多工步自动推料(送料)进给及温控显示系统-正文

1、多工步自动推料(送料)进给及温控显示系统-正文 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

2、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

3、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: PFv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

4、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

5、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。 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

6、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

7、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d040mm,导程P5mm。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

8、度为5mm,则板材的重量为 G3m3m0.005m8900kg/m310N/kg444.8N450N 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 0.1545067.5N 得进给方向载荷Fxf67.5N,横向载荷F y 0,垂直载荷Fz0 采用的是综合导轨,K1.15, 0.150.18 Fm1.1567.5+0.15450145.125N (2)、最大动载荷FQ的计算 FQ 滚珠丝杆的寿命:6054015000/106 486 载荷系数:1.01.2 硬度系数:2.40 滚珠丝杆副的最大工作载荷:145.125N 得FQ 3286.1N 经比较丝杆的额

9、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 丝杆的螺旋升角: 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 最大工作载荷:,单位为N 145.125N 丝杆两端支撑间的距离:,单位为mm 2000 丝杆的弹性模量:,钢的2.1105 MPa 丝杆按底径d2确定的截面积:单位为mm2 39.20625 S/41207.26 mm2 转矩:M,单位为Nmm M145.125202902.5 丝杆按底径d2确定的截面积惯性矩(),单位为mm4I75.45mm4 其中:“+”用于拉伸,“?”用于压缩。 经计算得0.01668 滚珠与滚道间的

10、接触变形量有预紧 有预紧: 无预紧: 滚珠直径:D,单位为mmD3.175 滚珠总数量:圈数列数 92 单圈滚珠数:Z37 为预紧力,单位为N0.0007548 刚度验算: 丝杆的总变形量+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: 临界载荷: 单位为N 丝杆支撑系数: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 a2000 156.379145.1252.2 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

11、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

12、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°/100000.036°。对于带17位编码器的电机而言,驱动器每接收217131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/1310729.89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

13、的工作原理所决定的低频振动现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300600RPM。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

14、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

15、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200400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的计算 式中为工作台质量(kg) 为丝杠导程(cm) 计算:0.5/6.28* 0.5/6.28*300.1902 (2)、步进电机转轴上的等效负载转矩的计算 通常考

16、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 ?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 ?移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩,单位是 ?滚珠丝杆预紧后折算到电机转轴上的附加摩擦转矩,单位是而上式中: ?电动机转轴的角加速度,单位是 ?电动机的转速,单位是 ?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:10.750 35.83 ?导轨的摩擦力,单位是N ?滚珠丝杆的导程,单位是m ?传动链总效率,一般取0.70.85 ?总的传动比电机的转速 丝杆的转速经计算:0.0671 ?滚珠丝杆副的预紧力,一般取

17、滚珠丝杆工作载荷的1/3,单位是N ?滚珠丝杆副未预紧时的传动效率,一般取0.9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 ?进给方向最大工作载荷,单位是N 代入数据: 0.1444 10.8171 0.2115 0.04775 (3)步进电机的选型 将上述计算所得的乘上一个系数K,用K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。 K0.193 (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 ?最快工作进给速度 ?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所对应的输出转矩,同最大工作负载转矩比较,满足

18、。 最快空载时的电动机输出转矩校核 ?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所对应的输出转矩,同最大工作负载转矩比较,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和系统脉冲当量,算出电动机对应的运行频率。没有超过所选电动机的极限空载运行频率。 启动频率校核 ?总的转动惯量对应的启动频率,可以通过上式求得,也可以在步进电动机的启动惯频特性曲线上找出 ?电机空载启动频率,单位是,由产品资料查得 ?加在步进电动机上的总的转动惯量,单位是 ?步进电动机转子的转动惯量,单位是 算得启动频率小于 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

19、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,23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

20、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。 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

21、设计中采用圆锥滚子轴承,其代号为32914 2BC,计算系数:e0.32 ;Y1.9; Y01,基本额定静载荷CR70800N 额定动载荷COR115000N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 aF d Fr tana145.125 Fr4814 Fa/Fre PfpXFr+YFa1.00.44814+1.9 12904376.6NCR 所以轴承可用。第三章 温度控制系统的基本设计方案3.1 温度控制系统的硬件选择 在工业生产过程及工程检测中, 为了对各种工业参数(如压力、温度、流量、物位、位移等)进行检测与控制, 首先要把这些参数转

22、换成便于传送的信息, 这就要用到各种传感器, 把传感器与其它装置组合起来, 组成一个检测系统或调节系统, 完成对工业参数的检测与控制。 采用PID模糊控制技术 :用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar(比例、积分、微分)三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。 传统的温度控制器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主,两者里面都用发热丝制成。发热丝通过电流加热时,通常达到1000以上,所以发热棒、发热圈内部温度都很高。一般进行温度控制的电器机械,其控制温度多在0-400之间,所以,传统的温度控制器进行温度控制期间,当被加热器件温度升高至设定温度时,温度控制器会发出信号停止加

23、热。但这时发热棒或发热圈的内部温度会高于400,发热棒、发热圈还将会对被加热的器件进行加热,即使温度控制器发出信号停止加热,被加热器件的温度还往往继续上升几度,然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时,温度控制器又开始发出加热的信号,开始加热,但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时候,这就要视乎发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时,温度继续下降几度。所以,传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象,但这不是温度控制器本身的问题,而是整个热系统的结构性问题,使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。 PID模糊控制,是针对以上的情况而制定的、新的温度控制方案,用先进的数码

24、技术通过Pvar、Ivar、Dvar三方面的结合调整,形成一个模糊控制,来解决惯性温度误差问题。 硬件型号的选择: PLC PLC型号选择为SIEMENS的S7-200型,属于小型PLC,可以用于代替继电器的简单控制场合,也可以用于复杂的自动化控制系统;并且它具有极强的通信功能,在大型网络控制系统中也能充分发挥作用。可以用梯形图、语句表(即指令表)和功能块三种语言编程,它的指令丰富,指令功能强,而且内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能,最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O,最多有30多KB程

25、序和数据存储空间。 在CPU的选择上面因为要有两个PPI接口,一个用来下载数据程序,另一个用来显示状态。并且输出需要频繁地通断切换,不宜用继电器输出的PLC,所以选择晶体管输出的CPU224XP。 2)EM235 因为要用PID控制,所以采用模拟量的扩展EM235。它将模拟信号转换成数字信号送入PLC中 表A所示为如何用DIP开关设置EM 235模块。开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。表A-14所示为如何选择单/双极性(开关6)、增益(开关4和5)和衰减(开关1、2和3)。下表中,ON为接通,OFF为断开。 表A 所示EM 235选择模拟量输入

26、范围和分辨率的开关表 单极性 满量程输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0到50mV 12.5V OFF ON OFF ON OFF ON 0到100mV 25V ON OFF OFF OFF ON ON 0到500mV 125uA OFF ON OFF OFF ON ON 0到1V 250V ON OFF OFF OFF OFF ON 0到5V 1.25mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0到20mA 5A OFF ON OFF OFF OFF ON 0到10V 2.5mV 选择SW1,SW6,为ON状态。 选

27、择SW2,SW3, SW4, SW5,SW6,为OFF状态。 3)电源 利用西门子SITOP电源把AC220V转换成DC24V的功能,给CPU及其模块供电,加热器由AC220V直接供电。 4)PT100 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温-200650范围的温度测量中。 铂电阻/温度传感器的特性及优点: 金属铂具有电阻温度系数大,感应灵敏;电阻率高,元件尺寸小;电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系;在测温范围内,物理、化学性能稳定,长期复现性好,测量精度高,是目前公认制造热电阻的最好材料。但铂在

28、高温下,易受还原性介质的污染,使铂丝变脆并改变电阻与温度之间的线性关系,因此使用时应装在保护套管中。 利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器,通常使用的铂电阻温度传感器有PT100,电阻温度系数为3.9×10-3/,0时电阻值为100,电阻变化率为0.3851/。铂电阻温度传感器精度高,稳定性好,应用温度范围广,是中低温区(-200650)最常用的一种温度检测器,不仅广泛应用于工业测温,而且被制成各种标准温度计。 5)温度变送器 变送器与PT100配套,把电阻的变化转化成相应的电流信号,送入PLC扩展模块EM235中。 6)E-VIEW触摸屏 E-VIEW触摸屏通过触摸

29、的形式实现PLC程序中各种开关量的变化,以及程序中即时数据的显示。 3.2 温度控制系统电路的设计连接 温度是一种模拟量,而PLC中是实现对数字量的控制,因此在设计温度控制电路时,首先要进行的是将采集到的温度信号转换成数字量信号,PLC依据程序处理完后输出的结果也是数字信号,而输出的数字信号必须能够控制温控系统是否对板材进行加热。 因此,我对于温控系统的硬件电路初步设计为: 传感器温度变送器EM235PLC固态继电器加热器 连线图附后 首先,温度传感器将采集到的温度信号送入温度变送器中,转换成相应的电流或者电压信号,传输到S7-200系列PLC的扩展模块EM235中,EM235与PLC用传输线

30、连接,信号在PLC中经过程序和PID处理后,输出为一个数字量信号,送到故态继电器中,故态继电器与加热器相连,通过PLC输出的数字量信号控制加热器是否加热 铂电阻温度传感器PT100接线采用两线制:传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值,由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高,用于测量精度要求不高的场合,并且导线的长度不宜过长。1 变送器接线如图2 传感器连接到S7-200模拟量输入模块接线如图第四章 温控系统的可编程控制器(S7-200)的程序设计4.1 可编程控制器的工作原理和过程 SIEMENS的S7-200系列PLC是由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成(如

31、下图1)。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。一般PLC由以下几个部分来保障它的正常工作。CPU模块CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。在PLC控制系统中,CPU模块相于人的大脑和心脏,它不断地采集输入信号,执行用户程序,刷新系统的输出;存储器用来储存程序和数据。I/O模块 输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为I/O模块,它们是系统的眼、耳、手、脚,是联接外部现场设备和CPU模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号,开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号;模拟量输入模块用来

32、接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备;模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。编程器 编程器用来生成用户程序,并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。使用编程软件可以在计算机屏幕上直接生成和编辑指令表程序,并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译完后下载到PLC,也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或者打印,通过网络,甚至可以实现远程编程和传送。 4)电源 一般的PLC使用AC220V电源或者DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供

33、不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器(例如接近开关)提供DC24V电源,驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。 在数字量控制系统中,变化仅有两种相反的工作状态,例如高电平和低电平,继电器线圈的通电和断电,触电的接通和断开,可以用逻辑代数里的1和0来表示。用多个触电的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算。 在PLC通电后,需要对硬件和软件作一些初始化的工作。为了使PLC的输出及时响应各种输入信号,初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务,即以扫描模式工作。PLC的工作步骤一般有5个,如下:读取输入 在PLC的存储器中,设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态,

34、它们分别称为输入过程映像寄存器和输出过程映象寄存器。CPU以字节(8位)为单位来读写输入/输出过程影响寄存器。 在读取输入阶段,PLC把所有外部数字量输入电路的1/0状态(或称ON/OFF状态)读入输入过程影响寄存器。外部的输入电路闭合时,对应的输入过程映像寄存器为1状态,梯形图中对应的输入点的常开触电接通,常闭触电断开。外接的输入电路断开时,对应的输入过程映像寄存器为0状态,梯形图中对应的输入点的常开触电断开,常闭触电接通执行用户程序 PLC的用户程序由若干条指令组成,指令在存储器中按顺序排列。在RUN工作模式的程序执行阶段,在没有跳转指令时,CPU从第一条指令开始,逐条顺序地执行用户程序。

35、在执行指令时,从I/O映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0/1状态,并根据指令的要求执行相应的逻辑运算,运算的结果写入到相应的映像寄存器中,因此,各映像寄存器(只读的输入过程映像寄存器除外)的内容随着程序的执行而变化。 在程序执行阶段,即使外部输入的状态发生了变化,输入过程映像寄存器的状态也不会随之而变,输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时,对输入/输出的存取通常是通过映像寄存器,而不是实际的I/O点。这样做在程序执行完后再用输出过程映像寄存器的值更新输出点,使系统的运行稳定;而且由于用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得读,提高了程序的执行速

36、度。通信处理 在通信请求处理阶段,CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息,例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中,在适当的时候将信息传送给通信请求方。CPU自诊断测试 自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常,将监控定时器复位,以及完成一些别的内部工作。改写输出 CPU执行完用户程序后,将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时,对应的输出过程映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后,继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电,其常开触电闭合,使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”,对应的输出过

37、程映像寄存器中存放的二进制数为0,将它送到继电器型输出模块,对应的硬件继电器的线圈断电,其常开触电断开,外部负载断电,停止工作。 当CPU的工作模式从RUN变为STOP时,数字量输出装置为系统块中的输出表定义的状态,或保持当时的状态,默认的设置是将数字量输出清零。 如果在程序中使用了中断,当中断事件发生时,CPU停止正常的扫描工作模式,立即执行中断程序,中断功能可以提高PLC对某些事件的响应速度。4.2 PLC控制系统的设计和调试步骤 1)系统设计 a. 深入了解被控系统 第一步是系统设计的基础,设计前应熟悉图纸资料,深入调查研究,与工艺、机械方面的技术人员的现场操作人员密切配合,共同讨论,解

38、决设计中出现的问题。应详细了解被控对象的全部功能,例如机械部分的动作顺序、动作条件、必要的保护和自锁,系统要求哪些工作方式(例如手动、自动、半自动),设备内部机械、液压、气动、仪表、电气几大系统之间的关系,PLC与其他智能设备(例如别的PLC、计算机、变频器、工业电视、机器人)之间的关系,PLC是否需要通信联网,需要显示哪些数据及显示的方式等等,电源突然停电及紧急情况的处理,以及安全电路的设计。有时需要设置PLC之外的手动的或机电的联锁装置来防止危险的操作。 对于大型复杂的控制系统,需要考虑将系统分解为几个独立的部分,各部分分别用单独的PLC或其他控制装置来控制,并考虑它们之间的通信方式。 b

39、. 人机界面的选择 人机界面用于操作人员和PLC之间的信息交换。用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化,同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数,降低生产的成本同时由于面板控制的小型化及高性能,相对的提高了整套设备的附加价值。PLC本身的数字输入和数字显示功能较差,可以用PLC的开关量I/O点来实现数字的输入和显示,但是占用的I/O点多,可能还需要用户自制硬件。 触摸屏作为一种新型的人机界面,从一出现就受到关注,它的简单易用,强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境,甚至可以用于日常

40、生活之中,应用非常广泛,比如:自动化停车设备、自动洗车机、天车升降控制、生产线监控等,甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整。 在我的系统中选择的是MT500系列触摸屏,它是专门面向PLC应用的,它不同于一些简单的仪表式或其它的一些简单的控制PLC的设备,其功能非常强大,使用非常方便。 而且它的编程软件能够提供以下几个功能: 1 指示灯PLC I/O显示、内部节点显示、多段指示灯等 2 开关 位状态型开关、多段开关、切换窗口开关等 3 各种动态图表 棒图、仪表、移动元件、趋势图等 4 数据显示 数值显示、ASCII显示、文字显示等 5 数据输入 数值输入、ASCII输入、文字输入等

41、6 异常报警 报警显示、跑马灯显示、事件显示等 7 静态显示 直线、圆、矩形、文字等 c.通信方式的选择 选择通信方式时,应考虑通信网络允许的最大节点数,最大通信距离和通信接口是否需要光电隔离等问题。选择通信速率时应考虑网络中单位时间内可能的最大信息流量,并应保留一定的余地。 硬件和软件的设计与调试系统硬件设计与组态 首先应该给给输入、输出变量分配地址。因为梯形图中变量的地址于PLC的外部接线端子号是一直的,这一步为绘制硬件接线图做好了准备,也为了梯形图的设计做好了准备;接着画出PLC的外部硬件接线图,以及其他电气原理图和接线图;最后画出操作站和控制柜面板的机械布置图和内部的机械安装图。 软件

42、设计 软件设计包括设计系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅助程序等,小型开关量控制系统一般只有主程序。 首先根据总体要求和控制系统的具体情况,确定用户程序的基本结构,画出程序流程图或开关量控制系统的顺序功能图。它们是编程的主要依据,应尽可能地准确和详细。 软件的模拟调试 设计好用户程序后,一般先做模拟调试。在程序运行时,可以用程序状态功能或状态表来监视程序的运行情况。调试顺序控制程序的主要任务是检查程序的运行是否符合顺序功能图的规定,即在转换实现的两个条件都满足时,该转换所有的前级步是否变为不活动步,所有的后续步是否变为活动步,以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。 在

43、调试时应充分考虑各种可能的情况,对系统各种不同的工作方式,顺序功能图中的每一条支路、各种可能的进展路线,都逐一检查,不能遗漏。发现问题后及时修改程序,直到在各种可能的情况下输入信号和输出信号之间的关系完全符合要求。 硬件调试和系统调试 在对程序进行模拟调试的同时,可以设计、制作控制屏,PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。完成硬件的安装和接线后,应对硬件的功能进行检查,观察各输入点的状态变化是否能送给PLC。在STOP模式用编程软件将PLC的输出点强制为ON或OFF,观察对应的PLC的负载(例如外部的电磁阀和接触器)的动作是否正常。 对于像温度控制系统这样有模拟量输入的系统,可以

44、给模拟量输入模块提供标准的输入信号,通过调节模块上的电位器或程序中的系数,使模拟量输入信号和转换后的数字量之间的关系满足要求。 整理技术文件 根据调试的最终结果整理出完成的技术文件。 4.3 PLC温控程序设计中PID算法的使用 本模型的加热装置采用家用水杯保温器,内部靠线圈生热,装置本身功率不可调,只有开/关两种状态。由于线圈有较大电感,不能通过PWM方式高频通断来改变电压,进而改变功率。所以,采用了较长周期(5秒)内,改变加热器通断时间的方法,宏观上实现调压,改变装置输出功率,最终达到加热和保温的温度控制目的。本例中PID算法的数字输出是一个给定周期的百分比,实质是改变输出位的占空比。在系

45、统运行时,输出点长期处于较频繁的通断状态切换,这是选择晶体管输出而非继电器输出PLC的原因所在。 1) PID算法 PID控制最初在模拟量控制系统中实现,随着离散控制理论的发展,PID也在计算机化控制系统中实现。 PID是闭环控制系统的比例-积分-微分控制算法,取其中的一项或两项,可以组成P、PD或PI控制器。需要较好的动态品质和较高的稳态精度时,可以选用PI控制方式;控制对象的惯性滞后较大时,应选择PID控制方式。 PID控制器根据设定值(给定)与被控对象的实际值(反馈)的差值,按照PID算法计算出控制器的输出量,控制执行机构去影响被控对象的变化。PID控制是负反馈闭环控制,能够抑制系统闭环

46、内的各种因素所引起的扰动,使反馈跟随给定变化。 PID控制器是应用最广的闭环控制器,这是因为PID控制具有以下优点:不需要被控对象的数学模型结构简单,容易实现有较强的灵活性和适应性使用方便基于以上优点,本系统采用PID算法,进行对温度的闭环控制。 计算机化的PID控制算法有几个关键的参数Kc(Gain,增益),Ti(积分时间常数),Td(微分时间常数),Ts(采样时间)。控制器的输出比例项+积分项+微分项+输出的初始值增益(Gain,放大系数,比例常数)增益与偏差(给定与反馈的差值)的乘积作为控制器输出中的比例部分。过大的增益会造成反馈的振荡,增益太小,又会使系统的动作迟缓。积分时间(Inte

47、gral Time)偏差值恒定时,积分时间决定了控制器输出的变化速率。积分时间越短,偏差得到的修正越快。过短的积分时间有可能造成不稳定。积分时间的长度相当于在阶跃给定下,增益为“1”的时候,输出的变化量与偏差值相等所需要的时间,也就是输出变化到二倍于初始阶跃偏差的时间。如果将积分时间设为最大值,则相当于没有积分作用。微分时间(Derivative Time)偏差值发生改变时,微分作用将增加一个尖峰到输出中,随着时间流逝减小。微分时间越长,输出的变化越大。微分使控制对扰动的敏感度增加,也就是偏差的变化率越大,微分控制作用越强。微分相当于对反馈变化趋势的预测性调整。如果将微分时间设置为0就不起作用

48、,控制器将作为PI调节器工作。采样时间:(Sample Time)计算机必须按照一定的时间间隔对反馈进行采样,才能进行PID控制的计算。采样时间就是对反馈进行采样的间隔。短于采样时间间隔的信号变化是不能测量到的。过短的采样时间没有必要,过长的采样间隔显然不能满足扰动变化比较快、或者速度响应要求高的场合。 2)PID指令向导 西门子PLC软件开发环境STEP 7 Micro/WIN里面自带了PID指令向导功能,大大简化了PID算法的设计,只要正确配置其中的参数,便可完成PID闭环控制。 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

49、理。 PID指令向导编程步骤如下: 在Micro/WIN中的命令菜单中选择Tools 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。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PI

50、D回路参数图4. 设置PID参数定义回路设定值(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:Gain(增益):即比例常数。 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”。 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 。 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

51、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 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:指定输入类型Unipolar: 单极性,即输入的信号为正,如0-10V或0-20mA等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反馈输入取值范围在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等在a.选中20% Offset时,取值范围为6400 - 32000,不可改变Output Type(输出类型)可以