基于PLC的线棒热压机控制系统机械工程毕业设计调研报告.doc

实习(调研)报告一、 课题的来源及意义发电机的生产历史已很悠久，工艺基本定型，随着现代科学技术的发展，大多数工艺已基本实现了机械化和自动化1。但是，在电机生产过程中，线圈热压成型工艺迄今为止仍是手工操作，工人的劳动强度大、生产效率较低，产品质量不能得到很好的保证。此外，对每一种规格型号的线圈都需制备、更换和使用相应的一种压铁，不仅浪费材料，又极大地制约了生产的发展。如何确保发电机线圈的各部分尺寸满足成型线圈的设计要求，提高下线的工艺水平及缩小同国际发达国家在成型线圈制造工艺水平上的差距，已成为中型电机成型线圈制造新技术的工作目标。因此，迫切需要研制新一代效率高的专用设备即热压机床来完成压制线圈的任务，国内在成型线圈热压型设备的研制方面已取得了初步成效，并已形成一定的产业规模。要满足对成型线圈的设计与工艺要求,依据经绕制后的发电机线圈的直线度和线圈截面尺寸,是设计和制造中型电机成型线圈热压型设备所普遍遵循的原则.而经过热压固化后的线圈的截面尺寸是成型的关键2。这不仅依赖于成型线圈热压型设备精密紧凑的结构设计和现代化的制造工艺，采用先进的、精确的控制技术更是起到举足轻重的作用。为确保发电机线圈的各部尺寸满足线圈的设计要求，提高下线的工艺水平，因而开发适合的发电机线圈热压机床加热加压智能监控系统，实时反映设备生产状态，对提高设备生产效率，保证设备稳定运行具有非常重大的意义。在现场实时采集设备的运行状态数据，能够为车间管理者统计设备的产能，同时可为车间技术人员完成有关的信息的统计有很大的帮助。可以为管理者提供生产设备以及质量相关数据的统计结果和趋势图。为用户提供生产状况的总体认识。智能监控系统的建立,能够有效的提高企业竞争力，实现可持续发展的同时为生产创造更大的经济效益。二、 国内外发展状况1.机电控制系统国内外发展状况 所谓自动控制，指的是在没有人直接参与的情况下，利用控制器自动调节和控制机器设备或生产过程的工作状态，使之保持不变或按预定的规律变化这样一种现象。自动控制系统是由一些机电元件或装置以实现自动控制为目标而按照一定的方式和内容连续组合而成的一个整体。 机械自动控制系统控制对象是机械，现代机械系统与自动控制系统常常融合在一起，构成“机电一体化系统”3。 而提到机械自动控制一定离不开工控计算机。工业控制计算机(简称工控机)是以计算机技术为基础的新型工业控制装置,目前已成为工业控制的标准设备,被广泛地应用于各行各业,工控机是实现生产自动化的最佳配套产品,而工业可编程序控制器(PLC)则在工控领域中占有主要的地位。 PLC( Programmable Logic Controller),是可编程逻辑控制器的缩写。它是一种以微处理器为核心,综合了计算机技术、电器控制技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置,具有如下特点4:(1)高可靠性:如三菱、西门子、欧姆龙的PLC产品,平均无故障时间大大超出IEC规定的10万小时,并可采用多机冗余系统,进一步提高可靠性。(2)编程方便、易于使用:梯形图语言、SFC、功能块等多种编程语言和方式,直观易懂,易于上手。(3)控制功能极强:除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外,还可实现点位控制、PID控制、过程控制、数字控制等功能,还可进行远程控制。(4)扩展机与外部连接极为方便:各个受控设备可通过PLC网络模块连接在一起,实现有效信息资源的共享于交换。在自动化控制系统中,可编程逻辑控制器起着核心作用。可编程逻辑控制器于1969年在美国面世,经过30多年的发展,现在已成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。可编程逻辑控制器由CPU(中央处理单元)、存储器、输入输出模块、可编程器和电源五大部分组成。 它的CPU采取扫描方式工作,每一次扫描完成以下工作5 : (1)将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。(2)逐条读入后解释用户程序,产生相应控制信号去控制相关电路,完成数据存取、传送和处理工作,并根据运算结果更新各个相关寄存器内容。(3)将输出映像寄存器的内容送给输出模块,去控制外部负载。PLC的CPU是以分时操作的方式处理各项任务的。由于运算速度高,从PLC的外部输入、输出关系来看,处理过程几乎是瞬时完成的。PLC的用户程序由若干条指令组成,指令在存储器中按步序号顺序排列。用户程序采取扫描工作方式运行。在没有跳转指令的情况下, CPU 从第一条指令开始,顺序逐条的执行用户程序,直到用户程序结束,然后,程序返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描循环,达到实时控制的目的。根据国外资料统计,在工业控制中80%都采用PLC来完成。因为顺序控制是工控不可缺少的一环,几乎任何一个过程控制和生产管理都是有步骤地进行的,因此都可以采用PLC。目前国外PLC应用于自动控制这一领域占60%,应用于数据管理占20%,用于生产管理占18% ,用于人机接口占22%。可见对于工控来说PLC占主导地位,而数据处理、生产管理等目前计算机仍是主体。目前,全世界约有PLC生产厂家约200家,生产300 多个品种。全球PLC发运件数1998 年为1456万件,1999年为1620万件, 2001年达到1778万件。在2001年发运的PLC中,按最终用户分:汽车占23% ,粮食加工占16.4%,化学药品占14.6% ,金属、矿山占11.5%,纸浆、造纸占11.3% ,其他占23.2%。而且随着PLC与IPC、DCS集成,PLC逐渐成为占自动化装置及过程控制系统最大市场份额的产品。2000年PLC的销售额在控制市场份额中超过50%6。在全球PLC制造商中,根据美国Automation Research Corp(ARC)调查,世界PLC领导厂家的五霸为Siemens(西门子)公司、Allen-Bradley(A-B)公司、Schneider(施耐德)公司、Mitsubishi(三菱)公司和Omron(欧姆龙)公司,他们的销售额约占全球总销售额的三分之二7。随着计算机科学发展和工业自动化愈来愈高的需求,可编程控制技术得到了飞速的发展,其技术和产品日趋完善。仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去, PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要,而且将通信技术和信息处理技术融为一体,其功能也日趋完善。2.电机成型线圈热压型装备的现状2.1电机成型线圈热压型装备的种类制造中型电机各种线圈所使用的设备，大部分是一些专用的非标准设备，在这些设备上安装一种或者数种工装和模具，可以对原材料或半成品按工艺技术要求进行加工，达到所需要的形状尺寸，制造出电气性能优良和机械性能较高的各类成型线圈。中型电机成型线圈的热压型设备种类很多8，现分述如下：按用途来分，主要有两大类：一类用于制造定子成型线圈，如圈式定子线圈油压机，这类设备的主要特点是采用液压系统来实现对定子线圈的加压。另一类用于制造转子成型线圈，如发电机转子线圈多头油压机，该设备的最大特点是用蒸汽加热板对转子线圈加热。还有制造磁极成型线圈的立式四柱油压机，有100t，250t，400t油压机多种规格。按结构分，中型电机成型线圈的热压型设备分为上压式和下压式。上压式结构其公称压力在4000kN以下，主要特点是油缸及活动横梁在油压机的上方，活动横梁从上往下压制。油压力在4000kN或者更大的都采用下压式结构，这种结构是油缸及活动横梁在油压机的下方，而活动横梁是从下往上压制。按成型线圈热压设备的加热方式分，有远红外线加热管、电加热管、电加热丝、晶闸管温度自动控制电热模及蒸汽加热板等。圈式定子线圈油压机中采用晶闸管温度自动控制电热模。这种装置能自动控制压铁所需的温度，而且具有控制精度高，寿命长，无噪声等优点。蒸汽加热板是利用水汽管系统中的蒸汽作为转子线圈加热的热源。这种加热方式比较简单，0.11Mpa的蒸汽，就可使加热板温度达到160左右。佳木斯电机厂2采用远红外线加热管。对热压型机进行加热，加热温度可随意调整，并且能够自动显示。多数中型电机成型线圈热压设备中都采用电加热管加热，因为其加热均匀，能保证电枢线圈的加工质量。而电热丝加热方式由于其极易烧断，而且维修时须将模具打开拆卸，耗时费力，因而应用不是很广泛9。按成型线圈热压设备的加压方式分，有采用汽压装置、液压装置以及杠杆原理来实现的。大多数热压型设备都采用液压系统实现对成型线圈的压制。它是用液压油作为工作介质，通过液压元件和管道来传递动力和控制某些动作。液压传动具有传动平稳，单位重量的输出功率大，结构紧凑，惯性小，承载能力大，能方便有效地进行无级调速，而且调速范围大，控制和调节简单、方便、省力，容易实现自动化控制等优点。常州牵引电机厂9研制的冷、热压模设备采用汽压装置加压，这种装置虽然也有液压系统的一些优点，但由于其冲击力，噪音大等缺陷，限制了它的广泛应用。运用杠杆原理来压制成型线圈，由于压紧力的大小不易调整，承载能力有限，结构比较庞大，而且传动不平稳等，故这种加压方式的应用也受到了制约。可以期待随着工业生产的不断发展，制造成型线圈的各种新型的高效的现代化设备行将问世。2.2我国电机成型线圈热压型装备的现状我国在中型电机成型线圈的制造工艺技术研究方面起步较晚，尤其是在成型线圈热压型设备的研制方面，受材料制造技术和相关试验技术水平的牵制程度还很大。我国研究设计制造的成型线圈热压型设备。佳木斯电机厂2研制出中型电机成型线圈的热压型机。该设备集机、电、液压一体化，主要由加热装置和加压装置两部分组成，采用由液压系统驱动的上压缸和侧压缸同时对线圈进行压制，两个方向的压力分别可调，保证了不同尺寸的线圈压力的需要。该压型机的设计与制造，为成型线圈的压制提供了较好的设备，提高了生产效率。但加压装置中上工作台与活塞，下工作台与床身之间热量损失较多，致使活塞杆密封处的胶圈过早老化，而且局部会产生一定的温差。常州牵引电机厂黄青9设计制造出一种适用于直流牵引电动机电枢绕组的冷、热压模设备。该设备采用汽缸拉紧压杆，能够保证夹紧力大小。加热装置采用电加热管加热，热电偶测温，加热均匀，维修更换方便，而且通用性强，节约了生产成本。集美大学刘丽莉等人10主要是借鉴发达国家的制造工艺，结合生产实践和经验总结的结果。采用MCS一51系列单片机对成型线圈热压型机的工艺温度进行实时控制，避免了仪表控制温度浮动范围大，温度控制不准确的缺点，且输出结果比较直观。当加热时间或温度达到设定值时，系统能自动报警，提示工作人员装、卸线圈。该设备稳定可靠，控制效果良好，提高了生产效率，具有很大的推广价值。这些成型设备的研制成功，标志着我国在中型电机成型线圈热压型设备的制造工艺技术方面已取得一定的进展，这无疑为研制科学化、现代化的电机成型线圈热压型设备注入了新的催化剂。但要跟上国际发达国家的先进水平，还有很多工作要做。首先，成型线圈的形成要经过线圈的绕制、张形、成形、热压固化等一系列工序 ，各道工序之间密切联系，互相制约，相互影响，要想获得符合工艺要求的成型线圈，必须考虑其它几道工序，特别是绕制线圈的截面尺寸和直线度，这更为研制热压型机增加了难度。其次，我国在成型线圈工艺制造的研究方面的投入力度还很不够，能够获得符合工艺要求的成型线圈的制造设备的国产化程度及技术水准还很低，并且缺乏必要的试验检测和验证手段。目前，瑞士Von Rou Isola公司作为国际电机与发电机生产的大企业，已实现热压线圈的自动加热加压与保持，但国内对于此种工艺的研究报导的很少。再次，线圈的绝缘结构对成型线圈的质量也会产生很大影响11。 三、 课题研究的目标本次课题的研究目标是在发电机线圈热压机床的加热加压的控制系统中应用智能监控系统和PLC控制技术，使整个热压机的性能得到极大提高，并使生产效率和产品的加工质量有所提高。通过智能监控和控制系统的目的是使发电机线圈热压机床具有以下特点：(1)适应性强，即增强机床的柔性,机床随着生产对象变化而变化的适应能力。在发电机线圈热压机床上进行产品加工，当线圈的型号改变时,仅仅需要改变部分系统参数就能适应新产品的生产需要，而不需要改变整体机械部分和控制部分的硬件，而且生产过程是自动完成的。提高了产品的柔性程度。(2)实现复杂的运动控制。智能监控系统可以使发电机线圈热压机床按着任何动作顺序来工作，从而适应任何复杂的工序要求。(3)加工精度高，产品质量稳定。应用智能监控系统后发电机线圈热压机床是按照预定程序自动工作的，一般情况下工作过程不需要人工的干预，消除了操作工人人为产生的误差，通过制造设备主机时,采取提高机械部分精度等措施，并且可以通过实时检测反馈修正误差或补偿来得到更高精度，使得机床的产品质量得到稳定的控制。(4)生产效率高，智能监控系统使发电机线圈热压机床具有较高的自动化程度，加工的整个过程都有系统自动控制完成，工序比较集中，减小工人劳动强度的同时使得生产效率明显提高。(5)有利于科学化生产管理。采用智能监控系统能准确地计算产品生产工时，并有效简化工件成品和半成品的管理工作。智能监控系统可以与整个生产车间乃至整个工厂的网络连接，构成由计算机控制和管理的生产系统,实现生产的系统化管理。四、课题研究的内容发电机作为大型发电设备中的关键设备，其线圈生产过程非常复杂，对加工时加温定性过程要求严格，其加热温度的控制决定了发电机的性能、绝缘性、耐久性和稳定性等性能。加热温度必须按照设计好的要求在各时间段内逐渐升高，温度变化过程直接影响产品的质量和生产效率。加热过程中，对象特性是时变的，且有很大的滞后，造成温控难点，但温度直接影响发电机的品质、产量，控制精度要求较高。本课题针对加热过程的特殊性设计一种计算机控制的自动控制系统。采用简单PID控制算法对加热过程中的快速加热、中速加热、保温过程进行控制。要求各个部位具有各自独立的工艺控制曲线，满足在不同品种、不同位置，甚至不同季节的不同温控过程，生产不同品种的发电机线圈。本课题首先做总体设计，要实现热压机的设计得将其分成两部分，液压部分与电气部分。液压部分要设计液压的回路，选用的各种阀的类型。电气部分要对液压部分进行控制，实现机，电，液一体化。电气部分使用PLC控制，不仅可以达到控制要求精度，还可以为以后机器升级带来方便。整个设计通过对液压原理、电气原理以及PLC控制系统的设计得以实现，可以保证控制精度的要求，达到生产实际所需的工艺和质量要求。五、课题研究的方法和手段1.了解发电机线圈制造的相关信息（1）了解发电机线圈的加工工艺过程； （2）了解符合发电机线圈加热定性的工艺要求； （3）了解整个加工流程对发电机线圈控制的要求，包括温度的采集和控制、压力的采集和控制、控制过程中的保护等方面。2.进行控制系统总体设计 发电机线圈加工所用的热压机必须实现加热加压，而且加热加压温度必须按照设计好的要求在各时间段内逐渐升高，温度变化过程直接影响产品的质量和生产效率。加压过程中压力要求很大，而且不能超过工艺要求，能实时的反映出来以便更好的控制。加热过程中，对象特性是时变的，且有很大的滞后，造成温控难点，但温度直接影响产品的品质、产量，控制精度要求高。所以必须使用热电偶实时监测温度变化，以便很好的控制。在总体设计中初步确定控制系统需要采集监测的参数，并确定控制系统的大致控制和调节功能。发电机线圈加工温控系统的基本要求是：较快的响应速度，合理地追踪，采集以及显示数据，按照固化工艺要求，最终获得目标固化质量要求。在固化过程中，固化温度较工艺要求温度会出现一定程度的偏差，这是工艺过程中出现的必然状况或控制过程不可避免的，然而自动控制要保证这种偏差尽量小，失去平衡后要尽快恢复稳态。为了实现温控系统的基本要求，本加热系统采用PID控制方法。PID控制是最早发展起来且目前在工业过程控制中依然是应用最为广泛的控制策略之一，这是因为PID控制器结构简单，且综合了关于系统过去、现在和未来三方面信息，对动态过程无需太多的预先知识，鲁棒性强，控制效果一般令人满意，而且为广大工程技术人员所熟知。 3.进行电气控制系统设计本次设计是基于 SIMATIC S7-300 PLC实现简单的PID 控制策略的控制系统设计。由于系统的硬件已经选定，并已有总体设计思路，所以这一步的工作重点是在控制系统程序的编写与调试上。PLC编程软件以西门子公司的STEP7作为软件编程环境，尽可能采用模块化的方法进行编程，从而组织清晰、结构明确、易于修改。在上述完整的软件设计流程中，根据设计出的框图与细化功能图编写控制程序是整个工作的核心部分。具体步骤如下：(1)绘制程序控制流程图(2)设计梯形图(3)将梯形图下载到PLC(4)对程序进行调试和修改(5)联机调试(6)编制技术文件4SIMATIC S7-300 PLC及其编程软件简介（1）SIMATIC S7-300 PLC 简介1215 PLC 的工作过程是以循环扫描的方式执行用户程序来完成控制任务，其中包括：程序对各个过程输入信号进行采样，对采样信号进行运算和处理，并把运算结果输出到生产过程之中（每一步之间都可以有中断）。 运行监控任务； 与编程器交换信息任务； 与数字处理器交换信息任务； 与外部设备接口交换信息任务； 执行用户程序任务； 输入输出信息处理任务。由于 PLC 采用周期扫描式的工作，所以它的程序执行、中断处理及输入输出处理等方式都和计算机有所区别。PLC 也是一种广义的计算机系统,它之所以能如此迅速的发展是它有着普通计算机所不及的一些特点。 可靠性：包括其有效性和可维修性； 易操作性：主要表现在其操作方便、编程方便、维修方便三个方面； 灵活性：主要体现在其编程灵活、扩展灵活和操作灵活。控制系统中使用的 PLC 是S7-300，提供了多种性能的 CPU和丰富的且带有许多功能的 I/O 模块，各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块，而且当控制任务增加并且愈加复杂是，可随时附加模块对 PLC 进行扩展，系统扩展灵活。它的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，主要有：高速指令处理功能；集成在S7-300 系统内的人机界面功能；CPU 智能化诊断功能及口令保护等。SIMATIC S7-300 是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展，系统主要有由中央处理单元、存储器、信号模块、通信处理器、功能模块以及其他辅助设备。（2）S7-300 编程软件 STEP7 简介1624S7-300 PLC的编程语言是STEP7，STEP7有着结构化程序设计的优点，用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需要的数据，如果这些文件块是子程序，可以通过调用语句，将它们组成结构化的用户程序。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。STEP7将用户程序指令存放在“块”中。通常，用户程序由组织块(OB)，功能块(FB和FC)、数据块(DB)构成。组织块(OB)是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。OB块根据操作系统调用的条件(如事件中断、报警中断)分为几种类型，这些类型有不同的优先级，高优先级的OB可以中断低优先级的OB。每个S7-300 CPU中包含一套可编程的OB块，不同的OB块执行特定的功能。OB1是主程序循环块，OB35是时间中断块等。功能块(FB和FC)实际上是用户子程序，分为带“记忆”的功能块FB和不带“记忆”的功能块FC。前者有一个数据结构与该功能块的参数表完全相同的数据块(DB)附属于该功能块，并随着功能块的调用而打开，随功能块的结束而关闭。功能块FC没有背景数据块，当FC完成操作时数据不能保持。另外在每个S7 CPU中，常驻有系统功能块(SFB和SFC )。数据块(DB)是用户定义的用于存取数据的存储区，可以被打开或关闭。DB可以是属于某个FB的背景数据块，也可以是独立的通用全局数据块，用于FB和FC。六、实验方案的可行性分析1.个人的知识准备、开发能力方面基本了解发电机线圈控制系统的相关背景知识，机电系统控制和PLC控制的基础知识掌握的也比较牢固，设计部件的层次比较清晰，对PLC编程和电脑绘图软件的使用有基本的了解，学习新事物的能力较强。2.开发工具方面以PLC编程软件STEP7为主。七、课题研究的进度安排毕业设计总共14周，大致安排如下：第1周：接受任务书，理解设计课题的主要任务，查找相关的中外文资料，调查国内外现状，写相关调研报告，初步完成外文翻译工作。第2周：进一步细化调研报告何外文翻译。第3周：提交调研报告和完成外文翻译。第4周：对发电机线圈控制系统设计进行分析，了解发电机线圈控制系统相关知识。第5周：学习PLC编程软件STEP7及相关编程知识。第6周：形成初步设计思路。第7-10周：上机编程设计。第11周：进一步完善所有设计内容。第12周：撰写毕业设计说明书，调整排版格式并打印装订。第13周：接受指导教师和评阅人对毕业设计论文的评阅工作，提出毕业答辩申请。第14周：参加毕业答辩。八、可具备的实验条件硬件环境：CPU：Mobile Intel(R) Pentium(R)4-M 2.40GHz 内存：1G软件环境：操作系统：Microsoft Windows XP Home Edition sp2 开发工具：STEP7 编程软件 浏览器：Micro