基于PLC和触摸屏的制芯设备控制系统设计

1、开 题 报 告院 系：材料科学与工程学院专 业：材料成型及控制工程 指导教师：刘红学生姓名：李 2015年 3 月 11 日 基于PLC和触摸屏的制芯设备控制系统设计1、 概述1.1选题背景随着铸造生产的自动化水平不断提高，迫切需要对一些由继电器、接触器控制的铸造设备进行改造，从而使一些原有设备得到再利用而产生经济效益。本次试验设计主要是对铸造厂射砂制芯机进行PLC改造，以提高工作效率，实现生产的自动化【1】。制芯机制芯技术广泛应用于世界汽车工业,由于对于新的时代对汽车铸件的尺寸精度和轻量化提出了更高要求。因此,世界各国除了进一步开发控制新技术外,对形成铸件中空部分的型芯制芯工艺和技术进行了深

2、入的研究和开发。当前,制芯机控制技术的主要课题是减少成本、节省人力、自动化。原有的继电器、接触器控制技术不能满足汽车工业及其他相关工业对制芯设备控制技术的高要求，且可靠性差、成本高，而利用PLC技术对热芯盒射芯机改造可以避免这些缺点，满足企业对制芯设备控制技术的自动化的要求。利用PLC和触摸屏实现对制芯设备的自动，半自动以及手动控制的过程中，能够更好地学习和了解PLC本身功能强，可靠性高，操作灵活，编程简便以及适合于工业环境等一系列优点，在工业自动化、过程控制、机电一体化、传统产业技术改造等方面的应用越来越广泛【2】。同时也将热芯盒等造型设备大量快速生产的优势发挥出来。所以本次试验设计选定了对

3、铸造厂射砂制芯机进行PLC改造。1.2热芯盒制芯设备的介绍1.2.1结构简介 热芯盒制芯机的结构主要由三大零部件组成。 1. 立柱部件：主要由横梁、立柱构成设备的上部构架。在横梁上安装有砂筒、砂斗、砂阀部件、压紧缸等零部件构成制芯的供砂、供气系统。 2. 射砂装置：包含有砂筒、气阀、砂筒架、射头、射砂板等零部件组成。工作时由压紧缸将砂筒压紧在芯盒的上平面上，打开射砂阀进行射砂。排气射砂完毕，松开压紧缸（退回原始位置）完成射砂、加砂工作。 3. 模架部件：主要由动模板、左右支架板及导柱、导套、顶杆、合模缸等零部件组成【3】。 VS550热芯盒制芯机的结构简图如图1所示。 图1VS550垂直分型热

4、芯盒制芯机1.2.2工艺流程 热芯盒射芯机工作原理及其工艺过程可表述如下。（射砂筒内装满砂时可最多造6个砂芯，假设射砂筒起始为充满状态）。 热芯盒射芯机采用气动系统控制，射芯机的动作过程包括闸门开，加砂，闸门关、芯盒夹紧、工作台上升，射砂，排气，工作台下降，加热，芯盒打开等。气动系统中相应电磁阀通断电决定某一动作的实现【4】。工艺流程如图2所示 射砂次数6 定时 定时 SQ1工作起动 闸门开 加砂振动 闸门关加砂停 2s 马达动作 5s 停振动马达停 定时 SQ2 SQ3拖板进 左右芯盒夹紧 工作台上升 2s SQ4 定时 定时 SQ5 射砂 排气 工作台下降射砂指示灯亮 3s 射砂

5、指示灯灭 2s 定时 定时加热，加热指示灯亮 芯盒打开 手动 起芯 50s 加热指示灯灭 2s 拖板出 图2 热芯盒射芯机工艺流程图1.3 PLC和触摸屏的介绍1.3.1 PLC介绍（1） PLC的定义 国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计【5】。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。（2） PLC的类型1. 可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类;2.按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；

6、3.按CPU字长分为8位、16位、32位、64位等;4.按控制能力分为微型机、小型机、中型机、大型机等。（3） PLC的功能1. 控制功能：逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序控制。2. 数据采集、存储与处理功能：数学运算功能、数据处理、模拟数据处理。3. 输入/输出接口调理功能：具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种热电阻或热电偶。4. 通信、联网功能。5. 人机界面功能。6. 编程、调试等，使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出

7、程序文件。（4） PLC的特点1. 高可靠性2. 丰富的I/O接口模块3. 采用模块化结构4. 运行速度快5. 功能完善6. 编程简单，易于使用7. 系统设计、安装、调试方便8. 维修方便，维修量小9. 总价格低（4） PLC的控制方式PLC采用循环扫描的控制方式。这种控制方式是在系统程序的控制下顺序扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号。整个工作过程可分为输入处理、程序处理、输出处理三个阶段。1) 输入处理  PLC在执行程序前，将PLC的整个输入端子的ONOFF状态写入到输入数据存储器中。在执行程序的过程中，即使输入变化，输入数

8、据存储器的内容也不变，而在下一个周期的输入处理时，写入这种变化。输入滤波器会造成输入响应滞后(约10ms)，如采用数字滤波的输入端子，可以通过程序修改滤波时间。  2)程序处理  PLC根据程序存储器的指令内容，从输入数据存储器与其他软器件的数据存储器中读出各软器件的ONOFF状态，从0步开始进行顺序运算，每次将结果写入数据存储器。因此，各软器件的数据存储器随着程序的执行逐步改变内容。而且，输出继电器的内部触点可利用输出数据存储器的内容执行。  3)输出处理  所有命令执行结束时，向输出数据存储器传送输出Y的数据存

9、储器的ONOFF状态，这成为PLC的实际输出。PLC的外部输出触点的动作按输出用器件的响应滞后时间动作(10ms)【6】。（5） PLC的应用目前，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、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。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

10、)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换【7】。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

11、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【8】。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。1.3

12、.2 人机界面介绍（1）人机界面的定义 连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成【9】。HMI为英文Human-Machine Interface的缩写。（2）人机界面（HMI）产品的组成及工作原理         人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根

13、据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如JBHMI画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。 （3）人机界面的功能  1. 基本功能：设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等；数据、文字输入操作，打印输出； 生产配方存储，设备生产数据记录；简单的逻辑和数值运算； 可连接多种工业控制设备组网【10

14、】。      2.选型指标：显示屏尺寸及色彩，分辨率；HMI的处理器速度性能；输入方式：触摸屏或薄膜键盘；画面存贮容量，注意厂商标注的容量单位是字节（byte）、还是位（bit）；通讯口种类及数量，是否支持打印功能。       3.使用方法：明确监控任务要求，选择适合的HMI产品；在PC机上用画面组态软件编辑“工程文件”；测试并保存已编辑好的“工程文件” ；PC机连接HMI硬件，下载“工程文件”到HMI中；（4）EasyBuilder8000威纶触摸屏的发展与应用 1) 威纶触摸屏在电气工程的应用，主要是其监控系统包括主

15、监控器、电池巡检仪、操作界面、支路馈线绝缘检测传感器等部份组成。功能完备、智能控制、无人值守，有自动化综合管理接口。数据记录、掉电保持【11】。功能：1.两路交流检测和自动切换；2.各整流模块电压、电流检测；3.电池电压、电流检测和自动充放电控制；4.合闸母线电压、电流检测；5.控制母线电压、电流检测、接地电阻测量；6.电池组端电压巡检，浮充电压温度自动补偿；7.支路馈线绝缘检测；8.控制母线自动调压控制； 2）威纶触摸屏在锅炉生产行业中的应用 锅炉控制系列主要由可编程控制器，人机界面以及变频器组成一个完整的控制体系。 其中人机界面选用台湾WeinView性价比最好的MT506M人机界面。它是

16、市场上一款性价比最高的触摸屏，可以与市场上出现的各种PLC直接通讯，比如说三菱西门子欧母龙等，还可以通过MODBUS协议跟单片机直接通讯WeinView人机界面是以32位RISC处理器为核心，触摸屏的反应速度WeinView触摸屏EasyBuilder编辑软件中集成软件使用非常方便【12】，日前是触摸屏软件普及率最高的软件，离线模拟功能，在没有触摸屏的情况下，可以在电脑上模拟编辑好的程序。2、 主要研究内容内容主要为热芯盒制芯设备的工作原理及生产工艺过程，控制系统的设计（主要包含硬件配置和软件设计），以及调试三个部分。2.1分析设备工艺过程 首先要分析清楚热芯盒制芯设备的整个工艺过程，能够以流

17、程图的形式将其简单明了的表示出来，然后转换成顺序功能图的形式表示出来，以方便后期的PLC程序的编写。2.2硬件配置 硬件部分包括上位机，下位机的选择，首先计算IO点数，然后了解工艺要求、熟悉各品牌各系列PLC性能、了解相关价格和服务、软件技术资料等。在其主控系统采用PLC控制，能够满足造型机的生产工艺要求，能够实现自动、半自动以及手动操作，便于调试，运行中可实现急停，有报警功能基础上选择上、下位机，进行硬件配置。2.3软件设计软件设计包括系统输入输出点数的确定，根据该射芯机所有的输人信号（包括传感器、转换开关、按钮）、输出信号(包括电磁铁、中间继电器、原位指示灯）等编制顺序功能图，并由此编制出

18、梯形图，编制好梯形图后进行上机调试。 系统引进Easy Builder8000来绘制界面，查资料根据设备的工作过程，建立各种画面，以便进行参数设置与动画演示。程序中要有全自动、半自动及手动功能，而动画演示则能将热芯盒制芯设备的工艺流程以动画的形式直观的表达出来。最终将PLC与EB8000完成数据通讯，能够利用上位机的监控界面获取实时数据，处理后以图形方式显示在上位机屏幕上，完成各个工部的动画。2.4调试程序调试程序，当程序开始执行时，观察模拟运行效果动画，观看动画是否按照要求进行运行，修改调试，直至程序与动画运行完全正确为止。最后撰写毕业论文。3、 实验方案（1）查阅相关文献资料，深入了解掌握

19、制芯设备的工作原理和工艺过程。在此基础上简要的画出制芯设备的工艺流程图。（2）根据设备的生产工艺要求进行控制系统的硬件配置。在生产工艺过程中，由输入信号与输出信号确定制芯设备的I/O信号，并计算出总的需要数量。选用的PLC所具有的I/O点数应比计算出的 I/O点数稍多一些，以备可能追加和变更控制性能的需要。要根据工艺流程的步数对程序规模作出估算，并据此确定合理的存储容量。在符合这些条件的基础上进行硬件配置。（3）根据制芯设备的工艺流程图编制出顺序功能图，再转换为梯形图，完成控制系统的软件编制工作。（4）制作人机交互界面。例如根据输入信号编写参数设置页面，根据工艺流程编写工作车间效果图等等。（5）调试程序直到触摸屏动画可以正确地模拟制芯设备工作为止。（6）翻译一篇与毕业设计内容相关的英文文献。（7）整理程序，写作毕业论文，准备答辩。4、 进度计划 （1） 1周2周：查阅相关文献资料，深入了解PLC的编程与控制以及制芯设备的工作原理和工艺过程。写开题报告。 （2） 3周5周：进行控制系统的硬件配置，对上位机、下位机硬件的选择与配置，同时配置好开关与传感器。 （3） 6周9周：编写PLC程序，先确定PLC点数，画好I/O接线图。根据制芯设备的工作过程，确定程序的顺序功能图，再由功能图编制出梯形图。然后上机连线