浙江工业大火车摇枕磨耗板自动***的电器控制设计/毕业设计论文 浙江工业大学 毕业设计说明书 题 目： 火车摇枕磨耗板自动***机的电器控制 学生姓名： 张 学 号： 200220070209 系（部）： 机电 学院 专业班级： 机械工程及自动化 202 班 指导教师 (姓名及专业技术职务 )： 张立彬 教授 评阅者 (姓名及专业技术职务 )： 2006 年 6 月 杭州 nts毕 业 论 文 2 外 文 摘 要 Abstract： Along with the development and progresses of science and technology/ especially the Strengthen of environmental protection consciousness/ people want to keep off the welding spot/ carry out the person and machine separation/ raise the welding craft from handicraft weld to automatic level/ so we need to research safety/harmless and high quantity machine /But carry out the auto welding/ there are a lot of methods on the modern industry/ for example PLC/ after electric appliances/ single chip etc/According to the design request of this topic/ we adopt the PLC to carry out the automatic control/ then consideration moving device/ passing the comparison/ we adopt air equipment to carry the material and fixed position/ then the adoption the electrical engineering to complete the whole work process together/Among them/ the PLC is a programmable controller of FX2N that adopts the Mitsubishi/ the electrical engineering can assure the accuracy of the welding / With the adoption of automatic welding/ it can raise the work efficiency greatly/ particularly the quantity of the product is large/ According to worker/ It can reduce the body bane to their body/ also reduced the manpower to business enterprise/ and reduce the production cost/ obtain the larger profits for the business enterprise/ Keywords： Automation welding； PLC； The gas moves the device； electrical engineering nts毕 业 论 文 3 中 文 摘 要 随着科技的发展与进步，特别是环保意识的增强，人们希望远离***现场，实现人机分离，把***工艺由手工***提高到自动化水平上，因此需要研制安全、无害、高质量的自动焊机。而实现自动*** /在现代工业上有很多的方法 /比如 PLC、继电器 、单片机等等 /根据本课题的设计要求 /我们采用 PLC来实现自动控制 /再考虑传动装置 /通过比较 /我们采用气动系统来实现材料的输送与定位 /再采用步进电机共同完成整个工作过程 /其中 PLC是采用三菱的 FX2N可编程*** /***的精度由步进电机来实现 采用自动***能够大大的提高工 作效率 /尤其是对大批量生产的零配件 /对工人来说可以减少身体危害 /对企业来说也减少了人力的投入 /可以减少生产成本 /为企业获取更大的利润 / 关键词 /自动化*** /PLC/气动 /步进电机 nts毕 业 论 文 4 目 录 0 绪 论 1 1 几种常用***比较 2 1/1 PLC与继电器控制的区别 2 1/2 PLC与单片微型计算机的区别 3 1/3 PLC的发展趋势 4 2 自动***机的主要功能 5 2/1 自动***机的组成 5 3 ***机的气动控制系统 6 3/1 气动与液压比较 6 3/2 气源三联件 7 3/3 电磁阀 8 3/4 气动原理图 9 3/5 单个汽缸的外部电路 10 3/6 多个汽缸的外部电路 11 4 步进电机位置与速度控制 13 4/1 步进电机概述 13 4/2 步进电动机功率驱动接口 14 4/3 脉冲输出 17 4/4 步进电机传动计算 17 4/5 硬件电路控制输入与输出点 18 5 PLC控制系统的设计 19 5/1 概述 19 5/2 PLC的选择 19 5/3 程序 说明 20 结论 39 致谢 40 参考文献 41 附件 nts毕 业 论 文 5 0 绪 论 随着科技的发展与进步，特别是环保意识的增强，人们希望远离***现场，实现人机分离，把***工艺由手工***提高到自动化水平上，因此需要研制安全 、无害、高质量的自动焊机。其中手动***使用灵活方便，但效率不高、而且劳动强度大，对***也有一定的伤害。而自动***能有效地提高劳动生产率；有显著的经济效益；能改善劳动条件，降低劳动强度，缩短劳动时间；能减少工作人员、减少工资支付，能减少生产面积，缩短生产周期，降低产品成本，节约能源。从而解决了手工操作带来的***质量难控制和不稳定的弊病。提高了***质量。***过程实现人机分离，基本上消除了***对人造成的伤害，提高了***技术的自动化水平。 20世纪 90年代，我国***界把实现***过程的机械化、自动化作为战略目标，已经 在各行业的科技发展中付诸实施，在发展***生产自动化和过程控制智能化，研究和开发***生产线及柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造技术等方面，取得了长足的进步。 (1)熔化极气体保护焊逐渐取代手工电弧焊将成为***的主流。预计未来 10年内，实芯焊丝占焊材消耗量的比例会由现在的 15%增长到 30%；药芯焊丝由现在的 2%增长到 20%；埋弧焊焊材也将在 10%的水平上继续增长。其中药芯焊丝的增长幅度显加大，在未来 20年内会超过实芯焊丝，最终将成***中的主导产品。 （ 2）***柔性化技术也是我们着力研究的内容。在未来的 研究中，我们将各种光、机、电技术与***技术有机结合，以实现***的精确化和柔性化。用微电子技术改造传统***工艺装备，是提高***自动化水平淡的根本途径。将数控技术配以各类***机械设备，以提高其柔性化水平，是我们当前的一个研究方向 （ 3）提高***电源的可靠性、质量稳定性和可控性，以及优良的动感性，也是我们着重研究的课题。开发研制具有调节电弧运动、送丝和焊***姿态，能探测焊缝坡开头、温度场、熔池状态、熔透情况，适时提供***规范参数的高性能焊机，并应积极开发***过程的计算机模拟技术。 1 几种常用***比较 nts毕 业 论 文 6 1/1 PLC 与继电器控制的区别 在 PLC的编程语言中，梯形图是最为广泛使用的语言。通过 PLC 的指令系将梯形图变成 PLC能接受的程序。由编程器将程序键入到 PLC的用户存储区中去。 PLC的梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因 PLC梯形图的发明大致上沿用了继电器控制的电路元件符号 / 仅个别处有些不同 /同时，信号的输入 /输出形式及控制功能也是相同的，但 PLC的控制与继电器的控制又有不同之处，主要从以下几个方面说明。 (1) 控制逻辑 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触头的串联或并联及延时继 电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外继电器触头数目有限，每只只有 48对触头，因此灵活性和扩展性很差。而 PLC 采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为“软接线”，其接线少，体积小，加之 PLC每只软继电器的触头数理论上无***，因此灵活性和扩展性很好。 PLC由中大规模集成电路组成，功耗小。 （ 2） 工作方式 当电源接通时，继电器控制线路中继电器都处于受约状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都 因受某种条件***不能吸合。而 PLC的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。 (3) 控制速度 继电器控制逻辑依靠触头的机构动作实现控制，工作频率低。触头的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外，机械触头还会出现抖动问题。而 PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微妙数量级。 PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。 （ 4） 限时控制 继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。时间继电器一般分为空气阻尼式、电磁式 、半导体式等，其定时精度不高，且有定时时间易受环境湿度和温度变化的影响、调整时间困难等问题。有些特殊的时间继电器结构复杂，不便维护。 PLC使用半导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围一般从 0/001s到若干分钟甚至更长。用户可根据需要在程序中设定定时值，然后由软件和硬件计数器来控制定时时间。 nts毕 业 论 文 7 （ 5） 记数控制 PLC能实现记数功能，而继电器控制逻辑一般不具备记数功能。 （ 6） 设计与施工 使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调 试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用 PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图和程序设计）可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。 （ 7） 可靠性和可维护性 继电器控制逻辑使用了大量的机械触头，连线也多。触头开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而 PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小、寿命长，可靠性高。 （ 8） 价格 继电器控制逻辑使用机械开关、继电器和接触器，价格比较便宜。 而 PLC使用中大规模集成电路，价格比较昂贵。 从以上几方面的比较可知， PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便，但价格高于继电器控制。 1/2 PLC 与单片微型计算机的区别 从微型计算机（简称微机）的应用范围来说，微型计算机是通用机，而 PLC是专用机。微型计算机是在以往计算机与大规模集成电路的基础上发展起来的，其最大特征是运算速度快、功能强、应用范围广。而 PLC是一种为适应工业控制环境而设计的专用计算机。选配对应的模块便可使用于各种工 业控制系统。而用户只需改变用户程序即可满足工业控制系统的具体控制要求。 从以下几方面列出 PLC与微型计算机的主要差异及各自的特点。 （ 1） 应用范围 微机除了用在控制领域外，还大量用语科学计算、数据处理、计算机通信等方面。而 PLC主要用于工业控制。 （ 2） 使用环境 微型对环境要求较高，一般要在干扰小，具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。 PLC则适用于工业现场环境。 （ 3） 输入输出 微机系统的 I/O设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。而 PLC一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均用“光 电”耦合，输出还采用继电器、晶体管或大功率晶体管进行功率放大。 nts毕 业 论 文 8 （ 4） 程序设计 微机具有丰富的程序设计语言，例如汇编语言、 FORTRAN语言、 COBOL语言、 PASCAL 语言、 C语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使用者必须具有一定的计算机硬件和软件知识。而 PLC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。 （ 5） 系统功能 微机系统一般配有较强的确系统软件，例如操作系统，能进行设备管理、文件管理、存储器管理等，它还配有许多应用软件，以方便用户。而 PLC一般只有简单的监控程序，能完成故障检查，用户程序的 确输入和修改、用户程序的执行与监视等功能。 （ 6） 运算速度和存储容量 微机运算速度快，一般为微妙级。因有大量 的系统软件和应用软件，故存储容量大。而 PLC 因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。一般接口响应速度为 2ms， PLC巡回检测速度为每千字 8ms。 PLC的软件少，编程也简短，故内存容量小。 （ 7） 价格 微机是通用机，功能完善，故价格较高。而 PLC是专用机，功能较少，其价格是微机的十分之一左右。 从以上几个方面的比较可知， PLC是一种工业自动控制的专用微机控制系统，结构简单，抗干扰能力强；价格比一般微机系统便宜。 本课题采用三菱 FX2N可编程*** 1/3 PLC 的发展趋势 PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面。 向小型化、专用化、低成本方向发展 向大容量，高速度方向负发展 智能型 I/O 模块的发展 基于 PC的编程软件取代编程器 PLC编程语言的标准化 PLC通信的易用化 PLC与现场总线想结合 2 自动***机的主要功能 nts毕 业 论 文 9 2/1 自动***机 的组成 本课题的自动***机主要是由步进电机 、 传动丝杠 、 焊头等组成 / 图 2-1自动***流水线 图 2-2 摇枕 由图可以看出整个过程是由输送装置 /夹紧定位装置和***装置来完成工作 /这个过程的输送以及夹紧部分用汽缸来完成 /***部分 /为了控制精度我们采用步进电机来控制 /整个过程的自动运行用 PLC 来控制 /下面来做具体的介绍 / 3 ***机的气动控制系统 3/1 气动与液压比较 3/1/1 液压系统的优缺点 nts毕 业 论 文 10 一 、 优点 1、 质量 功率比低 2、 快 速性好 3、 能在大范围内实现无级调速 4、 布局方便灵活 5、 易于实现过载保护 6、 运行平稳可靠 7、 便于实现白功比和中等距离内的能量分配、传输和控制 二 、 缺点 1、 液压传功在工作过程中常有较多的能量损失 2、 工作时受温度影响较大 3、 因液压脉动和液体中混入空气 /易产生噪声 4、 为减少泄露液压元件的制造工艺水平要求较高 /故价格较高 /且使用维护需要较高技术水平 3/1/2 气动系统的优缺点 一 、 优点 1、 介质提取和处理方便 2、 阻力损失和受力较小 3、 动作迅速 /反应灵敏 4、 能源可储存 5、 工作环境适应性好 6、 成本低廉 二 、 缺点 1、 因气压传动工作压力 /且结构尺寸不宜过大 /故气压传动的输出力 (力矩 )较小 2、 由于空气的压缩性 /气动系统的的动作稳定性差 3、 气动装置的信号传递速度***在声速范围之内，所以它的工作频率和响应速度远不如电子装置 综上 /选择气动系统来实现位置控制 nts毕 业 论 文 11 3/2 气源三联件 气源三联件主要功能是 对压缩空气进行净化，压力设定及添加润滑油。采用模块化设计，可根据使用需要进行组合。 该气源处理三联件包括空气减压阀、过滤器、油雾器三大件。其中减压阀可对气源进行稳压，使气源处于 恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤。过滤器用于对气源的清洁，可过滤压缩空气中的水份，避免水份随气体进入装置。油雾器可对机体运动部件进行润滑，可以对不方便加润滑油的部件进行润滑，大大延长机体的使用寿命。 一、主要技术参数及工作特性 1、 主要技术参数 公称通径（ mm） 8， 10， 15， 20， 25 工作介质 压缩空气 使用温度范围（） - 25 + 80（但在不冻结条件下） 最高进口压力（ MPa） 1 调压范围（ MPa） 0/05 0/8 水分离效率（ %） 80 过滤精 度（ m） 25 50 表 3-1 技术参数 2、 工作特性 压力特性 三联件输出流量稳定在给定值，其调定的输出压力随输入压力的变化而变化的值不大于 0/05MPa。 流量特性 公称通径（ mm） 8 10 15 20 25 进口压力（ MPa） 出 口 压 力（ MPa） 空气流量（在标准状态下） dm3/min 1/00 0/25 300 730 1090 1530 1800 nts毕 业 论 文 12 0/4 370 910 1270 1890 2070 0/63 450 1125 1440 2070 2340 指 出口压力降 0/1MPa 时 /其最大流量不少于上值。 起雾流量 滴油量约每分钟 5滴的空气流量不大于下值 公称通径 ( mm ) 8 10 15 20 25 进口压力 ( MPa ) 起雾流量 dm3/min 0/25 105 110 170 200 330 0/4 130 140 190 220 400 0/63 180 210 220 280 500 润滑油流量调节 输入工作压力 0/4MPa，出口流量为给定值时，其滴油量应在 0 120滴 /分钟均匀可调。 表 3-2 工作特性 3/3 电 磁阀 电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。 气动系统中，电磁阀的作用就是在控制系统中按照控制的要求来调整压缩空气的各种状态，气动系统还需要其他元件的配合，其中包括动力元件、执行元件、开关、显示设备及其它辅助设备。 动力元件包括各种压缩机，执行元件包括各种气缸。这些都是气动系统中不可缺少的部分。而阀体是控制算法得以实现的重要设备。 电磁阀按控制形式可分为手动控制和电动控制两种，具体图形如下： nts毕 业 论 文 13 两位五通手动换向阀 两位五通电磁换向阀 图 3-1电磁换向阀 3/4 气动原理图 nts毕 业 论 文 14 侧 架 水 平 汽 缸侧 架 上 升 汽 缸 摇 枕 水 平 汽 缸摇 枕 上 升 汽 缸夹 具 汽 缸夹 紧 汽 缸汽 缸 3 5 0 气 源 三 联 件 汽 缸 3 5 0 汽 缸 1 5 0 汽 缸 1 5 0 焊 *** 汽 缸 焊 *** 汽 缸 图 3-2气动原理图 3/5 单个汽缸的外部电路 nts毕 业 论 文 15 图 3-3 单个汽缸外部电路图 当按下启动按钮 SB0后，中间继电器开关 KA自动合上，用中间继电器来驱动汽缸，电磁铁得电，汽缸前进；当汽缸前进到头压下限位开关 SQ2 时，使电磁铁失电，从而使汽缸后退 。 按下 SB1按钮，中间继电器开关 KA1自动合上，开关 KA2常闭，中间继电器驱动线圈 KM1使电动机正转；当按下 SB2时，中间继电器开关 KA2自动合上，并具互锁功能，从而使常闭开关 KA2打开，驱动线圈 KM2使电机反转。 3/6 多个汽缸的外部电路 nts毕 业 论 文 16 图 3-4 多个汽缸外部电路 nts毕 业 论 文 17 4 步进电机控制*** 4/1 步进电机概述 本 课题设计在控制***长度的时候用步进电机 /以保证***精度 /以下是对步进电机的介绍以及其驱动方式 /控制方式 / 步进电机又称电脉冲马达。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。特点是输入一个电脉冲就转动一步，即每当电机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得 所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。 一 步进电机特点 1、 步进电机的工作状态不易受各种干扰因素 (如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等 )的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作； 2、 步进电机的步距角有误差，转产转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差为“零”，不会长期积累； 3、 控制性能好。在起动、停止、反转时不易“丢步”。因此，步进电机被广泛应用于开环结构的机电一体化系统，使系统简化 /并可靠地获得较高的位置精度。 二 步进电机的种类 步进电机的种类很多，有旋转式步进电机，也有直线步进电机，从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进电机。就常用的旋转式步进电机的转子结构来说、可将其分为以下三种： (1)可变磁阻型 (vR型一 Varible)。 (2)永磁型 (PM 型一 Permanent Magnel Type)。 (3)混合型 (HB 型一 Hybrid type)。 三 步进电机的工作原理 以两相两拍步进电机为例 ， 通电顺序是 U V U V U 相通电转子转过45 V 相通电转子又转过 45 。 V U V U 通电则转动方向相反 。 四 步进电机的运行特性及性能指标 nts毕 业 论 文 18 了解步进电机的运行特性对正确选用步进电机有重要意义。 (1)分辨力。在一个电脉冲作用下（即一拍），电机转子转过的角位移，即步距角 /越小，分辨力越高。 (2)静态待性。步进电机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括静转矩、距一角特性及静态稳定区。 (3)动态特性。步进电机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。在某一通电方式下，各相的矩一角特性总和为矩一角特性曲线族。 本课题采用四通电机 2相 2拍式步进电机 /通电顺 序如下 / A B A B 其步距角为 1/8。 4/2 步进电机传动示意图 图 4-1 4/3 步进电动机功率驱动接口 步进电机功率驱动接口包含环形脉冲分配器和功率放大器 / 其电路原理图如下 nts毕 业 论 文 19 图 4-2 4/4 脉冲分配器的实现方法 脉冲分配器有两种形式 /一种是由专门环行分配集成电路或数字时序逻辑电路构成的硬件分配器 /有双三拍或单六拍 /二相二拍或二相四拍的脉冲 /并且有正反转控制 /脉冲分配器的另一种方法是采用计算机软件 /利用查表或计 算方法来进行脉冲的环行分配 /简称软件环行分配 /它通过软件可顺序在程序表中提取数据并通过输出接口输出数据即可 /通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电机进行正反转 /通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电机的转速 /该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本 /尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点 /但由于软环分配占用计算机的运行时间 /故会使插补一次的时间增加 /易影响步进电机的运行速度 /如图 nts毕 业 论 文 20 图 4-3 4/5 步进电机功率放大电路的形式 从计算机输出口或从环行分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安 /不能直 接驱动步进电机 /必须采用功率放大器脉冲电流进行放大 /使其增加到几安培甚至十几安培 /从而驱动步进电机运转 / 功率放大器电路的结构形式对步进电机的工作性能有十分重要的作用 /常用的功率放大电路有单电压 /双电压 /斩波形 /调频调压型和细分型等 / 这里我们用的是双电压功率放大电路 nts毕 业 论 文 21 图 4-4 电路结构如图 /图中使用 U1 和 U2两个直流电源 / U1为高电压 (80150V)/ U2为低电压 (520V)/ V1/和 V2为两个大功率晶体管 / 其中 V1是高压开关管 / V2是功率驱动管 / VD1是 U2钳位***管 /它在 V1导通时截止 /在 V1截止时 /由于 VD1正向偏置而向步进电动机绕组提供低电源 U2/ VD2是续流***管 /在 V1 /V2都截止时向绕组提供放电回路 / 双电压功放电路需要两个基极控制信号 (u1和 u2)/要保证高压开关信号 uh与步进信号 (低压控制信号 ) u1的上升沿在时间上一致 / u1的脉冲宽度 uh的脉冲宽度 /在实际应用中 / uh是由 u1来产生的 /即把 u1通过一个单稳态电路产生 ub/当然单稳态的延时时间必须小于 u1的脉冲宽度 / 4/6 三菱微型可编程*** 图 4-5 指定频率 / 允许设定范围 16位指令 132/767(PLS) 32位指令 12/147/483/647(PLS) 将该值指定为零时 /则对产生的脉冲不做*** / PLSY指令中 /将 (D1/D0)设置为脉冲量 / D指令输出脉冲的 Y编号 / 仅限于 Y1000 或 Y001有效 (使用晶体管型输出方式 ) 设定脉冲发完后 /执行结束标志 M8029/ 可编程***必须使用晶体管输出方式 / 4/7 步进电机控制***时的脉冲 1、 丝杠选择 选择螺距是 5mm 的丝杠 nts毕 业 论 文 22 2、 脉冲当 量 步进电机的步距角 1/8 /则其每转脉冲数是 s= =200p/r焊***速度是0/6m/min/导程 L= s/则 =0/025mm/p 3、 频率选择 由公式 n= /得到 f=400Hz 的脉冲信号 4/8 硬件电路控制输入与输出点 汽缸 限位开关代号 限位开关 手动控制 中间继电气 输出 侧架水平汽缸 SB0 X45X1 SB1 KA1 Y14 侧架上升汽缸 SQ2 SQ2 X2 X3 SB2 KA2 Y16 摇枕水平汽缸 SQ3 SQ4 X4 X5 SB3 KA3 Y2 摇枕上升汽缸 SQ5 SQ6 X6 X7 SB4 KA4 Y3 夹 具 汽 缸 SQ7 SQ8 X10 X11 SB5 KA5 Y4 夹 紧 汽 缸 SQ9 SQ10 X12 X13 SB6 KA6 Y5 汽缸 350 SQ11 SQ12 X14 X15 SB7 KA7 Y6 汽缸 限位开关代号 限位开关 手动控制 中间继电气 输出 汽缸 350 SQ13 SQ14 X16 X17 SB8 KA8 Y7 汽缸 150 SQ15 SQ16 X20 X21 SB9 KA9 Y10 汽缸 150 SQ17 SQ18 X22 X23 SB10 KA10 Y11 焊***汽缸 SQ19 SQ20 X24 X25 SB11 KA11 Y12 焊***汽缸 SQ21 SQ22 X26 X27 SB12 KA12 Y13 ***电机 X30 M8029 Y0 ***电机 X32 M8029 Y1 表 4-1 输入输出点 nts毕 业 论 文 23 5 PLC 控制系统的设计 5/1 概述 随着 PLC功能的不断提高和完善， PLC 几乎可以完成工业控制领域的所有任务。但 PLC还 是有它最适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制装备（ PLC、单片机、 DOS或 IPC）来完成该任务最适合。比如仪器及仪表装置、家电的***就要用单片机来做；大型的过程控制系统大部分要用 DOS来完成。而 PLC最适合的控制对象是：工业环境较差，而对安全性、可靠性要求较高，系统工艺复杂，输入 /输出以开关量为主的工业自控系统或装置。 5/2 PLC 的选择 当某一个控制任务决定由 PLC来完成后，选择 PLC就成为最重要的事情。一方面是选择多大容量的 PLC，另一方面是选择什 么公司的 PLC及外设。 对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的 I/O点找出来，包括开关量 I/O 和模拟 I/O以及这些 I/O 点的性质。 I/O的性质主要指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是用继电器型还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流 220 V的接触器、电磁阀，又有直流 24V的指示灯，则最后选用的 PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为 PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流 220V的负载使用，则直流 24V负载只能使用其他组的输出端了。这样有可能造成输出点数的浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流 220V 的指示灯等。一般情况下继电器输出的 PLC使用最多，但对于要求高输出的情况，如运动控制时的高速脉冲输出，就要使用无触点的晶体管输出的 PLC了。知道这些以后，就可以定下选用多少点和 I/O是什么类型的 PLC了。 对第二个问题，则有以下几个方面要考虑： 1/ 功能方面 所有 PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的 PLC 是否有能力完成控制任务。如对 PLC和 PLC、 PLC 与智能仪 表及上 位机之间灵活方便的通信要求；或对 PLC 的计算速度、用户程序容量等有特nts毕 业 论 文 24 殊要求；或对 PLC 的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的 PLC品种与一个详细的了解，以便做出正确的选择。 2/ 价格方面 不同厂家的 PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、 I/O点数相当的 PLC的价格能相差 40%以上。在使用 PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因素。 3/ 个人喜好方面 有些工程技术人员对某种品牌的 PLC熟悉，所以一般比较喜欢使用这种产品。另外，甚至一些***因素 或个人情感有时也会成为选择的理由。 PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套摸块也就选定了。如模拟量单元、显示设定单元、位置控制单元或热电偶单元等。 本课题采用三菱 FX2N微型可编程*** /它有以下优点 / 1/支持整个系列的三种编程语言 / 2/在高速输入计数器中可利用单相或双相高速计数器 / 4/在停止过程中仍保持运行过程中的输出状态 / 5/可编程***的扫描周期恒定 (恒定扫描 )模式 / 等等 5/3 程序流程图 5/3/1 侧架自动部分 X44(自动 ) X34和 X35是控制侧架自动的 /X34流水线到 搬移工位 / X35搬移工位到***工位 / 当 X34闭合 /X35断开时 /侧架水平汽缸前进 (Y0)X1侧架上升汽缸上升 (Y1)X3侧架水平汽缸后退 (Y0) PLC程序如图 nts毕 业 论 文 25 当 X34断开 /X35闭合时 /侧架水平汽缸前进 (Y0)X1侧架上升汽缸后退 (Y1)X2侧架水平汽缸后退 (Y0) PLC程序图如下 5/3/2 摇枕自动部分 nts毕 业 论 文 26 X45(自动 ) X46和 X47是控制摇枕自动的 /X46到 ***工位夹紧准备*** X47从***工位到搬移工位 当 X46闭合 /X47断开时 /摇枕水平汽缸前进 (Y2)X5摇枕上升汽缸上升 (Y3)X7夹具汽缸前进 (Y4)X11夹紧汽缸前进 (Y5)X1摇枕上升汽缸后退 (Y3) PLC程序图如下： 当 X46断开 /X47闭合时 /摇枕上升汽缸上升 (Y3)X7夹紧汽缸后退 (Y5)X12夹具汽缸后退 (Y4)X10摇枕上升汽缸后退 (Y3)X6摇枕水平汽缸后退 (Y2) nts毕 业 论 文 27 5/3/3 ***部分 、 流程图nts毕 业 论 文 28 焊 接 、 是 否 到 位 ？汽 缸 3 5 0 限 位 开 关 X 1 5 是 否 到 位 ？焊 *** 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 2 5 是 否 到 位 ？焊 接 电 机 正 转焊 接 电 机 复 位 开 关 ？焊 *** 汽 缸 后 退汽 缸 1 5 0 前 进焊 接 电 机 复 位 开 关 ？限 位 开 关 X 2 4 是 否 到 位 ？焊 接 电 机 反 转 焊 接 电 机 正 转限 位 开 关 X 2 5 是 否 到 位 ？焊 *** 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 2 1 是 否 到 位 ？nts毕 业 论 文 29 焊 接 电 机 复 位 开 关 ？焊 *** 汽 缸 后 退限 位 开 关 X 2 4 是 否 到 位 ？焊 接 电 机 反 转焊 接 电 机 复 位 开 关 ？汽 缸 1 5 0 后 退汽 缸 3 5 0 后 退限 位 开 关 X 2 0 是 否 到 位 ？X40和 X42是用来控制***板 、 的 ***板的动作顺序 /汽缸 350前进 (Y6) X15焊***汽缸前进 (Y12)X25***电机正转 (Y14)***电机复位焊***汽缸后退 (Y12)X24***电机反转 (Y15)***电机复位 nts毕 业 论 文 30 ***板的动作顺序 / 汽缸 150前进 (Y10) X21焊***汽缸前进 (Y12)X25***电机正转 (Y14)***电机复位焊***汽缸后退 (Y12)X24***电机反转 (Y15)***电机复位汽缸 150后退 (Y10)X20汽缸 350后退 (Y6) PLC程序如下图： nts毕 业 论 文 31 5/3/4 ***部分 、 X41和 X43用来控制***板 、 ***板的动作顺序 / 汽缸 350前进 (Y7) X17焊***汽缸前进 (Y13)X27***电机正转 (Y16)***电机复位焊***汽缸后退 (Y13)X26***电机反转 (Y17)***电机复位 PLC程序如下图 / nts毕 业 论 文 32 ***板的动作顺序 / 汽缸 150前进 (Y11) X23焊***汽缸前进 (Y13)X27***电机正转 (Y16)***电机复位焊***汽缸后退 (Y13)X26***电机反转 (Y17)***电机复位汽缸 150后退 (Y11)X22汽缸 350后退 (Y7) PLC程序如下 / nts毕 业 论 文 33 5/3/5 手动切换 X36、 X37是用于手动切换 nts毕 业 论 文 34 nts毕 业 论 文 35 nts毕 业 论 文 36 5/3/6 流程图 限 位 开 关 X 1 是 否 到 位 ？侧 架 水 平 汽 缸 前 进到 位 开 始侧 架 上 升 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 3 是 否 到 位 ？侧 架 水 平 汽 缸 后 退到 位 摇 枕 水 平 汽 缸 前 进nts毕 业 论 文 37 限 位 开 关 X 5 是 否 到 位 ？摇 枕 上 升 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 7 是 否 到 位 ？夹 具 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 1 1 是 否 到 位 ？夹 紧 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 1 3 是 否 到 位 ？摇 枕 上 升 汽 缸 后 退焊 接 、 是 否 到 位 ？汽 缸 3 5 0 限 位 开 关 X 1 5 是 否 到 位 ？焊 *** 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 2 5 是 否 到 位 ？焊 接 电 机 正 转焊 接 电 机 复 位 开 关 ？焊 *** 汽 缸 后 退nts毕 业 论 文 38 汽 缸 1 5 0 前 进焊 接 电 机 复 位 开 关 ？限 位 开 关 X 2 4 是 否 到 位 ？焊 接 电 机 反 转 焊 接 电 机 正 转限 位 开 关 X 2 5 是 否 到 位 ？焊 *** 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 2 1 是 否 到 位 ？nts毕 业 论 文 39 焊 接 电 机 复 位 开 关 ？焊 *** 汽 缸 后 退限 位 开 关 X 2 4 是 否 到 位 ？焊 接 电 机 反 转焊 接 电 机 复 位 开 关 ？汽 缸 1 5 0 后 退汽 缸 3 5 0 后 退限 位 开 关 X 2 0 是 否 到 位 ？焊 接 、 是 否 到 位 ？汽 缸 3 5 0 前 进限 位 开 关 X 1 7 是 否 到 位 ？焊 *** 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 2 7 是 否 到 位 ？焊 接 电 机 正 转焊 接 电 机 复 位 开 关 ？焊 *** 汽 缸 后 退nts毕 业 论 文 40 限 位 开 关 X 2 6 是 否 到 位 ？焊 接 电 机 反 转焊 接 电 机 复 位 开 关 ？汽 缸 1 5 0 前 进限 位 开 关 X 2 3 是 否 到 位 ？焊 *** 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 2 7 是 否 到 位 ？焊 接 电 机 正 转焊 接 电 机 复 位 开 关 ？焊 *** 汽 缸 后 退限 位 开 关 X 2 6 是 否 到 位 ？焊 接 电 机 反 转焊 接 电 机 复 位 开 关 ？汽 缸 1 5 0 后 退限 位 开 关 X 2 2 是 否 到 位 ？汽 缸 3 5 0 后 退nts毕 业 论 文 41 摇 枕 上 升 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 7 是 否 到 位 ？夹 紧 汽 缸 后 退限 位 开 关 X 1 2 是 否 到 位 ？夹 具 汽 缸 后 退限 位 开 关 X 1 0 是 否 到 位 ？摇 枕 上 升 汽 缸 后 退限 位 开 关 X 1 3 是 否 到 位限 位 开 关 X 6 是 否 到 位 ？摇 枕 水 平 汽 缸 后 退限 位 开 关 X 4 是 否 到 位 ？侧 架 水 平 汽 缸 前 进限 位 开 关 X 1 是 否 到 位 ？侧 架 上 升 汽 缸 后 退限 位 开 关 X 2 是 否 到 位 ？侧 架 水 平 汽 缸 后 退nts毕 业 论 文 42 限 位 开 关 X 0 是 否 到 位 ？结 束火车摇枕磨耗板自动***工作状态流程图 图 5-1 根据以上的自动***工作流程图， PLC 控制系统的输入信号有 40个，均为开关量。其中行程开关有 30个，单操作按钮开关 6个，自动选择开关有 4个（占两个 输入接点）。 PLC控制系统的输入信号有 16个，其中 12个用于各类汽缸， 2 个用于驱动***电机。 所以控制系统选用 FX2N-80MR-001， I/O 点数个为 40点，可以满足控制要求，且留有一定的裕量。 继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动***件。 在此，我们采用中间继电器来驱动，它的主要用途是 在继电保护和自动控制中用于扩大主继电器的触点容量和触点数目。 同时还用来传递信号或同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件，它的结构和交流接触器基本 相同，只是电磁系统小些，触点多些 。 nts毕 业 论 文 43 结 论 从上述分析和软件的验证可以看出：自动化电器控制 系统实现了人机分离 /也提高了生产效率 /在整个过程中 /以 PLC为控制软件 /用气动装置来传动和定位 /同时运用步进电机提高了***精度 / nts毕 业 论 文 44 致 谢 毕业设计是对我们四年来所学知识的一次最综合的检阅，半年来院系各级领导为我们能够有一个良好的设计环境和氛围，做了很多工作。这是我们毕业设计得以圆满成功的基础。因此，衷心感谢学院以及系领导和老师。 特别 要感谢我的 毕业设计导师张立彬 教授。从论文的选题、设计的具体实施到最后论文纂写，钱老师都给予了很大的支持。钱老师以他广博的知识、高深的学术水平，自始至终为我的设计工作指明正确的方向。钱老师高尚的品德，严谨的治学态度，一直鞭策着
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