多工位压力机控制系统设计

SHANDONG 毕业设计说明书 多工位压力机控制系统设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 赵大明 学 号： 0812107301 指导教师： 王 健 2012 年 6 月 摘 要 I 摘 要 多工位压力机是一种先进成型的发展迅速的专用机械设备。利用多工位送 料机构（机械手） ，可将工件从一个模具上成型后传送到另一个模具成型，传 送距离短，实现了多个工位在一个压力机上完成的目的。 本次所设计的用于汽车板簧加工的多工位压力机为四工位压力机，包括压 延，切头，压槽，打字四个工序。整个控制系统的由 PLC 为主控制，通过位置 传感器来判断工件位置，液压阀和行程开关控制液压缸的进退，从而达到能够 自动加工工件的目的。 多工位压力机具有自动化程度高、生产率高、用人少、占地面积少、操作 安全、工件的生产周期等优点。随着多品种生产类型的不断增多，多工位压力 机的应用前景日益明显。 关键词关键词: 多工位压力机,机械手,自动化,PLC Abstract II Abstract The multi-station press is an advanced molding the rapid development of special machinery and equipment. Use of multi-position feed mechanism (robot), the workpiece can be transferred to another mold from a mold after molding, molding, transmission distance is short more than one station in a press purpose of。 Designed for the processing of automobile spring multi-station presses four presses, including rolling, cutting head, pressure tank, typing four processes. The whole control system by PLC-based control, the position sensor to determine workpiece position, the hydraulic valve and limit switch to control the advance and retreat of the hydraulic cylinder, so as to achieve the purpose of that automatically workpiece。 The multi-station press with a high degree of automation, high productivity, employers, covers an area, the safe operation of the production cycle and the advantages of the workpiece. With the growing number of multi-variety production type, multi-station presses the outlook has become increasingly evident。 Key words: multi-station presses, robotic automation, PLC 目 录 III 目 录 摘 要I ABSTRACTIII 目 录III 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 资料调研与分析1 1.2 课题的目的和意义2 1.3 课题的主要技术参数和技术指标3 第二章 多工位压力机的组成原理及控制方案设计.5 2.1 原理分析与要求5 2.2 控制方案的设计比较和选择5 2.2.1 PLC 与继电器的比较 5 2.2.2 PLC 与 FCS、DCS 的比较 6 2.3 多工位压力机控制原理图7 2.4 多工位压力机控制系统连线图9 第三章 控制系统硬件设计.12 3.1 位置传感器的选型 12 3.1.1 传感器的原理 12 3.1.2 位置传感器的型号及参数 13 3.1.3 液压阀的工作原理及选型 14 3.1.4 液压阀的参数指标和工作原理 15 3.2 PLC 的选型. 17 3.2.1 PLC 的简介 . 17 3.2.2 可编程控制器的优点 18 3.2.3 可编程控制器的工作原理 19 3.3 输入输出模块的选择. 20 第四章 控制系统软件设计.23 目 录 IV 4.1 控制系统的主程序设计 23 4.1.1 主程序流程图设计 . 23 4.1.2 主程序梯型图 24 4.2 控制系统子程序设计 25 4.2.1 压延子程序设计 25 4.2.2 切头子程序设计 27 4.2.3 压槽子程序设计 28 4.2.4 打字子程序设计 30 4.2.5 复位子程序设计 33 结 论 .35 参考文献36 致 谢. 37 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1 资料调研和分析 随着中国经济的高速发展，中国在国际上的地位日益显著，然而世界上金 融危机。欧债危机,局部战争等不稳定因素也在不断的增加，一个国家的实体经 济和国防力量的实力强弱，直接影响着这个国家应对这些不稳定因素强弱。我 国必须坚持不断的发展我们的国防航空事业，发展我们的汽车机械铁路等实体 产业，来增强我们这个国家在应对不稳定因素时的“免疫力” 。模锻锻压在国 防汽车工程机械等领域发挥着举足轻重的作用，是这些领域发展的基础。 随着这些领域的不断发展对模锻件的要求也越来越高。然而传统的模锻成型设 备，难以满足工业的要求，同时随着国家能源的日益消耗缺乏这些传统的模锻 成型设备也难以满足国家节能减排的要求，所以应运而生了更加精密节能的模 锻设备的产生。 多工位压力机是一种先进成型的有着迅速发展前景的工业制造的机械设备。 利用与多工位相匹配的机械手，将工件在一个工位上加工成型后运送到下一个 工位进行加工，传送的距离较短，实现了多个不同的工位在通一个压力机上进 行加工工件的目的。采用多工位压力机成型具有自动化程度高、生产率高、用 人少、占地面积少、操作安全、工件的生产周期等优点。由于可以分解为多道 工序，因而模具可以简化，既有利于模具制造，同时又提高了模具寿命，同时 还可以加工成型形状相对复杂的工件。随着多品种生产类型的不断增多，多工 位压力机的应用前景日益明显。 上世纪 80 年代以来,汽车工业中大型覆盖件冲压生产对冲压设备提出了越 来越高的要求,促进了大型多工位压力机技术迅速发展。可编程控制器之处是实 现了多工位压力机的高效率的工作。在多工位压力机加工工件时,依据工件成形 的工艺要求,通过可编程控制器 进行实时控制。本文在通过研究产生 PLC 控制 压力机方案基础上,对四工位压力机系统进行设计与分析,建立四工位压力机系 统的数学模型,并对四工位的压力机系统进行仿真分析和优化。 第一章 绪论 2 表 1-1 压力机的性能比较 类型 性能 多工位压力机普通压力机 占地面积小大 加工速度快较慢 自动化程度高低 工件生产周期固定不固定 生产效率高较低 生产安全性高较低 成本较低较高 操作难度较低较高 占用人力资源较少较高 通过多工位压力机和普通压力机的对比可以看出，多工位压力机具有独特 的性能优势，既有普通压力机的特长，它还克服了其他设备的劣势。具体性能 优势可以从以下几个方面具体来阐述： 1.多工位压力机的制造精度相比其他设备可以准确的控制。 2.多工位压力机的加工速度比普通压力机的速度要快，效率要高。能够在 工件一次加热便可完成多个步骤的加工，从而避免了普通压力机加工过程中的 加热锻造冷却再加热锻造冷却的繁琐步骤，从而实现了安全性高，操作难度小 的优势。 3.通过时间的证明，在工件生产加工过程中，反复加热次数越少，生产出 的锻件的寿命越长。多工位压力机的加工过程中加热次数较少，锻件的寿命较 长，这对于大批量生产非常重要。 4.多工位压力机由于采用多个工位在同一台机器中，相当于普通压力机来 说，占地面积更小。所需厂房更少，同时，生产的效率更高，加工工件速度较 快，可有效的进行工件加工的大规模生产。 5.由于多工位压力机的承受过载能力较强，允许超过公称压力的载荷作用 第一章 绪论 3 在设备上，对设备的锻压加工能力和寿命都是非常有益的。 6.多工位压力机在工作时，在较小的空间内完成加工过程，设备与地面处 理比较简单，投资比较少。另外还可以改造工作环境更加人性化，噪音污染较 低。 1.2 课题的目的和意义 通过上面多工位压力机与普通压力机各项性能的比较，可以看出多工位压 力机是随着时代的发展生产力的提升，不断优化完善的一种设备，它在各项性 能之中所拥有的优势必将取代普通压力机，成为工件锻造加工的主流设备，普 通压力机也必将被时代所淘汰。 通过对多工位压力机的设计，可以让学生对多工位压力机的原理与应用更 加深刻的认识，同时设计用到 PC 与 PLC 控制，可以让学生对所学的专业知识 得到进一步的了解和深化，将自己所学到的知识能够应用到实际的设计当中。 1.3 方案涉及的主要技术指标 1.3.1 本课题的主要目标 本次设计是针对在汽车板簧生产过程中所需要的设备进行设计，为四工位 压力机，共分为切头，切边，压槽，打字等四个步骤。同时对系统的要求就是 为了保证机器的安全性能，最多允许 2 个工位同时进行工作。 通过这次的设计，使得工件的加工能够实现自动化程度高，安全性高，生 产方便等特点。同时能够使得本次对多工位压力机的理论设计应用到实际的生 产当中。具体表现在 1、深入分析多工位压力机尤其是四工位压力机的系统构成，对运行原理 和工件加工工艺进行详细的描述。 2、详细分析了多工位压力机的工件加工步骤，提出了一种可行的设计方 案。 3、分析多工位压力机加工工件时的四个阶段，提出了有可编程控制器控 制多工位压力机运作的方案。 第一章 绪论 4 4、根据位置传感器的原理，确定了由位置传感器确定工件位置的方案， 并且根据位置传感器所发出的不同信号类型，来确定位置传感器的型号。 5、根据设计的规格要求，总结了其核心部件选用和应用的部分问题。 6、根据多工位压力机机械系统的构成和对工件加工的工艺要求，提出由 PLC 与位置传感器来进行工件加工。 7、编写多工位压力机控制系统软件，实现四工位压力机各功能，保证压 力机的正常使用。 8、总结了系统实现时的几个难点，并提出具体解决方案 1.3.2 本课题的技术指标 最大成型力：F1=2000KN； F2=F1/2=1000KN； 模具闭合最大高度：150mm； 工作频率：1025 次/min； 单个模具安装工作面最大尺寸：600540mm； 模具快进闭合速度：V=0.400m/S 模具工进闭合速度：V=0.100m/S 模具退回速度：V=0.400m/S。 第二章多工位压力机组成原理及控制方案设计 - 5 - 第二章 多工位压力机的组成原理及控制方案设计 2.1 原理分析与要求 本次所设计的多工位压力机为四工位压力机，来生产应用于汽车板簧中的 配件，四工位压力机包括压延，切头，压槽，打字四个步骤，首先对工件进行 加热工件有传送带先传至压延工位，行程开关发出信号，由位置传感器来判断 工件是否到位，当工件到位时，由位置传感器发出信号，压延工位的液压缸开 始进行动作，对工件进行压延动作，在压延过程中，对时间有延时的要求，压 延完毕后，液压缸上升，传输带运输工件到切头工位进行加工，行程开关触发， 由位置传感器判断工件是否代为，在工件到位后，液压缸进行切头加工，此工 位为瞬发动作，无延时，加工步骤完成后，传输带进行动作，将工件运至压槽 工位，行程开关动作，由位置传感器判断工件是否到位，工件到位以后，液压 缸下降，对工件进行压槽的加工，这个过程中，需要进行延时，压槽工作完成 后，液压缸上升，传送带动作，将工件传送至打字工位，行程开关动作，位置 传感器判断工件是否到位后，液压缸下降，对工件进行打字动作，此动作为瞬 发动作，完成后液压缸上升，传输带将工件运至机械手，进行下一阶段的加工。 工艺要求：出于对机器安全性能的考虑，提出液压缸不能同时有 3 个或者 3 个以上进行动作。 2.2 控制方案的设计比较和选择 2.2.1 PLC 与继电器的比较 1. 从控制逻辑上进行比较 继电器控制逻辑利用硬件连接，用继电器的触点串联或并联，构成一个控 制逻辑系统，连接多而复杂，体积大，能耗高，系统建设，要改变或增加功能， 有明显的难度。另外，继电器的触点数量有限，每只只有 48 对触点，所以继 电器控制系统的灵活性和可扩展性是非常有限的。而 PLC 采用了计算机技术， 其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需友变程序， 第二章多工位压力机组成原理及控制方案设计 - 6 - 因而很容易改变或增加系统功能。PLC 控制系统连线少、体积小、功耗小，而 且 PLC 中每只软继电器的触点数理论是无限制的，因此其灵活性和可扩展性 很好。 2. 从工作方式上进行比较 在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中的所有继电器都会处于受制 约的状态即该应该吸合的继电器都会同时吸合，不该吸合的继电器会受某种条 件的限制而不进行吸合，并行工作方式就是这种工作方式。而 PLC 的用户程序 是在一定顺序下进行循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中， 受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，同它们在梯形 图中的位置有关，这种工作方式称为串行工作方式。 3. 从控制速度上进行比较 继电器控制系统依靠机械触点的动作实现，工作频率低，触点的开关动作 一般在几十毫秒数量级，且机械触点还会出现抖动问题。而 PLC 通过程序指令 控制半导体电路来实现控制，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级，因 此速度较快，PLC 内部还有严格的同步控制，不会出现触点抖动问题。 4. 从可靠性和可维护性上进行比较 继电器控控制系统使用了大量的机械触点，连线较多，触点在开闭的时后 存在机械性的磨损、电弧烧伤等现象，触点寿命短，所以其可靠性及其可维护 性比较差。而 PLC 由于采用半导体技术，大量的开闭动作由没有触点的半导体 电路来进行，因而寿命与安全性都比继电器好。PLC 还具有自我检测和与自我 监督功能，能够找出自身存在的问题，并通过控制面板及时的反映给工作人员， 并随时监控工件的加工情况，为现场检测和修改程序节省了很多步骤。 。 5.从价格上进行比较 继电器控制逻辑使用机械开关、继电器和接触器，价格比较低。而 PLC 使 用中大规模集成电路，价格比较高。 2.2.2 PLC 与集散控制系统（DCS） 、现场总线控制系统（FCS）的比较 第二章多工位压力机组成原理及控制方案设计 - 7 - 集散系统是从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的， 所以再起模拟量处理，回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控 制，侧重回路调节功能，其核心是通信，即数据公路。 PLC 是有继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期 主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。近年来随着计算机 技术和通信技术等的发展，PLC 在技术和功能上发生了飞跃。PLC 在初期逻辑 运算基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，还增加了模拟量和 PID 调节 等模块功能，且运算速度提高，通信能力增强，发展了多种局部总线和网络 （LAN） ，因而也可构成一个集散系统，所以在许多过程控制系统中 PLC 也得 到了广泛应用。 现场总线是安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置 之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，是当前工业自动化的热点之一。 现场总线采用总线通信的拓扑结构，整个系统处于全开放、全数字、全分散的 控制平台。现场总线控制系统的核心是总线协议，即总线标准。在现场总线控 制系统中，增加了相关通信协议接口的 PLC，即可以作为 FCS 的主控制器，也 可以作为智能化的从站实现分散式的控制，一些软 PLC 配合通信板卡也可以作 为 FCS 的主站。 目前，PLC，DCS，与 FCS 三种控制系统之间相互融合。比如 PLC 在 FCS 中认识主要角色，许多 PLC 都配置上了总线模块与接口，使得 PLC 不仅仅是 FCS 主站的主要选择对象，同时也是从站中的的主要装置。而 DCS 把现场总线 技术包容了进来，对过去的 DCS I/O 控制站进行了彻底的改造，编程语言也采 用非常标准化的 PLC 编程语言。第四代 DCS 即保持了它的可靠性高、高端信 息的处理能力强的特点，也使得分散控制在底层得到了实现。目前在中小型项 目中使用的控制系统比较单一和明确，但在大型工程项目中，使用的大多是 PLC、DCS、和 FCS 的混合系统。 通过以上不同控制方案建的对比，可以看出 PLC 控制系统具有明显的优势， 在性价比和实际应用中具有比较好的性能，所以，本次涉及用 PLC 进行控制。 2.3 多工位压力机控制系统原理图 第二章多工位压力机组成原理及控制方案设计 - 8 - 如图 2-1 所示，为多工位压力机组成示意图。 图 2-1 多工位压力机组成示意图 图中，从左到右依次为压延，切头，压槽，打字四个工位，当传输带将工 件运输到相应的工位，当位置传感器感应到工件到位，发出信号，使得液压缸 一的行程开关运行，液压缸一下降，当下降到固定的位置后，由行程开关控制 液压缸一停止，PLC 在此过程中控制着液压缸的停滞时间，然后发出信号控制 液压缸一上升，然后传输带将工件运至下一工位，进行切头的加工，然后依次 进行压槽和打字步骤。 如图 2-2 所示，为控制系统原理图，由 PLC 构成控制系统的中心，由位置 传感器发出信号 ，PLC 得到信号后控制液压阀动作，进而使相应的液压缸进 行动作，通过行程开关来对液压缸的位置进行控制，使得对工件的加工实现自 动化。 压延压槽切头 打字 第二章多工位压力机组成原理及控制方案设计 - 9 - 液 压 阀 一 液 压 阀 二 液 压 阀 三 液 压 阀 四 行程 开关 五与 六 行程 开关 一与 二 行程 开关 三与 四 行程 开关 七与 八 PLC可编程控制器 液 压 缸 一 液 压 缸 二 液 压 缸 三 液 压 缸 四 保护信 号 位置传 感器 控制信 号 图 2-2 系统控制原理图 第三章 控制系统的硬件设计 10 第三章 控制系统的硬件设计 硬件包括位置传感器，可编程控制器，液压阀，和行程开关的选型。 3.1 位置传感器的选型 3.1.1 传感器的原理 什么叫传感器？从广义上讲，传感器就是能够将期间获得的物理或化学信 号转化为系统可利用的电信号的装置；简单的说传感器就是可以将外界的普通 信号转换成为可识别的电信号的一种设备。所以它由敏感元器件和转换器件两 部分组成，有些半导体主城的敏感元器件能够单独输出可识别电信号，本身就 可以称为传感器。敏感元器件的品种有很多，从它的感知外界信息的能力上来 分，可分为物理类，即基于电磁热等基本的物理量。化学类，基于今本的化学 反应。生物类，基于分子的识别功能或其他一些生物学理论。 1.光传感器及光敏元件 光传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用 广泛。市场出售的有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光 电池等。 （1） 光敏电阻器：光敏电阻透光的半导体光电晶体结构，分为可见光光 敏电阻，红外光光敏电阻和紫外线光敏和半导体光电晶体组成。敏感波长的光 半导体光学晶体表面，晶体载体增加，使电导率增加（电阻减小） 。 光敏电阻的主要参数： 光电流、亮阻：在一定外加电压下，当有光（100lx 照度）照射时，流过 光敏电阻的电流称光电流；外加电压与该电流之比为亮阻，一般几 k几十 k。暗电流、暗阻：在一定外加电压下，当无光（ 0 lx 照度）照射时，流过 光敏电阻的电流称暗电流；外加电压与该电流之比为暗阻，一般几百千欧几 千千欧以上。最大工作电压：一般几十伏至上百伏。环境温度：一般-25至 +55，有的型号可以-40至+70。额定功率（功耗）：光敏电阻的亮电流与 外电压乘积；可有 5mW 至 300mW 多种规格选择。光敏电阻的主要参数还有响 第三章 控制系统的硬件设计 11 应时间、灵敏度、光谱响应、光照特性、温度系数、伏安特性等。 值得注意的是，光照特性（随光照强度变化的特性） 、温度系数（随温度 变化的特性） 、伏安特性不是线性的，如以 CdS（硫化镉）光敏电阻的光阻有时 随温度的增加而增大，有时随温度的增加又变小。 （2） 光电二极管 和普通二极管相比，除它的管芯也是一个 PN 结、具有单向导电性能外， 其他均差异很大。首先管芯内的 PN 结结深比较浅（小于 1 微米） ，以提高光电 转换能力；第二 PN 结面积比较大，电极面积则很小，以有利于光敏面多收集 光线；第三光电二极管在外观上都有一个用有机玻璃透镜密封、能汇聚光线于 光敏面的“窗口”；所以光电二极管的灵敏度和响应时间远远优于光敏电阻。 （3）.力敏传感器和力敏元件 力传感器是多种传统测定方法是利用的弹性的材料来表示的形变和位移。 随着微电子技术的发展，半导体材料的压阻效应（即施加压力的方向，电阻率 变化）和良好的柔韧性，并已开发了体积小，重量轻，灵敏度高的力敏传感器， 被广泛用于发展在测量压力，加速度和金额的物理和机械方面。 图 3-1 行程开关 行程开关，如图 3-1 所示，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常 用的小电流主令电器。利用生产过程中机械运动生产部件碰撞其触头的动作来 实现发出或电信号，实现接通或者关断电路，达到工业生产目的。行程开关经 常被用来限制机械设备的位置，使机械手到达一定位置时生产机器做出相应的 生产动作。 第三章 控制系统的硬件设计 12 在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状 态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统 和外壳组成。 在实际的生产当中，将行程开关放在设计好的位置，当生产机械的运动部 件撞击到行程开关的瞬间，行程开关发出信号，使生产设备进行不同的动作。 因此，行程开关是根据生产机械手的不同位置发出不同的信号，其原理和按钮 类似。 3.1.2 位置传感器的型号及参数 通过传感器的不同分类，可以看出选择行程开关能够对工件的位置进行准 确的判断，从性价比方面考虑，行程开关作为位置传感器也非常合适。因此， 选择行程开关作为位置传感器。型号为欧姆龙 D4D-2121N,个数为 8 个。 具体参数： 型号：D4D-1120N 特点：采用强制开离机构，头部 4 个方向都可以安装，短柄带轮。 动作方式：短柄带轮摆动角度：45-0-45 度 关于判断工件位置的传感器，通过以上传感器的介绍和比较，选择光电传 感器作为判断工件位置的传感器，因为光电传感器适合在高温高压下工作，并 且准确度高，适合多工位压力机的设计。本次所选的位置传感器的型号为欧姆 龙 F3WN-X，个数为四个。 具体参数： 检测距离 0.27m 0.210m 光轴间距 9mm 15mm 30mm 60mm 光轴数 21125 13120 760 430 检测宽度 1801,116mm 1801,785mm 1801,770mm 2401,740mm 第三章 控制系统的硬件设计 13 最小检测物体(不透明体) 直径 14mm 直径 25mm 直径 40mm 直径 70mm 光源(发光波长) 受光器：120mA 以下 3.1.3 液压阀的选型 液压技术自从 20 世纪 30 年代就普遍的应用于起重机、机床及工程机械， 经过几十年的发展，如今已广泛应用于各种民族工业，成为现代工业生产与自 动控制相结合的重要方式。 液压技术之所以能得到如此广泛的应用，是因 为它具有如下优点： （1）液压传动功率重量比大、结构紧凑、惯性 小。例如，相同功率液压马达的体积不足电动机的 五分之一。 （2）可在大范围内实现无级调速，传动速度较稳定，受负载影响较小。 （3）液压传动借助各种控制阀，尤其是采用电气控制与液压控制相结合 时，能很容易的实现自动化，使复杂的流程自动循环运行。 因此本设计大量应用了液压装置，并且采用液压阀对其进行控制。 液压阀既是电液转换元件，又是功率放大元件，将系统的电气部分与液压 部分连接起来，实现电、液信号的转换与放大以及对液压执行元件的控制，其 外形如图 3-2 所示。 3.1.4 液压阀的比较与选择 常用的液压阀有电液伺服阀和电液比例阀，其区别表现在： （1）在反馈方式上，比例阀多为电气反馈，当有信号输入时，主阀芯带 动与之相连的位移传感器运动，当反馈的位移信号与给定信号相等时，主阀芯 停止运动，比例阀达到一个新的平衡位置伺服阀，阀保持一定的输出。伺服阀 有机械反馈和电气反馈两种，一般电气反馈的伺服阀的频响高，机械反馈的伺 服阀频响稍低，动作过程与比例阀基本相同。 图 3-2 液压阀 第三章 控制系统的硬件设计 14 （2）在结构上，比例阀的阀芯是靠电磁力和液压力及弹簧力来实现平衡 的，而伺服阀是靠液压力来平衡的，所以比例阀在控制大流量高压力上没有优 势。 另一种常有的液压阀是开关阀，只能控制阀口的开闭，无反馈功能，不能 控制流速，常用于对精度要求不高的场合。 电液伺服、比例与开关阀在控制能力上有一定的性能差距，其主要性能比 较如表 3-1 所示。 表 3-1 电液伺服、比例、开关元件的性能对比 总之，电液伺服阀体积小、响应速度快、功率放大率高、运动平稳可靠, 但是它对油液介质条件要求高，价格昂贵。电液比例阀对液压油的要求较低， 抗污染能力较强，加工精度没有电液伺服阀要求高，因此其价格较低；由于存 在不灵敏区和滞环，在其不带电时的安全稳定性好。 综合各项指标，在板簧生产中工件定位的控制上，对精度要求较高，因此 选用电液比例阀进行控制。具体型号为创灵 EBG-03 比例阀，个数为 4 个，参 数如表 3-5 所示。 表 3-2 EBG-03 比例阀参数 压力调整范围140210 kg/cm2额定压力：16MPa 最大通过流量 120 L/min定额电流 750 mA 性能电液伺服阀电液比例阀开关阀 介质过滤精度/m32525 阀内压力降/MPa70.520.250.5 稳态滞环(%)1313 重复精度（%）0.510.51 频宽（Hz/-3dB）2020025 价格因子310.5 第三章 控制系统的硬件设计 15 液压缸的选型为恩派克 STC-20010 ，个数为 4 个 参数：承载能力 200T， 行程 10m, 液压缸本体高度 1m， 液压油容量 1.3m3,重量 206kg 外径 30.4cm，内径 24.2cm 3.2 PLC 选型 3.2.1 PLC 概述 虽然 PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集 成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC 也迅速发展，其发展 过程大致分为三大阶段： （1）初期的 PLC（20 世纪 60 年代末到 70 年代中期） 。初期的 PLC 一般 称为可编程逻辑控制器。这时的 PLC 有代替继电器的意思，其主要功能仅仅是 执行由继电器已经设计好的的控制程序。 （2）中期的 PLC 发展（20 世纪 70 年代中期到 80 年代中、后期） 。在 70 年代，微型处理器的产生使 PLC 的应用发生了翻天覆地变化。先进国家的生产 厂家先后开始将微处理器应用为 PLC 的 CPU。 （3）近期的 PLC（20 世纪 80 年代中、后期至今） 。进入 20 世纪 80 年代 后期，由于 VLSI 技术的发展，微处理器价格发生变化，有很大的降低，使得 其应用更广泛，所有的 plc 的 CPU 均采用了微处理器。此外，为了进一步提高 PLC 的处理速度，制造商也开发了一个专用的逻辑芯片。这使得 PLC 的软件和 硬件的功能已发生了很大变化。 可编程控制器，简称 PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机 技术为基础的新型工业控制装置。PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计 的数字运算操作的电子装置。它使用的内存可以被编程为执行逻辑运算，顺序 操作，定时，计数和算术操作，如在其内部存储的操作指令。并可以通过数字 模拟的输入和输出，控制各种类型生产机械并且应用在生产过程。 第三章 控制系统的硬件设计 16 3.2.2 可编程控制器的优点 如图 3-3 所示，为S7-200 系列 PLC，可编程控制器之所以能够高速发展， 除了顺应工业上的较高自动化程度的需要外，还由于它本身具有较多的适合应 用在工业控制上的独特之处，它很好地解决了可靠性、安全性、灵活性、方便 性、经济性等在工业控制生产领域中关注度较高的问题。 本系统选择 PLC 作为控制硬件的方案，主要基于以下几点考虑: 1. 工作性能高、有很强的抗击干扰的功能。可编程控制器是专为工业生产 与工业控制而产生的，从硬软件两个方面均使用了屏蔽、滤波、隔离、故障诊 断和自动恢复等措施，使得 PLC 抗击外界干扰的性能得到了很大的提升，它的 使用时间长，出现故障排障时间短。这是 PLC 应用于控制比其他可控制器应 用于控制的好处。 2编程，简单，容易使用。考虑到大多数的电气技术员，熟悉电气控制 电路的特点，大多数可编程控制器是用来中继原理图，梯形图编程，直观，易 于学习和使用。 图 3-3 S7-200 系列 PLC 3程序控制变量，具有很好的灵活性。可编程控制器在过程控制，当生 产过程或生产线设备的更新，在不改变硬件设备的条件下，只需要修改程序就 能符合要求。 第三章 控制系统的硬件设计 17 4功能完善、扩充方便、组合灵活。PLC 扩展的产品具有多个扩展单元 与不同的功能模块，可以很好的适应不同的工业生产要求，以及各种现场设备 组成的生产系统或者应用系统。 与其他控制元件如单片机相比，可编程控制器具有如下特点： （1）高可靠性: PLC 上所有的 I/O 接口电路都采用了光电隔离技术，使 得外电路与 PLC 内部的电路之间实现在电气上隔离；各模块均采用了屏蔽措 施，有效的防止了辐射干扰；自我诊断功能强大，一旦 PLC 电源或其内部的软 硬件发生异常情况，CPU 会立即采取有效的措施用来防止故障的扩大。 （2）I/O 接口模块及其丰富： PLC 包括各种开关量、模拟量以及脉冲和 电位等。同时 PLC 还有各种模块以连接不同的器件。此外，为了提高操作性 能，它还有多种人机对话的接口模块。 （3）采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式小，大多 数是模块化结构，每个部分包括一个中央处理器，可编程控制器供电采用模块 化设计，框架和丝及其制备模块连接在一起，该系统的规模和功能，根据用户 需求的结合。 （4）编程容易学习。可编程大多采用类似于继电器控制电路图的形式， 用户不需要具有计算机专业知识。这样便于生产技术理解和掌握。 （5）安装简单维修方便： PLC 不需要特供的机房，可以在多种工业环境 中运行，使用中只需要将现场的硬件设备与 PLC 相应的端口相连接就可以进 行运行工作。每个模块上都有运行与故障指示的装置，方便用户了解工程运行 情况和便于用户查找故障。由于采用了模块化的结构，因此，一旦某个模块发 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。 3.2.3 可编程控制器的工作原理 PLC 采用循环扫描的工作方式，在 PLC 中用户程序按先后顺序存放， CPU 以自上而下的方法从第一条指令开始运行程序，直到遇到了结束符号后再 返回到第一条，这样不断循环。一般而言，PLC 的扫描过程分为自诊断、通信 操作、输入采样、用户程序执行、输出刷新等几个阶段。对全部过程进行一次 第三章 控制系统的硬件设计 18 扫描所需的时间就叫扫描周期。当 PLC 处在停止运行的状态时，就只进行内 部的通信操作。当 PLC 处于运行状态时，从自诊断、通信操作、输入采样、 输出刷新，循环扫描工作。 1输入采样阶段在输入采样阶段，在扫描顺序读取所有输入状态和数据， 并将其放置在一个输入/输出图像区域对应的单位。输入采样，为用户程序执行 和输出刷新阶段。在两个阶段，即使输入状态和数据的变化，输入/输出的图像 区域相应的元素的状态和数据不会改变，这种变化只有在下一个扫描周期的输 入采样阶段可以读。因此，如果输入一个脉冲信号，脉冲的宽度必须大于一个 扫描周期，这样方可确保在任何情况下，输入可以读。 2用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序 依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图 左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构 成的控制线路进行逻辑运算，而且排在顶部的梯形图程序的执行结果，下一行 一般使用这些线圈或数据梯发挥作用；相反，下一行的梯形图，刷新逻辑卷的 状态或数据只能到下一个扫描周期行过程中的作用。 3输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，控制器的输出，刷新阶段。在 这期间，中央处理器根据输入/输出图像区域的寄存器和数据，刷新所有输出锁 存器电路，并通过隔离驱动电路功率放大电路的输出端，输出控制信号，驱动 相应的外围设备，然后，才是真正的输出可编程控制器。 3.3 输入输出模块的选择 如表 3-3 所示，为输入输出模块表，其中输入模块共 14 个，输出模块 21 个。 表 3-3 输入输出模块 输入模块输出模块 I0.0启动Q0.0电机运转 I0.1急停Q0.1电机停止 I0.2重启Q0.2系统重启 I0.3报警Q0.3系统报警 I0.4位置传感器一Q0.4液压缸一下降 第三章 控制系统的硬件设计 19 I0.5行程开关一Q0.5液压缸一下降停 止 I0.6行程开关二Q0.6液压缸一上升停 止 I0.7位置传感器二Q0.7液压缸二下降 I1.0行程开关三Q1.0液压缸二下降停 止 I1.1行程开关四Q1.1液压缸二上升停 止 I1.2位置传感器三Q1.2液压缸三下降 I1.3行程开关五Q1.3液压缸三下降停 止 I1.4行程开关六Q1.4液压缸三上升停 止 I1.5位置传感器四Q1.5液压缸四下降 I1.6行程开关七Q1.6液压缸四下降停 止 I1.7行程开关八Q1.7液压缸四上升停 止 Q2.0液压缸一上升 Q2.1液压缸二上升 Q2.2液压缸三上升 Q2.3液压缸四上升 Q2.4复位指示灯 Q2.5正常运行指示灯 Q2.6报警 如图 3-4 所示，为控制系统 PLC 连线简图。其中液压缸的上升与下降由液 压阀来控制。液压缸一二三四分别代表压延，切头，压槽，打字四个工位上的 液压缸。 第三章 控制系统的硬件设计 20 I0.0 IO.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 启动（电源） 急停 重启 报警 位置传感器一 行程开关一 行程开关二 位置传感器二 行程开关三 行程开关四 位置传感器三 行程开关五 行程开关六 位置传感器四 行程开关七 行程开关八 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q0.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 正常运行指示灯 报警 电机运转 电机停止 系统重启 系统报警 液压缸一下降 液压缸一下降停止 液压缸一上升停止 液压缸二下降 液压缸二下降停止 液压缸二上升停止 液压缸三下降 液压缸三下降停止 液压缸三上升停止 液压缸四下降 液压缸四下降停止 液压缸四上升停止 液压缸一上升 液压缸二上升 液压缸三上升 液压缸四上升 复位指示灯 COMCOM + 24V - 220V S7-200 CPU226 图 3-4 PLC 连线图 第四章 21 第四章 控制系统的软件设计 4.1 控制系统的主程序设计 控制系统首先进行安全检测，然后依次调用四个子程序对工件进行加工主 程序流程图如图 4-1 所示，梯形图如图 4-2 所示 4.1.1 主程序流程图设计 开始 安全检测 调用压延子程序 调用切头子程序 调用压槽子程序 调用打字子程序 结束 图 4-1 主程序流程图 4.1.2 主程序梯型图 第四章 22 图 4-2 主程序梯形图 第四章 23 4.2 控制系统的子程序设计 4.2.1 压延子程序设计 首先由位置传感器判断工件是否到位，工件到位后由 PLC 给液压阀信号， 使得压延工位的液压缸下降，当下降到指定位置，由行程开关控制控制液压缸 的行进与后退，对工件进行加工，流程图如图 4-3 所示，梯形图如 4-4 所示。 开始 工件是否到 位 ？ 液压缸 一下降 液压缸一停 止 延时 2 秒 液压缸一上 升 液压缸一停 止 返回 是 图 4-3 压延子程序流程图 第四章 24 图 4-4 压延子程序梯形图 第四章 25 4.2.2 切头子程序设计 首先由位置传感器判断工件是否到位，工件到位后由 PLC 给液压阀信号， 使得切头工位的液压缸下降，当下降到指定位置，由行程开关控制控制液压缸 的行进与后退，对工件进行加工，流程图如图 4-5 所示，梯形图如 4-6 所示。 开始 工件是否到 位 ？ 液压缸 二下降 液压缸二停 止 液压缸二上 升 液压缸二停 止 返回 是 否 图 4-5 切头子程序流程图 第四章 26 图 4-6 切头子程序梯形图 4.2.3 压槽子程序设计 首先由位置传感器判断工件是否到位，工件到位后由 PLC 给液压阀信号， 使得压延工位的液压缸下降，当下降到指定位置，由行程开关控制控制液压缸 的行进与后退，对工件进行加工，流程图如图 4-7 所示，梯形图如 4-8 所示。 第四章 27 开始 工件是否到 位 ？ 液压缸 三下降 液压缸三停 止 延时 2 秒 液压缸三上 升 液压缸三停 止 返回 是 否 图 4-7 压槽子程序流程图 第四章 28 图 4-8 压槽子程序梯形图 4.2.4 打字子程序设计 首先由位置传感器判断工件是否到位，工件到位后由 PLC 给液压阀信号， 使得压延工位的液压缸下降，当下降到指定位置，由行程开关控制控制液压缸 的行进与后退，对工件进行加工，流程图如图 4-9 所示，梯形图如 4-10 所示。 第四章 29 开始 工件是否到 位 ？ 液压缸 四下降 液压缸四停 止 液压缸四上 升 液压缸四停 止 返