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海德 150 系列 内径 列车 轴承 内圈 端面 跳动 检测 平台 控制系统 设计

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任务书1. 海德曼150系列内径列车轴承内圈端面跳动度检测平台控制系统设计2. PLC控制系统以下是要有得内容：需要：电路图 电气图 原理图 梯形图 说明书 湖南工学院毕业设计（论文） 题 目： 海德曼150系列内径列车轴承内圈端面 跳动度检测平台控制系统设计 系 别： XXXXX 专业班级： XXXXX 姓 名： XXX 学 号： XXXX 指导教师： XXX 职 称： XXXXX 二一七年三月三十日目录摘要4关键词4摘要（英文）4关键词（英文）4第一章 绪论4 1.1 轴承内圈端面跳动度检测现状分析4 1.2 课题研究的背景及意义4第二章 检测平台的机械结构及工作原理 4 2.1 跳动度检测结构组成5 2.2 跳动度检测工作原理5第三章 PLC控制系统硬件设计 8 3.1 PLC概述及各模块功能介绍8 3.1.1 PLC概述14 3.1.2 西门子S7200功能介绍14 3.1.3 西门子S7200型号说明16 3.2 控制系统硬件选型10 3.2.1 PLC系统设计原则10 3.2.2 硬件系统设计步骤10 3.2.3 硬件系统I/O统计10 3.3 控制系统硬件电路设计11 3.3.1 输入回路11 3.3.2 输出回路11 3.3.3 电源主回路11第四章 PLC控制系统软件设计12 4.1 跳动度检测控制系统分析12 4.2 控制程序软件设计12 4.3 控制系统程序流程图13 4.4 控制程序软件设计14第五章 组态监控画面设计16 5.1 组态监控变量连接 12 5.2 组态监控图形界面设计12 5.3组态监控画面动画连接12 5.4组态监控画面运行与调试12 5.5组态监控系统与PLC的通讯12结束语 19 致谢 20 参考文献20 摘 要轴承作为重要的部件在海德曼150系列列车中得到广泛的应用，它的质量对列车质量有很大影响， 当轴承绕轴旋转时，其被测端面在指定直径处沿轴向的跳动称为轴承内圈端面跳动。 随着机械加工自动化程度和现代装配技术的发展及精度要求的提高，对轴承内圈的端面跳动自动在线检测提出了要求，不仅要求测量的数据准确，而且要求较高的测量速度，文提出一种全自动轴承内圈端面跳动检测方法，以满足市场需求，检测部分采用激光传感器技术，采集轴承内圈端面跳动值，采用动态检测，自动测量和数字显示。由PLC完成工作系统控制，实现跳动检测过程中工件的自动定位、跳动值自动测量和数据处理，人机界面显示测量结果，实现结果证明，该系统测量精度为3m，测量效率为10S/个，该测量系统精度高，测量速度快，实现了无人在线检测，轴承生产线中轴承内圈端面跳动自动检测的要求。本课题设计内容是利用PLC完成对检测平台控制系统的设计，采用人机界面完成对整个系统的自动操作，实时监控。本论文详细介绍了检测平台结构组成，控制系统的工作原理，工作流程，整个电控系统主回路电路设计，电器元件的选型设计，控制系统部分包括PLC功能模块选型，PLC硬件电路设计，各工段程序流程图，PLC软件编程梯形图，人机界面设计。 本说明书实践与原理相结合，运用了许多的文字和图片解析说明，可以让PLC爱好者学习参考关于PLC设计的相关知识,也可以为轴承内圈端面检测系统提供借鉴。 关键词: 轴承内圈 端面跳动度 动态检测 PLC控制 人机界面 精度高 速度快 Abstract As an important component of the bearing has been widely used in the 150 series of train heideman, its quality has a great influence on the quality of the train, when the bearings rotate around the axis, the measured surface in the specified diameter along the axial pulsation of the said bearing inner ring face runout. With the development and requirements of precision machining automation and modern assembly technology of end face of the bearing inner ring beat online automatic detecting requirements, not only the requirements of the measurement data is accurate, but requires a higher measuring speed, this paper proposed an automatic bearing inner ring face runout detection method, in order to meet the market demand, detection the laser sensor technology, acquisition of bearing inner ring face runout, dynamic detection, automatic measurement and digital display. The work done by PLC control system, automatic positioning, workpiece detection in the process of beating the jumping value of the automatic measurement and data processing, man-machine interface display measurement results, the results show that, the measurement accuracy of the system is 3 m, the measuring efficiency is 10S/, the measuring system of high precision, fast measuring speed, realized no online detection, bearing production line of bearing inner ring face runout automatic detection requirements. The content of this project is to use PLC to complete the design of the control system of the test platform, and the man-machine interface is used to complete the automatic operation of the whole system. This paper introduces the composition of the detection platform structure, working principle, control system of the working process, the main circuit of the electric control system design, selection and design of electrical components, control system includes PLC function modules, PLC hardware circuit design, each section of the program flow diagram, PLC software programming ladder diagram, man-machine interface design.This manual practice and the principle of combining, use a lot of words and pictures illustrate, can make reference to PLC enthusiasts to learn relevant knowledge about PLC design, can also provide reference for the detection system of bearing inner ring face.Keywords: Bearing inner ring end face dynamic detection PLC control man-machine interface precision high speed 第一章 绪论1.1海德曼150系列内径列车轴承内圈轴承内圈端面跳动度检测的现状分析 轴承是机械设备中重要的零部件，他们广泛应用于工业、农业、交通运输业、国防、航空航天等高科技领域，轴承作为重要的部件在海德曼150系列列车中得到广泛的应用，它的质量对列车质量有很大影响， 当轴承绕轴旋转时，其被测端面在指定直径处沿轴向的跳动称为轴承内圈端面跳动。在通常情况下,滚动轴承一般都是外圈固定,内圈旋转,因而滚动轴承有关技术条件规定了各级精度轴承内圈的轴承内圈端面跳动允差值。内圈轴承内圈端面跳动度作为评定轴承精度的一项参数,自然不容忽视。为了保证轴承质量符合国家标准和列车的使用要求，必须对轴承的技术参数进行检验，轴承内圈端面跳动直接影响轴承的安装和动态性能，是轴承的重要质量参数。在一些精密机械和测量仪器中，经常利用圆柱形零件的端面进行定位，因此零件的轴承内圈端面跳动误差除影响配合以外，还影响机器的装配精度和工作时的运动精度。目前国内的轴承生产企业对轴承的检测还停留在手工和半自动作业阶段，轴承内圈轴承内圈端面跳动检测上仍采用手工操作，机械式内径摇表，这种测量工具无可靠的定位机构，操作时三个方向（X,Y,Z)的准确性完全凭操作者的视觉和手感来判断，操作者的经验、精神状态以及周围环境都会对测量准确性产生很大的影响。即使最有经验的操作者，也很难保证测量位置和方向与测量值的一致性，存在随机误差，离散性也大。轴承内径测量尺寸误差较大，跳动度超差检测不出来，不合格品装配在列车上造成压装过盈量偏大或偏小，严重影响了轴承压装质量，会给车辆运行带来很大安全隐患。1.2 课题研究的背景及意义 随着机械加工自动化程度和现代装配技术的发展及精度要求的提高，对轴承内圈的端面跳动自动在线检测提出了要求，不仅要求测量的数据准确，而且要求较高的测量速度，这在生产自动线的设计中，是一个不容忽视的指标。为克服以上缺点，本文提出一种全自动轴承内圈端面跳动检测方法，以满足市场需求，检测部分采用激光传感器技术，采集轴承内圈端面跳动值，采用动态检测，自动测量和数字显示。由PLC完成工作系统控制，实现跳动检测过程中工件的自动定位、跳动值自动测量和数据处理，人机界面显示测量结果，实现结果证明，该系统测量精度为3m，测量效率为10S/个，该测量系统精度高，测量速度快，实现了无人在线检测，轴承生产线中轴承内圈端面跳动自动检测的要求。 第二章 轴承内圈端面跳动度检测平台设计方案分析2.1轴承内圈端面跳动度检测传感器设计方案 检测轴承内圈端面跳动度的传感器为电感测微传感器，测量轴承内圈端面跳动时，传感器与端面接触，轴承转动时，传感器的位移量被转化为相应的电量并输出与位移量成正比的电压信号。该电压信号传送给控制系统进行数据分析、计算、显示。 但这种传感器检测方法存在速度慢、可能损伤被测件，发生碰撞等缺点：（1）接触式传感器的检测部分频繁接触被测工件会导致传感部分容易磨损，为保持精度，需要经常校正传感器的检测部分；（2）接触式测量时逐点测量，测量速度慢；（3）接触式测量容易降低被测工件的表面精度；（4）接触式测量延迟导致动态误差。激光传感器主要就是应用激光来测量距离的，在人们生活中应用范围很广泛，近年来激光测距仪在检测技术方面得到广泛应用，激光具有良好的方向性，通过发射一束激光照射到目标，再从目标发射回来，根据光在空气中传播速度为常数的特点，从发射激光到接收到反射回来的激光之间的时间，乘以光速，再除以2就能确定目标的距离。 激光测距有三种方式，一种是脉冲激光测距，它的原理是由脉冲激光器发出持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离L后射到被测目标，有一部分能量会被反射回来，被反射回来的脉冲激光称为回波，光电测距器接收反射回来的激光，根据发射后到接收到激光的时间间隔，算出待测目标的距离，其中c为光速，t为往返时间，这种测量方法的精度可达米量级。第二种激光测距的方法叫相位测距。相位测距的原理是：对发射的激光进行光强调制，利用激光空间传播时，调制信号的相位变化量。根据调制波的波长，计算出该相位延迟所代表的距离。即用相位延迟测量的间接方式替代直接测量激光往返所需的时间，实现距离的测量，这种测量方法精度可达毫米级。第三种激光测距法为三角法，原理为：由激光器发出的光线，经过会聚透镜聚焦后入射到被测物体表面，接收透镜透出的来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器敏感面上。当物体移动时，通过光点在成像面上的位移来计算出物体移动的相对距离。简单地讲就是发射源发射一束激光，激光遇到目标物后反射到接收端。发射点，目标物，接收点构成一个三角形，通过测量三角形角度，可以测量出仪器到目标距离。三角法激光测距的分辨度很高，可以达到微秒级。激光测距技术是一种自动非接触测量方法，对电磁干扰不敏感，抗干扰能力强，测量精度高，激光测距的精度与操作者的经验和被测距离无关，误差仅取决于仪器本身的精度，分辨率高，抗干扰能力强。三角法通常用于非常近距离测量，测量距离通常在几十毫米，测量精度可以达到微米级，测量时间非常短，实现高精度的计量和检测。经过几种方法的比较本设计选用三角激光测距法，激光测距传感器固定安装在测量机构的工作平台上，待测轴承在电机带动下可以在水平和垂直方向转动，当到达固定位置停止，激光打在轴承内圈上，每隔100ms发射一束激光，根据接收到反射回来的激光之间的时间和光速求得激光测距仪到工件的距离，比较不同发射段检测的距离差，检测轴承内圈端面跳动度。2.2轴承内圈端面跳动度控制系统设计方案 轴承内圈端面跳动度自动检测既要做到检测精确，检测迅速，适应生产自动化的需要，必须有好的控制系统，包括对传动电机的控制，轴承到位信号检测，激光测距检测，自动分拣，要对测得的数据进行计算，分析，跳动度超差的不合格品要剔除，检测信号比较多，虽然控制不很复杂，但计算量大。 控制系统目前主要有三种，继电器控制，单片机控制和PLC控制。1、继电器的控制的特点硬件电路全部用硬件接线来实现，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制，连线负载，元器件繁多，且故障率高。控制速度 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。延时控制继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。2、单片机控制特点单片机也叫微型处理器，应用领域也比较广泛，单片机控制的特点是经济实惠，成本相对较低，处理速度比较快。由于单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗开发周期长，一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强。 调试修改修改比较麻烦，需要仿真器和烧写器，一块板子元器件众多，元器件的老化筛选比较麻烦，一旦一个元器件损坏，不易查找故障，必须返回厂家修理。编程语言一般用汇编语言和C语言，需要一定的基础，工程技术人员不易掌握。一般适合民用,商用,不微、小型设备，不适合工业用途和大型设备。3、PLC控制的特点作为一个新兴的工业控制器，具有功能齐全，抗干扰能力强，可靠性高、人机接口方便，便于维护等独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。功能强，性能价格比高，一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 ，可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。编程方法简单梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言后再去执行。维修工作量少，维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。、体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。成本相对单片机要高 综上所述，经过3个控制系统的特点比较，结合料车卷扬机的实际应用环境，运行工况，和对控制系统的要求，确定采用以西门子PLC控制器为核心的控制系统。 S7200系列是SIEMENS公司推出的一种小型PLC,它结构紧凑,集成一定数字I/O点的CPU。扩展性良好，可扩展数字量、模拟量、通讯模块及其他特殊模块。指令功能强大，该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程更加方便、快捷。价格低廉，性价比高，可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。 综合以上分析，轴承内圈端面跳动度检测控制系统采用PLC控制系统。2.3 激光三角测距法计算设计方案 轴承内圈端面跳动度检测为了实现检测过程的自动化，应该具备自动上料、到位自动停止、内径自动检测、跳动度计算，是否超差，按照检测结果自动分选的功能，这些是实现轴承内圈端面跳动度检测的关键部分，决定了控制系统检测效率和可靠性，根据控制系统要求，设计了自动控制系统工序图，自动上料，到位停止、定位、自动检测、数据分析计算、跳动度超差为不合格品，剔除。设计一套机械机构，上料输送机，旋转平台，定位机构，采用PLC自动控制，控制送料电机启动，有光点检测装置检测轴承到位时，送料电机停止，定位机构工作，旋转机构动作，轴承按一定速度转动，激光检测仪工作，多点检测轴承内径，料车造成飞车的原因料车卷扬机控制系统做为一个位置控制系统，抱闸装置是非常重要的，一旦抱闸失灵，重料车依靠自重迅速下滑到底，轻料车被拖至上行发生挂顶故障。 PLC没有接收到主令控制器的极限停车位信号，采取停车措施，发生设备故障 变频器的几次减速点控制都是通过PLC系统输出的，PLC输出根据主令控制器发出的限位减速信号，如主令控制器减速限位点接触不好，无法发出信号，容易导致料车在高顶没有减速，以高速或中速运行，极易发生超极限事故。为此本设计采取了相应措施速度控制稳定，在加速段，加速度不过大，加速平稳，避免炉顶的料车下落速度过快，造成料车脱轨，在停车位置点前0.3m处，速度已下降到低点，停车限位接入，采取抱闸措施，准确平稳停车。机械抱闸具有足够的制动力，避免溜车，料车传动装置输出的电流大于力矩电流才允许松闸。采用两台主令控制器，限位并联接线（接入PLC一般用开点控制，继电器回路用闭点串联），一旦有一个主令控制器发出限位到信号，立即采取停车措施。 第三章轴承内圈端面跳动度检测平台结构及工作原理3.1 轴承内圈端面跳动度检测平台三角测距法 三角测距法具有非接触、高精度、易于控制、数据处理简单等优点，检测系统采用点光源三角测量法，其测距原理如图所示 三角测量法由激光器和CCD摄像头。激光器和CCD摄像机在同一平面上。 图 3.1 端面跳动度三角法测距原理 在本系统中，当一束光以一定的角度照到工件的下表面上后，我们要保证光仅从工件底部的小孔透过，形成下图黑白分明的测量图像，通过对其光学成像的光路分析得知，图中的白色区域即为我们所检测的内圈边缘。检测方法为：当轴承固定在基座上，基座带动轴承一起旋转但没有轴向窜动，激光自动检测，每隔100mS检测一次数据，PLC控制系统自动计算最大与最小读数之差dx1即为端面跳动度。 图 3.2 端面跳动度检测原理示意图 3.2 轴承内圈端面跳动度检测平台机械机构 基于以上检测原理，设计的跳动度检测平台机械结构如图3.3所示，包括上料、预定位、端面检测、不合格品剔除、合格品下料等。 图 3.3检测平台机械结构组成 机械结构各部分功能如下：（1）使用传送带自动将轴承送往指定位置。（2）预定位机构 如图所示，当轴承8被放到预定位装置的基座7上时， 预定位装置通过到导轨4下移，气爪9抓住轴承8，回转气缸11旋转，如果轴承与基座没有对准啮合，就会随着装置转动，检测不准，如轴承与基座对准啮合，就不会随着装置转动，与基座连为一体，检测数据准确。 轴承的内外圈必须同时在轴的两个方向固定，径向和轴向定位。 图3.5 径向定位原理 图3.6 轴向定位原理（3）跳动检测机构 如图3.7所示，被测轴承10传送到测量工位的基座9后，提升气缸1带动滑块4沿导轨5下移，固定在传感器固定架12上的激光接收器11也随滑块4到达测量面，同时系统内部的基座电机6开始工作，基座9随之转动起来。 PLC发送采样信号，A/D转换模块采集数据，送CPU进行分析处理。当测量结束后，提升气缸1带动滑块4上升，基座电机6停止转动，轴承由传送带放到下一工位，待检轴承传送到检测位。 （4）剔除机构 经过分析计算，轴承内圈跳动度超出误差范围，是不合格品，剔除机构动作，将其推下传送带，落入不合格品箱中。 （5）下料机构 经过分析计算，轴承内圈跳动度没超出误差范围，为合格品，传送带将其传送到下一工位，装入合格品箱。3.3 轴承内圈端面跳动度检测平台控制系统工作原理 首先将轴承放到离心圆盘理料机的料盘中，料盘在离心电机的带动下，将轴承排列整齐，逐一排送到传送带上，轴承通过输送带传送到送料位，通过送料气缸将轴承送到上料位，然后由送料气缸将轴承送到检测位，光电开关动作，表示待检轴承到位，输送带停止，夹紧气缸动作，夹紧轴承，和基座啮合，旋转台带动基座旋转，激光信号对轴承内圈端面进行多点位检测。延时后，夹紧气缸松开已检工件，传送带动作，根据数据分析，端面跳动度误差超出允许范围，剔除机构动作，不合格品剔除出传送带，合格品随传送带送到下一工位，进合格品箱。 传送带电机根据启动命令和轴承到位光电开关，PLC内部控制信号自动启动和停止，提升，下降电磁阀自动动作，到位检测开关，自动停止，轴承定位准确后自动旋转，转动平稳，确保检测精度，系统采用传感器技术与信号处理技术，采用激光检测器获取检测信号，实现数据的快速、高精度采集，程序实现良好的人机对话，数据处理和存储功能。 第四章 轴承内圈端面跳动度电气控制系统硬件设计4.1 电气主回路设计传送带电机2.2kW，基座旋转电机5.5kW，气泵电机15kW，为各种机构提供动力，电气主回路接通传送带电机、基座旋转电机、气泵电机运转，交流接触器线圈由PLC数字量输出模块输出信号驱动中间继电器，继电器接点接通，接触器吸合，电机得到380V电源，开始转动，带动相应的设备动作。主电机回路和控制电源回路，通过三相断路器接入。PLC各模块需要的DC24V电源，由220V/DC24V ,75W的直流开关电源提供。气泵电机负载电流 ，考虑安全系数1.21.5倍，电流为35.844.7A，接触器选择CJ20-40, 热继电器选JR20-40,整定电流为3240A；传送带电机2.2kW ，考虑安全系数1.21.5倍，电流为5.36.6A，接触器选择CJ20-10, 热继电器选JR20-10,整定电流为610A。基座旋转电机5.5kW负载电流考虑安全系数1.21.5倍，电流为13.216.5A，接触器选择CJ20-25, 热继电器选JR20-25,整定电流为11.617A。 图4.1-1 控制系统主回路图4.2 PLC控制系统硬件设计4.2 .1 PLC概述及各模块功能介绍4.2.1.1 PLC概述 可编程序控制器(简称PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型、通用的工业自动控制装置。它具有高可靠性、配置扩充的灵活性等特点，且具有易于编程、使用维护方便等优点，在工业自动化控制的各个领域得到了广泛应用。 1、PLC （Programmable Logic Controller），中文名称为可编程控制器，是一种电气自动化控制装置，具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点；具有数字和模拟量输入/输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、PID调节、各种智能模块、远程I/O模块、通信、人机对话，自诊断，记录和图形显示、组态等功能。广泛应用于钢铁、石油、大连、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及娱乐等各个行业。2、PLC硬件代替原来复杂的继电器逻辑，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，且软件内部定时器、计数器、中间继电器数量多，接口模块品种多，象模拟量输入模块、模拟量输出模块，位置模块等，具有强大的逻辑运算能力，编程语言易于为工程技术人员接受，用户在其编程软件平台上进行二次开发，可方便实现所要求的功能。3、PLC系统应用在工业上最大的优点是系统所用元器件少、接线简单、通用性好、抗干扰能力强，可靠性高，因为设计时各模块都留有余量，今后的升级改造时不需改变原有系统，只需增加软件部分即可，且调试周期短。4、虽然PLC程序是按顺序执行的，但是现在的PLC系统指令运算速度越来越快，大部分指令在ms级，甚至有的在us极，和单片机的速度相媲美。PLC控制技术和单片机等微芯片相比，在可靠性，现场控制方面更适合，这也是PLC在工业领域广泛应用的原因之一。4.2.1.2 西门子S7200系列功能介绍S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。小型PLC中，CPU221价格低廉能满足多种集成功能的需要。CPU 222是S7-200家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。CPU 224具有更多的输入输出点及更大的存储器。CPU 226和226XM是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。四种型号的PLC具有下列特点：（1）集成的24V电源可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU 221和CPU222具有180mA输出。CPU224输出280mA，CPU 226、CPU 226XM输出400mA可用作负载电源。（2）高速脉冲输出具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。（3）通信口CPU 221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。CPU 226、CPU 226XM具有2个RS-485通信口。支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。（4）模拟电位器CPU221/222有1个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。（5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。（6）EEPROM存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。（7）电池模块用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5天。选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。（8）不同的设备类型CPU 221226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。（9）数字量输入/输出点CPU 221具有6个输入点和4个输出点；CPU 222具有8个输入点和6个输出点；CPU 224具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM具有24个输入点和16个输出点。CPU22X主机的输入点为24V直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型。（10）高速计数器CPU 221/222有4个30KHz高速计数器，CPU224/226/226XM有6个30KHz的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。4.2.1.3 西门子S7200系列扩展模块模拟量输入模块介绍 EM231是最常用的模拟扩展模块，它实现了4路模拟量输入功能。如果输入的是010V电压信号，按正、负极直接接入A和A；如果输入的是420mA电流信号,将RD和D短接后接入电流输入信号的“”端；如果是暂时不用的端子将B+和B-短接。量程可根据实际需要设置成020mA，420mA，010V，05V。4.2 .2 PLC控制系统硬件选型4.2.2.1 PLC系统设计原则 1、最大限度地满足被控对象的功能要求； 2、保证系统的可靠性；3、满足上面的前提条件下，力求控制系统设计简单、经济、实用、维护方便；4、选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。4.2.2.2 硬件系统设计步骤 1、深入分析被控对象的控制要求和工艺条件，被控对象是控制的机械装置，各种电气设备，按控制的要求设计，分析机械装置完成每个动作需要的条件和结构条件，以及相对应的自锁和保护功能； 2、根据控制要求确定所需的输入、输出设备个数，分配I/O点； 3、由已经确定的I/O设备，输出容量，电源，I/O模块等硬件参数，按需要的输入和输出的端点数来选择选择合适的PLC型号。 4、先分配输入输出点，编写输入/输出分配表、PLC控制原理图及接线图；4.2 .3 PLC硬件系统I/O统计 根据对检测平台机械结构分析及控制功能要求,控制系统的输入输出类型及数量统计如表3.3.3-1所示。 表4.2.3-1 PLC控制器I/O分配表序号代号功能地址1开关量输入信号SB0急停按钮I0.02SB1 自动启动按钮I0.1SB2 自动停止按钮I0.23SA1自动/手动I0.34XW1预定位检测开关I0.45XW2 提升电磁阀上升到位接近开关I0.56XW3 提升电磁阀下降到位接近开关I0.67XW4夹紧到位接近开关I0.78SB3传送带电机点动按钮I1.09SB4旋转电机点动按钮I1.110SB5气泵电机点动按钮I1.211SB6提升电磁阀点动按钮I1.312SB7下降电磁阀点动按钮I1.413SB8夹紧电磁阀点动按钮I1.514SB9剔除电磁阀点动按钮I1.615备用I1.716备用I2.017备用I2.118备用I2.21模拟量输入YP激光测量位移420mAAIW02备用AIW23备用AIW44备用AIW61开关量输出信号KA1传送带电机启动输出Q0.02KA2旋转电机启动输出Q0.13KA3气泵电机启动输出Q0.24YV11提升电磁阀Q0.35YV12下降电磁阀Q0.46YV2 夹紧电磁阀Q0.57YV3剔除电磁阀Q0.68HL1工作指示灯Q0.79HL2故障指示灯Q1.010备用Q1.111备用Q1.212备用Q1.313备用Q1.4根据表1统计如下：数字量输入点为18点，数字量输出点为13点，模拟量输入点为1路。考虑富裕量PLC基本单元选择西门子CPU226 AC型，电源为220V电源输入，输出类型为继电器型，负载电流大，可直接驱动电磁阀，无需继电器转换，包括24路数字量输入和16路数字量输出点，2个DP口，一个与人机界面通讯，1个供下载程序和调试用。扩展1个4路模拟量输入模块EM231（可选择为420mA电流输入或010V电压信号输入),满足控制系统功能要求。 4.2 .4 PLC控制系统硬件电路设计4.2.4.1数字量输入回路本设计所选的CPU226 带有PLC输入模块具有滤波功能，抗干扰性强，外部开关量信号直接输入，公共点COM接0V，输入开关量一端接PLC输入点，一端接24V+，这样当接点闭合时，PLC检测到信号输入，同时PLC内部输入点红灯亮，便于观察。因PLC输入回路有24V电源，所有外部接入信号须为无源接点，否则烧坏PLC输入点。4.2.4.2 模拟量输入回路模拟量输入模块为4路，可以选择电压输入010V,05V,-10V10V，电流输入420mA，020mA，模块通过面板的输入拨码开关来选择，输入模拟量1通道选择的是420mA信号量程，检测激光传感器位移信号，选用2芯屏蔽线接入。4.2.4.3 数字量输出回路PLC数字量输出一般有晶体管型和继电器型，晶体管一般用在频繁开关的场合，但相比于继电器型，接点耐受电流小，本设计选的的输出模块为继电器型，公共点COM接0V，继电器型接点电流容量大，可直接接电磁阀，输出继电器一端接24V+。当PLC内部继电器接通时，电磁阀两端接入24V，电磁阀导通。4.2.4.5 PLC控制系统电路图 图4.2.4-1 PLC硬件配置图 图4.2.4-2 PLC硬件配置图 4.2.2-3 CPU226基本单元端子图4.2.4.6 轴承内圈端面跳动度检测平台控制系统主要元器件选型 表4.2.4.6-1 控制系统元器件选型列表序号代号 名称 规格型号 数量1XP 人机操作界面液晶触摸屏14寸12CPUCPU基本单元CPU22613AI模拟量输入模块EM23114DC直流电源模块220V/DC24V 150W16KM1三相交流真空接触器CJ20-10 10A 17FR1三相过热继电器JR20-10 18KM2三相交流真空接触器CJ20-25 25A 19FR2三相过热继电器JR20-25 110KM3三相交流真空接触器CJ20-40 40A 111FR3三相过热继电器JR20-40 112HL1 HL2电源指示灯DC24V一红一绿213KA1 KA3中间继电器LY2NJ DC24V 314QF1三相断路器380V 75A1 第五章 PLC控制系统软件设计5.1端面跳动度检测要求 1、轴承内圈端面跳动度检测关键是检测轴承内圈多点到检测仪器的位移，通过多点位移差来判断跳动度是否超限。 轴承到达检测位后，开启激光检测，为了检测的精度和快速性，激光在1mS内发送多次激光，激光反射，PLC接收到信号，计算延时时间，得出位移量。自动检测，自动计算，自动判断，达到自动控制效果。 2、检测限位的作用 检测平台装有多个检测限位，它的作用为给电磁阀发启动命令，比如到达预定位位置时，检测开关动作，提升电磁阀带动机械手把轴承拿起，然后放到基座上，检测到限位开关闭合，才能保证轴承和齿轮啮合准确，防止轴向窜动，夹紧电磁阀动作，把轴承夹紧，防止径向窜动，旋转电机带动基座和轴承一起转动，保证检测的准确性。5.2控制系统工作方式 有两种操作方式手动、自动，电气控制与气动系统合理配合，带动机械手实现检测平台的工艺过程要求和各种程序动作。按下电源开关，系统进入准备状态，选择手动、自动工作方式，手动方式采用硬件按钮，主要在调试或维修时使用，点动气泵电机启停，点动传送带电机启停，测试电磁阀的通断，按下按钮时动作开始，松开按钮时动作停止。如传送带按钮，按下按钮，传送带运行，放开或碰到限位检测开关，传送带停止动作。点动提升电磁阀，机械手拿起轴承，提升。点动下降电磁阀，轴承下落到基座的啮合位置。自动方式由程序自动完成整个检测过程，在没有按下停止按钮时，循环反复，不间断地工作。遇有紧急情况，按下急停按钮，不论走到哪个工序，立即停止。 5.3控制系统程序流程图 根据控制要求及气动回路电磁阀原理编写程序流程图。 表5.3-1 气动电磁阀动作列表动作过程电磁阀YV1YV2YV3YV11YV12上料提升定位下降夹紧剔除 图5.3-1 自动程序流程图5.4控制程序软件梯形图 软件编程我们采用S7200编程软件平台，整个程序采用了模块化编程，手动程序，按钮按下，常开点接通，启动输出，按钮抬起，常开点断开，停止输出。如图网络1所示。在自动方式下，I0.3常开点接通，自动主程序简洁，自动程序采用循环工作，按下自动启动按钮，I0.1常开点接通，程序自动执行上料，定位，检测，计算。如图网络2网络7。 2.激光位移采集和计算程序 为了便于调试，采用独立的程序段。EM231模块采用12为AD转换器，转换数字为032000。如设定模拟量的标准电信号是A0Am（如：420mA），A/D转换后数值为D0Dm（如：640032000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为DD（AA0）（DmD0）（AmA0）D0。比如激光传感器 ，量程010CM与420mA相对应，假设该模拟量输入值与AIW0对应，则当AIW0的值为12800时WY表示温度值，AIW0为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出：WY=10（AIW06400）(32000-6400) +0，可以用WY直接显示位移值(CM），这样就可以把接收到的电流信号转换成实际位移值。这段梯形图主要功能为位移信号的采集，软件读入位移信号，首先进行软件抗干扰措施，排除干扰数据。0或32767超出数据范围的数视为无效数，不参与计算，否则计算出的实际数值不准。 第六章 PLC控制系统人机界面设计为了更好体现智能化，做到人机交互，上位机监控系统采用组态王KingView6.55软件进行设计，具有功能强大、运行稳定、使用方便的特点，丰富的设备支持库，支持1000多个厂家近4000种设备，包括主流PLC、变频器、仪表、特殊模块、板卡及电力、楼宇等协议；变量导入导出及自动创建变量功能，方便变量定义和修改，大量节省开发时间；可视化操作界面，真彩显示图形，支持渐进色，并有丰富的图库以及动画连接； 无与伦比的动画和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能；强大的脚本语言处理，能够帮助您实现复杂的逻辑操作和与决策处理；强大的分布式报警、事件处理，支持分布式报警和历史数据存储。画面编辑结束，可以切换到VIEW功能，通过内部变量查看画面效果。本设计工控机与PLC控制器的通讯采用TCP协议，这种通讯方式不需要增加新的模块，连接简单。建立应用程序大致可分为以下四个步骤：1.建立变量，包括I/O变量和内存变量 2.设计图形界面 3.建立动画连接 4.运行和调试。6.1 组态监控画面变量建立画面中的每个图形都对应着唯一的变量，图形的状态，数据显示都随着变量的变化而变化。变量的建立是首要的，变量建立的依据就是PLC基本单元模块中的输入输出点以及人机操作界面中的触摸命令如按钮开关和料筒温度设定，合模、开模高速、中速、低速值设定，料筒温度显示、合模开模速度显示。与PLC直接关联的变量是I/O变量，上位机发出的是内存变量。6.2组态监控图形界面设计 生产过程的自动控制己成为企业提高管理效益、提高劳动生产率的重要手段，与人为本的设计思想,改变了传统的单调而乏味的人机控制界面,可视化的、美观而形象生动的、易于理解和操作的用户界面越来越受到使用的欢迎。图形界面设计主要是选择的图库代表你的设备。操作区，我选择了按钮图库，指示区我选择了指示灯图库，数据显示区选择仪表图库。 图6.2-1 组态设计人机界面6.3 组态监控动画连接 组态监控工具箱中的基本图素：直线、扇形、填充图形（封闭图形，内部可填充色彩，有：椭圆和圆角矩形）、折线、管道、多边形、文本、按钮和点位图，它们均具有图形及动画功能。 动画连接