機電一體化畢業(yè)設(shè)計（論文）壓縮機氣缸蓋螺釘機

1、杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文） （2011 屆） 題 目 壓縮機氣缸蓋螺釘機 系 別 機電工程系 專 業(yè) 機電一體化技術(shù) 班 級 機電 0812 姓 名 指導(dǎo)教師 2011 年 6月 10 日 目目 錄錄 摘要.2 第 1 章 緒論.3 1.1 壓縮機氣缸蓋螺釘機的工程背景.3 1.2 氣缸蓋與曲軸箱連接部分.3 1.3 壓縮機氣缸蓋螺釘機簡介.4 1.3.1 功能用途.4 1.3.2 整機組成及技術(shù)規(guī)格.4 1.4 前言的總結(jié).5 第 2 章 壓縮機氣缸蓋螺釘機的設(shè)計要求.6 2.1 壓縮機氣缸蓋螺釘機的設(shè)計要求.6 2.2 結(jié)構(gòu)概述.6 2.3 壓縮機氣缸蓋螺釘機的控制

2、方式.6 2.4 壓縮機氣缸蓋螺釘機控制面板.6 2.5 控制要求.7 第 3 章 壓縮機氣缸蓋螺釘機的硬件選擇.8 3.1 壓縮機氣缸蓋螺釘機硬件的選擇.8 3.2 氣動馬達的選擇.8 3.3 壓力傳感器原理及應(yīng)用.9 3.4 plc 的選擇.9 3.4.1 plc 的功能.10 3.4.2 可編程控制器的基本原理.12 3.4.3 可編程控制器的組成.12 3.4.4 可編程控制器的性能指標.12 3.4.5 plc 的通信聯(lián)網(wǎng).14 3.5 控制功能的選擇.15 3.6 plc 的類型.17 第 4 章 壓縮機氣缸蓋螺釘機的軟件選擇.19 4.1 壓縮機氣缸蓋螺釘機的軟件控制.19 4.

3、2 軟件控制的方式.19 4.3 編制梯形圖并寫出程序.19 總結(jié).24 參考文獻.26 摘要摘要 本設(shè)備主要用于壓縮機氣缸蓋螺釘?shù)木o固，是壓縮機規(guī)模生產(chǎn)的重要配套 設(shè)備。 本機主要由氣動馬達、儲氣包、機架等組成，上述裝置固定在機架上。一 工位配氣動馬達，馬達安裝板及臺面的孔距安裝板按機型的不同可更換；另一 套空位，預(yù)留。該設(shè)備采用立式離線方式，螺釘擰緊采用一次擰緊方式。氣缸 蓋螺釘扭矩 8.39.8nm，扭矩采用壓力傳感器方式控制，四個氣動馬達氣壓 和流量分別控制和調(diào)節(jié)，擰緊結(jié)束后，擰緊頭自動停止。設(shè)備具備螺釘打滑、 螺釘扭矩異常等異常情況報警控制，工裝板放行與螺釘機聯(lián)動。 第一章第一章 緒

4、論緒論 1.11.1 壓縮機氣缸蓋螺釘機的工程背景壓縮機氣缸蓋螺釘機的工程背景 隨著時代的變遷，人們的食物儲藏手段已從簡單的地窖演變?yōu)榱吮洌?dāng) 然，我們知道冰箱的核心是壓縮機，壓縮機的組成部分中閥組的這個部件是壓 縮機中非常重要的部件之一，它控制著壓縮機的吸氣、壓縮、排氣、膨脹四個 過程。閥組包括氣缸蓋、氣缸蓋墊片、吸氣消音器、閥板等等。我們要研究的 就是將整個閥組通過螺釘擰緊在曲軸箱活塞進出面的螺釘擰緊機。 1.21.2 氣缸蓋與曲軸箱連接部分氣缸蓋與曲軸箱連接部分 氣缸蓋的材質(zhì)是鑄鐵或鋁合金。鑄鐵氣缸蓋需要鉆孔、磨平面、清洗、干 燥等工序，目前冰箱壓縮機行業(yè)很少采用;而鋁合金氣缸蓋由于不

5、需要加工，為 冰箱壓縮機行業(yè)普遍采用。氣缸蓋的主要質(zhì)量特性見表 1-1。 序 號 缺陷對整機性能的影響 1 安裝面得平面度差、表面起皺泄露 2 清潔度差排氣不良、臟堵、卡死 3 安裝后變形大泄露、噪音、排油多 表 1-1 閥板可以用鋼板或粉末冶金來制造。粉末冶金閥板分為平閥板和凹槽閥板 兩種，國內(nèi)冰箱壓縮機行業(yè)普遍采用凹槽粉末冶金閥板，粉末冶金閥板需要經(jīng) 過磨平面、滾拋去毛刺、研磨閥座、研磨平面、平面刷光、清潔干燥等工序。 隨著粉末冶金工藝技術(shù)的提高，現(xiàn)在又有免加粉末冶金閥板開始在壓縮機上使 用。鋼閥板強度高、成本低，在歐洲應(yīng)用廣泛，歐洲先進和專業(yè)的制造工藝可 以確保鋼閥板的加工質(zhì)量，danf

6、oss、acc 的高端壓縮機普遍采用鋼閥板；國內(nèi) 已有廠家開始使用鋼閥板，由于質(zhì)量不穩(wěn)定，一般只用于普效壓縮機。 閥板的主要質(zhì)量特性見表 1-2。 序 號 缺陷對整機性能的影響 1 兩平面的平度、粗糙度差泄露、制冷量低 2 清潔度差排氣不良、臟堵、卡死 3 表面劃傷、邊緣毛刺泄露、制冷量低 4 吸氣閥座平面度、粗糙度差泄露、制冷量低 5 排氣閥座平面度、粗糙度差泄露、制冷量低 表 1-2 吸、排氣發(fā)片用碳鋼或不銹鋼制造，閥片邊緣毛刺、裂紋等缺陷不僅影響 壓縮機性能，而且?guī)韷嚎s機的可靠性和安全性問題。 閥板墊片是氣缸蓋與曲軸箱之間活塞上死點間隙墊片，它使得活塞可以運 行到最大為止而不會卡死，是

7、決定壓縮機閥組與曲軸箱之間的重要組成。 1.31.3 壓縮機氣缸蓋螺釘機簡介壓縮機氣缸蓋螺釘機簡介 1.3.11.3.1 功能用途功能用途 本設(shè)備主要用于壓縮機氣缸蓋螺釘?shù)木o固，是壓縮機規(guī)模生產(chǎn)的重要配套 設(shè)備。 本機主要由氣動馬達、儲氣包、機架等組成，上述裝置固定在機架上。一 工位配氣動馬達，馬達安裝板及臺面的孔距安裝板按機型的不同可更換；另一 套空位，預(yù)留。該設(shè)備采用立式離線方式，螺釘擰緊采用一次擰緊方式。氣缸 蓋螺釘扭矩 8.39.8nm，扭矩采用壓力傳感器方式控制，四個氣動馬達氣壓 和流量分別控制和調(diào)節(jié)，擰緊結(jié)束后，擰緊頭自動停止。設(shè)備具備螺釘打滑、 螺釘扭矩異常等異常情況報警控制，工

8、裝板放行與螺釘機聯(lián)動。 動作描述：帶料工裝板移動到此工位后，阻擋器自動阻擋，操作者手工取 曲軸箱上的閥板墊片并按規(guī)定方向放入氣缸蓋閥板組件上，再按規(guī)定方向?qū)⒃?組件放入正前方的擰緊機夾具上；手工取曲軸箱組件對準閥板組件放入螺釘機， 氣缸蓋螺釘機自動啟動擰緊螺釘；螺釘擰緊完成后，手工取下曲軸箱組件放至 工裝板上，工裝板自動放行至下一個工位。 1.3.21.3.2 整機組成及技術(shù)規(guī)格 整機組成 機架 氣動馬達 儲氣包 輔助設(shè)備 技術(shù)規(guī)格： 序號項目單位規(guī)格 1 設(shè)備外型（長寬高） mm940200900 2 工作臺面高 mm900 3 產(chǎn)量指標件/小時 500-600 4 工作氣壓 kg/cm 4

9、 月 8 日 5 設(shè)備重量 t0.6 6 操作工人 1 表 1-2 本機特點 結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、整機造型美觀、自動化程度高； 設(shè)備易于調(diào)節(jié)，適于不同工藝的產(chǎn)品； 采用進口元器件，保證了設(shè)備的運行可靠性。 1.41.4 前言的總結(jié)前言的總結(jié) 我現(xiàn)在選擇的是壓縮機氣缸蓋螺釘機，是用電子和機械結(jié)合來控制這個裝 置。其中涉及到是知識有：plc、電路電機、工程力學(xué)、材料學(xué)、氣動學(xué)、傳感 器。 第二章第二章 壓縮機氣缸蓋螺釘機的設(shè)計要求壓縮機氣缸蓋螺釘機的設(shè)計要求 2.12.1 壓縮機氣缸蓋螺釘機的設(shè)計要求壓縮機氣缸蓋螺釘機的設(shè)計要求 在我設(shè)計的壓縮機氣缸蓋螺釘機中，螺釘?shù)呐ぞ厥且粋€定值，所以當(dāng)扭矩到達一個定

10、 值時，螺釘機會自動停止。而且，我們的螺釘機的啟動是利用紅外線感光傳感器來實現(xiàn)啟 動的，當(dāng)紅外線光束被工件打斷后，螺釘機開始啟動旋轉(zhuǎn)，直到達到一個合適的扭矩后自 動停止。 2.22.2 結(jié)構(gòu)概述結(jié)構(gòu)概述 本機在結(jié)構(gòu)上本機主要由氣動馬達、儲氣包、機架等組成。各部分組成及 功用如下： 1.機架 機架系框架結(jié)構(gòu)，由方管焊接接而成，是整個設(shè)備的支撐。所有安 裝面均為精加工面。底部裝有可調(diào)支撐，用于設(shè)備高度的調(diào)整； 2.氣動馬達 氣動馬達帶動套筒組件旋轉(zhuǎn)，達到擰緊螺釘?shù)哪康摹?3.儲氣包 為保證螺釘機的穩(wěn)定工作，在工位旁配備柱式儲氣包一套。 4.輔助設(shè)備 所有控制元器件均按要求放置對應(yīng)的電、氣箱內(nèi)。 2

11、.32.3 壓縮機氣缸蓋螺釘機的控制方式壓縮機氣缸蓋螺釘機的控制方式 在現(xiàn)在的市場經(jīng)濟時代，我們?yōu)榱颂岣呓?jīng)濟效益。所以我們大量的應(yīng)用高科技和自動 化技術(shù)，而我現(xiàn)在設(shè)計的 plc 正是一種體現(xiàn)。本設(shè)計是有效的使機械和電子結(jié)合在了一起， 正是我們機電一體化的映照。采用了三菱的 fx2n 的批 plc，這樣的大量生產(chǎn)即提高了經(jīng) 濟效益，又增強了企業(yè)競爭力。 2.42.4 壓縮機氣缸蓋螺釘機控制面板壓縮機氣缸蓋螺釘機控制面板 圖 2-1 上圖為氣缸蓋螺釘機的氣路原理圖，當(dāng)傳感器傳送信號到達后，1 貯氣罐 在 2 三聯(lián)件的啟動下開始放氣，通過 3 消音器的減小噪音。再通過 8 三聯(lián)件分 四路分別輸氣到四

12、個支路上，通過 11 單電控兩位三通電磁閥，經(jīng) 13 消音器的 消音，進入 15 單向節(jié)流閥傳至氣動馬達帶動馬達開始工作。當(dāng)扭矩達到指定值 時，16 壓力傳感器接收到信號，停止旋轉(zhuǎn)，19 快速排氣閥快速排氣。一個工作 周期完成。 2.52.5 控制要求控制要求 由實驗面板圖可知：當(dāng)接收器接收到信號后，在三聯(lián)件的帶動下，貯氣 罐開始放氣，直至單向節(jié)流閥關(guān)閉后，快速排氣閥排氣，貯氣罐關(guān)閉，停止輸 氣。整個過程利用氣壓的來實現(xiàn)啟動馬達的轉(zhuǎn)動，從而達到螺釘扭矩的實現(xiàn)。 第三章第三章 壓縮機氣缸蓋螺釘機的硬件選擇壓縮機氣缸蓋螺釘機的硬件選擇 3.13.1 壓縮機氣缸蓋螺釘機硬件的選擇壓縮機氣缸蓋螺釘機硬

13、件的選擇 在本設(shè)計中我所用到的基本設(shè)備有氣動馬達、氣動三聯(lián)件、單向節(jié)流閥、 快速排氣閥、單電控兩位三通電磁閥、傳感器。 3.23.2 氣動馬達的選擇氣動馬達的選擇 最常用的氣動馬達有葉片式(又稱滑片式)、活塞式、薄膜式三種。(現(xiàn)在市 場上最常用的就是葉片式氣動馬達、活塞式氣動馬達） 葉片式氣動馬達與活塞式氣動馬達的特點相比較而言：葉片式氣動馬達轉(zhuǎn) 速高扭矩略小，活塞式氣動馬達轉(zhuǎn)速略低扭矩大，但是氣動馬達相對液壓馬達 而言轉(zhuǎn)速還算是高的，扭矩是小的。 圖 3-1 3.33.3 壓力傳感器原理及應(yīng)用壓力傳感器原理及應(yīng)用 1、傳感器的簡介 傳感器是一種能將與待測量的能量形式，轉(zhuǎn)化成另一種可供處理查詢

14、的能量 形式的裝置。信號處理電路用于處理信息，而輸出器件是一種利用已處理過的 信號的裝置、顯示或動作。 2、傳感器的分類 傳感器分類方法很多，常用的有 2 種:一種是按被測的參數(shù)分，另一種是按 變換原理來分。通常按被測的參數(shù)來分類，可分為熱工參數(shù):溫度、比熱、壓力、 流量、液位等;機械量參數(shù):位移、力、加速度、重量等;物性參數(shù):比重、濃度、 算監(jiān)度等;狀態(tài)量參數(shù):顏色、裂紋、磨損等。溫度傳感器屬于熱工參數(shù)。 力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳 感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓 力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓

15、阻式壓力傳感器， 它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類 傳感器。 在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻 應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓 阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變 片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩 種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng) 基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生 改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變 化通常較小，一般

16、這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行 放大，再傳輸給處理電路（通常是 a/d 轉(zhuǎn)換和 cpu ）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。 3.43.4 plcplc 的選擇的選擇 plc 編程控制器是在繼電器控制技術(shù)和計算機控制技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來 的，最初的可編程控制器主要用于順序控制，一般只能進行邏輯控制，因此稱 為可編程邏輯控制器（prongrammable logic controller ）簡稱 plc。隨著計算 機技術(shù)的發(fā)展及微處理器的應(yīng)用，可編程控制器的功能不斷擴展和完善，遠遠 超出邏輯控制的范圍，具備了模以量控制，過程控制，遠程通信及計算等功能， 可編程控制器是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計

17、的一種數(shù)字運算操作的電子裝 置，是帶有存儲器可以編程程序的控制器。它能夠存儲和執(zhí)行指令，進行邏 輯計算，定時計算和操作，并通過數(shù)字式和模以。在自動化控制領(lǐng)域，plc 是 一種重要的控制設(shè)備。 plc 的發(fā)展歷程 目前，世界上有 200 多廠家生產(chǎn) 300 多品種 plc 產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車 （23%） 、糧食加工（16.4%） 、化學(xué)/制藥（14.6%） 、金屬/礦山（11.5%） 、紙漿/ 造紙（11.3%）等行業(yè)。為了使各位初學(xué)者更方便地了解 plc，本文對 plc 的 發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等基本知識作一簡介，以期對各位網(wǎng)友有所幫助。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯

18、條件進行順序動 作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳 統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968 年美國 gm（通用 汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了 基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制， 這就是第一代可編程序控制器，稱 programmable controller（pc） 。 個人計算機（簡稱 pc）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器 的功能特點，可編程序控制器定名為 programmable logic controller（plc） ，現(xiàn) 在，仍常常將 plc

19、簡稱 pc。 plc 的定義有許多種。國際電工委員會（iec）對 plc 的定義是：可編程 控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采 用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計 數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類 型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制 系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。 上世紀 80 年代至 90 年代中期，是 plc 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保 持為 3040%。在這時期，plc 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口 能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅

20、度提高，plc 逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上 取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 dcs 系統(tǒng)。 plc 具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編 程簡單等特點。plc 在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的 將來，是無法取代的。 3.4.13.4.1 plcplc 的功能的功能 1、功能強，性能價格比高 一臺小型 plc 內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，有很強的功能， 可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器相比，具有很高的性能價 格比?？善绦蚩刂破骺梢酝ㄟ^通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制，集中管理。 2、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強 可編程

21、序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標準化，系列化，模塊化，配備有品種齊全的各 種硬件裝置供用戶選用。用戶能靈活方便的進行系統(tǒng)配置，組成不同的功能、 不規(guī)模的系統(tǒng)。楞編程序控制器的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外 部接線。plc 有很強的帶負載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器。 3、可靠性高，抗干擾能力強 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸 點接觸不良，容易出現(xiàn)故障，plc 用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器， 僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少互繼電器控制系統(tǒng)的 1/10- 1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 plc 采取了一系列硬件和軟件

22、 抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可 以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，plc 已被廣大用戶公認為最可靠的工 業(yè)控制設(shè)備之一。 4、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少 plc 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、 計數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少。plc 的梯形圖 程序一般采用順序控制設(shè)計方法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于 復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計時間比設(shè)計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 plc 的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，輸入信號用小開關(guān)來模擬，通過 plc 上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)

23、。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在 現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間 比繼電器系統(tǒng)少得多。 5、編程方法簡單 梯形圖是使用得最多的可編程序控制器的編程語言，其電路符號和表達方 式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電 路圖的電氣技術(shù)人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶 程序。 梯形圖語言實際上是一種面向用戶的一種高級語言，可編程序控制器在執(zhí) 行梯形圖的程序時，用解釋程序?qū)⑺胺g”成匯編語言后再去執(zhí)行。 6、維修工作量少，維修方便 plc 的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。plc 或外部的輸入裝 置和執(zhí)行機構(gòu)

24、發(fā)生故障時，可以根據(jù) plc 上的發(fā)光二極管或編程器提供的住處 迅速的查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。 7、體積小，能耗低 對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用 plc 后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼 電器，小型 plc 的體積相當(dāng)于幾個繼電器大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到 原來的 1/2-1/10。 plc 的配線比繼電器控制系統(tǒng)的配線要少得多，故可以省下大量的配線和 附件，減少大量的安裝接線工時，可以減少大量費用。學(xué)得辛苦，做得舒服。 3.4.23.4.2 可編程控制器的基本原理可編程控制器的基本原理 plc 是基于電子計算機，且適用于工業(yè)現(xiàn)場工作的電控制器。它源于繼電 控

25、制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現(xiàn)控制，而主要靠 運行存儲于 plc 內(nèi)存中的程序，進行入出信息變換實現(xiàn)控制。 plc 基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普遍計算機進行入出信 息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機界面好就可以了。而 plc 則還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。特別要考慮 怎么適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，抗干擾等問題。 3.4.33.4.3 可編程控制器的組成可編程控制器的組成 可編程控制器的硬件部分由 cpu 、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器、 輸入輸出元件、編程器、外部設(shè)備和電源組成。軟件部分由系統(tǒng)監(jiān)控程序和用 戶程序兩

26、大部分組成。 可編程控制器的結(jié)構(gòu)特點 可編程控制器的結(jié)構(gòu)通?？煞譃閱卧?、模塊式，以及將這兩種形式結(jié)合 起來的疊裝式。 單元式的特點是結(jié)構(gòu)緊湊。它將所有的電路都裝入一個模塊內(nèi)，構(gòu)成一個 整體，這樣體積小巧、成本低、安裝方便。 模塊式可編程控制器采用搭積木的方式組成系統(tǒng)，在一塊基板上插上 cpu 、電源、模塊及特殊功能模塊，構(gòu)成一個總點數(shù)很多的大規(guī)模綜 合控制系統(tǒng)。其特點是 cpu 為獨立的模塊 , 輸入、輸出也是獨立模塊。因此 配置很靈活，可以根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)模選用不同檔次的 cpu 及各種模 塊、功能模塊。 疊裝式的結(jié)構(gòu)也是各種單元、 cpu 自成獨立的模塊，但安裝不用基板， 僅用電纜進行單

27、元間聯(lián)接，且各單元可以一層層地疊裝。這樣，既達到了配置 靈活的目的，又可以做得體積小巧。 3.4.43.4.4 可編程控制器的性能指標可編程控制器的性能指標 硬件性能指標包括一般指標、輸入特性和輸出特性。軟件性能指標包括運 行方式、運算速度、程序容量、邏輯元件種類和數(shù)量以及編號、指令類型和數(shù) 量等。從結(jié)構(gòu)上分，plc 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 plc 包 括 cpu 板、i/o 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆 卸的整體。模塊式 plc 包括 cpu 模塊、i/o 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機 架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 (1)、cpu 的構(gòu)

28、成 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)定的寄存器中，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、寄存器及實現(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

29、。 在使用者看來，不必要詳細分析 cpu 的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制 還是應(yīng)有足夠的理解。cpu 的控制器控制 cpu 工作，由它讀取指令、解釋指 令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算， 在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控 制器指揮下工作。 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， io 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 （2） 、i/o 模塊 plc 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（i/o）完成的。i/o 模塊集 成了 plc 的 i/o 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀

30、態(tài)，輸出點反映輸出鎖存 器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入 plc 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 i/o 分為開關(guān)量輸入（di） ，開關(guān)量輸出（do） ，模擬量輸入（ai） ，模擬量輸 出（ao）等模塊。 開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或 1 和 0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變 化的量。常用的 i/o 分類如下： 開關(guān)量：按電壓水平分，有 220vac、110vac、24vdc，按隔離方式分， 有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20ma,0-20ma） 、電壓型（0-10v,0- 5v,-10-10v）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了

31、上述通用 io 外，還有特殊 io 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按 i/o 點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，i/o 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 cpu 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 （3）電源模塊 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 24vac） 。六、底板或機架 大多數(shù)模塊式 plc 使用底板或機架，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，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各 模

32、塊構(gòu)成一個整體。 （4）plc 系統(tǒng)的其它設(shè)備 1)、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（運行編程軟件）充當(dāng)編程器。 2)、人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸 屏）式的體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當(dāng)人 機界面非常普及。 3)、輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，如 eprom、eeprom 寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機

33、等。 3.4.53.4.5 plcplc 的通信聯(lián)網(wǎng)的通信聯(lián)網(wǎng) 依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因 此，網(wǎng)絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出網(wǎng)絡(luò)就 是控制器的觀點說法。 plc 具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使 plc 與 plc 之間、plc 與上位計算機以 及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。 多數(shù) plc 具有 rs-232 接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。 plc 的通信，還未實現(xiàn)互操作性，iec 規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標準，plc 各 廠家均有采用。 對于一個自動化工程(特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來講

34、，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要 的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展； 其次，針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入 地了解該網(wǎng)絡(luò)標準的協(xié)議、機制的前提下進行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè) 備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標準。 在 plc 系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 plc 工程設(shè) 計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。plc 及有關(guān)設(shè)備 應(yīng)是集成的、標準的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功 能的原則選型所選用 plc 應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)， pl

35、c 的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編 程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè) 計選型和估算時，應(yīng)詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范 圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲 器容量、確定 plc 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 plc 和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 一、輸入輸出（i/o）點數(shù)的估算 i/o 點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加 10%20%的可擴展 余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商 plc 的產(chǎn)品特點，對

36、輸入輸出點數(shù)進行圓整。 存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量 是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容 量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未 知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算， 通常采用存儲器容量的估算來替代。 存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式， 大體上都是按數(shù)字量 i/o 點數(shù)的 1015 倍，加上模擬 i/o 點數(shù)的 100 倍，以此 數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16 位為一個字） ，另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 3.53.5

37、 控制功能的選擇控制功能的選擇 該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理 速度等特性的選擇。 (一)運算功能 簡單 plc 的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通 plc 的運算 功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運算功能；較復(fù)雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳 送等；大型 plc 中還有模擬量的 pid 運算和其他高級運算功能。隨著開放系統(tǒng) 的出現(xiàn)，目前在 plc 中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機的通信，有 些產(chǎn)品具有與同位機或上位機的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進行數(shù) 據(jù)通信的功能。設(shè)計選型時應(yīng)從實際應(yīng)用的要求出發(fā)，合理選用所需的運算功 能。大多數(shù)應(yīng)用場合，只

38、需要邏輯運算和計時計數(shù)功能，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳 送和比較，當(dāng)用于模擬量檢測和控制時，才使用代數(shù)運算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和 pid 運 算等。要顯示數(shù)據(jù)時需要譯碼和編碼等運算。 (二)控制功能 控制功能包括 pid 控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應(yīng)根 據(jù)控制要求確定。plc 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回 路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完 成所需的控制功能，提高 plc 的處理速度和節(jié)省存儲器容量。例如采用 pid 控 制單元、高速計數(shù)器、帶速度補償?shù)哪M單元、asc 碼轉(zhuǎn)換單元等。 (三)通信功能 大中型 plc 系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場總線

39、和標準通信協(xié)議（如 tcp/ip） ，需要 時應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)（tcp/ip）相連接。通信協(xié)議應(yīng)符合 iso/ieee 通信標準， 應(yīng)是開放的通信網(wǎng)絡(luò)。 plc 系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接口（rs2232c/422a/423/485） 、 rio 通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用 dcs 接口等；大中型 plc 通信總線（含接口 設(shè)備和電纜）應(yīng) 1：1 冗余配置，通信總線應(yīng)符合國際標準，通信距離應(yīng)滿足裝 置實際要求。plc 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，上級的網(wǎng)絡(luò)通信速率應(yīng)大于 1mbps，通信負荷不大于 60%。plc 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要形式有下列幾種形式： 1）pc 為主站，多臺同型號 plc 為從

40、站，組成簡易 plc 網(wǎng)絡(luò)；1 臺 plc 為主 站，其他同型號 plc 為從站，構(gòu)成主從式 plc 網(wǎng)絡(luò)；3）plc 網(wǎng)絡(luò)通過特定網(wǎng) 絡(luò)接口連接到大型 dcs 中作為 dcs 的子網(wǎng)；4）專用 plc 網(wǎng)絡(luò)（各廠商的專 用 plc 通信網(wǎng)絡(luò)） 。 為減輕 cpu 通信任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功 能的（如點對點、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)）通信處理器。 (四)編程功能 離線編程方式：plc 和編程器公用一個 cpu，編程器在編程模式時，cpu 只為編程器提供服務(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。完成編程后，編程器切換到運 行模式，cpu 對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可

41、降低系統(tǒng) 成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：cpu 和編程器有各自的 cpu，主 機 cpu 負責(zé)現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把 在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序 運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型 plc 中常采用。 五種標準化編程語言：順序功能圖（sfc） 、梯形圖（ld） 、功能模塊圖 （fbd）三種圖形化語言和語句表（il） 、結(jié)構(gòu)文本（st）兩種文本語言。選用 的編程語言應(yīng)遵守其標準（iec6113123） ，同時，還應(yīng)支持多種語言編程形式， 如 c，basic 等，以滿足特殊控制場合的控制要求

42、。 (五)診斷功能 plc 的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確 定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對 plc 內(nèi)部的性能 和功能進行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對 plc 的 cpu 與外部輸入輸出等部件信 息交換功能進行診斷是外診斷。 plc 的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術(shù)能力的要求，并 影響平均維修時間。 (六)處理速度 plc 采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應(yīng)越快越好，如果 信號持續(xù)時間小于掃描時間，則 plc 將掃描不到該信號，造成信號數(shù)據(jù)的丟失。 處理速度與用戶程序的長度、cpu 處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前， p

43、lc 接點的響應(yīng)快、速度高，每條二進制指令執(zhí)行時間約 0.20.4ls，因此能 適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應(yīng)滿 足：小型 plc 的掃描時間不大于 0.5ms/k；大中型 plc 的掃描時間不大于 0.2ms/k。 3.63.6 plcplc 的類型的類型 （一）plc 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制 室安裝兩類；按 cpu 字長分為 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。從 應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。 整體型 plc 的 i/o 點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系 統(tǒng)；模

44、塊型 plc 提供多種 i/o 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控 制系統(tǒng)的 i/o 點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 （二）輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮 信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊， 應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍 廣、壽命短、響應(yīng)時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性 低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、 交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致。 可根據(jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出

45、模塊，以便提高控制水平和降 低應(yīng)用成本。 考慮是否需要擴展機架或遠程 i/o 機架等。 (三)電源的選擇 plc 的供電電源，除了引進設(shè)備時同時引進 plc 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè) 計和選用外，一般 plc 的供電電源應(yīng)設(shè)計選用 220vac 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓 一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果 plc 本身帶 有可使用電源時，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計外接供電 電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 plc，對輸入和輸出信號的隔離是 必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。 (四)存儲器的選擇 由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下

46、降，因此，為保證應(yīng) 用項目的正常投運，一般要求 plc 的存儲器容量，按 256 個 i/o 點至少選 8k 存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 (五)冗余功能的選擇 1控制單元的冗余 (1)重要的過程單元：cpu（包括存儲器）及電源均應(yīng) 1b1 冗余。 (2)在需要時也可選用 plc 硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2 重化或 3 重化冗余容錯系統(tǒng)等。 2i/o 接口單元的冗余 (1)控制回路的多點 i/o 卡應(yīng)冗余配置。 (2)重要檢測點的多點 i/o 卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對重要的 i/o 信號， 可選用 2 重化或 3 重化的 i/o 接口單元。

47、(六)經(jīng)濟性的考慮 選擇 plc 時，應(yīng)考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴 展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn) 品。 輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定 的費用。當(dāng)點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機架、母板等也要相 應(yīng)增加，因此，點數(shù)的增加對 cpu 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都 有影響。在估算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。 第四章第四章 攪拌器的軟件選擇攪拌器的軟件選擇 4.14.1 壓縮機氣缸蓋螺釘機的軟件控制壓縮機氣缸蓋螺釘機的軟件控制 根據(jù)該螺釘機的控制要求，并考

48、慮到各個執(zhí)行機構(gòu)動作的轉(zhuǎn)步條件，可以 畫出其控制流程圖。這算一種典型的步進控制，可以用移位寄存器 sft 很方便 地實現(xiàn)步進的控制，梯形圖程序， 4.24.2 軟件控制的方式軟件控制的方式 考慮到移位寄存器的移位脈沖用窄脈沖比較合適，所以將各啟動按鈕信號 和各液位傳感器信號用微分指認均轉(zhuǎn)換成窄脈沖。 （1）按下啟動按鈕時，用 mov 指令將移位寄存器通道的最低位 hr000 置 1 ，并由該位控制輸出繼電器 01001 接通，使外接的 yv1 電磁閥通電打開， 氣體 a 流入容器。按下啟動按鈕的同時，保持繼電器 hr0100 接通并鎖存。 （2）當(dāng)壓力上升到 i 時，液位傳感器 i 閉合，輸入

49、繼電器 0003 接通，其 上升沿經(jīng)微分后使 20100 接通一個掃描周期，20100 就作為移位寄存器的移位 寄存器的脈沖，使 hr00 通道中的各位依次移易位，即 hr0001=1。由于移位寄 存器的輸入端 25314，這是始終保持 off 的特殊功能寄存器，從容保證每次移 位時均是 0 移入 hr0001 通道的最低位。這時輸入繼電器 01001 斷開使 yv1 電 池閥斷電，而 hr0001=1 控制輸出繼電器 01002 接通，使外接的 yv2 電磁閥通 電打開，液體 b 入容器。 （3）當(dāng)壓力到達 i 時，輸入繼電器 00003 接通，其上升微分后使 20100 又 接通一個掃描周期，使移位寄存器通道 hr00 中的各位移易位，即 hr002=1 又 接通一個掃描周期，使移位寄存器通道 hr000 中的各位再移一位，即 hr0002=1，此時輸入繼電器 01