比比较长，另外单片机的扩展性能差，如果后面要加入新功能
11、的话就会十分麻烦。而且单片机对周围的环境的要求很高，会影响整个系统运行的稳定性的原因之一就是安装环境差，如果安装环境没有达到十分合适的标准，单片机系统和PLC相比容易损坏。因此，该方案不适合本系统设计的控制策略。 1.3.2可编程控制器系统控制 因此PLC方案合适，但是又不够完美，有以下的原因；原因一：1970年之后，由于工业过程控制的进展，得益于计算机技术领域、微电子技术领域和自动控制原理和方法的迅速发展，国外的温度控制系统发展得以飞速。并且自我适应能力、整定参数，以及智能化上都取得了硕果累累。 原因二：可编程控制器对现场信号的抗干扰能力比较强，能够适应各种场合。其次，PLC的延展性十分好，
12、能同时实现多种功能，但是这也有不完美的地方，就是少了监控手段，特别是现代这种需要自动化程度高的社会，没有一个有效的监控修改手段就会显得十分麻烦。 原因三：在工业上使用最多的控制方式中就有PID控制，PID的采样周期Ts、例增益系数Kp、积分时间系数Ti和微分时间系数Td影响着其控制效果。而PLC就可以适用于这套PID控制。 1.3.3可编程控制器+上位机系统控制 根据上面我对这些问题的分析和总结，我得出这样一个方案：对于有些控制系统来说，如果需要进行系统监控，在线修改参数，了解系统运行的具体产量等的时候，就需要设计上位机系统。 经过分析，采用PLC+上位机的方案。 1.4系统设计的基本步骤 我
13、在进行设计的时候一直遵守着以下的步骤，第一步，先明确自己想要什么，一条生产线想要生产什么，生产过程是怎么样的，第二 步，按照自己的设想先设计出具体的方案，比如上面我在三个方案中选择了PLC加上位机的方案，因为它更加符合我的最初设想，第 三步，就是选元件和设计图纸，选择元件的时候要根据最佳方案选择，比如我选择西门子的plc和其配套元件，因为它便宜而且高 效，其他更加琐碎的器件我就选择不那么好的，更加经济实惠的，比如电阻之类的，第四不，就是设想最坏的情况，比如设计与现实 操作有着严重的冲突，这个时候我就要有预留，比如预留扩展、系统安全保护、以及电路的设计详细分析，更加具体来说，就是在I /O口不够
14、用的时候要有预留，为了方便系统设计和后期调试，进行系统I/O分配的设计。最后，进行软件编写。 2 总体设计2.1 质量检测系统的总体设计纸张质量检.测系统是.一种高效率设备，系统由传送装置，质量检测装置构，残次品的剔除，正品的收纳组成。该设备自动化程度高，使用方便。纸张质.量.检测系统的传送装置是采用电机驱动，由电气控制系统实现自动控制，是典型的自动化设备。纸张质.量检测系.统工.作时，待检测和.装箱产品由输.送带送往质.量检测的位置，质量.检测装置通过安装的传感器检测产品是否合格，如果产品合格，将由传送带收入成品箱并且计数。不合格的话将被剔除到废品箱。图（1-1）2.2 可编程控制器介绍及选
15、型2.2.1 PLC介绍PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。现代社会需要的生产量十分巨大，人力资源方面已经开始捉襟见肘，自动化的流水线生产就十分的必要，现在PLC是目前被最多使用的自动化装置。它具有结构简单，使用方便，可靠性强等特点。PLC可靠性高在于其接口为光电隔离，能有效地防止辐射干扰，cpu能快速地判断硬件是否发生异常。PLC的简单在于它的安装简单，能随时随地的将设备与其I/O口进行连接。当然，PLC也有许多缺点，比如不能作为专门的控制器。但是瑕不掩瑜，PLC还是大量的运用在各种工厂和生产中。 2.2.2 PLC
16、选型根据需求选用西门子公司生产的PLC，进行系统的主控制器设计。 西门子s7-200可编程控制器具有很高的可靠性能，指令集比较丰富，可以进行各种功能的设计编译，具有强大的通信功能，可以和上位机进行通信，具有丰富的扩展模块，最多可以连接7个扩展功能模块。市场上有着两大巨头三菱和西门子，其中西门子的plc在小型化发展超出三菱，在2000年后，西门子的小型plc就抢占了国内绝大部分的市场，因为其s7-200，虽然，这个产品只是风靡了不到5年，但是已经打出了西门子小型化plc的名气，因为它兼具了多功能和自由选择的人机界面，且集成程度高，体积小，在设计理念上就超越了不少plc。 西门子的plc编写是经过
17、了多次的优化，起初的编程系统还是依附于c语言，在2004年，windows系统更新后，西门子系统与时俱进，及时改良系统，让编写代码变得更加简便，而且由于s7-200的发行量巨大，所以其购买成本愈发的低廉。 表1：西门子s7-200参数表电源电压DC 24V，AC 100230V电源电压波动DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度水平安装0550C，垂直安装0450C，595%大气压8601080hPa保护等级IP20到IEC529输出给传感器的电压DC 24V （20.4-28.8V）输出给传感器的电流280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提
18、供的输出电流660mA程序存储器8K字节/典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），插入电池后备200天编程语言LAD，FBD，STL程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0112计数器0256，可保持
19、：256，6个高速计数器定时器可保持：256，4个定时器，1ms30s16个定时器，10ms5min236个定时器，100ms54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器/PCPG740P = 2 * ROMAN II，PG760P = 2 * ROMAN II，PC（AT）本机I/O数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74模拟量输入/输出：最多28/7（或14）AS接口输入/输出：496最多可接扩展模块7个2.3 牛皮纸的厚度测量厚度是纸的基本性能参数，纸.的一些
20、基本特性和强度性能与厚度有关，因此它是一个重要的性能.检 测项目，单位为m或mm。2.3.1 传感器的选型本设计使用德国米铱（北京）测量技术有限公司生产的CombiSENSOR传感器。该传感器组合了电容探头和电涡流探头，这种独特的传感器概念可以对金属物体上的非导电材料进行单方向厚度测量。它的主要应用领域:如对塑料薄膜或金属板上绝缘材料的绝对厚度测量。控制器通过导线与传感器探头相连，处理并计算信号,再通过接口将其输出。对这两个传感器信号的计算可以补偿测量装置中的机械变化，如热膨胀、偏转或偏心。由于这种组合传感器原理的冗余性，测量厚度值不受测量设置中任何更改的影响。由于温度稳定性高,即使在温度波动
21、的情况下，组合传感器也能提供较高的测量精度。2.3.2 传感器的测量原理电涡流线圈和电容测量电极的结构是同心的，所以两个传感器探头测量的是同一区域。电容传感器获取的信号是工作距离、绝缘体厚度(D)和绝缘体材料介电常数(r)的函数。同时，电涡流位移传感器测量是传感器到金属接地电极的距离(例如，位于薄膜后面的金属板或金属辊)。该控制器既输出各探头信号,又输出电容传感器和电涡流传感器的差分信号。介电常数，也可以用已知的厚度和工作距离来计算。如图2-1 式中:S测量电.容的极板面积； a测量电容的极板间.距离； d插入电容.的测量.纸张的厚度； 真.空介.电常数， =8.85； 纸张的相对介电常数；
22、图2-12.3.3 传感器的组成控制器：KSS6420 / KSS6430图2-2传感器探头：KSH5(01) KSH5图2-3电源：9 - 36 VDC（5.5W）图2-42.4 传送装置的设计传送带使用步进电机进行带动，电机由接触器来控制启动与停止。电机会根据PLC的信号指令来运动，带动传送带，将我们要检查的纸张带到固定区域。2.5 系统主体方案的确认纸张经由生产.线的上一环.节到达传.送带上，启动自动工.作过程，电动机.M1启动，使待.检测的纸.张顺着传送带向前移动，到达检测位.置后，检测装置会通.过传感器（电容式位移传感器）检测产.品是否为合.格品，依据.检测结果，合格品.进入成品箱，
23、次品进入次.品箱，进入成品箱的产.品经过计数，成品装满.箱后（例满100件），电动机M1停，电动机M2启动，把满箱经传送带移出，移入空箱到位，一次循环工作结束，电动机M1重新启动，开始下一次工作循环。3 硬件设计3.1控制设计3.1.1硬件控制方案控制方案如下（1）纸张的质量检测和剔除使用开关量（0或1）；（2）用PLC进行整体控制；（3）工作模式可以分为自动模式（自动进行循环）和手动模式（手动调节系统）；（4）电动机M1和电动机M2使用直接控制，正常情况下单向转动；（5）电动机M1个电动机M2使用电压为380V的三相电进行工作；（6）使用指示灯表示各个设备的状态；（7）设计断路保护和过载保护
24、；3.2电气系统设计统设计纸张质量检测系统的电气控制部分主要分为电机驱动系统和PLC控制系统。前者主要是控制步进电机电路的接通和断开，并且通过熔断器进行断路保护，通过热继电器进行过载保护。系统电路图如图3-1所示，元件表如表2所示： 图3-1 系统电路图表2:：元件表符号用途符号用途M1传送带1的电机TC控制变压器M2传送带2的电机FU1-5短路保护熔断器KM1M1的启动接触器FR1-2过载保护继电器KM2M2的启动接触器HL1气阀系统工作指示灯SQ1产品检测传感器HL2M1工作指示灯SQ2成品计数传感器HL3M2工作指示灯SQ3次品空箱行程开关HL4工作模式指示灯SQ4成品空箱行程开关HL5
25、正品指示灯SQ5推板原位行程开关HL6次品指示灯SQ6推板伸出行程开关SB1总体按钮SA1工作模式开关SB2M1启动按钮SA2M1工作模式开关SB3开始自动循环按钮SA3M2工作模式开关SB4关闭自动循环按钮QFPLC电源开关SB5M1点进按钮QS电源隔离开关SB6M2点进按钮YV1控制推板电磁阀SB7推板前进按钮YV2控制推板电磁阀SB8推板复位按钮3.3电气控制系统的设计该系统需要PLC接受由硬件设备提供的各种控制指令、状态等信号，并根据事先编写好的程序，对这些信号进行计算推导，然后把信号传给接受的硬件，来实验整个系统的控制。根据硬件条件和控制要求，纸张质量检测系统的信号分为以传感器信号、
26、控制命令信号为主的输入信号，和控制信号、指示灯信号为主的输出信号。输入信号整理：根据需求，我对输入信号进行了如下分类整理：1、 控制设备启停的按钮开关，元件为：SB1、SB2；2、 选择工作模式的开关，元件为SA1、SA2、SA3；3、 电机M1与电机M2的控制开关，元件：SB3、SB4、SB5、SB6、SB7；4、 各类传感器信号，元件为：SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6。输出信号整理：根据需求，我对输出信号进行了如下分类整理：1、控制电机M1与电机M2的启动和停止，元件为：KM1、KM2；2、气动阀的控制，元件为：YV1、YV2；3、系统中各类指示灯，元件为：HL1、HL2、
27、HL3、HL4、HL5、HL6；3.4 I/0分配表根据选定的西门子s7-200的PLC，已经各个硬件的用途，我们进行了PCL的I/O口的分配。如表3所示。表3：输入输出元件通道地址说明元件通道地址说明SQ2I1.1产品合格检测HL1Q0.1气阀指示灯SQ2I1.2成品计数HL2Q0.2M1指示灯SQ3I1.3次品空箱到位HL3Q0.3M2指示灯SQ4I1.4成品空箱到位HL4Q0.4工作状态灯SQ5I1.5推板原位HL5Q0.5正品指示灯SQ6I1.6推板前行HL6Q0.6次品指示灯SA1IO.6自动工作方式YV1Q1.3电磁阀开SA2I0.7VY2Q1.5电磁阀关SA3I0.8KM1Q1.
28、0M1启动接触器I2.1旋转编码器KM2Q1.2M2启动接触器SB1I0.0总停开关SB2I0.1M1启动SB3I0.2开始自动循环SB4I0.3停止自动循环SB5I0.4M1点动前进SB6I0.5M2点动前进SB7I1.7推板前进SB8I2.0推板复位3.5 I/0端子接线图I/O.端子接.线图，如图3-2所示：图3-2 I/O端子接线图4 软件设计4.1编程软件的介绍 我选择的编程软件为STEP 7-MicroWIN SMART，因为它是西门子公司的配套软件，能兼容西门子s7-200.第一步，安装软件，打开软件安装包，按照其步骤完成安装。第二步，建立通讯连接，就是通过以太网电缆与s7-20
29、0进行连接，让电脑能与s7-200进行通讯连接。第三步，点击交叉引用中的通讯按钮，就可以打开对话框。第四步，寻找cpu的IP地址，也就是你的电缆接到电脑的哪个端口，寻找已经完成连接的端口，然后单击下载，就可以完成。如果寻找不到地址，可以通过系统快修改cpu的IP地址。程序编辑界面如下图4-3所示。图4-1 软件编程界面4.2 梯形图西门子顺序控制程序 /主程序块：主程序作者：创建日期：2020.04.2219:21:28上次修改日期：2020.05.1223:21:22地址符号变量类型数据类型注释1 .TEMP.2 .TEMP.3 .TEMP.4 .TEMP.程序注释程序段 1I0.0S0.0
30、PS1程序段 2S0.0SCR程序段 3I0.6S2.0SCRT程序段 4I0.6S5.0/SCRT程序段 5 SCRE西门子顺序控制程序 / 主程序程序段 6S5.0SCR程序段 7SM0.0Q0.4程序段 8I0.7I0.4S1.0SCRT程序段 9I1.0I0.5S1.1SCRT程序段 10I1.7I2.0I1.6S1.2/SCRT程序段 11I2.0I1.7I1.5S1.3/SCRT西门子顺序控制程序 / 主程序程序段 12 SCRE程序段 13S1.0SCR程序段 14SM0.0Q1.0程序段 15S1.0S0.0 SCRT程序段 16 SCRE程序段 17S1.1SCR西门子顺序控
31、制程序 / 主程序程序段 18SM0.0Q1.2程序段 19S1.1S0.0SCRT程序段 20 SCRE程序段 21S1.2SCR程序段 22SM0.0Q2.1程序段 23S1.2S0.0SCRT西门子顺序控制程序 / 主程序程序段 24 SCRE程序段 25S1.3SCR程序段 26SM0.0Q2.2程序段 27S1.3S0.0 SCRT程序段 28 SCRE程序段 29S2.0SCR西门子顺序控制程序 / 主程序程序段 30I0.2I0.3S2.1/SCRT程序段 31 SCRE程序段 32S2.1SCR程序段 33I0.7I0.4S2.2SCRT程序段 34 SCRE程序段 35S2.
32、2SCR西门子顺序控制程序 / 主程序程序段 36SM0.0Q0.1/Q0.2程序段 37I1.1S2.3SCRT程序段 38 SCRE程序段 39S2.3SCR程序段 40I1.4S3.0SCRT程序段 41I1.5S4.0SCRT西门子顺序控制程序 / 主程序程序段 42 SCRE程序段 43S3.0SCR程序段 44SM0.0Q0.5程序段 45I1.2S3.1 SCRT程序段 46 SCRE程序段 47S3.1SCR西门子顺序控制程序 / 主程序程序段 48SM0.0C0CUCTUC0R100 PV程序段 49C0S3.2 SCRT程序段 50 SCRE程序段 51S3.2SCR西门子
33、顺序控制程序 / 主程序程序段 52SM0.0Q1.0R1Q0.1R2Q1.2Q1.3程序段 53I1.4S3.4SCRT程序段 54 SCRE程序段 55S3.4SCR程序段 56SM0.0Q1.2R1Q0.3R1西门子顺序控制程序 / 主程序程序段 57S3.4S2.2SCRT程序段 58 SCRE程序段 59S4.0SCR程序段 60SM0.0Q0.6Q2.1程序段 61I1.6S4.2SCRT程序段 62 SCRE西门子顺序控制程序 / 主程序程序段 63S4.2SCR程序段 64SM0.0Q2.2程序段 65I1.5S2.3 SCRT程序段 66 SCRE西门子顺序控制程序 /SBR
34、_0块：SBR_0作者：创建日期：2020.04.2219:21:28上次修改日期：2020.05.1223:21:22地址符号变量类型数据类型注释1 .ENINBOOL.2 .IN.3 .IN_OUT .4 .OUT.5 .TEMP.子程序注释程序段 1网络标题网络注释西门子顺序控制程序 /INT_0块：INT_0作者：创建日期：2020.04.2219:21:28上次修改日期：2020.05.1223:21:22地址符号变量类型数据类型注释1 .TEMP.2 .TEMP.3 .TEMP.4 .TEMP.中断程序注释程序段 1网络标题4.3组态王的使用 在使用工控软件中，人们经常提到组态，阻
35、态的含义就是应用软件中提供的工具，方法，完成工程中某一具体任务的过程。打个比方，组态，就像搭积木，已经给你提供了积木，你所需要的就是将城堡搭建出来，这个搭建出来的过程就是组态。但是组态与组装有着很大的不同，因为组态是组装软件，而软件比硬件有更多的变换空间，可以通过修改属性改变它的规格，比如大小形状等。第一步，安装软件； 第二步，新建工程，打开组态王工程管理器的窗口，选择菜单，点击新建，完成新建新文件的路径，当系统弹出对话框，询问是否将 下新建的工程设为组态王当前的工程，要点击否。 第三步，双击定义的工程信息，打开工程浏览器没进入组态王开发系统。 第四步，进入新建的工程，选择好相应的器件，然后保存。 第五步，按照自己所设想的设计图，将元件都连接好