【導(dǎo)讀】與排除困難等缺點(diǎn)，提出了用PLC對包裝機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。作為控制系統(tǒng)的核心裝置，功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定可靠。在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中得到。技術(shù)于一體的先進(jìn)控制技術(shù)在該包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過對小型全自動顆粒料。的柔性化包裝機(jī)的構(gòu)想。設(shè)計工作的任務(wù)包括包裝機(jī)構(gòu)和運(yùn)動分析，控制部分的硬件。選擇，電氣原理圖的繪制和三菱PLC程序編寫，以及各個電氣元器件的選擇與安裝，址分配、I/O端子接線、程序設(shè)計和控制原理。并且經(jīng)過了嚴(yán)格的測。試，在實(shí)驗(yàn)室的模擬運(yùn)行中，取得了良好的控制效果。通過程序優(yōu)化，及并行化處理，較好地實(shí)現(xiàn)了廠方提出的控制要求?？删幊炭刂萍夹g(shù)的現(xiàn)狀···························&#

　　

【正文】 選用真空泵時，需要注意下列事項(xiàng)： （ 1）真空泵的工作壓強(qiáng)應(yīng)該滿足真空設(shè)備的極限真空及工作壓強(qiáng)要求。如：真空鍍膜要求 3710 ~ 10 mmHg?? 的真空度，選用的真空泵的真空度至少要65 10 mmHg? 。通常選擇泵的真空度要高于真空設(shè)備真空度半個到一個數(shù)量級。 （ 2）正確地選擇真空泵的工作點(diǎn)。每種泵都有一定的工作壓強(qiáng)范圍，如：擴(kuò)散泵為 3710 ~ 10 mmHg?? ，在這樣寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)，泵的抽速隨壓強(qiáng)而變化，其穩(wěn)定的工作壓強(qiáng)范圍為 465 1 0 ~ 5 1 0 mmHg?? 。因而，泵的工作點(diǎn)應(yīng)該選在這個范圍之內(nèi)，而不能讓它在 85 10 mmHg? 下長期工作。 （ 3）真空泵在其工作壓強(qiáng)下，應(yīng)能排走真空設(shè)備工藝過程中 產(chǎn)生的全部氣體量。 （ 4）正確地組合真空泵。由于真空泵有選擇性抽氣，因而，有時選用一種泵不能滿足抽氣要求，需要幾種泵組合起來，互相補(bǔ)充才能滿足抽氣要求。如鈦升華泵對氫有很高的抽速，但不能抽氦，而三極型濺射離子泵，（或二極型非對稱陰極濺射離子泵）對氬有一定的抽速，兩者組合起來，便會使真空裝置得到較好的真空度。另外，有的真空泵不能在大氣壓下工作，需要預(yù)真空；有的真空泵出口壓強(qiáng)低于大氣壓，需要前級泵，故都需要把泵組合起來使用。 （ 5）真空設(shè)備對油污染的要求。若設(shè)備嚴(yán)格要求無油時，應(yīng)該選各種無油泵，如：水環(huán)泵、 分子篩吸附泵、濺射離子泵、低溫泵等。如果要求不嚴(yán)格，可以選擇有油泵，加上一些防油污染措施，如加冷阱、障板、擋油阱等，也能達(dá)到清潔真空要求。 （ 6）了解被抽氣體成分，氣體中含不含可凝蒸汽，有無顆?；覊m，有無腐蝕性等。選擇真空泵時，需要知道氣體成分，針對被抽氣體選擇相應(yīng)的泵。如果氣湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 24 體中含有蒸汽、顆粒、及腐蝕性氣體，應(yīng)該考慮在泵的進(jìn)氣口管路上安裝輔助設(shè)備，如冷凝器、除塵器等。 （ 7）空泵排出來的油蒸汽對環(huán)境的影響如何。如果環(huán)境不允許有污染，可以選無油真空泵，或者把油蒸汽排到室外。 （ 8）真空泵工作時產(chǎn)生的振動 對工藝過程及環(huán)境有無影響。若工藝過程不允許，應(yīng)選擇無振動的泵或者采取防振動措施。 （ 9）真空泵的價格、運(yùn)轉(zhuǎn)及維修費(fèi)用。 XGB 旋渦氣泵是一種吹氣或吸氣兩用的通用氣源。它主要用于：切紙機(jī)，燃燒降氧機(jī)、卷煙濾嘴成型機(jī)、電鍍槽液攪拌、霧化干燥機(jī)、水處理爆氣、絲網(wǎng)印刷機(jī)、照相制版機(jī)、注塑機(jī)自動上料烘干機(jī)、液體灌裝機(jī)、粉末灌裝機(jī)、電焊設(shè)備、電影機(jī)械、紙張運(yùn)送、干洗衣服、清潔用途、空氣除塵、干瓶、氣體傳送、送料、收集等方面。 根據(jù)以上原則且考慮到我們所選用的真空泵只需要滿足送紙過程中的吸真空，初步選用擴(kuò)散泵中的 XGB型漩渦氣泵。 XGB 型漩渦氣泵用來抽除密閉容器的氣體的基本設(shè)備之一。它可以單獨(dú)使用，也可作為增壓泵、擴(kuò)散泵、分子泵的前級泵使用。該型泵廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、電子、化工、石油、醫(yī)藥等行業(yè)的真空冶煉、真空鍍膜、真空熱處理，真空干燥等工藝過程中。具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，噪音低，振動小等優(yōu)點(diǎn)。所以，它適用于作擴(kuò)散泵的前級泵，而且更適用于精密儀器配套和實(shí)驗(yàn)室使用。 通過查下表選用 XGB8 型號的真空泵，最大壓力 12Kpa，電機(jī)功率 。 表 旋渦氣泵性能一覽表 型號 XGB1 XGB2 XGB6G XGB7 XGB8 XGB9 XGB10 XGB11 XGB12 XGB13 XGB15 最大流量 (m3/h) 300 330 370 210 65 175 1000 135 100 110 480 最大壓力 (KPa) 30 33 40 28 12 26 50 18 14 16 42 正常工作壓力(KPa) 20 22 28 18 8 13 40 12 9 10 31 真 空 度(KPa) 21 21 29 20 10 18 31 15 11 12 30 電 動 電 壓 3φ 380V 1φ220V 3φ380V 3φ 380V 1φ 220V 3φ 380V 3φ380V 湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 25 機(jī) 功率 3 KW 4 KW KW KW KW KW 18.5KW KW KW 5KW KW 重量 kg 55 73 115 40 12 36 230 22 16 20 118 （資料來源： 氣缸選 型 氣缸的選型，主要是根據(jù)每個動作的行程來確定的。像壓紙桿那個氣缸，動作要求只需要往下將紙壓住即可，因此設(shè)計它的行程為 3mm 即可滿足要求，根據(jù)這個行程我們選擇 SDA205 ?？紤]到送紙過程中有兩個行程組成，我們選用由兩個行程組合而成的氣缸。送紙一的行程為 30mm，送紙二的行程為 157mm，因此選用氣缸為 SDA32 32 158 。同理可得其它氣缸為： 表 氣缸的選擇 氣缸 (位置 ) 行程（ mm） 型號 (SDA) 最大壓力（ MPa） 數(shù)量（個） 氣缸 1（搖箱處） 30 63 32 2 氣缸 1（壓紙?zhí)帲? 3 20 5 2 氣缸 2（送紙?zhí)帲? 30 157 32 32 158 1 氣缸 3(切紙?zhí)?) 28 100 30 1 氣缸 4（下料處） 9 78 63 10 80 1 氣缸 5（封口處） 19 100 25 4 （資料來源： 成大先：《機(jī)械設(shè)計手冊 單行本 氣壓傳動》，化學(xué)工業(yè)出版社， 2021.） 空氣壓縮 機(jī)選型 空氣壓縮機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，供氣動機(jī)械使用。 空氣壓縮機(jī)的按工作原理分為容積型和速度型。常用往復(fù)式容積型壓縮機(jī)，一般空壓機(jī)為中壓，額定排氣壓力 1MPa；低壓空壓機(jī)排氣壓力 ；高壓空壓機(jī)排氣壓力 10MPa。 由于我們選用的氣缸的工作的最大壓力為 1MPa，所以我們選空壓機(jī)為中壓的往復(fù)式容積型壓縮機(jī)。往復(fù)式又分為活塞式和螺桿式，特性比較如下表： 湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 26 表 活塞式和螺桿式特性表 類型 輸出壓力/MPa 吸入流量/ 3m 1 min 功率 /KW 振動 噪音 維護(hù)量 排氣壓力脈動 價格 排氣方式 活塞式 ～ 30 ～220 大 大 大 大 較低 斷續(xù)排氣，需設(shè)氣罐 螺桿式 ～ 67 ～ 370 小 小 小 無 高 連續(xù)排氣。不需氣罐，排出氣體可不含油 （資料來源： 成大先：《機(jī)械設(shè)計手冊 單行本 氣壓傳動》，化學(xué)工業(yè)出版社， 2021.） 跟據(jù)上表我們選用活塞式容積壓縮機(jī)。再依據(jù)是氣動系統(tǒng)所需要的工作壓力和流量兩個參數(shù)，確定空壓機(jī)的輸出壓力 cp 和吸入流量 cq ，最終選取空壓機(jī)的型號 ()cp p p MPa??? ，一般境況下，令 ( 0 .1 5 ~ 0 .2 ) ( )p M P a?? p —— 氣動執(zhí)行元件的最高使用壓力， MPa cp —— 輸出空氣的絕對壓力， MPa p? —— 氣動系統(tǒng)的 總壓力損失， MPa ( ) 5 0 . 2 5 . 2cp p p M P a M P a? ? ? ? ?? 設(shè)氣罐 b saqq? 3( / m in)cbq kq m? （標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)） bq —— 向氣動系統(tǒng)提供的流量， 3/minm saq —— 氣動系統(tǒng)的平均耗氣量， 3/minm cq —— 空壓機(jī)的吸入流量， 3/minm k —— 修正系數(shù)，主要考慮氣動元件、管接頭等各處的漏損、多臺氣動設(shè)備不一定同時使用的利用率以及增添新的氣動設(shè)備的可能性等因素。一般可令~? 取 ? 32. 25 ( / m in)cbq kq m?? ： 11( 1 ) [ ( ) 1 ] ( ) 0 . 0 6ccp q pnN K Wp??? κ 1(n + 1 )κκ κ 1 [13] N —— 空壓機(jī)的功率 湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 27 n —— 中間冷卻器個數(shù)，取 1n? κ —— 等熵指數(shù)，取 κ= 1p —— 吸入空氣的絕對壓力， MPa 11( 1 ) [ ( ) 1 ]0 . 0 6ccp q pnNp??? κ 1(n + 1 )κκ κ 1 ( 1 1 ) 1 . 4 0 . 5 2 . 2 5 2 . 2 5[ ( ) 1 ] 3 1 . 4 60 . 0 6 0 . 5 KW?? ? ?1 .4 1(1 + 1 ) 1 .4 1 .4 1 根據(jù)以上的計算選取空壓機(jī)的功率為 40KW。 傳感器的選型 傳感器是氣缸位置檢測元件，將位移轉(zhuǎn)換為電脈沖，用于在線測量活塞位移，以便送到控制器中進(jìn)行處理。在每一采樣控制周期，控制器根據(jù)系統(tǒng)偏差大 小，計算出該采樣控制周期所需要的控制量大小，以完成活塞位移的實(shí)時控制。 根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類。物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。 化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。 我們此次的選擇的主要是物理傳感器中的開關(guān)傳感器 —— 當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高 電平信號，用于判斷位置信號的有無。根據(jù)以上我們選擇光電開關(guān)來作為傳感器。型號為： G1VTE015N1，數(shù)量為 11 個。 電磁閥選型 通過控制電磁閥的通電，實(shí)現(xiàn)對活塞缸的活塞桿輸出推力的控制。考慮氣缸的工作的最大壓力為 ，因此我們選用中壓式的電磁閥。且考慮到所選的氣缸為單作用氣缸，所以選用三位四通的電磁閥 [13] 。根據(jù)以上原則選用： 電磁閥型號為 、通徑 —— 12mm、壓力 —— 0~ 、介質(zhì)溫度為 —— 0~ 60℃ 、耐久性 —— 400 萬次 第 4 章 系統(tǒng)的編程和設(shè)計 湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 28 PLC 概論 PLC 的一般結(jié)構(gòu) 用可編程控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實(shí)現(xiàn)。輸入輸出變換和物理實(shí)現(xiàn)可以說是 PLC 實(shí)施控制的兩個基本點(diǎn)，而輸入輸出變換實(shí)際上就是信息處理。物理實(shí)現(xiàn)要求 PLC 的輸入應(yīng)當(dāng)排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場，而輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能 為實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求 I/O 系統(tǒng)電路專門設(shè)計。根據(jù) PLC 實(shí)施控制的基本點(diǎn)的分析，PLC 采用了典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是 CPU、 RAM、 ROM 和專門設(shè)計的輸入輸出接口電路等組成 [10] 如圖 所示。 開關(guān)或傳感器繼電器觸電行程開關(guān)模擬量輸入地址總線 控制總線照明電磁裝置、電動機(jī)其他執(zhí)行裝置或接觸器編程單元輸入接口中央處理單元存儲器輸入輸出數(shù)據(jù)存儲輸出接口 圖 PLC的一般結(jié)構(gòu) 中央處理機(jī) 中央處理機(jī)是 PLC 的大腦，它由中央處理器 (CPU)組成。 中央處理器 (CPU)一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一 塊芯片上。 CPU 通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出 (I/O)接口電路相連接。 存儲器 存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。系統(tǒng)程序是用來控制和完成 PLC 各種功能的程序，這些程序是由 PLC 制造廠家用相應(yīng) CPU的指令系統(tǒng)編寫的，并固化到 ROM 中。 湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 29 用戶程序存儲器用來存放由編程器或計算機(jī)輸入的用戶程序。用戶程序是指使用者根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序，可以通過編程器或計算機(jī)修改或增刪。 輸入接口電路 現(xiàn)場輸入接口電路一般有光電 耦合電路和微電腦輸入接口電路組成。 (1)光耦合電路 :由于輸入和輸出端是靠光信號耦合的，在電氣上是完全隔離的，因此輸出的信號不會反饋到輸入端，也不會產(chǎn)生地線干擾或其它串?dāng)_。同時，由于發(fā)光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內(nèi)阻一般較高，根據(jù)分壓原理可知，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小。正是由于 PLC 在現(xiàn)場信號的輸入環(huán)節(jié)采用了光電耦合，因而增強(qiáng)了抗干擾能力。 (2)微電腦輸入接口電路 :它一般由數(shù)據(jù)輸入寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路構(gòu)成，這些電路集成在一個芯片上?，F(xiàn)場的輸入信號通過光電耦合送到數(shù)據(jù)寄存 器，然后通過數(shù)據(jù)總線送給 CPU。 輸出接口電路 一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。 微電腦輸出接口電路 :一般由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成而成。 CPU通過數(shù)據(jù)總線將要輸出的信號放到輸出數(shù)據(jù)寄存器中。 功率放大電路 :是為了適應(yīng)工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號加以放大。PLC 一般采用繼電器輸出，也有的采用晶閘管或晶體管輸出。 除了上面介紹的幾個主要部件外， PLC 還配有和各種外圍設(shè)備的接口，均用插座引出到外殼上，可配接編程器、計算機(jī)、打印機(jī)、錄音機(jī)以及 A/D ， D/A串行通信模塊等 ，可以方便地用電纜進(jìn)行連接。 PLC 基本工作原理 PLC 雖然具有微機(jī)的許多優(yōu)點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。如常見的鍵盤掃描方式或 I/O 掃描方式，有鍵按下或 I/O 動作則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，無鍵按下則繼續(xù)掃描。 PLC 則采用循環(huán)掃描工作方式，在 PLC 中，用戶程序按先后順序存放， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理，然后順序向輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的 控制信號。這個工作過程分為五個階段 :自診斷，與編程器等的通信，輸入采樣，用戶程序的執(zhí)行，輸出刷新 [7] 。其工作過程框圖如圖 所示。 湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 30 自診斷與編程器計算機(jī)等通信 讀入現(xiàn)場信號 執(zhí)行用戶程序 結(jié)果輸出 圖 PLC的工作過程 每次掃描用戶程序之一前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容為 I/O部分、存儲器、 CPU 等，發(fā)現(xiàn)異常停機(jī)顯示出錯。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。 PLC 檢查是否 有與編程器和計算機(jī)的通信請求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，如接收編程器送 來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進(jìn)行顯示。如果有與計算機(jī)等的通信請求，也在這段時間完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送任務(wù)。 PLC 的中央處理器對各個輸入端進(jìn)行掃描，將輸入的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中，這是輸入采樣階段。 中央處理器 CPU 將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，以對輸入和原輸出狀態(tài) (這些狀態(tài)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù) )進(jìn)行“處理”，即按程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算，再將正確的結(jié)果送到輸出狀態(tài)寄存器中，這就是程序執(zhí)行階段。 當(dāng)所有的指令執(zhí)行完畢時，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉(zhuǎn)換成被控 設(shè)備能接收的電壓或電流信號，以驅(qū)動被控設(shè)備，這就是輸出刷新階段。 PLC 經(jīng)過這五個階段的工作過程，稱為一個掃描周期，完成一個掃描周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復(fù)始地進(jìn)行，掃描周期是 PLC 的重要 指標(biāo)之一，在不考慮第二個因素 (與編程器等通信 )時，掃描周 期 T見公式 () [11] 。 T=(讀入一點(diǎn)時間 X 輸入點(diǎn)數(shù) )+(運(yùn)算速度 程序步數(shù) ) +(輸出一點(diǎn)時間 X 輸出點(diǎn)數(shù) )+故障診斷時間 () 顯然掃描時間主要取決于程序的長短，一般每秒鐘可掃描數(shù)十次以上，這對于工業(yè)設(shè)備通常沒什么影響。但對控制要求嚴(yán)格，響應(yīng)速度要求快的系統(tǒng)，就應(yīng)該精確地計算響應(yīng)的時間，細(xì)心編排程序，合理安排指令的順序，以盡可能減少掃描周期造成的不良影響。 PLC 是以反復(fù)掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說 PL