定位剪PLC控制系统设计方案.doc

1 定位剪定位剪 PLC 控制系统设计控制系统设计方案方案 毕业设计成绩单毕业设计成绩单 学生姓名学号班级专业自动化 毕业设计题目定位剪 PLC 控制系统设计 指导教师姓名 指导教师职称副教授 评 定 成 绩 指导教师得分 评阅人得分 答辩小 组组长 得分 2 成绩 院长 主任 签字 年 月 日 毕业设计任务书毕业设计任务书 题 目定位剪 PLC 控制系统设计 学生姓名学号班级专业自动化 承担指导任务单位电气工程系导师姓名陈导师职称副教授 3 一 主要内容 以 PLC 为控制核心 结合继电接触器及位置传感器等设计定位剪 PLC 控制系统 实现 定位剪生产线开卷电机 喂料电机 剪切电机 运料小车 轨道电机的顺序控制 还设计 板材剪切长度和剪切张数的检测 二 基本要求 自动方式 按下启动按钮 开卷电机 D1 和喂料电机 D2 通电运转 把钢板送入剪切处 同时飞轮电机开始通电运转 当达到设定钢板长度 150mm 时 D1 和 D2 停止 同时电磁离 合器 DT 得电吸合 剪刀落下进行剪板 当剪刀落下时 电磁离合器 DT 失电剪刀回到原位 即重新抬起 同时 D1 和 D2 通电旋转 再把钢板向前送入剪切处进行剪切 当剪切的钢 板数达到预定张数 50 张时 此时 D1 和 D2 停转 同时电磁离合器 DT 也失电 使剪刀回到 原位 即重新抬起 运料小车运转使小车向右运行 当运行到位时压合运料小车右极限限 位开关 小车停转 同时小车上轨道电机通电运转 把其上面的钢板向右传输到下一个工序的 料道台上 当钢板通过该平台时 使小车上轨道电机停止运转 同时运料小车电机得电运 转 使小车向左运行 返回到位后小车压合运料小车左极限限位开关 使小车断电停转 此时 D1 和 D2 再次通电旋转 进行下一组剪切动作 如此循环自动运行 手动方式则是对各个电机进行点动操作 以便调试时使用 三 主要技术指标 或研究方向 1 设计并绘制自动剪板机控制系统硬件接线图 2 设计并绘制电器控制外部接线图 PLC 控制 I O 接线图 列出 I O 对照表 3 设计 I O 电路 选择电器元件 4 绘制电气原理图及梯形图 编制 PLC 程序 四 应收集的资料及主要参考文献 1 可编程控制器原理及应用实例 张进秋 机械工业出版社 五 进度安排 设计各阶段名称 完成日期 准备 查找资料 写开题报告 第 1 2 周 分析 确定方案 第 3 4 周 设计 绘图 编程 第 5 12 周 编写设计说明书 第 13 14 周 上交论文 准备答辩 第 15 周 答辩 第 16 周 教研室主任签字时 间 年 月 日 毕业设计开题报告毕业设计开题报告 题 目定位剪 PLC 控制系统设计 学生姓名马学号班级专业自动化 4 一 课题的研究背景 在工业生产过程中 自动剪切生产线应用十分广泛 它能将金属卷料加工成一定尺寸的板 料 可实现自动开卷 定长送料和自动剪切 其生产效率高 适应性强 适合较大规模生产 随着计算机技术 自动控制技术的高速发展 如何采用先进的控制技术设计性价比优异的剪切 控制系统 是人们关注的焦点 可编程逻辑控制器是一种综合了计算机技术 电气控制技术 自动控制技术的自动控制装置 具有高可靠性 控制功能极强 编程方便 易于使用等特点 将可编程序控制器应用于定位剪生产线 这样可以把计算机功能完备 适应性强的优点和继电 器控制简单 抗干扰能力强 价格便宜等优点结合起来 这是一条低成本 高效益 符合我国 国情的自动化技术发展应用新途径 二 国内外研究现状 顺序控制是工业控制中不可缺少的环节 几乎任何一个过程控制和生产管理都是有步骤地 进行的 因此都可以采用 PLC 根据国外资料统计 在工业控制中 80 都采用 PLC 来完成 目 前国外 PLC 应用于自动控制这一领域占 60 在我国使用 PLC 进行自动控制 至今还没有形成 主流 定位剪生产线要求板料的开卷 喂料 剪切和运料等过程必须按一定的节拍控制动作 以确保精确度 对于这样的控制要求 传统的控制系统复杂 功能不完善 效率低 可靠性差 自动化程度不高 安全系数低 为此 采用可编程控制器 PLC 实现对定位剪设备的控制 可 获得了较好的控制效果 三 主要工作 以 PLC 为控制核心 结合继电接触器及位置传感器等设计定位剪 PLC 控制系统 实现定位 剪生产线开卷电机 喂料电机 剪切电机 运料小车 轨道电机的顺序控制 设计板材剪切长 度和张数的检测 具体如下 1 设计并绘制自动剪板机控制系统硬件接线图 2 设计并绘制电气控制外部接线图 PLC 控制 I O 接线图 列出 I O 对照表 3 设计 I O 电路 选择电器元件 4 绘制电气原理图及梯形图 编制 PLC 程序 四 方法和手段 1 准备 查找关于定位剪和可编程控制器的资料 2 分析主要内容和基本要求 3 确定设计方案 整体上采用 PLC 的步进指令实现对定位剪生产线的顺序控制 为了保证剪切精度 喂料电机采用双速电机 为了保证系统高效 平稳运行 采用变 频器控制送料小车的运行 飞轮电机采用 Y 起动运行方式 由光电编码器确定板料剪切长度 计数器设定剪切张数 实现对整个定位剪生产线的自动 手动控制 4 设计 绘图 PLC 编程 5 5 编写设计说明书 准备答辩 五 预期结果 实现对定位剪生产线整个生产线工艺流程的顺序控制 采用可编程控制器对定位剪设备进 行控制 较好地解决传统控制中存在的控制系统复杂 可靠性和工作效率低等问题 充分体现 将PLC应用于该控制系统时 具有操作简单 运行可靠 抗干扰能力强和控制精度高的特点 指导教师签字时 间 年 月 日 6 摘 要 为实现定位剪生产线的安全 可靠和高效的自动控制 通过对定位剪生产线的 结构 工作原理及控制特点进行全面的分析 以 PLC 可编程控制器 为控制核心 结合继电接触器及位置传感器等设计了以三菱 FX2N型 PLC 作为系统主机的定位剪 生产线自动控制系统 本文对定位剪 PLC 控制系统的设计思路进行了详细的介绍 阐述了系统的硬件 组成和软件设计 由 PLC 组成的控制系统可对生产现场的设备状态实施监控 实现 了定位剪生产线开卷电机 喂料电机 剪切电机 运料小车 轨道电机的顺序控制 并且设计了对板材剪切长度和剪切张数的检测 为了方便调试还实现手动操作 对 各个电机进行手动控制 从而保证设备工作在最佳状态 实践证明 PLC 控制系统 工作可靠 操作简单 能有效的对定位剪设备进行控制 达到较高的生产效率 关键词 可编程控制器 定位剪 控制系统 7 Abstract In order to achieve safe reliable and efficient automatic control of the positioning shear line anglicizing of cutting production line orientation structure working principles and control characteristics comprehensively The PLC programmable logic controller is the core of the control system with rely contacts position sensor and so on The paper designed the Mitsubishi FX2N PLC positioning system host as cutting production line automatic control system In this paper shear localization PLC control system design ideas were described in detail It described the hardware and software design Formed by the PLC control system can monitor the status of production equipment on site implemented the positioning shear production line open coil motor feed motor cutting motor haul car rail motor sequence control and designed for the detection of the length of cutting sheet metal and the number of sheets It also achieved for the convenience of manual debugging manual control of each motor to ensure the equipment in the best condition Practice proved that PLC is a reliable simple operation control system which can effectively control the positioning shear equipment to achieve higher production efficiency Keywords PLC Positioning shear Control system I 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 2 定位剪工业控制的研究及发展现状 1 1 3 论文研究内容及要求 2 第 2 章 定位剪的结构原理及控制要求 3 2 1 定位剪的结构原理 3 2 1 1 定位剪的结构 3 2 1 2 定位剪的工作原理 3 2 2 系统的主要控制要求 4 第 3 章 系统硬件设计 5 3 1 PLC 的选型 5 3 2 传感器的设计 6 3 2 1 光电编码器的设计 7 3 2 2 位置传感器的设计 8 3 3 电磁离合器的设计 9 3 3 1 电磁离合器的简介 9 3 3 2 电磁离合器的选型 10 3 4 变频器设计 10 3 4 1 变频调速原理 10 3 4 2 变频器的选型 10 3 5 电动机的设计 11 3 5 1 电动机的基本常识及选择依据 11 3 5 2 电动机的选型 12 3 6 剪切刀的选型 14 3 7 位置开关的设计 14 3 7 1 位置开关的简介 14 3 7 2 直动式行程开关的选型 14 3 8 电气控制的设计 15 3 8 1 主回路电路图 15 3 8 2 主回路的分析 16 第 4 章 可编程控制器及顺序控制 18 4 1 可编程控制器 18 4 1 1 可编程控制器的简介 18 4 1 2 可编程控制器应用领域 18 II 4 1 3 可编程控制器发展现状及发展趋势 19 4 2 步进指令简介 19 4 2 1 步进指令 19 4 2 2 状态转移图与梯形图 20 4 2 3 步进指令的使用说明 20 4 3 顺序控制设计法 21 第 5 章 系统软件设计 22 5 1 总体设计思路 22 5 2 PLC 输入输出点分配 22 5 3 系统的控制流程图 23 5 4 软件设计分析 24 5 4 1 软件设计中元器件的分布 24 5 4 2 板料精确定长分析 24 5 5 定位剪控制系统的状态转换图 25 5 6 定位剪控制系统的指令程序表 25 第 6 章 结论与展望 28 6 1 结论 28 6 2 展望 28 参考文献 29 致谢 30 附录 31 附录 A 外文资料 31 附录 B 定位剪 PLC 梯形图设计 40 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 1 第 1 章 绪 论 1 1 课题研究的目的和意义 在工业生产过程中 自动剪切生产线应用十分广泛 它能将金属卷料加工成一 定尺寸的板料 可实现自动开卷 定长送料和自动剪切 其生产效率高 适应性强 适合较大规模生产 但是传统的生产设备与系统多以机械为主 是电气液压或气动 控制的机械设备 存在送料不够精确 生产效率低下等诸多不足 已不能满足所有 的生产需要 随着工业水平的不断发展 生产设备已逐步地由手动操作改为能够进 行大规模生产的自动控制 1 本文设计的 PLC 控制系统 使用了双速电动机及变频 装置 充分发挥其控制精度高 响应速度快和运行平稳等优点 有效地提高剪切的 精度和效率 提升生产过程的自动化程度 具有十分广阔的应用前景 随着计算机技术 自动控制技术的高速发展 如何采用先进的控制技术设计性 价比优异的剪切控制系统 是人们关注的焦点 可编程逻辑控制器是一种综合了计 算机技术 电气控制技术 自动控制技术的自动控制装置 具有高可靠性 控制功 能极强 编程方便 易于使用等特点 将可编程序控制器应用于定位剪生产线 这 样可以把计算机功能完备 适应性强的优点和继电器控制简单 抗干扰能力强 价 格便宜等优点结合起来 这是一条低成本 高效益 符合我国国情的自动化技术发 展应用新途径 1 2 定位剪工业控制的研究及发展现状 在工业生产过程中 定位剪生产线应用十分广泛 它能将金属卷料加工成一定 尺寸的板料 可实现自动开卷 定长送料和自动剪切 其生产效率高 适应性强 适合较大规模生产 由于定位剪生产线是一种可按加工要求将金属板材剪开 自动 计数 并由送料车送到下一工序的顺序控制的设备 它要求其控制设备具有很强的 抗干扰能力 整个过程必须按一定的节拍控制精确度动作 而传统的控制系统复杂 功能不完善 效率低 可靠性差 自动化程度不高 安全系数低 已经不能满足生 产需要 2 随着近几年的发展 PLC 把计算机的编程灵活 功能齐全 应用面广泛 等优点与控制系统的控制简单 使用方便 抗干扰能力强 价格便宜等优点很好的 结合起来 而其本身又具有体积小 重量轻 耗电省等特点 较好地解决了这些问 题 充分发挥其控制精度高 响应速度快和运行平稳等优点 有效地提高剪切的精度 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 2 和效率 提升生产过程的自动化程度 具有十分广阔的应用前景 在工业过程控制 中的应用越来越广泛 1 3 论文研究内容及要求 设计题目 定位剪 PLC 控制系统的设计 主要内容 以 PLC 为控制核心 结合继电接触器及位置传感器等设计定位剪 PLC 控制系统 设计并绘制自动剪板机控制系统硬件接线图 设计并绘制电气控制外部接线图 PLC 控制 I O 接线图 列出 I O 对照表 设计 I O 电路 选择电器元件 绘制电气原理 图及梯形图 编制 PLC 程序 设计目的 1 熟练掌握 PLC 的指令系统 学会一些特殊设备在生产实际中的应用 2 能使用 PLC 软件编程 本设计采用三菱的 FX2N软件 3 通过设计牢固掌握设计梯形图的方法 步骤及绘制梯形图所遵循的规则和 设计技巧 学会顺序控制程序的设计和调试方法 4 能够绘制传动系统的电气图 5 学会 PLC 输入 输出点的分配 接线 对 PLC 有系统的了解 设计要求 实现定位剪生产线开卷电机 喂料电机 剪切电机 运料小车 轨道电机的自 动控制 设计板材剪切长度和剪切张数的检测和手动方式对各个电机进行手动操作 以便调试时使用 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 3 第 2 章 定位剪的结构原理及控制要求 2 1 定位剪的结构原理 2 1 1 定位剪的结构 定位剪是一种精确控制金属板料加工尺寸 将大块卷筒板料进行自动循环剪切 加工 并由运料小车运送到下一工序的自动加工设备 其结构及原理如图 2 1 所示 设备由开卷 喂料 剪切 自动传送四个部分组成 分别由开卷电动机 D1 喂料电 动机 D2 飞轮电动机 D3 送料小车电动机 D4 轨道电动机 D5 五台电动机拖动 采用 1 个光电编码器和 4 个开关来检测各部分的工作状态 其中 光电编码器 PL 用来确定板料剪切长度 限位开关 1K 和 2K 用来检测运料小车是否到达左 右极限 位置 剪刀落下检测开关 4K 检测剪刀的状态 钢板通过开关 3K 控制轨道电机的运 转 设备未投入工作时 运料小车左极限限位开关 1K 闭合 运料小车右极限限位 开关 2K 钢板通过开关 3K 剪刀落下检测开关 4K 均断开 2 1 2 定位剪的工作原理 在自动方式下 按下自动起动按钮 开卷电机 D1 和喂料电机 D2 通电运转 把钢板送入剪切处 且同时飞轮电机 D3 也开始通电运转 给剪刀提供势能 此时 通过光电编码器 PL 测量钢板长度 即 mm 发射一个脉冲 为了保证钢板剪切的长度 达到设计要求 在钢板达到 145 mm 前保持高速旋转 使钢板快速接近剪切处 达到 145 mm 后 其变为低速运转 当钢板长度达到设定值 150 mm 时 开卷电机 D1 和喂 料电机 D2 停止 同时电磁离合器 DT 得电吸合 剪刀落下进行剪板 当剪刀落下时 4K 行程开关压合 电磁离合器 DT 失电剪刀回到原位 即重新抬起 同时开卷电机 图 2 1 定位剪生产线结构示意图 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 4 D1 和喂料电机 D2 通电旋转 再把钢板向前送入剪切处进行剪切 当剪切的钢板数达 到预定张数 50 张时 此时开卷电机 D1 和喂料电机 D2 停转 同时电磁离合器 DT 也 失电 使剪刀回到原位 即重新抬起 运料小车 D4 运转使小车向右运行 当运行到 位时压合行程开关 2K 小车电机 D4 停止运转 同时小车上轨道电机 D5 通电运转 把 其上面的钢板向右传输到下一个工序的料道台上 当钢板通过该平台时压合行程开 关 3K 使小车上轨道电机 D5 停止运转 同时运料小车电机 D4 得电运转 使小车 向左运行 返回到位后小车压合行程开关 1K 使小车电机 D4 断电停转 小车停止 此时开卷电机 D1 和喂料电机 D2 再次通电旋转 进行下一组剪切动作 如此循环自 动运行 手动方式则是分别对送料 剪切 送料小车左行 送料小车右行 轨道电机运 行设置起动按钮对各个电机进行点动操作以便调试时使用 3 2 2 系统的主要控制要求 1 上电后 检测各部分的工作状态 控制各部分处于初始位置 2 送料 由控制电机控制送料机构 将待剪板料自动传送到位 3 剪切 当剪板料长度达到设定值后由飞轮电动机带动剪刀进行剪切 4 运料小车的运行 包括卸载后自动返回 5 轨道电机将钢板传送到下一个工序的料道台上 6 剪切板料的尺寸确定 自动计数 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 5 第 3 章 系统硬件设计 3 1 PLC 的选型 工艺流程的特点和应用要求是 PLC 选型的主要依据 控制系统中需要 12 个输 入端口 13 个输出端口 其中输出端中有 2 个输出给变频器用以控制电动机的运行 为了保证输出端的 COM 端不会交叉连接 所以选择了 32 点的 I O 点数的 PLC 其 输出不仅要驱动变频器 而且要驱动电磁离合器 属于是既有交流负载 又有直流 负载 所以应选择继电器输出方式 经综合考虑 选择日本三菱公司的 PLC 进行控 制 FX2N系列 PLC 的基本单元见表 3 1 本设计选用的 PLC 型号为 FX2N 32MR FX2N 32MR 速度块功能强 它的基本 指令执行时间高达 0 08us 内置的用户存储器为 8K 步 I O 点最多可扩展到 32 个 并提供多种特殊功能模块或功能扩展板 可实现多轴定位控制 机内有实时钟 每 个 FX2N的基本单元可扩展 8 个特殊单元 通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种 通信和数据链接 如 CC Link AS IPROFIBUS Devieenet 等开放式网络通信 RS 232C RS 422C 和 RS 485 通信 并行链接 计算机链接和 I O 链接 4 表 3 1 FX2N系列 PLC 的基本单元 型 号 继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出 输入点数 输出点数 扩展模块可 DC24V 点 R T 点 用点数 点 FX2N 16MR FX2N 16MT FX2N 16MS 8 8 24 32 FX2N 32MR FX2N 32MT FX2N 32MS 16 16 24 32 FX2N 48MR FX2N 48MT FX2N 48MS 24 24 48 120 FX2N 64MR FX2N 64MT FX2N 64MS 32 32 48 120 FX2N 80MR FX2N 80MT FX2N 80MS 40 40 48 120 FX2N 128MR FX2N 128MT 64 64 48 120 本设计中输入点设置为 12 个 输出点设置为 13 个 为了满足设计的控制要求 选用了 FX2N 32MR 型 其硬件电路如图 3 1 所示 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 6 图 3 1 定位剪 PLC 控制系统硬件接线图 3 2 传感器的设计 传感器是一种检测装置 能感受到被测量的信息 并能将检测感受到的信息 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 以满足信息的传输 处 理 存储 显示 记录和控制等要求 它是实现自动检测和自动控制的首要环 节 5 新技术革命的到 来 世界开始进入信息时代 在利用信息的过程中 首先要 解决的就是 如何获取准确可靠的信息 比如 在现代工业生产尤其是自动化生 产过程中 要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数 使设备工作在 正常状态或最佳状态 并使产品达到最好的质量 可见 传感器是获取自然和 生产领域中信息的主要途径与手段 如果没有众多的优良的传感器 现代化生 产也就失去了基础 显然 要获取大量人类感官无法直接获取的信息 没有相适应的传感器是不 可能的 许多基础科学研究的障碍 首先就在于对象信息的获取存在困难 而一 些新机理和高灵敏度 的检测传感器的出现 往往会导致该领域内的突破 一些传 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 7 感器的发展 往往是一些边缘学科开发的先驱 3 2 1 光电编码器的设计 3 2 1 1 光电编码器的原理 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数 字量的传感器 这是目前应用最多的传感器 光电编码器是由光栅盘和光电检测装 置组成 光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔 由于光电码盘 与电动机同轴 电动机旋转时 光栅盘与电动机同速旋转 经发光二极管等电子元 件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号 6 其原理示意图如图 3 2 所示 通过计 算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速 图 3 2 光电编码器的原理图 3 2 1 2 光电编码器的选型 在光电编码器的使用过程中 对于其技术规格通常会提出不同的要求 其中最 关键的就是它的分辨率 精度 输出信号的稳定性 响应频率 信号输出形式 1 分辨率 光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基 本周期数来表示的 即脉冲数 转 PPR 根据不同的应用对象 可选择分辨率通 常在 500 6000PPR 的增量式光电编码器 2 精度 精度是一种度量在所选定的分辨率范围内 确定任一脉冲相对另一 脉冲位置的能力 3 输出信号的稳定性 编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下 保 持规定精度的能力 影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成 的漂移 外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化 4 响应频率 编码器输出的响应频率取决于光电检测器件 电子处理线路的 响应速度 5 信号输出形式 推挽式输出方式由上下两个 NPN 型的三极管组成 当其 中一个三极管导通时 另外一个三极管则关断 电流通过输出侧的两个晶体管向两 个方向 流入 并始终输出电流 因此它阻抗低 而且不太受噪声和变形波的影响 主要应 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 8 用领域有自动化设备 切割机械 印刷机械 包装机械和针织机械等 下表 3 2 是 EPC 755A 型光电编码器的主要参数 表 3 2 EPC 755A 型光电编码器的主要参数 主要参数参数说明 输入电压0 70 和 0 85 时为 4 75 28 0VDC 0 100 时为 4 75 24 0VDC 输入电流最大无负载电流为 100mA 输入波动在 0 100KHz 时 峰 峰之间为 100mV 输出波形增量式 正交输出 当转轴顺时针旋转时 A 通道的方波领先 B 通道 输出电路推挽输出每通道最大驱动电流 20mA 基准脉冲每转一周输出一个脉冲 频率响应标准 10KHz 可选高达 1MHz 抗干扰性经 IEC 801 3 测试 符合欧洲标准 分辨率 1 10000PPR 精度 200 1999 PPR 0 017 1 0 弧度分 之内 机械角度 2000 3000 PPR 0 01 0 6 弧度分 之内 机械角度 3000 PPR 以上另附加插值误差 0 005 机械角度 3 2 2 位置传感器的设计 位置传感器也叫位移传感器 直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转 换成电信号 为了达到这一效果 通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位 通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值 传感器滑轨连接稳态直流电压 允许 流过微安培的小电流 滑片和始端之间的电压 与滑片移动的长度成正比 将传感 器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求 因为由温度变化引起的 阻值变化不会影响到测量结果 位置传感器的选型原则主要应从以下几个方面来考虑 1 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 2 灵敏度的选择 3 频率响应特性 4 线性范围 5 稳定性 6 测量精度 根据具体的测量工作 至少应从以上六个方面综合考虑 以选择最合适的位置 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 9 传感器 本设计所选位置传感器为 LT 系列直线位移传感器 其主要参数如表 3 3 所示 表 3 3 LT 系列直线位移传感器主要参数 主要参数参数说明 有效电气行程 C E U 50 100 130 150 175 200 225 275 300 375 400 独立线性 C E U 范围之内 0 05 位移速度标准 5m s 可选择 10m s 位移力 2N IP60 10N IP65 振动 5 2000Hz Amax 0 75mm amax 20g 冲击50g 11ms 工作加速度 200m s2 max 20g 电阻公差 20 推荐指针电流 0 1 A 最大指针电流 10mA 最大应用电压 60V 损耗 40 在 120 时为 0W 3W 电阻的温度系数 200 200ppm 输出电压的实际温度系数 1 5ppm 工作温度范围 30 100 3 3 电磁离合器的设计 3 3 1 电磁离合器的简介 基本原理 线圈通电时产生磁力吸合 衔铁 片 离合器处于接合状态 线圈 断电时 衔铁 弹回 离合器处于分离状态 应用场合 适用于机床 包装 印刷等高频动作的机械传动系统 可在主动部 分运转的情况下 使从动部分与主动部分结合或分离 特点 1 高速响应 扭力的传达很快 可以达到便捷的动作 2 耐久性强 散热情况良好 而且使用了高级的材料 即使是高频率 高能 量的使用 也十分耐用 3 组装维护容易 属于滚珠轴承内藏的磁场线圈静止形 所以不需要中芯取 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 10 出也不必利用碳刷 使用简单 4 动作结实 使用板状弹片 虽有强烈震动亦不会产生松动 耐久性佳 3 3 2 电磁离合器的选型 综合定位剪生产线的需要和电磁离合器的特点 选择 DLD1 10 型干式单片电磁 离合器 其主要参数见表 3 4 表 3 4 DLD1 10 干式单片电磁离合器的主要参数 型号电压 V功率 W扭矩 N m最高转速 rpm DLD1 10DC220451005000 3 4 变频器设计 3 4 1 变频调速原理 由电机学原理可知电动机转速表达式为 n 60f 1 s p 3 1 式中 n 为电机转速 r min f 为电源频率 p 为电机定子绕组的极对数 s 为转差率 从上式可看出 在电机定子绕组的极对数 p 及转差率 s 恒定的前提下 电机转 速与频率 f 成正比 即只要调节频率 f 则可改变电机的转速 3 4 2 变频器的选型 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压 频率固定不变的交流电变成 电压 频率都可调的交流电源的控制装置 变频器集成了 高压大功率晶体管技术 和电子控制技术 得到广泛应用 变频器的出现 使得复杂的调速控制简单化 用变频器和三相异步电动机组合替代了大部分原先只能用 直流电机完成的工作 能实现对交流异步电机的软起动 变频调速 提高运转 精度 改变功率因素 过流 过压 过载保护等功能 由于 PLC 选用 FX2N 32MR 为达到更好的工作性能 变频器也选择三菱 FR E500 型 FR E500 型变频器是一款小型高性能通用型变频器 采用磁通矢量控制可 以实现 1Hz 运行 150 转矩输出 内置 RS 485 通信接口 柔性 PWM 实现低噪音运 行 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 11 变频器运行频率的设置方式有两种 第一种是固定变频器端口频率法 即选通 不同端口输出不同频率的方式使用变频器 这样使用的好处是连线简单 无须使用 复杂的软件 但缺点却是无法任意更改设置 灵活性差 第二种是应用 FR E500 自 带支持 USS 协议 通用串行接口协议 的通讯模块 使用 USS 协议 可以在上位 机中通过软件设置变频器的输出频率 实时地在线更新设置 改变输出频率 其相 应缺点是导致 PLC 程序十分复杂 而且通过 USS 协议设置频率的速度比第一种方 法慢 考虑到在本文设计的系统中 PLC 的输出点相对较少 连线数目不多 从系统 稳定性和实时性的角度考虑 采用第一种方式更合理 根据变频器 FR E500 的技术规格 小车送料的端口分配如表 3 5 所示 7 表 3 5 小车送料模块用变频器端口分配表 变频器端口端口作用 L1 与三相动力电源中 L1 相连 L2 与三相动力电源中 L2 相连 L3 与三相动力电源中 L3 相连 STF 左行设置端口 STR 右行设置端口 SD 公共输入端 与 PLC 的 COM 端相连 2 频率设定端 5 模拟信号输入端 接地 U 与电动机 U 相相连 V 与电动机 V 相相连 W 与电动机 W 相相连 3 5 电动机的设计 3 5 1 电动机的基本常识及选择依据 3 5 1 1 电动机的基本常识 小型三相异步电动机 通常包括 H80 315MM 的电机 其产量大 用途广 在 电网的总负荷中 它的用电量为 40 左右 六十年代初流行的为 JO2 系列电动机 该系列电机的功率等级 安装尺寸与国际市场上的通用标准不同 另外该电机启动 转矩较低和缺乏噪声控制指标 因此现在我国使用的电机为 Y 系列电机 该电机坚 固耐用 安全可靠因此使用范围越来越广 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 12 3 5 1 2 正确选择电动机的基本依据 1 根据电源电压 使用条件 拖动对象选择电动机 要求电源电压与电动机 额定电压相符 2 根据安装地点和工作环境选择不同型式的电动机 3 根据容量 效率 功率因数 转数选择电动机 如果容量选择过小 就会 发生长期过载现象 影响电动机寿命甚至烧毁 如果容量选择过大 电动机的输出机械功率不能充分利用 功率因数也不高 因为电动机的功率因数和效率是随着负载变化的 8 3 5 2 电动机的选型 3 5 2 1 开卷电机的选型 开卷电机用于将冷轧钢卷板 热轧卷板 不锈钢卷板 镀锌钢卷板等开卷校平 以便于剪切成各种规格的定尺板材 适于不锈钢制品 电器 车辆和机械制造等行 业 开卷电机有很多加工参数 1 材料厚度 每台开卷电机都有加工厚度的上下限 超过了会造成剪切 不良 甚至对刀具造成损伤 2 材料重量 一般都是有个上限的 如果钢卷超重 上料小车无法运作 3 材料宽度 一般都有上下限 超上限则无法 开卷 超下限则无法对中 4 材料内外径 一般都有上下限 超过则无法 剪切 5 加工速度 主要影响加工效率 了解清楚这些加工参数 才能判断 开卷电机的加工能力 故选择了 MTC 200 型电动机 其主要参数见表 3 6 3 5 2 2 喂料电机的选型 在定位剪生产线中 板材定长控制的速度和精度是生产线的重要指标 在生产 速度和精度要求较高的定位剪切生产线中 我们采用双速电机 ZDD31 4 16 实现板 材的定长控制 双速电动机属于异步电动机变极调速 是通过改变定子绕组的连接方法达到 改变定子旋转磁场磁极对数 从而改变电动机的转速 通常采用 电动机在 YY 接法下高速运行 在 接法下低速运行的方法 这样既保证了剪切精度又 大大 降低了成产成本 提高了定位剪生产线的性能价格比 ZDD31 4 16 型双速电机的主 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 13 要参数如表 3 7 所示 表 3 6 MTC 200 型电动及主要参数表 3 7 ZDD31 4 16 型双速电机的主要参数 3 5 2 3 飞轮电机的选型 飞轮电机指利用电动机带动飞轮高速旋转 将电能转化成机械能提供给剪刀 使剪刀剪切钢板 因此所需电动机通常是具有较大功率的三相电动机 所选 Y2 200L 4 型电动机的主要参数如表 3 8 所示 3 5 2 4 送料小车电动机的选型 送料小车进行送料是定位剪生产线的一个重要环节 送料小车性能的好坏直接 关系到控制性能的好坏 送料小车能否正常正反转运行 工作效率的高低是选择送 料小车电机的重要依据 综合以上因素选择了 Y2 80M2 4 型电动机 其主要参数见 表 3 9 表 3 8 Y2 200L 4 型电动机的主要参数 表 3 9 Y2 80M2 4 型电动机的主要参数 3 5 2 5 轨道电机的选型 主要参数参数说明 型号 MTC 200 材料最大宽度 mm 200 材料最大厚度 mm 2 材料内径 mm 450 530 材料外径 mm 1200 材料最大重量 kg 2000 速度 m min 15 功率 kW 3 5 主要参数参数说明 型号 ZDD31 4 16 额定功率 kW4 5 1 5 额定电流 A 12 1 12 1 转速 r min 1400 290 效率 85 45 最大转矩 N m 3 0 1 8 起动转矩 N m 3 0 1 8 起动电流 A 90 20 主要参数参数说明 型号 Y2 200L 4 额定功率 kW 30 额定电流 A 57 6 额定电压 V 380 转速 r min 1470 效率 92 最大转矩 N m 2 3 堵转电流 A 7 2 主要参数参数说明 型号 Y2 80M2 4 额定功率 kW 1 1 额定电压 V 380 转速 r min 1390 极数 4 效率 73 最大转矩 N m 2 3 堵转电流 A 6 0 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 14 由于轨道电机是将小车卸下的钢板运送到下一道工序的料道台上 只是不需要 正反转而已 故选择的电机型号为 Y2 100L 6 其主要参数参见表 3 10 3 6 剪切刀的选型 根据工艺生产要求 剪切刀的最大张口 刀口长度 每分钟剪次数等参数是 选择剪切刀的主要依据 下表 3 11 是 Q43 630 型剪切刀的主要参数 3 7 位置开关的设计 3 7 1 位置开关的简介 位置开关 又称限位开关 是一种常用的小电流主令电器 利用生产机械运动 部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路 达到一定的控制目的 通常 这类开关被用来限制机械运动的位置或行程 使运动机械按一定位置或行程自动停 止 反向运动 变速运动或自动往返运动等 在电气控制系统中 位置开关的作用 是实现顺序控制 定位控制和位置状态的检测 用于控制机械设备的行程及限位保 护 由操作头 触点系统和外壳组成 在实际生产中 将行程开关安装在预先安排 的位置 当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时 行程开关的触点动作 实现电路的切换 因此 行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电 器 3 7 2 直动式行程开关的选型 直动式行程开关结构见图 3 3 1 推杆 2 弹簧 3 动断触点 4 弹簧 5 动合触 点 主要参数参数说明 型号 Q43 630 最大剪刀力 ton63 最大压力 ton 12 最大张口 mm 200 刀口长度 mm 400 每分钟剪切次数 8 20 操作方式手动 自动操作 主要参数参数说明 型号 Y2 100L 6 额定功率 kW 1 5 额定电流 A 3 94 额定电压 V 380 转速 r min 920 效率 76 最大转矩 N m 2 1 堵转电流 A 5 5 表 3 11 Q43 630 型剪切刀的主要参数表 3 10 Y2 100L 6 型电动机的主要参数 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 15 动作原理 与按钮类似 所不同的是 一个是手动 另一个则由运动部件的撞 块碰撞 当运动机械的挡铁撞到行程开关的顶杆 1 时 顶杆受压触动使常闭触头 3 断开 常开触头 5 闭合 顶杆上的挡铁移走后 顶杆在弹簧 2 作用下复位 各触头 回至原始通断状态 需要注意的是 其触点的分合速度取决于生产机械的运行速度 不宜用于速度低于 0 4m min 的场所 图 3 3 直动式行程开关结构示意图 本设计所选位置开关为 DPS21 直动式位置开关 其特点是防潮密封 可过行程 回差小 无源工作 DPS21 直动式位置开关具体型号参照表见表 3 12 表 3 12 位置开关选型参照表 3 8 电气控制的设计 3 8 1 主回路电路图 电气控制技术是随着科学技术的不断发展 生产工艺不断提出新的要求而得到 迅速发展的 从最早的手动控制到自动控制 从简单的控制设备到复杂的控制设备 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 16 从易触电的硬接线继电控制系统发展到以计算机系统为中心的软件控制系统 现代 电气控制技术综合应用了计数机 自动控制 电子技术 精密测量等许多先进的科 学技术成果 作为生产机械动力的电机拖动 已有最早的采用成组拖动方式 单独拖动方式 生产机械的不同运动部件分别由不同的电机拖动的方式 发展成今天无论是自动 化功能还是生产安全性方面都相当完善的电气自动化系统 继电器接触式控制系统主要由继电器 接触器 按钮 行程开关等组成 其控 制方式是断续的 所以又称为断续控制系统 由于这种系统具有结构简单 价格低 廉 维护容易 抗干扰能力强等优点 至今仍是机床和其它许多机械设备广泛采用 的基本电气控制形式 也是学习更先进电气控制系统的基础 这种控制系统的缺点 是采用固定接线方式 灵活性差 触电易损坏 可靠性差 工作效率较低 此次设计主要是针对开卷电动机 D1 喂料电动机 D2 飞轮电动机 D3 送料小 车电动机 D4 轨道电动机 D5 五台电动机电机进行电气控制 如图 3 4 所示 图 3 主回路电路图 3 8 2 主回路的分析 如图 3 4 所示 开卷电机 D1 通过接触器 KM0 来控制电机的运行和停止 通过 熔断器 FU1 和热继电器 FR1 对电路进行短路和过载保护 喂料电机 D2 为双速电机要实现高速 低速运行则须接成图 3 4 所示电路的三角 形与双星连接法 9 当接触器 KM1 KM2 接通时 D2 的整个电路接成双星形接法 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 17 使电机高速运转 当接触器 KM3 接通时 整个电路接成三角形接法 使电机低速 运转 在板料达到 145 mm 前保持高速旋转 达到 145 mm 后 为了保证剪切精度使 其变为低速运转 同时通过熔断器 FU2 和热继电器 FR2 FR3 对电路进行短路和过 载保护 当板料达到设定长度时 喂料电机停止运行 飞轮电机 D3 由于其功率较大 通常采用 Y 起动方式 要实现 Y 起动 则需接成图 3 4 所示电路 当接触器 KM4 和 KM6 接通时 D3 电机 Y 形起动 延 时 30 秒后 KM6 断开 接触器 KM4 KM5 接通 D3 电机 运行 Y 起动的优 点是 Y 形起动电流只是原来 起动电流的 1 3 因此 起动电流特性好 从而减少 了起动电流对电网的影响 并且通过熔断器 FU3 和热继电器 FR4 FR5 对电路进行 短路和过载保护 电磁离合器 DT 为剪切刀的制动抱闸 当剪刀剪下板料时 4K 行 程开关压合 电磁离合器 DT 失电 飞轮电机停止运行 剪刀回到原位 送料小车电机 D4 要实现左行右行的功能 要按照图 3 4 所示接法 通过电机的 正 反转来实现 当接触器 KM8 接通时电机正转 小车左行 当接触器 KM9 接通 时电机反转 小车右行 为了保证小车能够平稳停车 采用了变频器对其转速进行 控制 当小车将要到达左右极限位置时 是小车缓慢行驶 同时通过熔断器 FU4 和 热继电器 FR6 对电路进行短路和过载保护 轨道电机 D5 通过接触器 KM10 得电来控制电机的运行 当板料通过下一道工 序料道台时压合行程开关 3K 使接触器 KM10 失电 电动机停止 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 18 第 4 章 可编程控制器及顺序控制 4 1 可编程控制器 4 1 1 可编程控制器的简介 PLC Programmable Logic Controller 是可编程逻辑控制器的缩写 它是一 种以微处理器为核心 综合了计算机技术 电器控制技术 自动控制技术和通讯技 术而发展起来的一种新型 通用的自动控制装置 由 CPU 中央处理单元 存储 器 输人输出模块 可编程器和电源五大部分组成 它的 CPU 采取扫描方式工作 每一次扫描完成以下工作 1 将现场的开关量输人信号和数据分别读人输人映像寄存器和数据寄存器 2 逐条读人后解释用户程序 产生相应控制信号去控制相关电路 完成数据 存取 传送和处理工作 并根据运算结果更新各个相关寄存器内容 3 将输出映像寄存器的内容送给输出模块 去控制外部负载 4 1 2 可编程控制器应用领域 经过几十年的工业应用 PLC 特点已越来越为广大业界人士认识和接受 使得 PLC 迅速渗透到工业控制的各领域 包括从单机到工厂自动化 从机器人 柔性制 造系统到工业局部网络等等 仔细来分 PLC 大致有如下几个应用领域 10 1 开关量的逻辑控制 PLC 取代了传统的继电器控制系统 实现逻辑控制 2 运动控制 PLC 可用于对直线运动或圆周运动的控制 PLC 的运动控制功 能广泛地用于各种机械 3 闭环过程控制 PLC 对温度 压力 流量等连续变化的模拟量的闭环控制 应用十分广泛 4 数据处理 现代 PLC 具有数学运算 数据传递 转换 排序和查表 位操 作等功能 可以完成数据采集 分析和处理 数据处理一般用在大 中型控制系统 如柔性制造系统 过程控制系统等 5 机器人控制 现在许多机器人制造公司选用 PLC 作为机器人控制器来控制 各种机械动作 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 19 4 1 3 可编程控制器发展现状及发展趋势 目前 全世界约有 PLC 生产厂家约 200 家 生产 300 多个品种 随着 PLC 与 IPC DCS 集成 PLC 逐渐成为占自动化装置及过程控制系统最大市场份额的产品 在全球 PLC 制造商中 根据美国 Automation Research Corp ARC 调查 世界 PLC 领导厂家的五霸为 Siemens 西门子 公司 A