弯管机PLC+液压毕业设计说明书

1、苏世清:大弯管机控制系统设计辽宁工程技术大学毕业设计（论文）PAGE 44PAGE 47引言管材的弯曲加工，在金属结构、农牧机械、工程机械、动力机械、以及锅炉、石油化工、电力、轻工、管道工程、航天机械等工业部门，有着十分广泛的应用。随着经济建设的迅速发展，对各种弯曲成型管件的数量、规格及用材的要求都在不断地增加，花样不断翻新，同时对弯管精度和表面质量提出了更高的要求。这一特点在某些行业如电力系统中尤为突出。目前600MW的火力发电机组的主蒸汽管路的直径已达663mm，壁厚可达103mm，其管材为12CrlMov高温合金钢。采用最新的控制手段设计了适用于大口径、厚壁管线的弯管机, 采用了控制系统

2、, 用于弯管工艺的自动控制和弯管质量控制。现在的大型电力管道国内外主要采用大型中频加热弯管机进行弯制，但国内的中频加热弯管机多以国外技术为蓝本，采用机械传动，不仅造价昂贵，自动化程度也偏低，很多都需要手动操作。尤其当设备严重老化时，运行极不稳定，因此难以使每一种管径的钢管在弯制过程中的工艺水平达到最优状态，所弯制出的弯管，其质量和精度比较差，不符合国内一些重大工程的要求，例如大型电站的机组、西气东输等工程需要的管道大部分依赖进口。本论文在现有弯管技术的基础上，通过反复的研究，决定采用液压系统代替机械传动，并且利用可编程逻辑控制器(PLC)实现生产过程的自动控制，借以消除现有弯管机中存在的问题，

3、以期提高弯管的质量和精度。这种新型的弯管控制技术从弯管的实际出发，着重的是理论联系实际，其结果可以直接的应用于实际生产，可以节省大量的成本，同时对弯管的研究也具有深远的意义。1绪论1.1课题背景弯管机，其工作原理是将钢管匀速推进，钢管沿预设的轨道行走从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。先将钢管安装就位，通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好弯曲半径，采用加热圈对钢管加热到一定温度后进行弯曲，弯曲时以液压为动力，由小车将钢管向前推进，沿调整好的弯曲半径在加热处发生变形而弯曲，钢管变形后对其喷水冷却，从而获得所需的弯管管件。1.2课题研究的意义西气东输是国家为开发西部进行的战略性工程，在西气

4、东输中，需要大量大口径弯管用于管线转弯处，这些管线的口径在，厚度在巧以上，国内管道行业现有的弯管能力最大， 电气控制系统采用继电器控制和专用电路控制相结合，不能满足工程需要，为此，在充分消化吸收原有弯管设备特点的基础上，采用最新的控制手段设计了适用于大口径、厚壁管线的加热弯管机，采用了控制系统，用于弯管工艺的自动控制和弯管质量控制。1.3 国内外研究现状及发展方向可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller简称PLC)是一种采用微机技术的通用控制器，专为工业环境下的应用而设计。可编程逻辑控制器采用可编程存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计

5、数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出方式控制各种类型的机器或生产过程。可编程逻辑控制器的出现彻底改变了工厂自动控制的面貌，使传统的继电器接触式控制方式受到了巨大的挑战。随着微电子技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器也开始采用通用的微处理器，它的功能就不再局限于当初的逻辑运算，同样也具备诸如算术运算、数据的输入输出、网络通信等等功能。因此，人们更确切地称之为可编程控制器(Programmable ControIler)，简称为PC，但是个人计算机(Personal Computer)习惯上也简称为Pc机，为避免混淆，人们通常仍旧沿用可编程控制器的传统简称一PLC。多年来，微机化

6、的可编程控制器得到了惊人的发展，在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破，不仅控制功能增强，编程和故障检测也更为灵活方便，而且远程IO和通信网络、数据处理以及图像显示的发展，使可编程控制器向连续生产过程控制方向发展。特别值得一提的是，可编程控制器替代传统的继电器接触控制方式，取得了相当好的收效。弯管机的发展与计算机技术的发展息息相关，早在20世纪70年代时，美国 EATONLEONARD公司就已经研制生产了计算机数控弯管设备，首创计算机编程数控弯管之先河，大大提高了当时的数控弯管水平。 20世纪 80年代，日本千代田工业株式会社在美国 EATONLEONARD公司的研究成果上，成功

7、研制了 M-1型管型测量机和 EC、TC两种系列十多种型号的数控弯管机，功能非常强大，很快便以崭新的技术面貌挤入了国际市场。我国的数控弯管机研究起步较晚，但发展很快，早在 1970年武昌造船厂就研制成功一台数控弯管机，这是国内自主研制的第一台数控弯管机。1973年武昌造船厂又成功研制了 SKWG-2型数控弯管机。此后上海造船厂工艺研究所等多家国内企业也陆续研制出了数控弯管机。目前我国弯管加工的现状是既有自动化程度高的数控弯管机，也有半自动的数控弯管机，甚至还有相当一部分中小企业还在使用传统的手工弯管，具有典型的“老、中、青”(即手工弯管设备、半自动弯管机床和全自动弯管机床)三者结合的中国特色。

8、1.4 本文研究的主要内容本课题主要是对弯管机机电器控制部分的研究与实现。由于弯管工艺对其加热过程的速度和温度都有较高要求，所以弯管机在对钢管推制过程中的加热温度和推制速度的控制要求相当高。在弯管成形过程中常会因速度和温度控制不当引起管径开裂、管壁厚度不均缺陷。因此，本课题的主要研究内容是：设计一个怎样的控制器去控制弯管机的温度和速度使其在减少次品率的条件下又快又好的推制出所要求角度的弯管。其次，弯管机电器控制系统CPU为控制核心，输入约30个数字量I/O点（若干限位开关、手动开关、继电器）。其他电器包括三台电动机。对他们的系统设计也是本课题的一个研究方向。1.5 论文结构本文通过五部分对中频

9、加热弯管机电气控制系统设计进行了叙述：1 绪论，介绍了课题背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状和研究内容；2、通过对其原理系统进行分析，选择合适的方案；3、系统方案的确定，对CPU的选择及其他器件的选择做一个简绍；4、 系统硬件设计，说明了系统硬件电路的具体设计方法；5、总结本课题。2弯管机原理2.1弯管机的工作原理弯管机主要由机械装置、液压系统、PLC 控制系统、等组成。机械装置主要有卡紧装置、小车推进装置、导向轮装置和摇臂回转装置等组成。其工作原理是将钢管匀速推进，使钢管沿预设的轨道行走从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。先将钢管安装就位，通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好弯

10、曲半径，从而获得所需的弯管管件。特点：弯出的管具有形变小，壁厚差小，无应力。弯曲半径0-1800可调节。2.2弯管机的工艺过程本课题的研究工作主要是根据弯管机的工艺流程对弯管机的控制系统进行分析和数学建模，确定适用于该系统的控制算法，进行硬件的设计和软件的编程，并到现场进行调试，完成理论与实践的结合。如图2-1所示。 弯管参数确定夹具夹紧放置钢管 弯管推进推进位置控制弯管夹具松开弯管结束图2-1弯管机流程 Figure 2-1 pipe bender process由于管材的材质各异， 管径、壁厚、弯曲角度等差异较大，使得中频电源加热温度和弯管推进速度之间的关系都不一样，并且各工艺参数的设定也

11、比较复杂， 而参数设定的合适与否会极大影响弯管的各种机械性能， 所以要根据工况的不同进行参数选择， 并由此控制弯管的质量。其次在对弯管机的系统以及弯管工艺有一个很好的了解的基础上，根据实际情况，完成硬件设备的选型和软件的设计。2.3弯管控制流程根据弯管机简单的工艺流程我们可以写出弯管机软件编程的流程框图，根据流程图可以很好的编写软件程序，以便更好、更准、更精的控制弯管机，生产出合格的弯管来。下面就是弯管机的弯管机编程的流程框图2-2。电机启动放置钢管半径调节 管与推进装置固定 匀速推进钢管是否达到设定位置 N Y Y N Y N 结束是否到达弯管要求夹具松开卸料弯管结束 Y 图2-2弯管流程F

12、igure 2-2 Bending Process3液压系统3.1液压流程液压弯管机的液压系统原理，主夹缸在弯管时始终保证管道通过夹具固定于旋臂之上，确保管道按预定的半径进行弯曲；辅夹缸在弯管时把弯管固定于推进小车之上，防止管道在推进时产生振动；在弯管机的液压系统中，弯曲主夹缸、辅夹缸均采用液控单向锁紧阀，减少压力损失，以保证弯管过程中夹紧、弯曲动作可靠。操作人员装好管坯，然后按下启动按钮，在可编程控制器的控制下依次自动执行以下的动作：(1)电磁铁9YA 通电而10YA 断电，从而调整弯管的半径；手动(2) 7YA 通电而8YA 断电，定位夹紧；(3)碰触到SQ2 时，电磁铁3 YA 通电，主

13、夹缸驱动夹头关闭，从而把管子加紧；(4) 碰触到SQ3 时，电磁铁5YA 通电，辅夹缸驱动夹头关闭把管子和推进小车固定在一起；(5)碰触到SQ4 时，电机正转，驱动小车运行，从而由小车带动钢管前进，沿调整好的的弯曲半径进行快速弯曲；(6)碰触到SQ5 时，电磁铁6YA 通电5YA 断电，辅夹头松开；(7)碰触到SQ6 时，辅夹头退回；(8)碰触到SQ7 时，电磁铁4YA 通电3YA 断电，主夹头松开；(9)碰触到SQ8 时，主夹头退回；(10)碰触到SQ9 时，电磁铁10YA 通电而9YA 断电，辅夹缸驱动夹头松开；(11)碰触到SQ10 时，电机反转，驱动小车退回；操作人员将弯制好的管件取下

14、之后准备下一个弯管开始，从而完成一个工作循环液压原理图如图3-1所示图3-1液压原理Figure 3-1 Hydraulic Principle1 三位四通电磁阀 2 溢流阀 3油泵 4 滤油器 5 夹紧液压缸 6 单向阀 7 单向节流阀 8 双向泵 9调速阀 10 油泵电机 11 邮箱3.2 液压系统工况分析设：最大工作压力；运动部件自重Fg=10kN；工作台快进、快退速度相等，v1=0.2m/s；工作进给速度0.1m/s；快进的行程为L1=400mm；工作行程长度为L2=400mm。导轨为平导轨，其静摩擦系数为fs=0.2，动摩擦系数为fd=0.1，往复运动的加速、减速时间t=0.2s。该

15、系统采用液压与电气配合，实现自动工作循环控制绘制动力滑台的工作循环图，如图3-2所示。（a）运动分析图3-2Figure 3-2 Motion Analysis快进 (3-1)工进 3.3液压缸的确定3.3.1液压缸工作负载的计算（1）工作负载： （2）摩擦阻力：静摩擦阻力 (3-2)动摩擦阻力（3）惯性阻力动力滑台起动加速，反向起动加速和快退减速制动的加速度的绝对值相等，即v=0.1m/s，t=0.2m/s，故惯性阻力为： (3-3)根据以上的计算，=0.9可得到液压缸各阶段的各各动作负载，见表1所示。表3-1液压缸各阶段工作负载计算Table 3-1 Hydraulic cylinder

16、load calculation of the phase工况计算公式液压缸负载/N液压缸推力F/N起动20002222加速15001667快进10001111工进F= +1300014444反向起动F =20002222加速F = +15001667快退F =10001111制动F =5005563.3.2 确定缸的内径和活塞杆的直径液压缸的工作压力为p1=2.5M Pa。选定快进、快退时回油压力损失。 (3-4)液压缸的内径为： (3-5)圆整取标准直径D=95mm，则d=0.707D，即d=0.70795=67.165mm，圆整液压缸实际有效面积计算无杆腔面积 (3-6)有杆腔面积3.3

17、.3计算液压缸在工作循环中各个阶段的压力、流量和功率的实际值结果见表2所示。表3-2液压缸各工况所需压力、流量和功率Table 3-2 The conditions required for the hydraulic cylinder pressure, flow and power工况负载F/N回油腔压力p2 (p2)/ (105 Pa)进油腔压力p1/(105 Pa)输入流量q/(L/min)输入功率P/kW计算公式快进启动2 2225.6_p1=(F+p2A2)/(A1 -A2)q=(A1 -A2)v1P=p1 q10-3加速1 6678.4_快速1 11123.723.70.33工进

18、14 44423.10.20.0077p1=(F+p2 A2)/ A1q= A1v2P= p1q10-3快退启动2 2227.1_p1=(F+p2 A1)/ A1q= A2v2P=p1q10-3加速1 66721.1_快退1 11119.40.0750.024制动55617.6_3.4选择液压泵和电机3.4.1确定液压泵的工作压力、流量（1）液压泵的工作压力已确定液压缸的最大工作压力为2.5 MPa。在调速阀进口节流调速回路中，工进是进油管路较复杂，取进油路上的压力损失30105 Pa,则小流量泵的最高工作压力为P=(25+30)105 Pa =55105 Pa 。 (3-7)大流量液压泵只在

19、快速时向液压缸供油，由工况图可知，液压缸快退时的进油路比较简单，取其压力损失为 4105 Pa，则大流量泵的最高工作压力为Pp2=(19.4105+4105) =23.5105 Pa。（2）液压泵的流量由工况图可知，进入液压缸的最大流量在快进时，其值为 23.7L/min ，最小流量在快退时，其值为0.075 L/min，若取系统泄漏系数k=1.2，则液压泵最大流量为qp=1.223.7 L/min=28.44 L/min 0由于溢流阀的最小稳定流量为3 L/min，工进时的流量为0.2 L/min，所以小流量泵的流量最小应为3.2 L/min。3.4.2液压泵的确定根据以上计算数据，查阅产品

20、目录，选用相近规格CBF-F40型齿轮泵。 液压泵电动机功率为：由工况图可知，液压缸的最大输出功率出现在快进工况，其值为 0.33kW。此时，泵的输出压力应为=8.4105 Pa ，流量为=(36+6) L/min= 42L/min 。取泵的总效率p= 0.75 ，则电动机所需功率计算为/ (3-8)有上述计算，可选额定功率为1.1kW的标准型号的电动机。3.5辅助元件的选择根据系统的工作压力和通过阀的实际流量就可选择各个阀类元件和辅助元件，其型号可查阅有关液压手册。液压泵选定后，液压缸在各个阶段的进出流量与原定值不同，需重新计算，见表3。表3-3 流量计算Table 3-3 Flow Cal

21、culation快进工进快退输入流量/（L/min）排出流量/（L/min）运动速度/（L/min）3.6确定管道尺寸由于本液压系统的油管通油量较大，其实际流量q约为75.28L/min=1.25510-3 m3/s，取允许流速v=3m/s。主压力油管根据公式计算：d= (3-9)圆整后取d=20mm。3.7确定油箱容积按经验公式V=(57)，选取油箱容积为: (3-10)3.8液压电磁阀3.8.1 电磁阀概述在液压系统中，用于控制和调节工作压力的高低、流量大小以及改变流量方向的元件，统称为液压控制阀。液压控制阀通过对工作液体的压力、流量以及流液方向的控制与调节，从而可以控制液压执行元件的开启

22、、停止和换向，调节其运动速度和输出扭矩（或力）。按功能分可分为(1) 压力控制阀用于控制或调节液压系统或回路压力的阀，如溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等；(2) 方向控制阀用于控制或调节液压系统或回路中方向及其通和断，从而控制执行元件的运动方向及其启动、停止的阀。如单向阀、换向阀等；(3) 流量控制阀用于控制或调节液压系统或回路中工作液体流量大小的阀。如节流阀、调速阀等。以下列举了常见的液压电磁阀结构以及工作原理。（1） DR型先导式减压阀其组成主要包括带主阀插件(3)的主阀(1)和带压力调节组件的先导阀(2)。在静态位置，阀常开，油液可自由地从油口B 经主阀芯插件(3)进入油口A。油口A

23、 的压力作用于主阀芯的底侧。同时作用于先导阀(2)中的球阀(6)上，经节流孔(4)作用于主阀芯(3)的弹簧加载侧，并且流经油口(5)。同样，压力经节流孔(7)、控制油路(8)、单向阀(9)和节流孔(10)作用于球阀(6)上。根据弹簧(11)的设定，在球阀(6)前部、油口(5)中和弹簧腔(12)内建压，保持控制活塞(13)处于开启位置。油液可自由地从油口B 经主阀芯插件(3)流入油口A，直至油口A 的压力超过弹簧(11)的设定值，并打开球阀(6)、控制活塞(13)移至关闭位置。当油口A 的压力与弹簧设定压力之间达到平衡时，获得期望的减压压力。控制油经控制油路(15)由外部从弹簧腔(14)泄回油箱

24、。通过安装一个可选的单向阀(16)可实现从油口A至B 的自由返回流动。压力表接口(17)用于油口A 的减压压力监测。如图3-3所示。图3-3 Figure 3-3（2） DB/DBW型先导式溢流阀该溢流阀（DB 型）的组成主要包括带主阀芯插件（3）的主阀（1）和带压力调节组件的先导阀（2）。DB 型溢流阀油路A 中的压力作用于主阀芯（3）上。同时，压力经带节流孔（4）和（5）的控制通路（6）和（7），作用在主阀芯（3）的弹簧加载侧及先导阀（2）的球（8）上。如果A 口的压力超过弹簧（9）的设定值，球（8）克服弹簧力（9）而使先导阀开启。该信号经控制信道（10）和（6）从A 口内部获取。主阀芯（

25、3）弹簧加载侧的油液经过控制通路（7）、节流孔（11）和球阀（8）流入弹簧腔（12）。对DB.-5X/.-.型它由控制通路（13）内部引入油箱，而对DB.5X/.Y.型经控制通路（14）它由外部引入油箱。节流孔（4）和（5）在主阀芯（3）两端产生压降，因此A 到B 连接通道被打开。油液由A 口流向B 口，而设定工作压力保持不变。溢流阀借助油口X（15）可对不同压力（二级压力）卸荷或切换。如图3-4所示。图3-4Figure 3-4（3） WEH型方向阀型号4WEH.型方向阀WEH 型方向阀是一种电-液操作的方向滑阀。它们用于控制液流的开启、停止和方向。此类阀组成主要包括阀体（1）、主控制阀芯（

26、 2）、一个或两个复位弹簧（3.1）和（ 3.2），带一个或两个电磁铁：电磁铁“a”（5.1），电磁铁“b”（5.2）的先导阀（4）。主阀阀芯由弹簧或液压力保持在中位或初始位置。在初始位置，两个弹簧腔（6）和（8）通过先导阀无压的油箱连通。经过控制油路（7）向先导阀（4）供油。控制油可以由内部或外部供给（外部供给油口X）。当先导阀操作时，如电磁铁“a”得电，先导滑阀（10）向左移动，因此弹簧腔（8）获得先导油压力而弹簧腔（6）保持无压状态。先导压力施压于主阀芯的左端，并克服弹簧力（3.1），其结果，主阀的P 至B 和A 至T 被接通。当电磁铁断电，先导阀回复至初始位置（带定位机构滑阀除外），弹

27、簧腔（8）向油箱卸荷。控制油从弹簧腔经先导阀排入Y 口。控制油可内部或外部供油和回油（外部经油口Y）。可选择的应急手动操作（9），在电磁铁不通电情况下，可对先导滑阀（10）进行操作。如图3-5所示。图3-5Figure 3-5（4）Z2FS.型双单向节流阀Z2FS16 型阀是叠加式设计的双路单向节流阀。该阀用于限制来自一个或两个工作油口的主流量或控制流量。两个对称设置的单向节流阀在一个方向上限定流量，（通过调整节流阀芯），在相反方向上允许自由流通。用于进口节流控制时，油液从油口A 流经节流口（1）到达工作油口。节流阀芯（4.1）可借助于调节螺钉（5）进行轴向调整，从而可以设定节流口（1）。同时

28、，油口A 中的油液通经道（2）到节流阀芯（4.1）的弹簧加载侧（3）。产生的压力与弹簧共同作用，使节流阀芯（4.1） 保持在节流位置。油液从执行器回流推动节流阀芯（4.2），允许油液自由流过。此时阀作为单向阀工作。根据型号（S 或S2），节流口可以起进口或出口节流的控制作用。限制主流量为了改变执行器的速度（主流量限制），双路单向节流阀是而安装于方向控制阀和底板之间。限制控制流量对液控方向阀，双路单向节流阀用作控制阻尼调节，在此情况下，它被安装于主阀和控制阀之间。图3-6Figure 3-63.8.2电磁阀的选型电磁阀的选型一：适用性管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。流体的

29、温度必须小于选用电磁阀的标定温度。电磁阀允许液体粘度一般在20CST以下，大于20CST应注明。工作压差，管路最高压差在小于0.04MPa时应选用如ZS，2W，ZQDF，ZCM系列等直动式和分步直动式；最低工作压差大于0.04MPa时可选用先导式(压差式)电磁阀；最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力；一般电磁阀都是单向工作，因此要注意是否有反压差，如有安装止回阀。流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器，一般电磁阀对介质要求清洁度要好。注意流量孔径和接管口径；电磁阀一般只有开关两位控制；条件允许请安装旁路管，便于维修；有水锤现象时要定制电磁阀的开闭时间调节。注意环境温度对电磁阀的影响电源电流和

30、消耗功率应根据输出容量选取，电源电压一般允许10%左右，必须注意交流起动时VA值较高。二、可靠性电磁阀分为常闭和常开二种；一般选用常闭型，通电打开，断电关闭；但在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。寿命试验，工厂一般属于型式试验项目，确切地说我国还没有电磁阀的专业标准，因此选用电磁阀厂家时慎重。动作时间很短频率较高时一般选取直动式，大口径选用快速系列。三、安全性一般电磁阀不防水，在条件不允许时请选用防水型，工厂可以定做。电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力，否则使用寿命会缩短或产生其它意外情况。有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型，强腐蚀性流体宜选用塑料王(SLF)电磁阀。爆炸性环

31、境必须选用相应的防爆产品。四、经济性有很多电磁阀可以通用，但在能满足以上三点的基础上应选用最经济的产品。根据以上所诉选出采用其他元件型号如表3-4所示表3-4Table 3-3阀型号数量单向节流阀MK10-G103电磁换向阀3WE5N6.2/OAW220-50Z43泵口溢流阀DBDS10G10/101夹紧缸溢流阀DBDS10G1/103单向阀S10A0.15-25调速阀2FRM10-3X/50LB1双向泵T8642B1 4 弯管机控制系统设计可编程控制器简称为PLC(Programmable logi2cal controller) ，是一种数字运算操作的电子系统，是工业控制专用计算机，是生产

32、过程控制的通用自动控制部件，能完成算术/ 逻辑运算、定时/ 计数控制等操作。20 世纪中叶，由于市场的需要，工业生产开始从大批量、少品种的方式转变为小批量、多品种的生产方式。这种控制系统体积大，耗电多，特别是改变生产程序很困难。为了改变这种状况，1968 年美国通用汽车公司提出了十项招标指标公开对外招标，要求用新的电气控制装置取代继电器控制系统，以适应迅速改变生产程序的需要。它具有编程方便、稳定可靠、控制功能强、使用和维护方便、环境要求低以及性能价格比好等特点。因此，改变生产控制要求时，只要对控制系统的软件进行修改即可，大大缩短了生产周期，提高生产效率。PLC的出现被誉为20 世纪70 年代的

33、一场工业革命。现在，与机器人、CAD/ CAM并称为自动化三大技术支柱之一的PLC ，在工业控制各个领域获得了广泛的应用。4.1PLC特点1、可靠性高，抗干扰能力强 2、 配套齐全，功能完善，适用性强 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4、 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 5 体积小，重量轻，能耗低 PLC的分类及应用PLC的类型多，型号各异，各生产厂家的规格也各不相同，所以按一下两种方式分类：（1）按容量分类 PLC的容量主要指PLC的输入/输出点数。按照PLC的输入/输出点数，可将PLC分为小型PL

34、C（I/O总点数在256点以下），中型PLC(I/O总点数 在256到2048点之间)和大型PLC(I/O总点数在2048点以上)三种。（2）按结构形式分类。按结构形式的不同，PLC主要分为箱体式和模块式。4.2PLC的组成及主要的原理PLC的运行框图如下图4-1所示 CPU强制为STOP电源处理内部处理存放自行诊断错误PLC正常方式执行自诊断输出处理执行程序CPU运行方式方式输入处理（输入传送、远程I/O）通信服务（外设、CPU、总线服务）更新时钟、特殊寄存器 STOP致命错误方式图4-1 PLC运行框图4-1 PLC Operation Block Diagram Figure4.2.1P

35、LC与继电器控制系统区别PLC与 继电器的区别 (1)继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 (2)PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作 (1)输入采样阶段 (2)用户程序执行阶段 （3）输出刷新阶段 4.2.2PLC的选型（1） 输入输出(I/O)点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%2

36、0%的可扩展。（2） 存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。（3） 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通

37、信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 运算功能简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换

38、和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 通信功能大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 PLC系统的通信

39、接口应包括串行和并行通信接口（RS232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。 PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。 为减轻CPU通信

40、任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。 编程功能 离线编程方式：PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

41、 五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准，同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 诊断功能 PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 处理速度 PL

42、C采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4s，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。（4） 机型的选择 PLC的类型。PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。根据

43、PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU

44、模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。 按功能分类。根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。低档PLC具有逻辑运算、定时

45、、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 按

46、I/O点数分类。根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。小型PLC的I/O点数在256点以内；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。如：GE-I型 美国通用电气（GE）公司 TI100 美国德洲仪器公司 F、F1、F2 日本三菱电气公司 C20 C40 日本立石公司（欧姆龙） S7-200 德国西门子公司 EX20 EX40 日本东芝公司 SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司中型PLC的I/O点数2562048点；双CPU，用户存储器容量28K。如：S7-300 德国西门子公司SR-400 中外合资无锡华光电子工业有限公司SU-5、SU

47、-6 德国西门子公司C-500 日本立石公司GE- GE公司大型PLC的I/O点数在 2048点以内；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K。如：S7-400 德国西门子公司GE- GE公司C-2000 立石公司K3 三菱公司 按输出形式分类。按输出形式分可分为:R-继电器输出(有触点，可带交直流负载)；S-双向晶闸管输出（无触点，带交流负载）；T-晶体管输出（无触点，带直流负载）。 经济性的考虑。选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。 输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输

48、入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。由于三菱FX2N系列的PLC在小型控制系统中比较占有优势和市场，本次设计也是小型的控制系统，并且我们学习的也是三菱FX2N系列的PLC，所以我们采用我们熟悉的三菱FX2N系列的PLC来控制该系统。（1）输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷

49、新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号怎样变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。（2）程序执行阶段根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按从左到右、从上到下的顺序执行用户程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应的状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。因此，每一个元件（不包括输入继电器）的状态会随着程序执行过程而变化的。(3)输出刷新阶段在所有用户程序的指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段

50、转存到输出锁存器中，最后经过输出端子驱动外部负载，实现控制命令的输出。 PLC对输入/输出的处理原则(1)输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一扫描周期的输入刷新期间的接通和断开状态。(2)程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他个各元件映像寄存器的内容。(3)输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。(4)输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。(5)输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。4.2.3FX2N功能介绍FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。控制规模：16256点（基本单元：16/32/48/64

51、/80/128点）。特点：（1） 集成型高性能。CPU、电源、输入输出三位一体。对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。（2） 高速运算。基本指令：0.08s/指令。应用指令:1.52s数100s/指令。（3） 宽裕的存储器。内置8000步RAM存贮器，安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。（4） 丰富的软元件。辅助继电器：3072点。定时器：256点。 计数器：235点。数据寄存器：8000点。（5） 除了具有输入输出16256点的一般用途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。FX2N系列PLC 的技术指标包括一般技术指标、电源技术指标、输

52、入技术指标、输出技术指标和性能技术指标。如表4-1给出了性能技术指标。表4-1 FX2N性能技术指标Table 4-1 FX2N performance specifications运算控制方式存储程序反复运算方法（专用LSI），中断命令输入输出控制方式批处理方式（在执行END指令时），但有输入输出刷新指令运算处理速度基本指令0.08s/指令应用指令（1.52s数百s）/指令程序语言继电器符号+步进梯形图方式（可用SFC表示）程序容量存储器形式内附8K步RAM，最大为16K步（可选RAM，EPROM EEPROM存储卡盒）指令数基本、步进指令基本（顺控）指令27个，步进指令2个应用指令128种

53、298个输入继电器X000X267（8进制编号）184点合计256点输出继电器X000X267（8进制编号）184点辅助继电器状态寄存器一般用M000M499 500点锁存用M500M1023 524点，M1024M3071 2048点合计2572点特殊用M8000M8255 256点初始化用S0S9 10点一般用S10S499 490点锁存用S500S899 400点报警用S900S999 100点定时器100msT0T199（0.13276.7s） 200点10msT200T245（0.01327.67s） 46点1ms（积算型）T246T249（0.00132.767s） 4点100ms

54、（积算型）T250T255（0.132.767s） 6点模拟定时器（内附）l点计数器增计数一般用C0C99 （032767）（16位） 100点锁存用C100C199 （032767）（16位） 100点增/减一般用C220C234 （32位） 20点计数用锁存用C220C234 （32位） 15点高速用C235C255中有：1相60kHz 2点，10kHz 4点或2相30kHzl点，5kHz l点数据寄存器通用数据一般用D0D199 （16位） 200点寄存器锁存用D200D511（16位） 312点，D512D7999（16位） 7488点特殊用D8000D8195（16位） 106点变址

55、用V0V7，Z0Z7（16位） 16点文件寄存器通用寄存器的D1000以后可每500点为单位设定文件寄存器（MAX7000点）指针跳转、调用P0P127 128点输人中断、计时中断I0口I8口 9点计数中断I010I060 6点常数嵌套（主控）十进制KN0N7 8点16位：-32768+32767；32位：-2147483648+2147483647十六进制H16位，0FFFF（H），32位：0FFFFFFFF（H）4.3I/O分配表根据选择原则应选型号为FX2N-64MR-001的PLC I/O分配表如表所示。表4-2 PLC输入分配Table 4-2 PLC input distribut

56、ion序号功能描述输入地址分配备注1启动按钮输入X0.0SB12停止按钮输入X0.1SB23轨道夹紧限位开关输入X0.2SQ14主夹紧限位开关输入X0.3SQ25铺夹紧限位开关输入X0.4SQ36电机正转按钮输入X0.5SB37弯管限位开关输入X0.6SQ48铺夹松限位开关输入X0.7SQ59轨道夹紧按钮输入X1.0SB410主夹松限位开关输入X1.1SQ611主夹紧按钮输入X1.2SB512轨道松限位开关输入X1.3SQ713电机反转按钮输入X1.4SB614小车退限位开关输入X1.5SQ815手动输入X1.6S116回原点输入X1.7S217单步输入X2.0S318单周期输入X2.1S41

57、9铺夹紧按钮输入X2.2SB720弯管按钮输入X2.3SB821铺夹松按钮输入X2.4SB922主夹松按钮输入X2.5SB1023轨道夹松按钮输入X2.6SB1124小车退按钮输入X2.7SB12 表4-3 PLC输出分配Table 4-3 PLC output distribution序号功能描述输出地址分配备注1油泵电机输出Y0.0KM02轨道夹夹紧输出Y0.1KM13主夹夹紧输出Y0.2KM24铺夹夹紧输出Y0.3 KM35电机正转输出Y0.4KM46弯管输出Y0.5KM57铺夹松输出Y0.6KM68主夹松输出Y0.7KM79轨道夹松输出Y1.0KM810电机反转输出Y1.1KM911小

58、车后退输出Y1.2KM10根据I/O输入输出分配得PLC外部接线图如图4-2所示图4-2外部接线图Figure 4-2 External wiring diagram4.4 系统主电路设计弯管机一共包括3个电机，弯管电机，油泵电机和弯管半径调节电机，控制触点由程序控制，系统安装qf、来保护电机，电机过载时断路器自动断开，保护电机。fr1为油泵电机的过热保护器，fr2为弯管电机的过热保护器，fr3为弯管半径调节电机的过热保护器。km0控制主油泵电机，km1、km2控制弯管电机的正反转，km1闭合km2断开弯管电机正转，km1断开km2闭合弯管电机反转，都断开时弯管电机停转。km3、km4控制弯管

59、半径调节电机的正反转，km3闭合km4断开弯管半径调节电机正转，km3断开km4闭合弯管半径调节电机反转，都断开时弯管半径调节电机停转。程序执行的时候，触点工作，电机通电工作完成弯管过程。过载时有热保护器和短路器保护。图4-3 主电路图Figure 4-3 Main circuit4.5 pLc控制面板图4-4 控制面板简图Fig.4-4 Control Panel diagram弯管机手动控制面板如图4-4所示，每台机器在初始工作时都必须进行调试，手动工作方式主要是针对调试而设计的，对程序和硬件的兼容与否做出判定并改善。4.6 开关选型按钮，是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开控制电路

60、（其中电流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。按钮分为常开按钮即开关触点断开的按钮。 常闭按钮即开关触点接通的按钮。常开常闭按钮即开关触点既有接通也有断开的按钮。也称为按键，是一种电闸(或称开关），用来控制机械或程式的某些功能。一般而言，红色按钮是用来使某一功能停止，而绿色按钮，则可开始某一项功能。按钮的形状通常是圆形或方形。 按钮是一种人工控制的 HYPERLINK /view/306684.htm t _blank 主令电器。主要用来发布操作命令，接通或开断控制电路，控制机械与电气设备的运行。对于常开触头,在按钮未被按下前, HYPERLINK /view/1343