基于S7-300的機(jī)械手臂自動控制系統(tǒng)說明書

摘要隨著自動化生產(chǎn)程度的提高,PLC在生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。本設(shè)計是基于西門子公司S7-300可編程控制器，設(shè)計了機(jī)械手臂PLC控制的自動控制系統(tǒng)。該工藝過程主要是完成對電機(jī)的控制。系統(tǒng)主要由變頻器、轉(zhuǎn)臺電機(jī)、液壓泵電機(jī)、采樣頭電機(jī)、輸送機(jī)、破碎機(jī)、縮分機(jī)、收集器以及控制系統(tǒng)組成。通過對系統(tǒng)主電路、控制電路設(shè)計，給出了機(jī)械手臂自動控制系統(tǒng)完整的硬件接線圖和流程圖。根據(jù)機(jī)械手臂的生產(chǎn)工藝要求，設(shè)計并使用STEP7編制了一套適用于該生產(chǎn)工藝的梯形圖。利用Simens公司的Wincc完成了機(jī)械手臂的監(jiān)控界面。本設(shè)計過程中涉及較多的開關(guān)量輸入輸出點，應(yīng)選用配置靈活的模塊式結(jié)構(gòu)PLC以提高系統(tǒng)的可靠性與處理效率。關(guān)鍵詞：S7-300；機(jī)械手臂；自動控制AbstractWiththeimprovementofautomaticproduction,thePLCapplicationinproductioncontrolsystemisalsomoreandmorebroad.ThisdesignbasedontheSiemensS7-300programmablecontroller,PLCcontrolledroboticarmdesignedautomaticcontrolsystem.Thekeyistocompletetheprocessofmotorcontrol.Systemmainlyconsistsofinverter,turntablemotor,hydraulicpumpmotor,thesamplingheadandthemotor,conveyor,crusher,reducedextension,thecollectorandthecontrolsystem.Throughthedesignofsystemmaincircuitandcontrolcircuit,givesthecompletehardwareofthecontrolsystemwiringdiagramsandflowcharts.Accordingtothemechanicalarm'stechniqueofproduction'srequest,DesignanduseSTEP7forthepreparationofaladderintheproductionprocess.WinccbySimenscompanycompletedamechanicalarmmonitoringinterface.Thisdesigninvolvesmoreswitchesquantityinputoutputspot,thesimulationquantityinputoutputspot,thereforeselectsinputoutputdispositionnimblemoduletypestructurePLCtoenhancethesystemthereliabilityandtheprocessingefficiency.KeyWords:S7-300；Mechanicalarm；Automaticcontrol目錄第一章緒論11.1設(shè)計背景11.2設(shè)計目的11.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢21.4設(shè)計原那么3第二章系統(tǒng)方案設(shè)計42.1設(shè)計依據(jù)42.2各局部功能分述52.2.1采樣過程52.2.2制樣過程52.3控制方案的比擬、論證和確定52.3.1方案的比擬5.2方案論證及確定82.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖9第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計103.1設(shè)計依據(jù)103.2硬件設(shè)計103.3電動機(jī)選型143.4變頻器設(shè)計153.4.1概述153.4.2變頻器分類153.4.3變頻器的組成、工作原理及控制方式153.4.4變頻器選擇183.5硬件地址配置203.6控制系統(tǒng)模塊選擇223.6.1設(shè)計依據(jù)223.6.2S7-300系列PLC組成233.6.3S7-300PLC特點243.6.4模塊選擇24第四章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計324.1軟件設(shè)計分析324.2系統(tǒng)流程圖324.3STEP7編程過程374.3.1建立工程374.3.2硬件配置374.3.3STEP7編程38第五章組態(tài)畫面設(shè)計405.1組態(tài)軟件概述405.2WINCC的介紹405.3畫面組態(tài)405.3.1建立主界面405.3.2建立手動控制界面415.3.3動作過程42第六章S7-300與WINCC通訊43總結(jié)46參考文獻(xiàn)47英文翻譯原文48英文翻譯譯文60致謝69附錄70緒論1.1設(shè)計背景機(jī)械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移開工件功能的自動化裝置，它是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中開展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已經(jīng)成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速開展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的開展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已開展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成局部。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當(dāng)工件變更時柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，挺高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計是非常有意義的。1.2設(shè)計目的本設(shè)計通過對電氣工程及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識進(jìn)行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計，能夠比擬好地表達(dá)電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機(jī)結(jié)合。目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率，降低本錢，并使生產(chǎn)線開展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn)，針對具體生產(chǎn)工藝，利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計用一臺裝卸機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控車床〔數(shù)控銑床，加工中心等〕組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程〔上料、加料、下料〕的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速開展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商參加到制造業(yè)。本設(shè)計能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工工程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的開展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。目前，國際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奧地利的工GM公司。我國機(jī)械手起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過30多年開展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期。在我國，機(jī)械手市場份額大局部被國外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強手面前，國內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國〞向“制造強國〞邁進(jìn)，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會加大對機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)開展注入新的動力。隨著機(jī)械手開展的深度和廣度以及機(jī)器人智能水平的提高，機(jī)械手已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活效勞等領(lǐng)域機(jī)械手的應(yīng)用也越來越多。目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化開展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī).工業(yè)機(jī)器手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向開展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。.機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人那么采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。.焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真?？偟膩碚f，大體是兩個方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的根底上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。1.4設(shè)計原那么在設(shè)計之前，必須要有一個指導(dǎo)原那么。這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原那么是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的根底上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低本錢，同時提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原那么，同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如可編程控制器〔PLC〕、電子技術(shù)、自動控制等知識盡可能多的綜合運用到設(shè)計中，使得經(jīng)過本次設(shè)計對大學(xué)階段的知識得到穩(wěn)固和強化，同時也考慮到個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設(shè)計。系統(tǒng)方案設(shè)計2.1設(shè)計依據(jù)機(jī)械手臂是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實際應(yīng)用的自動化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂效勞、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。在多數(shù)工藝作業(yè)中，最常見的作業(yè)流程為：轉(zhuǎn)臺正轉(zhuǎn)→上缸伸長→下缸伸長→采樣頭正轉(zhuǎn)→上缸收縮→下缸收縮→轉(zhuǎn)臺反轉(zhuǎn)→采樣頭反轉(zhuǎn)→輸送機(jī)→破碎機(jī)→縮分器→收集器。早期的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)多為繼電器、接觸器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在設(shè)計周期長、體積大、本錢高等缺陷，幾乎無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負(fù)責(zé)操作。而將PLC應(yīng)用到機(jī)械手臂的控制系統(tǒng)后，不僅實現(xiàn)了機(jī)械手臂的自動化控制，降低了系統(tǒng)的運行費用，而且采用PLC控制系統(tǒng)具有連線簡單，控制速度快，精度高，可靠性和可維護(hù)性好，安裝、維修和改造方便等優(yōu)點。本系統(tǒng)設(shè)計中：機(jī)械手臂控制系統(tǒng)由采樣控制局部和制樣控制局部兩局部共同組成。其中采樣局部是由水平轉(zhuǎn)臺、兩節(jié)液壓驅(qū)動機(jī)械臂和機(jī)械手采樣頭裝置三局部組成。制樣局部由輸送機(jī)、破碎機(jī)、縮分器和收集器等構(gòu)成。機(jī)械手采樣制樣工作時的工藝順序如下圖。其中準(zhǔn)備動作為系統(tǒng)上電自檢、兩節(jié)機(jī)械手臂的啟動調(diào)整和校驗過程，校檢通過后才進(jìn)行下一步動作。兩節(jié)液壓缸臂的伸縮配合水平轉(zhuǎn)臺共同精確定位采樣位置。通過機(jī)械臂的伸縮以及裝在機(jī)械臂上的采樣頭動作，來進(jìn)行采樣和放料。原位原位采樣頭正轉(zhuǎn)采樣頭反轉(zhuǎn)輸送機(jī)破碎機(jī)縮分器收集器圖機(jī)械手臂控制系統(tǒng)自動運行時的工藝流程本次設(shè)計是根據(jù)工業(yè)機(jī)械手臂的工藝要求，完成采樣控制和制樣控制系統(tǒng)的電器控制電路設(shè)計和PLC控制程序的設(shè)計。自動控制系統(tǒng)由可編程控制器〔PLC〕控制柜、電機(jī)操作臺等組成。系統(tǒng)以PLC為核心，配以合理的低壓電氣、控制電動機(jī)，液壓閥等機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)機(jī)械手臂工藝過程的自動化。2.2各局部功能分述本設(shè)計主要完成機(jī)械手臂的采樣控制和制樣控制的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，故采用作業(yè)范圍大，效率高且便于操作的PLC控制來完成機(jī)械手臂生產(chǎn)過程的采樣和制樣動作過程?，F(xiàn)將各局部設(shè)計的工藝過程分別介紹如下：采樣過程該環(huán)節(jié)主要任務(wù)是完成從原料中采集能夠準(zhǔn)確代表原料質(zhì)量的樣品，運用裝在兩節(jié)液壓油缸上的限位開關(guān)信號，然后結(jié)合編碼器送來的控制轉(zhuǎn)臺水平方向的定位信號，送給S7-300PLC，以便PLC控制采樣電機(jī)采樣；本設(shè)計中的水平轉(zhuǎn)臺由變頻器控制的電機(jī)來帶動，轉(zhuǎn)臺電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制以及轉(zhuǎn)臺的速度控制由變頻器來控制完成，這樣就可以在實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制的同時輕松實現(xiàn)速度的控制。在轉(zhuǎn)臺電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)的過程中都有限位開關(guān)控制其旋轉(zhuǎn)的角度。采樣過程的工藝流程如下圖。圖機(jī)械手臂采樣過程的工藝流程.2制樣過程該環(huán)節(jié)的任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求使PLC能夠及時控制縮分器、收集器等工作，從而使生產(chǎn)連續(xù)的運行。機(jī)械手臂制樣過程的工藝流程如圖2.3所示。圖2.3機(jī)械手臂制樣過程的工藝流程2.3控制方案的比擬、論證和確定方案的比擬實現(xiàn)機(jī)械手臂工藝控制系統(tǒng)設(shè)計的方案有多種。常用技術(shù)方案選項有單片機(jī)〔MCS〕、工業(yè)計算機(jī)〔IPC〕、可編程計算機(jī)控制器〔PCC〕、可編程控制器〔PLC〕等。近幾十年來，IPC、單片機(jī)和PLC三者在技術(shù)上都有了長足的開展，在微電子技術(shù)開展的背景下，它們之間也有許多相同之處。例如，從硬件的角度來看，它們都是由微電子元件，微處理器，大容量半導(dǎo)體存儲器和I/O模件等組成。在軟件編程方面，也有很多相同點。因此，這三類自動化控制裝置在技術(shù)，功能和應(yīng)用領(lǐng)域上不斷地相互滲透，在很多場合下可以相互補充或替代。但是，由于IPC、單片機(jī)和PLC三者的技術(shù)起源不同，在技術(shù)開展的側(cè)重點和主要應(yīng)用背景上也有差異，它們又保持著各自的特點和優(yōu)勢，適合的應(yīng)用場合也不完全一樣。〔一〕：單片機(jī)所謂單片機(jī)系統(tǒng)就是采用單片機(jī)CPU及其它外圍芯片，根據(jù)不同系統(tǒng)設(shè)計電路板，最終設(shè)計成一臺簡易的計算機(jī)系統(tǒng)，并在此根底上設(shè)計程序以到達(dá)所要求的控制功能。單片機(jī)是由工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)開展而來，目前形成了以工業(yè)控制計算機(jī)為中心的集散系統(tǒng)。所以，單片機(jī)在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢，主要用在連續(xù)過程控制，側(cè)重回路調(diào)節(jié)功能。由于單片機(jī)的所有器件均不是工業(yè)級的，抗干擾性，特別是抗電源干擾能力很弱，可能引起單片機(jī)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而且一旦單片機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷出故障元件，操作人員必須翻閱說明書方能發(fā)現(xiàn)故障所在，按說明書指示排除故障，這樣排除故障的時間相對較長。最簡單的方法是更換整個系統(tǒng)，這樣就會增加維修本錢?？傊?，這樣的人機(jī)對話不夠友善。由于單片機(jī)的線路是根據(jù)一定的功能要求特別設(shè)計的，所以要增加一個功能就要重新設(shè)計線路，而且對應(yīng)的程序都要重新設(shè)計。一般單片機(jī)系統(tǒng)的操作均采用自動設(shè)計的鍵盤，設(shè)定數(shù)據(jù)用撥碼開關(guān)，顯示用LED，整個面板顯得繁鎖，而且為了減少操作鍵，設(shè)計時往往一鍵多用，操作人員很難脫開說明書操作。單片機(jī)系統(tǒng)在80年代國內(nèi)很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目前除了儀表上仍然采用外，在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用已逐步被PLC所代替。單片機(jī)的顯著優(yōu)勢在于單片機(jī)要改變控制規(guī)律和被控參數(shù)，只需要改變其程序就可以了，但同時也是它的劣勢，因為工程技術(shù)人員必須具備有較高的計算機(jī)專業(yè)知識才能對控制規(guī)律和被控參數(shù)進(jìn)行修改。鑒于這個原因且按照工程上的慣例，眾多工程技術(shù)人員還是喜歡采用PLC進(jìn)行控制。IPCIPC單片機(jī)速度給定位置反應(yīng)DI/DO圖2.4單片機(jī)控制系統(tǒng)〔二〕：工業(yè)計算機(jī)〔IPC〕所謂IPC系統(tǒng)就是采用工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)，在此根底上設(shè)計程序以到達(dá)所設(shè)計的功能。工控機(jī)由普通計算機(jī)開展起來，是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設(shè)備。在硬件結(jié)構(gòu)方面，總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，兼容性強；在軟件開發(fā)方面，軟件資源豐富，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持。因此，IPC在要求快速、實時性強、模型復(fù)雜和計算工作量大的工業(yè)對象的控制方面占有優(yōu)勢。由于IPC的主要器件均不是工業(yè)級的，相對單片機(jī)系統(tǒng)，抗干擾性特別是抗電源干擾能力雖然有一定提高，但變頻調(diào)速對電源的干擾很大，因此也可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。一旦工控機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷出故障元件，這樣維修周期增加，而且非專業(yè)人員不能維修，如果故障由于程序設(shè)計不合理引起，如果缺乏適宜的調(diào)試工具，要找出故障原因也很困難。系統(tǒng)假設(shè)要增加一個功能就要重新設(shè)計對應(yīng)的程序，而IPC的編程又相比照擬復(fù)雜，這樣對于現(xiàn)場操作人員的要求就比擬高，雖然操作的界面較為友善，但對于不熟悉計算機(jī)系統(tǒng)的人來說，仍然不夠簡便易學(xué)。工業(yè)計算機(jī)IPC用于工業(yè)現(xiàn)場的個人計算機(jī)系統(tǒng)，具有功能強大、軟件豐富和界面友好等優(yōu)點。但是IPC軟件開發(fā)周期長，接口模塊少，布線不靈活，安裝體積大，擴(kuò)展性差。在本系統(tǒng)中，控制現(xiàn)場環(huán)境相對不是較惡劣〔高溫、多煙塵等〕，控制器的高度可靠性是工程師在設(shè)計中首先要考慮的問題。且IPC的價格相對較高?！踩常嚎删幊逃嬎銠C(jī)控制器〔PCC〕PCC是一種不同于PLC和IPC的新一代控制器，代表了當(dāng)今工業(yè)控制技術(shù)。它不僅吸收了PLC和IPC的優(yōu)點，而且自身優(yōu)勢也很明顯。它采用了分時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可十分靈活的利用操作系統(tǒng)調(diào)度和管理整個系統(tǒng)，PCC模式和IPC模式相比，優(yōu)勢在于設(shè)計時能提供面向工業(yè)的專業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，符合軟件及硬件的模塊化的設(shè)計。此外，PCC還能方便的處理設(shè)計中的開關(guān)量和模擬量、靈活的進(jìn)行回路調(diào)節(jié)、能使用高級語言編程。但作為新興的控制器，廣闊工程技術(shù)人員對其可靠性和廠商能否提供優(yōu)良的后續(xù)效勞和技術(shù)支持抱疑心的態(tài)度。同時，作為先進(jìn)的控制技術(shù)，工廠維護(hù)人員對之知之甚少，不利于維護(hù)。而PCC的技術(shù)本錢也是我們不得不考慮的因素?！菜摹常嚎删幊踢壿嬁刂破?簡稱PLC)可編程邏輯控制器(簡稱PLC)是以微處理器為根底，綜合了計算機(jī)技術(shù)與自動化控制技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制器產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械的過程控制中，被認(rèn)為是構(gòu)成機(jī)電一體化產(chǎn)品的重要裝置。PLC是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下而設(shè)計，采用了可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲邏輯運算、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)字或模擬輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌渫鈬O(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原那么設(shè)計。由于其面向用戶的指令系統(tǒng)、具有數(shù)字量或模擬量的輸入輸出能力，使得其應(yīng)用非常方便，特別適用于各種工業(yè)設(shè)備的控制。PLC之所以得到迅速開展和廣泛應(yīng)用，主要是由于它具有以下特點：〔1〕.可靠性高、抗干擾能力強、用軟件實現(xiàn)大量的開關(guān)量邏輯運算，克服了因繼電器觸頭不良而造成的故障；輸入采用直流低電壓，更加可靠、平安；面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計，采用濾波、屏蔽、隔離等抗干擾措施，適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)和一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)?！?〕.編程簡單、易于掌握PLC采用梯形圖方式的編程，與繼電器邏輯控制的設(shè)計相似，具有直觀、簡單、易于掌握等優(yōu)點?！?〕.功能完善、使用靈活方便隨著PLC技術(shù)的不斷開展，其功能更加完善，不僅具有開關(guān)量邏輯控制功能、步進(jìn)和計數(shù)功能，還具有模擬量處理、溫度控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。既可單機(jī)使用，也可聯(lián)網(wǎng)運行；既可集中控制，也可分布控制。運行過程中可隨時修改控制邏輯，增減系統(tǒng)的功能。〔4〕.體積小、質(zhì)量輕、功耗低由于采用了單片機(jī)等集成芯片，其體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低。進(jìn)入90年代后，PLC機(jī)的性能價格比大幅度地提高，尤其是PLC機(jī)較過去的繼電器回路，其硬件配置靈活，組態(tài)方便，控制系統(tǒng)簡單明了，接線簡單、可靠，便于查找故障點，使得PLC已經(jīng)成為新一代工業(yè)控制機(jī)的首選裝置。IPCIPCPLC速度給定位置反應(yīng)DI/DO圖2.5PLC控制系統(tǒng)方案論證及確定由于本次設(shè)計的系統(tǒng)要在現(xiàn)場使用，且通過對以上幾種控制方案的比照，我發(fā)現(xiàn)采用可編程序控制器(簡稱PLC)不但能到達(dá)機(jī)械手抓放工藝控制系統(tǒng)需要的控制要求，而且控制精度和可靠性能也都令人滿意，PLC這項控制技術(shù)在工程實際中應(yīng)用的時間較長，范圍較廣，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在工程技術(shù)人員心目中有不可替代的地位。最重要的是PLC可根據(jù)電流保護(hù)的要求適時輸出，控制斷路器的脫扣跳閘裝置完成保護(hù)動作。綜合比擬以上四種方案，從本設(shè)計的設(shè)計要求來看，機(jī)械手臂工作環(huán)境比擬差，處于高溫、多塵環(huán)境；從其輸入、輸出來看，用到的根本上都是數(shù)字量，模擬量很少；從編程的角度來看，PLC編程簡單、靈活；從可靠性、維修等方面來說，PLC具備高可靠性、便于維修的優(yōu)點；通過以上的分析，本設(shè)計采用方案四較好，故我決定采用PLC控制。2.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)臺電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制以及轉(zhuǎn)臺的速度控制由變頻器來控制完成，這樣就可以在實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制的同時輕松實現(xiàn)速度的控制。液壓站的啟動停止由PLC發(fā)出的信號來控制。系統(tǒng)設(shè)置了報警提示，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常工作情況時，報警指示燈點亮，以提示工作人員采取措施以保護(hù)設(shè)備。急停按鈕可以在系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況的時候?qū)崿F(xiàn)快速停車。本設(shè)計采用西門子S7-300系列PLC。通過上述對系統(tǒng)的工作原理的分析，設(shè)計出的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下列圖2.6所示：西門子S7-300可編程控制器西門子S7-300可編程控制器變頻器轉(zhuǎn)臺電機(jī)顯示、報警采樣頭液壓泵輸送機(jī)、破碎機(jī)、縮分器、收集器圖2.6機(jī)械手臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計設(shè)計依據(jù)軟件設(shè)計表達(dá)在怎樣去控制所要控制的對象，怎樣把整個控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。硬件的設(shè)計那么能表達(dá)出整個控制系統(tǒng)的流程。硬件設(shè)計是軟件設(shè)計的根底，軟件設(shè)計是硬件設(shè)計功能的集中表達(dá)。在本章主要是硬件設(shè)計及器件選擇。經(jīng)過對系統(tǒng)的功能要求和性能指標(biāo)的分析，把整個控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為以下幾個模塊來完成：〔1〕.轉(zhuǎn)臺電機(jī)、變頻器控制設(shè)計；〔2〕.上、下液壓缸伸縮控制設(shè)計；〔3〕.采樣頭電機(jī)控制設(shè)計；〔4〕.輸送機(jī)、破碎機(jī)、縮分器、收集器控制設(shè)計。根據(jù)前面已經(jīng)確定了的方案來設(shè)計相關(guān)的硬件圖。硬件設(shè)計之前，要考慮到供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)的設(shè)定直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性，故在設(shè)計硬件時是要據(jù)以下幾方面來設(shè)計：1.輸入電源電壓在一定的允許范圍內(nèi)變化；2.當(dāng)輸入交流電斷電時，應(yīng)不破壞控制器的程序和數(shù)據(jù)；3.當(dāng)控制系統(tǒng)不允許斷電的場合，要考慮供電電源的冗余；4.當(dāng)外部設(shè)備電源斷電時，應(yīng)不影響控制器的供電；綜合以上幾方面的考慮，可以把供電線路設(shè)計如下：供電直接采用市電網(wǎng)提供的380V/AC50HZ；配電方面主要是給7臺鼠籠式異步電動機(jī)和控制系統(tǒng)中PLC的電源模塊、輸入輸出模塊的電能分配，所用的PLC需要的電壓既有交流又有直流，交流電壓可以用照明電來供給，而直流電流那么由電源模塊來供給。變頻器那么是380V的三相交流電源來供給，電動機(jī)用的電也是380V的三相交流電。在整個供電系統(tǒng)中采取了很多的保護(hù)環(huán)節(jié)，如：熔斷器，熱繼電器、斷路器等等。在硬件設(shè)計中，要注意應(yīng)該對電的質(zhì)量進(jìn)行控制。各個硬件模塊的設(shè)計主要是選擇電機(jī)，變頻器。硬件設(shè)計〔1〕.機(jī)械手臂轉(zhuǎn)臺電機(jī)、變頻器控制電路圖如下列圖3.1所示：該電路圖中有一臺電機(jī)，M1為轉(zhuǎn)臺電機(jī)；三相交流電源通過斷路器QF將電源引入，F(xiàn)U1為轉(zhuǎn)臺電機(jī)M1的短路保護(hù)，F(xiàn)R1為轉(zhuǎn)臺電機(jī)M1的過載保護(hù)。SA為轉(zhuǎn)臺電機(jī)的手、自動選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)。使用變頻器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)臺電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；由于變頻器有過流保護(hù)，過載保護(hù)，欠壓保護(hù)等，因此在電路中不需要再單獨參加這些保護(hù)裝置。圖3.1機(jī)械手臂轉(zhuǎn)臺電機(jī)、變頻器控制電路圖a).轉(zhuǎn)臺電機(jī)M1：為整個轉(zhuǎn)臺提供動力之用。其控制方式可以有“自動〞和“手動〞兩種，在“自動〞方式下，轉(zhuǎn)臺在電機(jī)的作用下自動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)停止位置由限位開關(guān)控制，S1、S2分別為轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到90o和0o的限位開關(guān)；在“手動〞方式下，那么由手動按鈕SB0、SB2轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。b).變頻器:變頻器WIN9控制轉(zhuǎn)臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻器的正、反轉(zhuǎn)由PLC控制，通電和斷電由空氣斷路器控制QF1和接觸器KM1控制?！?〕液壓泵電機(jī)控制電路圖如下列圖3.2所示：該電路圖中只有一臺電機(jī)M2采樣頭電機(jī)，F(xiàn)U2、FR2分別為電機(jī)M2的短路保護(hù)和過載保護(hù)。液壓泵電機(jī)可以手動啟動，也可以由PLC控制啟動。液壓泵主要功能是向液壓缸中輸送液體，從而使液壓缸伸長、收縮。在該電路中有兩節(jié)液壓缸，兩節(jié)液壓缸伸長、收縮的程度均由限位開關(guān)控制。液壓缸的伸縮是由繼電器控制的，即液體進(jìn)出液壓缸是由繼電器來控制，在轉(zhuǎn)臺電機(jī)轉(zhuǎn)過90度后，液壓泵電機(jī)啟動，這時控制上缸的繼電器動作，液體進(jìn)入上缸，使上缸伸長，當(dāng)上缸伸長到限位開關(guān)所限定的高度時，限位開關(guān)動作，使線圈失電，液體不再進(jìn)入上缸；接下來控制下缸的繼電器動作，液體進(jìn)入下缸，使下缸伸長，當(dāng)下缸伸長到限位開關(guān)所限定的高度時，限位開關(guān)動作，線圈失電，液體不再進(jìn)入下缸。上、下缸的收縮也是同樣的道理。液壓泵電機(jī)控制電路圖〔3〕采樣頭電機(jī)控制電路圖如下列圖3.3所示：該電路圖中只有一臺電機(jī)M3采樣頭電機(jī)，F(xiàn)U3、FR3分別為電機(jī)M3的短路保護(hù)和過載保護(hù)。采樣電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)可以由PLC控制，也可以手動控制。在采樣頭上安裝有限位開關(guān)，控制采樣頭對貨物的抓緊和松開。在液壓缸的下缸伸長到最高端時，采樣頭電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動，采樣頭處在夾緊貨物的狀態(tài)，當(dāng)控制采樣頭夾緊的限位開關(guān)動作后，采樣頭停止夾緊，采樣頭電機(jī)停止，夾取貨物過程結(jié)束。在液壓缸的下缸收縮到最下端時，采樣頭電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動，采樣頭處在松開貨物的狀態(tài)，當(dāng)控制采樣頭松開的限位開關(guān)動作后，采樣頭停止松開，采樣頭電機(jī)停止，松開貨物過程結(jié)束。圖3.3采樣頭電機(jī)控制電路圖〔4〕輸送機(jī)、破碎機(jī)、縮分器、收集器控制電路圖如下列圖3.4所示：該電路圖中有四臺電機(jī)，M4為輸送電機(jī)，完成對機(jī)械手抓取貨物的輸送；M5為破碎機(jī)；M6為縮分器；M7為收集器；FU5、FU6、FU7、FU8分別為電機(jī)M4、M5、M6、M7的短路保護(hù)；FR5、FR6、FR7、FR8分別為四臺電機(jī)的過載保護(hù)；對于四臺電機(jī)都有手動開始、停止按鈕。圖輸送機(jī)、破碎機(jī)、縮分器、收集器控制電路圖3.3電動機(jī)選型本設(shè)計中所采用的電機(jī)，選擇一般的電動機(jī)，即可以滿足要求，為此我選用Y系列電動機(jī)，該系列電動機(jī)為鼠籠型三相異步電動機(jī)，是我國統(tǒng)一設(shè)計的產(chǎn)品，具有效率高、節(jié)能、堵轉(zhuǎn)矩高、噪聲低、振動小、運行平安可靠等特點。電機(jī)為B級絕緣，外殼防護(hù)等級為IP23，安裝形式為IMB3，3kW及以下電動機(jī)定子繞組為Y形接法，4kW及以上電動機(jī)定子繞組為三角形接法。技術(shù)數(shù)據(jù)為：電動機(jī)額定電壓為380V，額定頻率為50Hz。Y系列電動機(jī)型號及含義如下列圖3.5所示：Y鼠籠型異步電動機(jī)中心高〔mm〕極數(shù)鐵心長度序號Y鼠籠型異步電動機(jī)中心高〔mm〕極數(shù)鐵心長度序號機(jī)座長度序號圖3.5Y系列電動機(jī)型號及含義電機(jī)型號額定值額定電流(A)額定功率〔kW〕效率〔%〕功率因數(shù)額定轉(zhuǎn)速〔r/min〕采樣頭電機(jī)Y90L-248262840液壓泵電機(jī)Y160M-158883000轉(zhuǎn)臺電機(jī)Y160M-158883000輸送機(jī)電機(jī)Y160M-158883000破碎機(jī)電機(jī)Y160M-158883000縮分器電機(jī)Y112M-242890收集器電機(jī)Y112M-242890表1三相異步電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)表正常運行時，定子繞組接成三角形的三相鼠籠型異步電動機(jī)，可采用Y/Δ的降壓起動方法來到達(dá)限制起動電流的目的。采用該起動方法，定子繞組星型聯(lián)結(jié)狀態(tài)下起動電壓為三角形聯(lián)結(jié)起動電壓的1/3。起動轉(zhuǎn)矩為三角形聯(lián)結(jié)起動轉(zhuǎn)矩的1/3。起動電流也為三角形聯(lián)結(jié)直接起動電流的1/3。與其它降壓起動相比，該起動方法起動投資少、線路簡單，但起動轉(zhuǎn)矩小。變頻器設(shè)計概述近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的開展，生產(chǎn)工藝的改良及功率半導(dǎo)體器件價格的降低，變頻調(diào)速越來越被工業(yè)上所采用。如何選擇性能好的變頻器應(yīng)用到工業(yè)控制中，是專業(yè)技術(shù)人員和研究人員追求的目標(biāo)。目前，我國市場上的變頻器的種類很多同一公司又有許多不同型號，價格也不等。選用變頻器時不要認(rèn)為檔次越高越好，而應(yīng)按拖動負(fù)載的特性選擇適宜的變頻器，滿足使用要求就可，以便做到量才使用，經(jīng)濟(jì)實惠。變頻器是把電壓、頻率固定的交流電變換成電壓、頻率分別可調(diào)的交流電的變換器。變頻器利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，把DC(直流)轉(zhuǎn)換成AC(交流)，利用常用電源供給的電力，在變頻器內(nèi)變換電壓和頻率，以控制電機(jī)速度。變頻調(diào)速器與外界的聯(lián)系點根本上分三局部：1〕.電路接線端：包括工頻電網(wǎng)的輸入端〔R，S，T〕，接電機(jī)的頻率，電壓連續(xù)可調(diào)的輸出端〔U，V，W〕。2〕.控制端子：包括外部信號控制變頻調(diào)速器工作的端子，變頻帶調(diào)速器工作狀態(tài)指示端子，變頻器與微機(jī)或其他變頻的通訊接口。3〕.操作面板：包括液晶顯示屏和鍵盤。變頻器分類1〕.變頻器按其供電電壓分為：低壓變頻器〔110V/220V/380V〕、中壓變〔500V/660V/1140V〕、高壓變頻器〔3KV/3.3KV/6KV/6.6KV/10KV〕。2〕.變頻器按其控制方式分為：V/F〔電壓/頻率〕控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制三種主要方式。3〕.變頻器按其功能分為：恒轉(zhuǎn)矩型變頻器、恒功率型變頻器、平方轉(zhuǎn)矩型變頻器、簡易型變頻器、專用型變頻器。4〕.變頻器按其直流電源的性質(zhì)分為：電流型變頻器和電壓型變頻器。5〕.變頻器按其機(jī)殼外形分為：塑殼變頻器、鐵殼變頻器、柜式變頻器及無外殼特殊〔專用〕變頻器。6〕.變頻器按其輸出功率大小分為：小功率變頻器〔10KW以下〕、中功率變頻器〔100KW以下〕、大功率變頻器〔100KW以上〕。變頻器的組成、工作原理及控制方式1.變頻器的組成變頻器的根本構(gòu)成如下列圖3.6所示：整流電路逆變電路直流中間電路 交流電整流電路逆變電路直流中間電路 交流電〔商用電源〕〔頻率和電壓控制電路可調(diào)的交流電〕控制電路圖3.6變頻器的根本構(gòu)成變頻器由整流電路、中間直流環(huán)節(jié)、逆變電路、控制電路組成，其功能是將頻率固定的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。變頻器的輸入端〔〕接至頻率固定的三相交流電源，輸出端〔〕輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電，接至電動機(jī)。變頻器的核心局部是“逆變電路〞。整流電路的作用是將三相〔或單相〕交流電整流成直流。中間直流環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)將整流器輸出的交流成分濾除掉獲得純直流電提供給逆變器。逆變器將直流電重新逆變?yōu)樾碌念l率的三相交流電，驅(qū)動負(fù)載電動機(jī)轉(zhuǎn)動。控制電路由檢測電路、信號輸入、信號輸出、功率管驅(qū)動、各種控制信號的計算等局部組成，該局部環(huán)節(jié)主要由高性能的微機(jī)與外圍設(shè)備組成的微機(jī)控制系統(tǒng)完成。它具有控制功能強、硬件簡單等特點。目前應(yīng)用最廣泛的是交—直—交變頻器，其根本結(jié)構(gòu)框圖如下列圖3.7所示：整流整流逆變RSTUVW直流UD380V50HZ0~380V0~100HZ交流交流圖3.7變頻器根本結(jié)構(gòu)框圖2.變頻器的工作原理我們知道，交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：n＝60f(1－s)/p〔1〕式中：n———異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；f———異步電動機(jī)的頻率；s———電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；p———電動機(jī)極對數(shù)。由式(1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。當(dāng)頻率連續(xù)可調(diào)時，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)。又因為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是比同步轉(zhuǎn)速低一些。所以，當(dāng)連續(xù)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也是可調(diào)的。3.變頻器的控制方式低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式可分為以下5種：〔1〕.U/f=C的正弦脈寬調(diào)制〔SPWM〕控制方式其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、本錢較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求。但這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，使得輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。其機(jī)械特性本身也沒有直流電動機(jī)硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力、靜態(tài)調(diào)速性能、系統(tǒng)性能都不盡如人意，再加上轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高。因此，人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速?！?〕.電壓空間矢量〔SVPWM〕控制方式該控制方式是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。該方式控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。〔3〕.矢量控制〔VC〕方式該方式其實質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度，磁場兩個分量進(jìn)行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。但在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機(jī)控制過程中，用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實際的控制效果難以到達(dá)理想分析的結(jié)果?！?〕.直接轉(zhuǎn)矩控制〔DTC〕方式直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)的提出，在很大程度上解決了上述矢量控制的缺乏，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速開展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算?！?〕.矩陣式交—交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反應(yīng)回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應(yīng)運而生。矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，省去了體積大、價格貴的電解電容。故功率因數(shù)能到達(dá)l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。變頻器選擇1.變頻器容量的選擇變頻器的容量選擇與電動機(jī)的容量能否充分發(fā)揮密切相關(guān)。變頻器容量的選擇是一個重要且復(fù)雜的問題，要考慮變頻器容量與電動機(jī)容量的匹配。容量偏小會影響電動機(jī)有效力矩的輸出，影響系統(tǒng)的正常運行，甚至損壞裝置。相反，變頻器容量選擇過大，變頻器的余量就顯得沒有意義，增加了設(shè)備投資，而且容量偏大，那么電流的諧波分量會增大，也增加了設(shè)備投資。如果實際加減速時的轉(zhuǎn)矩較小，那么可以減小變頻器的容量，但也應(yīng)留有10%的裕量。變頻器額定〔輸出〕電流允許倍數(shù)及時間可由產(chǎn)品說明書查得?！沧⒁猓涸跐M足生產(chǎn)機(jī)械要求的前提下，變頻器容量越小越經(jīng)濟(jì)?！?.變頻器頻率范圍的設(shè)定變頻器是通過調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的，變頻器的頻率給定方式大致有：面板給定、外接給定、電流給定、程序給定和通訊給定。本設(shè)計采用程序給定，在程序中通過賦值來改變變頻器地頻率。1〕.根本頻率與最高頻率電動機(jī)的額定頻率稱為變頻器的根本頻率，當(dāng)頻率給定信號為最大值時，變頻器的給定頻率，稱為最高頻率，在上升時間一定的情況下，最高頻率決定了變頻器輸出頻率的變化速度。2〕.上限頻率與下限頻率上限頻率與下限頻率是調(diào)速控制系統(tǒng)所要求變頻器的工作范圍，它們的大小應(yīng)根據(jù)實際工作情況設(shè)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，阻轉(zhuǎn)矩增加很多，容易使電動機(jī)過載，因此把上限頻率設(shè)置為50HZ。3.變頻器選型由于轉(zhuǎn)臺電機(jī)的負(fù)荷變化不大，故即使是V/F控制方式也能滿足要求，變頻器在設(shè)計系統(tǒng)中的作用就是提高控制精度，到達(dá)節(jié)約能源的目的，而WIN9系列通用變頻器就能很好地滿足這個要求，該系列變頻器具有各種智能化功能，如自動節(jié)能、PID控制、參數(shù)自整定和RS485通信等，并增強了維護(hù)和保護(hù)功能；對正在旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)瞬時停電后，能通過檢測電動機(jī)的速度，無沖擊地再起動電動機(jī)，具有多種頻率設(shè)定方法，如鍵設(shè)定或模擬輸入設(shè)定、正反轉(zhuǎn)控制等等。鍵盤面板具有多種顯示，能顯示輸出頻率、輸出電流、輸出電壓、電動機(jī)速度、跳閘記錄等；又考慮負(fù)載的技術(shù)要求及經(jīng)濟(jì)性，我選擇WIN9系列通用變頻器。1).減小了靜差度由于采用了有反應(yīng)的矢量控制，電動機(jī)調(diào)速后的機(jī)械特性很“硬〞，靜差度可不小于3%。2〕.具有轉(zhuǎn)矩限制功能下垂特性是指在電動機(jī)嚴(yán)重過載時，能自動地將電流限制在一定范圍內(nèi)，即使堵轉(zhuǎn)，也能將電流限制住，新系列的變頻器都具有“轉(zhuǎn)矩限制〞功能，十分方便。3〕.“爬行〞距離易控制各種變頻器在采用有反應(yīng)矢量控制的情況下，一般都具有“零速轉(zhuǎn)矩〞，即使工作頻率為0Hz，也有足夠大的轉(zhuǎn)矩，使負(fù)載的轉(zhuǎn)速為0r/min從而有效控制了小車的爬行距離，使其不越位。4〕.節(jié)能效果可觀拖動系統(tǒng)的簡化使附加損失大為減少，采用變頻調(diào)速后，電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線十分貼近負(fù)載的機(jī)械特性，進(jìn)一步提高了電動機(jī)的效率。所以，節(jié)能效果是十分可觀的。5.變頻器在本設(shè)計中的接線如下列圖3.8所示：圖3.8變頻器接線圖上圖分析如下：〔1〕.斷路器QF1和接觸器KM1用于接通變頻器的電源斷路器主要起以下兩個作用：隔離作用：當(dāng)變頻器需要檢修時或者因某種原因長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。保護(hù)作用：當(dāng)變頻器的輸入側(cè)發(fā)生短路等故障時進(jìn)行保護(hù)。選擇原那么：由于：a.變頻器在剛接通電源的瞬間，對電抗器的充電可高達(dá)額定電流的2-3倍；b.變頻器的進(jìn)線電流時脈沖電流，其峰值可能超過額定電流；c.變頻器允許的過載能力為150%>1min。所以為了防止誤動作，斷路器額定電流IQN應(yīng)選：IQN≥〔1.3-1.4〕ININ─變頻器額定電流接觸器〔KM〕一般講不是必須的，使用它主要有以下兩個作用：a.可通過按鈕開關(guān)方便地控制變頻器的通電與斷電；b.變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源。選擇原那么：由于接觸器自身并無保護(hù)功能，不存在誤動作的問題，應(yīng)選擇原那么為：主觸點的額定電流IKN≥IN〔2〕.因為變頻器有比擬完善的過電流和過載保護(hù)功能，且空氣開關(guān)也具有過電流保護(hù)功能，故進(jìn)線側(cè)可不接熔斷器?！?〕.變頻器內(nèi)部具有電子熱保護(hù)功能，故在只接一臺電動機(jī)的情況下可不必接熱繼電器。〔4〕.R、S、T為主回路電源端子，接3相380V交流電，不需要考慮相序。U、V、W為逆變器輸出端子，按正確相序接至三相交流電動機(jī)，相序不正確會使電動機(jī)反轉(zhuǎn)。E(G)是設(shè)備的接地端子，它可保護(hù)人身平安與減少噪聲。FOR、COM為正轉(zhuǎn)/停止輸入端。為開關(guān)量輸入，即當(dāng)二點短路時電動機(jī)正轉(zhuǎn)，斷開時電動機(jī)停止運行。REV、COM為反轉(zhuǎn)/停止輸入端，開關(guān)量輸入。3.5硬件地址配置在整個PLC系統(tǒng)中，任何一個I/O通道都必須配置相應(yīng)的I/O地址，I/O地址通常由系統(tǒng)提供缺省配置，也可以根據(jù)需要對I/O通道地址進(jìn)行手動配置。每個開關(guān)量模塊占4個字節(jié)的空間，而每個開關(guān)量模塊最多有32路開關(guān)量輸入/輸出通道，即1個開關(guān)量通道對應(yīng)4個字節(jié)中的1個位。每個模擬量模塊占16個字節(jié)的空間，而每個模擬量模塊最多有8路模擬量輸入/輸出通道，即一個模擬量通道對應(yīng)16個字節(jié)中的2個字節(jié)。PLC的I/O點數(shù)確實定以系統(tǒng)實際的輸入輸出點數(shù)為根底。選擇I/O點數(shù)時，應(yīng)留有適當(dāng)裕量。目前PLC的I/O點價格還較高，如果備用的I/O點的數(shù)量太多，就會使本錢增加。因此，通常I/O點數(shù)可按實際需要的10﹪～15﹪考慮裕量。本設(shè)計中用到的輸入有：啟動、停止按鈕〔20個〕；故障顯示〔8個〕；限位開關(guān)〔8個〕；運行反應(yīng)〔14個〕；共60個。數(shù)字量輸入的地址分配及符號如下表2所示：輸入I/O地址符號輸入I/O地址符號轉(zhuǎn)臺電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動ISB0轉(zhuǎn)臺電機(jī)正轉(zhuǎn)停止SB1轉(zhuǎn)臺電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動SB2轉(zhuǎn)臺電機(jī)反轉(zhuǎn)停止SB3液壓泵電機(jī)啟動SB4采樣電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動ISB5采樣電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動SB6輸送機(jī)電機(jī)啟動SB7破碎機(jī)電機(jī)啟動ISB8縮分器電機(jī)啟動ISB9收集器電機(jī)啟動ISB10急停按鈕ISB11總啟動按鈕ISB12手動運行按鈕SB13自動運行按鈕I1.6SB14I1.7轉(zhuǎn)臺電機(jī)故障IFR1液壓泵電機(jī)故障FR2采樣頭電機(jī)故障FR3輸送機(jī)電機(jī)故障FR4破碎機(jī)電機(jī)故障FR5縮分器電機(jī)故障FR6收集器電機(jī)故障FR7變頻器故障I2.7TA1液壓泵電機(jī)停止SB15上缸伸長SB16上缸收縮SB17下缸伸長SB18下缸收縮SB19轉(zhuǎn)臺電機(jī)正轉(zhuǎn)限位開關(guān)S0轉(zhuǎn)臺電機(jī)反轉(zhuǎn)限位開關(guān)I4.1S1上缸伸長限位開關(guān)S2上缸收縮限位開關(guān)S3下缸伸長限位開關(guān)S4下缸收縮限位開關(guān)S5采樣頭夾緊限位開關(guān)S6采樣頭松開限位開關(guān)S7轉(zhuǎn)臺電機(jī)正常運行反應(yīng)KM1轉(zhuǎn)臺電機(jī)正轉(zhuǎn)運行反應(yīng)K15轉(zhuǎn)臺電機(jī)反轉(zhuǎn)運行反應(yīng)K16液壓泵電機(jī)正常運行反應(yīng)KM2上缸伸長反應(yīng)K24上缸收縮反應(yīng)K25下缸伸長反應(yīng)K28下缸收縮反應(yīng)I5.7K29采樣電機(jī)正轉(zhuǎn)反應(yīng)KM3采樣電機(jī)反轉(zhuǎn)反應(yīng)I6.1KM4輸送機(jī)正常運行反應(yīng)I6.2KM5破碎機(jī)正常運行反應(yīng)I6.3KM6縮分器正常運行反應(yīng)I6.4KM7收集器正常運行反應(yīng)I6.5KM8表2數(shù)字量輸入的地址分配及符號表本設(shè)計中用到的數(shù)字量輸出較少，共18個，數(shù)字量輸出的地址分配表如下表3所示：輸出I/O地址輸出I/O地址轉(zhuǎn)臺電機(jī)啟動轉(zhuǎn)臺電機(jī)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺電機(jī)反轉(zhuǎn)變頻器手動變頻器自動液壓泵電機(jī)啟動上缸伸長上缸收縮下缸伸長下缸收縮采樣電機(jī)正轉(zhuǎn)采樣電機(jī)反轉(zhuǎn)輸送機(jī)電機(jī)啟動破碎機(jī)電機(jī)啟動縮分器電機(jī)啟動收集器電機(jī)啟動正常工作指示燈故障報警Q2.2表3數(shù)字量輸出的地址分配表3.6控制系統(tǒng)模塊選擇3.6.1設(shè)計依據(jù)硬件選購目前市場上的PLC產(chǎn)品眾多，除國內(nèi)品牌外，國外有：德國的SIEMENS,美國的AB，日本的OMRON/MITSUBISHI，韓國的LG等。近幾年，PLC產(chǎn)品的價格有較大的下降，其性價比越來越高，這是眾多技術(shù)人員選用PLC的重要原因。下面，我就如何選用PLC作以簡短的說明。1.系統(tǒng)規(guī)模：首先應(yīng)確定系統(tǒng)用PLC單機(jī)控制，還是用PLC構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，由此計算機(jī)PLC輸入、輸出點數(shù)，并且在選購PLC時要在實際需要點數(shù)的根底上留有一定余量〔5％－10％〕。規(guī)模2.確定負(fù)載類型：根據(jù)PLC輸出端所帶的負(fù)載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及PLC輸出點動作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或晶閘管輸出。不同的負(fù)載選用不同的輸出方式，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是很重要的。3.存儲容量與速度：盡管國外各廠家的PLC產(chǎn)品大體相同，但也有一定的區(qū)別。目前還未發(fā)現(xiàn)各公司之間完全兼容的產(chǎn)品。各個公司的開發(fā)軟件都不相同，而用戶程序的存儲容量和指令的執(zhí)行速度是兩個重要指標(biāo)。一般存儲容量越大、速度越快的PLC價格越高，但應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的大小合理選用PLC產(chǎn)品。4.PLC編程方式：〔1〕：一般的手持編程器編程它只能商家規(guī)定語句表中的語言編程。這種方式效率低，但對于系統(tǒng)容量小，用量小的產(chǎn)品比擬適合，并且體積小，易于現(xiàn)場調(diào)試，造價也較低?！?〕：圖形編程器編程該編程器采用梯形圖編程，方便直觀，一般的電氣人員短期應(yīng)用自如，但該編程器價格較高?！?〕：PC機(jī)加PLC軟件包編程這種方式是效率最高的一種方式，但大局部公司的PLC開發(fā)軟件包價格昂貴，并且該方式不易于現(xiàn)場調(diào)試。5.PLC分類：按容量來分，大致可分為“小〞、“中〞、“大〞三種類型：〔1〕：小型PLC這類PLC的規(guī)模較小。I/O點數(shù)一般為從20點到128點。其中把小于64點的PLC稱為超小型機(jī)，65點至128點為小型機(jī)。這類PLC得主要功能有邏輯運算、計數(shù)、移位等，采用專用編程器。它通常用作代替繼電器控制的工業(yè)控制機(jī)，用于機(jī)床、機(jī)械生產(chǎn)控制和小規(guī)模生產(chǎn)控制。小型PLC價格低廉，體積小巧，是PLC中生產(chǎn)和應(yīng)用量較大的產(chǎn)品?！?〕：中型PLC其I/O點數(shù)通常從129點至512點，內(nèi)存在8K以下，適合開關(guān)量邏輯控制和過程參數(shù)檢測及調(diào)節(jié)。主要功能除了具有小型PLC的功能外，還有算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理及A/D、D/A轉(zhuǎn)換、聯(lián)網(wǎng)通信、遠(yuǎn)程I/O等功能，可用于比擬復(fù)雜的控制?！?〕：大型PLC其I/O點數(shù)在513點以上，其中I/O點數(shù)在513點至896點為大型機(jī)，896點以上為超大型機(jī)。它是具有高級功能的PLC，除了具有中小型PLC的功能外，還有PID運算及高速計數(shù)等功能，配有從CRT顯示及常規(guī)的計算機(jī)鍵盤，與工業(yè)控制計算機(jī)相似。具有計算、控制、調(diào)節(jié)的功能。其編程可用梯形圖、功能圖表及高級語言等多種方式。本設(shè)計采用的PLC(系Siemens公司生產(chǎn)的STEP7-300系列的CPU314型)。西門子是國際最著名自動化系統(tǒng)公司之一，在中國市場上應(yīng)用最廣的有S7-200.S7-300和S7-400系列PLC。S7系列PLC是SIEMENS公司的新型PLC,其中的S7-200型是微型PLC;S7-300型是種小型PLC；S7-400型是大型PLC.本次設(shè)計選用西門子S7-300PLC，因為其具有很高的性價比，在國內(nèi)市場占有很大份額。3.6.2S7-300系列PLC組成S7-300屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成，各個模塊安裝在機(jī)架上。通過MPI〔MultiPointInterface多點接口〕網(wǎng)的接口直接與編程器PG、操作員面板OP、和其他S7PLC相連。S7-300由多種模塊部件所組成，各種模塊能以不同方式組合在一起，從而可使控制系統(tǒng)設(shè)計更加靈活，滿足不同的應(yīng)用需求；它還有各種不同性能檔次的CPU模塊可供使用；S7-300的指令集包含350多條指令，包括了位指令、比擬指令、定時指令、計數(shù)指令、整數(shù)和浮點數(shù)運算指令等。導(dǎo)軌式安裝S7-300各類模板的機(jī)架，安裝時，只需簡單的將模板鉤在導(dǎo)軌上，轉(zhuǎn)動到位，然后用螺栓鎖緊。電源模板、CPU、及其他信號模板都可方便的安裝在導(dǎo)軌上。S7-300采用背板縱向的方式將各模板從物理上和電氣上連接起來。除CPU模板外，每塊信號模板都帶有總線連接器，安裝時先將總線連接器裝在CPU模板并固定在導(dǎo)軌上，然后一次將各模板裝入。電源模板PS307輸出24V，它與CPU模板和其他信號模板之間通過電纜連接，而不是通過背板連接。中央處理單元CPU模板有多種型號，如CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU315、CPU315-2DP等。CPU模板除完成執(zhí)行用戶程序的主要任務(wù)外，還為S7-300背板總線提供5V的直流電源，并通過MPI多點接口與其他中央處理器或編程裝置通信。信號模板SM是不同的過程信號電平和S7-300的內(nèi)部信號電平相匹配，主要有數(shù)字量輸入模板SM321、數(shù)字量輸出模板SM322、模擬量輸入模板SM331、模擬量輸出模板SM332.每個信號模板都配有自編碼的螺緊型前連接器，外部過程信號可方便地連在信號模板的前連接器上。特別指出的是其模擬量輸入模板獨具特色，它可以接入熱電偶、熱電阻、4-20mA電流、0-10V電壓等18種不同的信號，輸入量程范圍很寬。功能模板FM主要用于實時性強、存儲計數(shù)量大的過程信號處理任務(wù)。例如快進(jìn)給和慢進(jìn)給驅(qū)動定位模板FM351、電子凸輪控制模板FM352、步進(jìn)電動機(jī)定位模板FM353、伺服電動機(jī)位控模板FM354、智能位控模板SINUMRIKFM-NC等。3.6.3S7-300PLC特點S7-300PLC具有以下顯著的特點：〔1〕.循環(huán)周期短、處理速度高?！?〕.指令集功能強大、可用于復(fù)雜功能。〔3〕.產(chǎn)品設(shè)計緊湊、可用于空間有限的場合?！?〕.模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝?！?〕.有不同檔次的CPU、各種各樣的功能。〔6〕.模塊和I/O模塊可供選擇。〔7〕.無需電池備份，免維護(hù)，可在惡劣氣候條件下露天使用的模塊類型〔SIPLUS〕3.6.4模塊選擇SIMATICS7-300是一種通用型的PLC，適合用于自動化工程中的各種應(yīng)用場合，尤其是可編程序控制器為模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，其各種單獨的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合用以擴(kuò)展。S7-300PLC系統(tǒng)總線直接集成在各個模塊上，它們采用總線連接器把各模塊的總線從物理上和電氣上連接起來。PLC模塊的選擇：可編程控制器是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種以微處理器為核心的用作數(shù)字控制的特殊計算機(jī)。它的硬件配置與一般微機(jī)裝置類似，主要由中央處理單元(CPU)、輸入單元、輸出單元、編程器、電源和特殊輸入輸出單元等組成。電源模塊總是安裝在機(jī)架的最左邊，CPU模塊緊靠電源模塊。如果有接口模塊，它放在CPU模塊的右側(cè)。I/O模塊和通信模塊可以不受限制地插到任何一個槽上，系統(tǒng)可以自動分配模塊的地址。每個機(jī)架最多只能安裝8個I/O模塊、功能模塊或通信模塊。如果系統(tǒng)需要的模塊數(shù)超過8塊，那么可以增加擴(kuò)展機(jī)架。帶有CPU模塊的機(jī)架稱為中央機(jī)架〔CR〕，PLC系統(tǒng)最多可以擴(kuò)展3個擴(kuò)展機(jī)架〔ER〕,4個機(jī)架最多可以安裝32個模塊I/O模塊、功能模塊或通信模塊。機(jī)架的最左面是1號槽，最右面是11號槽，電源模塊總是在1號槽的位置。中央機(jī)架〔CR〕的2號槽上是CPU模塊，3號槽是接口模塊。這3個槽號被固定占用，信號模塊、功能模塊和通信處理器使用4-11號槽。每個擴(kuò)展機(jī)架需要一個外部DC24V電源，向擴(kuò)展機(jī)架上的所有模塊供電。接口模塊是自組態(tài)的，無需進(jìn)行地址分配。0號機(jī)架：電源模塊CPU模塊接口模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊1號機(jī)架：電源模塊接口模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊2.CPU模塊在可編程控制器系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的存放器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進(jìn)入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、存放器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，I/O數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。本設(shè)計的控制系統(tǒng)的控制對象都是數(shù)字量，但是，控制的點數(shù)比擬少〔數(shù)字量輸入為32點；數(shù)字量輸出為18點〕；為了給上位機(jī)提供一個PROFIBUS的接口，設(shè)計中我選擇的是直接選擇帶有接口的CPU模塊；另外，當(dāng)I/O模塊多于8個時就必須選擇具有擴(kuò)展功能的CPU。S7-300PLC有20種不同型號的CPU，分別適用于不同等級的控制要求。本設(shè)計中我選擇了標(biāo)準(zhǔn)型CPU315-2DP；這種CPU可以滿足我設(shè)計的要求。選擇型號：CPU315-2DP6ES7315-2AF00-0AB0這種CPU占用1個槽，它自身不帶有I/O點〔所有的輸入輸出點都是通過擴(kuò)展I/O模塊來實現(xiàn)的〕。規(guī)格：128KB主存儲器，24VDC電源，MPI；PROFIBUSDP主站/從站接口；需要MCC；從L+吸取的電流為60mA。3.數(shù)字量輸入模塊輸入模塊用來接收和采集輸入信號。數(shù)字量〔或稱開關(guān)量〕輸入模塊用于連接外部的機(jī)械觸點和電子數(shù)字式傳感器，例如二線式光電開關(guān)和接近開關(guān)等。數(shù)字量輸入模塊將從現(xiàn)場傳來的外部數(shù)字信號的電平轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部的信號電平。輸入電路中一般設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤輸入信號，輸入電流一般為數(shù)毫安〔7mA左右〕。輸入電路中設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起錯誤的輸入信號。濾波電路延遲時間的典型值為10—20ms〔信號上升沿〕和20—50ms〔信號下降沿〕，輸入電流為數(shù)毫安。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，各種開關(guān)量輸入接口模塊在設(shè)計時均采取了抗干擾措施。在開關(guān)量輸入接口電路設(shè)計時采取了光電隔離技術(shù)，有效地隔離了PLC內(nèi)部電路與外部系統(tǒng)之間電的聯(lián)系；采取了濾波技術(shù)〔如LC型、Ⅱ型濾波電路〕以消除或削弱工頻、高頻電磁干擾。輸入信號通過開關(guān)量輸入接口模塊連接器接入模塊。圖3.9〔a〕與圖3.9〔b〕是直流輸入模塊的和交流輸入模塊內(nèi)部電路接線圖，圖中只畫出了一路輸入電路，M利N是同一輸入組內(nèi)各輸入信號的公共點。當(dāng)圖3.9〔a〕中的外接觸點接通時，光耦合器中的發(fā)光二極管點亮，光敏三極管飽和導(dǎo)通；外接觸點斷開時，光耦合器中的發(fā)光二極管熄滅，光敏三極管截止，信號經(jīng)背板總線接口送給CPU模塊。交流輸入模塊的額定輸入電壓為ACl20V或AC230V。在3.9〔b〕中用電容隔離輸入信號小的直流成分，用電阻限流，交流成分經(jīng)橋式整流電路轉(zhuǎn)換為直流電流。外接觸點接通時，光耦合器中的發(fā)光二極管和顯示用的發(fā)光二極管點亮，光敏三極管飽和導(dǎo)通。外接觸點斷開時，光耦合器中的發(fā)光二極管熄滅，光敏三極管截止，信號經(jīng)背板總線接口傳送給CPU模塊?！瞓〕圖3.9數(shù)字量輸入模塊直流輸入電路的延遲時間較短，可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入裝置連接。如果信號線不是很長，PLC所處的物理環(huán)境較好，電磁干擾較輕，應(yīng)考慮優(yōu)先選用DC24V的輸入模塊。交流輸入方式適合于在有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。數(shù)字量輸入模塊可以直接連接兩線式接近開關(guān)(BERO)，兩線式BERO的輸出信號為0時，其輸出電流(漏電流)不為0。在選型時應(yīng)保證兩線式BERO的漏電流小于輸入模塊允許的靜態(tài)電流，否那么將會產(chǎn)生錯誤的輸入情號。數(shù)字量模塊的輸入/輸出電纜的最大長度為1000m(屏蔽電纜)或600m(非屏蔽電纜)。本設(shè)計選擇：我設(shè)計的控制系統(tǒng)中的數(shù)字輸入量，設(shè)計采用信號線不是很長，PLC所處的物理環(huán)境〔主要放置在單獨的控制室內(nèi)〕較好，電磁干擾較輕，選用DC24V的輸入模塊。本設(shè)計系統(tǒng)的輸入有：電機(jī)的起/停按鈕〔17個〕、急停按鈕〔1個〕、自動/手動開啟按鈕〔2個〕、故障信號〔8個〕、限位開關(guān)〔8個〕、運行反應(yīng)〔14個〕，共計60個輸入。所以設(shè)計中我選擇兩個32點源輸入數(shù)字量輸入模塊SM321DI32×24VDC；這種輸入模塊可以滿足我設(shè)計的要求。選擇型號：標(biāo)準(zhǔn)型SM321；DI32×24VDC；6ES7321-1BL00-0AA0SM321；DI32×24VDC；6ES7321-1BL00-0AA0SM321；DI32×24VDC數(shù)字量輸入模板具有以下顯著特性：SM321DI32×24V〔直流〕帶硬件和診斷中斷，32個輸入點，帶隔離，16點為一組，額定輸入電壓24V〔直流〕，適用對象為開關(guān)。本設(shè)計數(shù)字量輸入模塊連接電路圖如下列圖3.10所示：圖3.10數(shù)字量輸入模塊連接電路圖4：數(shù)字量輸出模塊數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器電磁閥、指示燈、報警裝置等輸出設(shè)備。SM322數(shù)字量輸出模塊將S7—300的內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)化為控制過程所需的外部信號電平，同時有隔離和功率放大的作用。輸出模塊的功率放大元件有驅(qū)動直流負(fù)載的大功率晶體管和場效應(yīng)晶體管、驅(qū)動交流負(fù)載的雙向晶閘管或固態(tài)繼電器，以及既可以驅(qū)動交流負(fù)載又可以驅(qū)動直流負(fù)載的小型繼電器。輸出電流的典型值為—2A，負(fù)載電源由外部現(xiàn)場提供。圖3.11〔a〕是繼電器輸出電路，某一輸出點為1狀態(tài)時，梯形圖中的線圈“通電〞通過背板總線接口和光耦合器，使模塊中對應(yīng)的微型硬件繼電器線圈通電，其常開觸點閉合，使外部的負(fù)載工作。輸出點為0狀態(tài)時，梯形圖中的線圈“斷電〞，輸出模塊中的微型繼電器的線圈也斷電，其常開觸點斷開。圖3.11〔b〕是固態(tài)繼電器輸出電路，小框內(nèi)的光敏晶閘管和小框外的雙向晶閘管等組成固態(tài)繼電器(SSR)。SSR的輸入功耗低，輸入信號電平與CPU內(nèi)部的電平相同，同時又實現(xiàn)了隔離，并且有一定的帶負(fù)載能力。梯形圖中某一輸出點為l狀態(tài)時，其線圈“通電〞光敏晶閘管中的發(fā)光二極管點亮，光敏雙向晶閘管導(dǎo)通，使另一個容量較大的雙向晶閘管導(dǎo)通，模塊外部的負(fù)載得電工作。圖3.11〔b〕中的RC電路用來抑制晶閘管的關(guān)斷過電壓和外部的浪涌電壓。這類模塊只能用于交流負(fù)載，因為是無觸點開關(guān)輸出，其開關(guān)速度快，工作壽命長?！瞐〕繼電器輸出電路〔b〕固態(tài)繼電器輸出電路圖3.11數(shù)字量輸出模塊繼電器輸出模塊的負(fù)載電壓范圍寬，導(dǎo)通壓降小，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，但是動作速度較慢，壽命(動作次數(shù))有一定的限制。如果系統(tǒng)輸出量的變化不是很頻繁，建議優(yōu)先選用繼電器型的。固態(tài)繼電器型輸出模塊只能用于文流負(fù)載，晶體管型、場效應(yīng)品體管型輸出模塊只能用于直流負(fù)載，它們的可靠性高，響應(yīng)速度快，壽命長，但是過載能力稍差。在選擇數(shù)字量輸出模塊時，應(yīng)該注意負(fù)載電壓的種類和大小、工作頻率和負(fù)載的類型(電阻性、電感性負(fù)載、機(jī)械負(fù)載或白熾燈)。除了每一點的輸出電流外，還應(yīng)注意每一組的最大輸出電流。本設(shè)計選擇：我設(shè)計的控制系統(tǒng)中的輸出量主要用于兩個大局部：一是顯示、故障局部；二是驅(qū)動線圈的動作。本設(shè)計系統(tǒng)的輸出有：動作線圈〔16個〕、運行指示燈〔1個〕、故障報警〔1個〕，共計18個輸出。故我選擇了32點繼電器的數(shù)字量輸出模塊SM322；DO32×24DC，這種輸出模塊可以滿足我設(shè)計的要求。選擇型號：SM322；DO32×24DC/；6ES7322-1BL00-0AA0SM322；DO32×24DC繼電器模板具有以下顯著特性：輸出點數(shù)為32，帶隔離，16點為一組，輸出電流，額定負(fù)載電壓24-48〔直流/交流〕，適用于電磁閥、直流觸點、電機(jī)啟動器、電機(jī)和指示燈，可編程診斷，診斷中斷，替換值輸出。注意：當(dāng)電源關(guān)閉時，電容器仍將儲能約200ms。此時，用戶程序仍可對繼電器進(jìn)行操作。本設(shè)計數(shù)字量輸出模塊連接電路圖如下列圖3.12所示：圖3.12數(shù)字量輸出模塊連接電路圖5：電源模塊系統(tǒng)的工作電源由電源模塊提供，電源模塊輸出的24VDC通過外接電纜連接到CPU模塊及其他模塊上，為它們提供工作電流。有多種電源模塊可以為S7-300可編程控制器和需要的傳感器/執(zhí)行器供電。比方PS305、PS307。PS305電源模塊是直流供電，PS307是交流供電。PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源〔220VAC或110VAC〕，直流電源〔常用的為24VDC〕。電源模塊的選擇比擬簡單：只考慮輸出電流。電源模塊的額定輸出電流必須大于CPU模塊、I/O模塊、專用模塊等消耗電流的總和。本設(shè)計中為選用PS307的電源模塊,PS負(fù)載電源模塊將120V/230V的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?4V直流工作電壓，24V直流電源用來為SIMATICS7—300和執(zhí)行元件供電。我在設(shè)計中選擇了5A的電源模塊，主要考慮到給系統(tǒng)留有一定的電源余量。選擇型號：PS307-5A；6ES7307-1EA00-0AA0PS307電源模塊(5A)具有以下顯著特性：〔1〕.輸出電流5A；〔2〕.輸出電壓24VDC；防短路和開路保護(hù)；〔3〕.連接單相交流系統(tǒng)(輸入電壓120/230VAC，50/60Hz)；〔4〕.可靠的隔離特性，符合EN60950；〔5〕.可用作負(fù)載電源。6：其他裝置的選擇〔1〕.底板或機(jī)架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：——電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊?！獧C(jī)械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。〔2〕.編程設(shè)備編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機(jī)〔運行編程軟件〕充當(dāng)編程器。本設(shè)計選用在計算機(jī)上直接編程，直接將計算機(jī)上的程序上傳到PLC上。具體的編程軟件和編程方法請參考軟件局部。第四章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件設(shè)計分析STEP7概述：SIMATIC工業(yè)軟件是一個連接緊密的工具系統(tǒng)，用于SIMATICS7和SIMATICC7PLC以及具有WinAC基于PC的控制。它提供用于自動化工程所有方面和所有階段方便適用的功能。包括：——標(biāo)準(zhǔn)工具編程SIMATIC硬件的根底?！こ坦ぞ吒呒壘幊陶Z言和基于工藝的軟件——運行時軟件用于生產(chǎn)過程的即插即用運行軟件——人機(jī)界面〔HMI〕專門用于操作員控制和可視化軟件。使用STEP7軟件可對S7-300進(jìn)行編程，而且能方便的將S7-300全部功能加以利用。S7-300編程軟件Step7，功能強大，使用方便。S7-300有350多條指令。Step7的邏輯功能圖和梯形圖編程語言符合IEC61131標(biāo)準(zhǔn)。本說明書對STEP7操作的描述，都是基于STEP7V5．3版的。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護(hù)、什建檔、運行和診斷功能等。在STEP7中，用工程來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP7用SMATIC管理器對工程進(jìn)行集中管理，它可以方便地瀏覽SMATICs7、M7、c7和WINAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)STEP7各種功能所需的SMATIC軟件工具都集成在STEP7中。4.2系統(tǒng)流程圖.主流程圖如下列圖4.1所示：主程序中主要完成了系統(tǒng)的初始化，按下啟動按鈕后，需要判斷操作人員選擇的是手動控制運行還是自動控制運行，然后對應(yīng)的調(diào)用其子程序，如果系統(tǒng)正常運行的話，主程序調(diào)用正常工作顯示子程序，該子程序?qū)崿F(xiàn)指示燈亮1S滅0.5S的閃爍功能。當(dāng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)調(diào)用故障顯示子程序，該子程序完成故障報警及指示燈閃爍〔報警5S停1S、指示燈量5S滅1S〕功能。圖4.1主流程圖.正常工作顯示子流程圖如下列圖4.2所示:圖4.2正常工作顯示子流程圖.故障顯示子流程圖如下列圖4.3所示:圖4.3故障顯示子流程圖.變頻器參數(shù)設(shè)定子流程圖如下列圖4.4所示:圖4.4變頻器參數(shù)設(shè)定子流程圖.手動控制子流程圖如下列圖4.5所示:.自動控制子流程圖如下列圖4.6)所示:圖4.6自動控制子流程圖4.3STEP7編程過程4.3.1建立工程翻開STEP7軟件，單擊“NewProject〞彈出新建工程對話框如下列圖4.7所示，將工程命名為“S7_Pro1〞圖4.7新建工程對話框圖4.3.2硬件配置雙擊“hardware〞進(jìn)入模塊選擇界面，模塊選擇界面如下列圖4.8所示，根據(jù)前面選擇的PLC模塊，對應(yīng)的在SIMATIC下拉選項中選擇CPU模塊“CPU315-2DP〞、電源模塊“PS3075A〞、數(shù)字量輸入模塊“DI32*DC24V〞、數(shù)字量輸入模塊“DI32*DC24V〞、數(shù)字量輸出模塊“〞、模擬量輸入模塊“AI8*12bit〞、模擬量輸出模塊“AO2*12bit〞，這樣一個完整的硬件配置就建立完成了。圖4.8模塊選擇界面4.3.3STEP7編程STEP7提供LAD〔梯形圖〕、STL〔語句表〕、FBD〔功能塊圖〕三種編程語言。本設(shè)計在編程的過程中采用梯形圖編程，用梯形圖編程簡單易學(xué)、容易看懂。由于整個系統(tǒng)的程序較多，下面以一個的子程序〔正常工作顯示子程序〕為例，簡單的