机械毕业设计1475小型多工步自动推料进给装置及温控、上位显示系统设计.doc
机械毕业设计1475小型多工步自动推料进给装置及温控、上位显示系统设计
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机械毕业设计1475小型多工步自动推料进给装置及温控、上位显示系统设计,机械毕业设计论文
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小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 1 页 共 43 页 第一章 绪论 1 1 推料进给装置简述 自工业革命开始，机器作业逐渐代替了手工作业，而机床作为机器作业的 典型代表也日益发展，从人工手动控制的老式机床发展到现在的数控机床。相应的，作为机床作业的基础，推料进给装置的发展也成为了机床发展的一个缩影，从最当初的人工送料到现在的全自动机器送料（涉及到数据库的存取）。 随着机床的高速发展，机床设计者对推料进给装置的要求也日渐提高，无论从行程，进给方向还是进给速度方面，提高工作效率，不仅要靠机床的快速加工，迅速而准确的推料进给 也是十分必要的。因此在现在的机床推料 进给装置的设计上，设计者一般都秉承着进给准确，速度合适，行程合理这几个基本原则 1 2 课题的提出和课题的主要任务 我的毕业设计的题目是 小型多工步自动推料进给装置及温控、上位显示系统设计，主要有两大部分，一部分是机械部分设计，进给装置的传动系统的设计，还有进给装置的结构设计；一部分是电部分的设计，即温控系统硬件和程序的设计，及其上位显示系统的设计。 1 2 2 1 推料进给装置传动系统的设计 传动系统的作用是将原动机的运动和动力传递给工作机，以完成预期的功能。常用的传动机构有齿轮机构，连杆机构，凸轮 机构，螺旋机构，楔块机构，棘轮机构，槽轮机构，摩擦轮机构，挠性件机构，液气动机构，电气机构以及利用以上一些常用机构进行组合而产生的组合机构。传动机构在使用中最主要的目的是为了实现速度或者力的变换，或实现特定运动规律的要求。 根据功率，速度，输出力三者之间的关系： P=Fv 式中 P 输出功率 F 输出力 V 输出速度 在传输功率一定的情况下，为了得到一个比较大的力输出 ，可以降低输出速度。如果要使输出力按某一规律变化，则可以通过调整输出速度按某种规律变化来得以实现 常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有以下几种： 1）通过啮合方式进行传动（例如：齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等）。其中齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，结构紧凑，传动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，依次得到广泛应用。 2）通过摩擦方式进行传动 （例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滚珠丝杠副传动、滑轮传动等）。 这类机构简单，维修方便，成本低廉，由于带具有柔软性，有吸收振动的特性，且有缓冲和安全保护的作用特性使带传动适用于两轴中心距较大的传动。 3）利用楔块进行传动（例如：螺旋传动等）。螺旋传动主要由螺杆、螺母、机架组成，螺旋传动的优点是增力效果大，可用较小的转矩得到较大的轴向力，结构简单，传动精度高，平稳无噪音等。 4）利用流体作用原理进行传动（例如：液压、气动传动等）。液体可以看作一种不可压缩物体，因而液压传动可以传动较大的力，经常用于传动比不需十分精确但载荷很大的情况下，但液压传动速度较慢 ，例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等。相反气动传动机构一般用于传输较小的力，但作用速度快。 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 2 页 共 43 页 原动机的输出较为常见的运动形式是匀速转动，而工作机的输出要求是多种多样的，因此进行运动形式的变换是传动机构一个很重要的任务。机械机构中常见的运动形式主要有：转动、平动、摆动等。常见的用运动形式的变换机构主要有：凸轮机构、螺旋机构、连杆机构、齿轮机构、挠性件机构、摩擦轮机构、流体机构等。它们能将转动变换成移动，或反之，由于运动形式的变化，机构的传力方式也就随之改变。 在 我的课题里，我把推料进给装置设计在冲压机床上， 选 择的原动件是步进电动机，做的是旋转运动，而进给动作是在一个水平方向上的直线运动，因此在传动机构方面我选用的是滚珠丝杠副，利用它将电机的旋转运动转换成一个水平方向上的直线进给运动。而且在电机选型后，由于电机的输出轴和丝杠所在的轴可能存在粗细不同的情况，连轴器的选用也成为可能。 冲压机床由于加工材料都为较细的板材， 如何将直线进给运动均匀的分摊在板材上，使板材能够平稳的进行直线运动，也成为我的考虑范围之内。 因此，在进给力的分配上，必须保证钢板在进给方向上受力均匀。我的初步想法是将板材上的受力点设定为 2 个点。 1 2 2 2 基于加工板材温度的要求对温控装置的设计 既然设定为冲压机床上的推料进给装置， 就得考虑到机床冲压板材时可能出现由于温度过低而出现板材在冲压结束后形成裂纹。而温控装置恰恰就能解决板材温度的问题，但是加工材料是多样的，相应的它们对于温度的要求也是不一样的，而且要将板材在达到温度要求后由于余热的影响降到最小。要一一实现它们的温度要求，温控装置必须能够实现变阶段控温，达到每个阶段温度后的保温时间也能自我设定。 第二章 推料进给装置的设计方案 2 1 丝杠副的选型计算及其校核 本次设计中选用的滚 珠丝杠型号为 汉江机床厂 C1-4005-2.5 型滚珠丝杠副，公称直径为d0=40mm,导程 P=5mm。采用两端支撑的支撑方式。 该丝杆的额定载荷为：动载 =11670N，静载=37658N，设定丝杆转速为 540r/min， (1)、最大工作载荷 Fm 的计算 工作台推料尺寸最大为 1000mm*1000mm,所推板材的最大厚度为 5mm，则板材的重量为 G=3m 3m 0.005m 8900kg/m3 10N/kg=444.8N 450N 由于滚珠是 45#钢所以，经查得，钢 -钢的摩擦系数是 0.15，摩擦力 f 为： f = FN =0.15 450=67.5N 得进给方向载荷 Fx=f=67.5N，横向载荷 F y =0,垂直载荷 Fz=0 采用的是综合导轨 ,K=1.15, =0.150.18 Fm= ()K F x F z G=1.15 67.5+0.15 450=145.125N （ 2）、最大动载荷 FQ 的计算 FQ = 30 w H mL f f F滚珠丝杆的寿命：0L= 660 /10nT =60 540 15000/106 =486 载荷系数：wf=1.01.2 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 3 页 共 43 页 硬度系数：Hf=2.40 滚珠丝杆副的最大工作 载荷：mF=145.125N 得 FQ =3286.1N 经比较丝杆的额定动载荷远大于实际最大动载荷，故丝杆可用。 （ 3）传动效率的计算 ta nta n ( ) 丝杆的螺旋升角： 0a r c t a n ( / )hPd=2.280 度 摩擦角： ，一般取 10 分 =93.176% （ 4）、丝杆的拉伸或者压缩变形量121 2mFa MaE S IE 最大 工作载荷：mF,单位为 N mF=145.125N 丝杆两端支撑间的距离： a ，单位为 mm a =2000 丝杆的弹性模量： E ，钢的 E =2.1 105 MPa 丝杆按底径 d2 确定的截面积：单位为 mm2 2d=39.20625 S=22d /4=1207.26 mm2 转矩： M，单位为 N . mm M=145.125 20=2902.5 丝杆按底径 d2 确定的截面积惯性矩（ 42 / 64ID），单位为 mm4 I=75.45mm4 其中：“ +”用于拉伸，“ ”用于压缩。 经计算得1=0.01668 滚珠与滚道间的接触变形量2(有预紧 ) 有预紧：2 230 . 0 0 1 3 1 0 / 1 0mw Y JFD F Z 无预紧： 132 10 . 0 0 3 8 ( ) 10 mwFDZ 滚珠直径： D,单位为 mm D=3.175 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 4 页 共 43 页 滚珠总数量： ZZ 圈数 列数 Z=92 单圈滚珠数：0( / ) 3Z d DZ=37 YJF为预紧力，单位为 N 2=0.0007548 刚度验算： 丝杆的总变形量 =1+2=0.0174348 值不应大于机床定位精度的一半 （ 5）稳定性验算 丝杆属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时 的临界载荷 Fk 应满足： 22kkmf E IFFKa 临界载荷：kF单位为 N 丝杆支撑系数：kf=1 K：压杆稳定安全系数，一般取 2.54，垂直安装时取小值 滚珠丝杆两支撑端的距离： a 单位为 mm a=2000 kF=156.379mF=145.125 2 2 电机的选型 电机分为步进电机和交流伺服电机，交流伺服电机与步进电机相比，二者性能又有较大不同，它主要表现为： (1).控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6 、 1.8 ，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、 0.36 。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.09 ；德国百格拉公司（ BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8 、 0.9 、 0.72 、 0.36 、 0.18 、0.09 、 0.072 、 0.036 ，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为 360/10000=0.036 。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 217=131072个脉冲电机转一 圈，即其脉冲当量为 360/131072=9.89 秒。是步距角为 1.8 的步进电机的脉冲当量的 1/655。 (2).低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 5 页 共 43 页 象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制 功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（ FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 (3).矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300 600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 (4).过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能 力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机 。 (5).运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 (6).速度响应性 能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200 400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 在我的推料进给装置中，基本上对启停速度要求不算太过严格，综上所述，初步选中电机类型为步进电机。 具体型号是 45BF003-。计算如下： （ 1）、步进电机转轴上的总转动惯量eqJ的计算 21()2 hPJm式中 1m为工作台质量（ kg） hP为丝杠导程（ cm） 计算：eqJ=(0.5/6.28)* (0.5/6.28)*30=0.1902 （ 2）、步进电机转轴上的等效负载转矩eqT的计算 通常考虑两种情况：一种是快速空载启动，另一种是承受最大工作载荷。 快速空载启动时电机转轴所受的负载转矩1eqT1 m a x 0e q a fT T T T maxaT 快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，单位是 Nmg nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 6 页 共 43 页 fT 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位是 Nmg 0T 滚珠丝杆预紧后折算到电机转轴上的附加摩擦转矩，单位是 Nmg 而上式中： m a x260 e q ma e q aJnTJt 电动机转轴的角加速度，单位是 2/rad s mn 电动机的转速，单位是 /minr at 电动机加速所用的时间，单位是 s，一般在 0.31s 之间选取 经计算：maxaT=10.750 (35.83) 2 hfFpTi 摩F摩 导轨的摩擦力，单位是 N hp 滚珠丝杆的导程，单位是 m 传动链总效率，一 般取 =0.70.85 i 总的传动比 /msi n n mn 电机的转速 sn 丝杆的转速 经计算：fT=0.0671 200(1 )2 Y J hFPT i YJF 滚珠丝杆副的预紧力，一般取滚珠丝杆工作载荷的 1/3，单位是 N 0 滚珠丝杆副未预紧时的传动效率，一般取00.9 由于选择的是无预紧丝杠 最大工作载荷状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eqT20eq t fT T T T 2 fhtFPTifF 进给方向最大工作载荷，单位是 N nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 7 页 共 43 页 12m a x , e q e q e qT T T代入数据： tT=0.1444 1eqT=10.8171 2eqT=0.2115 eqT=0.04775 （ 3） 步进电机的选型 将上述计算所得的eqT乘上一个系数 K，用 KeqT的值来初选电机的最大静转矩，其中的系数 K 称作安全系数，一般应在 2.54 之间选取。 KeqT=0.193 （ 4）步进电机的性能校核 最快工作进给速度时的电动机输出转矩校核 m axm ax 60 ffvfm a x ( / m in )fv m m 最快工作进给速度 ( / )mm 脉 冲 系统的脉冲当量 从步进电机的矩频率特性曲线中找出运行频率maxff所对应的输出转矩maxfT，同最大工作负载转矩比较，maxfT2eqT,满足。 最快空载时的电动机输出转矩校核 maxmax 60vf maxv 最快空载工作进给速度 从步进电机的矩频率特性曲线中找出运行频率maxf所对应的输出转矩maxT，同最大工作负载转矩比较，maxT1eqT,满足。 最快空载移动时的电动机运行频率校核 由最快空载移动速度m a x ( / m in )v m m和系统脉冲当量 ( / )mm 脉 冲 ，算出电动机对应的运行频率maxf。maxf没有超过所选电动机的极限空载运行频率。 启动频率校核 1/qLeq mffJJ Lf 总的转动惯量eqJ对应的启动频率，可以通过上式求得，也可以在步nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 8 页 共 43 页 进电动机的启动惯频特性曲线上找 出 qf 电机空载启动频率，单位是ZH，由产品资料查得 eqJ 加在步进电动机上的总的转动惯量，单位是 2kgmg mJ 步进电动机转子的转动惯量，单位是 2kgmg 算得启动频率小于Lf经计算，电机符合要求。 2 3 轴承的选型计算及其校核 一般主轴常用的几种滚动轴承的配置有以下几种。 1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和 60角接触双列向心推力球轴承组合，承受径向和轴向载荷；后支承采用成对角接触球轴承，特点是刚度高，可以满足强力切削的要求，数控机床应用较多。（图中 a）。 2）前轴承采用成组角接触球轴承， 2 3 个轴承组成一套，要求背靠背安装，承受径向和轴向载荷；后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于高速、重载、精度好的主轴要求，但承受的轴向载荷比前一配置小。 （图中 b）。 3）前后支承均采用高精度的成组角接触球轴承，承受径向和轴向载荷；这类轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速达 4000r/min，它的承载能力小，适合于高速度、 轻载荷、高精度的数控机床主轴。（图中 c）。 4）前轴承采用双列圆锥滚子轴承，能够承受较大的径向和轴向载荷，后轴承采用单列圆锥滚子轴承。能承受重载荷尤其能承受较强的动载荷，可调整性好，但限制了主轴最高转速与精度，适合于低速、重载、中等精度的机床。（图中 d）。 轴承的精度分为 2、 4、 5、 6、 0 五级， 2 级最高， 0 级为普通精度级。主轴轴承以 4 级为 主（记为 P4），较低精度的主轴可以用 P5 级，而 P6、 P0 一般不用。 图 13 数控机床主轴轴承的配置形式 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 9 页 共 43 页 前后轴承之间，前轴承对主轴组件的精度影响比后轴承的影响大。因此后轴承精度可以比前轴承低一级。 轴承并列使用时，选择背对背的方式。采用推力轴承时，分清楚先装配内径小的圈还是内径大的圈，内径小的圈随轴转动。 该设计中采用圆锥滚子轴承，其代号为 32914 2BC,计算系数： e=0.32 ;Y=1.9; Y0=1,基本额定静载荷 CR=70800N 额定动载荷 COR=115000N 采用油脂润滑。 在我的设计中 ,选用的是角接触球轴承 . 当轴承承受轴向 145.125N 的力时， F a=F d Fr tana=145.125 Fr4814 Fa/Fre P=fp(XFr+YFa)=1.0(0.4 4814+1.9 1290)=4376.6N Instruction Wizard， 然后在指 令向导窗口中选择 PID 指令 。 图 1. 选择 PID 向导 在使用向导时必须先对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择 “ Yes” ，确认编译。如果已有的程序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。如果项目中已经配置了一个 PID 回路，则向导会指出已经存在的 PID 回路，并让你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路 。 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 18 页 共 43 页 图 2. 选择需要配置的回路 第一步：定义需要配置的 PID 回路号 图 3. 选择 PID 回路号 一个程序中可同时进行八路 PID 运算，回路号为 0-7。 第二步：设定 PID 回路参数 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 19 页 共 43 页 图 4. 设置 PID 参数 a. 定义回路设定值（ SP，即给定）的范围： 在低限（ Low Range）和高限（ High Range）输入域中输入实数，缺省值为 0.0 和100.0， 在本例中可理解为测量温度的上下限实际值 。 以下定义 PID 回路参数，这些参数都应当是实数： b. Gain（增益） ：即比例常数。 c. Integral Time（积分时间） ：如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无穷大：输入 “INF” 。 d. Derivative Time（微分时间） ：如果不想要微分回路，可以把微分时间设为 0 。 e. Sample Time（ 采样时间） ：是 PID 控制回路对反馈采样和重新计算输出值的时间间隔。 注意： 关于具体的 PID 参数值，每一个项目都不一样，需要现场调试来定，没有所谓经验参数。 第三步：设定回路输入输出值 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 20 页 共 43 页 图 5. 设定 PID 输入输出参数 在图 5 中，首先设定过程变量的范围： a. 指定输入类型 o Unipolar： 单极性，即输入的信号为正，如 0 10V 或 0 20mA 等 o Bipolar：双极性，输入信号在从负到正的范围内变化。如输入信号为 10V 、5V 等时选用 o 20% Offset：选用 20%偏移。如果输入为 4 20mA 则选单极 性及此项， 4mA是 0 20mA信号的 20%，所以选 20% 偏移，即 4mA对应 6400， 20mA对应 32000 b. 反馈输入取值范围 o 在 a.设置为 Unipolar 时，缺省值为 0 - 32000，对应输入量程范围 0 - 10V或 0 - 20mA 等，输入信号为正 o 在 a.设置为 Bipolar 时，缺省的取值为 -32000 - +32000，对应的输入范围根据量程不同可以是 10V 、 5V 等 o 在 a.选中 20% Offset 时，取值范围为 6400 - 32000，不可改变 c. Output Type（输出类型） 可以选择模拟量输 出或数字量输出。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设备，如比例阀、变频器等；数字量输出实际上是控制输出点的通、断状态按照一定的占空比变化，可以控制固态继电器（加热棒等） d. 选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围，可以选择： o Unipolar：单极性输出，可为 0-10V 或 0-20mA 等 o Bipolar：双极性输出，可为正负 10V 或正负 5V 等 o 20% Offset：如果选中 20% 偏移，使输出为 4-20mA e. 取值范围： o d 为 Unipolar 时，缺省值为 0-32000 o d 为 Bipolar 时，取值 -32000 到 32000 o d 为 20% Offset 时，取值 6400-32000，不可改变 如果选择了开关量输出，需要设定此占空比的 周期 。 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 21 页 共 43 页 第四步：设定回路报警选项 图 6. 设定回路报警限幅值 向导提供了三个输出来反映过程值 (PV)的低值报警、高值报警及过程值模拟量模块错误状态。当报警条件满足时，输出置位为 1。这些功能在选中了相应的选择框之后起作用。 a. 使能低值报警并设定过程值 (PV)报警的低值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.10，即报警的低值为过程值的 10。此值最低可设为 0.01，即满量程的 1% b. 使能高值报 警并设定过程值 (PV)报警的高值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.90，即报警的高值为过程值的 90。此值最高可设为 1.00，即满量程的 100% c. 使能过程值 (PV)模拟量模块错误报警并设定模块于 CPU 连接时所处的模块位置。“0” 就是第一个扩展模块的位置 第五步：指定 PID 运算数据存储区 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 22 页 共 43 页 图 7. 分配运算数据存储区 PID 指令（功能块）使用了一个 120 个字节的 V 区参数表来进行控制回路的运算工作；除此之外， PID 向导生成的输入 /输出量的标准化程序也需要运算数据存储区。需要为它们定义一个起始地址，要保证该地 址起始的若干字节在程序的其它地方没有被重复使用。如果点击 “Suggest Address” ，则向导将自动为你设定当前程序中没有用过的 V 区地址。 自动分配的地址只是在执行 PID 向导时编译检测到空闲地址。向导将自动为该参数表分配符号名，用户不要再自己为这些参数分配符号名，否则将导致 PID 控制不执行。 第六步：定义向导所生成的 PID 初使化子程序和中断程序名及手 /自动模式 图 8. 指定子程序、中断服务程序名和选择手动控制 向导已经为初使化子程序和中断子程序定义了缺省名，也可以修改成自己起的名字。 a. 指定 PID 初使 化子程序的名字。 b. 指定 PID 中断子程序的名字 c. 此处可以选择添加 PID 手动控制模式。在 PID 手动控制模式下，回路输出由手动输出设定控制，此时需要写入手动控制输出参数一个 0.0 1.0的实数，代表输出的 0 100而不是直接去改变输出值。 第七步：生成 PID 子程序、中断程序及符号表等 一旦点击完成按钮，将在你的项目中生成上述 PID 子程序、中断程序及符号表等。 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 23 页 共 43 页 图 9. 生成 PID 子程序、中断程序和符号表等 第八步：配置完 PID 向导，需要在程序中调用向导生成的 PID 子程序 图 10. PID 子程序 图 11. 调用 PID 子程序 在用户程序中调用 PID 子程序时，可在指令树的 Program Block（程序块）中用鼠标双击由向导生成的 PID 子程序，在局部变量表中，可以看到有关形式参数的解释和取值范围。 a. 必须用 SM0.0 来使能 PIDx_INIT 子程序， SM0.0 后不能串联任何其他条件，而且也不能有越过它的跳转；如果在子程序中调用 PIDx_INIT 子程序，则调用它的子程序也必须仅使用 SM0.0 调用， 以保证它的正常运行 nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 24 页 共 43 页 b. 此处输入过程值（反馈）的模拟量输入地址 c. 此处输入设定值变量地址（ VDxx）， 或者直接输入设定值常数，根据向导中的设定0.0 100.0，此处应输入一个 0.0 100.0 的实数，例：过程值 AIW0 是量程为 0200 度的温度值，则此处的设定值 20 代表 40 度（即 200 度的 20）；如果在向导中设定给定范围为 0.0 - 200.0，则此处的 20 相当于 20 度 d. 此处用 I0.0 控制 PID 的手 /自动方式，当 I0.0 为 1时，为自动，经过 PID运算从AQW0 输出；当 I0.0为 0 时， PID 将停止计算， AQW0 输出为 ManualOutput（ VD4）中的设定值，此时不要另外编程或直接给 AQW0 赋值。若在 向导中没有选择 PID 手动功能，则此项不会出现 e. 定义 PID 手动状态下的输出，从 AQW0 输出一个满值范围内对应此值的输出量。此处可输入手动设定值的变量地址（ VDxx），或直接输入数。数值范围为 0.0-1.0 之间的一个实数，代表输出范围的百分比。例：如输入 0.5，则设定为输出的 50。若在向导中没有选择 PID 手动功能，则此项不会出现 f. 此处键入控制量的输出地址 g. 当高报警条件满足时，相应的输出置位为 1，若在向导中没有使能高报警功能，则此项将不会出现 h. 当低报警条件满足时，相应的输出置位为 1，若在向导中没有使能低 报警功能，则此项将不会出现 i. 当模块出错时，相应的输出置位为 1，若在向导中没有使能模块错误报警功能，则此项将不会出现 调用 PID 子程序时，不用考虑中断程序。子程序会自动初始化相关的定时中断处理事项，然后中断程序会自动执行。 第九步：实际运行并调试 PID 参数 没有一个 PID 项目的参数不需要修改而能直接运行 ， 因此需要在实际运行时调试 PID参数。查看 Data Block（数据块），以及 Symbol Table（符号表）相应的 PID 符号标签的内容，可以找到包括 PID 核心指令所用的控制回路表，包括比例系数、积分时间 等等。将此表的地址复制到 Status Chart（状态表）中，可以在监控模式下在线修改 PID 参数，而不必停机再次做配置。参数调试合适后，用户可以在数据块中写入，也可以再做一次向导，或者编程向相应的数据区传送参数。 3） PID 自整定原理 在 STEP 7-Micro/WIN V4.0 中 可用 PID 调节控制面板 ， 根据工艺要求为调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或极慢速响应 ， PID 自整定 会根据响应类型而计算出最优化的比例、积分、微分值，并可应用到控制中。 以下是 PID 调节控制面板的介绍： nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 25 页 共 43 页 图 14. PID 调 节控制面板 在图 14 中： a. 过程值指示 显示过程变量的值及其棒图 b. 当前的输出值指示 显示当前使用的设定值、采样时间、 PID 参数值及显示当前的输出值和棒图 c. 可显示过程值、设定值及输出值的 PID 趋势图 d. 调节参数 1) 选择 PID 参数的显示：当前参数（ Current）、推荐参数（ Suggested）、手动输入（ Manual) 2) 在 Manual 模式下，可改变 PID 参数，并按 Update PLC 按钮来更新 PLC 中的参数 3) 启动 PID 自整定 功能 4) 选择 Advanced（高级）按钮进入高级参数设定 e. 当前的 PID 回路号 这里你可 以选择需要监视或 自整定 的 PID 回路 f. 时间选项设定 这里你可以设定趋势图的时基，时基以分为单位 g. 图例颜色 这里你可以看到趋势图中不同的颜色代表不同的值的趋势 h. 帮助按钮 i. PID 信息显示窗口 j. 关闭 PID 调节面板 PID 步骤如下： nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 26 页 共 43 页 第一步： 在 PID Wizard (向导）中完成 PID 功能配置 注意 ： 要想使用 PID 自整定 功能， PID 编程必须用 PID 向导来完成 第二步： 打开 PID调节控制面板，设置 PID回路调节参数 在 Micro/WIN V4.0 在线的情况下，从主菜单 Tools PID Tune Control Panel 或点击进入 PID 调节控制面板中，如果面板没有被 激活（所有地方都是灰色），可点击 Configure（配置）按钮运行 CPU。 在 PID 调节面板的 e.区选择要调节的 PID 回路号，在 d.区选择 Manual（手动），调节 PID参数并点击 Update（更新），使新参数值起作用，监视其趋势图，根据调节状况改变 PID参数直至调节稳定。 为了使 PID 自整定 顺利进 行，应当做到： 使 PID 调节器基本稳定，输出、反馈变化平缓，并且使反馈比较接近给定 设置合适的给定值，使 PID 调节器的输出远离趋势图的上、下坐标轴，以免PID 自整定 开始后输出值的变化范围受限制 第三步： 在 d.区点击 Advanced（高级）按钮，设定 PID自整定 选项。如果不是很特殊的系统，也可以不加理会。 第四步： 在手动将 PID 调节到稳定状态后，即过程值与设定值接近，且输出没有不规律的变化，并最好处于控制范围中心附近。此时可点击 d.区内的 Start Auto Tune 按钮启动 PID自整定 功能，这时按钮变 为 Stop Auto Tune。这时只需耐心等待，系统完成 自整定 后会自动将计算出的 PID 参数显示在 d.区。当按钮再次变为 Start Auto Tune 时，表示系统已经完成了 PID 自整定 。 注意 ： 要使用 自整定 功能，必须保证 PID 回路处于自动模式。开始 自整定 后，给定值不能再改变。 第五步： 如果用户想将 PID自整定 的参数应用到当前 PLC中，则只需点击 Update PLC。完成 PID 调整后，最好下载一次整个项目（包括数据块），使新参数保存到 CPU 的 EEPROM 中。 4） 变量换算 PID 功能块只接受 0.0-1.0 之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用 PID 功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。因此，必须把外围实际的物理量与 PID 功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转换。这就是所谓输入 /输出的转换与标准化处理。编程软件 Micro/WIN 提供了 PID 指令向导 ，以方便地完成这些转换 /标准化处理。 因为 A/D（模 /数）、 D/A（数 /模）转换之间的对应关系， S7-200 CPU 内部用数值表示外部 的模拟量 信号，两者之间有一定的数学关系。例如，使用一个 0-20mA 的模拟量 信号输入，在 S7-200 CPU 内部， 0-20mA 对应于数值范围 0-32000；对于 4-20mA 的信号，对应的内部数值为 6400-32000。 但模拟量 转换的目的显然不是在 S7-200 CPU 中得到一个 0 - 32000之类的数值；对于编程和操作人员来说，得到具体的物理量数值（如压力值、流量值），或者对应物理量占量程的百分比数值要更方便，这是换算的最终目标。 模拟量的输入 /输出都可以用下列的通用换算公式换算： Ov = (Osh - Osl)*(Iv - Isl)/(Ish - Isl) + Osl nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 27 页 共 43 页 其中： OV（实数）：换算结果 IV（ 整数）：换算对象 Osh（实数）：换算结果的高限 Osl(实数 )：换算结果的低限 Ish（整数）：换算对象的高限 Isl（整数）：换算对象的低限 它们之间的关系可以图示如下： 图 15. 模拟量比例换算关系 使用编程软件 Micro/WIN32 中的 PID Wizard（ PID 向导） 生成 PID 功能子程序，就不必进行 0-20mA 与 4-20mA 信号之间的换算，只需进行简单的设置。 本例中 PID 子程序获得的当前值是输入电流经过模数转换后得到的 6400-32000 之间 的数值，设定值是实际的温度值， PID 向导 根据设置将设定值转换为 6400-32000 之间的数值使物理意义一致，计算后输出 0.0-1.0 之间的实数。 输入电流经过模数转换后得到的 6400-32000 之间的数值，通过整数 -实数转换子程序，按照模数比例换算关系得到实际的温度值，用于显示，方便操作人员监控。 4 4 定阶段温度控制系统的 PLC 程序设计 在我的设计中，我实现的是固定 4 个阶段的控温， 4 个阶段温度 是 不固定 的 ，可以人为设置；但每个阶段的保温时间是一样的， 同时还能实现即时保温，并且能设置一个固定的停机温度，在机 床停止运作时，板材能保证在这个停机温度，同样的，停机温度也是可以人为设置的。 首先在设计程序的思路上我没有考虑到即时保温和停机保温，考虑到的只是加热到目标温度，紧接着保温，然后选取下一个目标温度，如此继续的程序问题。 在控温装置的硬件电路和装置已经做出来的情况下，假设温度传感器采集到的系统当前温度信号送入 PLC 中，并且 4 个阶段温度值和停机保温的温度值都已经设定好 （用 S7-200系列 PLC 的数据传输指令即可完成） ，如何控制加热器加热 并且加热 到正确的阶段温度，这成为我的程序设计首先考虑的问题。既然有 4 个温度值， 可以利用 PLC 程序执行的特点和大于和小于的比较指令来确定哪个阶段温度值是第一个加热的目标温度值。 具体程序如下： nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 28 页 共 43 页 而加热装置是否加热，我是通过程序中 PID 指令执行的，加热到当前温度 =第一个目标温度（阶段温度中的一个）时，可以通过开启一个接通延时定时器，利用它的延时功能来实现保温。具体设计是将延时计时器的接通状态设定为确定下一个目标温度 的程序语句 （通过=号比较当前 加热的目标 温度和 剩余 阶段温度 来确定下一个目标温度 ，具体程序如下 ）的条件。由于 PLC 中程序的执行是以扫描的形式往复执行的，因此确定下一个目标温度的语 句设定一句即可满足整个加热过程的需要。 剩下的工作是在设计好的加热和保温程序中加入 停机 保温和 即时 保温这 2 大功能。 1）停机保温 实现这一功能比较简单，由于我在上面的程序中用来确定第一个加热目标温度的比较指令是通过大于或小于来实现的，而加热到这个目标温度后用来确定下一个加热目标温度的比较指令是通过等号来实现的，因此在按下停机保温按钮后，立即将程序开始前设定的停机保温的温度值送入目标温度值中即可，在加热到这个温度时，也同样开启了接通延时计时器，但是系统当前的目标温度和阶段温度值中的任何一个都不是等号的关 系，即确定不出来下一个目标温度，因此温度会一直维持在这个停机温度值。 具体程序如下： nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 29 页 共 43 页 对于解除停机保温，可以 在程序的前端部分 通过 整个加热系统的 开始和停止按钮的开启来设定一个启停标志位 ，可以利用解除保温按钮和启停标志位来作为系统确定第一个目标温度的条件，这样，当按下解除保温按钮后， PLC 中程序又会通过当前温度和设定的 4 个阶段温度利用大于或小于的比较指令来确定目标温度，进而继续加热。 2）即时保温 即时保温，顾名思义，按下这一按钮后，整个加热装置要做的工作是将温度值保持在当前温度左右，直到保温时间到或者按下解 除保温按钮， 在处理的方法上，我选择了一种比较有特点的方法，当按下即时保温按钮后，直接通过延时计时器来控制启停标志位，启停标志位是 PID 计算的输入，最终实现的是将 PID 运算暂时停止一段时间，这一段时间即是保温时间，而在这一段时间内，由于做为输入的启停标志位的消失， PLC的 PID 模块中不会有输出，没输出，也就无法通过固态继电器来控制加热器对材料进行加热。 PID 算法的惯性不能 立即停止加热的，所以误差方面即使存在，由于余热，在设定好的时间内也不会过大。 具体 PID在程序中如下： 这只是一个初步的想法，如何通过延 时定时器和启停标志位来关闭 PLC，而在延时时间到了后， PID 运算又会重新开始。对次，我用到了一个下降沿开关，并且在延时定时器的选择上选的是断开延时定时器，当按下即时保温按钮后，断开延时定 时器的常闭触电直接置 0，直接将启停标志位置 0，从而关闭了 PID 计算，而此时常开触电也被直接置 1，在延时时间到了的时候，由于下降沿着的存在，在延时定时器即将改变的瞬间使得启停标志位置 1。具体程序语句如下： nts小型多工步自动推料进给装 置及温控、上位显示系统设计 第 30 页 共 43 页 至于解除即时保温按钮，和停机保温的解除保温按钮可以共同使用同一个。无论要解除的是即时保温还是停机保温，都能实现 ，具体解除保温的按钮见 4 4 定阶段温度控制系统的 PLC 程序设计 在即时保温和停机保温还有解除保温的按钮的设计上，要满足的条件必须是：按下即时或者停机保温后，程序开始工作，按下解除保温后，系统停止保温工作，但是同时 即时保温和停机保温这 2 个按钮必须得复位，这样才能实现下一次的即时保温或者停机保温，具体程序语句的设计如下： 4 5 变阶段温度控制系统的 PLC 程序设计 我设计的这套变阶段温度控制程序在程序运行后可以设置控温阶段数，并且每个阶段的控温度数和相应的保温时间都可以设置。在按下开始按钮后，系统能自动选择 第一个目标温度并且开始控温，到达目标温度后会自动保温一段时间，然后选择出下一目标温度值，并继续循环加热，控温。 并且能实现即时保温 60 秒，这个时间原理上是可以随意设定的。 因为要实现变阶段控温，肯定会有一个存数据和取数据的问题。在这套程序开始设计时，对于我来说，这就是面前的一大难题，用什么指令实现存数据和取数据？这种类似数据库的功能用什么样的程序能实现？经过翻阅相关的 PLC 编程资料，我发现基本上能实现上述功能的有 2 种方法，一种是用间接寻址的方法，另外一种是利用 PLC 指令中的表功能指令 。 在对这 2 种方法学习研究 后， 得出以下结论： 每种板材对控温阶段数，阶段温度和相应的保温时间都不一样。用间接寻址的方法能将许多种板材对于以上 3 中参数的要求储存起来，并且能实现一一调用，但是这种调用是将某套板材的一整套资料一次性取出；用表功能指令能根据板材的不同要求利用填表指令输入控温阶段数，阶段温度和相应的保温时间，利用表功能中的先入先出指令（ FIFO）挨个取数据，并且根据存储器填充指令能将表内的数据全部复位清零。 对于存取数据，我选择的方式是表功能指令。它总共有以下几个表指令： 1） 填表指令 ATT 填表指令（ Add To Table） 向表格（ TBL）中增加一个字的数值（ DATA）。表内第一个数是表的最大长度（ TL）。第二个数是表内的实际项数（ EC）。新数据被放入表内上一次填入的数的后面。每向表内填入一个新的数据， EC 自动加 1。除了 TL 和 EC 外，表内最多可以装入100 个数据。 TBL 为 WORD 型， DATA 为 INT 型。 填入表的数据过多（溢出）时， SM1.4 将被置 1。 2） 查表指令（ Table Find） 查表指令从指针 INDX 所指的地址开始查表格 TBL，搜索与数据 PTN 的关系满足 CMD 定义的条件的数据。命令参数 CMD=1-4，分别表示“ =”、 “ ”。如果发现了一个符合条件的数据，则 INDX 指向该数据。要查找下一个符合条件的数据，再次启动查表指令之前，应先将 INDX 加 1。如果没找到， INDX 的数值等于 EC。 nts小型多工步自动推料
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