WE30型万能材料试验机的自动化改造[文档在线提供].doc

XX大学机电传动控制课程设计报告题 目WE-30型万能材料试验机的自动化改造专 业机械设计制造及其自动化班 级机制XXX姓 名XX学 号XXX指导教师职 称XXX200X年 X 月X 日摘 要WE-30型液压万能材料试验机机械化程度低，精度和可靠性差。本文提出了对其进行自动化改造的技术路线和具体思路，论述了应用EFBG-03电液比例溢流调速阀进行闭环伺服控制的设计方案；负荷测量使用应变电测法采用CY-DBll系列压力变送器，变形测量使用YYU系列应变式数字式引伸计；提出了监控软件的总体架构，利用KINGVIEW组态软件开发的监控程序可实时跟踪拉伸试验、压缩试验、弯曲试验过程，利用ACCESS数据库进行实时数据的记录和查询，调用PRINT函数实现报表打印。改造后的试验机提高了测试效率，实现了测试自动化，对其它试验机的改造有一定的借鉴意义。关键词：材料试验机；数据采集；测试技术；信号处理；组态软件目 录第一章 前言11.1轮胎式集装箱门式起重机简介11.2 吊车控制系统进行PLC改造的目的及意义3第二章 PLC及起重机的PLC控制42.1 PLC的由来及定义42.2 PLC的发展历程42.3 PLC的特点4第三章 门式起重机仿真模型的设计与组装53.1 驱动部分设计53.2 传动部分设计53.3 组装模型53.4 控制器及接线盒6第四章 PLC控制程序的设计84.1 I/O分析84.2 PLC的选择84.3 FX2N系列编程器介绍84.4 确定各元件的编号，分配I/O地址9第五章 PLC吊车控制程序的语句表与梯形图12第六章 总结16参考文献：17附 录18第一章 前言1.1轮胎式集装箱门式起重机简介 财富的创造来源于技术进步。以港口装卸业为例，上世纪60年代出现的集装箱是运输业的一次伟大革命，也是一次创造性的技术进步，它数10倍的提高了劳动生产率，带来巨大的财富。改变了港口、运输船、装卸机械的面貌。如今，它已成为所有国家发展外贸不可缺的工具。集装箱机械有很多种，主要可分为桥式起重机和门式起重机两种。其中轮胎式集装箱门式起重机应用最为广泛。生产，使用最多的QGLT40.556轮胎式集装箱门式起重机，其主要参数如表1所示：额定起重量40.5吨（吊具下）大车车轮数8个起升高度18.35米吊具起升速度（米/分钟）52（空）23（满）跨距23.47米大车速度（米/分钟）120（空）70（满）最大轮压32吨小车速度（米/分钟70 吊具类型2040伸缩式电控供应厂商国外知名品牌适应箱型ISO20、40、45发电机、电动机组国外知名品牌起重机重量小于150吨集装箱堆码形式堆五过六（6+1）装机总功率540HP电控系统形式AC减摇系统形式液压平面回转角度5表1-1现将图附上，以增加直观印象，如图1-1：图1-11.2 吊车控制系统进行PLC改造的目的及意义 轮胎式集装箱门式起重机广泛应用于港口，集装箱码头，进行集装箱装卸，其技术性能高低不仅关乎货物吞吐量，更关系着安全生产。目前，我国港口起重机械基本处于八、九十年代的机械化水平，与现代国外智能化、数字化控制技术还有很大差距，跟不上市场的需要。由于可靠性较差，造成机械、电器事故率比较高，因此急需提高其控制技术水平。与此同时，PLC在我国工业领域有着越来越广的应用，尤其表现在重工业中。这就为对现代工业领域中技术老化部分的PLC改造，提高其自动化、智能化水平提供了很好的机会，也只有这样才能迅速增强自身竞争力，并提高我国的PLC产品的研发和生产能力，力争打破西门子、三菱和施耐德等PLC巨头的垄断。取其之长，补己之短，最终超越它们。第二章 PLC及起重机的PLC控制2.1 PLC的由来及定义 Programmable Logic Controller 简称为PLC，即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。 2.2 PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统.2.3 PLC的特点 1) 高可靠性（1）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。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）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。（7）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) 功能完善、适用性强PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 第三章 门式起重机仿真模型的设计与组装3.1 驱动部分设计起重机的主要动作是起吊、行走、放下。起吊和放下属纵向移动，左右行走属横向移动，所以应使用纵向和横向两个电动机，纵向电动机应布置在停在衍架中央的小车上，横向电机可布置在左侧或右侧。此外，负责吸放的电磁铁和电动机一样，通电后由接线盒上的继电器按钮控制。对两个电动机既可控制其转或不转，又可控制其正转或反转。3.2 传动部分设计纵向传动是通过衍架上的纵向电动机正向旋转带动栓着电磁铁的细线缠上电动机和翻转时使细线从电动机上脱落实现物体的上下移动的。横向传动是通过缠绕在电动机和定滑轮上的皮带移动实现的，定滑轮是固定在左上角及右上角的，这根皮带两头都穿过固定纵向电机的衍架上的小车，穿进小车后封闭于小车内壁。3.3 组装模型 模型的组装按照的也正是门式结构，首先将顶部带有一个定滑轮、下部固定着横向电动机的铁槽，用螺丝固定在底面上，再用一个尺寸刚好的铁槽扣进原铁槽内，然后两边用螺丝固定，这样就完成了模型右侧的组装。左侧的组装与右侧类似，不同之处在与：左边铁槽内侧有一个矩形开口，用于固定按钮和继电器接口。最后将一长铁槽横架于两立式布置的铁槽之上，盖住纵向电机和置于其下的小车，小车与横架于两立式铁槽间的一金属块一体。这样就完成了门式起重机的组装。组装好的模型图如图3-1所示： 图3-13.4 控制器及接线盒控制器采用的是日本三菱公司（MITSUBISHI）的（MELSEC FX2N32MR）型号。有一个PLC电缆接口，通过PLC电缆的另一端与计算机的COM口相连，通电后，使用PLC编程软件就可以将程序通过COM口输入此控制器，此控制器共有INPUT和OUTPUT各17个指示灯，电源（POWER）指示灯一个，运行（RUN）指示灯一个，BATT.V指示灯一个，程序指示灯（PROGE）指示灯一个。接线盒有OUTPUT0019和INPUT0019各20个接口，中间还有公共端COM接口，公共接地端GND接口，一个24伏电压接口，当然这些接口都通过电线与控制器相连接，这样才能在控制器运行时，通过导线与起重机模型的连接，对PLC程序做出相应反应。将控制器与天车模型按照以下方法连接的： OUTPUT 00 接横向电机正反转控制插孔 ZF1 OUTPUT 01 接横向电机通断控制插孔 TD1 OUTPUT 02 接纵向电机正反转控制插孔 ZF2 OUTPUT 03 接纵向电机通断控制插孔 TD2 OUTPUT 04 接电磁吸合控制端 XH INPUT 00 接横向左限位信号 S1 INPUT 01 接横向右限位信号 S2 INPUT 02 接纵向上限位信号 G1 INPUT 03 接纵向下限位信号 G2 K1： 电磁吸合控制开关 K2： 电磁释放控制开关 COM： 公共端使用时接地或24，与S、S2、G1 、G2共同使用 GND： 公共接地端。 电机运行电压，由天车本身供给。 操作原理为： 1、 ZF1、ZF2端是各电机正反转的控制端。接PLC的输出端 当ZF1=1时 横向电机由左向右移动 当ZF1=0时 横向电机由右向左移动 当ZF2=1时 纵向电机由上向下移动 当ZF2=0时 纵向电机由下向上移动。 2、TD1、TD2为电机运行控制端，接PLC的输出端 当TD1时，横向电机转动。当TD2时，纵向电机转动。3、XH端为电磁铁吸合控制端，接PLC的输出端。当XH=1时，电磁铁吸合，将物体吸上。当XH0时，电磁铁断开物体放下。4、S1端为左限位到位信号。 接PLC的输出端。当S11时，横向移动到左极限。 5、S2端为右限位到位信号。接PLC的输入端。当S2=1时，横向移动到右极限。第四章 PLC控制程序的设计4.1 I/O分析 经过对控制过程和要求的详细分析，我明确了具体的控制任务就是起吊、行走和放下等主要任务。确定了起重机这些必须完成的动作后，再确定动作的顺序：纵向电机正转，电磁铁由上向下移动，电磁铁吸合物体，纵向电机反转，由下向上移动，横向电机正转，由左向右移动，纵向电机正转，电磁铁由上向下移动，电磁铁释放物体，如此就完成一次吊运，动作教简单，顺序表如上所述。其工艺流程图如图4-1： 图4-1再考虑到两个电机的通断和电磁铁的通断以及左、右两个限位，所以共需要输入点4个，输出点为5个。4.2 PLC的选择随着PLC在工业自动控制系统中的应用越来越广泛，对PLC的正确选型非常重要。工作量尤为重要。在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%30%的PLC。工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境。程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。编程器及编程软件也是影响程序的重要因素。使用厂家提供的专用编程器，也分各种规格型号，大型编程器功能完备，适合各型号PLC，价格高；小型编程器结构小巧，便于携带，价格低，但功能简单，适用性差。另一种是使用依托个人电脑应用平台的编程软件，现已被大多数生产厂家采用。各生产厂家由于各自的产品不同，往往只研制出适合于自己产品的编程软件。编程语言最为复杂，多种多样，最常用的可以划分为梯形图、功能块图、结构化文本、指令表、顺序功能图。PLC存储器是保存程序和数据的地方，分内制式和外插式两种，存储器容量在512128M字节之间，一定要根据实际情况选取足够大的存储器，并且要求有一部分空余作为缓存。PLC较继电器控制的另一个优势在于它可以根据实际需要任意更改控制结构（或控制过程），这就要求更改程序方便快捷。另外还要从PLC产品寿命、产品连续性、产品的更新周期来选择PLC。相对于自控系统性能的好坏优先于价格的选择。只是在前面几项比较接近，又不易选择时，才考虑价格因数，选择性价比比较高的产品。在实际选型过程中，往往受到多方面的制约，不一定要考虑以上全部方面，但其中有些项是必须考虑的，而存在的问题也必须通过其它替代方式加以解决。综合考虑后本次设计控制器采用的是日本三菱公司（MITSUBISHI）的（FX2N -40型）其I/O点有40点80点。内存：890B，内部继电器：192个，计时/计数器：32个。4.3 确定各元件的编号，分配I/O地址先确定所使用的编程元件编号，PLC是按编号来区别操作元件的。一般讲，配置好的PLC，其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。安装接线图以及现场器件及PLC输入输出对照表如下： 图4-2现场器件内部继电器地址说明现场器件内部继电器地址说明SB S0 起动按钮OUTPUT00Y000横向电机正反转输INPUT03 G2下限位开关输OUTPUT01Y001横向电机通断INPUT02 G1上限位开关OUTPUT02 Y002纵向电机正反转入INPUT01 X001右限位开关出OUTPUT03 Y003纵向电机通断INPUT00 X000左限位开关OUTPUT04 Y004电磁铁吸合控制表4-1其横向移动电路原理图如下： 图4-3合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈获电，KM1主触点闭合，电动机M正转起动，吊臂向左移动；当工作台移动到一定位置时，挡铁碰撞位置开关ST1，使ST1动断触点断开，接触器KM1线圈断电释放，电动机M断电，左移运动结束；按下起动按钮SB3，接触器KM2线圈获电，KM2主触点闭合，电动机M反转起动，拖动工作台向右移动，当工作台向右移动到一定位置时，挡铁2碰撞位置开关ST2，ST2的动断触点断开，接触器KM2线圈断电释放，电动机M断电，右移运动结束。纵向运动的原理与横向运动相同。第五章PLC吊车控制程序的语句表与梯形图经过以上对PLC吊车控制系统硬件和软件部分的仔细考虑和分析，结合三菱FX2N编程器件的知识，以及对三菱WINDOWS的SW3D5-GPPW-E软件的学习，我编写出以下的以梯形图表示的PLC程序。为实现基本的从运货卡车处移动到集装箱存放区的右移运动，设计思路是：SO得电，控制横向电机通断电的Y001输出继电器得电，且控制横向电机正反转的Y000输出继电器得电反转，开始右移，同时X000得电，时间继电器T0得电，时间是150MS,即右移150MS后，时间继电器的动合点T0得电，使得复原继电器得点，控制右移的状态继电器S0复原断开，右移结束，与此同时，状态继电器S1得电。 图5-11左移运动也是门式起重机的基本运动，以实现把吊臂从停止处移动到集装箱卡车上方的目的,我的设计思路是： S4得电，控制横向电机通断电的Y001输出继电器得电，同时控制横向电机正反转的Y000输出继电器得电正转，开始左移，同时X001得电，时间继电器T4得电，时间是150MS,即左移150MS后，时间继电器的动合点T4得电，使得复原继电器得电，控制左移的状态继电器S4复原断开，左移结束，与此同时控制纵向电机通断电和正反转的状态继电器S5得电。 图5-12吊臂运动程序实现吊臂从上方伸到下方的集装箱处的下移运动也是门式起重机的基本运动，设计思路是：S5得电，控制纵向电机通断电的Y003输出继电器得电，同时控制纵向电机正反转的Y002得电正转，开始下移，同时时间继电器T5得电，时间是60MS,即下移60MS后，时间继电器的动合点T5得电，使得复原继电器得电，控制下移的中间继电器S5复原断开，S6得电，下移结束。图5-13在吸合或释放了集装箱后，吊臂必须从低位再移动到高位，这就是上移运动，设计思路是：S6得电，吸合物体后，复原继电器得电，S6复原断开，S7得电，纵向电机通电且开始反转，开始上移，同时时间继电器T6得电，时间是150MS,即上移150MS后，时间继电器S6动合点T6得电，复原继电器得电，辅助继电器MO得电，开始新工作循环。 图5-14 第六章 总结临近毕业，作为机械工程系的本科生，回顾四年的学习生活，有过轻松理解、领悟高深知识的喜悦，更有过对某个问题百思不得其解的惶恐、苦闷。要当一名合格的机械工程师，大学生涯中最后的、最高水平的也是最能体现我们能力的毕业设计，我暗下决心一定要做好。只有决心并不够，隐隐也包含着对自己各方面知识可能储备不足的担心。选定题目后，由于是第一次见到，一时比较茫然。在老师的帮助下，获得了一些资料后，头脑里开始有了一个比较明确的概念，也明确了目标。但是，毕竟对书本太依赖，没有充分展开思维，在设计之初就走了一些弯路，幸亏在老师的启发指点下，及时改正，摆正了心态，没有急于追求结果，而是按部就班，步步为营，及时发现每一个问题，通过钻研课本，请教老师和同学，及时解决每一个问题，最终完成了本次设计。在设计中，我发现了自身的一些问题并准备在以后的工作中努力改正。1. 知识面不够宽。要学会找资料，应用现有资料。2. 基础不够扎实。四年中的主干课程，有相当一部分已有些遗忘，做不到从心所欲，随需而用。3. 有时有畏难情绪，遇到困难，心情急转之下，不能耐心加以