摘 要：在基于PLC的静态切割机控制系统设计中，设计了PLC控制系统总体方案 ，给出了软、硬件设计与实现方案。在硬件设计部分，阐述了电动机主电路及其电器控制电路的设计过程，给出了这两个电路的电器元件的选择结果。在控制电路的设计部分，阐述了I/O接线图的设计过程，给出PLC及其输入／输出元件的选择结果。在软件设计部份详细地阐述了PLC用户程序的设计过程，其中包括对公用程序、手动程序、自动程序与故障报警程序的设计过程的阐述，并给出了上述所有程序的梯形图和指令表。
关键词：静态；硬件；软件；指令表。
The system design of the static incise machine base on PLC
Abstract: Designed the PLC control system a total project in according to the PLC static state incise the machine control system design, give soft, hardware design and carry out a project. Design part in the hardware, elaborate the design process of the electric motor main electric circuit and its electric appliances control electric circuit, gave the choice of these two electric appliances components of electric circuits the result. Be controlling the design part of the electric circuit, elaborate I/O to connect the design process of the line diagram, give the PLC and the choice of its input/output component the result. Design the design process that the part elaborated the PLC customer procedure in detail in the software, include among them to the public procedure, hand to move the design process that the procedure, automatic procedure and give alarm signal procedure to elaborate, and gave above-mentioned all trapezoid diagrams of procedures and the repertoire.
Keywords: static state; hardware; software; repertoire
第1章 概述
1.1 切割机发展现状
国外生产制造切割机或拥有切割机技术的有：西波列斯(SIPOREX)公司、求劳克斯(DUROX)公司、伊通(YTONG)公司、司梯玛(STEMA)公司、海波尔(HEBEL)公司、道斯腾(DORSTENER)公司、威汉(Vv3EHRHAHN)公司、乌尼泊尔(UNIPOL)公司、赫腾(HETEN)公司等。按坯体切割时的姿态可分为两类：1、保持浇注硬化时的水平状态进行切割。2、将坏体翻转90。侧立后进行切割。前者有西波列克(SLPOREX)技术、求劳克斯(DUROX)技术、海波尔(HEBEL)技术、乌尼泊尔(UNIPOL)技术、司梯玛(STEMA)技术、威汉(WEHRHAHN)第一代技术；后者有伊通(YTONG)技术、完全仿制YTONG的道斯腾(DORSTENER)技术以及对YTONG技术进行了简化并改动的赫腾(HETEN)技术。另外，还有将中国地面翻转技术与YTONG技术结合而成的威汉(WF．HRHAHN)第二代技术。
为了学习、借鉴国外发展加气混凝土的技术和经验，建立并发展我国加气混凝土工业，我国先后引进了如下外国技术和设备：(1)从瑞典引进了SIPOREX第一代技术建立了北京加气混凝土厂；(2)从日本引进了SIPOREX第二代技术建设了南京旭建新型建材有限公司加气混凝土生产线；(3)从德国引进了STEMA二手设备建成南通支云硅酸盐制品有限公司加气混凝土生产线；(4)从罗马尼亚引进HEBEL技术及设备建成了天津（军粮城）加气混凝土厂，上海(吴泾)硅酸盐制品厂加气混凝土生产线并用同一设备对哈尔滨工业加工厂加气混凝土生产线进行了更新改造；(5)从波兰引进UNLPOL技术与设备建设了齐齐哈尔建材厂、杭州加气混凝土厂、北京现代建筑材料公司加气混凝土生产线；(6)从德国引进了YTONG技术和设备建成了上海伊通有限公司加气混凝土生产线；(7)从德国引进了DORSTENER公司仿制YT0NG切割机更换了北京加气混凝土厂原生产线SIPOREX切割机组；(8)从德国引进了DORSTENER公司仿制的YTONG切割机及生产技术建设了天津建材制品有限公司加气混凝土生产线及爱舍(上海)新型建材有限公司；(9)从德国引进了HETEN技术及设备建设了常州加气混凝土有限公司；(10)从瑞典引进了设备和技术建设了沈阳华瑞建材有限公司；(11)从德国引进了WEHRHAHN第一代技术二手设备建设了南京建通加气混凝土生产线；(12)从韩国引进了德国Vv3EHRHAHN第二代技术二手设备建设了胜利油田营海建材有限责任公司加气混凝土生产线。
为了援助阿尔巴尼亚，二十世纪七十年代初由中国建筑东北设计院在北京加气混凝土厂测绘仿制SIPOREX技术，复制建设了北京矽酸盐制品厂年产10万m3加气混凝土生产线；常州加气混凝土中心测绘仿制STEMA技术，由常州天元工程机械有限公司制造建设了约生产线；常州加气混凝土中心测绘6米HEBEL切割机组，仅制造了样机并提供上海硅酸制品厂使用；中国东北建筑设计院在测绘6米HEBEL切割机的基础上，改进设计成3.9m长杆式切割机，由陕西玻璃纤维厂制造约15—20套；常州加气混凝土中心在参观学习北京加气混凝土厂引进的DORSTENER公司仿Y11CING切割机基础上，进行了简化设计，制造了仿YTONG切割机，装备于山东焦家金矿加气混凝土生产线；北京市建都设计研究院测绘复制了北京加气厂引进的DORSTENER公司仿YTONG切割机建成烟台宏源新型建材有限公司；常州加气混凝土中心仿制了常州加气混凝土有限公司的HETEN切割机．设计了分步式切割机，由常州天元工程机械有限公司制造，装备于山东石横电厂、上海宇山红新型建材有限公司（二线）等。
翻转切割机1974年由国家建筑材料工业总局组织中国建筑东北设计院，在北京加气混凝土厂进行坯体翻转试验的基础上，在原哈尔滨工业加工厂边设计，边制造，边安装，建设了并建成年产10万m3加气混凝土生产线，采用了现场边设计、边制造、边安装、边调试、边建厂方式自主研制成功了6m地面翻转切割机，并建成生产线，在试制投产成功的基础上，国家建材总局下达计划，一批制造了十三套6m地面翻转切割机，其中二套没有建线，后又陆续制造四台，总共建成十五条6m地面翻转切割机生产线，至今还有12台仍在使用，已有二十多年的使用实践，其中产量最高的己达30-35万m3／年。此类切割机能适应各种原料组合，同时生产砌块和板材。其中，原哈尔滨工业加工厂以水泥—石灰—砂配料，每年生产4-5万m3屋面板和墙板，前后生产过七、八年；鞍山加气混凝土厂及长春加气混凝土厂以水泥—矿渣—砂配料，生产过3—4年屋面板和墙板；其它大部分生产线为水泥—石灰—粉煤灰配料，乌鲁木齐加气混凝土厂生产过几年墙板和屋面板用于乌鲁木齐的多个重要建设工程。在十几条生产线中都配置了钢筋网片加工及防腐、组装车间。为了适应不同企业的筹资能力和市场容量，中国建筑东北设计院根据企业要求，对6m地面翻转切割机进行了改进设计，将坯体长度由6m改为3.9m．并将技术图纸分别转让给陕西玻璃纤维机械厂、常州建材设备制造厂、西北农房公司、四川兴德机械制造公司等。使地面翻转切割机逐浙成为我国加气混凝土工业主要机型。翻转切割机的研发成功，对我国加气混凝土工业发展作出了巨大贡献。预铺卷切式切割机二十世纪八十年代初，上海杨浦煤砖厂自行研制成功预铺卷式切割机供自己使用。其后制造销售了5-10套。预铺钢丝提升卷切式3.9m切割机二十世纪八十年代，为了满足加气混凝土生产建设的需要．建材工业部组织北京市建材设计所与常州建材设备制造厂合作，研制了预铺钢丝提升卷切式3.9m切割机，由常州建材设备制造厂制造．并销售了10套左右。以上三种切割机在研发成功后的推广使用过程中，都进行不同程度的改进和提高
1.2 切割机控制方法与控制系统的确定
机床控制系统在现代机床生产业中有很重要的的作用，机床的控制系统相当于机床的大脑和心脏。一台机床要想很好的运行其控制系统一定要做好，一个好的机床控制系统要能够很好的控制机床的运行，能使机床的每一步都能够准确运行到位，并且还要有好的安全保护系统，还要有好的调试系统等。机床控制系统有继电器控制、单片机控制、PLC控制等。现将几种控制系统作出分析比较选取最优的控制系统来实现其功能。
1. PLC控制与继电器控制比较
(1) 控制逻辑：继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外继电器触点数目有限，每只一般只有4～8对触点，因此灵活性和扩展性都很差。而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为“软接线”，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无，因此灵活性和扩展性都很好。PLC由中大规模集成电路组成，功耗小。
(2) 工作方式：当电流接通时，继电控制线路中各继电器都处于受约状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件不能吸合。而PLC的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。
(3) 控制速度：继电控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。
(4) 限时控制：继电控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。时间继电器一般分为空气阻尼式、电磁式、半导体式等，其定时精度不高，定时时间易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难。有些特殊的时间继电器结构复杂，不便维护。PLC使用半导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，定时范围一般从0.1s到若干分钟甚至更长，用户可根据需要在程序中设定定时值，然后由软件和硬件计数器来控制定时时间，定时精度小于10ms且定时时间不受环境的影响。
(5) 计数控制：PLC能实现计数功能，而继电控制逻辑一般不具备计数控制功能。
(6) 设计与施工：使用继电控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图和程序设计）可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。
(7) 可靠性和可维护性：继电控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配备有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
(8) 价格：继电控制逻辑使用机械开关、继电器和接触器，价格比较便宜。而PLC使用中大规模集成电路，价格比较昂贵。
2. PLC控制与单片机控制比较
(1) PLC与单片机控制的相似性: 本质是一样的，都是基于微处理器技术。都可以实现对仪器设备的智能化控制。PLC内部就用了单片机。
(2) PLC与单片机优点: (1)PLC由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统。抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。(2)单片机价格便宜功能强大。既可以用于价格低廉的民用产品也可用于昂贵复杂的特殊应用系统。自带完善的外围接口，可直接连接各种外设，有强大的模拟量和数据处理能力。体积小，功耗低可用于电池供电的便携式产品。 有高级语言支持，编程效率高，可移植性好。编程方法复杂，不容易上手。抗干扰能力差。应用范围广泛，既适合大批量重复生产的民用消费品。也可以用于小批量产品。特别是仪器仪表，家电以及小型控制系统。
(3) PLC与单片机的缺点:(1)PLC价格昂贵，体积大，功能扩展需要较多的模块，不适合大批量重复生产的产品。(2)单片机编程方法复杂，不容易上手。抗干扰能力差。
(4) PLC与单片机的应用范围(1)PLC适合于工作母机控制和工业过程控制。(2)单片机应用范围广泛，既适合大批量重复生产的民用消费品。也可以用于小批量产品。特别是仪器仪表，家电以及小型控制系统。
1.3 PLC的特点
1. 高可靠性：所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms.各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。采用性能优良的开关电源。对采用的器件进行严格的筛选。良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2. 丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
3. 采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4. 编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5. 安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
6. PLC的功能：
(1) 逻辑控制。
(2) 定时控制。
(3) 计数控制。
(4) 步进(顺序)控制。
(5) PID控制。
(6) 数据控制：PLC具有数据处理能力。
(7) 通信和联网。
(8) 其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。
第2章 硬件设计
2.1 切割机主要构造及技术参数
2.1.1 切割机主要构造及动作过程
切割机的主要功能是将泡沫塑料切成厚度一定的一片一片。其驱动部分由台面、刀架、转轮、刀片、滑套、以及左、右丝杆组成，如图所示。
图2.1 切割机驱动机构示意图
切片过程为:先将泡沫块放在台面上、台面后推到限定位置、刀架下移、定位移量并锁住、台面和泡沫块一起移动到新限定位置、刀架下移刀片旋转随之切割出一片一定厚度的海绵、台面后移至限定位置，同时刀架上移到初始位置。不断重复上述过程。
在图示的切割机示意图中可知道刀架的运动所需的要求是刀架的平稳性，而刀架的上下运动是由左右的滑套和左右丝杆组合构成。根据运动的平稳性，要求左右滑套和左右丝杆要配套而且参数一直。而且刀片不能切割的过甚，并且台面是由金属构成的，刀片切割的位置要求准确。台面的运动也是要求精确，其精确对材料的切割质量有很大的影响。刀片的锋利度是由磨刀转盘磨石确保的，而磨刀的转速不能太快，那样对刀片的磨损太快。
2.1.2 切割机技术参数
切割机技术参数如下：
表2.1 切割机技术参数
| 切割机性能： | 数值 | 单位 |
| 切割机切割速度 | 50 | mm/s |
| 切割最大厚度 | 199.9 | mm |
| 切割最小厚度 | 0.1 | mm |
| 切割循环次数 | 5-50 | 次 |
| 整机质量 | 2 | T |
| 电气系统参数： | 数值 | 单位 |
| 动力系统工作电压 | 380 | V |
| 控制系统工作电压 | 220 | V |
| 台面电机功率 | 1.5 | kW |
| 带锯电机功率 | 4.0 | kW |
| 刀架电机功率 | 1.1 | kW |
| 磨刀电机功率 | 0.25×2 | kW |
| 总装机功率 | 7.1 | kW |
2.2.1 主电路设计
根据控制要求，设计出切割机的主电路图如图所示。
图有5台电机。带锯电机驱动刀片旋转，切割泡沫塑料，由交流接触器KM1控制；两个磨刀电机带动砂轮对刀片研磨，使刀片保持锋利，由于功率比较小，可以用一个交流接触器KM2控制；台面电机为直流电机，驱动台面前移和后移；刀架电机通过蜗轮/蜗杆传动机构减速，驱动左、右丝杆正转或反转，刀架随滑套上移或下移，由于刀架停车必须准确，所以其制动采用电磁刹车。
图2.2 切割机主电路图
2.2.2 电气元件的选择
1. 主电路的电机选择
电动机是主要的动力机械，它的应用是非常广泛的，所以就其全国电动机的总耗电量来说，它是极为可观的。因此，合理选择电动机是相当重要的，它直接关系到生产机械的运行安全和投资效益。电动机的选择内容包括电动机种类、外壳型式、额定电压、额定转速、额定功率、各项性能等
电力拖动系统中拖动生产机械运行的原动机即驱动电机，包括直流电动机和交流电动机两大种，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。电动机主要种类如下表所示。
表2.3 电动机的种类
| 交流电动机 | 异步电动机 | 三相异步电动机 |
| 单相异步电动机 | ||
| 同步电动机（三相、单相） | 凸极式 | |
| 隐极式 | ||
| 直流电机 | 他励直流电动机 并励直流电动机 串励直流电动机 复励直流电动机 | |
表2.4 电机的特性
| 电机种类 | 最主要的性能特点 | |
| 直流 电动机 | 他励、并励 | 机械特性硬，起动转矩大，调速性能好 |
| 串 励 | 机械特性软，起动转矩大，调速方便 | |
| 复 励 | 机械特性软硬适中，起动转矩大，调速方便 | |
| 三相 异步 | 普通鼠笼 | 机械特性硬，起初转矩不太大，可以调速 |
| 绕 线 式 | 机械特性硬，起动转矩大，调速方法多，调速性能 | |
| 三相同步电动机 | 转速不随负载变化，功率因数可调 | |
| 单相异步电动机 | 功率小，机械特性硬 | |
| 单相同步电动机 | 功率小、转速恒定 | |
电动机额定功率的选择是一个很重要的问题。选择电动机功率的原则，是在电动机能够满足生产机械负载要求的前提下，最经济最合理地确定电动机的功率大小。如果功率选的过大，使设备投资费用增加，而且因电机经常轻载运行，其运行功率因素降低；反之，功率选的过小，电机经常过载运行，使电机温升高，绝缘易老化，缩短电机寿命；同时还可能出现启动困难、经受不住冲击性负载等情况。
电动机额定功率的选择一般分成三步：首先计算负载功率PL；再者根据负载功率，预选电动机的额定功率及其它；最后校核预选电动机。一般先校核发热温升，再校核过载能力，必要时校核起动能力。都通过了，预选的电动机便选定了；通不过，从第二步开始重新进行，直到通过为止。在满足生产机械要求的前提下，额定功率越小越经济。
对电动机本身而言，额定功率相同的电动机额定转速较高，体积越小，造价越低，一般说电动机转子越细长，转动惯量越小，起、制动时间短。当生产机械所需额定转速一定的前提下，一般来讲若还需要传动机构减速，则电动机额定转速越高，传动结构速比越大，机构越复杂，而且传动损耗也越大。通常电动机额定转速不低于500r/min。因此正确选择电动机的额定转速需要根据具体生产机械的要求，综合考虑上面诸因素后才能决定。
根据主电路的要求和控制方式结合以上对电机的各项标准和参数的介绍可确定主电路所用的元件的型号和参数。带锯电机的是用来带动电锯并切割材料，所选的电机功率要大，转速要高。刀架电机用来控制刀片的上下移动，而刀片的移动并不能很快，所以所选的电机转速要稍微低，虽有蜗轮减速，带在经济角度考虑下，可以用转速小、功率低的电机以节约成本，两个磨刀电机的功率是不能太大，所以用小功率电机。台面电机控制材料的进给，定位须准确，采用直流电机。所以可以列出电机的型号参数如下。
表2.5 带锯电机型号参数
| 型号 | 额定电压 | 额定 功率 | 额定电流 | 转速 | 效率 | 功率因素 | 最大转矩 | 最小转矩 | 堵转转矩 | 堵转电流 |
| 额定转矩 | 额定转矩 | 额定转矩 | 额定电流 | |||||||
| V | kW | A | r/min | % | cosΦ | 倍 | 倍 | 倍 | 倍 | |
| Y2-112M-2 | 380 | 4 | 8.1 | 20 | 85.0 | 0.88 | 2.3 | 1.4 | 2.2 | 7.5 |
| 型号 | 额定电压 | 额定 功率 | 额定电流 | 转速 | 效率 | 功率因素 | 最大转矩 | 最小转矩 | 堵转转矩 | 堵转电流 |
| 额定转矩 | 额定转矩 | 额定转矩 | 额定电流 | |||||||
| V | kW | A | r/min | % | cosΦ | 倍 | 倍 | 倍 | 倍 | |
| Y2-100L2-8 | 380 | 1.1 | 3.4 | 700 | 73.0 | 0.69 | 2.0 | 1.2 | 1.8 | 5.0 |
| 型号 | 额定电压 | 额定功率 | 额定电流 | 转速 | 效率 | 功率因素 | 最大转矩 | 堵转转矩 | 堵转电流 |
| 额定转矩 | 额定转矩 | 额定电流 | |||||||
| V | kW | A | r/min | % | cosΦ | 倍 | 倍 | 倍 | |
| JY09B-2 | 220 | 0.25 | 2.15 | 2800 | 77.0 | 0. | 1.8 | 3 | 6.5 |
| 型号 | 额定 电压 | 额定 功率 | 额定 电流 | 转速 | 效率 | 削弱磁场时最大转速 | 飞轮 力矩 |
| V | kW | A | r/min | % | r/min | kg·m2 | |
| Z2-42 | 220 | 1.5 | 9.16 | 750 | 74.5 | 1500 | 0.18 |
主电路的其他元件的选型就为断路器的选择、交流接触的选择、熔断器的选择、中间继电器的选择表等各种元件的选择。元件的选择对整个设备的性能起到很大的作用。
参考主电路图可以确定所用到的元器件，其中刀开关是用来控制设备的总电源，三组熔断器是防止电流过大而设计的，热继电器也有同样的效果，但是工作原理不同，由于电机的功率不同，在功率稍小的电机中就未使用交流接触器KM1是控制带锯电机M1的，KM2控制两台磨刀电机，KM3、KM4分别是控制刀架电机M4的正反转的，电磁刹车时给刀架电机其精确定位的，KM5和KM6构成的两组是用来控制台面电机的正反转的，KM7是直流电机回馈制动的。
表2.9 电气主电路其他元件
| 元件名称 | 元件数量 | 元件名称 | 元件数量 |
| 刀开关 | 1个 | 熔断器 | 3组 |
| 接触器 | 7个 | 热继电器 | 4组 |
| 电动机 | 5台 | 电磁刹车 | 1个 |
刀开关主要用于成套配电设备中隔离电源，刀开关的技术规格有：a、额定电压，b、额定电流，c、短时耐受电流，通常用刀开关在1S内所能承受的短路电流峰值表示，d、接通于分断能力，视刀开关的结构不同，可接通与分断250%～600%额定电流，e、机械寿命，用操作次数表示。 我们所用的刀开关是塑壳刀开关,塑壳刀开关是一种结构最简单、应用最广泛的手动电器，由操作手柄、熔丝、触刀、触头底座组成，刀开关的安装时要注意手柄向上，不要倒装或平装，否则会因自动下滑而引起误合闸。接线时，应将电源接线接在上端，负载接在熔丝下端，这样在拉闸后可以安全的更换熔丝。
QS0选选用规格HD11-100/38型单投三极刀开关1只。主要技术参数：
额定交流电压380V，额定交流电流100A。通断能力100A，1S短时耐受电流6KA，动态稳定电流峰值15KA。
(2) 熔断器的选择
熔断器是低压配电网中的保护元件之一，主要做短路保护用，当通过熔断器的电流大于规定值时，以及自产生的热量使熔体熔化而自动分断电路。通过熔断器的熔化特性和熔化特性的配合以及熔断器与其他电器的配合，在一定的短路范围内可达到选择性保护。而在本系统中是在电动机回路中用作短路保护，应考虑到电动机的起动条件，按电动机时间长短选择熔体的额定电流，对起动时间不长的场合可按下式决定熔体额定电流Ie：
Ie=Id/(2.5~3) (2.1)
对起动时间长或较频繁起动，按下式决定电流Ie
Ie=Id/(1.6~2.0) (2.2)
式中，Id-电动机的起动电流。
FU1选用RT16-00C型，其主要技术参数：
额定电流32A，额定电压500V，额定功率3.32W。
FU2选用RT16-00C型，其主要技术参数：
额定电流6A，额定电压500V，额定功率0.67W。
FU3选用RT16-00C型，其主要技术参数：
额定电流10A，额定电压500V，额定功率1.14W。
(3) 接触器的选择
交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断交流电路的电器，其主要控制对象是电动机，也可用于控制如电焊机、电容器组、电热装置、照明设备等其他负载。接触器具有操作频率高、使用寿命长、工作可靠、性能稳定、维修简便等优点，是用途广泛的控制电路之一。
随使用场合及控制对象不同，接触器的操作条件与工作繁重程度也不同。为了尽可能经济地、正确地选用接触器，必须对控制对象的工作情况以及接触器性能有一较全面的了解，不能仅看产品的铭牌数据，因接触器铭牌上所规定的电压、电流、控制功率等参数为某一使用条件下的额定值，选用时应根据具体使用条件正确选用。
通常，先根据接触器的实际使用类别选用相应的接触器类型。然后，根据接触器控制对象的工作参量（如工作电压、工作电流、控制功率、操作频率、工作制等）确定接触器的容量等级。再按控制电路要求决定接触器的线圈参数。用于特殊环境条件的接触器应选用派生型产品（如湿热带型―TH或符合防爆、防尘、防滴等使用要求的产品）。
交流接触器的负载主要可分为电动机负载与非电动机负载（如电热设备、照明装置、电容器、电焊机等）两大类。
本设计中交流接触器使用属于电动机负载，且其负载的轻重程度为一般任务型，其操作频率不高。选用接触器时只要使被选用接触器的额定电压和额定电流等于或稍大于电动机的额定电压和额定电流即可。
KM1、KM3～KM7选用NC6-09 10型，KM2选用NC6-09 08型，其主要技术参数：
额定电压AC 380V，额定工作电流9A，约定发热电流20A，可控三相鼠笼电动机的功率4kW。
(4) 热继电器的选择
热继电器是依靠电流通过发热元时产生的热，使双金属片受热，弯曲而推动机构动作的一种电器，主要用于电动机的过载保护，断相及电流不平衡运行的保护及其他电气设备设备发热状态的控制。因此选用时，必须了解被保护对象的工作环境，起动情况，负载性质，工作制以及电动机允许的过载能力，保护要遵循的原则：应使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之中，并尽量可能地接近，甚至重合，以充分发挥电动机的过载能力，同时使电动机在短时过载和起动瞬间（5～6Ie）时不受影响。
在热继电器的选择方面还要注意以下的几点：
1.原则上，热继电器的额定电流应按电机的额定电流选择。
2.再不频繁启动的场合，要保证热继电器不会应电机的启动而起误动作。
3.当电机为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。
FR1、FR2选用NR2(JR28)-11.5型，其主要技术参数：
电流等级13，额定绝缘电压690V，具有断相保护、温度补偿、手动与自动复位、脱扣指示、测试按钮、停止按钮，额定电压AC 380V，额定电流1.58A。
2.2.3 晶闸管直流调速装置设计
晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制。
控制的快速性，晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。V-M系统在20世纪60~70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。
图2.3 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图
参考主电路图中的台面电机所用的是直流电机，作用是控制材料的进给，所采用的调速装置就必须另行设计。直流电机的调速可以用改变电流实现调速，所以调速装置可以根据整流原理设计，在此用三相全控整流电路设计成直流电机的驱动，电路图如下：
图2.4 直流电机主电路
采用整流变压器主要是给晶闸管整流装置提供所需的电源电压，并使晶闸管主电路与交流电网隔离，减少整流电路对其它用电设备的干扰，且有利于人身安全。整流变压器的接线采用D－Y联结，它可有效地抑制晶闸管整流时产生的奇次谐波（主要是三次谐波）对电网的不利影响，避免在变压器每相绕组中产生尖顶波电动势，这个电动势有时将超过正常值的50％，对变压器绝缘不利。
在电枢回路中串联平波电抗器Lr，可使输出电流连续，电流脉动，抑制电流上升率，以改善晶闸管与电动机的利用率和系统调节特性。
2.3 控制电路设计
2.3.1 控制系统电路图
下图为切割机控制系统原理图，切割厚度由4位拨盘开关输入，设定范围为000.0-199.9。在刀架电机的传动轴上装有测速齿轮，沿圆周均匀开5个槽。传动轴每转一圈，接近开关向PLC发出5个计数脉冲（测速齿轮5次感应接近开关），转两圈刀架的高度变化1mm，接近开关发出10个脉冲，根据设定的切割厚度可以计算出PLC应计的脉冲个数。传动轴转动速度为10转/s，PLC的计数频率应达到60kHz，因此，采用FX2N的高速计数功能。
图2.5 切割机控制系统原理图
2.3.2 PLC硬件接线图及I/O端口分配
1. PLC控制系统的控制要求
PLC控制系统的控制要求如下：
(1) 系统设有手动、单周期、单步、连续、回原点、五种工作方式，台面在最前面，刀架在最上面，为系统的原点状态。
(2) 台面机构前/后运动时，带锯电机必须已启动，而带锯电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止。
(3) 磨刀必须在刀片旋转时才能工作。
(4) 五种工作状态下，按下总停止按钮后，除带锯、磨刀装置外，刀架、台面的动作应立即停止。
(5) 电源接通后控制台面刹车的接触器KM7立即通电。
根据以上的要求，设计出PLC的外部接线图如下图所示：
图2.6 PLC的外部接线图
根据上图所示切割机的5种工作方式有选择开关控制：当输入点X1接通时为手动方式，X2接通时为回原点方式，X3接通时为单步工作方式，X4接通时为单周期工作方式，X5接通时为连续工作方式。台面在最前面且刀架在抬刀限位称为系统处于原点状态。在公用程序中台面前到位开关X15、抬刀限位开关X20的常开触点的串联电路接通时，“原点条件”辅助继电器M5变为ON。
在选择单周期、连续和单工步工作方式之前，系统应处于原点状态；如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式，然后按回原点启动按钮X6，使系统自动返回原点状态。在原点状态，顺序功能图中的初始步M0为ON，为进入单周期、连续和单工步工作方式作好了准备。
高速计数器只有在自动方式下才工作。主要的功能是对在自动方式下的键盘设定值进行比较，判断材料的厚度，控制台面的向前或向后运动。对于不同的设定值要有不同的计数值相符合。计数器的计数源就是测速齿轮所送的脉冲个数。
2. I/O端口分配
从上面的控制电路图所示，可以得出下面的分配表：
表2.10 输入端口表
| 输入元件 | 输入点 | 输入元件 | 输入点 |
| 接近开关 | X0 | 台面向后 | X22 |
| 手动 | X1 | 刀架停止 | X23 |
| 回原点 | X2 | 台面停止 | X24 |
| 单步 | X3 | 总停 | X25 |
| 单周期 | X4 | 预停 | X26 |
| 连续 | X5 | 小数位1 | X27 |
| 回原点启动 | X6 | 小数位2 | X30 |
| 带锯启动 | X7 | 小数位4 | X31 |
| 带锯停止 | X10 | 小数位8 | X32 |
| 磨刀 | X11 | 个位1 | X33 |
| 总停 | X12 | 个位2 | X34 |
| 落刀限位 | X13 | 个位4 | X35 |
| 抬刀限位 | X14 | 个位8 | X36 |
| 台面前限位 | X15 | 十位1 | X37 |
| 台面后限位 | X16 | 十位2 | X40 |
| 落刀 | X17 | 十位4 | X41 |
| 抬刀 | X20 | 十位8 | X42 |
| 台面向前 | X21 | 百位1 | X43 |
表2.11 输出端口表
| 输出元件 | 输出点 | 输出元件 | 输出点 |
| KM1 | Y0 | KM6 | Y4 |
| KM2 | Y1 | KM3 | Y5 |
| KM7 | Y2 | KM4 | Y6 |
| KM5 | Y3 | L1 | Y7 |
1. 刀开关QS1：刀开关QS1串接控制主电路的单相电源，选用规格HD11-100/28型单投双极刀开关1只。主要技术参数：
额定交流电压220V，额定交流电流100A。通断能力100A，1S短时耐受电流6kA，动态稳定电流峰值15kA。
2. 熔断器FU4：选用RT18K-25型，主要技术参数：
壳架等级额定电流25A，额定电流2A，额定电压AC 220V，额定断路分断能力：220V/50kA。
3. 按钮SB1、SB2、SB5、SB15：选用NP4-20BN/2型，颜色为绿色，按钮SB3、SB10、SB11、SB12、SB13、SB14：选用NP4-20BN/4型，颜色为红色，按钮SB4、SB6、SB7、SB8、SB9：选用NP4-20BN/6型，颜色为蓝色。NP4系列按钮其主要技术参数如下：
额定绝缘电压380V，额定交流工作电压AC 220V，约定发热电流10A，额定交流工作电流4.5A。额定直流工作电压24V,额定直流工作电流2.5A。
4. 行程开关SQ1～SQ4：选用YBLX-K3/20HS/Z型，其主要技术参数：
额定交流电压AC 380V，额定直流电压DC 220V，额定控制容量交流200VA直流50W,含1对常开和1对常闭触点，动作最大行程3mm，最大差程1.2mm，最大操动力30N，最小回复力5N,最大全行程6.0mm。
5. 信号指示灯：选用ND16-22B/4型，其主要技术参数：
额定交流电压220V，额定电流≤20mA，指示灯选红色。
6. 接触器：选用NCH 8-20型，其主要计数参数：
额定绝缘电压500V，额定工作电压AC 230V，约定发热电流20A，额定工作电流20A，控制功率4Kw
7. 接近开关：选用E2E-X20DM8，其主要技术参数：
检测距离20mm±10%，设定距离*1：0～16mm，应差距离：检测距离的10%以下，标准检测物体：铁54×54×1mm，应答频率*2：0.1kHz，电源电压（使用电压范围）：DC12～24V 脉动(p-p)10％以下 （DC10～30V）。
8. 拨盘开关：选用A7CN型，其主要技术参数：
开关负载容量（阻性负载）：1mA～0.1A、DC5～30V，连续通电电流：1A，接触电阻，200mΩ以下，操作力：4.41N以下。
9. 转换开关：选用LW5D16F/5型，其主要技术参数：
绝缘电压500V，发热电流16A。
2.3.4 PLC的选择
1. 可编程序控制器物理结构的选择
根据物理结构，可以将可编程序控制器分为整体式和模块式，整体式每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，控制系统一般使用整体式可编程序控制器。
2. 可编程序控制器指令功能的选择
现代的可编程序控制器的指令功能越来越强，内部编程元件（如辅助继电器、定时器和计数器）的个数越来越多，任何一种可编程序控制器都可以满足开关量控制系统的要求。
如果系统要求完成模拟量与数字量的转换、PID闭环控制、运动控制等工作，可编程序控制器应有算术运算、数据传送等功能，有时甚至要求有开平方、对数运算和浮点数运算等功能。
3. 可编程序控制器I/O点数的确定
确定I/O点数时，应准确地统计出被控设备对可编程序控制器输入/输出点数的总需求，在此基础上，应留有10%～20%的裕量，以备今后对系统改进和扩充时使用。整体式可编程序控制器的基本单元、扩展单元的输入点数和输出点数的比例是固定的，如与系统要求的输入/输出点数的比例相差较大，可以选用只有输入点或只有输出点的扩展单元或扩展模块。
4. 存储器容量的选择
在初步估算时，对于仅需开关量控制的系统，将I/O点数乘以8，就是所需存储器的字数，这一要求一般都能满足。
在选择可编程序控制器的型号时不应盲目追求过高的性能指标，在I/O点数和存储器容量方面应留有一定的裕量。
综上所述，结合本设计的特点，考虑到设计裕量切割机控制系统选用FX2N-80MS可编程序控制器，因为切割机的工作频率较高且PLC所带的是交流负载，所以选择可控硅输出这种方式。
第3章 软件设计
3.1 系统的软件设计概述
为了满足生产需要，很多工业设备要求设置多种工作方式，如手动和自动（包括连续、单周期、单步等、自动返回初始状态）工作方式。手动程序比较简单，一般采用经验法设计，复杂的自动程序一般根据系统的顺序功能图用顺序控制法设计。
具有多种工作方式的控制系统的梯形图总体结构如图3.1所示。选择手动工作方式时手动开关X1为ON，将跳过自动程序，执行公用程序和手动程序。选择自动工作方式时X1为OFF，将跳过手动程序，执行公用程序和自动程序。
图3.1 自动／手动程序
3.2 公用程序设计
公用程序（见图3.2）用于自动程序和手动程序互相切换处理，当系统处于手动工作方式时，必须将除初始步以外的各步对应的辅助继电器（M20~M24）复位，同时将表示连续工作状态的M7复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的异常情况，引起错误动作。
公用程序的作用是控制带锯的启动，磨刀的启动和台面的刹车，控制的要求是台面机构前/后运动时，带锯电机必须已启动，而带锯电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止，磨刀必须在刀片旋转时才能工作。
当切割机处于原点状态（M5 ON），开始执行用户程序（M8002为ON）、系统处于手动状态或回原点状态（X1或X2为ON）时，初始步对应的M0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备、如果此时M5为OFF状态，M0将被复位，初始步为不活动步，系统不能在单步、单周期、和连续工作方式工作。
图3.2 公用程序
3.3 手动程序设计
图3.3手动操作时用X17～X24对应的6个按钮控制切割机的抬刀、落刀、台面向前、台面向后、刀架停止、台面停止。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的联锁，例如抬刀与落刀之间，台面向前与台面向后之间的互锁，以防止功能相反的两个输出继电器同时为ON。根据控制要求，台面机构前/后运动时，带锯电机必须已起动，而带锯电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止。所以控制带锯的Y0线圈与控制台面向前/后的Y3和Y4线圈串联。当按下总停按钮，X25的常闭触点断开，不执行MC到MCR的指令，刀架、台面的动作立即停止。磨刀必须在刀片旋转时才能工作，所以在控制磨刀的Y1线圈串联Y0的常开触点。
图3.3 手动程序
3.4 自动程序设计
在自动程序的过程中是切割机自动的对泡沫材料进行切割，自动判断切片的厚度，切割刀片的切割深度，切片的深度是由测速齿轮和计数器共同完成，在刀架下移的过程中测速齿轮也在跟随转动，每转动一圈向计数器发送5个脉冲并判断切割的厚度。在自动程序中首先是要对切割厚度进行设置，厚度是由拨盘开关设定的，在落刀时，当材料的完成的落刀量达到设定值刀架停止移动，继而台面前移，对材料进行切割。
3.4.1 自动控制程序
图3.4是切割机控制系统自动程序的顺序功能图。
图3.4 切割机自动控制顺序功能图
图3.5是用转换为中心的编程方式设计的自动控制程序（不包括自动返回原点程序），M0和M20~M24用转换为中心编程控制，系统工作在连续、单周期（非单步）工资方式时，X3的常闭触点接通，使M6（转换允许）为ON，允许步与步之间的转换。
图3.5 自动控制程序梯形图
假设选择的是单周期工作方式，此时X4为ON，X2和X3的常闭触点闭合，M6的线圈“通电”，允许转换。在初始步时按下起动按钮X12，在M20起动的电路中，M0，X12的常开触点和X2的常闭触点均接通，使M20的线圈“通电”，转换到台面后移步，台面碰到台面后到位限位开关X16时，M21的线圈“通电”，转换到计算脉冲数步。开始计数T0线圈“通电”，定时时间到后，T0的常开触点接通，计算脉冲数完成使系统进入落刀步。C235的常开触点闭合时，M23的线圈“通电”，系统完成落刀量进入台面前移步。以后系统将这样一步一步地工作下去，当切割机台面在步M23返回最前到位时，X15为ON，因为此时不是连续工作方式，M7处于OFF状态，转换条件·X15满足，系统返回并停留在初始步。
在连续工作方式X5为ON，在初始状态下按下启动起动按钮X12，与单周期工作方式相同，M20变为ON，台面后移，与此同时，控制连续工作的M7的线圈“通电”并自保持，以后的工作过程与单周期工作方式相同，当切割机台面在步M23返回最前到位时，X15为ON，因为M7为ON，转换条件M7·X15满足，系统将返回步M20，反复连续地工作下去，按下预停按钮X26后，M7变为OFF，但是系统不会立即停止工作，在完成当时工作周期的全部操作后，切割机台面在步M23返回最前面，台面前到位开关X15为ON，转换条件·X15满足，系统才返回并停留在初始步。
如果系统处于单步工作方式，X3为OFF，它的常闭触点断开，“转换允许”辅助继电器M6在一般情况下为OFF，不允许步与步之间的转换。设系统处于初始状态，M0为ON，按下起动按钮X12，M6变为OFF，使M20的起动电路接通，系统进入台面后移步。放开起动按钮后，M6马上变为OFF。在台面后移步，Y4的线圈“通电”，台面后移到台面后到位开关X16处时，与Y4的线圈串联的X16的常闭触点断开（见图3.6），使Y4的线圈“断电”，台面停止后移。X16的常开触点闭合后，如果没有按起动按钮，X12和M6处于OFF状态，一直要等到按下起动按钮，M12和M6变为ON，M6的常开触点接通，转换条件X16才能使M21的起动电路接通，系统才能由台面后移步进入计算脉冲数步。在完成某一步的操作后，都必须按一次起动按钮，系统才能进入下一步。
当切割机的刀架下移到落刀限位，这时表明材料已经全部切割完毕，为了方便下次的装料，刀架必须上移到抬刀限位，这时就可以停机了，系统将会自动停机。这时算是自动程序执行完毕，系统只有在重新上料后才能开始工作。
3.4.2 自动输出程序
图3.6 自动控制程序输出电路
图3.6是自动控制程序的输出电路，图3.6中X13~X16的常闭触点是为单步工作方式设置的，以台面后移为例，当切割机的台面碰到限位开关X16后，与台面后退步对应的辅助继电器M20不会马上变为OFF，如果Y4的线圈不与X16的常闭触点串联，台面不会停在台面后到位开关X16处，还会继续后退，在这种情况下可能造成事故。
为了避免出现双线圈现象，在图3.6中，将自动控制的顺序功能图（图3.4）与自动返回原点的顺序功能图（图3.7中）对Y3和Y6线圈的控制合在一起。
3.4.3 自动回原点程序
图3.7 自动返回原点的顺序功能图
图3.8 自动返回原点的梯形图
图3.7，3.8是自动回原点程序的顺序功能图和用转换为中心编程设计的梯形图。在回原点工作方式（X2为ON），按下回原点起动按钮X6，M10变为ON，切割机台面前移前移，前移碰到台面前到位开关X15时，X15变为ON，刀架抬刀，到抬刀限位开关时，X14为ON，将M11步复位。这时原点条件满足，在公用程序（图3.2）中的M5为ON，初始步M0被置位，为进入单周期、连续和单步工作方式作好了准备，因此可以认为步M0是步M11的后续步。
3.4.4 计算脉冲数和计算落刀量程序
计算脉冲数和计算落刀量的梯形图如下：
图3.9 计算脉冲数和计算落刀量的梯形图
当在初始状态下，M0为ON，用于计算落刀量的高速计数器C235和计算脉冲数的寄存器D0被复位，特殊辅助继电器M8235变为OFF，高速计数器C235的计数方式设定为加计数，同时表示厚度设定的辅助继电器（M31~M39）被复位。在自动控制程序（图3.5）进入计算脉冲数步M21变为ON，使M30的线圈“通电”，允许计算脉冲， 定时器T0开始定时，整定时间为2秒。定时器定时2s时间到后，PLC已经完成对脉冲的计数，在自动控制程序（图3.5）中T0的常开触点闭合，M22的线圈“通电”，系统结束计算脉冲步转换到落刀步。由于FX2N系列PLC运算速度在0.08μs/指令，所以在定时2s内可以完全保证PLC对拨盘开关的扫描并把脉冲数计算结果送到寄存器D0。
程序自动控制切割机切割泡沫是在无人监控的情况下，切割的厚度就是在按下自动启动按钮X12前设定好的，切割厚度可以从4组拨盘开关设定，由于材料的厚度和切割机的刀架高度，切割厚度可以从0.1~ 199.9(mm)范围设定。在电气控制图中的4组拨盘开关分别代表从小数位到百位的十进制数。在0~9的数值中，1、2、4、8可以通过这些数组合实现1~9的值而且所需的数没有重复，根据这个特性，厚度的设定就可实现。在扫描到哪个开关闭合了，存储厚度值的数据寄存器D0就会自动加上对应的值，比如在扫描到只有小数位8和十位8闭合，程序就会执行以下的两句程序段：
ADD K8 D0 D0 和ADD K800 D0 D0
在初始化程序中的D0已经清0，所以在这时D0的值变为808，对应的切割厚度为80.8mm，虽然在电气控制图中所标的数值最小的是小数位，然而为了编程的方便，在处理数据时每个数据以十倍处理。数据寄存器D0是16位寄存器最高位是符号位所以能存储的最大数据可以到16384，在这里已经够用，所以不必去两个寄存器合并构成32位数据寄存器。
在自动控制程序（图3.5）中，M22线圈“通电”后，系统进入落刀步，并且在图3.9中高速计数器C235立即开始对PLC的X0端口计数，设定值由D0指定，所以C235设定值就是脉冲数。在刀架电机的传动轴上装有测速齿轮，沿圆周开5个槽，接近开关是向PLC发送计数脉冲的，只要测速齿轮的转速设计合理，刀架每下移0.1mm接近开关就向PLC发送1个计数脉冲，这样就可以根据PLC的计数器判断刀架的下移量是否达到落刀量，当计数器计数脉冲达到设定值，在自动控制程序（图3.5）中，C235的常开触点闭合，M22被复位，停止落刀，M23被置位，台面向前移动，开始切割。
3.4.5 报警程序
在键盘的输入时会出现一个问题，就是输入值不能超过9，比如在2或4的开关闭合后8开关再闭合就会出现混乱，这时系统就会将数据寄存器D0的值清零并报警，提示要从新设定值。程序如图3.10，小数位8和小数位2，小数位8和小数位4常开触点串联，当小数位8和小数位2或小数位8和小数位4的开关同时接通时，Y0的线圈“通电”，发出报警信号。个位和十位产生报警信号与小数位的同理。
图3.10 报警程序
第4章 系统的安装与调试
4.1 程序的仿真和调试
在系统的软件设计完成后，接下来的任务就是调试并完善程序。首先采用三菱公司提供的PLC编程和仿真软件GX DEVELOPER。先对梯形图进行检验然后进行软件仿真。如图4.1，先编写好梯形图然后点“变换”，再选择工具菜单中的“程序检查”，当显示没有错误时就可以选择“梯形图逻辑测试起动”，就可以进行仿真工作了。
图4.1 软件仿真界面
程序的调试是对程序的验证和完善的最好的方式，在程序的调试过程中发现了许多在程序设计时未能注意到的，比如，由于系统的特殊性，比如在刀架下移时台面不能移动等，这些特殊的控制要求就使得程序的调转就显得复杂，哪个环节设计的不好就会导致出问题，有可能将会导致刀片断裂，发生危险，所以在调试过程中最好不用刀片而确保安全，还可以用粗线代替刀片这样不仅安全，而且还能直观的看到切割的厚度和切割的线路。
4.2 系统的安装
切割机的安装很重要的一个就是人机界面的设计，也就是控制面板的设计。控制面板的设计必须要人性化，人性化的设计才能使操作起来跟方便，提高工作效率。在设计控制面板时可以参考许多的市面上销售的工业产品，毕竟他们的经验丰富，这样也能节约很多的设计时间。
在控制切割机时在难免的是按错按钮，在初次接触本系统不熟悉按钮分布情况下按错按钮的机会是很大的，这就要控制面板要十分的人性化，要设计者十分清楚人的操作习惯，只要操作者操作过几次后就对控制按钮十分的熟悉。在此控制面板的设计就十分符合这一点。控制方式的切换刀开设计在控制面板的中间，操作的手多用右手，由于系统的工作方式多用手动方式，而人的右手顺时针拧得力矩比往逆时针拧的力矩大的多，所以就将自动方式设计在右边。下图就是控制面板设计图：
图4.2 控制面板
第5章 PLC的故障检测与保护措施
5.1 故障检测程序设计
5.1.1 首先故障自检程序
在PLC控制系统中，往往一个故障发生，随后会有多个故障发生。此时，如果能及时找出第一个故障信号，就能有效抑制后来故障的发生。这就要求在设计PLC控制程序时增加首发故障自检程序。
图5.1为某PLC控制系统首发故障自检程序梯形图，该系统共有8个故障信号，分别记为X0~X7，状态为1时表示故障，M0~M7为与故障信号相对应的中间变量。一旦有故障发生，就在M0~M7中记录该信号，若相对应的输入为首发故障信号，则该位为1，也就是说，如果M1的状态为1，则M1为首发故障信号，其余依此类推。在图中第1个支路，当X0为1，M0置位，若首发故障已存在，那么M1~M7中已有一个变量为1，则M0复位，即X0不是首发故障信号；若首发故障不存在，那么M1~M7中没有一个值为1，则M0为1，X0为首发故障信号；其余依此类推。一旦有故障发生，就在M0~M7中记录了最先发生的故障。
5.1 PLC控制系统首发故障自检程序
5.1.2 逻辑错误故障检测程序
在被控设备工作正常的情况下，控制系统的各个输入、输出信号和内部继电器（编程元件）的信号相互之间存在确定的逻辑关系。一旦出现异常逻辑关系，必定是控制系统出了故障。因此，可以事先编制好一些常见故障的异常逻辑程序加进用户程序中，当这种逻辑关系实现状态为“1”，就必然出现了相应的设备故障，即可将异常逻辑关系的状态输出作为故障信号，用来实现报警、停机等控制,如图2所示。
图5.2为常见逻辑错误的故障检测程序，图中的第1逻辑行为检测滑台的原位开关和终点开关失灵时造成的逻辑错误。在正常工作情况下，机床滑台无论是快进、工进还是快退，其原位开关和终点开关的常开触点都不可能同时闭合。只有二者之一失灵（不能复位）后才会出现同时闭合的情况。所以，一旦M1得电并驱动Y0显示或报警，必然是出现了开关失灵故障。图中的第2逻辑行为检测控制系统的过多输出故障状态。按控制要求，只允许Y1、Y3同时输出，而不允许Y1、Y2、Y3同时输出。如果Y1、Y2、Y3同时得电，则辅助继电器M2得电并驱动Y0显示或报警。图中第3~5行的并联逻辑阶梯用来检测控制系统的欠输出故障状态。按要求，在某工步Y1和Y2应同时输出，一旦出故障时，可能有三种情况：Y1和Y2都不得电；Y1不得电而Y2得电；Y1得电而Y2不得电。若出现其中之一的逻辑关系，M3便得电并驱动Y0显示或报警。
图5.2 逻辑错误的故障检测程序
5.1.3 超时限检测程序
机械装置在自动工作循环中，各个工步的动作都要求在一定的时间内完成，超过了规定的时限而未完成动作，则认为设备运行出现故障。因此，可以在被检测工步动作开始时，同时起动一个定时器，定时器的设定时间比规定动作时间长30%~40%，如果定时器有输出信号，则说明已发生故障。该信号可用作故障显示、报警和故障停机信号。图5.3为检测一个工步超时限的故障检测程序梯形图。
图5.3 工步超时限的故障检测程序
图5.3中工步的正常动作时间为6s，定时器T20的定时时间为8s。当工步起动时，T20开始计时，如果工步按时完成，其完成信号切断T20的输入，T20无输出而无故障信号。若工步超时限，T20输出故障信号，该信号驱动输出继电器Y1，使之显示和报警，图中的工作循环起动信号常闭触点用于撤消故障显示报警信号。
若控制系统中要求监视的工步较多而定时器不够时，可采用阶段超时检测设计法，即用几个相邻步共同设置一个总的时间限值，用一个定时器监视，或几个时间限值相同的步共用一个定时器的办法。
5.2 PLC的硬件保护措施
5.2.1 输入端的保护
PLC输入端最有效的保护方法是外加一级光电耦合器，一旦有高电压等侵入回路时，使其击穿保护级光耦，然后像更换熔断器一样方便地更换损坏了的光耦，及时排除故障。
增加的保护级光耦可选用4N25型，对于开关频率高的场合，可选用TIL110型，4N25型的导通延迟时间ton为2.8us,关断延迟时间toff为4.5us,而PLC（如FX2系列）输入电路的一次电路与二次电路用光耦隔离时，内部约有10ms的响应滞后，因此，添加一级保护光耦对于PLC的反应速度，几乎没有影响。添加的保护级光耦插在IC插座上，再焊在电路板上，一旦出现故障，更换非常方便。
图5.4 PLC输入端保护电路图
图5.4为4N25型光耦PLC输入端保护电路图，SQ为开关输入信号，光耦输入的DC24V电源采用AC220V降压，整流后得到的直流电源，而不用PLC本身的直流电源，这样既可以不增大PLC电源的负载，又可以使输入输出自成系统，不共地，避免了输出端对输入端可能产生的干扰。
本电路中光耦输入端的电流选取15mA，由于4N25型光耦的电流传输比大于25%，输出端可流过大于3mA,的电流，而PLC输入灵敏度一般最小为2.5mA，可满足PLC灵敏度的要求。采取这些措施，可很好地保护PLC的输入点，使控制系统不受干扰，而且这些保护措施的成本非常低（约几百元），因此这种方法非常经济实用。
5.2.2 输出端的保护
通常情况下，PLC的输出驱动负载有两类：交流负载和直流负载。对交流负载的保护措施是并联阻容吸收电路，以防止浪涌电流对PLC输出电路的冲击，对直流负载是并联续流二极管，以防止关断时反电势电压对PLC输入电路的冲击，但是，当控制系统的交流用电设备较多时，如变频器，变压器，PLC共处于某一控制系统，系统的电磁干扰较强，此时，这些措施已无法有效抑制干扰对PLC及输出电路的影响，严重时甚至扰乱系统的正常工作程序，为此，当PLC的驱动元件主要是电磁阀和交流接触器线圈，为了提高系统的可靠性，我们在PLC输出端与驱动元件之间增加光电隔离的过零型固态继电器AC－SSR如图5.5所示。
图5.5 电磁阀及交流接触器的驱动电路
从图5.5可以看出，从PLC输出的控制信号经晶体管放大，去驱动AC-SSR，AC-SSR的输出经驱动元件连接AC220V电压，图中MOV为金属氧化物压敏电阻，用于保护AC-SSR，其中电压在标称值电压以下时，MOV阻值很大，当超过标称值时，阻值很小，在电压断开的瞬间，正好可以吸收线圈存储的能量，实践证明，这种抗干扰措施是非常有效的。
第6章 PLC控制系统的维护与诊断
6.1 PLC控制系统的维护
为了保障系统的正常运行，定期对PLC系统进行检查和维护是必不可少的，而且还必须熟悉一般故障诊断和排除方法。
6.1.1 起动前的检查
在PLC控制系统设计完成以后，系统加电之前，建议对硬件元件和连接进行最后的检查。起动前的检查应遵循以下步骤：
(1) 检查所有处理器和I/O模块，以确保它们均安装在正确的槽中，且安装牢固。
(2) 检查输入电源，以确保其正确连接到供电（和变压器）线路上，且系统电源布线合理，并连到每个I/O机架上。
(3) 确保连接处理器和每个I/O机架的每根I/O通信电缆是正确的，检查I/O机架地址分配情况。
(4) 确保控制器模块的所有I/O导线连接正确，且安全连在端子上，此过程包括使用I/O地址分配表证实每根导线按该表的指定连至每个端子。
(5) 确保输出导线存在，且正确连接在现场末端的端子上。
(6) 为了尽可能安全，应当清除系统内存中以前存储的任何控制程序。如果控制程序存于EEPROM中，应暂时移走该芯片。
6.1.2 定期检查
尽管在设计PLC控制系统时，已考虑到最大可能地减少维修工作量，但系统安装完毕投入运行后，也应考虑一些维护方面的问题。良好的维护措施，如果定期实行的话，可大大减少系统的故障率。
PLC的构成元器件以半导体器件为主体，考虑到环境的影响，随着使用时间的增长，元器件总是要老化的，因此定期检修与做好日常维护是非常必要的。预防性维护主要包括以下内容：
(1) 定期清洗或更换安装于机罩内的空气过滤器。这样可确保为机罩内提供洁净的空气环流。对过滤器的维护不应推迟到定期机器维护的时候，而应该根据所在地区灰尘量定期进行。
(2) 不应让灰尘和污物积在PLC元件上。为了散热，生产厂家一般不将CPU和I/O系统设计成可防尘的。若灰尘积在散热器和电子电路上，易使散热受阻，引起电路故障，而且，若有导电尘埃落在电路板上，则会引起短路，使电路板永久损坏。
(3) 定期检查I/O模块的连接，确保所有的塞子、插座、端子板和模块连接良好，且模块安放牢靠。当PLC控制系统所处的环境经常有能松动端子连接的振动时，应当常做此项检查。
(4) 注意不让产生强干扰的设备靠近PLC控制系统。
PLC定期检修的内容如表6.1所示。
表6.1 PLC定期检修
| 序号 | 检修项目 | 检查内容 | 判断标准 |
| 1 | 供电电源 | 在电源端子处测量电压波动范围是否在标准范围内 | 电压波动范围：85%~110%供电电压 |
| 2 | 外部环境 | 环境温度 环境湿度 积尘情况 | 0~55% 35%~85%RH，不结露 不积尘 |
| 3 | 输入输出用电源 | 在输入输出端子处测电压变化是否在标准范围内 | 以各输入输出规格为准 |
| 4 | 安装状态 | 各单元是否可靠固定 电缆的连接器是否完全插紧 外部配线的螺钉是否松动 | 无松动 无松动 无松动 |
| 5 | 寿命元件 | 电池、继电器、存储器 | 以各元件规格为准 |
若需替换一个模块，用户应确认被安装的模块是同类型的。有些I/O系统允许带电更换模块，而有些则需切断电源。若替换后可解决问题，但在一相对较短时间后又发生故障，那么应注意检查能产生电压的感性负载，也许需要从外部抑制其电流尖峰。如果保险丝在更换后又被烧断，则有可能是模块的输出电流超限，或输出设备被短路。
6.1.4 日常维护
PLC除了锂电池及继电器输出触点外，基本没有其他易损元器件。存放用户程序的随机存储器(RAM)、计数器和具有保持功能的辅助继电器等均用锂电池保证供电，锂电池的寿命大约5年，当锂电池的电压逐渐降低达一定程度时，PLC基本单元上的电池电压跌落指示灯会亮，提示用户注意，由锂电池所支持的程序还可保留一周左右，必须更换电池。这是日常维护的主要内容。更换锂电池的步骤为：
(1) 在拆装前，应先让PLC通电15s以上，这样可使作为存储器备用电源的电容器充电，在锂电池断开后，该电容可对PLC做短暂供电，以保护RAM中的信息不丢失。
(2) 断开PLC的交流电源。
(3) 打开基本单元的电池盖板。
(4) 取下旧电池，装上新电池。
更换电池时间要尽量短，一般不允许超过3min，如果时间过长，RAM中的信息将消失。
6.2 PLC控制系统的诊断与处理
6.2.1 指示诊断
LED状态指示器能提供许多关于现场设备、连接和I/O模块的信息。大部分输入/输出模块设有电源指示器和逻辑指示器。
对于输入模块，电源指示器显示表明输入设备处于受激励状态，模块中有信号存在。逻辑指示器显示表明输入信号已被输入电路的逻辑部分识别。如果逻辑和电源指示器不能同时显示，则表明模块不能正确地将输入信号传递给处理器。
输出模块的逻辑指示器显示时，表明模块的逻辑电路已识别出从处理器来的命令并接通。除了逻辑指示器外，一些输出模块还有一只保险丝熔断指示器或电源指示器，或二者兼有。保险丝熔断指示器只表明输出电路中的保护性保险丝的状态；输出电源指示器显示时，表明电源已加在负载上。像输入模块的电源指示器和逻辑指示器一样，如果不能同时显示，就表明输出模块有故障了。
6.2.2 诊断输入故障
出现输入故障时，首先检查电源指示器是否响应现场元件（如按钮、行程开关等）。如果输入器件被激励（即现场元件已动作），而指示器不亮，则下一步就应检查输入端子的端电压是否达到正确的电压值。若电压值正确，则可替换输入模块。若逻辑指示器变暗，而且通过编程器监视，知道处理器(CPU)未扫描到输入，则输入模块可能存在故障。如果替换的模块并未解决问题且连接正确，则可能是I/O机架或通信电缆出了问题。
6.2.3 诊断输出故障
出现输出故障时，首先应察看输出设备是否响应逻辑指示器。若输出触点通电，逻辑指示器变亮，输出设备不响应。那么，首先应检查保险丝或替换模块。若保险丝完好，替换模块未能解决问题，则应检查现场接线。若通过编程器监视到PLC的一个输出已经接通，但相应的指示器不亮，则应替换模块。
在诊断输入/输出故障时，最佳方法是区分究竟是模块自身的问题，还是现场连接上的问题。如果有电源指示器和逻辑指示器，模块故障易于发现。通常，先更换模块，或测量输入或输出端子板两端电压测量值正确，模块不响应，则应更换模块。若更换后仍无效，则可能是现场连接出问题了。输出设备截止，输出端间电压达到某一预定值，就表明现场连线有误。若输出器受激励，且LED指示器不亮，则应替换模块。
如果不能从I/O模块中查出问题，则应检查模块接插件是否接触不良或未对准。最后，检查接插件端子有无断线，模块端子上有无虚焊点。
6.2.4 故障信号显示程序
前面讲述了通过指示器显示来诊断系统故障，还可以通过编制一个程序来分类显示系统的故障，从而诊断出故障部位，其方法如下：
将所有的故障检测信号按层次分成组，每组各包括几种故障，如对于多工位的机加工自动线的故障信号，可分为故障区域（单机号），故障部件（动力头、滑台、夹具等），故障元件3个层次。当具体的故障发生时，检查信号同时分别送往区域、部件、元件3个显示组，这样可指示故障发生在某一区域、某部件、某元件上。这种诊断方法，显示出具体的故障元件，使判断、查找十分方便，提高了设备的维修效率，同时也节省PLC的显示输出点。
第7章 系统设计特点
在系统设计完成后，对系统的设计特点的分析是重要的一个步骤，其中包括系统的硬件设计和软件的设计的特点分析。
首先对系统的硬件设计作一个简单的分析，在系统的控制要求下，对切割机的台面设计和切割机械装备设计。台面是控制材料的进给，刀架在切割时上下不能运动只能由台面的前后运动来控制材料的切割进度和速度。参照图2.1切割机驱动结构示意图可以看出，切割机的工作方式十分简明，这也决定了切割机的控制设计也十分的简要，思路也十分的清晰。工作方式简明，但是并不简单，在切割机运动时也存在许多需要注意的地方，这其中大部分是为了系统的安全性考虑的。
切割机在运作时需要有手动的工作方式和自动的工作方式，而材料的切割是要控制它的切割厚度的。在手动的工作方式下，材料的切割厚度是可以由人的视觉感官判定的，而在自动工作方式下，材料的厚度设定就需要在切割之前设定好，这个设定的输入就是通过键盘的给定值判断的，这也牵涉到对键盘的读入和数据的处理方面的问题，这在下面将会一一介绍它们的特点。
控制电路的特点是采用传统的PLC控制方式，结合继电器的控制电路实现各项功能。具有过流保护、过热保护、过压保护等各项装置，系统的安全性也是很高的。
程序设计的分析要结合程序设计时的设计思路和系统的设计要求对程序作一个概括。本系统合其他的系统一样，有公共程序部分、手动程序部分和自动程序部分，自动程序主要的地功能是启动带锯和磨刀，自动程序是根据认为的动作和指令做出相应的动作，在系统的控制要求下，需要做出相应的措施，比如互锁设计。
自动程序的设计最重要的是对输入量的判断，也是材料的切割厚度的设定，键盘的输入是通过拨盘开关的输入量确定的，拨盘开关给的是状态量而不是脉冲，这就需要对其作一些处理。再而就是对切割厚度的判定，在刀架的下移中，测速转轮和接近开关一起组成对刀架的移动量的判定，结合计数器可以知道刀架是否下移到位。
在键盘的输入时需要特别考虑的是在PLC程序中对数据的处理是以BCD码形式处理的，然而在切割厚度的设定中是以十进制处理的，这就存在一个问题，这个转换是在程序中处理还是用硬件来处理，在本系统中，是以硬件结合软件来处理这个问题的，首先是在键盘输入时不能输入比9大的数，再则就是在程序中设计成当单组输入为大于9时程序就会报警并给数据寄存器清零。
PLC控制系统的故障检测与保护是一个十分复杂的问题，在抗干扰措施设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，排除故障，对有些故障和干扰情况还需做具体分析，本文对常用的故障检测方法和输入输出端的硬件保护进行了探讨，这些措施进现场实践，证明是非常有效的，而且成本较低，系统的可靠性则大大提高；在PLC控制系统的实际开发过程中，还应充分考虑到对PLC的各种不利因素，在硬件、软件的设计中采取适当的保护措施，就完全可以使PLC控制系统安全、可靠地运行。
结束语
在我校的以培养应用型人才为教学方针的指导下，学校特安排了一些注工业运用的毕业设计课题，给我们在参加工作岗位之前的一次大验兵，也是给我们最好的一次将自己所学融入实践中的机会。本次为期16周的毕业设计我们学到了很多，不仅是在专业知识上还是在自己实践经验方面都有很大的收获。
我所选的毕业设计课题是基于PLC静态切割机控制系统设计。这是一个技术已经颇为成熟，却又极具潜力可挖的课题。在接受了这一挑战后，我便积极的开始了设计前的各项准备活动。其中主要是对PLC的进一步学习和了解。通过更深层次的学习，我明白了可编程序控制器(PLC)是一种进行数字运算的电子系统，是专门为在工业环境下应用而设计的工业控制器。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。当今社会处在一个高度现代化的环境中，一个国家的现代化程度体现了这个国家的综合国力，而现代化的科技设备又是建设现代化国家不可或缺的工具。可编程序控制器则是其中之一，PLC的高效率、高性价、多功能的特点决定了它是当今工业领域应用极为广泛的技术之一。
有了坚实的理论做基础，我便开始着手于课题的具体设计。此时，我已深深的感觉到做好这一课题不仅仅意味着我很好的掌握了所学的知识，更是意味着我在为不久的将来走向工作岗位迈出了坚实的步伐。所以，我认真的接受了这一挑战。首先，我设计好课题的蓝图，画出它的整体结构并进行可行性分析。接着，我把整个课题分为若干层次，每一个层次每一个层次的去一一攻破。然后，再把每个层次串接成整体，统一进行设计、调试。最后，进行结果检验。正是在这种科学的设计方法帮助下，我按期完成了学校交给的设计任务。
在设计的过程中我也遇到了不少的问题，这些问题是我在平时学习中不曾遇到过的。比如：PLC外部接线问题；顺序功能图的最优化设计问题；硬件的选型问题等等。这些问题是我在以前的理论学习中所不曾遇到过的。最终在指导老师的帮助下，所有的问题够得以解决。这些问题的顺利解决使我收益非浅。
整整一个学期的实践是漫长的，却也是短暂的。其中所学习和所理解的知识是有限的，但实践带来的意义却是重大的。它激发了我对学习的热情，唤醒了我求知的欲望。在长满荆棘的漫长人生道路上，我又迈出了坚实的步伐！
参考文献
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致 谢
毕业设计从课题的选择到设计的完成一共经过了16周。16周下来，总体感觉很辛苦、很累，但收获也是很大的，毕业设计的主要目的是对自己所学进行深刻的综合运用，将以前所学的知识能够连贯起来，对所学的知识也有了一个理性认识和实践实行。通过本次毕业设计，我感觉到自己的实践能力增强许多，自信心也大增。在次期间指导老师也给了我很大的帮助和支持，老师的耐心指导和教诲历历在目，永难忘怀。因此，很感谢在此设计过程中一直悉心指导我的刘老师，有他的帮助，我的设计才能得以完成。还要感谢和同学们，在设计过程中，他们的帮助也是很大的。最后就是要感谢学校给我们的这次机会。
附录A 切割机主电路图
附录B PLC外部接线图
附录C 元件清单
| 名称 | 电气文字符号 | 型号 | 数量 |
| 可编程控制器 | PLC | FX2N-80MS | 1 |
| 带锯电机 | M1 | Y2-112M-2 | 1 |
| 刀架电机 | M4 | Y2-100L2-8 | 1 |
| 磨刀电机 | M2 M3 | JY09B-2 | 1 |
| 台面电机 | M | Z2-42 | 1 |
| 接触器 | KM1、KM3~KM7 | NC6-09 10 | 6 |
| 接触器 | KM2 | NC6-09 08 | 1 |
| 接触器 | KM0 | NCH 8-20 | 1 |
| 熔断器 | FU1 | RT16-00C | 3 |
| 熔断器 | FU2 | RT16-00C | 2 |
| 熔断器 | FU3 | RT16-00C | 3 |
| 熔断器 | FU4 | RT18K-25 | 1 |
| 闸刀开关 | QS0 | HD11-100/38 | 1 |
| 闸刀开关 | QS1 | HD11-100/28 | 1 |
| 热继电器 | FR1 FR2 | NR2(JR28)-11.5 | 2 |
| 转换开关 | SA | LW5D16F/5 | 1 |
| 接近开关 | SQ0 | E2E-X20DM8 | 1 |
| 行程开关 | SQ1~SQ4 | YBLX-K3/20HS/Z | 4 |
| 拨盘开关 | DIP | A7CN | 4 |
| 信号指示灯 | L1 | ND16-22B/4 | 1 |
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