机械动力滑台PLC控制系统设计.docx
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机械动力滑台PLC控制系统设计
攀枝花学院本科课程设计(论文)
机械动力滑台PLC控制系统设计
学生姓名:
王文强
学生学号:
2
院(系):
机械工程学院
年级专业:
2011级机械设计制造及其自动化
指导教师:
助理指导教师:
二0一四年十二月
摘要
机械动力滑台在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。
因其有着进给量稳定,慢速无爬行,高速无振动,有良好的抗冲击能力,以及没有液压驱动的管路,泄露,噪声,更便于维修的优点,而应用于我们的制造生产中,为我们生产加工零件带来了方便。
本文通过对机械动力滑台的电气控制、PLC的设计,采用整体化的设计思路,充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。
对系统的输入输出信号的选择、PLC机型选择及各主要电器的选择都进行了最优化的选择。
最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
关键字:
机械动力滑台,可编程控制器(PLC),控制电路,I/O端口
Abstract
Alsoknownthehoistanothernameiswinch.Verticalliftingtransportmachineryisanimportantcomponentofthetieinwiththederrick,mast,pulleyblocks,andauxiliaryequipment,usedtoenhancethematerials,installationofequipmentoperations,fromhumanormechanicalpower-drivendrum,windingtractionropetocompletetheinstallationwork.Vertical,horizontalorinclinedsimpletractorLiftingheavyobjects.Twotypesofthehoistaremanualandelectrictwokinds.andNowtothemainelectricwinch.Thedesignofthe5-tonelectrichoistmotorcontionselectromotor、coupling、arrester、retarder、drum、boomsheave、asystemofpulleysset、hook,etc..
Thedesignofthedrummachinebecauseofitssimplestructure,handlingtheinstallationofaflexible,convenientoperation,simplemaintenance,andoperatingenvironmentfeaturessuchasadaptability,canbeappliedtoliftingmetallurgical,construction,operationsandotherwaterconservancy,butthedesignmainlyappliedtothedrummachinefor5-tonoverheadcranehoistingmechanism.Heavywinchupgradeisoneofthemainfunctionsofthedesignofvarioustypesofwinchesarebasedonbasedonthisrequest.
KEYWORDS:
hoist,drum,drum,shaft
1系统控制方案的确立
1.1机械动力滑台工作方式
动力滑台按结构分有机械动力滑台和液压动力滑台。
动力滑台可配置成卧式或立式的组合机床,动力滑台配置不同的控制电路,可完成多种自动循环。
动力滑台的基本工作循环形式:
一次工作进给
快进→工作进给→(延时停留)→快退
可用于钻、扩、镗孔或加工盲孔、刮端面等。
二次工作进给
快进→一次工作进给→二次工进→(延时停留)→快退
可用于镗孔完后又要车削或刮端面。
跳跃进给
快进→工进→快进→工进→(延时停留)→快退
例如镗削两层壁上的同心孔,可用跳跃进给自动工作循环。
双向工作进给
快进→工进→反向工进→快退
例如用于正向工进粗加工,反向工进精加工。
分级进给
快进→工进→快退→快进→工进→快退→……→快进→工进→快退
主要用于钻深孔。
机械动力滑台由滑台、滑座及双电动机传动装置三部分组成。
滑台的自动工作循环由机械传动及电气控制完成,在一次循环中,要实现速度差别很大的快进和工进,两者之比通常可达300:
1。
快进、快退由快进电动机实现,工进由工进电动机实现,当快进电机与工进电机同时工作时,快进速度为原来的快
进速度加上一个工进速度,快退速度为原来的快退速度减去一个工进速度。
1.2采用PLC控制机械动力滑台的优点
1、控制方式上看:
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,只需要改变控制程序就可以轻易改变逻辑或增加功
能。
2、工作方式上看:
电器控制并行工作,而PLC串行工作,不受限制。
3、控制速度上看:
电器控制速度慢,触电易抖动;而PLC通过半导体来控制,速度很快,无触点,故而无触点一说。
4、可靠、维护看:
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、维护性能差;PLC无触点,寿命长,且有自我诊断功能,现场调试和维护方便。
1.3系统设计的基本步骤
在机械手控制系统的设计过程中主要考虑以下几点:
1.深入了解和分析机械手的工艺条件和控制要求。
2.确定I/O设备。
根据机械手控制系统的功能要求,确定系统所需要的用户输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关,传感器等,常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。
3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。
4.分配I/O点,分配PLC的输入输出点,编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
5.设计系统的梯形图程序,根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序,这是整个系统设计的核心工作。
2机械动力滑台的控制电路
控制电路及工作循环如图2.1所示:
图2.1机械动力滑台控制电路
滑台电磁铁
M1电机
M2电机
YA
转换主令
快进
正向转动
正向转动
+
SB1
正向工进
正向转动
制动
—
SQ2
反向工进
反向转动
制动
—
SQ3
快退
反向转动
反向转动
+
SQ2
停止
不转动
不转动
—
SQ1
动机得失电控制表如表2.1所示
表2.1电动机得失电控制表
图2.1中,M1为工作进给电机,M2为快速进给电机。
滑台的快进由M2电机经齿轮使丝杆快速旋转实现。
主轴的旋转靠一专门电机施动,由接触器KM4(电路未画出)控制。
SQ1为原位行程开关,SQ2为快进转工进的行程开关,SQ3为终点行程开关,SQ4为限位保持开关。
KM1,KM2接触器控制M1,M2电机的正反转。
YA是制动电磁铁。
由电路图可看出:
(1)KM4为主轴电动机控制用接触器(图中未画出),KM4线圈通电吸合后,主轴电动机启动,KM4的1个动合触点接通,为接触器KM1、KM2、KM3及电磁铁YA提供电源,说明主轴电动机与M1、M2有顺序起停关系。
(2)向前起动时,按下起动按钮SB1,接触器KM1通电吸合并自锁,KM1的辅助动合触点接通,使接触器KM3通电吸合,KM3的辅助动合触点闭合又使制动电磁铁YA通电,从而松开制动,M1、M2同时起动,滑台向前快进。
(3)滑台由正向快进转为正向工进的过程是,长挡块压动SQ2,KM3断电,YA亦跟着断电,M2电动机由机械制动器迅速制动,只有工进电动机M1推动滑台正向工进。
当正向工进到预定终点时,压动SQ3,使KM1断电,M1停转,正向工进结束。
同时由于SQ3的动合触点闭合,接触器KM2通电吸合并自锁,M1反转,滑台反向工进。
反向工进到长挡块松开SQ2时,又使KM3和YA通电,M2反向转动,滑台反向快退。
当滑台退至原位时,SQ1被压下,KM2、KM3同时断电,YA也断电,使M1、M2同时停转,滑台停在原位。
(4)进给电动机的正反转控制有电气互锁,这是通过在KM1线圈电路中串接的KM2动断触点,以及在KM2线圈电路中串接的KM1动断触点来实现的。
(5)SB2是停止向前并反向后退的按扭。
SQ4为向前超程限位开关,向前超程时,SQ4被压下,KM1断电而KM2通电,从而使滑台反向退回。
3PLC的输入输出点分配表
由输入输出信号的分析及意义可得PLC输入输出端子分配如表3.1所示:
表3.1输入输出分配表
输入/输出点分配表
元件名称
代号
I/O
元件名称
代号
I/O
起动向前按钮
SB1
X000
主轴正转
KM1
Y000
停止向前按钮
SB2
X001
主轴反转
KM2
Y001
原位行程开关
SQ1
X002
主轴制动
KM3
Y002
快进转工进的行程开关
SQ2
X003
制动电磁铁
YA
Y003
终点行程开关
SQ3
X004
限位保持开关
SQ4
X005
热继电器1
FR1
X006
热继电器2
FR2
X007
4PLC控制接线图
PLC硬件I/O接线图如图4.1所示:
图4.1控制接线图
5PLC简介
5.1PLC定义
PLC即可编程控制器(Programmable logic Controller,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:
一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路,也是一种和硬件结合很紧密的语言,在半导体方面有很重要的应用,可以说有半导体的地方就有PLC。
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它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。
PLC及其有关的外围设备都应该按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。
”
5.2PLC的特点
(a)可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
(b)配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
(c)易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
(d)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
(e)体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
5.3PLC的使用情况
目前PLC在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。
在运城电厂主要有化学制水、生活污水处理、工业废水处理、凝结水精处理等。
有关PLC的使用情况主要分为如下几类。
5.3.1基本元件
开关是最常见的电子元件,功能就是电路的接通和断开。
接通则电流可以通过,反之电流无法通过。
在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。
PLC可以方便地实现逻辑控制取代传统的继电器。
继电器是我们生活中常用的一种控制设备,通俗的意义上来说就是开关,在条件满足的情况下关闭或者开启。
继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。
从另一个角度来说,由于为某一个用途设计使用的电子电路,最终或多或少都需要和某一些机械设备交互,所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。
电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控。
如水泵的启停、阀门的开关、制水系统顺控、干除灰系统等。
5.3.2工业过程控制
在工业生产过程当中,存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量),PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制。
5.3.3运动控制
PLCC
5.3.4数据处理
PLCC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表等功能,可以完成数据的采集。
5.3.5通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。
随着工厂自动化网络的发展,现在的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
6PLC的选择
根据生产工艺要求,确定I/O点数和I/O点的类型(数字量、模拟量等),并列出I/O点清单。
进行内存容量的估计,适当留有余量。
根据经验,对于一般开关量控制系统,用户程序所需存储器的容量等于I/O总数乘以8;对于只有模拟量输入的控制系统,每路模拟量需要100个存储器字;对于既有模拟量输入又有模拟量输出的控制系统,每路模拟量需要200个存储器字。
确定机型时,还要结合市场情况,考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况,选定性能价格比好一些的PLC机型。
6.1三菱PLC
三菱PLC英文名又称:
MitsubishPowerLineCommunication,是三菱电机在大连生产的主力产品。
三菱PLC在中国市场常见的有以下型号:
FR-FX1NFR-FX1SFR-FX2NFR-FX3UFR-FX2NCFR-AFR-Q
6.1.1三菱PLC的特点:
三菱PLC是小形化,高速度,高性能,除输入出16~25点的独立用途外,还可以适用于多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
三菱PLC的优点是:
1.编程简单;
2.备有可自由选择,丰富的品种;
3.令人放心的高性能;
4.高速运算;
5.使用于多种特殊用途;
6.外部机器通讯简单化;
7.共同的外部设备;
8.系统配置即固定又灵活。
6.1.2三菱FXPLC的特点
三菱FXPLC是小形化,高速度,高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置,除输入出16~25点的独立用途外,还可以适用于多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
其特点是以下几点:
1.系统配置即固定又灵活;
2.编程简单;
3.备有可自由选择,丰富的品种;
4.令人放心的高性能;
5.高速运算;
6.使用于多种特殊用途;
7.外部机器通讯简单化;
8.共同的外部设备。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块,可进行16-256点的灵活输入输出组合。
可选用16/32/48/64/80/128点的主机,可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式,自由选择。
6.2西门子PLC
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,在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
西门子(SIEMENS)公司的PLC产品包括LOGO,S7-200,S7-300,S7-400,工业网络,HMI人机界面,工业软件等。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化,具有网络通信能力,功能更强,可靠性更高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC(如S7-200),小规模性能要求的PLC(如S7-300)和中、高性能要求的PLC(如S7-400)等。
SIMATICS7-200PLCS7-200PLC是超小型化的PLC,它适用于各行各业,各种场合中的自动检测、监测及控制等。
SIMATICS7-300PLCS7-300是模块化小型PLC系统,能满足中等性能要求的应用。
SIMATICS7-400PLCS7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。
工业通讯网络通讯网络是自动化系统的支柱,西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯,“SIMATICNET”是全部网络系列产品的总称,他们能在工厂的不同部门,在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据,有标准的接口并且相互之间完全兼容。
HMI硬件配合PLC使用,为用户提供数据、图形和事件显示,主要有文本操作面板TD200(可显示中文),OP3,OP7,OP17等;图形/文本操作面板OP27,OP37等,触摸屏操作面板TP7,TP27/37,TP170A/B等;SIMATIC面板型PC670等。
个人计算机(PC)也可以作为HMI硬件使用。
HMI硬件需要经过软件(如ProTool)组态才能配合PLC使用。
6.3欧姆龙PLC
欧姆龙PLC是一种功能完善的紧凑型PLC,能为业界领先的输送分散控制等提供高附加值及其控制;它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力,大程序容量和存储器单元,以Windows环境下高效的软件开发能力。
欧姆龙PLC也能用于包装系统,并支HACCP(寄生脉冲分析关键控制点)过程处理标准。
欧姆龙PLC的主要特点:
1.结构灵活
不受环境的限制,有电即可组建网络,同时可以灵活扩展接入端口数量,使资源保持较高的利用率,在移动性方面可与WLAN媲美。
2.传输质量高、速度快、带宽稳定
可以很平顺的在线观赏DVD影片,它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。
最新的电力线标准HomePlugAV传输速度已经达到了200Mbps;为了确保QoS,HomePlugAV采用了时分多路访问(TDMA)与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问(CSMA)协议,两者结合,能够很好地传输流媒体。
3.范围广
无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。
虽然无线网络可以做到不破墙,但对于高层建筑来说,其必需布设N多个AP才能满足需求,而且同样不能避免信号盲区的存在。
而电力线是最基础的网络,它的规模之大,是其他任何网络无法比拟的。
由此,运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。
这一技术一旦全面进入商业化阶段,将给互联网普及带来极大的发展空间。
终端用户只需要插上电力猫,就可以实现因特网接入,电视频道接收节目,打电话或者是可视电话。
4.低成本
充分利用现有的低压配电网络基础设施,无需任何布线,节约了资源。
无需挖沟和穿墙打洞,避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏,同时也节省了人力。
相对传统的组网技术,PLC成本更低,工期短,可扩展性和可管理性更强。
目前国内已开通电力宽带上网的地方,其包月使用费用一般为50-80元/月左右,这样的价格和很多地方的ADSL包月相持平。
5.适用面广
PLC作为利用电力线组网的一种接入技术,利用电力线作为通信载体,使得PLC具有极大的便捷性,只要在房间任何有电源插座的地方,不用拨号,就立即可享受4.5~45Mbps的高速网络接入,来浏览网页﹑拨打电话,和观看在线电影,从而实现集数据、语音、视频,以及电力于一体的“四网合一”。
6.PLC发展新动向
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它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。
PLC已经广泛应用于钢铁、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,它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活,易学易用、体积小,重量轻,价格便宜的特点。
FX2N系列是三菱PLCFX家族中最先进的系列。
具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点,为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
由电气控制图得,8个输入点,4个输出点选型号为FX2N-32MR-DC的PLC。
7PLC控制梯形图及语句表
7.1梯形图
在GXDeveloper软件中,由控制电路图可得出梯形图,如图7.1所示:
图7.1梯形图
7.2语句表
根据梯形图,可得指令如图7.2所示:
图7.2语句表
8主要电器件的选择
(1)电动机选择
选择型号为Y132S2-2型的三相异步电动机。
其基座的中心高为132mm,短机座,电机级数为2。
Y132S2-2型三相异步电动机电动机功率:
7.5KW;电压:
380V;电流:
15A;绝缘:
B;噪音:
83dB;转速2900r/min。
Y132S2-2型三相异步电动机是全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机,是全国统一设计的基本系列,它同时是符合JB/T9616-1999和IEC34-1标准的有关规定,具有国际互换的特点。
Y132S2-2型三相异步电动机具有高效、节能、起动转矩大、噪声低、震动小、可靠性高、使用维护方便等特点。
(2)制动电磁铁
择型号规格为MZS1-15的三项制动电磁铁。
MZS1系列制动电磁铁由衔铁、线圈、铁芯牵引缸组成,其外壳用钢板焊接而成,电磁铁是操动制动器做机械运动。
与闸瓦制动器配合作为驱动装置,在电器传动装置中用作电动机的机械制动,已达到朱雀迅速停
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