基于切纸机的控制系统技术应用

　摘要

随着造纸技术的不断提高与印刷业的飞速发展，在生活中切纸机的应用也很广泛，人们对切纸机所裁切的纸张质量、规格精度和堆叠质量的要求也随之提高。所切割的纸张的质量由切纸机的性能水平所决定。由此，切纸机在结构与总体方案设计上也随之不断改进。切纸机的品种与规格日益多样化，目的是为了满足用户不断增长的使用需求。传统的切纸机是采用单导轨机械式的结构，它的结构简单，维修方便。但是由于它的机械结构不精细所以冲击力大，也导致了噪音大等问题，并且对使用者安全操作的要求也不理想，非常容易发生生产事故，工作效率也不高。而目前国内进行切纸设备进给定位系统控制主要有两种方式，一种是利用单片机结合变频器实现，另一个是利用单片机结合伺服系统实现，但两者都无法完全达到设备稳定性和成本之间的平衡。于是出现了PLC这种采用计算机中央处理器作为基础硬件，结合通讯技术，自动控制技木和电子技术等多种现代化工业技术的特点而发展出来的工业控制产品。它本身具有成本低，功能强大，体积小等优点，对使用者来说又有编程简单，可靠性非常高，使用非常简便等特点。因此本课题通过分析传统切纸机的工作机制，对传统切纸机的运行模式进行了改造升级，在原有旧设备的基础上增加了手动控制的机械驱动部分与自动化的PLC控制系统，还对其进行了组态监控画面的设计，结合实际生产工艺和切纸机的产品特点对切纸机进行了全方位的设计。

　关键词：可编程控制器;切纸机;PLC控制系统

　1绪论

本章介绍了切纸机控制系统的历史背景知识和国内外发展情况，从它的起源谈到现状，从过去谈到未来发展前景，同时也阐述了本切纸机控制系统的设计目的与意义，对全文的框架结构也进行了安排与介绍。

　1.1本课题研究背景

切纸机是造纸业和学校、办公场所中广泛使用的加工设备。切纸机自发明之初，已经被用户使用了近一个世纪，特别是在印刷业和出版业之中。随着我国市场经济的迅猛发展，切纸机所应用的范围在变广，也深入到老百姓们的每日生活之中，它对于社会的发展做出了重大贡献，给百姓们的生活带来巨大便利。很多行业例如印刷业、食品包装业、造纸业等行业现在已经离不开切纸机这一机械设备了[1-3]。

　1.2切纸机的国内外发展状况

　　1.2.1国外切纸机的发展状况

最早的切纸机结构简单，大多数都采用的单导轨的纯机械模式[4-5]，功能单一，维修方便，但是噪声过大，精度不高，切出来的纸产品常常有瑕疵，在机器出故障时，很容易误伤操作员。所以现阶段大多采用液压系统来驱动，其作用压力大，且较为稳定，易于维修，其切割精度也比早期的纯机械式切纸机高，易于操控。

如今，基于可编程控制器的切纸机的使用也在广泛全面地铺开，其将成为未来所大力发展的方向。基于可编程控制器的切纸机安全高效，且可根据使用需要，改变程序的输入，从而改变机器的运行模式，进而生产出不同规格的产品。世界上第一台自动控制的切纸机是由波拉公司于1956年发明的，至此，通过编写程序来操控切纸机渐渐进入大众的目光[6]。

　1.2.2国内切纸机的发展状况

近几年来，我国切纸机工业的发展速度很快，但是仍未能大规模的推广开来，很多厂家仍采用较为老旧的切纸机，与如今先进的切纸机控制系统有非常大的差距。近年来，国产切纸机的种类，性能也已逐步发展壮大。切纸机控制系统中的切刀定位主要有两种方法：一种方法是同步使用单片机与变频器来进行定位[7]，另一种方法是同步使用可编程控制器与伺服系统来定位[8]。这两种方案各有好处，前者成本低，后者稳定性好。国产切纸机的代表是上海申威达公司的SQZK程控切纸机[9-11]，它使用计算机来控制程序，设计模板很多，并具有较为完善的人机界面和极其自动流畅的运行模式，现已成为国产自研的标杆。

　1.3切纸机控制系统研究的目的和意义

本设计是基于PLC的切纸机控制系统设计[12-14]，其硬件部分采用的是三相异步电动机和相关的切刀、变频器来驱动，采用GXworks软件绘制梯形图程序。设计本切纸机控制系统的目的是打破国外垄断，制作一款低成本的切纸机控制系统，同时也兼顾精度与效率，能够快速精确地切割出适宜尺寸的纸张。使得切纸机能够小型化，平民化，能走进人们的日常生活中，满足百姓的用纸需求，这才是本设计的意义所在。

　1.4本文研究主要内容

本课题主要是对切纸机控制系统进行了研究，其使用PLC作为可编程控制器，并且把机械，电气紧密地联系在了一起，构建了一个机电一体化的工业控制流程。其在技术上主导着自动控制、装置研发、自动生产等行业的发展。从系统的稳定性和可拓展性来考虑，PLC是本设计最好的选择[15-17]。因此，本人使用了三菱FX2NPLC作为可编程控制器来控制切纸机，使用三相异步电机作为切纸机的驱动硬件，三相异步电机精度高，速度快，不易损坏。本文还使用了组态王作为组态软件，绘制出人机界面，通过此软件进行人机互联。这样的切纸机具有成本低廉，人机界面操作简单，易于维修的特点。这套切纸机控制系统能基本满足实际控制的相关要求，在控制系统中，充分体现智能化和自动化的优越性能。

　2切纸机控制系统的设计方案

在对我国目前切纸机的运用范围，制造水平等发展现状进行调研之后，结合国内外先进切纸机的优点，对切纸机控制系统进行了方案的设计，对主要元器件进行了选型，并对其进行了论证。

2.1切纸机的结构

从结构上来看，切纸机分为闸刀式和刀辊式两种结构[18-19]。闸刀式切纸机用于切割较厚的平张纸，刀锟式切纸机则可以通过横、纵切割，来使纸张变为任意所需的规格大小。本文选用刀辊式切纸机，这也是目前应用最广泛的切纸机工作结构[20-22]。

2.2实现功能

初步设计使用可编程控制器来控制切纸机控制系统的运行。本设计使用三相异步电动机来控制切刀电机切纸，并且使用变频器来控制送纸电机的转速。同时需要使用组态画面来监控，实现控制与监控同步进行的产品。在功能要求上，需要实现自动与手动功能的切换，还需要电机过载时的警报功能，而当纸箱已满时，需要发出相应的警报，来提醒用户纸箱已满，需要清空纸张。

　2.3控制功能要求

本课题是基于PLC的切纸机控制系统的软硬件设计，需要设计一整套切纸机控制系统。现初步规划系统的控制功能要求如下：

(1)自动/手动控制功能的切换

本切纸机控制系统的控制模式有两种，分别是自动和手动。在手动模式下，切纸机应实现低、中。高三种速率的供纸，横向切刀电机的运行和切刀电机的快速裁切。而自动运行模式下，上述功能可以依次连贯自动进行。(2)切纸速度的档位切换

方案初步采用三相异步电机控制切刀电机切纸，使用变频器控制推纸电机转速。本方案可以通过GX-Works软件，来输入、修改和变频器的工作频率。从而利用变频器的变频功能，使得三相异步电机的转速得到相应的变化，达到控制纸张切割速度的档位变化。

(3)具有报警功能

考虑到使用刀片快速运动时具有危险性，本设计方案具有快速停机功能，且每个电机运行时，都具有过载警报功能。在收集纸张时，也需设计一个纸箱已满的警报功能，防止因用户的疏忽，纸张的过度堆叠，从而导致最后成品的不合格。

至此，切纸机的各部分控制要求都已明确，此系统的硬件部分主要有控制核心PLC、三相异步电动机、变频器。切纸机系统控制框图具体如下图1所示：

图1切纸机系统控制框图

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在明确切纸机控制要求后，下面应进行方案设计，根据生产需要，切纸机的整个机械结构包括送纸部分、切纸部分、接纸部分。其结构系统示意图如下：

图2切纸机结构系统示意图

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切纸机的送纸部分包含一个送纸锟和与之相配套的传送带，在传送带的周边，还放置了两个压纸锟，用于将传送带与纸张之间的相互作用力进行扩大，从而使纸张可以贴合传送带运行。在使用时，可以将成品纸卷安装在送纸架上，纸张穿过送纸锟与压纸锟之间的缝隙，压纸锟在送纸方向可以进行纵向变化，来调节纸幅的张力。送纸辊电机可以进行三段速调速，整个系统切换手动/自动两种控制模式。

(2)切纸部分

切纸机的切纸部分包含了纸张的横切与纵切两个部分。在开始工作后，纸张运行到需要切割的位置，此时送纸锟停止运行，宽度切刀电机开始运作，将纸张切割到合适的宽度。随后，利用纸的摩擦力，纸张到达下一个切割的地点，切纸机的纵切部分开始运作，纵切切刀是一个可自动/手动控制的上下移动的切刀，用来裁断纸张。

(3)接纸部分

最后，是切纸机的接纸部分，用于完成纸张的收集。它主要由一个斜面和接纸盒构成，利用纸的惯性来收集已切好的纸张。在接纸盒的底部装有一个压力按钮，用于在纸箱时进行报警亮灯提醒。

　3切纸机控制系统的硬件设计

本章对硬件部分开展设计，对PLC进行了功能的设置，设计了切纸机控制回路的主电路图，并列出I/O表。

　3.1PLC类型选择与功能设置

PLC采用可编程的方式存储指令，并执行，它将工业控制系统更紧密地结合了起来，更好地控制各类器械并进行产品生产与加工。PLC可以将现场数据进行实时收集，并进行分析，方便用户进行数据分析并发出相应指令。其具备的通讯功能，能将智能设备互相连接，实现现代化的工业联动。

目前欧美等发达国家是使用和生产PLC的主流国家，我国生产PLC的厂家并不多，且在技术应用和产品推广上做的并不好。

切纸机控制系统并不要求有很高的响应速度，因此可以在参数计算之后，通过编写PLC程序，来满足控制的精度要求。且经过粗略估算，本纸机控制系统预计有13个输入设备，8个输出设备。

因此基于成本和性能考虑，本切纸机控制系统采用三菱的FX2N-48MR型PLC，如图3所示。

图3三菱FX2N系列PLC

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选择三相异步电动机作为拖动电机的原因在第二章已有阐述，下面对其具体型号进行选型。在此设备中，电动机的工作要求是适用于变频环境下的连续稳定工作。故本设计选用Y132M-4型三相异步电动机。其功率为7.5KW，额定电压380V，额定电流15A，额定效率87%，额定功率因数0.85。其电机级数为四级，转速约为1400转/分钟。可以满足切纸机控制时，各电机的指标要求。

Y132M-4型三相异步电动机

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　3.3变频器的选择

变频器可以把通过其内部转换电路的固定频率的交流电，转化为所需频率可控的交流电。在本系统中为了确保在送纸锟在运行过程中运行的平稳性，以及稳定控制传送带的运行速度，要求送纸锟装置在运行过程中的启动和停止控制、速度控制方面具有较高的精度要求，所以在传送带系统中采用了变频器控制异步电机的控制方法。考虑到本课题的变频器运用于传送系统中的三相异步电动机，经考虑选用三菱公司FR-D700系列变频器，如图4所示。

图4三菱FR-D700变频器

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FR-D700型变频器的端子有正转STF、反转STR、高速RH、中速RM、低速RL、公共端SD。STF端子信号为ON时，电机正转;STR端子信号为ON时，电机反转。

在本设计中，采用三段调速，其RH、RM、RL接口分别作为触点与三菱PLC的Y1、Y2、Y3口相连。在实际运行中，

KA1、KA2、KA3为按钮，按下其三个按钮时，按钮信号通过PLC传送入变频器，再控制电机转速，从而实现变频器的调速控制。

D700变频器

　　3.4PLC主电路的设计

根据切纸机系统的工作要求，根据其电机不同的工作特性，下面设计了PLC主电路图，其由三个三相异步电动机组成，其中，只有宽度切刀电机和长度切刀电机可以进行正反转，传送带电机根据设计要求，并不需要涉及正反转控制。以第一个电机为例，当正转接触器KM1闭合时，电源相序按U―V―W接入，而当反转接触器KM2接通时，电源相序按W―V―U接入，电机反转。因此，设计出切纸机控制系统的主电路设计图。

PLC主电路图

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根据切纸机控制系统的设计要求，其输入大致有：系统启停按钮，传送带电机的启停、调速与过载，宽度电机的左右移动与过载，切刀电机运作的上下限位与过载，以及纸箱已满的警报；输出有：传送带的启停与变速，两种切刀电机的不同运作模式，以及亮灯警报。经统计，输入地址约13个，输出地址约8个。各地址的功能分配如下：切纸机的启停分别由X0和X1来实现，输入X7、X10、X11用于控制传送带电机运行的快慢，可以启用三种不同的速度模式。在纸张运行到合适位置时，X3、X4分配给宽度切刀电机，用于切割调整所需纸张的宽度，X12、X13分配给长度切刀电机，用于裁断纸张，从而调整纸张的长度。而X6则使用了一个压力开关，用于判断纸张的数量，在纸张过多时发出纸箱已满的警报。

输出Y3、Y4、Y5分别代表着传送带的低速、中速、高速运行，输出Y1、Y2分别指示着宽度电机的左右移动，Y6、Y7则指示着纸张长度切刀电机的上下移动，Y0则指示着纸箱已满的警报。至此，切纸机的PLC的I/O口地址分配表如下表所示。

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　3.6PLC接线图

在列出本系统的I/O表之后，下一步应进行接线图的设计，因为本系统控制对象较为集中且数量不多，因此将各输入输出的分配连接设计在如下接线图上。

PLC接线图

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本章介绍系统的软件设计部分，在GXworks软件上编写梯形图程序，使得PLC能够正确运行其所需功能。

4.1PLC编程软件简介

GXworks是三菱公司出品的一款软件，可以对PLC程序进行设计、调试和维护。其支持结构化编程，使用范围及其广泛。

　4.2PLC程序设计方法

在对PLC的编程方法进行总结归纳后，总结出四种设计方法：经验编程法、解析编程法、图解编程法及计算机辅助设计法。在实际的程序设计中，需要常练常改，才能熟练掌握这门编程方法。在本切纸机控制的设计中，经过大量尝试后，编译出了符合控制要求的程序。

　4.3程序工艺流程设计

本次切纸机控制系统可分为三个步骤，即送纸部分，切纸部分和接纸部分三个工作流程，可以实现生活用纸的切割以及造纸业的运用。本次的设计严格按照此工艺流程来执行。

首先按下系统启动按钮，整个切纸机系统开始运行，随后系统判断是进行手动切割或是自动切割，之后进行手/自动模式的切换。在手动模式下，传送带开始运行，同时接收信号，由此来决定传送带以何种速度来运行。在传送带开始运行之后，宽度切刀电机也开始运行，它能通过改变移动方向，来调整切割的纸张的宽度。长度切刀电机也开始运行，通过切刀电机的上下移动，用于裁断纸张，从而调整纸张的长度。已切割完毕的纸张会进入接纸箱，接

纸箱底部装有一个压力开关，当纸张数量过多时，会压下压力开关，从而触发纸箱已满的红灯警报。其工作流程示意图如下图5所示：

图5切纸机工作流程图

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　　4.4.1送纸电机部分梯形图

送纸电机部分使用变频器D700调速，可以分为低速、中速、高速三档调速。当系统启动时，分别按下低速中速高速按钮，可以调整送纸电机的转速，从而调整送纸进度的快慢。

其整个部分由三个互锁回路构成，且低速、中速、高速各按钮互不干扰，独立运行。

送纸电机部分梯形图

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控制宽度切刀电机部分的梯形图如下，通过按动宽度左移与右移按钮，可以手动控制切刀横向运行，从而对纸张裁切的宽度进行改变。

宽度切刀电机部分梯形图

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控制上下切刀电机部分的梯形图，其分为自动切与手动切割两种模式，通过切刀的上下移动，根据需要对纸张的长度进行裁切。

上下切刀电机部分梯形图

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下图为压力开关的控制梯形图，可以在纸箱已满时，亮灯警报，从而达到纸箱已满的报警功能。

压力开关梯形图

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　结论

经过了这段时间在计算机上的设计与实验室里调试模拟运行，本切纸机控制系统最终实现了任务书中的各项内容，系统可正常运行，标志着本次毕业设计任务的圆满完成。本课题在分析完当前市面上的各类切纸机之后，将原有的老旧切纸机作为改进对象，通过软硬件相结合的方式，设计了新型的切纸机控制系统，其稳定性与生产效率得到大幅提高，能基本完成设计目标。但仍有很多值得改进的地方，现将其总结如下：1、在安全性上，本设计只有一个电机过载的警报系统。这就对操作人员的合规生产提出了较大的要求，若想提高本切纸机操作上的安全性，可以在主体运行切割装置外加装一个保护罩装置，也可以在手动模式下切割时，设计两个间距较远的按钮，使得操作人员需双手同时按下才启动切割装置。2、组态画面过于简陋，无法实时监控纸张的切割情况，在现代化工业控制中，丰富形象的人机界面是发展趋势。在后续的改进中可以在切刀附近加装一个摄像头，并将其链接到组态界面中，这样操作员可实时监控切纸机的运行情况，并对可能发生的状况进行应急处理。3、在切刀电机的运行与传送带送纸的同步性上，并未进行很好的磨合，还需要在后续的实物运行中，进行调试与改进。

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　致谢

大学3年一晃而过，经过了几个月的努力，最终完成了毕业论文，回望大学生活，心中倍感充实。在开始编辑致谢的时候，百感交集，感慨良多。大学四年的时光，美好且难忘，在这里涵盖了我无数记忆，有过欢乐有过伤心，这些都将变为我今后珍贵的回忆。可是人生终将经历分别，这一次虽然将与学校，与师生分别，但在这个年纪里的遇见，将会永远铭记于彼此心中。在制作毕业设计，完善毕业论文的过程中，我受到了很多帮助，学会了很多新知识。在这里，我想感谢的人有很多，我非常感谢我的毕设导师沈骞导师，经常亲临一线，言传身教，对本人的毕设进行指导与修改，还有教过我的老师们，是他们在这四年的潜移默化的教学，使得我在这四年成长进步了很多。离别只是暂时的，我们终将在更高处重逢。