（材料学专业论文）全自动粉丝挂杆机控制系统设计.pdf

摘要 随着可编程序控制器( p l c ) 技术的发展，由于其高可靠性、高性价比、广泛 的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，p l c 在工业自动控制过程中得到了越来 越广泛的应用。今天的可编程控制器正在成为工业控制的主流控制设备，在世界各 地发挥着越来越大的作用。 论文中对p l c 的定义，硬件结构、软件及工作原理做了详细介绍，由于系统 采用日本三菱公司生产的f x l n - - 4 0 m r 型p l c 进行控制，所以对f x 系列可编程 控制器及其基本指令也作了详细介绍。 本论文研究的主要内容是如何利用p l c 和触摸式h m i 解决粉丝挂杆机控制系 统的自动控制问题。粉丝挂杆自动控制系统改变了传统的制约粉丝生产效率和质量 的手工操作工序，改变了粉丝挂杆和粉丝冷冻相分离的生产状况，实现了该工序的 自动化生产以及和下道工序的连续化生产。在对粉丝挂杆机系统的结构及控制原理 进行分析的基础上，详细阐述了该控制系统基于p l c 和触摸式h m i 硬件和软件的设 计，重点介绍了f x 系列可编程控制器的编程元件及梯形图的编制规则；成功地完 成了p l c 对该控制系统的自动控制。不但对粉丝生产行业在粉丝挂杆自动控制领 域的发展起到了重要的推动作用，而且显著提高了产品内在品质，劳动强度降低， 生产效率提高，有较高实用和推广价值。 关键词：可编程控制器；自动控制；梯形图；人机界面 a b s t r a c t a l o n gw i t hp r o g r a m m a b l ec o h t r o l l e r ( p l c ) t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，b e c a u s ei t s r e d u n d a n tr e l i a b l e ，t h eh i g hp e r f o r m a n c e t o p r i c er a t i o ，t h ew i d e s p r e a di n d u s t r ys c e n e c o m p a t i b i l i t ya n dt h ec o n v e n i e n c ec r a f te x p a n s i o np e r f o r m a n c e p l co b t a i n e dt h em o r e a n dm o r ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r ya u t o m a t i cc o n t r o lp r o c e s s t h et o d a y p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ri sb e c o m i n gt h ei n d u s t r yc o n t r o lt h em a i n s t r e a mc o n t r o ld e v i c e ， i sp l a y i n gt h em o r ea n dm o r em a j o rr o l ei nw o r l de a c hp l a c e i nt h ep a p e rt op l ct h e d e f i n i t i o n ，t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，t h es o f t w a r ea n dt h ep r i n c i p l eo fw o r kh a sm a d et h e d e t a i l e di n t r o d u c t i o n b e c a u s et h es y s t e mu s e sf x l n 4 0 m rp l cw h i c hj a p a nm i t s u b i s h i c o r p o r a t i o np r o d u c e st oc a r r yo nt h ec o n t r o l ，t h e r e f o r eh a sa l s om a d et h ed e t a i l e d i n t r o d u c t i o nt ot h ef xs e r i e sp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra n dt h ee l e m e n t a r yi n s t r u c t i o n h o wd o e st h ep r e s e n tp a p e rr e s e a r c hp r i m a r yc o v e r a g ei sh a n gt h ep o l em a c h i n ec o n t r o l s y s t e mu s i n gp l ca n dt h et o u c h i n gt y p eh m is o l u t i o nb e a no rs w e e tp o t a t os t a r c h n o o d l e st h ec o n t r o lq u e s t i o n 1 f l l eb e a no rs w e e tp o t a t os t a r c hn o o d l e sh u n gt h ep o l e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt oc h a n g et h et r a d i t i o n a lr e s t r i c t i o nb e a no rs w e e tp o t a t os t a r c h n o o d l e sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h eq u a l i t ym a n u a lo p e r a t i o nw o r k i n gp r o c e d u r e ， c h a n g e dt h eb e a no rs w e e tp o t a t os t a r c hn o o d l e st oh a n gt h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o nw h i c h t h ep o l ea n dt h eb e a no rs w e e tp o t a t os t a r c hn o o d l e sf r o z es e p a r a t e ，h a sr e a l i z e dt h i s w o r k i n gp r o c e d u r ea u t o m a t e dp r o d u c t i o na sw e l la sw i t ht h ee v i lw a y sw o r k i n gp r o c e d u r e c o n t i n u o u sp r o d u c t i o n i nh a n g st h ep o l em a c h i n es y s t e mt ot h eb e a no rs w e e tp o t a t o s t a r c hn o o d l e st h es t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o lp r i n c i p l ec a r r i e so nt h ea n a l y s i si nt h e f o u n d a t i o n e l a b o r a t e di nd e t a i lt h i sc o n t r o ls y s t e mb a s e do np l ca n dt h et o u c h i n gt y p e h m ih a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g n w i t he m p h a s i si n t r o d u c e dt h ef xs e r i e s p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rp r o g r a m m i n gp a r ta n dt h et r a p e z o i d a lc h a r te s t a b l i s h m e n tr u l e ； h a sc o m p l e t e dp l cs u c c e s s f u l l yt ot h i sc o n t r o ls y s t e ma u t o m a t i cc o n t r 0 1 n o to n l yh u n g t h ep o l ea u t o m a t i cc o n t r o ld o m a i nt ot h eb e a no rs w e e tp o t a t os t a r c hn o o d l e sp r o d u c t i o n p r o f e s s i o ni nt h eb e a no rs w e e tp o t a t os t a r c hn o o d l e st h ed e v e l o p m e n ti m p o r t a n ti m p e t u s f u n c t i o n ，m o r e o v e ro b v i o u s l ye n h a n c e dt h ep r o d u c ti n t r i n s i cq u a l i t y , t h el a b o ri n t e n s i t y r e d u c e d ，t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ye n h a n c e d ，h a sh i 曲p r a c t i c a la n dt h ep r o m o t e dv a l u e k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ；a u t o m a t i cc o n t r o l ；t r a p e z o i d a lc h a r t ； m a n m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c e 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：侨幂日期：乡矿年月漏 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密因 ( 请在以上：1 i 框内打“4 ) 论文作者签名：彳尿患万日期：力舡月沙日 导师签名：砍都、 嗍棚日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 6 1 引言 引言 粉丝又名粉条，还有的叫凉粉、冬粉等。”龙口粉丝”历史悠久，早在春秋战 国时期，齐国军事家孙膑为适应军旅作战之需；首先调制出了粉丝。粉丝是我国的 传统美食，“龙口粉丝 以其洁白透明，丝条细匀，口感滑爽，久煮不化，蜚声中外。 从唐朝开始，我国的龙口粉丝就远销日本、韩国、香港等地。 招远是龙口粉丝的发源地和主要主产地，素有“银丝之乡”的美誉。目前全市 共有粉丝生产企业9 7 家，年产量近“3 0 万吨”，近一半出口，产品远销亚洲和欧美， 万吨以上的骨干企业有1 0 家。招远粉丝生产量占全国粉丝生产总量的7 5 ，但其生 产大多处于半机械化生产状态，尤其在某些关键工序，仍然是手工操作，这严重制 约着粉丝经济的飞速发展。其中粉丝挂杆工序一直是一道制约粉丝生产效率和质量 的瓶颈工序。其程序就是将生产出来的源源不断的粉丝挂到杆上，然后送到冷冻箱 冷冻。 利用p l c 和触摸式h m i 控制技术，我们研制了全自动粉丝挂杆机控制系统，将 间断式、半自动化式的生产改变为全机械化、自动化生产，减去了手工操作部分， 增加了预处理、低温熟成的工艺环节，实现了挂杆和冷冻的自动化和连续化，从而 实现了制造工艺的现代化。该控制系统的研制成功，填补了我国在粉丝生产领域的 空白，显著提高了产品内在品质，劳动强度降低，生产效率提高。 青岛大学硕士学位论文 第章前言弟一旱刖苗 本章主要介绍了p l c 的发展过程；同时对p l c 的概念及特点作了描述。本章最 后提出本研究课题所要解决的问题。 1 1 、p l o 的历史及发展 在p l c 诞生之前，工业控制设备的主流品种是以继电器、接触器为主体的控制 装置。继电器、接触器是一些电磁开关。其结构是由励磁线圈、铁心磁路、触点等 部件组成。其中触点是接通或断开电路的部件，依励磁线圈通电前的状态又可分为 常开和常闭两种类型。线圈通电前呈断开状态的为常开触点，呈接通状态的为常闭 触点。同一只接触器或继电器常有多对常开、常闭触点。当励磁线圈通电，衔铁在 磁力作用下被铁心吸合时，常开触点接通，常闭触点断开，以完成电路连接的切换。 触点又分为主触点及辅助触点。用于主回路，控制较大电流的触点是主触点。用于 控制电路，只能通过较小电流的触点称为辅助触点。通过继电器接触器及其它控制 元件的线路连接，可以实现一定的控制逻辑，从而实现生产设备的各种操作控制。 人们将由导线连接决定器件间逻辑关系的控制方式称为接线逻辑。 随着工业自动化程度的不断提高，使用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不 断暴露出来。首先是复杂的系统使用成百上千个各种各样的继电器，成千上万根导 线连接得密如蛛网。只要有一个继电器、一根导线出现故障，系统就不能正常工作， 这就大大降低了这种接线逻辑系统的可靠性1 。其次是这样的系统维修及改造很不 容易，特别是技术改造，当试图改变工作设备的工作过程以改善设备的功能时，人 们宁愿新生产一套控制设备也都不愿意将继电器控制柜中的线路重接。而在2 0 世纪 6 0 7 0 年代，社会的进步要求制造业生产出小批量、多品种、多规格、低成本、高 质量的产品以满足市场需要，不断地提出改善生产机械功能的要求。加上当时电子 技术已经有了一定的发展，于是人们开始寻求一种以存储逻辑代替接线逻辑的新型 工业控制设备一一这就是p l c 。 世界上公认的第一台p l c 是1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制的。限于当时一 的元件条件及计算机发展水平，早期的p l c 主要由分立元件和中小规模集成电路组 成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能乜1 。2 0 世纪7 0 年代初出现了微处理 器，人们很快将其引入可编程控制器，使p l c 增加了运算、数据传送及处理等功能， 成为真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工 程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语 言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。因而人们称可编程控 第一章前言 制器是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 2 0 世纪7 0 年代中期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全 面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、 更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、p i d 功能及极高的性价比奠定了它在现代 工业中的地位。2 0 世纪8 0 年代初，可编程控制器在先进工业国家中己获得了广泛 的应用。例如，在世晃第一台可编程控制器的诞生地美国，权威情报机构1 9 8 2 年统 计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的 8 2 ，可编程控制器的应用已位于众多的工业自控设备之首。这个时期可编程控制器 发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器己步 入成熟阶段。这个阶段的另一特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产 量日益上升。许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。如美国r o c w k e l l 自动 化公司所属的a b ( a 1 i n e b a r d i y e ) 公司，g e f n a u c 公司，日本的三菱公司和立 石公司，德国的西门子( s i e m e n s ) 公司，法国的t e ( t e l e m e c a n i q u e ) 公司等。他们的 产品已风行全世界，成为各国工业控制领域中的著名品牌。 2 0 世纪末期，可编程控制器的特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制 规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种 各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产 品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的 工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金 钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初 是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中 不断扩大了p l c 的应用。目前，我国自己己可以生产中小型可编程控制器。上海东 屋电气有限公司生产的c f 系列、杭州机床电器厂生产的d k k 及d 系列、大连组合机 床研究所生产的s 系列、苏州电子计算机厂生产的y z 系列等多种产品已具备了一定 规模并在工业产品中获得了应用。此外无锡华光公司、上海香岛公司等中外合资企 业也是我国比较著名的可编程控制器生产厂家。可以预期，随着我国四个现代化进 程的深入，可编程控制器在我国将有更广阔的应用天地。 1 2 、p l c 的定义 可编程控制器( p r o g r a m m o b l e c o n t r o l e r ) 简称p c ，个人计算机 ( p e r s o n a l c o m p u t e r ) 也简称p c ，为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程 控制器叫做p l c 。在1 9 8 7 年颁布的p l c 标准草案中对p l c 作了如下定义：。订 p l c 是一种专门为了在工业环境下应用而设计的数字运算操作装置。它采用可 2 青岛大学硕士学位论文 以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和 算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类型的机 械或生产过程。p l c 及有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、 易于扩展其功能的原则而设计。 定义中有以下几点值得注意： 一、可编程控制器是“数字运算操作的电子装置 ，它其中带有“可以编制程序 的存储器 ，可以进行“逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算 等工作。可 以设想可编程控制器具有计算机的基本特征，事实上，可编程控制器无论从内部构 造、功能及工作原理上看都是不折不扣的计算机。 二、可编程控制器是“为工业环境下应用而设计的计算机。工业环境和一般 的加工环境有较大的区别，p l c 具有特殊的构造，使它能在高粉尘、高噪音、强电 磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。为了能控制“机械或生产过程它又要 能“易与工业控制系统形成一个整体”。这些都是个人计算机不能做到的。可编程控 制器不是普通的计算机，它是一种工业现场用计算机。 三、可编程控制器能控制“各种类型 的工业设备及生产过程。它易于扩展其 功能，它的程序并不是不变的，而是根据控制对象的不同要求，让使用者可以编制 程序。也就是说，可编程控制器较其以前的工业控制计算机，如单片机工业控制系 统，具有更大的灵活性。它可以方便地应用在各种场合，它是一种通用的工业控制 计算机。 1 3 、p l c 的特点 l 、可靠性高，抗干扰能力强。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代化大规模集成电路技 术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的抗 干扰性。 2 、配套齐全，功能完善，适应性强。 p l c 发展到今天，已形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种 规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能外，现代p l c 大多具有完善的数据运算能 力，可用于各种数字控制领域。近年来，p l c 功能单元大量涌现，使p l c 渗透到了 位置控制、温度控制、c n c 等各种工业控制中。加上p l c 通讯能力的增强及人机界 面技术的发展，使p l c 组成各种系统非常容易。 3 、易学易用，深受工程人员欢迎。 p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编 程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路 3 第一章前言 图相接近，只用p l c 少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路功能。 为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开 了方便之门。4 1 嘲 ， ： 4 、系统的设计、建造工作量小，维护方便，改造容易。 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统 设计及建造的周期大大缩短了。同时，维护也变得容易起来。更重要的是使同一设 备通过改变程序改变生产过程成为可能。 5 、体积小，重量轻，能耗低。 以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺寸小于l o m m 见方，重量小于1 5 0 9 ， 功耗仅数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设 备。 1 4 、p l g 的应用领域 目前，p l c 在国内已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、 汽车、轻纺、交通、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类： 1 、开关量的逻辑控制 这是p l c 最基本最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、 顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控及自动化流水线 2 、模拟量控制 在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度 等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量( a n a l o g y ) 和数字 量( d i g t i a l ) 之间的a d 转换及d a 转换，p l c 厂家都生产配套的a d 和d a 转换模 块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3 、运动控制 p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用 开关量i 0 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动模块。如可 驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，世界上各主要p l c 厂家产品 几乎都有运动功能。 4 、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， p l c 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制，p i d 调节是一般闭环控制系统 中用得较多的调节方法，大中型p l c 都有p i d 模块，目前许多小型p l c 也具有p i d 功能晡1 。 权威人士预计，2 1 世纪，可编程控制器会有更大的发展。从技术上来看，计算 4 青岛大学硕士学位论文 机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计及制造上，会有运算速度更快、 存储容量更大、智能更强的品种出现。从产品规模上看，会进一步向超小型及超大 型方向发展。从产品的配套性上看j 产品的品种会更丰富、规格更齐备。完美的人 机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。从市场上看，各 国各自生产多品种的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断 国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言。这是有利于可编程技术的发展及可 编程产品普及的。从网络的发展情况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组 网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系 统( d i s t r i b u t e c o n t r 0 1 s y s t e m ) 已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的 发展，可编程控制器作为自动化控制网络或国际通用网络的重要组成部分，将在工 业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 1 5 、本文研究的课题 粉丝由蒸锅经链条传送带、p v c 传送带送到粉丝挂嘴。挂嘴组件在p l c 的控制 下，使挂嘴在横向和纵向两个方向按一定的速度比例运动，同时还要作摇摆运动。 因此这是一个多单元的电气控制、速度协调系统。各个环节间的电气拖动速度要求 严格配合。根据工艺流程，一般有以下关系：粉丝从锅炉出来后，需要在规定时间 内把粉丝切断，挂到粉丝挂杆上，然后安全平稳地由传送带送到冷冻箱中。只要其 中一个环节出现问题，就无法维持正常生产，即不能保证粉丝的细匀和品质，因此 设计该生产线对电气控制要求很高，必须保证各环节达到启动平稳、速度稳定。特 别是挂嘴沿杆作横向匀速往复运动；挂杆跟踪机构是在挂杆过程中，保证挂嘴与纵 向缓慢运动的粉丝杆保持同步；如果各环节配合失误，就会出现粉丝凝块，用力不 均，粉丝粗细不一，所以我们选用了p l c 控制整条生产线的启动、运行、停止、报 警及伺服电机的驱动；由于粉丝杆链条存在爬行现象，而且运行速度很慢，又要保 证电动机在低速运转情况下输出足够转矩。因此，驱动电动机的变频器采用日本三 菱公司的高性能磁通矢量控制变频器f r a 5 4 0 型，台车电动机和粉丝输送带电动机 变频器采用f r f 5 4 0 型进行往复运动和正反转控制。粉丝杆在链条的带动下缓慢运 动，将挂好的粉丝送入冷冻箱冷冻。本论文只对p l c 在粉丝生产线上的挂杆、换杆 等应用作描述。 本文研究的课题是要设计一套适用于粉丝挂杆生产线的自动控制系统。 ( 1 ) 该控制系统对可靠性提出很高的要求，应具有很强的抗干扰能力，能在恶劣 环境中可靠地工作，平均无故障时间高，故障修复时间短。 ( 2 ) 该系统应该操作简单，使用方便。 根据以上要求，我们选择了p l c 控制粉丝生产线的全自动挂杆、换杆、故障报 5 第一章前言 警、停车。 1 6 、本文的主要工作 本课题主要进行了如下工作： l 、查找和阅读了涉及p l c 的大量技术资料和e i c 标准。 2 、在选取p l c 时，在世界范围内对各p l c 生产厂家进行了对比。 3 、选用三菱f x 一4 0 m r 进行了硬件电路的设计、安装、软件设计编制梯形图进 行调试。 4 、使用三菱f x 一4 0 m r 实现了全自动粉丝挂杆机生产线的挂杆自动控制。 6 青岛大学硕士学位论文 第二章p l c 的硬件组成 2 1 、p l c 的硬件结构 世界各国生产的可编程控制器外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构 大体相同。主要由中央处理器( c p u ) 、存储器( r a i d 、r o t d ) 、输入输出器件( i o 接口) 、 电源及编程设备几大部分构成。p l c 硬件结构框图如图2 m l 所示。 图2 1p l c 硬件结构框图 2 。1 1 、中央处理器( c p u ) c p u 也称中央处理器，是由一片或几片大规模集成电路芯片组成的，相当于人 的大脑，是p l c 的核心部分；它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、 协调系统内部各部分工作等任务。c p u 的作用是可通过接口及软件向系统的各个部 分发出各种命令，同时对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制运算、报警处理 及逻辑判断等，实现对整个p l c 的工作过程进行控制；目前大多数小型p l c 都用8 位或者1 6 位单片机作c p u 。可编程控制器中采用的c p u 一般有三大类。一类为通用 微处理器，如8 0 2 8 6 ，8 0 3 8 6 等，一类为单片机芯片，如5 0 3 1 ，5 0 9 6 等，另外还有 位处理器，如a m d 2 9 0 0 ，a m d 2 9 0 3 等。一般来说，可编程控制器的档次越高，c p u 的 位数也越多，运算速度也越快，指令功能也越强。为了提高p l c 的性能，也有一台 p l c 采用多个c p u 的。 7 第二章p l c 的硬件组成 2 1 2 、存储器 存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元，和一般计 算机一样，可编程控制器的存储器有只读存储器( r o m ) 和随机读写存储器( r a m ) 两大 类。r o m 为只读存储器，系统程序固化在其中，用户不可更改，失电不受影响；r a m 为随机存储器，一般都是c m o s 型的，耗电极微，在p l c 中通常用锂电池作后备，失 电时也不会丢失程序。只读存储器是用来保存那些需永久保存，即使机器掉电后也 需保存的程序存储器，一般为掩膜只读存储器和可编程电改写只读存储器。e p r o m 为可擦除存储器，其写入和擦除时都必须要用专用的写入器和擦除器，用户很不方 便；e e p r o m 为电可擦除只读存储器，其内部的程序可通过编程器的写入和擦除。只 读存储器用来存放系统程序。随机读写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在 掉电的情况下，存储的数据就会丢失，一般用来存放用户程序及系统运行中产生的 临时数据，为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外接电源后也能 保持，在实际使用中都为一些重要的随机读写存储器配备电池或电容等掉电保护装 置。可编程控制器的存储区域按用途不同，又可分为程序区及数据区。程序区为用 来存放用户程序的区域，一般有数千字节。用来存放用户数据的区域一般要小一些。 在数据区中，各类数据存放的位置都有严格的划分。由于可编程控制器是为熟悉继 电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器的数据单元都叫做继电器， 如输入继电器、时间继电器、计数器等。不同用途的继电器在存储器中占有不同的 区域。每个存储单元有不同的地址编号。 2 1 3 、输入输出接口 输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入口用 来接受生产过程的各种参数。输出口用来输送出可编程控制器运算后得出的控制信 息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。由于可编程控制器在工业生 产现场工作，对输入、输出接口有两个主要的要求：一是接口有良好的抗干扰能力， 二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求。因而可编程控制器为不同的接口需 求设计了不同的接口单元。主要有以下几种： 1 、开关量输入接口 它的作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。开关 量输入接口按可接纳的外信号电源类型不同分为直流输入单元和交流输入单元。 输入接口中都有滤波电路及耦合隔离电路。滤波有消除输入触点的抖动和抵抗 外部噪声干扰的作用，耦合有使p l c 与外部输入信号进行隔离、抗干扰及产生标准 信号的作用。输入口的电源部分在输入口以外的是分体式，一般单元式可编程控制 器中输入口都使用可编程本机的直流电源供电，不再需要外接电源。 8 青岛大学硕士学位论文 通常有三种类型：直流( 1 2 2 4 ) v 输入、交流( 1 0 0 1 2 0 ) v 输入与交流( 2 0 0 2 4 0 ) v 输入和交直流( 1 2 2 4 ) v 输入。直流输入模块的电源一般由机内2 4 v 电源提供， 输入信号接通时输入电流一般小于l o m h ；交流输入模块的电源一般由用户提供。 撼2虞沈输入接u 2 、开关量输出接口 它的作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。 开关量输出接口按可编程机内使用的器件类型分为继电器型、晶体管型及可控硅型。 各类输出接口中也都具有隔离耦合电路。这里特别要指出的是，输出接口本身都不 带电源，而且在考虑外驱动电源时，还需虑及输出器件的类型。继电器型的输出接 口可用于交流及直流两种电源，但接通断开的频率低；晶体管型输出接口有较高的 接通、断开频率，但只适用于直流驱动的场合；可控硅型的输出接口仅适用于交流 驱动场合。 开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2 a 。 绷3 交点渡输澎接u ( 继电器输 ；! 型) 输出端子的两种接法： 9 第二章p l c 的硬件组成 隔离式 输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路。 汇点式 全部输入点( 输出点) 共用一个公共点。或者将输入点 4 5 m a 3 5 m a 1 5 m a ： l o r e s x o x 7 为o 6 0 m a ( f ) ，其他系列o 1 5 m a 无电压触点，或n p n 集电极开路输出晶体管 输入状态显示 输入o n 时l e d 灯亮 最 大 负 载 外部电源 电阻负载 感性负载 灯负载 最小 负载 响应o f f - * o n 时间o n 一0 f f 开路漏电流 电路隔离 输出动作显示 最大a c 2 4 0 v 或d c 3 0 v 2 a 1 点，8 a c o m 8 0 v a ，1 2 0 2 4 0 v a c l o o w 电压 5 vd c 时2 m a ， 电压 2 4 vd c 时5 m a ( f ) ( 2 ) l o m s l o m s 继电器隔离 a c 8 5 v 2 4 2 v 0 3 a 1点 0 8 a c o m 3 6 v a a c2 4 0 v 3 0 w 2 3 v a 2 4 0 va c d c 5 3 0 v 0 5 a 1 点，0 8 a c o m 1 2 w 2 4 vd c 0 9 w d c2 4 0 v ( f x 。) ， 其他系列1 5 w d c2 4 v l m s 0 2 m s ： 5us ( 仅y o ，y 1 ) l o m s 0 2 m s ： 5us ( 仅y o ，y 1 ) 2 m a 2 4 0 va c 0 1 m a 3 0 vd c 光电晶闸管隔离光耦合器隔离 线圈通电时l e d 亮 3 、f x o n 、f x i n 系列p l c 的一般技术指标 f x o n 、f x l n 系列p l c 的一般技术指标包括基本性能指标、输入技术指标及输出 技术指标，如下表： 表5 6 f x o n 、f x l n 系列p l c ( 一般性能指标) 项目性能 f x o n f x l n 程序存储容量 用户 存储可选存储器 2 k 步( e e p r o m ) f x e e p r o m 一4 ( 4 k ) f x e e p r o m 一8 ( 8 k ) f x e p r o m 一8 ( 8 k ) 2 4 8 k 步( e e p r o m ) f x l n - e e p r o m - 8 l 青岛大学硕士学位论文 指令 种类 运算 基本指令 步进指令 应用指令 基本指令 2 0 条 2 条 3 6 种5 l 条 i 6 3 。6 ps 指令 2 7 条 2 条 8 9 种1 8 7 条 0 5 5 , - 一0 7ps 指令 速度应用指令数十us 数百us 指令数l ls 数百us 指令 输入点 输入电流 输入o n 电流 输入o f f 电流 响应时间 电路隔离 x 0 0 0 x 0 0 7 d c 2 4 v7 m a 4 5m a 1 5m h 约l o m s ( 0 - 一- 1 5 m s 可调) 光电耦 合 x o i o - d c 2 4 v5 n 徂 3 。5 m h 1 5 m h 约l o m s 隔离 表5 8 if x o n 、f x i n 系列p l c ( 输出性能指标) 继电器输出( r )性能指标 外部电源 驱动能力 最大负载 响应时间 电路隔离 输出状态显示 a c 2 5 0 v 或d c 3 0 v 以下 2 a l 点8 a 4 点8 a 8 点 感性负载8 0 v a 灯负载i o o w 约l o m s 继电器隔离 输出o n 时l e d 亮 表5 8 2f x o n 、f x i n 系列p l c ( 输出性能指标) 晶体管输出( t )性能指标 外部电源 驱动能力 最大负载 开路漏电流 响应时间 电路隔离 d c 5 3 0 v 0 5 a l 点0 8 a 4 点 感性负载 1 2 w d c 2 4 v 灯负载 1 5 w d c 2 4 v 0 i m a 以下 ( o 2 m s大电流o f f 时 向i _ 、 屯 一、 r 。 r 。 一 7。 司二二! = 一一一 图8 3 挂嘴运动轨迹 在粉丝挂杆加工生产线中，经常使用到低速输送链。而在低速摩擦副中，时常 伴随有粘着和滑动互相交替出现的现象，这种现象称为爬行。爬行运动破坏设备运 动的连续性，影响设备精密度，严重时甚至引发事故。爬行运动是一个复杂问题， 与运动件质量、运动副摩擦状态以及传动件的刚度等因素有关。带动粉丝杆的链条 长度为9 0 米，由单电动机驱动，链传动过程中，由于链较长且携带挂了粉丝的挂杆， 铰链的销轴和套筒承受较大比压，传动时彼此产生相对转动，导致铰链各元件磨损， 使链条实际节距变长，从而增大了各链条不均匀性，使链条传动产生振动或爬行甚 至脱链现象。另外，相连轮中心距过大，引起链条从动边颤抖，同样导致振动或爬 行。这必然造成了寻杆和换杆的不准确。为了解决这一问题，需在粉丝杆的两端加 设强制换杆传感器，当当前杆挂完，即使相邻的下一根杆因爬行现象没有进入挂杆 工作区域，也会控制其强制换杆。 8 3p l c 控制系统及硬件电路设计n 6 1 7 蝎3 8 3 1 、可编程控制器的应用开发要素 可编程控制器是通用的工业控制计算机。从原则上讲，可以应用在各种工业控制 场合。将可编程控制器应用于某个工业控制场合的过程称为可编程控制器的应用开 发。不经过应用开发，它在任何场合都不能直接使用。 p l c 的应用过程大致是这样的，第一步要把可编程控制器连接进控制系统。一个 控制过程总有主令信号，反馈信号及执行信号，这些信号都要接进可编程控制器或由 青岛大学硕士学位论文 可编程控制器输出。说具体一点就是可编程控制器的输入输出口的连接，发出主令信 号的按钮、开关，形成反馈信号的各种传感器和输入口的连接。输出口是发出执行信 号的，继电器、接触器和电磁阀这些执行器件要接在输出口上。此外还要选择一些机 内器件参加控制工作，比如，时间控制少不了定时器，计数离不开计数器。第二步要 编制程序。程序是描述机内各种器件的关系的。当机外的信号接入了输入输出口后， 被控系统的要求就体现为机内器件的关系。一个控制工程的控制要求，实际上就是控 制现场各种信号之间，各种信号与时间，各种信号与空间的控制关系的总和，而完成 这个控制功能的可编程控制器的软件正是这种要求的体现。 8 3 2 p l c 控制系统的选择 根据生产工艺和控制要求，我们查找和阅读了涉及p l c 的大量技术资料和i e c 标 准，在世界范围内对p l c 生产厂家及其p l c 性价进行了对比，最后我们选择了控制系 统采用日本三菱公司的f x l n 一4 0 m r 可编程序控制器作为控制核心，该产品具有2 4 路 光电隔离的信号输入端和1 6 路继电器隔离的控制输出端，即i o 点数为2 4 1 6u 1 。 控制系统原理如图8 4 所示。 f 一j 二_ 1 j l l = _ ，中，甲 ；_ 一一 ? ，一中一一妒一一 二变频器j 匡j 变频器：变频器 立虫磁阀二e # 电磁阀 幽离合墅】 f ! j 也毛机1 墨毫动机，动机。互矗 譬毒画 压基盎桓 ! 备：币”，i ：拄存丧条一_ j 传送带+ 一i 换杆机构。 蕊疆机( 图8 4 控制系统原理框图 触摸式h m i 采用日本三菱公司的f 9 4 0 g o t 。其主要功能是修改粉丝杆上所挂粉 丝的长度，在挂杆机工作之前传给p l c 。挂杆机手动工作的各项操作都是在h m i 面 板上进行，同时还可显示挂杆总数及故障报警信息。 由于粉丝杆链条存在爬行现象，而且运行速度很慢，又要保证电动机在低速运 转情况下输出足够转矩。因此，驱动电动机的变频器采用日本三菱公司的高性能磁 通矢量控制变频器f r a 5 4 0 型，该产品使用“磁通矢量控制，可以通过对电机端 的电压降的响应，进行优化补偿，随时应对恶劣的电网环境，在不增加电流的情况 第八章选型、硬件及软件设计 下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低 速时温升也有效。使用“磁通矢量控制，还可以使 电机在低速，如( 无速度传感器时) 1 h z ( 对4 极电 机，其转速大约为3 0 r r a i n ) 时的输出转矩可以达到 电机在5 0 h z 供电输出的转矩( 最大约为额定转矩的 1 5 0 ) ，即实现1 h z 运行1 5 0 转矩输出，在低速运 行时能保持输出转矩基本不变。台车电动机和粉丝输 送带电动机变频器采用f r f 5 4 0 型，其中台车电动机 作往复运动，需进行正反转控制，其具体接线如图 8 5 所示 2 1 0 换杆动作和挂嘴对粉丝杆的跟踪动作是由同一机 械机构和电气配合完成的。在动力轴上安装一个电磁 ( 卜1 -) 、 图8 5 变频器接线图 离合器，跟踪时电磁离合器吸合，动力轴带动挂嘴跟踪机构和粉丝杆同速运动；换 杆时电磁离合器释放，由换杆气缸推动挂嘴跟踪机构进行换杆动作。 在粉丝杆链条从动轴外端，安装一个码盘，码盘的每一个码片正好对应经过链 轮上的每一根粉丝杆，这样每一个码片的上升沿就是换杆信号