步进电机PLC控制系统在吊粒烫色技术中的应用.pdf

务I 匐 化 步进电机P L C 控制系统在吊粒烫色技术中的应用 Ap pl i cat i on o f s t ep m o t or PLC con t r ol s y s t em i n t ec hnol og y o f s t r i ng s e al ho t s t am p i n g 蔡寿将’ ，王培 良 C AI S h o u - j i a n g ． V V A NG P e i ． 1 i a n g ’ 1 ． 杭州电子科技大学 电子信息学院。杭州 3 1 0 0 1 8 ；2 ． 湖州师范学院 信息与工程学院。湖州 3 1 3 0 0 0 摘要针对全自动吊粒机的吊粒烫色机构存在的烫色效果不佳和烫色纸浪费等问题 ，本文提出了 基于步进电机P L C 控制的吊粒烫色系统的设计思路与设计方法 ， 较为详细地介绍了系统各个 构成模块的结构与功能。应用结果表明 ，配有该吊粒烫色控制系统的全自动吊粒机在烫色效 果、运行稳定性和运行成本控制等方面的表现皆优于使用传统吊粒烫色机构的机器。 关键词 P L C；步进电机 ；吊粒；烫色 中圈分类号T M3 8 3 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 3 下 -0 0 3 7 -0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 3 下 ． 1 2 0 引言 吊粒为服装辅料 中不可或缺的组成部分 ，主 要用于悬挂服装 吊牌 ，它是服装与服装 吊牌 服 装品牌标 识、水洗标 识和价格标签等 之 间的连 接纽 带。吊粒制作 包括注塑、烫 色、打线和后期 加工等环节。以往由于各个环节的生产设备不 同， 这 些环节都是分开进行。吊粒制作存在着作业 时 间长 、生产成本高和工人 的需求量大 而工资低 等 问题 。而近年来 ，全 自动 吊粒机 的出现有望解决 这些 难题，该机器通过将具有注 塑、烫色和打线 等功 能的生产模块 有机 整合到 一台机器 中，使其 能一 次性 完成从原 料到成品的全 部作业，这使得 吊粒 生产时 间大大缩短 ，且 由于整个生产的 自动 化 ，可 以将工人数量减少到一至两名。 目前， 由于该 机型 的研 制还处 于起 步阶 段 ， 其各 个环节 的生产模 块表现 仍然不 如专用设 备， 特别是烫色模块存在 着烫色纸浪 费过大 ，烫色效 果差 、运行不稳定等缺 陷。针对此类缺陷 ，本文 提 出一种新型的、可与 自动吊粒机相配套的烫色 控制系统 ，该系统利用 P L C实现 烫色模块各个工 作部件的智能控制 ，采用步进 电机 实现对 烫色纸 行进速度和行进距离的精确控制 ，并 借助清晰友 好的人机界面实现参数 的在线设置和显示。 1 系统构成与原理 系统的总体框 图如图 1 所示 ，各个组成 部分 及其功能为1 主控制器模块，主要包括 P L C和 人机界面 ，P L C作为 系统的核心控制器件，该器 件通过与其他控制模块的交互，达到对各个烫色 模块的智能调度和精 确控制 。人机界面用于显示 和设置烫色 系统的各个参数。2 烫色纸传动控制 模块，通过 P L C输 出控制脉冲给步进驱动器来精 确调节 步进电机 的转动 角度和速度 ，达到对烫色 纸行进距离和速度的精确控制。3 烫色时间控制 模块 ，P L C通过控 制该模块位于气泵与烫板气动 装置间的电磁阀，达到对烫板烫色时间的控制。4 温 度控 制模 块，P L C可通过该模块对烫板温度进 行较高精度的控制。 图1 系统总体框图 烫色 系统执行机 构的结构 图如图 2所示，由 于该机构上下两部 份分 别与注塑模块的上下模架 上方为动模架 相固定 ，因此如图 3 所示 ，烫色 执行机构上半部分亦会在注塑模块的开合模时随 着模架上升 和下降。系统利用光电开关将开合模 状态信息转化为开关信号输入到 P L C中，P L C控 收稿日期2 0 1 1 - 0 9 -1 0 作者简介蔡寿将 1 9 8 7 一，男，浙江温州人，在读硕士研究生， 研究方向为智能控制与检测。 第3 4 卷第3 期2 0 1 2 3 下 【 3 7 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 泣 匐 出 制该机构在开模期间进行烫色纸 的传动和 吊粒的 更换，在合模期间对吊粒进行烫色。 气泵 烫 图2 烫色机构结构图 I I--烫板 状态l 烫色纸 ⋯ ⋯ 、 ／ 开模 r ] 一、吊粒阵列 状态2 状态3 合模 筒 合模 烫色 图3 烫色机构的三种工作状态示意图 2 系统设计 2 ． 1 主控制器模块 设计 采用信捷一体机 XP 3 1 8 T，该机型 为信 捷系列通用人机界面 0 P 3 2 0 与P L C X C 3 功 能上 的完美整合体 ，并且 内置蜂鸣器和信号滤波 器等必要功能单元。接线端 子包括 电源端 、下载 口、B D板 扩 展 口、RS 4 8 5通 讯 口以 及 1 8点 I ／ 0 口，其 中 I ／ O 口输 入 点 数 为 1 0点 X 0 X7以 及 X1 0 X1 1；输 出点数为 8点 Y0 Y 7 ，其 中 Y 0和 Y1 为高速脉冲输 出端。该机 系统参数本设计 的要 求相 符合 ，且具有使用性价 比高、寿命长 、性能 稳 定和体积小 巧等优点 u 。主控制器模块设计包 括人机界面和 P L C两部分设计 。 2 ． 1 ． 1人机界面设计 人机 界面 OP 3 2 0由文本 显示器、数 字键盘和 功能键组成，其 中功能键包括设置键 S E T，退 出 键 E S C，确定键 E NT，上下翻页键等专 用键 以及 8个 自定义键 F I F 8 ，本文将 F I F 8定义为 各个 功能页面链接键。功 能页面包括1 主 页面，该 页面用于显示 当前 系统运行参数 ，当人机界面在 一 定时间内无操作时 ，当前页面会 自动切换到主 页面 ； 2 烫色时 间控制页面 ； 3 上下烫板温度设 1 3 8 】 第3 4 卷第3 期2 0 1 2 -3 下 置页面，该页面用于上下烫板正 常烫色温度和报 警温度设置 ； 4 烫色纸传动模块参数设置页面 ； 5 警告信息页面 ； 6 系统说明页面，进入后可通过 翻页键查看说明； 7 扩展页面 。 2 ． 1 ． 2 P L C 设计 P L C的设计包括软件设计与外围硬 件设计两 部分。软件部分 的设计 的重点是手动和 自动两种 工作模式的设计 ，通过启动 ／ 暂停按钮可实现两种 模式之间的切换。 自动运行模式程序的设计是软件设计 的核心， 程序用于实现 系统的 自动烫色作 业，控制流程 图 如 图 4所 示。此外 ，自动运 行模 式还具有 自动故 障预处理功能 ，当检测到设备工作状态 出现异常 时 ，如烫板温度异 常，程序会控制输 出口释放电 机 、烫板和暂停其 他工 作机 构运行 ，自动切换到 手动模式 ，并通过人机 界面给 出故障信 息，直到 故障排除 ，再由操作人员手动启动 自动运行模式。 厂 n 度满 温度满足 ＼／ 机器合模、 ＼／ 更换吊粒 堡 垦 生I 一 是 l ‘ 查 机器开模 、 二 蔷 巢 曩 雹 时 间 到 达 ／ _ 舢 1 结 束 烫 色 ＼／ 一 图4 自动运行控制流程图 手动模式主要用于系统的调试、故 障排除 以 及部分功能的设置等，如在机器运行前 ，操作人 员可通过 手动模 式记录和调节 烫板 的烫色时 间、 步进电机 的行进速度和距离和可进行小移动的次 数等 ，然后选择其 中最优值作为 系统运行的预设 参数 。P L C软 件 的编程 方法 采用模 块化 编程 】 ， 并为将来可能用到的扩展 功能预 留空 间，从而增 强软件的可扩展性和健壮性 以适应 目前 自动 吊粒 机 日新月异的发展速度和对 系统稳定性越来越高 的要求。 硬件设计主要为 I ／ 0端 口及外 围电路的设计 ， 系统的 I ／ O分配和功能如图 5所示 。由于 X P 3 1 8 T 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 訇 似 机型的 Y 0和 Y1 端 口具有高速脉冲输 出功能，其 最大输 出频率为 2 0 0 k Hz ，且脉冲频率可通过 P L S F 指令进行快速而灵活地调整 ，因此可作为步进 电 机的步进脉冲输出端 。X 0接光电开关侦测注塑部 件的开闭模状态，X1 一 X6接手动调试按钮 ，B D扩 展 口接温度控制器 ，Y 0 Y5输 出步进 电机控制信 号 ，Y6为电池阀控制信号可完成对烫色时间的控 制 ，Y 7用于控制注塑、打线、剪线等工作单元的 启停 。 图5 P L C 的I ／ O分配与功能 Y 0 - Y5 正端接人 步进脉冲信号1 步进脉冲信号2 方向控制信号1 这使得短移动烫色的次数减少甚至无法进行。 2 传统传动模块默认 吊粒正反两面可烫区域 宽 度相等 ，上下 电机 皆由同一个控 制端 口控 制。 而 实际上 吊粒 正反两面 可烫 区域 宽度常常不 同， 如 图 6所 示，长度相等的烫色纸对 吊粒阵列正面 可烫色 2次 ，对其反面可烫色 5次。 这两个缺陷导致烫色纸无法得到有效的利用， 因此系统采用 P L C控制两台步进电机带动上下烫 色纸传统机构对吊粒正反两面的进行烫色 ，且两台 电机的运行参数分别由丽组不同的控制端口进行单 独控制，从而使得烫色纸的利用效果达到最佳。 短移动 1 次 移动裕量 长移动 冒 曰 曰 团 冒 团 冒 曰 圄 啪 _ ⋯ 列 面 一 吊 粒 阵 列 面 l I I l I＼ Y6 -Y 7 削女人 i E Y 6 iE 【 、 ⋯⋯回 l 吊 粒 阵 列 背 面 lll1 l lIIl／ 电 机 释 放 信 号 L 号 睡 暂 停 控 制-F千 } 一 2 _2 烫色纸传动控制模块 注 塑机 构一次可 以生产 多个 吊粒 ，这些 吊粒 由塑料 支架 固定为等间距 的吊粒 阵列，由于烫色 间距 常常要大 于烫色宽度。因此本文采取长短移 动 相互交替的烫法 ，如图 6所示 ，该段烫色纸 第 一 次 烫色 区域 为实线包围区域 ，此后在进行若干 次小移动 烫色 ，直到填满未烫区域再进行一次长 移动将该烫色纸段全部拉 出，在新的烫色纸段重 复上述烫色 步骤 ，另外每次移动需要为烫色纸上 的 各烫色 区域 留出一定 间隔以避免叠烫 ，该 间隔 称为移动裕量 ，于是烫色区域变为图 中数字标注 区域 数字代表烫色的先后次序 ，从而获得较高 的烫色纸利用率 。但是传统传动模块存在着 以下 两个方面的缺陷 1 由于控制器精度低 ，电机转轴惯性大等原 因 ，使其必须在各烫色区域问 留出较大的 、随机 变化的移动裕量 一般在 0 ．5 c m ～l c m范围内 ， 宽度 烫色板 图6 吊粒 阵列 与烫色 区域示意 图 步进电机 是一种 可以将 电脉 冲信号转换成相 应的角位 移的电机 ，并且需要专 门的驱动器 以及 具 有脉冲输出功能的控制器 。系统采用具有高 速脉冲输 出口P L C作为步进电机 的控制器，烫色 纸的行进速度和行进距离通过人机界面进行设置， P L C利用计算公式 1 、 2 、 3 ，换算出对应 的步进脉冲频率 f 和脉冲个数 N 。 t e p ／ 【． 3 6 0 D fV／ s t e p 坼 S ／ s t e p 1 2 3 其 中，L为 步进 电机转 动轴 周 长，6为步距 角 ，Ns 为驱动器细分数 ，s t e p为单位转动步长，v 和 S 为分别烫色纸行进速度和距离。P L C将与 f 和 N f 对应 的步 进脉冲信号传输给步进 电机驱动器 ， 【 下转第9 9 页】 第3 4 卷第3 期2 0 1 2 - 3 下 [ 3 O l ， 口 ● 口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 似 果 明显 ，且 系统成本较低 ，具有 良好的工程推广 应用前景。 参考文献 【 1 ]陈东华， 谢少军， 周波． 用于有源电力滤波器谐波和无功 电流检测的一种改进 同步参考 坐标法[ J ] ． 中国 电机工程 学报 ， 2 0 0 5 ， 2 5 2 0 6 2 6 7 ． 【 2 ]王兆安， 杨君， 刘进军． 谐波抑制与无功功率补偿【 M】 ． 北 京 机械工业出版社， 1 9 9 8 ． 【 3 ]周卫平， 吴正国， 夏立， 等． 三相三线有源电力滤波器电 流跟踪性能最优化控制【 J 】 _ 中国电机工程学报， 2 0 0 8 ， 2 4 1 1 8 5 9 0 ． [ 4 ]刘宏超， 彭建香． 三相四开关并联型有源电力滤波器的 指令电流确定方法[ J 】 ． 中国电机工程学报， 2 0 0 9 ， 2 9 1 6 1 0 8 ． 1 1 3 ． 【 5 ]刘宏超， 吕胜民， 张春晖． 三相四开关并联型有源电力滤 波器的S V P WM调制算法[ J ] ． 电工技术学报， 2 0 1 1 ， 2 6 4 】 2 8 ． 】 3 4． 出● 蠡‘ ． | 矗● ●童● {盎‘ {矗● {矗‘出，{重● 重‘ {重● {盘● j矗● 出． 岛‘ 蠡‘ 重● {鑫● {出-|重● j矗‘ 蠡I 矗‘ 出 【 上接第3 9 页】 从 而控制步进电机 以预想的方式动作。设计 采用 两 相 混 合 式步 进 电 机 5 7 B YGH 7 8及其 驱 动 器 为 2 M5 4 2 。电机步距角为 1 ． 8 。 ，而 电机步距角精度为 ％5 ，且采用步进驱动器对步距 角进行细分 ，可 进一 步提 高电机运 转精度。虽然 实际运行 中传 动 模块还 会受到机 器振动、烫色纸变形 和外界干 扰 等诸 多因素的影 响，但经 多次 测试发现，将 电机 转轴周长定为 l 0 c m，步进 电机仍可将烫色纸移动 裕量可控制在 l mm 以内。 步进 电机控制 电路如图 7所 示，P L C通过控 制发送到 P L S口的脉冲的频率和速度来调节步进 电机转动轴 的转动速度 与转过角 度，控制发送到 DI R口的方 向控制信 号来 控制 电机 的转动方 向， 控制发送到 E NA端口的电机释放信号来释放或启 动电机。在系统处于 自动运行状 态时，如果遇到 突发性故障 ，控制器根据故障的不 同会控制电机 完成指定工作后再将其停止 ，从而 当故障排除后 ， 输入信号光耦隔离 正端 步进脉冲信号 输入信号光耦隔离正端 方 向控制信号 输入信号光耦隔离正端 电机释放信号 DC． 3 6 V 图7 步进电机控制电路 烫色纸传动模块无需调试 即可开始工作 ，这是传 统烫色纸传动模块难 以做到的。 2 ． 3其他控制模块 本设计还对其 它控制模块进行了优化和改造 ， 以提高 吊粒的烫色质量。由于 吊粒烫色质量主要 取决于烫色时间控制模块和温度控制模块 ，以往 这两个模 块都 采用相应 的控制器 进行单独控 制， 在本 设计 中 P L C通 过 电磁 阀和温 度控 制扩展 板 XP 3 - 2 T C P B D 分 别对烫 色时 间和温度进行直 接 地 监测与控制。一方 面减小 了参数 控制误差 ，如 时间误差从 0 ． 5秒左右提高到 0 ． 1秒，温度误差从 1 2 ℃提高到 0 - 3 ℃，另一方面提高系统的稳定性 ， 并且加强了系统故障实时检测与 自动处理的能力。 3 结论 目前，该新型 吊粒 烫色控制 系统已作为全 自 动 烫色机 的烫色模 块投入到 实际生产 运用 当中。 将其运 行情 况与旧式 烫色模块进行 比对发现 ，该 烫色模块运 行稳 定性 更高，故障发生率更低 ，吊 粒 的烫色质量有明显提高 ，且 由于采用 P L C控 制 步进 电机对烫色纸传动模块进行精确带动 ，使得 烫色纸 利用率提 高了 1 3倍 ，从 而有效地降低 了 系统 的运行成本 。 参考文献 【 1 ]信捷科技电子有限公司． 信捷XP ／ XMP 一 1 8 系列一体机用 户手册[ M】 ． 信捷科技电子有限公司， 2 0 1 0 ． [ 2 ]王培良， 许力． 发电机自动检测的P L C 控制系统[ J ] ． 电气 自动化， 2 0 0 4 ， 2 6 1 6 0 - 6 1 3 4 ． 【 3 】王立红， 赵越岭， 杨忠文， 等． 基于P L C的步进电机转 速控制 方法 研究 [ J ] ． 辽 宁工 业大 学学报 自然 科学版 ， 2 0 1 0， 3 O 4 2 1 5 2 1 7 ． 第3 4 卷第3 期2 0 1 2 - 3 下 [ 9 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m