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編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題目： 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923153 學(xué)生姓名： 盛陽陽 指導(dǎo)教師： 黃敏 （職稱：副教授 ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 定量給料機控制系統(tǒng) 設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的成果，其內(nèi)容除 了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢 業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 93 學(xué) 號： 0923153 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，導(dǎo)致了定量給料機的需求量日益增大。定量 給料設(shè)備已廣泛應(yīng)用于冶金、建材、電力、化工、食品等各種行業(yè)中。比如 藥物的生產(chǎn)，機械澆鑄生產(chǎn)。定量給料機是對散狀物料進行連續(xù)稱量給料的 理想設(shè)備，是集輸送、稱重計量和定量控制為一體的高科技產(chǎn)品，是根據(jù)我 國現(xiàn)有工藝工況改進后的新一代產(chǎn)品，它以技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠、性價比高、 經(jīng)久耐用而著稱。能適應(yīng)各種生產(chǎn)環(huán)境，對各種塊、粒狀物料（如石灰石、 鐵粉、粘土）和粉狀物料（如粉煤灰、水泥）等進行連續(xù)給料、計量，為各 種工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)控制、管理提供準(zhǔn)確的計量數(shù)據(jù)。配有 RS485 上位機通訊 接口，可與中央控制機組成 DCS 系統(tǒng)。定量給料機的出現(xiàn)解放了人工勞動 力，使給料更加智能化，更加精確。促進了工業(yè)的發(fā)展。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： II ① 了解定量給料機的的工作原理，了解控制系統(tǒng)的國內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； ② 完成 定量給料機的總體方案設(shè)計； ③ 完成 系統(tǒng)的硬件選型、接口線路設(shè)計； ④ 完成 控制軟件設(shè)計； ⑤ 完成設(shè)計說明書的撰寫，并翻譯外文資料 1 篇。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機械 93 班 姓名 盛陽陽 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 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)作為一項實用型的技術(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)境下定量給料機的需求量日益 增大。本系統(tǒng)采用電磁閥和流量計給料機作為定量給料設(shè)備，給料機采用控制流量來達(dá) 到定量給料的目的。定量給料系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)是機電一體化發(fā)展的必然結(jié)果。 本論文針對定量給料機的特點，并 PLC 控制技術(shù)，對定量給料系統(tǒng)進行的研究，其 主要內(nèi)容如下： 1、了解定量給料機控制系統(tǒng)的工作原理； 2、掌握 PLC 的硬件構(gòu)成，工作原理，完成對 PLC 的選型； 3、設(shè)計定量給料機的控制系統(tǒng)； 4、用 STEP7 完成對控制系統(tǒng)的編程。 關(guān)鍵詞：給料；定量；PLC；控制系統(tǒng)。 IV 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. V 目 錄 摘 要 .III ABSTRACT IV 目 錄 .V 1 緒 論 .1 1.1 課題背景 .1 1.2 定量給料機國內(nèi)外發(fā)展情況 .1 1.2.1 給料系統(tǒng)的分類 1 1.2.2 計算機控制系統(tǒng) 2 1.2.3 自動給料系統(tǒng)特點 3 1.3 課題意義 .3 1.4 課題主要內(nèi)容 .3 2 定量給料機的總體方案 .5 2.1 給料部分總體方案、基本原理 .5 2.2 完成給料的運動分析 .7 2.3 定量給料機的總體設(shè)計 .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 簡介 10 3.2.1 西門子 PLC 簡單介紹 .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) .14 4 控制系統(tǒng)的設(shè)計 .15 4.1 控制系統(tǒng)元件的選擇 .15 4.2 繪制電氣原理圖 .19 4.3 控制程序的設(shè)計 .20 4.3.1 I/O 分配表 .20 4.3.2 接線圖 21 4.4 本章小結(jié) .22 5 控制系統(tǒng)的編寫 .23 5.1 STEP7 的介紹 23 5.2 系統(tǒng)程序流程圖 .23 5.3 梯形圖的繪制 .24 5.4 本章小結(jié) .30 6 總結(jié) .31 6.1 全文總結(jié) .31 VI 6.2 需要提高、改善的方面 .31 致 謝 .32 參考文獻 .33 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 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)致了定量給料機的需求量日益增大。定量給料系統(tǒng)的 單片機控制系統(tǒng)是機電一體化發(fā)展的必然結(jié)果。現(xiàn)今以應(yīng)用工業(yè)計算機、PLC 的自動配 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 。 [1][2]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，自動化程度低， 而且許多地方都需要人來手動完成，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)的不斷進步，更是對應(yīng)用于過程生產(chǎn)中的各種自動化控制系統(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€生產(chǎn)過 程有非常大的影響，因此實現(xiàn)高精度自動配料對工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)有極為重要的意義。另外 對于一些現(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)之初的自動化水平低 或者設(shè)備已經(jīng)老化陳舊，造成對資源的浪費，環(huán)境的污染，同時也加大了工人的勞動強 度。因此對一些落后的中小企業(yè)的自動化改造也是急需解決的問題。 當(dāng)現(xiàn)代社會工業(yè)控制現(xiàn)場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。此定量給料系統(tǒng)是以提 高系統(tǒng)的使用廣泛性、低維護成本、投入低、可操作性相對較強的這些原則來進行設(shè)計 和實現(xiàn)，到最后實現(xiàn)一個低成本，易于維護的定量給料系統(tǒng)。 1.2 定量給料機國內(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]。 以下的篇幅對幾種常用的給料系統(tǒng)做簡單的介紹。 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 小的場合使，比如說小型的企業(yè)、或者實驗室。這種系統(tǒng)自動化程度不高，對機械的要 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 難以實現(xiàn)大批次的生產(chǎn)。生產(chǎn)初期投資較少，但是后續(xù)會出現(xiàn)很多問題。 2. 連續(xù)式給料系統(tǒng) 連續(xù)式給料系統(tǒng)運作方式是用連續(xù)式給料器給下面的機械設(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，自動給料器等。這種給料機常見的 的工藝是使用幾臺連續(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 這種機械方面較復(fù)雜，有較高的自動化，精度比較高，操作比較方面，對人力的需 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，對精度要求比較高的實驗設(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)的運作原理是對下面的機械按照單位時間內(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)通過測試這些來計算出 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 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)品機械 。 這樣的系統(tǒng)設(shè)備相對不復(fù)雜，有比較簡單的操作，需要較少的設(shè)備，投資量不大， 適合連續(xù)運行。但是此系統(tǒng)要求物料的堆積密度相對穩(wěn)定，對機器的調(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)量傳感器測量單位時間（毫秒級）內(nèi)失重式給料器中物料 減少的重量來計算出加料器每小時的產(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)量對下游設(shè)備給料。 此類系統(tǒng)的特點是可以實現(xiàn)精密計量，精度可控制在 0.5%以內(nèi)，可實現(xiàn)復(fù)雜的配方 管理，控制系統(tǒng)先進，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 計算機控制系統(tǒng) 現(xiàn)代社會科學(xué)發(fā)展飛速，計算機控制在現(xiàn)代社會中得到了廣泛的運用 [5]。計算機控制 系統(tǒng)是使用計算機控制來實現(xiàn)自動化的，這是一種計算機硬件，軟件技術(shù)與自動控制技 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)控制的計算機可分為 幾類，可編程控制器、基于PC總線的工業(yè)控制計算機、基于測控單片機、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)場總線控制系統(tǒng)(FCS)等?？删幊炭刂?器(PLC )是應(yīng)用面最廣、有足夠大強的功能、有較強融合性的工業(yè)裝置，它已經(jīng)化身現(xiàn)代 的工農(nóng)業(yè)的自動化重要的一員。 可編程序控制器（PLC ）都有一個編程口。就拿日本進口的三菱 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 有不一樣的型號又分為 8 針 座型編程口和 25 針座型。對 25 針口來說，可直接將 SC—08 編程電纜將 PLC 的編程口 和電腦的 RS—232 口一起捆綁起來 ；對于后者，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 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 3 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，是浪費了 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 計算機對 PLC 進行管理，并且監(jiān)控 PLC 的工作狀態(tài) [6]。 1.2.3 自動給料系統(tǒng)特點 自動給料系統(tǒng)是指自動連續(xù)給料系統(tǒng)。以下簡稱為自動給料系統(tǒng)。物料為粉狀、顆 粒狀固態(tài)物料。 自動給料系統(tǒng)具有幾個符合現(xiàn)代化大生產(chǎn)要求的特點： 1）重量傳感部分原理先進，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)動部分可以達(dá)到很高的分辨率。 3）設(shè)備自動化程度高。此類系統(tǒng)用于自動化生產(chǎn)，一般具有 PLC 控制、連鎖系統(tǒng) 等控制系統(tǒng)以滿足自動化生產(chǎn)的要求。 4）系統(tǒng)加料精度高。由于采用了先進的加料器和先進的控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)可以達(dá) 到很高的精度。一般都能達(dá) 0.5-1%的精度。在實驗室等特殊的領(lǐng)域，應(yīng)用實驗級的加料 器，可以達(dá)到 0.1-0.5%的精度。穩(wěn)定度可以達(dá)到 2 個 SEGMA。 5）操作簡單。一般此類系統(tǒng)具有先進的監(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 簡單的操作。 6）可維護性強。由于采用先進控制系統(tǒng)，很容易實現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷，可以縮短排除 故障的時間。 7）功能強大。利用先進的監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(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，自動開停車管理，連鎖管理，遠(yuǎn)程診斷、檢測與控制。 8）投資結(jié)構(gòu)合理。一次性投資較高，由于自動化水平的提高，可以節(jié)省運營的人工 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。一個完整的自動給料系統(tǒng)牽扯的領(lǐng)域很廣，有機電一體化設(shè)備，自 動化控制設(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、自動化程度對其有著重要的現(xiàn)實意 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 來進行控制，并且通過自行設(shè)計控制系統(tǒng)，使用軟件仿真在所設(shè) 記系統(tǒng)中實際機械部分的運作方式，從而來判斷系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)開發(fā)成本低、實 時性好、操作簡便、通用性強，實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、流量控制器器為硬件基礎(chǔ)的 定量給料系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了流體物料的定量給料控制，具有顯示累計流量、運行參數(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。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 4 本論文內(nèi)容包括以下幾個方面： 1. 對所設(shè)計的給料機機械部分進行闡述，說明其原理； 2. 分析實現(xiàn)其功能時應(yīng)有的動作； 3. 對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PLC的梯形圖程序，給出控制流程圖。 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 5 2 定量給料機的總體方案 2.1 給料部分總體方案、基本原理 本定量給料機主要運用于自動定量給料機的機械主體（機械臂） ，主要運用于固體小 顆粒的加料過程，可運用于自動化生產(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)一般是利用給料機配合物料計量裝置構(gòu)成的，在生活中有很多種類的 給料機，包括帶式的、振動型的、氣力式的輸送裝置等等， 。例如，以 SU—6PLC 為主控 機，這是一個全自動配料控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)擁有各式各樣的智能型外設(shè)，可以同時測 量、控制、管理。重量信號直接通過稱重傳感器發(fā)送出來，然后機械部分再進行配料， 然后進行混合，這樣就實現(xiàn)了人機交互。在這樣的條件下，其實還可以改進定量給料的 精度，可以改進所使用的重量傳感器、電流信號放大器、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，當(dāng)有物體通過 時，會有微波信號形成一種反射，主機會根據(jù)反射微波信號的變化量，經(jīng)過計算得出被 實測物體的實際流量。 整個實驗平臺有以下幾個部分構(gòu)成：固體流量計、給料機、PLC 及控制箱。系統(tǒng)工 作原理是這樣的：作為控制對象的機械手臂給料機進行給料。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，流出物體的密度基本保持 不變。經(jīng)過運算，PLC 產(chǎn)生合適的控制信號，開關(guān)電磁閥。從而完成物料的定量給料。 主軸運轉(zhuǎn)遇到限位開關(guān)，進行正反轉(zhuǎn)，從而完成循環(huán)，整個系統(tǒng)如圖 2.1 所示。 圖 2.1 物料循環(huán)和流量控制 2.1.2 機械部分簡介 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 6 機械部分主要有幾個部分構(gòu)成： 1. 主軸部分：主要負(fù)責(zé)送料機能圍繞主軸進行轉(zhuǎn)動。 2. 機械臂部分：主要負(fù)責(zé)送料器能夠上下進行運動。 3. 送料器：負(fù)責(zé)控制料體的量，然后完成送料。 機械部分簡圖（如圖 2.2）所示。 圖 2.2 機械部分示意圖 1. 主軸傳動電機， 2. 旋轉(zhuǎn)主軸， 3. 料筒， 4. 機械臂， 5. 手臂傳動電機， 6. 電磁閥、流量計， 7. 料斗。 相比于以往人工送料自動定量給料機有許多特點： 1. 本機器可以單動亦可以與其他配套機器連線成全自動生產(chǎn)； 2. 湯量調(diào)整方便，精準(zhǔn)，簡單； 3. 送料精準(zhǔn)，動作快，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，動作穩(wěn)定。 2.1.3 定量給料機定量給料的步驟 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 7 此定量給料機是通過兩個電機控制手臂繞著主軸旋轉(zhuǎn)，手臂上下走動，再通過流量 控制器來控制流量，計算出所有的流量，從而來實現(xiàn)定量給料的過程。 1. 取料：送料器就在此時的位置，手臂向下運動，讓料進入料筒，進行取料，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)，主軸電機開始工作，開始轉(zhuǎn)動，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，電磁閥關(guān)閉，定量給料完成。 4. 反復(fù)運動：當(dāng)完成一次定量給料任務(wù)之后，主軸電機再次反轉(zhuǎn)動作，回到起始的 位置，然后開始再次的給料過程。 2.2 完成給料的運動分析 由于需要給料的部分在整個給料過程中是固定不動的，為了完成定量給料任務(wù)，定 量給料機的各部分均需完成各自的相對獨立的功能。由于各個部分運動相對獨立，所以 需要對各個部分進行控制，以使各機構(gòu)在時間和空間上能夠協(xié)調(diào)工作，保證定量給料過 程的順利進行。 主軸傳動電機的作用是對讓機械手臂繞著主軸進行轉(zhuǎn)動，以使得機械手臂和料斗能 夠先到取料點下去取料，再把料斗里面的料運送到指定的地點。繞中心軸旋轉(zhuǎn)運動通過 電動機來實現(xiàn)。 機械手臂傳動電機的作用是負(fù)責(zé)料斗在取料以及送料過程中上下的運動。它的運動 主要包括在取料時讓料斗向下運動，在給料時先抬起料斗，然后主軸電機動作把手臂和 料斗運送到給料位置，在定量給料時向下的運動。手臂的上下運動通過手臂傳動電機的 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。 2.3 定量給料機的總體設(shè)計 1. 機械部分設(shè)計 機械系統(tǒng)主要由主軸、可轉(zhuǎn)動手臂、定量給料系統(tǒng)等構(gòu)成。主軸主要負(fù)責(zé)的是讓手 臂繞著主軸進行轉(zhuǎn)動，進行送料和取料?？赊D(zhuǎn)動手臂主要負(fù)責(zé)的是在主軸限位開關(guān)時， 先轉(zhuǎn)動下去取料，達(dá)到手臂限位下開關(guān)時，抬起料斗。 2. 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 驅(qū)動系統(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)計中，主軸的旋轉(zhuǎn)，機械手臂的上下運動是由電氣驅(qū)動的驅(qū)動方式。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)，到給料的量一定時電磁閥關(guān)閉。 3. 控制系統(tǒng)設(shè)計 控制系統(tǒng)主要通過可編程控制器PLC來控制實現(xiàn)。PLC是一種工業(yè)控制用的專用計算 機。它可以按照邏輯條件和一定的時序、順序產(chǎn)生控制動作，并能夠?qū)碜袁F(xiàn)場的大量 開關(guān)量、脈沖、計時、計數(shù)以及模擬量的越限報警等數(shù)字信號進行監(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；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)，敘述了定量給料機設(shè)計的總體方案。進行了機械 部分的簡介，驅(qū)動部分是由主軸電機和手臂傳動電機所提供的，控制部分采用的則是 PLC。 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 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)和計算機技術(shù)相結(jié)合 的控制裝置。在 1987 年國際電工委員會頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下定義： PLC 是一種專門的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計 數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，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)形成一個整體， 易于擴展其功能的原則而設(shè)計 [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)，因為它具有很多適合于 工業(yè)控制的特點。 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： 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，并且對芯片采取了抗老化測試，利用先進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)計方面上，采取掉電保護、故障診斷和信息保護和恢復(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。使用簡單和方便的指令集，使用軟件 對外界進行濾波，斬波。對系統(tǒng)自身進行軟件自我診斷、自我恢復(fù)等其他措施。 2. 操作簡單、可操作性強 PLC 采取了很多可以提高可靠性的措施的設(shè)計： 1） 易于組態(tài)。與繼電器系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)相比較，PLC 使用特定的組態(tài)工具對 PLC 系統(tǒng)的硬件和軟件進行優(yōu)化，進行更好的設(shè)定。這其中最簡單和最直白的梯形圖語言和 語句表語言，這種語言清晰簡練，方便自己的理解。 2）方便維護。繼電器部分維護起來相對較為困難，這一個重要的原因促使 PLC 迅速 產(chǎn)生。PLC 可以自己進行診斷，具有遇到故障自己解決功能，有一些時間可以記錄起來， 當(dāng)系統(tǒng)生故障時，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 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，還可以 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 10 用高級語言（如 C 語言）開發(fā)特殊的應(yīng)用?？梢酝ㄟ^通訊與其他系統(tǒng)連接成一個整體， 這些都極大的提高了系統(tǒng)的靈活性。 3.2 西門子PLC簡介 3.2.1 西門子 PLC 簡單介紹 PLC 機型的選擇應(yīng)是在滿足控制要求的前提下，保證可靠、維護使用方便以及最佳 的性能價格比。具體應(yīng)考慮以下幾方面： 1. 性能與任務(wù)相適應(yīng) 對于小型單臺、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 點的價格相對比較的便宜，所以人們相對來說比較喜歡使 用整體式 PLC 在較小型的工業(yè)控制系統(tǒng)里面。但是 PLC 的在功能和擴展方面都有較大的 方便性和靈活性，I/O 點數(shù)的多少、輸入點數(shù)與輸出點數(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于前者來說，不僅 I/O 模塊維修時需要換 模塊、而且發(fā)生故障時找發(fā)生故障的地方也很快。因此，對于較很雜、使用要求很高的 工業(yè)場所我們選用模塊式 PLC。 3. 是否滿足響應(yīng)時間的要求 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，因此對于大多數(shù)應(yīng)用場合來說，PLC 的響應(yīng)時間并不是主要的問題。然 而，對于某些個別的場合，則要求考慮 PLC 的響應(yīng)時間。為了減少 PLC 的 I/O 響應(yīng)延遲 時間，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. 對聯(lián)網(wǎng)通信功能的要求 近年來，隨著工廠自動化的迅速發(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 考慮被控對象對于模擬量的閉環(huán)控制、高速計數(shù)、運動控制和人機 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)。 在本定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計中采用西門子 S7-200 的 PLC。 3.2.2 西門子 PLC 的組成 PLC 是一種工業(yè)控制用的專用計算機，在設(shè)計理念上，是計算機控制技術(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)控制對象有非常強的接口能力。 [10]。PLC 的 基本組成部件如圖 3.1 所示。 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 11 圖 3.1 PLC 的基本部件 1. 中央處理單元 CPU 西門子系列 PLC 主要由三個系列，其中 S7-200 適合控制系統(tǒng)相對較小的場合使用， 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，功能均很強大，而 S7-200 系列的 PLC 性價比較高，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、幾乎完美的擴展性、低廉的價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 使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，有很強的適應(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CPU21 X，主機都可進行擴展，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CPU22 X，是在2l世紀(jì)初投放市場的。其速度抉，具有極強 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 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM 程序存儲區(qū) 2048字 2048字 4096字 4096字 8192字 數(shù)據(jù)存儲區(qū) 1024字 1024字 2560字 2560字 5120字 本機I/O 6入/4出 8入/6出 14入/10出 24入/16出 24入/16出 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 12 續(xù)表3-1 特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM 擴展模塊數(shù) 量 0 2 7 7 7 通訊口 1RS-485 1RS-485 1RS-485 2RS-485 2RS-485 S7-200 CPU22X 系列的 PLC 是 S7-200 CPU21X 系統(tǒng)的進化產(chǎn)品，由于它具有多種功 能模塊和人機界面可以提供方便選擇，因此很容易組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)。 PLC 實質(zhì)上就是一臺專業(yè)的工業(yè)控制計算機，通常一個主機模塊都要安裝一個或者 多個 CPU，那其中必定要有一個主 CPU，其余的為輔助 CPU，它們協(xié)同工作，大大的提 高了整體系統(tǒng)的速度和功能，縮短了程序的執(zhí)行時間。 S7-200 是一個系列，其中包括多種型號的 CPU，以適應(yīng)不同需求的控制場合。 近幾年在西門子公司生產(chǎn)了 S7-200 CPU22X 的很多代 PLC 設(shè)備有： CPU221、CPU222、CPU224 、CPU226、還有 CPU226XM 模塊。S7-200 CPU22X 系列產(chǎn) 品有很強大的指令集、運行速度相對令人滿意、通信能力相對令人滿意。比如說， CPU226 模塊的 I/O 模塊的總數(shù)為 40 點，這里面有 24 個輸入點，輸出點 16 點；在用戶 程序存儲量這方面來說，容量也達(dá)到了 8KB；具有 PID 控制器功能；有 2 個 RS-485 通信 口；具有 PPI、MPI ；運行速度相對令人滿意、通信能力相對令人滿意，適用于要求較高 的中小型工業(yè)控制現(xiàn)場。 S7-200 PLC 任一型號的主機，都可以單獨構(gòu)成基本配置，作為一個獨立的控制系統(tǒng)， S7-200 CPU22X 系列產(chǎn)品的基本配置如下圖所示。 S7-200 PLC 各型號主機的 I/O 配置都 是固定的，他們具有固定的 I/O 地址 [12] 。S7-200 CPU22X 系列產(chǎn)品的 I/O 配置及地址分 配如下表 3-2 所示。 表 3-2 S7 系列 I/O 配置 項目 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 本機數(shù)字量輸入 地址分配 6 輸入 I0.0-I0.5 8 輸入 I0.0-I0.8 14 輸入 I0.0-I0.7 I1.0-I1.5 24 輸入 I0.0-I0.7 I1.0-I1.7 I2.0-I2.7 本機數(shù)字量輸出 地址分配 4 輸出 Q0.0-Q0.3 6 輸出 Q0.0-Q0.5 10 輸出 Q0.0-Q0.7 Q1.0-Q1.1 16 輸出 Q0.0-Q0.7 Q1.0-Q1.7 本機模擬量 輸入 /輸出 無 無 無 無 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 13 擴展模塊數(shù)量 無 2 個模塊 7 個模塊 7 個模塊 在整個控制過程中，需要用到控制電機啟停，緊急停止等7個開關(guān)量輸入，5個控制 電機啟停的接觸器。目前PLC從被控對象的I/O點數(shù)考慮，采用SIEMENS公司的S7-200系 列PLC?？紤]到以后的擴展要求，主機選用CPU224型號PLC，該型號具有14輸入/10輸出， 滿足系統(tǒng)的開關(guān)量輸入輸出點個數(shù)。 2. 存儲器 PLC 的存儲器分為系絨程序和用戶程序兩種存儲器。 1）系統(tǒng)程序存儲器：系統(tǒng)程序存儲器用于放置 PLC 原來內(nèi)置的出廠時的系統(tǒng)程序， 系統(tǒng)程序在 PLC 被制造出來的時候已經(jīng)放置在 PROM 和 EPROM 里面。這一部分的存儲 是相對被保護起來的不能被外界所看見，用戶不能修改其中內(nèi)人，相當(dāng)于只讀。PLC 的 大部分操作都是在系統(tǒng)程序的作用下來完成的。 2）用戶程序存儲器：用戶程序存儲器可以分成程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)。程序存儲區(qū)用來 放置用戶編寫的 PLC 語言，數(shù)據(jù)存儲區(qū)放置的是 PLC 語言在運行過程里面所涉及到的或 者是運行期間所產(chǎn)生的一些數(shù)據(jù)，包括出入/輸出的過程印象、時間計時器、時間定時器 的預(yù)設(shè)值和當(dāng)前值等。 3. 電源單元 電源單元將外界提供的電源轉(zhuǎn)換成 PLC 的工作電源之后，提供給 PLC。有些電源單 元也可以作為負(fù)載電源，通過 PLC 的 I/O 接口向負(fù)載提供直流 24V 電源。PLC 的電源一 般采用開關(guān)電源，出入電源范圍寬，有很強的的能力不受外界干擾。電源部分有很完美 的隔離，使得電源的輸入和輸出里面不會產(chǎn)生互相的干擾，可以正常工作，以保證外面 的干擾不能影響到 PLC 的運行。 4. 輸入/輸出單元 在 PLC 控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，要將對象的各種測量參數(shù)，按要 求的方式送入 PLC。PLC 經(jīng)過運算、處理后，再將結(jié)果輸出一個數(shù)字值，此時也要把這 個值轉(zhuǎn)換成比較合適的對生產(chǎn)過程進行控制的量。所以。在 PLC 和工業(yè)現(xiàn)場中間，必定 要建立信息互通。這樣的設(shè)備就是輸入/輸出模塊。對 PLC 來講，信號形式可分為四類， 數(shù)字量的輸入和輸出信號、模擬量的輸入和輸出信號。 一般使用的量程是-10V～+10V 、0～+10V、4～20mA 等，可以參考工業(yè)現(xiàn)場的需求。 。 5. 接口單元 接口單元包括擴展接口、通信接口、編程接口和存儲器接口等。PLC 的 I/O 單元也屬 于接口單元的范疇，它完成 PLC 與工業(yè)現(xiàn)場之間電信號的來往聯(lián)系。除此之外，PLC 與 其他的外界設(shè)備和信號的聯(lián)系都需要相應(yīng)的接口單元。有以下集中接口：I/O 擴展接口、 通信接口、編程器接口、存儲器接口、其他外部設(shè)備接口。 目前，選擇一個相對來說比較合適的PLC的流程如下所示： 第一步要對要實現(xiàn)的內(nèi)容進行仔細(xì)的考慮分析，尋找出全部的I/O點，包括開關(guān)量的 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 14 I/O點數(shù)和模擬量的，并且弄清楚以上I/O點的特性。它們的特性主要包括它們的信號是屬 于交流的還是直流的，其使用的電壓是多大的，其輸出是用的什么硬件，在了解了這些 之后我們可以選擇用多少點還有PLC的I/O是什么性質(zhì)。 然后來定下I/O的地址分配表，輸入輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進行 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。對于軟件的設(shè)計，在I/O地址分配表完成之后才能進行一系列 的編程設(shè)計；對于PLC 的接線圖來說，要確定了I/O 地址以后，才能完整地畫出電氣接線 圖。 最后根據(jù)控制要求繪制程序的流程圖，繪制用戶程序，裝入PLC的用戶程序存儲器， 并進行初步調(diào)試。 3.3 PLC的工作原理 一般情況下，PLC 重復(fù)執(zhí)行工作循環(huán)來完成任務(wù)。一個工作循環(huán)包括以下三個步驟： 輸入采樣，程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段 [13]。如圖 3.2 所示。 圖 3.2 PLC 工作流程圖 1. 輸入采樣階段 在這個階段里面，PLC 按照原有的方式一步一步載入所輸入的狀態(tài)與一些數(shù)據(jù)，在 同時把它們放在 I/O 映象寄存器中的所對應(yīng)的地方。在完成輸入之后，就進行用戶程序執(zhí) 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 15 行和輸出刷新這兩個階段。在用戶程序執(zhí)行和輸出刷新這兩個階段中，就算輸入的狀態(tài) 與一些數(shù)據(jù)產(chǎn)生了細(xì)微的改變，I/O 映象寄存器中所對應(yīng)的地方的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不隨之改 變。所以說，假若在輸入端給了一個脈沖信號，那么這個該脈沖信號時間長度比需要長 于一次掃面所用的時間，這樣才能保證在一切情之下，這次輸入是有效的。 2. 用戶程序執(zhí)行階段 在這個階段里面，PLC 處理起輸入的數(shù)據(jù)或者值起來總是按從上往下的順序地掃描 梯形圖。在每一次掃描過程里面，又是從左向右掃描個個邏輯電路，并且遵循先左后右、 先上后下邏輯順序整個梯形圖進行計算、載入，在通過計算的答案，更新該邏輯在 RAM 存儲區(qū)中所在位置的相應(yīng)狀態(tài)，或者更新該線圈在 I/O 映象寄存器里面所相應(yīng)的位置的狀 態(tài)信息。 3. 輸出刷新階段 當(dāng)前兩個階段結(jié)束以后，PLC 用戶就進入這個輸出狀態(tài)。在這段時間里面，CPU 根 據(jù) I/O 映象寄存器里面所相應(yīng)的用戶狀態(tài)和數(shù)據(jù)更新梯形圖里面所有邏輯電路的狀態(tài)，然 后給外部的開關(guān)和其他的硬件設(shè)備一個動作。這就是 PLC 輸出的意義。 3.4 本章小結(jié) 本章主要對 PLC 的發(fā)展歷史，各個部分，工作原理等進行了簡單的介紹，進行了 PLC 的 CPU 選型，對下面章節(jié)的控制系統(tǒng)設(shè)計做了鋪墊。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 16 4 控制系統(tǒng)的設(shè)計 4.1 控制系統(tǒng)元件的選擇 本定量給料機硬件有以下幾個部分構(gòu)成：電動機，流量器，電磁閥等等，定量給料 機主要通過這些硬件實現(xiàn)機械運動。 一、電動機的選擇 通過對定量給料機主軸轉(zhuǎn)動、手臂運動等采用電力驅(qū)動的方式。 電動機的選擇包括電動機的功率、種類、電壓、轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)形式選擇等。 1. 電動機功率的選擇 電動機的功率反映了它的負(fù)載能力，對電動機的選擇首先是對電動機功率的選擇。 如果選擇的電動機功率過小，則不能是機械設(shè)備在正常工作狀態(tài)下運行，無法完成相應(yīng) 的生產(chǎn)任務(wù)，即使電動機能夠勉強拖動機械設(shè)備運轉(zhuǎn)，由于電動機在過載條件下運行， 會造成電動機損壞或其他機械故障。如果選擇的電動機功率過大，則設(shè)備投資費用增加， 電動機運行效率下降 [14]。 電動機的功率選擇選擇應(yīng)根據(jù)以下原則進行： (1)允許溫升 保證電動機在運行時的實際最高溫度θ max不高于電動機絕緣材料所 允許的的最高溫度θ a，即 (4.1) MAX??? (2)過載能力 電動機熱慣性大,在短期內(nèi)承受高于額定功率的負(fù)載時所達(dá)到的溫度 不會高于電動機絕緣材料所允許的最高溫度,有一定的過載能力.但是電動機的最大轉(zhuǎn)矩 Tmax(對于異步電動機)或最大電流I max(對于直流電動機)必須大于運行過程中可能出現(xiàn)的最 大負(fù)載轉(zhuǎn)矩T Lmax和最大負(fù)載電流I Lmax,即 （對于異步電動機 ） (4.2) MAXNTmT??? （對于直流電動機） (4.3)LAXMIiI 式中：λ m、λi為電動機過載能力系數(shù)。 (3)啟動能力 為了保證電動機能夠可靠啟動,必須使 (4.4) LSTNst??? 式中：λ st為電動機啟動能力系數(shù)；T st為電動機的起動轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)負(fù)載圖按發(fā)熱理論進行計算來選擇電動機的方法，理論依據(jù)可靠，但計算過程 復(fù)雜。而且只是在一些假設(shè)的條件下得到的；此外，對于大多數(shù)的生產(chǎn)機械來說，找出 具有代表性的典型負(fù)載圖有困難，因此得到的結(jié)果差異往往較大。因而，在電動機的功 率選擇中常用：統(tǒng)計法和類比法。 統(tǒng)計法是比較實用的電動機功率選擇方法，它是對國內(nèi)外同類型設(shè)備所選用的電動 機的額定功率進行統(tǒng)計和分析，并結(jié)合我國的實際生產(chǎn)情況，從中找出電動機功率和設(shè) 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 17 備主要參數(shù)之間的的關(guān)系，并用數(shù)學(xué)公式加以表達(dá)，以此作為設(shè)計新設(shè)備時選擇電動機 功率的主要依據(jù)。 類比法是對經(jīng)過長期運行考驗的同類生產(chǎn)機械的電動機容量調(diào)查研究，并對其主要 參數(shù)和工作條件進行對比，從而確定新設(shè)計生產(chǎn)機械所需的電動機的容量。 2. 電動機類型的選擇 滿足生產(chǎn)機械對拖動系統(tǒng)啟動、調(diào)速、制動、正反轉(zhuǎn)、負(fù)載等要求，是電動機類型 選擇的基本原則。在此基礎(chǔ)上，對電動機的選擇要發(fā)揮機械與電氣技術(shù)的各自優(yōu)勢，力 求整個機電傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單方便、易于操作管理。 （1）對于不需要進行調(diào)速的、對啟動性能沒有很高要求的機械，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇一般 的異步電動機（如YL、JS 、Y系列等） 。如果需要很大的啟動轉(zhuǎn)矩，那么就可以選擇高啟 動轉(zhuǎn)矩式的異步電動機。 （2）對于要求頻繁使用的，且負(fù)載壓力較大，還有一定調(diào)速要求的生產(chǎn)機械，應(yīng)考 慮選用線繞式異步電動機（如YR、YZR系列等） 。 （3）對于需要幾種速度，而不要求無極調(diào)速的生產(chǎn)機械，可選用YD等系列多速異步 電動機。 （4）對于需要恒轉(zhuǎn)速運行的生產(chǎn)機械，且需要補償電網(wǎng)功率因素的場合，應(yīng)優(yōu)先考 慮選用TD 等系列的同步電動機。 （5）對于需要大范圍無極調(diào)速，且要求經(jīng)常啟動、制動、正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，則可 以選用帶調(diào)速裝置的直流電動機或鼠籠式異步電動機、同步電動機。 3. 電動機額定電壓的選擇 電動機額定電壓與供電電壓一致是電動機額定電壓選擇的基本原則，交流電動機額 定電壓應(yīng)與供電電網(wǎng)電壓一致。直流電動機的額定電壓也要與電源電壓相一致。 4. 額定轉(zhuǎn)速在電動機上的選用 對于額定功率相同的電動機，電動機尺寸小、質(zhì)量低、成本小的情況下，可以選擇 使用高速電動機較相對較為合適。但由于生產(chǎn)機械工作機構(gòu)所需轉(zhuǎn)速一定，所以，轉(zhuǎn)速 快，傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)速比越大，傳動機構(gòu)也越冗雜。為此，在確定額定轉(zhuǎn)速時應(yīng)全面綜合各 方面，然后分析做出選擇。 5. 電動機的結(jié)構(gòu)形式選擇 根據(jù)電動機安裝位置的不同，其結(jié)構(gòu)形式可分為臥式（軸是水平的）和立式（軸是 豎直的）等種類。根據(jù)電動機與工作機構(gòu)的連接方便和結(jié)構(gòu)緊湊為原則來選擇電動機的 結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)電動機工作所適應(yīng)的環(huán)境條件不同，電動機結(jié)構(gòu)還可以分為開啟式、防 護式、封閉式和防爆式四種。 依據(jù)以上的原則，本設(shè)計系統(tǒng)共需要2臺電動機。其中主軸電動機1臺，手臂旋轉(zhuǎn)電 動機1臺，一般情況下無法精確計算，因此我們采用類比法，通過參考其他汽車清洗機的 情況。本系統(tǒng)確定選用額定電壓為380V。主軸電機功率為 0.55KW，手臂電機功率為 0.55KW， ，本設(shè)計所選定電動機的額定轉(zhuǎn)速均為1500r/min。 二、電磁閥 電磁閥的工作原理是，電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔都通向 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 18 不同電磁閥的油管，腔中間是閥，對面有兩塊電磁鐵，只要有一面的敘安全得電就會有 磁性，然后閥體就會被吸引到那一邊，閥體一移動就能控制排油孔的開關(guān)，進而來實現(xiàn) 油的控制，如果進油孔打開，那么液壓油就會流出，就會使得油缸的活塞運動，活塞移 動帶起活塞桿運動，活塞桿是機械部分跟著運動。這樣用控制電磁鐵的方法同時控制了 閥門的開關(guān)。如圖4.1所示。 圖4.1 電磁閥 本定量給料機在定量給料這個環(huán)節(jié)中，需要電磁閥控制送料器給料的開始和停止， 因此選用 SLO3DFO2N1AV1型直動式電磁閥，其原理 是，通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力 把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上， 閥門關(guān)閉。 特點：在真空、負(fù)壓、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過25mm。 在定量給料過程中電磁閥主要負(fù)責(zé)的是控制料斗是否給料。在給料過程中，電磁閥 打開，開始給料，當(dāng)給料結(jié)束，電磁閥關(guān)閉，定量給料過程結(jié)束。 三、流量計 圖4.2 固體流量計 MF3000 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 19 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，當(dāng)有物體通過時，會有微波信號形成一種反射，主機會根據(jù)反射微波信號的變 化量，經(jīng)過計算得出被實測物體的實際流量。 介公司主要推出的微波固體流量計 MF3000具有世界上最先進的微波技術(shù)，適用于從 kg/h 到 t/h 寬范圍的金屬封閉管道內(nèi)固體流量測量，該系統(tǒng)用于氣力輸送或者自由落體的 粉末、粉塵、小球狀、粒狀等固體的流量的在線監(jiān)測。如圖4.2所示。 微波固體流量計 MF3000的測量原理基于多普勒效應(yīng)，其中傳感器在管道內(nèi)微波頻率 范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻的磁場，這些微波被流過管道的顆粒反射，對頻率和幅度變化的計算確 保固體流量的精確測定。 通過焊接，可將傳感器平齊的擰緊在管道內(nèi)，傳感器連接到 DIN 軌道安裝的變送器 上，4.20mA，RS232和 RS485的輸出信號，易于我們對流量的參考和校準(zhǔn)。 流量計在定量給料機上有著非常大的作用。在定量給料的過程中，需要流量給料機 對料的檢測，同時反饋出一個信號給控制系統(tǒng)，放置在 PLC 的累加器里，當(dāng)這個累加值 達(dá)到給定值時，PLC 就會控制電磁閥的通斷 [15]，流量計技術(shù)數(shù)據(jù)如下表4-1所示。 表4-1 MF3000技術(shù)數(shù)據(jù) 微波固體流量計 MF3000通過 RS485接口與 PLC 連接。如圖4.3所示。 接觸介質(zhì)的零部件 不銹鋼1.4307和 pa6.6 工藝連接 焊接法蘭 外殼材料 不銹鋼1.4307或 st52 防護等級 IP65 結(jié)構(gòu) DIN-軌道，22.5mm 輔助電源 24V AC/DC 功率損耗 最大2w 接口 RS232和 RS485 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 20 圖4.3 固體流量計與 PLC 的連接 4.2 繪制電氣原理圖 定量給料機的主電路共有兩臺電動機：M1 為主軸電動機， 帶動手臂繞著主軸作旋轉(zhuǎn) 運動；M2 為手臂控制電機，用來控制手臂的上下運動以方便取料。定量給料機 主軸的正 反轉(zhuǎn)是由電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，主軸電動機 M1 在交流接觸器 KM1 和 KM2 的通斷狀態(tài) 下來實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。主軸電動機 M1 的制動方法是反接制動 ，手臂控制電動機 M2 在交流接 觸器 KM1 和 KM2 的通斷狀態(tài)下來實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。 主電路的工作原理是先使得斷路器 QF 和空氣開關(guān)都閉合，通入電源。主軸電動機 M1 由交流 接觸器 KM1、KM2 控制，到達(dá)限位開關(guān) ，KM1 得電，主軸電動機 M1 正轉(zhuǎn)， KM2 得電，主軸電動機 M1 反轉(zhuǎn)；手臂控制電動機 M2 由接觸器 KM3、KM4 控制，到達(dá) 限位開關(guān)，接觸器 KM3 得電，主軸電動機 M2 正轉(zhuǎn)，接觸器 KM4 得電，主軸電動機 M2 反轉(zhuǎn)；。熱繼電器 FR1、FR2 作過載保護，熔斷器 FU 起著短路保護作用。主電路圖 如下圖 4.5 所示。 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 21 圖4.4 主電路圖 4.3 控制程序的設(shè)計 4.3.1 I/O 分配表 控制電路的輸入信號端有 7 個，輸出信號端有 5 個，具體 I/O 分配表如下表 4-2 所示。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位 22 表 4-2 I/O 分配表 輸入信號 輸出信號 啟動按鈕 SB I0.0 主軸電機正轉(zhuǎn)接觸 器 KM1 Q0.0 主軸電機停止按鈕 I0.1 主軸電機反轉(zhuǎn)接觸 器 KM2 Q0.1 前限位開關(guān) SQ1 I0.2 手臂控制電機正轉(zhuǎn) 接觸器 KM3 Q0.2 后限位開關(guān) SQ2 I0.3 手臂控制電機反轉(zhuǎn) 接觸器 KM4 Q0.3 手臂控制電機停止 按鈕 I0.4 電磁閥接通接觸器 KM5 Q0.4 上限位開關(guān) SQ3 I0.5 下限位開關(guān) SQ4 I0.6 4.3.2 接線圖 通過 I/O 分配表，畫出 I/O 接線圖，如圖 4.5 所示，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4 分別為四 個限位開關(guān)，SB1、SB2、SB5 分別為常閉的停止按鈕，KM1、KM2 線圈互鎖 KM3、 KM4 線圈互鎖。 定量給料機控制系統(tǒng)設(shè)計 23 圖 4.5 接線圖 4.4 本章小結(jié) 本章主要敘述了控制系統(tǒng)所要使用的控制元件，繪制了主電路的電氣原