（材料加工工程专业论文）气体保护镁合金废料重熔精炼控制系统的研究与开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 镁合金作为最轻的商用金属结构材料，具有比重轻、高比强度、高比刚度、 减振吸噪能力强、良好的电磁屏蔽能力和铸造成形性能等一系列独特的优点，在 汽车、摩托车、信息通讯、航天航空和手动工具上获得愈来愈广泛的应用。 但是，镁合金在成形过程中要产生大量的废料。根据产生途径的差异，压铸 镁合金废料可分为压铸工艺废料，如料柄、流道、渣包、飞边、废零件等，和机 械加工、喷漆等后处理过程中出现的废品。压铸生产中，仅有3 0 5 0 的熔体用 于铸件成形，剩下的5 0 7 0 变为浇注和排溢系统，和废品一起成为回炉料。目 前，每吨回炉料的价格比镁合金锭的价格相差7 0 0 0 余元。因此，要达到降低生产 成本、提高生产经济效益的目的，压铸企业就必须自己对回炉料进行回收利用。 作为重庆硕龙科技有限公司的“镁合金废料重熔精炼设备”委托开发任务的 一部分，本文作者在已掌握的镁合金熔化、精炼和浇注技术的基础上，负责以可 编程序逻辑控制器( p l c ) 为主控单元、以触摸屏为人机界面的气体保护镁合金废料 重熔精炼自动化控制系统的设计与开发。该系统通过运行储存在p l c 模块内的程 序来实现镁合金熔化、精炼、气体保护、定量浇注、铸锭机周期运动等功能的智 能集成控制。同时以触摸屏作为人机界面，用丰富的监控画面，形象地显示系统 的各个参数和工作状态，极大地简化了操作的复杂程度，降低了设备的故障率， 提高了熔化精炼和浇注的效率以及系统的准确性、灵活性。 本文在完成系统硬件资源配置、软件设计和人机界面设计的同时，重点研究 系统模拟量的控制方法。本系统涉及的模拟量较多，有温度、流量、压力等。对 其中的重要参数温度，本文采用p l c 软件中的p i d 控制器进行控制。针对系 统热惯性大、干扰大的特点，采用实验法进行p i d 参数整定。通过大量的实验， 最终得出了本系统最优p i e ) 参数。 关键词：p l c ，触摸屏，p i d 控制，精炼，气体保护 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a st h el i g h t e s tc o m m e r c i a l i z e dm e t a l l i cs t r u c t u r a lm a t e r i a la tp r e s e n t ，m a g n e s i u m a l l o y sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s ，l o wd e n s i t y , h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，h i g hs p e c i f i c r i g i d i t y , g o o dd a m p i n g ，g o o de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ga n dg o o dc a s t i n gc a p a b i l i t y t h e y a r ef i n d i n gm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n si na u t o m o b i l e ，m o t o r b i k e ，c o m m u n i c a t i o n ， a v i a t i o na n de l e c t r i ct o o l i n gi n d u s t r i e s h o w e v e r , d u r i n gt h ec o u r s eo fm gp r o c e s s i n g ，ab i gp o r t i o no fm ga l l o y sb e c o m e s s c r a p t h em gd i e c a s t i n gs c r a pc a nb ed i v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e si na c c o r d a n c ew i t h t h e i rn a t u r eo ff o r m a t i o n o n ei sc a l l e dp r o c e s s i n gs c r a pc o n s i s t i n go fr u n n e r s ， o v e r f l o w sa n dd i s q u a l i f i e dc a s t i n g s ，t h eo t h e rc o n s i s t so fd i s q u a l i f i e dc a s t i n gi d e n t i f i e d i nt h ef o l l o w i n gp r o c e s s e sp o s tc a s t i n ga n dt h em g p a r t so u to fs e r v i c e t h ep r o c e s s i n g s c r a pc a nm o u n tu p t o7 0 5 0 o ft h ep o u r e dm e l tu s e df o rc a s t i n g ，a n dt h ev a l u eo f w h i c hc a nb ed o w n g r a d e db y7 0 0 0r m by u a nc u r r e n t l yi fi ti ss o l db a c kt oi n g o t s u p p l i e r t h e r e f o r e i ti se c o n o m i c a l l yi m p o r t a n tf o rd i e c a s t i n ge n t e r p r i s e st ob u i l d 也e i r o w n c a p a b i l i t yt or e c y c l et h em gp r o c e s s i n gs c r a pt h e m s e l v e s a sp a r to fr & dt a s kn a m e d “s l u g f r e em gs c r a pr e c y c l i n gs y s t e m ”f r o m c h o n g q i n gs i n o s tc o l t d ，t h ep r e s e n ts t u d yi sf o c u s e do nt h ec e n t r a lc o n t r o lu n i t b a s e do nt h em gm e l t i n g , r e f i n e m e n ta n dm e t e r e dp o u r i n gt e c h n i q u e s t a k i n gt h e p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) a sm a i nc o n t r o lu n i ta n da t o u c h s e n s i t i v ep a n e la s m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，t h i ss t u d yi sd e v o t e dt ot h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc o n t r o l s y s t e mf o r “s l u g f r e em gd i e c a s t i n gs c r a pr e c y c l i n gs y s t e m ”w i t ht h ep r o g r a m d e v e l o p e d ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sa b l et oi n t e g r a l l yc o n t r o la l lt h ef u n c t i o n s ，s u c ha s ，m g a l l o y sm e l t i n ga n dh o l d i n g ，r e f i n i n g ，s h i e l d i n gg a s f l u xa n dc o n c e n t r a t i o n ，a c c u r a t em e l t p o u r i n g ，s a f e t ym o n i t o r i n g ，e t c a tt h es a m et i m e ，诵mt h ea b u n d a n tm o n i t o r i n gm e n u w h i c hm a d et h ep a r a m e t e r sa n dw o r k i n gp r o c e s sv i s u a l i z e d ，t o u c hp a n e lp r o v i d e s o p e r a t i n gp l a t f o r mt h a tg r e a t l yr e d u c e s t h em a l f u n c t i o no fe q u i p m e n ta n dc o n t r o l o p e r a t i o n ，e n s u r e st h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo fm e l t i n ga n dp o u r i n ga c t i o nw h i l e p r o v i d e st h ef l e x i b i l i t ya n dt h ev e r s a t i l i t yo f s y s t e m a tt h et i m eo fc o m p l e t i n gt h es y s t e mh a r d w a r ec o l l o c a t i o n ，s o f t w a r ed e s i g na n d m a n m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g n , t h e f u z z yc o n t r o l l e rh a db e e ns t u d i e dw i t he m p h a s i s t h e i n v o l v e da n a l o g sp a r a m e t e r sa r et e m p e r a t u r e ，f l u xa n dp r e s s u r e a sa ni m p o r t a n t p a r a m e t e r , t e m p e r a t e i sm o n i t o r e d b y ap i dc o n t r o l l e ri np l cs o f t w a r e e x p e r i m e n t a t i o ni si n t r o d u c e dt os e tp a r a m e t e r sb e c a u s eo f t h eb i gt h e r m a li n e r t i aa n d h e a v yi n t e r f e r e n c eo ft h es y s t e m a f t e rag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m a lp i d p a r a m e t e ri sf o u n d k e y w o r d s ：p l c ，t o u c hp a n e l ，p i dc o n t r o l , r e f m e ，g a ss h i e l d i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 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谢意。 学位论文作者签名：钟届 签字日期?矿年乒月；口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖盔堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 杵占 签字日期：咿年年月d 日 导师签名： 签字日期睁月 ，p 日 签字日期： d 序移月专p 日 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 l 绪论 1 i 引言 镁作为一种轻质工程材料，具有比重轻、高比强度、高比刚度，以及良好的 电磁屏蔽能力、良好的铸造性能和易于再生利用等一系列独特的优点。因此，我 国汽车、摩托车等交通行业的骨干企业，已经结合具体产品或部件制订出采用镁 合金的新产品研究开发计划l l l 。 当前我国镁合金压铸行业的生产工艺和技术条件还不成熟，主要是借鉴铝合 金压铸生产的技术来进行改进，这过程中镁合金生产合格率很低。提高镁合金压 铸件产品合格率，可以有效降低镁合金压铸企业生产成本，对于提高我国压铸业 的竞争力具有十分重要的意义。我国是镁资源大国，原镁产量及出口量均居世界 首位。无论从降低生产成本出发还是考虑环保问题，镁合金废料回收都是镁合金 生产体系中不可缺少的环节。因而开发研究镁合金的重熔精炼工艺和新型高效的 重熔处理设备可以降低生产成本、节约资源、产生重大的经济和社会效益。 重庆硕龙科技有限公司从研究镁及其合金熔化浇注和回收精炼理论入手，在 坚实的理论基础上，凭借多年来的实际经验和操作要领，成功地研究开发出一种 新型的镁合金重熔精炼装备气体保护镁合金重熔精炼系统，填补了国内镁合 金废料回收精炼装备的空白，为我国镁合金产业的发展起到了巨大的推动作用。 本系统采用西门子s 7 2 2 6 可编程序控制器为控制中心，以富士5 3 01 2 1 寸触 摸屏作为人机交互界面开发出新型气体保护镁合金重熔精炼控制系统，达到了很 好的控制效果，提高了镁合金废料的利用率。 1 2 论文的提出及研究意义 目前，大部分镁合金废料回收系统还停留在手动控制的基础上，控制系统仍 然采用落后的继电器和仪表控制式，不仅控温精度低，可靠性差，各种仪表的参 数设置复杂繁琐，也给操作人员带来不便。为了改善这一现状，我们研制开发基 于p i , c 和触摸屏控制的镁合金废料重熔精炼系统，用于监控整个废料重熔精炼， 实现生产的自动化和智能化。 在可编程序控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛地应用于工业生产的各 个领域。继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的作用，随着生产 规模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，继电器控制系统已愈来愈难以适应， 因为继电器控制电路通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。它的 控制功能也仅仅只局限于逻辑控制、定时、计数等这样一些简单的控制，一旦动 重庆大学硕士学位论文i 绪论 作顺序或生产工艺发生变化，就必须进行重新设计、布线、装配和调试。显然， 这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。2 0 世 纪8 0 年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以1 6 位和3 2 位微处 理器构成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上、设计上、 性能价格比等方面有了重大的突破。可编程序控制器具有高速计数、中断技术、 p i d 控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的 应用范围和领域不断扩大l z i 。 综上所述，p l c 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和 通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。这种装置具有体积小、功能强、 程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的适应 恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。因此，镁合金废料重熔精炼系 统采用p l c 作为控制中心是可行的。 1 3p l c 应用及研究现状综述 可编程序控制器是2 0 世纪6 0 年代末发展起来的一种自动控制系统，它最早 用于替代传统继电器、定时器和接触器一类控制装置，功能上只有逻辑运算、定 时、技术和顺序控制等，因此被称为可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a l c o n t r o l l e r ) ，简称为p l c 。随着控制技术、计算机技术、网络通信技术和现场总线 技术的发展，当今的p l c 吸取了这些技术的最新成果，功能已远超出了逻辑控制 的范畴，而且从单机控制自动化到生产线控制自动化，再到全厂生产自动化解决 方案，p l c 己成为工业自动化的核心控制设备之一。 从实质上说，p l c 就是一种用于自动控制的专用计算机。它以中央处理器为 核心，把逻辑运算、顺序控制、定时、计数、模拟量处理等功能已指令形式存储 在存储器内，并根据由开关量、模拟量和特殊输入部件对生产过程参数进行采集， 经内部处理后由输出部件实施对生产过程的控制。 p l c 从诞生到现在，虽然只有4 0 多年的历史，但其发展却异常迅猛，可靠性 不断提高，功能不断增强和完善。而由于其具有可靠性高、适应性强、体积小、 机构紧凑、安装维护方便的显著特点，深受用户的欢迎，已广泛应用于石油、化 工、冶金、动力、汽车制造、食品、轻工等各个行业。用p l c 构成各种控制系统 已成为当今自动控制系统的首选之一。p l c 已成为当代工业自动化的主要支柱， 并将于集散控制( d c s ) 、现场总线控制( f c s ) 、基于工业计算机( i p c ) 的系统 等，成为2 l 世纪工业控制的主流控制系统m 。 1 3 1p l c 的应用范围 随着p l c 性价比的不断提高，一些过去使用专用计算机的场合，也转向使用 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 p l c ，p l c 的应用范围不断扩大。p l c 的应用大致可以可归纳为如下几类： 开关量的逻辑控制 这是p l c 最基本最广泛的应用领域。可用p l c 来取代继电器控制系统，实现 逻辑控制、顺序控制。开关量的逻辑控制可用于单机控制、多机群控，也可用于 自动生产线的控制。 运动控制 p l c 可用于对直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量i o 模块连接位 置传感器和执行机构，现一般使用专用的运动控制模块。 闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。p l c 通过 模拟量i o 模块实现模拟量与数字量之间的a d 、d a 转换，并对模拟量进行闭环 p i d 控制。这一功能可以用p i d 子程序来实现，也可以使用专用的智能p i d 模块。 数据处理 现代的p i j c 具有数学运算( 包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算) 、数据传递、 转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数 据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通讯功能传送到别的智能装置， 或者将它们打印制表。数据处理一般用在大、中型控制系统，如柔性制造系统、 过程控制系统和机器人的控制系统。 通讯联网 p l c 的通讯包括p l c 之间的通讯以及p l c 与上位机和其他智能设备之间的通 讯。p i 上和计算机具有r s - 2 3 0 接口，用双绞线、同轴电缆或光缆将它们联成网络， 以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统1 8 - - 1 0 l 。 1 3 2 国外发展及其现状 在上世纪6 0 年代，计算机控制技术已开始应用到工业领域，但由于计算机技 术复杂，编程很不方便，价格也比较昂贵，未能得到广泛应用。1 9 6 8 年，美国通 用汽车公司为了使生产的汽车款式不断推陈出新，并尽可能降低成本，减少设计 和制造周期，设法把计算机的各项功能与继电器控制系统简单、廉价等方面的优 点结合起来，开发出一种调用的自动控制设备，使之兼具上述两种的优点，并使 编程简单，程序输送方便，这就是目前通称的可编程序控制器。1 9 6 9 年，这项新 技术被应用于通用公司的汽车自动装配线上。 从控制功能来分，可编程序控制器的发展分为四个阶段： 从第一台p l c 问世到2 0 世纪7 0 年代中期，是p l c 的初始阶段。这一时期 p l c 的c p u 由中小规模的数字集成电路组成，控制功能简单，主要用于逻辑运算 和计时、计数运算； 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 从2 0 世纪7 0 年代中期到7 0 年代末期，是p l c 的功能扩展时期。这一时期 p l c 的控制功能有较大的发展：包括数据的传送和比较、模拟量的运算等； 从2 0 世纪7 0 年代末期到8 0 年代中期，是p l c 的通信功能发展时期。与计 算机通信的发展相适应，p l c 的通信功能也有了较大的发展，初步形成了分布式 通信网络系统，产品的可靠性进一步提高，但是制造厂商各自为政，产品自成系 统： 从2 0 世纪8 0 年代中期开始是p l c 的开放时期。这一时期通信系统的开放是 p l c 的发展的主要标志：通信协议的逐渐标准化，采用了标准的软件系统，增加 了高级语言编程，各制造商的产品可以相互通信，产品的规模不断增大，增加了 c r t 的显示功能等。 目前，全世界p l c 生产厂家约2 0 0 家，生产3 0 0 多种产品，如s i e m e n s 、m o d i c o n 、 a - b 、o m r o n 、三菱、g e 的产品。 1 3 3 国内发展现状 我国从1 9 7 4 年开始研制可编程序控制器，1 9 7 7 年研制出第一台具有实用价值 的可编程序控制器。可编程序控制器在我国的发展与应用已有3 0 多年的历史，现 在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平 和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编 程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术， 应该是广大技术人员努力的方向。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。 我国可编程序控制器的发展与国际上的发展有所不同，国际上可编程序控制 器的发展是从研制、开发、生产到应用，而我国则是从成套设备引进、可编程序 控制器引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。大致可划分为下述三个阶段： 可编程序控制器的初级认识阶段( 上世纪7 0 年代后期到8 0 年代初期) 国际上可编程序控制器的发展，首先引起了国内工程技术界的极大兴趣，所 以我国对可编程序控制器的认识始于7 0 年代后期到8 0 年代初期的成套设备引进 中，上海宝钢一期工程中有多项工程引进了十几种机型约2 0 0 多台可编程序控制 器。这些可编程序控制器取代了传统的继电器逻辑系统，并部分取代了模拟量控 制和小型d d c 系统。继宝钢后，国内许多厂家陆续引进的设备和生产线大都配备 了可编程序控制器，其应用范围包括电站、石油化工、汽车制造、港口和码头等 各领域。正是在成套设备引进过程中，我国了解认识了可编程序控制器，这也促 进了可编程序控制器在我国的发展。 可编程序控制器的引进应用和消化移植阶段( 8 0 年代初期到9 0 年代初期) 4 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 8 0 年代初期开始，随着我国改革开放的不断深入，在成套设备引进的同时， 国外原装的可编程序控制器开始涌入国内市场。许多部门和单位相继引进可编程 序控制器并自己设计组成控制系统。随着应用能力的提高和市场需求的扩大，一 些部门和单位本着技贸结合、消化移植的方针，一方面进行二次开发和应用研究， 一方面也在引进可编程序控制器的生产线，建立生产可编程序控制器的合资企业， 积极开发自己的产品。 同时，国内也开始研制可编程序控制器产品，在全国约有2 0 多家科研单位、 大专院校和工厂都在研制和生产可编程序控制器，但由于缺乏资金和后续研究力 量、生产技术相对落后，只能停留在实验室阶段，没能投入实际应用和形成工业 化生产。 可编程序控制器的广泛发展阶段( 9 0 年代初期到现在) 进入9 0 年代，我国的可编程序控制器进入了广泛发展阶段，主要表现在以下 几个方面： 政府重视可编程序控制器的发展得到了政府的高度重视，在当时机械电子工 业部的领导下，于1 9 9 1 年成立了可编程序控制器行业协会。同时可编程序控制器 的标准化工作也受到了有关部门的重视，于1 9 9 3 年成立了可编程序控制器标准化 技术委员会，为我国可编程序控制器的进一步发展打下了基础。这一阶段可编程 序控制器的应用已经渗透到国民经济的各个部门和工业过程的各个角落，已成为 企业提高装备技术水平的重要标志。 1 3 4p l c 的发展趋势 p l c 在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，进入2 0 世纪9 0 年代以来，世界p l c 的年平均销售额在5 5 亿美元以上，我国约占1 。当前，p l c 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用p l c 设计自动控制系统已 成为世界潮流。随着市场需求的不断提高，p l c 的发展呈现出以下发展趋势i l l l 。 向微小型化和大型化两端发展 现代p i , c 的发展有两个主要趋势：一是向体积更小、速度更快、功能强、价 格更低的微小型p l c 方向发展，以适应小型企业技术改造的需求，提供性价比更 高的小型p l c 控制系统；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性、多功能方 面发展，为大中型企业提供高水准的p l c 控制系统。p l c 产品发展的共同特点是， 现代p i c 的结构和功能不断改进，产品更新换代周期越来越短，并不断向高性能、 高速度、高性价比方向发展。 大力开发智能模块，提高p l c 的适应性、可靠性 智能模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，为了适应各种特殊功能 的需要，各个公司陆续推出了多种智能模块，这些模块的c p u 能与p l c 的主c p u 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 并行工作，占用主c p u 的时间很少，有利于提高p l c 的扫描速度和完成特殊的控 制要求。有的模块甚至可以自成系统，单独工作，能完成p l c 主c p u 难以兼顾的 功能，简化了控制系统的设计和编程，提高了p l c 的适应性和可靠性。智能模块 主要有模拟量i o 、p i d 回路控制、通信控制、机械运动控制( 如轴定位、步进电 机控制等) 、高速计数、中断输入、模糊控制、多路b c d 码输入，输出、热电偶输 入、热电阻输入、条形码阅读器等。 编程语言向高层次、标准化发展 p l c 的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块语言和指令表语言基础上， 不断丰富和向高层次发展，基于个人计算机的编程软件取代手持式编程器。如西 门子的s t e p 7 编程语言可运行在个人计算机w i n d o w s 环境下，界面极为友好。 为解决各厂家的发p l c 互不兼容的问题，i e c ( 国际电工委员会) 制定了p l c 标准i e c1 1 3 1 。标准中共有五种编程语言：顺序功能图( s f c ) 、梯形图、功能块 图、指令表，结构文本。目前已有越来越多的厂商推出了符合标准的p l c 指令系 统或在p c 上运行的软件包。 p l c 与p c 机日益紧密结合 p c 价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互能力，过去p c 机主要用作p l c 的编程器、操作站或人机接口终端等。目前p l c 的以太网通信模 块的价格还很高，而p c 机的以太网卡仅需数十元，在工业控制现场，可以将p l c 与加固型的工业计算机连接在同一网络上，这种网络价格低、用途广，已得到了 广泛使用。 另外，p l c 计算机化，大型p l c 具备个人计算机的功能，是p l c 发展的另一 趋势。这类p l c 采用功能强大的微处理器和大容量存储器，将逻辑控制、模拟量 控制、数学运算和通信功能紧密结合在一起。 p l c 通信与联网能力不断增强 可编程序控制器的通信联网功能使p l c 与p c 机和其他智能控制设备之间交 换数字信息，形成一个统一整体，实现分散控制和集中管理。现在，几乎所有的 发p l c 产品都有通信联网功能，通过双绞线、同轴电缆或光纤，信息可以传送到 几十公里远的地方，通过m o d e m 和互联网可以与世界上其他地方的计算机装置通 信。 目前，有些厂商的p l c 使用专用的通信协议来通信，或使用有较多厂商支持 的通信协议和通信标准，例如现场总线。为了尽量较少用户在通信编程方面的负 担，p l c 厂商做了大量的工作，使p l c 的通信功能日趋完善，设备之问的通信能 自动地周期地进行，不需要用户为通信编程，用户的工作仅仅是在组成系统时做 一些硬件和软件上的初始化设置。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 本文的主要研究内容、技术路线 1 4 1 主要研究内容 本课题在原有s l 镁合金熔炼炉的操作平台之上进行功能改进和完善，结合重 熔精炼原理和工艺，开发出适用于镁合金废料回收精炼的控制系统。主要完成以 下内容： 了解镁合金熔化浇注系统的工作原理、主要特性以及精炼工艺，掌握各项 控制指标以及相关执行元件的工作原理； 在研究熔炉控制机理及电气自动化原理的基础上，选型p l c 和触摸屏，同 时设计控制柜； 根据电气自动化控制原理，绘制电气原理图和电气设备安装图： 编写程序，组态触摸屏画面： 安装调试，不断修复； 现场使用：检验熔炉的熔炼、浇注、气体保护效果以及与铸锭机配合应用 效果。 1 4 2 主要研究方法 本研究首先根据镁合金废料回收精炼技术原理，以研制自动化集成度高的重 熔精炼装备为目标，通过对废料熔化、精炼、气体保护、浇注等工艺步骤和相关 参数的控制，实现精炼装备的二次开发；然后研究开发与铸锭机联机应用技术， 进一步提高系统运行的兼容性和扩展性；并通过设备在实验室连续试用中和工业 现场连续使用中不断进行改进和完善。 1 4 3 主要技术路线 对于气体保护镁合金重熔精炼系统这种比较复杂、功能繁多的系统，要实现 自动集成控制必须考虑多方面的因素以及这些因素之间的联系，因此制定总的设 计路线如下： 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 1p l c 系统设计的流程图 f i 9 1 1t h ed e s i g nf l o wc h a r to f p l cs y s t e m s 重庆大学硕士学位论文 2p l c 和触摸屏的工作原理及特点 2p l c 和触摸屏的工作原理及特点 2 1p l c 定义及基本结构 为了规范p l c 的生产和发展的标准化，国际电工委员会( 1 e c ) 在1 9 8 7 年给 可编程控制器作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为 在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式 的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应 按照易于和工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。”f 1 2 l 虽然不同厂家生产的p l c 型号、规格都不尽相同，但是它们的基本结构都一 样，主要由中央处理单元c p u 、存储器、输入、输出等部分组成。图2 1 给出它 的基本结构框图1 1 3 1 。 图2 1p l c 系统的基本结构 f i 9 2 1b a s i c 曲m 触o f p l cs y s t e m 0 ) c p u c p u 是p l c 的核心，由大规模或超大规模的集成电路微处理器芯片构成。c p u 的作用是： 1 ) 接受从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中； 2 ) 用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的数据存储器中： 3 ) 执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后 9 重庆大学硕士学位论文 2p l c 和触摸屏的工作原理及特点 逐条执行，完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电 路。实现程序规定的各种操作； 4 ) 通过故障自诊断程序，诊断p l c 的各种运行错误。 存储器 、 p l c 的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。 1 ) 系统程序存储区 该存储器存放系统程序( 系统软件) 。系统程序是p l c 研制者所编的程序，它 是决定p l c 性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、 标准予程序及其他各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在r o m 或e p r o m 中，用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调p l c 各部分的工作， 如翻译、解释用户程序、进行故障诊断等。 2 ) 用户程序存储区 该存储区存放用户程序( 应用软件) 。用户程序是用户为解决实际问题并根据 p l c 的指令系统而编制的程序，经c p u 存放入用户程序存储器。为便于程序的调 试、修改、扩充和完善，该存储器一般使用r a m ，或者e e p r o m 、f l a s h 。 3 ) 变量( 数据) 存储器 变量存储器存放p l c 的内部逻辑变量，如内部继电器、i o 寄存器、定时器 技术器中逻辑变量的先行值等。 上述的存储系统，可以把用户程序存储器和变量存储器统称为应用存储器。 如图2 2 所示： 图2 2p l c 存储系统简单块图 f i 9 2 2s i m p l ec h a r to f p l cm e m o r y 输入输出接口( i 0 ) 输入输出接口是c p u 与工业现场装置之间的连接部件，是p l c 的重要组成部 分。与微机的i o 接口工作于弱电不同，p l c 的i o 接口是按强电要求设计的，即 其输入接口可以接收强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。 对于小型p l c ，厂家通常将i o 部分就装在p l c 的本体部分，而对于中、大 型p i c ，各厂家通常都将i o 部分做成可供选择、扩充的模块组件，用户可根据自 己的需要选择不同功能、不同点数的i o 组件来组成自己的控制系统。 为了便于检查，每个i o 点都接有指示灯，某点接通时，相应的指示灯发光指 1 0 重庆大学硕士学位论文2p l c 和触摸屏的工作原理及特点 示，用户可以方便的检查各点的通断状态。 1 ) 输入接口电路 p l c 以开关量顺序控制为特长，其输入电路基本相同，通常分为三种类型： 直流输入方式、交流输入方式和交直流输入方式。而外部输入元件是无源触点或 有源传感器。 输入电路包括光电隔离和r c 滤波，用于消除输入触点抖动和外部噪声干扰。 图2 3 是直流输入方式的接线图，其中l e d 为相应输入端的指示灯，用于表示外 部输入的o n o f f 状态。输入信号接通时，输入电流一般小于1 0 m a ；响应滞后时 间一般都小于2 0 m s 。 _ 。_ 。- 。- 。- 。- 。- 。_ 。_ 。_ _ 。- - _ 。- - 2 ) 输出接口电路 p l c 的输出电路有3 种形式：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出，如图 2 4 所示。图2 4 ( a ) 为继电器输出型，c p u 控制继电器线圈的通电或失电，其接 点相应闭合或断开，接点再控制外部负载电路的通断。显然，继电器输出型p l c 是利用继电器线圈和触点之问的电气隔离，将内部电路与外部电路进行了隔离。 晶体管输出型通过使晶体管截止或饱和控制外部负载电路，晶闸管输出型通过使 晶闸管导通货管段控制外部电路，二者均采用光电耦合进行了电器隔离。 三种输出形式以继电器输出型最为常用，但响应时间最长。以f x 系列p l c 为例，从继电器线圈通电或断电到输出触点变为o n 或o f f 的响应时间均为1 0 m s ； 重庆大学硕士学位论文2p l c 和触摸屏的工作原理及特点 其输出电流最大，在a c 2 5 0 v 以下时可驱动的负载为纯电阻2 a 点、感性负载8 0 v a 、 灯负载1 0 0 w 。 1 一一i 1 ： ( c ) 图2 4 继电器输出接口电路i t a l ( a ) 继电器输出型；( b ) 晶体管输出型；( c ) 晶闸管输出型 f i g2 4w i r i n gd i a g r a mo f r e l a yo u t p u 4 1 剀 ( a ) r e l a yo u t p u t ； t r a n s i s t o ro u t p u t ；( c ) m y m t o ro u t p u t 编程器 编程器最少包括键盘和显示两部分，用于对用户程序进行输入、读出，检验、 修改。p l c 正常使用时，通常并不使用编程器。常用的编程器类型有： 1 ) 便携式编程器，也叫简易编程器，用按键输入指令编程，大多采用数码管 显示器，具有体积小、易携带的特点，适合小型p l c 的编程要求； 重庆大学硕士学位论文 2p l c 和触摸屏的工作原理及特点 2 ) 图形编程器，又称智能编程器，采用液晶显示器或阴极射线管显示程序， 可在调试程序是显示各种信号状态和出错提示等，还可与打印机、绘图仪、录音 机等设备连接，具有较强的功能，对于习惯用梯形图编程的人员来说，这种编程 器尤为合适； 3 ) 基于个人计算机的编程软件，即在个人计算机上添加适当的硬件接口和软 件包，可以编制梯形图、语句等形式的用户程序。 2 2p l c 的工作原理 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置， 但这两者的运行方式是不相同的： 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电 或断电，该继电器所有的触点( 包括其常开或常闭触点) 无论在继电器控制线路的哪 个位置上都会立即同时动作。 p l c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈 或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭触点) 不会立即动 作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置 各类触点的动作时间一般在1 0 0 m s 以上，而p l c 扫描用户程序的时间一般均小于 l o o m s ，因此，p l c 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。 这样在对于加响应要求不高的场合，p l c 与继电器控制装置的处理结果上就没有 什么区别了1 1 2 1 。 2 2 1 扫描技术 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序 执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期 间，p l c 的c p u 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图2 5 所示。 第( n - i ) 个 第( n + 1 ) 个 扫描周期 7 第1 1 个扫描周期 1 扫描周期 1 。，一 硼q j 耶u 霹l r 1 输入采样? 1 厂1 厅仉1 j r 输出刷薪 图2 5 扫描周期图 f i 9 2 5s c a nc y c l e 重庆大学硕士学位论文2p l c 和触摸屏的工作原理及特点 1 ) 输入采样阶段 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它 们存入i o 映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷 新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，f o 映象区中的相应单 元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度 必须大于一个扫描周期，刁能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2 ) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，p l c 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序( 梯形 图) 。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线 路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然 后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统r a m 存储区中对应位的状态；或 者刷新该输出线圈在f o 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所 规定的特殊功能指令。 3 ) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，p l c 就进入输出刷新阶段。在此期间，c p u 按照f o 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的 外设。这时才是p l c 的真正输出。 为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，p l c 在每次扫描期问， 除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成通讯处理要求。因此， 整个扫描过程如图2 6 所示。每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输 出点，存储器和c p u 等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分是否工作正常， 若不一致则认为有故障。此时，p l c 立即启动关机程序，保留现行工作状态并关 断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如没发现故障，p l c 将继续往下扫描， 进行相应的处理。 1 4 重庆大学硕士学位论文 2p l c 和触摸屏的工作原理及特点 图2 6 p l c 扫描过程 f i 9 2 6s c a np r o c e s so f p l c 处理完通信后，p l c 继续扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，