T6113电气控制系统的设计

1第1章绪论11选题的目的和意义由于现代加工技术的日益提高，对加工机床特别是工作母机的要求也越来越高，由此人们也将注意力集中到机床上来，数控技术是计算机技术、信息技术、现代控制技术等发展的产物，他的出现极大的推动了制造业的进步。机床的控制系统的优劣与机床的加工精度息息相关，特别是PLC广泛应用于控制领域后，已经显现出它的优越性。可编程控制器PLC已广泛应用于各行各业的自动控制。在机械加工领域，机床的控制上更显示出其优点。由于镗床的运动很多、控制逻辑复杂、相互连锁繁多，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多、接线复杂，因此故障多维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响设备的功效。采用PLC控制可使接线大为简化，不但安装十分方便而且工作可靠、降低了故障率、减小了维修量、提高了功效。12关于课题的一些介绍和讨论121设计目标、研究内容和拟定解决的关键问题完成对T6113机床的整个控制系统的设计改造，控制核心是PLC，并使其加工精度进一步提高，加工范围扩大，控制更可靠。研究内容（1）T6113的电气系统（PLC）硬件电路设计和在机床上的布局。（2）PLC程序的编制。解决的关键问题PLC对机床各个工作部分的可靠控制电气电路的安全问题的解决122题目的可行性分析虽然目前数控机床以其良好的加工性能得到了人们的肯定，但是其昂贵的价格是一般用户望尘莫及的，所以改造现有的机床以达到使用要求是比较现实的，也是必须的。经过实践证明这样的改造是可以满足大多数情况下的精度和其他加工要求，并且在实践中已取得的相当好的效益。2123本项目的创新之处利用PLC作为控制核心，替代传统机床的继电器控制，使得机床的控制更加灵活可靠，减少了很多中间的机械故障的可能。利用PLC的可编程功能使得变换和改进控制系统成为可能。124设计产品的用途和应用领域镗床是一种主要用镗床刀在工件上加工孔的机床。通常用于加工尺寸较大、精度要求较高的孔。特别是分布在不同表面上、孔距和位置精度要求较高的孔，如各种箱体，汽车发电机缸体等零件的孔。一般镗刀的旋转为主运动，镗刀或工件的移动为进给运动。在镗床上除镗孔外，还可以进行铣削、钻孔、扩孔、铰孔、锪平面等工件。因此镗床的工作范围较广。它可以应用于机械加工的各个领域，但因其价格比一般机床贵好多，所以在比较大的加工车间才可见到。13电气控制技术的发展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系统，从有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储系统。现代电气控制技术综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等许多先进的科学技术成果。作为生产机械的电机拖动，已由最早的采用成组拖动方式，发展到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，至今仍是机床和其他许多机械设备广泛采用的基本电气控制形式，也是学习先进电气控制的基础。这种控制系统的缺点是采用固定的接线方式，灵活性差，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。从20世纪30年代开始，生产企业为了提高生产率，采用机械化流水作业的生产方式，对不同类型的产品分别组成生产线。随着产品类型的更新换代，生产线承担的加工对象也随之改变，这就需要改变控制程序，使生产线的机械设备按新的工艺过程运行，而继电接触器控制系统采取固定接线方式，很难适应这个要求。大型生产线的控制系统使用的继电器的数量很多，这种有触点的3电器工作频率很低，在频繁动作的情况下寿命较短，从而造成系统故障，使生产线的运行可靠性降低。为了解决这个问题，20世纪60年代初期利用电子技术研制出矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系统来代替继电接触式控制系统。对复杂的自动控制系统则采用计算机控制，由于这些控制装置本身存在不足，因此均未能获得广泛应用。1968年美国最大的汽车制造商通用汽车（GM）公司，为适应汽车型号不断更新，提出把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电接触器控制系统的简单易懂、操作方便、价格低等优点结合起来，做成一种能适应工作环境的通用控制装置，并把编程方法输入方法简化。美国数字设备公司（DEC）于1969年率先研制出第一台可编程控制器（简称PLC），并在通用汽车公司的自动装配线上试用获得成功。从此以后，许多国家的著名厂商竟相研制，各自成为系列，而且品种更新很快，功能不断增强，从最初的逻辑控制为主发展到能进行模拟量控制，具有数字运算、数据处理和通信联网等多种功能。PLC另一个突出的优点是可靠性很高，平均无故障运行可达10万小时以上，可以大大减少设备维修费用和停产造成的经济损失。当前PLC已经成为电气自动化控制系统中应用最广泛的核心控制装置。电气控制技术的发展始终是伴随着社会生产规模的扩大，生产水平的提高而前进的。电气控制技术的进步反过来又促进了社会生产力的进一步提高。同时，电气控制技术又是与微电子技术、电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术等紧密联系在一起的。21世纪电气控制技术必将给人类带来更加繁荣的明天。14PLC的发展史、优势及特点141发展史可编程控制器PLC诞生之前，工业电气控制主要使用低压电器构成的继电接触器电路，它是以接线逻辑实现控制功能的。这样的控制设备一经生产出来，功能就固定了，若要改变就必须改变控制器内部的硬件接线，使用起来不灵活，也很麻烦。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了第一台可编程控制器4PDP14，在美国通用汽车公司的生产线上适用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器由此诞生。可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。1971年，日本开始生产可编程控制器，1973年，欧洲开始生产可编程控制器，到现在，世界各国的一些著名的电器工厂几乎都在生产可编程控制器。可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，它采用了一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应性较好，指令系统简单，一般只具有逻辑计算的功能。随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的迅速发展，在20世纪70年代中期，美、日、德等国的一些厂家在可编程控制器中开始更多地引入微机技术，微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件，使可编程控制器具有了自诊断功能，可靠性有了大幅提高，性能价格比产生了新的突破。到20世纪80年代，可编程控制器都采用了微处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）或是单片机作为其核心，处理速度大大提高，不仅增加了多种特殊功能，体积还进一步缩小。20世纪90年代末，PLC几乎完全计算机化，其速度更快，各种智能模块不断被开发出来，使其不断地扩展着它在各类工业控制中的作用。现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛应用。如今，大、中型，甚至小型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还具有PID功能。这些功能使PLC在模拟量闭环控制、运动控制、速度控制等方面具有了硬件基础；许多PLC具有输出和接收高速脉冲的功能，配合相应的传感器及伺服设备，PLC可实现数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备，可实时显示采集到的现场数据及分析结果，为系统分析、研究工作提供依据，利用PLC的自检信号还可以实现系统监控；PLC具有较强有利的通信功能，可以与计算机或其他智能装置进行通讯及联网，从而能方便地实现集散控制。功能完备的PLC不仅能满足控制要求，还能满足现代化大生产管理的需要。近年来，可编程控制器的发展更为迅速。展望未来，可编程控制器在规模和功能上将向两大方向发展一是大型可编程控制器向高速、大容量和高性能方向发展；二是发展简易经济的超小型可编程控制器，以适应单机控制及小5型自动化设备的需要。另外，不断增强PLC工业过程控制的功能（模拟量控制能力），研制采用工业标准总线，使同一工业控制系统中能连接不同的控制设备，增强可编程控制器的联网通信功能，便于分散系统与集中控制的实现，大力开发智能I/O模块、增强可编程控制器的功能等也具有重要意义。142PLC的优势和特点1可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件。在继电器接触器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象大大降低了系统的可靠性。而在PLC系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，PLC有极高的可靠性。根据有关资料统计，目前个生产厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。2适应性强，应用灵活由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。更重要的是，PLC系统相对继电器接触器控制系统，接线很少。3编程方便，容易使用PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂。4功能强，扩展能力强PLC中含有数量巨大的可用于开关量处理的继电器类软元件，可轻松的实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器系统所不能实现的。5PLC控制系统设计、安装、调试方便PLC中相当于继电器接触器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量小，设计人员只要具有PLC就可进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。而继电器接触器系统的调试是靠在现场改变接线进行的，十分烦琐。6维修方便，维修工作量小PLC有完善的自诊断，履历情报存储及监视功能。对于其内部工作状态、6通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员可以通过它查出故障原因，便于迅速处理。7PLC体积小，重量轻，易于实现机电一体化第2章镗床的概况21T6113卧式镗床主要结构及机械运动211T6113卧式镗床主要结构镗床是一种精密加工机床，主要用于加工精密圆柱孔，这些孔的轴线往往要求严格地平行或垂直。相互间的距离也要求很准确，镗床本身刚性好，其可动部分在导轨上活动间隙很小，而且有附加支撑。卧式镗床用于加工各种复杂大型工件，如箱体零件、机床等，是一种功能很大的机床。除了镗孔外，还可以进行钻、扩、绞孔以及车削内外螺纹，用丝锥攻螺纹，车外圆柱面和端面。7卧式镗床外形结构如图中所示1床身2前立柱3主轴箱4尾筒工作台5下滑座6上滑座7工作台8后立柱9悬挂按钮站10固定按钮站卧式镗床的床身是由整体的铸件制成，床身的一端有固定不动的前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗头架，它可以上下移动，镗头架上集中了主轴部件、变速箱、进给箱与操纵机构等部件。切削刀具安装在镗轴前端的锥孔里，或装在平盘的刀具溜板上，在工作过程，镗轴一面旋转，一面沿轴向做进给运动，平旋盘只能旋转装在它的上面刀具溜板可在垂直于主轴轴线方向的径向进给运动。平旋盘主轴是空心轴，镗轴穿过其中空心部分，通过各自的传动链运动，因此可独立转动。在大部分工作情况下使用镗轴加工，只有在用车刀切削端面时才使用平旋盘。卧式镗床后立柱上安装在尾架，用来夹持装夹在镗轴上的镗杆的末端。它可随镗头架同时升降，并且某轴心线与镗头架轴心线保持在同一直线上，后立柱可在床身导轨上沿镗轴轴线方向上做调整、移动。加工时，工件放在床身中部的工作台上，工作台在上滑座上面，上滑座下面是下滑座，下滑座安装在床身导轨上，并可沿床身导轨运动，上滑座又可沿下滑座上的导轨运动，工作台数显表879265141038就可在床身上作前后左右任一方向运动，并可作回转运动，再配合镗头架的垂直运动，就可以加工工件上一系列与轴线相平行或垂直的孔。加工时，刀具装在主轴箱的镗轴或平旋盘上，由主轴箱可获得各种转速和进给量，主轴箱可沿前立柱的导轨上下移动，工件安在工作台，可与工作台一起随上滑座或下滑座作横向或纵向移动，此外，工作台还可以绕上滑座的圆导轨在水平面内移动一定的角度，以便加工互成一定角度的孔或平面，装在镗轴上的镗刀还可以随镗轴轴向运动，以实现轴向进给或调整刀具的轴位置。当镗轴及刀杆伸出较长时，可用后立柱来支撑左端，以增加镗轴和刀杆的刚度。当刀具装在平旋盘的径向刀架时，径向刀架可带着刀具作径向进给，以车削端面。212机械运动镗杆的旋转运动；主轴箱垂直进给运动；工作台纵向进给运动；123工作台横向进给运动；镗杆的轴向运动；平旋盘的旋转运动；平旋盘4567径向刀架进给运动；辅助运动主轴箱、工作台在进给方向的快速调位运动，8后立柱纵向调位运动，后支架的垂直调位运动，工作台的转位运动。这些辅助运动可以手动，也可以由快速电动机转动。22电气控制221卧式镗床电力拖动及控制要求1主轴应有较大调速范围，要求恒功率调速，采用机电联合调速；2变速时，为使滑移齿轮能顺利进行啮合位置，应有低速或断续变速冲动；3主轴能作正反转低速点动调整，要求对主轴电动机实现正反转及点动控制；4为使主轴迅速准确停车，主轴电动机应有机械制动；5主运动与进给运动由一台主轴电动机拖动由各自传动链运动，主轴和工作台除工作进给外，还应有快速移动由另一台快速移动电动机拖动；6镗床运动部件多，设置必要的联锁和保护。222T613卧式镗床的电气控制9机床的电气系统是按三相交流电源设计的，其电源电压与频率为380V50HZ机床采用可编程控制器（PC）控制，可编程控制器的电源为220V；接触器的电压交流110V；电磁阀，电磁离合器为DC24V；信号指示灯为交流6V；手把灯（最大100W）电为24V；均由变压器供电。机床照明灯电压为24V。机床上装有五台交流电动机；主电机（M1），快速移动电机（M2），后立柱快速移动电机（M3），下滑座液压油泵电机（M4），主轴箱液压油泵电机（M5）。可编程控制器（PLC）安装在配电盘下部，配电盘安装在立柱后面的电器柜内。机床上装有悬挂按钮站对机床进行集中操作。各部分简要说明（1）可编程控制器（PLC）本机床采用SIEMENSS7200系列可编程控制器对机床实行控制，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制的目的。紧凑的结构，灵活的配置和强大的指令集使S7200成为各种控制应用的理想解决方案。本系统采用的可编程控制器为S7200系列，CPU224，外形尺寸为12058062（单位），程序存储区4096字节，数据存储区2560字节，掉电保持时间190小时，I/O数量14入/10出，本机扩展模块7个，脉冲输出（DC）为2路20KHZ，模拟电位器，实时时钟为内置，通讯口1RS485。扩展模块选用的是四块EM223（8I/8Q）（2231PH220XAO）。2输入信号机床所使用的按钮、旋钮开关、无触点开关、各部的行程开关及各部的限位开关、速度继电器等均作为输入信号。3输出信号10可编程控制器输出信号分别接通交流接触器，液压电磁阀，电磁离合器和信号灯。4机床的程序编制利用STEP7MICRO/WIN软件来编制，采用梯形图方式来实现。详细情况见系统程序编制部分。（2）限位、线路保护说明1进给和快速移动的限位SQ14、SQ15主轴箱升降终点限位开关SQ16、SQ17上滑座移动终点限位开关SQ18、SQ19下滑座移动终点限位开关当某一移动部件达到极限位置时，相应的限位开关压开关动作，切断进给和快速移动电路或使换向离合器脱开，可以按相反方向的快速移动按钮，使其复位。2线路保护和互锁装置短路保护和过载保护三极自动空气开关QF1、QF2、QF3、QF4和热继电器FR1、FR2、FR3分别对应电动机进行过载或短路保护，电机自动开关QF5、QF6、QF7、QF8、QF9、QF10、QF11、QF12分别对相应的控制电路进行短路和过载保护。主轴保护工作台处于“松开”状态，即分配工作台后指示灯时，主轴不能旋转。机动进给和快速移动的互锁机动进给时，快速移动不能进行；同样快速移动时，机床不能机动进给。主轴箱前面大手轮状态大手轮扳到“微动”位置，行程开关SQ4被压动作，切断快速移动和机动进给；大手轮扳到“手大动”位置，SQ5被压动作，使按钮SB23分配到主轴无效，主轴只能手动移动。保护接地11电气柜底部设有总的接地铜排，机床各部件之间为滑动面者，均接有跨接地线，金属外壳的电器件如电动机等也接有保护地线，并为树叉式接法，这些地线均接在铜排上。3导轨润滑说明机车已放置很长时间在使用，机床通电后先按导轨润滑按钮SB19，多按几次（间隔10秒钟）。每按一次，导轨润滑泵来一次润滑导轨，以后导轨自动润滑。（三）主电机制动说明主电机采用电子制动器制动，主轴停车快而平稳，主电机的制动电流及制动时间均可调，主轴旋转时，制动器的“允许”灯亮，表示制动器可以工作了，按下停止按钮，制动器“电源”灯亮、“制动”灯亮，两秒钟后，“制动”和“电源”灯灭，制动结束。主轴没有刹车，即制动器不工作，制动器报警灯亮。12第3章镗床电力拖动电动机的选择31概述正确的的选择电动机具有重要意义，合理的选择电动机是从驱动机床的具体对象、加工规范，也就是要从机床的使用条件出发，经济、合理、安全等多方面考虑，使电动机能够安全可靠的运行。电动机功率的确定是选择电动机的关键，但也要对转速、使用电压等级及结构形式等项目进行选择。异步电动机由于它结构简单坚固、维修方便、造价低廉，因此在机床中使用的最为广泛。电动机的转速越低则体积越大，价格也越高，功率因数和效率越低，因此电动机的转速要根据机械的要求和传动装置的具体情况而定。异步电动机的电压等级是380伏。一般的说金属切削机床都采用通用系列的普通电动机。在选择电动机时，也应考率机床的转动条件，对易产生悬浮飞扬的铁屑或废料，或冷却液、工业用水等有损于绝缘的介质能侵入电动机的场合，选用封闭式的。按机床的电气设备通用技术条件中规定，机床应采用全封闭扇冷式电动机。32镗床用电动机容量的选择根据机床的负载功率，（例如切削功率）就可选择电动机的容量，然而机床的载荷是经常变化的，而每个负载的工作时间也不尽相同，这就产生了使电动机功率如何最经济的满足机床负载功率的问题。机床上常用Y系列三相异步电动机，Y系列电动机是封闭自扇冷式拢型三相异步电动机321镗床主运动电动机容量的选择多数机床负载情况比较复杂，切削用量变化很大，尤其是通用机床负载种13类更多，不易准确地确定其负载情况。因此通常采用调查统计类比法来确定电动机的功率。调查统计类比法分析切削用量，确定切削用量最大值，在同类同规格的机床上进行切削实验，并测出电动机的输出功率，再考虑机床最大负载情况，以及采用先进切削方法及新工艺。类比同类机床电动机的功率，最后确定所设计的机床电动机功率来选择电动机。卧式镗床主电动机功率1704PD式中D镗杆直径D120MMP13698KW取电动机功率15KW型号Y180L6额定电流314效率8956P极功率因数081额定转矩20额定转速970R/MIN322快速移动电动机容量的选择/6120EPGUV式中G移动部件的重量移动速度U动摩擦系数效率（机床传动）G9500085V25M/MIN4565KWKGEP取电动机功率55KW型号Y132M26额定电流17A效率86功率因数078额定转速960R/MIN323后立柱电动机容量的选择/6120EPGUV14式中G移动部件的重量移动速度VU动摩擦系数效率（机床传动）712T619A卧式镗床的PLC程序编制在程序的编制过程中，选用了定时器T37T44，另为编程需要还选了M100M107和M110M113十二个辅助继电器。关于定时器的选用定时器指令用来规定定时器的功能，在编程过程中，基于对T619A卧式镗床的运动状态的考虑，我选用的是接通延时定时器和断开延时定时器。编制的过程中使用延时定时器是为了使电磁阀有充分的时间夹紧和松开。在使用过程中注意了以下基本要素1编号、类型及分辨率。定时器有1、10、100三种分辨率，定时器的编号和类型与辨率有关。有记忆的定时器均是接通延时型的，无记忆的定时器可通过指令指定为接通延时和关断延时型。2预置值。也叫设定值。预置值即编程时设定的延时时间的长短。PLC定时器采用时基计数及与预置值比较的方式确定延时时间是否到达。时基计数值称为当前值，存储在当前值寄存器中。预置值在使用梯形图编程时，标定在定时器功能框的“PT”端。3工作条件。从梯形图的角度看，定时器功能框中“IN”端连接的是定时器的工作条件。对于接通延时定时器来说，有能流流到“IN”端时开始计时。15从无记忆的定时器来说，工作条件失去，即延时接通定时器能流从有变到无时，无论定时器计时是否达到预置值，定时器均复位，前边的计时值清零。4工作对象。工作对象指定时时间到时，利用定时器的触点控制的元器件或工作过程。第8章经济效益分析16机床是用于生产的，也就是用来为人们创造财富的，那么它的经济效益就显得非常重要了。用PLC作为控制系统的核心，与传统的继电器控制有以下几点好处首先是从材料方面它比继电器的耗材少的多，在今天这种科技快速发展的形势下，材料特别是金属材料价格越来越不菲，使得我们不得不考虑到用材上来，我设计的T6113卧式镗床使用继电器时，要使机床能正常工作所需的继电器数目是28个，而一个继电器的耗材和一个PLC相比，前者多一点。其次从能源方面来讲，随着石油价格的飞速上涨，石油的紧缺，能源问题已成为威胁人类生存的关键问题，是我们人类要迫切解决的重大问题。所以也要从能源角度来考虑，电器系统要消耗电能源，大家都知道PLC属于机电一体化的典型产品，它的核心仍然是我们熟悉的单片机，它里面的中间继电器工作所需的电能是非常少的，最少是相对与将近三十个继电器来说，它的耗能是微乎其微的。最后从故障方面来讲，机床属于工作母机，它在生产单位里使用频率是非常高的，平时的故障和维修是很平常的事，所以故障率是值得考虑的。由于PLC是采用内部的逻辑触点来完成控制功能的，它的寿命大概可达到几百万次到千万次吧，而继电器控制的电路，继电器的寿命是几天次到万次，故障就可想而知，如果是一个工厂的几千台机床来说，这个效益就大的太多了。结论本次设计基本上完成了预期的目的，利用PLC做出的控制系统，实现了机床能快速响应动作，灵活可靠的完成生产任务，而故障率要相应降低的功能特点。设计也确实从电动机的选择到控制系统得设计及其PLC编程，做到了从始17到终的整个过程，并做了实物演示，给了设计以有力的证明。当然，为了机床使用在实际生产中的安全，在电路的也充分考虑到电路保护，从过载保护到短路保护，用到了断路器和熔断器给机床以安全的保障。在控制电路设计方面，利用了使控制更灵活，能随着输入程序的改变而变更控制方式，避免了硬件电路的改动，从而节省了时间和金钱。在控制互联和互锁方面使用了双保险，即采用硬件和软件双重作用来保障系统的可靠性。但还有不足的地方，例如机床的按钮太多，致使手动功能的出错率增加，自动化程度太低，位置控制方面欠缺，不能得到精确的位置信息。实物演示使得我对控制系统得控制结果有了实践性的检验，制作的过程中也使我对电路有了新的认识，付诸于实际。但演示的方面过于片面，对实际的情况可能估计不足，希望以后加以完善。总的设计过程经历了将近两个月，设计结果已经出来了，有满意的方面，但还有不理想的地方，由于时间的原因也就只能到此了。致谢将近三个月的毕业设计即将顺利完成了，在本次的毕业设计中，我学到了许多新的知识，得到了身边的老师、朋友、同学所给予的无私帮助与精神上的支持。同时我要特别感谢我的指导教师万丰，从论文的选题、开题、定题、中期检查、计划的安排到具体研究内容的确定以及论文的撰写，都得到了万老师的大力支持和帮助，并多次为我细心指导论文的写作，提出修改意见。他以严谨的治学态度勤奋的工作作风对我言传身教，使我受益匪浅；使我很成功的将18我这四年所学的知识利用在毕业设计上，还让我对控制系统方面的知识有了更深刻的了解。另一方面，我还非常感谢各位帮助过我的各界人士，特别是图书馆的管理人员，热心的同学等，都给过我极大的帮助。在即将踏上生命中另一个征程之际，我衷心感谢黑龙江科技学院曾给我们授课的各位老师们，您们不辞辛苦，精心指导，使我们能够顺利完成学业，为今后的实际工作打下了坚实的基础，在此我再次表示衷心感谢及深深地祝福，祝我敬爱的老师们生活美满，身体健康，万事如意。专题PLC在仿生鱼鳍随动系统中的应用摘要减摇鳍是最为行之有效的一种主动式船舶减摇装置，它的减摇效率高，经过多年的发展，已广泛应用于各种船舶中。它的减摇原理是船舶在水中行驶过程中，当鳍在水中有一个速度和倾斜角的时候，就会产生一个升力，利用此升力产生的力矩来抵抗海浪的干扰力矩，便可达到减小船舶横摇的目的。随着科学技术的发展，减摇鳍系统正在逐步完善，减摇效果也在不断提高。19近年来，在工业生产的自动化控制领域中，正普遍利用一种新型控制设备可编程控制器。目前的正在向着精度更高、功能更多、使用更方便的方向发展。从的发展趋势来看，控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。将其引入减摇鳍控制系统中，实现数字化控制，将进一步提高控制系统的灵活性和可靠性。关键词减摇鳍模拟量随动系统SUMMARYREDUCETOSHAKEFINISMOSTFORGOOFVALIDOFAKINDOFACTIVETYPESHIPSREDUCETOSHAKEDEVICE,ITREDUCESTOSHAKEANEFFICIENCYHIGH,THROUGHTHEDEVELOPMENTOFMORETHAN60YEARS,ALREADYEXTENSIVELYAPPLIEDINVARIOUSSHIPSITSREDUCINGTOSHAKEPRINCIPLEBETHESHIPSDRIVESPROCESSINTHEWATERIN,BETHEFINHASASPEEDANDANGLEOFBANKINTHEWATEROFTIME,WILLPRODUCEARISEDINT,MAKINGUSEOFTHISDINTTHATRISESTHEDINTCREATIONTORESISTTHEINTERFERENCEDINTOFTHEWAVE,CANATTAINTOLETUPSHIPSTHENHORIZONTALSHAKEOFPURPOSEALONGWITHSCIENCETECHNICALDEVELOPMENT,REDUCETOSHAKETHEFINSYSTEMJUSTATGRADUALLYPERFECT,REDUCETOSHAKERESULTALSOBERAISINGCONTINUOUSLYINRECENTYEARS,INTHEAUTOMATIONCONTROLREALMOFTHEINDUSTRIALPRODUCTION,JUSTWIDESPREADMAKEUSEOFAKINDOFNEWCONTROLEQUIPMENTSPROGRAMMABLECONTROLLERTHETHECURRENTISHIGHERJUSTINTHEFACINGACCURACY,THEFUNCTIONISMORE,USAGEMORECONVENIENTDIRECTIONDEVELOPMENTSEEFROMTHEDEVELOPMENTTRENDOFTHE,THECONTROLTECHNIQUEWILLBECOMEFROMNOWONTHEMAINMEANSOFTHEINDUSTRIALAUTOMATIONLEADITINTOREDUCETOSHAKETHEFINCONTROLSYSTEMIN,CARRYOUTNUMERALTOTURNACONTROL,WILLRAISETHEVIVIDANDTHECREDIBILITYOFCONTROLTHESYSTEMFURTHERKEYWORDREDUCETOSHAKEFINEMULATIONQUANTITYWITHMOVESYSTEM20减摇鳍随动系统的构成及工作原理减摇鳍的随动系统连接来自控制系统的控制信号，是转鳍机构的中间转换和功率放大环节。改造前，每个随动系统由稳压电源板、综合放大板、操纵转换板、液压控制系统以用转鳍机构、反馈、限位元件等组成。随动系统应尽可能“快速、准确、稳定“地工作。目前，大多数减摇鳍的随动系统都是“电液随动系统“。本系统以型减摇鳍的阀控式电液随动系统为原型，对其做了适当的改进，下面进行详细介绍。原有随动系统的工作原理图如图所示。首先将来自控制器的信号送到综合放大电路板（该插件板能对控制信号进行隔离），与升力反馈信号进行代数求和、校正、放大，然后再与鳍角反馈信号进行二次代数求和、校正、放大，接着送到鳍机械组合体上的射流管电液伺服阀，进行电液信号转换。电液伺服阀根据板输出信号的大小和极性调节来自油源机组的液压油的流量和流向，使液压缸的活塞速度和运动方向发生变化，带动鳍机械组合体上的摇臂转动，使鳍转动到一定的角度产生相应的对抗力矩。钙造后，以上各功能完全由实现，原有随动系统中的各电源、插件板也将由各模块取代。图1电液伺服系统原理图随动系统的改造减摇鳍随动系统的改造设计随动系统接收来自控制器的控制信号，经过处理后传递给伺服系统，驱动减摇鳍移动到指定位置，同时将输出信号反馈回，构成控制回路。系统改造后的原理如图所示。系统中的选择鳍角反馈电位计鳍摇臂转鳍液压缸电液伺服阀综合校正控制信号21鳍电液伺服系统控制器工控机由于船舶航行在环境瞬息万变的海面上，工作环境非常恶劣，比如机舱内的温度能够达到，湿度更可以达到，并且存在各种强烈的冲击、振动和盐雾，这就要求安装在舰船上的减摇鳍系统有较强的抗干扰能力。而船舶上空间狭小，对所安装设备的体积也有一定的要求。由于减摇鳍随动系统工作环图2随动系统改造原理图境的特殊性，对系统中的有较高的要求。考虑到性能指标、功能、体积和价格等因素，本文选择了松下电工的系列可编程控制器。系统主要包括电源单元、控制单元和两个模拟量输入输出单元。工作环境温度在范围内，工作环境相对湿度为，模拟输入与内部电路之间采用光电耦合器进行隔离，同时输入输出端设置滤波器，使之符合减摇鳍系统工作环境的要求。软件实现的功能根据系统要求，程序需要实现以下功能（）对来自系统油源机组的信号进行检测，如发现油温、油位等出现故障，系统停机并自动报警。（）对来自控制器的输入信号进行检测，保证其始终被限定在规定范围内，以保证减摇鳍工作转角不超过其极限值；并对控制信号按一定控制规律进行处理。（）在鳍转动工作时，将从鳍角电位计接收到的反馈信号与输入的控制信号进行比较，构成回路，实现负反馈。将控制信号与反馈信号综合处理得到的结果作为控制指令发送给输出端口。（）检测输出给电液伺服阀的信号是否超过额定范围，如超出则做相应处理，保证伺服阀和减摇鳍正常安全地工作。22否否否是是是一个扫描周期鳍角反馈信号鳍转至正负25按照设定值输入停机、报警控制信号输出输出信号是否在鳍转动范围内综合、校正、放大控制信号是否正常指令信号输入设备状态是否正常初始化启动电源（）在工作前或停机时根据操作需要随时将减摇鳍运行到零位或其它需要的位置。随动系统软件功能框图如图所示。系统改造中存在的问题及解决方法系统正常工作时，油温应低于，油位应大于，若超出上述指标，设在油箱内部的传感器开关将闭合，输出电压信号。为实现对油温和油位的检测，需要将代表油温和油压的两路信号输入给进行检查这样将占用模拟量输入输出单元的两个输入端口，增加单元块的数量。考虑到油温和油压变化较缓慢，没有必要时刻监视其变化，因此用软件设置定时器，控制两个继电器交替开关，使油温和油压信号只通过一路通道交替输入，在内部进行检测，达到降低成本的目的。不同鳍工作时的饱和角度不同，设计中将鳍的正常工作角度设定在以内。根据真实鳍角与反馈电压的比例关系，可以确定鳍角在时对应的反馈电压是，将这两个电压值作为对输入电压信号进行检测的参考值。在程序中分别用十进制数值表示两个参考电压。控制信号在输出给电液伺服阀前也要进行检测，这一步检测的标准不是减摇鳍的工作额定电压，而是电液伺服阀的额定电流，目的是保证伺服阀可以正常安全工作。伺服阀工作的额定电流为，线圈电阻为。由于系列输出电流范围在之间，无法为伺服阀提供负电流，但的电压输出范围在之间，因此将电压值作为指令信号输入伺服阀。伺服阀串联后线圈电阻为，由此得到伺服阀工作的电压可以达到。系统设计中，为使伺服阀始终工作在线性区，将对伺服阀的输入电压限定在以内在程序中分别用表示两个参考电压如指令信号在之内，则正常输出，如果超过的范围，则按照输出。由于松下23图3随动系统软件功能框图系列的命令不支持负数运算，所以随动系统控制部分采用自行设计的控制命令。每次程序启动前都先自动对各主要寄存器清零，以消除程序启动时系统产生不必要的动作。另外由于松下型号不提供小数运算，因此对无法整除的数据只能采用四舍五入的处理方法，比例系数只能设定成整数。为了克服这一缺点，程序先将存储于中的指令信号与鳍角反馈信号的差值乘以一个十进制的系数（如），将得到的数值存储在中，再将中的数据除以一个十进制系数（如），这样最终得到的数据与中的数值直接乘以后的结果几乎完全相同，有时两者之间会存在一个很小的偏差，可以忽略不计。这样就解决了比例系数只能是整数的不足，更准确地实现了比例控制。随动系统性能分析系统软件设计完毕后，按要求安装，对各端口进行测试，确保可以正常工作后将系统启动。给设计完成的随动系统输入一个幅值为的阶跃信号，得到系统的单位阶跃响应如图所示。从图中可以看到，系统的最大超调量在以内，上升时间小于，过渡时间小于，暂态过程中的振荡次数为。上述各项指标完全符合减摇鳍随动系统的工作要求。24除了良好的暂态品质以外，还要求足够的稳态控制精度。稳态控制精度反映了对系统的稳态特性或控制的稳态精度的要求。对于恒值控制系统，在工作中如果给定值不变，要求输出量也不变，因此注意的是扰动量所引起的稳态误差；而对于随动系统，给定量以任意规律变化，则要求输出量以一定的精度跟随给定量变化，因此注意的是被控量和给定量之间的误差。在检测随动系统性能的实验中，输入的阶跃信号幅值为，系统的稳态输出为，稳态误差小于。上述各种指标均符合减摇鳍系统对随动系统的要求。根据鳍角与鳍角反馈电压的比例关系图，将输入幅值在之间变化的正弦信号作为指令信号，使减摇鳍在指令信号的控制下，在之间来回摆动。保持指令信号的幅值不变，改变信号的频率，得到被控系统相应的幅值和相角。根据实验数据可以得到随动系统的幅频特性和相频特性，分别如图和图所示。需要注意的是，系统频率特性图中的横坐标不是通常使用的对数分度，而是直接使用。观察随动系统的幅频特性图可以看出，系统在频率小于之前表现出了类似放大环节的特性，且此时系统的输出几乎没有任何明显变化，与角频25率变化无关，非常准确地实现了指令信号的输出，系统非常稳定。从开始，随着频率的增大，系统的幅频特性和相频特性均发生了改变。从整个变化过程来看，系统表现出类似惯性环节的特性，因此可以将近似地认为是系统的转折频率或交接频率。与幅频特性相同，随动系统的相频特性图也显示出系统在之前的相角滞后非常小，在以内，可以忽略不计。在之后相角发生了明显的变化，整个变化趋势也类似于一个惯性环节。但与典型的惯性环节不同，在所认为的转折频率处，系统的相角没有滞后左右，系统也没有象典型惯性环节一样相移，与角频率表现出严格的反正切关系。从整个系统表现出的幅频特性和相频特性来看，改造后的随动系统可以近似地认为是由一个放大环节与惯性环节串联组成，系统在频率小于的低频段表现出了较好的性能，符合减摇鳍系统对随动系统的要求，可以很好地工作。由于在软件和硬件上具有突出的优点，随动系统的稳定性和精度都有所提高，系统的安装和修改也更为简单方便。经过运行测试，改造后的随动系统符合设计要求，能够稳定运行，确保了船舶减摇鳍系统的正常工作。随动系统的改造完成后，将利用可编程控制器继续完成减摇鳍控制器的设计，从而形成一套完整的应用可编程控制器实现的船舶减摇控制系统。2627参考文献1李建兴可编程序控制器应用技术机械工业出版社，200442432陈伯时电力拖动自动控制系统机械工业出版社，199224373吴中俊，黄永红可编程序控制器的原理及应用第2版机械工业出版社，20041371574袁任光可编程序控制器应用技术及实例第2版华南理工大学出版社，2003821025周万珍，高鸿斌PLC分析与设计应用电子工业出版社，200468806张万忠刘明芹电器与PLC控制技术化学工业出版社，200317367金如麟，谢宝昌电机拖动与控制基础上海交通大学出版社，20021271378林明星电气控制及可编程控制器机械工业出版社，200492939刘玉敏机床电气线路原理及故障处理机械工业出版社，2005627310贺哲荣机床电气控制线路图识图技巧机械工业出版社，2005617511陈远龄机床电气自动控制第2版重庆大学出版社，1995465212周四六机电控制基础化学工业出版社，2004455613张万忠可编程控制器入门与应用实例中国电力出版社，2005697814张万忠刘明芹电器与PLC控制技术化学工业出版社，20031736李发海，王岩电机与拖动基础第2版清华大学出版社，199426328115齐占庆机床电气控制技术第3版机械工业出版社，2003526516汪晓平可编程控制器系统开发实例导航人民邮电出版社，200472317陈立定电气控制及可编程控制器机械工业出版社，2002476218黄净电器及PLC控制技术机械工业出版社，2002324319廖常初可编程序控制器的编程方法与工程应用重庆大学出版社，200111411828附录机器人传感器的网络一般的机械手工程自动化测知和知觉实验室宾夕凡尼亚州，费城，PA的大学,美国29摘要以知觉的数据从分配的视觉系统吸取了的EXTEROCEPTIVE为基础的硬未知的物体和同时追踪的二维欧几里得几何的空间的这一个纸住址即时位置的问题和被网络的移动机械手的定方位判断对于队局限的充份和必需的情况被计划以统计的操作员和曲线图搜索运算法则为基础的一个局限和物体追踪方式为与异种的感应器一起本土化的一队机械手被呈现方式在有被装备全方向的录像机和IEEE80211B无线网路的像汽车一样移动的机械手的一个实验的月台被实现实验的结果使方式有效关键词合作的局限多机械手形成分配了感应器网络感应器数据融合物介绍以使一队移动的机械手自治地在一些里面航行需要了形成而且更进一步运行像监视和目标获得这样的合作工作,他们一定能够以形成和一个全球的叁考框架本土化他们自己1,2因此,该如何估计机械手的位置和定方位姿势以精确的和有效率的方式是特别兴趣我们对这一张纸的兴趣是在二空间的特别欧几里得几何的空间SE2中本土化一队异种的机械手和用从异种的感应器被获得的数据本土化目标明确地,我们对情况感兴趣为哪一个所有的机械手以形成能被本土化包围我们的局限方式接近地被讲到被呈现的那些在某种意义上机械手用来自它自己的感应器的那一个来临可以使用他们的队友感应器数据或一些被相关的数据和数据在那一张纸,机械手使用分配了测知改善自己的局限或目标局限1因为比较多机械手局限问题藉由联合被使用最少的机械手交换的数据一致最佳化，过滤器的两者文件的方法学已经呈现解决最近的文学使用曲线图做模型感应器网络和合作的控制方案5,6在曲线图硬理论上的结果79可能是直接地在R2适用于多机械手系统裁判员10,11然而，相对一点的注意已经一起支付到网络生观察,这对照相机的网络是特别地重要的这一张纸在以统计的操作员和简单的曲线图搜索运算法则为基础的SE2为队局限和物体追踪呈现不同的方式此外,不同的早先方法,我们在一个如此的方法中制定问题队局限的问题和物体追踪能30被相同的运算法则解决我们也表示,被讲到早先作品的最优性的利益能如何容易地在我们的方法被吸收为例,这一张纸表示该如何合并一个广大的过滤器EKF改善物体追踪在结束,使我们的方法有效,我们出示实验的结果以有被装备全方向的录像机和一个IEEE80211B无线网路的一群五个像汽车一样的自治机械手见到FIG1我们承担一个全方向的发射器和接收器和每个机械手能听的每个机械手有每隔一机械手因此,所有的机械手以合作的样子以形成能交换他们的估计而且本土化他们自己注意我们不承担任何类型的固有感受器数据,像是机械手的来自任何的不活泼的感应器的速度和加速2多机械手的区域化形成为了要考虑一队机械手是否能被区域化,如果这数据是适当的，融化来自不同的感应器的可得的数据而且查证是必需的对于SE2的一队N机械手,局限是表示机械手位置和定方位的特色的3N坐标的决心因此，见到是必需的如果3N独立的测量是可得的因为每个测量在3N坐标上叙述一个限制,我们为所有的限制发展了一个功能独立的测试因此,我们定义等级将会允许的一个限制点阵式我们查证队是否能被本土化对于每范围和举止测量,在框架BI的在坐标上的限制有被一双生测量,JK和IK,包括机械手RJ和RK,造成下列的类型3个限制31最后,生测量,IJ和KJ,包括三机械手RI，RJ和RK,的任何双造成下列的类型4个限制这些限制能以形式被写在L1是一个测量的线组合的地方,和H在一些身体修理的叁考框架中是形状变数的一个非线性功能只有能用来描述网络的限制的四类型能被写的所有的其他相等在上述的限制相等上功能依赖藉由区别四个限制相等,我们使描述机械手坐标的可允许小变化相等地速度的表达在之后这一个程序为M可能的限制给一个M3N点阵式作为叁考框架BI如果N机械手的3N能在一个不活泼的框架被估计，在SE2的N机械手的定义1一队被说是能地方化的评论显然地被讲到在系统理论中的可观察性14如果一个队是能地方化的超过任何的时间间隔,系统完全观察得出然而,我们将会在一个即时又静态的设定中使用定义1,而且如此克制不要使用系统理论上的记号法评论2我们也能需要要在设定它是唯一的必需品估计3N的