移动加液车液体加注系统设计毕业答辩论文.doc

I 移动加液车液体加注系统设计 摘摘 要要 随着工业自动化的普及和发展 控制器的需求量逐年增大提出了一种基于 PLC 对 多种液体 实现转存加注的监控和操控的控制系统设计思路 加液车是一种液体转存 过程中使用的专用车辆 常用于液体运输过程中的加注作业阶段 完成对液体的抽取 和转存目的 课题要求设计一套装置 将液体输送至目标区域 操作简便 可靠 具 备一定的安全警示功能 提高了液体转存 加注及液体运输的自动化程度和生产效率 通过可编程控制器 西门子 S7 200 控制两台直流电机实现机构在水平面内 360 旋 转 竖直面内 90 的展开与收起 并且实现对加液车各个泵 电机 液位的监视和控 制 统一在触摸屏人机界面上进行显示和操作 同时设计操作面板 实现手动操作 提供必要的警示功能 另外 为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性 系统还 采用了多种传感器对系统的关键环节进行保护 通过系统调试 该系统能够准确 高 效 可靠及操作方便 在现代工业中 生产过程的机械化 自动化已成为突出的主题 随着工业现代化的进一步发展 自动化已经成为现代企业中的重要支柱 无人车间 无人 生产流水线等等 已经随处可见 同时 现代生产中 存在着各种各样的生产环境 如高温 放射性 有毒气体 有害气体场合以及水下作业等 这些恶劣的生产环境不 利于人工进行操作 所有 本次设计是非常有必要的 关键字 关键字 加液车 编程控制器 人机界面 警示功能 系统设计 II To move the liquid filling liquid vehicle system design Abstract With the popularization and development of industrial automation the controller increases the demand for year proposed a PLC based on a variety of liquid fluid filling dump achieve monitoring and control of the control system design ideas plus liquid vehicle is special vehicles used during dump commonly used in the process of filling liquid transport session complete liquid extraction and dump purposes subject to design a device the liquid delivered to the target area easy to operate reliable have some security warning Improved liquid dump filling and degree of automation and productivity liquid transport Through the programmable controller Siemens S7 200 control two DC motors to achieve 360 rotating bodies in the horizontal plane the vertical plane by 90 expanded and retracted And add liquid vehicle to achieve the various pumps motors level of monitoring and control unified on the touch screen display and operation while the design control panel for manual operation to provide the necessary warning In addition to ensure the stability and reliability of the control system operation the system also uses a variety of sensors to protect key aspects of the system Debugging through the system the system is able to accurately and efficiently reliable and easy to operate In modern industry the production process of mechanization and automation has become a prominent theme With the further development of industrial modernization automation has become an important pillar of the modern enterprise no shop no production lines etc have been everywhere Meanwhile modern production there is a wide variety of production environments such as high temperature Radioactive toxic gases harmful gases occasions and underwater operations these harsh production environment is not conducive to manual operation All this design is very necessary Keywords Add liquid vehicles programmable controllers HMI warning function system design III 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪 论 1 1 1 国内外技术现状及发展趋势 1 1 2 移动加液车液体加注系统设计的意义 1 1 3 方案讨论 2 1 3 1 动力系统及机械机构 2 1 3 2 电气控制系统 2 1 4 主要任务 3 2 机构设计 4 2 1 执行机构结构形式选择 4 2 2 机械结构设计 6 2 2 1 底座设计 7 2 2 2 支架设计 7 2 2 3 夹具设计 8 2 2 4 电机的选择与计算 9 3 控制系统设计 12 3 1 可编程序控制器 12 3 1 1 PLC 的介绍 12 3 1 2 可编程序的控制类型 12 3 1 3 PLC 的特点 12 3 1 4 PLC 的工作原理 13 3 2 PLC 系统设计 15 3 2 1 PLC 的 I O 口分配 15 3 2 2 PLC 的 I O 接线图 16 3 3 电机控制部分 18 3 3 1 电动机的启动方式及其比较 18 3 4 编码器的选型 22 3 4 1 编码器信号输出形式 23 3 4 2 编码器的应用 24 4 人机界面 HMI 设计 25 4 1 触摸屏概述 25 IV 4 2 EasyBuilder8000 25 4 2 1 功能介绍 EB8000 25 5 总结与展望 29 致 谢 30 参 考 文 献 31 1 移动加液车液体加注系统设计 1 绪 论 1 1 国内外技术现状及发展趋势 经过长时间的发展 我国工程机械行业已具备了相当的规模和技术水平 能生产 出接近和达到国际领先水平的产品 并出现了在国际上享有一定知名度的品牌 行业 基本形成了一个完整的体系 除特种大型的工程机械外 能够生产国内工程建设所需 要的二十大类产品 280 多个系列 1700 多个品种 4000 多个规格 2013 年 工程机 械出口一路高歌 极大地提振了行业信心 龙头企业徐工国际化进程逆势提速 出口 额五年来累计达 42 2 亿美元 出口规模保持国内行业第一 成为中国制造 走出去 的标杆 目前 我国已超越美国 日本 欧洲成为全球最大的工程机械市场 这对投资者 来说意味着良好的投资机会 大规模的基础设施建设 国家战略性新兴产业的发展等 都将直接带动工程机械市场继续发展 随着国内经济发展 很多城市兴建楼房 基础设施 工程机械需求量很大 还有 很多发展中国家 由于国内不能够满足需求也需要从国外进口 这样就给我们创造了 很多机会 国内的的工程机械一直都以廉价 实用 以及售后服务赢得国外市场 这 样的产品对他们来说也是合适的选择 1 2 移动加液车液体加注系统设计的意义 移动加液车是实现液体转存和抽取 将原料输送到目标区域 所以加注系统设计 显得的尤为重要 步进电机可以实现加液炮臂在平面内 90 度展开 收起 整体应用 PLC S7 200 控制 并且对液车各个泵 电机 液位的监控和控制 统一在触摸屏人 机界面 EB8000 上进行显示和操作 同时设计操作面板 实现手动操作 提供必要 的警示功能 本课题移动加液车设计一套液体加注系统 题目是一个综合性的设计课 题 对学生的要求很全面 通过本次环节很好的把教学与实践相结合 是一次综合性的大检验 培养学生的 实践能力 培养学生新产品的开发能力 以及熟练掌握文献检索 写作能力 沟通能 力 2 大学毕业设计说明书 1 3 方案讨论 1 3 1 动力系统及机械机构 图 1 1 机械结构 1 机械机构 可用电瓶直接驱动辅助液压泵收起加液炮臂 保证各运动件工作 灵活 按要求配置旋转轴固定座 旋转轴 固定座 销轴等 加液炮臂收回后要有固 定架 所有结构做防锈处理 2 液压系统 动力单元包括 直流电机 泵 溢流阀 电磁换向阀 阀块 限位开关 油箱 4L 等 油缸 参考尺寸 50 350mm 管路 软管 管夹 接头 等 应提供各液压泵 液压缸制造商全称 国别 品牌 型号 详细参数 厂 址的说明 3 加液炮臂结构 已知参考数据 加液炮臂总长 5 米 前部 4 米 后部 1 米 不锈钢管采用 89 3 4 操作控制采用 触摸屏控制 置于驾驶员侧设备厢内 1 3 2 电气控制系统 控制系统 整车控制系统采取 PLC 触摸屏控制 在车体一侧设置触摸屏控制面板 控制面板上需提供照明装置 其中包括发电机组控制和整个动力控制面板 实现整车 所有功能全触摸屏控制功能 并配置手动控制功能 且能实现触摸控制及手动控制切 换 控制面板尺寸 400 宽 700 高 参考尺寸 颜色 白色 1 液压控制 利用 24V 电瓶电源 可以开启电磁换向阀 溢流阀 液压泵 油缸工作 可以进行加液炮臂展开及收起 液压控制应采用直流接触器 3 移动加液车液体加注系统设计 2 照明控制 利用 24V 电瓶电源 触摸屏上界面切换至照明控制 在车头 车尾和最高点设有黄色警示灯和示宽灯用于夜间安全警示 在人工操作部分安装防爆 照明灯 一用一备 用于夜间工作照明配 前后设备厢安装照明灯 3 发电机控制 发电机厂家提供 控制厢面板放置在驾驶员侧设备厢内 固定之 安装电瓶开关 4 液位报警显示及控制 具有液位数显 高低液位报警 消音功能 液位显 示仪表 报警器 消音按钮 液位计厂家提供 液压控制厂家安装在控制柜上 避免 泵空转或液体溢出 5 5 台泵的控制 加液泵 ISGB80 20 I A 功率为 7 5kw 2 台 进液泵 KCB 483 3 功率为 7 5 kw 3 台 每台泵配置 启停按钮 运行故障指示灯 必须有空开 交流接触器 热继 6 电磁阀的控制 打开 关闭除冰液管路上电磁阀 2 台 24V 7 安装雷达和倒车影像系统 摄像头必须高清 防水 防雾并带夜视功能 监视屏放置在驾驶室 1 4 主要任务 1 查阅资料并整理 提出测量仪机械结构方案 同时完成开题报告 2 提出系统控制方案 选定主控系统类型 设计加液操作的炮臂伺服控制方 案 实现对加液车各个泵 电机 液位的监视和控制 3 触摸屏并且在人机界面上进行显示和操作 同时设计操作面板 实现手动 操作 提供必要的警示功能 5 完成设计图纸 撰写 1 5 万字的说明书 翻译 3000 字的专业技术文章 4 大学毕业设计说明书 2 机构设计 2 1 执行机构结构形式选择 按照设计要求 加液炮臂需满足 360 旋转 且需设计固定架 为保证加液炮臂完 成加液操作 加液炮臂需满足升降功能 加液炮臂可能的形式很多 按照坐标形式分类 可分为直角坐标式 圆柱坐标式 球坐标式和关节式 下面对加液炮臂可能的形式进行简单的对比 1 直角坐标式结构 直角坐标式可满足加液炮臂的上升下降 前移后移和左移右移 可以向 X Y Z 三个方向运动 但是不能实现加液炮臂的旋转 不满足设计要求 图 2 1 直角坐标 2 圆柱坐标式结构 圆柱坐标式结构允许加液炮臂的旋转 上升下降 即可以绕 Z 轴旋转 沿 Z 轴运 动 满足设计要求 图 2 2 圆柱坐标 3 球坐标式结构 0 球坐标式结构允许加液炮臂绕 X Y Z 轴旋转 满足设计要求 5 移动加液车液体加注系统设计 图 2 3 球坐标 4 关节坐标式结构 综上所述 满足要求的结构形式为圆柱坐标式结构和球坐标式结构 考虑到加液 炮臂前端有一根用于加注操作的软管 所以加液炮臂的升降没有很高的精度要求 球 状式结构设计更为简单便捷 根据实际需求 本次设计只需用到球状坐标的 Z 轴正半 轴以上空间 且加液炮臂不允许向上抬升至 90 本次设计设定最大仰角 60 图 2 4 关节坐标 2 2 机械结构设计 根据设计要求 在水平面内适用于 360 加液炮臂旋转的展开 收起操作控制 在 竖直面内可以 90 内旋转 加液炮臂总长 5 米 前部 4 米 后部 1 米 采用 89 不锈 钢管 6 大学毕业设计说明书 图 2 5 机械结构 1 如图所示 炮臂的在水平面内 360 旋转是通过安装在水平面内的齿轮来实 现的 图 2 6 360 旋转示意图 2 如图所示 炮臂在竖直面内 90 展开与收起是通过竖直面的涡轮实现 图 2 7 竖直面 90 展开与收起 7 移动加液车液体加注系统设计 2 2 1 底座设计 机构底座是承载机构所有重量的基础 它对强度 稳定性 可加工性要求很严格 一个机构的底座主要实现支撑功能 这也涉及到整体设计的布局和结构 另外机座还 要求有足够大的安装基面 以保证机构工作时的稳定行 图 2 8 底座 2 2 2 支架设计 支架主要实现整体机构的 360 旋转和支撑水平轴 360 旋转是通过安装在支架 轴上的齿轮连接直流电机来实现 支架通过两个推力轴承安装在底座内 可以满足设 计要求 8 大学毕业设计说明书 图 2 9 支架 2 2 3 夹具设计 夹具安装在支架内 通过一个缩紧套夹住炮臂来在竖直面内展开与收起 它的动 力是通过安装在夹具轴上的一个涡轮来提供 图 2 10 夹具 自锁机构 自锁是如果作用于物体的主动力的合力 Q 的作用线在摩擦角之内 则无论这个力 怎样大 总有一个全反力 R 与之平衡 物体保持静止 反之 如果主动力的合力 Q 的 作用线在磨擦角之外 则无论这个力多么小 物体也不可能保持平衡 这种与力大小 无关而与摩擦角有关的平衡条件称为自锁条件 物体在这种条件下的平衡现象称之自 锁现象 蜗轮减速机特点与自锁功能的应用 9 移动加液车液体加注系统设计 图 2 11 蜗轮蜗杆 实际上蜗轮减速机就是蜗轮蜗杆减速器 因为蜗轮与蜗杆在减速器的应用当中都 是成对出现的 减速器中有一个蜗杆就一定会有一个蜗轮 因此蜗轮减速器只是人们 对蜗轮蜗杆减速器的一种口语化叫法 但通常大家更喜欢把蜗轮蜗杆减速器称为蜗轮 蜗杆减速机 或者说蜗轮蜗杆减速机是更通用的一种叫法 简单介绍一下蜗轮及蜗杆机构的特点 蜗轮蜗杆可以得到很大的传动比 比交错轴斜齿轮机构紧凑 两轮啮合齿面间为 线接触 其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构 蜗杆传动相当于螺旋传动 为多齿啮 合传动 故传动平稳 噪音很小 具有自锁性 当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时 机构具有自锁性 可实现反向自锁 即只能由蜗杆带动蜗轮 而不能由蜗轮带动蜗杆 如在其重机械中 使用的自锁蜗杆机构 其反向自锁性可起安全保护作用 传动效率较低 磨损较严重 蜗轮蜗杆啮合传动时 啮合轮齿间的相对滑动速度 大 故摩擦损耗大 效率低 另一方面 相对滑动速度大使齿面磨损严重 发热严重 为了散热和减小磨损 常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润 滑装置 因而成本较高 蜗杆轴向力较大 蜗轮蜗杆减速机自锁功能的应用 在减速机的传动方式中 蜗轮传动具备其他齿轮传动所没有特性 即蜗杆可以轻易转 动蜗轮 但蜗轮无法转动蜗杆 这是因为蜗轮蜗杆的结构和传动是通过摩擦实现的造 成的 蜗轮蜗杆传动方式具有的自锁止功能在机械应用很有用处 比如卷扬机 输送设 备等等 然而也是因为蜗轮蜗杆的摩擦传动方式 也造成了蜗轮蜗杆的传动效率相对 齿轮传动要低很多 10 大学毕业设计说明书 备注 不过要注意的一点是 不是所有的蜗轮减速机都具有很好的自锁功能 蜗 轮的自锁功能要达到一定的速比才能实现 这和导程角有关 即小速比的蜗轮蜗杆自 锁功能就不那么理想 2 2 4 电机的选择与计算 电机选型表中有部分参数需要计算来得到 但是实际计算中许多情况我们都无法 得到确切的机械参数 因此 这里只给出比较简单的计算方法 a 静态力矩 图 2 13 炮臂尺寸 M 炮臂界面 R12 R22 1 R22 2 44 52 432 7 9 432 2 3 26 5 8 9 06kg T 水平轴 M 右 M 左 1 75 9 06 0 5 9 06 11 325Nm 则 Ft2 涡 11 325 200mm 56 625N 根据蜗轮蜗杆公式 传动比 i Z2 Z1 32 1 32 蜗轮蜗杆总效率 1 2 3 0 8 T2 T1i Fa1 Ft2 2T2 D2 得 Ft1 0 22N T 电机 1 Ft1 50mm 0 22 0 05 0 011Nm b 初定炮臂以 0 2m s 涡轮 V r 0 2 0 2 0 04m s 蜗杆 V 0 04 32 1 28m s 则 n V D 1 28 0 05m 8 148r min 图 2 14 蜗轮蜗杆受力分析 c 驱动要求分析 1 估算驱动力矩 由设计要求可知 加液炮臂长 l 5m 不锈钢材质 管口尺寸为 89 3 由 solidworks 质量测量工具测量可知 加液炮臂的质量为 m 31 205kg 当加液炮臂处于 3500m m 500mm 11 移动加液车液体加注系统设计 水平位置时 炮臂对固定架的扭矩达到最大 此时加液炮臂对固定架的扭矩约为 N1 mg L l 31 205 9 8 2 0 5 458N m 2 1 在加液过程中 加液炮臂静止不动 此时炮臂内有加注液体 以液体的密度为水 的密度的 2 倍计算 估算此时的加液炮臂 包括管内液体 的质量为 M 54kg 加液炮 臂对固定架的最大扭矩为 N2 Mg L l 54 9 8 2 0 5 793 8N m 2 2 加液炮臂支撑柱由两个单列圆锥滚子轴承固定 圆锥滚子轴承承受着执行机构的 竖直压力 由于受力方向单一 2 个单列圆锥滚子轴承采用同向安装的形式 驱动执行 机构的水平旋转主要克服圆锥滚子轴承的摩擦力矩 2 估算所需功率 加液炮臂在操作过程中要求低速缓慢的转动 设定升降转动速度为 0 5rmp 约为 0 05rad s 即加液炮臂每秒转动 3 加液炮臂前端每秒升降 0 2m 设定旋转速度为 1 2rmp 约为 0 125rad s 即加液炮臂每秒水平旋转 7 炮臂前端每秒转过的弧度为 0 5m 由公式 3 3 可知 P T 2 3 加液炮臂升降时所需功率 P1 22 9w 根据驱动要求分析 未进行输液时 加液炮臂对固定架支点的最大扭矩约为 458N M 最大静力矩为 793N m 无刷直流电机通过行星齿轮减速器减速输出 并且在 输出轴上安装一个半径为 15mm 的直齿轮 A A 与加液炮臂上固定架上的大直齿轮 B 半径 150mm 连接 减速器输出轴的输出转矩最小为 45 8N m 加液过程中所需 的静力矩为 79 3N m 根据转矩要求 选择减速器型号为 北京和利时 WPNF120 型 减速器 该减速器的额定输入转速为 3000rmp 额定输出转矩为 230NM 最大输出转 矩为额定转矩的两倍 无刷电机的选择型号为 北京和利时 57BL 0730N1 LS B 电机 输出转速为 3000rmp 额定功率为 70W 由于加液炮臂要求缓慢转动 本设计减速器 的减速比为 320 所以输出转速为 9 4rmp 经过大小齿轮再一次减速 加液炮臂的的 转动速度为 1 4rmp 满足缓慢转动的要求 根据转动速率 估算出加液炮臂转动所需 的功率为约 53W 满足加液炮臂的正常工作要求 驱动加液炮臂水平转盘电机同为上 述型号 经测算符合驱动要求 电机的驱动器为和利时公司为电机适配的电机驱动器 驱动器的型号为 BL0408 12 大学毕业设计说明书 3 控制系统设计 3 1 可编程序控制器 3 1 1 PLC 的介绍 可编程序控制器 programmable controller 现在一般简称为 PLC programmable logic controller 它是以微处理器为基础 综合了计算机技术 半导体集成技术 自动控制技术 数字技术 通 信网络技发展起来的一种通用的工业 自动控制装置 以其显著的优点在冶金 化工 交通 电力等领域获得了广泛的应用 成为了现代工业控制三大支柱之一 在可编程序控制器问世以前 工业控制领域中是 继电器控制占主导地位 传统的继电器控制具有结构简单 易于掌握 价格便宜等优 点 在工业生产中应用甚广 但是控制装置体积大 动作速度较慢 耗电较多 功能 少 特别是由于它靠硬件连线构成系统 接线繁杂 当生产工艺或控制对象改变时 原有的接线刻控制盘 柜 就必须随之改变或更换 通用性和灵活性较差 3 1 2 可编程序的控制类型 1 用于逻辑控制 这是 PLC 最基本 也是最广泛的应用方面 用 PLC 取代继电器控制和顺序控制器 控制 例如机床的电气控制 包装机械的控制 自动电梯控制等 2 用于模拟量控制 PLC 通过模拟量 I O 模块 可实现模拟量和数字量之间转换 并对模拟量控制 3 用于机械加工中的数字控制 现代 PLC 具有很强的数据处理功能 它可以与机械加工中的数字控制 NC 及计 算机控制 CNC 紧密结合 实现数字控制 4 用于工业机器人控制 5 用于多层分布式控制系统 高功能的 PLC 具有较强的通信联通能力 可实现 PLC 与 PLC 之间 PLC 与远程 I O 之间 PLC 与上位机之间的通信 从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络 3 1 3 PLC 的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 PLC 能在恶劣的环境如电磁干扰 电源电压波动 机械振动 温度变化等中可靠地 工作 PLC 的平均无故障间隔时间高 日本三菱公司的 F1 系列 PLC 平均无故障时间间 13 移动加液车液体加注系统设计 隔长达 30 万 h 这是一般微机所不能比拟的 2 控制系统构成简单 通用性强 由于 PLC 是采用软件编程来实现控制功能 对同一控制对象 当控制要求改变需 改变控制系统的功能时 不必改变 PLC 的硬件设备 只需相应改变软件程序 3 编程简单 使用 维护方便 4 组合方便 功能强 应用范围广 PLC 既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制 既可用单片机控制 又可用于 组成多级控制系统 既可控制简单系统 又可控制复杂系统 因此 PLC 应用范围很广 5 体积小 重量轻 功耗低 PLC 采用了半导体集成电路 外形尺寸很小 重量轻 同时功耗也很低 空载功耗 约 1 2KW 3 1 4 PLC 的工作原理 可编程序控制器有两种基本的工作状态 即运行 RUN 状态与停止 STOP 状态 在运行状态 可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能 为了 使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号 用户程序不是只执行 一次 而是反复不断地重复执行 直至可编程序控制器停机 或切换到 STOP 工作状态 除了执行用户程序之外 在每次循环过程中 可如上图编程序控制器还要完成 内部处理 通信处理等工作 一次循环可分为 5 个阶段 可编程序控制器的这种周而 复始的循环工作方式称为扫描工作方式 由于计算机执行指令的速度极高 从外部输 入 输出关系来看 处理过程似乎是同时完成的 在内部处理联合阶段 可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常 将监 控定时器复位 以及完成一些别的内部工作 在通信服务阶段 可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信 响应编程 器键入的命令 更新编程器的显示内容 当可编程序控制器处于停止 STOP 状态时 只执行以上的操作 可编程序控制起处于 RUN 状态时 还要完成另外 3 个阶段的操 作 在可编程序控制器的存储器中 设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的 状态 它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器 可编程序控制器梯形图中别 的编程元件也有对应的映像存储区 它们统称为元件映像寄存器 在输入处理阶段 可编程序控制器把所有外部输入电路的接通 断开 ON OFF 状态读入输入寄存器 外接的输入触点电路接通时 对应的输入映像寄存器为 1 状态 梯形图中对应 14 大学毕业设计说明书 的输入继电器的常开触点接通 常闭触点断开 外接的输入触点电路断开 对应的输 入映像寄存器为 0 状态 梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开 常闭触点接 通 在程序执行阶段 即使外部输入信号的状态发生了变化 输入映像寄存器的状态 也不会随之而变 输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读 入 可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成 指令在存储器中按步序号顺序排 列 在没有跳转指令时 CPU 从第一条指令开始 逐条顺序的执行用户程序 直到用户 程序结束之处 在执行指令时 从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编 程元件的 0 1 状态读出来 并根据指令的要求执行相应的逻辑运算 运算结果写入到 对应的元件映像寄存器中 因此 各编程元件的映像寄存器 输入映像寄存器除外 的内容随着程序的执行而变化 在输出处理阶段 CPU 将输出映像寄存器的 0 1 状态 传送到输出锁存器 体型图某一输出继电器的线圈 通电 时 对应的输出映像寄存 器为 1 状态 信号经输出模块隔离 和功率放大后 继电器型输出模块中对应的硬 件继电器的线圈通电 其常开触点闭合 使外部负载通电工作 若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为 0 状态 在输出处理 阶段后 继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电 其常开触点断开 外部 负载断电 停止工作 某一编程元件对应的映像寄存器为 1 状态时 称该编程元件 为 ON 映像寄存器为 0 状态时 称该编程元件为 OFF 扫描周期可编程序控制器 在 RUN 工作状态时 执行一的扫描操作所需的时间称为扫描周期 其典型值为 1 100ms 指令执行所需的时间与用户程序的长短 指令的种类和 CPU 执行指令的速度 有很大的关系 当用户程序较长时 指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例 不 过严格地来说扫描周期还包括自诊断 通信等 图 3 1 扫描过程 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入 I O 映象区 的相应单元内 输入采样结束后 转入用户程序行和输出刷新阶段 在这两个阶段中 即使输入数据和状态发生变化 I O 映象区的相应单元的数据和状态也不会改变 所以 15 移动加液车液体加注系统设计 输入如果是脉冲信号 它的宽度必须大于一个扫描周期 才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 PLC 的 CPU 总是由上而下 从左到右的顺序依次的扫描梯形 图 并对控制线路进行逻辑运算 并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统 RAM 存储 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 例如 算 术运算 数据处理 数据传达等 3 输出刷新阶段 在输出刷新阶段 CPU 按照 I O 映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电 路 再经输出电路驱动响应的外设 这时才是 PLC 真正的输出 4 输入 输出滞后时间 输入 输出滞后时间又称系统响应时间 是指可编程序控制器的外部输入信号发生 变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔 它由输入 电路滤波时间 输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成 输入模块的 CPU 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声 消除因外接输入触点动 作是产生的抖动引起的不良影响 滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短 其典型值为 10ms 左右 输出模块的滞后时间与模块的类型有关 继电器型输出电路的 滞后时间一般在 10ms 左右 双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为 1ms 负载由导通到断开时的最大滞后时间为 10ms 晶体管型输出电路的滞后时间约为 1ms 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期 可编程序控制器总 的响应延迟时间一般只有几十 ms 对于一般的系统是无关紧要的 要求输入 输出信 号之间的滞后时间尽量短的系统 可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他 措施 3 2 PLC 系统设计 根据系统分析选择用 CPU226 AC DC 继电器 24 输入 16 继电器输出 型 PLC 同 时 考虑到 I O 端的分组情况以及隔离与接地要求 增加 10 20 的裕量 另配一个 EM223 24 VDC 数字组合 8 输入 8 输出的扩展模块和一个 EM221 位控模块 3 2 1 PLC 的 I O 口分配 本控制系统的 PLC 的输入 输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制 的现场设备数量加以确定 1 PLC 的输入端口包括自动循环工作按钮 点动按钮 总停按钮等 还包括电 动机的热保护继电器输入 外接电路电磁阀的输入点 伺服驱动器的输入等 16 大学毕业设计说明书 2 PLC 的输出端口包括运行指示灯 继电器 外部接口 伺服电机接口 EM223 EM221 输入等 输入端子 I 输出端子 Q 地址名称注释地址名称注释 I0 0XA 旋转编码器 A Q0 0BG1 首尾指示灯及旋转警示灯 I0 1XB 旋转编码器 B Q0 1BG2 示宽灯 I0 2XZ 旋转编码器 Z Q0 2BG3 触摸屏照明灯 I0 3Q0 3BG4 操作间防爆灯 I0 4Q0 4BG5 操作间备用防爆灯 I0 5Q0 5BG6 前设备箱照明灯 I0 6Q0 6BG7 后设备箱照明灯 I0 7Q0 7BG8 越程报警灯 I1 0SF1 启动 Q1 0KF1 上升完成 I1 1SB1 报警消除 Q1 1KF2 下降完成 I1 2SB2 上升 Q1 2KF3 左旋完成 I1 3SB3 下降 Q1 3KF4 右旋完成 I1 4SB4 左旋转 Q1 4IN1 电机驱动器输入 1 I1 5SB5 右旋转 Q1 5IN2 电机驱动器输入 2 I1 6BG1 上升极限 Q1 6IN3 电机驱动器输入 3 I1 7BG2 下降极限 Q1 7IN4 电机驱动器输入 4 I2 0BG3 左旋极限 Q2 0KF7 加液泵 1 I2 1BG4 右旋极限 Q2 1KF8 加液泵 2 I2 2SB6 复位按钮 Q2 2KF9 进液泵 1 I2 3SF2 警示灯开关 Q2 3KF10 进液泵 2 I2 4SF3 示宽灯开关 Q2 4KF11 进液泵 3 I2 5SF4 触摸屏照明灯开关 Q2 5P1 报警器 I2 6SF5 操作间防爆灯开关 I2 7SF6 备用防爆灯开关 I3 0SF7 前设备箱照明灯 I3 1SF8 后设备箱照明灯 I3 2SF9 加液泵 1 开关 I3 3SF10 加液泵 2 开关 17 移动加液车液体加注系统设计 I3 4SF11 进液泵 1 开关 I3 5SF12 进液泵 2 开关 I3 6SF13 进液泵 3 开关 I3 7SB7 一键完成 表 3 1 I O 分配 移动加液车液体加注系统设计 3 2 2 PLC 的 I O 接线图 PLC 的输入接口 I0 0 I0 2 为旋转编码器 A B C 输入点 I81 0 I1 5 为操作面 板的输入按钮信号 输入点 I1 6 I2 1 为行程开关的输入信号输入点 I2 4 I2 5 为 两个机构接近开关的信号输入点 I2 6 I2 7 为伺服驱动器的报警输入点 I3 0 I3 1 为伺服电机定位完成的信号输入点 PLC 的输出点 Q0 0 Q0 6 为各种灯信 号的输出 Q0 7 Q1 4 输出给外部的信号 来确定机构当前的状态 Q1 5 Q1 7 输出至 驱动电机的电源 Q2 0 Q2 3 输出至定位模块来控制伺服电机的运行停止 Q2 4 Q2 5 接通进液泵 报警器 18 大学毕业设计说明书 图 3 2 I O 分配 19 移动加液车液体加注系统设计 3 3 电机控制部分 3 3 1 电动机的启动方式及其比较 对电动机启动的主要要求有 1 有足够大的启动转矩 2 在满足启动转矩要求的前提下 启动电流越小越好 3 启动平滑 即启动时平滑加速 以减小对生产机械的冲击 4 启动设备安全可靠 力求结构简单 操作方便 5 启动过程中的功率损耗越小越好 一般电动机在启动时 电机定子从电网中取用的电流约为电机额定电流的 5 7 倍 小电机启动后经一两秒钟 随转子转速逐渐升高 电流迅速减小 而大电机要经十几 秒 甚至几十秒后转子才能达到稳定转速 即要到启动结束 电流才降为额定值左右 异步电动机启动电流大 会对使用带来什么问题呢 如果这台电机使用时启动次数 频繁 电机则会由于启动电流的影响而发热严重 会影响电机正常使用寿命 此外 如果所使用的电机启动次数虽然不频繁 当它的容量超过电源变压器容量的 30 时 由于启动电流大 会造成变压器对外供电的输电线上的电压降过大 从而影响接在同 一台变压器上的其他用电设备的工作 因而在启动时必须采取一定的措施 以限制启 动电流不致过大 由于使用电机种类不同 生产情况不同 所以电机启动方法也不同 1 直接启动 全压启动 所谓直接启动就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接接入电源 在 额定电压下启动 如图 2 2 由于直接启动时的启动电流很大 因此 在什么情况下才 允许采用直接启动 有关供电 动力部门都有规定 主要取决于电动机的功率与供电 变压器的容量之比值 一般在有独立变压器供电 即变压器供动力用电 的情况下 若电动机启动频繁 则电动机功率小于变压器容量的 20 时允许直接启动 若电动机 不经常启动 则电动机功率小于变压器容量的 30 时也允许直接启动 如果在没有独 立的变压器供电的情况下 电动机启动比较频繁 则常按经验公式估算 满足下列关 系即可直接启动 1 1 1 1 3 4 st N kv AI K Ikw 电源总容量 起动电动总功率 3 1 如果不能满足上式的要求 则必须采用减压启动的方法 通过减压 把启动电流 20 大学毕业设计说明书 Ist 限制到允许的数值 M3 FU1FU2 FU3 KM 图 3 3 直接启动原理图 2 传统减压启动方式 减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压 待起动后 再把电压恢复到额定 值 减压起动虽然可以减小起动电流 但是同时起动转矩也会减小 因此 减压起动 方法一般只适用于轻载或空载情况 传统减压起动的具体方法很多 这里介绍以下三 种减压起动的方法 a 定子绕组串接电阻或电抗起动 定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压 由三相异步电动机的等 效电路可知 起动电流正比于定子绕组的电压 因而定子绕组串电阻或电抗可以达到 减小起动电流的目的 但考虑到起动转矩与定子绕组电压的平方成正比 起动转矩会 降低的更多 因此 这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合 对于容量较小的异步电动机 一般采用定子绕组串电阻降压 但对于容量较大的 异步电动机 考虑到串接电阻会造成铜耗较大 故采用定子绕组串电抗降压起动 如图 2 3 所示 当起动电机时 合上开关 Q 交流接触器 KM 断开 使电源经电 阻或电抗 R 流进电机 当电机起动完成时 KM 吸合 短接电阻或电抗 R 21 移动加液车液体加注系统设计 KM M3 FU2 FU3 FU1 R FR Q UVW 图 3 4 定子绕组串电阻或电抗起动原理图 b 丫 降压启动 图 2 4 为 Y 降压启动的原理接线图 启动时 接触器的触点 KM1 和 KM2 闭合 KM3 断开 将定子绕组接成星形 待转速上升到一定程度后再将 KM2 断开 KM3 闭合 将定子绕组接成三角形 待电动机启动过程完成而转入正常运行 这适用于电动机运 行时定子绕组接成三角形的情况 设 1 U为电源线电压 stY I及 st I 为定子绕组分别接成星形及三角形的启动电流 线电 流 Z 为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗 则有 1 3 stY IUZ 3 2 1 3 st IUZ 3 3 所以 3 stYst II 即定子接成星形时的启动电流等于接成三角形时启动电流的 1 3 而接成星形时的启动转矩 2 2 11 3 3 stY TUU 接成三角形时的启动转矩 2 1st TU 所以 3 stYst TT 即 Y 连接降压启动时的启动转矩只有连接直接启动时 的 1 3 这种启动方法的优点是设备简单 经济 启动电流小 缺点是启动转矩小 且启 动电压不能按实际需要调节 故只适用于空载或轻载启动的场合 并只适用于正常运 行时定子绕组按三角形接线的异步电动机 由于这种方法应用广泛 我国规定 4kw 及 以上的三相异步电动机 其定子额定电压为 380V 连接方法为三角形 当电源线电压 为 380V 时 它们就能采用Y 换接启动 8 22 大学毕业设计说明书 KM3KM1 M3 FU2 FU3 FU1 FR Q UVW KM2 图 3 5 星 三角形启动法的原理图 c 自耦变压器启动 自耦变压器启动法就是电动机起动时 电源通过自耦变压器降压后接到电动机上 待转速上升至接近额定转速时 将自耦变压器从电源切除 而使电动机直接接到电网 上转化为正常运行的一种启动方法 图 2 5 所示为自耦变压器起动的自动控制主回路 控制过程如下 合上空气开关 Q 接通三相电源 按启动按钮后 KM1 线圈通电吸合并自锁 其主触头闭合 将自耦变 压器线圈接成星形 与此同时由于 KM1 辅助常开触点闭合 使得接触器 KM2 线圈通 电吸合 KM2 的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头 例如 65 将三相电压的 65 接 入电动 当时间继电器 KT 延时完毕闭合后 KM1 线圈断电 使自耦变压器线圈封星 端打开 同时 KM2 线圈断电 切断自耦变压器电源 使 KM3 线圈得电吸合 KM3 主 触头接通电动机在全压下运行 自耦变压器一般有 65 和 80 额定电压的两组抽头 若自耦变压器的变比为 k 与直接起动相比 采用自耦变压器起动时 其一次侧起 动线电流和起动转矩都降低到直接起动的 l k2 自耦变压器起动法不受电动机绕组接线方式 丫接法或 接法 的限制 允许的起动 电流和所需起动转矩可通过改变抽头进行选择 但设备费用较高 23 移动加液车液体加注系统设计 图 3 6 异步电动机的自耦变压器启动法 自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用 应用非常广泛 有 手动及自动控制线路 其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择 缺点是质量大 体积大 价格高 维护检修费用高 d 智能软启动 软启动器是一种集软启动 软停车 轻载节能和多功能保护于一体的电机控制装 置 国外称为 Soft Starter 实现在整个启动过程中无冲击而平滑的启动电机 而且可 根据电动机负载的特性来调节启动过程中的各种参数 如限流值 启动时间等 软启 动器主要是由串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路所构成 如图 2 6 所示 图 3 7 软启动器工作原理 软启动器的工作原理是 控制电路运用不同的方法 控制三相反并联晶闸管的导 通角 使电动机输入电压从零以预设的函数关系逐渐上升 直至启动结束 赋予电动 24 大学毕业设计说明书 机全电压 实现软启动 在软启动过程中 电动机启动转矩逐渐增加 转速也逐渐增 加 采用软启动器 可以控制电动机电压 使其在启动过程中逐渐升高 很自然地控 制启动电流 这就意味着电动机可以平稳启动 机械和电应力降至最小 异步电动机以其优良的性能及无需维护的特点 在各行各业中得到广泛的应用 然而由于其启动时要产生较大冲击电流 一般为 Ie 的 5 8 倍 同时由于启动应力较 大 使负载设备的使用寿命降低 随着传动控制对自动化要求的不断提高 采用可控 硅为主要器件 单片机为控制核心的智能型电动机启动设备 软启动器 已在各行各 业得到越来越多的应用 由于软启动器性能优良 体积小 重量轻 并且具有智能控 制及多种保护功能 而且各项启动参数可根据不同负载进行调整 其负载适应性很强 软启动器的主要特点有 过载保护功能 断相保护功能 过热保护功能 测量回 路参数功能 通过电子电路的组合在系统中实现其它种种联锁保护 软启动器从本质 上是一种能够自动控制的降压启动器 由于能够任意调节输出电压 作电流闭环控制 因而比传统的降压启动方式 如串电阻启动 丫 降压启动 自耦变压器启动等 有 更多优点 在上述基础上 把功率因数控制技术结合进去 以及采用微处理器代替模 拟控制电路 使早期的软起动器已发展成智能软起动器 因此本次设计选用智能软启 动器 3 4 编码器的选型 炮臂的位置需要控制 这里通过编码器来控制位置 由于本次位置控制不需要太 高的精度 因此在产品的选择上可以降低要求 其中长春三丰光电仪器制造有限公司 正式推出增量型实心轴编码器 PIB 系列 主要用来侦测机械运动的速度 位置 角度 距离或计数坚固 耐用 承载能力大 安装方便 由于产品已进入量产的成熟稳定期 有一定的市场占有率并且价格合理 选用 PIB10 1024 G5E 型编码器 脉冲数 1024P R 电缆侧出 电压 5V 电压输出 和 PIB8 102 G5E 型编码器 脉冲数 1024P R 电缆侧出 电压 5V 电压输出 图 3 8 旋转编码器 25 移动加液车液体加注系统设计 3 4 1 编码器信号输出形式 编码器信号输出 12 有并行输出 串行输出 总线型输出 变送一体型输出等输出 形式 1 并行输出 对于绝对编码器 信号并行输出是时间上数据同时发出 空间上 每个位数的数 据各占用一根线缆 对于位数不高的绝对编码器 一般就直接以此形式输出数码 可 直接进入 PLC 或上位机的 I O 接口 输出即时 连接简单 对于位数较多的绝对编码 器 有许多芯电缆 由此带来工程