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平面磨床
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平面磨床电气控制系统设计,平面磨床,电气,控制系统,设计
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XXXXXXXX毕业论文（设计）评阅表学号 XXXXXXXX 姓名 XXXXXXXX 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 平面磨床电气控制系统 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价 该同学的论文选题符合培养目标要求，能体现学科专业特点，达到了综合训练的目的。该生具有一定的文献查阅、资料综合归纳整理的能力，基本上能在设计工作中运用所学知识，毕业设计设计方案可行，说明书内容较全面，平面布局较合理，技术用语准确。研究内容具有一定的实际应用价值。评阅人： 2012年5月 日XXXXXXXX毕业设计说明书题 目： 平面磨床电气控制系统设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： XXXXXXXX 姓 名： XXXXXXXX 指导教师： XXXXXXXX（副教授） 完成日期： 2012年5月26日 目录中英文摘要1绪论31.磨床的作用32.课题意义33.同时用PLC改造老机床有很多的优点3一磨床功能介绍41.1磨床的结构图41.2磨床的组成及功能41.3砂轮工作方式41.4主要技术参数4二磨床控制系统改造52.1磨床原理图分析5三PLC介绍93.1际电工委员会（IEC）PLC定义93.2 PLC的特点93.3 PLC的分类及原理93.4 PLC的发展9四PLC控制电路相对于早期的继电器控制电路的优点9五PLC控制的I/O分配表11六PLC外部接线图11七梯形图和语句表12八PLC电气控制系统I/O设备的选择14九.电器元件清单15十柜内电器元件安装位置图16十一.电柜内电器元件接线图示意图17十二.电柜外电器元件接线图示意图18十三.机床操作面板19总结21主要参考文献22磨床电气控制系统设计摘要：本设计的内容主要是（可编程逻辑控制器）进行改造使用的m7120平面磨床的控制部分。进行了全面的思考和分析的第一本次设计，使自己的m7120平面磨床的基本结构，运动情况，加工工艺要求等有一定的了解。该m7120平面磨床主要成分等车身，尾座主轴齿轮箱，齿轮箱，导螺杆，料杆，刀架。进行分析的m7120平面磨床电气控制部分获得它需要完成开门断电功能，主轴电机反向控制功能，刀架的快速遍历功能，冷却泵电动机的控制。然后根据电气控制电路的电路图，可编程控制器的梯形图转化，转化，进行仿真实验用可编程序控制器实验台。作为一个结果的可靠性极高，极其丰富的指令集，易于掌握，操作方便，丰富的内置集成功能，实时特性。因此导致m7120平面磨床完成门外原有的功能特点，而且还具有安装简便，稳定性好，易于使用，扩展能力强等特点。关键字：可编程控制器 改造电气控制 m7120磨床Abstract：This designs content is mainly (Programmable Logic Controller) makes the transformation using PLC to the M7120 surface grinding machines control section. I have carried on the overall ponder and the analysis first to this time design, enables itself to the M7120 surface grinding machines basic structure, the movement situation, the processing technological requirement and so on to have certain understanding. The M7120 surface grinding machine mainly has compositions and so on automobile body, main axle gear box, tailstock gear box, guide screw, feed rod, tool rest and apron. Carries on the analysis to the M7120 surface grinding machine electric control part to obtain it to need to complete opens the door the power failure function, the main axle electric motor to reverse the control function, tool rests rapid traverse function, the cooling pump electric motors control. Then according to the electric control electric circuits circuit diagram, translates PLC the trapezoidal chart, translates, carries on the experiment simulation using the PLC laboratory bench. As a result of the PLC extremely high reliability, the extremely rich set of instructions, easy to grasp, convenient operation, rich built-in integrated function, real-time characteristic. Therefore causes the M7120 surface grinding machine to complete outside the original function characteristic, but also has the installment to be simple, the stability good, easy to service, the expansion ability strongly and so on characteristics.Key words: PLC transformation Electric control M7120 grinder绪论1.磨床的作用 磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等，也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石，砂带等其他磨具和游离磨料进行加工。如超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。2.课题意义 由于老式磨床的电气线路都是用继电器作为逻辑控制，其触点多相对的故障也多，给生产带来诸多不便。例如：（1）电动机不能启动；（2）电磁吸盘YH没有吸力，等等。而现在工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，以继电器线路的传统普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本、提高企业整体效率和质量的竞争，发展到全面顾客要求、积极开发新产品的竞争，将面临知识，技术产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，面对质量、性能的要求更高。同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强。因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存、发展的主要手段。但新机床购置费用高，且生产准备周期长。因此对原有机床的现代化改造显得尤为重要。3.同时用PLC改造老机床有很多的优点（1）节省资金，减少投资额，交货期短。机床的PLC改造，可大大减少资金的投入，同购置新机床相比，一般可节省60%-80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊设备尤为明显。一般大型机床改造，只需花新机床购置费得1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%的价格。可以充分利用现有地基，不必像购入新设备那样重新购筑基地。（2）性能稳定可靠，因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度，且各部件已经长期磨合，使改造后的机床性能稳定可靠，质量好可作为新设备继续长期使用。（3）有利于使用和维护，由于改造前机床已使用多年，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。改造的机床一经安装好，就可以实现全负荷运转。（4）可以采用最新的控制技术，提高生产效率。可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。机床经改造后，即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3至7倍。对复杂零件而言，难度越高，功能提高的越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。提高产品质量，降低废品率，零件的加工精度高，尺寸分散度小，使装配更加灵活。一磨床功能介绍1.1磨床的结构图 图1.11.2磨床的组成及功能M7120磨床主要结构由床身、工作台、磨头、立柱、拖板、行程档块、砂轮修正器、驱动工作台手轮、垂直进给手轮、横向进给手轮等组成。立柱支承滑座及砂轮架。垂直进给手轮砂轮向工件深度方向移动。横向进给手轮砂轮沿其轴线间隙运动。床身用于支承和连接磨床各个部件。为提高机车刚度，磨床床身一般为箱型结构，内部装有液压传动装置，上部有纵向和横向两组导轨以安装工作台和砂轮架。 工作台由上下两层组成，上工作台可相对于下工作台偏转一定角度，以便磨削锥面；下工作台下装有活塞，可通过液压机构使工作台往复运动。 尾架安装在工作台右端，尾架套筒内装有顶尖，可与顶尖一起支承工件。它在工作台上的位置可根据工件长度任意调整。1.3砂轮工作方式砂轮电动机直接带动砂轮旋转，对工件进行磨削加工，在M7120型平面磨床中，砂轮并不要求调速，所以通常采用笼型异步电动机来拖动，这是平面磨床的主运动；砂轮升降电动机使砂轮在立柱导轨上作垂直运动，用以调整砂轮与工件位置。工作台和砂轮的往复运动是靠液压泵电动机进行液压传动的，液压传动较平稳，能实现无级调速，换向时惯性小，换向平稳。M7120型平面磨床工作台的往返运动采用液压传动，能保证加工精度。由液压电动机拖动液压泵，经液压传动装置实现工作台的往复运动。冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷却液，同时利用冷却液带走磨削下来的铁屑。1.4主要技术参数：1、输入电源：AC380V%（三相四线）50HZ2、故障考核13项3、工作环境：温度-100C400C二磨床控制系统改造2.1磨床原理图分析 图2.1 M7120型平面磨床的电气控制线路如图所示。该线路由主电路、控制电路、电磁吸盘控制电路和辅助电路四部分组成。（1）主电路分析主电路中有4台电动机。其中M1为液压泵电动机，由KM1主触点控制；M2为砂轮电动机，M3为冷却泵电动机，同由KM2的主触点控制；M4为砂轮箱升降电动机，由KM3、KM4的主触点分别控制。FU1对4台电动机和控制电路进行短路保护，FR1、FR2、FR3分别对M1、M2、M3进行过载保护。砂轮升降电动机因运转时间很短，所以不设置过载保护。主电路图如下： 图2.2(2)控制电路分析 当电源电压正常时，合上电源总开关QS1，位于7区的电压继电器KV的常开触点闭合，便可进行操作。1液压泵电动机M1的控制 其控制电路位于7区、8区，启动过程为：按下SB3KM1得电M1启动；停止过程为：按下SB2KM1失电M1停转。运动过程中若M1过载，则FR1常闭触点分断，M1停转，起到过载保护作用。2砂轮电动机M2的控制 其控制电路位于9区、10区，启动过程为：按下SB5KM2得电M2启动；停止过程为：按下SB4KM2失电M2停转。3冷却泵电动机控制 冷却泵电动机M3通过接触器KM2控制，因此M3于砂轮电动机M2是联动控制。按下SB5时M3与M2同时启动，按下SB4时M3与M2同时停止。FR2与FR3的常闭触点串联在KM2线圈回路中。M2、M3中任一台过载时，相应的热键电器动作，都将使KM2线圈失电，M2、M3同时停止。4砂轮升降电动机控制 其控制电路位于11区、12区，采用点动控制。砂轮上升控制过程为：按下SB6KM3得电M4启动正转。当砂轮上升到预定位置时，松开SB6KM3失电M4停转。砂轮下降控制过程为：按下SB7KM4得电M4启动反转。当砂轮下降到预定位置时，松开SB7KM4失电M4停转。（3）电磁吸盘控制 电磁吸盘是固定加工工件的一种夹具。它是利用通电线圈产生磁场的特性吸牢铁磁性材料的工件，便于磨削加工。电磁吸盘的内部装有凸起的磁极，磁极上绕有线圈。吸盘的面板也用钢板制成，在面板和磁极之间填有绝磁材料。当吸盘内的磁极线圈通以直流电时，磁极和面板之间形成两个磁极，既N极和S极，当工件放在两个磁极中间时，使磁路构成闭合回路，因此就将工件牢固地吸住。1电磁吸盘的组成 工作电路包括整流、控制和保护三个部分，位于图中的1620区。整流部分由整流变压器和桥式整流器VC组成，输出110V直流电压。2电磁吸盘充磁的控制过程 按下SB9KM5得电（自锁）YC充磁。3电磁吸盘的退磁控制过程 工件加工完毕需取下时，先按下SB8，切断电磁吸盘的电源，由于吸盘和工件都有剩磁，所以必须对吸盘和工件退磁。退磁过程为：按下SB8、SB10KM6得电YC退磁，此时电磁吸盘线圈通入反向的电流，以消除剩磁。由于去磁时间太长会使工件和吸盘反向磁化，因此去磁采用点动控制。松开SB10则去磁结束。 电磁吸盘是一个比较大的电感，当线圈断电瞬间，将会在线圈中产生较大的自感电动势。为防止自感电动势太高而破坏线圈的绝缘，在线圈两端接有RC组成的放电回路，用来吸收线圈断电瞬间释放的磁场能量。 当电源电压不足或整流变压器发生故障时，吸盘的吸力不足，这样在加工过程中，会使工件高速飞离而造成事故。为防止这种情况，在线路中设置了欠电压继电器KV，其线圈并联在电磁吸盘电路中，其常开触点串联在控制线路中。当电源电压不足或为零时，KV常开触点断开，使KM1、KM2断电，液压泵电动机和砂轮电动机停转，确保安全生产。 (4)辅助电路分析辅助电路主要是信号指示和局部照明电路，位于图中2128区。其中，HL6为局部照明灯，由变压器TC供电，工作电压为24V，由手动开关QS2控制。其信号灯也由TC供电，工作电压为6V。HL1为电源指示灯；HL2为M1运转指示灯；HL3为M2运转指示灯；HL4为M4运转指示灯；HL5为电磁吸盘工作指示灯。 三PLC介绍3.1际电工委员会（IEC）PLC定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统。专为工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行内部逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各类型的机械和生产活动。3.2 PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强。（2）编程直观，简单。（3）环境要求低，适应性好。（4）功能完善，接口功能强。（5）元件少，结构较简单。3.3 PLC的分类及原理 PLC分类按INPUT和OUTPUT点数多少，分为超小型.小型.中型.大型和超大型。 按结构形式分：整体型和模块型.PLC工作原理:PLC采用循环扫描的工作方式，包括内部处理.通讯操作.输入处理.程序执行.输出处理几个阶段。全过程扫描所须的时间称为扫描周期。当处于RUN状态时，上述扫描周期为不断循环过程。3.4 PLC的发展在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。20世纪60年代末期,在技术改造的浪潮的冲击下，为使汽车结构及外型不断改进，品种不断增加,需要经常变更生产工艺.1969年,美国数字设备公司(DEC)首先研制出第一台符合要求的控制器,即可编程控制器,并在美国GE公司的汽车上试用成功.我国从1976年开始研制，1977年应用于工业控制.上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。四PLC控制电路相对于早期的继电器控制电路的优点 PLC是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口，以位运算为主，能够完成逻辑，顺序，定时，记数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。PLC系统的等效工作电路分为三个部分：输入部分、内部控制电路、输出部分。PLC的工作过程包括公共处理扫描阶段、输入采样阶段、执行拥护程序阶段、输出刷新扫描阶段。 1、控制方式方面：电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。 2、工作方式方面：电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。 3、控制速度方面：电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。4、定时、记数精度方面：电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。 5、可靠性、维护性能方面：电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠性、维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。4.1德国西门子（SIEMENS）PLC选择德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在工控、冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。在众多的PLC生产厂家中，西门子公司的PLC系列产品以其较高的性价比成为众多客户的首选。因此我们选择西门子公司的PLC作为本次设计的可编程序控制器4.2PLC型号的选择S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU222，CPU224，CPU226四种基本型号。选用PLC上，考虑到只是对M7120磨床做电器气部分的改造，输出端口需要16个，输入端口需要7个。而且并不通过网络或其他方式做远程控制。因此，考虑到经济，实用，稳定等方面因素。我们决定选用SIMATIC S7-200 系列的S7224 作为本次设计的PLC型号.21五PLC控制的I/O分配表 表一 输入信号输出信号名称输入元件输入点名称输出元件输出点电压继电器KVI0.0液压泵电机接触器KM1Q0.0总停按钮SB1I0.1砂轮电机接触器+冷却液电动机KM2Q0.1液压泵电机1M启动按钮SB3I0.2砂轮上升接触器KM3Q0.2液压泵电机1M停止按钮SB2I0.3砂轮下降接触器KM4Q0.3砂轮电机2M启动按钮SB5I0.4电磁吸盘充磁接触器KM5Q0.4砂轮电机2M停止按钮SB4I0.5电磁吸盘去磁接触器KM6Q0.5升降砂轮电机4M上升按钮SB6I0.6升降砂轮电机4M下降按钮SB7I0.7电磁吸盘充磁按钮SB9I1.0电磁吸盘停止充磁按钮SB8I1.1电磁吸盘去磁按钮SB10I1.2液压泵电机1M热继电器FR1I1.3砂轮电机2M热继电器、冷却泵电机3M热继电器FR2、FR3I1.4 六PLC外部接线图 图6.1七梯形图和语句表 图7.1语句表：网络1：欠电压保护LD I0.0= M0.0网络2：控制网络LD M0.0AN I0.1LPSLD I0.2O Q0.0LRD LD I0.4O Q0.1ALD AN I0.5A I1.4= Q0.1LRDLPSA I0.6AN Q0.3= Q0.2LPP A I0.7AN Q0.2= Q0.3LRDLD I1.0O I0.4ALD AN I1.1AN Q0.5= Q0.4LPPA I1.2AN I1.1AN Q0.4= Q0.5八PLC电气控制系统I/O设备的选择8.1开关的选择目前一般有自动空气断路器；到开关和熔断器的组合；组合开关三种。根据电动机的容量(主轴电动机20KW、快速移动电动机0.75KW、冷却泵电动机0.125KW),选用三极单投闸刀开关-100/3型100毫安用作机床电源的引入开关。8.2控制变压器的选择在机床的控制电路中需要用到不同的电压，例如：PLC的外电路及电器元件，机床上的照明电路所需电压，接触器的电压，等。它们需要不同的电压等级，提高系统的安全性。选用控制变压器的型号为BK-50型500伏安。8.3交流接触器的选择主轴电动机的额定功率为20KW，满载电流40A，选用交流接触器CJ2O-63来控制主轴电动机启动。交流接触器CJ2O-63额定电流63A，额定电压380V，可控电动机的最大功率30KW。交流接触器B9型线圈电压为380伏用来操作快速移动电动机启动，冷却泵电动机的启动和停止。接触器B9型的额定工作电压380V，额定工作电流8.5A。8.4熔断器的选择熔断器是一种用于过载与短路保护的电器，当超出限定值的电流通过熔断器的熔体时将其熔化而分开电路。主轴电动机的满载电流是40A，所选的熔断器（FU1）型号是RT14-63，额定电压380V，熔断体额定工作电流50A。快速移动电动机满载时的电流是2.3A，冷却泵电动机满载时的电流是0.48A，所选的熔断器（FU2）型号是RT14-32，额定电压是380V，熔断体额定工作电流是4A。8.5热继电器的选择热继电器的作用是过载保护。根据主轴电动机的工作情况和技术参数，所选热机电器（KR1）的型号为TSA45，额定整定电流45A。根据快速移动电动机的工作情况及技术参数，所选热机电器（KR2）的型号为T45。8.6速度继电器的选择速度继电器常用于电动机的反接制动电路中。常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型两种，其中JY1型可在7003600r/min范围内可靠地工作。JFZ0-1型适用于3001000r/min；JFZ0-2型适用于10003000r/min。主轴电动机满载时的转数1470转/分，因此选用JY1型的速度继电器。一般速度继电器转轴在130r/min左右即能动作，100r/min时触头即能恢复正常位置。8.7导线的选择主回路中导线截面积较大，不用考虑机械强度而只按允许载流量选择。机床上电源和住主电动机使用BVR10软线，快速移动电动机使用BVR2.5软线，其它的控制线路均采用BVR2.5软线。九.电器元件清单表二序号符号名称规格型号数量备注1KM1液压泵电机交流接触器CJX1-10 10A,220V12KM2转动砂轮、冷却电机交流接触器CJX1-20 20A,220V13KM3上升砂轮电机交流接触器CJX1-5 5A,220V14KM4下降砂轮电机交流接触器CJX1-5 5A,220V15FR1液压泵电机热继电器FR16-5/3D16FR2砂轮电机热继电器FR16-16/3D17FR3冷却电机热继电器FR16-0.72/3D18FU1主电源熔断器RC1A-60/3539FU2电磁吸盘熔断器RC1A-5/2210FU3PLC熔断器RC1A-30/20111FU4指示灯熔断器RC1A-5/2112FU5照明灯熔断器RC1A-5/2113KV欠电压继电器DDY-220V114SB1总停止按钮LA18221红色15SB2液压泵停止按钮LA18221红色16SB3液压泵启动按钮LA18221绿色17SB4砂轮、冷却停止按钮LA18221红色18SB5砂轮、冷却启动按钮LA18221绿色19SB6砂轮上升按钮LA18221黑色20SB7砂轮下降按钮LA18221黑色21SB8吸盘停止按钮LA18221黑色22SB9吸盘通磁按钮LA18221绿色23SB10吸盘退磁按钮LA18221黑色24HLLED指示灯 6V/AC 9mA5绿色25HLLED照明灯24VAC/ 350mA126YC电磁吸盘HDXP/127V 1.45A 127C电容5mf128R电阻220欧姆 1KW129VC整流器2CZ11C130PLC西门子S7-200S7-200/CPU/2241 十柜内电器元件安装位置图 图10.1十一.电柜内电器元件接线图示意图 图11.1十二.电柜外电器元件接线图示意图图12.1十三.机床操作面板图13.1总结在这个过程中我对利用可编程控制器进行控制系统的设计有了深刻的认识，对机械（M7120型平面磨床）的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了亲身的认识与体会。控制系统的设计（甚至开发）是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，系统实施，系统运行与调试的过程来进行。毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对设备的不了解等等。虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。主要参考文献1陈简明.电气控制与PLC:机械工业出版社,2008.52孙平.电气控制与PLC.北京:高等教育出版社,20043余雷声.电气控制与PLC的应用.北京:机械工业出版社,1998.104连赛英.机床电气控制技术.北京：机械工业出版社，1996.105李道霖.电气控制与PLC原理及应用(西门子系列).北京:电子工业出版社6S7-200系统编程手册.西门子公司.19997倪远平.现代低压电器原理及应用.北京:高等教育出版社,20038周希章.电动机的启动、控制和调速.北京:机械工业出版社,19849王炳实.机床电气控制.北京: 机械工业出版社,199510郑瑜平.可编程序控制器.北京:北京航空航天大学出版社,1992机械与电气工程学院 毕业设计（论文）外文翻译 所在学院： 机械与电气工程学院 班 级： 08机自一班 姓 名： 高 升 学 号： 08141010105 指导教师： 张薇薇 合作导师： 年 月 日应用于电气系统的可编程序控制器此项目主要是研究电气系统以及简单有效的控制气流发动机的程序和气流系统的状态。它的实践基础包括基于气流的专有控制器、自动化设计、气流系统的控制程序和基于微控制器的电子设计。1.简介使用电气技术的自动化系统主要由三个组成部分：发动机或马达，感应器或按钮，状如花瓣的控制零部件。现在，大部分的系统逻辑操作的控制器都被程序逻辑控制器（PLC）所取代。PLC的感应器和开关是输入端，而发动机的直接控制阀是输出端，其中有一个内部程序操控所有运行必需的逻辑，模拟其他的装置如计算器、定时器等，对整个系统的运行状态进行控制。因为可以根据需要无数次创建和模拟这样的系统，所以藉由PLC的使用，此项目有灵活的优点。因此，可以节省时间，减少失误的危险，同时在使用相同材料的情况下，它可以更加精密。市场上的许多家公司都使用了常规的PLC，它不仅可以用气流系统来控制，还可以用各种电气设备。PLC 的用途广泛，可以应用于许多工业生产中，甚至用于建筑物的安全和自动化系统中。由于以上的各种特性，在一些实际应用中PLC提供了很多的资源，甚至包括不控制系统的资源，电气系统就是一种这样的应用。对于自动化的工程，PLC的使用是比较昂贵的，尤其是对那些小型的系统。针对这种情况可行的一种办法是创建一个可提供特定尺寸和功能的控制器。这种控制器可以根据微控制器来制作。这种基于微控制器的控制器的适用范围比较小，只能用于一个类型的机器或者可以用做一个像普通PLC一样可以被编程的控制器，那样它就可以通过可变化的逻辑程序来进行各种作业。所有的这些特性根据具体需要的不同而不同，具体的设计者的经验的不同而不同。但是这种设计的主要优点在于设计人员非常了解自己的控制器，可以自由掌握控制器的大小尺寸，改变它的功能。这就意味着此项目有更多的独特性，但同时系统的控制也由它的设计者所控制。2.电气系统人们可以从一个自动化系统中找到三个上文中提到的基本部件，外加一个控制系统的逻辑线路。只有成熟先进的技术能做出特定的逻辑线路和执行正确操作所需要的部件升级。对于一个简单的运动，系统自动程序可以完成，但是对于间接或更加复杂的运动，系统的程序就会产生复杂的线路和错误的信号。这是就需要另一种方法可以节省时间，产生清晰线路，能够防止偶然的信号交叠和线路堵塞。这种方计的不同标准的线路基法叫循序渐进式或规则系统，它对气流和电气系统非常有效，而且也是此项目的一个基础。它包括根据发动机状态各个不同变化所设础上的系统。 图1 气压系统标准回路 图2 电控气压系统标准回路 第一步是为每个步骤设计那些种标准的线路。第二步是联编标准的线路，最后一步是连接接收来自感应器，开关和先前的运动信号，同时把空气或电传送给每个步骤的补给线。如图中所示， 1 和 2 标准线路是为气流的和电气系统服务。我们能够很清楚的看到每一步骤和下一个步骤之间的联系。3.控制器内部的应用原理上述方法可以使发动机的每一个运动都被很好地用步骤来定义。这也就是说发动机的每一次运动变化都是系统的一个新的状态，而两个不同状态之间的转变叫做步骤。先前提到的标准线路可以帮助设计人员定义系统的不同状态和不同步骤的变化所带来的不同环境。在设计的最后阶段，系统中会有一个从来不变化的序列和明确的输入和输出端。我们把一个序列从输入端输入，经过转换后，由输出端输出。这些步骤的所有过程都是在微控制器内部进行的，并且以同样的方式在运行着。部件的序列在控制器里被 5个位元组规划; 每个部分都有程序的一个步骤结构。输入端有二个位元组，输出端有一个，其他结构部分和附加功能步骤有两个。 在编程之后，部件序列被内部微控制器的记忆所储藏，因此，他们是可读的而且可以运行。不同于传统的PLC，这种控制器的工作目的是成为特定领域设计的多用控制器。传统的 PLC 的系统运行程序是一个循环的线路：输入一个图像,运行所有的内部程序, 然后升级输出的状态。 这一个控制器以不同的方式工作,它读取步骤的结构,等待输入,然后升级或输出，然后直接跳跃到下一个步骤，开始另一次的程序运行。它也有局限性，例如这种控制器有时会不执行指令，在同一程序指令下，会出现某一个运行的反复等等，但是这一个问题可以通过外部的逻辑运行解决。另外，这中控制器在没有序列的系统上不能够被应用。这些局限性也是这个系统的特性，这种系统的每一个应用都必须要有相应的系统分析。4.控制器的特色这种控制器以微集成电路微控制器 PIC16F877为基础,它拥有全部此次项目所需要的资源。它有足够的插孔，线路连续通讯 EEPROM 记忆解救系统的所有结构和步骤的序列。它提供了项目所需要的所有的运行，例如定时器和分岔等。我们做出了控制器的资源目录，想尽可能的使它变的完善。在步骤的运行过程中，程序自动选择如何读取每一步骤的结构。这个操作有两个位元组位于电子输入处。一个位元组位于输出端，还有一个被用作内部定时器，类似输入或暂停功能。EEPROM 记忆内部是 256 位元组，可以储藏所有步骤的运行,即可以储藏 48个步骤之间的所有运行。除了一个互动菜单外，这种控制器还有一个控制台和一些指令按钮，他们一起控制各个步骤的运行和连续性，也控制其他的一些装置。4.1交互作用在实际运行操作中，控制器需要有一些辅助设备帮助它和使用者进行互动，可以提供可靠的操作监控，同时对气流系统进行逻辑控制。1、交互工作模式： 在主要的程序中，使用者可以根据指导发出信号来进行具体步骤的操作2、LCD 平台可以显示系统工作的状态，衡量输入，输出，计时器和运行的数据等。3、嘀嘀声用来提示重要警示，停止，开始和一些紧急情况的发生4、亮灯表示接通电源，和输入，输出状态。4.2 安全性如果想正常运行程序，必须保证每一个步骤都正确的执行。更重要的是，应该有预防运行故障和问题的解决方法。控制器提供了这种可能性，通过使用两个内部虚拟线路同时运行。他们可以重新启动程序，随时恢复到程序的原有状态。有两个输入端共同工作可以快速的运行这些功能。4.3 接口程序运行序列可以用控制器的接口来编程。一台计算机的接口也可以用来升级使用程序。使用者能利用接口配置一连串定义序列的步骤位元组。但是也可以设计一个程序,利用可视资源为使用者翻译所需要的信息。 但是，如果想联结电脑接口和控制器，至少应该有一个仪器来保证数据的可靠性。4.4 固件主要的线环是通过读取EEPROM 记忆中的每一资讯步骤进行工作。 在每个步骤中，系统的状态被储存，同时它也在显示器上被显示。根据使用者的构造,它能利用分流或暂停应付紧急线路情况来保证系统安全。5 电气系统例子这种系统不只是适应于特定的机器。它由四个主动器组成。 主动器 A，B 和C是两倍的，只有D是单倍的。第一步，主动器A开始运行，并保持在一个特定的位置一直到一个循环的结束，如图 5 所示它可以确定某一对象的下一运动。第二步，当A完成了它的工作后，主动器C连同B一起开始尽可能多的产生电流圈，并受B的运行速度的限制，而B速度由一个流动的控制活瓣管理。B和C是一起工作的主动器的例子，当B慢慢地推动一个物体的时候，C有时则重复它的工作。 图5 A，B，C，D 传动装置时间曲线 第三步，当B到达最后的位置时候，C停止立刻它的循环运动并且回到开始的位置。利用回旋的电流工作的主动器 D连同返回来的C一起工作。第四步，主动器D快速往返来回运动一次。D可以充当一个工具，在物体上的表面上打洞。当D返回开始的位置时候，A和B也同时返回，这是第五个步骤。图 6 显示了程序设计的第一部分。我们把每个步骤的所有运行统称为 2. (A+) 表示主动器 A 向前推动，而 (A-) 表示返回到开始的位置。 同时发生的运动在相同的步骤中被一起叠加。这个系统共有有五个步骤。图6 A ,B ,C ,D 传动装置传动顺序图5和6所表现的系统运行清楚的描述了所有序列。 利用他们我们可以用必需的逻辑语言设计整个的控制线路。但是现在还它还不是一个完整的系统，因为它还缺少一些辅助设施（图中没有显示）。 对于程序的最后运行，这些辅助设施十分的重要，因为他们能使线路有更多的功能。他们中最重要的是连接在每一步骤中的平行线路。那一个线路能够随时停止序列而且将主动器的状态换成一个特定的位置。它可以重起系统或是应付紧急情况。图7和8显示的是在没有使用控制器的情况下会发生的一些结果。这些照片是控制线路的电图表,包括感应器，控制键和电的活瓣卷。 图7 电气图表举例图8 电气图表举例另外的一些辅助设施也包括在这个系统中，比如自动机械/手动调控器，他们可以使系统不断的循环工作；两个开始控制键，他们能让操作员手动控制系统的开始和停止，这样就减少了发生意外事件的危险。6 使用者变更例子规划气流线圈在前面已经详细说明过：它可以让我们了解到控制一个系统所需要的条件，那就是在系统的实际运行中必须提供所有的功能设施。但是,如前面提到的那样,使用一个PLC或特定的控制器，这种控制就变得比较容易的，而且系统的精密性也会提高。 表2所示的是控制上面提到的系统的必需设施。通过时间图表，表2，和图5和6描述了每一步骤的程序和系统的各个部件。这说明记录所有步骤的运行结构图并把他们送给控制器 (表3和4所示)。使用传统的PLC的，如图7，8所示，在绘制接口处的电图表时，要注意线路的逻辑。使用这种可编程的控制器，使用者必须知道运行方法的观念并且规划每个步骤的结构。 那就是说，使用传统的PLC，使用者清楚各个操作之间的关系。一般情况下，使用者可以在接口上运行一个模拟程序寻找逻辑上的错误同之前所述的一样，新的编程允许每一步骤的结构被分割。序列独自被定义，但每一步骤只被输入和输出端描述。图9 A ,B 传动装置和传感器图10 C ,D 传动装置和传感器表 5 表现的是使用系统如何被储藏在控制器里,这在前文中也详细说明过。序列被 25个位元组所定义。这些位元组被分成5组，每一组描述系统运行的一个步骤。（图 9 和 10）7 结论这种控制器是专门为这一项目所设计的。它不需要为了获取微控制器里的资源而安装外部记忆器或外部的定时器。除了微控制器之外，只有少量的零部件执行一些如输出，输入，类比输入,显示接口和连续运行的情况等功能。单独使用内部记忆，我们可以控制一个有48个步骤的气流系统，但是如果使用一个比较简单的系统，就会达到60个步骤.控制器的变成不使用 PLC 语言，而是用一个比较简单的和直觉的结构。利用电气系统，我们的项目应用了相同的技术，但同时我们的设计更加直接。 一种非常简单的机械语言能让设计者用四或五个位元组定义步骤所有结构构成。这就要看他使用控制器的经验如何了。这种控制器虽然不能和商业的 PLC 相比，但是它原本就是为特定的的目的而设计的，所以很难说哪一个好哪一个坏。总之，我们的这个系统是基于微控制器而设计，简单快捷。Programmable designed for electro-pneumatic systems controllerThis project deals with the study of electro-pneumatic systems and the programmable controller that provides an effective and easy way to control the sequence of the pneumatic actuators movement and the states of pneumatic system. The project of a specific controller for pneumatic applications join the study of automation design and the control processing of pneumatic systems with the electronic design based on microcontrollers to implement the resources of the controller.1. IntroductionThe automation systems that use electro-pneumatic technology are formed mainly by three kinds of elements: actuators or motors, sensors or buttons and control elements like valves. Nowadays, most of the control elements used to execute the logic of the system were substituted by the Programmable Logic Controller (PLC). Sensors and switches are plugged as inputs and the direct control valves for the actuators are plugged as outputs. An internal program executes all the logic necessary to the sequence of the movements, simulates other components like counter, timer and control the status of the system. With the use of the PLC, the project wins agility, because it is possible to create and simulate the system as many times as needed. Therefore, time can be saved, risk of mistakes reduced and complexity can be increased using the same elements.A conventional PLC, that is possible to find on the market from many companies, offers many resources to control not only pneumatic systems, but all kinds of system that uses electrical components. The PLC can be very versatile and robust to be applied in many kinds of application in the industry or even security system and automation of buildings.Because of those characteristics, in some applications the PLC offers to much resources that are not even used to control the system, electro-pneumatic system is one of this kind of application. The use of PLC, especially for small size systems, can be very expensive for the automation project.An alternative in this case is to create a specific controller that can offer the exactly size and resources that the project needs 3, 4. This can be made using microcontrollers as the base of this controller. The controller, based on microcontroller, can be very specific and adapted to only one kind of machine or it can work as a generic controller that can be programmed as a usual PLC and work with logic that can be changed. All these characteristics depend on what is needed and how much experience the designer has with developing an electronic circuit and firmware for microcontroller. But the main advantage of design the controller with the microcontroller is that the designer has the total knowledge of his controller, which makes it possible to control the size of the controller, change the complexity and the application of it. It means that the project gets more independence from other companies, but at the same time the responsibility of the control of the system stays at the designer hands2. Electro-pneumatic systemOn automation system one can find three basic components mentioned before, plus a logic circuit that controls the system. An adequate technique is needed to project the logic circuit and integrate all the necessary components to execute the sequence of movements properly. For a simple direct sequence of movement an intuitive method can be used 1, 5, but for indirect or more complex sequences the intuition can generate a very complicated circuit and signal mistakes. It is necessary to use another method that can save time of the project, make a clean circuit, can eliminate occasional signal overlapping and redundant circuits. The presented method is called step-by-step or algorithmic 1, 5, it is valid for pneumatic and electro-pneumatic systems and it was used as a base in this work. The method consists of designing the systems based on standard circuits made for each change on the state of the actuators, these changes are called steps. The first part is to design those kinds of standard circuits for each step, the next task is to link the standard circuits and the last part is to connect the control elements that receive signals from sensors, switches and the previous movements, and give the air or electricity to the supply lines of each step. In Figs. 1 and 2 the standard circuits are drawn for pneumatic and electro-pneumatic system 8. It is possible to see the relations with the previous and the next steps. 3. The method applied inside the controller The result of the method presented before is a sequence of movements of the actuator that is well defined by steps. It means that each change on the position of the actuators is a new state of the system and the transition between states is called step. The standard circuit described before helps the designer to define the states of the systems and to define the condition to each change between the states. In the end of the design, the system is defined by a sequence that never chances and states that have the inputs and the outputs well defined. The inputs are the condition for the transition and the outputs are the result of the transition. All the configuration of those steps stays inside of the microcontroller and is executed the same way it was designed. The sequences of strings are programmed inside the controller with 5 bytes; each string has the configuration of one step of the process. There are two bytes for the inputs, one byte for the outputs and two more for the other configurations and auxiliary functions of the step. After programming, this sequence of strings is saved inside of a non-volatile memory of the microcontroller, so they can be read and executed. The controller task is not to work in the same way as a conventional PLC, but the purpose of it is to be an example of a versatile controller that is design for an specific area. A conventional PLC process the control of the system using a cycle where it makes an image of the inputs, execute all the conditions defined by the configuration programmed inside, and then update the state of the outputs. This controller works in a different way, where it read the configuration of the step, wait the condition of inputs to be satisfied, then update the state or the outputs and after that jump to the next step and start the process again. It can generate some limitations, as the fact that this controller cannot execute, inside the program, movements that must be repeated for some time, but this problem can be solved with some external logic components. Another limitation is that the controller cannot be applied on systems that have no sequence. These limitations are a characteristic of the system that must be analyzed for each application.4. Characteristics of the controller The controller is based on the MICROCHIP microcontroller PIC16F877 6,7 with 40 pins, and it has all the resources needed for this project .It has enough pins for all the components, serial communication implemented in circuit, EEPROM memory to save all the configuration of the system and the sequence of steps. For the execution of the main program, it offers complete resources as timers and interruptions. The list of resources of the controller was created to explore all the capacity of the microcontroller to make it as complete as possible. During the step, the program chooses how to use the resources reading the configuration string of the step. This string has two bytes for digital inputs, one used as a mask and the other one used as a value expected. One byte is used to configure the outputs value. One bytes more is used for the internal timer , the analog input or time-out. The EEPROM memory inside is 256 bytes length that is enough to save the string of the steps, with this characteristic it is possible to save between 48 steps （Table 1）.The controller (Fig.3) has also a display and some buttons that are used with an interactive menu to program the sequence of steps and other configurations.4.1. Interaction components For the real application the controller must have some elements to interact with the final user and to offer a complete monitoring of the system resources that are available to the designer while creating the logic control of the pneumatic system (Fig.3):Interactive mode of work; function available on the main program for didactic purposes, the user gives the signal to execute the step.LCD display, which shows the status of the system, values of inputs, outputs, timer and statistics of the sequence execution.Beep to give important alerts, stop, start and emergency. Leds to show power on and others to show the state of inputs and outputs. 4.2. Security To make the final application works property, a correct configuration to execute the steps in the right way is needed, but more then that it must offer solutions in case of bad functioning or problems in the execution of the sequence. The controller offers the possibility to configure two internal virtual circuits that work in parallel to the principal. These two circuits can be used as emergency or reset buttons and can return the system to a certain state at any time 2. There are two inputs that work with interruption to get an immediate access to these functions. It is possible to configure the position, the buttons and the value of time-out of the system. 4.3. User interface The sequence of strings can be programmed using the interface elements of the controller. A Computer interface can also be used to generate the user program easily. With a good documentation the final user can use the interface to configure the strings of bytes that define the steps of the sequence. But it is possible to create a program with visual resources that works as a translator to the user, it changes his work to the values that the controller understands. To implement the communication between the computer interface and the controller a simple protocol with check sum and number of bytes is the minimum requirements to guarantee the integrity of the data. 4.4. Firmware The main loop works by reading the strings of the steps from the EEPROM memory that has all the information about the steps. In each step, the status of the system is saved on the memory and it is shown on the display too. Depending of the user configuration, it can use the interruption to work with the emergency circuit or time-out to keep the system safety. In Fig.4,a block diagram of micro controller main program is presented.5. Example of electro-pneumatic system The system is not a representation of a specific machine, but it is made with some common movements and components found in a real one. The system is composed of four actuators. The actuators A, B and C are double acting and D-single acting. Actuator A advances and stays in specified position till the end of the cycle, it could work fixing an object to the next action for example (Fig. 5) , it is the first step. When A reaches the end position, actuator C starts his work together with B, making as many cycles as possible during the advancing of B. It depends on how fast actuator B is advancing; the speed is regulated by a flowing control valve. It was the second step. B and C are examples of actuators working together, while B pushes an object slowly, C repeats its work for some time.When B reaches the final position, C stops immediately its cycle and comes back to the initial position. The actuator D is a single acting one with spring return and works together with the back of C, it is the third step. D works making very fast forward and backward movement, just one time. Its backward movement is the fourth step. D could be a tool to make a hole on the object. When D reaches the initial position, A and B return too, it is the fifth step. Fig. 6 shows the first part of the designing process where all the movements of each step should be defined 2. (A+) means that the actuator A moves to the advanced position and (A) to the initial position. The movements that happen at the same time are joined together in the same step. The system has five steps. These two representations of the system (Figs. 5 and 6) together are enough to describe correctly all the sequence. With them is possible to design the whole control circuit with the necessary logic components. But till this time, it is not a complete system, because it is missing some auxiliary elements that are not included in this draws because they work in parallel with the main sequence. These auxiliary elements give more function to the circuit and are very important to the final application; the most important of them is the parallel circuit linked with all the others steps. That circuit should be able to stop the sequence at any time and change the state of the actuators to a specific position. This kind of circuit can be used as a reset or emergency buttons. The next Figs. 7 and 8 show the result of using the method without the controller. These pictures are the electric diagram of the control circuit of the example, including sensors, buttons and the coils of the electrical valves.The auxiliary elements are included, like the automatic/manual switcher that permit a continuous work and the two start buttons that make the operator of a machine use their two hands to start the process, reducing the risk of accidents. 6. Changing the example to a user program In the previous chapter, the electro-pneumatic circuits were presented, used to begin the study of the requires to control a system that work with steps and must offer all the functional elements to be used in a real application. B
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