電氣工程及其自動化畢業(yè)論文-基于PLC的金屬壓塊機控制系統(tǒng)設計

基于PLC的金屬壓塊機控制系統(tǒng)設計摘要隨著國內國力的發(fā)展，每年在工業(yè)生產(chǎn)上所消耗的鋼鐵數(shù)量也與日俱增，而在鋼鐵加工的過程中進行切割等操作常常會產(chǎn)生很多金屬垃圾。而金屬壓塊機這款設備可以將廢棄的金屬進行加工，壓制成塊狀物體，這樣既方便存放也節(jié)約了空間，方便下一步進行對金屬的回收利用。此次所設計的金屬壓塊機從結構、控制和動力等三個方面進行分析設計。在進行設計金屬壓塊機時，首先去圖書館和網(wǎng)絡上查找了一些國內外關于壓塊機的相關信息。對其他機器的結構和控制方式進行了了解，從而制作一些壓塊機的設計方案。此次設計所選擇的是立式壓塊機的制作，控制系統(tǒng)采用的三菱PLC。分別從電機的參數(shù)，電磁閥的選擇，電路工作流程，梯形圖設計等方面進行介紹。雖然最后所完成的金屬壓塊機還存在著很多不足，但是我也會慢慢的去完善它。關鍵詞：金屬；PLC；立式壓塊機；控制系統(tǒng)目錄TOC\o"1-2"\h\u1緒論 緒論1.1金屬壓塊機的研究背景和意義近幾年國內發(fā)展迅速，對于鋼鐵制品的需求量與日俱增，而很多的加工廠商都對金屬的處理很不在意，經(jīng)常將金屬隨便堆放在一起，或者將金屬扔到大自然中。隨意堆放的后果就可能會導致金屬長時間暴露在空氣中，容易被腐蝕，將被腐蝕的金屬進行回收處理需要更多的時間和精力。所以對金屬進行合理的存放也可以提高回收效率。因為金屬本身形狀的原因，在存放的時候往往需要很大的空間，而且在進行加工鋼鐵的時候，經(jīng)常會接觸到一些油污和一些其他液體。導致金屬在處理的時候一般處理方式并不能很好的將金屬進行集中。所以選擇擠壓方式，將金屬通過擠壓形成一個便于管理的形狀。這樣在存放的時候也更加節(jié)省空間，為下一步的金屬回收提供了方便。再對金屬進行壓塊儲存時還需要對其工作方法和方式進行分許研究，此次設計就是對于金屬壓塊機的工作方式進行改進，對機器的工作運行進行模擬[1]。1.2國內外研究現(xiàn)狀對于國外的一些國家來說，壓塊機的發(fā)展較早，很早就有所應用，對于各型號的壓塊機都有對應的廠家生產(chǎn)。近幾年對于壓塊機的研究方向也在往智能化方向發(fā)展[2]。在工作時體現(xiàn)出的機械性能不足還有液壓控制系統(tǒng)的缺陷等問題，隨著對壓塊機技術的不斷開放，也有很多優(yōu)秀的符合使用要求的產(chǎn)品涌現(xiàn)出來。在現(xiàn)代科技發(fā)展的節(jié)奏中，機器的發(fā)展就是將軟件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡等結合在一起，適用于各種場合，其簡單的工作過程為：首先使用傳送帶將廢棄的金屬進行運輸?shù)搅舷渲?，或者通過鏟車等形式移動到料箱內。當料箱內的金屬積攢到一定的量時，啟動液壓設備來對金屬進行擠壓，因為此次擠壓過后，金屬組織還是會處于一個不規(guī)則的形狀，所以還需要對其進行二次擠壓，最后將其壓制成一個合適的形狀。此技術已經(jīng)在全世界范圍內有所使用[3]。國內在發(fā)展金屬壓塊機的過程中，不但的研究探索，并且吸收國外的先進經(jīng)驗，YJD1250這款壓塊機就是國內目前所研制的最新款金屬壓塊機。他不僅吸收了同類型機器的工作優(yōu)點，還大膽的使用了全新的結構，使其整體結構更加緊湊，運行穩(wěn)定，而且此機器的制作成本也很低。比起其他相同類型的機器更受人們的歡迎。南京工業(yè)學校研制出一款YJY2500的金屬壓塊機，用來壓制金屬。為一些冶金類的企業(yè)提供優(yōu)質的回爐料。江陰市的圣博液壓機械有限公司也是專門致力于金屬液壓的設計研究。如下圖1-1所示是型號Y81-4000的液壓機實物圖：圖1-1Y81-4000液壓機Y83系列金屬液壓機是在Y81系列的基礎上進行研究設計的，對其性能要比Y81系列更加的強大，其運行方式依舊采用液壓傳動的方式，再將系統(tǒng)閥塊集成在一起安裝，增加了液體的流量大小，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。確保設備在長時間運行后對于機器的正常運行影響較小。在設備內配備了預卸負荷處理裝置，能夠稍微緩解液體的壓力沖擊。設備的整體結構都采用鋼體鑄件，使整個設備的重量更輕，結構更加緊湊，提高設備的生產(chǎn)效率。如下圖1-2所示是Y83-6300型號機器的實物圖：圖1-2Y83-6300壓塊機對比Y83系列，Y83W則是臥式液壓機，其主要功能是針對粉末狀的一些金屬細屑通過冷壓的形式壓縮成圓柱形的餅狀。此種結構的機器可以滿足自動上料，自動出餅，循環(huán)水冷等功能，其控制功能由PLC來執(zhí)行。可以只通過一個人來操作整個機器。如圖1-3便是Y83W-3150的一款臥式壓塊機[4]。圖1-3Y83W-3150臥式壓塊機1.3設計的內容根據(jù)查閱的大量資料，對于國內外金屬壓塊機的發(fā)展有了一定的了解，對國內外的發(fā)展趨勢也有了一定的了解。發(fā)現(xiàn)在金屬壓塊機的研究過程中依舊有一些問題沒有得到解決。根據(jù)金屬壓塊機的使用控制要求來對壓塊機的組成原理進行分析，根據(jù)其工作過程和液壓控制來確定系統(tǒng)使用的工作方案，所以此次設計主要針對金屬壓塊機以下幾點進行研究：（1）查閱國內外相關資料對這些設備的內部結構進行了解，學習壓塊機的基本工作原理，對其內部構造進行了解，提出設計壓塊機的方案，通過對其內部不同部件分開進行研究，從而設計出符合要求的金屬壓塊機。（2）對系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)進行設計使其符合工作要求，通過系統(tǒng)的工作要求來對符合的液壓系統(tǒng)進行選擇，使系統(tǒng)可以完成正常工作，通過對液壓系統(tǒng)的計算從而確定符合系統(tǒng)給的液壓參數(shù)，并畫出系統(tǒng)的液壓原理圖。（3）使用PLC來對系統(tǒng)進行控制，在計算機上對PLC的梯形圖實現(xiàn)編程，完成對金屬的壓塊操作，通過人機結合來達到生產(chǎn)的目的，體現(xiàn)出了設備的智能化設計。（4）對金屬壓塊機的機械結構進行分析，每個部分的使用都要完全符合力學的標準，根據(jù)對機械結構的一系列計算從而得到最合理的加機械配置。2金屬壓塊機系統(tǒng)介紹2.1設備工作過程設計金屬壓塊機的主要作用是將金屬加工多下來的金屬壓制成塊狀，方便存儲和進行二次回收利用，既是節(jié)約材料也是為廠家節(jié)約成本，是生產(chǎn)回收中比較重要的一部分。通過使用該機器將散亂的金屬壓制成方便存儲的形狀[5]。本章節(jié)主要針對金屬壓塊機中的硬件部分進行設計，其設計過程為：先確定壓塊機的總體運行方案，根據(jù)方案來對設備的整體進行設計，確定液壓機的設備內部布局。接著對設備內單獨配件進行選擇和設計。在進行金屬制造等工藝過程中，對所產(chǎn)生的金屬如何處理是一個比較困難的問題。有了此次設計的金屬壓塊機，可以完美解決對金屬的回收，如圖2-1是其工作流程圖[6]。圖2-1金屬回收工作過程系統(tǒng)所需要控制的結構簡單，所使用的壓塊機也是小型機型，整個系統(tǒng)運行過程并不是很復雜，編輯的程序也是簡單的一些，只需要用到一些簡單的指令控制。在機器完成一輪循環(huán)操作后，需要對系統(tǒng)進行復位后再進行下一輪操作。復位程序如果沒有完成復位則會啟動機器內的報警系統(tǒng)進行報警，發(fā)出警報光線，能夠提醒工作人員設備出現(xiàn)了故障，從而及時的對設備進行維修。不僅是復位錯誤時會報警，當設備長時間處于運行過程中時，設備會開始發(fā)熱，當溫度到達一定程度時會損傷設備。還有設備運行過程中出現(xiàn)過大的壓力，這些情況都會啟動報警程序。在啟動報警程序的同時還會看情況對設備進行關閉[6]。如下圖2-2所示是鐵屑壓塊機中的組成結構示意圖，在使用時，鐵屑通過上下料裝置進入到收料箱。當鐵屑進入到收料箱后通過其內部的上液壓頭向下壓，對收料箱內的鐵屑進行擠壓成型。鐵屑在收料箱中被壓成一個3-6公斤左右的圓柱形餅塊。此餅塊的大小大概為，這種物體的密度大概為5-6T/M3。在壓縮完成后，下部的液壓缸脫離，使擠壓完的鐵餅掉入推塊槽內，然后通過下液壓缸的壓頭把鐵塊推送出去。圖2-2鐵屑壓塊機結構示意圖如表2-1為金屬壓塊機結構的參數(shù)說明表：表2-1金屬壓塊機參數(shù)表序號參數(shù)名稱單位型號或數(shù)值上壓塊液壓缸下推塊液壓缸1公稱推力KN19002862油缸內徑mm3601353活塞桿直徑mm200704使用壓力MPa20205電動機型號Y200L-4 30KW6液壓泵型號HY100M-RP7主機尺寸2150×800×3300mm8油箱尺寸1900×1300×1650mm2.2PLC控制設備的使用此次設計的金屬壓塊機需要完成側液壓缸推進、主液壓缸下降壓塊、側液壓缸上升回退，主液壓缸回退，側液壓缸完成推塊這幾個工作過程。主要運用到的是PLC中的順序控制和運動控制這兩種方式，經(jīng)過上述對工作過程的分析，可以知道液壓控制主要是通過液壓油的流動來控制造成壓力，進行工作。而PLC設備則控制供油系統(tǒng)進行流動[7]。下圖2-3中是關于PLC控制系統(tǒng)的結構圖。圖2-3PLC控制系統(tǒng)結構框圖2.3液壓系統(tǒng)工作原理金屬壓塊機主要是通過液壓的方式來進行驅動，液壓泵運作從而帶動系統(tǒng)運行，設備中液壓泵的主要組成元件有單向閥，減壓閥，截止閥，溢流閥，泵等組成。系統(tǒng)中主要有兩種液壓缸，一種是用來控制主液壓缸對金屬進行壓制成型，另一種是推進缸，是來完成將成型的鐵塊推出箱內。對于整個系統(tǒng)的控制來說液壓缸的運行速度至關重要，而為系統(tǒng)選擇到合適的速度，還需要考慮到整個系統(tǒng)運行時的功能、穩(wěn)定性、設備溫度等因素。而且也要保證選用設備具有一定的性價比。因為壓塊機所需要的工作速度并不是很快，所以選用單向節(jié)流閥來控制壓塊的速度是最為合適的。在運行時，通過推進液壓缸來控制鐵餅的流出，在推進液壓缸啟動時，因為其液壓缸內部流量變化小，所以采用三位四通電磁換向閥來進行推進和退回操作。系統(tǒng)內部產(chǎn)生的壓力系統(tǒng)由溢流閥來進行控制。其液壓泵的原理圖如圖2-4液壓系統(tǒng)原理圖所示，表2-2為液壓系統(tǒng)符號說明表。圖2-4液壓系統(tǒng)原理圖表2-2液壓系統(tǒng)符號說明表序號代號名稱狀態(tài)功能符號1YA1卸荷閥+卸荷閥關畢/2YAA料門液壓缸+料門打開SQ93YA4側壓缸鐵+側壓缸推進SQ34YA5側壓缸+側壓缸退回SQ45YA2主壓缸+主缸壓下SQ16YA3主壓缸+主缸抬起SQ27YA9二次加壓缸+二次加壓缸微抬（接受塊體）SQ98YA6推塊缸+推塊缸推進SQ59YA7推塊缸+推塊缸退回SQ610YA8二次加壓缸+二次加壓缸壓下（未歸位則報警）SQ711YA9二次加壓缸+二次加壓缸抬起SQ812YAA料門液壓缸-料門關閉SQ913YA1卸荷閥-卸荷閥打開/3系統(tǒng)硬件部分設計3.1液壓閥的選擇在選擇液壓閥時也需要關注液壓閥的性價比，在選擇合適自身設計的液壓閥的前提下也要保證所選擇的產(chǎn)品盡量便宜。對于液壓閥的使用壽命和工作情況都要進行詳細的了解。輔助元件的應用也是幫助液壓系統(tǒng)進行更好的使用，液壓系統(tǒng)中的輔助元件一般包括油箱，濾油器，油水分離器，消聲器和油位油溫機等設備。這些元件中，油箱可以根據(jù)自身需要的對油箱進行設計，液壓系統(tǒng)使用的油量為多少就設計多大的油箱以供使用。其他的零件則采用標準規(guī)格進行使用，為了保證液壓系統(tǒng)的集成化，為電路選擇疊加閥來控制系統(tǒng)的油路運行[8]。圖3-1是疊加閥的實物圖。圖3-1疊加閥裝置圖疊加法是將方向控制閥，流量控制閥，以及壓力控制閥等通過螺栓將各個閥的油口按照有序的排列連接起來的方式固定的，疊加閥的常用通經(jīng)有6mm通徑、10mm通徑、16mm通徑等，連接時要注意閥與閥之間的通徑要相等。通常使用的疊加閥流量在30L/min到200L/min，額定壓力通常為20MPa。此次設計中所使用的各種閥門參數(shù)如表3-1所示。表3-1疊加閥的選用表序號名稱型號數(shù)目1疊加式單向閥MPW-03-2-2022疊加式減壓閥MRP-03-H-2013三位四通換向閥T-DSG-03-3C4-D24-7024疊加式單向節(jié)流閥MSW-10-XH-1025疊加式單向溢流閥MSW-10-YH-1026疊加式溢流閥MBW-03-XH-301在對疊加閥進行安裝之前，應該先設計普通的運行油路。在設計普通的運行油路時，也要考慮接下來要安裝的疊加閥，所以需要對液壓系統(tǒng)中使用到的流量和壓力進行計算，這樣在普通油路中添加疊加閥時也方便許多。在安裝疊加閥的時候，所選用的各種疊加閥設備都需要保證其油路通徑相等。這樣在流通的時候才能保證系統(tǒng)的準確運行。疊加閥頂端連接的應該是主換向閥，其他的閥門都安裝在各個主換向閥和底板之間，在系統(tǒng)的電路連接中，推塊液壓缸的運動路徑中進過減壓閥的油路需要安裝一個壓力表，用來實時檢測壓力值的大小。本次設計以及對以往的其他壓塊機工作壓力的對比，選擇工作壓力為20MPa，則液壓系統(tǒng)的主要技術參數(shù)如表3-2所示：表3-2液壓系統(tǒng)技術參數(shù)表序號參數(shù)參數(shù)值單位1上壓塊液壓缸的公稱推力1900KN2上壓塊液壓缸的有效行程300mm3下推塊液壓缸的公稱推力270KN4下推塊液壓缸的有效行程260mm5系統(tǒng)工作壓力20MPa6行進速度60mm/s3.2電磁閥的選擇本次設計采用電磁閥控制氣缸的動作狀態(tài)，從而實現(xiàn)氣缸動作檢測功能。型號為4V210-08，功能為二位五通，電控方式為單電控，手控方式為鎖定式，電壓為220VAC/24VDC，功率為50/60Hz，耐壓值為1.5MPa，使用壓力范圍為0.15~0.8MPa，工作溫度為5~50℃。圖3-2是二位五通單電控制電磁閥實物圖。圖3-2二位五通單電控制電磁閥3.3行程開關行程開關又稱磁性開關，在金屬壓塊機系統(tǒng)中的作用是檢測各氣缸推桿位置，性質為非接觸型，極大程度的減小了機械損壞，具有較高響應速度。本次設計選型CS1-U型氣缸磁性，開關電壓范圍為5VDC~240VDC，開關電流為50mA，最大反應時間為1ms，工作溫度為0℃~+60℃。圖3-3是CS1-U氣缸磁性開關實物圖。圖3-3CS1-U氣缸磁性開關3.4PLC選型在選擇PLC的時候盡可能選擇性價比高的，其前提條件必須滿足所選擇的PLC達到設計要求。主要保證內部的I/O數(shù)量足夠，工作穩(wěn)定，其平時需要維護所用的費用最低。在進行系統(tǒng)設計時，首要完成的任務就是對系統(tǒng)的控制方案進行確認，然后是各種硬件的選型操作，在選型時主要依據(jù)控制系統(tǒng)的主要功能和特點。根據(jù)所使用的外部設備數(shù)量來對使用的外部輸入輸出進行估算，最后來選擇最適合系統(tǒng)使用的PLC。然后可以根據(jù)所選擇的外部設備來對系統(tǒng)所需I/O點數(shù)進行估算，當然在估算完，選擇設備時，需要在估算的點數(shù)上加上百分之十到百分之二十的余量。這樣方便往后使用時，設備損壞也可以進行接線的更換，或者更新功能和設備時使用。在實際選擇中還要根據(jù)PLC的設備情況來進行調整。此次設計預估計需要輸入點數(shù)12個，輸出點數(shù)12個。結合以上所述，本次金屬壓塊機控制系統(tǒng)的可編程控制器選擇日本三菱的FX2N-32MR型PLC作為控制核心，下圖3-4為此型號的實物圖。3.5I/O分配表根據(jù)所用到的輸入輸出設備，可以知道需要使用PLC上的12個輸入口和12個輸出口，下表3-3是PLC內部的輸入輸出分配表。表3-3輸入輸出分配表輸入端輸出端序號端口說明符號序號端口說明符號1X0系統(tǒng)啟動按鈕SB11Y0電機線圈KM2X1系統(tǒng)升壓/卸荷SB22Y1加壓電磁閥YA13X2主缸下壓到位SQ13Y2主缸下壓電磁閥YA24X3主缸抬起到位SQ24Y3主缸抬起電磁閥YA35X4側缸推進到位SQ35Y4側缸推進電磁閥YA46X5側缸縮回到位SQ46Y5側缸退回電磁閥YA57X6推塊缸推進到位SQ57Y6推塊缸推進電磁閥YA68X7推塊缸縮回到位SQ68Y7推塊缸退回電磁閥YA79X10二次加壓缸下壓到位SQ79Y10二次加壓缸下壓電磁閥YA810X11二次加壓缸抬起到位SQ810Y11二次加壓缸抬起電磁閥YA911X12料斗門打開/閉合SB311Y12料斗門電磁閥YA12X13急停按鈕KJ12Y13報警指示燈HL此次總用使用到24個端口，三菱公司所生產(chǎn)的FX2N-32MR型號PLC就比較適合此次設計，此型號的PLC其內部帶有16個輸入口和16個輸出口，足夠后期修改以及擴充使用，不需要再進行其他I/O模塊的使用。此PLC所使用的電源模塊是Q61P，專門用于PLC內部使用，這種電源所使用的輸入電壓信號采用120/230AC，輸出部分的電壓為24VDC/2.5A，此部分電壓是提供給PLC所使用的[9]。3.6外圍接線圖在設計系統(tǒng)的時候，電源系統(tǒng)十分重要，因為都是電器設備，所以都需要用電，用來驅動液壓泵的電機需要使用380V的三相交流電。PLC連接的是220V的兩相交流電。對于PLC上所連接的I/O等設備一般采用24V直流電。并且為了避免設備出現(xiàn)漏電靜電等情況，還需要對設備進行接地處理。各個零件在安裝的時候也要為其分配好位置。這樣才能保證金屬壓塊機能夠正常運行。PLC設備的接線圖如圖3-5所示：圖3-5PLC硬件連接圖4軟件部分設計4.1編程軟件選擇本次金屬壓塊機的控制系統(tǒng)設計采用三菱系列PLC，編程軟件選擇三菱的GXWorks2，該版本的編程系統(tǒng)為三菱編程系列最新版本，支持梯形圖、指令表、SFC等編程語言，編輯功能強，可進行參數(shù)/網(wǎng)絡設定、在線/模擬監(jiān)控、仿真調試、智能功能塊設定等功能，適用于三菱多種系列PLC，打開軟件后根據(jù)所選PLC型號，選擇PLC類型為“FX2N/FX2NC”，編程語言為“梯形圖”，如圖4-1所示。圖4-1PLC類型選擇4.2流程圖金屬壓塊機的程序編寫需要結合流程圖使用，流程圖是將設備之間的工作流程通過框圖的方式表達出來，方便設計人員進行觀看，流程圖采用特殊的符號來表達設備之間的關系，流程圖中將工作進程按照順序排列好。流程圖編寫的好壞對于后續(xù)程序的編寫影響也很大。為了提供設備工作效益，設計的流程圖要使工作流程最少，機器運行所使用的時間最短。根據(jù)之前對于油缸，液壓閥這些設備的計算所選擇出來的型號安裝在壓塊機上，然后通過PLC對這些設備進行控制。如下圖4-2為梯形流程圖：圖4-2梯形圖控制流程圖4.3系統(tǒng)調試通過使用GXWorks2軟件可將SFC形式的編程指令轉化成梯形圖程序進行使用，由于三菱系列PLC編程軟件自帶仿真調試功能，因此程序可直接利用編程軟件進行模擬仿真調試。PLC程序模擬寫入成后，程序在“RUN”狀態(tài)下才可進行相關模擬仿真操作，系統(tǒng)詳細梯形圖可見附錄所示，如圖4-3為程序寫入過程：圖4-3梯形圖模擬仿真過程1.系統(tǒng)開啟前的初始狀態(tài)為：電機未運轉、各按鈕未按下、各缸未動作、料門未動作、指示燈熄滅。按下啟動按鈕X0（SB1），電機Y0（KM）得電運轉，系統(tǒng)運行；2.同時按下升壓/卸荷按鈕X1（SB2）、料門打開按鈕X12（SB2），加壓電磁閥Y1（YA1）得電，卸荷關閉，料斗門Y12（YA）得電打開，T0計時器得電計時5S；3.5S時間到后，T1計時器得電計時3S，側壓缸推進電磁閥Y4（YA4）得電，側壓缸開始推進；4.3S時間后，側壓缸推進電磁閥Y4（YA4）失電，料斗門Y12（YA）失電閉合；5.當側缸推進到位X4（SQ3），計時器T2得電計時2S，若2S時間內側缸縮回X5（SQ4）未到位，則側缸退回電磁閥Y5（YA5）得電，報警指示燈Y13（HL）得電點亮，顯示側壓缸未退回報警；6.當出現(xiàn)緊急情況時（Y13得電），可按下急停按鈕X13（SB3），則系統(tǒng)回到初始狀態(tài)；7.若2S時間內側缸縮回X5（SQ4）到位，則T3得電計時3S，同時主缸下壓Y2（YV2）得電；8.3S時間到后，主缸下壓Y2（YA2）失電；9.主缸下壓到位X2（SQ1），T4得電計時2S，若2S時間內未按下X3，則報警指示燈Y21得電點亮，則主缸抬起電磁閥Y3（YA3）得電，報警指