全自動鋼坯噴碼機PLC控制系統(tǒng)設計

49全自動鋼坯噴碼機PLC控制系統(tǒng)設計專業(yè)：測控技術與儀器 作者：李晉 指導老師：王廣斌老師摘要： 工業(yè)自動化技術在近年來發(fā)展十分迅猛，當前工業(yè)自動化三大支柱技術之一的PLC技術以其很高的可靠性和抗干擾能力受到廣泛的歡迎，在各行各業(yè)的技術改造過程中被大量地應用。然而，單機控制往往因為點數的限制，無法實現對于較復雜的系統(tǒng)的控制。表面處理工程領域是當前一個倍受關注的領域，作為一個新興的邊緣學科領域，有著蓬勃的生機，這一工程領域內的噴碼生產則是一項非常傳統(tǒng)的產業(yè)，生產率低下生產技術水平不高的現實迫切需要對其加以技術改造。本文就如何提高噴碼生產領域的自動化水平，運用PLC技術在生產線上實現控制。論文首先分析了噴碼打標行業(yè)的生產狀況，比較了幾種常用的控制策略的優(yōu)缺點，確定具體的控制方案，接著分析并設計了系統(tǒng)的控制流程，再就設備級的控制進行深入的研究，在硬件和軟件兩個層面上的控制進行了設計，最后對于系統(tǒng)的可靠性進行了設計。針對鋼坯生產線，運用PLC控制氣動回路，再控制噴頭進行定位噴碼；在操作上選用步進電機來精確定位和調速。關鍵詞: PLC； 鋼坯噴碼； 控制； 氣動； 步進電機The design of PLC Control System for Full-automatic spray-marker of Steel BilletMajor:Measurement and Control Ttechnology&Instrument Writer:Li jin Guide teacher:Wang Guang binAbstract：Industry automation technology develops very fast in recent years, as one of the three support technologies in industry automation, PLC is greatly welcomed with its very high reliability and anti-interence ability, and applied largely in the technology reformation process of all walks of industries.However, the single machine control usually cant carry out for the control of more complicated system because of the restriction of point. The surface treatment engineering realm is paid close attention at present, as a new frontier subject realm it has booming source of vitality, however, in this engineering realm ,marking production is a very traditional industry, the reality of low production rate and low production technology level need urgently technology reformation. This paper analyses how to raise marking automation level of producing the realm, and use PLC technology to control in the production line. The thesis analyzed marking on the production condition of profession first, compared with the merit and shortcoming of a few control strategies in common use, gave concrete control project, analyzed and designed the structure of the controlling process, also carried on a thorough research for the control of equipments class, designed two levelss control with production line of hardware and software, finally designed the credibility of the system. Face to the production line ,it uses PLC technology to control the pneumatic loop ,then it controls the marking head to mark on the exact location that we need and choose the stepping motor to find the exact location and change the speed .Keywords: PLC; marking on the billet ; control,; pneumatic; stepping motor 1 緒論1.1 項目研究的背景 在機械成品和半成品加工過程中，為了及時而準確地識別產品的零部件，往往需要在自己的產品上標以明顯的標志或記號，因此標記打印加工是機械制造過程的重要工序之一。過去，大多靠手工在產品上建立各種字符、圖形等。采用人工方式速度慢，圖案單調，在復雜的環(huán)境下難以進行，不利于現代化操作流程。隨著計算機技術、自動控制技術、傳動技術及CAD技術的發(fā)展，在成批、大量的現代化生產過程中，標記設備采用自動控制方式己成為主流。傳統(tǒng)的工業(yè)零部件標記打印，一般多是采用字模沖壓、電化學腐蝕、電火花加工。這些方法，不僅效率低、不美觀，而且防偽性差，很難達到同一規(guī)格，所以廢品率極高，尤其難以適應現代化大生產的需要。一種較為先進的激光打印技術，在西方一些工業(yè)先進國家應運而生，隨后在我國也得到發(fā)展應用。激光打印技術，雖然較好地克服了傳統(tǒng)工藝的許多缺點，但由于受到激光器本身壽命低與在環(huán)境惡劣的生產現場缺乏長期穩(wěn)定性工作特點的制約;同時，由于有色金屬對激光的吸收較差，打印深度淺，所以這一方法不能滿足生產實際的需要，除特殊材料如金剛石、硬質合金或對打印深度無特別要求的場合外，未能得到普及推廣。為彌補上述方法之不足，適應現代化大批、大量生產發(fā)展的需要，出現了一種全新的工業(yè)標記打印工藝氣動標記打印工藝。從1988年之后，這工藝便在一些西方國家相繼采用，特別是在汽車、摩托車行業(yè)得到迅速推廣。像美、日、意、德、法等國的通用、福特、克萊斯勒、豐田、本田、菲亞特、奔馳、標致、雪鐵龍、雅馬哈等汽車、摩托車制造廠，均都大量采用。我國汽車、摩托車(集團)公司近年來也有了應用與發(fā)展。相比較而言，氣動和電動相結合的方式由于結構簡單，成本低，可控性好，速度快，特別適合于對標記速度有較嚴格要求的流水線作業(yè)場合，并能方便地控制標記內容的深度。1.1.1 國外打標機的發(fā)展 號碼機問世己有一個多世紀了，從當初單一的印刷用號碼機擴展到今天的包括印刷用號碼機、辦公用號碼機和特殊用途號碼機三大類、幾百個品種。 生產號碼機歷史最悠久的國家是美國，其次是英、德、法等歐洲工業(yè)化國家。五十年代起，日本開始大力研制和生產各類號碼機，并在許多方面都逐步接近或趕上了美國。現在國際市場上，印刷用號碼機80%被美國和德國占領，辦公用號碼機60%以上被日本占領，而特殊用途號碼機(主要是金屬編號機)仍然由美國壟斷。 七十年代中期以前，號碼機的質量主要體現在整體跳動的準確程度和號碼打印的清晰度(即字面高度、字面傾斜、字腳高低的綜合反映)上。進入七十年后期，隨著印刷機械的不斷更新換代，印刷用號碼機也隨之發(fā)生重大變革，印刷機上普遍使用的平型印刷號碼機逐步被輪轉印刷號碼機所取代，輪轉號碼機的加工技術和使用性能都遠遠優(yōu)于平型號碼機，從而提高了產品的檔次。現在輪轉號碼機己占印刷機市場的85%以上，而且還有上升的趨勢。由于平型印刷號碼機在一些發(fā)展中國家仍有不小的市場，因此，美國、德國、意大利等國家在大力研制發(fā)展輪轉號碼機的同時，還在積極改進平型號碼機，通過將號碼機的遞加遞減功能的復合，以及外觀的深加工來提高產品的檔次。平型號碼機的整體體積正在趨向小型化。 再就辦公用號碼機而言，七十年代中后期以來，隨著自動化技術、微電子技術的發(fā)展，美國和日本先后研制出多功能電腦自動化號碼機。另一方面，日本許多公司企業(yè)為滿足用戶多層次的需要，大力發(fā)展系列化的手動打號機，改進表面精飾，以吸引用戶。由于日本號碼機的規(guī)格多、品種全、價格適中，因而暢銷全世界。而英國、法國則以提高使用功能和外觀造型上取勝，在歐洲市場上仍處于舉足輕重的地位。這個時期號碼機的商品特性主要體現在潮流化和藝術化。英、法等歐洲國家的手動打號機講究外觀造型的板塊化、直線狀，凌角鮮明，配以電鍍精飾或噴漆著色，既古樸典雅又粗獷大方，而日本、美國則講究造型的多樣化和色調的復合化，再加以電鍍精飾，有令人賞心悅目之感。手動打號機的藝術化大大增強了它作為辦公機械商品的美學功能。 當代，號碼機的技術特性主要體現在規(guī)格系列化和功能多樣化上。為了適應印刷機械和辦公機械的更新換代上，滿足用戶多層次、多方面的需求，無論是印刷用號碼機還是辦公用號碼機以及特殊用途的號碼機，都從號碼位數上、外形尺寸上、字體大小上、甚至選材檔次上加以系列化。隨著高新技術的發(fā)展應用、號碼機的使用功能大為拓寬，往往具有計數、復零、算術、存貯、查取、翻譯、顯示等十余種功能。 當前，美國、日本、德國、英國、法、意大利等國家都在提高號碼機的附加價值。通過改進技術，從內部結構和外觀造型、表面精飾兩方面下功夫，實現產品實用性與藝術性的完美結合。目前號碼機業(yè)的發(fā)展特點是: 1)重視產品開發(fā)，使之具有雄厚的產品技術儲備。如美國的ATLANTIC/ FORCE公司和ROBERTS-LEIBINGER公司幾乎每年都推出幾十個新品種，它們生產的印刷用號碼機和特殊用途號碼機，其品種之多、規(guī)格之全，世界上沒有一個國家的號碼機生產企業(yè)可以與之相匹敵。日本是目前世界上最大的辦公用號碼機生產國。從1976年至1989年十四年間，在世界號碼機專利文獻中，日本占70-75，八十年代中期，日本推出電腦自動號碼機不到一年，就又有數篇有關電腦自動號碼機的實用新方案提出，至于手動打號機的公開特許和實用新案更是年年都有公布?？梢?，日本的辦公用號碼機生產真正是構思一代，研制一代，生產一代。 2)外觀質量精益求精。無淪是美國、日本還是西歐各國，都十分注意利用本國先進的工藝技術，通過外觀深加工來提高號碼機的附加價值。對于零件采用鋅合金壓鑄的號碼機外觀都是通過深加工來提高其檔次。 3)基礎元件、材料配置完善。在美國和日本，號碼機所用數顯裝置、電路板、電池、標準件、金屬和非金屬材料、電腦等，都是通過各種訂購、轉包形式在行業(yè)內外甚至在國外的子公司或合資企業(yè)內配合，品種多、質量高、成本低、交貨快，為產品開發(fā)提高了有利條件。象美國的RAPID PRINT公司、BATES公司和日本的PLUS株式會社等都是如此。4)采用計算機輔助設計和輔助加工，配有先進的數控、程控加工設備，以先進的工藝裝備，加速產品試制速度，縮短生產周期，保證產品質量。1.1.2 我國打號機的發(fā)展現狀我國生產號碼機已經六十余年了，產品有印刷用號碼機、辦公用手動打號機和金屬編號機等。生產企業(yè)有上海號碼機廠等近十家企業(yè)，年產量達50-60萬個左右，規(guī)格品種有20種以上，其中辦公用手動打號機至少有12種，特殊用途號碼機至少有2種。過去的較長時期印刷用號碼機只生產平型號碼機，辦公用號碼機只生產手動打號機，進入八十年代以來，隨著印刷行業(yè)越來越多地采用輪轉式印刷機，國內一些廠家開始試制輪轉號碼機，以便與之相配，減少并最終替代進口。與此同時，根據廣大用戶對辦公用手動打號機在規(guī)格品種、外觀質量等方面的需求，在手動打號機的系列化、藝術化方面也取得了一定進展。另外，特殊用途號碼機除了原有的金屬編號機、自動上墨印刷號碼機、條形號碼機等品種，至于為用戶特制的或用戶自己改裝的號碼機，其品種就更多了。 上海號碼機廠是全國最大的號碼機專業(yè)生產廠，也是唯一的出口企業(yè)，生產的各種印刷用號碼機占國內市場的80%以上，辦公用手動打號機占50%以上，各類號碼機的市場覆蓋面均達I 00。出口產品遠銷美國、西歐、拉美、中東、西亞、東南亞和港澳等國家地區(qū)，出口量逐年上升。 現在我國號碼機的附加價值平均達到0.4，是屬于高附加值產品。盡管如此與國際先進水平相比較，還存在著明顯的不足，其表現為: 1)產品技術水平不高。國產印刷用平型號碼機外形尺寸大，僅相當于國外五、六十年代水平。輪轉號碼機開發(fā)速度緩慢，零件制造精度不高，裝配調整水平還不過關。新設計的手動打號機中所含新技術成分較低。 2)產品情感功能不足。只求在功能上滿足人們對編號的基本需求，而忽視從外觀造型上滿足人們對審美情感的更新需求，外觀款式變化不多，表面精飾差。 3)產品適應范圍不寬。輪轉號碼機尚處于開發(fā)試制階段:平型號碼機系列化程度差，品種比較單調;辦公用號碼機只生產手打的，沒有電腦自動的。產品系列化也不完善，各類號碼機缺乏檔次上的差別，與用戶的多層次需求有一定的距離。 由于存在上述不足，再加上其它一些原因，使我國號碼機在國際市場上的賣價提不高，與國外同類產品在價格上相差懸殊?，F在，在國際市場上我國號碼機之所以還能夠供不應求，主要是價格低廉。本設計中的打標機主要是用于在鋼坯上打字，國內各大鋼廠根據自己的需求，均采用了與之相適應的鋼坯打號機，如武漢鋼鐵公司采用的是一種美國Insight公司生產的ITM840。氣動鋼坯打號機，首鋼集團則是采用的液壓式鋼坯打號機。而無錫氣動技術研究所為寶鋼三期電爐連鑄研究的全自動回轉選字式鋼坯打號機采用了沖擊氣缸打印，氣動控制X, Y, Z三坐標驅動及定位鎖緊，電氣伺服高回轉選字，PLC程序控制等技術，也是一種理想的鋼坯打印設備。1.2 鋼坯打標機在煉鋼生產中的作用鋼坯打印是鋼廠為保證鋼材質量必不可少的工序之一，國外鋼鐵業(yè)己普遍采用自動打印的方法，在鋼坯上打上鋼號、生產日期等標記，以便發(fā)生質量問題時查找原因，避免廢品出廠，我國鋼廠過去普遍采用在鋼錠上人工描號，效率低，工人勞動強度大(鋼坯溫度在1000 C以上)，更嚴重的是容易出差錯，而造成混鋼事故。在鋼坯生產過程中，為便于生產廠家跟蹤產品的質量和用戶，了解產品的有關信息，都需在產品上標識相關信息，通常金屬標識設備采用以下幾種方式:滾印式、噴焊式、電蝕式、噴印式、沖打式、激光式。根據鋼坯表面的特點和生產工藝要求，對鋼坯標識設備主要要求可以歸納為:1)適應現代化大生產要求，能實現標識過程的全面自動化，同時打印速度要滿足生產節(jié)奏的要求。2)標識靈活、字符更改方便，字跡清晰、牢固;考慮到表面粗糙和氧化皮的影響，應該具有較強的穿透力。3)標識設備要能夠不間斷地穩(wěn)定運行;4)在滿足作業(yè)要求的基礎匕盡可能降低投資成本和使用、維護費用;5)針對冶金工業(yè)生產的特點，對溫度、振動、各種污染有較強的適應能力。1.3課題的提出及意義機電一體化是機械技術與電子技術相結合的產物。社會發(fā)展到今天，機電一體化技術己經滲入到工廠與人們生活的方方面面，它使得古老的制造業(yè)煥發(fā)出勃勃生機，大大地改善了人們的工作環(huán)境。而單片機在機器設備的智能化控制過程中的作用則更是尤為重要。本課題中以鋼坯氣動打標計作為研究實體，本氣動打標機主要用于鋼坯在出爐后打印標識用，參考德國NUMTEC公司的HS-624鋼坯打號機模型。由于現場工作溫度很高，加上環(huán)境比較惡劣，工作人員很難在現場進行作業(yè)，打號機的編號工作必須在辦公室中進行，因此必須進行機器與計算機之間的控制與信息反饋。在本課題研究中，充分體現機電一體化的特點，將機械技術、檢測傳感技術、自動控制技術、接口技術等融為一體，進行系統(tǒng)化設計。尤其本研究課題解決了以前傳統(tǒng)噴碼達標機用于鋼坯生產技術上的一些缺陷，可以實現：（1）不停流水線，直接在鋼坯加工過程中進行同步耐高溫噴碼;（2）噴碼技術也有創(chuàng)新，采用連續(xù)式氣動噴射成字，而不是打點成字。2 氣動回路設計2.1 氣動回路設計鋼坯噴碼機要求能實現鋼坯在生產線上不停止，控制噴頭與鋼坯同步前進的基礎上用PLC可編程控制器控制三相步進電機和三相異步電機同步運轉來實現噴頭的噴字過程（在本設計中僅以字母“A”為例說明噴碼機噴頭的控制方式）。亦要打破傳統(tǒng)式的打點針式噴碼方式，采用氣動打標方式。所以要設計氣動回路來實現這一方式。2.1.1 氣動回路的設計思路 主回路上必須要設置一個電磁閥來作為總開關，由PLC來控制它換閥位而實現主回路的開關，選用二位三通閥來實現。因為在最后關閉各閥時，會在總閥這里排氣，那樣會產生巨大的噪音，所以必須在這個閥上接消聲器來減小噪音污染，其他各閥上也根據需要接消聲器。因為需要實現三個功能（清潔鋼坯表面 用去鱗器將鋼坯表面刮平整 噴字），所以設定在主回路上接三個支路，每個回路實現一個功能。在第一個支路上接一個二位二通電磁閥來控制清潔頭的工作，平時是常閉的，當得到得電信號就換閥位，變成開通的閥，高壓氣體通過可產生沖擊力清潔鋼坯。第二個支路是實現去鱗器的前進和后退，因為要實現該支路上的三個狀態(tài)（閉合、壓縮氣體通過使氣缸前進，壓縮氣體前進使氣缸返回），所以要選用三位五通電磁閥，在閥上加兩個溢流閥形成速度控制回路來控制氣缸的運動速度而實現去鱗器的前進和退后的運動速度。第三個支路是實現噴頭噴碼控制的，具體速度轉向控制由PLC控制電機來實現，這里只需要實現該支路的開啟和閉合即可。所以一樣需要選用一個電磁閥來實現這一功能，根據要實現的功能只需一個二位五通閥即可。主回路上需要再裝一個空氣過濾器，以凈化高壓氣體，除去一些雜質以免會噴射時產生凹凸不平，還要在第二支路前接壓力繼電器，在去鱗器去鱗時與鋼坯有接觸，會產生壓力，如果壓力過大會對鋼坯產生損壞，所以這里需要接壓力繼電器來控制去鱗器去鱗時的限制壓力；第二個支路和第三支路上要接帶溢流的減壓閥，把較高的進口壓力調節(jié)并降低到符合使用要求的出口壓力，并保證調節(jié)后出口壓力的穩(wěn)定。2.1.2 氣動回路圖的設計 根據以上噴碼機的工作原理和氣動回路的設計思路，可以設計出該噴碼機的氣動回路圖。在設計時需要注意以下幾點以下幾點：（1）聯接口徑大小的選擇為主回路Rc1/2,而支路Rc1/4；（2）用PLC來控制電磁閥的開關順序時是采用時間延時實現；（3）氣動回路圖設計時各氣壓元件符號都采用GB786.1新標準。氣動回路的設計圖如下：圖2-1 氣動控制回路圖2.2 氣動回路圖各元件型號選擇及其性能分析 2.2.1 消聲器 氣缸排氣側的壓縮空氣，通常是經換向閥的排氣口排入大氣的。由于余壓較高，最大排氣速度在聲速附近，空氣急劇膨脹，引起氣體的振動，便產生了強烈的排氣噪聲。長期在噪聲環(huán)境下工作，會使人感到疲勞，工作效率降低；降低人的聽力，影響人體健康。所以，必須采用相應降低噪音的措施。 對消聲器的要求是，在噪聲頻率范圍內消聲效果好，排氣阻力?。从行Ы孛娣e要大），以免影響換向閥的換向性能。并要求結構耐用，便于清洗。因為這里用到的消聲器都是采用螺紋連接方式直接安裝在閥的排氣口上， 就選用閥用消聲器。閥用消聲器的消聲效果按標準規(guī)定，公稱通徑625mm，為 20dB（A）, 公稱通徑3250mm為 25dB（A）。還要求消聲器排氣阻力小，不影響控制閥和執(zhí)行元件的正常工作，即要求有足夠的流通面積。外表就選用燒結金屬型，所以型號定為AN110-01：表21 消聲器型號及其性能描述系列型 號最高使用壓力/Mpa環(huán)境和介質溫度/C消聲效果/dB特 點燒結金屬型AN110-011.0515021吸聲材料為青銅燒結金屬體，連接體材料為磷青銅要選兩種不同的配管口徑大小的，分別是G1/2和G1/4，一個G1/2用在主管道上的二位三通換向閥上，而需要三個G1/4的消聲器用在支路上的二位五通換向電磁閥上和二位三通換向電磁閥上。2.2.2 空氣過濾器 空氣過濾器可以除去壓縮空氣中的固態(tài)雜質、水滴和污油滴等，不能除去氣態(tài)油、水。 按過濾器的排水方式，有手動排水型和自動排水型，這里選用的是自動排水型。而自動排水型又按無氣壓時的排水狀態(tài)，有常開型和常閉型，選用常開型，選用金屬水杯。表22 空氣過濾器型號及其性能描述系列配管口徑Rc使用壓力范圍/MPa環(huán)境和介質溫度/C可帶自動排水器系列耐壓試驗壓力/MPa過濾精度/m分水效率AF401/20.11.0-560AD47（N.C.）1.5580%2.2.3 壓力計 選用的是一般用壓力表（G系列）。表23 壓力表型號及其性能描述系列連接螺紋壓力界限/MPa外徑/mm精度等級形式連接口徑G43DTR1/2,R1/401433Rc1/4的需要兩個，分別用在兩條支路上，Rc1/2的需要一個，用在交叉管路上。2.2.4 壓力繼電器 壓力繼電器是利用氣體的壓力來啟閉電氣觸點的液壓電氣轉換元件。當系統(tǒng)壓力達到壓力繼電器的調定值時，發(fā)出電信號，使電氣元件（如電磁鐵、電機、時間繼電器、電磁離合器等）動作，使油路卸壓、換向，執(zhí)行元件實現順序動作，或關閉電動機使系統(tǒng)停止工作，起安全保護作用等。YJDQ-07型壓力繼電器是用于電氣液壓系統(tǒng)中，把油壓訊號轉換為電器訊號的一種發(fā)送裝置。它是彈簧載荷式，當壓力達到預先設定值時，繼電器的活塞產生機械位移以接通微動開關的觸點，它具有兩個壓力點的精確控制。表24 壓力繼電器型號及其性能描述接口尺寸 M12（Rc1/2） 工作壓力 2MPa40MPa環(huán)境溫度 5585 介質溫度 0120 電路連接方式 單刀雙擲 電負載 27VDC、0.210A（阻性） 27VDC、0.25A（感性：0.01s） 切換精度 1.5%調定壓力 外殼防護 IP65 抗振性能 40m/s2沖擊性能 500 m/s27ms壽命 3104次 2.2.5 減壓閥 減壓閥是將較高的進口壓力調節(jié)并降低到符合使用要求的出口壓力，并保證調節(jié)后出口壓力的穩(wěn)定。其他減壓裝置雖能降壓，但無穩(wěn)壓能力。 選用直動式減壓閥利用手輪直接調節(jié)調壓彈簧的壓縮量來改變閥的出口壓力的閥。表25 減壓閥型號及其性能描述系列連接口徑最高進口壓力/MPa最低進口壓力/MPa調壓范圍環(huán)境和介質溫度/CAR40Rc1/21.0設定壓力+0.05 Mpa以上0.050.7-5602.2.6 電磁閥 電磁閥是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動。電磁閥用于控制液壓流動方向，工廠的機械裝置一般都由液壓鋼控制，所以就會用到電磁閥。 電磁閥的工作原理，電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。直動式電磁閥工作原理：通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。與清潔頭連接時用到一個二位二通式的電磁閥，來控制清潔頭的工作。表26 二位二通電磁閥型號及其性能描述系列連接口徑Rc使用壓力范圍/MPa有效截面積mm(Cv值)機能環(huán)境和介質溫度/C耐沖擊/耐振動EVS7-81/20.1165單電控FG-S-560150/50手動操作方法 推壓式（需工具） 密封形式 彈性密封 保護等級 IP65 電磁閥接線端子 M12 額定電壓 DC24V,12V或50V以下 允許電壓波動 1510 消耗功率/W 1.8 在主回路上有一個起到氣動回路總開關作用的二位三通電磁閥，另外在兩條支路上分別有一個三位五通電磁閥和一個二位三通電磁閥。因為VP系列電磁閥具有體積小，流通能力大，動作頻率高的特點，還可用于真空壓力條件下。所以我選用VP342系列二位三通直動式電磁閥用在支路上控制噴頭。表27 二位三通電磁閥型號及其性能描述型號配管形式動作方式配管口徑有效截面積mm (Cv值)使用壓力/MPaVP342直接配管先導式RC1/416.2（0.9）0.20.8環(huán)境及流體溫度 最高50C響應時間 30毫秒或以下最高動作頻率 5次/秒抗沖擊/振動能力 30G/5G(8.32000HZ)而主回路上的連接口徑較支路大，所以型號要另選。表28 二位三通電磁閥型號及其性能描述型號配管形式動作方式配管口徑有效截面積mm (Cv值)使用壓力/MPaVP3145直接配管先導式RC1/2110（6.1）0.20.8而三位五通的電磁閥選用VF5320型號表29 三位五通電磁閥型號及其性能描述型號配管形式動作方式配管口徑機能有效截面積mm (Cv值)使用壓力/MPaVF5320直接配管先導式RC1/4中位封閉式30.6（1.7）0.150.92.2.7 節(jié)流閥 單向節(jié)流閥是由單向閥和節(jié)流閥并聯而成的流量控制閥，常用于控制氣缸的運動速度，故常稱為速度空置閥。節(jié)流閥是依靠改變閥的流通面積來調節(jié)流量的，要求節(jié)流閥流量的調節(jié)范圍較寬，能進行微小流量調節(jié)，調節(jié)精確，性能穩(wěn)定，閥芯開度與通過的流量成正比。 這里需要兩個可調單向節(jié)流閥構成一個回路，起速度控制作用。型號上選用AS系列。 耐壓試驗壓力 1.5 Mpa 最高使用壓力 1.0 Mpa 最低使用壓力 0.05 Mpa 環(huán)境及流體溫度 560C 調整流量圈數 8表210 節(jié)流閥型號及其性能描述型號口徑自由流量控制流量質量（g）流量/min(ANR)有效截面積mm流量/min(ANR)有效截面積mmAS2000021/43405.22503.81152.2.8 可調雙向緩沖缸 氣緩沖裝置是由緩沖套、緩沖密封圈和緩沖閥等組成，當活塞向右運動時，右緩沖套接觸右緩沖密封圈，活塞右側便形成一個封閉氣室，稱為緩沖腔。此緩沖腔內的氣體只能通過緩沖腔排出。調節(jié)緩沖閥的開度，可改變緩沖能力，故帶緩沖閥的氣缸，稱為可調緩沖氣缸。型號上選用CA1系列，各性能參數如下：缸徑（mm） 40動作方式 雙作用耐壓試驗壓力 1.5 Mpa最高使用壓力 0.99 Mpa最低使用壓力 0.05 Mpa環(huán)境及流體溫度 50500 mm/s緩沖 氣緩沖接管口徑Rc 1/4行程范圍（mm） 500磁性開關型號（拉桿安裝） A54，A562.2.9 截至閥 截至閥屬于通用配件，選擇一個連接口徑為Rc1/4的即可。3 硬件選型及其性能3.1 PLC型號選擇及其性能分析3.1.1 可編程控制器的應用和發(fā)展 可編程控制器是60年代末在美國首先出現的，當時叫可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)，目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數等順序控制功能。提出PLC概念的是美國通用汽車公司。當時，根據汽車制造生產線的需要，希望用電r化的新型控制器替代繼電器控制柜，以減少汽車改型時，重新設計制造繼電器控制盤的成木和時間。PLC的基木設計思想是把計算機的功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據實際應用對象、將控制內容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內?？刂破骱涂刂茖ο筮B接方便。 隨著半導體技術、尤其是微處理技術和微型計算機技術的發(fā)展，到70年代中期以后，PLC已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的PLC已小再僅有邏輯(Logic)判斷功能，還同時具有數據處理、PID調節(jié)和數據通信功能。 國際電土委員會(IEC)頒布的可編程控制器標準草案中對可編程控制器作了如下的定義:可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外圍設各，易于與土業(yè)控制系統(tǒng)聯成一個整體，易于擴充其功能的設計。 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點設各，改變程序即可改變生產工藝，因此可在初步設計階段選用可編程控制器，在實施階段再確定工藝過程。另一方面，從制造生產可編程控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據用戶的訂貨要求專門設計控制器，適合批量生產。由于這些特點，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的普及推廣應用?？删幊炭刂破魇敲嫦蛴脩舻膶Ｓ霉I(yè)控制計算機，具有許多明顯的特點。 可靠性高，抗干擾能力強:可編程控制器是專為工業(yè)控制而設計的，除了對器件的嚴格篩選和老化外，在硬件和軟件兩個方而還采用了屏蔽、濾波、隔離、故障診斷和自動恢復等措施，使可編程控制器具有很強的抗干擾能力，使其平均無故障時間達到（35）萬小時以上。 編程直觀、簡單:可編程控制器是面向用戶、面向現場，考慮到大多數電氣技術人員熟悉電氣控制線路的特點，它沒有采用微機控制中常用的匯編語言，而是采用了一種面向控制過程的梯形圖語言，梯形圖語言與繼電器原理圖相類似，形象直觀，易學易懂。計算機技術和傳統(tǒng)的繼電器控制技術之間的隔閡在可編程控制器上完全不存在。適應性好:可編程控制器是通過程序實現控制的。當控制要求發(fā)生改變時，只要修改程序即可。由于可編程控制器產品已標準化、系列化、通用化，因此能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成規(guī)模不同、功能不同的控制系統(tǒng)，適應能力非常強，故既可控制一臺單機，一條生產線，又可控制一個復雜的群控系統(tǒng)，既可以現場控制，又可以遠距離控制。功能完善，接口功能強:目前的可編程控制器具有數字量和模擬量的輸入輸出、邏輯和算術運算、定時、計數、順序控制、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能，使設各控制水平大大提高。接口功率極大地方便了用戶，常用的數字量輸入輸出接口，就電源而言有110 V，220V交流和5 V， 24 V， 48 V直流等多種;負載能力可在(0.55A)的范圍內變化;模擬量的輸入輸出有(-50-+50)mV ， (-10-+10)mV和(0-10)mA，（4-20）mA等多種規(guī)格?？梢院芊奖愕貙⒖删幊炭刂破髋c各種不同的現場控制設各順利連接，組成應用系統(tǒng)。例如，輸入接口可直接與各種開關量和傳感器進行連接，輸出接口在多數情況下也可直接與各種傳統(tǒng)的繼電器、接觸器及電磁閥等相連接。圖31 PLC系統(tǒng)的基本結構CPU模塊是PLC的主要組成部分，是系統(tǒng)的控制核心。CPU模塊中通常還插裝有存儲器，用于存放PLC的系統(tǒng)程序、用戶控制程序和工作數據等。CPU以循環(huán)掃描的方式采集現場各輸入裝置的狀態(tài)信號作為控制程序運行的參數條件，執(zhí)行用戶控制程序，并將運算結果傳送到相應的輸出裝置，驅動外部負載工作。輸入/輸出模塊是PLC的CPU模塊與外部控制現場相聯系的橋梁。PLC的輸入/輸出模塊通?？煞譃殚_關量輸入模塊、模擬量輸入模塊、開關量輸出模塊和模擬量輸出模塊等，分別用于聯系不同類型的外部信號。復雜PLC中還有一類特殊I/O模塊，如高速計數模塊、PID控制模塊、中斷控制模塊等，一般是為了提高PLC的實時控制功能和過程控制功能而專門設計的。 編程器是編制、編輯、調試PLC用戶控制程序以及實時監(jiān)測現場運行狀況的必備設備，它通過通信接口與PLC的CPU模塊相聯系，為PLC提供專用編程環(huán)境。小型PLC的程序編制可直接使用簡易的手持式編程器來完成，較為復雜的編程一般使用專門的編程軟件。編程軟件可以安裝在普通計算機上，程序編制好后通過通信電纜下載到PLC中?？删幊炭刂破魇羌C技術、自動化技術、通訊技術于一體的通用工業(yè)控制裝置。隨著微處理技術的發(fā)展，可編程控制器也得到了迅速發(fā)展，其技術和產品日趨完善。它不僅以其良好的性能滿足了工業(yè)生產的廣泛需要，而且將通信技術和信息處理技術融為一體，使其功能更加完備?？删幊炭刂破髟趪鴥韧庖褟V泛應用于鋼鐵、石化、機械制造、汽車裝配、電力、輕紡等各行各業(yè)。目前，典型的PLC功能有下面幾點。順序控制:這是可編程控制器最廣泛應用的領域，取代了傳統(tǒng)的繼電器順序控制，例如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機、組合機床、磨床、裝配生產線、包裝生產線、電鍍流水線及電梯控制等。過程控制:在土業(yè)生產過程中，又許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位、速度、電流和電壓等，稱為模擬量?？删幊炭刂破饔蠥/D和D/A轉換模塊，這樣，可編程控制器可以作模擬量控制用于過程控制。數據處理:一般可編程控制器都設有四則運算指令，可以很方便地對生產過程中的數據進行處理。用PLC可以構成監(jiān)控系統(tǒng)，進行數據采集和處理、監(jiān)控生產過程。較高檔次的可編程控制器都有位置控制模塊，用于控制步進電機或伺服電機，實現對各種機械的位置控制。通信聯網和顯示打印:某些控制系統(tǒng)需要多臺PLC連接起來使用或者由一臺計算機與多臺PLC組成分布式控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破鞯耐ㄐ拍K可以滿足這些通信聯網要求?？删幊炭刂破鬟€可以連接顯示終端和打印機等外圍設備，從而實現顯示和打印功能。可編程控制器的更新很快:可編程控制器的技術發(fā)展特點為高速度、大容量、系列化、模塊化、多品種?？删幊炭刂破鞯木幊陶Z言、編程工具多樣化，通信聯網能力越來越強?？删幊炭刂破鞯穆摼W和通信分為兩類:一類是可編程控制器之間的聯網通信，各制造廠商都有自己的專用聯網手段;另一類是可編程控制器之間聯網通信，一般可編程控制器都有通信模塊用于與計算機通信。在網絡中要有通用的通信標準，否則在一個網絡中不能連接許多廠商的產品。3.1.2 PLC的工作原理及其性能分析 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，這個工作過程分為內部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。內部處理階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復位監(jiān)視定時器等。在通信操作服務階段，PLC與一些智能模塊通信、響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容等，當PLC處于停(STOP)狀態(tài)時，只進行內部處理和通信服務操作等內容。在PLC處于運行(RUN)狀態(tài)時，從內部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。輸入處理 輸入處理也叫輸入采樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內存中所對應的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新。接著進入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時，輸入映象寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映象寄存器的內容也不發(fā)生變化，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。程序執(zhí)行 根據PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉指令，則根據跳轉條件是否滿足來決定程序的跳轉地址。從用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映象寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對應映象寄存器的當前狀態(tài)，根據用戶程序進行邏輯運算，運算結果再存入有關器件寄存器中，對每個器件而言，器件映象寄存器中所寄存的內容，會隨著程序執(zhí)行過程而變化。程序處理 程序執(zhí)行完以后，將輸出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅動外部負載。 PLC的掃描既可按固定的順序進行，也可按用戶程序所指定的可變順序進行。這不僅因為有的程序不需要每掃描一次就執(zhí)行一次，而目也因為在一些大系統(tǒng)中需要處理的I/O點數多，通過安排不同的組織模塊，采用分時分批掃描的執(zhí)行方法，可縮短循環(huán)掃描的周期和提高控制的實時響應性。 循環(huán)掃描的工作方式是PLC的一大特點，也可以說PLC是“串行”工作的，這和傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)“并行”工作有質的區(qū)別。PLC的串行工作方式避免了繼電器控制系統(tǒng)中觸點竟爭和時序失配的問題。 由于PLC是掃描工作過程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映象寄存器的內容也不會變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能改變。暫存在輸出映象寄存器中的輸出信號，等到一個循環(huán)周期結束，CPU集中將這些輸出信號全部輸送給輸出鎖存器。由此可以看出，全部輸入輸出狀態(tài)的改變需要一個掃描周期。換言之，輸入輸出的狀態(tài)保持一個掃描周期。掃描周期是PLC一個很重要的指標，小型PLC的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。PLC的掃描時間取決于掃描速度和用戶程序長短。毫秒級的掃描時間對于一般工業(yè)設備通常是可以接受的，PLC的響應滯后是允許的。但是對某些I/O快速響應的設備，則應采取相應的措施。如選用高速CPU,提高掃描速度，采用快速響應模塊、高速計數模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時間。影響I/O滯后的主要原因有:輸入濾波器的慣性;輸出繼電器接點的慣性;程序執(zhí)行的時間;程序設計不當的附加影響等。 西門子公司的SIMATIC S7-200PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。SIMATIC S7-200的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此S7-200具有極高的性能/價格比。S7-200出色表現在以下幾個方面： 極高的可靠性， 極豐富的指令集 ，易于掌握 ，便捷的操作，豐富的內置集成功能，實時特性，強勁的通訊能力，豐富的擴展模塊。 S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。 基本單元S7-200系列PLC中可提供4種不同的基本型號的8種CPU供選擇使用，其輸入輸出點數的分配見下表：表31 S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元型 號輸入點輸出點可帶擴展模塊數S7-200CPU22164S7-200CPU222862個擴展模塊78路數字量I/O點或10路模擬量I/O點S7-200CPU22414107個擴展模塊168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點S7-200CPU22624162個擴展模塊248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點S7-200CPU226XM24162個擴展模塊248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點 擴展單元S7-200系列PLC主要有6種擴展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴展I/O點數，S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數的分配如自下表所示。表32 S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數類 型型 號輸入點輸出點數字量擴展模塊EM2218無EM222無8EM2234/8/164/8/16模擬量擴展模塊EM2313無EM232無2EM23531 編程器PLC在正式運行時，不需要編程器。編程器主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入PLC中，在調試過程中，進行監(jiān)控和故障檢測。S7-200系列PLC可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智能型。簡易型編程器是袖珍型的，簡單實用，價格低廉，是一種很好的現場編程及監(jiān)測工具，但顯示功能較差，只能用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計算機進行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機內，可直接采用梯形圖語言編程，實現在線監(jiān)測，非常直觀，且功能強大，S7-200系列PLC的專用編程軟件為STEP7-Micro/WIN。 程序存儲卡為了保證程序及重要參數的安全，一般小型PLC設有外接EEPROM卡盒接口，通過該接口可以將卡盒的內容寫入PLC，也可將PLC內的程序及重要參數傳到外接EEPROM卡盒內作為備份。程序存儲卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6E