毕业设计（论文）-基于PLC和触摸屏控制的上料单元设计.doc

题目：基于PLC和触摸屏控制的上料单元设计基于PLC和触摸屏控制的上料单元设计摘要本文介绍饿触摸屏结合PLC在上料单元系统中的应用，并对改控制系统中的触摸屏页面设计和PLC的原理及作用进行了分析。系统改造中，一PLC作为空系统的核心，以触摸屏作为人机界面，系统界面友好，简单直观，易于操作，并着重介绍了PC 和触摸屏的硬件和软件设计系统使用说明PLC的使用提高饿控制系统的稳定性和抗干扰触摸屏的使用减少了大量的硬件设施以及由此而带来的故障。关键词： 传送带， 人机界面 ，三菱编程器，变频器，上料机AbstractThis paper introduces hungry touch screen combining PLC in feeding unit system, the application of change control system of the touch-screen page design and PLC principle and effect are analyzed. System reform, a PLC as empty the core of the system, as with touch screen man-machine interface, system friendly interface, simple, intuitive, and easy to operate, and introduces mainly the PC and touch screen and the design of hardware and software systems instructions PLC control system using improve hungry stability and anti-jamming of touch screen using reduced the hardware facilities, and thus brought the fault. Keywords: conveyor belt, man-machine interface, mitsubishi programmer, inverter, feeding machine第一章 绪论1.1选题背景可编程逻辑控制器已成为工业自动化三大技术支柱（即PLC.机器人和CAD/CAM）之一，被喻为工业控制的灵魂，随着科技的飞速发展，越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面，PLC控制器强大的功能及复杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而操作有简单的人机界面的出现，触摸屏的应用而生无疑是21世纪自动化领域里的一个巨大的革新。1.2相关研究现状及前景PLC是以微处理器为核心，不仅能够处理数字量，还能都处理模拟量，具有逻辑运算、顺序运算、计时计数、算术运算功能，现在的PLC还具有良好的通讯功能，易于和其他职能设备实现联合控制。触摸屏控制即工业人机界面，简称HMI，是一种智能化操作控制显示装置，工业人机界面特殊设计的计算机系统32未RISCCPU芯片核心，在STN、TFT液晶显示或EL电发光显示器上罩有透明的电阻网络式触摸屏。触动屏幕时，电阻网络上的电阻和电压发生变化，并由软件计数出触摸屏位置，HMI的主要功能有：书记的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信息显示；在HMI上设置触摸屏控件可把HMI作为操作面板运行控制操作；报警处理及打印。此外，新一代工业人机界面还具有简单的编程，对输入的数据进行处理，数据登陆及配方等只能花控制功能。1.3内容章节概述本文主要从PLC,硬件结构，界面设计和程序设计四个方面阐述“基于PLC和触摸屏控制的上料单元设计”。开始概述PLC的发展历程及其应用，硬件设计介绍本次设计系的统结构框图，触摸屏界面概述操作界面，程序设计主要说明PLC操作过程的详细动作II目 录第一章 绪论III1.1选题背景III1.2相关研究现状及前景III1.3内容章节概述III第二章 可编程控制器概述22.1 可编程控制器的产生及定义22.2 可编程控制器的分类及特点22.3 可编程控制器的应用42.4 PLC控制系统的分类4第三章 可编程控制器原理63.1 LC的组成与基本结构63.2 各组成部分73.3 的基本工作原理83.4 的滞后现象9第四章 步进电机及驱动94.1 步进电机简介94.2 BS86HB80-04高性能二相混合式步进电机124.3 步进电机驱动器简介124.4 YKA2608MC高性能二相混合式步进电机驱动13第五章 变频器175.1 变频器简介175.2 FR-D700 变频器18第六章 传感器和气动元件19第七章 人机界面207.1编辑界面20第九章 总结23附录 程序设计24参考文献33致 谢34第二章 可编程控制器概述2.1 可编程控制器的产生及定义2.1.1 1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国通用汽车公司（GM）的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（programmable logic controller）。2.1.2 70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable ontroller）。但由于PC容易与个人计算机（personal computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。2.1.3 1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。2.1.4 PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。2.1.5 PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。2.2 可编程控制器的分类及特点2.2.1 从组成结构形式分一体化整体式、 模块式结构化2.2.2 从组成结构形式分超小型C、小型、中型、大型、超大型2.2.3 按输出形式分继电器输出：为有触点输出方式，适用于低频大功率直流或交流负载图片2-1 继电器输出晶体管输出：为无触点输出方式，适用于高频小功率直流负载图2-2晶体管输出型（NPN集电极开路）图2-3晶体管输出型（PNP集电极开路）晶闸管输出：为无触点输出方式，适用于高速大功率交流负载图2-4晶闸管输出型特点：l 可靠性高、抗干扰能力强l 编程简单、使用方便l 设计、安装容易，维护工作量少l 功能完善、通用性好，可实现三电一体化PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体。l 体积小、能耗低l 性能价格比高2.3 可编程控制器的应用l 开关量的逻辑控制l 位置控制l 过程控制l 数据处理l 通信联网l 的应用2.4 PLC控制系统的分类2.4.1集中式控制系统集中式控制系统是用一个PLC控制一台或多个被控设备。主要用于输入、输出点数较少，各被控设备所处的位置比较近，且相互间的动作有一定联系的场合。其特点是控制结构简单。图2-4集中式控制系统2.4.2远程式控制系统远程式控制系统是指控制单元远离控制现场，PLC通过通信电缆与被控设备进行信息传递。该系统一般用于被控设备十分分散，或工作环境比较恶劣的场合。其特点是需要采用远程通信模块，提高了系统的成本和复杂性。图2-5远程控制系统2.4.3分布式控制系统分布式控制系统即采用几台小型PLC分别独立控制某些被控设备，然后再用通信线将几台PLC连接起来，并用上位机进行管理。该系统多用于有多台被控设备的大型控制系统，其各被控设备之间有数据信息传送的场合。其特点是系统灵活性强、控制范围大，但需要增加用于通信的硬件和软件，系统的复杂性也更大。图2-6分布控制系统第三章 可编程控制器原理3.1 LC的组成与基本结构主要由中央处理单元、输入接口、输出接口、通信接口等部分组成，其中是的核心，部件是连接现场设备与之间的接口电路，通信接口用于与编程器和上位机连接。对于整体式，所有部件都装在同一机壳内；对于模块式，各功能部件独立封装，称为模块或模板，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。不同厂商生产的不同系列产品在每个机架上可插放的模块数是不同的，一般为块。可扩展的机架数也不同，一般为个机架。基本机架与扩展机架之间的距离不宜太长，一般不超过M。图2.1硬件结构3.2 各组成部分3.2.1中央处理单元通过输入装置读入外设的状态，由用户程序去处理，并根据处理结果通过输出装置去控制外设。一般的中型可编程控制器多为双微处理器系统，一个是字处理器，它是主处理器，由它处理字节操作指令，控制系统总线，内部计数器，内部定时器，监视扫描时间，统一管理编程接口，同时协调位处理器及输入输出。另一个为位处理器，也称布尔处理器，它是从处理器，它的主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现编程语言向机器语言转换。处理速度是指执行条基本指令所花费的时间。3.2.2 存储器存储器主要存放系统程序，用户程序及工作数据。所用的存储器基本上由，及AM等组成。输入输出部件输入输出部件又称模块。通过接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数，以这些现场数据作为对控对象进行控制的信息依据。同时又通过接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程，以实现控制。3.2.3编程装置和编程软件是以顺序执行存储器中的程序来完成其控制功能的。3.2.4 电源部件3.3 的基本工作原理3.3.1 的循环扫描的是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行，这种分时操作进程称为对程序的扫描。的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。3.3.2 工作过程1）、公共操作公共操作是在每次扫描程序前进行的自检。2）、数据操作数据操作也称为状态刷新。它包括两种操作：1） 采样输入信号，即刷新输入状态表的内容2）送出处理结果，即用输出状态表的内容刷新输出电路3）、执行用户程序操作4）、处理外设请求操作外设的请求命令包括操作人员的介入和硬件设备的中断图3-2 PLC的扫描工作过程3.4 的滞后现象造成响应滞后的原因： 扫描方式 电路惯性 输入滤波时间常数和输出继电器触点的机械滞后 与程序设计安排有关第四章 步进电机及驱动4.1 步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。图4-1 步进电机详图4.1.1三相反应式步进电机原理A 、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：图4-2定转子展开图B 、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。C 、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比。其磁通量=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=NI/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。图4-34.1.2感应子式步进电机（永磁式）感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。4.1.3、混合式步进电机混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。4.2 BS86HB80-04高性能二相混合式步进电机步距精度5%温升80 Max环境温度-20+50绝缘电阻100M Min 500VDC耐压500V AC 1minute径向跳动最大0.06mm（450g负载）轴向跳动最大0.08mm（450g负载）图4-4 电机性能图4-5接线图4.3 步进电机驱动器简介对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计选用第三种方案，用PMM8713三相或四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A两相或四相功率驱动器，组成四相步进电机功率驱动电路，以提高集成度和可靠性。图4-6 步近电机驱动框图4.4 YKA2608MC高性能二相混合式步进电机驱动YKA2608MC为等角度恒力矩细分型驱动器，驱动电压DC24-80V，适配6或8出线电流在6A以下，外径57-86mm的各种型号的二相混合式步进电机。该产品广泛应用于雕刻机、激光打标、激光内雕机等分辨率较高的小型数控设备上。特点：高性能、低价格采用独特的控制电路设有12/8档等角度恒力矩细分，最高200细分最高反应频率可达200Kpps步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减半双极恒流斩波方式光电隔离信号输入输出驱动电流从0.5A相到6A/相连续可调单电源输入，电压范围：DC24-80V图3.7状态显示图4-8输入信号波形时序图图4-9驱动器接线示意图注：1、千万不要将电源接反，输入电压不要超过DC80V。2、输入控制信号电平为5V，当高于5V时需要接限流电阻。3、此型号驱动器由于采用特殊的控制电路，故必须使用6出线或8出线电机。4、驱动器温度超过70度时，驱动器停止工作，故障O.H指示灯亮，直到驱动器温度降到50度，驱动器自动恢复工作。出现过热保护请加装散热器。5、过流（负载短路）故障指示灯O.H亮，请检查电机接线及其他短路故障，排除后需要重新上电恢复。6、欠压（电压小于DC24V），故障指示灯O.H亮。表4-1 YKA2608MC细分设定细分数124581020254050100200200200200200D6ONOFFONOFFONOFFONOFFONOFFONOFFONOFFONOFF51ONONOFFOFFONONOFFOFFONONOFFOFFONONOFFOFFD4ONONONONOFFOFFOFFOFFONONONONOFFOFFOFFOFFD3ONONONONONONONONOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFD2ON，双脉冲：PU为正向步进脉冲信号，DR为反向步进脉冲信号OFF，单脉冲：PU为步进脉冲信号，DR为方向控制信号D1自检测开关(OFF时接收外部脉冲，ON时驱动器内部发7.5kHz脉冲) 表4-2引脚功能说明标记符号功 能 注 释输入信号光电隔离正端接+5V供电电源.+5V+24V均可驱动,高于+5V需接限流电阻,请参见输入信号。PUD4=OFF，PU为步进脉冲信号下降沿有效,每当脉冲由高变低时电机走一步。输入电阻220，要求：低电平00.5V，高电平45V，脉冲宽度2.5sD4=ON，PU为正向步进脉冲信号输入信号光电隔离正端接+5V供电电源.+5V+24V均可驱动,高于+5V需接限流电阻,请参见输入信号。DRD4=OFF，DR为方向控制信号用于改变电机转向。输入电阻220，要求：低电平00.5V，高电平45V，脉冲宽度2.5sD4=ON，DR为反向步进脉冲信号+输入信号光电隔离正端接+5V供电电源.+5V+24V均可驱动,高于+5V需接限流电阻,请参见输入信号。MF电机释放信号有效（低电平）时关断电机线圈电流，驱动器停止工作，电机处于自由状态原点输出光电隔离正端电机线圈通电位于原点置为有效(B，-A通电)；光电隔离输出(高电平)TM原点输出信号光电隔离负遄+端接输出信号限流电阻，TM接输出地。最大驱动电流50mA，最高电压50V。V电源正极DC2480VV电源负极AC、BC电机接线第五章 变频器5.1 变频器简介各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz），等等。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC）。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。图5-1变频器缩略图感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。n = 60f/p，n: 同步速度，f: 电源频率 ，p: 电机极数，改变频率和电压是最优的电机控制方法 。如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压，例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。 如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题。二、SINAMICS G110 变频器5.2 FR-D700 变频器产品的确认与各部分名称图5-2 FR-D700从包装箱取出变频器，检查前盖板的容量铭牌和机身侧面的额定值铭牌，确认变频器型号，检查产品是否与定货单相符，机是否有损坏。z变频器型号FR - D740 - 1.5 K-CHT记号 电压级数 变频器容量显示容量“kW” D740 3相400V级第六章 传感器和气动元件传感器有时也被称为换能器、变换器、变送器或探测器，主要特征是能感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。传感器的种类繁多，分类方法多样，可按被测量分类、按传感器的工作原理分类、按能量传递方式分类，按输出信号性质分类。传感器按工作原理分类可分为：电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器、热敏式传感器。按工作原理分类的优点是可以避免传感器名目繁多，使传感器的划分类较少，并有利与传感器专业工作者对传感器的工作原理与设计归纳性的分析研究，使设计与应用更具有合理性与灵活性，缺点是会使对传感器不够了解的用户感到使用不方便。在本系统中传感器主要采用的是进口Autonics传感器和国产为信传感器，有对射传感器、漫反射传感器、电容传感器、电感传感器等。气动传动是以压缩空气为工作介质进行能量传递的一种传动形式。气动传动系统由以下四部分组成：1. 动力元件 它将原动机供给的能量转变位气体的压力能，为各类气动设备提供动力。2. 执行元件 如气缸和气动马达。它能将气体的压力能转换为机械能，输出力和速度，以驱动工作部件。3.控制元件 用以控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以保证执行元件具有一定的输出力和速度。这类元件包括压力阀、方向阀、流量阀和逻辑元件等。4. 辅助元件 除以上三类元件以外，其余元件称为辅助元件。如过滤器、干燥器、消音器、油雾器和管件等。它们对保证系统可靠、稳定地工作起着重要的作用。第七章 人机界面7.1编辑界面图7-1 控制窗口图7-2状态显示窗口 7.2 人机界面读取和输出地址 “启动”按钮读取地址为X0 输出地址为X0 “停止”按钮读取地址为X1 输出地址为X1 “清零”按钮读取地址为X14 输出地址为X14“计数器”读取地址为继电存储器C100“转状态窗口”按钮可转到“状态窗口”“返主窗口”按钮可转到“主窗口”“机械手动”灯读取地址为Y0“无料”灯读取地址为Y12 “机械故障”灯读取地址为Y13“手指汽缸”灯读取地址为Y10“上料汽缸”灯读取地址为Y3“工件定位” 灯读取地址为Y4“皮带启动”灯读取地址为Y2“升降汽缸”灯读取地址为Y7“二后汽缸”灯读取地址为Y6“二前汽缸”灯读取地址为Y5“小车定位”灯读取地址为Y11状态灯可以反映机械在进行什么动作，停止按钮可以停止机械所以动作