（机械工程专业论文）工业ct传送装置的研制.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 叶片传送装置是为检测叶片质量好坏的一套高度自动化装置。该装置以可编程逻辑 控制器p l c 为控制核心，通过接近开关，及光电传感器检测得到的信号判断叶片托盘的 位置，同时将信号反馈到p l c ，再由p l c 对采集到的信号进行分析判断，按照预先编制 好的逻辑程序控制叶片传送带各电动机及液压系统协调工作，使叶片托盘按既定程序停 靠在指定检测区域。由于叶片检测所使用射线对人体有害，所以我们采用远程控制的手 段，操作房间与检测房间独立设置，使操作人员远离检测区域。使用触摸屏替代传统的 按钮，指示灯组成的操作面板，既方便操作，更改便捷，又方便触摸屏与p l c 通讯，只 需要一根通讯电缆即可完成对现场各装置的动作控制。整套系统还使用安装了组态软件 的工业控制计算机作为上位机，编制组态动画对现场叶片传送装置的动作进行形象模 拟，通过与p l c 实时通讯，掌握现场各环节动作情况，编制历史数据库，方便用户对工 作量，故障分析等数据的查询。机械部分则有传感器，传送带，液压三部分构成。通过 机械，电气，上位控制几个系统的协调工作，确保整套系统在要求的工艺下完成检测叶 片的任务。课题使用到了当今比较先进的控制、数据采集、机械制造等环节，。项目中整 合了p l c 、触摸屏、组态软件、传感器、机械传送装置的设计、液压控制等机电一体化 知识，通过技术手段使之结合到一起，最终实现了系统的协同工作。 通过改造旧有生产线，使用本文所设计的叶片传送装置大大提高了工厂的生产和检 测效率，并且伴随着这种高度自动化设备的广泛使用，人力资源得到解放，降低了企业 的生产成本。 关键词：可编程逻辑控制器；传感器；触摸屏；电动机；液压系统 工业c t 传送装置的研制 r e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo fi n d u s t r i a lc t c o n v e y i n ga p p l i a n c e a b s t r a c t b l a d ec o n v e y i n ga p p l i a n c ei sa l la u t o m a t i cu n i tu s e df o rj u d g i n gt h eq u a l i t yo fb l a d e t h ec o r ep a r to ft h i su n i ti sp 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 ( p l c ) t h ea p p r o a c hs w i t c ha n d t h ep h o t o e l e c t r i cs e n s o rd e t e c tt h es i g n a lt oj u d g et h ep o s i t i o no fb l a d es a l v e r t h ep l c r e c e i v e s ，a n a l y z e sa n dj u d g e st h ec o l l e c t e ds i g n a l t h ep l cc o n t r o l se l e c t r o m o t o ra n d h y d r a u l i cs y s t e mo fb l a d ec o n v e y o rb e l tw h i c hc o u l dw o r kh a r m o n i o u s l ya sp e rc o m p l i e d l o g i cp r o g r a m s ot h eb l a d es a l v e rc a ns t o pa ts p e c i f i e da r e a s i n c et h er a d i a li sh a r m f u lf o r p e r s o n w eh a v et ou s el o n g - d i s t a n c ec o n t r o l l i n gm e a s u r e t h et o u c h i n gs c r e e ni si np l a c eo f t r a d i t i o n a lo p e r a t i n gp a n e lw h i c hi n c l u d eb u t t o n sa n di n d i c a t o rl i g h t i ti sm o r ec o n v e n i e n t a n de a s yt oc o m m u n i c a t ew i t hp l c o n l yac o m m u n i c a t i o nc a b l ec o u l dc o n t r o le a c hu n i to n s i t e t h ew h o l es y s t e ma l s oi n s t a l l sa ni n d u s t r i a lc o m p m e rf r o mc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et o c o m p i l ec o n f i g u r a t i o nf i l m t os i m u l a t et h em o v e m e n to fb l a d ec o n v e y i n g a p p l i a n c e r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nw i t hp l cc o u l dc o m m a n dt h em o v e m e n to fe a c hs t e p s i n c et h e c o m p i l i n go fh i s t o r i cd a t a b a s e ，i ti sc o n v e n i e n tf o ru s e r st oc h e c kd a t aa b o u tw o r k l o a da n d f a i l u r ea n a l y s i s m e c h a n i c a lp a r tc o n s i s t so fs e n s o r ，c o n v e y o rb e l ta n dh y d r a u l i cs y s t e m e a c h s y s t e m ( s u c ha sm e c h a n i c a ls y s t e m ，e l e c t r i c a ls y s t e me t c ) w o r kh a r m o n i o u s l yt oe n s u r e w h o l es y s t e mc o m p l e t et h et a s ko fb l a d ec h e c k i n ga sp e rr e q u i r e dp r o c e s s t h ei t e mu s e sa d v a n c e d et e c h n i ca sc o n t r o l ，d a t as a m p l i n ga n dm a c h i n em a k i n g w e r e a l i z ef u n c t i o no f s y s t e mb yu s i n gp l c ，t o u c h e r ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，s e n s o r a n d t r a n s p o r t a t i o ne q m p m e n t p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi se n h a n c e dt h r o u g hu s i n gl a m i n at r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n tt h e p a p e rd e s i g n s m a n p o w e rd e c r e a s i n ga n dc o s ti sr e d u c i n ga sa u t o m a t i cm a c h i n ei su s e d k e yw o r d s ：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 ( p l c ) ；s e n s o r ：t o u c h i n gs c r e e n ； e l e c t r o m o t o r ；h y d r a u l i cs y s t e m i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：王些g ! 笾送装置鲍盟剑 作者签名：盘型芝日期：型监年业月丝日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：幽年月j l 日 日期：兰笪年二兰月生日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出 这套叶片传送装置是为了配合我厂对各型号发动机的各种叶片进行检测所配套设 计的，由于叶片检测的特殊性检测叶片所需射线对人体有害! 操作人员需远离检测 区域，同时要对检测叶片进行实时监控及自动化操作。以往我厂对叶片铸造质量优劣进 行射线检测的控制方法不甚科学，容易造成检测射线的污染，对操作人员的身体健康造 成影响。为提高叶片检测的效率，同时增强现场人员的操作安全性，我们设计并制造了 这样一套具有高度自动化，可远距操纵的装置配合工作。提高了叶片检测的效率，增强 了操作人员的安全性。本课题所研究的这套叶片传送装置具有很高的自动化程度，并且 已经投入生产使用，实践证明：该装置可以高效精确的对叶片进行检测，同时对检测下 面分几部分对该套装置进行介绍 1 2 国内外研究现状 目前国际上的自动化传送装置已经发展的极为成熟，在各大知名制造业的流水线上 使用的都是各式各样的传送装置。包括：冶金业，制造业，矿业，i t 行业，纺织业等等 行业中，传送装置起到了相当巨大的作用。使用合适的传送装置会大大提高工厂的生产 或检测效率，并且伴随着这种高度自动化设备的广泛使用，人力资源得到解放，降低了 企业的成本。国内外各传送装置有着同样的几个共性： ( 1 ) 都具备一套或几套控制系统。以控制系统为核心对传送装置进行综合操控，配 合高精度机械手臂或自动化机器人或各种检测设备对成品或半成品进行检测或再加工。 ( 2 ) 都具有一整套的监测传感器。通过各种传感器，对位移，压力，流量，温度， 速度等数据进行检测，将监测到的原始信号变送为可供计算机或控制系统识别的数字或 模拟量信号，再将得到的信号交由控制系统或上位机进行分析处理。 ( 3 ) 都具有传动或动力装置。如：电动机，油泵等。随着科学技术的发展，制造精 度的提高，各生产厂商制造的控制器，传感器等设备的性能越来越高，传送装置的控制 精度，传送效率必将得到进一步提高。 目前上位工控机也广泛使用到了传送装置的控制系统中，利用上位工控机强大的处 理能力，可以实现复杂的算法，便于控制动作的可操作性。利用高级语言编制程序，省 时省力，且便于维护调试。对现场工作情况可做数据记录，在需要时调历史数据库进行 数据查询，方便回查，有利于编制更科学的工艺过程。使用组态软件编制现场工作动画， 使操作者更直观更快捷的了解现场实时工作情况。 工业c t 传送装置的研制 1 3 论文的主要研究内容 论文主要分为五个部分对课题进行阐述。 第一部分讲述了课题的提出、研究目的和国内外现状的发展。 第二部分介绍了传送装置控制系统的设计，包括机械系统、电气控制系统和上位机 组态监控系统三个部分。 第三章介绍了电气控制系统部分组成和设计原理。详细说明了p l c 控制系统，变 频器调速系统和触摸屏远距操作系统。 第四章介绍了机械系统的设计。包括传感器部分，传送带及各电机，液压控制部分。 第五章阐述了上位机组态监控系统的原理和应用。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 控制系统概述 2 1 控制系统简介 这套叶片传送装置共分为机械系统，电气控制系统，上位机组态监控系统三大部分。 电气控制系统包括：1 p l c 控制系统。2 变频器调速系统。3 触摸屏远距操作系统。机 械系统包括：1 传感器部分。2 传送带及各电机。3 液压控制部分。上位机组态监控系 统包括：1 上位工业控制计算机。2 组态监测系统。 i 触摸屏操作系硎e 位加钼态系统 变频器讽速系硎 传送带电栅系硎 、 图2 1 装置原理框图 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l ec h a r to fe q u i p m e n t 图2 1 是该装置原理框图，该系统的核心部分由p l c 控制系统构成。之所以选择 p l c ，是因为它是由单片机构成的中央处理器，可靠性强，对软硬件进行抗干扰的设计， 适用于各种恶劣的工业环境。过去的逻辑电路一般采用继电器系统，体积大，耗电多， 可靠性低是它的缺点。并且灵活性不强，当需要更改生产程序时，费时费力。p l c 系统 与其相比，更改生产工艺相当方便，适用于情况复杂的生产现场。 囤 工业c t 传送装置的研制 远程控制采用触摸屏控制系统，设备与触摸屏只需根数据通讯电缆联接，设备在 充满射线的空间工作，操作人员和触摸屏在另一个安全的空间对设备进行操作。在这里， 触摸屏相当于以往传统电气控制系统里的面板，操作按钮及指示灯等电气元件，同时可 以对各部分可动作部分进行动作检查，确定各部分是否可以正常运行。 变频器调速系统【lj ：变频器对电机的调速是通过调整其输出频率来实现的，而变频 器输出何种频率是由p l c 的相应触点组合动作直接给定的。当变频器输出频率改变时， 相应的由变频器所控制的电机的速度随之改变，以达到配合传送带工作的目的f 2 1 。 上位机工控组态监测系统：安装于上位工控机的组态软件与p l c 保持通讯，对p l c 内部各寄存器状态进行监测，存储，同时生成历史数据报表，以备后期查询。利用组态 软件的动画功能，模拟现场工作情况，使操作人员对现场工作情况有更直观地了解。同 时上位工控组态监测系统还肩负着与工业c t 系统通讯的任务，当工业c t 系统监测到 叶片托盘停留在指定检测位置时，将按照既定的程序对托盘里的叶片进行检测。 传感器部分：传感器部分主要由光电开关和接近开关组成。它们相当于人体的视觉 和触觉系统，所起的作用一个是对载满叶片的托盘监测其动作进程，而另一个则是对液 压挡板动作是否到位进行判断。通过传感器检测所得的信号，回馈给p l c ，再由所编制 程序调整各系统协调动作。 传送带及各电机以及供油泵部分：传送带部分包括皮带，传送平台，电动滚筒等部 分组成；各电机的工作则起到负责带动电动滚筒从而使整个传送带运转的作用。供油泵 部分则提供整个系统的液压压力，使定位杆和定位挡获得足够的压力，使其能够运动到 相应的位置上。 2 2 传送装置基本动作 如图2 2 所示，传送带由6 个电机分别带动两个弯传送带，一个直传送带，一个检 测带，两个电动辊这六部分作顺时针转动。叶片托盘放置在传送带上，随之转动。三对 光电开关监测托盘走向，及时回馈信号给p l c ，控制电机速度和挡板动作。左、右定位 挡和检测区的一对定位杆起到对叶片托盘定位的作用，使托盘正好停在检测区或电动辊 上。叶片在检测区接受射线的检测。 传送带工作时序：以检测三个托盘举例，初始状态右定位挡，左定位挡下降，定位 杆举起，以不妨碍叶片托盘的初始运行。当上料完毕后( 即托盘已经在传送带上开始依 次进行射线检测，上料在电动辊2 进行) ，传送带工作四块皮带，两个电动辊同时 以0 1 m s 动作，托盘1 ，托盘2 ，托盘3 经传送带2 ，传送带3 ，传送带4 顺时针运行到 达电动辊1 。托盘1 经过电动辊1 ，右定位档不动作，托盘1 到达检测区时，位于检测 大连理工大学专业学位硕士学位论文 区的光电开关检测到托盘1 ，回馈信号到p l c ，由p l c 控制变频器调整电机1 ( 检测带) 使检测传送带速度由o 1 m s 降至0 0 3 m s ，再经过一段时间延时定位杆放下，电机1 ( 检 测带) 停转，托盘1 在检测区接受射线检测。与此同时，紧随托盘1 的托盘2 在经过电 动辊1 时，位于电动辊1 的光电开关检测到托盘2 ，回馈信号到p l c ，由p l c 控制变频 器调整电动辊1 的速度由0 1 m s 降至0 0 3 m s ，经一段时间延时右定位档升起，将托盘 2 挡在电动辊1 处，同时电动辊1 ，传送带2 ，传送带3 ，传送带4 停转。即此时托盘1 在检测区接受检测，托盘2 停在电动辊1 处，托盘3 停在传送带4 上，六个电机只有电 动辊2 仍以0 1 m s 速度运行。 传送 传送带运行方向 图2 2 传送带动作简图 f i g 2 2t r a n s p o r t a t i o ns t r a pm o v e m e n tc h a r t 当托盘1 检测完毕，定位杆举起，右定位档下降，电机1 ( 检测带) ，电动辊1 ， 传送带2 ，传送带3 ，传送带4 ，同时以0 1 m m s 的速度运行。托盘1 离开检测区到达电 动辊2 ，位于电动辊2 光电开关检测到托盘1 ，回馈信号到p l c ，由p l c 控制变频器调 整电动辊2 使电动辊2 速度由0 1 m m s 降至0 0 3 m s ，再经过一段时间延时左定位档升 起，电动辊2 停转，托盘1 停在电动辊2 处。同时托盘2 离开电动辊1 处到达检测区。 位于检测区的光电开关检测到托盘2 ，回馈信号到p l c ，由p l c 控制变频器调整电机1 ( 检测带) 使检测传送带速度由0 1 m s 降至0 0 3 r n s ，再经过一段时间延时定位杆放下， 电机1 ( 检测带) 停转，托盘2 在检测区接受射线检测。同时托盘3 由传送带4 上到达 电动辊1 处，位于电动辊1 的光电开关检测到托盘3 ，回馈信号到p l c ，由p l c 控制变 工业c t 传送装置的研制 频器调整电动辊1 的速度由1 0 0 m m s 降至3 0 m m s ，再经过一段时间延时右定位档升起， 电动辊1 ，传送带2 ，传送带3 ，传送带4 停转，托盘3 停在电动辊1 上。 以上述顺序，托盘2 检测完毕后，定位杆举起，右定位档下降，左定位档下降，电 机1 ( 检测带) ，电动辊1 ，传送带2 ，传送带3 ，传送带4 ，同时以1 0 0 m m s 的速度运 行。托盘l 离开电动辊2 ，到达传送带2 上。托盘2 离开检测区，到达电动辊2 。托盘3 进入检测区接受检测。详细步骤同上一段。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 电气控制系统 3 1可编程控制器( p l c ) 系统 3 1 1 可编程控制器( p k c ) 的发展概述 1 9 6 9 年，在美国出现了第一台可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r - p l c ) 以来，经过3 0 多年的发展，现在已经成为一种最重要，高可 靠性，应用场合最多的工业控制微型计算机。它应用大规模集成电路，微型机技术和通 信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型，小型，中型，大型，超大型等各种 规格的p l c 系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领 域。可编程逻辑控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱【3 】。 初期的p l c 只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。随着微电子技术的发 展，p l c 以微处理器为核心【4 j ，适用于开关量，模拟量和数字量的控制，它已进入过程 控制和位置控制等场合的控制领域。目前，可编程控制器既保留了可编程逻辑控制器的 所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统，过程仪表控制 系统，离散系统，分散系统等。在许多场合，可编程控制器可以构成各种综合控制系统， 例如构成逻辑控制系统，过程控制系统，数据采集和控制系统，图形工作站等等。 1 9 8 7 年2 月，国际电工委员会( i e c ) 对可编程控制器的定义是：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设计，它采用一类可编程序的存 储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等面向 用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程 控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展功能的原 则来设计”j 。 3 1 2 可编程控制器( p l o ) 的技术特点及构成 ( 1 ) 可编程控制器的技术特点： 可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个p l c 生产厂都将可 靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措 施，使p l c 的平均无故障时间达到3 0 万h 以上，使用寿命长。 控制功能强。p l c 具有逻辑判断，计数，定时，步进，跳转，移位，记忆，四 则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制，逻辑控制，位置控制和过程控制。 工业c t 传送装置的研制 编程方便，易于使用。p l c 采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观， 易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。p l c 可取代原继电器控制 系统，有利于对老设备的技术改造。 适用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。 具有各种接口，与外部设备联接非常方便。 采用积木式结构或模块式结构，具有较大的灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。 维修方便。p l c 上有i o 指示灯( l e d ) ，那个i o 元件有故障，一目了然。 根据生产工艺要求或现场情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线， 灵活性大，适应性强。 ( 2 ) 可编程控制器的基本构成： 单片机，包括一台计算机所必需的部件：中央处理器( c p u ) ，存储器( r a m 和 r o m ，e p r o m 或e e p r o m ) ，并行接口( p i o ) ，串行接口( s i o ) ，时钟( c t c ) 。单片 机对整个p l c 的工作进行控制。 输入输出 接口电路，分为开关量，模拟量和数字量。所有输入输出信号都经过光 耦合器或继电器。输入信号一般有两种形式：直流输入和交流输入。输出信号有三种形 式：继电器输出型，晶体管输出型和晶闸管输出型。 稳压电源，供应p l c 内部输入电源，有的p l c 还能供应外部输出电源，方便用 户。 配置有扩展接口，存储器接口，通信接口和编程器接口。 各种智能模块。 编程器。 3 1 3可编程控制器( p l c ) 的应用及发展趋势 近年来，随着大规模集成电路的发展，以微处理机为核心而组成的p l c 也得到了 迅速的发展。p l c 的应用范围非常广泛，在现代化生产过程中，从继电器控制系统到过 程控制系统都可以使用p l c ，实现自动化控制，提高产品质量和数量。p l c 在矿山，冶 金，钢铁，石油，化工，锅炉，机械，机床，电力，电子等单机设备和生产自动线上， 都有许多成功的应用先例。p l c 可以与计算机组成功能更强的分布式控制系统 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m - d c s ) 。 p l c 作为一种通用的工业控制器，适用于一切工业领域。也可以说，凡是使用继电 器控制盘的场合，或兼有p i d 调节的场合，都可以选用p l c 。 可编程控制器的发展趋势： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 编程组态软件图形化。对于简单的控制系统，用梯形图比较直观方便，但对于 复杂的控制系统，就显得麻烦和费时，容易出差错。因此，逐步发展出许多新的编程语 言。例如：有面向功能块的流程图语言，与计算机兼容的高级语言，p l c 专用的高级语 言，布尔逻辑语言等。 输入输出模块智能化和专用化。本身具有c p u ，能独立工作，可与p l c 主机并 行操作，在可靠性，适应性，扫描速度和控制精度等方面都对p l c 作了补充。 网络通信功能标准化。由于可用p l c 构成网络，因此，各种个人计算机，图形 工作站，小型机等都可以作为p l c 的监控主机和工作站，能够提供屏幕显示，数据采 集，纪录保持和新机打印等功能。 制技术冗余化。采用双处理器或多处理器，一个处理器作为主c p u ，其它处理 器作为备用c p u ，同时通电运行，执行同一套控制程序。一旦主c p u 有故障，由操作 系统转换至备用c p u 继续运行，增加控制系统的可靠性。 机电一体化。是机械，电子和信息技术的结合，所开发的产品是由机械本体， p l c 等微电子装置，传感器和执行机构所组成。p l c 采用微型化电子元器件，可靠性高， 功能强，体积小，重量轻，结构紧凑，容易实现“机电一体化”。这是p l c 发展的重要方 向。 控制与管理功能一体化。在一台控制器上同时实现控制功能和信息处理功能。 p l c 产品广泛采用计算机信息处理技术，网络通信技术和图形显示技术，使得p l c 系 统的生产控制功能和信息管理功能融为一体，进一步提高p l c 产品的功能，更好的满 足了现代化大生产的控制与管理的需要。 本项目采用了o m r o n 公司的c j l m 系列可编程控制器。该款机型基本指令执行时 间0 0 4 j _ t s ，完全可以满足现场工作条件。通过与触摸屏操作面板的衔接，控制传送装置 各部件的动作；通过各光电开关，接近开关对待检测物进行动作判定，发出信号控制变 频装置调节电机转速，高效的对待检测物进行检测。同时通过通信电缆与上位机通讯， 由上位机的组态软件对现场工作状态进行进一步操作。 3 2 变频器部分 目前交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流，这里所说的交流调速传动 主要是指电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除变频以外的另一些简单的 调速方案，例如变极调速，定子调压调速，转差离合器调速等，虽然在一些特定场合有 定的应用，但由于性能较差，终将会被变频调速取代。 工业c t 传送装置的研制 在以前一个很长的时期，调速传动基本上是直流电动机调速系统。直流电动机虽有 调速性能好的优越，但也有一些固有的难以克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊 端。其缺点是：维修工作量大，事故率高；容量，电压，电流和转速的上限值，均受到 换向条件的制约，在一些大容量，特大容量的调速领域中无法应用；使用环境受限，特 别是在易燃易爆场合难以应用。而交流电动机有一些固有的优点：容量，电压，电流和 转速的上限值，不像直流电动机那样受限制；结构简单，造价低；坚固耐用，事故率低， 容易维护。 在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳 定性好，运行效率高。 3 2 1 变频调速的基本控制方式 异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为： n 1 = 6 0 f n 。 ( 3 1 ) 其中，r h 同步转速( r m i n ) ；石电源频率( h z ) ；r p 一磁极对数。 而异步电动机的轴转速为 门= 惕( 1 一s ) = 6 0 f ( 1 - s ) 】，2 。 ( 3 2 ) 其中，s 一异步电动机的转差率，s = ( r h 一玎) r h 。 改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。 对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保证额定值不变。磁通太弱， 铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强， 则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不 过热，负载能力也要下降。异步电动机的气隙磁通( 主磁通) 是定，转子合成磁动势产 生的。 由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为 e = 4 4 4 f 1 丸 ( 3 3 ) 其中，e 定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值( v ) ；石定子频 率( h z ) ；1 定子相绕组有效匝数；丸一每极磁通量( w b ) 。 由上式可见，丸的值是由e 和石共同决定的，对巨和z 进行适当的控制，就可以 使气隙磁通丸保持额定值不变。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 2 2 变频器的基本构成及控制方式 变频器分为交交，交直交两种形式。这里主要介绍我们在本课题中使用的交直 交变频器。 变频器的基本构成如图3 1 ，由主电路( 包括整流器，中间直流环节，逆变器) 和 控制电路组成。 网侧变流器中间直流环节负载侧变流器 图3 1变频器的基本构成 f i g 3 1 b a s i cs t r u c t u r eo ft r a n s d u c e r 整流器：电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相( 也可以是单相) 交流电整 流成直流电。 逆变器：负载侧的变流器为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器 件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任 意频率的三相交流电的输出。 中间直流环节：由于逆变器的负载是异步三相电机，属于感性负载。无论电动机处 于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1 。因此，在中间直流环节和电动机之间 总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件( 电容器或电抗器) 来缓冲。 7 业c 7 恃逆装置的矾审 控制电路常m 五算电路，检测电路，控制信号的输入，输出电路和骄动 电路等构成。其主耍任务足完成列逆变器的开关控制，列整流器的电压控制以及完成各 画 画 画 画 囤 【| 圈”! _ i 。c 圃 嘲 嘲 圄+ 画 闺3 2 面包扳和按针l 功能简表 f i g3 二b r e a db o a r da n di e n c l i o nt a b l eo f b u r i o n s 犬连理l 。大学专业学位硕士学位论文 这敬传送带电路的设计中，所选用的是西门子公司的m i c r o m a s t e r 4 4 0 的a 型 变频器。由随机所配的b o p ( b a s i co p e r a t i o np a i l e i 卜一基本操作板，进行参数设定。图 32 是b o p 的面板图和各按钮的功能简表 通过b o p 可以设定下列一些参数：用户访问级，变频器的应用对象，电动机的类 型，额定电动机电压，电动机的额定电流，电动机的额定功率，额定功奎因数额定效 率，额定速度，冷却方式，电动机的最大和最小频率，斜坡e 升和下降时间，控制方式， 等等有关一些的初始设定。 圈3 3 变频器方框幽 f i g33 t h ep r i n c i p l ec h a r lo f t r a n s d u c e r 工业c t 传送装置的研制 图3 3 为本次设计所用变频器的方框图。其中d i n l ( 5 引脚) 被设定为电机正向运 行，d i n 2 ( 6 引脚) 被设定为电机反向运行，d i n 3 ( 7 引脚) ，d i n 4 ( 8 引脚) 为两个 设定频率，由p l c 来调节它们的组合，达到改变输出频率，达到控制电机转速的目的。 d c + 和d c 一连接的是制动电阻r ，起到消耗变频器制动所产生热量的作用。 3 3 触摸屏部分 3 ，3 1触摸屏简介及主要特点 触模式工业图形显示器( 触摸屏) 是一种连接人类和机器( 重要为p l c ) 的人机界 面( 国外称为h m i 或m m i ) ，被称为p l c 的脸面。它是替代传统控制面板和键盘的智 能化操作显示器。可用于参数设置，数据显示，以曲线，动画等形式描绘自动化控制过 程，并可简化p l c 的控制程序。与模拟仪表相比具有两点优势： ( 1 ) 体积变小，几乎不占空间。 ( 2 ) 连线简单化。 触摸屏主要功能： ( 1 ) 以动画形式表现控制过程，可实现工况图，流程图； ( 2 ) 离散点的o n o f f 表示，可实现管道，筏门，指示灯的颜色变化，电气开关铡 刀的开合，挡板的开关，多选一开关的实现等； ( 3 ) 参数设置，数据显示，可设计数据表格，制作操作面板的防真图像； ( 4 ) 各种报警动作； ( 5 ) 可连c c t v 监视头，显示现场实时信息。 3 3 2 触摸屏的通讯方式 通过g p 系列触摸屏的串行通讯口可以与p l c 相连接，这种连接称为直接连接。又 可与具有串行通讯口的智能设备如计算机，单片机，单板机等连接，这种连接称之为存 储器连接。 ( 1 ) 直接连接( d i r e c tl i n k ) ： 与p l c 通讯时选择的方式为g p 的主要工作方式。在该方式下，g p 根据画面显示 的要求，直接读入p l c 的数据或直接把数据写入p l c 中，而且这种通讯是自动进行的， 无须编制专门的通讯程序，大大缩短p l c 用户程序的负担。 在开始做画时，选择相应的p l c 机种，即选择相应的通讯协议；在生成各部品， t a g 要素时，直接指定其对应的p l c 输入输出( i o ) ，寄存器地址；运行时，触摸屏 大连理工大学专业学位硕士学位论文 会自动与p l c 交换信息，直接读取或改写p l c 相应地址的内容，并据此改变画面的显 示内容，同时通过触摸屏的触摸操作，可向p l c 输入数据。 在直接连接的通讯方式下，触摸屏总是处于主局地位。这种连接一般情况下是一对 一的连接；对于某些厂家的p l c ，则可实现多对一的连接，即可在一台p l c 的一个通 讯口上连接最多达1 6 台触摸屏。 在本次项目中，我们所使用的就是触摸屏与p l c 的直接连接这种方式。 ( 2 ) 存储器连接( m e m o 巧l i n k ) ： 当要用触摸屏与计算机，单片机，单板机等没有对应协议的设备进行通讯时，可使 用这种通讯方式。这时需要在计算机上使用固定的协议，编制相应的通讯程序。 这种通讯连接可以是一对一的基本模式，在此模式下主计算机只能执行对触摸屏数 据存储区( 系统区) 的读写；也可以是主计算机既能读写系统区，又能执行画图功能的 扩充模式，在扩充模式下的连接，既可以是一对一的，又可以是一对多的。无论是那种 模式下，触摸屏总是处于子局的地位。在本课题中，我们没有采用这种通讯方式使上位 工控机与触摸屏进行连接，而是通过上位机的串行口与p l c 的通讯口进行通讯，直接 调用p l c 内部寄存器的数据，省却了需要在计算机上使用固定的协议，编制相应的通 讯程序的繁琐。详细情况将在后面进行叙述。 在触摸屏中，除了拥有用于存放画面数据的画面存储器外，还有一定空间的用户数 据寄存器区，该区域在直接连接方式下称为l s 区。在直接连接方式下，在p l c 上也占 有相同大小的数据区作为与触膜屏通讯的系统区使用。其对应关系如图3 4 ： 触摸屏l s 区p l c 寄存器区 图3 4l s 区和p l c 寄存器区的对应关系 f i g 3 4 c o n n e c t i o nb e t w e e nl sa n dp l cr e g i s t e r 工业c t 传j 兰装置的研制 系统数据区：用于存放显示的画面号，同历时钟，触膜屏状态，切换画面号等基本 数据，是触膜屏与p l c 交换数据的基础，通过改变系统数据区某些字的值，可完成画 面切换，屏幕打印蜂呜器，显示控制，全局窗口控制等基本动作。 虞出区：存放作用于所有画面的公其数据，用折线匿表示一组数据的关系，以及要 存放视频控制数据时，要设定读出区。 用户区：用于存放触膜屏自用的数据，触膜屏内部的用于控制部品和t a g 动作的 数据等。 特殊线圈区：当触膜屏与p l c 进行通讯时，在这个区设置各种状态信息。 本次传送带的设计所使用的是日本d i g i t a l 公司的g p 系列触膜屏。所使用的画 面编辑软件是g p p r o p b 3f o rw i n 9 5 ，编制了“手动方式”“自动方式”“信息显示” “时间设定”“参数设定帮助”等几个界面。下面列出“手动方式”和“自动方式两个画面。 “手动方式”：主要负责列叶片传送装景各动作部件进行测试，在传送带正式工作运 行之前，需要进八“手动方式”画面，对各逗动部什如：电动辊1 ，电动辊2 ，弯传送带， 直传送带的正转反转；左定档，右定档，定位杆的上升下降进行动作检查，确保动作的 连续顺畅。对发现的动作故障进行及时维修。如图35 图35 手动方式画面 f i g35 m a n u a lm o d em e n u 大连理t a 学专业学位硕士学位论文 “自动力式”：在这种方式下，既当系统接收到上位机发出的指令后，自动运行既定 程序，对各个叶片托盘进行检测工作。在浚界面中，可以设定所放置叶片托盘数量，同 时对总的检测时问进行计时。与此同时还可以对各动作部件的具体动作进 亍指示。如图 3 6 图36 自动方式界面 f 培36a m o m a t i cr n o d em e n u “参数设定”：如图37 所示，在“参数设定”界面中，可以对左，右定档，定位杆， 电动辊1 ，电动辊2 的动作时间进行设定。其实质是对p i ，c 内部定时器设定值进行更改。 通过改变触摸屏内部与之对应的寄存器所存放的数值，米达到更改时间问隔的目的。 工业c t 传送装萱自研制 图37 参数设定界【f f i g37 p a r a m e t e rs e t u p m e n u 34 电气系统设计 以上三部分组成了电气系统的绝大音| ：分，图38 为陔项目电气控制总图的一部份。 电气系统的设计应取决于负载功率的大小，根据流经负载额定电流的大小决定控制电气 回路各电气元件技术参数的选择。如断路器，接触器，热过载继电嚣，熔断器，包括电 线屯缆的选择。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 传癣器电辑触攘屏电弹p l c 电i电碓阍电濠插座a q 2 0 v 图3 8 电气控制总图 f i g 3 8 e l e c t r i cc o n t r o lc h a r t 本项目的电气设计属于对低压电器的电气设计范畴。低压电器是指工作于交流频率 5 0 h z 或6 0 h z 、额定交流电压1 2 0 0 v 及以下、或直流额定电压1 5 0 0 v 及以下，在配电电 路中起控制、保护和通断作用的电器【6 1 。 ( 1 ) 低压电气设计技术参数： 额定电压：开关正常工作时的电压。 额定电流：在规定条件下，可以长期通过的额定电流。 额定断开电流：在规定条件下能正常开断的电流。 负载分类： a c 1 负载：无感或微感负载，电阻炉。 a c 2 负载：绕线式电动机的起动、分断。 a c 3 负载：鼠笼型异步电动机的起动、运转中分断。 a c 一4 负载：鼠笼型异步电动机的起动、反接制动与反向、点动。 本项目中的p l c 等用电器属于a c l 负载既电阻型负载；电动机，电动辊属于a c 2 负载既电感型负载，在计算额定电流是应加入功率因数这一参数。 氐、一 帮 _ ， 一 r一1j1fliiiifl_i 工业c t 传送装置的研制 ( 2 ) 电气设计中常用的几种电气远见元件【7 】 断路器： 又称自动开关，用途是接通、承载、以及分断正常电路的电流，也能在规定非正常 电路( 例如短路) 条件下接通、承载一定时间和分断规定的电流。 特点：可以带负荷操作。 选择：根据额定电压，额定电流，开断电流的大小进行选择。 断路器的选择，应注意其”瞬时脱扣”特性曲线与电机启动时的冲击电流相配合。经 验公式是电机启动冲击电流= 电机额定电流7 。在选择断路器时应该格外注意其瞬时电 流的选择。使断路器既能起到分断电路的作用，又起到对电机保护的作用【8 1 。 隔离开关： 主要用途是隔离电源。 特点：不可以带负荷操作。 选择：根据额定电压，额定电流的大小进行选择。 熔断器： 主要用途是短路保护，使用时，它串联在被保护的电路中，在出现故障电流的情况 下，以其本身产生的热量使熔体受热而熔化，将电路切断实现保护9 1 。 选择：对于单台笼型异步电动机，不经常起动或起动时间不长的熔体额定电流 i , e = l ( 2 5 3 ) a 。 ( 3 1 ) 在起动时间长或经常起动的场合下t = 厶( 1 6 2 ) a 。 ( 3 2 ) 对于多台笼型电动机t = ( 1 5 2 5 ) i d m 。+ la 。 ( 3 3 ) 厶一电动机的起动电流 l m 缸一容量最大的一台电动机的起动电流 i d 其余各台电动机的起动电流之和 接触器： 用途：用于远距离频繁接通和分断交直流电路的电器。接触器的控制对象是电动机、 电加热器、照明、电焊机、电力变压器等负载。 选择： 控制电动机时的选用： 一般任务( 压缩机、泵、风机、电梯、搅拌机、空调机、冲床) 电动机：l 。 重任务( 升降设备、破碎机、离心机) 电动机：l k ，为了保证电寿命，可使接 触器降容1 2 级使用。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 特重任务( 印刷机、镗床、港口