定量給料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

I 摘 要 隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展， 固體 定量給料系統(tǒng) 作為一項(xiàng)實(shí)用型的技術(shù)被 廣泛應(yīng)用于冶金、化工、水泥、建材和食品等工業(yè)領(lǐng)域。 在這樣的環(huán)境下 定量給料機(jī)的需求量日益增大。本系統(tǒng)采用 電磁閥和流量計(jì) 給料機(jī)作為定量給料設(shè)備，給料機(jī)采用控制 流量 來達(dá)到定量給料的目的 。 定量給料系統(tǒng)的 PLC控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化發(fā)展的必然結(jié)果。 本論文針對(duì) 定量給料機(jī) 的特點(diǎn)，并 PLC控制技術(shù) ，對(duì) 定量給料系統(tǒng)進(jìn)行的研究 ， 其 主要內(nèi)容如下： 1、 了解 定量給料機(jī)控制 系統(tǒng)的工作原理 ； 2、 掌握 PLC的硬件構(gòu)成，工作原理，完成對(duì) PLC的選型； 3、設(shè)計(jì)定量給料機(jī) 的控制系統(tǒng)； 4、 用 STEP7完成對(duì)控制系統(tǒng)的編程。 關(guān)鍵詞： 給料；定量； PLC；控制系統(tǒng)。 II Abstract With the rapid development of industrial production， the solid constant feeding system which is a practical technology has been widely used in metallurgy, chemicals, cement, building materials, food and as well as other industry circles. So, in this situation, the demand of constant feeder is increasingly augmented. This system adopts the electromagnetic valve and flowmeter feeder as the constant feeding device, the feeder achieves the goal of constant feeding by controlling the flow. The PLC control system of constant feeding system is the inevitable outcome of the development of mechatronics. This article focuses on the characteristics of constant feeder, and PLC control technology, studies the constant feeding system. The main contents are as follows: 1、 Understand the operating principle of the constant feeder control system ； 2、 Master the PLC hardware structure, working principle, finish the selection of PLC type ； 3、 Design the control system of constant feeder ； 4、 Finish the programming of the control system with STEP7. Key words: Feeding；Dosing ；Programmable Logic Controller；The control system. III 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 錄 . III 1 緒 論 . 1 1.1 課題背景 . 1 1.2 定量給料機(jī)國內(nèi)外發(fā)展情況 . 1 1.2.1 給料系統(tǒng)的分類 . 1 1.2.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) . 2 1.2.3 自動(dòng)給料系統(tǒng)特點(diǎn) . 3 1.3 課題意義 . 3 1.4 課題主要內(nèi)容 . 3 2 定量給料機(jī)的總體方案 . 5 2.1 給料部分總體方案、基本原理 . 5 2.2 完成給料的運(yùn)動(dòng)分析 . 7 2.3 定量給料機(jī)的總體設(shè)計(jì) . 7 2.4 本章小結(jié) . 8 3 PLC控制系統(tǒng)的介紹和選擇 . 9 3.1 PLC的概述 . 9 3.2 西門子 PLC簡(jiǎn)介 . 10 3.2.1 西門子 PLC簡(jiǎn)單介紹 . 10 3.2.2 西門子 PLC的組 成 . 10 3.3 PLC的工作原理 . 14 3.4 本章小結(jié) . 15 4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 16 4.1 控制系統(tǒng)元件的選擇 . 16 4.2 繪制電氣原理圖 . 20 4.3 控制程序的設(shè)計(jì) . 21 4.3.1 I/O分配表 . 21 4.3.2 接線圖 . 22 4.4 本章小結(jié) . 23 5 控制系統(tǒng)的編寫 . 24 5.1 STEP7的介紹 . 24 5.2 系統(tǒng)程序流程圖 . 24 5.3 梯形圖的繪制 . 25 5.4 本章小結(jié) . 31 6 總結(jié) . 32 6.1 全文總結(jié) . 32 IV 6.2 需要提高、改善的方面 . 32 致 謝 . 33 參考文獻(xiàn) . 34 定量給料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 緒 論 1.1 課題背景 隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，導(dǎo)致了定量給料機(jī)的需求量日益增大。定量給料系統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化發(fā)展的必然結(jié)果?，F(xiàn)今以應(yīng)用工業(yè)計(jì)算 機(jī)、 PLC的自動(dòng)配料技術(shù)已廣泛應(yīng)用于耐火、玻璃、水泥、醫(yī)療、建材、飼料、煉鋼、筑路及包裝生產(chǎn)等各種行業(yè)中。日用品中用的洗發(fā)液，洗衣粉 /劑，滅蟲劑等等均為配方產(chǎn)品 。 12以前在這類控制中大多是以繼電器，接觸器等電器設(shè)備來完成每一步的順序控制，自動(dòng)化程度低，而且許多地方都需要人來手動(dòng)完成，不僅工作效率低控制精度也難以提高。特別是隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，更是對(duì)應(yīng)用于過程生產(chǎn)中的各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)提出了更高的要求。 配料工序是企業(yè)生產(chǎn)工藝過程中的一道非常重要的工序， 配料工序?qū)φ麄€(gè)生產(chǎn)過程有非常大的影響， 因此實(shí) 現(xiàn)高精度自動(dòng)配料對(duì)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)有極為重要的意義。 另外對(duì)于一些現(xiàn)有的中小企業(yè)，特別是一些中小型的冶金企業(yè)由于建設(shè)之初的自動(dòng)化水平低或者設(shè)備已經(jīng)老化陳舊，造成對(duì)資源的浪費(fèi)，環(huán)境的污染，同時(shí)也加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此對(duì)一些落后的中小企業(yè)的自動(dòng)化改造也是急需解決的問題。 當(dāng) 現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)比較有代表性的定量給料系統(tǒng) 的生產(chǎn)廠家有德國布 萊 本達(dá)公司和美國開創(chuàng)公司。這兩家公司 在中國有著成功的案例 ， 由于壟斷性和出于技術(shù)性的保密 ， 要購買他們的產(chǎn)品投入需要很高 ， 且不方便后期的維護(hù) 。 此定量給料系統(tǒng) 是 以 提高系統(tǒng)的 使用廣泛性 、 低 維護(hù)成本 、 投入低 、 可操作性相對(duì)較強(qiáng) 的 這些原則 來進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，到最后實(shí)現(xiàn)一個(gè)低成本，易于維護(hù)的定量給料系統(tǒng) 。 1.2 定量給料機(jī)國內(nèi)外發(fā)展情況 定量給料多種多樣 。從供給物料的連續(xù)性上看，可以分為間歇式和連續(xù)式 兩種給料系統(tǒng) ；從供給物料的方式上看有體積式給料系統(tǒng)和質(zhì)量（重量）式給料系統(tǒng)；從給料器的工作原理上分可以分為失重式給料和增重式給料；從供給物料的特性上看可以分為粉料、粒料（固態(tài)）、液體、混合體的給料 3。 以下的篇幅對(duì)幾種常用的給料系統(tǒng)做簡(jiǎn)單的介紹。 1.2.1 給料系統(tǒng)的分類 1. 間歇式給料系統(tǒng) 間歇式給料系統(tǒng) 是一種不連續(xù)的 給料系統(tǒng)。 在正常的情況下 ， 機(jī)械不能生產(chǎn)連續(xù)化的產(chǎn)品 。 比較適合小批量的產(chǎn)品，也適合在小的場(chǎng)合使，比如說小型的企業(yè)、或者實(shí)驗(yàn)室 。這種系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高， 對(duì)機(jī)械的要求不高 ，操作 比較 復(fù)雜， 必須有很大的工作量，要大量人力 ，由于 這樣操作易于受人為因素影響 ， 所以不容易控制批次的質(zhì)量 ， 成品之間存在較大的差異性 。 這樣的系統(tǒng)比較難以 實(shí)現(xiàn)大批次的 生產(chǎn)。 生產(chǎn)初期投資 較少， 但是后續(xù)會(huì)出現(xiàn)很多問題 。 2. 連續(xù)式給料系統(tǒng) 連續(xù)式給料系統(tǒng) 運(yùn)作方式 是用連續(xù)式給料器 給下面的機(jī)械 設(shè)備供給物料的。它所必需采用的設(shè)備是連續(xù)式給料器，如固態(tài)物料流量計(jì)，自動(dòng)給料器等。 這種給料機(jī)常見的 的工藝是使用 幾臺(tái) 連續(xù)式給料器， 按照一定的已經(jīng)設(shè)定好的量 ， 讓各種物料 下游設(shè)備。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 2 這種機(jī)械方面 較復(fù)雜， 有較高的自動(dòng)化 ，精度 比較 高，操作 比較方面 ， 對(duì)人力的需求量比較小 ，質(zhì)量穩(wěn)定，適 用于大批量生產(chǎn) 和 各方面的要求都 較 高 的 地方 ， 大的規(guī)模生產(chǎn)具有配方的食品 ， 對(duì)精度要求比較高 的實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。 這樣的加料方法 不太受人為影響 ， 生產(chǎn)出來的 質(zhì)量 比較穩(wěn)定 。 3. 體積式給料系統(tǒng) 體積式給料系統(tǒng) 的運(yùn)作原理是 對(duì) 下面的機(jī)械按照單位時(shí)間內(nèi)的流量而給料的 的系 統(tǒng)。 料體 在特定轉(zhuǎn)速 /流速等下 給料系統(tǒng)通過測(cè)試這些來計(jì)算出 產(chǎn)量， 然后算出 體積式給料器的給料量與轉(zhuǎn)速 /流速的 函數(shù)曲線 。 參照這條曲線函數(shù) ，可以得出所需的給料量所對(duì)應(yīng)的給料器的轉(zhuǎn)速 /流速等， 讓料體定量給到下面的設(shè)備產(chǎn)品機(jī)械 。 這樣的 系統(tǒng)設(shè)備 相對(duì)不復(fù)雜 ， 有比較簡(jiǎn)單的操作 ， 需要較少的設(shè)備 ， 投資量不大 ，適合連續(xù)運(yùn)行。但是此系統(tǒng)要求物料的堆積密度 相對(duì)穩(wěn)定 ， 對(duì)機(jī)器的調(diào)試很不方便 ， 精度比較低 ，約 5-10%，不能滿足高 要求 產(chǎn)品生產(chǎn)的要求。 4. 質(zhì)量式給料系統(tǒng) 它是按單位時(shí)間內(nèi)失去 /增加的質(zhì)量（重量）來給料的 。與體積式給料相比，可以忽略物料的密度變化帶來的精度影響。實(shí)際上，失重式給料系統(tǒng)和增重式給料系統(tǒng)均屬于質(zhì)量式給料系統(tǒng)的范疇。 5. 失重式給料系統(tǒng) 失重式給料系統(tǒng)是按單位時(shí)間內(nèi)失去重量的多少來給料的系統(tǒng)。 失重式給料系統(tǒng)是通過質(zhì)量傳感器測(cè)量單位時(shí)間（毫秒級(jí)）內(nèi)失重式給料器中物料減少的重量來計(jì)算出加料器每小時(shí)的產(chǎn)量，通過 PID 控制器的調(diào)節(jié)，使喂料器按設(shè)定值的產(chǎn)量對(duì)下游設(shè)備給料。 此類系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)精密計(jì)量，精度可控制在 0.5%以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的配方管理，控制系統(tǒng)先進(jìn)，所需人工很少，但建設(shè)初期成本較 高。適用于高品質(zhì)產(chǎn)品的工業(yè)化大生產(chǎn) 4。 1.2.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)發(fā)展飛速 ， 計(jì)算機(jī)控制在現(xiàn)代社會(huì)中得到了廣泛的運(yùn)用 5。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是 使用計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的 ， 這是一種計(jì)算機(jī)硬件 ，軟件技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的一種應(yīng)用技術(shù)，它屬于離散控制系統(tǒng)。 當(dāng)前 ，用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)可分為幾類，可編程控制器、基于 PC總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、基于測(cè)控單片機(jī)、用于模擬量閉環(huán)控制的可編程調(diào)節(jié)器、集散控制系統(tǒng) (DCS)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) (FCS)等?？删幊炭刂破?(PLC)是應(yīng)用面最廣、 有足夠大強(qiáng)的功能 、 有較強(qiáng)融合性的工業(yè)裝置 ，它 已經(jīng)化身現(xiàn)代的工農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化重要的一員 。 可編程序控制器（ PLC）都有一個(gè)編程口。 就拿日本進(jìn)口的三菱 PLC 為例（包括 FX系列和 A 系列）， 它的程序編譯口 為 RS-422 格式，根據(jù) PLC 有不一樣的型號(hào) 又分為 8 針座 型 編程口和 25針座 型 。 對(duì) 25針口來說 ，可直接將 SC08編程電纜將 PLC的編程口和電腦 的 RS232 口 一起捆綁起來 ；對(duì)于后者，則還需要 用 一根 用于 轉(zhuǎn)換 的 電纜將 PLC 的8 針座 型 編程口和 25 針 型 電纜相連。無論何種情況，一旦將 PLC 用戶程序由 電腦 編程環(huán)境傳到 PLC 用戶程序 使用 區(qū)， 我 們根本沒有再去利用其它的程序編譯口 。 這，換句話說，定量給料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 是浪費(fèi)了 PLC。 那么 ，可利用此 程序編譯口完成電腦 和 PLC 的 通訊人物 ， 利用微型計(jì)算機(jī)對(duì) PLC進(jìn)行管理，并且監(jiān)控 PLC的工作狀態(tài) 6。 1.2.3 自動(dòng)給料系統(tǒng)特點(diǎn) 自動(dòng)給料系統(tǒng)是指自動(dòng)連續(xù)給料系統(tǒng)。以下簡(jiǎn)稱為自動(dòng)給料系統(tǒng)。物料為粉狀、顆粒狀固態(tài)物料。 自動(dòng)給料系統(tǒng)具有幾個(gè)符合現(xiàn)代化大生產(chǎn)要求的特點(diǎn)： 1） 重量傳感部分原理先進(jìn)，精度很高。一般采用數(shù)字傳感器，精度可以達(dá)到百萬分之一。 2） 物料輸送部分線性度高，驅(qū)動(dòng)部分可以達(dá)到很高的分辨率。 3） 設(shè)備自動(dòng)化程度高。此類系統(tǒng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)，一般具有 PLC 控制、連鎖系統(tǒng)等控制系統(tǒng)以滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。 4） 系統(tǒng)加料精度高。由于采用了先進(jìn)的加料器和先進(jìn)的控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)可以達(dá)到很高的精度。一般都能達(dá) 0.5-1%的精度。在實(shí)驗(yàn)室等特殊的領(lǐng)域，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)級(jí)的加料器，可以達(dá)到 0.1-0.5%的精度。穩(wěn)定度可以達(dá)到 2個(gè) SEGMA。 5） 操作簡(jiǎn)單。一般此類系統(tǒng)具有先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)和控制器，在調(diào)試階段較復(fù)雜，但當(dāng)調(diào)試結(jié)束后，所有的參數(shù)設(shè)置合適后，操作人員所做的僅僅是調(diào)用參數(shù)，設(shè)定 產(chǎn)量等簡(jiǎn)單的操作。 6） 可維護(hù)性強(qiáng)。由于采用先進(jìn)控制系統(tǒng)，很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷，可以縮短排除故障的時(shí)間。 7） 功能強(qiáng)大。利用先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的配方管理，訂單管理，歷史管理，系統(tǒng)控制優(yōu)化，自動(dòng)開停車管理，連鎖管理，遠(yuǎn)程診斷、檢測(cè)與控制。 8） 投資結(jié)構(gòu)合理。一次性投資較高，由于自動(dòng)化水平的提高，可以節(jié)省運(yùn)營的人工成本，避免人為因素造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，避免重復(fù)投資。 9） 系統(tǒng)較復(fù)雜。一個(gè)完整的自動(dòng)給料系統(tǒng)牽扯的領(lǐng)域很廣，有機(jī)電一體化設(shè)備，自動(dòng)化控制設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備等等 7。 1.3 課題意義 定量給料系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛， 為了 提高其精度、自動(dòng)化程度 對(duì)其 有著重要的現(xiàn)實(shí)意義 ，控制單元包括失重式控制器、變頻控制器、重量傳感器、速度傳感器等組成。 控制系統(tǒng)采用 PLC來進(jìn)行控制，并且 通過 自行設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，使用軟件仿真在所設(shè)記系統(tǒng)中實(shí)際機(jī)械部分的運(yùn)作方式，從而來判斷系統(tǒng)的可行性。 本系統(tǒng)開發(fā)成本低、實(shí)時(shí)性好、操作簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)，實(shí)際工程中可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定、可靠的工作，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。 1.4 課題主要內(nèi)容 本課題以 PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)一種以轉(zhuǎn)予給料機(jī) 、流量控制器 器為硬件基礎(chǔ) 的定量給料系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 流體 物料的定量給料控制，具有顯示累計(jì)流量、運(yùn)行參數(shù)、設(shè)定流量等功能。系統(tǒng)操作方便、顯示直觀，可廣泛應(yīng)用于 固體 物料的定量給料控制過程中。 本論文內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 4 1. 對(duì)所設(shè)計(jì)的給料機(jī)機(jī)械部分進(jìn)行闡述，說明其原理； 2. 分析實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)應(yīng)有的動(dòng)作； 3. 對(duì) PLC選型，給出系統(tǒng)的硬件接線圖； 4. 繪制電器原理圖、接線圖； 5. 設(shè)計(jì) PLC的梯形圖程序，給出控制流程圖 。 定量給料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 2 定量給料機(jī)的總體 方案 2.1 給料部分總體方案、基本原理 本定量給料機(jī)主要運(yùn)用于自動(dòng)定量給料機(jī)的機(jī)械主體（機(jī)械臂），主要運(yùn)用于固體小顆粒的加料過程，可運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)、食品的批量生產(chǎn)、冶金工業(yè)等等產(chǎn)業(yè)之中。 2.1.1 總體方案 定量給料系統(tǒng)一般是利用給料機(jī)配合物料計(jì)量裝置構(gòu)成的， 在生活中有很多種類的給料機(jī) ，包括帶式 的 、振動(dòng) 型的 、氣力 式的輸送 裝置等等，。例如，以 SU6PLC為主控機(jī)，這是一個(gè) 全自動(dòng)配料控制系統(tǒng) ，這個(gè)系統(tǒng)擁有各式各樣的智能型外設(shè)，可以同時(shí) 測(cè)量、控制、管理。重量信號(hào) 直接通過稱重傳感器發(fā)送出來 ， 然后機(jī)械部分 再進(jìn)行配料，然后進(jìn)行混合 ， 這樣就實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互 。 在這樣的條件下，其實(shí)還可以改進(jìn)定量給料的精度 ， 可以改進(jìn) 所使用的重量傳感器 、 電流信號(hào)放大器 、 A/D轉(zhuǎn)換器；返回指令冗余和開中斷指令冗余等 8。 流量計(jì)是定量給料系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其原理是利用物料的動(dòng)量， 流量控制器主要工作原理是，微波探頭以 5mw的功率發(fā)射一種 24.125GHz的高頻微波信號(hào)，當(dāng)有物體通過時(shí)，會(huì)有微波信號(hào)形成一種反射，主機(jī)會(huì)根據(jù)反射微波信號(hào)的變化量，經(jīng)過計(jì)算得出被實(shí)測(cè)物體的實(shí)際流量 。 整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有以下幾個(gè)部分構(gòu)成：固體流量計(jì)、給料機(jī)、 PLC及控制 箱。系統(tǒng)工作原理是這樣的：作為控制對(duì)象的 機(jī)械手臂 給料機(jī)進(jìn)行給料。給料量的大小由 電磁閥控制 ，而 電磁閥的開關(guān)由流量控制器控制 ，當(dāng)物料速度一定時(shí)， 流出物體的密度基本保持不變 。經(jīng)過 運(yùn)算， PLC產(chǎn)生合適的控制信號(hào)， 開關(guān)電磁閥 。從而完成物料的 定量給料 。 主軸運(yùn)轉(zhuǎn)遇到限位開關(guān)，進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，從而完成循環(huán)， 整個(gè)系統(tǒng)如圖 2.1所示。 圖 2.1 物料循環(huán)和流量控制 2.1.2 機(jī)械部分簡(jiǎn)介 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 6 機(jī)械部分主要有幾個(gè)部分構(gòu)成： 1. 主軸部分：主要負(fù) 責(zé)送料機(jī)能圍繞主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。 2. 機(jī)械臂部分：主要負(fù)責(zé)送料器能夠上下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 3. 送料器：負(fù)責(zé)控制料體的量，然后完成送料。 機(jī)械部分簡(jiǎn)圖（如圖 2.2）所示。 圖 2.2 機(jī)械部分示意圖 1. 主軸傳動(dòng)電機(jī)， 2. 旋轉(zhuǎn)主軸， 3. 料筒， 4. 機(jī)械臂， 5. 手臂傳動(dòng)電機(jī)， 6. 電磁閥、流量計(jì)， 7. 料斗。 相比于以往人工送料自動(dòng)定量給料機(jī)有許多特點(diǎn)： 1. 本機(jī)器可以單動(dòng)亦可以與其他配套機(jī)器連線成全自動(dòng)生產(chǎn)； 2. 湯量調(diào)整方便，精準(zhǔn)，簡(jiǎn)單； 3. 送料 精準(zhǔn)，動(dòng)作快，注料效率高； 4. 產(chǎn)品投入低，產(chǎn)值高； 5. 程序采用西門子 PLC控制，動(dòng)作穩(wěn)定。 2.1.3 定量給料機(jī)定量給料的步驟 定量給料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 此定量給料機(jī)是通過兩個(gè)電機(jī)控制手臂繞著主軸旋轉(zhuǎn)，手臂上下走動(dòng)，再通過流量控制器來控制流量，計(jì)算出所有的流量，從而來實(shí)現(xiàn)定量給料的過程。 1. 取料：送料器就在此時(shí)的位置，手臂向下運(yùn)動(dòng)，讓料進(jìn)入料筒，進(jìn)行取料，然后達(dá)到下限位開關(guān)，手臂抬起來。 2. 送料：手臂達(dá)到上限位開關(guān)，主軸電機(jī)開始工作，開始轉(zhuǎn)動(dòng)，然后讓手臂繞著主軸旋轉(zhuǎn)。 3. 定量給料：當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn) 到指定的位置，然后電磁閥打開，流量控制器開始工作，當(dāng)流出的料到達(dá)一定值時(shí)，電磁閥關(guān)閉，定量給料完成。 4. 反復(fù)運(yùn)動(dòng)：當(dāng)完成一次定量給料任務(wù)之后，主軸電機(jī)再次反轉(zhuǎn)動(dòng)作，回到起始的位置，然后開始再次的給料過程。 2.2 完成給料的運(yùn)動(dòng)分析 由于需要給料的部分在整個(gè)給料過程中是固定不動(dòng)的，為了完成定量給料任務(wù)，定量給料機(jī)的各部分均需完成各自的相對(duì)獨(dú)立的功能。由于各個(gè)部分運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立，所以需要對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行控制，以使各機(jī)構(gòu)在時(shí)間和空間上能夠協(xié)調(diào)工作，保證定量給料過程的順利進(jìn)行。 主軸傳動(dòng)電機(jī)的作用是對(duì)讓機(jī)械手臂繞 著主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以使得機(jī)械手臂和料斗能夠先到取料點(diǎn)下去取料，再把料斗里面的料運(yùn)送到指定的地點(diǎn)。繞中心軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 機(jī)械手臂傳動(dòng)電機(jī)的作用是負(fù)責(zé)料斗在取料以及送料過程中上下的運(yùn)動(dòng)。它的運(yùn)動(dòng)主要包括在取料時(shí)讓料斗向下運(yùn)動(dòng)，在給料時(shí)先抬起料斗，然后主軸電機(jī)動(dòng)作把手臂和料斗運(yùn)送到給料位置，在定量給料時(shí)向下的運(yùn)動(dòng)。手臂的上下運(yùn)動(dòng)通過手臂傳動(dòng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。 2.3 定量給料機(jī)的總體設(shè)計(jì) 1. 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 機(jī)械系統(tǒng)主要由主軸、可轉(zhuǎn)動(dòng)手臂、定量給料系統(tǒng)等構(gòu)成。主軸主要負(fù)責(zé)的是讓手臂繞著主 軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行送料和取料?？赊D(zhuǎn)動(dòng)手臂主要負(fù)責(zé)的是在主軸限位開關(guān)時(shí)，先轉(zhuǎn)動(dòng)下去取料，達(dá)到手臂限位下開關(guān)時(shí)，抬起料斗。 2. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用是根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，將存放在料池里面的料舀出，并且按照一定的線路給到需要料的地方，然后達(dá)到指定位置，開始放料，最后放料完成的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中，主軸的旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手臂的上下運(yùn)動(dòng)是由電氣驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。定量給料系統(tǒng)的定量給料過程是由電磁閥控制的方式，開始給料的時(shí)候，打開電磁閥，開始給料，然后通過PLC控制電磁閥的開關(guān)，到給料的量一定時(shí)電磁閥關(guān)閉。 3. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)主要通過可編程控制器 PLC來控制實(shí)現(xiàn)。 PLC是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)。它可以按照邏輯條件和一定的時(shí)序、順序產(chǎn)生控制動(dòng)作，并能夠?qū)碜袁F(xiàn)場(chǎng)的大量開關(guān)量、脈沖、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)以及模擬量的越限報(bào)警等數(shù)字信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視和處理。 綜上所說，不難看出， PLC控制器有著諸多的優(yōu)點(diǎn)；因此， PLC是一種較理想的控制無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 8 工具。 2.4 本章小結(jié) 本章首先從 定量給料的功能出發(fā) ， 敘述了定量給料機(jī)設(shè)計(jì) 的總體方案。 進(jìn)行了機(jī)械部分的簡(jiǎn)介，驅(qū)動(dòng)部分是由主軸電機(jī)和手臂傳動(dòng)電機(jī)所提供的，控制部分采用的則是 PLC。 定量給料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3 PLC控制系統(tǒng)的介紹和選擇 3.1 PLC的概述 20 世紀(jì) 60 年代， 為了滿足 現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的 需求 ，美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制成功世界上第一臺(tái)可編程邏輯控制器（ PLC）。 1971 年，日本 研發(fā)了 DSC-8控制器， 1973 年西歐各國也研制成功各種可編程序控制器。我國在 1974 年開始研 發(fā) 可編程序控制器。 PLC即 就是 Programmable Logic Controller，是 一種 新型 的 工業(yè) 和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的控制裝置。在 1987年國際電工委員會(huì)頒布的 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC做了如下定義： PLC是一種專門的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì) 9。 PLC 控制系統(tǒng)之所以成為當(dāng)今應(yīng)用很廣泛的工業(yè)控制系統(tǒng)， 因?yàn)?它具有很多適合于工業(yè)控制的特點(diǎn)。 1. 可靠性高 PLC 采取了很多可以提高可靠性的措施的設(shè) 計(jì) ： 1） 在硬件上還有在工藝過程中 ，采取了 許多 可以提高可靠性的硬件 ， 其高性能芯片是高度集成的 ， 并且對(duì)芯片 采取了抗老化測(cè)試 ，利用先進(jìn)的流水工藝制造生產(chǎn)，這些都 可以 使得 PLC的可靠性大大的提高了 。 2） 在設(shè)計(jì)方面上 ，采取掉電保護(hù)、故障診斷和信息保護(hù) 和 恢復(fù) 等其他 措施， 大大提高了 PLC的工作穩(wěn)定性、安全性 。 3） 在軟件方面 ，也 采用了一系列方法和措施 。 使用簡(jiǎn)單和方便的指令集 ， 使用軟件對(duì)外界進(jìn)行濾波，斬波 。 對(duì)系統(tǒng)自身進(jìn)行軟件自 我 診斷、自 我 恢復(fù)等 其他 措施。 2. 操作簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng) PLC 采取了很多可以提高可靠性的措施的設(shè)計(jì) ： 1） 易于組態(tài)。與繼電器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 相比較 ， PLC 使用特定的組態(tài)工具對(duì) PLC 系統(tǒng)的 硬件和軟件進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行更好的設(shè)定 。 這其中最簡(jiǎn)單和最直白的 梯形圖語言和語句表語言， 這種語言清晰簡(jiǎn)練，方便自己的理解 。 2） 方便維護(hù) 。 繼電器部分維護(hù)起來相對(duì)較為困難 ， 這一個(gè)重要的原因促使 PLC 迅速產(chǎn)生 。 PLC可以自己進(jìn)行診斷 ， 具有遇到故障自己解決功能 ， 有一些時(shí)間可以記錄起來 ，當(dāng)系統(tǒng)生故障時(shí)， 通過自己系統(tǒng)的功能 ， 迅速找到故障所在地 ， 馬上準(zhǔn)確的找到故障，并且自己解決 故障 。 3. 靈活性強(qiáng) PLC 是一種智能化的、方便、快捷的控制元件 ，在組態(tài)方式，修改程序等方面具有很大的 可行 性： 有相對(duì)靈活、多變的組態(tài)系統(tǒng) 。組態(tài)靈活不僅表現(xiàn)在程序的開發(fā)階段，還表現(xiàn)在程序的修改護(hù)上。如果生產(chǎn)工藝的要求 比較高然后 專用的組態(tài)語言不能滿足 它時(shí) ，還可以用高級(jí)語言（如 C 語言）開發(fā)特殊的應(yīng)用?？梢酝ㄟ^通訊與其他系統(tǒng) 連接成 一個(gè)整體，這些都無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 10 極大的提高了系統(tǒng)的靈活性 。 3.2 西門子 PLC簡(jiǎn)介 3.2.1 西門子 PLC簡(jiǎn)單介紹 PLC機(jī)型的選擇應(yīng)是在滿足控制要求的前提下，保證可靠、維 護(hù)使用方便以及最佳的性能價(jià)格比。具體應(yīng)考慮以下幾方面： 1. 性能與任務(wù)相適應(yīng) 對(duì)于小型單臺(tái)、僅需要數(shù)字量控制的設(shè)備，一般的小型 PLC（如西門子公司的 S7-200系列、 OMRON公司的 CPM1/CPM2系列、三菱的 FX系列等）都可以滿足要求。 2. 有比較合適的結(jié)構(gòu) 、 安裝起來很方便 、機(jī)型上應(yīng)統(tǒng)一 按照物理結(jié)構(gòu)， PLC 分為整體式和模塊式。整體式每一 I/O 點(diǎn)的 價(jià)格相對(duì)比較 的便宜，所以人們 相對(duì)來說比較喜歡使用整體式 PLC 在 較小 型 的工業(yè) 控制系統(tǒng) 里面 。但是 PLC 的 在 功能 和 擴(kuò)展 方面都有較大的方便 性和 靈活 性 ， I/O點(diǎn)數(shù)的多少、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、 I/O模塊的種類和塊數(shù)、特殊 I/O 模塊的使用等方面的選擇余地 很大相對(duì)于前者來說 ， 不僅 I/O 模塊維修時(shí) 需要 換模塊、 而且發(fā)生故障時(shí)找發(fā)生故障的地方也很快 。因此，對(duì)于較 很雜、使用要求很高的工業(yè)場(chǎng)所我們選用 模塊式 PLC。 3. 是否滿足響應(yīng)時(shí)間的要求 由于現(xiàn)代 PLC 有足夠高的速度處理大量的 I/O 數(shù)據(jù)和解算梯形圖邏輯，因此對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來說， PLC的響應(yīng)時(shí)間并不是主要的問題。然而，對(duì)于某些個(gè)別的場(chǎng)合，則要求考慮 PLC的響應(yīng)時(shí)間。為了減少 PLC的 I/O響應(yīng)延遲時(shí)間，可以選用掃 描速度高的 PLC，使用高速 I/O 處理這一類功能指令，或選用快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊。 4. 對(duì)聯(lián)網(wǎng)通信功能的要求 近年來，隨著工廠自動(dòng)化的迅速發(fā)展，企業(yè)內(nèi)小到一塊溫度控制儀表的 RS-485 串行通信、大到一套制造系統(tǒng)的以太網(wǎng)管理層的通信，應(yīng)該說一般的電氣控制產(chǎn)品都有了通信功能。 PLC作為工廠自動(dòng)化的主要控制器件，大多數(shù)產(chǎn)品都具有通信聯(lián)網(wǎng)能力。選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)需要選擇通信方式。 5. 其他特殊要求 考慮被控對(duì)象對(duì)于模擬量的閉環(huán)控制、高速計(jì)數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制和人機(jī)界面（ HMI）等方面的特殊要求，可以選用有相應(yīng)特殊 I/O 模塊的 PLC。對(duì)可靠性要求極高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余控制系統(tǒng)或熱備份系統(tǒng)。 在本定量給料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用西門子 S7-200的 PLC。 3.2.2 西門子 PLC的組成 PLC 是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)，在設(shè)計(jì)理念上，是計(jì)算機(jī) 控制 技術(shù)與繼電 -接觸器控制電路相結(jié)合的產(chǎn)物，因而它與工業(yè)控制對(duì)象有非常強(qiáng)的接口能力。 10。 PLC的基本組成部件如圖 3.1所示。 定量給料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 圖 3.1 PLC的基本部件 1. 中央處理單元 CPU 西門子 系列 PLC 主要由三個(gè)系列，其中 S7-200 適合 控制系 統(tǒng)相對(duì)較小的場(chǎng)合 使用，網(wǎng)絡(luò)功能較弱。而 S7-300 和 S7-400 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本一致，功能均很強(qiáng)大，而 S7-200 系列的 PLC 性價(jià)比較高 ，已能基本滿足本定量控制器的需求 ，所以本系統(tǒng)選用 S7-200 系列的 PLC。 西門子公司的 S7-200 的 PLC 基本 可以滿足 豐富多樣的一體化 控制的需求。由于具有非常優(yōu)良 的設(shè)計(jì)、 幾乎完美的 擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格還有 很多指令集 系統(tǒng)，這些都讓 S7-200可以 幾乎滿足 的幾乎所有的小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的 CPU類型和電壓等級(jí)使其在解決用戶的工業(yè)自動(dòng)化問題時(shí)，有很強(qiáng)的 適應(yīng)性和可選擇性 11。 西門子 S7-200系 系列 PLC發(fā) 展 至今，經(jīng)歷了 兩 代 ： 第一代產(chǎn) 品的 CPU模塊 為 CPU21X， 主機(jī) 都可進(jìn)行擴(kuò)展，它其有 四種結(jié)構(gòu) 不同配置的CPU單元，即 CPU212、 CPU214、 CPU215和 CPU216。 第二代產(chǎn)品的 CPU模塊為 CPU22X，是在 2l世紀(jì)初投放市場(chǎng)的 。 其 速度抉， 具 有極強(qiáng)的通訊能力。其 結(jié) 構(gòu)配置如表 3-1所示 。 表 3-1 S7-200系列 CPU特性 特性 CPU221