大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计(论 文)
基于PLC控制的物料供给系统设计
学 院(系):机电信息工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 大连民族学院
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涉密论文按学校规定处理。 作者签名: 日期:年 月 日 导师签名:日期:年 月 日 摘要
在现代化的工业生产设备中,有大量的数字量及模拟量的控制装置,例如电机的起停,电磁阀的开闭,产品的计数,温度、压力、流量的设定与控制等,工业现场中的这些自动控制问题,若采用可编程序控制器(PLC)来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一。
可编程控制器在机电一体化产品中应用范围极广,其主要特点是:工作可靠、可与工业现场信号直接输人输出连接、组合灵活、编程容易、安装简单、维修方便、运行迅速,为继电器逻辑控制所望尘莫及。
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本文是基于PLC控制的物料供给系统,就当前PLC控制系统的发展概况及应用前景进行了合理分析,进一步就PLC控制物料供给系统在现代化企业中的意义进行了说明和阐释。
且就PLC控制的物料供给系统的工作原理和意义进行了简单说明,并对部分组成部分作了介绍分析和设计 在本设计中,货物供给通过PLC 的控制可以实现现代企业生产的自动化,极大的提高生产效率,且在一些大型厂矿设备及重污染的场合可以减轻操作工人的劳动强度,避免一些不必要的事故发生。在一些必要场合通过PLC控制的物料系统可以实现生产过程中生产设备的简单性,进而实现减少生产场地面积,节省不必要的经济开支,实现过程的连续性即可持续生产过程。21世纪,PLC会有更大的发展,产品的品种会更丰富、规格更齐全,通过完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求,PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业物料控制领域发挥越来越大的作用。
关键词:可编程控制器、控制系统、步进电机 Abstract 目录 摘 要 2 Abstract 3 一、 绪论 6
1.1 PLC控制系统的定义 6
1.2 PLC控制系统发展概况及应用前景 1 .3 PLC对物料供给系统的控制
6
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1.4 本课题的提出与意义
二、TVT-4000E齿轮供给系统各单元结构及其工作原理 8 2.1 TVT-4000E齿轮供给系统单元结构图 8 2.2 TVT-4000E齿轮供给系统单元工作原理 三、 系统硬件设计 11 3.1 总体设计 11
3.2 可编程控制器的选型 11 3.2.1 S7-200 CPU的选择 12 3.3 步进电机的选择 15 3.3.1 步进电动机的特点 15
3.3.2 步进电机驱动系统的基本组成 16 3.3.3 步进电动机的选择 16
3.3.4 步进电机驱动器的原理与选择 16 3.4电磁阀的选择 19 3.4.1 电磁阀的工作原理 3.4.2 电磁阀的选择原则 3.5气缸的选择
3.5.1 气缸的工作原理 3.5.2 气缸的选择原则 3.5.3 气缸的选择参数 3.6 电气原理图 21 3.7 控制柜布局图
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3.8 气动原理图
3.9 接线板接线图 3.10 元器件清单 21 四、 系统的软件设计 23 4.1 系统的总体程序设计 23 4.1.1 I/0地址分配表 23
4.1.2 系统的程序流程图及程序编制 23 4.3步进电机的控制及程序编制 24
24
4.3.2 PTO/PWM控制寄存器 27 4.3.3 主要程序的编写 30 结论与展望 41 参 考 文 献 42 附 录 43致 谢 一、绪论
1.1 PLC控制系统的定义
可编程控制器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。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。”
总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。但可编程控制
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器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。
1.2 PLC控制系统发展概况及应用前景
1.早期的PLC(60年代末?70年代中期)早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制,定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现,在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路,存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施,以提高其抗干扰的能力。在软件编程上,采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式?梯形图。因此,早期的PLC的性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂,便于安装,体积小,能耗低,有故障指使,能重复使用等。其中PLC特有的编程语言?梯形图一直沿用至今。
2、中期的PLC(70年代中期?80年代中,后期)在70年代,微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国,日本,德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元CPU。这样,使PLC得功能大大增强。在软件方面,除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量,使各种逻辑线圈的数量增加,还提供了一定数量的数据寄存器,使PLC得应用范围得以扩大。
3、近期的PLC(80年代中、后期至今)进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的
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PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
21世纪,PLC会有更大的发展。从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品规模上看,会进一步向超小型及超大型方向发展;从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全,完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;从市场上看,各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言;从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS(Distributed Control System)中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
1.3 PLC对物料供给系统的控制
通过PLC对物料供给系统进行控制,使得在现代化的生产过程中物料供给的自动化程度可以满足各种产品的生产需求,大大提高了现代化生产过程中所需要的高效率、搞性能的自动化程度。在现代工业控制中,PLC控制的物料供给系统犹如不知疲惫的搬运工,它可以连续不断地把需要进一步加工的货物(如齿轮)送进装配车间,直至完成生产任务。而且该系统的投入使企业彻底抛弃了手工操作,货物传送方式进入科学数据化生产,个人也从粉尘、噪音等恶劣的劳动环境中
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解脱出来。不仅如此,稳定的高速度的物料供给更带来了产品质量的提高。该系统投入后,产品密度、精度等主要技术指标均有较大提高,所以PLC控制的物料供给系统在生产制造和加工领域里,尤其是在大规模、高效率、连续生产的现代化企业被广泛引用,是一项值得推广的技术。该系统的投入使用,对于网络信息时代企事业计算机集成制造过程和物流自动化系统的开发设计具有重要的参考价值。
1.4 本课题的提出与意义
在现代化的工业生产设备中,有大量的数字量及模拟量的控制装置,例如电机的起停,电磁阀的开闭,产品的计数,温度、压力、流量的设定与控制等,工业现场中的这些自动控制问题,若采用可编程序控制器(PLC)来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一,
可编程控制器在机电一体化产品中应用范围极广,其主要特点是:工作可靠、可与工业现场信号直接输人输出连接、组合灵活、编程容易、安装简单、维修方便、运行迅速,为继电器逻辑控制所望尘莫及。
本设计是基于PLC控制的物料供给系统。货物供给通过PLC 的控制可以实现生产的自动化极大的提高生产效率,且在一些大型厂矿设备及重污染的场合可以减轻操作工人的劳动强度,避免一些不必要的事故发生。且在一些必要场合通过PLC控制的物料系统可以实现生产过程中生产设备的简单性,进而实现减少生产场地面积,节省不必要的经济开支,实现过程的连续性即可持续生产过程。
21世纪,PLC会有更大的发展,产品的品种会更丰富、规格更齐全,通过完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求,PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业控制领域发挥越来越大的作用
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二.TVT-4000E齿轮供给系统各单元结构及其工作原理 2.1 TVT-4000E齿轮供给系统单元结构图
图5-1 齿轮供给系统单元结构图 (5-1)-回收库 (5-2)-供给库 (5-3)-货物传送机构 (5-4)-升降载货台机构
2.2、4000E齿轮供给系统单元工作原理 齿轮供给系统供给库(5-2)中有4层装满齿轮的载货台,当货物传送机
构中的升降载货台(5-4)通过步进电机驱动到达供给库的库位时,供给库 (5-2)中的气缸动作使第一层装满齿轮的载货台被放入升降载货台(5-4) 同时升降载货台(5-4)下降,通过步进电机驱动使第一层齿轮被送入视觉装 配系统单元,当齿轮被装完后第一层空载货台通过步进电机驱动到达回收库 (5-1)的库位,同时升降载货台(5-4)动作使第一层空载货台被放入回收 库(5-1)中,重复以上的动作依次循环完成齿轮的供给。 自动流程图: 供给库 升降载货台机构 货物传送机构 回收库
三.PLC控制物料供给系统硬件设计 3.1 总体设计
在此单元中当电磁铁通电,使电磁铁吸合板被吸合,同时直线气缸的活塞杆运动使多层货物储料台中的第一排齿轮被推出,此时电磁铁断电,电磁铁吸合
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板与电磁铁分离,同时直线气缸的活塞杆带动电磁铁回到初始位置,完成一个工作循环,依次循环使多层货物储料台中的第二排齿轮被推出,直至多层货物储料台中第一层货物被全部推出后,气缸带动电磁铁做反向运动,使电磁铁吸合板回到初始位置,此时多层货物储料升降机构再由电机带动丝杠使多层货物储料台被提升到第二层位置,重复第一层的动作,使齿轮从多层货物储料台中被推出。齿轮被推出后通过双通道滑梯使齿轮被送入货料输送机构中的滑动载货台上,通过载货台的运动使齿轮被送入五维装配系统单元。
3.2 可编程控制器的选型
为了提高仓库的仓储能力,降低工人的劳动强度,提高仓库的自动化程度,而PLC编程控制器恰恰具有可靠性高、.编程方便、易于使用、逻辑功能强、体积小的特点,并且其有网络通讯功能,可附加高性能模块对模拟量进行处理,实现各种复杂控制功能。因此在我的仓储电控系统中,我选择了使用PLC可编程控制器,作为核心控制件。
3.2.1 S7-200 CPU的选择
西门子提供多种类型的CPU以适应各种应用要求。不同类型的CPU具有不同的数字量I/O点数、内存容量等规格参数。
目前提供的S7-200 CPU有:CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU 226XM。 S7-200 CPU规格如表3.1所示。按以上S7-200CPU规格所示,由于该系统需要的PLC输入端接口较多,因此选用的PLC可编程控制器应为CPU 226系列,该 CPU为直流供电,直流数字量输出,数字量输出点是晶体管因此选择DC/DC/DC系列。综上所述,最终选用的PLC可编程控制器件为CPU 226DC/DC/DC系列。
表3.1 S7-200 CPU规格表
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CPU 221 CPU 222 CPU224 CPU226 CPU226XM
用户程序区 数据存储区 2K字节 2K字节 5K字节 5K字节 10K字节
CPU 内置DI / DO点数 6/4 8/6 14/10 24/16 24/16 AI / AO点数 无 16/16 32/32 32/32 32/32
扫描时间/ 1 条指令 0.37us 0.37us 0.37us 0.37us 0.37us 最大DI/DO点数
256 256 256 256 256 4K字节
4K字节 8K字节 8K字节 16K字节
位存储区 256 256 256 256 256 计数器 256256 256 256 计时器 256 256 256 256 256 时钟功能 可选 数字量输入滤波 模拟量输入滤波 高速计 数器 单相
4个 30KHZ 4个 30KHZ 6个 30KHZ 6个 30KHZ 6个 20KHZ
可选 标准
内置 标准
内置 标准
内置 标准
标准
N/A 标准 标准 标准 标准
双相 2个 20KHZ 2个 20KHZ 4个 20KHZ 4个 20KHZ 4个 20KHZ 脉冲输出 2个 20KHZ 2个 20KHZ 2个 20KHZ 2个 20KHZ 2个 20KHZ
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通讯口 1×RS485 1×RS485 1×RS485 2×RS485 2×RS485 3.3 步进电机的选择 3.3.1 步进电动机的特点
步进电动机是一种作为控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度称为“步距角”一步一步运行的,其特点是没有积累误差精度为100%,所以广泛应用于各种开环控制。
步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比
步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制或半闭环控制就能进行良好的定位控制。
步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。 步进电动机带负载惯性的能力不强,在使用时既要注意负载转矩的大小,又要注意负载转动惯量的大小,只有当两者选取在合适的范围时,电机才能获的满意的运行性能。
由于存在失步和共振,因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。
3.3.2 步进电机驱动系统的基本组成
为了驱动步进电动机,必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器(在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制)、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器,以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统,如图3-5所示 。
图3-5 步进电机驱动系统组成 3.3.3 步进电动机的选择
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在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择,其次才是具体的品种选择,根据系统要求,确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置,从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。
在进行步进电动机的品种选择时,要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩、额定转矩和运行频率,以确定步进电机的具体规格和控制装置。
3.3.4 步进电机驱动器的原理与选择 1.步进电机驱动器的选择
步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说:控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
所有型号驱动器的输入信号都相同,共有三路信号,它们是:步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE此端为低电平有效,这时电机处于无力矩状态;此端为高电平或悬空不接时,此功能无效,电机可正常运行。它们在驱动器内部的接口电路都相同,见下图。OPTO端为三路信号的公共端,三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式,所以OPTO端须接外部系统的VCC,如果VCC是+5V则可直接接入;如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R,保证给驱动器内部光耦提供8-1 5mA的驱动电流,参见图3-6和图3-7。外围提供电平为24V,而输入部分的电平为5V,所以须外部另加1.8K的限流电阻R。 图3-6 输入信号接口电路图3-7 外接限流电阻R
步进电机驱动器的输出信号有两种:
①.初相位信号:驱动器每次上电后将使步进电机起始在一个固定的相位
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上,这就是初相位。初相位信号是指步进电机每次运行到初相位期间,此信号就输出为高电平,否则为低电平。此信号和控制系统配合使田,可产生相位记忆功能,其接口见图3-8。
图3-8 初相位信号接口电路
②. 报警输出信号:每台驱动器都有多种保护措施如:过压、过流、过温等。当保护发生时,驱动器进入脱机状态使电机失电,但这时控制系统可能尚未知晓。如要通知系统,就要用到‘报警输出信号’。此信号占两个接线端子,此两端为一继电器的常开点,报警时触点立即闭合。驱动器正常时,触点为常开状态。触点规格:DC24V/1A或AC11OV/O.3A。
一般来说,对于两相四根线电机,可以直接和驱动器相连,见图3-9。 图3-9 电机与驱动器接线图
以北京斯达特机电科技发展有限公司生产SH系列步进电动机驱动器型号为SH-2H057为例,主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成。SH-2H057步进电动机驱动器采用铸铝结构,此种结构主要用于小功率驱动器,这种结构为封闭的超小型结构,本身不带风机,其外壳即为散热体,所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内,接触面之间要涂上导热硅脂,在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法。此步进电机驱动器的电气技术数据见表3.3:
表3.3 SH-2H057电气技术数据表 驱动器型号 相数 类别 细分数
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通过拨位
开关设定 最大相电流 开关设定 工作电源 SH-2H057 二相或四相 混合式 二相八拍 3.0A 一组直流 DC24V-40V
2.步进电机驱动器接线示意图见图3-10。 3.步进电机驱动器细分数和电机相电流的设定 ①. 细分数的设定
对于两相步进电机,细分后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的,与电机无关。所以我们最好选用细分驱动器。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。但现在的情况不同了,细分驱动器的出现改变了这种观念,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。所以如果用户采用细分驱动器,‘相数’将变得没有意义
②.电机相电流的设定
SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定电机的相电流,您只需根
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据面板上的电流设定表格进行设定。
3.5 电磁阀的选择
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器,并不限于液压和气动。它的工作原理是电磁阀里有密闭的腔,在的不同位置开有通孔,每个孔都通向不同的油管,腔中间是阀,两面是两块电磁铁,哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边,通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔,而进油孔是常开的,液压油就会进入不同的排油管,然后通过油的压力来推动油刚的活塞,活塞又带动活塞杆,活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
本文选择的是二位五通电磁阀,2、二位五通电磁阀的“两位”是指两个位置可控:开?关;“五通”是指有五个通道通气,具有1个进气孔接进气气源、1个正动作出气孔和1个反动作出气孔分别提供给目标设备的一正一反动作的气源、1个正动作排气孔和1个反动作排气孔安装消声器。两位五通电磁阀通常与双作用气动执行机构配套使用。2、两位五通电磁阀一般为双电控即双线圈。线圈电压等级一般采用DC24V、AC220V等。
动作原理:给正动作线圈通电,则正动作气路接通正动作出气孔有气,即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的,将会一直维持到给反动作线圈通电为止。给反动作线圈通电,则反动作气路接通反动作出气孔有气,即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的,将会一直维持到给正动作线圈通电为止。这也相当于“自锁”。在设计机电控制回路或编制PLC程序的时候,可以让电磁阀线圈动作1~2秒即可,以保护电磁阀线圈不受损坏。
3.5.2 选择电磁阀应遵循的原则
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电磁阀选型应遵循安全性、适用性、可靠性、经济性四项原则依次选: 一安全性:
1、? 腐蚀性介质:宜选用塑料王电磁阀和全不锈钢;对于强腐蚀的介质必须选用隔离膜片式。例CD-F.?Z3CF。中性介质,也宜选用铜合金为阀壳材料的电磁阀,否则,阀壳中常有锈屑脱落,尤其是动作不频繁的场合。氨用阀则不能采用铜材。
2、? 爆炸性环境:必须选用相应防爆等级产品,露天安装或粉尘多场合应选用防水,防尘品种。
3、? 电磁阀公称压力应超过管内最高工作压力。 二.?适用性: 1、? 介质特性
1质气,液态或混合状态分别选用不同品种的电磁阀,例ZQDF用于空气,ZQDF?Y用于液体,?ZQDF?2(或-3)用于蒸汽,否则易引起误动作。ZDF系列多功能电磁阀则可通通于气.液体。最好订时告明介质状态,安装用户就不必再调式。
2介质温度不同规格产品,否则线圈会烧掉,密封件老化,严重影响寿命命。 3介质粘度,通常在50cSt以下。若超过此值,通径大于15mm用ZDF系列多功能电磁阀作特殊订货。通径小于15mm订高粘度电磁阀。
4介质清洁度不高时都应在电磁阀前配装反冲过滤阀,压力低时尚可选用直动膜片式电磁阀作例如CD?P。
5介质若是定向流通,且不允许倒流ZDF?N和ZQDF?N单需用双向流通,请作特殊要求提出。
6介质温度应选在电磁阀允许范围之内。
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2、? 管道参数
1根据介质流向要求及管道连接方式选择阀门通口及型号。例如,用于一条管道向两条管道切换的,小通径的选CA5和Z3F,中等或大通径请选ZDF?Z1/2。又如控制两条管道汇流的,请选ZDF?Z2/1等。
2根据流量和阀门Kv值选定公称通径,也可选同管道内径。请注意有的厂家未标有Kv值,往往阀孔尺寸小于接口管径,切不可贪图价低而误事。
3工作压差
最低工作压差在0.04Mpa以上是可选用间接先导式;最低工作压差接近或小于零的必须选用直动式或分步直接式。
3、? 环境条件
1环境的最高和最低温度应选在允许范围之内,如有超差需作特殊订货提出。
2环境中相对湿度高及有水滴雨淋等场合,应选防水电磁阀
3环境中经常有振动,颠簸和冲击等场合应选特殊品种,例如船用电磁阀。 4环境空间若受限制,请选用多功能电磁阀,因其省去了旁路及三只手动阀且便于在线维修。
4、? 电源条件
1根据供电电源种类,分别选用交流和直流电磁阀。一般来说交流电源取用方便。?
2电压规格用尽量优先选用AC220V.DC24V。
3电源电压波动通常交流选用+%10%.-15%,直流允许±%10左右,如若超差,须采取稳压措施或提出特殊订货要求。
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4应根据电源容量选择额定电流和消耗功率。须注意交流起动时VA值较高,在容量不足时应优先选用间接导式电磁阀。
5、控制精度
1普通电磁阀只有开、关两个位置,在控制精度要求高和参数要求平稳时请选用多位电磁阀;Z3CF三位常开电磁阀,具有微启,全开和关闭三种流量;
ZDF?Z1/1组合多功能电磁阀具有全开、大开、小开、全开四种流量。? 2动作时间:指电信号接通或切断至主阀动作完成时间,只有本公司专利产品多功能电磁阀可对开启和关闭时间分别调节,不仅可满足控制精度要求,还可防止水锤破坏。
3泄漏量
样本上给出的泄漏量数值为常用经济等级,若嫌偏高,请作特殊订货。 三、可靠性:
1、? 工作寿命,此项不列入出厂试验项目,属于型式试验项目。为确保质量应选正规厂家的名牌产品。
2、? 工作制式:分长期工作制,反复短时工作制和短时工作制三种。本公司常规产品均为长期工作制,即线圈允许长期通电工作。???中国建材网-建材对于长时间阀门开通只有短时关闭的情况,则宜选用常开电磁阀。用在短时工作制而批量又?很大时,可作特殊订货以降低功耗。
3、? 工作频率:动作频率要求高时,结构应优选直动式电磁阀,电源听优选交流。
4、? 动作可靠性
严格地来说此项试验尚未正式列入我国电磁阀专业标准,为确保质量应选
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正规厂家的名牌产品。有些场合动作次数并不多,但对可靠性要求却很高,如消防、紧急保护等,切不可掉以轻心。特别重要的,还应采取两只连用双保险。?
四.经济性:不经济就是对资金,精力乃至生命的浪费
1、? 它选用的尺度之一,但必须是在安全、适用、可靠的基础上的?经济。? 2、? 经济性不单是产品的售价,更要优先考虑其功能和质量以及安装维修及其它附件所需用费用。
3、? 更重要的是,一只电磁阀在整个自控系统中在整个自控系统中乃至生产线中所占成本微乎其微,如果贪图小便宜而错选早造成损害群是巨大的。且在选择电磁阀时应注意一下几点:
1、电磁阀安装时应注意阀体上箭头应与介质流向一致。不可装在有直接滴水或溅水的地方。电磁阀应垂直向上安装。
2、电磁阀应保证在电源电压为额定电压的15%-10%波动范围内正常工作。 3、电磁阀安装后,管道中不得有反向压差。并需通电数次,使之适温后方可正式投入使用。
4、电磁阀安装前应彻底清洗管道。通入的介质应无杂质。阀前装过滤器。 5、电磁阀当发生故障或清洗时,为保证系统继续运行,应安装旁路装置。 3.6气缸的选择
气动执行元件和控制元件气动执行元件是一种能量转换装置, 它是将压缩空气的压力能转化为机械能, 驱动机构 实现直线往复运动,摆动,旋转运动或冲击动作.气动执行元件分为气缸和气马达两大类. 气缸用于提供直线往复运动或摆动, 输出力和直线速度或摆动角位移. 气马达用于提供连续 回转运动,输出转矩和转速. 气动控制元件用来调节压缩空气的压力流量和方向等, 以保证
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执行机构按规定的程序正 常进行工作.气动控制元件按功能可分为压力控制阀,流量控制阀和方向控制阀.在选择气缸时应注意:根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了,输出力不够,气缸不能正常工作;但缸径过大,不仅使设备笨重、成本高,同时耗气量增大,造成能源浪费。
1、类型的选择
根据工作要求和条件,正确选择气缸的类型。要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声应选择缓冲气缸;要求重量轻,应选轻型缸;要求安装空间窄且行程短,可选薄型缸;有横向负载,可选带导杆气缸;要求制动精度高,应选锁紧气缸;不允许活塞杆旋转,可选具有杆不回转功能气缸;高温环境下需选用耐热缸;在有腐蚀环境下,需选用耐腐蚀气缸。在有灰尘等恶劣环境下,需要活塞杆伸出端安装防尘罩。要求无污染时需要选用无给油或无油润滑气缸等。
2、安装形式
根据安装位置、使用目的等因素决定。在一般情况下,采用固定式气缸。在需要随工作机构连续往返转时(如车床、磨床等),应选用回转气缸。在要求活塞杆除直线运动外,还需作圆弧摆动时,则选用轴销式气缸。有特殊要求时,应选择相应的特殊气缸。
3、作用力的大小
即缸径的选择。根据负载力的大小来确定气缸输出的推力和拉力。一般均按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力,根据不同速度选择不同的负载率,使气缸输出力稍有余量。缸径过小,输出力不够,但缸径过大,使设备笨重,成本提高,又增加耗气量,浪费能源。在夹具设计时,应尽量采用扩力机构,以减小气缸的外
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形尺寸。
4、活塞行程
与使用的场合和机构的行程有关,但一般不选满行程,防止活塞和缸盖相碰。如用于夹紧机构等,应按计算所需的行程增加10~20?的余量。
5、活塞的运动速度
主要取决于气缸输入压缩空气流量、气缸进排气口大小及导管内径的大小。要求高速运动应取大值。气缸运动速度一般为50~800?/s。对高速运动气缸,应选择大内径的进气管道;对于负载有变化的情况,为了得到缓慢而平稳的运动速度,可选用带节流装置或气-液阻尼缸,则较易实现速度控制。选用节流阀控制气缸速度需注意:水平安装的气缸推动负载时,推荐用排气节流调速;垂直安装的气缸举升负载时,推荐用进气节流调速;要求行程末端运动平稳避免冲击时,应选用带缓冲装置的气缸。
1)气缸的输出力 气缸理论输出力的设计计算与液压缸类似,可参见液压缸的设计计算。如双作用单活塞杆气缸推力计算如下:
理论推力(活塞杆伸出) Ft1=A1p (13-1) 理论拉力(活塞杆缩回) Ft2=A2p (13-2)
式中 Ft1、Ft2??气缸理论输出力(N); A1、A2??无杆腔、有杆腔活塞面积(m2); p ? 气缸工作压力(Pa)。
实际中,由于活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力,活塞杆
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的实际输出力小于理论推力,称这个推力为气缸的实际输出力。
气缸的效率 是气缸的实际推力和理论推力的比值,即 (13-3) 所以
(13-4)
气缸的效率取决于密封的种类,气缸内表面和活塞杆加工的状态及润滑状态。此外,气缸的运动速度、排气腔压力、外载荷状况及管道状态等都会对效率产生一定的影响。
2)负载率β 从对气缸运行特性的研究可知,要精确确定气缸的实际输出力是困难的。于是在研究气缸性能和确定气缸的出力时,常用到负载率的概念。气缸的负载率β定义为 (l3-5)
气缸的实际负载是由实际工况所决定的,若确定了气缸负载率,则由定义就能确定气缸的理论输出力,从而可以计算气缸的缸径。
对于阻性负载,如气缸用作气动夹具,负载不产生惯性力,一般选取负载率β为0.8;对于惯性负载,如气缸用来推送工件,负载将产生惯性力,负载率β的取值如下 β<0.65 当气缸低速运动,v <100 mm/s时; β<0.5 当气缸中速运动,v=100~500 mm/s时; β<0.35 当气缸高速运动,v >500 mm/s时。
3)气缸耗气量 气缸的耗气量是活塞每分钟移动的容积,称这个容积为压缩空气耗气量,一般情况下,气缸的耗气量是指自由空气耗气量。
4)气缸的特性 气缸的特性分为静态特性和动态特性。气缸的静态特性是指与缸的输出力及耗气量密切相关的最低工作压力、最高工作压力、摩擦阻力等参数。气缸的动态特性是指在气缸运动过程中气缸两腔内空气压力,温度,活塞速
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度、位移等参数随时间的变化情况。它能真实地反映气缸的工作性能。
3.6电气原理图 电气原理图见附录 3.7控制柜布局图 控制柜布局图见附录 3.8气动原理图 气动原理图见附录 3.9控制板接线图 控制板见线图见附录 3.10元器件清单
表3.4 系统元器件选型清单 元器件名称 1
2 PLC可编程控制器 24输入 DC24V CPU226 DC/DC/DC 1PLC可编程控制器扩展模块 8输入DC24V
EM232 1
HDT 1630 1
元器件规格 元器件型号 数量
备注
3 夹紧气缸 平行夹 HDP 20S 4 电磁阀 0.15~0.9MPa DC 24v 2.5w SVK 0120 1 5 步进电机 220V
57BYG250C 29 步进电机驱动器SH-20403 2
10 行程开关 5A125VAC/3A250VAC Z-15GQ21-B 8 11 光电开关 12v~24v
EE-SPY402 1对
12 仓库到位开关 5A125VAC/3A250VAC Z-15GQ21-B 3
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13 空气开关 10A 220V 2P 1 四,系统软件设计 4.1 系统总体程序设计 系统总体程序设计见附录。 4.1.1 PLC I/O地址分配表 I/O地址分配表如下 代号 I/O 说明 X_Limit
I0.1
X轴零位
X_Home I0.0 gear I0.2
X轴限位 原料检测
手动X轴正转 手动X轴反转 自动/手动
manual_X_UP I1.0 manual_X_DU I1.1 auto_manual I1.5 elector
Q0.4
放托盘动作
lift1 Q0.2 lift2 Q0.3 流程图见附录
提升机构1 提升机构2
接通电源,程序初始化,机构复位。升降载货台(回到X轴零位)等机构都回复到原始位置。当电源供电后,按下手动/自动开关后,供给库中第一层货物存储柜中的传感器开始检测原料如齿轮(原料检测)有无齿轮(若无则第二层中的传感器依次检测),若有则步进电机驱动升降载货台工作(X轴正转),使升降载货台通过齿轮带到达供给库的库位,升降载货台通过提升机构1动作使其上升到合适位置,
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此时供给库中的 放盘气缸则通过电磁阀驱动执行放托盘动作,将装满齿轮的第一层货物柜放入升降载货台,升降载货台下降则通过步进电机驱动把装满齿轮的存货台送入装配系统(X轴限位)(齿轮是通过机械手一个一个被放入装配车间进行加工的),当第一层货物载货台上的齿轮都被送入装配系统后,升降载货台则通过步进电机驱动带着空着的货物存储柜回到回收库的库位(X轴反转),此时升降载货台通过提升机构2上升到合适位置将空着的货物存储柜放回回收库,此时供给库中的传感器依次检测第二层的货物,如有则升降载货台重复以上动作。
4.3步进电机的控制及程序编制
脉冲输出指令(PLC)检测为脉冲输出(Q0.0或Q0.1)设置的特殊存储器位,然后激活由特殊存储器位定义的脉冲操作。
操作数:Q常数(0或1) 数据类型:字
脉冲输出范围:Q0.0到Q0.1 形式如图4-1: 图4-1 程序形式图
S7-200的CPU有两个PTO/PWM发生器产生高速脉冲串和脉冲宽度可调的波形。一个发生器分配在数字输出Q0.0,另一个分配在数字输出Q0.1。
PTO/PWM发生器和寄存器共同使用Q0.0和Q0.1。当Q0.0或Q0.1设定为PTO或PWM功能时,PTO/PWM发生器控制输出,在输出点禁止使用通用功能。映像寄存器的状态、输出强置或立即输出指令的执行都不影响输出波形。当不使用PTO/PWM发生器时,输出由映像寄存器控制。映像寄存器决定输出波形的初始和结束状态,以高电平或低电平产生波形的起始和结束。因些在允许PTO或PWM操
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作前把Q0.0和Q0.1的映像寄存器设定为0。
脉冲串(PTO)功能提供方波(50%占空比)输出,用户控制周期和脉冲数。脉冲宽度调制(PWM)功能提供连续、变占空比输出,用户控制周期和脉冲宽度。
每个PTO/PWM发生器有一个控制字节,16位无符号的周期时间值和脉宽值各一个,还有一个32位无符号的脉冲计数值。这些值全部存储在指定的特殊存储器中,一旦这引起特殊存储器的位被置成所示需操作,可通过执行脉冲指令(PLC)来调用这些操作。修改特殊寄存器(SM)区(包括控制字节),然后执行PLC指令,可以改变PTO或PWM特性。把PTO/PWM控制字节(SM66.7或SM77.7)的允许位置为0,并执行PLC指令,可以在任何时候禁止PTO或PWM波形的产生。
所有的控制字节、周期、脉冲宽度和脉冲数的缺省值都是0。
PTO提供指定脉冲个数的方波(50%占空比)脉冲串发生功能。周期可以用微秒或毫秒为单位指定。周期的范围是50到65,535微秒,或2到65,535毫秒。如果设定的周期是奇数,会引起占空比的一些失真。脉冲数的范围是:1到4,294,967,295。
如果周期时间少于2个时间单位,就把周期缺省地设定为2个时间单位。如果指定脉冲数为0,就把脉冲数缺省地设定为1个脉冲。
状态字节中的PTO空闲位(SM66.7或SM76.7)用来指示可编程序脉冲串完成。另外,根据脉冲串的完成调用中断程序(有关中断和通讯指令的细节请见9.15节)。如果使用多段操作,根据包络表C-的完成调用中断程序。请见下面的多段管线。
PTO功能允许脉冲串排队。当激活的脉冲串完成时,立即开始新脉冲的输出。这保证了顺序输出脉冲串的连续性。
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有两种方法完成管线,单段管线和多段管线。
(1)单段管线:在单段管线中,需要为下一个脉冲串更新特殊寄存器。一旦启动了起始PTO段,就必须立即按照第二个波形的要求改变特殊寄存器,并再次执行PLS指令。第二个脉冲串的属性在管线一直保持到第一个脉冲串发送完成。在管线中一次只能存入一个入口,一旦第一个脉冲串发送完成,接着输出第二个波形,管线可以用于新的脉冲串。重复这个过程设定下一个脉冲串的特性:
除下面的情况外,脉冲串之间进行平滑转换: 1) 如果发生了时间基准的改变。
2) 如果在利用PLS指令捕捉到新脉冲串前启动的脉冲串已经完成。 当管线满时,如果试图装入管线,状态寄存器中的PTO溢出位(SM66.6或SM76.6)将置位。当PLC进入RUN状态时,这个初始位化为0。如果要检测序列的溢出,必须在检测到溢出后手动清除这个位。
(2)多段管线:在多段管线中,CPU自动从V存储器区的包络表中读出每个脉冲串段的特性。在该模式下,仅使用特殊寄存器区的控制字节和状态字节。选择多段操作,必须装入包络表C-的起始V存储器构的偏移地址(SMW168或SMW178)。时间基准可以选择微秒或者毫秒,但是,在包络表C中的所示有周期值必须使用一个基准,而且当包络执行时,不能改变。多段操作可以用PLS指令启动。
每段的长度是8个字节,由16位周期、16位周期增量值和32位脉冲计数值组成。
包络表C-的格式如表4.1所示示。多段PTO操作的另一个特点是按照每个脉冲的个数自动增减周期的能力。在周期增量区输入一个正值将增加周期:输
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入一个负值将减小周期;输入0值将不改变周期。
如果在许多脉冲后指定的周期增量值导致非法周期值,会产生一个算术溢出错误,同时停止PTO功能,PLC的输出变为由映像寄存器控制。另外,在状态字节中的增量计算错误位(
如果要人为地终止一个正进行中的PTO包络,只需要把状态字节中的用户终止位(SM66.5或SM76.5)置为1。
当PTO包络执行时,当前启动的段数目保存在SMB166(或SMB176)中。 表4.1 多段PTO操作的包络表格式 (3)计算包络表值
PTO发生器的多段管线能力在许多应用中非常有用,尤其在步进电机控制中。图4-2的例子说明了如何生成包络表值,按要求产生输出波形加速电机、恒速运行,然后减速电机。
图4-2 包络表值生成
对该例,假定需要4000个脉冲达到要求的电机转动数,启动和结束频率是2000Hz,最大脉冲频率是10KHz。由于包络表C-中的值是用周期表示的,而不是用频率,需要把给定的频率值转换成周期值。所示以,启动和结束的周期是500μs,最大频率对应的周期是100μs。在输出包络的加速部分,要求在200个脉冲左右达到最大脉冲频率。也假定包络的减速部分,在400个脉冲完成。
在该例中,使用一个简单公式计算PTO/PWM发生器用来调整每个脉冲周期所示使用的周期增量值:
给定段的周期增量 |ECT-ICT|/Q ECT 该段结束周期时间
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ICT 该段初始化周期时间 4.3.2 PTO/PWM控制寄存器
表C-9-17是控制PTO/PWM操作的寄存器,利用图4-3可以作为快速参考,确定放入PTO/PWM控制寄存器中的值,启动要求的操作。对PTO/PWM0使用SMB67,对PTO/PWM1使用SMB77。如果要装入新的脉冲数(SMD72或SMD82)、脉冲宽度(SMW70或SMW80)或周期(SMW68或SMW78),应该在执行PLS指令前装入这些值和控制寄存器。如果要使用多段脉冲串操作,在使用PLS指令前也需要装入包络表的起始偏移值(SMW168或SMW178)和包络表的值。
图4-3 PTO/PWM控制字节参考 图4-4 PTO/PWM初始化和操作顺序
PTO/PWM初始化操作假定S7-200已置成RUN模式如图4-4,因此初次扫描存储器位为真(SM0.11)。如果不是这种情况,或PTO/PWM必须重新初始化,你可以用一个条件(不一定是初次扫描存储器位)来调用初始化程序。
为了初始化PTO,请遵循如下步骤:
用初次扫描存储器位(SM0.1)复位输出为0,并调用执行初始化操作的子程序。由于采用这样的子程序调用,后续扫描不会再调用这个子程序,从而减少了扫描时间,也提供了一个结构优
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