液壓機總體及控制系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要本次畢業(yè)設(shè)計為壓力機總體及控制系統(tǒng)設(shè)計。壓力機主要由主機、液壓系 統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三部分組成。本文重點對電氣控制系統(tǒng)進行了設(shè)計和編程， 對壓力機主機進行了簡單的設(shè)計，并設(shè)計了壓力機控制系統(tǒng)配套電氣控制柜。 壓力機的主機主要由橫梁、滑塊、工作臺、導(dǎo)柱、主缸和頂出缸等組成，通過 對主機載荷的分析，對橫梁、滑塊、工作臺和導(dǎo)柱及其互相間的連接進行了簡 單的設(shè)計，進而完成了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。由給定設(shè)計參數(shù)，通過對壓力機工作過 程的分析，繪制了壓力機工作流程圖，確定了控制方案，完成了 PLC選型、輸 入輸出分配、器件選擇及硬件接線等設(shè)計過程，并進行了相應(yīng)的程序分析和編 程。對其中的保壓過程閉環(huán)控制進行了一

2、定的分析計算，確定了一些設(shè)計參數(shù)。 所設(shè)計控制系統(tǒng)能實現(xiàn)壓力機啟停、送料、手動/自動工作和安全互鎖等工作要 求，保證液壓機安全準(zhǔn)確工作。最后，本文對專用控制柜進行了設(shè)計，包括柜 體外形尺寸、室內(nèi)結(jié)構(gòu)分布、器件安裝、通風(fēng)散熱方案等。關(guān)鍵詞 壓力機 控制系統(tǒng) PLCABSTRACTThe graduation design is general structure and control system design of 6300kN hydraulic press. Hydraulic press mainly composed of three parts: the mainframe, th

3、e hydraulic system and the electrical control system. This paper focuses on the design and programming of the electrical control system, and gives a simple design for the mainframe, and designed the complete electrical control cabinet of the machine. The mainframe of the hydraulic press is composed

4、by the beam, slider, work table, column guide, main cylinder and a cylinder composed of the top. Through the analysis of load on the mainframe, the paper gives a simple design for the beam, slider, work table and column guide and connections with each other. From the given parameters, then through a

5、nalysing the working process of press, drew the press work flowchart, and determined the control scheme. This paper accomplished the design process including selection of PLC model, I/O distribution, selection of component and the hardware connection, etc. Then the article made the corresponding pro

6、gram analysis and programming. The corresponding closed-loop control of the pressure-keepingprogress had been designed and calculated in this paper, and some of its design parameters was determined. The control system been designed could realize the working requirements of press start and off, feedi

7、ng, automatic/manual work and safety interlock, etc, and it could ensure the machine work safely and accurately. Finally, the special control cabinet was designed in this paper, including the cabinet shape dimension, distribution of indoor structure, devices install, ventilation and cooling design,

8、etc.Keywords: hydraulic press control system PLC目錄第1章緒論 11.1 概述 11.2 國內(nèi)外液壓機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 21.2.1 發(fā)展?fàn)顩r 21.2.2 發(fā)展趨勢 31.3 本文研究主要內(nèi)容 4第2章壓力機總體方案設(shè)計 52.1 壓力機的組成 52.2 壓力機的工況特點 62.3 四柱液壓機總體布局方案設(shè)計 72.4 壓力機主機零部件設(shè)計 82.4.1 主機載荷分析 82.4.2 導(dǎo)柱設(shè)計 82.4.3 橫梁設(shè)計 92.4.4 滑塊設(shè)計 102.4.5 工作臺設(shè)計 10第3章壓力機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 113.1 控制系統(tǒng)方式選擇 113.

9、2 PLC 概述 113.2.1 PLC 的定義 113.2.2 可編程從控制器的發(fā)展史 123.2.3 PLC的發(fā)展趨勢 123.2.4 PLC 的基本組成 133.3 壓力機控制系統(tǒng)分析 133.3.1 壓力機對控制系統(tǒng)的控制要求 133.3.2 控制系統(tǒng)原理分析設(shè)計 143.4 PLC輸入輸出量分析 143.4.1 輸入輸出分配 143.4.2 輸入量分析 153.4.3 輸出量分析 153.5 PLC選型及硬件配備 163.6 輸入輸出方式的選擇和地址分配 173.6.1 輸入輸出方式的選擇 173.6.2 輸入輸出的地址分配 183.6.3 電氣控制系統(tǒng)硬件線路設(shè)計 203.6.4

10、電氣設(shè)備和元器件選擇 213.7 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 233.7.1 工作過程分化 233.7.2 手動工作子過程分析 243.7.3 自動工作過程分析 243.7.4 送料過程分析 263.7.5 系統(tǒng)工作指令表程序設(shè)計 273.7.6 保壓過程PID控制過程分析 28第4章壓力機電氣控制柜設(shè)計 334.1 設(shè)計參考 334.2 柜體設(shè)計 364.2.1 柜體外形設(shè)計 364.2.2 柜內(nèi)隔室設(shè)計 374.2.3 器件安裝設(shè)計 384.2.4 散熱及安全設(shè)計 39總結(jié) 40致謝 41參考文獻 42附錄1壓力機工作梯形圖程序 44附錄2三維零件圖設(shè)計 46第1章緒論1.1概述液壓壓力機是根據(jù)帕斯

11、卡原理制成，利用液體壓力能來傳遞能量的機器。液壓機一般由主機、操縱系統(tǒng)及泵站三大部分組成。如圖1.1所示。泵站是動力 源，供給液壓機各執(zhí)行機構(gòu)及控制機構(gòu)以高壓工作液體；操縱系統(tǒng)屬于控制機 構(gòu)，它通過控制工作液體的流向來使個執(zhí)行幾個按照工藝要求完成應(yīng)有的動作； 本體為液壓機的執(zhí)行機構(gòu)。圖1.1典型液壓壓力機結(jié)構(gòu)圖液壓機廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個部門，是一種主要的鍛壓設(shè)備。它具有 下列一些特點：1 .結(jié)構(gòu)上易于得到較大的總壓力，較大的工作空間及較長的行程，因此便 于壓制大型工件及較高的工件；2 .與鍛錘相比，工作平穩(wěn)，撞擊和振動很小，噪音小，對工人健康，廠房 低級，周圍環(huán)境及設(shè)備本身都有很大好處；3

12、 .與機械壓力機相比，本體結(jié)構(gòu)比較簡單，容易鍛造，隨著液壓元件標(biāo)準(zhǔn) 化、系列化、通用化程度的提高，以及專業(yè)丁點生產(chǎn)的逐步實現(xiàn)，比較適合與 中小廠自行制造；4 .隨著大功率高輕型的出現(xiàn)，液壓機快速性能已經(jīng)有了很大的提高，工作 速度狀況越來越適應(yīng)于更大范圍的應(yīng)用。1.2 國內(nèi)外液壓機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 發(fā)展?fàn)顩r由于液壓機的液壓系統(tǒng)和整機結(jié)構(gòu)方面，已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)外液壓機的 發(fā)展主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)方面。微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為改進液壓機的性能、 提高穩(wěn)定性、加工效率等方面提供了可能。相比來講，國內(nèi)機型雖種類齊全， 但技術(shù)含量相對較低，缺乏技術(shù)含量高的高檔機型，這與機電液一體化，中小

13、批量柔性生產(chǎn)的發(fā)展趨勢不相適應(yīng)。在國內(nèi)外液壓機產(chǎn)品中，按照控制系統(tǒng)，液壓機可分為三種類型：一種是 以繼電器為主控元件的傳統(tǒng)型液壓機； 一種是采用可編程控制器控制的液壓機； 第三種是應(yīng)用高級微處理器（或工業(yè)控制計算機）的高性能液壓機。三種類型 功能各有差異，應(yīng)用范圍也不盡相同。但總的發(fā)展趨勢是高速化、智能化。1）繼電器控制方式是延續(xù)了幾十年的傳統(tǒng)控制方式，其電路結(jié)構(gòu)簡單，技 術(shù)要求不高，成本較低，相應(yīng)控制功能簡單，適應(yīng)性不強。其適用于單機工作、 加工產(chǎn)品精度要求不高的大批量生產(chǎn)（如餐具、廚具產(chǎn)品等），其也可組成簡單 的生產(chǎn)線，但由于電路的限制，穩(wěn)定性、柔性差?，F(xiàn)在，國內(nèi)許多液壓機廠家 是以這種機

14、型為主，使用對象多為小型加工廠，或加工精度要求不高的民用產(chǎn) 品。國外眾多廠家只是保留了對這種機型的生產(chǎn)能力，而主要面向以下兩種技 術(shù)含量高的機型組織生產(chǎn)。2）可編程控制器是在繼電器控制和計算機控制發(fā)展的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的， 并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，把自動化技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)溶為 一體的新型工業(yè)自動控制裝置。目前已被廣泛的應(yīng)用于各種生產(chǎn)機械以及自動 化生產(chǎn)過程中。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程序控制器的功能更加豐富。早期 的可編程序控制器在功能上只能進行簡單的邏輯控制。后來一些廠家開始采用 微電子處理器作為可編程序控制器的中央處理單元（CPU）,從而擴大了控制器 的功能，使其不僅可以進行

15、邏輯控制，而且還可以對模擬量進行控制。因此， 可編程控制器控制方式是介于繼電器方式和工業(yè)控制機控制方式之間的一種控 制方式?？删幊炭刂破饔休^高的穩(wěn)定性和靈活性，但在功能方面與工業(yè)控制機 相比有一定差異。3 ）工業(yè)控制機控制方式是在計算機控制技術(shù)成熟發(fā)展的基礎(chǔ)上采用的一 種高技術(shù)含量的控制方式。這種控制方式以工業(yè)控制機或單片 /單板機作為主控 單元，通過外圍接口器件（如 A/D, D/A板等）或直接應(yīng)用數(shù)字閥實現(xiàn)對液壓系 統(tǒng)的控制，同時利用各種傳感器組成閉環(huán)回路式的控制系統(tǒng)，達到精確控制的 目的。作為液壓機兩大組成部分的主機和液壓系統(tǒng)，由于技術(shù)發(fā)展趨于成熟，國 內(nèi)外機型無較大差距。主要差別在于加

16、工工藝和安裝方面。良好的工藝使機器 在過濾、冷卻及防止沖擊和振動方面，有較明顯改善。在油路結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，國內(nèi)外液壓機都趨向于集成化、封閉式設(shè)計。插裝 閥、疊加閥和復(fù)合化元件及系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)中得到較廣泛的應(yīng)用。國外已開始 廣泛采用封閉式循環(huán)油路設(shè)計。這種油路設(shè)計有效地防止泄油和污染。更重要 的防止灰塵、污物、空氣、化學(xué)物質(zhì)侵入系統(tǒng)，延長了機器的使用壽命。由于 加工工藝等方面的原因，國內(nèi)采用封閉式循環(huán)油路設(shè)計的系統(tǒng)還不多見。在安 全性方面，國外某些采用微處理器控制的高性能液壓機利用軟件進行故障的檢 測和維護。1.2.2 發(fā)展趨勢1）高速化，高效化，低能耗。提高液壓機的工作效率，降低生產(chǎn)成本。2）機

17、電液一體化。充分合理利用機械和電子方面的先進技術(shù)促進整個液壓 系統(tǒng)的完善。3）自動化、智能化。微電子技術(shù)的高速發(fā)展為液壓機的自動化和智能化提 供了充分的條件。自動化不僅僅體現(xiàn)的在加工，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的自動診斷和調(diào)整，具有故障預(yù)處理的功能4）液壓元件集成化，標(biāo)準(zhǔn)化。集成的液壓系統(tǒng)減少了管路連接，有效地防 止泄漏和污染。標(biāo)準(zhǔn)化的元件為機器的維修帶來方便。1.3 本文研究主要內(nèi)容本文主要對630噸粉末成型壓力機總體及其控制系統(tǒng)進行設(shè)計。本文重點 設(shè)計的是壓力機的電氣控制系統(tǒng)，簡要地設(shè)計了壓力機主體和電器控制柜及其 裝配。研究設(shè)計過程如下：首先，確定壓力機的總體方案，對主機進行設(shè)計， 確定液壓機的總

18、體布局；其次，設(shè)計液壓機的控制系統(tǒng)，通過工況分析，選擇 控制方式，設(shè)計電氣線路，確定電器型號及安裝，檢驗控制系統(tǒng)安全性和合理 性等。第2章630KN壓力機總體方案設(shè)計2.1 6300KN壓力機的組成完整的壓力機應(yīng)有主機、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。以現(xiàn)有 630T 壓力機為藍本，本次設(shè)計也采用傳統(tǒng)“三梁四柱”的主機機型，該型主機主要 由主缸、橫梁、滑塊、導(dǎo)柱、工作臺組成，其結(jié)構(gòu)圖見圖 2.1 o液壓控制系統(tǒng)主 要由液壓泵、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件等組成。本設(shè)計的液壓系統(tǒng)的電 氣控制系統(tǒng)是以可編程控制器（PL。為主控元件的新型控制方式，主要由PLC 壓力變送器、輸入電路和輸出電路等組成。

19、圖2.1壓力機主機結(jié)構(gòu)圖1-副油箱2-橫梁3-主缸4-導(dǎo)柱5-頂出缸6-工作臺7-滑塊2.2 壓力機的工況特點所設(shè)計壓力機的主要技術(shù)參數(shù)如下表:表2.1 設(shè)計參數(shù)參爹k項參爹公稱壓力（最大負載）6300KN主缸回程力1250KN頂出缸頂出力1000KN滑塊行程1000mm頂出行程355mm滑塊速度空程下行100mm/s工進6mm/s回程60mm/s頂出活塞速度頂出80mm/s退回160mm/s本壓力機根據(jù)其工作要求，分為手動和自動工作兩種工作模式。兩種工作模式的各自的工作過程如下：自動工作：滑塊快進一滑塊工進一保壓一泄壓一滑塊回程一頂出缸頂出一 頂出缸退回。其工作循環(huán)過程見圖 2.2?；瑝K快進

20、w滑塊工保壓Jjt壓船塊回程1頂出缸頂出T一中缸1艮回.圖2.2 壓力機自動工作循環(huán)過程手動工作：滑塊啟動后可在任意位置手動停止，手動縮回；頂出缸手動頂 出，手動退回。2.3 四柱液壓機總體布局方案設(shè)計了解了四柱液壓機的組成、工作過程之后，可初步確定壓力機的總體布局, 布局圖如圖2.3所示。四柱液壓機總體布局圖2.31主機2 副油箱3油管4液壓站5電氣柜6控制臺圖2.3為壓力機整體布局簡圖，分為三個部分，即：主機、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的所有部件都集中安裝在液壓油箱處，使液壓站布局結(jié) 構(gòu)變得緊湊。電氣控制元-8 -件集中設(shè)計在電氣柜中。啟動、停止、快進、頂 出、調(diào)整、等控制按鈕設(shè)置在

21、控制臺上。2.4 壓力機主機零部件設(shè)計2.4.1 主機載荷分析根據(jù)表2.1,本次設(shè)計壓力機的最大工作負載為6300KN主缸回程力為1250KN頂出缸頂出力為1000KN由于工作時的負載遠大于其它工況時的負載， 因此在進行載荷設(shè)計時，取負載 6300KN寸壓力機進行受力計算。壓力機結(jié)構(gòu)形式為“三梁四柱”式，工進加壓的負載作用在橫梁和導(dǎo)柱上， 受載時橫梁受壓，導(dǎo)柱受拉，受力如圖 2.4所示。TI導(dǎo)柱F-負載T-導(dǎo)柱拉力圖2.4橫梁、導(dǎo)柱受力圖橫梁2.4.2 導(dǎo)柱設(shè)計材料選擇：導(dǎo)柱在工作過程中主要承受拉力，材料必須具備較高的抗拉強 度。導(dǎo)柱材料選擇45圓鋼，也可選用鍛件形式。熱處理要求：導(dǎo)柱除了承受

22、拉力之外，外圓柱表面與滑塊之間還存在摩擦 力。為了減少導(dǎo)柱表面的磨損，通過表面熱處理提高表面硬度增加表面耐摩性。 總的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)和表面淬火。理論設(shè)計計算：液壓機的最大主題：負載約為6300kN,通過力傳遞后，最后由四根導(dǎo)柱承受 6300kN的拉力，作用在每根導(dǎo)柱上的拉力為 1575kNo由許用拉應(yīng)力公式（2-1）, 可計算導(dǎo)柱的安全直徑Do。=£（2-1）A式中：一許用應(yīng)力;取 45鋼。=80100MPaF一軸向拉力；A一橫截面積。即：C _ 14F _ 14-1.575M106N _n dcoD60.158m，二二.3.14 80 106Pa圓整后取導(dǎo)柱直徑D=160mp#慮

23、到立柱帶螺紋部分的應(yīng)力集中對承載能力的削 弱，以及為了防止四根導(dǎo)柱因瞬間的受力不均而被破壞，導(dǎo)柱直徑可適當(dāng)加大， 取 D=180mm結(jié)構(gòu)形式：上、下橫梁用立柱調(diào)節(jié)圓螺母支承，兩端用鎖緊螺母鎖緊。2.4.3 橫梁設(shè)計結(jié)構(gòu)形式：上橫梁位于立柱上不，用于安裝工作缸，承受工作缸的反作用 力。對中小型液壓機具結(jié)構(gòu)形式主要有鑄造和焊接兩種。本次設(shè)計的630噸四柱液壓機的上橫梁采用鑄造結(jié)構(gòu)，材料為 ZG35形狀尺寸要求：上橫梁通過立柱連接主機機身上半部，并安裝工作油缸。 為使其組成空間合乎要求，以及活塞平穩(wěn)運行，因此要求上橫梁安裝油缸孔的軸線與安裝油缸的臺肩平面應(yīng)垂直，上橫梁與調(diào)節(jié)圓螺母接觸面與主油缸臺肩

24、接觸應(yīng)平行，以及立柱穿過孔的的上下平面應(yīng)平行等。與油缸的連接方式：依靠圓螺母固定油缸。2.4.4 滑塊設(shè)計滑塊主要作用：與主油缸活塞桿連接傳遞壓力機的壓力；通過導(dǎo)向套沿導(dǎo) 柱導(dǎo)向面上下往復(fù)運動；安裝工具等。需要較好的強度、剛度及導(dǎo)向結(jié)構(gòu)?；?塊材料亦采用ZG35結(jié)構(gòu)形式：根據(jù)壓制工藝的性質(zhì)，滑塊無論如何都不能彎曲，因此滑塊常 是上面敞開的箱形梁，高度可設(shè)計低一點。形狀和尺寸要求：滑塊是液壓機的主要運動部件，為保證液壓機的精度要 求，要求四導(dǎo)柱導(dǎo)向套孔軸線應(yīng)相互平行，它應(yīng)與連接活塞桿孔的中心線平行； 這些孔軸線都應(yīng)與活動橫梁下平面想垂直； 與活塞桿接觸平面對下面要求平行。與活塞桿的連接方式：連接

25、方式可分為可動連接和固定連接。固定連接結(jié) 構(gòu)是通過活塞端面和以及圓柱面與滑塊配合連接成不能具有相對運動的整體。 本設(shè)計的連接方式是通過活塞桿頭螺紋與螺母連接緊固于滑塊內(nèi)。2.4.5 工作臺設(shè)計結(jié)構(gòu)形式：工作臺是主機的安裝基礎(chǔ)。工作中承受機器本身的重量及全部 載荷。本設(shè)計選材料為ZG35鑄造結(jié)構(gòu)。形狀尺寸要求：工作臺是整機的基礎(chǔ)性零件，是安裝磨具的標(biāo)準(zhǔn)，還要安 裝頂出缸和其他零部件。因此對工作臺面的不平度、各部件安裝定位基面均應(yīng) 有必要的技術(shù)要求。與頂出缸的連接方式：采用螺釘及法蘭盤將頂出缸固定在工作臺上。固定模具的結(jié)構(gòu)：為了固定模具，一般在工作臺面上設(shè)有T型槽，按GB158-59標(biāo)準(zhǔn)尺寸進行加

26、工。第3章 壓力機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 控制系統(tǒng)方式選擇由前所述，液壓機的控制系統(tǒng)主要有繼電器控制方式、可編程控制器控制 方式和工業(yè)控制計算機控制方式三種類型。其中，傳統(tǒng)的繼電器控制方式存在 較多的不足，設(shè)備體積大，在復(fù)雜控制系統(tǒng)中可靠性低，維護部方便，節(jié)點復(fù) 雜，通用性和靈活性差；而工業(yè)控制計算機（簡稱工控機）控制方式是新型的 高智能控制方式，雖然其強大的運算和處理能力能滿足各種復(fù)雜的控制過程要 求，但其成本也是比較昂貴的。而可編程控制器（PL。相對于工控機具有很大 的成本優(yōu)勢，相對于繼電器又具有突出的控制優(yōu)勢，具時間響應(yīng)快、控制精度 高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于計算機相連接、

27、維護方便、體積 小、質(zhì)量小、功耗低，等等，目前為各種普通用途中、小型液壓機廣泛采用?？紤]到本設(shè)計中的630噸壓力機的特點，選擇PLC作為控制系統(tǒng)的核心元件。3.2 PLC概述3.2.1 PLC的定義可編程控制器（Programmable Controller , PC或PLC ,它是在20世紀70 年代以來，在繼電器控制技術(shù)和計算機控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型 工業(yè)自動化設(shè)備。它以微處理器為核心，集自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技 術(shù)為一體，被廣泛應(yīng)用在自動化控制的各個領(lǐng)域中。1982年2月國際電工委員會（IEC）在頒布可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案中， 對可 編程控制器定義為：”一種專為在工業(yè)環(huán)境

28、下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子 系統(tǒng)。它采用可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行運算、順序控制、定時、計 數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，來控制各種類型 的機械設(shè)備和生產(chǎn)過程?！笨删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成 一個整體和具有擴成功能的原則進行設(shè)計。3.2.2 可編程從控制器的發(fā)展史美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC于1969年研制成功了第一臺可編程控制器 PDP-14,并在汽車自動裝配線上試用成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制的新局面。從 此這一技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展起來。從第一臺PLC誕生，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，PLC現(xiàn)已發(fā)展到第三代。各代的特 點與應(yīng)用范圍如下表3.1所示。表3

29、.1各彳t PLC的特點和應(yīng)用范圍年代功能特點應(yīng)用范圍早期：20世紀60年代末70年代中期米用分立兀件和中小規(guī)模集成電路CPU磁芯存儲器取代電氣控制、能同時完成邏輯控制，模擬量控制中期：20世紀70年代中期80年代中、后期增加復(fù)雜數(shù)值運算和數(shù)據(jù)處理，遠程I/O和通信功能，采用大規(guī)模集成電路，微處理器，加強自診斷、容錯計算適應(yīng)大型復(fù)雜控制系統(tǒng)需要并用于聯(lián)網(wǎng)、通信、監(jiān)控等場合近期：20世紀80年代中、后期現(xiàn)在高速大容量多功能，采用 32位微處理 器，變成語言多樣化，通信功能進一步 完善，智能化功能模塊齊全構(gòu)成分級網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像動態(tài)過程監(jiān)控，模擬網(wǎng)絡(luò)資源共享3.2.3 PLC的發(fā)展趨勢隨著應(yīng)

30、用領(lǐng)域的日益擴大，PLC技術(shù)及其產(chǎn)品仍在繼續(xù)發(fā)展，主要朝著以下 的方面發(fā)展。1）微型化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性；2）智能模塊化；3）編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化和高級化;4）網(wǎng)絡(luò)通信功能標(biāo)準(zhǔn)化。3.2.4 PLC的基本組成PLC的硬件構(gòu)成主要有：1 ）中央處理器（CPU；2 ）存儲器（系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器）；3 ）輸入、輸出接口；4 ）電源。PLC的軟件構(gòu)成包括系統(tǒng)軟件和用戶程序，其應(yīng)用程序的編程語言最常用的 是梯形圖（LAD和指令表（STD。3.3 6300KN壓力機控制系統(tǒng)分析3.3.1 壓力機對控制系統(tǒng)的控制要求1 .壓力機的基本工作過程液壓機的工作流程由送料車送料、送料車退回、滑塊快速下行、慢下加壓、保

31、壓延時、卸壓回程、頂出缸頂出、頂出缸退回9個過程組成。在自動控制的壓力機中，從滑塊開始下行至頂出缸退回 7個過程可做到全自動依次運行，只 有人工按停止按紐或急停按紐干預(yù)方能停車。2 .設(shè)備控制要求壓力機的自動控制系統(tǒng)要求能實現(xiàn)自動及手動兩種控制方式，在正常工作時選擇自動控制方式。液壓機自動工作狀態(tài)：將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動工作狀態(tài)，按下滑塊下行啟動 按鈕，則壓力機依以下步驟自動工作。1 ）液壓機滑塊靠自重快速下行。2 ）液壓機滑塊慢下加壓。3 ）達到設(shè)定壓力開始保壓。4 ） 保壓延時到卸壓回程。5 ）回程到位后，延時一定的時間頂出缸頂出。6 ）頂出到位后，延時一定的時間頂出缸退回。7 ）延時一定的時

32、間進行下一個工作循環(huán)。壓力機手動工作狀態(tài)：將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到手動工作狀態(tài)，手動工作過程如下:1）按“壓制”、“回程”按鈕，壓力機滑塊動作；按“停止”按鈕或壓下 行程開關(guān)，滑塊停止。2 ）按“頂出”、“退回”按鈕，頂出缸動作，壓下限位開關(guān)停止。其他控制要求：1 ）壓力機壓制藥柱時，為防止防爆門未關(guān)閉就加壓帶來的安全隱患，要 求滑塊在防爆門關(guān)閉的情況下才能下行。2）滑塊回到原位時，頂出缸才能頂出；同樣，頂出缸回到原位，滑塊才 能下行。3）自動保壓過程為閉環(huán)控制。4）保壓值可手動設(shè)定。3.3.2控制系統(tǒng)原理分析設(shè)計由上述的工作過程分析，結(jié)合 PLC閉環(huán)控制的特點，可設(shè)計出本壓力機工 作和控制的原理如圖3

33、.1所示。圖3.1壓力機控制原理框圖3.4 PLC輸入輸出量分析3.4.1 輸入輸出分配壓力機的控制系統(tǒng)中，各硬件的作用不同，則在控制系統(tǒng)中的位置也不同,其中，控制按鈕、行程開關(guān)和壓力變送器系發(fā)訊元件，要放在輸入端；繼電器、 接觸器、信號燈、電磁閥等為收訊元件，要放在輸出端。因此，PLC的輸入輸出可表示成圖3.2 。圖3.2 PLC輸入輸出框圖3.4.2 輸入量分析本設(shè)計壓力機的電氣控制系統(tǒng)中，需要主電機（用 M1表示）啟停按鈕各一 個，送料電機（用M3表示）往返按鈕各一個，滑塊下行、返回和停止按鈕各一 個，頂出缸頂出和停止按鈕各一個，急停按鈕一個，滑塊行程限位開關(guān)三個， 頂出缸限位開關(guān)兩個，

34、送料車限位開關(guān)兩個，自動 /手動工作切換開關(guān)一個，防 爆門關(guān)閉行程開關(guān)一個，保壓電動機（用M2表示）可以靠自動工作過程中PLC內(nèi)部程序控制實現(xiàn)啟停，不占用輸入口。因此，總計約20個開關(guān)輸入量。由于保壓過程為閉環(huán)控制，需要 PLC的模擬量處理，因此初步預(yù)計模擬量 輸入壓力傳感器（或壓力變送器）一個，壓力設(shè)定電位器一個，共2個模擬輸入量。3.4.3 輸出量分析壓力機動力系統(tǒng)共有三個壓力機，主電動機為星-三角形啟動，需要三個交 流接觸器；保壓電動機直接啟動，需要一個交流接觸器；送料電動機直接啟動， 往返（正反轉(zhuǎn)）各需要一個交流接觸器；根據(jù)壓力機的液壓系統(tǒng)中電磁閥的數(shù)本科生畢業(yè)設(shè)計量，共有10個電磁線

35、圈，總計約16個開關(guān)輸出量。根據(jù)保壓過程閉環(huán)控制過程及保壓回路所用比例閥，需要一路模擬量輸出。3.5 PLC選型及硬件配備根據(jù)上述控制特點，采用小型PLC即可滿足功能要求。由于西門子 S7-200 系列屬于小型PLC其許多功能達到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC 的一樣。特別是S7-2000PU22系列PLC由于它具有多種功能模塊和人機界面 可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡(luò)?？捎锰菪螆D、語句表和功能圖三種語言來編程。且指令功能強，易于掌握、操作方 便。近年來，S7-200PLC已在工業(yè)各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。S7-200 CPU22*g 列PLC共有五

36、種CPU真塊，具各自的技術(shù)指標(biāo)見表3.2 0,由于存在模擬量輸入 輸出，需要增加模擬量輸入輸出模塊，在西門子 S7-200系列PLC中有專門的模 擬量I/O擴展模塊。根據(jù)壓力機的輸入輸出量的數(shù)量和特點，本系統(tǒng)采用CPU226乍為其主機，EM235乍為模擬量輸入/&出擴展模塊。EM235勺輸入輸出技術(shù)規(guī)范如表3.3所示。表 3.2 S7-200 的 CPL®號特性CPU 231CPU 225CPU 224CPU K4XPCPU設(shè)砍PsiCPU 2西幅屏尺（mmj90 X 60 X 6290 X SO X 62120.5 x B0x62140 X BO K 熨ISOxBOx 62

37、程序存第S二帶過有根式上綿轎不帶運行寰式卜,循知40驪字節(jié)4096字節(jié)4096字節(jié)4096字節(jié)制92字節(jié)12288字節(jié)1空as字節(jié)1 63S4字節(jié)1陸湖字節(jié)245將字節(jié)尊削仔指跳2040字節(jié)2MA7 節(jié)819N?節(jié)1 口2相字節(jié)Id2M字節(jié)神電保護時同5剌、時1其小時1D0小時忖0小時+UII/0格川4輸出8檎人俯帽出砒出1端M哪出 之情入”嫡出24輸入”6檎出。個四故2干國枚17個歸快17年檢地1募通船款器 單和4 珞 30KHs: maoKHz4舲陰HX史踏芝燃出瞄3口KHz4踞 3QKHW4路 30 kHz £施00 kHz3路 30 kHz1 躋 100 kHz6路30帳也哪

38、|的國也喊沖幡出（DG鄲 20KHz22CMHz細 2DKHZ2路 100 kHz2K20KHz用制電也器112室時時鐘長卡內(nèi)置為置內(nèi)置通訊n1 S-4A5t S-4S51 S-J852 AS4fl52 AS 455浮點軸運用&七字I心映像大小輸入門£陰出）市事型執(zhí)行速度&金至梅拒學(xué)表3.3模擬量擴展模塊EM235俞入輸出技術(shù)規(guī)范輸入技術(shù)規(guī)范輸出技術(shù)規(guī)范輸入端口數(shù)4輸出端口數(shù)2取大輸入電壓30VDC信號范圍電壓輸出電流輸出士 10V0 20mA最大輸入電流32 mA分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器輸 入 范 圍電壓單極性0 10V,0 5V,0 1V,0 50mV,0 100

39、mV,0 50mV分辨率，1兩里程 電壓電流12位11位電壓雙極性±10V, ±5V, ±2.5V, ±1V, ±500mM ±250mV ±100mV ± 50mV ± 25mV精度，25° C 電壓輸出 電流輸出士 5%蔭量程士 5%蔭量程電流0 20mAAD轉(zhuǎn)換時間<250 s s設(shè)置時間100ds電壓輸出2ms電流輸出模擬量輸入階躍響應(yīng)1.5ms 至U 95%24VDC電壓范圍20.4 28.8最大驅(qū)動電壓輸出電流輸出5000 Q最小500 最大DC俞入阻抗>10MQ電壓輸入

40、；25 Q電流輸入數(shù)據(jù)字格式 雙極性，滿量程 單極性，滿量程-32000 +32000032000數(shù)據(jù)字格式 電壓 電流-32000 +320000+320003.6 輸入輸出方式的選擇和地址分配3.6.1 輸入輸出方式的選擇S7-200系列PLC輸入端可直接接按鈕和行程開關(guān)，輸出方式有繼電器輸出、 品閘管輸出和晶體管輸出三種，繼電器輸出的價格便宜，既可以驅(qū)動交流負載， 又可用于直流負載，而且適用的電壓范圍較寬、導(dǎo)通壓降小，同時承受瞬時過 電壓和過電流的能力較強。因此本設(shè)計中選用繼電器輸出方式，由繼電器驅(qū)動 后續(xù)交流接觸器和電磁閥線圈。由于輸出點較多，輸出電流較大，因此開關(guān)量 輸出回路采用外接

41、電源，減小 PLC負荷。模擬量輸入電流較小，可直接輸入， 模擬量輸出電流很小，不足以驅(qū)動比例閥，可接比例閥驅(qū)動電路放大器。3.6.2 輸入輸出的地址分配由前所述，壓力機初步估計約19個開關(guān)量輸入，兩個模擬量輸入，16個開 關(guān)量輸出，一個模擬量輸出。經(jīng)分析，輸入量中，因為緊急停車按鈕的設(shè)置是 為了處置重大設(shè)備或人身事故而采取的緊急停機措施，它應(yīng)直接作用于總電源 的控制器件，如果急停信號通過 PLC程序處理，不但占用其I/O點數(shù)，而且不 利于迅速可靠地處理安全事故，故可將急停按鈕設(shè)在外部電路中?；瑝K下行停 止按鈕和下行限位停止按鈕（手動工作）可并聯(lián)共用一個輸入口；防爆門關(guān)閉 行程開關(guān)和滑塊下行啟動

42、按鈕可以串聯(lián)共用一個輸入口。因此，實際只需要17個輸入口即可。輸入元件地址分配列于表 3.4中。表3.4輸入元件地址分配開關(guān)量輸入控制元件符號地址編號M1啟動按鈕SB1I0.0防爆門關(guān)閉行程開關(guān)SQ1自動/手動工作切換開關(guān)手動SAI0.1自動I0.2M1停止按鈕SB2I0.3滑塊下行啟動按鈕SB3I0.4滑塊慢進加壓行程開關(guān)SQ2I0.5滑塊下行手動停止按鈕SB4I0.6滑塊下行停止行程開關(guān)SQ3滑塊回程按鈕SB5I0.7滑塊回程停止限位開關(guān)SQ4I1.0頂出缸伸出按鈕SB6I1.1頂出缸退回按鈕SB7I1.2頂出缸伸出停止限位開關(guān)SQ5I1.3頂出缸退回停止限位開關(guān)SQ6I1.4M3正轉(zhuǎn)啟動

43、按鈕SB8I1.5M3反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB9I1.6送料小車送料到位停止限位開關(guān)SQ7I1.7送料小車退回停止限位開關(guān)SQ8I2.0模擬量輸入信號名稱信號類型地址編號壓力變送器模擬量信號4-20mA電流AIW0電位器模擬量信號4-20mA電流AIW1輸出口接繼電器，仍為16個輸出。輸入輸出的地址分配如下表 3,5所示表3.5輸出元件地址分配開關(guān)量輸出輸出繼電器編號繼電器所驅(qū)動元件地址編號名稱符號KA1交流接觸器KM1Q0.0KA2交流接觸器KM2Q0.1KA3交流接觸器KM3Q0.2KA4交流接觸器KM4Q0.3KA5交流接觸器KM5Q0.4KA6交流接觸器KM6Q0.5KA7電磁閥YA1Q0.6

44、KA8電磁閥YA2Q0.7KA9電磁閥YA3Q1.0KA10電磁閥YA4Q1.1KA11電磁閥YA5Q1.2KA12電磁閥YA6Q1.3KA13電磁閥YA7Q1.4KA14電磁閥YA8Q1.5KA15電磁閥YA9Q1.6KA16電磁閥YA10Q1.7模擬量輸出輸出信號信號類型地址編號比例閥控制信號0-20mA電流AQW03.6.3電氣控制系統(tǒng)硬件線路設(shè)計根據(jù)壓力機控制系統(tǒng)特點，設(shè)計出控制系統(tǒng)硬件線路圖如圖3.3和圖3.4圖3.3 PLC外部I/O接線圖圖3.4主電路接線圖3.6.4電氣設(shè)備和元器件選擇由硬件線路圖中所列元件，考慮到壓力機控制系統(tǒng)中各部分對電壓、電流 和功率的要求，確定各電氣設(shè)備

45、和元器件清單列于表3.6中。表3.6電氣設(shè)備及元器件清單名稱代號型號規(guī)格數(shù)量電動機M1Y225L-41電動機M2YH160M11電動機M3Y160M-61交流接觸器KM KM1CJX1-1102交流接觸器KM (2,3 )CJX1-632交流接觸器KM (4,5,6 )CJX1-452斷路器QF1DZ20Y-400/31斷路器QF2DZ15-40/21熔斷器FU FU1RL1-200/200A2熔斷器FU (2,3 )RL1-60/60A2熔斷器FUI (4,5 )RL1-15/6A2熱繼電器FR1JR16-60/3D 120A 75 1201熱繼電器FR2JR16-60/3D 32A 20

46、321熱繼電器FR3JR16-60/3D 22A 14 221按鈕開關(guān)SBLAY3-11ZS/1 ,紅色1按鈕開關(guān)SB1,3,6,8 )LAY3-11D ,綠色4按鈕開關(guān)SB (2,4 )LAY3-11 ,紅色2按鈕開關(guān)SB (5,7,9 )LAY3-11 ,黑色3旋鈕開個SALAY3-22X/3 ,黑色1行程開關(guān)SQ (1,3 7)LXK3-20S/B6行程開關(guān)SQ2LXK3-20H/H11整流變壓器VCBKZ-5-380/-241信號燈HL,HL(1 4)AD0-5,220V,1.5W,紅色5信號燈HL (514 )DH16-51,24V,2W,綠色10中間繼電器YA (110 )HHC6

47、8B-2Z16電位器RPWWX0.25-11壓力變送器CYB-ZH8011比例溢流閥DBEM10-30/31.5Y/21比例放大器ADVT200013.7控制系統(tǒng)軟件設(shè)計3.7.1 工作過程分化在設(shè)計系統(tǒng)工作程序之前，首先要對系統(tǒng)的工作過程進行詳細的分析。本 壓力機有自動和手動兩種工作模式，再加上送料過程，可將總工作分為三個子 部分，即自動工作子過程、手動工作子過程和送料子過程。系統(tǒng)工作總過程流 程圖如圖3.5所示開始圖3.5壓力機工作總流程圖在程序設(shè)計過程中，可按照總工作要求進行總體把握，然后對各子過程工 總詳細過程進行分析，最后編出完整程序。3.7.2 手動工作子過程分析由本章第3節(jié)中對手

48、動工作過程的描述，結(jié)合輸入輸出地址分配特點，繪 出圖3.6所示的手動工作子過程流程圖。3.7.3 自動工作過程分析由本章第3節(jié)中對自動工作過程的描述，結(jié)合輸入輸出地址分配特點，繪 出圖3.7所示的自動工作子過程流程圖。圖3.6手動工作過程流程圖圖3.7自動工作過程流程圖3.7.4 送料過程分析送料過程中，按下送料開關(guān)，送料小車前進至卸料點停止；卸料完畢，按下退回按鈕，送料小車退回至原位停止。該過程的流程圖如圖3.8所示。送料過程結(jié)束圖3.8送料過程流程圖3.7.5 系統(tǒng)工作指令表程序設(shè)計在設(shè)計系統(tǒng)共走梯形圖程序之前，首先要了解壓力機液壓系統(tǒng)工作原理和 各電器元件及電磁閥動作順序。圖 3.8是所

49、設(shè)計壓力機的液壓系統(tǒng)原理圖；表 3.7為電器元件和電磁閥動作表。圖3.8壓力機液壓系統(tǒng)原理圖表3.7電器兀件和電磁閥動作表工作過程序號動作名稱發(fā)訊元件電磁鐵YA （+表示得電動作）電動機M12345678910123急停1緊急停車SB電機啟停1電動機M1啟動SB1+2電動機M1停止SB2送料1送料車前進SB8+2送料車停止，卸料SQ73送料車退回SB9+4送料車退回停止SQ81滑塊下行SB3+2滑塊停止SB4/SQ3+手3滑塊回程SB5+動4滑塊回程停止SQ4+工5頂出缸頂出SB6+作6頂出缸頂出停止SQ5+7頂出缸退回SB7+8頂出缸退回停止SQ6+1滑塊快速下行SB3+2滑塊慢速卜行并加壓

50、SQ2+自3保壓壓力變送器+動4滑塊泄壓回程PLC計時器+工5滑塊回程停止，頂出缸頂出SQ4+作6頂出缸頂出停止并延時SQ5+7頂出缸退回PLC計時器+8頂出缸退回停止SQ6+根據(jù)液壓原理圖和各器件動作表，可以設(shè)計出相應(yīng)的指令表程序，見附錄13.7.6 保壓過程PID控制過程分析在上面的指令表程序中，保壓過程啟動后，用插入子程序的方式表示了保壓過程，其具體保壓過程中涉及到了PID控制，現(xiàn)在對其進行粗略分析1. PID控制的原理PID控制原理可以用公式（3-1）表明：dx一，、Yn =（ x + KjJxdt+KdJ + M由（3-1）dt式中，YnPID回路的輸出，是時間的函數(shù)；K cPID回

51、路的增益，也叫比例常數(shù)；K i積分項的比例常數(shù)；K d微分項的比例常數(shù)；M initial PID回路輸出的初始值；X 給定值與過程變量的差值。在PLC中要實現(xiàn)PID控制，必須對這個式子進行離散化處理。由于上式中 的微分項和積分項在微機中不能直接準(zhǔn)確計算，只能用數(shù)值計算的方法逼近， 如果采樣周期取得足夠小，離散后的控制過程與連續(xù)控制十分接近。西門子S7-200系列PLC中有對應(yīng)的PID指令，只需要確定上式中的三個比 例常數(shù)及采樣頻率即可編出系統(tǒng)所需要的模擬控制子程序。本系統(tǒng)采用的是S7200系列PLC配套的EM235真擬量輸入輸出擴展模塊， 來實現(xiàn)被測壓力信號的模擬量輸入和控制比例閥的模擬量輸出。EM235勺輸入/輸出均編程為020m A范圍，壓力變送器檢測的壓力信號（420 mA電流）， 經(jīng)EM235專換成數(shù)字信號送入PLC與電位器設(shè)定的壓力信號（420mA電流， 也經(jīng)EM235專換成數(shù)字量）進行比較處理后，通過 PID調(diào)節(jié)運算，得到一定函 數(shù)關(guān)系對應(yīng)的數(shù)字信號，再經(jīng)EM235真塊轉(zhuǎn)換成模擬的電流信號輸出給比例放 大器，再經(jīng)比例放大器將放大后的電流輸送到比例閥線圈，從而調(diào)節(jié)液壓回路 流量，達到壓力控制的目的。2. PID控制中所用到的技術(shù)參數(shù)本設(shè)計中有兩路模擬量輸入，壓力檢測信號為主信號，