【基于PLC的矿用喷涂设备控制系统设计11000字（论文）】

第2章系统的总体设计方案2.1设计整体的系统控制框图图2.1系统框图其主要运行过程可以概括为，用行程开关来来控制喷涂设备以及喷涂的位置，用传感器系统来了解喷涂机的工作状态，当传感器系统和行程开关系统将数据传送至控制器，随后PLC利用触摸屏的输入信号进行控制，将数据传送给执行设备，完成喷涂机的开始运行。同时涂料的输送装置和机器人喷涂装置都受到PLC的控制，当到达指定位置后由传感器给PLC信号，PLC输出信号，喷涂机器人开始喷涂，当喷涂结束后传感器或者定时系统发出信号给PLC，PLC输出信号控制喷涂机器人向下一个位置移动，或者人工远程操控。触摸屏系统主要是为实现人机交互功能而设计的，用户可以通过人机交互系统来设置相应的参数；上位机的作用是为了实现实时监控的目的，该功能的实现是以pc客户端为主设备，通过网络连接远程的控制以及访问plc设备中的数据。2.2喷涂设备工作的系统示意图基于plc控制的喷涂设备控制系统的工作流程的具体设计方案:按下启动按钮接通电源，按下自动开关，自动喷涂设备将按照设计的PLC程序进行自动喷涂。自动喷涂过程:1、按下开关后各工作位置元器件启动，设备进入待机状态，系统开始自我检查，当检查确定无误后开始进入下一状态；如果存在问题，首先设备自我修复，当设备不能自我修复时，则需要停机人工修复；当时电机的温度问题是，加热器（散热器）启动使其恢复到正常工作模式；2、检查无误后，根据设计的参数喷涂设备到达指定的位置，当到达指定位置后向喷涂设备发出喷涂命令；3、收到喷涂命令时泵送功能启动，气动不锈钢隔膜泵从原料槽中吸涂料向喷枪管道中输送涂料，开始工作；4、喷涂设备的工作轨迹为左右做往复运动，工作路径由行程开关来控制，此外在工作过程中需要向上移动，移动的过程由步进电机控制，步进电机由步进电机驱动器来驱动；小臂的移动距离可以由步进电机的驱动器来控制；5、当喷涂由下向上再由上到下喷涂结束后，喷涂停止；6、在自动喷涂的过程中当喷涂原料不够时，液位传感器会传递信号给PLC,并输出信号给泵送装置，进而使的储料罐涂料得到补充，7、当在操作过程中遇到问题时，系统自动停止工作，由人去排除故障，当检查无误后恢复当前的工作状态或复位。8、按下停止按钮时无论处在何种工作状态下都停止喷涂。按下手动按钮，系统进行手动喷涂工作模式。手动喷涂的过程:当按下启动开关后，系统进入初始化状态，当按下手动按钮时设备开始执行已经设定好的手动喷涂程序；手动控制过程需要用到各个步骤的控制开关，本设计在触摸屏上设有大臂电机、小臂电机、泵送电机、行程电机、变频器1和2的启停开关以及点泵、反泵、复位、向左、向右、向上、向下、向前、向后等开关，在手动控制的模式下各个工序都可以单独执行。在一个工序时出现故障时其他工序还可以工作的独立工作模式使得工作有更大的自由性，手动程序的设定对于喷涂设备和烘干设备的检修是非常方便的，当有故障发生时我们可以很快的找到发生故障的源头并进行处理。2.3基于plc控制的喷涂设备部分设计2.3.1温度传感器的设计基于plc控制的自动喷涂设备的油温传感器安装储料罐内以及电动机和泵上，温度传感器存在目的:1、时时监控储料罐中的涂料温度，方便涂料在喷管中流动；2、安装在电机和油泵上的传感器，在于反映电机和油泵的工作状态是否正处于常。图2-3温度传感器的安装示意图2.3.2液位传感器的设计喷涂设备的液位传感器设计安装在储油罐内以便测量油位，加入液位传感器的目的有两方面的原因:1、在储油罐中安装液位传感器是为了能够时时的监控储油罐中的油量多少，在自动喷漆设备中油漆是主要的不可或缺的材料，如果油漆不能及时的送达会造成工件的漏喷涂现象，如果安装了液位传感器可以做到时时反应油位，在油位过低时喷涂设备可以停止等待同时自动向储油罐中注入油漆的等喷涂原料直到油位达到工作的最低要求后再次开始喷涂。图2-4液位传感器的安装示意图2.3.3压力传感器的设计安装压力传感器的目的是用以感知泵在正转和反转工作时的压力是否处于所需要的工作状态下，对于不同的涂料，泵工作时所需要的压力各不相同，当在喷涂时所需要的压力大时我们可以根据喷涂压力传感器清晰的了解到当前的压力值，便于我们有目的的，针对性的去调节。为了实现本操作，故在本次设计中我选用压阻式压力传感器。图2-5液位传感器的安装示意图第3章系统硬件设计3.1PLC的选型3.1.1PLC简介PLC也被称为可编程逻辑控制器，其主要功能在于代替继电器进行逻辑控制。随着时代的进步和科技的发展早期的PLC已经不能满足现代工业要求的逻辑控制范围，现在的PLC控制系统完全相当于一台微型的工业版计算机，又被称为可编程控制器，其已经不简简单单的满足于进行逻辑控制，还可以对输入的信号进行梳理处理。PLC的发展特别迅速，其从美国推广开始至今，其适应时代的发展潮流，从刚刚研制出来仅能对开关进行逻辑控制，到如今可以采用梯形图进行编程的新一代可编程控制器，其强大的逻辑控制功能，成为了工业自动化的不可或缺的一部分。不断改进的可编程控制器现在已经应用于各个行业的各个领域。如今比较出名的生产PLC的公司有西门子公司、三菱电机公司、GE公司等。3.1.2PLC的工作方式介绍PLC的工作方式采用循环扫描的方式，按CPU中输入的设计好的程序从第一步开始逐句扫描，直到扫描到结束指令完成一个扫描回到第一步，不断的运行下去。其过程分为三个步骤:1、输入采样:PLC开始运行时首先要扫描输入端口的输入信号，将扫描到的输入信号存入映像寄存器中，采集的数据在没有新的输入信号之前是保持不变的，而当输入信号改变时映像寄存器的状态不会立即改变也不会被执行，直到下一扫描周期才会被执行。2、程序执行:在PLC执行程序时，会按照输入的设计程序一步一步的执行，按照特定的顺序运行下去，将顺序运算的结果储存到输出映像寄存器，等待下一个步骤的进行。3、输出处理:当设计的PLC程序执行完毕时，读取输出存储器的状态作为输出传送到数据处理器进行相应的逻辑运算，得到的结果就是PLC的输出结果。3.1.4PLC型号的选定本设计用到了一些数字量和模拟量，考虑到用西门子PLC编写的程序简单易懂，且西门子PLC在过程控制与通信控制上精确度高，同时西门子的模拟量模块价格便宜，而且西门子有两个通信接口，一个连接下载数据，一个连接触摸屏来进行程序调试，非常方便，所以综上决定选用西门子系列的PLC作为设计的中心控制。可以选用S7-200，因为S7-200PLC适用于小型电气控制，价格也相对便宜一些。S7-200功能相对强大，具有较高的性价比。通过查看资料可以知道S7-200具有5种CPU模块，并且其此外可以扩展到7个扩展模块，扩展的输入输出量为248点数字量I/O或38路模拟量I/O。对于本设计来说，有32个输入，32个输出，CPU226可以提供的输入点个数为24个，输出点数为16个，并不能满足实验需求。所以该CPU需要带一个1个扩展模块来提供额外的8个输入和16个输出。除此之外，本CPU集成有4个模拟量输入、2个模拟量输出，同时要求做到电流和电压都能输出。故本设计的可编程控制器选用西门子S7-200系列的CPU226。3.2关于扩展模块的选择本次的喷涂设备的设计需要用到四个传感器，然而在设计中选择的S7－200CPU226只能传输数字量信号，所以需要能输入四个模拟量的模拟量扩展模块，对于CPU226所提供输入点和输出点个数不能达到设计的需求的问题，我们需要扩展一个能够提供8个输入点和10个输出点的数字量的模块。为满足输入点和输出点的需求，为实现设计目的我们选择添加一个16输入16输出的数字量模块EMDE16和一个4模拟输入2输出的模拟模块。3.3对于油泵的选择本次设计的自动喷涂设备中油泵的作用是为储油罐中抽入喷涂原料，是准备阶段中不可或缺的一部分。因为油泵的作用是向储油罐中抽入喷涂原料，为了保证油泵的使用寿命，以及要求油泵具有抗腐蚀性，故选择使用12V气动不锈钢隔膜泵，该气动不锈钢隔膜泵的体积超小、不会干扰电子元件污染电源，具有耐高温、流量大的特点，完全满足需求。3.4对于步进电动机的选择本次设计的自动喷涂设备具有三个电机，根据设计要求有用于大臂左右行的电机，由异步电机和ABB变频器组成；用于小臂上下移动的电机，由步进电机和步进驱动器组成；以及用于底座移动的电机，该电机选用步进电机和步进驱动器。其中步进电机驱动器的电源为DC24～80V，结合设计要求考虑综合性能为使其达到最优状态，本设计选用86BYG250A型步进电机；采用60V、400W的开关电源以及参考资料选取2MA860H驱动器为该电机驱动。86BYG250A型步进电机的相电流是4A，步距角是1.8°，静扭矩是1.6N*m。控制器选择OC输出方式，与2MA860H进行共阳极接法，DIR为方向输入线、PLS为脉冲输入线、ENA为电机锁存线。其接线图如图3-1所示。图3－1电机接线图2MA860H驱动器总共包括8个拨码开关，其中SW1、SW2与SW3是相电流输出选择开关，细分选择开关是SW5、SW6、SW7和SW8，其中的脉冲控制形式选择开关为SW5，即SW5=0表示输入单脉冲，SW5=1表示输入双脉冲[1]。3.5对于变频器的选择ABB变频器在市场上广受好评，其主要工作模式在于控制和调节三相异步交流电机的转速以达到工作目的，ABB变频器工作时输出平稳、使用性能高；同时其还具有额外的多项功能和优势，如：其具有高性能的矢量控制技术、低速大转矩输出的动态特性及超过载工作能力等。针对于本次的设计要求，我们主要的应用范围在于矿业领域，故选择空冷型ACS2000变频器。ACS2000变频器融合了现代的创新技术，其主要的优势在于供电灵活、同时其具有低谐波、低能耗的特点；ACS2000变频器在现场施工中还具有结构紧凑、安装便利的特点。此外ACS2000变频器可以在不使用输入隔离变压器的条件下完成工作要求，这一优势可以为用户节省资金，当用户对于现有设备的工作不放心时可以为变频器连接至少一台输入隔离变压器。3.6对于其他元器件的选择3.6.1对于接触器的选择根据设计的喷涂设备的要求选择能够控制负载的交流接触器可以满足设备要求。交流接触器是通过线圈通电产生磁场，磁场产生磁力使接触器的主触头闭合，通过触点的动作形成控制作用。在选择交流接触器时首先考虑主触点的额定电流计算公式为:为交流接触器主触点额定电流（A）；K为比例系数，一般为1-1.4；为选择的设备的电动机的额定功率（KW）；为选择的电动机的额定电压（V）。根据设备所需的数据计算结果约为3.8A。对于本次设计中的电机并没有带动大件物体运动故接触器选择的额定电流总是大于选择的电动机的额定电流就可以。3.6.2对于热继电器的选择系统一般都会选择安装热继电器，热继电器的安装对电动机有着过载保护等作用，如果热继电器选择不当可能会将连接的电动机损毁。按照一般的原则在选择热继电器时继电器额定电流要大于电动机的额定电流。由于本次设计的电动机的工作时间较长，所以选择的继电器的额定电流大约是电动机额定电流的0.95~1.05倍。本次设计的额定电流为1.6A选择的热继电器型号为NR2-25G/Z0.1-10A。3.6.3对于熔断器的选择熔断器在控制系统电路中是不可或缺的，与热继电器有着类似的作用，当电路中的电流过大时产生的热量大于熔断器的熔点，熔断器熔断之后就会使电路断开从而失电保护设备不在损伤。在设计的设备中选择使用快速熔断器，因为快速熔断器的快速熔断特性可以使设备发生故障时可以快速断电尽早停止系统，避免更大的损失，选择的型号为XRNT快速熔断器。4软件设计4.1系统程序流程图设计系统流程图的目的是为了能够更直观的表现矿用喷涂设备的自动喷涂和手动喷涂的过程，并且能够以此为设计的依据进行具体的程序设计和编程，逐步的完成设计的目标，本次设计的系统流程图包括矿用喷涂设备的系统流程图的总体控制流程图和自动化程序控制流程图。此次设计的核心为矿用设备的自动化，以矿用喷涂设备的自动化控制流程图展开设计。4.1.1矿用喷涂系统程序流程图本次设计的矿用喷涂设备系统分为自动喷涂程序和手动喷涂程序。按下矿用喷涂设备的启动按钮之后泵启动，开始升温等到温度达到设定值之后，泵开始向喷涂管道中抽入涂料直到管道内喷涂压力到达指定的压力，当管道内压力到达要求停止等待，此时代表停止等待的LED灯亮起，按动自动喷涂按钮开启自动喷涂程序，按动手动喷涂按钮启动手动控制模式。当需要喷涂停止时按下结束按钮结束喷涂的过程。基于PLC的矿用喷涂设备系统程序流程图如图4－1所示:图4－1矿用喷涂系统程序流程图4.1.2喷涂设备系统程序流程图当喷涂机械手在工作时，若长时间处于温度过高的工作环境，会大幅度的缩短密封件寿命，导致工作效率低下，此外当在恶劣工作环境，如：煤矿等，还容易出现堵管、翁鸣等现象。故对于电机温度的有效控制可以大大提高喷涂机械手工作的安全性和稳定性。对于选择的86BYG250A型步进电机而言其最大温升为75K，所以其工作的适合环境温度应在-25℃到+55℃之间，PLC发出指令，散热器（或加热器）开始工作，待温度降到（或升到）安全温度时，预警指示灯熄灭，PLC发出指令，散热器（或加热器）结束工作。当温升达到75K时，报警铃响起，设置定时器，信号持续2s后，判断故障严重，按动总停按钮SB0，使得设备停止工作并检查排除故障。如图4-2所示是步进电机温度监控程序流程图。图4－2电机温度监控程序流程图4.2编程软件简介本次设计中选用的PLC类型是西门子S7－200，并使用西门子公司研发的V4.0STEP7MicroWINSP9编程软件进行的软件设计编程。V4.0STEP7MicroWINSP9是一款专门对S7－200进行编程的软件，可以在STEP7编程软件上编写设计的超声波清洗控制系统的梯形图，软件可以读取输入的梯形图避免编程过程中的输入错误，STEP7软件设立了离线运行功能可以进行离线模拟检测设计的程序是否正确，能够尽早的发现错误，避免不必要的损失。4.3I/O口分配表根据设计的基于PLC控制的喷涂设备控制系统的原理图可以清晰的看到I/O的分配情况及其被赋予的意义。本次设计的喷涂设备控制系统的输入口有32个，这32个输入口全部是自动控制的限位开关和手动控制的开关量；输出口有32个为电动机、换向阀等输出量。设计的PLC控制系统的输入点的分配情况如表4－1所示:表4－1PLC输入点的分配表地址符号注释I0.0SB1启动按钮I0.1SB2停止按钮I0.2SB3自动按钮I0.3SB4手动按钮I0.4SQ1电机一号启动I0.5SQ2电机二号启动I0.6SQ3电机三号启动I0.7SQ4液位传感器I1.0SQ5温度传感器I1.1SQ6压力传感器I1.2SQ7泵送启动I1.3SQ8泵送停止I1.4SQ9反泵运行I1.5SQ10反泵点动I1.6SQ11反泵停止I1.7SQ12手动反泵I2.0SQ13变频器1号启动I2.1SQ14变频器2号启动I2.2SB5大臂X轴左限位开关I2.3SB6大臂X轴右限位开关I2.4SB7Y轴前限位开关I2.5SB8Y轴后限位开关I2.6SB9小臂Z轴上限位开关I2.7SB10小臂Z轴下限位开关I3.0SB11向前运动I3.1SB12向后运动I3.2SB13大臂左移动I3.3SB14大臂右移动I3.4SB15小臂上移I3.5SB16小臂下移I3.6SB17复位I3.7SB18停止等待PLC的输出点的分配情况如表4－2所示，输出的设备为电动机、指示灯等表4－2PLC中输出点的分配表地址符号注释Q0.0KM1变频器1运行Q0.1KM2电机1变频运行Q0.2KM3电机1工频运行Q0.3KM4变频器2运行Q0.4KM5电机2变频运行Q0.5KM6电机2工频运行Q0.6KM7电机3变频运行Q0.7KM8电机3工频运行Q1.0KM9电机4变频运行Q1.1KM10电机4工频运行Q1.2YV11初始位置Q1.3YV8喷涂启停Q1.4YV9散热器启停Q1.5YV10加热器启停Q1.6YV11X轴左移Q1.7YV12X轴右移Q2.0YV13Y轴前移Q2.1YV14Y轴后移Q2.2YV15Z轴上移Q2.3YV16Z轴下移Q2.4YV17电源指示灯Q2.5YV18泵送指示灯Q2.6YV19反泵示灯Q2.7YV20报警指示灯Q3.0YV211号电机指示灯Q3.1YV222号电机指示灯Q3.2YV233号电机指示灯Q3.3YV244号电机指示灯Q3.4YV25变频器1号电机指示灯Q3.5YV26变频器2号电机指示灯Q3.6YV27液位指示灯Q3.7YV28停止等待指示灯4.4梯形图的编写喷涂设备控制系统的梯形图是根据喷涂设备的工作原理编写的。为了更加形象的表现出编写的喷涂设备控制系统的功能，将程序分为自动程序和手动程序，按照操作顺序和喷涂设备的工艺流程顺序进行编写。4.4.1主程序运行编写的控制程序要从主程序开始，按下启动按钮I0.0之后选择要运行的清洗程序。当按下自动启动开关I0.3时运行自动喷涂程序；当按下手动开关I0.2时运行手动喷涂程序。主程序如图4－3所示:图4－3主程序.4.2自动程序的编制在本次毕业设计中对于自动程序的编程和梳理采用的是PLC顺序控制编程法中的起、保、停的方法来进行设计的，这次的自动化程序编程包含了的是整个运行过程，从上料备料，换料，喷涂，移动等。使用这种方法时，首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图，最后根据顺序功能图完成梯形图的设计。具体程序如下图4-4所示。图4-4顺序功能图（状态转移图）根据上述的顺序功能图可以设计出自动程序的梯形图，下面是具体的梯形图。图4-5喷涂设备自动程序4.4.3手动程序以及指示灯程序的编制考虑到做设计要做到设计全面，所以下面在自动运行设计完成的基础上，又进行了手动运行程序的设计，并且采用的是经验设计法，具体如下图4-6所示。由此可见经验设计法的繁杂、逻辑关系的错乱以及程序较差的可读性等。图4-6喷涂设备的手动程序和指示灯程序5触摸屏5.1触摸屏简介触摸屏又称为“触控屏”、“触控面板”，这是一种在plc控制中常用的感应式液晶显示装置，该装置具有接收触头类输入讯号的功能，当有人在触摸屏上按压屏幕上的工作按钮时，屏幕上的接收触头会受到信号，并通过触觉反馈系统反馈给触摸屏系统，根据其内部的程序工作，输出该有的信号来驱动各种连结装置。这种触摸屏的控制面板与机械式的按钮面板相比简洁，并且节省空间；此外借由液晶显示画面制造出生动的影音效果，方便我们更加直观的了解到控制的过程和状态。使用触摸屏作为现场控制系统的应用在目前是一种新的发展趋势，它被以一种最新的电脑输入设备的身份应用在生活的各个场所，对于目前而言触摸屏应用是最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它的广泛使用使得多媒体以崭新的面貌应用于人机交互中，多媒体也成为了最吸引人的人机交互设备。5.2触摸屏界面本次设计中触摸屏界面的创建是通过应用ADP软件来进行编辑绘画的。为了使操作员能够直观的使用、时时的监视工作状态以及工作过程更加的便利，本设计总共创建了六个界面，每个界面有着不同的工作模式，通过ADP软件的绘制画面工具在各个界面上根据需求绘制必要的图标，然后I/O输入表和输出表，为各个界面上创建相应的按钮、指示灯等。对于喷涂设备的触摸屏启动界面如图5－1所示，此为触摸屏开机后的第一画面。对于开机画面的标题设置的标题是本次设计的内容，标志着系统的作用，下方设计了显示时间的功能，当准备开始喷涂时点击进入系统，进入下一个界面。图5－1主界面当点击进入系统后画面会跳转到第二个界面如图5－2所示。该界面的设计是控制界面，在这个界面中存在启动按钮和停止按钮，下方设有不同界面的按钮，当需要进入那个界面时只需要点击下方相应按钮即可，简单明了，方便快速。图5－2控制界面在控制界面中当点击下方的自动/手动控制按钮将会跳转进入第三个界面如图5－3所示。这个界面的目的是方便用户用来选择喷涂设备的工作方式为自动控制还是手动控制的，其中设有自动控制和手动控制的按钮，通过在触摸屏上点击按钮进入不同的喷涂工作模式。此外在手动按钮的下方设计有一个通往手动喷涂界面的按钮。图5－3手动/自动控制界面在选择号相应的喷涂设备工作模式之后编写好手动程序或是自动程序就会开始运行，其中在任意一个界面的底端都设置有矿用喷涂流程的按钮，点击界面下方的矿用喷涂流程就会跳转到第四个界面矿用喷涂流程界面如图5－4所示，这个界面清晰的展现了喷涂的整个工作流程及运动轨迹。图5－4矿用喷涂流程当对喷涂设备的喷涂流程有了具体的了解之后，回到手动模式，在手动模式中有手动控制面板的设计，在点击图5－3中的手动按钮界面按钮将会进入设计的第五个界面手动按钮界面如图5－5所示，在这个界面存在着对应整个喷涂过程中的每一个步骤的按钮，每一个按钮都对应着相应的地址，需要进行那个步骤可以直接点击触摸屏上相应按钮，让设备做出相应的动作。此外设有返回按键，点击之后会进入控制界面（上一界面）。图5－5手动按钮界面在随意一个界面点击指示灯按钮的按键就会进入第六个界面指示灯界面。设计这个界面的目的是对喷涂设备的工作过程起监视作用，该界面有这设备中主要元件的工作状态显示，工作人员可以根据指示灯的熄、亮状态来判断设备的中元件的正常与故障，时时监控。方便操作人员对喷涂设备的工作进程以及状态有一定的了解，不用在喷涂现场就可以了解喷涂工作的进程、远程操控，降低了操作人员的工作量。图5－6指示灯界面结论在做毕业设计的过程中不断的查阅资料，阅读文章使我对机械喷涂设备的构造工作原理等有了更多的认识，本设计采用PLC作为控制系统的核心，喷涂设备作为主要执行元件，实现基于PLC控制的自动化喷涂操作过程。在此设计中采用限位开关的设计来限制机械臂的运动轨迹，结合步进电机变频移动、液位传感器感知涂料容量、油温传感器控制散热器启停等，使得机械臂在初始位置后，按照设定好的轨迹程序运行，通过大臂左右行程开关控制X轴方向的限位，之后对于小臂Z轴方向的移动过程是通过步进驱动器驱动上下行程开关限位，实现左右往返运动并不断上升的动作，在此过程中喷枪的开关由启动开关控制，在喷涂过程液位传感器感知涂料容量并通过向泵发送信号使得涂料得到补充。在喷涂过程中按照此程序进行自动喷涂，最终实现高危型的矿用喷涂作业替换。本设计详细的介绍了该控制系统的工作原理、控