畢業(yè)設計(論文)_基于單片機的輸液滴速控制系統(tǒng)設計

1、畢業(yè)設計（論文）說明書題目：基于單片機的輸液滴速控制系統(tǒng)設計系部自動控制工程系專 業(yè) 電氣自動化年級姓名指導教師2010年5月28日黑龍江信息技術職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文）任務書題目：基于單片機的輸液滴速控制系統(tǒng)設計學生姓名系部名稱 自動控制工程系專 業(yè) 電氣自動化學 號一指導教師職 稱 助教原始依據(jù)二、參考文獻1 齊占慶.機床電氣控制技術M. 北京：機械工業(yè)出版社1999年2 韓順杰,呂樹清.電氣控制技術M. 北京：北京大學出版社2006 年3 齊寧寧,丁國富.基于 PLC 的車床電氣控制系統(tǒng)設計M. 機電一體化,2006年三、設計（研究）內容和要求內容：1）、總體方案的確定；2）、單片機的選

2、擇；3）、各模塊電路的設 計；4）、軟件設計；5）、各模塊調試；6）、撰寫設計說明書。 要求：本課題是以單片機為核心，設計一個液體點滴速度監(jiān)測與控制裝 置，能檢測點滴速度，控制點滴速度，并能發(fā)出報警信號。系統(tǒng)采 用主站控制從站的有線監(jiān)控系統(tǒng)方式實現(xiàn)醫(yī)療輸液過程的群控。設 計的主要內容是完成群控系統(tǒng)控制裝置的軟、硬件設計及調試。指導教師（簽字）年 月 日 審題小組組長（簽字）畢業(yè)設計（論文）開題報告課題名稱基于單片機的輸液滴速控制系統(tǒng)設計院系名稱黑龍江信息技術職業(yè)學院專業(yè)名稱電氣自動化學生姓名指導教師研究背景：隨著電子技術的發(fā)展，我們在生活中的各方面大部分都采用了人 工智能代替人，特別在一些工業(yè)

3、應用場合。應用技術的飛速發(fā)展，使 得單片機應用系統(tǒng)已經逐漸成熟， 應用也越來越廣泛，目前，單片機 已經成為IP庫中的重要成員。單片機輸液點滴速度控制的發(fā)展在今和未來將成為醫(yī)療設施發(fā) 展的趨勢，畢竟，單片機憑著優(yōu)越的性價比，與以往的點滴滴速控制 系統(tǒng)相比，其單片機價格便宜，操作易于實現(xiàn)，而且對滴速的控制要 求精度也較高。再者，單片機操作多機控制系統(tǒng)，還可減輕工作人員 的壓力，提高醫(yī)護人員的工作效率。在人為控制下有時候如不小心將 會為安全設施帶來很大的麻煩，而且人工控制滴速精度也很難掌握， 而使用單片機設計只要在設計時考慮周到，運行起來就不會帶來這種 問題了，因此，單片機滴速控制系統(tǒng)將在醫(yī)療中得到

4、廣泛應用。醫(yī)療 事業(yè)的發(fā)展是順應科學技術而發(fā)展的，醫(yī)療的安全問題更離不開科 學，把高科技應用到醫(yī)療事業(yè)中來是對醫(yī)療事業(yè)的一大促進與補充。 國內外發(fā)展狀況：隨著現(xiàn)代信息和電子技術應用領域的不斷拓寬，越來越多的應用 領域提出了各種特殊要求。例如，航空航天領域要求的小體積大系統(tǒng), 信息應用領域提出的個性化等要求，都使得一般固件技術難以勝任。 特別是在民用領域，重視個性化的產品設計概念使應用電子產品的更 新速度極快，而且小批量多品種的要求也越來越高。這就是提出了小批量產品與成本、集成化與成本、產品研制周期與成 本等一系列的問題。也將是單片機在醫(yī)療設施中展的必然趨勢。參考文獻1廖常初主編.可編程序控制器

5、應用技術.重慶：重慶大學出版社，20052陳遠齡主編.機床與電氣自動控制.重慶：重慶大學出版社，20063曹承志主編.電機、拖動與控制.北京:機械工業(yè)出版社,20014唐介主編.電機拖動與控制基礎.北京：高等教育出版社,20025張勇主編.電機拖動與控制.北京:機械工業(yè)出版社，2001選題是否合適：是口否口課題能否實現(xiàn)： 能口不能口指導教師（簽字）年 月 日選題是否合適:是口否口課題能否實現(xiàn)： 能口不能口摘要近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不

6、夠的，還應根據(jù)具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，以作完善。本系統(tǒng)以Atmel89C52單片機為核心，輔以步進電機驅動、鍵盤、LCD 顯示、 LED 顯示、光電傳感器數(shù)據(jù)采集等外圍電路組成，實現(xiàn)了一個主站控制多個從站的有線液體點滴速度監(jiān)控系統(tǒng)。電機控制使用了模糊控制的控制算法，可以有效的減小超調量和靜態(tài)誤差，縮短調節(jié)時間。主站使用LCD顯示，用戶界面友好。關鍵字：單片機；驅動；鍵盤；光電傳感器第一章引言 11.1 C650型臥式車床簡介 11.2 PLC在電氣控制系統(tǒng)中的應用 21.3 C650型臥式機床發(fā)展趨勢 3第二章系統(tǒng)總設計 52.1 PLC控制系統(tǒng)的設計基本內容 52.

7、2 PLC控制系統(tǒng)設計原則與步驟5控制系統(tǒng)設計的原則52.3 PLC控制系統(tǒng)設計與調試步驟5第三章系統(tǒng)硬件設計 73.1 主要電氣元件的選擇73.2 電動機的選擇73.3 交流接觸器和中間繼電器的選擇 83.4 保護電器的選擇83.5 控制電器的選擇 93.6 C650臥式車床的主要結構和運動形式 93.7 C650臥式車床控制原理電路圖概述及原理分析 103.8 PLC的選擇 113.9 I/O 地址的分配及接線圖 13第四章 系統(tǒng)軟件設計 144.1 PLC的系統(tǒng)結構和基本工作原理 14的系統(tǒng)結構 14的基本工作原理 144.2 PLC編程語言 144.3 PLC的基本功能和基本指令 15

8、的基本功能 1 51 64.4 控制系統(tǒng)的梯形圖程序設計 17第五章系統(tǒng)調試 205.1 硬件檢查 205.2 系統(tǒng)綜合調試20附錄I 21附錄II控制電路原理 28附錄III PLC 控制系統(tǒng)I/O 分配表第六章 29附錄IV PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖參考文 21附錄V PLC控制程序清單 22結束語 27參考文獻 24致謝 29第一章引言1.1C650型臥式車床簡介C650普通車床屬于中型車床，用于切削工件外圓、內孔和端面等。該車床 由主軸運動和刀具進給運動完成切削加工。主軸由三相異步電動機拖動，主軸通過卡盤帶動工件的旋轉運動；進給運動，溜板帶動刀架的縱向和橫向直線運動， 其中縱向運動是

9、指相對操作者向左或向右的運動， 橫向運動是指相對于操作者向 前或向后的運動；輔助運動，包括刀架的快速移動、工件的夾緊與松開等。工作 過程如下：1 .正常加工時一般不需反轉，但加工螺紋時需反轉退刀，且工件旋轉速度 與刀具的進給速度要保持嚴格的比例關系， 為此主軸的轉動和溜板箱的移動由同 一臺電動機拖動。主電動機 M1 （功率為20kW）,采用直接起動的方式，可正 反兩個方向旋轉，為加工調整方便，還具有點動功能。由于加工的工件比較大， 加工時其轉動慣量也比較大，需停車時不易立即停止轉動，必須有停車制動的功 能，C650-2車床的正反向停車采用速度繼電器控制的電源反接制動。2 .電動機M2拖動冷卻泵

10、。車削加工時，刀具與工件的溫度較高，需設一冷 卻泵電動機，實現(xiàn)刀具與工件的冷卻。冷卻泵電動機 M2單向旋轉，采用直接起 動、停止方式，且與主電動機有必要的聯(lián)鎖保護。3 .快速移動電動機M3。為減輕工人的勞動強度和節(jié)省輔助工作時間，利用 M3帶動刀架和溜板箱快速移動。電動機可根據(jù)使用需要，隨時手動控制起停。4 .采用電流表檢測電動機負載情況。5 .車削加工時，因被加工的工件材料、性質、形狀、大小及工藝要求不同， 且刀具種類也不同，所以要求切削速度也不同，這就要求主軸有較大的調速范圍。 車床大多采用機械方法調速，變換主軸箱外的手柄位置，可以改變主軸的轉速。傳統(tǒng)的機床控制系統(tǒng)是硬連線方式的繼電一接觸

11、器控制系統(tǒng)，但該系統(tǒng)連線復雜，體積大，可靠性差，自動化水平低，難以滿足現(xiàn)代化生產的需求?，F(xiàn)代工業(yè)生產中，中小批量零件的生產占產品數(shù)量的比例越來越高，零件的復雜性和精度要求迅速提高，傳統(tǒng)的普通磨床已經越來越難以適應現(xiàn)代化生產的 要求，制造業(yè)的競爭已從早期降低勞動力成本、 產品成本，提高企業(yè)整體效率和 質量的競爭，發(fā)展到全面滿足顧客要求、積極開發(fā)新產品的競爭，將面臨知識一技術一產品的更新周期越來越短，產品批量越來越小，而對質量、性能的要求更 高，同時社會對環(huán)境保護、綠色制造的意識不斷加強，因此敏捷先進的制造技術 將成為企業(yè)贏得競爭和生存、發(fā)展的主要手段。計算機信息技術和制造自動化技術的結合越來越緊

12、密，作為自動化柔性生產重要基礎的軟”控制系統(tǒng)機床，在生產中所占比例將越來越高。20世紀70年代以前，電氣自動控制的任務基本上是由繼電器控制系統(tǒng)來完 成。繼電器控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單、價格低廉、抗干擾能力強，所以當時應 用的十分廣泛，至今仍在許多簡單的機械設備中應用。但是，該類控制系統(tǒng)的缺點也十分明顯，它采用固定的硬件接線方式來完成各種邏輯控制，靈活性差；另外機械性觸點的工作頻率低，易損壞，因此可靠性較差。當前，隨著科學技術的不斷發(fā)展及生產工藝上不斷提出新的要求， 電氣控制 技術得到飛速的發(fā)展。在控制方法上，主要是從手動到自動控制；在控制功能上， 是從簡單的控制設備到復雜的控制系統(tǒng)；在操作方式

13、上，由笨重到輕巧； 在控制 原理上，從有觸點的繼電接觸式控制系統(tǒng)到以計算機為核心的 軟”控制系統(tǒng)。PLC的應用面廣、功能強大、使用方便，是當代工業(yè)自動化的主要設備之一。 PLC以軟件手段實現(xiàn)了各種控制功能，與繼電器控制系統(tǒng)相比，靈活性大大提高； 與普通的計算機相比，又具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、組合靈活、 擴展方便、體積小等突出優(yōu)點，因而在機床電氣控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。1.2 PLC在電氣控制系統(tǒng)中的應用PLC是先進的工業(yè)化國家通用的標準工業(yè)控制設備，在現(xiàn)代工業(yè)自動化控 制中是最值得重視的先進控制技術，現(xiàn)在已經成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大技術支柱 (PLC,CAD/CAM,ROBOT)之

14、一，可編程邏輯控制器是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而 設計的一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。 它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部 存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù) 字量、模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結合的產物， 它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機 械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了 微處理器的優(yōu)點。用PLC控制改造其繼電器控制電路，可靠性高、邏輯功能強、 體積小，降低了設備故障率，提高了設備使用效率，運行效果良好。隨著我國電 力體制改革的深化，電力市場競爭將更加激烈，降低

15、資源損耗和提高管理效益成 為各發(fā)電企業(yè)的迫切需求。為此，對火電廠輔助車間自動控制水平提出了更高的 要求。經過科技人員的不斷引進、開發(fā)、研究，我國大型火電站的輔助系統(tǒng)(輸 煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循環(huán)水泵房等)已由繼電器控制過渡到完全 由PLC監(jiān)控。PLC是一種專為工業(yè)生產自動化控制設計的，一般而言，無須任何保護措 施就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。然而， 當生產環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強 烈，或安裝使用不當，就可能造成程序錯誤或運算錯誤， 從而產生誤輸入并引起誤輸出，這將會造成設備的失控和誤動作，從而不能保證PLC的正常運行。要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面生產廠家要提高PLC的抗干擾

16、能力；另一方面，要在設計、安裝和使用維護中引起高度重視，多方配合，減少及消除干擾 對PLC的影響。在新的時代，PLC會有更大的發(fā)展，產品的品種會更豐富、規(guī) 格更齊全，通過完美的人機界面、完備的通信設備、成熟的現(xiàn)場總線通信能力會 更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求，PLC作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在我國發(fā)電廠的電氣自動化建設中發(fā)揮越來越大的作用。1.3 C650型臥式機床發(fā)展趨勢數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè) 化的象征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一 些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要

17、的作用，因為這些 行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。當前數(shù)控車床呈現(xiàn)以下發(fā)展趨 勢。1 .高速、高精密化高速、精密是機床發(fā)展永恒的目標。隨著科學技術突飛猛進的發(fā)展，機電產 品更新?lián)Q代速度加快，對零件加工的精度和表面質量的要求也愈來愈高。為滿足 這個復雜多變市場的需求，當前機床正向高速切削、干切削和準干切削方向發(fā)展， 加工精度也在不斷地提高。另一方面， 電主軸和直線電機的成功應用，陶瓷滾珠 軸承、高精度大導程空心內冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保 持器的直線導軌副等機床功能部件的面市， 也為機床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條 件。數(shù)控車床采用電主軸，取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，

18、大大減少了主傳動 的轉動慣量，提高了主軸動態(tài)響應速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運轉時 皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題。采用電主軸結構可使主軸轉速達到 10000r/min 以上。直線電機驅動速度高，加減速特性好，有優(yōu)越的響應特性和跟隨精度。用直 線電機作伺服驅動，省去了滾珠絲杠這一中間傳動環(huán)節(jié)，消除了傳動間隙（包括反向間隙），運動慣量小，系統(tǒng)剛性好，在高速下能精密定位，從而極大地提高 了伺服精度。直線滾動導軌副，由于其具有各向間隙為零和非常小的滾動摩擦，磨損小， 發(fā)熱可忽略不計，有非常好的熱穩(wěn)定性，提高了全程的定位精度和重復定位精度。 通過直線電機和直線滾動導軌副的應用，可使機床的快速移

19、動速度由目前的10 20m/min 提高到 6080m/min,甚至高達 120m/min。2 .高可靠性數(shù)控機床的可靠性是數(shù)控機床產品質量的一項關鍵性指標。數(shù)控機床能否發(fā) 揮其高性能、高精度和高效率，并獲得良好的效益，關鍵取決于其可靠性的高低。3 .數(shù)控車床設計CAD化、結構設計模塊化。隨著計算機應用的普及及軟件 技術的發(fā)展，CAD技術得到了廣泛發(fā)展。CAD不僅可以替代人工完成繁瑣的繪 圖工作，更重要的是可以進行設計方案選擇和大件整機的靜、動態(tài)特性分析、 計 算、預測及優(yōu)化設計，可以對整機各工作部件進行動態(tài)模擬仿真。在模塊化的基礎上在設計階段就可以看出產品的三維幾何模型和逼真的色彩。采用CA

20、D,還可以大大提高工作效率，提高設計的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設計成本，提高市場競爭能力。通過對機床部件進行模塊化設計，不僅能減少重復性勞動，而且可以快速響 應市場，縮短產品開發(fā)設計周期。4 .功能復合化功能復合化的目的是進一步提高機床的生產效率， 使用于非加工輔助時間減 至最少。通過功能的復合化，可以擴大機床的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一機多 用、一機多能，即一臺數(shù)控車床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銃削加工；或 在以銃為主的機床上也可以實現(xiàn)磨削加工。寶雞機床廠已經研制成功的CX25Y數(shù)控車銃復合中心，該機床同時具有 X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y 軸，可以實現(xiàn)平面銃削和偏孔、

21、槽的加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。 副主軸采用內藏式電主軸結構，通過數(shù)控系統(tǒng)可直接實現(xiàn)主、副主軸轉速同步。 該機床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。3第二章系統(tǒng)總設計5 .1 PLC控制系統(tǒng)的設計基本內容PLC控制系統(tǒng)是由PLC與用戶輸入、輸入設備連接而成的，用以完成預期 的控制目的與相應的控制要求。因比 PLC控制系統(tǒng)設計的基本內容應包括：了解設備電器的工作原理。根據(jù)生產的工藝過程分析控制要求，如需要 完成的動作（動作順序，必需的保護和聯(lián)鎖等），操作方式（手動，自動，點動， 連續(xù)等）。根據(jù)控制要求確定系統(tǒng)控制方案，進行系統(tǒng)的總體設計。 進行PLC控制系統(tǒng)配置的設計，主

22、要為 PLC的選擇，PLC是PLC控制 系統(tǒng)的核心部件，正確選擇 PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術經濟性能指標起 著重要的作用。選擇PLC,應包括機型的選擇、I/O模塊的選擇等。選擇用戶輸入設備（按鈕、操作開關、限位開關、行程開關等）、輸出設 備（繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件），以及由輸出設備驅動的控制對象（電 動機、電磁閥等），這些設備屬于一般的電器元件。 根據(jù)控制要求基本確定I/O點數(shù)和模擬量通道數(shù)，進行I/O初步分配， 繪制I/O接線圖程序設計主要包括繪制控制系統(tǒng)流程圖、設計梯形圖、語句表程序，控 制程序是控制整個系統(tǒng)工作的核心條件，是保證系統(tǒng)工作正常，安全、可靠的關鍵。（6）聯(lián)機調

23、試。按照控制電路原理圖連接硬件，將編寫好的控制程序下載至 PLC,進行軟硬件聯(lián)調，如果不滿足控制系統(tǒng)的要求，再返回修改程序或檢查接 線，直到滿足控制系統(tǒng)的要求為止。6 .2PLC控制系統(tǒng)設計原則與步驟LC控制系統(tǒng)設計的原則最大限度地滿足被控對象的控制要求。設計前應深入現(xiàn)場進行調查研究, 搜集資料，并擬定電氣控制方案。 在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟、使用及維護方 便。保證控制系統(tǒng)安全可靠。 考慮到生產的發(fā)展和工藝的改進，在選擇 PLC的容量時，應適當留有 裕量。7 .3 PLC控制系統(tǒng)設計與調試步驟PLC控制系統(tǒng)的設計調試過程如圖2.1所示:'Y交付使用第三章系統(tǒng)硬件

24、設計3.1 主要電氣元件的選擇任何一種繼電器系統(tǒng)都有三個部分組成，即輸入部分，邏輯部分和輸出部分。系統(tǒng)輸入部分由所有行程開關、方式選擇開關、控制按鈕等組成。邏輯部分是指由各種繼電器及其觸點組成的實現(xiàn)一定邏輯功能的控制線路，輸出部分包括各種負載的接觸器線圈。在本次控制系統(tǒng)設計中用PLC 代替了繼電器控制系統(tǒng)中的邏輯線路部分。在車床的電氣控制系統(tǒng)，所有觸頭，行程開關，控制按鈕（SB1 SB6）等為系統(tǒng)的輸入信號；接觸器線圈（KM1-KM5 ）,為系統(tǒng)的輸出信號。3.2 電動機的選擇在車床控制系統(tǒng)運行中，電動機類型選擇的原則是，在滿足工作機械對于拖動系統(tǒng)要求的前提下，所選電動機應盡可能結構簡單、運行

25、可靠、維護方便、價格低廉。因此，在選用電動機種類時，若機械工作對拖動系統(tǒng)無過高要求，應優(yōu)先選用三相交流電異步動機。三相交流異步電動機的工作原理是基于定子旋轉磁場（定子繞組內的三相電流所產生的合成磁場）和轉子電流（轉子繞組內的電流）的相互作用。1 .電動機容量選擇的原則：在控制系統(tǒng)運行中，電動機的選擇主要是容量的選擇，如果電動機的容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機械設備的能力，使生產效率降低，另一方面電動機經常在過載下運行，會使它過早損壞，同時還出現(xiàn)啟動困難、經受不起沖擊負載等故障。 如果電動機的容量選大了，則不僅使設備投資費用增加，而且由于電動機經常在輕載下運行，運行效率和功率因數(shù)都會下降。選擇

26、電動機的容量應根據(jù)以下三項原則進行。1）發(fā)熱：電動機在運行時，必須保證電動機的實際最高溫度max等于或稍微小于電動機絕緣的允許最高工作溫度a,即max a。2）過載能力：電動機在運行時，必須具有一定的過載能力。特別是在短期工作時， 由于電動機的熱慣性很大，電動機在短期內承受高于額定功率的負載功率時仍可保證max a,故此時，決定電動機容量的主要因素不是發(fā)熱而是電動 機的過載能力。即所選電動機的最大轉矩TL max必須大于運行過程中可能出現(xiàn)的最大負載轉矩,即max TmaxmTN（ m 一般為 0.8 Tmax /Tn ）（3.1）3）啟動能力：由于鼠籠式異步電動機的啟動轉矩一般較小，為使電動機

27、可 靠啟動，必須保證TLstTN( stTst/TN)(3.2)72 .電動機的種類、電壓和轉速的選擇除正確選擇電動機的容量外，還需要根據(jù)生產機械的要求，技術經濟指標和工作環(huán)境等條件，來正確選擇電動機的種類、電壓和轉速。3.3 交流接觸器和中間繼電器的選擇1 .接觸器接觸器是工業(yè)電氣中用按鈕或其他方式來控制其通斷的自動開關。交流接觸器由電磁線圈，靜銜鐵，動銜鐵，靜觸點，動觸點、滅弧裝置和固定支架等部分組成。 其原理是當接觸器的電磁線圈通入交流電時，會產生很強的磁場使裝在線圈中心的靜銜鐵吸動動銜鐵，當兩組銜鐵合攏時，安裝在動銜鐵上的動觸點也隨之與靜觸點閉合，使電氣線路接通。當斷開電磁線圈中的電流

28、時，磁場消失，接觸器在彈簧的作用下恢復到斷開的狀態(tài)。在工業(yè)電氣中，交流接觸器的型號很多，電流在5A-1000A 的不等，常用交流接觸器的型號有CJ20、CJX1、CJ1和CJ10等系列。在這次控制系統(tǒng)硬件的設計中，采用了 CJ10系列的交流接觸器，其額定電流應在控制電流的 1.11.3倍 之間,各接觸器型號見附錄I o2 .中間繼電器中間繼電器是最常用的繼電器之一，它的結構和接觸器的基本相同，只是電磁系統(tǒng)小些，觸點多一些。常用的繼電器型號有JZ7、JZ14等。3.4 保護電器的選擇1 .熔斷器熔斷器在電路中主要起短路保護作用，用于保護線路。熔斷器的熔體串接于被保護的電路中，熔斷器以自身產生的熱

29、量使熔體熔斷，從而自動切斷電路，實現(xiàn)短路保護及過載保護。2 .熱繼電器熱繼電器主要用于電氣設備（電動機）的過負荷保護。熱繼電器勢利用一種電流熱效應原理工作的電器，它具有與電動機容許過載特性相近的反時限動作特性，主要與接觸器配合使用，用于對三相異步電動機的過負荷和斷相保護。三相異步電動機在實際運行中，常會遇到因電氣或機械原因等引起的過電流（過載和斷相）現(xiàn)象，如果過電流不嚴重，持續(xù)時間短，繞組不超過允許溫升，這種過電流是允許；如果過電流情況嚴重，持續(xù)時間較長，則會加快電動機絕緣老化，甚至會燒毀電動機，因此，在電動機回路中應設置電動機保護裝置。熱繼電器的選型原則：熱繼電器主要用于電動機的過載保護，使

30、用中應考慮電動機的工作環(huán)境、起動情況、負載性質，等因素。星形接法的電動機可選用兩相或三相結構的熱繼電器，三角形接法的電動機應選用帶斷相保護裝置三相結構的熱繼電器。熱繼電器的動作電流整定值一般為電動機額定電流的1.051.1倍。3.5 控制電器的選擇1 .選擇開關萬能轉換開關是一種多檔式控制多回路的開關電器。一般用于各種配電裝置的遠距離控制，也可作為電器測量儀表的轉向開關或用作小容量電動機的啟動、 制動、調速和換向的控制，用途廣泛，故稱萬能轉換開關。常用的萬能轉換開關 有 LW8、 LW6 和 LA18 系列。2 .控制按鈕控制按鈕在控制電路中常用作遠距離手動控制接觸器、繼電器等有電磁線圈的電路

31、，也可用于電器連鎖等電路中。目前常用的按鈕有LA10、 LA18、 LA19、LA20 等系列產品。各電氣元件的型號及規(guī)格、用途和數(shù)量見附錄I。3.6 C650臥式車床的主要結構和運動形式C650臥式車床屬于中型車床，床身的最大工件回轉半徑為 1020mm,最大工 件長度為3000mm。主電動機功率為30kw,為提高工作效率，該機床采用了反接 制動。為了減少制動電流，制動時在定子回路用入了限流電阻Ro拖動溜板箱快速移動的2.2kw電動機是為了減輕工人的勞動強度和節(jié)省輔助工作時間而專門設 計的。各部分結構如圖3.1所示。對車床的電氣控制要求是，車床加工工件時，首先由主軸上的夾頭夾緊工件，然后由主

32、電動機驅動旋轉，待冷卻液噴流到加工位置后，再進刀進行切削加工。加工完畢，將刀具退回原位，關閉冷卻液，待主軸停轉后，取下工件，完成加工工藝。由此可見，車床的運動主要有兩種：主運動和進給運動。主運動由主電動機M1完成，為了保證啟動平穩(wěn)，采用 Y/A降壓啟動方式。KM1控制主電動機正轉， KM2 控制主電動機反轉，KM3 控制主電動機Y 啟動運行，KM4 控制主電動機A啟動運行。M2拖動冷卻泵，在加工時提供冷卻液采用直接啟動及停止 方式，KM5控制冷卻泵電動機。進給運動有步進電機 M3拖動刀架快速移動，根 據(jù)C650臥式車床運動情況及加工需要，本研究采用3臺三相鼠籠型異步電動機拖 動，即：主軸與進給

33、電動機M1、冷卻泵電動機M2和溜板箱快速移動電動機 M3。 從車削加工工藝出發(fā),對各臺電動機的控制要求如下：(1)主軸與進給電動機M1,功率為30 kW,允許在空載下直接起動。其要求能實現(xiàn)正、反轉,從而經主軸變速箱實現(xiàn)主軸的正、反轉,或通過掛輪箱傳給溜板箱來拖動刀架以實現(xiàn)刀架的橫向左、右移動。為便于進行車削加工前的對刀,則要求主軸拖動工件作調整點動,所以要求主軸與進給電動機能實現(xiàn)單方向旋轉的低速點動控制。主電動機停車時，由于加工工件轉動慣量較大，需采用反接制動(2)冷卻泵電動機M2,功率為0. 15 kW,用于在車削加工時，供出冷卻液，對工件 與刀具進行冷卻。圖3.1 C650臥式車床3.7

34、C650臥式車床控制原理電路圖概述及原理分析C650臥式車床控制電路原理圖如附錄R所示。圖中主要分為主電路，冷卻 電路，快速移動電路等三部分。(1) 電路分析從附錄R中可以看出，斷路器 QF將三相電源引入，F(xiàn)U1為主電動機M1的 短路保護用熔斷器，F(xiàn)R1為M1電動機過載保護用熱繼電器。為防止在連續(xù)點動 時的啟動電流造成電動機過載，點動時也加入限流電阻Ro通過互感器TA接入電流表A以監(jiān)視主電動機繞組的電流。熔斷器 FU2為M2、M3電動機的短路保 護，接觸器KM1、KM2為M2、M3電動機起動用接觸器。FR2為M2電動機的 過載保護，因快速電動機 M3短時工作，所以不設過載保護。(2) 制電路分

35、析(1)主電動機的點動調整控制電路中KM3為M1電動機的正轉接觸器，KM為M1電動機的長動接觸器，KA 為中間繼電器。M1電動機的點動由點動按鈕SB6控制。按下按鈕SB6,接觸器 KM3得電吸合，他的主觸點閉合，電動機的定子繞組限流電阻R與電源接通，電動機在較低速下起動。(3) 主電動機的正反轉控制電路主電動機的正轉由正向起動按鈕SB1 控制。按下按鈕SB1 時，接觸器KM 首先得電動作，他的主觸點閉合將限流電阻短接，接觸器 KM 的輔助動合觸點閉合使中間繼電器KA 得電，它的觸點閉合，使接觸器KM3 得電吸合。KM3 的主觸點將三相電源接通，電動機在額定電壓下正轉起動。KM3 的動合輔助觸點

36、和KA的動合觸點的閉合將KM3 線圈自鎖。反轉起動時用反向起動按鈕SB2， 按下SB2，同樣是接觸器KM得電，然后接通接觸器 KM4和中間繼電器KA,于是電動機在滿壓下反轉起動。KM3 的動斷輔助觸點和KM4 的動斷輔助觸點分別串在對方接觸器線圈的回路中，起到電動機正傳和反轉的電氣互鎖作用。(4) 主軸電動機的反接制動控制當速度接近于零時，用速度繼電器的觸點給出信號切斷電動機電源。速度繼電器與被控電動機是同軸相連的，當電動機正轉時，速度繼電器的正轉常開觸點KS1 閉合；電動機反轉時，速度繼電器的反轉動合觸點KS2 閉合。當電動機正向旋轉時，接觸器KM3 和 KM ，繼電器KA 都處于得電動作狀

37、態(tài)，速度繼電器的正轉動合觸點KS1 也是閉合的，這樣就為電動機正傳時的反接制動做好了準備。需要停車時，按下停止按鈕SB4 接觸器 KM 失電，其主觸點斷開，電阻R串入主回路，與此同時KM3 也失電，斷開了電動機電源，同時KA 失電， KA的動斷觸點閉合。在松開SB4 后就使反轉接觸器KM4 的線圈得電，電動機的電源反接， 電動機處于反接制動狀態(tài)。當電動機的轉速下降到速度繼電器的復位轉速時，速度繼電器KS 的正轉動合觸點KS1 斷開，切斷了接觸器KM4 的通電回路，電動機脫離電源停止。電動機反轉時的制動與正轉時的制動相似。當電動機反轉時，速度繼電器的反轉動合觸點KS2是閉合的，這時按一下停止按鈕

38、 SB4,在SB4松開后正轉接觸器線圈得電，正轉接觸器KM3 吸合將電源反接使電動機制動后停止。(5) 刀架的快速移動和冷卻泵控制刀架的快速移動是由轉動刀架手柄壓動限位開關SQ來實現(xiàn)的。當手柄壓動SQ 后，接觸器KM2 得電吸合，M3 電動機帶動刀架快速移動。如果車削加工需要冷卻液時按下SB6,冷卻泵電動機M3動作，KM4線圈得電，冷卻泵電動機M2 工作，需要停止時按下按鈕SB5 即可。3.8 PLC 的選擇PLC 是控制系統(tǒng)的核心部件，正確的選擇PLC 對整個控制系統(tǒng)技術經濟性指標起著重要的作用。選型的基本原則是：所選的PLC 應能夠滿足控制系統(tǒng)的功能需要。選型的基本內容應包括以下幾個方面：

39、1. PLC 結構的選擇在相同功能和相同I/O 點數(shù)的情況下，整體式PLC 比模塊式PLC 價格低。2. PLC 輸出方式的選擇不同的負載對PLC 的輸出方式有相應的要求。繼電器輸出型的PLC 可以帶直流負載和交流負載；晶體管型與雙向晶閘管型輸出模塊分別用于直流負載和交流負載。3. I/O 響應時間的選擇PLC 的響應時間包括輸入濾波時間、輸出電路的延遲和掃描周期引起的時間延遲。4. 聯(lián)網通信的選擇若 PLC 控制系統(tǒng)需要聯(lián)入工廠自動化網絡，則所選用的PLC 需要有通信聯(lián)網功能，即要求PLC 應具有連接其它PLC 、上位計算機及CRT 等接口的能力。5. PLC 電源的選擇電源是 PLC 干擾

40、引入的主要途徑之一，因此應選擇優(yōu)質電源以助于提高PLC 控制系統(tǒng)的可靠性。一般可選用畸變較小的穩(wěn)壓器或帶有隔離變壓器的電源，使用直流電源時要選用橋式全波整流電源。6.I/O 點數(shù)及 I/O 接口設備的選擇7.存儲容量的選擇PLC 程序存儲器的容量通常以字或步為單位，用戶程序存儲器的容量可以作粗略的估算。一般情況下用戶程序所需的存儲器容量可按照如下經驗公式計算：程序容量=K X總輸入點數(shù)/總輸出點數(shù)對于簡單的控制系統(tǒng)，K=6 ；若為普通系統(tǒng)，K=8 ；若為較復雜系統(tǒng)，K=10 ；若為復雜系統(tǒng)，則K=12 。在選擇內存容量時同樣應留有裕量，一般是運行程序的25% 。不應單純追求大容量，在大多數(shù)情況

41、下，滿足I/O 點數(shù)的PLC ，內存容量也能滿足。車床電氣控制系統(tǒng)所需的I/ O 點總數(shù)在256以下，屬于小型機的范圍. 控制系統(tǒng)只需要邏輯運算等簡單功能。主要用來實現(xiàn)條件控制和順序控制。為實現(xiàn)C650 車床上述的電氣控制要求，所以PLC 可以選擇西門子公司的S7 - 200 系列。它的價格低，體積小，非常適用于單機自動化控制系統(tǒng). 該機床的輸入信號是開關量信號，輸出是負載三相交流電動機接觸器等。車床電氣控制系統(tǒng)需要9 個外部輸入信號，5 個輸出信號。PLC 所具有的輸入點和輸出點一般要比所需冗余30 % ，以便于系統(tǒng)的完善和今后的擴展預留。所以本系統(tǒng)所需的輸入點為12 個 ,輸出點為7 個。

42、現(xiàn)選擇西門子公司生產的S7 -200 系列的 CPU224 型 PLC ， 24V 直流 14 點輸入。3.9 I/O 地址的分配及接線圖根據(jù)該系統(tǒng)的控制要求，輸入輸出設備，確定了I/O 點數(shù)。根據(jù)需要控制的開關、 設備大約輸入點為12 個 ,輸出點為7 個需進行控制，現(xiàn)將 I/O 地址分配如附錄 III 所示。根據(jù)PLC I/O端子的分配,畫出了 C650臥式車床PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖如附錄 VI 所示。23第四章系統(tǒng)軟件設計4.1 PLC的系統(tǒng)結構和基本工作原理LC的系統(tǒng)結構目前PLC種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為 核心用做工業(yè)控制的專用計算機， 所以其結構和

43、工作原理都大致相同， 硬件結構 與微機相似。主要包括中央處理單元 CPU、存儲器RAM和ROM、輸入輸出接 口電路、電源、I/O擴展接口、外部設備接口等。其內部也是采用總線結構來進 行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。PLC控制系統(tǒng)由輸入量一PLC一輸出量組成，外部的各種開關信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入量，它們經PLC外部輸入端子，作為PLC的輸出量對外圍設備進行各種控制。由此可見， PLC的基本結構有控制部分輸入和輸出組成。PLC的基本工作原理PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對每個程序， CPU從第一條指令開始執(zhí) 行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描， 如果無跳轉指令，則從則從第

44、一條 指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周 而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。1輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄 存器。完成后關閉輸入端口，轉入程序執(zhí)行階段。2 .程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將 相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。3 .輸出刷新階段當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存電 路，并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成 PLC的 實際輸出。4.2 PLC編程語言與個人計算機相

45、比，PLC的硬件、軟件的體系結構都是封閉的而不是開放的。各廠家PLC的變成語言和指令系統(tǒng)的功能和表達方式也不一致，有的甚至有相 當大的差異，因此各廠家的PLC互不兼容。IEC （國際電工委員會）是為電子技術的所有領域制定全球標準的世界性組織。IEC于1994年5月公布了 PLC標準 （IEC 61131）,該標準為可編程控制系統(tǒng)定義了 5種語言：順序功能圖（SequentialFunction Chart)、梯形圖(Ladder Diagram)、功能塊圖(Function Block Diagram)、指令表(Instruction List)、結構文本(Structured Text)。其

46、中，梯形圖是使用最多的 PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器控制系統(tǒng) 的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠熟悉繼電器控制的電器人 員掌握，特別是適用于數(shù)字量邏輯控制，有時也把梯形圖稱為電路或程序。梯形 圖由觸點、線圈和用方塊表示的功能塊組成。觸點代表邏輯輸入條件，線圈通常代表邏輯輸出結果，用來控制外部設備。 功能塊用來表示定時器、計數(shù)器或數(shù)學 運算附加指令。觸點和線圈組成的獨立電路稱為網絡，使用編程軟件可以直接生 成和編譯梯形圖，并將它下載到 PLCoS7系列PLC將指令表稱為語句表。PLC的指令是一種與微機的匯編語言中 的指令相似的助記符表達式，由指令組成的程序叫做指令表程序或語句

47、表程序。在這次控制系統(tǒng)程序設計中，分別采用了梯形圖和語句表兩種編程語言編寫 了該系統(tǒng)的控制程序。4.3 PLC的基本功能和基本指令LC的基本功能1 .條件控制功能條件控制(或稱邏輯控制或順序控制)功能是指用 PLC的與、或、非指令 取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)及其它各種邏輯連接，進行開關控制。2 .定時/計數(shù)控制功能定時/計數(shù)控制功能指用PLC提供的定時器、計數(shù)器指令實現(xiàn)對某種操作的 定時或計數(shù)控制，以取代時間繼電器和計數(shù)繼電器。3 .數(shù)據(jù)處理功能數(shù)據(jù)處理功能是指PLC能進行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉換、算術運 算、邏輯運算以及編碼和譯碼等操作。4 .步進控制功能步進控制功能是指用步進指令來實

48、現(xiàn)在有多道加工工序的控制中， 只有前一 道工序完成以后，才能進行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構成的步進控 制器。5 .運動控制功能運動控制功能是指通過高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進行單軸或多軸運 動控制。6 .過程控制功能過程控制功能是指通過 PLC的PID控制指令或模塊實現(xiàn)對溫度、壓力、速 度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。7 .擴展功能擴展功能是指通過連接輸入輸出擴展單元（即I/O擴展單元）模塊來增加輸 入輸出點數(shù)，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高 PLC的控制功 能。8 .遠程I/O功能遠程I/O功能是指通過I/O單元將分散在遠距離的各種輸入、輸出設備與PLC 主機相連接，

49、進行遠程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。9 .通信聯(lián)網功能通信聯(lián)網功能是指通過 PLC之間的聯(lián)網、PLC與上位機的鏈接等，實現(xiàn)遠 程I/O控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復雜控制。10 .監(jiān)控功能監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的進行狀態(tài)和進程，對系統(tǒng)中出現(xiàn)的 異常情況進行報警和記錄，甚至自動終止運行；也可在線調整、修改控制程序中的定時器、記數(shù)器等設定值或強制I/O狀態(tài)。LC基本指令在本次控制系統(tǒng)程序設計過程中主要應用到以下幾種PLC指令。1 .標準觸點指令常開觸點對應的存儲器地址為1狀態(tài)時，該觸點閉合，在語句表中，分別用 LD （Load,裝載）、A （And,與）和O （Or,或）

50、指令表示開始、串聯(lián)和并聯(lián) 的常開觸點（見圖4.1 （a）。常閉觸點對應的存儲地址為0狀態(tài)時，該觸點閉合，在語句表中分別用LDN （Load Not）、AN （And Not）和ON （Or Not）來表示開始、串聯(lián)和并聯(lián)的常 閉觸點，觸點符號中間的“咸示常閉（見圖4.1 （b）。觸點指令中變量的數(shù) 據(jù)類型為BOOL。10,010.1H H T，4（a）常開觸點（b）常閉觸點圖4.1標準觸點指令2 .輸出指令輸出指令（=）與線圈相對應，驅動線圈的觸點電路接通時，線圈流過 能流”, 指定位對應的映像寄存器為1,反之為0o輸出指令語句表為（=bit）。輸出指BOOL 型令(見圖4 應放在梯形圖的最右

51、邊，指令中的變量為Q0 0()圖4.2輸出指令4.4控制系統(tǒng)的梯形圖程序設計1 .車床正反向工作及反接制動過程該控制程序步驟為：按下 SB2, M10.0導通，Q0.2動作，KM3吸合短接電 阻R,同時M11.1動作，Q0.0動作，KM1吸合，主電動機M1正轉起動運行， 開始車削加工。要停車時，按下 SB1, Q0.0、Q0.2釋放，松開SB1, Q0.1動作， KM2吸合，主電動機M1用電阻反接制動，當速度接近于零時，速度繼電器正 轉常開觸頭KS1斷開，KM2釋放電動機M1停轉。反向工作過程與正向相同。2 .主電動機點動過程按下SB4, Q0.0動作，使KM1吸合，M1用電阻限流點動，松開S

52、B4, Q0.0 斷開，M1停轉，實現(xiàn)點動控制。其梯形圖程序如圖4.3所示。圖4.3刀架快速移動及冷卻泵工作過程3 .刀架快速移動及冷卻泵工作過程該控制程序步驟為：刀架快速移動過程為按下位置開關 SQ,Q0.4動作，KM5 吸合，M3起動運行，代替刀架的指示燈亮。 冷卻泵工作過程為按下SB6, Q0.3 動作KM4線圈得電，冷卻泵電動機 M2工作，停止時按下SB5即可。其梯形圖程序如圖4.4所示。IOLOIQ 0圖4.4刀架快速移動及冷卻泵工作過程PLC 編程特點，設綜上所述,根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，結合控制電路原理圖和計了控制系統(tǒng)梯形圖程序如附錄V所示。第五章系統(tǒng)調試5.1 硬件檢查合上實驗臺上

53、供電的電源開關，用萬用表測量系統(tǒng)總電源開關進線端的電壓，看一看電壓是否正常，有無斷相或三相電壓特別不平衡的現(xiàn)象。 如果一切正 常，便可合上總電源開關SB1,并用萬用表測量電源能供到的各支路終端的電壓 是否正常。有無斷相。用萬用表測量各硬件的接線情況，看是否有短接，斷接和虛連的情況，并與 電路控制原理圖一一對照，看是否有無接錯的地方。各部分都正確無誤的情況下 進行軟硬件聯(lián)調。5.2 系統(tǒng)綜合調試將編寫好的PLC程序進行編譯，下載至PLC,由于控制系統(tǒng)運行電壓是在 220V,為了保證安全只好先在實驗臺上分步模擬，觀察各步的動作都正確無誤 后，按照PLC控制系統(tǒng)接線圖在實驗臺上整體模擬，輸出部分（接觸器，電動 機，快速移動刀架）用實驗臺上的指示燈代替，觀察輸出端點指示燈在一個工作 循環(huán)里的狀態(tài)變化，并與工藝過程對照。在對照前由于忘記對PLC進行復位，雖然程序正確當沒達到控制效果，所以在調試前應先進行復位操作。在實驗臺上整體模擬無誤后，將檢查完畢的硬件連接電路（各電動機連接的 電路）與PLC連接在一起，分別觀察各電動機的工作狀態(tài)，分步運行無誤后， 將所有的電動機按照PLC接線圖連接在一起，分別觀察各個電動機的運行狀態(tài)， 并與工藝過程比較，沒有發(fā)現(xiàn)什么問題。此控制程序設計能夠滿足控制系