毕业设计（论文）-基于PLC的速度控制回路设计.docx

太原工业学院毕业设计毕业设计基于PLC的速度控制回路设计学生姓名： 张敬贤 学号： 102012101 系 部： 机械工程系 专 业： 机械电子工程 指导教师： 王玉玲 二零一四年六月诚信声明 本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日基于PLC的速度控制回路设计摘要：随着液压技术和现代控制技术的发展，传统液压实验台的缺陷愈来愈明显，为了更好的适应教学的发展，增强学生解决实际问题的能力，以及满足现代科研的需求，在传统液压试验台的基础上，加入PLC先进控制技术，构建了由PLC作为下位机控制现场设备，由PC作为上位机在线监控的控制系统，可以实现机、电、液、计算机的完美结合。本设计完成了对调速运动回路、快速运动回路、速度换接回路这三种速度控制回路的设计，最后利用JDY-B 机电液气综合实验台验证所设计的速度控制回路及PLC程序。关键词：液压试验台，速度控制回路，PLCBased on the speed of the PLC control circuit design Abstract：With the development of hydraulic technology and modern control technology, the deficiency of the traditional hydraulic experimental platform becomes more and more clear, in order to better adapt to the development of teaching, enhance the ability of students to solve practical problems, and meet the needs of modern scientific research, on the basis of the traditional hydraulic test bench, to join the advanced PLC control technology, built by PLC as lower machine control field device, is controlled by a PC as a PC online monitoring system, can realize the perfect combination of machine, electricity, liquid, and computer. This design completed for speed regulation circuit, fast motion loop, speed in the three speed control circuit design, finally using JDY - B liquid gas comprehensive test bench test of mechanical and electrical design of speed control circuit and the PLC program. Key words:hydraulic test bench, speed control circuit, PLC 目 录1前言11.1 速度控制在现实中的应用11.2 课题的意义22 实验台介绍42.1 液压元件介绍42.1.1 液压系统42.1.2 齿轮泵52.1.3 液压缸72.1.4 液压控制阀82.2 实验所用各模块介绍112.3 辅助开关173 PLC介绍193.1 PLC的特点193.2 PLC软件系统及常用编程语言203.3 PLC的功能与应用214 速度控制回路设计234.1概述234.1.1 交流转直流234.1.2 液压泵驱动模块234.2 液压速度控制回路设计254.2.1调速回路254.2.2快速运动回路284.2.3速度换接回路32结 论37参考文献38致 谢3921前言随着社会的发展，在机械工程领域，自动化控制的作用越来越大，给人们带来了越来越多的便利。工程中，机电一体化的实现对速度的要求越来越高，如何使各个液压回路的自动化越来越改成为了不可回避的问题。液压传动技术是机电一体化技术的重要组成部分，而且液压传动相对于机械传动来说是一门新技术，随着流体力学、自动控制、计算机等技术的不断发展，液压传动技术已经发展成为包括传动、控制、检测技术、机电一体化的一门完整的自动化技术，并且在工业生产、设备控制等方面都得到了广泛应用1。1.1 速度控制在现实中的应用(1) 速度控制在生产机械中的应用调速指在一定的最高转速和最低转速的范围内分档（有级）地或平滑（无级）地调节生产机械转速。调速系统由生产机械和调速器所组成。调速器通过适当改变流进和流出生产机械的能量来调节它的转速。调速器不仅可使生产机械运行在某个指定的转速，而且还能在负载变动时保持转速恒定或基本不变。保持转速恒定的调速器称为无差调速器。只能使转速基本不变的调速器称为有差调速器。稳速可使生产机械以一定的精度稳定在所需转速上运行的一种速度控制。在稳速系统中，调速器的调节作用能使生产机械的转速（速度）完全或基本上不受负载变化、电源电压变化、温度变化等外部和内部扰动的影响。加减速控制常用于频繁起动和制动的生产机械。对加减速控制的基本要求是尽量缩短起动和制动时间以提高生产效率，并使生产机械的起动和制动过程尽量平稳。在生产过程中，从工艺要求出发，不同的生产机械对转速（速度）的控制形式具有不同的要求。例如轧钢机主、辅传动要求尽可能地缩短起动、制动和反转的时间，同时又能在较大范围内调速。而高速卷纸机则既要求有高的稳速精度和一定调速范围，又要求起动和制动平稳。(2)速度控制在其它方面的应用运行的电梯，在开始运行和到达目的地之前，都会有一个加速和减速的过程，在二者又要要求运动的平稳，给人一种安全平稳的乘坐环境。自动化生产线上，机械手去放物件时，在接近起点和终点还有一段距离时，就会开始变速，慢慢靠近，这样既可以避免过大的刚性冲击给机器或者货物造成破坏，又可以保证工作的精度。在日常生活中，速度无处不在，对速度的控制也随处可见，速度的变化对我们的生产生活都会产生很大的影响。1.2 课题的意义 液压传动技术是机电一体化技术的重要组成部分，而且液压传动相对于机械传动来说是一门新技术，随着流体力学、自动控制、计算机等技术的不断发展，液压传动技术已经发展成为包括传动、控制、检测技术、机电一体化的一门完整的自动化技术，并且在工业生产、设备控制等方面都得到了广泛应用。液压实验台是生产和开发液压元件和液压系统的重要实验设备2。 液压传动以易获得很大的推力或力矩、运动传递平稳、均匀、准确可靠特点,极其广泛地用于机床的控制中,特别是与PLC 技术相结合的机床电液控制系统,大大提高了机床的灵活性和自动化程度,为大规模发展自动化生产线提供了广泛的应用前景。 随着液压技术和现代控制技术的发展，传统液压实验台的缺陷愈来愈明显，已不能很好地适应生产和研究的需要。为了可以更好的适应教学的发展，增强学生解决实际问题的能力，以及满足现代科研的需求，在传统液压试验台的基础上，加入PLC先进控制技术，构建了由PLC作为下位机控制现场设备，由PC作为上位机在线监控的控制系统，可以实现机、电、液、计算机的完美结合，实现实验处理的自动化，实时监控等。采用了由PLC控制技术来控制液压试验台的自动控制响应快、智能化，学生不仅可以根据需求搭建各种液压回路或液压系统，还可以独立的进行液压设计、安装、调试、故障排除、编写PLC程序、等，有利于提高学生在机电液计算机综合控制等方面的综合能力。通过毕业设计能够更加熟悉的运用Step7编程软件,掌握编程技术进一步加深对指令集的理解.从而为以后从事专业奠定基础.锻炼了对程序控制设备及系统的独立维护及设计能力。还有学生的逻辑思维能力。对机床的运动过程中的速度变化从原理上有了一个较为深刻的认识。本设计有以下要点：通过模拟现代机床加工生产过程中的快进，工进，差动快进，速度调节，快速返回等，设计出了与其相似的液压变速回路。在液压缸柱塞运路径上安装接近开关，实现液压缸的自动化运动。用PLC代替了手动触电和接触器实现了回路的自动控制。简化了电路的复杂程度。2 实验台介绍2.1 液压元件介绍2.1.1 液压系统液压传动又称为容积式液压传动,是用液体作为介质,利用液体的压力能和动能来传递能量和进行控制的传动装置.通常把剩用液体压力能的液压系统使用的液体介质称为液压油. 液压传动元件体积小,重量轻,结构紧凑,容易进行无级调速和容易实现标准化,系统化,通用化.所以广泛应用于冶金机械,工程机械,矿山机械,农业机械,汽车,船舶,飞机等.液压系统虽然多种多样,但从能量转换的角度来看,它们的工作原理和组成基本相同，液压系统的组成主要有：动力元件液压油泵；执行元件液压油缸、液压马达；控制元件液压阀，控制液压油的压力、流量与方向；辅助元件管件、压力表、储能器、滤油器等等；工作介质传递压力的工作介质，通常为液压油，同时还可起润滑、冷却和防锈的作用。（1）液压传动与机械传动、电气传动、气压传动相比较有以下优点功率相同的情况下，体积小、重量轻、结构紧凑、惯性小，可快速启动和频繁换向，能传递较大的力和转矩。能方便地实现无级调速，且调速范围大，可达100：1至2000：1。而最低稳定转速可低至每分钟几转，可实现低速强力或低速大扭矩传动，不需减速器。传递运动均匀平衡、方便可靠；负载变化时速度较稳定。控制调节方便、省力，易于实现自动化；与电气控制或气动控制配合使用，能实现各种复杂的自动工作循环，还可远程控制。易于实现过载保护；液压元件可自行润滑，使用寿命较长。液压元件易实现标准化、通用化、系列化，便于设计制造和推广使用；元件之间用管路连接时，在系统中的排列布置有较大的机动性。实现直线运动一般比机械传动简单。（2）液压传动装置存在的不足由于采用液体传递压力，系统不可避免地存在泄漏，因而传动效率较低，不宜于远距离传动。对油温变化较敏感，运动件的速度不易保持稳定，同时对油液的清洁程度要求高。为减少泄漏，液压元件制造精度要求高，加工工艺复杂，因而成本较高。系统发生故障时，不易查找原因和维修。系统或元件的噪声较大。2.1.2 齿轮泵 齿轮泵是一种常用的液压泵，在结构上可分为外啮合轮泵和内啮合齿轮泵。 图 2.1 齿轮泵图 2.1 所示为普通常用的外啮合齿轮泵的工作原理。当齿轮按图示的箭头方向旋转时，轮齿从右侧退出啮合，使该腔容积增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力的作用下，经泵的吸油管进入右腔吸油腔，填充齿间。随着齿轮的转动，每个齿轮的齿间把油液从右腔带到左腔，轮齿在左侧进入啮合，齿间被对方轮齿填塞，容积减小，齿间的油液被挤出，使左腔油压升高，油液从压油口输出，所以左腔便是泵的排油腔。外啮合齿轮泵的排量 V，相当于一对齿轮的齿间容积之总和。近似计算时，可假设齿间的容积等于轮齿的体积，且不计齿轮啮合时的径向间隙3。（1）齿轮泵存在的主要问题：泄漏外啮合齿轮泵高压腔的压力油可通过齿轮两侧面和两端盖间轴向间隙、泵体内孔和齿顶圆间的径向间隙及齿轮啮合线处的间隙泄漏到低压腔中去。其中对泄漏影响最大的是端面间隙，可占总泄漏量的 75%80%。它是影响齿轮泵压力提高的首要问题。 径向不平衡力，齿轮泵工作时，排油腔的油压高于吸油腔的油压，从排油腔起沿齿轮外缘至吸油腔的每一个齿间内的油压是不同的，压力的分布是依次递减的。可见，泵内齿轮所受的径向力是不平衡的。这个不平衡力把齿轮压向一侧，并作用到轴承上,影响轴承的寿命。为了减小径向不平衡力的影响，低压齿轮泵中常采取缩小排油口的办法。图2.2 齿轮泵的径向压力分布图2.3 齿轮泵的困油现象困油，为了使齿轮泵能连续平衡地供油，形成高低压腔隔开，必须使齿轮啮合的重叠系数1。这时会出现两对轮齿同时啮合的情况，即前一对轮齿尚未脱离啮合，后一对轮齿己进入啮合。这样两对啮合的轮齿之间产生一个闭死容积，称为“困油区”。齿轮在转动过程中，困油区的容积大小发生变化，如图2.3所示。容积缩小(由图a过渡到图b)时，困油区的油液受到挤压，产生很高压力而从缝隙中挤出，油液发热，并使轴承等零件受到额外的负载。容积增大(由图b过渡到图c)时，困油区形成局部真空，使溶于油液中的气体析出，形成气泡，产生气穴，使泵产生强烈的噪声。这种不良现象叫做“困油”现象。为了消除困油现象，通常在两侧端盖上开消除困油的卸荷槽，见图2-3（d）中的虚线所示。（2）提高压力的措施普通结构的齿轮泵由于齿轮端面与端盖的间隙和齿轮齿顶与泵体的径向间隙都是比较大的，油液通过端面间隙的泄漏量占泵总泄漏量的2/3以上因此提高齿轮泵的工作压力，主要是靠改善齿轮端面处的密封情况，使齿轮端面在磨损后其轴向间隙能自动补偿。在中高压和高压齿轮泵中，为了提高其容积效率，一般都采用轴向间隙自动补偿。轴向间隙的自动补偿一般是采用“弹性侧板”或“浮动轴套”。在液压力作用下使“弹性侧板”或“浮动轴套”压紧齿轮端面，使轴向间隙减小，以减少泄漏，使泵的工作压力提高。（3）外啮合齿轮泵的优缺点及使用外啮合齿轮泵的优点是结构简单，制造容易，体积小，重量轻，成本低，自吸性能好，工作可靠，对油液污染不敏感，维护方便。其缺点是容积效率较低，流量脉动和压力脉动较大，噪声也大。低压外啮合齿轮泵广泛应用于机床(磨床、珩磨机)的液压传动系统和各种补油、润滑及冷却装置以及液压系统中的控制油源等。中高压齿轮泵主要用于工程机械、农业机械、轧钢设备和航空技术中。2.1.3 液压缸执行元件，依靠压力能转换为机械能，用于驱动工作机构作往复直线运动。其结构简单，工作可靠，能与各类泵相配合，能实现多种机械运动，应用广泛。液压缸按结构特点分为：活塞式、柱塞式和组合式（图2.4）。按作用方式分为：单作用和双作用式。密封装置：主要防止液压油的泄露，密封装置的优略直接影响液压缸的工作性能。常用的密封方法：间隙密封：依靠运动零件配合面间的微小间隙来防止泄露。活塞环密封：依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧贴刚桶内壁实现密封。图2.4 液压缸结构图2.1.4 液压控制阀液压控制阀是液压系统中用来控制液流方向、压力和流量的元件。借助于这些阀，便能对液压执行元件的启动和停止、运动方向和运动速度、动作顺序和克服负载的能力等进行调节与控制，使各类液压机械都能按要求协调地工作。（1）普通单向阀普通单向阀是只允许液流单方向流动而反向截止的元件。液压系统中对普通单向阀的要求主要是液流正向通过阀时压力损失小；反向截止时密封性能好；动作灵敏，工作时冲击和噪声小等。如图2.5a和图2.5b，分别是管式连接的直通式单向阀和板式连接的直角式单向阀。图2.5c为普通单向阀实物图这里为了使看图方便，没有画出管式连接的螺纹和板式连接的密封圈安放槽等（以下同）。当液流从口流入时，作用在阀芯上的压力油液克服弹簧力顶开阀芯2，流向，实现正向导通；当液流从口流入时，由于阀芯上开有径向孔，液流流进阀芯内部，阀芯在液压力和弹簧力的作用下关闭阀口，实现反向截止。图2.5c为单向阀的图形符号。图2.5 单向阀从工作原理可知，单向阀的弹簧在保证克服阀芯和阀体的摩擦力及阀芯的惯性力而复位的情况下，弹簧的刚度应该尽可能地小，以免在液流流动时产生较大的能量损失。一般情况下，单向阀的开启压力为0.0350.05MPa，通过额定流量时压力损失不应该超过0.10.3MPa。在液压系统中有时也将普通单向阀作为背压阀使用，这时一般要换上刚度较大的弹簧，此时单向阀的开启压力一般为 0.20.6MPa。（2）电磁动换向阀电磁动换向阀简称电磁换向阀，是靠通电线圈对衔铁的吸引转化而来的推力操纵阀芯换位的换向阀。电磁阀的工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。如图2.6二台肩结构的三位四通O型中位机能的电磁换向阀，阀体的两侧各有一个电磁铁和一个对中弹簧。图示为电磁铁断电状态，在弹簧力的作用下，阀芯处在常态位（中位）。当左侧的电磁铁通电吸合时，衔铁通过推杆将阀芯推至右端，则P、A和B、T分别导通，换向阀在图形符号的左位工作；反之，右端电磁铁通电时，换向阀就在右位工作。图2.6 三位四通换向阀电磁铁不仅有交流和直流之分，而且有干式和湿式之别。交流电磁铁结构简单、使用方便，启动力大，动作快，但换向冲击大，噪声大，换向频率不能太高（约 30次min），当阀芯被卡住或由于电压低等原因吸合不上时，线圈易烧坏。直流电磁铁需直流电源或整流装置，但换向冲击小，换向频率允许较高（最高可达240次min），而且有恒电流特性，电磁铁吸合不上时线圈也不会烧坏，故工作可靠性高。二位三通电磁阀由阀体和电磁线圈两部分组成，是自带桥式整流电路，并带过电压、过电流安全保护的直动式结构。系统中工作状态一：电磁阀线圈不通电。此时，电磁阀铁芯在回复弹簧的作用下靠在双管端，关闭双管端出口，单管端出口处于开启状态，制冷剂从电磁阀单管端出口管流向冷藏室蒸发器、冷冻室蒸发器流回压缩机，实现制冷循环。系统中工作状态二：电磁阀线圈通电。此时，电磁阀铁芯在电磁力的作用下克服回复弹簧作用力移到单管端，关闭单管端出口，双管端出口处于开启状态，制冷剂从电磁阀双管端出口管流向冷冻室蒸发器流回压缩机，实现制冷循环。电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。（3）直动式溢流阀图2.7 普通直动式溢流阀图2.7为锥阀式和滑阀式普通直动型溢流阀的结构原理。对于锥阀式溢流阀，图2.7a，当进油口P的油液压力不高时，锥阀芯2被弹簧3压紧在阀座上，阀口关闭。当进口油压P升高到能克服弹簧阻力时，便推开锥阀芯使阀口打开，油液就从回油口T流回油箱（溢流），进油压力P也就不会继续升高。对于滑阀式直动溢流阀图2.7b，其工作原理与锥阀式类似，进口的压力油通过阀体内的通道a引入阀芯下端，直接与上端的弹簧相互作用，弹簧腔的泄漏油与出油口相连。当进口油压升高到能克服弹簧阻力时，便推动阀芯运动，油液就由进油口P流入，从回油口T流回油箱。当通过溢流阀的流量变化时，阀口开度变化，弹簧压缩量也随之改变。在弹簧压缩量变化甚小的情况下，可以认为阀芯在液压力和弹簧力作用下保持平衡，溢流阀进口处的压力P基本保持在弹簧调定值。拧动调压手轮4改变弹簧的预压缩量便可调整溢流阀的溢流压力。这种溢流阀因为其作用在阀芯上的液压力直接和调压弹簧力抗衡，所以称为直动式溢流阀。由于液压力直接作用于弹簧的结构原因，需要的弹簧刚度很大，当溢流量较大时，阀口开度增大，弹簧的压缩量增大，控制的油液压力波动大，手轮调节所需力量也大。所以普通直动型溢流阀适用于低压小流量系统。（4）单向调速阀单向调速阀如图2.8所示，它带压力补偿装置，能维持稳定的流量，不受出入口压力差变化影响，能够精确地控制执行元件的速度。单向调速阀使一个方向的流量可以调节，而反向可自由流动，根据标牌刻度可方便调节或重新设定流量。适合控制机械动作快速、慢速及快速返回之用，非常适于工具机使用。图2.8 单向调速阀2.2 实验所用各模块介绍（1）交流电源模块 DB-1功能简介：该模块为交流电源模块，背面连接为其它模块提供所需要的AC380V和AC220V电压。基本结构说明：剩余电流动作保护器：设备总电源开关,起到对地漏电保护作用，对地漏电不大于0.03mA；如果漏电跳闸，请专业人员进行检修，查出问题并解决后将漏电指示按钮按下，开关才能推上去使断路器吸合（注：未解决跳闸问题之前严禁合起断路器，以免造成人身伤害）； 图2.9 DB-1 实物图和内部电路图（2）直流电源模块DB-2 图2.10 DB-2实物图和内部电路图功能简介：该模块为直流电源模块，为其它模块和元器件提供所需要的DC 5V、DC 12V和DC 24V电压。基本结构说明：保险管：对电路起过载保护作用(通常用2A的保险管)；指示灯：提示AC 220V的通断情况，灯亮表示模块供电已导通，反之则断开；AC 220V电压输入：护套插座，连接配套的护套插线接受DB-1模块供的AC 220V电压；电源开关：控制该模块总电路的通断；DC 12V电压表：显示DC 12V电压输出的实际电压；DC 5V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC 5V电压；DC 12V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC 12V电压；DC 24V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC 24V电压；DC 5V电压表：显示DC 5V电压输出的实际电压；DC 24V电压表：显示DC 24V电压输出的实际电压。使用注意事项：使用本模块，必须先用带护套插导线从交流电源模块DB-1的AC220V OUT与本模块AC220V IN相连接，提供必要的供电电源；该电源模块提供DC24V、DC12V、DC5V直流电源，最大负载电流4.5A，请注意外部负载必须在负载能力范围以内。（3）液压泵控制模块DB-5功能简介：该模块为液压泵控制模块，有手动控制和自动控制两种方式控制液压泵站的启停；基本结构说明：DC 24V电压输入：护套插座，连接设备专用的护套插线接受DB-2模块供的DC 24V电压；PC控制口：继电器线圈，手动控制时红色端口接 DC 24V +、黑色端口接GND；自动控制时红色端口接PLC输出端，黑色端口接GND；控制切换旋钮：手动控制和自动控制切换；泵站启停旋钮：控制泵站启动和停止；急停开关：紧急切断泵站电源，按下去就会直接切断泵站电源，按下去后向右旋开关再弹起；图2.11 DB-5D实物图和内部电路图转速表：通过传感器测量泵站电机转速； 微型断路器：泵站总电源开关。使用注意事项：使用本模块，必须先用带护套插导线从直流电源模块DB-2的DC24V O与本模块DC24V IN相连接，提供必要的供电电源；非正常断电后，一定要将泵站启动旋钮拨到停止位置，并将溢流阀开口调节至最大，以免再次启动时对元器件造成冲击损坏；（4）继电器模块DB-6基本结构说明： 1常开触点 2线圈 3接触器 4常闭触点功能简介：主要完成液压接触器控制应用实验、气动回路继电器控制实验、机电类电气控制实验等主要辅助实验模块； 电源插孔全部采用带护套保护的插座，保证了实验的安全性能。使用说明：禁止带电连接导线、带电取放保险管、用手指抠护套内芯、触摸继电器触头等，以免触电；使用该模块前，必须仔细检查电气控制线路是否准配无误，确认后再进行电气线路连接； 图 2.12交流接触器各个端口均与接触器触头一一对应，端口全部开放，线路控制电压DC24V，请勿将控制电压连接错误烧坏接触器；在使用过程中，若发现外部控制有误动作、误操作等危险情况发生时，请及时切断电源停止控制或操作。（5）可编程控制模块 DB-8功能简介:该模块为西门子S7-200 CPU224 CN可编程控制器模块，输入相对应的程序就可以实现自动控制。基本结构说明I/O输入端公共端：与M端口相连接；AC 220V电压输入：护套插座，连接配套的护套插线接受DB-1模块供的AC 220V电压；保险管：对电路起过载保护作用(通常用2A的保险管)；电源开关：控制该模块总电路的通断；PLC模块：S7-200 CPU224 CN继电器输出, I/O输入点14个、输出点10个；串行口：用配套的电缆线和电脑相连接用来下载程序程序；I/O输出公共端:与DC24V+相连接，每个公共端的额定电流最大为10A；图2.13 DB-8实物图I/O输出端：接负载，每点额定电流最大为2A；I/O输入端：接开关量与L+相连M端口: PLC内部供电负极；L+端口：PLC内部供电正极。 PLC控制器连接电路图（图2.14）图2.14 S7-200 224CN PLC输I/O点外部接线方法示意图使用注意事项：下载程序时要将PLC上的开关拨到stop位置，下载完程序运行时再将其拨到run位置；（6）按钮控制模块DB-9结构特点介绍：1三位旋钮 2按钮3常开触点 4常闭触点5急停按钮使用说明：禁止带电连接导线，该模块控制电压为DC24V，请勿采用AC220V作为控制电压；使用该模块前，必须仔细检查电气控制线路是否准确无误，确认后再进行电气线路连接；图2.15 按钮控制模块各个端口全部开放，电气可根据自己实际需求在外部进行连接；在使用过程中，若发现外部控制有误动作、误操作等危险情况发生时，请及时切断电源停止控制或操作。2.3 辅助开关接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号接近开关的核心部分是“感辨头”，它对接近的物体有很高的感辨能力，是一种非接触测量。 接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便；但是 触点容量较小、输出短路时易烧毁 (如图2.16)。图2.16 接近开关3 PLC介绍可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。3.1 PLC的特点PLC可编程控制器具有以下特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代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，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。（2）硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC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图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。（4）系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC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为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g，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。3.2 PLC软件系统及常用编程语言（1）PLC软件系统PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。（2）PLC提供的编程语言标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点：它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。语句表语言，类似于汇编语言。逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。本次设计是在MicroWinV3.2软件（如图3.1）中使用梯形图编程来实现控制速度回路的目的。图 3.1 PLC编程软件界面3.3 PLC的功能与应用可编程控制器在国内外广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力、轻纺、电子信息产业等各行各业。目前典型的PLC功能有下面几点：（1）顺序控制：这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械，切纸机、组合机床、磨床、装配生产线，包装生产线，电镀流水线及电梯控制等。（2）程控：在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液体、速度、电流和电压等，称为模拟量。可编程控制器有A/D和D/A转换模块，这样，可编程控制器可以作模拟控制用于程控。（3）数据处理：一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产过程中的资料进行处理。用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理、控制生产过程。较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进电动机，实现对各种机械的位置控制。（4）通信联网：某些控制系统需要多台PLC连接起来使用或者由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网要求。（5）显示打印：可编程控制器还可以连接显示终端和打印等外围设备，从而实现显示和打印的功能。4 速度控制回路设计4.1概述设计的整体思路如下：第一步，基于昆山巨林科教实业有限公司的机电液气综合试验台设计出简单的接触器控制回路，进一步了解相应原件和模块的使用方法； 第二步，搭接所用的变速回路，在实现接触器控制的基础上，通过PLC进行控制，并加入接近开关，来实现回路的自动化控制； 第三步，比较三种回路在控制液压回路上的异同点456。现将液压换接回路及其控制系统所要用到的元件使用方法简要介绍如下：4.1.1 交流转直流 图4.1 DB-2实物图按图4.1连好线路就可以分别输出DC +5V, DC +12V, DC +24V的电压。4.1.2 液压泵驱动模块（1）液压缸硬件连接方法按图4.2 连将黑色旋钮旋转好线路供上电，将红色旋钮旋转到手动端，将黑色旋钮旋转到启动端即可启动液压泵。至停止端即可停止液压泵。当然也可以将红色旋钮旋转至PC端实现PC控制。图4.2 液压泵电源连接方法（2） PLC硬件接线方法图4.3 PLC电源连接方法按图4.3连好电路，即可用电脑通过相关软件对PLC进行编程，并通过串口将PLC程序下载到可编程控制器模块。4.2 液压速度控制回路设计4.2.1调速回路调速是为了满足液压执行元件对工作速度的要求，在不考虑液压油的压缩性和泄露的情况下，液压缸的运动速度为： （式4.1）液压马达的转速为： （式4.2）式中，q为输入液压执行元件的流量；A为液压缸的有效面积；为液压马达的排量。由以上两式可知，改变输入液压执行元件的流量q或者改变液压缸的有效面积A（或液压马达的排量）均可以达到改变速度的目的。但改变液压缸工作面积的方法在实际中是不现实的，因此，只能改变进入液压执行元件的流量或用改变变量液压马达排量的方法来调速，。为了改变进入液压执行元件的流量，可采用变量液压泵来供油，也可采用定量泵和流量控制阀，以改变通过流量阀的方法。节流调速回路可分为三种：进油节流调速回路，回油节流调速回路，旁油路节流调速回路，本次调速回路采用第一种进油节流调速回路7（如图4.4）。 图4.4 调速回路的液压原理图在此图中节流阀前增加一个减压阀，并使减压阀的泄油口接到节流阀与液压缸之间，这样处理可获得如下效果:减压阀能控制其阀后压力为稳定值。由于减压阀的泄油口接到节流阀与液压缸之间的管路上，当液压缸外载荷增大时，液压缸的载荷压力也就增大，于是减压阀的泄油口压力也增大，减压阀的阀后调整压力也增大，所以节流阀前后压差基本不变;当液压缸载荷减小时，其载荷压力也减小，减压阀泄油口压力也减小，减压阀阀后调整压力也减小，节流阀前后压差仍基本不变。所以在外载荷变化时，节流阀仍可获得稳定的流量，从而使执行机构速度稳定。（1）调速回路I/O表表4.1 调速回路I/O输入对应开关 功能描述输出功能描述I0.0SB1液压缸停止Q0.0YA1得电，液压杆伸出I0.1SB2液压缸启动Q0.1YA2 得电，液压杆返回I0.2SB3液压杆回到初始位置I0.3SQ1液压杆换向前进I0.4SQ2液压杆换向后退（2）调速回路PLC程序图 4.5 调速回路PLC程序图(3) 调速回路PLC硬件连接图：图4.6 调速回路PLC硬件连接（4）调速回路实物图图4.7调速回路的实物图（5）调速回路的具体运动过程如下打开电源，启动液压泵的开关，使液压泵工作。按一下SB2接触器KM1得电，KM1得电后电磁阀YA1得电使三位四通阀左位工作，此时液压缸伸出。当液压杆伸出到触发了开关SQ2之后，接触器KM2得电，由于接触器KM1和KM2之间互锁，KM1失电，KM2得电时电磁阀YA2得电使三位四通阀右位工作，此时液压缸返回。当液压缸返回到出发了开关SQ1之后，接触器KM1得电，由于接触器KM1和KM2之间互锁，KM2失电，KM1得电时电磁阀YA1得电使三位四通阀右位工作，此时液压缸伸出。如此循环当需要停止时，按一下SB3液压缸返回，即使经过SQ1液压缸也不会伸出。或者直接按下SB1会立刻停止在当前位置。当返回到最小位置时，按下SB1停止即可8。（6）调速回路的原理随着负载的变化需要液压缸提供不同的力，当负载大时提供大的力，当负载小时提供小的力，而液压缸提供的力的大小是通过液压杆运动的速度来实现的，速度越小提供的力越大，而流量的大小是通过调速阀来调节的，因此次调速回路的速度调节是通过调速阀来实现的。4.2.2快速运动回路快速运动回路又称增速回路，其功用在于是液压执行元件获得所需的高速，以提高系统的工作效率或充分利用效率，实现快速运动视方法不同有多种结构方案，本次设计采用液压缸差动连接回路来实现回路的快速运动（如图4.8）。此回路是利用三位四通换向阀来实现的液压缸差动连接回路，在这种回路中，当阀1和阀3在左位工作时，液压缸差动连接作快速运动，当阀3通电，差动连接即被切除，液压缸回路经过调速阀，实现工进，阀1切换至右位后，缸快退。这种连接方式，可在不增加液压泵流量的情况下提高液压执行元件的运动速度，但是，泵的流量和有腔杆排出的流量合在一起流过的阀和管路应按合成流量来选择，否则会使压力损失过大，泵的供油压力过大，致使泵的部分压力油从溢流阀回油箱而达不到差动快的目的9。图4.8 液压缸快速运动回路（1）快速运动回路I/O表表4.2 快速运动回路 I/O表输入对应开关功能描述输出功能描述I0.0 SB1液压缸停止运动Q0.0YA1得电，液压杆快速伸出I0.1 SB2液压缸启动快速伸出Q0.1YA2得电，液压缸返回I0.2 SB3液压缸换速伸出Q0.2YA3得电，液压缸工进或返回I0.3 SB4液压杆回到初始位置I0.4 SQ1液压缸换向快速伸出I0.5 SQ2液压缸换速伸出I0.6 SQ3液压缸换向返回（2）快速运动回路PLC程序图4.9 快速运动回路PLC程序图（3）快速运动回路PLC硬件连接图图4.10 快速运动回路PLC硬件连接（4）快速运动回路实物图图 4.11 快速运动回路实物图（5）快速运动回路的具体运动过程如下打开电源，启动液压泵的开关，使液压泵工作。按一下SB2接触器KM1得电，KM1得电后电磁阀YA1得电使三位四通阀左位工作，此时形成了差动连接液压缸快速伸出。当液压杆伸出到触发了开关SQ2之后，接触器KM3得电，电磁阀YA3得电，差动连接切除。液压缸速度变化，工进伸出。当液压缸伸出到出发了开关SQ3之后，接触器KM2得电，由于接触器KM1和KM2之间互锁，KM1失电，KM2得电时电磁阀YA1得电使三位四通阀右位工作，此时YA3继续得电，液压缸返回。当液压缸返回触发了SQ1之后，接触器KM得电，由于接触器KM1和KM2之间互锁，KM2失电，KM1得电时电磁阀YA1得电使三位四通阀左位工作，此时YA3失电，液压缸伸出，如此循环。当需要停止时，按一下SB3液压缸返回，即使经过SQ1液压缸也不会伸出。或者直接按下SB1会立刻停止在当前位置。当返回到最小位置时，按下SB1停止即可10。（6）快速运动回路的原理加工零件时在离工件较远时需要快速运动很快的接近工件，当靠近工件之后就需要降低运动速度慢速工进，这样可以提高效率。快速运动是通过差动连接来实现的（开始工作时差动缸左右两腔的油液压力相同，但是由于左腔的有效面积大于右腔的有效面积，故活塞向右运动，同时使右腔排出来的油液也进入左腔，加大流入左腔的流量，从而也加快了活塞移动的速度）当需要工进时，只需要切除差动即可实现工进11。4.2.3速度换接回路速度环节回路的功能是使液压执行机构在一个工作循环中从一种运动速度变换到另一种运动速度，因而这个转换不仅包括液压执行元件快速到慢速的换接，而且也包括两个慢速之间的换接。实现这些功能的回路应该