毕业设计（论文）-基于PLC的碎纸屑压块机的电气控制设计.pdf

xxxxxx 本科毕业设计（论文） 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 碎纸屑压块机的国内外发展现状碎纸屑压块机的国内外发展现状 当前小型压块机在冶金、 机械、 橡胶、 粮食加工、 环境保护等行业应用非常广泛。 比如对金属屑、橡胶颗粒、垃圾、废纸屑等的压制成型,以便于包装和运输。传统的 压块机采用继电器控制线路,其主要缺点是接线复杂、触点误动作多、故障率高、自 动化程度不高。plc 作为一种基于工业电气控制特点设计的自动化控制产品,因其功 能强、成本低、编程简单、体积小而逐步取代了继电器控制线路。液压设备以其“柔 性”动力传动和单一的直线驱动力,使系统具有较长的生命周期和较高的工作效率。 因此,压块机控制系统首选液压传动与 plc 电气控制系统相结。 1.21.2 设计的目的及意义设计的目的及意义 通过该题目的设计， 使我们初步掌握电气设计的方法和步骤，同时进一步掌握可 编程序控制器(plc)的工作原理，接口技术，软件编制方法及熟练的使用 plc 开发装 置，为毕业后从事工厂的电气控制系统的设计、维护、修订打下一定的基础。此外， 通过进行系统仿真，能够训练学生对液压控制系统的设计能力和对工程实际运用能 力。 1.31.3 本设计的主要内容本设计的主要内容 研究某碎纸屑压块机的外形与功能 研究某碎纸屑压块机的工艺流程 研究碎纸屑压块机的电气控制原理 碎纸屑压块机基于 plc 的电气控制设计 对所设计的系统进行模拟仿真调试 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 2 2 2 碎纸屑压块机的运行情况分析碎纸屑压块机的运行情况分析 2.12.1 压块机简介压块机简介 压块机是利用特定的工作介质传动压力，将不同的原材料进行压缩成型的机械， 种类很多。传动压力的工作介质有机械传动和流体传动两种类型。 机械传动类型包括： 靠机件间的摩擦力传递动力和运动的有摩擦压力机； 靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的压力机。 流体传动类型包括：液压传动和气体传动。 液压传动类型分为油压机和水压机； 气压传动类型即为气动压力机压机。 2.22.2 碎纸屑压块机的结构与功能碎纸屑压块机的结构与功能 碎纸屑压块机的功能是将粉碎了的废纸、 废包装箱的纸屑按一定比例参合特殊液 体后压成规则的长方体， 这种材料特别适合用于草籽的播种和存放等，是一种新型的 绿化用材料。 碎纸屑压块机的所有动作都是由液压缸来完成的，因此是全液压设备。执行机构 的比较简单，全部是液压缸，而且每个液压缸的动作都是类似的。值得注意的是液压 缸动作完成之后必须回到原始的位置上，否则很容易导致设备的损坏。 图 2.1 碎纸屑压块机实物图 xxxxxx 本科毕业设计（论文） 3 2.32.3 碎纸屑压块机的工艺流程碎纸屑压块机的工艺流程 压块机执行机构比较简单，属于顺序控制结构，均采用液压缸，每个液压缸的动 作类似，液压缸动作完成之后必须回到原来的位置上，以保证设备不受损坏，否则就 会启动报警系统。其自动过程顺序如下： 来料信号有效时，说明原料已经准备好。这时，将液压系统的卸荷阀关闭， 使 液压系统转为工作状态。然后第一个动作就是将料门打开，并延时一定时间，以允许 来料进入压料箱。 延时时间到，进行侧压。 （所谓侧压就是在前后两个方向上对来料进行压制。 侧压是机械限位的，侧压过程只控制压制时间。 ） 时间到后主压下缸动作，开始压下。压制一定时间之后有一个抬起动作。 二次压下缸抬起，以让出空间准备接受块体。 推块缸动作，将块体推到二次压下缸的下面。 二次压下缸动作，压紧块体。停留一定时间后，再次抬起时，就结束了一个自 动循环。 为了保证设备的安全， 该设备除了料门液压缸以外，其余所有的液压缸回位都由 行程开关作为位置指示。 液压缸的伸出是按时间控制， 而液压缸的缩回是按行程控制。 一旦在一定时间内液压缸的回位动作信号还没有返回，则控制系统立即报警(报警只 是提示操作者注意，控制系统本身并没有动作)。 由于该设备的动作简单，只要能按顺序完成动作即可，因此 plc 的程序也就很 容易编制。 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 4 3 3 系统总体设计方案系统总体设计方案 3.13.1 方案的对比方案的对比 3.1.13.1.1 传统继电器控制方案传统继电器控制方案 继电器是一种当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出 电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电 气量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、 体积小等优点。 广泛应用于电力保护、自动化、 运动、 遥控、测量和通信等装置中 【1】 。 继电器逻辑控制的特点如下： 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。触点数目有限，每只一般只有 4 8 对触点。 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限制不能吸合。 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。 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。 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。 可靠性与可维护性：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。 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 【2】。 xxxxxx 本科毕业设计（论文） 5 3.1.23.1.2基于基于 plcplc 的控制方案的控制方案 控制逻辑：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”的触点数理论上无限制，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。 工作方式： 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。 控制速度： 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。 限时控制：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 0.1 s 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 10 ms 且 定时时间不受环境的影响。 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。 设计与施工：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。 可靠性和可维护性：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。 价格：plc 使用中大规模集成电路，价格比较昂贵 【3】。 3.23.2 方案选定方案选定 综上所述：plc 的优点是外部接线简单,内部程序可变，在不改变接线的情况下， 可以重新设计程序,施工周期短，内部软继电器是寄存器,没有触点，故障率低，寿命 长，抗干扰能力强，执行时间短，应用指令多，可实现复杂的控制功能等等。传统继 电器的不足之处是有触点系统,故障率高、平均修复时间长、寿命短、功耗大、改变 系统功能，将要重新接线，工作量大，容易出错，执行时间长等等。 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 6 所以本设计中碎纸屑压块机采用基于 plc 的电气控制系统。 3.33.3 方案的描述方案的描述 碎纸屑压块机的自动控制部分采用 plc 控制，将编制好的程序输入 plc，plc 输 出端子与设备的执行元件（电磁阀）相连，利用内部程序驱动液压设备电磁阀，从而 控制液压缸的动作，使设备执行正确的动作，一旦自动运行过程中出现故障，系统的 报警系统便会被启动，出现故障的部分有相应的指示灯指示，待操作人员检修。 传统的压块机采用继电器控制线路,其主要缺点是接线复杂、触点误动作多、故 障率高、自动化程度不高。液压设备以其“柔性”动力传动和单一的直线驱动力,使 系统具有较长的生命周期和较高的工作效率。因此,此次设计的碎纸屑压块机控制系 统首选液压传动与 plc 电气控制系统相结 【4】 。 3.3.13.3.1 碎纸屑压块机的液压控制系统碎纸屑压块机的液压控制系统 一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、无件 和液压油。 动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指的是液压系 统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。 碎纸屑压块机的液压系统主要由四种主要元件组成，即动力原件(液压泵) 、执 行元件(液压缸) 、控制元件(电磁阀) 、辅助元件(油箱、油路和滤油阀)。碎纸屑压块 机的所有动作都是由液压缸来完成的，因此是全液压设备。执行机构也比较简单， 全 部是液压缸， 而且每个液压缸的动作都是类似的。碎纸屑压块机的液压装置中液压缸 有料门液压缸、侧压缸、推块缸、主压缸、二次加压缸。不同的液压缸动作完成不同 的压块动作。 设备中用不同的电磁阀通断电来控制不同的液压缸动作， 从而输出动力， 实现碎纸屑压块机的每一步动作。 值得注意的是液压缸动作完成之后必须回到原始的 位置上，否则很容易导致液压设备的损坏 【5】 。 3.3.23.3.2 基于基于 plcplc 的电气控制系统的电气控制系统 整个控制系统由液压部分和电气部分组成，其基于 plc 的电气控制系统框图如 图 3.1 所示。 plc 是整个控制系统构成的核心，动作传输信号采用按钮、限位开关 直接和 plc 输入端相连，简单易于实现。plc 输出端直接和主要控制号、指示信号、 报警信写及控制器件相连。各种控制逻辑以及时间控制完全在 plc 内部通过编程实 xxxxxx 本科毕业设计（论文） 7 现。 为保证系统的安全，该设备除了料门 液压缸外，其余所有的液压缸的回位都有 行程开关作为位置指示。液压缸的伸出是 按时间控制，其回缩是行程控制。当液压 缸在规定时间内的回位动作信号没有返 回，则控制系统立即报警以提醒工作者注 意，但系统本身并不动作。 图 3.1 碎纸屑压块机基于 plc 的电气系统框图 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 8 4 4 硬件的设计与制作硬件的设计与制作 4.14.1 碎纸屑压块机的液压系统硬件设计碎纸屑压块机的液压系统硬件设计 碎纸屑压块机的液压装置中液压缸有料门液压缸、侧压缸、推块缸、主压缸、 二 次加压缸。 不同的液压缸动作完成不同的压块动作。设备中用不同的电磁阀通断电来 控制不同的液压缸动作，从而输出动力，实现碎纸屑压块机的每一步动作。 液压系统中， 液压泵为整个液压系统提供动力，卸荷阀用来控制整个系统的加压 或卸荷，以达到工作目的。溢流阀用来平衡系统的压力，使系统始终工作在所设定的 压力范围内，起到了保护的作用。用来控制料门打开或关闭的电磁阀，我选用二位四 通电磁阀，电磁铁通电，根据液压的流向，驱动料门液压缸内活塞动作。在一次压块 运行过程中，料门始终打开，使压料及时进入压料箱。用来控制侧压动作的电磁阀我 们选用三位四通阀，电磁铁断电情况下，液压油路被封锁，不产生压力。当左边电磁 铁通电，则根据左边油路流向，产生相应压力，执行相应动作。右边电磁铁通电时， 左边电磁铁断电，则根据阀右边的油路流向，执行相应的返回动作。推块缸和主压缸 还有二次加压缸都选用三位四通阀，动作执行方式基本一致 【5】 。以下是碎纸屑压块 机自动运行过程： 图 4.1 碎纸屑压块机的工艺流程框图 xxxxxx 本科毕业设计（论文） 9 图 4.2 碎纸屑压块机的液压系统原理图 碎纸屑压块机自动过程控制要求: 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 10 表 4.1 碎纸屑压块机的自动运行控制要求 动作器件动作器件控制元件控制元件符号符号电 磁 铁电 磁 铁 通 电 状通 电 状 况况 功能功能备注备注 泄荷阀加压电磁铁ya1+泄荷阀关毕系统产生压力，开始动 作 料门液压缸料门打开电磁铁yaa+料门打开延时规定时间 侧压缸侧压缸推进电磁 铁 ya4+侧压缸推进延时规定时间 侧压缸侧压缸退回电磁 铁 ya5+侧压缸退回规定时间内为退回则报 警 主压缸主缸压下电磁铁ya2+主缸压下延时规定时间 主压缸主缸抬起电磁铁ya3+主缸抬起规定时间内未到位则报 警 二次加压缸二次加压缸抬起 电磁铁 ya9+二次加压缸 微抬 （接受块 体） 规定时间内未到位则报 警 推块缸推块缸推进电磁 铁 ya6+推块缸推进延时规定时间 推块缸推块缸退回电磁 铁 ya7+推块缸退回规定时间内未退回则报 警 二次加压缸二次加压缸压下 电磁铁 ya8 + 二次加压缸 压下 （未归位则报警）延时 规定时间 二次加压缸二次加压缸抬起 电磁铁 ya9 + 二次加压缸 抬起 规定时间未归位则报警 料门液压缸料门打开电磁铁yaa料门关闭延时规定时间 泄荷阀加压电磁铁ya1泄荷阀打开延时规定时间后进入下 个循环 xxxxxx 本科毕业设计（论文） 11 4.24.2 碎纸屑压块机碎纸屑压块机 plcplc 电气控制硬件设计电气控制硬件设计 4.2.14.2.1plcplc 输入输出分配输入输出分配 我们在上一节分析了液压系统的动作状况， 清楚了对系统执行元件的自动运行控 制要求，不同的行程开关控制不同的电磁阀，输出不同的运行动作。根据上一章所得 出的 plc 电气控制系统框图，系统的启动按钮，行程开关与 plc 的输入端相连；电 磁阀与报警器等执行元件与 plc 的输出端相连，根据控制要求，我们确定了输入输 出点数。i/o 端子分配表见表 4.2。 表 4.2 i/o 端子分配表 输输 入入 功功能能输输 出出功功能能 xo电动机启动y0电动机运转 x1系统升压/卸荷y1加压 x2主缸压下行程开关y2主缸压下 x3主缸抬起行程开关y3主缸抬起 x4侧缸推进行程开关y4侧缸推进 x5侧缸缩回行程开关y5侧缸缩回 x6推块缸推进行程开关y6推块缸推进 x7推块缸缩回行程开关y7推块缸缩回 x10二次加压缸压下行程开关y10二次加压缸压下 x11二次加压缸抬起行程开关y11二次加压缸抬起 x12料门打开/关闭y12料门打开 x23紧急停止y21报警器 内部继电器：t0-t11，功能为定时器；m8002，功能为初始化。 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 12 4.2.24.2.2 端子外部接线图端子外部接线图： 图 4.3 plc 端子接线图 xxxxxx 本科毕业设计（论文） 13 4.2.34.2.3 电器元件符号及功能说明：电器元件符号及功能说明： 表 4.3 元器件符号与功能说明 符号符号名称及用途名称及用途符号符号名称及用途名称及用途 c1电动机继电器sb1电动机启动/停止按钮 ya1加压电磁铁sb2升压/泄压按钮 ya2主缸压下电磁铁sq1主压缸压下行程开关 ya3主缸抬起电磁铁sq2主压缸抬起行程开关 ya4侧缸推进电磁铁sq3侧压缸推进行程开关 ya5侧缸退回电磁铁sq4侧压缸缩回行程开关 ya6退块缸推进电磁铁sq5推块缸推进行程开关 ya7推块缸退回电磁铁sq6推块缸缩回行程开关 ya8二次加压缸压下电磁铁sq7二次加压缸压下行程开关 ya9二次加压缸抬起电磁铁sq8二次加压缸抬起行程开关 yaa料门打开电磁铁sq9料门打开/关闭开关 yab报警器kj紧急停止按钮 h1-h11电磁铁通电指示灯 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 14 4.34.3 元器件的选型元器件的选型 4.3.14.3.1plcplc 的选型的选型 plc 的分类：小型 plc 的功能一般以开关量控制为主，它们的输入输出点适合 于接触器和继电器控制的场合，还能直接驱动电磁阀等执行元件。 中型 plc 不仅 具有开关量和模拟量两者的控制功能，还具有数字计算的能力。其内部一般具有 8 位或 12 位的 a/d 转换器， 而且在 plc 内部也具有多路 a/d 转换器。 大型 plc 已经 与工业控制计算机相近，它具有计算、控制和调节功能，还具有网络结构和通信联网 能力。 plc 的特点：可靠性高、抗干扰能力强。配套齐全、功能完善、适用性强。 易学易用，深受工程技术人员欢迎。系统的设计、建造工作量小、维护方便、 容 易改造。体积小、重量轻、能耗低。 plc 的功能：逻辑控制 定时（计时）控制 计数控制 步进控制 a/d、 d/a 转换 数据处理 根据对工艺的分析及对各种特殊功能的设计，整个控制系统的实现需要 12 个输 入点和 12 个输出点。 考虑到生产工艺的改进及系统的可塑性，我们选用日本三菱公司的 fx2n48mr 可编程控制器，具有输入继电器 24 点，输出继电器 24 点，它每点的输出能力为 2a， 根据这一指标，我们可以选用电磁阀线圈等负载，在安全条件下，直接与 plc 输出继 电器相连。内部继电器 t0t11，功能为定时器，这样，我们选用的 plc 就有足够的 余量进行设备功能的扩展和运行方式的改进。 fx2n 系列是 plc fx 家族中最先进的系列。它最大范围的包容了标准特点、程序 执行更快、 全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量 特殊功能模块，可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 xxxxxx 本科毕业设计（论文） 15 4.3.24.3.24.3.24.3.2 电器元件表电器元件表 【6 6 6 6】 表 4.4 元器件清单表 器件名称器件名称型号规格型号规格个数个数生产厂家生产厂家 液压泵cb-321四川长江液压件有限责任公司 液压缸hsgl01-40/de6四川长江液压件有限责任公司 溢流阀y-25（b）1上海东方液压件厂 电磁阀34d-25bo4上海东方液压件厂 电磁阀24d-25bo1上海东方液压件厂 单向阀s10p101上海东方液压件厂 按钮开关ad16-216r（红）3上海永星电子开关有限公司 行程开关西门子-3se2100-1e9上海永星电子开关有限公司 指示灯 hlzd711rl2412上海永星电子开关有限公司 plcfx2n-48mr1杭州华锐电气有限公司 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 16 4.44.4 各器件具体参数各器件具体参数 表 4.5 各器件具体参数表 器 件器 件 名称名称 额定压额定压力力 mpampa 最高压最高压力力 mpampa 排排量量 ml/rml/r 额定转额定转速速 r/minr/min 质量质量 kgkg 驱动功驱动功率率 kwkw 生产厂家生产厂家 齿 轮 泵 1012.532.115006.48.9四川长江液压件 有限责任公司 器 件 名器 件 名 称称 型号规格型号规格公 称 压公 称 压 力力 mpampa 缸径缸径 d d mmmm 杆径杆径 d d mmmm 最大行程最大行程 s s mmmm 生产厂家生产厂家 液压缸hsgl01-40/de164020320四川长江液压件 有限责任公司 器 件器 件 名称名称 型号规格型号规格流流量量 l/minl/min 调压范围（调压范围（mpampa）接 口 尺接 口 尺 寸 板寸 板 式式 mmmm 阀径阀径 mmmm生产厂家生产厂家 最大最大最小最小卸荷卸荷 溢 流 阀 y-25（b） 256.30.50.151216上海东方液压 件厂 器 件 名器 件 名 称称 型号规型号规 格格 通通径径 mmmm 使 用 电使 用 电 压压 最大承受最大承受 电流电流 a a 最 高 压最 高 压 力力 mpampa 流流量量 l/minl/min 生产厂家生产厂家 电磁阀34d-25 bo 10dc24v1.531.525上 海 东 方 液压件厂 电磁阀24d-25 bo 10dc24v1.531.525上 海 东 方 液压件厂 cccc 科毕业设计（论文） 17 器 件器 件 名称名称 型 号 规型 号 规 格格 通径通径 (mm)(mm) 开 启 压开 启 压 力力(mpa)(mpa) 调 压 范 围调 压 范 围 (mpa)(mpa) 流量范围流量范围 (l/min)(l/min) 使用电压使用电压 生产厂家生产厂家 单 向 阀 s10p10100.05631.540400dc24v上海东方液压 件厂 行程开关规格型号行程开关规格型号使用环境温度使用环境温度额定绝缘电压额定绝缘电压额定发热电额定发热电 流流 额定熔断短路电额定熔断短路电 流流 西门子-3se2100-1e-5+40380v 10a 1000a rl1-15/10 按钮开关规格型号按钮开关规格型号电气额定值电气额定值 （阻性阻性 负载）负载） 接触电阻（初接触电阻（初 始值）始值） 绝 缘 电 阻绝 缘 电 阻 （常态）（常态） 耐压（常态）耐压（常态） ad16-216r（红）3a 250v/ac小于等于 50 毫 欧 大 于 等 于 1000 兆欧 1500v 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 18 5 5 基于基于 plcplc 的系统软件设计的系统软件设计 5.15.1plcplc 软件介绍软件介绍 plc 软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、 编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断 机器故障。标准语言梯形图语言是我们最常用的一种语言，它有以下特点: 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语 和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是 plc 输入点接的开关 也可以是 plc 内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结 果供 cpu 部使用。 plc 是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结 果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。 语句表语言，类似于汇编语言。 逻辑功能图语言， 沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个 功能左边画输入、右边画输出。 可编程控制器的基本指令是基于继电器、定时器和计数器等元件，主要用于 逻辑处理的指令。fx2n 系列可编程控制器应用指令依据应用不同，还可分为数 据处理类，程序控制类，特种应用类，以及外部设备类。根据压块机的工艺流程 可知，其工作过程是典型的顺序控制，液压缸依次循环运行故采用顺序设计法。 碎纸屑压块机的顺序控制程序用状态转移图表示，状态元件 s 有 900 点， 从 s0s900 可用于构成状态转移图，其中 s0s9 是状态转移图中的初始状态。 顺序控制设计法是一种对那些按动作的先后顺序进行控制的系统， 适宜使用顺序 设计法编程， 而且在顺序控制设计法编程时，顺序功能图能很清楚地表示各个工 作点的功能、点与点之间的转换顺序及其转换条件 【7】 。 下图是碎纸屑压块机自动执行控制过程， 根据自动运行过程中相应的开关控 制要求，我们可以画出其状态转移图和梯形图。 cccc 科毕业设计（论文） 19 图 5.1 碎纸屑压块机自动运行过程控制流程 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 20 5.25.2 碎纸屑压块机状态转移图（碎纸屑压块机状态转移图（sfcsfc） 根据前一节我们所分析的碎纸屑压块机的自动控制要求， 我们可以很简单的 画出碎纸屑压块机的状态转移图（sfc） 。 状态转移图是一种新颖的， 按照工艺流程图进行编制的图形编制语言。设计 者按照生产工艺要求， 将机械动作的一个工作周期划分为若干个工作阶段（简称 为“步” ） ，并明确每一步所要执行的输出； “步”与“步”之间通过制定的条件 进行转换；在程序中，只需要通过正确连接进行“步”与“步”之间的转换， 便 可以完成机械的全部动作。 碎纸屑压块机的自动运行过程比较简单，每台液压缸以此动作，以完成每步 动作，并通过相应电磁阀的通断来进行“步”与“步”之间的转换。例如：我们 按下碎纸屑压块机的启动按钮，系统开始进入自动运行状态。进入第一步：系统 加压预备运行。如图 5.2 是碎纸屑压块机自动运行的 sfc 图： cccc 科毕业设计（论文） 21 图 5.2 碎纸屑压块机状态转移图 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 22 5.35.3 步进梯形图编程步进梯形图编程 sfc 程序转化为“步进梯形图”形式，需要通过专门的指令进行。三菱 fx 系列 plc 用于 sfc 编程转换的指令较简单。 我们采用 fx-gp/win-c 编程软件，该软件有以下功能“ (1)脱机编程：可以在计算机上通过专门的软件采用梯形图，指令表及 sfc 顺序 功能图来创建 plc 程序。 (2)文件管理：可对编写的文件进行保存、复制、重命名、打印等。 (3)程序传输：通过专用的电缆、接口，将计算机与 plc 建立起通信连接后， 可 实现程序的读入与写出。 (4)运行监控：plc 与计算机建立通信后，计算机可对 plc 进行监控，实时观察 各编程软件 on/off 情况。 步进梯形图指令： (1)状态母线生成 stl 指令。 下图 5.3 是碎纸屑压块机部分梯形图： 图 5.3 起始部分梯形图 (2)流程结束 ret 指令。 下图 5.4 是碎纸屑压块机部分梯形图(流程结束部分)： cccc 科毕业设计（论文） 23 图 5.4结束部分梯形图 (3)状态初始化 zrst 指令。 (4)状态初始化 ist 指令。 完整梯形图见附录一 5.45.4程序代码程序代码 步进梯形图编制好后，编程软件可自动转换成指令程序。 下图 5.5 是步进梯形图转化成的部分代码： 图 5.5 部分指令代码程序 完整程序代码见附录二 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 24 6 6 6 6 系统调试与仿真系统调试与仿真 6.16.1 系统模拟调试基本思路系统模拟调试基本思路 plc 程序编好后，就可以进行系统调试了。 在实际现场中，为了保证调试工作的顺利进行，在进行系统调试前，应根据系 统设计规定的要求，认真对照系统和设备的设计要求与图纸，进行各项检查。尽可 能的排除设备在安装、制造过程中存在的各类问题，改正控制系统在安装、连接等 过程中存在的不合理、 不正确因素。 首先进行硬件调试： 通电检查 手动旋钮 i/o 连接检查 安全电路确认。其次是软件调试：手动/单步运行试验 自动运 行试验 异常运行试验 【8】 。 在此次毕业设计中，由于试验设备的局限性，试验箱与现场设备相差较大，我 们采用简单的模拟仿真调试。模拟调试可以通过仿真软件来代替 plc 硬件在计算机 上调试程序。 用编程软件将输出点强制 on/off， 观察对应的控制柜内 plc 负载 （指 示灯、接触器等）的动作是否正常，或对应的接线端子上的输出信号的状态变化是 否正确。比如，我们将程序输入试验台计算机后，与实验室的 fx2n-48mr 连接， 将程序写入 plc，打开开关，plc 的“power”指示灯亮，表示通电。打开 plc 的运 行开关，plc 的“run”指示灯亮，系统开始运行，由于设备中的输入行程开关比 较多，我们只能单步手动按下开关，进行简单的模拟仿真。试验台上的指示灯亮表 示设备中的动作，同时表示 plc 相应的输出所连接的电磁铁通电。如果没有按正常 的工序运行，表示系统出现问题，进行进一步检查。如果在实验台上，则可以检查 连接线是否完好，如果连接线完好的话，再调试程序，进行改进。 6.26.2模拟调试具体方式模拟调试具体方式 6.2.16.2.1 模拟仿真电路设计模拟仿真电路设计 我们用试验台进行碎纸屑压块机控制系统的模拟仿真，由于学校实验室设备的 局限性，不可能用每一个真实的器件进行模拟仿真，所以我们用按钮开关之类的器 件代替设备的输入器件，并只能采取手动控制，用灯泡代替设备中 plc 的输出端， 灯泡亮则表示输出正确，下图 6.1 是我们设计的模拟仿真电路： cccc 科毕业设计（论文） 25 图 6.1 模拟仿真电路 输入端我们与实验箱上的开关连接，输出端在现场设备中与电磁阀等元件相 连，在模拟仿真中，我们用灯泡来代替电磁阀，报警器我们也用灯泡来代替。 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 26 6.2.26.2.2 模拟仿真操作步骤模拟仿真操作步骤 连接好仿真电路后，我们开始进行仿真调试。 首先，检查实验箱上的 fx2n-48mr 是否正常工作，打开试验箱上的开关，plc 指示灯“power”亮起，表示通电正常，可进行下一步工作。按模拟仿真电路中的连 线，将对应的输入输出口连接好。 其次，我们采用 fx-gp/win-c 编程软件，将编好的梯形图程序输入计算机，从 计算机中写入试验台上的 plc 中。 再次，程序写入并经过核对后，打开 plc 的运行开关，plc 上的运行指示灯 “run”亮起。 最后，我们进行单步仿真调试，按照梯形图中的常闭常开开关动作，我们就在 实验箱上采取手动动作，观察是否与预期的结果一致 【9】 。 6.36.3 系统模拟预期结果系统模拟预期结果 我们按照仿真步骤进行模拟仿真，观察运行结果。 cccc 科毕业设计（论文） 27 表 6.1 系统模拟仿真表 动作序号动作序号模拟输入开关模拟输入开关模拟输出（模拟输出（hlhlhlhl）指示灯状况指示灯状况模拟的功能模拟的功能 1 1 1 1 按下x0 y0亮电动机工作（持续循环） 2 2 2 2按下 x1y1亮卸荷阀关闭（持续） 3 3 3 3按下 x12y12亮料门打开（持续） 4 4 4 45 秒后y4亮侧压缸推进（持续 5 秒） 5 5 5 5按下 x4y5亮侧压缸退回 （10 秒内未退回 y21 亮） 6 6 6 610 秒内按下 x5y2亮主缸压下（持续 5 秒） 7 7 7 75 秒 到 并 按 下 x2 y3亮主缸抬起(10 秒钟未抬起 y21 亮) 8 8 8 8 10 秒内按下 x3y11亮二次缸抬起(5 秒钟未抬起 y21 亮) 9 9 9 9 5 秒内按下 x11y6亮推块缸推进（持续 3 秒） 101010103 秒时间到并按 下 x6 y7亮推块缸退回 （10 秒钟未退回 y21 亮) 1111111110 秒内按下 x7y10亮二次缸压下（持续 5 秒） 121212125 秒时间到并按 下 x10 y11亮二次加压缸抬起（(10 秒钟 未抬起 y21 亮) 1313131310 秒 内 按 下 x11 y12灭料门关闭（持续 3 秒） 141414143 秒时间到y1灭系统卸荷（持续 3 秒后进入 下个循环） 如表 6.1 所示，我们根据控制要求，系统采取自动控制过程。程序内设有相应 的时间，若规定时间内没有按要求动作，则发出报警信号，若出现状况，则可以用 紧急停止按钮 x23 来使程序回到初始状态。 基于 plc 的碎纸屑压块机的电气控制设计 28 7 7 结结 论论 本设计对碎纸屑压块机进行了基于 plc 的电气控制设计，并成功的进行了模拟 仿真。 本设计首先对碎纸屑压块机进行了工艺分析，首先得出了系统原理图，设计中 的压块动作均由液压缸完成，因此是全液压设备，每个液压缸由对应电磁阀控制。 设计中的 plc 选用日本三菱公司的 fx2n 系列，控制程序采用状态转移功能图。研 究出每个动作过程的控制要求，并根据要求编制出梯形图。 模拟仿真在电气控制设计中很重要。由于外界因素的局限性，进行了简单的模 拟仿真