（机械工程专业论文）基于plc的自动化实训装置的设计与应用.pdf

摘要 摘要 ( ( p l c 原理及应用是工科院校一门重要的、实践性很强的专业课程，很多工 科院校都建立了p l c 实验室，用于p l c 实验教学，但由于课时或者实验设备的限制， 学生在学完课程后并不能掌握p l c 的使用，国内高等学校在教学与实验中普遍存在 着与实际工业控制进程脱节的现象，侧重单机编程练习而忽视应用，使学生局限在 初级阶段，难以适应当今主流工业控制对人才的需求，导致大部分学生走向工作岗 位后动手能力差，工作能力不强，不能胜任自己承担工作的情况，高等学校培养的 学生类型与社会需求存在较大的差距。 大学生实训指的是在大学生即将毕业走进社会前期，经过实际项目的技能提升， 加强自己的实际动手操作能力，从而为将来的进入职场打下坚实的基础。 本文针对p l c 实训进行研究，通过调研分析设计了两套实训设备，运料系统和 张力控制系统。两套系统均采用开放式结构，在实训中通过学生自己接线组装、设 计程序来完成系统控制。运料系统针对顺序控制，通过p l c 控制七台直流电机完成 运料过程，由触摸屏实现控制组态，既可以手动控制也可以完全自动控制。张力控 制系统针对变频控制，由压力传感器检测张力，两台- - $ 1 j 异步电动机由变频器实现 调速，通过运动控制参数的设置实现系统在某一张力情况下的稳定运行。学生通过 两套系统的使用和训练，达到培养学生工程实践能力、创新思维和创新精神的目的。 关键词p l c ；实训；运料；张力控制；工程实践能力 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t “p r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fp l c ”i sa ni m p o r t a n ta n dv e r yp r a c t i c a lp r o f e s s i o n a l c o u r s ei ne n g i n e e r i n gc o l l e g e s m a n ye n g i n e e r i n gc o l l e g e so ru n i v e r s i t i e sh a v ee s t a b l i s h e d t h ep l cl a b o r a t o r yf o rp l ce x p e r i m e n tt e a c h i n g b u ta sar e s u l to fc l a s so re x p e r i m e n t a l e q u i p m e n tl i m i t a t i o n s ，c o l l e g es t u d e n t sd i dn o tm a s t e rt h eu s eo fp l c ，a n dt h ed o m e s t i c i n s t i t u t i o n sh a v et h ew i d e s p r e a dp h e n o m e n o nt h a tt h et e a c h i n ga n de x p e r i m e n ta r eo u to f t o u c hf r o mp r a c t i c a li n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 t h et e a c h i n gf o c u s i n g o n s i n g l e p r o g r a m m i n ge x e r c i s e sw h i l ei g n o r i n ga p p l i c a t i o n ，w h i c hm a k e ss t u d e n t sl i m i t a t i o n s a t t h ep r i m a r ys t a g eii sd i f f i c u l tt oa d a p tt ot h ec u r r e n tm a i n s t r e a mi n d u s t r i a lc o n t r o ld e m a n d f o rt a l e n t s 、a n dm o s to ft h es t u d e n t sg ot ow o r ka f t e rt h eh a n d s o na b i l i t y , jo ba b i l i t yi sn o t s t r o n g ，n o tu pt oh i sw o r ks i t u a t i o n ，s t u d e n t st y p e sa n ds o c i a ld e m a n dg a p t h et r a i n i n go fc o l l e g es t u d e n t sr e f e r st ot h eg r a d u a t i n gs t u d e n t si n t ot h ec o m m u n i t y e a r l y t h ea c t u a lp r o j e c tt r a i n i n g ，t h ec o u r s ec a n e n h a n c et h e i rp r a c t i c a la b i l i t ya n df o u n da s o l i df o u n d a t i o nt ot h e i rf u t u r ec a r e e r a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c eo fp l c ，t h r o u g hr e s e a r c ha n da n a l y s i s ，id e s i g n e d t w os e t s o ft r a i n i n ge q u i p m e n t ：o n ei sam a t e r i a lc o n v e y i n gs y s t e m ；t h eo t h e ri sat e n s i o nc o n t r o l s y s t e m t h et w os e t so fs y s t e ma d o p to p e na r c h i t e c t u r e ，i np r a c t i c e t h es t u d e n t s t h e m s e l v e sc a nd ow i r i n ga s s e m b l ya n dd e s i g np r o c e d u r e st oa c h i e v es y s t e mc o n t r 0 1 t h e m a t e r i a lt r a n s p o r t i o ns y s t e mf o rs e q u e n t i a lc o n t r o lu s e st h ep l cc o n t r o ls e v e nd c m o t o r st r a n s p o r tp r o c e s s ，u s e st h et o u c h i n gs c r e e nr e a l i z et h ec o n t r o lc o n f i g u r a t i o n i tc a n r e a l i z et h em a n u a l l yc o n t r o la n da l s oc a nr e a l i z et h ef u l l ya u t o m a t i cc o n t r 0 1 i nt h et e n s i o n c o n t r o ls y s t e mf o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o l ，t e n s i o nc a nb ed e t e c t e db yap r e s s u r e s e n s o r , t w os e t so ft h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o ra r ed r i v e db yt h ei n v e r t e r , t h em o t i o n c o n t r o lp a r a m e t e rs e t t i n g st oa c h i e v es y s t e mi nas t a b l eo p e r a t i o no ft h et e n s i o nc a s e b y u s i n gt h et w os y s t e m s ，t h ec o u r s ec a r l c u l t i v a t es t u d e n t s e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea b i l i t y , i n n o v m i v et h i n k i n ga n di l m o v a t i v es p i r i t k e yw o r d sp l c ；t r a i n i n g ；t r a n s p o r t ；t e n s i o nc o n t r o l ； e n g i n e e r i n gp r a c t i c e a b i l i t y i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 大学生实训指的是在大学生即将毕业走进社会前期，经过实际项目的技能提升， 加强自己的实际动手操作能力，从而为将来的进入职场打下坚实的基础。当前社会 科学技术发展日新月异，高新技术产业层出不穷，面对激烈竞争的市场，只有了解 与掌握最新的技术，才能适应社会及行业发展的需要。尤其是技术开发与应用性人 才需掌握的知识与能力，不可能完全通过课堂教学的形式传授，需要在各种实践性 环节中获取。实训基地的建立能使学生在学校学习期间就接触本行业的新技术、新 技能。它能够对学生进行专业岗位基本技能训练，模拟操作训练和综合技能训练。 它是培养学生实践能力和职业技能的根本途径，是培养专业应用能力和创新能力的 重要保障，是学生由课堂和书本知识走向就业和职业岗位的重要桥梁。因此实训基 地的建立有效结合了生产和教学，是学习与工作相结合的发生器、整合机。它的建 立提升了学生的实践能力，培养社会所需的实用技术人才，逐步树立院校的教育品 牌并且增强院校的可持续发展能力。 自动化技术是一门综合性技术，它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、 电子学、液压气压技术、自动控制等都有着十分密切的关系，对当代工业发展和社 会经济发展有着巨大影响。可编程控制器( p l c ) 、单片机( m c u ) 、集散控制系统 ( d c s ) 、a r m 、数字信号处理技术( d s p ) 等是实现自动化控制的关键设备和技术， 其中尤以p l c 和单片机应用最为广泛，是当今工业控制的支柱技术之一，随着信息 化网络化的飞速发展，必须与传感器、变频器、人机界面等设备配合使用，同时融 入先进的现场总线、工业以太网技术，适时地加入先进成熟的控制算法，构建起自 动控制系统才能满足工业控制的要求【。目前，国内高校电气信息类专业均开设了 p l c 和单片机课程，并开设了相关实验。但是，国内高等学校在教学与实验中普遍 存在着与实际工业控制进程脱节的现象，比如侧重单机编程练习等基础而忽视了网 络通信和组件的应用，使学生局限在初级阶段难以适应当今主流工业控制对人才的 需求，导致大部分学生走向工作岗位后动手能力差，工作能力不强，不能胜任自己 承担工作的情况，高等学校培养的学生类型与社会需求存在较大的差距。 深化教育改革，全面推进素质教育，加强技术创新，发展高科技和现代化是新形 势下高等教育的历史使命，其中注重学生工程实践能力、综合素质、创新思维和创 新精神的培养，锻炼学生的独立技术意志是必不可少的内科2 1 。进入2 l 世纪，我国 j 河北科技大学硕士学位论文 高等教育事业又有新的大发展，我国的高等教育已由精英教育向大众化教育阶段过 渡( 到2 0 1 0 年以前入学率达到2 3 左右) ，正从“专才教育 向“通才教育”逐步 发展。作为宽口径的电气信息类学科专业，已发展成为最庞大的学科专业之一，国 内各高校均在进行电气信息类专业建设及系列课程改革工作，工程实训是其中重要 内容之一u j 。工程实训是以多层次、多方位和多视角，向学生开放的实践教育，培养 学生实际动手和创新意识，既是当前教育体制改革的重要内容，也是当代大学生成 才的迫切要求。高等教育的改革，正在由传统的教学模式向“理实一体”的教学模式 转化，实践教学所占的比重越来越大，学校在教授学生理论知识的基础上，更加侧 重于专业技能和实践操作能力的培养，“学做一体化”，针对“工作岗位群”，训练一 专多能，拓宽就业渠道。这其中，技术先进、实操性强、站在科技最前沿、多功能 于一体、综合化、工程化、“工厂装置化”的实训、实验设备承担者不可替代的作用。 培养什么样的职业岗位人才，就应该有什么样的职业岗位教育环境和设施。高等教 育的中心任务是培养高级技术应用型人才，而这种人才的培养离不开高标准的实训 基地和实验设备，这是培养“下得去、留得住、用得上”的高技能人才的基本保证。 1 2 高校实训现状及发展趋势 1 2 1p l c 现状及发展趋势 上世纪8 0 年代至9 0 年代中期，是p l c 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3 0 4 0 。在这时期，p l c 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，p l c 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d c s 系统。近年，工业计算机技术( i p c ) 和现场总线技术 ( f c s ) 发展迅速，挤占了一部分p l c 市场，p l c 增长速度出现渐缓的趋势，但其 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。目 前，世界上有2 0 0 多厂家生产3 0 0 多品种p l c 产品，主要应用在汽车、粮食加工、 化学、制药、金属矿山、纸浆、造纸等行业【4 】。目前，p l c 发展的重点在于： 1 软件与硬件结合更加紧密 p l c 制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软 件水平，多数p l c 品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合， 提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好 的控制系统【5 】。 2 网络通讯能力愈加强大 p l c 厂家在原来c p u 模板上提供物理层r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口的基础上，逐渐增 加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快， 用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克韦尔a 2 第1 章绪论 一b 公司主推的三层网络结构体系，即e t h e r n e t 、c o n t r o l n e t 、d e v i c e n e t ，西门子公 司在p r o f i b u s d p 及p r o f i b u s f m s 网络等【6 1 。 3 开放性和互操作性加强 p l c 在发展过程中，各p l c 制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的 局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护 成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程， 并且这一过程还在继续。开放的进程，可以从以下方面反映： 1 ) i e c 形成了现场总线标准，这一标准包含8 种标准，虽然有人说，多种标准 就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后，各厂商 纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品【7 1 。 2 ) i e c 制订了基于w i n d o w s 的编程语言标准i e c 6 1 1 3 1 3 ，它规定了指令表( i l ) 、 梯形图( l d ) 、顺序功能图( s f c ) 、功能块图( f b d ) 、结构化文本( s t ) 五种编程 语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标 准化文件。虽然p l c 开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户 在应用过程中，可以较方便地适不同品牌的产品。 3 ) o p c 基金会推出了o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 标准，这进一步增强了软 硬件的互操作性，通过o p c 一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换 瞵】。目前，多数p l c 软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了o p c 功能。o p c 与现场总线技术的结合，是未来控制系统向f c s 技术发展的趋势。 4 p l c 应用范围越来越广泛 p l c 的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增 强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石 化过程等个别领域，p l c 均有成功能应用，p l c 在相当多的应用取代了昂贵的d c s ， 从而使原来p l c ( 顺序控制) + d c s ( 过程控制) 的模式变成p l c + i p c 模式。 5 工业以太网的发展对p l c 有重要影响 以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将 以太网引进控制领域【9 j 。目前的挑战在于：1 ) 硬件上如合适应工业恶劣环境；2 ) 通 讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在 工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各p l c 厂商纷纷推出适应以太网的产 品或中间产品。 目前，国内p l c 市场仍以国外产品为主，如s i e m e n s 、m o d i c o n 、a b 、o m i 的n 、 三菱、g e 的产品。经过多年的发展，国内p l c 生产厂家约有三十家，但都没有形 成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说p l c 在我国尚未形成制造产业化。在p l c 应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。 3 河北科技大学硕士学位论文 1 2 2p l c 实训现状 随着自动化技术的飞速发展，自动化行业对于自动化人才的需求也发生了较大 的变化。各种先进科学技术不断的进入中国自动化行业，高等院校原有的实训装置 和实验设备落后于实际应用现状，矛盾愈显突出。经济的发展离不开新技术、新设 备，生产率的提高离不开先进的自动化设备和生产线，而新技术、新设备的引进、 使用与维护更需要既懂得一定的基础专业理论知识，同时又要有较熟练的操作技能 的高等技术应用型人才。因此，高等院校自动化技术实训装备和实训内容只有符合 自动化行业发展的需求、紧跟自动化技术的发展，才能贴近企业的实际需要，为社 会培养和输送合格的自动化专业实用型、高技能人才，使毕业生上岗更快、更受用 人单位青睐。 目前，部分高校加大了对工程实训的投入，以国家或省内专项、联合建立实验 室、自筹资金等形式购入或自制实训设备，充实工程实训内容，走在了改革的前列。 如北方交通大学、青岛科技大学与西门子( 中国) 有限公司联合建立p l c 实训实验 室，哈尔滨工程大学与广州风标电子技术有限公司联合建立p r o t e u s 实验室，展开 教学和实训；北京理工大学、哈尔滨科技学院自制实验设备开展自动化技术实验和 实训：中国矿业大学、湖南工程学院利用国家专项购入实训设备开展教学和实训。 目前国内从事p l c 实训设备开发制作的厂家据作者调查有4 0 多家，其中规模较 大、产品丰富的厂家主要包括天煌教仪、浙江求是教仪、高联教仪等。 1 3 研究内容 1 本课题工作初期对多所高校p l c 实训教学情况及实验设备现状进行了调查和 研究，总结了调查和研究结果，在此工作的基础上确定实训内容和设备架构； 2 制作符合实训要求的新实训设备，包括运料系统、张力控制系统； 3 开发实训设备控制系统。 4 第2 章p l c 实训装置的总体设计方案 第2 章p l c 实训装置的总体设计方案 2 1 p l c 实训装置的设计原则 对于工科专业，实际工作中将面临各种工业设备，而实际的工业设备又包罗万 象，我们不可能都把它们搬到校内实训基地，当然也不可能根据某个企业使用的工 业设备来建设实训基地，因为学生的岗位是各行各业n 。但如果我们通过仔细分析 各企业使用的各种工业控制设备和系统，就会发现，任何工业控制系统的构成机理 是相同的，形形色色的控制系统是由简单控制系统构成的，掌握简单系统就认识了 事物的本质，而掌握复杂系统会找到各系统环节的内在联系，学生通过典型系统， 能够举一反三，使学生具有分析问题、解决问题能力。所以实训装置和实训内容要 具有典型性、开放性、工程性。 2 2 p l c 实训装置的设计思路 p l c 实训装置主要是针对电气信息类专业本科生和研究生进行实践教学实训及 科研，实训设备应具有典型性、开放性、工程性的特点。 2 2 1 实训内容 目前，p l c 主要应用在顺序控制、运动控制和过程控制三种控制场所，实训装置 完成功能应具有这三种控制方式。p l c 顺序控制的典型应用如交通灯的控制、多台电 机顺序启停控制，p l c 运动控制的典型应用如三相异步电动机的变频调速控制，p l c 过程控制的典型应用如温度、流量等参数的检测与控制。实训内容涉及p l c 的使用、 变频器的使用、触摸屏的使用、电动机的使用、传感器的使用及相关各种软件的使 用等，内容丰富，需要学生具有p l c 相关课程基础。 2 2 2 实训装置的确定 制作p l c 实训装置的目的就是通过实训让学生掌握p l c 、变频器、电动机等设备 的使用及开发技术，锻炼学生的动手能力、工程实践能力，培养学生的分析问题、 解决问题能力。在确定实训内容的基础上，我们确定研制运料系统、张力控制系统 两个实训装置。这两个装置分别可以实现顺序控n i j i l 练、运动控制训练，而且这些 装置具有很好的开放性，即必须由学生自己动手接线完成控制电路的连接、测试， 自己开发系统控制程序，最终完成系统运行。 5 ： 塑! ! 型垫奎兰堡圭兰堡丝塞 2 3 本章小结 本章说明了p l c 实训装置的设计原则、设计思路，确定了开发运料系统和张力 控制系统两套实训设备。 6 3 1 系统构成 第3 章运料系统设计 运料系统运用p l c 控制技术，结合传感器、继电器等器件来完成吊桶式运料装置 的运行，主要应用在学生p l c 技术实训中。系统用7 个电动机来分别控制吊桶的上下、 左右及前后运动，通过调速器来调节电动机运动的快慢，当电动机运动到装置的两 端时，通过传感器来终止电动机的运动，通过触摸屏来实现对电机的手动及全自动 控制，并能实现手动与自动的切换。系统构成如图3 1 所示。 图3 1 系统总体结构框图 系统中1 、4 号电机控制桶的左右运动，在装置前左( 上方) ，前右( 上方) ，后 左( 上方) ，后右( 上方) 分别安装一个传感器作为左右限位点来控制桶的左右运动； 2 、5 号电机控制桶的上下运动；3 、6 号电机控制桶的前后运动，来调整吊桶的位置： 7 号电机实现运料的传递，在装置的前、后( 下方) 两端分别安装一个传感器作为前 后限位点来控制桶的前后运动。 3 2 硬件选型 3 2 1p l c 的选型 p l c 是整个控制系统的核心，是实现张力控制的最重要的部件，由于我们的实 训平台是紧密联系着现实的生活生产，因而选用的是在企业或者是各种工业场所中， 在市场占有率很高的西门子s 7 2 0 0 系列c p u 2 2 4 型p l c 。西门子s 7 2 0 0 系列的p l c 的功能强大无论是独自运行，还是联网集中起来实现各种复杂的控制，都可以实现 7 河北科技大学硕士学位论文 良好的效果。西门子s 7 2 0 0 系列拥有极其高的性价比，充足的指令集，高度的可靠 性，内置功能丰富，操作简单，易于掌握，强有力的实时通讯的能力和充裕的扩展 模块提供使用。从结构p l c 可以分为两大部分，硬件结构和软件结构【l 。 1 硬件结构部分微处理器( c p u ) 是p l c 的核心，存储器( r a m 、r o m ) ，输入、 输出部件( i o 部件) 是连接现场设备与c p u 之间的接口电路，电源部件为p l c 内 部电路提供合适能源。一体结构的p l c 这四个主要部件被封装在同一机壳内，模块 式结构的p l c 各部件独立封装，通过机架和总线连接而成，被封装的各个部件称为 模块，i o 接口可以根据用户的需要进行扩展或者是组合( 扩展机) ，另外，还必须 有编程器，它可以将编译好的程序写进p l c 规定的存储器内。 2 软件结构可以分为两部分系统监控程序和用户程序。系统监控程序：用于控制 可编程控制器自身的安全稳定运行，主要由管理程序、用户指令解释程序和供系统 调用的标准程序模块组成。用户程序：它是由程序设计人员根据用户需求在可编程 控制器的软件里编制，用来控制被控装置的运行。 c p u 2 2 4 模块的本机集成是1 4 输入l o 输出，它的扩展模块多，它最多可以扩展7 个模块【l 引。同时有内置时钟，另外还有更强的模拟量和高速的计数处理能力。由控制 要求可以知道，系统共有开关量输入点6 个，开关量输出点1 4 个，主机选为c p u 2 2 4 ， 由于输出点数不够，故加了一个输出扩展模块e m 2 2 2 。p l c 与扩展模块如图3 - 2 所示。 图3 - 2p l c 与扩展模块 3 2 2 电动机的选择 本课题要对筒的速度进行很好的调节，选用小型直流电动机就能满足要求。小 型直流电机具有以下优点：调速特性平滑，调速范围宽广；过载能力强，热动和制动 转矩较大；电势波形较好，它对电磁干扰影响较小。通过查阅资料符合条件的有以 下几种类型： 罾 第3 章运料系统设计 1 福建宁德福安圣美伦特殊电机 产品类型：有刷直流电动机，型号：d c 2 4 v ，额定功率：0 0 4 0 3 ( k w ) ，额定电 压：1 2 v 一2 2 0 v ( v ) ，额定转速：3 5 0 0 ( r p m ) ，产品认证：c c c ，价格1 5 0 元台。 2 博山新微直流电动机 产品类型：有刷直流电动机，型号：z y t ，s z 系列，额定功率：6 - - 3 0 0 0 w ，额定 电压：2 4 ( v ) ，额定转速：0 - - 6 0 0 0 ( r p m ) ，产品认证：c c c ，价格6 0 0 元台。 3 台湾o p g0 5 s g n 小型直流电机 产品类型：有刷直流电动机，型号：d c 2 4 v ，额定功率：l o w ，额定电压：2 4 v ，额定 转速：1 0 0 0 r p m ，产品认证：c c c 。价格1 0 0 元台。 通过综合考虑，台湾o p g0 5 s g n 小型直流电机性价比最高，故选用台湾o p g0 5 s g n 直流电机。 3 2 3 传感器的选择 接近开关是一种无需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体 接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作， 从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令n 引。接近开关是种开关型传 感器( 即无触点开关) ，它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且 动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、 防震耐腐蚀等特点n 们。产品类型主要有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型等。 传感器种类很多，有欧姆龙系列和优泰系列等，从性价比上考虑选用优泰系列。 优泰系列符合条件的有以下两种： 1 铜头优泰接近开关l j a l 2 m - 5 p 1 产品型号l j a l 2 m - 5 p i额定电压2 4 ( v )检测距离1 2 ( 唧) 反应频率 1 0 额定电流1 ( a ) 2 优泰磁性开关接近开关l y - 6 7 a1 0 0 产品型号 l y 一6 7 a 额定电压2 4 ( v )检测距离3 ( m m ) 反应频率 1 0额定电流l ( a ) 考虑到要严格控制电动机的停止位置，所选传感器必须灵敏度高，重复定位精 度高，而且不能离边缘太近，故选用l j a l 2 m - 5 p 1 传感器。 3 2 4 触摸屏的选型 对于一个控制系统来说，p l c 作为一个主控制器扮演着不可替代的作用，在大多 数情况下p i 。c 里面的程序在工艺不变时是对其进行修改的，但是参数的设定和信息 的显示却是工业控制中最为普遍的要求，为了实现这样的功能，就需要在和和机器 之间架起一座能够实现信息交换的桥梁，这种能够实现人与机器信息交换的装置设 o 河北科技大! 学硕士学位论文 备就是h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ( 简称h m i ) 及人机界面【i 5 | 。 1 人机界面实现的主要功能包括： 1 ) 系统参数的设定和工作模式的选择。通过画面上的输入按钮、开关等控件来 发出控制命令，通过h m i 可以p l c 外部进行相关的参数设定； 2 ) 控制过程的动态显示。p l c 内部是信息和实现控制过程的画面可以通过显示 面版显示； 3 ) 报警功能。当报警信号发出时，可以通过设置报警组态画面，这样就能对警 报事件进行显示甚至是处理警报内容； 4 ) 信息处理功能。可以对需要的参数进行数据线性，曲线分析或者是表格显示， 转存或打印； 5 ) 数据记录。用来记录工程数据，工程配方，参数设定等； 6 ) 远程通信。通过组建的网络进行访问，远程数据的传输、或者是控制命令的 下达等【16 1 。 2 h m i 的分类 人机界面的发展历史悠久，装置的性能指标目趋完善，控制功能或者说人性化 的设计让人们使用得心应手，现在的人机界面的种类繁多，一般可以分为： 1 ) 文本显示设置单元。它是一种廉价的小规模的h m i ，仅仅能够进行最为基本 的文字信息显示和参数的设定，信息的处理能力有限并且不能实现对画面的显示， 应用在要求不高的场所； 2 ) 操作员面板。它主要由薄膜按键和显示屏组成，质量安全可靠可以满足在恶 劣的环境中使用，有的产品上有3 0 个左右的按键使操作员的操作简单明了，每个按 键有一百万次的作用，寿命长： 3 ) 触摸屏。只需要用手轻轻的触动屏幕即可实现参数的设定和指令的发布，触 摸屏直观明了、安装方便、节省空间，价格相对高一些。 在电子时代飞速发展的今天，触摸屏的安全性、稳定性、可靠性，越来越占据 了工业控制领域的重头1 7 】。科技的突飞猛进使得电子产品的性能有了很大的提高， 但是价格却更加便宜。在这里本课题们选用的是威纶通科技有限公司生产的is e r i e s 系列的t m 6 1 0 0 i 的触摸屏。 3 t m 6 1 0 0 i 系列触摸屏采用高速的4 0 0 m h zr i s cc p u ，采用l e d 背光模组， 确保长时间使用不会出现泛黄的现象，内置电源隔离保护器，保证在复杂的环境下 的稳定性，即插即拔的u s b 2 0 接口提供高速下载和数据传输，同时支持u s b 闪存和 s d 存储资料、工程文档、工程配方的上传下载，自身带有1 2 8 m b 的内存，可以给使 用者提供程序空间1 6 m b ，可提供给事件记录、资料取样的存储空间高达4 8 m b 。 4 t m 6 1 0 0 i 提供的通讯接口 1 0 第3 章运料系统设计 t m 6 1 0 0 i 提供有三种通讯接口，用这三种借口可以分别给三种不同的p l c 或控制 器通讯，这三种接口分别是： 1 ) 串口通信接口。根据串行接口的类型分应该属于异步串行通讯，根据资料传 输方向属于半双工传输方式，默认是通讯协议是采用的是a s ci i ： 2 ) u s b 通信接口。即插即用的u 口丰富了接口模式，不仅实现了资料、配方、 工程档案的上传下载，同时还能够连接u s b 打印机、条形码机、鼠标等设备； 3 ) 以太网通信接口。多台m t 6 1 0 0 i 和p l c 可以通过以太网连成一个网络平台， 触摸屏可以通过这个网络获得其他触摸屏上的资料、工程文档等。 5 安全防护功能 1 ) 密码。按等级可以分为6 种安全等级，1 2 个操作员账户，1 2 组密码，每个 用户都可以分别设置不同的安全防护等级； 2 ) 组件保护。支持组件激活功能、组件最少按压时间保护、隐藏使用者的权限 不足时的操作组件、隐藏被禁用的组件： 3 ) 事件与报警。支持分类功能、可选事件的重要等级、时间发生时支持通知并 播放指定的内容的功能、以及事件历史的资料存储。 6 组件操作 1 ) 功能强大的先进组件。丰富的按钮，柱形图，数据显示窗口，数据输入元件， 趋势图等各种组态显示器件可供选择，并且可以支持a v i 、m p 3 、m p 4 和m p e g 格式的 媒体文件，v n c 功能，支持趋势图和x 、y 曲线放大缩小功能； 2 ) 地址操作。提供3 2 个索引缓存器作间接寻址，提供多系系统地址卷标率， 使用者可以自行设计地址分配标及常用地址支持t x t c s v 档案格式，可以导入、导 出地址卷标库； 3 ) 宏指令。提供v b s c r i p t 格式的宏指令，提供多种函数库与子程序呼叫，可 规划宏指令执行周期，可以手动执行宏指令，支持自由通讯协议，支持数学函数。 3 2 5 继电器的选择 本设计提供的是2 4 v 直流电压，额定电压是2 4 v d c 的继电器种类很多，最常用 的继电器有欧姆龙系列和h h c 系列。h h c 系列小型电磁继电器可作为中间转换元件和 放大元件，适用于汽车、机床、电子控制设备、试验测试、保安、建筑、商用机械、 通讯设备、家用电器、办公自动化、运输设备、仪器仪表【l8 i 。它的外形尺寸和引出 端子间距已标准化，与国内外通用。h h c 6 8 a 一2 z 的特点及性能满足本设计要求，其主 要参数如下： 触点形式；1 h 、1 d 、l z触点负载：1 0 a1 2 5 v a c7 a2 4 v d c7 a2 4 0 v a c 线圈功率：0 3 6 w ( 0 4 5 w )线圈规格：3 4 8 v d c 河北科技大学硕士学位论文 外形尺寸：长、宽、高1 9 5 1 6 5x1 6 5 欧姆龙系列继电器有着悠久的历史，欧姆龙在上个世纪7 0 年代已开发出各种小 型继电器，在经过近4 0 年的不断努力与研发下，欧姆龙的继电器种类已发展到4 大 类，它们分别是：d c 功率继电器，印刷基板用继电器，固态继电器和m o s f e t 继电 器，这些继电器主要应用到p c 市场，家电市场，电力市场，医疗市场，工业设备等 领域【1 9 】。欧姆龙中间继电器l y 2 n jd c 2 4 v 的性能指标如下： 线圈电压：d c 2 4 v线圈功率：d c ( w ) 0 9a c ( v a ) 1 2 触点结构：8 脚2 常开2 常闭触点容量：5 a2 5 0 v a c5 a2 8 v d c 外形尺寸：2 7 5 2 l 3 5 3 m m 以上两种继电器性能上均能满足此设计要求，但h h c 6 8 a 一2 z 比l y 2 n jd c 2 4 v 便 宜，故选用前者，其实物图见图3 4 所示。 图3 4 继电器实物图 3 2 6 电源的选择 电源总是在系统中扮演着非常重要的作用，说他是系统的心脏一点也不过分。 简单的说，起到供电作用的设备都可以称之为电源，但又似乎没有这么直白，总之 各行各业都离不开电源。电源系统能够为系统提供持续稳定的能量，使系统免受外 部的电磁干扰。一般来说，如果电源发生故障，不应损害系统，电源内部的保护电 路应该在这时发挥作用，所以选择一块质量上成的电源对一个系统的稳固至关重要 2 0 l 。在这里本实验选用的是杭州美赞公司生产的m z a 7 0 2 4 的直流稳压电源输入的 1 0 0 v - 2 2 0 v 交流电，输出2 4 v3 a 它可以提供给p l c 的扩展模块、变送器、触摸屏 提供稳定的电压，功率7 0 w 足以满足p l c 扩展模块、变送器等部件的需要。这种电 源的输入频率4 7 6 3 h z ，工作效率8 2 ，输出纹波噪音兰1 0 0 m v ，输出电压精度1 电压调整率兰0 5 ，负载稳定度士1 ，过载保护：11 0 1 5 0 ，工作温度1 0 一5 0 。 选用的电源模块如图3 - 5 所示。 1 2 ：丝2童壅丝重竺堡丝；：一一一：=：一一：一 幽3 - 5 电源实物图 3 3 输入输出端口的分配 本系统需要6 个限位点来控制电动机的停止位置，故设有6 个输入点：设计中 的7 个电动机都能分别向两个方向运动，故其输出点数有1 4 个，输入输出端口分 配如表3 一l 所示。 表3 - i 输入输出端口分配表 河北科技大学硕士学位论文 输入点名称 输出点名称 i o o i o 1 1 0 2 i o 3 1 0 4 1 0 5 电机1 号右限位 电机1 号左限位 电机4 号左限位 电机4 号右限位 电机7 号左限位 电机7 号右限位 q o 0 q 0 1 q 0 2 q 0 3 q 0 4 q o 5 q 0 6 q o 7 q 1 0 q 1 1 q 2 0 q 2 1 q 2 2 1 号电动机正转 l 号电动机反转 2 号电动机正转 2 号电动机反转 3 号电动机正转 3 号电动机反转 4 号电动机正转 4 号电动机反转 5 号电动机正转 5 号电动机反转 6 号电动机正转 6 号电动机反转 7 号电动机正转 q 2 3 7 号电动机反转 3 4 系统接线图 系统总体接线图主要包括p l c 与继电器的连接，扩展模块与继电器的连接，触 摸屏和调速器的接线，各器件与电源的接线。 3 4 1p l c 与扩展模块接线图 根据表3 1 的输入输出端口分配，对p l c 及扩展模块进行接线，其接线图见图 3 6 所示。 1 4 丝皇墼垫重丝丝丝 3 4 2 继电器模块接线图 图3 - 6 p l c 与扩展模块接线图 继电器要与p l c 和扩展模块进行连接，同时还要与调速器连接来控制电动机的 速度，其接线图如图3 7 所示。 3 4 5 调速器模块接线图 图3 7 继电器模块接线图 调速器模块是通过连接一个调速电阻来控制电动机运动的快慢，其接线图如图 3 - 8 所示。 1 5 弓fn薯玉上；_j 暑写主妻【4i三：乏lix打_i 一妒l=lii舅母一 ；菩iil|!：象和一 号t 毫囊之 河北科技大学硕士学位论文 2 4 v _ 2 4 v + 4 0 14 0 24 n l4 n 23 6 3 7 2 4 v _2 4 v + 0 u t 工n m 1m 2 4 号电 调速器 机 4 v 14 v 24 v 3 f i 图3 - 8 调速器模块接线图 3 4 4 电源转换模块接线图 电源转换模块是将开关电源提供的2 2 0 v 交流电压进行分压，整流，滤波等转换 成2 4 v 直流电源，其接线图如图3 - 9 所示。 l l n 1地2 4 v 一2 4 v + l n l v v + 电源转换模块 图3 - 9电源转换模块接线图 3 4 5 触摸屏接线图 触摸屏与p l c 是通过r s 4 8 5 进行通信的，其接线图如图3 一1 0 所示。 图3 一1 0 触摸屏接线图 1 6 第3 章运料系统设计 3 5 e a s y b u i l d e r 8 0 0 0 的使用及触摸屏界面的制作 3 5 1e a s y b u i l d e r 8 0 0 0 工程的建立 首先，运行e a s y b u il d e r 8 0 0 0 软件，选择菜单 文件 新建文件 来新建一个工 程，弹出触摸屏类型选择对话框，在这选择“m t 6 0 7 0 i h m t 8 0 7 0 i m t 6 1 0 0 i m t 8 1 0 0 i ( 8 0 0 x 4 8 0 ) ，按下 确定 即可。然后弹出一个 系统参数设置 对话框，进行参数设 置，在弹出的对话框中选择新增，并选择相应的p l c 类型，点击设置来设置p l c 的 通讯参数，如图3 - 1 l 所示。 ! 删w u t , e r - 。唑翼寥耻叠咂醺唧矿氍邵曼蠹舅舅勇舅嗡i p i ：；r o 瞎q- ，时铺z 茸 。口嚣 。z 胛t”o 1 1佴，嚣p 。嚣鞠 g 一目口丘同i w i j 日，嗡q 口两i 一偌再证i i i t 矿一f 州l i 氨i i k f 一一一j 鼍簋竺盛臻：翌篮j ：警j 盈苴：譬翌：箜型茁誓盈进盈翌& 滋。互 匦= 盈 3 5 2 触摸屏界面的制作 图3 1 1 触摸屏设置对话框 1 静态文本的添加 静态文本是触摸屏上的说明文字，如对一些开关或者界面的说明。添加静态文 本的操作过程：按下文本显示元件图标，出现如图3 - 1 2 所示对话框，在属性中设定 文字要显示的颜色，字体大小等，并在内容中输入要显示的文字。按下确定即可完 成对文本的制作。 1 7 河北科技大学硕士学位论文 * z ：，c ”# x ； ! f 。j qt 峙 一r ：j m 1 使月b m t p ： t # _ 生 2 马镰。，鳓 i j ：口： ) r 1 月1 m t a i ，4 图3 一1 2 文本添加界面 2 在不同的窗口中建立“翻页”键 在e