基于PLC和觸摸屏的制芯設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開題報(bào)告院系：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)：材料成型及控制工程指導(dǎo)教師：劉紅學(xué)生姓名：李2015年3月11日基于PLC和觸摸屏的制芯設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述1.1選題背景隨著鑄造生產(chǎn)的自動化水平不斷提高，迫切需要對一些由繼電器、接觸器控制的鑄造設(shè)備進(jìn)行改造，從而使一些原有設(shè)備得到再利用而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要是對鑄造廠射砂制芯機(jī)進(jìn)行PLC改造，以提高工作效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動化【1】。制芯機(jī)制芯技術(shù)廣泛應(yīng)用于世界汽車工業(yè),由于對于新的時(shí)代對汽車鑄件的尺寸精度和輕量化提出了更高要求。因此,世界各國除了進(jìn)一步開發(fā)控制新技術(shù)外,對形成鑄件中空部分的型芯制芯工藝和技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和開發(fā)。當(dāng)前,制芯機(jī)控制技術(shù)的主要課題是減少成本、節(jié)省人力、自動化。原有的繼電器、接觸器控制技術(shù)不能滿足汽車工業(yè)及其他相關(guān)工業(yè)對制芯設(shè)備控制技術(shù)的高要求，且可靠性差、成本高，而利用PLC技術(shù)對熱芯盒射芯機(jī)改造可以避免這些缺點(diǎn)，滿足企業(yè)對制芯設(shè)備控制技術(shù)的自動化的要求。利用PLC和觸摸屏實(shí)現(xiàn)對制芯設(shè)備的自動，半自動以及手動控制的過程中，能夠更好地學(xué)習(xí)和了解PLC本身功能強(qiáng)，可靠性高，操作靈活，編程簡便以及適合于工業(yè)環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動化、過程控制、機(jī)電一體化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造等方面的應(yīng)用越來越廣泛【2】。同時(shí)也將熱芯盒等造型設(shè)備大量快速生產(chǎn)的優(yōu)勢發(fā)揮出來。所以本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)選定了對鑄造廠射砂制芯機(jī)進(jìn)行PLC改造。1.2熱芯盒制芯設(shè)備的介紹1.2.1結(jié)構(gòu)簡介熱芯盒制芯機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由三大零部件組成。1.立柱部件：主要由橫梁、立柱構(gòu)成設(shè)備的上部構(gòu)架。在橫梁上安裝有砂筒、砂斗、砂閥部件、壓緊缸等零部件構(gòu)成制芯的供砂、供氣系統(tǒng)。2.射砂裝置：包含有砂筒、氣閥、砂筒架、射頭、射砂板等零部件組成。工作時(shí)由壓緊缸將砂筒壓緊在芯盒的上平面上，打開射砂閥進(jìn)行射砂。排氣射砂完畢，松開壓緊缸（退回原始位置）完成射砂、加砂工作。3.模架部件：主要由動模板、左右支架板及導(dǎo)柱、導(dǎo)套、頂桿、合模缸等零部件組成【3】。VS550熱芯盒制芯機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。圖1VS550垂直分型熱芯盒制芯機(jī)1.2.2工藝流程熱芯盒射芯機(jī)工作原理及其工藝過程可表述如下。（射砂筒內(nèi)裝滿砂時(shí)可最多造6個砂芯，假設(shè)射砂筒起始為充滿狀態(tài)）。

熱芯盒射芯機(jī)采用氣動系統(tǒng)控制，射芯機(jī)的動作過程包括閘門開，加砂，閘門關(guān)、芯盒夾緊、工作臺上升，射砂，排氣，工作臺下降，加熱，芯盒打開等。氣動系統(tǒng)中相應(yīng)電磁閥通斷電決定某一動作的實(shí)現(xiàn)【4】。工藝流程如圖2所示射砂次數(shù)≤6定時(shí)定時(shí)SQ1工作起動閘門開加砂振動閘門關(guān)加砂停2s馬達(dá)動作5s停振動馬達(dá)停定時(shí)SQ2SQ3拖板進(jìn)左右芯盒夾緊工作臺上升2sSQ4定時(shí)定時(shí)SQ5射砂排氣工作臺下降射砂指示燈亮3s射砂指示燈滅2s定時(shí)定時(shí)加熱，加熱指示燈亮芯盒打開手動起芯50s加熱指示燈滅2s拖板出圖2熱芯盒射芯機(jī)工藝流程圖1.3PLC和觸摸屏的介紹1.3.1PLC介紹PLC的定義國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)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(jì)【5】。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(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC的類型可編程邏輯控制器按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類;

2.按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；

3.按CPU字長分為8位、16位、32位、64位等;

4.按控制能力分為微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)等。PLC的功能控制功能：邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、順序控制。數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能：數(shù)學(xué)運(yùn)算功能、數(shù)據(jù)處理、模擬數(shù)據(jù)處理。輸入/輸出接口調(diào)理功能：具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)。位數(shù)和精度可以根據(jù)用戶要求選擇。具有溫度測量接口，直接連接各種熱電阻或熱電偶。通信、聯(lián)網(wǎng)功能。人機(jī)界面功能。編程、調(diào)試等，使用復(fù)雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗(yàn)和記錄，并通過打印機(jī)打印出程序文件。PLC的特點(diǎn)高可靠性豐富的I/O接口模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)運(yùn)行速度快功能完善編程簡單，易于使用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便維修方便，維修量小總價(jià)格低PLC的控制方式PLC采用循環(huán)掃描的控制方式。這種控制方式是在系統(tǒng)程序的控制下順序掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理，然后順序向各輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號。整個工作過程可分為輸入處理、程序處理、輸出處理三個階段。輸入處理

PLC在執(zhí)行程序前，將PLC的整個輸入端子的ON／OFF狀態(tài)寫入到輸入數(shù)據(jù)存儲器中。在執(zhí)行程序的過程中，即使輸入變化，輸入數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容也不變，而在下一個周期的輸入處理時(shí)，寫入這種變化。輸入濾波器會造成輸入響應(yīng)滯后(約10ms)，如采用數(shù)字濾波的輸入端子，可以通過程序修改濾波時(shí)間。

2)程序處理

PLC根據(jù)程序存儲器的指令內(nèi)容，從輸入數(shù)據(jù)存儲器與其他軟器件的數(shù)據(jù)存儲器中讀出各軟器件的ON／OFF狀態(tài)，從0步開始進(jìn)行順序運(yùn)算，每次將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)存儲器。因此，各軟器件的數(shù)據(jù)存儲器隨著程序的執(zhí)行逐步改變內(nèi)容。而且，輸出繼電器的內(nèi)部觸點(diǎn)可利用輸出數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容執(zhí)行。

3)輸出處理

所有命令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，向輸出數(shù)據(jù)存儲器傳送輸出Y的數(shù)據(jù)存儲器的ON／OFF狀態(tài)，這成為PLC的實(shí)際輸出。PLC的外部輸出觸點(diǎn)的動作按輸出用器件的響應(yīng)滯后時(shí)間動作(10ms)【6】。PLC的應(yīng)用目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。1）開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量(Analog)和數(shù)字量(Digital)之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換【7】。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。2）運(yùn)動控制PLC可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。3）過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序【8】。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。4）數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。1.3.2人機(jī)界面介紹（1）人機(jī)界面的定義連接可編程序控制器（PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備,由硬件和軟件兩部分組成【9】。HMI為英文Human-MachineInterface的縮寫。（2）人機(jī)界面（HMI）產(chǎn)品的組成及工作原理

人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。根據(jù)HMI的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件一般分為兩部分，即運(yùn)行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運(yùn)行于PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如JB－HMI畫面組態(tài)軟件）。使用者都必須先使用HMI的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機(jī)和HMI產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運(yùn)行。

（3）人機(jī)界面的功能

1.

基本功能：設(shè)備工作狀態(tài)顯示，如指示燈、按鈕、文字、圖形、曲線等；數(shù)據(jù)、文字輸入操作，打印輸出；生產(chǎn)配方存儲，設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄；簡單的邏輯和數(shù)值運(yùn)算；可連接多種工業(yè)控制設(shè)備組網(wǎng)【10】。

2.選型指標(biāo)：顯示屏尺寸及色彩，分辨率；HMI的處理器速度性能；輸入方式：觸摸屏或薄膜鍵盤；畫面存貯容量，注意廠商標(biāo)注的容量單位是字節(jié)（byte）、還是位（bit）；通訊口種類及數(shù)量，是否支持打印功能。

3.使用方法：明確監(jiān)控任務(wù)要求，選擇適合的HMI產(chǎn)品；在PC機(jī)上用畫面組態(tài)軟件編輯“工程文件”；測試并保存已編輯好的“工程文件”；PC機(jī)連接HMI硬件，下載“工程文件”到HMI中；（4）EasyBuilder8000威綸觸摸屏的發(fā)展與應(yīng)用1)威綸觸摸屏在電氣工程的應(yīng)用，主要是其監(jiān)控系統(tǒng)包括主監(jiān)控器、電池巡檢儀、操作界面、支路饋線絕緣檢測傳感器等部份組成。功能完備、智能控制、無人值守，有自動化綜合管理接口。數(shù)據(jù)記錄、掉電保持【11】。功能：1.兩路交流檢測和自動切換；2.各整流模塊電壓、電流檢測；3.電池電壓、電流檢測和自動充放電控制；4.合閘母線電壓、電流檢測；5.控制母線電壓、電流檢測、接地電阻測量；6.電池組端電壓巡檢，浮充電壓溫度自動補(bǔ)償；7.支路饋線絕緣檢測；8.控制母線自動調(diào)壓控制；2）威綸觸摸屏在鍋爐生產(chǎn)行業(yè)中的應(yīng)用鍋爐控制系列主要由可編程控制器，人機(jī)界面以及變頻器組成一個完整的控制體系。其中人機(jī)界面選用臺灣WeinView性價(jià)比最好的MT506M人機(jī)界面。它是市場上一款性價(jià)比最高的觸摸屏，可以與市場上出現(xiàn)的各種PLC直接通訊，比如說三菱西門子歐母龍等，還可以通過MODBUS協(xié)議跟單片機(jī)直接通訊WeinView人機(jī)界面是以32位RISC處理器為核心，觸摸屏的反應(yīng)速度WeinView觸摸屏EasyBuilder編輯軟件中集成軟件使用非常方便【12】，日前是觸摸屏軟件普及率最高的軟件，離線模擬功能，在沒有觸摸屏的情況下，可以在電腦上模擬編輯好的程序。主要研究內(nèi)容內(nèi)容主要為熱芯盒制芯設(shè)備的工作原理及生產(chǎn)工藝過程，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（主要包含硬件配置和軟件設(shè)計(jì)），以及調(diào)試三個部分。2.1分析設(shè)備工藝過程首先要分析清楚熱芯盒制芯設(shè)備的整個工藝過程，能夠以流程圖的形式將其簡單明了的表示出來，然后轉(zhuǎn)換成順序功能圖的形式表示出來，以方便后期的PLC程序的編寫。2.2硬件配置硬件部分包括上位機(jī)，下位機(jī)的選擇，首先計(jì)算IO點(diǎn)數(shù)，然后了解工藝要求、熟悉各品牌各系列PLC性能、了解相關(guān)價(jià)格和服務(wù)、軟件技術(shù)資料等。在其主控系統(tǒng)采用PLC控制，能夠滿足造型機(jī)的生產(chǎn)工藝要求，能夠?qū)崿F(xiàn)自動、半自動以及手動操作，便于調(diào)試，運(yùn)行中可實(shí)現(xiàn)急停，有報(bào)警功能基礎(chǔ)上選擇上、下位機(jī)，進(jìn)行硬件配置。2.3軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的確定，根據(jù)該射芯機(jī)所有的輸人信號（包括傳感器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕）、輸出信號(包括電磁鐵、中間繼電器、原位指示燈）等編制順序功能圖，并由此編制出梯形圖，編制好梯形圖后進(jìn)行上機(jī)調(diào)試。系統(tǒng)引進(jìn)EasyBuilder8000來繪制界面，查資料根據(jù)設(shè)備的工作過程，建立各種畫面，以便進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與動畫演示。程序中要有全自動、半自動及手動功能，而動畫演示則能將熱芯盒制芯設(shè)備的工藝流程以動畫的形式直觀的表達(dá)出來。最終將PLC與EB8000完成數(shù)據(jù)通訊，能夠利用上位機(jī)的監(jiān)控界面獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，處理后以圖形方式顯示在上位機(jī)屏幕上，完成各個工部的動畫。2.4調(diào)試程序調(diào)試程序，當(dāng)程序開始執(zhí)行時(shí)，觀察模擬運(yùn)行效果動畫，觀看動畫是否按照要求進(jìn)行運(yùn)行，修改調(diào)試，直至程序與動畫運(yùn)行完全正確為止。最后撰寫畢業(yè)論文。實(shí)驗(yàn)方案（1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，深入了解掌握制芯設(shè)備的工作原理和工藝過程。在此基礎(chǔ)上簡要的畫出制芯設(shè)備的工藝流程圖。（2）根據(jù)設(shè)備的生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件配置。在生產(chǎn)工藝過程中，由輸入信號與輸出信號確定制芯設(shè)備的I/O信號，并計(jì)算出總的需要數(shù)量。選用的PLC所具有的I/O點(diǎn)數(shù)應(yīng)比計(jì)算出的I/O點(diǎn)數(shù)稍多一些，以備可能追加和變更控制性能的需要。要根據(jù)工藝流程的步數(shù)對程序規(guī)模作出估算，并據(jù)此確定合理的存儲容量。在符合這些條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件配置。（3）根據(jù)制芯設(shè)備的工藝流程圖編制出順序功能圖，再轉(zhuǎn)換為梯形圖，完成控制系統(tǒng)的軟件編制工作。（4）制作人機(jī)交互界面。例如根據(jù)輸入信號編寫參數(shù)設(shè)置頁面，根據(jù)工藝流程編寫工作車間效果圖等等。（5）調(diào)試程序直到觸摸屏動畫可以正確地模擬制芯設(shè)備工作為止。（6）翻譯一篇與畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容相關(guān)的英文文獻(xiàn)。（7）整理程序，寫作畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯。進(jìn)度計(jì)劃（1）1周—2周：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，深入了解PLC的編