（机械电子工程专业论文）基于plc控制的自动动平衡校正设备的研究与开发.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着现代汽车工业的迅猛发展，涡轮增压器作为汽车发动机的动力辅助设 备，需求量不断扩大，产品质量要求也越来越高。涡轮增压器的转子部分由于转 速非常高，非常容易产生振动和噪音，对增压器造成影响甚至产生损坏。这就需 要在装配前对旋转体进行动平衡校正。为了提高动平衡校正的效率和平衡精度， 开发自动动平衡设备成为动平衡领域的又一研究重点。在对目前的动平衡技术和 动平衡机械产品进行大量研究的基础上，我们以涡轮增压器压气机叶轮为对象， 开发了自动动平衡校正设备，并对叶轮两端不平衡量的相互关系等若干关键问题 进行了探讨。本文的主要研究内容如下： 对动平衡理论的原理意义和动平衡技术国内外发展状况进行了较为详尽的 论述，阐述了目前存在的几种动平衡校正方法的发展状况。根据目前动平衡机的 校正部分的发展情况，特别是国内压气机叶轮动平衡校正设备较少，提出了本论 文的研究意义和研究内容。 详细研究了转子系统的动力学原理，转子的临界转速计算及转子动力学计算 特点，介绍了转子系统的传递矩阵和不平衡响应，圆盘类转子系统的运动方程， 转子不平衡量的振幅、相位关系，为叶轮动平衡校正奠定了理论分析基础。 对转子质量不平衡引起振动进行了分析，论述了在动平衡校正中存在的误差 来源和类别，动平衡校正的平衡精度、剩余不平衡量的要求等。 在分析压气机叶轮平衡校正要求的基础上，介绍了叶轮不平衡检测的方法， 对叶轮的不平衡量进行了理论计算，分析了叶轮大小端不平衡量的影响关系。在 此基础上进行了叶轮校正设备的设计，介绍了各个部分的结构和功能，以及校正 设备的整机工作过程。 根据功能性和适应性需求，采用p l c 为主控制器，对控制系统进行模块化设 计，选择了精确定位的控制方式，采取了一定的安全可靠的措施对设备进行保护。 最后概括了本文的主要工作，对研究成果进行了总结并提出了展望。 关键词：振动叶轮动平衡校正p l c v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mm o t o r c a ri n d u s t r y , t u r b os u p e r c h a r g e ra s t h ea s s i s t a n to fc a r se n g i n e ，i sn e e d e dm o r ea n dm o r e t h ed e m a n do fi t sq u a l i t y b e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r t h er o t o ro ft u r b os u p e r c h a r g e rh a sh i g l ls p e e da n dm a k e s l i b e r a t i o na n dn o i s ee a s i l y ,e v e nm a k e sd a m a g et os u p e r c h a r g e r s od y n a m i c b a l a n c i n gi sv e t yn e c e s s a r yf o rr o t o r sb e f o r em o u n t e d s ot od e v e l o pa u t ob a l a n c e e q u i p m e n t si no r d e rt oi m p r o v et h ee m c i e n c ya n dp r e c i s i o no fb a l a n c et u r n si n t oa n e we m p h a s i so fd y n a m i cb a l a n c ef i e l d o nt h eb a s i so fa b u n d a n tr e s e a r c ho n t e c h n o l o g ya n dp r o d u c t sa b o u td y n a m i cb a l a n c e ，w ed e v e l o pa na u t od y n a m i c b a l a n c i n ge q u i p m e n t t a k et h ei m p e l l e ro ft u r b os u p e r c h a r g e ra st h eo b j e c t ，w ed o s o m er e s e a r c ho nt h ec o r r e l a t i o no fi m b a l a n c eo ni m p e l l e r st w os i d e s t h em a i n c o n t e n t sa r ei n c l u d e da sf o l l o w i n g ： b r i e f l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n ds e n s eo fd y n a m i cb a l a n c et h e o r ya n dt h e d e v e l o p i n gs t a t u so fd y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ，a n da l s o a b o u ts e v e r a lw a y so fd y n a m i cb a l a n c ec o r r e c t i o n b a s eo nt h ed e v e l o p m e n to f d y n a m i cb a l a n c em a c h i n ef o re m e n d a t i o n ，e s p e c i a l l yl e s sf o ri m p e l l e r , w eb r i n go u t t h i sp a p e r ss e n s ea n dc o n t e n t d e t a i l e d l ys t u d i e st h ep r i n c i p l eo fd y n a m i c s ，c a l c u l a t i o no fr o t o r sc r i t i c a lr o t a t e s p e e d ，i n t r o d u c e sr o t o rs y s t e m sp a s sm a t r i x 、i m b a l a n c er e s p o n s e ，d i s cr o t o rs y s t e m s m o v i n ge q u a t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na m p l i t u d e 、p h a s ea n di m b a l a n c e t h e s e a r et h ef o u n d a t i o nf o rd y n a m i cb a l a n c ec o r r e c t i o n o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s e so fi m p e l l e r sc o r r e c t i o nd e m a n d ，w ei n t r o d u c e m e t h o d sf o rt e s t i n gi m b a l a n c e c a l c u l a t ei m p e l l e r si m b a l a n t e m a k ea n a l y s i so nt h e r e l a t i o n s h i po fi m b a l a n c eb e t w e e nt w os i d e s t h ep a p e l d e s i g n st h ec o r r e c t i o n e q u i p m e n tf o ri m p e l l e r , i n t r o d u c e se a c hp a r t ss t r u c t u r ea n df u n c t i o n ，a n dt h ew h o l e w o r k i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ff u n c t i o n a l i t ya n df l e x i b i l i t y , w ec h o o s ep l ca st h e m a i nc o n t r o l l e r , d e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mm o d u l a r l y a l s ow ed e s i g nc o n t r o lw a y sf o r p r e c i s el o c a t i o na n dt a k em e t h o d st op r o t e c tt h ee q u i p m e n tc r e d i b l y a tl a s t ，s u mu p t h ep a p e r sm a i nw o r ka n dp r o d u c t i o n ，p u tf o r w a r dn e w p r o s p e c t k e y w o r d s ：l i b e r a t i o n i m p e l l e rd y n a m i cb a l a n c e c o r r e c t i o np l c 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：薤盘塞日期：建堕! 呈! 呈 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i i 上海大学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 本课题来源于山东省寿光市康跃增压器有限公司与上海大学机电工程设计 院签署的关于涡轮增压器冷端叶轮动平衡校正机的研制项目。寿光市康跃增压器 有限公司是一家集设计、开发、生产和销售为一体的涡轮增压器专业制造企业。 本课题重点研究系统不平衡量的数据采集，p l c 程序开发，铣削不平衡量的计算， 一次去重精度控制等几大关键技术。 随着科学技术的发展，为满足机械在高速度、高能量和高应力状态下的工作 要求，控制机械振动已成为机械设计、制造及使用中的重要课题。 机械设备产生的振动会加速轴承的疲劳和磨损，降低机械设备精度和可靠 性，产生噪声，严重时会产生机械故障。一般来说，引起机械设备的故障很多， 诸如，旋转体的质量不平衡、连接件的不同轴、原动机振动等因素。这些都会在 机械工作中以振动的现象表现出来。回转体不平衡是引起机器振动的最主要原因 之一。任何转子的质量分布由于受材料和m - j 吼 叩、fj 0u 叫0 咯o rfl r，?，l 十 + f 活 q c = 鹏 獬 a o rh1rj、l，r_、，一 q n 删 m = = m 娩 妇 酊扩卅铲坦酊2 酊 一 一 1 一邵铲卅扩屹甜也酣 丝广 = 髟 k 上海大学硕士学位论文 r k 。嚣 i 陆。：馨 医，】( f ) = l i 防：。娶 i 陆：寥 阻，】( o = 阻，r 】( o + 阻，旯】( 订= l | - k 。誉 ib ：。】! ( 2 6 - 1 2 ) k 。：纠 i( 2 6 1 3 ) b ： ! ) j i p l ：纠 ；p ：娶i 2 61 4 ) i( 一 由l a g r a n g e 方程可得轴段单元的运动微分方程： 膨默誓默臻专三。( 2 6 - 1 5 ) 0l 阻，：，) 一q p ，。，) + 医，：，) = 2 6 4 圆盘与轴段系统的运动方程 对于n 个节点，其间用n 1 个轴段连接而成的转子系统，如不计轴承座的等 效质量，则系统的位移向量是： f 妙。) = k 。，日，g ：，r i 矽：) = 陟。，一o x 。，y ：，一吼：，y ，一r 综合各圆盘及轴段单元的运动方程( 2 6 - 3 ) 和( 2 6 - 1 5 ) 式，可得转子系统的 运动方程： 毖黔毒黪；：巨髂娩专( 2 6 - 1 7 ) 0 2【阻。 妙：) 一q 阢】妙。) + 医。形：) = ) 其中：整体质量矩阵 m 。】，回转矩阵q 。】及刚度矩阵k 。】，都是2 2 阶的 对称稀疏带状矩阵，半带宽为4 。 2 6 5 转子系统的临界转速 当有限元法建立了转子系统的运动微分方程后，通过微分方程的齐次解，可 求自转角速度为q 时的涡动频率0 3 ，也可求当q = 国时转子的临界转速。式 ( 7 - 1 9 ) 的齐次式为： k 1z 。 2 )( 3 5 - 9 ) f = l i = 1 故( 4 ) 可简化为 3 2 上海大学硕士学位论文 这就是最d , - 乘法识别不平衡量的基本方程，实际应用时可根据n 的具体值进一 步简化。 3 3 = 吼 一 b 故 o 以 芍 4 。瑚如 一 0 l l 。瑚氓 矿 一 一 只 班 叫 + 3 么 b ，r一d 膪 。阔 上海大学硕士学位论文 第四章去重校正系统的结构设计与建模 本文设计的目的是对汽车涡轮增压器冷端压气机叶轮进行动平衡校正。涡轮 增压器是一种利用发动机排气中的剩余能量来工作的空气泵。废气驱动涡轮叶轮 总成，它与压气机叶轮相连接，如图4 1 所示。它是利用发动机排出的废气惯 性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器 管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮 转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以 燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，从而实现增加发动机的 输出功率了。 图4 1 废气涡轮增压系统 典型的涡轮增压器转速可以在1 0 0 0 0 0 转分以上，此时压气机叶轮和涡轮叶 轮处于高速旋转状态。由前面理论知道，不平衡的旋转体处于高速旋转状态时极 易产生振动、噪声等，严重的会造成部件破坏。对于整个涡轮旋转体来说，叶轮 的不平衡也是整体不平衡因素的重要部分。为减少振动，降低不平衡性，需要对 叶轮进行动平衡校正。 本文针对压气机叶轮的动平衡问题，设计了一种立式动平衡校正设备，可以 根据动平衡测试设备提供的不平衡量，对相应的叶轮进行去重校正，对不平衡量 的一次校正率达9 0 9 6 以上。 上海大学硕士学位论文 4 1 叶轮平衡校正要求 叶轮去重部位尺寸及许用不平衡量： t e ：i 蔓 图4 - 2 压气机叶轮去重位置示意图 产品一x 去重区一y 去重区一w 去重区一许用不平衡 型号一 h a 一 d 一f 0g p 量羽m 一 9 0 6 系列p 4 3 p&o 5 ， l o 6 5 1 6 矿1 1 一0 3 0 + ， j p 8 0 s 系列一 3 吼，6 p0 5 1 p6 p1 5 9 5 0 3 0 j 8 d 6 系列一3 & 8 一o 5 ，0 5 p6 01 5 9 5 0 3 0 p 3 g j l 鼢 2 8 矿8 po 5 po 5 5 5 1 3 2 8 5 =0 3 j p 6 0 s 系列p2 5 p 5 po 4 p o - 5 矿4 5 p1 2 38 )0 1 0 = l j 5 0 s 系列p 2 3 )5 p0 和o 5 p4 3 一 oq 0 1 0 一 j p 4 0 s 系列p2 1 p 5 )o 和o 5 p4 2 p 。口1 。叠 0 1 0 p 表4 - 1 叶轮去重区域及许用不平衡量关系表 表4 - 1 给出了部分不同型号叶轮的平衡校正时去重区域的尺寸和相应的许用 不平衡量要求。 4 2 叶轮去重加工要求 1 ) 去重时，x 区域最大去重角度不大于1 2 0 。，y 区域最大去重角度不大于1 2 0 。，去重时不得损伤叶片。 2 ) 去重部位表面粗糙度3 2 u m 。 3 ) 去重部位无毛刺、飞边( 目测不见毛刺为准) 。 3 5 上海大学硕士学位论文 4 ) 专机加工直径范围：3 0 1 3 0 。 5 ) 去重节拍： 9 0 7 ) 铣削重复精度： 1 8 0 0 中 不 【口+ 1 8 0 。一d n p ；a + 1 8 0 。一d 。一 一1 8 0 0平衡量合成量与 初始量的夹角设为s 。 最= 不平衡量合成量角度为u n 1 8 口- - a r c s i n 畴害墅型丝意一) ；6 小端轴向切削量增加； 大端铣刀补偿：增加 大端轴向切削量增加。 ( 7 ) 修改密码画面：按下主画面上的“密码修改”键后，出现密码输入画面， 输入原正确密码后将进入修改密码画面，在该画面可修改系统密码，图略。 ( 8 ) 故障信息表画面：当设备发生故障时自动进入该画面，以列表形式显示故 障名称，排除故障后，按下“复位 键，可复位故障标志。也可从此画面按下“返 回 键返回发生故障前的画面。 图5 - 8 故障信息显示画面 ( 9 ) 零件型号选择画面 在主画面或自动画面中按下匡盈垂璧圜按钮，可进入下画面，在该画面中 点击当前将要加工的型号按钮，被选中的型号按钮会变成白色点亮状态，其它型 号按钮呈现黑色状态。 5 5 上海大学硕士学位论文 图5 - 9 当前加工叶轮型号选择画面 图5 - 1 0 控制系统硬件原理图 5 1 1 电机及伺服驱动器的选择 电机采用日立低惯量型伺服电机a d m a 一0 4 s a c 3 1 ( 4 0 0 w ) 和a d m a - 0 8 s a c 3 1 5 6 上海大学硕士学位论文 ( 7 5 0 w ) ，其中a d m a - 0 4 s a c 3 1 额定输出功率为0 4 k w ，额定转矩1 2 7 n * m ，最大转 矩3 8 2 n * m ，额定转速3 0 0 0m i n 一，最大转速5 0 0 0m i n ，转动惯量 j = 0 2 2 堙m 2 1 0 一，额定功率比为7 3 3 k w s ，采用1 7 位转增量编码器( 串行 数据传输) 。 转速一转矩特性： il _ 蚜鹭蔓锋x 、 ll 、 k ll l 冀绶jq ， 转建l 删) 转德押落n 图5 - 1 1 伺服电机转速一转矩特性 对应选用的伺服驱动器的型号为：a d a 2 - 0 4 n s ( c p ) 和a d a 2 0 8 n s ( c p ) ，1 7 位 转串行数据传送型，位置控制专用。伺服驱动器的电源设备容量为1 2 ( k v a ) 和2 3 ( k v a ) ；输入电源( 主电路) 单相2 2 0 2 3 0 v ( + 1 0 ，- 1 5 ) 三相2 0 0 2 3 0 v ( + 1 0 ，- 1 5 ) 5 0 6 0 h z ( 5 ) ；最大转矩( 对额定转矩的比率) 3 0 0 ；控制 系统：正弦波脉宽调制p w m 系统；控制模式：位置控制速度控制转矩控制，采 用位置控制模式；驱动器内部有动态制动器，在伺服o f f 、跳闸或电源o f f 时起 作用( 操作条件可以设置) 。 5 7 驱动端操作 h5 1 2f 训日舡动器外郎吐备的系绱建立日【连接i 蚓 幽51 3 驱动器操作而板 伺口o n 教 机h 轴可h 镕外部揩寺 g 6 l e db 示显示 敬 j 运i # 寿 i 怍橙转拯拄i t ，清际盎 上海大学硕士学位论文 驱动器工作模式： 表5 1 驱动器画面参数功能表 模式显示 功能 可实时监视系统运行的1 0 个实时动态数据如电流。速度等。 监视模式 s e 印1 方便快捷的参数监视、便于调试系统 可通过驱动器的键盘进行参数设定，如增益、控制方式、电机 参数模式 p r - s e t 类型等等 如需保存设定参数且使之在断电再次上电后生效，必须使用数 数据保存模式 e e a 比 据保存棱式保存数据 查询输入输出状态和出错信息、j o g 模式、缺省参数调用和 辅助横式 a f - e n c 保存 表5 2 驱动器工作模式参数功能表 通过m o d y 按键可以循环选择4 种工作模式 由于伺服驱动器的控制模式采用位置控制，其运行方式为脉冲串输入。伺服 电机采用的脉冲串输入进行调速，这种方式下，伺服器通过脉冲串输入信号来运 行的。伺服控制器可以通过如下的方式进行设置： 卜使e l b 为0 n ，然后给伺服器通上电源。数字操作器很快运行并指示“d - 0 0 ”。 ( 这是一个出厂设置的初始化状态) 2 一设置脉冲串输入模式( f a 一1 1 ) 的参数。 3 一设置参数电子齿轮( f a 一1 2 ( 电子齿轮分子) ，f a 一1 3 ( 电子齿轮分母) ) 。 4 一在控制模式( f a - 0 0 ) 的参数种设置“速度控n - 位置控制”( s - p ) 。 5 一使m o d 端子为o n 。( 由此伺服电机进入位置控制运行方式。) 6 一开通和断开c e r ( 位置偏差清除) 端子。 7 一使f o t ( 正转驱动禁止) 和r o t ( 反转驱动禁止) 端子为o n 。 8 一给主电源开启m c 。 9 一使s o n ( 伺服o n ) 端子为o n 。 1 0 - 使p e n ( 脉冲串输入有效) 端子为o n ，并输入位置脉冲指令。( 由此电机运行 到指定的位置。) 1 1 一要使电机停止，定位完成后，使p e n 端子为o f f 。电机停止旋转之后，使s o n 端子为o f f 。 5 9 上海大学硕士学位论文 5 1 2p l c 的选型 由于基于伺服的控制系统为一小型控制系统，因此可以选用小型p l c 。另外 要实现以触摸屏作为人机界面，p l c 应该具有能与触摸屏通信的接口。f x 2 n 型 p l c 是三菱公司推出的一种小型p l c ，它的c p u 单元本身所带有编程器接口也可 以作为与触摸屏通讯的连接口，因此不需要配备专用通讯模块，在非编程状态下 编程口就可以作为触摸屏的接入口。因此我们选用三菱公司的f x 2 n 型p l c 。它 的基本组成如图5 - 3 所示。它采用的是模块化结构，它的电源、c p u 、输入输出 口都有标准模块，容易扩展，而且结构紧凑，体积较小 图5 1 4p l c 组成示意图 p l c 的输入输出模块选择要根据系统所需的输入输出点数来确定。在系统 中，p l c 的输入主要为接近、磁性开关量和伺服放大器反馈量，以及用于信号交 换的输入量。输出主要为各种气缸、伺服放大器和指示灯等的控制开关量。这些 开关量决定p l c 输入输出点数。考虑到扩展的需要，p l c 的点数还需要有一定的 冗余，我们选用f x 2 n - 4 8 m t 型p l c ，它有4 8 个i o 点，供电电源为交流电源。 5 1 3 定位模块的选择 由于铣削加工装置中采用了伺服电机来实现对铣刀及叶轮的移栽和定位，因 此需要专门的模块来实现对伺服控制系统的定位控制，在这里我们在p l c 上扩展 一个三菱的脉冲发生器单元( 即定位模块) f x 2 n - 1 p g 。f x 2 n - 1 p g 脉冲发生器可 以完成一根独立轴( 不显示多轴之间的插补控制) 的简单定位，这是通过向伺服 的驱动放大器提供指定数量的脉冲( 最大i o o k p p s ) 来实现的。f x 2 n 一1 p g 是作为 f x 2 n 系列p l c 扩展部分配置的，每一个f x 2 n - 1 p g 脉冲发生器都作为一个特殊的 时钟起作用。除高速响应输出外，还有常用的输入控制，如正反限位极限开关、 s t o p 、d o g ( 回参考点开关信号) 、p g o ( 参考点信号) 等。此外，还内置了许多软控 上海大学硕士学位论文 制位，如返回原点、向前、向后等。对这些特定的功能，只要通过设置特定的缓 冲单元已定义的位就可实现。 图5 1 5f x 2 n - 1 g p 电路图 5 1 4 控制方式 系统采用h i t a c h i 的a d a 2 - 0 4 n s ( c p ) 和a d a 2 0 8 n s ( c p ) 伺服驱动器，根据应 用场合的不同，伺服控制系统能够提供以下不同的控制方式： ( 1 ) 位置控制模式 为实现控制对象的准确定位，可以采用位置控制方式，它可以通过最大 5 0 0 k p p s 的高速脉冲串控制电机的速度和方向。采用分辨率为1 3 1 0 7 2 脉冲 转的高分辨率位置编码盘来检测电机轴的转角，间接测量被测对象的实际位 移，从而实现位置伺服控制。 ( 2 ) 转矩控制模式 在某些只需要电机提供必要紧固力的场合可使用转矩控制模式。通过模拟量 转矩输入指令( o 8 v d c ) 或参数设置的内部转矩指令可控制伺服的输出 转矩。为防止无负载时电机速度过高，可通过模拟量输入或参数设置来设定 速度功能。 ( 3 ) 速度控制模式 在某些固定场合，需要对伺服电机在各种运动状态下的速度加以控制，以满 足负载的工作需要时可采用速度控制模式。通过对模拟速度指令( o 1 0 v d c ) 和参数设置的内部设定( 最大7 速) ，可对伺服电机的速度和方向进 行高精度地平稳控制。 6 l 上海大学硕士学位论文 除了以上三种控制模式外，伺服控制系统还有位置速度控制、速度转矩 控制、转矩位置控制这些控制方式可供选择。在本次设计中为了实现刀具进给 装置及叶轮夹装装置的定位精度，采用的是位置控制模式。 5 1 5 硬件系统可靠性措施 p l c 是专为工业生产环境设计的计算机控制设备，具有可靠性高、抗干扰能 力强的特点。一般不需要采取什么特别的措施，p l c 就可以直接用于工业环境中。 由于工业环境现场环境多为恶劣，各种干扰很强，有时就很难预料，同时还要考 虑与p l c 外部器件设备的配合环节的可靠性，所以应该严格按照技术指标规定的 条件使用。在这里主要采用以下措施来提高系统的可靠性： 1 供电系统保护措施 可编程控制器供电一般都使用市电( 2 2 0 k5 0 蚴。电网的冲击、频率的波动 将直接影响到控制系统的精度和和可靠性；有时电网的冲击也直接给整个系统带 来毁灭性的破坏。电网的瞬间变化是经常不断发生的，由此可能产生较大的干扰 传播到可编程控制器的系统中。为了提高系统的可靠性和抗干扰性，在可编程控 制器供电系统中采取隔离变压器和滤波器。如图5 5 所示为p l c 供电图。 n f 8 3 0 a 图5 1 6p l c 供电设计 隔离变压器初级和次级之间采用隔离屏蔽层，用漆包线或铜等非导磁材料绕 成。初次级间静电屏蔽与各初次级零电位线相连，再用电容耦合接地。采用了隔 离变压器后可以隔离供电电源中的各种干扰信号，从而提高系统的抗干扰性能。 由于市电频率波动较大，而且可能会产生尖端脉冲，使p l c 受很大干扰，使用滤 波器可以滤去电源中高频干扰信号。 2 系统接地设计 在实时控制系统中，接地是抑制干扰使系统稳定可靠工作的主要方法。在设 6 2 上海大学硕士学位论文 计中将接地和屏蔽正确结合起来使用，可以解决大部分干扰问题。通过接地可以 消除各电路电流流经公共地线阻抗时所产生的噪声电压和避免磁场与电位差的 影响，使其不成为回路，如果接地方式不好会构成环路，造成噪声耦合。另外， 接地的电阻应该尽量小( 4 欧姆) p l c 控制系统中，都是低频电路，所以采取一点接地方式。 3 其它安全保护措施 1 ) 工作环境与安装 三菱公司的f x 2 n 型p l c 工作环境温度应该在0 。c 到5 5 。c 之间。因此在靠 近p l c 的地方安装一个风扇，以加快p l c 的散热，保证它的温度不超过规定的温 度。p l c 的环境湿度应该保证在1 0 n9 0 之间，噪声干扰也不允许过大，所以 控制系统安装在一绝缘板上，绝缘板下垫上橡胶，这样起到较好的抗震防潮的作 用，整个控制系统采用封闭式结构，只留风扇口和几个通风口。 2 ) 配线 为了防止信号间的串扰影响系统的可靠性，配线是很重要的一个环节。主要 采取的措施有：强电与弱电从不同的线槽走线，并尽可能使电缆线达到最短。信 号线均采用多股屏蔽线缆。 3 ) 加入必要的保护元件 在电路中加入空气开关，电流过大时空开自动断开，防止因电流过大引起严 重后果；在所有的感性元器件两端均并联二极管，以抑制电路通断时产生电弧； 有接近开关的输入口两端都并联旁路电阻，以减少输入电阻，提高对信号判别的 可信度。 5 2 控制系统的软件设计 5 2 1 人机画面的设计与说明 人机界面是实现人机对话的关键，它在本控制系统中主要实现按钮功能、参 数输入功能、监控功能、故障显示功能。 5 2 2 人机与p l c 的通讯 当系统上电后，p l c 首先判断p w s 是否存在并与之发生通讯。通讯成功后则 6 3 上海大学硕士学位论文 屏幕将显示信息，并进而进入主屏幕。为便于管理，一些重要的参数设定采用密 码管理，应由专职人员进行，因任一参数的改变将立即引起系统工作状态的改变。 否则一切设定均无效，p l c 将不接受信息。另外，通讯成功后，p l c 将自动进行 故障检测并进行故障显示，此时无法进行设备的自动控制。硬件检测完成后即允 许装配。为使p w s 与p l c 通讯时能双向传输资料及显示画面，须定义人机的系统 用控制暂存区和状态暂存区，这是实现通讯的重要环节。 5 2 3 触摸屏组态软件 触摸屏组态软件是一种人机接口软件，通过这种汉化的界面，现场操作人员 可以向p l c 发出各种控制命令，同时将p l c 的各种实时数据采集回来，并在用户 画面上用趋势图或棒图等显示出来，从而实现对生产过程的监控。在本系统中采 用三菱公司的g t - d e s i g n e r 工具软件。它支持中文，通用性较强，可与各种不同 型号的p l c 通信且二次开发简单直观，易掌握。在本系统中可根据控制要求方便 地切换画面、改变设定、暂停计时、复位、屏蔽等功能，并对设备状态、计时时 间、报警信息进行显示。 5 2 4 故障诊断和报警模块 系统在运行过程中不可避免会出现故障，故障有多种，机械故障、电气故障 等。故障诊断和报警程序是根据运行过程中的故障征兆找出故障源，并予以排除 或报警。其工作流程如下： 如图5 - 1 7 所示，在系统运行中，根据系统可能存在的故障情况建立故障库， 此后系统自动在线监控，自动扫描故障信息标志位、故障诊断标志位，出现故障 信息时，则系统自动在线诊断并和故障库进行匹配从而确定故障的类型，根据故 障的类型，能自动进行对应的操作，当确定系统的故障属于系统自身无法解决需 要人工干预的时候，系统将自动停机，同时把故障信息显示在触摸屏上，并且通 过蜂鸣器、状态指示灯进行声光报警。在多个故障发生时，触摸屏可以滚动显示 各个故障，操作者可以清楚地看到故障点迅速排除故障。当故障排除后，可按触 摸屏上的恢复按钮，系统自动恢复运行。 上海大学硕_ 上学位论文 图5 - 1 7 故障诊断和处理