多工步自動推料(送料)進給及溫控顯示系統(tǒng)-正文

1、多工步自動推料(送料)進給及溫控顯示系統(tǒng)-正文 第一章 緒論1.1 推料進給裝置簡述 自工業(yè)革命開始,機器作業(yè)逐漸代替了手工作業(yè),而機床作為機器作業(yè)的典型代表也日益發(fā)展,從人工手動控制的老式機床發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)控機床。相應的,作為機床作業(yè)的基礎,推料進給裝置的發(fā)展也成為了機床發(fā)展的一個縮影,從最當初的人工送料到現(xiàn)在的全自動機器送料(涉及到數(shù)據庫的存取)。 隨著機床的高速發(fā)展,機床設計者對推料進給裝置的要求也日漸提高,無論從行程,進給方向還是進給速度方面,提高工作效率,不僅要靠機床的快速加工,迅速而準確的推料進給也是十分必要的。因此在現(xiàn)在的機床推料進給裝置的設計上,設計者一般都秉承著進給準確,速度

2、合適,行程合理這幾個基本原則 1.2課題的提出和課題的主要任務 我的畢業(yè)設計的題目是小型多工步自動推料進給裝置及溫控、上位顯示系統(tǒng)設計,主要有兩大部分,一部分是機械部分設計,進給裝置的傳動系統(tǒng)的設計,還有進給裝置的結構設計;一部分是電部分的設計,即溫控系統(tǒng)硬件和程序的設計,及其上位顯示系統(tǒng)的設計。1.2.2.1推料進給裝置傳動系統(tǒng)的設計 傳動系統(tǒng)的作用是將原動機的運動和動力傳遞給工作機,以完成預期的功能。常用的傳動機構有齒輪機構,連桿機構,凸輪機構,螺旋機構,楔塊機構,棘輪機構,槽輪機構,摩擦輪機構,撓性件機構,液氣動機構,電氣機構以及利用以上一些常用機構進行組合而產生的組合機構。傳動機構在使

3、用中最主要的目的是為了實現(xiàn)速度或者力的變換,或實現(xiàn)特定運動規(guī)律的要求。 根據功率,速度,輸出力三者之間的關系: PFv式中 P?輸出功率 F?輸出力 V?輸出速度 在傳輸功率一定的情況下,為了得到一個比較大的力輸出,可以降低輸出速度。如果要使輸出力按某一規(guī)律變化,則可以通過調整輸出速度按某種規(guī)律變化來得以實現(xiàn) 常見的用于運動速度或力的大小變換的傳動機構主要有以下幾種:1)通過嚙合方式進行傳動(例如:齒輪、蝸輪蝸桿、鏈傳動、同步齒形帶等)。其中齒輪傳動可以在平行軸或交錯軸間實現(xiàn)準確的定傳動比傳動,適用功率和速度范圍廣,結構緊湊,傳動效率高,工作可靠,壽命長,互換性好,依次得到廣泛應用。2)通過摩

4、擦方式進行傳動(例如:摩擦輪傳動、摩擦式無級變速器、帶傳動、滾珠絲杠副傳動、滑輪傳動等)。這類機構簡單,維修方便,成本低廉,由于帶具有柔軟性,有吸收振動的特性,且有緩沖和安全保護的作用特性使帶傳動適用于兩軸中心距較大的傳動。3)利用楔塊進行傳動(例如:螺旋傳動等)。螺旋傳動主要由螺桿、螺母、機架組成,螺旋傳動的優(yōu)點是增力效果大,可用較小的轉矩得到較大的軸向力,結構簡單,傳動精度高,平穩(wěn)無噪音等。4)利用流體作用原理進行傳動(例如:液壓、氣動傳動等)。液體可以看作一種不可壓縮物體,因而液壓傳動可以傳動較大的力,經常用于傳動比不需十分精確但載荷很大的情況下,但液壓傳動速度較慢,例如液壓千斤頂、液壓

5、挖掘機的推桿等。相反氣動傳動機構一般用于傳輸較小的力,但作用速度快。 原動機的輸出較為常見的運動形式是勻速轉動,而工作機的輸出要求是多種多樣的,因此進行運動形式的變換是傳動機構一個很重要的任務。機械機構中常見的運動形式主要有:轉動、平動、擺動等。常見的用運動形式的變換機構主要有:凸輪機構、螺旋機構、連桿機構、齒輪機構、撓性件機構、摩擦輪機構、流體機構等。它們能將轉動變換成移動,或反之,由于運動形式的變化,機構的傳力方式也就隨之改變。 在我的課題里,我把推料進給裝置設計在沖壓機床上, 選擇的原動件是步進電動機,做的是旋轉運動,而進給動作是在一個水平方向上的直線運動,因此在傳動機構方面我選用的是滾

6、珠絲杠副,利用它將電機的旋轉運動轉換成一個水平方向上的直線進給運動。而且在電機選型后,由于電機的輸出軸和絲杠所在的軸可能存在粗細不同的情況,連軸器的選用也成為可能。 沖壓機床由于加工材料都為較細的板材,如何將直線進給運動均勻的分攤在板材上,使板材能夠平穩(wěn)的進行直線運動,也成為我的考慮范圍之內。 因此,在進給力的分配上,必須保證鋼板在進給方向上受力均勻。我的初步想法是將板材上的受力點設定為2個點。 1.2.2.2 基于加工板材溫度的要求對溫控裝置的設計 既然設定為沖壓機床上的推料進給裝置,就得考慮到機床沖壓板材時可能出現(xiàn)由于溫度過低而出現(xiàn)板材在沖壓結束后形成裂紋。而溫控裝置恰恰就能解決板材溫度的

7、問題,但是加工材料是多樣的,相應的它們對于溫度的要求也是不一樣的,而且要將板材在達到溫度要求后由于余熱的影響降到最小。要一一實現(xiàn)它們的溫度要求,溫控裝置必須能夠實現(xiàn)變階段控溫,達到每個階段溫度后的保溫時間也能自我設定。第二章 推料進給裝置的設計方案2.1絲杠副的選型計算及其校核 本次設計中選用的滾珠絲杠型號為漢江機床廠C1-4005-2.5型滾珠絲杠副,公稱直徑為d040mm,導程P5mm。采用兩端支撐的支撐方式。該絲桿的額定載荷為:動載11670N,靜載37658N,設定絲桿轉速為540r/min, 1、最大工作載荷Fm的計算 工作臺推料尺寸最大為1000mm*1000mm,所推板材的最大厚

8、度為5mm,則板材的重量為 G3m3m0.005m8900kg/m310N/kg444.8N450N 由于滾珠是45#鋼所以,經查得,鋼-鋼的摩擦系數(shù)是0.15,摩擦力f為: f FN 0.1545067.5N 得進給方向載荷Fxf67.5N,橫向載荷F y 0,垂直載荷Fz0 采用的是綜合導軌,K1.15, 0.150.18 Fm1.1567.5+0.15450145.125N (2)、最大動載荷FQ的計算 FQ 滾珠絲桿的壽命:6054015000/106 486 載荷系數(shù):1.01.2 硬度系數(shù):2.40 滾珠絲桿副的最大工作載荷:145.125N 得FQ 3286.1N 經比較絲桿的額

9、定動載荷遠大于實際最大動載荷,故絲桿可用。 (3)傳動效率的計算 絲桿的螺旋升角: 2.280度 摩擦角:,一般取10分 93.176%(4)、絲桿的拉伸或者壓縮變形量 最大工作載荷:,單位為N 145.125N 絲桿兩端支撐間的距離:,單位為mm 2000 絲桿的彈性模量:,鋼的2.1105 MPa 絲桿按底徑d2確定的截面積:單位為mm2 39.20625 S/41207.26 mm2 轉矩:M,單位為Nmm M145.125202902.5 絲桿按底徑d2確定的截面積慣性矩(),單位為mm4I75.45mm4 其中:“+”用于拉伸,“?”用于壓縮。 經計算得0.01668 滾珠與滾道間的

10、接觸變形量有預緊 有預緊: 無預緊: 滾珠直徑:D,單位為mmD3.175 滾珠總數(shù)量:圈數(shù)列數(shù) 92 單圈滾珠數(shù):Z37 為預緊力,單位為N0.0007548 剛度驗算: 絲桿的總變形量+0.0174348 值不應大于機床定位精度的一半 (5)穩(wěn)定性驗算 絲桿屬于受軸向力的細長桿,如果軸向負載過大,則可能產生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷Fk 應滿足: 臨界載荷: 單位為N 絲桿支撐系數(shù):1 K:壓桿穩(wěn)定安全系數(shù),一般取2.54,垂直安裝時取小值 滾珠絲桿兩支撐端的距離:a單位為mm a2000 156.379145.1252.2 電機的選型 電機分為步進電機和交流伺服電機,交流伺服電機與步進電

11、機相比,二者性能又有較大不同,它主要表現(xiàn)為: 1.控制精度不同 兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°,五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機,其步距角為0.09°德國百格拉公司(BERGER LAHR)生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°,兼容了兩

12、相和五相混合式步進電機的步距角。 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例,對于帶標準2500線編碼器的電機而言,由于驅動器內部采用了四倍頻技術,其脈沖當量為360°/100000.036°。對于帶17位編碼器的電機而言,驅動器每接收217131072個脈沖電機轉一圈,即其脈沖當量為360°/1310729.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。 2.低頻特性不同 步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關,一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機

13、的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時,一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象,比如在電機上加阻尼器,或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩(wěn),即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能,可涵蓋機械的剛性不足,并且系統(tǒng)內部具有頻率解析機能(FFT),可檢測出機械的共振點,便于系統(tǒng)調整。 3.矩頻特性不同 步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降,且在較高轉速時會急劇下降,所以其最高工作轉速一般在300600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出,即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM)以內,都能輸出額定轉矩,在額定轉速以上為

14、恒功率輸出。 4.過載能力不同 步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例,它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍,可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力,在選型時為了克服這種慣性力矩,往往需要選取較大轉矩的電機。 5.運行性能不同 步進電機的控制為開環(huán)控制,啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象,停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象,所以為保證其控制精度,應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內部構成位置環(huán)和速度環(huán),一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)

15、象,控制性能更為可靠。 6.速度響應性能不同步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要200400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好,以松下MSMA 400W交流伺服電機為例,從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制場合。 在我的推料進給裝置中,基本上對啟停速度要求不算太過嚴格,綜上所述,初步選中電機類型為步進電機。具體型號是45BF003-。計算如下: (1)、步進電機轉軸上的總轉動慣量的計算 式中為工作臺質量(kg) 為絲杠導程(cm) 計算:0.5/6.28* 0.5/6.28*300.1902 (2)、步進電機轉軸上的等效負載轉矩的計算 通?？?/p>

16、慮兩種情況:一種是快速空載啟動,另一種是承受最大工作載荷。 快速空載啟動時電機轉軸所受的負載轉矩 ?快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩,單位是 ?移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩,單位是 ?滾珠絲桿預緊后折算到電機轉軸上的附加摩擦轉矩,單位是而上式中: ?電動機轉軸的角加速度,單位是 ?電動機的轉速,單位是 ?電動機加速所用的時間,單位是s,一般在0.31s之間選取經計算:10.750 35.83 ?導軌的摩擦力,單位是N ?滾珠絲桿的導程,單位是m ?傳動鏈總效率,一般取0.70.85 ?總的傳動比電機的轉速 絲桿的轉速經計算:0.0671 ?滾珠絲桿副的預緊力,一般取

17、滾珠絲桿工作載荷的1/3,單位是N ?滾珠絲桿副未預緊時的傳動效率,一般取0.9由于選擇的是無預緊絲杠 最大工作載荷狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 ?進給方向最大工作載荷,單位是N 代入數(shù)據: 0.1444 10.8171 0.2115 0.04775 (3)步進電機的選型 將上述計算所得的乘上一個系數(shù)K,用K的值來初選電機的最大靜轉矩,其中的系數(shù)K稱作安全系數(shù),一般應在2.54之間選取。 K0.193 (4)步進電機的性能校核 最快工作進給速度時的電動機輸出轉矩校核 ?最快工作進給速度 ?系統(tǒng)的脈沖當量 從步進電機的矩頻率特性曲線中找出運行頻率所對應的輸出轉矩,同最大工作負載轉矩比較,滿足

18、。 最快空載時的電動機輸出轉矩校核 ?最快空載工作進給速度 從步進電機的矩頻率特性曲線中找出運行頻率所對應的輸出轉矩,同最大工作負載轉矩比較,滿足。 最快空載移動時的電動機運行頻率校核 由最快空載移動速度和系統(tǒng)脈沖當量,算出電動機對應的運行頻率。沒有超過所選電動機的極限空載運行頻率。 啟動頻率校核 ?總的轉動慣量對應的啟動頻率,可以通過上式求得,也可以在步進電動機的啟動慣頻特性曲線上找出 ?電機空載啟動頻率,單位是,由產品資料查得 ?加在步進電動機上的總的轉動慣量,單位是 ?步進電動機轉子的轉動慣量,單位是 算得啟動頻率小于 經計算,電機符合要求。 2.3 軸承的選型計算及其校核 一般主軸常用

19、的幾種滾動軸承的配置有以下幾種。 1)前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60°角接觸雙列向心推力球軸承組合,承受徑向和軸向載荷;后支承采用成對角接觸球軸承,特點是剛度高,可以滿足強力切削的要求,數(shù)控機床應用較多。(圖中a)。 2)前軸承采用成組角接觸球軸承,23個軸承組成一套,要求背靠背安裝,承受徑向和軸向載荷;后軸承采用雙列短圓柱滾子軸承,適用于高速、重載、精度好的主軸要求,但承受的軸向載荷比前一配置小。(圖中b)。 3)前后支承均采用高精度的成組角接觸球軸承,承受徑向和軸向載荷;這類軸承具有良好的高速性能,主軸最高轉速達4000r/min,它的承載能力小,適合于高速度、輕載荷、高精度

20、的數(shù)控機床主軸。(圖中c)。 4)前軸承采用雙列圓錐滾子軸承,能夠承受較大的徑向和軸向載荷,后軸承采用單列圓錐滾子軸承。能承受重載荷尤其能承受較強的動載荷,可調整性好,但限制了主軸最高轉速與精度,適合于低速、重載、中等精度的機床。(圖中d)。 軸承的精度分為2、4、5、6、0五級,2級最高,0級為普通精度級。主軸軸承以4級為主(記為P4),較低精度的主軸可以用P5級,而P6、P0一般不用。 前后軸承之間,前軸承對主軸組件的精度影響比后軸承的影響大。因此后軸承精度可以比前軸承低一級。 軸承并列使用時,選擇背對背的方式。采用推力軸承時,分清楚先裝配內徑小的圈還是內徑大的圈,內徑小的圈隨軸轉動。 該

21、設計中采用圓錐滾子軸承,其代號為32914 2BC,計算系數(shù):e0.32 ;Y1.9; Y01,基本額定靜載荷CR70800N 額定動載荷COR115000N采用油脂潤滑。 在我的設計中,選用的是角接觸球軸承. 當軸承承受軸向145.125N的力時,F aF d Fr tana145.125 Fr4814 Fa/Fre PfpXFr+YFa1.00.44814+1.9 12904376.6NCR 所以軸承可用。第三章 溫度控制系統(tǒng)的基本設計方案3.1 溫度控制系統(tǒng)的硬件選擇 在工業(yè)生產過程及工程檢測中, 為了對各種工業(yè)參數(shù)(如壓力、溫度、流量、物位、位移等)進行檢測與控制, 首先要把這些參數(shù)轉

22、換成便于傳送的信息, 這就要用到各種傳感器, 把傳感器與其它裝置組合起來, 組成一個檢測系統(tǒng)或調節(jié)系統(tǒng), 完成對工業(yè)參數(shù)的檢測與控制。 采用PID模糊控制技術 :用先進的數(shù)碼技術通過Pvar、Ivar、Dvar(比例、積分、微分)三方面的結合調整形成一個模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。 傳統(tǒng)的溫度控制器的電熱元件一般以電熱棒、發(fā)熱圈為主,兩者里面都用發(fā)熱絲制成。發(fā)熱絲通過電流加熱時,通常達到1000以上,所以發(fā)熱棒、發(fā)熱圈內部溫度都很高。一般進行溫度控制的電器機械,其控制溫度多在0-400之間,所以,傳統(tǒng)的溫度控制器進行溫度控制期間,當被加熱器件溫度升高至設定溫度時,溫度控制器會發(fā)出信號停止加

23、熱。但這時發(fā)熱棒或發(fā)熱圈的內部溫度會高于400,發(fā)熱棒、發(fā)熱圈還將會對被加熱的器件進行加熱,即使溫度控制器發(fā)出信號停止加熱,被加熱器件的溫度還往往繼續(xù)上升幾度,然后才開始下降。當下降到設定溫度的下限時,溫度控制器又開始發(fā)出加熱的信號,開始加熱,但發(fā)熱絲要把溫度傳遞到被加熱器件需要一定的時候,這就要視乎發(fā)熱絲與被加熱器件之間的介質情況而定。通常開始重新加熱時,溫度繼續(xù)下降幾度。所以,傳統(tǒng)的定點開關控制溫度會有正負誤差幾度的現(xiàn)象,但這不是溫度控制器本身的問題,而是整個熱系統(tǒng)的結構性問題,使溫度控制器控溫產生一種慣性溫度誤差。 PID模糊控制,是針對以上的情況而制定的、新的溫度控制方案,用先進的數(shù)碼

24、技術通過Pvar、Ivar、Dvar三方面的結合調整,形成一個模糊控制,來解決慣性溫度誤差問題。 硬件型號的選擇: PLC PLC型號選擇為SIEMENS的S7-200型,屬于小型PLC,可以用于代替繼電器的簡單控制場合,也可以用于復雜的自動化控制系統(tǒng);并且它具有極強的通信功能,在大型網絡控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。可以用梯形圖、語句表(即指令表)和功能塊三種語言編程,它的指令豐富,指令功能強,而且內置有高速計數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由端口模式通信功能,最大可以擴展到248點數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O,最多有30多KB程

25、序和數(shù)據存儲空間。 在CPU的選擇上面因為要有兩個PPI接口,一個用來下載數(shù)據程序,另一個用來顯示狀態(tài)。并且輸出需要頻繁地通斷切換,不宜用繼電器輸出的PLC,所以選擇晶體管輸出的CPU224XP。 2)EM235 因為要用PID控制,所以采用模擬量的擴展EM235。它將模擬信號轉換成數(shù)字信號送入PLC中 表A所示為如何用DIP開關設置EM 235模塊。開關1到6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。所有的輸入設置成相同的模擬量輸入范圍和格式。表A-14所示為如何選擇單/雙極性(開關6)、增益(開關4和5)和衰減(開關1、2和3)。下表中,ON為接通,OFF為斷開。 表A 所示EM 235選擇模擬量輸入

26、范圍和分辨率的開關表 單極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0到50mV 12.5V OFF ON OFF ON OFF ON 0到100mV 25V ON OFF OFF OFF ON ON 0到500mV 125uA OFF ON OFF OFF ON ON 0到1V 250V ON OFF OFF OFF OFF ON 0到5V 1.25mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0到20mA 5A OFF ON OFF OFF OFF ON 0到10V 2.5mV 選擇SW1,SW6,為ON狀態(tài)。 選

27、擇SW2,SW3, SW4, SW5,SW6,為OFF狀態(tài)。 3)電源 利用西門子SITOP電源把AC220V轉換成DC24V的功能,給CPU及其模塊供電,加熱器由AC220V直接供電。 4)PT100 鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關系而制成的溫度傳感器,由于其測量準確度高、測量范圍大、復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等,被廣泛用于中溫-200650范圍的溫度測量中。 鉑電阻/溫度傳感器的特性及優(yōu)點: 金屬鉑具有電阻溫度系數(shù)大,感應靈敏;電阻率高,元件尺寸小;電阻值隨溫度變化而變化基本呈線性關系;在測溫范圍內,物理、化學性能穩(wěn)定,長期復現(xiàn)性好,測量精度高,是目前公認制造熱電阻的最好材料。但鉑在

28、高溫下,易受還原性介質的污染,使鉑絲變脆并改變電阻與溫度之間的線性關系,因此使用時應裝在保護套管中。 利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器,通常使用的鉑電阻溫度傳感器有PT100,電阻溫度系數(shù)為3.9×10-3/,0時電阻值為100,電阻變化率為0.3851/。鉑電阻溫度傳感器精度高,穩(wěn)定性好,應用溫度范圍廣,是中低溫區(qū)(-200650)最常用的一種溫度檢測器,不僅廣泛應用于工業(yè)測溫,而且被制成各種標準溫度計。 5)溫度變送器 變送器與PT100配套,把電阻的變化轉化成相應的電流信號,送入PLC擴展模塊EM235中。 6)E-VIEW觸摸屏 E-VIEW觸摸屏通過觸摸

29、的形式實現(xiàn)PLC程序中各種開關量的變化,以及程序中即時數(shù)據的顯示。 3.2 溫度控制系統(tǒng)電路的設計連接 溫度是一種模擬量,而PLC中是實現(xiàn)對數(shù)字量的控制,因此在設計溫度控制電路時,首先要進行的是將采集到的溫度信號轉換成數(shù)字量信號,PLC依據程序處理完后輸出的結果也是數(shù)字信號,而輸出的數(shù)字信號必須能夠控制溫控系統(tǒng)是否對板材進行加熱。 因此,我對于溫控系統(tǒng)的硬件電路初步設計為: 傳感器溫度變送器EM235PLC固態(tài)繼電器加熱器 連線圖附后 首先,溫度傳感器將采集到的溫度信號送入溫度變送器中,轉換成相應的電流或者電壓信號,傳輸?shù)絊7-200系列PLC的擴展模塊EM235中,EM235與PLC用傳輸線

30、連接,信號在PLC中經過程序和PID處理后,輸出為一個數(shù)字量信號,送到故態(tài)繼電器中,故態(tài)繼電器與加熱器相連,通過PLC輸出的數(shù)字量信號控制加熱器是否加熱 鉑電阻溫度傳感器PT100接線采用兩線制:傳感器電阻變化值與連接導線電阻值共同構成傳感器的輸出值,由于導線電阻帶來的附加誤差使實際測量值偏高,用于測量精度要求不高的場合,并且導線的長度不宜過長。1 變送器接線如圖2 傳感器連接到S7-200模擬量輸入模塊接線如圖第四章 溫控系統(tǒng)的可編程控制器(S7-200)的程序設計4.1 可編程控制器的工作原理和過程 SIEMENS的S7-200系列PLC是由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程裝置組成(如

31、下圖1)。PLC的特殊功能模塊用來完成某些特殊的任務。一般PLC由以下幾個部分來保障它的正常工作。CPU模塊CPU模塊主要由微處理器(CPU芯片)和存儲器組成。在PLC控制系統(tǒng)中,CPU模塊相于人的大腦和心臟,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;存儲器用來儲存程序和數(shù)據。I/O模塊 輸入(Input)模塊和輸出(Output)模塊簡稱為I/O模塊,它們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳,是聯(lián)接外部現(xiàn)場設備和CPU模塊的橋梁。 輸入模塊用來接收和采集輸入信號,開關量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、數(shù)字撥碼開關、限位開關、接近開關、光電開關、壓力繼電器等來的開關量輸入信號;模擬量輸入模塊用來

32、接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設備;模擬量輸出模塊用來控制調節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。編程器 編程器用來生成用戶程序,并用它進行編輯、檢查、修改和監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。使用編程軟件可以在計算機屏幕上直接生成和編輯指令表程序,并且可以實現(xiàn)不同編程語言之間的相互轉換。程序被編譯完后下載到PLC,也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或者打印,通過網絡,甚至可以實現(xiàn)遠程編程和傳送。 4)電源 一般的PLC使用AC220V電源或者DC24V電源。內部的開關電源為各模塊提供

33、不同電壓等級的直流電源。小型PLC可以為輸入電路和外部的電子傳感器(例如接近開關)提供DC24V電源,驅動PLC負載的直流電源一般由用戶提供。 在數(shù)字量控制系統(tǒng)中,變化僅有兩種相反的工作狀態(tài),例如高電平和低電平,繼電器線圈的通電和斷電,觸電的接通和斷開,可以用邏輯代數(shù)里的1和0來表示。用多個觸電的串、并聯(lián)電路可以實現(xiàn)復雜的邏輯運算。 在PLC通電后,需要對硬件和軟件作一些初始化的工作。為了使PLC的輸出及時響應各種輸入信號,初始化后反復不停地分階段處理各種不同的任務,即以掃描模式工作。PLC的工作步驟一般有5個,如下:讀取輸入 在PLC的存儲器中,設置了一片區(qū)域來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài),

34、它們分別稱為輸入過程映像寄存器和輸出過程映象寄存器。CPU以字節(jié)(8位)為單位來讀寫輸入/輸出過程影響寄存器。 在讀取輸入階段,PLC把所有外部數(shù)字量輸入電路的1/0狀態(tài)(或稱ON/OFF狀態(tài))讀入輸入過程影響寄存器。外部的輸入電路閉合時,對應的輸入過程映像寄存器為1狀態(tài),梯形圖中對應的輸入點的常開觸電接通,常閉觸電斷開。外接的輸入電路斷開時,對應的輸入過程映像寄存器為0狀態(tài),梯形圖中對應的輸入點的常開觸電斷開,常閉觸電接通執(zhí)行用戶程序 PLC的用戶程序由若干條指令組成,指令在存儲器中按順序排列。在RUN工作模式的程序執(zhí)行階段,在沒有跳轉指令時,CPU從第一條指令開始,逐條順序地執(zhí)行用戶程序。

35、在執(zhí)行指令時,從I/O映像寄存器或別的位元件的映像寄存器讀出其0/1狀態(tài),并根據指令的要求執(zhí)行相應的邏輯運算,運算的結果寫入到相應的映像寄存器中,因此,各映像寄存器(只讀的輸入過程映像寄存器除外)的內容隨著程序的執(zhí)行而變化。 在程序執(zhí)行階段,即使外部輸入的狀態(tài)發(fā)生了變化,輸入過程映像寄存器的狀態(tài)也不會隨之而變,輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的讀取輸入階段被讀入。執(zhí)行程序時,對輸入/輸出的存取通常是通過映像寄存器,而不是實際的I/O點。這樣做在程序執(zhí)行完后再用輸出過程映像寄存器的值更新輸出點,使系統(tǒng)的運行穩(wěn)定;而且由于用戶程序讀寫I/O映像寄存器比讀寫I/O點快得讀,提高了程序的執(zhí)行速

36、度。通信處理 在通信請求處理階段,CPU處理從通信接口和智能模塊接收到的信息,例如讀取智能模塊的信息并存放在緩沖區(qū)中,在適當?shù)臅r候將信息傳送給通信請求方。CPU自診斷測試 自診斷測試包括定期檢查CPU模塊的操作和擴展模塊的狀態(tài)是否正常,將監(jiān)控定時器復位,以及完成一些別的內部工作。改寫輸出 CPU執(zhí)行完用戶程序后,將輸出過程映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來。梯形圖中某一輸出位的線圈“通電”時,對應的輸出過程映像寄存器為1狀態(tài)。信號經輸出模塊隔離和功率放大后,繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈通電,其常開觸電閉合,使外部負載通電工作。若梯形圖中輸出點的線圈“斷電”,對應的輸出過

37、程映像寄存器中存放的二進制數(shù)為0,將它送到繼電器型輸出模塊,對應的硬件繼電器的線圈斷電,其常開觸電斷開,外部負載斷電,停止工作。 當CPU的工作模式從RUN變?yōu)镾TOP時,數(shù)字量輸出裝置為系統(tǒng)塊中的輸出表定義的狀態(tài),或保持當時的狀態(tài),默認的設置是將數(shù)字量輸出清零。 如果在程序中使用了中斷,當中斷事件發(fā)生時,CPU停止正常的掃描工作模式,立即執(zhí)行中斷程序,中斷功能可以提高PLC對某些事件的響應速度。4.2 PLC控制系統(tǒng)的設計和調試步驟 1)系統(tǒng)設計 a. 深入了解被控系統(tǒng) 第一步是系統(tǒng)設計的基礎,設計前應熟悉圖紙資料,深入調查研究,與工藝、機械方面的技術人員的現(xiàn)場操作人員密切配合,共同討論,解

38、決設計中出現(xiàn)的問題。應詳細了解被控對象的全部功能,例如機械部分的動作順序、動作條件、必要的保護和自鎖,系統(tǒng)要求哪些工作方式(例如手動、自動、半自動),設備內部機械、液壓、氣動、儀表、電氣幾大系統(tǒng)之間的關系,PLC與其他智能設備(例如別的PLC、計算機、變頻器、工業(yè)電視、機器人)之間的關系,PLC是否需要通信聯(lián)網,需要顯示哪些數(shù)據及顯示的方式等等,電源突然停電及緊急情況的處理,以及安全電路的設計。有時需要設置PLC之外的手動的或機電的聯(lián)鎖裝置來防止危險的操作。 對于大型復雜的控制系統(tǒng),需要考慮將系統(tǒng)分解為幾個獨立的部分,各部分分別用單獨的PLC或其他控制裝置來控制,并考慮它們之間的通信方式。 b

39、. 人機界面的選擇 人機界面用于操作人員和PLC之間的信息交換。用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕。使用人機界面還可以使機器的配線標準化、簡單化,同時也能減少PLC控制器所需的I/O點數(shù),降低生產的成本同時由于面板控制的小型化及高性能,相對的提高了整套設備的附加價值。PLC本身的數(shù)字輸入和數(shù)字顯示功能較差,可以用PLC的開關量I/O點來實現(xiàn)數(shù)字的輸入和顯示,但是占用的I/O點多,可能還需要用戶自制硬件。 觸摸屏作為一種新型的人機界面,從一出現(xiàn)就受到關注,它的簡單易用,強大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于工業(yè)環(huán)境,甚至可以用于日常

40、生活之中,應用非常廣泛,比如:自動化停車設備、自動洗車機、天車升降控制、生產線監(jiān)控等,甚至可用于智能大廈管理、會議室聲光控制、溫度調整。 在我的系統(tǒng)中選擇的是MT500系列觸摸屏,它是專門面向PLC應用的,它不同于一些簡單的儀表式或其它的一些簡單的控制PLC的設備,其功能非常強大,使用非常方便。 而且它的編程軟件能夠提供以下幾個功能: 1 指示燈PLC I/O顯示、內部節(jié)點顯示、多段指示燈等 2 開關 位狀態(tài)型開關、多段開關、切換窗口開關等 3 各種動態(tài)圖表 棒圖、儀表、移動元件、趨勢圖等 4 數(shù)據顯示 數(shù)值顯示、ASCII顯示、文字顯示等 5 數(shù)據輸入 數(shù)值輸入、ASCII輸入、文字輸入等

41、6 異常報警 報警顯示、跑馬燈顯示、事件顯示等 7 靜態(tài)顯示 直線、圓、矩形、文字等 c.通信方式的選擇 選擇通信方式時,應考慮通信網絡允許的最大節(jié)點數(shù),最大通信距離和通信接口是否需要光電隔離等問題。選擇通信速率時應考慮網絡中單位時間內可能的最大信息流量,并應保留一定的余地。 硬件和軟件的設計與調試系統(tǒng)硬件設計與組態(tài) 首先應該給給輸入、輸出變量分配地址。因為梯形圖中變量的地址于PLC的外部接線端子號是一直的,這一步為繪制硬件接線圖做好了準備,也為了梯形圖的設計做好了準備;接著畫出PLC的外部硬件接線圖,以及其他電氣原理圖和接線圖;最后畫出操作站和控制柜面板的機械布置圖和內部的機械安裝圖。 軟件

42、設計 軟件設計包括設計系統(tǒng)初始化程序、主程序、子程序、中斷程序、故障應急措施和輔助程序等,小型開關量控制系統(tǒng)一般只有主程序。 首先根據總體要求和控制系統(tǒng)的具體情況,確定用戶程序的基本結構,畫出程序流程圖或開關量控制系統(tǒng)的順序功能圖。它們是編程的主要依據,應盡可能地準確和詳細。 軟件的模擬調試 設計好用戶程序后,一般先做模擬調試。在程序運行時,可以用程序狀態(tài)功能或狀態(tài)表來監(jiān)視程序的運行情況。調試順序控制程序的主要任務是檢查程序的運行是否符合順序功能圖的規(guī)定,即在轉換實現(xiàn)的兩個條件都滿足時,該轉換所有的前級步是否變?yōu)椴换顒硬?所有的后續(xù)步是否變?yōu)榛顒硬?以及各步被驅動的負載是否發(fā)生相應的變化。 在

43、調試時應充分考慮各種可能的情況,對系統(tǒng)各種不同的工作方式,順序功能圖中的每一條支路、各種可能的進展路線,都逐一檢查,不能遺漏。發(fā)現(xiàn)問題后及時修改程序,直到在各種可能的情況下輸入信號和輸出信號之間的關系完全符合要求。 硬件調試和系統(tǒng)調試 在對程序進行模擬調試的同時,可以設計、制作控制屏,PLC之外的其他硬件的安裝、接線工作也可以同時進行。完成硬件的安裝和接線后,應對硬件的功能進行檢查,觀察各輸入點的狀態(tài)變化是否能送給PLC。在STOP模式用編程軟件將PLC的輸出點強制為ON或OFF,觀察對應的PLC的負載(例如外部的電磁閥和接觸器)的動作是否正常。 對于像溫度控制系統(tǒng)這樣有模擬量輸入的系統(tǒng),可以

44、給模擬量輸入模塊提供標準的輸入信號,通過調節(jié)模塊上的電位器或程序中的系數(shù),使模擬量輸入信號和轉換后的數(shù)字量之間的關系滿足要求。 整理技術文件 根據調試的最終結果整理出完成的技術文件。 4.3 PLC溫控程序設計中PID算法的使用 本模型的加熱裝置采用家用水杯保溫器,內部靠線圈生熱,裝置本身功率不可調,只有開/關兩種狀態(tài)。由于線圈有較大電感,不能通過PWM方式高頻通斷來改變電壓,進而改變功率。所以,采用了較長周期(5秒)內,改變加熱器通斷時間的方法,宏觀上實現(xiàn)調壓,改變裝置輸出功率,最終達到加熱和保溫的溫度控制目的。本例中PID算法的數(shù)字輸出是一個給定周期的百分比,實質是改變輸出位的占空比。在系

45、統(tǒng)運行時,輸出點長期處于較頻繁的通斷狀態(tài)切換,這是選擇晶體管輸出而非繼電器輸出PLC的原因所在。 1) PID算法 PID控制最初在模擬量控制系統(tǒng)中實現(xiàn),隨著離散控制理論的發(fā)展,PID也在計算機化控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。 PID是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例-積分-微分控制算法,取其中的一項或兩項,可以組成P、PD或PI控制器。需要較好的動態(tài)品質和較高的穩(wěn)態(tài)精度時,可以選用PI控制方式;控制對象的慣性滯后較大時,應選擇PID控制方式。 PID控制器根據設定值(給定)與被控對象的實際值(反饋)的差值,按照PID算法計算出控制器的輸出量,控制執(zhí)行機構去影響被控對象的變化。PID控制是負反饋閉環(huán)控制,能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)

46、內的各種因素所引起的擾動,使反饋跟隨給定變化。 PID控制器是應用最廣的閉環(huán)控制器,這是因為PID控制具有以下優(yōu)點:不需要被控對象的數(shù)學模型結構簡單,容易實現(xiàn)有較強的靈活性和適應性使用方便基于以上優(yōu)點,本系統(tǒng)采用PID算法,進行對溫度的閉環(huán)控制。 計算機化的PID控制算法有幾個關鍵的參數(shù)Kc(Gain,增益),Ti(積分時間常數(shù)),Td(微分時間常數(shù)),Ts(采樣時間)?？刂破鞯妮敵霰壤?積分項+微分項+輸出的初始值增益(Gain,放大系數(shù),比例常數(shù))增益與偏差(給定與反饋的差值)的乘積作為控制器輸出中的比例部分。過大的增益會造成反饋的振蕩,增益太小,又會使系統(tǒng)的動作遲緩。積分時間(Inte

47、gral Time)偏差值恒定時,積分時間決定了控制器輸出的變化速率。積分時間越短,偏差得到的修正越快。過短的積分時間有可能造成不穩(wěn)定。積分時間的長度相當于在階躍給定下,增益為“1”的時候,輸出的變化量與偏差值相等所需要的時間,也就是輸出變化到二倍于初始階躍偏差的時間。如果將積分時間設為最大值,則相當于沒有積分作用。微分時間(Derivative Time)偏差值發(fā)生改變時,微分作用將增加一個尖峰到輸出中,隨著時間流逝減小。微分時間越長,輸出的變化越大。微分使控制對擾動的敏感度增加,也就是偏差的變化率越大,微分控制作用越強。微分相當于對反饋變化趨勢的預測性調整。如果將微分時間設置為0就不起作用

48、,控制器將作為PI調節(jié)器工作。采樣時間:(Sample Time)計算機必須按照一定的時間間隔對反饋進行采樣,才能進行PID控制的計算。采樣時間就是對反饋進行采樣的間隔。短于采樣時間間隔的信號變化是不能測量到的。過短的采樣時間沒有必要,過長的采樣間隔顯然不能滿足擾動變化比較快、或者速度響應要求高的場合。 2)PID指令向導 西門子PLC軟件開發(fā)環(huán)境STEP 7 Micro/WIN里面自帶了PID指令向導功能,大大簡化了PID算法的設計,只要正確配置其中的參數(shù),便可完成PID閉環(huán)控制。 必須把外圍實際的物理量與PID功能塊需要的(或者輸出的)數(shù)據之間進行轉換。這就是所謂輸入/輸出的轉換與標準化處

49、理。 PID指令向導編程步驟如下: 在Micro/WIN中的命令菜單中選擇Tools Instruction Wizard,然后在指令向導窗口中選擇PID指令。圖1. 選擇PID向導在使用向導時必須先對項目進行編譯,在隨后彈出的對話框中選擇“Yes”,確認編譯。如果已有的程序中存在錯誤,或者有沒有編完的指令,編譯不能通過。如果項目中已經配置了一個PID回路,則向導會指出已經存在的PID回路,并讓你選擇是配置修改已有的回路,還是配置一個新的回路。圖2. 選擇需要配置的回路第一步:定義需要配置的PID回路號圖3. 選擇PID回路號一個程序中可同時進行八路PID運算,回路號為0-7。第二步:設定PI

50、D回路參數(shù)圖4. 設置PID參數(shù)定義回路設定值(SP,即給定)的范圍:在低限(Low Range)和高限(High Range)輸入域中輸入實數(shù),缺省值為0.0和100.0,在本例中可理解為測量溫度的上下限實際值。以下定義PID回路參數(shù),這些參數(shù)都應當是實數(shù):Gain(增益):即比例常數(shù)。 Integral Time(積分時間):如果不想要積分作用,可以把積分時間設為無窮大:輸入“INF”。 Derivative Time(微分時間):如果不想要微分回路,可以把微分時間設為0 。 Sample Time(采樣時間):是PID控制回路對反饋采樣和重新計算輸出值的時間間隔。 注意:關于具體的PID

51、參數(shù)值,每一個項目都不一樣,需要現(xiàn)場調試來定,沒有所謂經驗參數(shù)。第三步:設定回路輸入輸出值 圖5. 設定PID輸入輸出參數(shù)在圖5中,首先設定過程變量的范圍:指定輸入類型Unipolar: 單極性,即輸入的信號為正,如0-10V或0-20mA等Bipolar:雙極性,輸入信號在從負到正的范圍內變化。如輸入信號為±10V、±5V等時選用20% Offset:選用20%偏移。如果輸入為4-20mA則選單極性及此項,4mA是0-20mA信號的20%,所以選20% 偏移,即4mA對應6400,20mA對應32000反饋輸入取值范圍在a.設置為Unipolar時,缺省值為0 - 32000,對應輸入量程范圍0 - 10V或0 - 20mA等,輸入信號為正在a.設置為Bipolar時,缺省的取值為-32000 - +32000,對應的輸入范圍根據量程不同可以是±10V、±5V等在a.選中20% Offset時,取值范圍為6400 - 32000,不可改變Output Type(輸出類型)可以