（机械电子工程专业论文）橡胶管清吹机自动控制系统设计.pdf

摘要 摘要 橡胶管自动吹洗机是应天津津南开发区东海橡塑有限公司的要求而设计的一 套橡胶管清洗、吹干的自动控制系统。本文主要阐述了基于p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i c a lc o n t r o l l e r ) 、液压传动、智能仪表、传感器等技术而实现橡胶管的自动清洗、 吹干的控制系统。本系统具有自动与手动调节、自动报警等功能，操作简单、运 行安全、成本低、智能化水平高、系统结构简单可靠的特点，能有效减轻操作人 员的劳动强度。 本课题研究的主要内容为： 1 论述选题的背景及意义，研究了橡胶管清吹机目前发展的状况，需要解决 的问题，并给出了本论文需要完成的主要工作，分析了橡胶管自动清吹机的控制 流程、工艺要求和当前各种控制方案，通过分析给出了橡胶管清吹机自动控制系 统的总体设计方案。 2 对控制系统特征进行分析，结合橡胶管清吹机的控制要求，设计出系统硬 件原理框图，并对其中的控制电路进行了较为详细的介绍。该系统以三菱 f x 2 n 一4 8 m r 型基本单位为核心，设计系统液压控制回路、电气控制回路，系统以 三菱g t l l 5 5 触摸屏作为人机界面。 3 在硬件配置的同时，通过三菱f x 系统编程软件( f x g p w i n - c ) 对p l c 程序进行了设计，实现了自动控制的功能，利用g t l l 5 5 软件设计了人机界面，实 现了显示、监控等功能。最后，对自动控制系统进行了在线调试。 本系统为橡胶管生产线提供了一个切实可行的方案，系统已经在橡胶管生产 线投入使用，具有性能可靠、操作安全、生产效率高的特点。系统的构建思想和 方法对控制系统的发展有一定的借鉴意义。 关键词：清吹机；p l c ；控制系统。 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i cr u b b e rh o s ec l e a nm a c h i n e ( a r h c m ) i sas e to fa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mu s e df o rc l e a n i n ga n dd r yr u b b e rh o s e ，w h i c hi sd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h e r e q u e s to ft o k a ir u b b e rc o ，l t d i n j i n n a nd e v e l o p m e n tz o n e ，t i a n j i n 砌sp a p e r m a i n l ye x p o u n d sa na u t o m a t i cr u b b e rh o s ec l e a na n dd r y c o n t r o ls y s t e m ，w h i c h i n t e g r a t e st e c h n o l o g i e ss u c ha sp l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 、h y d r a u l i c t r a n s m i s s i o n 、i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ta n ds e n s o r , e t c t h es y s t e mh a st h ef u n c t i o n so f a u t o m a t i ca n dm a n u a la d j u s t m e n t ，a u t o m a t i ca l a r m ，a n di se n d o w e d 、v i t l lt h ea d v a n t a g e s o fs i m p l i c i t yo fo p e r a t i o n ，s a f e t yi nr u n ，h i g h l e v e li n t e l l i g e n c ea n dr e l i a b l es y s t e m s t r u c t u r e i tc a nt h u se f f e c t i v e l yl i g h t e nl a b o u ri n t e n s i t yo fo p e r a t o r s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 d i s c u s st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft o p i c ，s t u d yt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f a r h c ma n dt h eq u e s t i o n sn e e dt ob es o l v e d ，c l a r i f yt h ew o r kn e e dt ob ed o n e ，a n a l y s e t h ec o n t r o lf l o w , t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s ，c u r r e n tv a r i o u sk i n d so fc o n t r o ls c h e m eo f t h ea r h c m ，g e tt h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo f a r h c mb ya n a l y s i s 2 a n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o ls y s t e m ，d e s i g nt h ef u n c t i o n a l b l o c k d i a g r a mo ft h es y s t e mh a r d w a r e ，i n t r o d u c et h ec o n t r o lc i r c u i to ft h es y s t e mi n d e t a i l w i t hm i t s u b i s h if x 2 n 4 8 m ru n i ta tt h ec o r ea n dm i t s u b i s h ig t l15 5t o u c hs c r e e na s h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) ，t h i ss y s t e md e s i g n sh y d r a u l i cc o n t r o lc i r c u i t ，e l e c t r i c a l c o n t r o lc i r c u i t 3 a tt h em e a n t i m eo fh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n , d e s i g nt h ep l cp r o g r a mb yu s i n g m i t s u b i s h if xs y s t e mp r o g r a m m i n gs o f t w a r e ( f x g p _ w i n c ) ，r e a l i z et h ef u n c t i o no f t h ea u t o m a t i cc o n t r o l ，d e s i g nt h eh m ib yu s i n gg t l15 5s o f t w a r e ，r e a l i z et h ef u n c t i o n o fd i s p l a ya n dm o n i t o r i n g f i n a l l y , d e b u gt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo nl i n e t h es y s t e mp r o v i d e saf e a s i b l es c h e m ef o rr u b b e rh o s ep r o d u c t i o nl i n e i th a sb e e n p u ti n t ou s ei nt h er u b b e rh o s ep r o d u c t i o nl i n e ，w i t hi t sa d v a n t a g e so fr e l i a b i l i t yi n p e r f o r m a n c e ，s a f e t yi no p e r a t i o na n dh i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h ei d e aa n dm e t h o d o ft h es y s t e mi so fc e r t a i ns i g n i f i c a n c ef o ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：a u t o m a t i cr u b b e rh o s ec l e a nm a c h i n e ；p l c ；c o n t r o ls y s t e m 1 1 1 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) 一i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 1r u b b e rp r o d u c t si n d u s t r yd e v e l o p m e n tt e n d e n c yi nc h i n a 一1 1 1 2a u t o m o t i v er u b b e rp r o d u c t si n d u s t r yd e v e l o p m e n ta th o m e a n da b r o a d 。2 1 1 3p r o d u c t i o na n dp r o c e s s i n gt e c h n i q u eo f r u b b e rh o s e 2 1 2c u r r e n ts i t u a t i o no fc l e a n i n gr u b b e rt u b e 3 1 3r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 3 1 4m a i nt a s k s ：3 1 5s u m m a r y 一4 c h a p t e r 2b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 5 2 1a r h c m 5 2 1 1c o n p o n e n t s 5 2 1 2o p e r a t i n gp r i n c i p l e 6 2 2t h er e q u i r e m e n t so fm a n u f a c t u r e r so nc o n t r o ls y s t e m 7 2 3o v e r a l ls c h e m eo f a r h c m 8 2 3 1c o n t r o ls y s t e ms c h e m e 8 2 3 2c o n t r o ls y s t e mo v e r a l ld e s i g ns c h e m e 1 0 2 4s u m m a r y ”! 1 1 c h a p t e r 3d e s i g no f a r h c mh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e m 。1 2 3 1w o r kf l o wo f a r h c m - 1 2 3 2s e l e c t i o no f p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r 1 3 3 2 1o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r 1 3 3 2 2s e l e c t i o no fp l ct y p e 1 4 v i i 广东工业大学硕士学位论文 3 3i oa l l o c a t i o no f a r h c mc o n t r o ls y s t e m 16 3 3 1i oa l l o c a t i o no f c o n t r o ls y s t e m 一1 6 3 3 2i oa l l o c a t i o nd i a g r a mo f a r h c m 1 7 3 3 3p l ci n p u ta n do u t p u ta l l o c a t i o nd i a g r a ma n dc o n t r o lc i r c u i t r y ”1 8 ， 3 4e l e c t r i c a lc i r c u i td i a g r a m s 2 1 3 4 1s e l e c t i o no f e l e c t r i c a lc o m p o n e n t s 2 1 3 4 2e l e c t r i cw i r i n gd i a g r a mo f m a i nc i r c u i t 2 4 3 4 3p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n sb e t w e e nh y d r a u l i cc o n t r o la n do t h e rc o n t r o l 2 5 3 4 4t h ed e s i g no fh y d r a u l i cd r i v ec i r c u i t 2 6 3 5h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 2 7 3 5 1t o u c hs c r e e n 2 7 3 5 2c o m m u n i c a t i o ns e t t i n g sb e t w e e np l c a n dt o u c hs c r e e n 2 9 3 6m a i nc o m p o n e n t ss e l e c t i o nl i s t 3 0 3 7s u m m a r y 31 c h a p t e r 4s o f t w a r ed e s i g no f a r h c mc o n t r o ls y s t e m 3 2 4 1d e s i g no f t h es o f t w a r es y s t e m 3 2 4 1 1p l cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e 。3 2 4 1 2p l cp r o g r a m m i n gs t e p 3 2 4 1 3d e s i g na p p r o a c ho ft h es y s t e ms o f t w a r e 3 3 4 2d e s i g no fl a d d e rd i a g r a m 3 5 4 2 1p r o g r a mi n i t i a l i z a t i o n 3 5 4 2 2m o d eo fc o n t r o ls y s t e mo p e r a t i o n 。3 5 4 2 3s t a t e t r a n s i t i o nd i a g r a mo f t h ec o n t r o ls y s t e m 3 7 4 2 4a l a r mp r o c e s s i n go fc o n t r o ls y s t e m 。3 7 4 2 5d e a l i n gw i t hc o n t r o ls y s t e ms t a t i s t i cp r o g r a m 3 8 4 3h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ep r o g r a m 3 8 4 3 1g o t l 0 0 0t o u c hs c r e e na n di t sp r o g r a m m i n gs o f t w a r e 3 8 4 3 2h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ep r o g r a m 3 9 4 4s u m m a r y 4 4 v i i i c o n t e n t s c h a p t e r5d e b u go f a r h c m c o n t r o ls y s t e m 4 5 5 1d e b u go f a r h c mc o n t r o ls y s t e mp r o c e s ss i m u l a t i o n 4 5 5 2h a r d w a r ed e b u go f a r h c mc o n t r o ls y s t e m 4 7 5 3e c o n o m i cb e n e f i t so f a r h c mc o n t r o ls y s t e m 4 8 5 4s u m m a r y 4 8 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 4 9 r e f e r e n c e s 5 0 p u b l i s h c a t i o n 5 4 o r i g i n a l i t ys t a t e m e n t 5 6 a c k n o w l e d g e m e n t 5 7 a p p e n d i x 5 7 i x 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 我国橡胶制品产业发展趋势 橡胶管是重要的橡胶产品，广泛应用于矿山、冶金、汽车、各种机械等，具有不 可替代的重要作用。建国以来，特别是改革开放以来，我国橡胶管工业有了长足的发 展。目前，我国橡胶管产品不仅能满足国内市场的需要，而且逐渐进入国际市场。全 国有近千家橡胶管厂，具有一定生产规模的胶管厂1 0 0 多家。橡胶管生产能力及产量 不断增加。据估计，主要橡胶管产品生产能力名列世界前茅，已完全能满足我国国民 经济发展的需要，并有部分出口【1 】。 我国橡胶管产品虽然已具备大量出口的基本条件，但是实际出口量还较少。据国 家统计局统计，近几年橡胶管年出口额7 0 0 0 多万美元，仅占橡胶产品年总出口额( 7 5 9 9 亿美元) 的不到1 ，为轮胎年出口额( 7 3 9 亿美元) 的9 5 、胶鞋年出口额( 5 0 2 5 亿美 元) 的1 4 。另外，据估计，我国橡胶管产品出口额约占总产值的1 0 。出口较多的 产品有织物输送带、钢编胶管、普通胶管等，技术含量较高的钢丝绳输送带、汽车用 胶管等出口较少，但出现逐年增加的趋势 2 1 。 汽车橡胶管作为汽车上的重要零部件分别在发动机、底盘和车身等部位，起着输 送油、气、水以及传递动力的作用，攸关汽车的安全和性能p ，。汽车橡胶制品在汽车工 业中的作用汽车工业是我国国民经济的支柱产业，它能否得以迅速发展，可以说，在 一定程度上取决于包括橡胶制品在内的相关行业能否同步发展。高科技时代的2 l 世纪， 如何根据行业的现状，把握机遇迎接挑战，提出合适的发展战略，进而确定行业重点， 制订相应的具体措施，力争5 一l o 年达到或超过国外先技术水平，促进橡胶管行业的 发展和进步是很有必要的。为加快发展，缩小差距，就必须在行业中实施统筹安排、 优化结构、重点扶植、开拓创新的方针，只有这样，汽车橡胶管的能级、技术、质量 水平才能得以大幅度提高。 广东工业大学硕士学位论文 1 1 2 国内外汽车橡胶制品行业的发展 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，它能否得以迅速发展，可以说，在一定程 度上取决于包括橡胶制品在内的相关行业能否同步发展【4 】。作为汽车工业的重要配套产 业，在汽车工业的带动下，加上汽车零配件采购的全球化，我国汽车橡胶行业取得了突飞 猛进的发展。国外橡胶制品生产规模日益扩大，而且专业化程度高，因而劳动效率很 舒扪。如日本东海橡胶公司是一家以生产汽车橡胶制品为主的大公司，它在美国建设的 一个胶管与减震橡胶制品工厂，年销售额为2 亿美元，比我过同类企业要高出十几倍。 上个世纪9 0 年代后期开始，我国建设的一批外资的汽车橡胶制品生产企业都是专业生 产厂，规模比较大。据调查，一辆汽车需要橡胶配件4 0 0 5 0 0 个，重约4 0 k g ( 不包括 轮胎) ，占车重的4 5 ，汽车橡胶制品产值约占汽车部件总产值的6 。由此可见， 汽车橡胶制品在汽车工业中的重要地位【6 】。 1 1 3 橡胶管的生产加工工艺过程 橡胶制品的主要原料是生胶、各种配合剂、以及作为骨架材料的纤维和金属材料， 橡胶制品的基本生产工艺过程包括塑炼、混炼、压延、压出、成型、硫化6 个基本工 序【7 】。本系统清洗的橡胶管规格如图所示1 1 所示。 。一 图1 - 1 橡胶管形状规格图 f i g u r e1 - 1s h a p e sa n ds p e c i f i c a t i o n sd i a g r a m o fr u b b e rh o s e 橡胶管的加工工艺过程主要是解决塑性和弹性矛盾的过程，通过各种加工手段， 使得弹性的橡胶变成具有塑性的塑炼胶，在加入各种配合剂制成半成品，然后通过硫 2 第一章绪论 化是具有塑性的半成品又变成弹性高、物理机械性能好的橡胶制品。产品成型后还需 要对管内璧的灰尘进行清洗、气密性进行检测等环节潮。 1 2 橡胶管清洗的现状 橡胶管生产出来之后需要对其内壁上的灰尘颗粒进行清洗。传统的做法是把大量 橡胶浸泡在水池中，工人进行手工清洗，然后把橡胶管进行擦干，整个操作过程是通 过人工进行1 9 1 。这种做法显然存在一定的局限性： 1 清洗工程完全是手工进行，自动化程度低，生产效率不高； 2 没有人机界面，运行过程不能有效进行监控； 3 工人劳动强度大，不能有效解放劳动力； 4 人工操作不能保证橡胶管清洗、吹干的质量； 由于橡胶管在清洗过程中出现了上述问题，设计性能可靠、可实现自动与手动调 节、自动化程度高及人机交互性能较好的新型橡胶管自动清洗机具有较高的应用价值 和较大的经济效益，从而可以进一步提高自动化水平和解放劳动力。 1 3 论文课题的背景及意义 橡胶管的基本生产加工工艺过程包括塑炼、混炼、压延、压出、成型、硫化清洗、 气密性检测等基本工序o l 。本系统是为汽车中的橡胶管清洗吹风而设计的一套电气控 制设备。采用p l c 与触摸屏相结合的控制方式，辅以液压传动、智能仪表、传感器等 等元件对橡胶管的内壁上的污垢和灰尘进行自动清洗、吹干。系统能够节省的劳动成 本和解放劳动力，保证产品的清洗质量和数量统计。此外，系统还设置了手动和自动 两种操作方式以满足工业生产的需要；系统的控制电路均采用2 4 v 直流电在操作开始 和结束时带有报警提示，确保人身安全。 橡胶管清洗机是成本投入低、生产效率高和经济效益好的产品，在我国橡胶管产 业高速发展的今天，市场前景广阔，而且p l c 控制系统开发周期短、应用见效快及设 备维护方便。 1 4 本论文的主要工作 1 分析橡胶管自动清洗机的现状和发展，提出研制橡胶管清洗机自动控制的目的 广东工业大学硕士学位论丈 和意义。 2 研究实用的橡胶管清洗机自动控制系统的总体设计方案。 3 研究橡胶管清洗机自动控制的硬件控制系统。 4 设计橡胶管清洗机自动控制系统的软件和编写人机界面。 5 橡胶管清洗机自动控制的调试、运行和评价。 1 5 本章小结 本章介绍我国橡胶管产业发概况、加工工艺过程、清洗的状况，论述了选题的背 景及意义，给出了目前橡胶管清洗机的发展状况及需要解决的问题，提出了论文需要 完成的主要工作。 4 第二章橡胶管清吹机自动控制系统总体方案 第二章橡胶管清吹机自动控制系统总体方案 2 1 橡胶管清吹机 2 1 1 橡胶管清吹机的组成 橡胶管清吹机主要由以下部件组成：清洗箱、单相异步电动机、光电传感器、关 盖接近开关、开盖接近开关、夹紧与放松装置、液压装置、双侧启动按钮、吹干装置。 橡胶管清吹机的机械结构如图2 - 1 和图2 - 2 所示： 图2 1 橡胶管清吹机的机械结构 f i g u r e2 1m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fa r h c m 广东工业大学硕士学位论文 清洗箱盖 图2 2 橡胶管清吹机的机械结构 f i g u r e2 - 2m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fa r h c m 开关盖液压推杆用于控制清洗箱盖的开启与关闭； 夹紧放松电磁阀用于控制橡胶管的夹紧与放松； 光电传感器用于检测人体部分是否进入危险区域，并给p l c 发出信号； 启动按钮用于启动整个清洗控制装置； 开盖接近开关用于检测开盖是否到位； 注水孔用于注水清洗橡胶管； 吹气孔用于气体吹干橡胶管； 清洗箱用于安装待清洗的橡胶管壁。 2 1 2 橡胶管清吹机的工作原理 清洗箱 橡胶管清吹机的工作原理如下： 1 清洗箱的盖门处于完全打开状态( 开盖接近开关动作) ，人工插入1 0 根橡胶 6 第二章橡胶管清吹机自动控制系统总体方案 管； 2 双手分别按下箱体两侧的启动按钮，盖门慢慢关闭； 3 当盖门完全关闭( 关盖接近开关动作) ，橡胶管夹紧装置动作，橡胶管被夹紧； 4 清洗电机启动，喷嘴喷水清洗橡胶管； 5 当清洗到达外部设定时间( 2 0 秒) 后，清洗工作停止，开始向橡胶管内吹气， 吹干橡胶管内壁的水汽； 6 当吹风到达设定时间( 5 秒) 后，吹风工作停止； 7 吹风工作停止后，开盖装置慢慢打开。 8 当盖完全打开后( 开盖接近开关动作) ，开盖动作停止。 9 人工取下清洗完毕的橡胶管； 1 0 重复步骤1 - 9 。 2 2 生产企业对控制系统的要求 在制作这项系统之前，认真阅读甲方提出的要求，翻阅了大量图书资料，经过市 场调研、分析、综合，然后提出具体、详细的要求，在征得甲方的意见后，作为设计 该系统的依据。 1 应最大限度地实现清吹生产机械和生产工艺对电气控制线路的要求。设计之前， 首先要调查清楚生产的要求，明白生产全过程的工艺流程，这样才不会迷失设计的方 向。对液压传动机构在设计时要考虑的问题。 2 在满足橡胶管自动清吹的前提下，要求控制线路简单、经济。 ( 1 ) 尽量选用标准的、常用的、或经过实际考验的线路和环节。 ( 2 ) 尽量缩短连接导线的数量和长度。 ( 3 ) 采用甲方要求的标准元器件、数量不能增多，并尽可能选用相同型号。 ( 4 ) 尽量使控制系统节约电能。 3 保证控制系统工作的可靠和安全。为了保证控制线路工作可靠，我们均选用正 规厂家生产的元器件( 甲方提出的要求) ，这些器件具有机械和电气寿命长、结构结实、 动作考靠、抗干扰性能强等优点。但在具体的设计时还要考虑以下几点： ( 1 ) 应具备完善的保护环节，以避免因误操作而发生事故。完善的保护环节包括 过载、短路、过流、过压、失压等保护环节，有时还应设有合闸、断开、事故、安全 广东工业大学硕士学位论丈 等必须的指示信号。 ( 2 ) 设计出的电路应能满足现有的电网情况。根据电网容量的大小，电压、频率 的波动范围以及容许的冲击电流数值等决定电动机是直接启动还是间接启动。 4 应尽量使操作和维修方便。控制系统应操作简单和便利，能迅速和方便地由一 种控制方式转换到另一种控制形式。该系统中设有自动和手动两种控制，使工业生产 和设备维护有效进行。 2 3 橡胶管清吹机控制系统总体方案 机电一体化制系统的性能在很大程度上决定于控制系统。为了实现各种复杂的控 制任务，重点是从系统工程的角度出发，研究如何设计控制器和合理的选择执行元件、 检测元件、导向与支持元件和传动机构等，并由此组成合适的控制系统，使整个系统 达到最优化n 1 i 。 2 3 1 控制系统方案 2 3 1 1 控制系统方案 本系统，需要按照一定的顺利相互协调才能完成橡胶管清洗过程。因此控制系统 的核心部分是可编程序控制器即p l c ，p l c 采集到输入信号后，控制相应的设备动作， 完成整个清洗任务。系统具有手动控制和自动控制两种方式，自动控制方式是设备运 行之后整个系统按照已设定好的程序周期运转；手动控制方式是通过操作面板单独控 制某一个动作，一般作为调试设备时使用。 针对上述控制要求，输出有以下三种控制方案： 方案一。采用工业计算机控制，利用组态软件编写人机界面。 方案二。采用单片机控制系统。由于需要设定的控制信息比较多，因此采用双单 片机控制模式。一个单片机作为主控制器，主要完成输入输出设备的采用与控制；另 外一个单片机主要作为系统的人机交互界面，完成显示和输入功能，两个单片机进行 串行通信2 1 。 方案三。采用可编程序控制即p l c 控制。解决p l c 应用系统的人机交互界面有两 种方法。 方法一。采用p c 机作为上位机，用v b 火v c 制作控制界面，实现对p l c 的操 8 第二章橡胶管清吹机自动控制系统总体方案 作和监控。 方法二。利用可编程终端( p r o g r a m m a b l et e r m i m a l ) ，简称p t ，它是新一代高科 技图形化人机界面产品，有触摸屏和可编程功能键两种产品【”】。 2 3 1 2 各控制方案的分析与控制方案的选择 方案一为工业计算机控制。工业控制计算机是利用个人计算机的p c i 总线和 p c 1 0 4 总线、采用功能板卡扩展控制i o 点来实现控制的一种方便的控制设备，具有 可靠性高、软件丰富和价格低廉等优点4 1 。由于本系统设计需要考虑现场设备与主机 的连接数量较大，接口的扩展较多，增加一个功能就要重新设计对应的程序；一旦工 控机系统出现故障，很难诊断故障元件，会增加维修周期，而且非专业人员不能维修。 因此，本系统设计不考虑工业计算机控制系统。 方案二为典型的单片机控制系统。单片机控制具有结构简单、扩展方便、成本低 廉等优点，一般用于数据采集和仪器仪表控n t - 卯。与p l c 控制相比，单片机控制系统 需要通过单片机的i o 口输出一些控制量去控制外部设备，但是单片机的i o 口的驱 动能力有限，在驱动一些大功率设备的场合，如电机、电热丝、继电器等，就不能满 足要求了。并且一些大功率的设备要使用强电进行驱动，在开关过程中会产生电磁干 扰，有可能会导致单片机系统执行误动作或者“死机”甚至损坏单片机。因此，在单片 机控制系统中，需要加上驱动电路，在强电的应用场合中还应该考虑强弱电的隔离问 题。所以除了要设计控制系统，用单片机实现自动控制，还需要在外围做很多软件和 硬件方面的工作。考虑到程序设计的复杂性，以及以后系统改正增加功能的开发成本 和周期都会增加，一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障所致在。因此，本系统 设计不考虑单片机控制系统。 方案三为p l c 控制系统。可编程序控制器( 简称p l c ) ，是面向用户的专用控制 计算机，具有许多明显的控制优点n 研。首先，可靠性高，抗干扰能力强。p l c 是专为 工业控制而设计的，选用的电子器件一般是工业级，有的甚至是军用级，在硬件和软 件两个方面还采用了屏蔽、滤波、光电隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程 序控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间已达到2 万小时以上。其次，编 程简单、直观。p l c 是采用一种面向控制过程的梯形图语言。梯形图语言与继电器原 理图类似，形象直观，易学易懂。具有一定电工知识的人员都可以在短时间内学会， 9 广东工业大学硕士学位论文 使用起来得心应手，计算机技术和传统继电控制技术之间的隔阂在p l c 上完全不存在。 最好，适应性好，维护简单。p l c 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。由于可编程序控制器产品已经系列化、模块化，因此能灵活方便 组成系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统，适应能力非常强。p l c 控制系 统的维护非常简单，利用p l c 的自诊断功能和监视功能，完全可以迅速查找到故障点， 及时予以排附m 。因此，本系统采用p l c 控制。该方案需要解决一个问题：人机交互 界面如何设计? 方法一作为一种设备产品，适应不方便。采用p c 机作为人机交互界面，虽然可发 挥p c 机强大的数据处理优势来增强系统的信息处理能力，但用v b 或v c 来制作控制 界面，编程较为复杂，对初学者来说一般很难熟练掌握。 方法二运用可编程终端( p r o g r a m m a b l et e r m i m a l ) ，简称p t ，人机界面友好，控 制简单，安装在显示屏前端的输入设备，一些机械按键完全可以用触摸屏取代，而且 触摸屏软件操作简单易学，是现代工业控制比较理想的输入输出设备【 1 。 综上所述，本系统采用可编程序控制器即p l c 作为控制器，用触摸屏作为人机交 互界面。 2 3 2 控制系统总体设计方案 控制系统总体结构如图2 3 所示。 检测与传感系统卜i 啼 叫 电机控制系统 信号输入电路卜一i p l c 叫输出执行机构 触摸屏卜啼一运行与报警电路 图2 - 3 控制系统结构图 f i g u r e2 - 3s k e t c hm a p o fc o n t r o ls y s t e m 1 0 第二章橡胶管清吹机自动控制系统总体方案 整个控制系统以p l c 为控制中心，包括检测与传感系统、信号输入电路、触摸屏、 电机控制系统、输出执行机构、运行与报警电路。 2 4 本章小结 本章主要介绍橡胶管清吹机自动控制系统的结构组成和工作原理，根据系统的控 制要求，提出三种控制方案，并予以分析，提出了“p l c + 触摸屏”控制方式作为本次橡 胶管清吹机自动控制系统的总体方法。 广东工业大学硕士学位论文 第三章橡胶管清吹机硬件控制系统设计 3 1 橡胶管清吹机的工作流程 3 1 1 清吹机工作流程图 橡胶管清吹机的工作流程如图3 1 所示。 图3 1 橡胶管清吹机的工作流程图 f i g u r e3 - 1w o r kf l o wo f a r h c m 1 2 第三章橡胶管清吹机硬件控制系统设计 3 1 2 清吹机自动工作过程 橡胶管清吹机自动工作步骤： 1 橡胶管清吹机处于初始位置，即清洗箱的盖门处于完全打开的状态，后限位接 近开关发出信号给p l c 。 2 当人工插管完毕后，双手按下箱体两侧的启动开关，盖门慢慢关闭。当出现声 光报警时，关盖立即停止在原位。报警解除后，再次按下启动按钮，关盖继续进行。 3 当盖门完全关闭后，前限位接近开关发出信号给p l c 。 4 清洗电机启动，对橡胶管进行清洗。 5 当清洗到达设定时间后，清洗电机停止，气动电磁阀打开，对橡胶管内壁水汽 进行吹干。 6 当吹风到达设定时间后，气动电磁阀关闭，吹风停止。 7 吹风停止后，盖门慢慢打开。当出现声光报警时，开盖立即停止在原位。报警 解除后，再次按下启动按钮，开盖继续进行。 8 当盖门完全打开后，重复步骤l 一7 。 3 2 可编程序控制器的选型 3 2 1 可编程控制序控制器的工作原理 p l c 的基本工作方式是在系统软件的控制下，采用周期工作方式，即在p l c 运行 时，c p u 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，直到程序结束。然 后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入 信号的取样和对输出状态的刷新等工作。它的操作系统是一个小型的实时系统软件， 具有自身的结构和特点，p l c 在每次扫描期间，除了读入各输入点的状态、执行用户 程序、输出控制信号以外，还进行故障自诊断和处理与编程器、计算机等的通信请求【1 9 1 。 整个扫描过程如图3 2 所示。 1 白诊断。在自动控制系统中，大多数生产过程可分为一系列不断重复 的顺序执行操作。如果发生故障必然影响整个系统的正常运行。p l c 在执行自诊断程 序时，一旦发现异常时，立即启动关机程序并保留现行工作状态，把所有的点置“o f f ” 状态后停机，并发出报警信号和显示错误信息；如果自诊断正常，则继续向下扫描哪! 。 广东x - & 大学硕士学位论文 2 与编程器、计算机通信。p l c 执行自诊断程序结束后，发现故障，立即检测是 否有编程器、计算机等的通信请求。如有故障，则进行相应的处理口1 1 。 3 输入处理。p l c 在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所 有输入信号，读到寄存器输出状态的输入映像寄存器中。这个过程成为输入处理瞄】。 4 程序执行。p l c 完成了输入采样工作后，按顺序从0 0 0 0 号地址开始的程 序进行逐条扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中 获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存器执行结果的输出映像 寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端子上。 5 输出刷新。在执行到e n d 指令，即执行完用户所用程序后，p l c 将输出 映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。 图3 2p l c 循环扫描工作流程图 f i g u r e3 - 2c i r c u l a r l yo r d i n a ls c a nf l o wc h