液压机自动控制系统的设计.docx
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液压机自动控制系统的设计.docx
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液压机自动控制系统的设计
中国地质大学(武汉)远程与继续教育学院
本科毕业论文(设计)指导教师指导意见表
学生姓名:
学号:
专业:
电气工程及其自动化
毕业设计(论文)题目:
液压机自动控制系统的设计
指导教师意见:
(请对论文的学术水平做出简要评述。
包括选题意义;文献资料的掌握;所用资料、实验结果和计算数据的可靠性;写作规范和逻辑性;文献引用的规范性等。
还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。
)
本设计为液压机自动控制,通过对液压机手动控控制的改进实现PLC控制自动液压机提高了液压机工作效率,在本文设计中应用到S7—200PLC各模块功能的设计。
设计中有液压机的硬件设计和软件设计。
在设计中各种系统的适用条件,各种元件的选用标准,各种元件的安装要求,使设计从经济的角度有了新的认识和要求。
设计数据详实,论据充分。
选题有一定的实际意义;作者掌握了一定的文献资料,写作格式符合学院规范要求,结构安排较合理;论文无明显问题存在,总体来看,本论文写作符合规范要求,达到了本科毕业论文要求。
指导教师结论:
合格(合格、不合格)
指导教师
姓名
所在单位
兰州工业学院
指导时间
2014.9
中国地质大学(武汉)远程与继续教育学院
本科毕业设计(论文)评阅教师评阅意见表
学生姓名:
学号:
专业:
电气工程及其自动化
毕业设计(论文)题目:
液压机自动控制系统的设计
评阅意见:
(请对论文的学术水平做出简要评述。
包括选题意义;文献资料的掌握;所用资料、实验结果和计算数据的可靠性;写作规范和逻辑性;文献引用的规范性等。
还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。
)
本文选题切合专业要求,具有较强的实际意义。
本设计以液压机的电气控制为基础,配以可编程控制器,根据液压机的工作过程,按照生产工艺要求进行自动控制。
文章论述包含控制系统硬件设计和软件设计。
文章结构完整,逻辑性强,论述比较具体,写作格式规范,语句通顺,在文章的总结部分有自己的观点,符合本科毕业论文的要求。
修改意见:
(针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。
评阅成绩合格,并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。
)
毕业设计(论文)评阅成绩(百分制):
82
评阅结论:
同意答辩(同意答辩、不同意答辩、修改后答辩)
评阅人姓名
所在单位
中国地质大学(武汉)
评阅时间
2014/9/30
论文原创性声明
本人郑重声明:
本人所呈交的本科毕业论文《液压机自动控制系统的设计》,是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。
论文中引用他人的文献、资料均已明确注出,论文中的结论和结果为本人独立完成,不包含他人成果及使用过的材料。
对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。
本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范,没有侵权行为,并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。
论文作者(签字):
日期:
2014年09月10日
摘要
液压技术渗透到很多领域,不断在机床、工程机械、冶金机械等行业得到大幅度的应用和发展,而且发展包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。
现今,采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
而液压机是该技术发展的衡量标准,所以液压机控制技术逐步改善。
在过去液压机的控制主要由人工完成,随着液压成型技术提高改善液压控制系统,减少人为因素的影响。
本设计以液压机的电气控制为基础,配以可编程控制器,根据液压机的工作过程,按照生产工艺要求进行自动控制。
利用PLC最具优势控制。
文中详述了PLC的特性及发展趋势,具体介绍了所选PLC的特点,及其控制单元和所选控制模块的使用,设计液压一次控制二次控制原理,液压机实现上下料,开关门保压压头上下行自动化控制,设计出了出了液压机的工作流程图、程序运行流程图。
该控制系统使用西门子S7-200系列的可编程控制器CPU226作为控制器,使设备安全可靠,还应该让控制变得更高,操作更方便,智能化程度更高。
关键词:
液压机;自动控制;PLC;流程图
一、绪论
自动化一词的含义十分广泛,它是指采用能自动开停、调节、检测、加工和控制的机器人、设备进行各种作业,以代替人力来直接操作的措施。
它是机械化的高级阶段。
近年来由于电子技术、计算机技术和通信技术的迅速发展,自动化得到了长足的进步。
自动化的原意就是设计一种控制设备来取代人力操作机械的动作,以达到各种机械自动、半自动运行的目的。
可编程控制器(PLC)由于它的功能完善、操作方便、可靠性高、价格也比较实惠,近年来普及很快,当前已成为工厂自动化的重要支柱。
PLC是一种应用于工业控制的智能型可编程序的顺序控制器,是每一接点可重复使用的智能型继电器阵列。
过去,PLC仅作为顺序控制器来使用,常规情况下,对于一些过程控制,都采用上位微机控制来完成即所谓的集散控制系统(DCS)。
随着微电子技术的发展,PLC的功能日趋完善,它已有单一的顺序控制功能发展成为集顺序控制和过程控制于一身的复合型工业控制器。
因此,使用PLC实现复合控制是未来工业控制的主流。
目前,我国PLC的应用还处在初级阶段,一般仅用于中、小型企业的顺序控制中,但在一些从国外引进的大型制造业的装备中,PLC实现复合控制使用的已相当广泛。
PLC作为开关量控制在液压设备上的应用已很普遍。
利用PLC对液压机进行过程控制是本设计研究的一个方面。
根据生产工艺要求如何在PLC上将顺序控制与过程控制有机结合,实现这种复合控制。
液压机根据编制好的程序自动运行,这样就简化了工人的操作,降低了工人的劳动强度,提高了劳动生产率。
确保液压设备本身及操作使用人员的安全;同时可大大提高设备的整体性能及压力设备的高技术含量;为我国的装备制造业的发展方向提供经验。
(一)、我国液压技术发展现状及趋势
液压技术是现在制造的基础,它的广泛应用,很大程度上代替了普通成型加工,全球制造业发生了根本的变化。
因此,液压技术的水准、拥有和普及程度,已经成为衡量一个国家综合国力和现代化水平的重要标志。
为适合这种形势,需要大量涉及一些液压机的工作系统。
本次就是要设计液压机液机控制系统。
液压技术已被世界各国列为优先发展的关键工业技术,成为当代国际间科技竞争的重点。
早在1662年,帕斯卡就发现了利用液体产生很大的力量的可能性。
1795年,英国人Bramah取得了第一个手动液压机的专利,但真正的液压机的发证历史不到200年。
随着西方资本主义的发展,蒸汽机的发明,引发了工业生产革命,现代化的大工业逐步代替了工厂手工业,具有悠久历史的锻造工艺也逐步由手工锻造转变为机器锻造。
1839年,第一台蒸汽机锤出现。
伺候,伴随着机械制造工业的迅速发展,锻件尺寸越来越大,锻锤一做到落下部分重量超过100t,如此笨重的锻锤,操作困难,振动十分巨大,带来很多问题。
1859--1861年,在维也纳铁路工厂开始有了第一批用于金属加工的7000KN、10000KN和12000KN的液压机。
1884年,在英国曼切斯特首先使用了段在钢锭用的锻造水压机。
它与锻锤相比具有很多优点,运动部分不必那么重,振动又小,因此发展很快。
在1887--1888年间,制造了一系列锻造水压机,其中包括一台40000KN的大型水压机,知道1893年,制造了当时最大的120MN的锻造水压机,大钢锭的锻造工作逐步有使用锻锤,只保留了5t及5t以下的自由锻锤。
19世纪末到20世纪初,资本主义发展到帝国主义阶段,资本输出、向外扩展、争夺殖民地并瓜分世界成了帝国主义的主要内容。
由于军备扩张的需要,锻造和模锻液压机有了迅速的发展。
1934年,德国又相继建造了三台150MN的锻造水压机和一台300MN的大型模锻水压机。
二次世界大战之后,为了迅速发展航空工业,以及后来发展宇航工业的需要,美国在1955年左右,先后制造了两台315MN及两台450MN的大型锻造水压机。
苏联则在20世纪50年代中期到60年代初期,先后建造了几台300MN的锻模水压机及世界上最大的750MN的各种大型模锻水压机。
1976年,在法国投产了西欧最大的650MN大型模锻液压机。
液压机发展到现在,已经广泛的应用于国民经济的各个部门,种类繁多,发展迅速,成为机床行业的一个重要组成部分。
在我国,液压行业的发展仅仅只有50年左右。
1949年以前,我国属于半殖民地半封建的国家,备受列强欺凌,没有自己独立的工业体系,也根本没有也根本没有液压机制造工业,真个中国只有一些修配用的小型液压机。
1949年以后,前三年属于经济恢复时期,1952年开始,实行第一个五年计划,我国驯熟建立起独立自主的完整的工业体系,能过逐步自行设计和制造国产汽车、机车、轮船、发电设备、冶炼轧钢设备、飞机、火箭及至精密的宇宙设备。
这些都极大地促进并需要各种液压机的迅速发展。
1957--1958年,我国开始自行设计、自行制造第一批25000KN的中型锻造水压机,以北京市为例,解放前,北平只是一个消费型城市,没有自己的额制造业,为了彻底改变这种状况,1957年初,在北京市委工业部以及北京市机械局的领导下,开始以全市写作的方式,建立一批关键技术装备,其中重要项目之一就是一台25000KN锻造水压机。
20世纪70年代中、后期,我国又先后成套设计并自行制造了一批技术要求更高的大型液压机,其中包括300MN有色金属模锻造液压机、120MN有色金属挤压液压机、80MN黑色金属模锻造液压机等。
20世纪70年代后,我国已开始向国外出口了多台各种吨位的段造液压机,其中最大一台为60MN锻造水压机,至此,我国不但完全建立了自己的液压机设计和制造行业,而且已经达到了相当高的水平。
目前我国液压技术缺少技术交流,液压产品大部分都是用国外的液压技术加工会来的。
近几年国内液压技术有很大的提高,如派瑞克等公司都有很强的实力。
为应对我国加入WTO后的新形势,我国液压行业各企业加速科技创新,不断提升产品市场竞争力,一批优质产品成功地为国家重点工程和重点主机配套,取得较好的经济效益和社会效益。
面对这样的状况液压机未来的发展趋势如下:
(1)适应国际传动技术产品工业向国际化发展趋向,对现有国内企业进行改组、合并,使企业开发能力,装备能力、管理水平和服务水平不断提高,以保持一定的竞争能力。
(2)不断提高企业产品的开发能力和创新能力,加强产学研结合,充分利用高等院校的科研开发人力资源,发展有自主产权的产品和技术。
(3)完善质保体系,不断提高产品质量,尤其是产品可靠性,提高产品知名度,创立名牌。
(4)针对产品品种发展和保证产品质量的需求,有计划地进行技术改造、设备更新。
总之自动化液压机,有着良好的发展前景。
液压产品不仅在机电、轻纺、家电等传统领域有着很大的市场,脚踏实地,放眼未来,我国的液压工业一定能走进一个新天地.
(二)、课题研究的目的及意义
随着工业的高速发展,作为前沿的应自动化设备,已经在工业生产中得到了广泛的应用。
实现生产的机械化和自动化。
本设计目的利用可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心,综合了计算机和自动控制等先进技术,具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点,将传统的液压机手动控制自动化。
自动控制系统具有体积小,可靠高,故障率低,动作精度高等优点。
通过对液压机自动化控制,大大改善过去液压机的控制性能。
改善液压控制系统,减少人为因素的影响。
提高液压产品质量。
(三)、PLC简介
1.PLC的基本结构
PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机,其硬件结构和微机是基本一致的。
如下1-1图所示:
图1-1PLC硬件的基本结构
可编程控制器实际是一种工业控制计算机,它的硬件结构与一般微机控制系统相似。
可编程控制器主要由CPU(中央处理单元)、存储器(RAM和EPROM)、输入/输出模块(简称I/O模块)、编程器和电源五大部分组成。
1CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器,它主要由微机处理器(CPU)和存储器组成。
CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。
它采用循环扫描方式工作,并且每一次扫描要完成以下工作:
输入处理:
将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。
程序执行:
逐条读入和解释用户程序,产生相应的控制信号控制相关的电路,完成数据的存取、传送和处理工作,并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。
输出处理:
将输出映像寄存器的内容送给输出模块,去控制外部负载。
2I/O模块
可编程控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器,可编程控制器控制的另一类外部负载有指示灯、数字显示装置和报警装置等。
3编程器
编程器除了用来输入和编辑程序外,还可以用来监视可编程控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。
编程器可以永久地连续在可编程控制器上,将其取下来后可编程控制器也一样可以运行。
一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用,一台编程器可供多台可编程控制器公用。
2.PLC的性能特点
1硬件的可靠性
PLC是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的,一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。
在硬件设计方面,首先是选用优质器件,再就是采用合理的系统结构,加固,简化安装,使它易于抗振动冲击,对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施,而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。
例如,在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施,做到电浮空,既方便接地,用提高了抗干扰性能;各个I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外,还加上了数字滤波;内部采用了电磁屏蔽措施,防止辐射干扰;采用了较先进的电源电路,以防止由电源回路串入的干扰信号;采用了较合理的电路程序,一旦某模块出现故障,进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。
由于PLC本身具有很高的可靠性,所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上,以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。
2编程简单,使用方便
用微机实现自动控制,常使用汇编语言编程,难于掌握,要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。
PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程,容易掌握。
例如,目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式,既继承了传统控制线路的清晰直观感,又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受,易于编程,程序改变时也容易修改,很灵活方便。
3接线简单,通用性好
PLC的接线只需将输入信号的设备(按钮、开关等)与PLC输入端子连接,将接受输出信号执行控制任务的执行元件(接触器、电磁阀等)与PLC输出端子连接。
接线简单、工作最少,省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。
PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”,这样生产线的自动化过程就能随意改变。
这种性能使PLC具有很高的经济效益。
用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分,模块化的自诊断接口电路能指出故障,并易于排除故障与替换故障部件,这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。
4可连接为控制网络系统
PLC可连成功能很强的网络系统。
网络可分为两类:
一类是低速网络,采用主从方式通信,传输速率从几千波特到上万波特,传输距离为500—2500m;另一类为高速网络,采用令牌传送方式通信,传输速率为1M—10Mbps,传输距离为500—1000m,网上结点可达1024个。
这两类网络可以级连,网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机,从而组成控制范围很大的局部网络。
5易于安装,便于维护
PLC安装简单而且功能有效,其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方,在从继电器系统改换到PLC系统的情况下,PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端,其实改换很方便,只要将输入/输出设备连向接线端即可。
在大型安装中,长距离输入/输出站点安放在最优地点。
长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU,这种配置大大减少了物料和劳力,长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线,这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。
从一开始,PLC便以易维护作为设计目标。
由于几乎所有器件都是固态的,维护时只需更换模块级插入式部件,故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中,就能指示器是否正常工作,借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF,还可写编程指令来报告故障。
PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。
一旦安装后,其作用立即显现,其收益也马上实现,向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。
3.PLC的工作原理
PLC具有微机的许多特点,但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式。
PLC则是采用循环扫描工作方式。
在PLC中,用户程序按先后顺序存放,CPU从第一条指令开始执行程序,直至遇到结束符后又返回第一条。
如此周而不断的进行循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。
所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取,将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器,同时将新的运算结果送到输出端。
这实际是将输入、输出的寄存器中的内容进行一次更新,故称为“I(输入)/O(输出)刷新”。
由此可见,若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化,则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化,或者说输出对输入产生了响应。
反之,若在本次I/O刷新之后,输入变量才发生变化,则本次扫描输出不变,即不响应,而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。
由于PLC采用循环扫描的工作方式,所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。
扫描周期的长短主要取决于这几个因数:
CPU执行指令的速度、每条指令占用的时间、指令条数的多少,即程序的长短。
对于慢速控制系统,响应速度常常不是主要的,故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统的抗干扰能力。
因为干扰常是脉冲式的、短时的,而由于系统响应较慢,常常要几个扫描周期才响应一次,而多次扫描后,瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少,故增加了抗干扰能力。
4.PLC控制系统设计思路
(1)熟悉被控对象(本次设计的对象为自动液压机),制定控制方案。
(2)确定I/O点数。
(3)选择PLC机型(本次设计采用西门子S7-200PLC)。
(4)选择输入、输出设备,分配PLC的I/O地址。
(5)程序设计。
(6)系统调试。
(7)编制相关技术文件。
(8)系统总体设计流程如下图:
(四)、课题主要研究的内容
随着液压机技术的飞速发展和自动液压机应用领域的不断深化,不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好,还要其成本低、可开发经济性强。
控制系统是自动液压机的指挥系统,它控制驱动系统,让执行系统按规定的要求和时序进行工作。
本论文主要研究自动液压机以下几个方面的内容:
(1)设计液压机一次系统和二次系统电气控制原理图。
(2)设计液压机软件系统,编制控制流程图。
二、液压机自动控制系统硬件设计
当今社会,绝大多数液压仍采用继电器、接触器等电器元件控制,也就是继电接触式控制。
另一方面,随着科学技术的进步,现代化的微型计算机数控制液压机正在不断涌现,掌握电气控制线路有利于我们更好设计自动化控制。
(一)液压机手动控制
1.一次回路
在主电路中由五台电动机控制液压工作状态,由于液压机电机功率大于7.5kw,确保液压能够正常工作,采用星三角降压启动方式,其它电机是辅助电机,因此直接启动。
为了更好保护电动机逐个装有电机有空气开关和快速熔断器。
总电源加设缺项监视保护。
具体一次回路设计图见附录
(一)。
2.二次回路设计
在控控制电路中既有对主电路的保护,也设计了防止PLC程序运行反供电保护装置,对电动机采取自锁和互锁保护设计使一次电路能够安全可靠运行。
具体的二次设计见附录(三)。
3.信号灯原理图设计
为了更好的监视液压机的工作状态,保护主电路各个设备,各个交流接触器得电情况采用接触常开串接指示灯进行指示,具体信号控制原理图见附录(五)。
(二)西门子S7-200PLC简介
1.S7-200的主机单元的CPU共有两个系列:
CPU21X和CPU22X,即:
CPU212,CPU214,CPU215,CPU216,CPU221,CPU222,CPU224,CPU226,CPU226XM。
在本次设计中我们选CPU226。
2.编程设备:
S7-200的编程器可以是简易的手持编程器PG702,也可以是较贵的图形编程器。
目前广泛采用个人计算机作为编程设备,需配置厂家提供的专用编程软件:
STEP7-Micro/WIN32V3.1,通过一条PC/PPI通信电缆将用户程序送入PLC中。
3.输入输出特性
输出特性:
S7-200中,输出信号有两种类型:
继电器输出型和DC晶体管输出型。
CPU226:
晶体管输出电压24VDC,输出点数16点,8/8,电源电压24VDC继电器输出电压24VDC,24~230VAC,输出点数16,4/5/7。
电源电压85~264VAC。
输入特性:
对数字量输入信号的电压要求均为24VDC,15~35V为1,0~5V为0。
4.S7-200D的编程元件的寻址及CPU组态基本数据类型
布尔型BOOL1位
字节型BYTE8位
字型WORD16位
双字型DWORD32位
整型INT16位
双整型32位
实数型32位
寻址方式:
Ax.yABXAWXADX
5.编程元件:
PLC在系统软件的管理下,将用户程序存储器划分为若干个区,并将这些区赋予不同的功能,由此组成了各种内部器件。
CPU一般按字节.位的编址方式来读取一个继电器的状态。
如:
I0.0Q0.1辅助继电器M,特殊辅助继电器SM:
SM0.0RUN监控
SM0.1初始脉冲
6.本指令及编程:
(1)装载指令LD、LDN与线圈驱动指令=(OUT)
(2)触点串联指令A、AN(ANDNOT)
(3)触点并联指令O、ON
(4)置位、复位指令S、R
(5)边沿触发指令EU(EdgeUP)和ED(EdgeDown)
(6)逻辑结果取反指令NOT
7.S7-200CPU22X系列技术性能具体如表2-1所列示:
2-1S7-200CPU22X系列技术性能
项目名称
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
CPU226XM
用户程序区
4KB
4KB
8KB
8KB
16KB
数据存储区
2KB
2KB
5KB
5KB
lOKB
主机数字量输入/输出点数
6/4
8/6
14/10
24/16
24/16
模拟量输入/输出点数
无
16/16
32/32
32/32
32/32
扫描时间/1条指令
0.37μs
0.37μs
0.37μs
0.37μs
0.37μs
最大输入/输出点数
256
256
256
256
256
位存储区
256
256
256
256
256
定时器
256
256
256
256
256
计数器
256
256
256
256
256
允许最大的扩展模块
无
2模块
7模块
7模块
7模块
允许最大的智能模块
无
2模块
7模块
7模块
7模块
时钟功能
可选
可选
内置
内置
内置
数字量输入滤波
标准
标准
标准
标准
标准
模拟量输入滤波
无
标准
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