PLC药品自动灌装机的设计

目录目录 第 1 章 引言 1 1 1 药品罐装机的发展历程 1 1 2 药品罐装机的发展现状 1 1 3 药品罐装机发展中所面临的问题 2 1 3 1 从产品质量 性能及应用方面看国产药品罐装机的差距 2 1 3 2 从整个行业看药品罐装机所存在的问题 2 1 4 药品罐装机的发展趋势 3 1 4 1 实现罐装自动化 3 1 4 2 环保设计 3 1 5 控制要求 4 1 6 总体结构设计 4 第 2 章 系统硬件设计 6 2 1 硬件选择 6 2 2 PLC 选择 6 2 2 1 PLC 定义 6 2 2 2 PLC 的基本结构和功能 7 2 2 3 PLC 的功能 8 2 2 4 PLC 的工作原理及方式 9 2 2 5 SIMATIC S7 工业软件 10 2 3 S7 200 系列 PLC 的硬件配置 10 2 3 1 基本单元 11 3 3 2 扩展单元 11 2 4 传感器选择与设计 12 2 4 1 光电开关的原理 12 3 4 2 光电开关应用设计 13 2 5 数码显示部分设计 14 2 6 电机的选取 15 2 6 1 M1 电机的选取 15 2 6 2 M2 电机的选取 16 2 6 3 M3 电机的选取 18 2 7 继电器的选择 19 2 8 变频器的选择 20 2 8 1 变频器的控制电路 20 2 8 2 变频器与 PLC 的连接 22 第 3 章 软件设计 23 3 1 程序流程图 23 3 2 功能实现 24 3 3 梯形图说明 26 第 4 章 结论 28 参考文献 29 致 谢 30 附 录 31 第第 1 章章 引言引言 随着社会的进步和需求 越来越多的企业每年投入大量资金和技术对罐装 机进行技术改造 取得了良好的效果 用 PLC 模块 变频驱动技术 操控监控 设备等组成控制系统 以实现编程输入 人机交互 自动化加工的控制方式 扩大加工能力 减少故障 提高效率 已成为企业进行技术改造的有效方式 1 1 药品罐装机的发展历程药品罐装机的发展历程 早期的药品生产罐装工序主要是采用手工包装 后来随着科学技术的发展 人们逐渐采用机械化罐装 20 世纪 70 80 年代左右 科技水平获得了飞速发 展 随着社会的进步 药品罐装材料的质量及药瓶制作工艺等方面的技术有了 更高的要求 需要罐装机进一步改造 使得全自动罐装机开始得到了应用与推 广 此时 药品罐装机改变了国外产品一统天下的局面 国产药品罐装机开始 面市并获得了广泛的应用 20 世纪 90 年代 上海某公司生产的 HDZ 60 型全 自动罐装机首次在全国亮相 一些生产量大的制药生产企业相继开始采用国产 的全自动药品罐装机来代替手工包装 掀起了研制与生产功能更加全面的全自 动药品罐装机高潮 1 2 药品罐装机的发展药品罐装机的发展现状现状 近代 市场上药品罐装机种类繁多 数量齐 已基本可满足厂家生产的各 种药品罐装的需求 按照不同的分类方法 可将我国生产的全自动罐装机分成 好几种类 1 若从罐装机速度来分可分为3 类 第1 类为低速型 第2 类为中 高速型 第3 类为高速型 2 若按罐装类的不同 可分为泡罩板型 针剂瓶型 软膏管型与其它型全自动罐装机等 在国内药厂占有率方面 国产药品罐装机 的占有率大约3 成左右 许多规模较大的药品生产厂家仍以采用进口的药品罐 装机为主 造成这一现象原因是国产药品罐装机的综合性能指标达不到制药厂 家所要求的缘故 1 3 药药品罐装品罐装机发展中所面临的问题机发展中所面临的问题 1 3 1 从产品质量 性能及应用方面看国产药品罐装机的差距从产品质量 性能及应用方面看国产药品罐装机的差距 1 在质量方面 由于药品自动罐装机是制药机械中较为复杂的机械 它 包罗了机 电 气 光和其它技术于一体 而目前国内药品装盒机制造厂无论 是产品的最初设计水平 还是后来的加工与装配水平 都与国外同行有着十几 年的差距 无法生产出真正有竞争力的产品 2 在适应性方面 国产自动药品罐装机的功能比较单一 适应面也比较 窄 对待装药品的形状与体积等均有较严格的规定 一般只适用于一二种药品 而国内同一药品生产企业所生产的药品规格各不相同 产量也不同 这就给相 关工作带来一定的困难 而国外药品罐装机生产厂商特别注重这方面的问题 他们所生产的设备功能更加灵活多变 适用范围也更广 3 在运行可靠性方面 进口自动装盒机也要高出国产一截 部分国产药 品装盒机的故障率较高 因此 许多药品生产企业不得不购买多台国产自动装 盒机 以防因维修机器而影响正常生产 4 在工作效率方面 由于国产药品罐装机的运行速度大多在中低档水平 且自动化程度一般 其生产效率自然不如以生产高档产品著称的国外同类产品 这样就等于无形中增加了企业的成本 降低了企业的利润 造成了极大的浪费 总之 目前国产药品自动装盒机还存在着适应包装物种类单一 纸盒尺寸的变 化范围小 生产速度普遍停留在中低速水平等不完善之处 1 3 2 从整个行业看药品罐装机所存在的问题从整个行业看药品罐装机所存在的问题 药品罐装机的研制是一个复杂的系统工程 需要有雄厚的技术力量 精密 的生产工艺等多方面的要求 而目前我国在这方面的投入甚少 行业中的产品 生产与基础研究经费的投入比例严重失调 生产厂家只顾眼前利益 不愿投入 资金进行基础研究 可以说 药品罐装机的研发力量薄弱与经费严重不足造成 其技术含量低下 无法与国外同类产品竞争 且只能靠低价维持其市场竞争力 无法长期占领市场的现状 在行业中 药品罐装机低水平重复太多 应变能力不强 国内的大部分生 产厂商规模都很小 且大多生产同种类型的设备 在市场上进行低价恶性竞争 而一旦遇上市场要求变动 又无法及时转型 从而极易被市场所淘汰 1 4 药品罐装机的发展趋势药品罐装机的发展趋势 1 4 1 实现罐装自动化实现罐装自动化 自动罐装已成为一种发展趋势 现在的罐装自动化只能说是初级阶段 要 实现真正的自动化会碰到很多问题 比如传感器等问题 对各种不同的药品在 检测过程中所碰到的问题 此时 这就需要各行各业的共同努力 目前制药机械企业已经开始用伺服电机控制代替传统的传动系统 即可以 通过程序的编写来控制整个动作的同步 又可以消除传统传动系统容易形成积 累误差的缺点 在调试的过程还可以对每个动作单步运行 在自动化的设计中 我们主要是 模块化 设计 将相关动作由系统独立控制 又可实现整体控制 实际上是增加了调节的灵活性 提高了自动化程度 在对医疗罐装机械进行自 动化控制上 整体自动化罐装车间的设计 实际上是对药品罐装提供一套完整 的罐装解决方式 1 4 2 环保设计环保设计 从环保的方面看 自动罐装机械尤其处于萌芽时期 更加需要改进 泡罩 罐装机采用的无边冲裁 它既是药品厂家的节约之举 也是社会资源的节约 同时还减少了环境污染 刚刚修订过的 固体环境污染防治法草案 草案的实 施对过度包装问题提出了具体的限制 虽然仍不完善 但这说明国家已经将包 装所引起的环境问题提到日程上来了 据统计 包装垃圾已经占到生活垃圾的 30 而这些垃圾绝大部分都是过度包装 顺着这个思路思考一下医药包装机械 的整体状况 就会发现我们距离 绿色包装 有多远 我们应当遵守这样一条 原则 减少一切可以避免的 一切废品都是浪费 都可能对环境造成污染 在 这条原则的下 我们需要从结构 工艺组合及原材料等方面相结合 来设计我 们的罐装机械 使其更加环保 1 5 控制要求控制要求 1 罐装机启动以后传输电机运行 控制器应检测瓶子是否到位和下料盘 是否有足够的药粒 只有这两个条件都满足才能启动下料电机 2 罐装机在运行中一旦检测不到瓶子或下料盘的药粒不足 立即停车并 发出警报 停车后经手动复位系统才能恢复运行 3 为了能够调节罐装速度 罐装机的下料电机采用变频调速 4 为了提高罐装速度 挡瓶气缸和进瓶气缸动作应迅速 5 具有紧急停车的功能 1 6 总体结构设计总体结构设计 药粒自动罐装机的结构简图如图 1 1 所示 药粒自动罐装机由机架 传输 机构 下料机构 供电机构和控制器等部分组成 药粒自动罐装机的传输带由 传输电机拖动 用于传送将要罐装的瓶子 下料机构包括下料电机 下料盘 下料道和出料口 下料盘由下料电机拖动 将下料盘上的药粒送到下料道 再 经出料口装入药瓶中 供料机构是用于向下料盘提供药粒的机构 图 1 1 未画 出 药粒自动罐装机有 3 个传感器 一个是药瓶传感器 用作检测传输带上是 否有瓶子 一个是下料传感器 用于检测下料盘的每一等份的药粒是否全部掉 进下料道 在这里我们选用检测距离为 10mm 的接近开关作为下料传感器 最后 一个是料位传感器 用于检测下料盘是否需要供料 这里我们采用一个自动的 双位控制开关为料位传感器 安装在下料盘中 药粒自动罐装机的简单工作过 程如下 药品罐装机启动后 传输电机运行 传输带动待罐装的瓶子送到出料 口 在出料口的左右两端装有两个气缸 一个是进瓶气缸 另一个是的挡瓶气 缸 当进瓶缩回而挡瓶气缸伸出时 传送带动瓶子送到出料口 然后进瓶气缸 再伸出 将位于出料口的瓶子锁定位置 为瓶装做好准备 瓶子到位后 下料 电机启动运行 带动下料盘旋转 下料是一个分成几个等份而每等份钻有数目 相同的圆孔的圆盘 小料盘倾斜安装 起上方为欲装瓶药粒 起下方是一块刻 有一个下料孔的圆板 当小料盘旋转 伴随震动 时药粒掉入圆板 每个圆孔 携带一个药粒使预定数目的药粒随下料盘一起转动 当圆孔经过下料孔时药粒 下落的下料道 经出料口装入瓶内 这样 下料盘的每一等份经过出料口后 在下一等份换没有到达出料口之前就已该等份的药粒经出料口装入子 待该等 份的药粒全部进入瓶子 挡瓶气缸缩回 放走这个已罐装的瓶子 完成该瓶子 的罐装流程 已罐装的瓶子离开后 挡瓶气缸伸出同时进瓶气缸缩回 下一个 瓶子进入工位 准备装接下料盘的下一个等份的药粒 开始新的工作循环 图 1 1 药品自动罐装机结构图 第 2 章 系统硬件设计 2 1 硬件选择硬件选择 根据以上灌装过程描述 系统共需要6输入点 8输出点 下料传感器 瓶 子传感器 料位传感器 启动按钮 停止按钮 复位按钮 表2 1 输入 输出地址分配 输入设备元件代号输入点地址输出设备元件代号输出点地址 下料传感器 SB1 I0 0 下料继电器 KM1Q0 0 瓶子传感器 SB2 I0 1 传输继电器 KM2 Q0 1 料位传感器 SB3 I0 2 供料继电器 KM3 Q0 2 启动按钮 SB4 I0 3 进瓶气缸 Y1 Q0 3 停止按钮 SB5 I0 4 挡瓶气缸 Y2 Q0 4 复位按钮 SB6 I0 5 运行指示灯 HL1 Q0 5 故障指示灯 HL2 Q0 6 报警器 HA Q0 7 2 2 PLC 选择选择 2 2 1 PLCPLC 定义定义 可编程控制器是60年代末发明的工业控制器件 是美国数字公司为美国通 用公司研制开发并成功应用于汽车生产线上 当时人们把这第一台可编程控制 器做可编程序逻辑控制器PLC或PC 只是用来取代继电接触控制 仅有执行继电 器逻辑 计时 计数等较少的功能 70年代中期出现了微处理器和微型计算机 人们把微机技术应用到可编程控制器中 使得它兼有计算机的一些功能 不但 用逻辑控制编程取代了硬件连线逻辑 还增加了运算 数据传送与处理及对模 拟量进行控制等功能 使之真正成为一种电子计算机工业控制设备 2 2 2 PLCPLC 的基本结构和功能的基本结构和功能 PLC的基本结构 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机 它采用了典型的计算机结构 主要 由CPU RAlI 输入输出接口电路等组成 其硬件结构基本上与微型计算机相同 其基本结构如图2 1所示 图2 1 PLC基本组成 1 输入部件 这是PLC与输入控制信号连接起来的部件 输入部件接受从开关 按钮 继 电器触点和传感器等输入的现场控制信号 并将这些信号转换成中央处理器能 够接受和处理的数字信号 2 输出部件 这是PLC与被控设备连接起来的部件 输出部件接受进过中央处理器处理过 的输出数字信号 并将它转换成被控设备或显示装置所能接受的电压或电流信 号 驱动接触器 电磁阀和指示器件等 3 中央处理单元 中央处理单元包括微处理器 系统程序存储器和用户程序存储器 微处理 器 是PLC的核心部件 整个眦的工作过程都是在中央处理单元的统一指挥和协调下 进行的 它的主要任务是按一定的规律和要去读入被控对象的各种工作状态 然 后根据用户所编制的应用程序的要求去处理有关数据 最后在向被控对象送出 编程器 微处理器 系统程序存储器 用户程序存储器 用户被控设备 输 出 部 件 输 出 部 件 电源部件 相 应的控制信号 4 电源部件 电源部分将外部接入的交直流电源转换成CPU 存储器等电子电路工作所需 的直流电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用 它的好坏直接影响 PLC7的功能和可靠性 如果没有一个良好的 可靠得电源系统是无法正常工作 的 因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视 目前大部分PLc使用开关式 稳压电源 5 编程器 编程器是PLC必不可少的重要外围设备 主要用于对用户程序进行输入 检 查 调试和修改 并用来监视PLC的工作状态 2 2 3 PLCPLC 的功能的功能 PLC系统一般由以下基本功能构成 1 控制功能 逻辑控制 眦具有与 或 非 异或和触发器等逻辑运算功能 可以代替 继 电器进行开关量控制 定时控制 它为用户提供了若干个电子定时器 用户可自行设定 接通延 时 关断延时和定时脉冲等方式 计数控制 用脉冲控制可以实现加 减计数模式 可以连接码盘进行位置 检测 顺序控制 在前道工序完成之后 就转入下一道工序 使一台PLC可作为多 部步迸控制器使用 2 输入 输出接口调理功能 具有A D D A转换功能 通过I o模块完成对模拟量的控制和调节 位 数和精度可以根据用户要求选择 具有温度测量接口 直接连接各种电阻或电 偶 3 编程 调试等 使用复杂程度不同的手持 便携和桌面式编程器 工作站和操作屏 进行 编程 调试 监视 试验和记录 并通过打印机打印出程序文件 2 2 4 PLCPLC 的工作原理及方式的工作原理及方式 最初研制生产的PLC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 在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作 PLC的CPU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问一般在100ms以上 而PLC扫描用户程序的时间一般均小 于100ms 因此 PLC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I 0响应要求不高的场合 PLC与继电器控制装置的处理结果上就没 有什么区别了 PLC是采用 顺序扫描 不断循环 的方式进行工作的 即在PLC运行时 CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序 按指令步序号 或 地址 号 作周期性循环扫描 如无跳转指令 则从第一条指令开始逐条顺序执行用户 程序 直至程序结束 然后重新返回第一条指令 开始下一轮新的扫描 在每 次扫描过程中 还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作 PLC的一个扫描周期必经输入采样 程序执行和输出刷新三个阶段 见图 2 2 第 N 1 个 扫描周期 第 N 个扫描周期第 N 1 个扫 描周期 用户程序执 行 输出刷新输出刷新 图2 2 PLC扫描周期示意图 2 2 5 SIMATIC S7 工业软件工业软件 西门子的工业软件分为二个不同的种类 1 编程和工程工具 编程和工程工具包括所有基于 PLC 或 PC 用于编程 组态 模拟和维护等 控制所需的工具 STEP 7 标准软件包 SIMATIC S7 是用于 S7 300 400 C7 PLC 和 SIMATIC WinAC 基于 PC 控制产品的组态编程和维护的项目管理工具 STEP 7 Micro WIN 是在 Windows 平台上运行的 S7 200 系列 PLC 的编程 在线 仿真软件 2 基于 PC 的控制软件 基于 PC 的控制系统 WinAC 允许使用个人计算机作为可编程序控制器 PLC 运行用户的程序 运行在安装了 Windows NT4 0 操作系统的 SIMATIC 工控机或其它任何商用机 WinAC 提供两种 PLC 一种是软件 PLC 在用户计 算机上作为视窗任务运行 另一种是插槽 PLC 在用户计算机上安装一个 PC 卡 它具有硬件 PLC 的全部功能 WinAC 与 SIMATIC S7 系列处理器完全兼 容 其编程采用统一的 SIMATIC 编程工具 如 STEP 7 编制的程序既可运行 在 WinAC 上 也可运行在 S7 系列处理器上 2 3 S7 200S7 200 系列系列 PLCPLC 的硬件配置的硬件配置 S7 200 系列 PLC 可提供 4 种不同的基本单元和 6 种型号的扩展单元 其系 统构成包括基本单元 扩展单元 编程器 存储卡 写入器 文本显示器等 2 3 1 基本单元基本单元 S7 200 系列 PLC 中可提供 4 种不同的基本型号的 8 种 CPU 供选择使用 其输入输出点数的分配见表 2 2 表 2 2 S7 200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元 型 号输入点输出点可带扩展模块数 S7 200CPU22164 S7 200CPU22286 2 个扩展模块 78 路数字量 I O 点或 10 路模拟量 I O 点 S7 200CPU2241410 7 个扩展模块 168 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 S7 200CPU2262416 2 个扩展模块 248 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 S7 200CPU226XM 2416 2 个扩展模块 48 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 3 3 2 扩展单元扩展单元 S7 200 系列 PLC 主要有 6 种扩展单元 它本身没有 CPU 只能与基本单元 相连接使用 用于扩展 I O 点数 S7 200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点 数的分配如表 2 3 所示 表 2 3 S7 200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点数 类 型型 号输入点输出点 EM2218无 EM222无8数字量扩展模块 EM2234 8 164 8 16 EM2313无 模拟量扩展模块 EM232无2 EM23531 2 4 传感器选择与设计传感器选择与设计 光电式传感器是自动药品罐装机在药粒灌装生产线上的一个关键设备 药 粒灌装的准确性 将直接影响生产线的生产质量 所以高速准确计数是光电式自 动药品罐装机的关键技术 目前 在粒状药品灌装生产线上 广泛采用的是模板 式的计数系统 当改变每一瓶的灌装量时 需要换不同的计数模板 并且该种系 统的灌装效率越来越不能满足使用厂家的要求 希望有一种高效灌装的计数方法 本 文介绍的光电式自动药品装瓶数粒机系统就是为了满足粒状药品高速灌装生产 线的需要设计的 本系统采用的光电计数方式是当今药粒灌装生产线上被大量使 用的最新技术 该种光电式自动药品装瓶数粒机计数准确 提高了生产厂家的产 品质量 2 4 1 光电开关的原理光电开关的原理 光电开关是传感器大家族中的成员 它把发射端和接收端之间光的强弱变 化转化为电流的变化以达到探测的目的 由于光电开关输出回路和输入回路是 电隔离的 所以它可以在许多场合得到应用 光电开关 光电传感器 是光电 接近开关的简称 它是利用被检测物对光束的遮挡或反射 由同步回路选通电 路 从而检测物体有无的 物体不限于金属 所有能反射光线的物体均可被检 测 光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出 接收器再根据接收到 的光线的强弱或有无对目标物体进行探测 多数光电开关选用的是波长接近可 见光的红外线光波型 光电开关是由发光源和受光器两部分组成 把发光源 和受光器组装在同一密闭的壳体内 彼此间用透明绝缘体隔离 发光源的 引脚为输入端 受光器的引脚为输出端 常见的发光源为发光二极管 受 光器为光敏二极管 光敏三极管等等 在输入端加电信号使发光源发光 光的强度取决于激励电流的大小 此光照射到封装在一起的受光器上后 因光电效应而产生了光电流 由受光器输出端引出 这样就实现了电一光 一电的转换 图2 3 光电开关工作原理图 光电开关一般都具有良好的回差特性 因而即使被检测物在小范围内 晃动也不会影响驱动器的输出状态 从而可使其保持在稳定工作区 同时 自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区 以随时监视光电开关的工 作 3 4 2 光电开关应用设计光电开关应用设计 这里要采用对射式光电开关 由一个发光器和一个收光器组成 若把发光 器和收光器分离开 就可使检测距离加大 它的检测距离可达几米至几十米 使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧 检测物通过时阻挡 光路 收光器就动作输出一个开关控制信号 实际应用如图2 4 L H 光电传感器光电传感器 快门快门 药粒药粒 图 2 4 药粒计数结构图 西门子PLC有增计数和减计数两种模式 这里我们对光电传感器的输出脉 冲进行增计数 2 5 数码显示部分设计数码显示部分设计 在PLC上有很多指示灯 可以观察PLC的CPU单元 I O单元 特殊单元及 通信单元的工作情况 但PLC的内部数据PLC本身无法显示 为此 要用PLC的外设如简易编程器 数据访问器 高档及低档人机界面 等 可以通过PLC的外设口与PKC相连 用以显示与修改PLC的内部数据 但是 这些设施价格较贵 而且使用不方便 此外 还可以使用输出点驱动数码管做数据显示 而且数码管还可以通过 数据脉冲选通的方法显示数据 以节省输出点的使用 数码管显示分为动态显 示和静态显示 为了接生I O口 我们采用动态数码显示 接口如图3 3从图知 每个数码管都有4个8421二进制码输入端 每个管的这4个端又分别相连 8421 端与PLC的4个半导体的输出点相接 继电器触点速度低 而且不适合经常通断 故不适于显示数据 图中每个数码管分别有一个选通信号输入端 图2 5 数码管显示图 StrobeA StrobeB等 硬件设计成当选通信号有效时 8421端的当时数据有效 当选通信号无效时 8421端的原数据保持 有此硬件 用8个PLC的输出点 4 个用于接8421端 4个用与接4个选通端 即可实现一个字的数据显示 控制交流电动机的转速有两种方法 1 改变磁极法 2 变频法 以往多 用第一种方法 现在则利用变频技术实现对 2 6 电机的选取电机的选取 2 6 1 M1M1 电机的选取电机的选取 M1 下料电机 选用三相异步电动机 三相异步电动机的旋转原理 三相异步电机 Triple phase asynchronous motor 是同时接入 380V 三相 交流电源 相位差 120 度 供电的一类电动机 由于三相异步电机的转子与定 子旋转磁场以相同的方向 不同的转速成旋转 存在转差率 电机的形式很多 但其工作原理都基于 电磁感应定律和电磁力定律 因此 其构造的一般原则是 用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感 应的磁路和电路 以产生电磁功率 达到能量转换的目的 三相异步电机是感应电机 定子通入电流以后 部分磁通穿过短路环 并在其中产生感应电流 短路环中的电流阻碍磁通的变化 致使有短路环部 分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差 从而形成旋转磁场 通电启动 后 转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流 即旋转磁 场与转子存在相对转速 并与磁场相互作用产生电磁 转矩 使转子转起来 实现能量变换 图 2 6 三相异步电机工作图 观察图 2 6 还可发现 旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关 相 序 A B C 顺时针排列 磁场顺时针方向旋转 若把三根电源线中的任意两根 对调 例如将 B 相电流通入 C 相绕组中 C 相电流通入 B 相绕组中 则相序变 为 C B A 则磁场必然逆时针方向旋转 利用这一特性我们可很方便地改变 三相电动机的旋转方向 定子绕组产生旋转磁场后 转子导条 鼠笼条 将切 割旋转磁场的磁力线而产生感应电流 转子导条中的电流又与旋转磁场相互作 用产生电磁力 电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以 n1的转速旋 转起来 一般情况下 电动机的实际转速 n1 低于旋转磁场的转速 n 因为假设 n n1 则转子导条与旋转磁场就没有相对运动 就不会切割磁力线 也就不会 产生电磁转矩 所以转子的转速 n1必然小于 n 为此我们称三相电动机为异步 电动机 鉴于以上原因 所以M1 下料电机 选用三相异步电动机 2 6 2 M2M2 电机的选取电机的选取 M2 传输电机 选用直流电机 直流电动机按励磁方式不同可分为他励 并励 串励和复励四种 直流电机由定子和转子两部分组成 其间有一定的 气隙 其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢 直流电机的定子由机 座 主磁极 换向磁极 前后端盖和刷架等部件组成 其中主磁极是产生直 流电机气隙磁场的主要部件 由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成 直流电机的转子则由电枢 换向器 又称整流子 和转轴等部件构成 其中 电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成 电枢铁心由硅钢片叠成 在其外圆 处均匀分布着齿槽 电枢绕组则 镶嵌于这些槽中 换向器是一种机械整流部 件 由换向片叠成圆筒形后 以金属夹件或塑料成型为一个整体 各换向片 间互相绝缘 换向器质量对运行可靠性有很大影响 直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电 产生励磁磁通势而建立 主磁场的问题 根据励磁方式的不同 直流电机可分为下列几种类型 图 2 7 直流电机励磁方式 改变电压U 调压调速 当保持他励直流电动机的励磁电流 If 为额定值时 降低电枢电压 U 使转 速 n 降低 由式 T 可见 在一定负载下 U 愈低 转速 n 愈小 但 2 TEE KK R K U n 机械特性的硬度不变 见图 2 8 一般电动机都处在额定状态下运行 再进行调压调速时 为保证电动机的 绝缘 一般是将电动机的电压下调 U U N 而转速也下调 n nN 调压调速是在额定电流下调速 是恒转距调速 电电 压压 降降 低低 T Tc c o o T T n n n n0 0 n n1 1 n n2 2 N NN N N N UN N 图 2 8 电压调速曲线 调压调速的优点 1 机械特性较硬 电压降低后硬度不变 稳定性较好 2 调速幅度较大 其调速幅度可达到 6 10 倍 3 可均匀调节电枢电压 得到平滑的无级调速 这里采用电压调节方式实现对直流伺服电机的调速 输入信号启动开关 当按下启动开关时 M2 转动 药粒下落 当 PLC 计数 器数值达到设定值时 M2 停止转动 鉴于以上原因 所以 M2 传输电机 选用直流电机 2 6 3 M3M3 电机的选取电机的选取 M3 供料电机 选用交流电机 目前较常用的交流电动机有两种 1 三相 异步电动机 2 单相交流电动机 第一种多用在工业上 而第二种多用在民用 电器上 1 单相交流电动机的旋转原理 单相交流电动机只有一个绕组 转子是鼠笼式的 当单相正弦电流通过定 子绕组时 电动机就会产生一个交变磁场 这个磁场的强弱和方向随时间作正 弦规律变化 但在空间方位上是固定的 所以又称这个磁场是交变脉动磁场 这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速 旋转方向互为相反的旋转磁场 当转子静止时 这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等 方向相反的转矩 使得合成转矩为零 所以电动机无法旋转 当我们用外力使电动机向某一方向 旋转时 如顺时针方向旋转 这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切 割磁力线运动变小 转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变 大 这样平衡就打破了 转子所产生的总的电磁转矩将不再是零 转子将顺着 推动方向旋转起来 要使单相电动机能自动旋转起来 我们可在定子中加上一个起动绕组 起动绕 组与主绕组在空间上相差 90 度 起动绕组要串接一个合适的电容 使得与主绕 组的电流在相位上近似相差 90 度 即所谓的分相原理 这样两个在时间上相差 90 度的电流通入两个在空间上相差 90 度的绕组 将会在空间上产生 两相 旋转磁场 在这个旋转磁场作用下 转子就能自动起动 起动后 待转速升到 一定时 借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组 断开 正常工作时只有主绕组工作 因此 起动绕组可以做成短时工作方式 但有很多时候 起动绕组并不断开 我们称这种电动机为电容式单相电动机 要改变这种电动机的转向 可由改变电容器串接的位置来实现 在单相电动机中 产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法 又称单相罩极 式电动机 此种电动机定子做成凸极式的 有两极和四极两种 每个磁极在 1 3 1 4 全极面处开有小槽 把磁极分成两个部分 在小的部分上套装上一个 短路铜环 好象把这部分磁极罩起来一样 所以叫罩极式电动机 单相绕组套 装在整个磁极上 每个极的线圈是串联的 连接时必须使其产生的极性依次按 N S N S 排列 当定子绕组通电后 在磁极中产生主磁通 根据楞次定律 其中穿过短路铜环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后 90 度的感应电流 此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通 它的作用与电容式电动机的起动 绕组相当 从而产旋转磁场使电动机转动起来 鉴于以上原因 所以 M3 供料电机 选用单相交流电机 2 7 继电器的选择继电器的选择 继电器的工作原理和特性 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制 系统 又称输出回路 通常应用于自动控制电路中 它实际上是用较小的电 流去控制较大电流的一种 自动开关 故在电路中起着自动调节 安全保护 转换电路等作用 2 8 变频器的选择变频器的选择 目前 市场上流行的变频器大多分为两类 一类是适于一般负载的一般通用 变频器 另一类是适合于高精度控制的高性能通用变频器 高性能通用变频器 与一般通用变频器相比 在以下几方面具有良好的性能 1 宽的调速范围 1 100 以上 2 良好的低频起动特性 3 额定电压下的全范围恒转矩输出 4 变频器系统具有良好的静态特性和动态特性 5 完整和快速的故障诊断 保护和报警功能 6 具有网络通讯功能 7 变频器和其驱动的电动机噪声低 Micromaster440 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列 该系列有多 种型号 额定功率范围从 120W 到 200KW 恒转矩控制方式 该变频器由微处 理器控制 并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管 IGBT 作为 功率输出器件 因此 它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性 其脉冲宽 度调制的开关频率是可选的 因而降低了电动机运行的噪声 全面而完善的保 护功能为变频器和电动机提供了良好的保护 Micromaster440 具有缺省的工厂设置参数 它是给数量众多的简单的电动机 控制系统供电的理想变频驱动装置 由于 Micromaster440 具有全面完善的控制 功能 在设置相关参数以后 它也可用于更高级的电动机控制系统 所以本设 计中选用 Micromaster440 变频器进行调速 2 8 1 变频器的控制电路变频器的控制电路 如图 2 10 所示 在图 2 10 中 端字 1 2 是变频器为用户提供的 10V 直流 稳压电源 当采用模拟电压信号输入方式输入给定频率时 为了提高交流变频 调速系统的控制精度 必须配备一个高精度的直流稳压电源作为模拟电压输入 的直流电源 模拟输入 3 4 和 10 11 端为用户提供了两对模拟电压给定输入端作为频率 给定信号 经变频器内模 数转换器 将模拟量转成数字量 传输给 CPU 来控制 系统 数字输入 5 6 7 8 16 17 端为用户提供了 6 个完全可编程的数字输入端 数字输入信号经光耦隔离输入 CPU 对电动机进行正反转 正反向点动 固定 频率设定植控制等 输入 9 28 端是 24V 直流电源端 用户为变频器的控制电路提供 24V 直流电 源 输出 12 13 和 26 27 端为两对模拟输出端 输出 18 19 20 21 22 23 24 25 端为输出继电器的触头 输入 14 15 端为 电动机过热保护输入端 输入 29 30 端为 RS 485 端 图 2 10 Micromaster440 变频器电路图 2 8 2 变频器与变频器与 PLCPLC 的连接的连接 可编程控制器 PLC 是一种能进行数字运算与操作的控制装置 它作为新一 代 的工业控制器 因其具有通用性好 实用性强 硬件配套齐全 编程方法简单 易 学等优点而广泛应用于工业领域 下面介绍PLC与变频器在配合时连接方面的 注意事项 1 开关指令信号的输入 变频器的输入信号中包括对运行 停止 正 反转 微动等运行状态进行操作 的开关型指令信号 变频器通常利用继电器触点或具有继电器触点开关特性的 元 器件 如晶体管 与PLC连接 得到运行状态指令 在使用继电器接点时 须考虑 避免接触不良带来误动作 使用晶体管进行连接时 则须考虑晶体管本身的电 压 电流容量等因素 在设计变频器的输入信号电路时应注意 输入信号电路连接 不 当 有时也会造成变频器的误动作 如当输入信号电路采用继电器等感性负载 时 应尽量避免继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音引起变频器误动作 2 数值信号的输入 变频器也存在一些数值型 如频率 电压等 指令信号的输入 分为数字和 模 拟两种 数字输入大