波峰焊机应用及原理

1、河北化工医药职业技术学院毕业论文PLC在糖衣包衣清洗机上控制的应用刘占强专业班级 机电30801 学 号 47 指导教师 耿惊涛 成 绩 2010年 5 月Hebei Chemical Medical Vocational and Technical College Thesis PLC in the sugar coating to control the application of washing machine Liu zhan qiangProfessional classes Electrical G30801 Studies, No. 47 Geng Jing-Tao instr

2、uctor Results May 2010 摘 要3Abstract4目 录5前 言6第1章 概 述71.1 PLC的由来71.2 PLC的分类与特点71.3 PLC的应用领域与发展趋势81.4 PLC的结构和工作原理81.5 PLC的工作方式9第2章 糖衣包衣硅片清洗机介绍102.1 糖衣包衣硅片清洗机的介绍102.2 PLC应用可行性及优越性13第3章糖衣包衣硅片清洗机PLC控制设计143.1 PLC控制清洗机的程序设计143.1.1 PLC的选型143.1.2 可编程控制器的输入与输出分配153.1.3 梯形图与指令表18第4章 总结26致 谢27参考文献28附录28PLC在糖衣包衣清

3、洗机上控制的应用PLC I/O接口接线图28第1章 概 述1.1 PLC的由来 20世纪60年代末，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断更新的需要，试图寻找一种新的生产线控制方法，使之尽可能地减少重新设计继电器控制系统的工作量以及尽量减少控制系统硬连接线的数量，以降低生产成本，缩短制造周期，减少生产线的故障率，从而有效地提高生产效率。首先，由美国数字设备公司（DEC）研制出符合上述想法的工业控制装置，命名为可编程逻辑控制器，即PLC（Programmable Logic Controller）。1969年，第一台PLC在GM公司汽车生产上首次运行，成功地取代了沿用多年的

4、继电器控制器系统，尽管当时的PLC功能仅具有逻辑控制、定时、计数等功能,但却标志着一种新型的工业控制装置问世。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，20世纪70年代中期又出现了微处理器和微型计算机，这些新技术很快被用到PLC之中，使得PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了运算、数据处理和传递等功能，从而成为具有计算机功能的新型工业控制装置。1980年美国电器制造商协会(NEMA)正式将其命名为可编程控制器(Programmable Controller)简称PC。1.2 PLC的分类与特点PLC一般可按I/O点数和结构形式分类。按I/O点数可分为小型、中型和大型几类。一般小于512点为小型P

5、LC。5122048点为中型，2048点以上为大型PLC。按结构形式可分为整体式和模块式两类。整体式PLC又称为单元式或箱体式。整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件都集中在一个机箱内,其结构紧凑、体积小、价格低。模块式PLC是将PLC各部分分成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块和各种功能模块。有时可根据需要将整体式和模块式结合起来,称为叠装式PLC。它除基本单元和扩展单元外,还有扩展模块和特殊功能模块,配置比较合理。PLC的特点:1可靠性高2编程简单3通用性强4体积小、结构紧凑,安装、维修方便。1.3 PLC的应用领域与发展趋势PLC已广泛应用于国内外的机械、冶金、化工、

6、汽车、轻工等行业中。若按应用类型来划分,PLC的应用领域大致可分为如下几个领域。1、开关逻辑控制2、闭环构成控制3、位置控制4、监控系统5、分布式系统。PLC的发展趋势：1、向高速度、大存储容量方向发展；2、向多品种方向发展；3、编程语言多样化；4、发展智能模块；5、加强联网和通信功能。1.4 PLC的结构和工作原理PLC主要有中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入/输出部件(I/O)、电源和编程器几大部分组成。PLC是以微机处理器为核心的数值式电子、电气自动控制装置,也可以说是一种专用微型计算机。各种PLC的具体结构虽然多种多样,但组成的一般原理基本相同，即都是以微处理器为核

7、心，并辅以外围电路和I/O单元等硬件所构成的。正像通用的微机一样,PLC的各种功能的实现,不仅基于其硬件的作用,而且要靠其软件的支持。实际上，PLC就是一种工业控制计算机，其系统组成、工作原理、操作使用原理都与计算机相同。PLC的操作是按其程序要求进行的，而程序是用程序语言表达的。表达方式有多种多样，不同的PLC生产厂家，不同的机种，采用的表达方式也不相同。但基本上可归纳为字符表达式(即用文字符号来表达程序,如语句表程序表达方式)和图形符号表达方式(即用图形符号来表达程序,如梯形图程序表达方式)这两大类。也有将这两种方式结合起来表示PLC的程序。（1）梯形图 PLC的梯形图编程语言与传统的“继

8、电、接触”控制原理图十分相似，它形象、直观、实用,为广大电气技术人员所熟知。这种变成语言继承了传统的继电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读。当今世界各国的PLC制造家所生产的PLC大都采用梯形图语言编程。（2）指令表 用指令表所描述的编程方式是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式。由于不同型号的PLC的表识符和参数表示方法不一，所以无千篇一律的格式。（3）逻辑符号图 采用逻辑符号图表示控制逻辑时,首先要定义某些逻辑符号的功能和变量函数，它类似于“与”、“或”、“非”逻辑电路结构的编程方式。一般来说，用这三种逻辑能够表达所有的控制逻辑。这是国际电工委员

9、会(IEC)颁布的PLC编程语言之一。（4）高级语言编程 随着软件技术的发展，近年来推出的PLC，尤其是大型的PLC，已开始用高级语言进行编程。许多PLC采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言编程的自动编译程序。采用高级语言编程后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作PLC。除了完成逻辑控制功能外，还可以进行PID调节、数据采集和处理以及与计算机通信等。1.5 PLC的工作方式通常把PLC看作是由等效的继电器、计时器、计数器等元件组成的装置。PLC采用循环扫描的工作方式，其工作过程可分为:内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一次所需的时间

10、称为扫描周期。在内部处理阶段,PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视计时器，以及完成其他一些内部处理。在通信处理阶段，PLC与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。在PLC处于停止运行状态时，只完成内部处理和通信服务工作。在PLC处于运行状态时，除完成上述操作外，还要完成输入处理、程序执行、输出处理工作。随着我国经济的发展，人们对电子设备的需求越来越大、对电子设备的质量要求也越来越高。在电子设备制造中，波峰焊机是一种很重要的焊接设备。因此其控制系统的设计优劣直接影响着焊接的质量。目前，用于波峰焊机控制系统的主要有PLC和工控机。因为可编程控制器(PLC)

11、的可靠性高、抗干扰能力强、性能稳定、容易扩展、便于维护和升级。所以，选定西门子S7-200系列PLC作为主控制器来实现对波峰焊机的有效控制。下面就具体介绍该系统的设计方案和算法研究。2 基本方案控制系统结构复杂的波峰焊机主要包括控制器部分和电气部分。控制系统的核心部分包括控制器、变频器控制、输送链控制、温度控制等等。其系统结构图如图1所示。图1 波峰焊机控制系统基本结构图2.1 上位机监控利用工控机作为上位机。由它运行监控软件。它操作简单、思路清晰、界面友好。上位机软件主要包括以下几个模块:(1) 数据采集、存储模块上位机软机每隔1s向可编程控制器发送读温度命令，然后接受控制器返回的温度数据，

12、经过错误校验以后进行存储并显示。(2) 数据查询模块上位机存储的历史数据可以按照不同的规则进行查询以供分析，系统的设置参数也可以进行查询。(3) PID参数整定模块虽然PID算法大部分是在下位机完成，但是上位机也可以根据需要调整参数kp、ki、kd的初始值。同时，为了更好的发挥上位机软件的强大作用也可以进行神经网络、专家控制、学习控制等智能算法的应用。(4) 通讯模块主要负责与下位机的数据交换及数据格式的转换。2.2 温度控制温度控制是波峰焊机控制系统的核心。系统利用K型热电偶采集温度信号。它通过控制固态继电器的输出来调节占空比，从而改变电阻丝两端的有效电压，达到控制温度的目的。在很多工业控制

13、过程中一般都采用PID控制，特别是对于纯滞后、大惯性的温度控制。PID控制是按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分、微分产生控制作用，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律可以得到比较满意的结果。2.3 步进电机控制在波峰焊机控制系统中有三种步进电机:链幅调节步进电机、流量控制步进电机和喷嘴移动步进电机。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移的一种机电式数模转换器。它受脉冲信号控制，角位移与输入脉冲个数构成严格的正比例关系，每输入一个脉冲，步进电机就转动一定的角度。它具有定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好等特点。因此，它广泛应用于要求精密定位的旋转或线性运动的控制系统。PLC输出的脉冲信

14、号通过步进电机驱动器达到控制步进电机的目的。.步进电机的种类 步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表5-1所示。 表5-1 步进电机的分类分 类 方 式 具 体 类 型按力矩产生的原理（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行（2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行按输出力矩大小（1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（Nm）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载（2）功

15、率式：输出力矩在5-50 Nm以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载按定子数（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式按各相绕组分布（1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列2.步进电机的结构目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种，如表5-1所述。图5-2是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向

16、上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图5-2所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是9，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，如图5-3所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子齿2/3齿距角。图5-2 单定子径向分相反应式伺服步

17、进电机结构原理图图5-3 步进电机的齿距 图5-4是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。从图中可以看出，步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子，图5-5所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。3.

18、步进电机的工作原理步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图5-6是一种最简单的反应式步进电机，下面以它为例来说明步进电机的工作原理。图5-6(a)中，当A相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在AA方向上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐。若A相断电，B相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐，转子沿顺时针转过60。通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度称为步距角。因此，图5-6(a)所示步进电机的步距角等于60。如果控制线路不停地按ABCA的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针

19、转动。若通电顺序改为ACBA，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。图5-4 五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图图5-5 一段定子、转子及磁回路上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为A AB B BC C CA A ；逆时针为A AC C CB B BA A。若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，这时它的步距角等于30。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转30，与B相磁极对齐。其余依此

20、类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角缩小一半。图5-6 步进电机工作原理图图5-6(b)中的步进电机，定子仍是A ，B ，C三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A相通电时，是1和3极与A相的两极对齐，很明显，当A相断电、B相通电时，2和4极将与B相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角等于30，在三相六拍通电方式中，步距角则为15。综上所述，可以得到如下结论：(1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角；(2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；(3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转

21、的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；(4) 步进电机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示： (5-1)式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。对于图5-2所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为若按三相六拍通电方式工作，则步距角为4.步进电机的主要特性(1) 步距角。步进电机的步距角 是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为 。步距角越小，数控机床的控制精度越高。(2) 矩角特性、最

22、大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩 与失调角 的变化规律。(3) 启动频率fq。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。(4) 连续运行的最高工作频率fmax。步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。(5)加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机

23、由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性，如图5-8所示。2.4 网络通讯上位机监控软件和S7-200可编程控制器之间以及PLC和变频器之间用RS-485连接。通信协议是基于S7-200自由口通讯的Modbus协议。Modbus协议是MODICON公司为其生产PLC设计的

24、一种通讯协议。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域结构和内容的公共格式。上位机和PLC的通信使用主从结构，采用请求响应方式，主站发出带有从站地址的请求报文，具有该地址的从站收到后发出响应报文进行应答。Modbus协议有ASCII和RTU两种报文传输模式，在设置每个站的串口通信参数时，Modbus网络上所有的站都必须选择相同的传输模式和串口参数。本系统中我们采用RTU模式进行传输。如图2所示RTU通信帧的基本结构。图2 RTU通信帧的基本结构在下位机PLC中使用Modbus从站协议进行设计。

25、在用户程序中调用Modbus从站指令。如图3所示，MBUS_INIT指令用来设置或改变Modbus通信参数。该指令应只在一个扫描周期内执行，一般用在首次扫描时工作一个扫描周期的SM0.1的常开触点来驱动它。程序中只能使用一条MBUS_SLAVE指令，每次扫描都应调用该指令，以响应接收到的通信请求。图3 Modbus从站协议指令3 软件设计3.1 总体设计波峰焊机控制系统采用模块化的设计方法。整个系统分为监控子系统和温控子系统。其中监控子系统主要完成对各个输入点的监视，若有异常情况发生，迅速做出处理，并对输出进行控制，并且根据系统的状态进行故障处理和报警。同样，温控子系统主要完成的功能有:定时选

26、通A/D转换器对温度信号进行采样、滤波、标度变换、存储;定时对处理好的采样值进行PID计算，输出控制脉冲;接受中断请求，处理上位机发送的命令、状态，上传温度值等等。图4和图5分别是监控子系统和温控子系统的软件框图。图4 监控子系统软件框图图5 温控子系统软件框图 3.2 模糊PID参数自整定算法研究由于电阻炉温度是一种大惯性、纯滞后的控制对象，因此PID算法的参数很难确定。一般的参数整定方法就是根据经验设定其参数初值，然后根据具体工艺条件再进行调整。这种方法费时费力还不准确，所以项目开发了基于继电反馈的模糊PID参数自整定方法。模糊控制器是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，并利用计算机数字控制技术来实现的一种智能控制器。控制器的输出和参数的调整是通过过程函数的逻辑模型产生的，改善模糊控制特性的最有效方法是优化控制规则。图6为模糊控制系统的基本结构。图6 模糊控制系统的基本结构此模糊控制器由四个基本部分组成，即模糊化、知识库、模糊推理