机电一体化毕业设计（论文）-机电高新技术产品应用.doc

武汉工程职业技术学院 第18页 摘要 随着现代计算机技术的发展和广泛应用，机电一体化技术也得到的前所未有的巨大发展，机电一体化技术使得现代工业生产模式，产品结构和管理体系发生了巨大的变化，使工业生产从原来的“机械电气化”走向了“机电一体化”时代。机电一体化发展到现在，涌现出了许多的高新技术产品，这些高新技术产品已经应用到了生活和工业生产等各个角落。本文将对机电一体化高新技术产品plc可编程控制器作简单的介绍和讨论！本文将简要介绍可编程控制器的原理和组成，并浅谈可编程控制器在现在工业生产中的应用！关键词：机电一体化 可编程控制器 工业生产应用目录 摘要 1绪论3 1.1机电一体化基本概况3 1.2机电一体化发展趋势4 2可编程控制器基本概况5 2.1可编程控制器简介5 2.2.1可编程控制器定义5 2.2.2可编程控制器功能及其特点6 2.3.3可编程控制器应用及发展7 2.2可编程控制器构成及工作原理8 2.2.1可编程控制器的组成8 2.2.2可编程控制器的工作原理9 3 plc控制系统设计11 3.1 plc控制系统的设计原则11 3.2 plc控制系统的设计步骤11 4 plc可编程控制器运用实例分析14小结17参考文献18附录1 绪论1.1 机电一体化基本概况机电一体化又称机械电子学，英语称为mechatronics，它是由英文机械学mechanics的前半部分与电子学electronics的后半部分组合而成。机电一体化最早出现在1971年日本杂志机械设计的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。机电一体化技术具体包括以下内容： （1） 机械技术 机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。 （2） 计算机与信息技术 其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。 （3） 系统技术 系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。 （4） 自动控制技术 其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 （5） 传感检测技术 传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。 （6） 伺服传动技术 包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。1.2 机电一体化发展趋势机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下： 3.1智能化智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。3.2模块化模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。 3.3网络化20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势，利用家庭网络(homenet)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computerintegratedappliancesystem,cias)，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。 3.4微型化微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（mems），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。 3.5绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。 3.6系统化系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除rs232外，还有rs485、dcs人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体花产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。2 可编程控制器基本概况2.1可编程控制器简介2.1.1 可编程控制器定义 可编程控制器简称pc（英文全称：programmable controller），它经历了可编程序矩阵控制器pmc、可编程序顺序控制器psc、可编程序逻辑控制器plc（英文全称：programmable logic controller）和可编程序控制器pc几个不同时期。为与个人计算机（pc）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1987年国际电工委员会（international electrical committee）颁布的plc标准草案中对plc做了如下定义：“plc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.1.2 可编程控制器功能及其特点 1.可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。plc用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的f系列plc平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余cpu的plc的平均无故障工作时间则更长。从plc的机外电路来说，使用plc构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，plc带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除plc以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.硬件配套齐全，功能完善，适用性强plc发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。plc的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。plc有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代plc大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来plc的功能单元大量涌现，使plc渗透到了位置控制、温度控制、cnc等各种工业控制中。加上plc通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用plc组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用plc的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造plc的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5.体积小，重量轻，能耗低以超小型plc为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 2.1.3 可编程控制器应用及其发展 目前，plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1.开关量的逻辑控制这是plc最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（analog）和数字量（digital）之间的a/d转换及d/a转换。plc厂家都生产配套的a/d和d/a转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。2.运动控制 plc可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量i/o模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要plc厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。3.过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，plc能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型plc都有pid模块，目前许多小型plc也具有此功能模块。pid处理一般是运行专用的pid子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。4.数据处理现代plc具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5.通信及联网plc通信含plc间的通信及plc与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各plc厂商都十分重视plc的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的plc都具有通信接口，通信非常方便。 21世纪，plc会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统dcs（distributed control system）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。2.2可编程控制器构成及工作原理2.2.1 可编程控制器的组成从结构上分，plc分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式plc包括cpu板、i/o板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式plc包括cpu模块、i/o模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 cpu的构成cpu是plc的核心，起神经中枢的作用，每套plc至少有一个cpu，它按plc的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和plc内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。cpu主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，cpu单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是plc不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析cpu的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。cpu的控制器控制cpu工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。cpu速度和内存容量是plc的重要参数，它们决定着plc的工作速度，io数量及软件容量等，因此限制着控制规模。i/o模块plc与电气回路的接口，是通过输入输出部分（i/o）完成的。i/o模块集成了plc的i/o电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入plc系统，输出模块相反。i/o分为开关量输入（di），开关量输出（do），模拟量输入（ai），模拟量输出（ao）等模块。常用的i/o分类如下：开关量：按电压水平分，有220vac、110vac、24vdc，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20ma,0-20ma）、电压型（0-10v,0-5v,-10-10v）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用io外，还有特殊io模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按i/o点数确定模块规格及数量，i/o模块可多可少，但其最大数受cpu所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。电源模块plc电源用于为plc各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24v的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220vac或110vac），直流电源（常用的为24vdc）。底板或机架大多数模块式plc使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使cpu能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.2.2 可编程控制器的工作原理plc是采用cpu的工业用控制器，与普通计算机有相似之处，属于串行工作方式，但如果采用普通计算机所使用的等待命令工作方式或查询工作方式，都满足不了原并行逻辑控制电路的要求，为此，plc采用了与普通计算机工作方式差别较大的“循环扫描”工作方式。所谓扫描，就是cpu从第一条指令开始执行程序，直到最后一条（结束指令）。扫描过程分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段，这3个阶段称为一个扫描周期。普通继电器的动作时间大于100ms，一般plc的一个扫描周期小于100ms，目前欧姆龙公司的cj1系列，执行30000步程序的扫描周期时间仅为1.2ms。对于继电器控制电路，根据工艺要求，操作人员可能随时进行操作，因此，plc只扫描一个周期是无法满足要求的，必须周而复始地进行扫描，这就是循环扫描。在扫描时间小于继电器动作时间的情况下，继电器硬逻辑电路并行工作方式和plc的串行工作方式的处理结果是相同的。循环扫描示意图如图所示。 plc循环扫描示意图1输入采样（刷新）阶段在第n个扫描周期，首先进行的是读入现场信号即输入采样阶段，plc依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入输入映像寄存器区（存储器输入暂存区）中相应的单元内。输入采样结束后，如果输入状态和数据发生变化，plc不再响应，输入映像寄存器区中相应单元的状态和数据保持不变，要等到第（n1）个扫描周期才能读入。 2用户程序执行阶段生产plc的各个厂家，针对广大电气技术人员和电工熟悉继电器控制电路（电器控制梯形图）的特点，开发出简单易学的编程语言即plc梯形图，两种梯形图相对应，都具有形象和直观的特点，以电动机正反转控制为例，图1是电器控制梯形图，图2是plc的梯形图，两种梯形图都是由两个梯级组成，每个线圈组成1个梯级。有关plc梯形图的内容将在第2章中介绍。在用户程序执行阶段，cpu将指令逐条调出并执行，其过程是从梯形图的第1个梯级开始自上而下依次扫描用户程序，在每一个梯级，又总是按先左后右、先上后下的顺序扫描用户程序。梯形图指令是与梯形图上的条件相适应的指令，每个指令需要一行助记符代码，程序以助记符形式存储在存储器中。在执行指令时，从输入映像寄存器或输出映像寄存器中读取状态和数据，并依照指令进行逻辑运算和算术运算，运算的结果存入输出映像寄存器区中相应的单元。在这一阶段，除了输入映像寄存器的内容保持不变外，其他映像寄存器的内容会随着程序的执行而变化，排在上面的梯形图指令的执行结果会对排在下面的凡是用到状态或数据的梯形图起作用。 图1 电动机电器控制梯形图 图2 电动机plc控制梯形图3输出刷新阶段输出刷新阶段亦称写输出阶段，cpu将输出映像寄存器的状态和数据传送到输出锁存器，再经输出电路的隔离和功率放大，转换成适合于被控制装置接收的电压或电流或脉冲信号，驱动接触器、电磁铁、电磁阀及各种执行器，这时，才是plc的真正的输出。plc在一个扫描周期内除了完成上述3个阶段的任务外，还要完成内部诊断、通信、公共处理以及输入输出服务等辅助任务。3 plc控制系统设计 3.1 plc控制系统的设计原则1、硬件设计硬件设计内容：plc机型的选择输入/输出设备的选择图样（如接线图等）绘制。硬件设计应遵循的原则：1）经济性2）可靠性3）先进性及可扩展性 2、软件设计软件就是编写满足生产控制要求的plc用户程序，即绘制梯形图或编写语句表。软件设计的原则：1）、逻辑关系要简单明了，易于编程。 如继电器的触点可使用无数次，只要在实现某个逻辑功能所需要的地方，可随时使用，使编制的程序具有可读性，但要避免使用不必要的触点。2） 、保证程序功能的前提下尽量减少指令和程序的运行时间。3.2 plc控制系统的设计步骤plc系统设计的一般方法和步骤：分析生产过程、明确控制要求 绘制系统的流程图 选择plc机型 plc的i/o地址分配 电气电路设计 程序设计与调试 总装调试 试运行1、确定方案被控对象环境较差，系统工艺复杂，考虑用plc控制系统。控制很简单，可考虑用继电器控制系统。用plc控制，首先要了解系统的工作过程及所有功能要求，从而分析被控对象的控制过程，输入/输出量是开关量还是模拟量，明确控制要求，绘出控制系统的流程图。2、选择plc机型plc在可靠性上是没有问题的，机型的选择主要是考虑在功能上满足系统的要求。机型的选择依据：控制对象的输入量、输出量工作电压输出功率现场对系统的响应速度要求控制室与现场的距离等。3、选择i/o设备，列出i/o地址分配表输出设备：控制按钮、行程开关、接近开关等输出设备：接触器、电磁阀、信号灯等1）确定输入、输出设备的型号和数量；2）列写输入/输出设备与plc的i/o地址对照表；3）绘制接线图及编程。分配i/o地址时应注意以下几点：1）把所有按钮、行程开关等集中配置，按顺序分配i/o地址。2）每个i/o设备占用1个i/o地址。3）同一类型的i/o点应尽量安排在同一个区。4）彼此有关的输出器件，如电动机正反转，其输出地址应连续分配。4、设计电气线路图1）绘制电动机的主电路及plc外部的其它控制电路图。2）绘制plc的i/o接线图注：接在plc输入端的电器元件一律为常开触点，如停止按钮等。3） 绘制plc及i/o设备的供电系统图输入电路一般由plc内部提供电源，输出电路根据负载的额定电压外接电源。5、程序设计与调试程序设计可用经验设计法或功能表图设计法，或者是两者的组合。6、总装调试接好硬件线路，把程序输入plc中，联机调试。 4 plc可编程控制器运用实例分析皮带运输机控制设计： 如图所示为原料皮带运输机传输系统示意图，由三个电机km1,km2,km3分别控制3个皮带传输机。要求设计实现下面控制要求的程序。1. 皮带传输机的3种控制方式第一种：km1和km3同时工作。启动后km3首先运行，延时10秒后，km1再投入运行，停止时km1首先停止运行，10秒后km3停止运行。 第二种：km1,km2,km3全部工作。启动时km3首先运行，延时10秒后，km1,k