数字阀门的PLC控制【优秀机械机电毕业设计论文】【A6290】
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a6290
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文档包括:
说明书一份。48页。21600字左右。
任务书一份。
开题报告一份。
计划周记进度检查表一份。
- 内容简介：
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编 号 无锡太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 数字阀门的 制 学 号： 0923125 学生姓名： 施赛峰 指导教师： 陈浩 （职称： 高工 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 基于 数字阀门 基本系统的实现 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 93 学 号： 0923125 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡太湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、题目 基于 数字阀门的控制 2、专题 二、课题来源及选题依据 随着科技的越来越发展，在机械类方面越来越向自动化方面 靠拢，各种各种各样的技术如雨后春笋般冒出，而 应运而生。 就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言， 然处于一种核心地位。由此可见 重要性，以及对其研究意义的肯定。 采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制 各种类型的机械或生产过程。 其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。目前， 国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业 。 、本设计（论文或其他）应达到的要求： 通过毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力 ； 学会使用 统开发的综合训练，达到能够进行 统设计和实施的目 的； 熟练掌握 步进电机的工作方式 及 其电路分析； 掌握 工作原理及其基本构造 ； 能够熟练 编制梯形图编制 ； 熟练使用 西门子 列 提供的 具。 四、接受任务学生： 机械 93 班 姓名 施赛峰 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问） 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 要 我们在各种场合看到了继电接触器控制，那个时代已经过去了，如今的继电器只能作为低端的基层控制模块或者简单的设备中使用，而 出现也就成了划时代的主题，通过比较稳定的硬件和灵活的软件控制使得自动化走向了新的高潮。尤其是如今的互联网大潮下，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统 中 已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 本次毕业设计通过西门子 21） 型 制 步进电机 完成对 阀门系统 控制。根据 数字阀门 系统的电磁阀的动作要求和技术参数确定 输入口和输出口的分配以及电气元件的选型，主电路和控制电路的设计。根据输入输出口和电磁阀的动作表利用西门子 译器 计出控制系统主程序，自动运行和手动运 行两个子程序的梯形图。最后根据控制系统的组成完成系统走线图和电气柜设计。 关键字 ：西门子 步进电机 ； ； 梯形图 e on as a of or a LC a to a in s of is of at of in of is an of be a 721) to to To LC of to of to 7 to of to to ; V 目录 摘 要 . . 绪论 . 1 字阀门的 制研究内容和意义 . 1 景介绍 . 1 究内容和意义 . 1 内外发展概况 . 1 外发展 . 2 内发展 . 3 课题应达到的要求 . 4 2 数字阀门 制的元件选择及其特点 . 5 通阀门电动装置的结构与功能特点 . 5 门控制器总体设计方案 . 6 节型阀门控制器设计要求 . 6 节型阀门控制器功能分析 . 7 门控制器基本原理 . 7 节型阀门控制器中央处理单元 . 10 制器的选择 . 10 7优点 . 10 件系统 . 11 元件 . 12 进电机的特点及 其选择 . 12 进电机的特点 . 12 进电机的分类 . 13 进电机的选择 . 13 3 进电机工作方式的控制 . 15 见的步进电机的工作方式 . 15 见的步进电机的工作方式有以下三种： . 15 进电机控制原理 . 16 制步进电机换向顺序 . 16 制步进电机的转向 . 16 制步进电机的速度 . 16 制步进电机的方法 . 16 制步进电机的设计思路 . 17 步进电机控制方式 . 17 门子 制步进电机 . 18 进电机驱动电路设计 . 19 动器的选择 . 19 制原理和接线图 . 20 4 制步进电机软件设计 . 21 概述 . 21 的硬件接口 . 21 的编程功能 . 21 的诊断功能与硬件组态 . 22 序的编写 . 22 机正反转接线图 . 24 形图程序设计 . 25 选择 . 25 制电机正反转 I/O 分配及硬件接线 . 25 态真值表 . 26 形图程序 . 27 5 总结 . 34 文总结 . 34 足之处及展望 . 34 致 谢 . 35 参考文献 . 36 数字阀门的 制 1 1 绪论 字阀门的 制研究内容和意义 景介绍 可编程控制器 计算机家族中的一员 是为 工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制 器 （ 简称 主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 但是为了避免与个人计算机 （ 的简称混淆，所以将可编程控制器简称 究内容和意义 本课题是在充分了解国内外调节型阀门电动执行机构技术现状和发展趋势的基础上，认真研究了其优点和不足之处，并结合国内用户的需求及应用环境而提出的。在国内现有的同类产品基础上，将单片机技术、电子技术、传感器技术应用在电动执行器中，开发了集执行机构、驱动单元、调节控制单元、现场显示仪表等为一体的机、电、仪一体化的调节型执行器。以西门子 中心对阀门电动执行装置进行控制。通过开关式控制机构在行程到位、 过转矩或故障发生时直接切断该机构在电气控制回路中的对应常闭触点来断开电机电源的方式。由电机来带动阀门的开闭及整个过程。 本课题由故障检测和开度控制两部分组成，故障检测包括相序检测及自动调整环节、断相检测环节、电机过热检测环节及极限位置检测等，开度控制包括控制电机正反转环节和开度显示环节等，主要功能包括本地控制和远程控制两个方面，本地控制使用旋钮控制电动执行器开度，远程控制使用 4准信号控制执行器开度，输出需要显示电机开度，同时使用指示灯显示电机状态。 通过传感器实现行程和转矩控制机构实时采集行程和 转矩信息并以电信号的形式传至西门子 分析处理，西门子 据处理结果实时刷新开度指示模块的开度显示，并通过电机驱动模块控制电机的正转、反转和停止；状态检测模块在系统上电后即对电机电源的相序正反、是否缺相、电机温度过热等状态实时监控，异常时向西门子 门子 时做出故障处理（如通过电机驱动模块使电机停止等），并通过开度指示模块显示故障报警信息。 内外发展概况 执行器是工业自动化系统中的执行单元，也是自动化系统中最重要的组成部分之一，电动执行 器一般是以电动机作为动力源的阀门电动装置 ,其作用是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其它调节装置。 无锡太湖学院学士学位论文 2 外发展 自 1929 年 司制造出了世界上第一台电动执行机构以来，国际上电动执行器技术水平发展迅速。 20 世纪 80 年代起，国外相继推出了符合各种现场总线标准的调节型执行器，在工业现场取得了较好的应用效果。由于高新技术的迅猛发展，目前国外己开发出新一代调节型化电动执行机构产品，电子计算机技术、微机控制技术己在阀门设计中得到广泛应用。这些调节型化电动执行器功能强大、简单 可靠、技术先进。国际著名的电动执行器公司英国的 托克）生产的 列调节型化电动执行器，不但具有调节型通信、调节型控制、支持多种现场总线的功能，而且其独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使它可用在任何环境中，防水防暴，终身可靠，调试及故障排除简单。德国 司新一代产品调节型电动执行器 现了调节型式电子一体化，变频变速定位，监控等功能。代表着该领域的世界先进水平的公司还有美国的司和 司等几家国外著名的公司。 司的 调节型电动执行器突出特点是动作频率高，其动作频率是 2000 4000/h，而国内的电动执行器动作频率在 2000/h 以下，一般动作频率达到 1200/h 就是很高的了。 调节型电动执行器集微机技术和执行器技术于一体，以调节型放大器取代传统的磁放大器，是一种新型的终端控制单元，是工业控制与自动化系统当前和今后发展动向之一。国际上电动执行器向五个方向发展：调节型性，现场总线调节型性，轻巧实用性，重型，安全复位性。 目前调节型化阀门电动装置在国外已经形成许多系列产品，广泛应用于许多工业领域中，并呈现出全方位调节型化， “全方位 ”体现在阀门电动装置与仪表执行机构这两类产品概念的统一，即其产品已经将上述两类产品性能集于一身。其突出特点在于： 1、机械结构的精简可靠，电子电路高度集成化、模块化。把整个控制回路装在一个现场仪表（阀门电动装置）之中，同时可在不使用专用的工具移去任何封盖的前提下进行系统设置，而是通过安置在控制仪表板上的 本地控制开关来完成。这样使控制系统的设计、安装、操作和维护等工作大大简化，且减少因信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统的影响，提高了可靠性。此外， 在结构设计上充分考虑到抗恶劣工作环境的因素，其组件多带有保护涂层以防腐蚀，外壳采用密封式，经得起温度、湿度的大范围变化和振动冲击的考验，保证工作可靠。例如， 司生产的 作温度度在 +70 之间。从这些可以折射出国外阀门电动装置生产厂商的规模生产能力，以及其技术、工艺的成熟和完善。 2、功能的完备，主要体现在其一机多用途，完全具备阀门电动装置、仪表执行器的所有功能。计算机控制功能。除了能精确确定阀门全行程的两个极限位置外，还可按给定值自动进行 过程调节，控制流量和压力等过程变量，通过微处理器和 调节型控制算法编程实现。例如 司的 节型化阀门电动装置能响应外部 4拟信号或经由 讯口发来的数字信号或按自身程序设定的参数进行 制。安数字阀门的 制 3 全保护功能，具有高度的自身保护和系统保护功能。如自动调整三相电源的相序而保证电机正确起动，避免因相序接错导致电机反转而损坏电动装置和阀门，此外还能在阀门卡死的情况下防止阀门因过转矩而损坏。 司生产的 调节型化阀门电动装置具有上述两种功能，它装有相同步 器（自动相序调整装置），可确保 三相电动机始终具有正确的相序电源，其次如果阀门卡死，当启动信号发出 7 15 秒后无任何的动作， 执行器内部逻辑电路可将相应的触点断开。除了有自身保护功能外，调节型化阀门电动装置还具有系统保护功能，即当某些部件出现故障或系统出现其它问题时，会自动采取应急措施以免发生事故。 调节型诊断功能，在阀门电动装置上装有一些附加的传感器或检测电路，专门用于故障检测，微处理器在运行中连续对整个系统进行检测，一旦发现问题立即执行预定的程序，自动采取应急措施并报警告知用户。 3、业现场总线 技术、无线通讯技术的工业产品化应用。调节型阀门电动装置利用数字通讯手段与主控制室相连，主控制室送出的可寻址数字信号通过电缆被电动装置接收，电动装置的微处理器根据收到的信号对电动装置进行相应的控制。 内发展 近年来，我国电动阀门研制行业坚持技术进步，加快新产品开发，涌现出一批各具特色的高新技术产品。如北京机床所的直动式电液伺服阀、杭州精工液压 机电公司的低噪声比例溢流阀 (拥有专利 )、 宁波华液公司的电液比例压力流量阀 (已申请专利 )，均为机电一体化的高新技术产品，并己投入批量生产，取得了较 好的 经济效益。目前国内研制的新型智能电动执行器的主要特点是 :主要技术指 标正在向国际 90 年代初水平看齐，工作死区小于 ，回差和基本误差都小 于 1 级。使用方便，具有自诊断、自调整和 节功能。 目前国内工业现场使用的阀门执行器大多是以模拟仪表为主，其硬件电路复杂。随着工业现代化的发展，我国电力、冶金、矿山、石化等行业对阀门执行器的可靠性、稳定性、适应性和精度等方面提出的要求越来越高，而在这些重点行业上，国内执行器厂家纷纷引进国外技术，有的是全套进口执行器件，国内组装，生产技术国产化；有的 是进口主要器件和壳体，国内组装；也有的进口原装执行器。可见，国内比较先进的执行器以引进为主。在调节型阀门电动装置领域与国外相比国内的发展要滞后，其产品的可靠性、工艺的完善性等均比国外落后、低于国际水平。目前使用的阀门电动装置绝大部分仍然是六七十年代设计的产品，其突出特点是体积庞大，采用传统的模拟控制，控制精度低，抗干扰性差，不容易实现网络化控制，其主要作用也只是代替人力去操纵那些大口径的阀门。 随着国外调节型阀门电动装置对国内市场的影响，国内阀门电动装置厂商和相关机构开始把更多的精力投入到调节型阀门电动装置 产品上。国内较为领先的调节型阀门电动装置生产厂家，如奥托克、瑞基等新兴生产厂家，其技术水平紧随国外同行业产品。鞍山阀门厂引进了日本的相关技术，所生产的系列电动执行器具有相当好的性能和控制精度； 上无锡太湖学院学士学位论文 4 海自动化仪表七厂引入了梅索尼兰的三个品种的产品；大连第三仪表厂和四川仪表十一厂又引进了西门子的电动执行机构。引进型电动执行机构品种规格齐全、精度高、结构紧凑、体积小、重量轻，具有各种保护功能、适用性强、性能稳定、安全可靠；安装、调试、操作、维修方便；可直接与各类蝶阀、控制阀和带控制的截止阀、闸阀等 课题 应达到的要求 程语言，包括梯形图语言和指令表语言 组成结构及其工作方式 制步进电机的工作原理 4. 用 完成 编程 数字阀门的 制 5 2 数字阀门 制的元件选择及其特点 本章分析了国内普通阀门电动装置对阀门位置控制（简称行程控制）和阀门转矩控制（简称转矩控制）机械开关式控制机构的结构以及普通阀门电动装置控制器的功能特点，针对调节型非侵入的要求从总体设计上提出了调节型阀门控制器系统的解决方案。引入微机控制技 术、传感器技术和电子技术，分别利用绝对值光电编码器和测力传感器替代行程控制机构及转矩控制机构实现对行程和转矩信号的连续采集，并提交 时也通过各种处理电路丰富和完善了故障检测和报警功能及远程开关控制和状态联动功能，提供了人性化的 使结构上达到了操作时非侵入的要求，使得该调节型阀门控制器实现了对信息采集的数字化，控制处理的精确化，人机交互的人性化、调节型化以及操作设置的安全化。 通阀门电动装置的结构与功能特点 普通阀门电动装置对于行程和转矩 的控制均由机械开关式行程和转矩控制机构实现。如图 括机械开关式行程控制机构、可调式开度指示器和机械开关式蝶簧组及转矩控制机构，用以控制阀门的开启、关闭及阀门位置的开度指示和开关阀门过程中的转矩保护。 图 通阀门电动装置结构示意图 机械开关式行程控制机构：由十进位齿轮组、顶杆、 凸轮和微动开关组成，简称计数器。其工作原理是由减速箱内的一主动小齿轮带动计数器工作。如果计数器按阀门开或关的位置已调整好，当计数器随输出轴转到预先调整好的位置（圈数）时，则凸轮将被转动90，压迫微动开关动作，切断电源，电机停转，以实现对电动装置行程的控制，为了控制较多圈数（多回转）的阀门，可调整凸轮转 180或 270再迫使微动开关动作。同时其指针式阀门开度指示由可调式开度指示器实现，其由减速齿轮组、调节齿轮、阀门开度表盘、无锡太湖学院学士学位论文 6 凸轮、微动开关及电位器组成。在现场调试时根据所配阀门开关的圈数，将调节齿轮调整到所 需位置，并与减速齿轮组啮合。当阀门在开启或关闭过程中，开度盘经减速后转动，指示阀门的开度值，指示角度与阀门开度值同步。 机械开关式转矩控制机构：由曲柄、碰块、凸轮、分度盘、支板和微动开关组成。当输出轴受到一定的阻力转矩后，蜗杆除旋转外，还产生轴向位移，带动曲柄旋转，同时使碰块也产生一定角位移，从而压迫凸轮，使支板上抬。当输出轴上的转矩增大到预定值时，则支板上抬到直至微动开关动作，切断电源，电机停转，实现对电动装置输出转矩的控制。 通过以上描述可见，机械开关式行程和转矩控制机构存在着安装设置调整繁琐、控制精度 不高，不易实现阀门开度的电子式数字显示，转矩只能针对某个具体值进行控制，无法实现连续的采集和控制等弊端。 另外，普通型阀门电动装置是靠三相异步电机通过传动机构来带动阀门的启停，电机靠交流接触器控制，除电气控制回路外，还有各种保护电路，例如熔断器、热继电器、过转矩保护等。这种阀门电动装置控制回路简单，可靠性较好，但所提供的故障信息较少，使用维护不便，也无法实现联动功能。 门控制器总体设计方案 节型阀门控制器设计要求 门控制器是以 核心的控制电路，要求其使用时性能稳定 可靠、控制部分紧凑合理、各功能单元既相互独立又互有接口、方便维修和在线扩展等优点。具体设计要求如下： 1完成三相异步电动机的正转、反转、停止的控制 止电源间的短路。 3. 能实现对三相电源进行缺相、相序检测，避免因缺相带来的电机过热。 4 通过操作面板上开关或远程的开阀 /关阀开关控制，开关闭合时，电机立即启动，开关断开时，立即停止。 5. 完成对阀门开度检测，并进行反馈控制，同时实现变送 4 6. 完成对阀门力矩检测，并进行反馈控 制，检测阀门的行程上 /下限和力矩上 /下限。 7. 控制面板上有本地、停止、远程三种模式选择开关和本地模式下开、关操作旋转开关。在远程模式下，可进行模拟量和开关量控制。 机内埋入 电阻，可用通过程序进行 (80，150 )内的任意温度设定，起电机保护作用。 9 1%；元器件选用工业级。 10. 具有较强抗干扰能力 (例如 :电磁干扰、噪声干扰、温度影响 ) 数字阀门的 制 7 节型阀门控制器功能分析 在充分理解和分析国外先进 出本设 计中的调节型非侵入式阀门电动装置控制器应具有以下功能： 1、系统要求电机能够正转、反转和停转控制，因此系统采用了带互锁的继电器控制电机，并配合元件互锁，保证电机安全、可靠工作；在继电器进线端采用了光电耦合，实现强电与弱电的隔离，提高了系统的抗干扰能力。 2、为了实现对阀门开度的检测，系统需要检测阀门的转动位置，通过 4准信号转换传输到 由 输到显示屏，从而对电机开度进行实时的检测，实现电机的开度控制和显示。 3、为了实现对阀门力矩的检测，系统需要检测电机的三相电流，按照相应的换算关系间 接检测力矩的大小。 4、由于开度和力矩值需要变送输出，因此系统要设计开度和力矩的变送模块。 5、为了实现远程模拟量的控制，系统需要检测远程模拟量值，经过 A /D 转换实现电动机在对应控制信号位置时停止。 6、另外设置的参数要在液晶屏上显示，系统还需要设计显示模块。 7、为了使系统在掉电后能够长时间工作，系统还需要选用一款低功耗单片机来检测和记录开度，其他电路都保持掉电状态。 8、针对电机内部温度过热的现象，系统设计了温度检测模块来实时检测电机的温度值。 门控制器基本原理 根据前面对普通阀门 电动装置的结构、功能特点及调节型阀门控制器的功能要求的分析，本着对现有普通阀门电动装置结构上改动最小即可实现调节型化的原则，针对直接开关位置控制方式，开发实用的、符合我国国情的调节型非侵入式阀门电动装置控制器，用于驱动和控制多回转阀门装置，提出的总体设计方案如下： 本设计将微机控制技术、传感器技术和 术引入到阀门的控制系统中，改变了普通阀门电动装置中通过开关式控制机构（包括行程、转矩和故障检测机构）在行程到位、过转矩或故障发生时直接切断该机构在电气控制回路中的对应常闭触点来断开电机电源的方式。本执行机 构主要由控制器和执行器组成，阀门气动 执行机构的控制器采用西门子 编程控制器为核心，配以相应的外围电路。明显简化了系统的结构，提高了控制精度，本设计方案控制精度要求达到 系统工作原理如图 锡太湖学院学士学位论文 8 图 制阀门的工作原理 1、可编程控制器系统智能控制器 可编程控制器系统智能控制器接收来自控制中心的 电信号，该模拟信号接入 模拟量模块；或者，控制器接收来自控制中心的数字信号，即阀门开度圈数。圈数直接传 入 控制单元， 作为阀门工作指令，并与阀门开度反馈信号比较，由 断处理，以确定气动阀的开关状态：正转、反转或者停止，再将阀门实际开度传回控制中心。阀门实际开度和主轴旋转方向由接近开关通过安全栅传回 便监视阀 门运行状态。 2、 制器 对控制器的基本要求是，能够实时显示采集阀门的状态信息，并加以分析、判断，控制气动阀门的正确运行，实时显示气动阀门的开度，同时保持与控制中心的通信。 考虑开关量输入输出的数量，模拟量输入精度及连锁等各方面情况，选用西门子列可编程控制器 ， 号为 种小型、紧凑，可以直接装在电气常用的 35准导轨上；本机带有 4 个输入点和 5 个输出
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