基于PLC的自动针布机控制系统设计

0 引言

　　自动针布机这一词在国内还相对比较陌生，它所制造的产品是纺织行业常用的毛皮针布。国内制皮业所采用的毛皮梳理装置都是从国外进口的，没有自行设计、生产稳定高效针布机的能力，国内市场上也没有自己生产的完全自主知识产权的针布机，相对国外的技术水平还很落后。目前，我国针布行业虽然已有这些产品，但与国外相比，无论是产品的规格还是适纺性能，仍有不小的差距，还需要进一步提高。

　　本文摒弃了传统设计形式，利用可编程控制器PLC系统来进行控制，配上抗干扰光电隔离输入／输出接口，取代了工业上传统的继电器逻辑控制系统，使设计更加简洁，操作更加方便、可靠。另外一大特点就是大量的应用了气缸作驱动元件，与传统凸轮结构相比，系统构造简单，抗干扰能力强，大大地提高了精度要求。

1 控制系统的硬件组成

　　此设计是基于纺织行业常用的毛皮针布的设计，针布机机床是用来给皮带钉钉子的，而且根据针布

　　用途的不同，钉子还需要有不同的斜度。因此，根据针布机要完成的工作任务和皮带的工艺要求，我们提出的设计方案是一一针布机主要包括4个部分：送丝机构，制钉打钉机构，皮带传送机构和压弯机构。每个机构的核心执行元件是气缸，此系统总共应用了9个气缸，分布情况为：送丝机构两个气缸(一个用来夹紧钢丝，另一个用来送丝)；压弯机构两个气缸(一个是用来控制垫片，另一个是用来控制滑块)；制钉打钉机构3个气缸(第1个用来带动气缸针模上下运动，第2个用来带动阳模前后运动，第3个用来打钉)；皮带传送机构两个气缸(一个用来夹紧皮带，另一个用来传送皮带)。系统中还应用了一台步进电机，用来控制丝杠的转动，而丝杠带动工作台移动，从而把旋转运动转换成工作台的前后直线运动。每个气缸都配有行程开关和电磁阀，通过电磁阀的通断电来控制气缸活塞杆的运动方向，通过行程开关控制活塞杆的移动距离。上述这些装置都是在可编程控制器PLC的控制下，实现程序动作。

　　1.1 PLC选型和控制系统I／O点分配表

　　9个气缸分别设置了行程感应开关和电磁阀，即16个行程开关SQ1～SQl6，9个电磁阀YA1～YA9。步进电机驱动器的脉冲输出和电动机转向的控制触点，还有应急按钮、总停按钮、程序选择开关等，总计输入22点，输出14点。所以可编程控制器选用的是欧姆龙公司的40个I／O点(24点输入，16点输出)，晶体管形式输出的CPM2A型PLC。具体I／O点分配如表1所示。

　　1.2 PLC与步进电机驱动器及步进电机的硬件连接

　　在此系统中，因为步进电机主要用来控制工作台前进和后退的移动量，所以选用的是结构比较简单的两相混合式步进电机，其步距角为1.8°。可编程控制器PLC与步进电机驱动器及电机的连接如图1所示。

图1 PLC与进步电动机及其驱动器的连接示意图

　　在图1中，将PLC脉冲输出端的公共端COM0和输出点的公共端COMl皆与PLC的COM相连，驱动器的输入信号公共端与PLC的电源相连，PLC的脉冲输出端外接2K的限流电阻接至步进脉冲输入信号CP,PLC的输出点用于控制步进电机的旋转方向，外接2K的限流电阻连接至方向电平输入端M M为开关量，控制电机的运行方向，M=1为顺序分配即正转；M=0为逆序分配即反转。R为开关量，控制电机的工作与脱机，R=1为工作；R=0为脱机即各相均不通电处于自由状态。CP为矩形波，控制电机的启、停、运行速度和长度。s为开关量，故障信号输出，S=1为正常；脚为故障。一般COM、S、R不接。

1.3 输入信号接口

　　步进电机驱动器内部的接口电路都采用光耦信号隔离。如图2所示：OPTO为输入信号的公共端，OPTO端须接外部系统的VCC，由于VCC大于+5V，则须外接限流电阻R，保证给内部光耦提供8～15mA的驱动电流；M是方向电平信号输入端，高低电平控制电机正／反转，信号电平要求稳定时间大于1μs；FREE脱机信号(低电平有效)，当此输入控制端为低时，电机励磁电流被关断，电机处于脱机自由状态；CP步进脉冲信号输入，下降沿有效，信号电平稳定时间不小于0.5μs。

图2控制信号输入连接图

2 控制系统的软件设计

　　在本控制系统中，步进电机的转数、方向及时间等参数是变量，需要根据针布上钢钉的分布情况和钢钉的长短来进行设定。

　　这些参数只要在更换生产针布品种之前设定一次参数，不需要每次操作都设置。根据针布机的操作要求，确定各动作的顺序和相互之间的关系，画出程序流程图，再由PLC输入输出的逻辑关系编写出梯形图。脉冲输出指令为PULS(65)和SPED(64)，程序流程图如图3所示。

图3控制系统并行程序流程图

3 结束语

　　1)采用PLC来控制电磁阀和步进电机后，使控制电路的复杂连线和时间继电器等元件在其内部进行软连接，可大大提高设备的可靠性，减少故障率。本系统设计性能可靠稳定，可满足各项工艺要求，生产效率和产品质量均有所提高。实践证明，以PLC为核心的自动控制系统，是一种简单有效、成本低廉的解决方案。

　　2)现场安装和维修都很方便。只要把提供输入信号的按钮、限位开关、光电开关和无触点开关等元件与PLC的输入接口相连；把功率输出元件电磁阀、电磁铁和接触器等与PLC的输出接口相连，即安装完毕；修理检查方便快捷n伽。目前，小巧的单片机，微处理器，易于使用的可编程控制器，功能强的系统微机，都在针纺织设备的机电一体化中得到广泛的应用，因此可以大大提高针纺织产品的质量和生产效率。