基于PLC控制的活塞浇注系统设计说明书

 1  基于 PLC 控制的活塞浇注系统设计   摘要 ：  工业自动化技术在近年来发展十分迅猛，当前工业自动化三大支柱技术之一的 PLC技术以其很高的可靠性和抗干扰能力受到广泛的欢迎，在各行各业的技术改造过程中被大量地应用。然而，单机控制往往因为点数的限制，无法实现对于较复杂的系统的控制。  表面处理工程领域是当前一个倍受关注的领域，作为一个新兴的边缘学科领域，有着蓬勃的生机，这一工程领域内的 活塞 生产则是一项非常传统的产业，生产率低下生产技术水平不高的现实迫切需要对其加以技术改造。本文就如何提高 活塞 生产领域的自动化水平，运用PLC 技术在生产线上实现控制。论文首先分析了 活塞 打标行业的生产状况，比较了几种常用的控制策略的优缺点，确定具体的控制方案，接着分析并设计了系统的控制流程，再就设备级的控制进行深入的研究，在硬件和软件两个层面上的控制进行了设计，最后对于系统的可靠性进行了设计。针对钢坯生产线，运用 PLC控制气动回路，再控制喷头进行定位 活塞 ；在操作上选用步进电机来精确定位和调速。  关键词 : PLC；  活塞浇注 ；  控制；  气动；  步进电机                2      Abstract： Industry automation technology develops very fast in recent years, as one of the three support technologies in industry automation, PLC is greatly welcomed with its very high reliability and anti-interence ability, and applied largely in the technology reformation process of all walks of industries.However, the single machine control usually can't carry out for the control of more complicated system because of the restriction of point.  The surface treatment engineering realm is paid close attention at present, as a new frontier subject realm it has booming source of vitality, however, in this engineering realm ,marking production is a very traditional industry, the reality of low production rate and low production technology level need urgently technology reformation. This paper analyses how to raise marking automation level of producing the realm, and use PLC technology to control in the production line. The thesis analyzed marking on the production condition of profession first, compared with the merit and shortcoming of a few control strategies in common use, gave concrete control project, analyzed and designed the structure of the controlling process, also carried on a thorough research for the control of equipments class, designed two levelss control with production line of hardware and software, finally designed the credibility of the system. Face to the production line ,it uses PLC technology to control the pneumatic loop ,then it controls the marking head to mark on the exact location that we need and choose the stepping motor to find the exact location and change the speed . Keywords:  PLC；  marking on the billet ；  control,；  pneumatic；  stepping motor         3  1 绪论   1.1 项目研究的背景      在机械成品和半成品加工过程中，为了及时而准确地识别产品的零部件，往往需要在自己的产品上标以明显的标志或记号，因此标记打印加工是机械制造过程的重要工序之一。过去，大多靠手工在产品上建立各种 字符、图形等。采用人工方式速度慢，图案单调，在复杂的环境下难以进行，不利于现代化操作流程。  随着计算机技术、自动控制技术、传动技术及 CAD 技术的发展，在成批、大量的现代化生产过程中，标记设备采用自动控制方式己成为主流。  传统的工业零部件标记打印，一般多是采用字模冲压、电化学腐蚀、电火花加工。这些方法，不仅效率低、不美观，而且防伪性差，很难达到同一规格，所以废品率极高，尤其难以适应现代化大生产的需要。一种较为先进的技术，在西方一些工业先进国家应运而生，随后在我国也得到发展应用。  技术，虽然较好地克服了传统工艺 的许多缺点，但由于受到激光器本身寿命低与在环境恶劣的生产现场缺乏长期稳定性工作特点的制约 ；同时，由于有色金属对激光的吸收较差，打印深度浅，所以这一方法不能满足生产实际的需要，除特殊材料如金刚石、硬质合金或对打印深度无特别要求的场合外，未能得到普及推广。  为弥补上述方法之不足，适应现代化大批、大量生产发展的需要，出现了一种全新的工业标记打印工艺 气动标记打印工艺。从 1988 年之后，这工艺便在一些西方国家相继采用，特别是在汽车、摩托车行业得到迅速推广。像美、日、意、德、法等国的通用、福特、克莱斯勒、丰田、本田、 菲亚特、奔驰、标致、雪铁龙、雅马哈等汽车、摩托车制造厂，均都大量采用。我国汽车、摩托车 (集团 )公司近年来也有了应用与发展。相比较而言，气动和电动相结合的方式由于结构简单，成本低，可控性好，速度快，特别适合于对标记速度有较严格要求的流水线作业场合，并能方便地控制标记内容的深度。  1.1.1 国外 活塞浇注 的发展    活塞浇注 问世己有一个多世纪了，从当初单一的 活塞浇注 扩展到今天的包括 活塞浇注 、活塞浇注 和特殊用途 活塞浇注 三大类、几百个品种。    4      生产 活塞浇注 历史最悠久的国家是美国，其次是英、德、法等欧洲工业化国家。五十年代 起，日本开始大力研制和生产各类 活塞浇注 ，并在许多方面都逐步接近或赶上了美国。现在国际市场上， 活塞浇注 80%被美国和德国占领， 活塞浇注 60%以上被日本占领，而特殊用途 活塞浇注 (主要是金属编号机 )仍然由美国垄断。      七十年代中期以前， 活塞浇注 的质量主要体现在整体跳动的准确程度和号码打印的清晰度 (即字面高度、字面倾斜、字脚高低的综合反映 )上。进入七十年后期，随着印刷机械的不断更新换代， 活塞浇注 也随之发生重大变革，印刷机上普遍使用的平型印刷 活塞浇注 逐步被轮转印刷 活塞浇注 所取代，轮转 活塞浇注 的加工技术和使用性能 都远远优于平型 活塞浇注 ，从而提高了产品的档次。现在轮转 活塞浇注 己占印刷机市场的 85%以上，而且还有上升的趋势。由于平型印刷 活塞浇注 在一些发展中国家仍有不小的市场，因此，美国、德国、意大利等国家在大力研制发展轮转 活塞浇注 的同时，还在积极改进平型 活塞浇注 ，通过将 活塞浇注的递加递减功能的复合，以及外观的深加工来提高产品的档次。平型 活塞浇注 的整体体积正在趋向小型化。      再就 活塞浇注 而言，七十年代中后期以来，随着自动化技术、微电子技术的发展，美国和日本先后研制出多功能电脑自动化 活塞浇注 。另一方面，日本许多公司企 业为满足用户多层次的需要，大力发展系列化的手动打号机，改进表面精饰，以吸引用户。由于日本 活塞浇注 的规格多、品种全、价格适中，因而畅销全世界。而英国、法国则以提高使用功能和外观造型上取胜，在欧洲市场上仍处于举足轻重的地位。这个时期 活塞浇注 的商品特性主要体现在潮流化和艺术化。英、法等欧洲国家的手动打号机讲究外观造型的板块化、直线状，凌角鲜明，配以电镀精饰或喷漆着色，既古朴典雅又粗犷大方，而日本、美国则讲究造型的多样化和色调的复合化，再加以电镀精饰，有令人赏心悦目之感。手动打号机的艺术化大大增强了它作为办公机械商 品的美学功能。      当代， 活塞浇注 的技术特性主要体现在规格系列化和功能多样化上。为了适应印刷机械和办公机械的更新换代上，满足用户多层次、多方面的需求，无论是 活塞浇注 还是 活塞浇注以及特殊用途的 活塞浇注 ，都从号码位数上、外形尺寸上、字体大小上、甚至选材档次上加以系列化。随着高新技术的发展应用、 活塞浇注 的使用功能大为拓宽，往往具有计数、复零、算术、存贮、查取、翻译、显示等十余种功能。    5      当前，美国、日本、德国、英国、法、意大利等国家都在提高 活塞浇注 的附加价值。通过改进技术，从内部结构和外观造型、表面精饰 两方面下功夫，实现产品实用性与艺术性的完美结合。目前 活塞浇注 业的发展特点是 :     1)重视产品开发，使之具有雄厚的产品技术储备。如美国的 ATLANTIC/ FORCE 公司和ROBERTS-LEIBINGER 公司几乎每年都推出几十个新品种，它们生产的 活塞浇注 和特殊用途 活塞浇注 ，其品种之多、规格之全，世界上没有一个国家的 活塞浇注 生产企业可以与之相匹敌。日本是目前世界上最大的 活塞浇注 生产国。从 1976年至 1989年十四年间，在世界 活塞浇注专利文献中，日本占 70-75，八十年代中期，日本推出电脑自动 活塞浇注 不到 一年，就又有数篇有关电脑自动 活塞浇注 的实用新方案提出，至于手动打号机的公开特许和实用新案更是年年都有公布。可见，日本的 活塞浇注 生产真正是构思一代，研制一代，生产一代。      2)外观质量精益求精。无沦是美国、日本还是西欧各国，都十分注意利用本国先进的工艺技术，通过外观深加工来提高 活塞浇注 的附加价值。对于零件采用锌合金压铸的 活塞浇注 外观都是通过深加工来提高其档次。      3)基础元件、材料配置完善。在美国和日本， 活塞浇注 所用数显装置、电路板、电池、标准件、金属和非金属材料、电脑等，都是通过各种订购、转包 形式在行业内外甚至在国外的子公司或合资企业内配合，品种多、质量高、成本低、交货快，为产品开发提高了有利条件。象美国的 RAPID  PRINT 公司、 BATES公司和日本的 PLUS株式会社等都是如此。  4)采用计算机辅助设计和辅助加工，配有先进的数控、程控加工设备，以先进的工艺装备，加速产品试制速度，缩短生产周期，保证产品质量。  1.1.2 我国打号机的发展现状  我国生产 活塞浇注 已经六十余年了，产品有 活塞浇注 、手动打号机和金属编号机等。生产企业有上海 活塞浇注 厂等近十家企业，年产量达 50-60万个左右，规格品种有 20种以上，其中手动打号机至少有 12 种，特殊用途 活塞浇注 至少有 2 种。过去的较长时期 活塞浇注 只生产平型 活塞浇注 ， 活塞浇注 只生产手动打号机，进入八十年代以来，随着印刷行业越来越多地采用轮转式印刷机，国内一些厂家开始试制轮转 活塞浇注 ，以便与之相配，减少并最终替代进口。与此同时，根据广大用户对手动打号机在规格品种、外观质量等方面的需求，在手动打号机的系列化、艺术化方面也取得了一定进展。另外，特殊用途 活塞浇注 除了原有的  6  金属编号机、自动上墨印刷 活塞浇注 、条形 活塞浇注 等品种，至于为用户特制的或用户自己改装的 活塞浇注 ，其品 种就更多了。      上海 活塞浇注 厂是全国最大的 活塞浇注 专业生产厂，也是唯一的出口企业，生产的各种活塞浇注 占国内市场的 80%以上，手动打号机占 50%以上，各类 活塞浇注 的市场覆盖面均达 I 00。出口产品远销美国、西欧、拉美、中东、西亚、东南亚和港澳等国家地区，出口量逐年上升。      现在我国 活塞浇注 的附加价值平均达到 0.4，是属于高附加值产品。尽管如此与国际先进水平相比较，还存在着明显的不足，其表现为 :     1)产品技术水平不高。国产平型 活塞浇注 外形尺寸大，仅相当于国外五、六十年代水平。轮转 活塞浇注 开发 速度缓慢，零件制造精度不高，装配调整水平还不过关。新设计的手动打号机中所含新技术成分较低。      2)产品情感功能不足。只求在功能上满足人们对编号的基本需求，而忽视从外观造型上满足人们对审美情感的更新需求，外观款式变化不多，表面精饰差。      3)产品适应范围不宽。轮转 活塞浇注 尚处于开发试制阶段 :平型 活塞浇注 系列化程度差，品种比较单调 ；活塞浇注 只生产手打的，没有电脑自动的。产品系列化也不完善，各类 活塞浇注 缺乏档次上的差别，与用户的多层次需求有一定的距离。      由于存在上述不足，再加上其它一些原因，使 我国 活塞浇注 在国际市场上的卖价提不高，与国外同类产品在价格上相差悬殊。现在，在国际市场上我国 活塞浇注 之所以还能够供不应求，主要是价格低廉。  本设计中的 活塞浇注 主要是用于在钢坯上打字，国内各大钢厂根据自己的需求，均采用了与之相适应的钢坯打号机，如武汉钢铁公司采用的是一种美国 Insight公司生产的 ITM840。气动钢坯打号机，首钢集团则是采用的液压式钢坯打号机。而无锡气动技术研究所为宝钢三期电炉连铸研究的全自动回转选字式钢坯打号机采用了冲击气缸打印，气动控制 X, Y, Z三坐标驱动及定位锁紧，电气伺服高回转选 字， PLC 程序控制等技术，也是一种理想的钢坯打印设备。   1.2 钢坯 活塞浇注 在炼钢生产中的作用    7  钢坯打印是钢厂为保证钢材质量必不可少的工序之一，国外钢铁业己普遍采用自动打印的方法，在钢坯上打上钢号、生产日期等标记，以便发生质量问题时查找原因，避免废品出厂，我国钢厂过去普遍采用在钢锭上人工描号，效率低，工人劳动强度大 (钢坯温度在 1000 C以上 )，更严重的是容易出差错，而造成混钢事故。  在钢坯生产过程中，为便于生产厂家跟踪产品的质量和用户，了解产品的有关信息，都需在产品上标识相关信息，通常金属标识设备采用以 下几种方式 :滚印式、喷焊式、电蚀式、喷印式、冲打式、激光式。根据钢坯表面的特点和生产工艺要求，对钢坯标识设备主要要求可以归纳为 : 1)适应现代化大生产要求，能实现标识过程的全面自动化，同时打印速度要满足生产节奏的要求。  2)标识灵活、字符更改方便，字迹清晰、牢固 ；考虑到表面粗糙和氧化皮的影响，应该具有较强的穿透力。  3)标识设备要能够不间断地稳定运行 ； 4)在满足作业要求的基础匕尽可能降低投资成本和使用、维护费用 ； 5)针对冶金工业生产的特点，对温度、振动、各种污染有较强的适应能力。   1.3课题的提出及意 义  机电一体化是机械技术与电子技术相结合的产物。社会发展到今天，机电一体化技术己经渗入到工厂与人们生活的方方面面，它使得古老的制造业焕发出勃勃生机，大大地改善了人们的工作环境。而单片机在机器设备的智能化控制过程中的作用则更是尤为重要。  本课题中以钢坯气动打标计作为研究实体，本气动 活塞浇注 主要用于钢坯在出炉后打印标识用，参考德国 NUMTEC 公司的 HS-624钢坯打号机模型。由于现场工作温度很高，加上环境比较恶劣，工作人员很难在现场进行作业，打号机的编号工作必须在办公室中进行，因此必须进行机器与计算机之间的控制 与信息反馈。在本课题研究中，充分体现机电一体化的特点，将机械技术、检测传感技术、自动控制技术、接口技术等融为一体，进行系统化设计。    8  尤其本研究课题解决了以前传统 活塞 达标机用于钢坯生产技术上的一些缺陷，可以实现：（ 1）不停流水线，直接在钢坯加工过程中进行同步耐高温 活塞 ；（ 2） 活塞 技术也有创新，采用连续式气动喷射成字，而不是打点成字。       2  气动回路设计   2.1 气动回路设计  活塞浇注 机要求能实现钢坯在生产线上不停止，控制喷头与钢坯同步前进的基础上用PLC 可编程控制器控制三相步进电机和三相异步电机同 步运转来实现喷头的喷字过程（在本设计中仅以字母“ A”为例说明 活塞 机喷头的控制方式）。亦要打破传统式的打点针式 活塞方式，采用气动打标方式。所以要设计气动回路来实现这一方式。  2.1.1 气动回路的设计思路    主回路上必须要设置一个电磁阀来作为总开关，由 PLC来控制它换阀位而实现主回路的开关，选用二位三通阀来实现。因为在最后关闭各阀时，会在总阀这里排气，那样会产生巨大的噪音，所以必须在这个阀上接消声器来减小噪音污染，其他各阀上也根据需要接消声器。  因为需要实现三个功能 （清洁钢坯表面      用去鳞器将钢坯 表面刮平整       喷字），所以设定在主回路上接三个支路，每个回路实现一个功能。 在第一个支路上接一个二位二通电磁阀来控制清洁头的工作，平时是常闭的，当得到得电信号就换阀位，变成开通的阀，高压气体通过可产生冲击力清洁钢坯。第二个支路是实现去鳞器的前进和后退，因为要实现该支路上的三个状态（闭合、压缩气体通过使气缸前进，压缩气体前进使气缸返回），所以要选用三位五通电磁阀，在阀上加两个溢流阀形成速度控制回路来控制气缸的运动速度而实现去鳞器的前进和退后的运动速度。第三个支路是实现喷头 活塞 控制的，具体速度转向控制由  9  PLC 控制电机来实现，这里只需要实现该支路的开启和闭合即可。所以一样需要选用一个电磁阀来实现这一功能，根据要实现的功能只需一个二位五通阀即可。  主回路上需要再装一个空气过滤器，以净化高压气体，除去一些杂质以免会喷射时产生凹凸不平，还要在第二支路前接压力继电器，在去鳞器去鳞时与钢坯有接触，会产生压力，如果压力过大会对钢坯产生损坏，所以这里需要接压力继电器来控制去鳞器去鳞时的限制压力；第二个支路和第三支路上要接带溢流的减压阀，把较高的进口压力调节并降低到符合使用要求的出口压力，并保证调节后出口压力的稳定。  2.1.2 气动回 路图的设计    根据以上 活塞 机的工作原理和气动回路的设计思路，可以设计出该 活塞 机的气动回路图。  在设计时需要注意以下几点以下几点：（ 1）联接口径大小的选择为主回路 Rc1/2,而支路 Rc1/4；（ 2）用 PLC 来控制电磁阀的开关顺序时是采用时间延时实现；（ 3）气动回路图设计时各气压元件符号都采用 GB786.1新标准。  气动回路的设计图如下：  接去鳞器接清洁枪头 图 2-1  气动控制回路图    10    2.2 气动回路图各元件型号选择及其性能分析   2.2.1 消声器    气缸 排气侧的压缩空气，通常是经换向阀的排气口排入大气的。由于余压较高，最大排气速度在声速附近，空气急剧膨胀，引起气体的振动，便产生了强烈的排气噪声。长期在噪声环境下工作，会使人感到疲劳，工作效率降低；降低人的听力，影响人体健康。所以，必须采用相应降低噪音的措施。   对消声器的要求是，在噪声频率范围内消声效果好，排气阻力小（即有效截面积要大），以免影响换向阀的换向性能。并要求结构耐用，便于清洗。  因为这里用到的消声器都是采用螺纹连接方式直接安装在阀的排气口上，  就选用阀用消声器。阀用消声器的消声效果按标准规定，公 称通径 625mm，为  20dB（ A） , 公称通径3250mm为  25dB（ A）。还要求消声器排气阻力小，不影响控制阀和执行元件的正常工作，即要求有足够的流通面积。外表就选用烧结金属型，所以型号定为 AN110-01：     表 2 1 消声器型号及其性能描述  系列  型  号  最高使用压力 /Mpa 环境和介质温度 / C 消声效果  /dB 特  点  烧结金属型  AN110-01 1.0 5150 21 吸声材料为青铜烧结金属体，连接体材料为磷青铜     11  要选两种不同的配管口径大小的，分别是 G1/2 和 G1/4， 一个 G1/2用在主管道上的二位三通换向阀上，而需要三个 G1/4 的消声器用在支路上的二位五通换向电磁阀上和二位三通换向电磁阀上。  2.2.2 空气过滤器    空气过滤器可以除去压缩空气中的固态杂质、水滴和污油滴等，不能除去气态油、水。    按过滤器的排水方式，有手动排水型和自动排水型，这里选用的是自动排水型。而自动排水型又按无气压时的排水状态，有常开型和常闭型，选用常开型，选用金属水杯。  表 2 2  空气过滤器型号及其性能描述  系列  配管口径  Rc 使用压力范围/MPa 环境和介质温度  / C 可带自动排水器 系列  耐压试验压力/MPa 过滤精度  /m 分水效率  AF40 1/2 0.11.0 -560 AD47（ N.C.）  1.5 5 >80%  2.2.3 压力计    选用的是一般用压力表（ G系列）。  表 2 3  压力表型号及其性能描述  系列  连接螺纹  压力界限  /MPa 外径 /mm 精度等级  形式  连接口径  G43 DT R1/2,R1/4 01 43 3  Rc1/4的需要两个，分别用在两条支路上， Rc1/2 的需要一个，用在交叉管路上。  2.2.4 压力继电器    压力继电器是利 用 气 体的压力来启闭电气触点的液压电气转换元件。当系统压力达到压力继电器的调定值时，发出电信号，使电气元件（如电磁铁、电机、时间继电器、电磁离合器等）动作，使油路卸压、换向，执行元件实现顺序动作，或关闭电动机使系统停止工作，起安全保护作用等。    12  YJDQ-07型压力继电器是用于电气 液压系统中，把油压讯号转换为电器讯号的一种发送装置。它是弹簧载荷式，当压力达到预先设定值时，继电器的活塞产生机械位移以接通微动开关的触点，它具有两个压力点的精确控制。  表 2 4  压力继电器型号及其性能描述            2.2.5 减压阀   减压阀是将较高的进口压力调节并降低到符合使用要求的出口压力，并 保证调节后出口压力的稳定。其他减压装置虽能降压，但无稳压能力。   选用直动式减压阀 利用手轮直接调节调压弹簧的压缩量来改变阀的出口压力的阀。   表 2 5  减压阀型号及其性能描述  系列  连接口径  最高进口压力  /MPa 最低进口压力  /MPa 调压范围  环境和介质温度 / C AR40 Rc1/2 1.0 设定压力 +0.05 Mpa以上  0.050.7 -560  接口尺寸   M12（ Rc1/2）   工作压力   2MPa 40MPa 环境温度   55 85   介质温度   0 120   电路连接方式   单刀双掷   电负载   27VDC、 0.2 10A（阻性）   27VDC、 0.2 5A（感性： 0.01s）   切换精度   1.5%调定压力   外壳防护   IP65  抗振性能   40m/s2 冲击性能   500 m/s2 7ms 寿   命   3 104 次     13  2.2.6 电磁阀    电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一 般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。       电磁阀的工作原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。  直动式电磁阀 工作 原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失 ，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。   与清洁头连接时用到一个二位二通式的电磁阀，来控制清洁头的工作。   表 2 6  二位二通电磁阀型号及其性能描述  系列  连接口径  Rc 使用压力范围/MPa 有效截面积  mm2 (Cv值 ) 机能  环境和介质温度 / C 耐冲击 /耐振动  EVS7-8 1/2 0.11 65 单电控 FG-S -560 150/50  手动操作方法          推压式（需工具）        密封形式              弹性密封        保护等级              IP65       电磁阀接线端子        M12       额定电压              DC24V,12V或 50V 以下        允许电压波动           15 10        消耗功率 /W           1.8    14     在主回路上有一个起到气动回路总开关作用的二位三通电磁阀，另外在两条支路上分别有一个三位五通电磁阀和一个二位三通电磁阀。因为 VP 系列电磁阀具有体积小，流通能力大，动作频率高的特点，还可用于真空压力条件下。所以我选用 VP342 系列二位三通直动式电磁阀用在支路上控制喷头。  表 2 7  二位三通电磁阀型号及其性能描述  型号  配管形式  动作方式  配管口径  有效截面积  mm2  (Cv值 ) 使用压力  /MPa VP342 直接配管  先导式  RC1/4 16.2（ 0.9）  0.2 0.8  环境及流体温度   最高 50 C 响应时间         30毫秒或以下  最高动作频率     5次 /秒  抗冲击 /振动能力  30G/5G(8.3 2000HZ)  而主回路上的连接口径较支路大，所以型号 要另选。  表 2 8  二位三通电磁阀型号及其性能描述  型号  配管形式  动作方式  配管口径  有效截面积 mm 2  (Cv值 ) 使用压力  /MPa VP3145 直接配管  先导式  RC1/2 110（ 6.1）  0.2 0.8  而三位五通的电磁阀选用 VF5320型号   表 2 9  三位五通 电磁阀型号及其性能描述  型号  配管形式  动作方式  配管口径  机能  有效截面积  mm 2  (Cv值 ) 使用压力  /MPa VF532 直接 配 先导式  RC1/4 中位封闭式  30.6（ 1.7）  0.15  15  0 管  0.9  2.2.7 节流阀    单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，常用于控制气缸的运动速度，故常称为速度空置阀。节流阀是依靠改变阀的流通面积来调节流量的，要求节流阀流量的调节范围较宽，能进行微小流量调节，调节精确，性能稳定，阀芯开度与通过的流量成正比。      这里需要两个可调单向节流阀构成一个回路，起速度控制作用。型号上选用 AS系列。           耐压试验压力     1.5 Mpa          最高使用压力     1.0 Mpa          最低使用压力     0.05 Mpa          环境及流体温度   5 60 C          调整流量圈数      8 表 2 10  节流阀 型号及其性能描述  型号  口径  自由流量  控制流量  质量（ g）  流量 /min (ANR) 有效截面积mm2  流量 /min (ANR) 有效截面积mm2  AS200002 1/4 340 5.2 250 3.8 115  2.2.8 可调双向缓冲缸    气缓冲装置是由缓冲套、缓冲密封圈和缓冲阀等组成，当活塞向右运动时，右缓冲套接触右缓冲密封圈，活塞右侧便形成一个封闭气室，称为缓冲腔。此缓冲腔内的气体只能通过缓冲腔排出。调节缓冲阀的开度，可改变缓冲能力，故带缓冲阀的气缸，称为可调缓冲气缸。  型号上选用 CA1系列，各性能参数如下：  缸径（ mm）                 40 动作方式                   双作用    16  耐压试验压力               1.5 Mpa 最高使用压力               0.99 Mpa 最低使用压力               0.05 Mpa 环境及流体温度             50 500 mm/s 缓冲                       气缓冲  接管口径 Rc                1/4 行程范围（ mm）             500 磁性开关型号（拉杆安装）   A54， A56 2.2.9 截至阀    截至阀属于通用配件，选择一个连接口径为 Rc1/4的即可。                     17          3 硬件选型及其性能   3.1 PLC型号选择及其性能分析  3.1.1 可编程控制器的应用和发展   可编程控制器是 60 年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出 PLC概念的是美国通用汽车公司。当时，根据汽车制造生产线的需要，希望用电 r化的新型控制器替代继电器控制柜，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成木和时间。 PLC 的基木设计思想是把计算机的功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点 结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象、将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和控制对象连接方便。      随着半导体技术、尤其是微处理技术和微型计算机技术的发展，到 70年代中期以后， PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的 PLC 已小再仅有逻辑 (Logic)判断功能，还同时具有数据处理、 PID调节和数据通信功能。      国际电土委员会 (IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义 :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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、和算术运算等操作的指令，  18  并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设各，易于与土业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。      可编程控制器对用户来说，是一种无触点设各，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不 需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。  可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。      可靠性高，抗干扰能力强 :可编程控制器是专为工业控制而设计的，除了对器件的严格筛选和老化外，在硬件和软件两个方而还采用了屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，使其平均无故障时间达到（ 3 5）万 小时以上。      编程直观、简单 :可编程控制器是面向用户、面向现场，考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，它没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用了一种面向控制过程的梯形图语言，梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂。计算机技术和传统的继电器控制技术之间的隔阂在可编程控制器上完全不存在。  适应性好 :可编程控制器是通过程序实现控制的。当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。由于可编程控制器产品已标准化、系列化、通用化，因此能灵活方便地进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统， 适应能力非常强，故既可控制一台单机，一条生产线，又可控制一个复杂的群控系统，既可以现场控制，又可以远距离控制。  功能完善，接口功能强 :目前的可编程控制器具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设各控制水平大大提高。接口功率极大地方便了用户，常用的数字量输入输出接口，就电源而言有 110 V，220V交流和 5 V，  24 V，  48 V直流等多种 ；负载能力可在 (0.5 5A)的范围内变化 ；模拟量的输入输出有 (-50-+50)mV ，  (-10-+10)mV 和 (0-10)mA，（ 4-20） mA 等多种规格。可以很方便地将可编程控制器与各种不同的现场控制设各顺利连接，组成应用系统。例如，输入接口可直接与各种开关量和传感器进行连接，输出接口在多数情况下也可直接与各种传统的继电器、接触器及电磁阀等相连接。    19   图 3 1  PLC 系统的基本结构  CPU 模块是 PLC 的主要组成部分，是系统的控制核心。 CPU 模块中通常还插装有存储器，用于存放 PLC的系统程序、用户控制程序和工作数据等。 CPU以循环扫描的方式采集现场各输入装置的状态信号作为控制程序运行的参数条件， 执行用户控制程序，并将运算结果传送到相应的输出装置，驱动外部负载工作。  输入 /输出模块是 PLC的 CPU模块与外部控制现场相联系的桥梁。 PLC 的输入 /输出模块通常可分为开关量输入模块、模拟量输入模块、开关量输出模块和模拟量输出模块等，分别用于联系不同类型的外部信号。复杂 PLC中还有一类特殊 I/O模块，如高速计数模块、 PID控制模块、中断控制模块等，一般是为了提高 PLC的实时控制功能和过程控制功能而专门设计的。   编程器是编制、编辑、调试 PLC用户控制程序以及实时监测现场运行状况的必备设备，它通过通信接口与 PLC的 CPU模块相联系，为 PLC 提供专用编程环境。小型 PLC的程序编制可直接使用简易的手持式编程器来完成，较为复杂的编程一般使用专门的编程软件。编程软件可以安装在普通计算机上，程序编制好后通过通信电缆下载到 PLC中。  可编程控制器是集微机技术、自动化技术、通讯技术于一体的通用工业控制装置。随着微处理技术的发展，可编程控制器也得到了迅速发展，其技术和产品日趋完善。它不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，使其功能更加完备。    20  可编程控制器在国内外已广泛应用于钢铁、石化、机 械制造、汽车装配、电力、轻纺等各行各业。目前，典型的 PLC功能有下面几点。  顺序控制 :这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。  过程控制 :在土业生产过程中，又许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位、速度、电流和电压等，称为模拟量。可编程控制器有 A/D和 D/A转换模块，这样，可编程控制器可以作模拟量控制用于过程控制。  数据处理 :一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产 过程中的数据进行处理。用 PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理、监控生产过程。较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进电机或伺服电机，实现对各种机械的位置控制。  通信联网和显示打印 :某些控制系统需要多台 PLC 连接起来使用或者由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网要求。可编程控制器还可以连接显示终端和打印机等外围设备，从而实现显示和打印功能。  可编程控制器的更新很快 :可编程控制器的技术发展特点为高速度、大容量、系列化、模块化、多品种。可编程控制器 的编程语言、编程工具多样化，通信联网能力越来越强。可编程控制器的联网和通信分为两类 :一类是可编程控制器之间的联网通信，各制造厂商都有自己的专用联网手段 ；另一类是可编程控制器之间联网通信，一般可编程控制器都有通信模块用于与计算机通信。在网络中要有通用的通信标准，否则在一个网络中不能连接许多厂商的产品。  3.1.2 PLC的工作原理及其性能分析   PLC采用循环扫描的工作方式，这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。内部处理阶段， PLC检查 CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信操作服务阶段， PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当 PLC处于停 (STOP)状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容。在 PLC处于运行 (RUN)状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。  输入处理    21      输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映 象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。  程序执行      根据 PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时， PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映象寄存器 中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。  程序处理      程序执行完以后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的 Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。      PLC的扫描既可按固定的顺序进行，也可按用户程序所指定的可变顺序进行。这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而目也因为在一些大系统中需要处理的 I/O点数多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批扫描的执行方法，可缩短循环扫描的周期和提高控制的实时响应性。      循环扫描的工作方式是 PLC的一大特点，也可以说 PLC是“串行”工作的，这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。 PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竟争和时序失配的问题。      由于 PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。暂存在输出映象寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束， CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。由此可以看出，全部输入输出状态的改变需要一个扫描周期。换言之，输入输出 的状态保持一个扫描周期。  扫描周期是 PLC一个很重要的指标，小型 PLC 的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。 PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。毫秒级的扫描时间对于一般工业设备通常是可以  22  接受的， PLC的响应滞后是允许的。但是对某些 I/O快速响应的设备，则应采取相应的措施。如选用高速 CPU,提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。影响 I/O 滞后的主要原因有 :输入滤波器的惯性 ；输出继电器接点的惯性 ；程序执行的时间 ；程序设计不当的附加影响等。     西门子公司的 SIMATIC S7-200PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。 SIMATIC S7-200 的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200具有极高的性能 /价格比。 S7-200出色表现在以下几个方面：  极高的可靠性 ，  极丰富的指令集  ， 易于掌握  ， 便捷的操作 ， 丰富的内置集成功能 ， 实时特性 ， 强劲的通讯能力 ， 丰富的扩展模块 。     S7-200系列 PLC可提供 4种不同的基本单元和 6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、 文本显示器等。   1  基本单元  S7-200系列 PLC 中可提供 4种不同的基本型号的 8种 CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见下表：  表 3 1  S7-200系列 PLC 中 CPU22X的基本单元  型  号  输入点  输出点  可带扩展模块数  S7-200CPU221 6 4  S7-200CPU222 8 6 2个扩展模块  78 路数字量 I/O点或 10路模拟量 I/O点  S7-200CPU224 14 10 7个扩展模块  168 路数字量 I/O点或 35 路模拟量 I/O点  S7-200CPU226 24 16 2个扩展模块  248 路数字量 I/O点或 35 路模拟量 I/O点    23  S7-200CPU226XM 24 16 2个扩展模块  248 路数字量 I/O点或 35 路模拟量 I/O点   2  扩展单元  S7-200系列 PLC主要有 6种扩展单元，它本身没有 CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展 I/O点数， S7-200系列 PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如自下表所示。  表 3 2  S7-200系列 PLC扩展单元型号及输入输出点数  类  型  型  号  输入点  输出点  数字量扩展模块  EM221 8 无  EM222 无  8 EM223 4/8/16 4/8/16 模拟量扩展模块  EM231 3 无  EM232 无  2 EM235 3 1 3  编程器  PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入 PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。 S7-200系列 PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。  简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及 监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大， S7-200 系列 PLC的专用编程软件为 STEP7-Micro/WIN。   4  程序存储卡  为了保证程序及重要参数的安全，一般小型 PLC设有外接 EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入 PLC，也可将 PLC内的程序及重要参数传到外接 EEPROM卡盒内作为备  24  份。程序存储卡 EEPROM 有 6ES 7291-8GC00-0XA0 和 6ES 7291-8GD00-0XA0 两种，程序容量分别为 8K和 16K程序步。   5  写入器  写入器的功能是实现 PLC和 EPROM之间的程序传送，是将 PLC中 RAM 区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将 PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到 RAM区。   6  文本显示器  文本显示器 TD200 不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入 /输出量。文本信息的 显示用选择 /确认的方法，最多可显示 80条信息，每条信息最多 4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。 TD200面板上的 8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。   3.2 PLC中 CPU的选择  因为我设计需要的输入输出接口数目的原因，我选择 CPU226。 集成 24 输入 /16 输出共40 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量I/O 点。 13K 字节程序和数据存储空间。 6 个独立的 30kHz 高速 计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。 2个 RS485通讯 /编程口，具有 PPI通讯协议、 MPI通讯协议和自由方式通讯能力。 I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入 /输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。   24输入 /16输出共 40个数字量 I/O点。   可连接 7个扩展模块单元，最大可扩展至 248个数字量 I/O点或 35 路模拟量 I/O。   13KB的程序和数据存储区空间。   6个独立的 30kHz的高速 计数器， 2路独立的 20kHz的高速脉冲输出。   具有 PID控制器。   2个 RS485通信 /编程口。    25   具有多点接口 MPI 通信协议。   具有点对点接口 PPI 通信协议。   具有自由通信口。   I/O端子排可以很容易地整体拆卸。   3.3 电机的选择及其分析      本设计中，因为控制纵向运动的电机只需要完成换向运转即可，不需要实现变速控制，所以只选用三相异步电机即可；而控制横向运转的电机是需要实现变速控制的，需要选用三相步进电机。  3.3.1步进电机的选用及分析     步进电机的一些特点：  1一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。  2步进电机外表允许的最高温度。    步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90度完全正常。  3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。    当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力 矩下降。  4步进电机低速时可以正常运转 ,但若高于一定速度就无法启动 ,并伴有啸叫声。    步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。    步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高 ，步进电机将会在更多的领域得到应用 。    26  步进电机与一般的电机不同，它具有控制位置或控制速度的功能。它的基本要求是使执行机构有正确的运动速度，定位精确，高速响应等。  位置伺服系统中，对驱动电动机最主要的要求，是良好的调速性能和起、制动性能。直流电动机容易满足这一要求，能方便地、经济地在大范围内平滑地调速，所以过去在工业自动化装置中，直流位置伺服系统占有相当的比重。然而直流电动机有电刷和换向器，因为要整流，机械结构上电刷和整流子保持接触，使电刷发生磨损，所以必须定期保养 ；此外，电刷会发出噪声 ；磨损的粉末还污染环境 ；接触又会发出火花，对工作环境有特殊要求 ；为了抑制电弧，限制了最高转速和最大电流，从而使响应特性提不高，维护麻烦，可靠性差。  交流步进电动机可用于各种工厂自动化 (FA)设备。近年来，交流驱动技术获得了快速的发展，它在要求高速旋转的机器和系统的伺服机构中是必不可少的。尽管交流步进电动机有其固有的缺点，如成本高、控制较复杂、难以实现小型化，但是随着电子控制技术和成批生产技术发展，这些问题得以解决，而广泛用于数控机床和工业机器人等设备。步进电动机、伺服电动机、调速电动机等都可用作控制电动机，而步进电动机能快速、精 确地达到一定的运行速度、位置和其它控制要求，所以其中以步进电动机的性能最好。   在本设计中，考虑到转速与功率，我选用三相六拍反应式步进电机，型号选用 BC 系列 的90BF003，  其基本参数如下表所列：  表 3 3  三相六拍反应式步进电机基本参数  型号  步距角  相数  电压 V 电流 A 静力矩  N.M 起动频率  Hz 90BF003 1.5/3 3/6 60 5 1.96 1500  通用参数：  步距角精度：    5%   温度范围：     20  +50   最高温度：     +80    绝缘电阻 ：     100M  Min.500V DC     27  耐  压：        500V AC 1 minute 接线方法 如下表所列：  表 3 4  三相六拍反应式步进电机接线方法 &nb