基于触摸屏和plc的自动除锈机设计

摘要在自动控制应用中，可编程序控制器、触摸屏、变频器得到广泛应用，随着电气自动化水平的发展，电气控制元件不断更新换代,使得一些电器配件尚未损坏即被替换闲置。对于企业而言为了控制经营成本，如何利用好存量配件，对原有设备进行重置组合，重新设计，来提升设备自动化程度及附加价值，有了一定的需求。为此作者对单位一台除锈机进行了二次设计，在消化存量配件的过程中，又适当的提高了原有设备的自动化程度，方便使用者减轻了劳动强度。本设计介绍了三款较有代表性的存量配件设备，通过合理的选择与利用，实现了PLC、触摸屏、变频器之间通信与控制，运用FXGP/WIN-C、EasyManager软件编写程序，实现手自动一体化的操作，有效提升了除锈机的自动化程度。设计过程力求操作界面力求简洁明了，PLC程序控制操作简单，配合使用威纶M506T触摸屏的可视化界面和富士FRN2.2G11S-4CX变频器手动旋钮调速，可以让使用者无需专业训练亦可上手操作，具有一定使用价值。关键词：除锈机、三菱PLC、触摸屏、变频器、自动控制第1章前言本文所设计的平台是以plc技术为基础，配以触摸屏（输入），变频器（输出）来实现系统的特定功能，已达到工业设备自动除锈的功能，主要的特点如下：1.触摸屏具备通信功能，与传统线缆相比，布线较为方便，程序编制扩展性强，信号输入和数据、状态反馈可同时显示，界面图形化直观便捷。2.以微处理器为核心的PLC技术，具有很强的通用性和可靠性、体积小，易学易掌握的特点，逐步取代了传统的继电控制方式，广泛应用于各行各业。3.采用变频器构成变频调速传动系统，很容易实现正、反转，同时可设置改变加减速时间，拥有换向灵活，电机启动电流小，电机运行平稳的特点。1.1课题的来源和目的1.1.1电气自动控制应用的趋势随着科学技术迅速发展,电气控制技术也在不断推陈出新,一种基于微处理器平台,通过对通信、计算机应用以及自动控制等相关技术的综合运用所形成的可编程控制器,因具集成度高、操作比较简便、通用性和易用性比较强，在工业自动化控制当中越来越多的使用。机器与现场操作都趋向于使用PLC控制器强大的功能及复杂的数据处理也推动了一种与之匹配而又能操作简便的人机交互界面的出现。触摸屏以反应快、坚固耐用、节省安装、易于操作等优点得到大众的认可。另外,使用触摸屏还可以使机器的配线标准化、简单化,同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数。配线标准化、简单化降低了生产的成本，相对地提高了整套设备的附加价值。同时由于电气控制系统硬件技术的更新迅速，使得电气控制技术升级开放性,尤其是网络化发展的今天，触摸屏面板控制的集成度高，高适用性和小体积成了时代发展必然选择。网络模块分布式的出现为现代化电气控制技术提供了最佳通信和联系方式。电气控制技术的网络化,也将会给电气控制设计及发展带来更多新的思路,也会提高电气控制技术的可靠性和稳定性,在一定程度上也会使电气控制装置局部性和整体性的提升成为可能。

1.1.2设备现状及不足实习于一家国有企业，从事各类楼宇建筑设备设施及建筑工程设备维修、设备保养及配套综合服务。通过对于PLC、变频器、触摸屏的实际操，了解更多的专业技术知识及应用状况作了解更多的专业技术知识及应用状况。期间对公司原有一台气瓶表面除锈机，在原有设备控制系统的基础上，通过合理利用闲置配件进行二次设计，使之能方便快捷的去除各类钢瓶或圆柱形钢管表面的锈斑和其他污物，方便工人重新对其涂色上漆。除锈机示意图图1.1除锈机设备示意图基本工作原理圆柱形放置于两根圆形辊道之间，由辊道电机通过皮带传动减速后带动辊道做低速旋转运动。被除锈物体由于辊道表面的摩擦力作用跟随辊道旋转。气瓶上方有一可纵向移动平台，平台上有一台小型电动机，电机轴上可安装各种式样的钢丝刷，电动机旋转带动钢丝刷在气瓶表面除去锈斑和其他杂物。平台可通过平台上安装的牵引链条由移动电机正反旋转通过减速器控制平台在轨道上来回运动。轨道两端安装有限位开关防止平台撞上两端机架。图1.2除锈机电气控制原理图电气控制部分使用了一台三菱FX0s-20MR-001小型PLC，12点输入8点继电器输出通过编写程式，通过接触器控制牵引电机正反转工作，拥有手动移动与限位自动往返两种控制方式。表1.1PLCI/O端口表：输入设备名称输入点输出设备名称输出点紧停X0辊道启动按钮X1辊道电机接触器Y4辊道停止按钮X2钢丝刷电机接触器Y5钢丝刷启动按钮X3平台右移接触器Y6钢丝刷停止按钮X4平台左移接触器Y7平台停止按钮X5电源指示灯Y0平台右移X6平台左移X7右限位开关X10左限位开关X11图1.3三菱plc控制原理图按顺序合上DK1、DK2、DK3断路器。启动X1，KM1吸合，辊道运行。启动X3，KM2吸合，钢丝刷旋转。再按平台右移动开关X6，Y7动作平台移动电机KM3继电器吸合，使平台移动开始对气瓶进行除锈处理，当平台移动到右限位开关处，X10闭合KM3继电器释放平台停止，经延时1秒后Y7动作，KM4吸合平台电机反向运行，平台向左移动。当平台移动到左限位X11闭合，KM4释放平台停止。经延时1秒后Y6动作，KM3吸合平台电机正向运行，平台向右移动，循环往复直到按下平台停止按钮X5，再分别按下X4,X2停止钢丝刷和辊道除锈完毕，更换需除锈物件重复上述除锈过程。平台启动时可先任意向左或向右移动也可在左右限位之间任意位置停止。辊道未启动时平台可手动左右移动至合适位置后再启动辊道进入自动模式。图1.4plc控制程序梯形图使用过程中遇到的问题1.电机定速运行转速不可调，平台运行速度由大小皮带轮比值确定运行速度固定。虽然有自动往复控制但由于速度固定遇锈蚀度较高的物件需增加平台来回的次数才能起到较好的除锈效果比较耗时，实际操作中往往需要操作人员用手动方式移动平台。2.平台虽有自动往复运动功能却无法自动停止，需要有专人操作除锈机启动停止各个旋转电机。无法提高工作效率。1.2设计思路及配件介绍增加辊道旋转的速度可增加单位时间能钢丝刷扫过待除锈物体表面表面的的次数，或者减少平台的移动速度可以增加单位时间内钢丝刷在的覆盖面积，两种方法都可以起到增加除锈效果提高效率的目的。考虑到增加辊道速度后在辊道上容易产生不规则的跳动造成安全隐患，所以原则上对设备原有设计速度只做减速改造。同时公司拥有闲置的富士FRN2.2G11S-4CX和威纶MT506触摸屏，通过综合考虑认为，采用变频器对平台移动电机进行调速控制降低平台的移动速度提高除锈的效率。同时触摸屏可以有效解决原有的PLC的I/O点数有限的问题，在对PLC程序进行重新设计后可以满足变频器的控制要求和自动停车自动控制要求。1.2.1WinView触摸屏MT506简介威纶公司的MT500系列触摸屏是是依据工厂应用环境而设计的工业产品，专门面向PLC应用，可以使用RS232C、RS485接口和大多数主流PLC直接连接。和PLC一样，该款触摸屏可靠性高，能在工业环境中稳定工作，前面板具有防尘防水功能，能完全抵挡粉尘和喷射水流进入触摸屏内部，外形尺寸尺寸小，对安装要求不高，可直接嵌入电气控制柜面板中使用。液晶屏幕5.7”，256色，虽配置较低，但仍然具有RS232C和RS485接口，可通过通信电缆与PLC或PC连接。PLC/PC[RS-485/RS-232]口连接到计算机RS232接口作编程使用。PLC[RS-232]口通过SC-09转接线连接到FX0sPLC圆形8针编程口上.图1.5RS-232通信转换连接线示意图图1.6触摸屏通讯连接示意图1.2.2三菱FX介绍FX系列PLC是日本三菱电机公司的小型高性能可编程控制器，目前最新的是FX3U型。FX0是超小型PLC，在FX2之后推出，具有27种基本指令和2种步进指令程序容量最大2K步，具有较高的性能价格比，在替代继电控制的应用方面被广泛使用。

FX系列PLC型号的含义如下：图1.7三菱plc型号含义示意图设计列序号：有0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC等②输入输出总点数：4-128③单元类型：M基本单元E输入输出混合扩展单元Ex扩展输入模块EY扩展输出模块输出方式：R继电器输出S晶闸管输出

T晶体管输出特殊型号：DDC电源，DC输出A1AC电源，AC（AC100~120V）输入或AC输出模块H大电流输出扩展模块V立式端子排的扩展模块C接插口输入输出方式F输入滤波时间常数为1ms的扩展模块除锈机使用的PLC型号为FX0S-20MR，拥有12个输入点位和8个输出点位，继电器输出，属于超小型PLC。FX0S系列价格较为便宜的，功能相对简单，比较适用于小型的开关量控制系统，它只有基本单元，没有扩展单元。FX0S有20条基本指令，2条步进指令和多种的功能指令，程序容量为800步。FX0S编程元件包括500多点辅助继电器，64点状态寄存器，56点定时器和一个模拟定时器，有16个16位的计数器及4点1相7KHZ或1点2相32位高速加/减计数器，61点16位数据寄存器，还有64点转移用跳步指针及4点中断指针。1.2.3富士FRN2.2G11S-4CX变频器介绍FRN

2.2G

11S-4CX属于富士公司FRENIC5000系列低噪声高性能多功能变频器。型号中2.2表示为适配的最大电动机功率G表示为通用变频器，一般工业使用；如果是P表示为风机，泵类专用型号11表示开发系列代号S表示防护结构为标准型4表示输入电压为三相400V系列CX表示显示界面包含中，英，日文三种文字显示图1.8变频器特点介绍1.2.4FXGP/WIN-C编程软件介绍FXGP/WIN-C是一种面向三菱FX系列可编程控制器的编程软件，在软件中可以通过梯形图、语句表和SFC符号来设计创建指令程序，建立注释文本和寄存器数据。FXGP/WIN-C创建的程序指令可以储存为PMW文件并使用打印机打印，该程序可以通过串行接口与PLC建立通讯,进行程序传输、对PLC运行状态进行监控及模拟运行测试各种程序功能。使用FXGP/WIN-C新建一个程序文件，可用工具条中的“新文件”按钮，也可用“文件”菜单中的“新文件”命令，在窗口将显示PLC类型设置选择框可以根据实际使用的PLC型号来选择对应的系列。按下“确认”按钮即可进入编程界面，将会弹出梯形图、指令表两种编程方式，用户可根据使用习惯选择熟悉的方式进行程序编写。程序编写结束后，打开“工具”菜单中的“转换”命令，或按“转换”按钮，将创建的电路图转换格式存入计算机。如果在没有完成转换的情况下关闭了编程窗口，刚刚被创建的程序将被消除。使用“文件”菜单中的“关闭并打开”命令，可将一个已处于打开状态的程序关闭，再打开一个计算机中已有的程序和其相应的注释数据，如果现有的控制程序被改变而未保存，将会弹出“保存确认”对话框，需将文件命名后确认保存。在计算机通过串行接口与PLC通过专用线缆及转换器建立通信链接的前提下，使用“PLC”菜单中的传输指令，可实现“读入”将PLC中的程序下载到计算机中；“写出”将计算机中的程序上传至PLC中；“校验”可将计算机与PLC中的程序进行校对检验。须注意的是在“写出”模式下，PLC应退出运行状态，确保程序在RAM或EE-PROM内存抱回处于关断的情况下进行。传输程序时可设置传输范围，以提高传输效率。编写和修改程序时SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件最基本的功能，以梯形图为例简单介绍几种常用的程序编写方法：1.元件编辑输入梯形图基本元件主要有输入触点、线圈、功能块及连接线。输入方法有两种，一是使用功能图编辑。首先在梯形图编辑窗口中选中元件添加位置，然后在功能图中选择所需元件的类型，输入元件编号，最后按“确定”按钮，完成某一元件的输入。如果输入状态有错误，例如元件编号不合规范、违反了梯形图编辑规则等，编程软件会拒绝，无法完成该元件输入。二是使用功能键编辑。使用键盘快捷键添加元件，基本规则与方法一相同，适合习惯键盘操作的编程人员使用。如果在一个逻辑行中，如果所有的编程元件都是串联连接的，输入和输出都无分支，此类输入为顺序输入。只需从该逻辑行的开头开始依次完成各编程元件输入即可，此方法比较简单，每输入完成一个元件，光标会自动向后移动到下一个位置。如果想在梯形图的任意位置编辑一个编程元件，只需用鼠标单击这一位置将光标移到此处，然后再输入编程元件即可。2.程序的插入和删除在SWOPC-FXGP/WIN-C编程中经常用会使用到插入和删除一整行、一整列、一逻辑行等。插入操作：将光标选在在要插入的位置，然后选中

“编辑”

菜单，在下拉菜单中选择“行插入”指令，就可以添加一行空白逻辑行，从而可以进行输入编程元件，实现逻辑行的插入操作。删除操作：将光标选在要删除的逻辑行起始位置，然后选中“编辑”菜单，在下拉菜单中选择“行删除”指令，可以删除整条逻辑行。使用上述操作方法同样适用于其它类似的剪切、复制和粘贴等的操作，实现各类程序编辑的功能。3.注释编辑选择需要编辑注释的元件，通过双击，即可进入注释输入界面，对元件注释进行编辑。4.编程方式的切换软件可梯形图与指令表两种常用的编程方式间切换。选择“视图”下拉菜单菜单，单击“梯形图”、“指令表”即可进入到相对应的编程方法。通过鼠标点选相应的编程窗口亦可以达到切换编程方式的目的。5.转换程序编辑完成后，必须对所编辑的程序进行格式转换，才能将程序电路图存入计算机。实现此功能的“转换”命令，在“工具”下拉菜单中。如电路图中有存在违反梯形图逻辑规则的语句，梯形图底色将显示为灰色，所编写程式无法被软件识别，也无法保存。SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件还具有监控/测试功能，能使编程人员直接在软件上直接调试所编写的程序并监视程序的执行。通过选择“监控

/

测试”下拉菜单，选中“进入元件监控”命令，在屏幕显示的元件监控登录窗口，双击鼠标左键或按ENTER键，设置好所监控元件的起始编号和要监控元件的数量，按下“确定”按钮，可在屏幕上显示出所监控的元件的状态。可设置的有效元件有输入继电器X、输出继电器Y，辅助继电器M及计时器T、寄存器D、计数器C等特殊元件。输入继电器X、输出继电器Y，辅助继电器M，监控所显示得为当前状态，计时器T、寄存器D、计数器C等特殊元件，监控显示的为当前的数值。另外，在梯形图编程界面中，选择“监控

/

测试”下拉菜单，选中“元件监控”命令，可直接在程序界面中直接监控所选择元件的状态或数值。编程人员还可以通过“监控

/

测试”下拉菜单中“强制ON/OFF”来对某元件进行置位或复位；通过“监控

/

测试”下拉菜单中“改变当前值”来对字元件的设定值进行改变。所有强制改变的变量值均在PLC固定的固定的

EEPROM

存储器中。

第2章平台设计设计内容除锈机平台移动电机是一台三相2.2KW4极异步电动机，在利用公司原有的一台富士FRN2.2G11S-4CX变频器对其进行匹配运行后,可达到控制平台运行速度的目的。变频器控制电机旋转速度通常有三种方式，一是面板端子可变电阻器调节给定，属于模拟量直接给定，特点是简单、便捷，直观，只需通过调节电位器旋钮或变频器操作面板数字键上升或者下降就能直接实现电机无极调速，速度调节平稳实用性十分高；二是通过PLC或继电器触点的组合，控制变频器数字量端子选择固定设置值的，实现电机在不同条件下在不同的预设速度上多段速运行，特点是可预设目标速度，速度控制精准，虽有速度档位设置但不同速度间切换仍属于无极调速；三是通过通讯接口由计算机或PLC来进行频率给定，是一种数字量给定方式。现有设备FX0S-20MRPLC是三菱早期型号小型可编程序控制器，并没有附加模拟量输出模块，同时除锈机工作流程中对平台的速度变化没有特殊需求，所以选择手动给定频率即可满足实际需求。PLC的基本的逻辑控制功能可以满足除锈机的运行控制要求，只是输入输出点数有限，如果增配一台威伦触摸屏设备，既能使PLC配线简单化，又增加了PLC的I/O点数，相对提高整套设备的附加价值。二次设计后控制原理图图2.1除锈机电气控制原理图图2.2三菱plc控制原理图变频器自带电子热保护功能，一台变频器只控制一台电机，同时电机容量在变频器适用范围以内的（如FRN

2.2G

11S-4CX最大适配电机为2.2KW）又不存在工频工作状态切换时，只需正确设置变频器电机参数，可不专设外部热过载继电器。2.1触摸屏界面设计：通过EasyManager软件对威纶触摸屏进行界面设计。图2.3EasyManager软件图标1.打开EasyManager，选择与PC通信端口COM5，通信波特率115200bps，再点击打开EasyBuilder编程软件。图2.3EasyManager启动界面建立一个新的工程,根据所用设备选择触摸屏型号图2.4EasyBuilder编程界面3.设置系统参数,单击菜单“编辑”－系统参数。PLC类型选择“MITSUBISHIFX0n/FX2“,通信口选择RS-232。其它参数使用系统默认值不作修改。单击“确定”，退出对话框。4.在空白窗口中添加手/自动指示灯，在“元件”的工具栏中选中“位状态指示灯“按钮，再设置设备类型，选择为M，地址设置为90。在“图形”下选中复选框后，单击“向量图库”按钮，选择指示灯图形并“确定”退出向量图库。通过“标签”添加显示图形时附加在图形上的文字说明，选择指示灯（0或1）的状态并分别输入对应这两种状态的文字说明手动和自动。单击“确定”退出对话框5.添加按钮，在工具栏中选择“位状态设定”按钮，在“一般属性”中设置该按钮对应的元件地址M100，按钮类型选择为“切换开关”。在“图形”下选中复选框后，单击“向量图库”按钮，选择合适的图形并按“确定”退出向量图库。在开关下添加文字“手/自动切换”。再在工具栏中选择“位状态设定”按钮，在“一般属性”中设置该按钮对应的元件地址M0，按钮类型选择为“复归型开关”。在“图形”下选中复选框后，单击“向量图库”按钮，选择合适的图形并“确定”退出向量图库。在开关下添加文字“自动启动”。6.类似添加“平台右移”“平台左移”两个复归型开关和“切换开关”手/自动切换按钮。7.设定平台往返次数，在工具栏中选择“数值输入”按钮，在“一般属性”，“设备类型”选择D，“设备地址”选择0。“数值显示”下选择“十进制”，“原始数据显示”“小数以上位数”2位。8.将工程保存后进行编译、下载到触摸屏。

设计完成后触摸屏画面图2.5设计完成后触摸屏显示图表2.1PLCI/O端口表：输入设备名称输入点输出设备名称输出点紧停X0变频器正转KA1Y1辊道启动按钮X1变频器反转KA2Y2辊道停止按钮X2变频器主回路接触器KM1Y4钢丝刷启动按钮X3辊道电机接触器KM2Y6钢丝刷停止按钮X4钢丝刷电机接触器KM3Y7变频器启动X5电源指示灯Y0变频器停止X6右限位开关X10左限位开关X11

表2.2触摸屏I/O端口表触摸屏输入触摸屏输出手/自动切换M100手/自动指示灯M90自动启动M0往返次数D0平台左移M11平台右移M102.2PLC程序设计使用FXGP/WIN-C软件进行程序编写1.新建一个用户文件，PLC型号选择FX0S，按“确定”按钮进入编程界面。2．使用语句表或梯形图进行程序编写3.编写完成进行编译，然后上传PLC图2.6plc控制程序梯形图1图2.6plc控制程序梯形图2

自动流程图图2.7除锈机自动流程图启动时按辊道→钢丝刷→变频器的顺序启动，停止时同时停止。

2.3变频器参数设计表2.3富士变频器参数设置表功能代码设定值备注说明F001数据保护保护已设定在变频器内的数据F011频率设定（电压型输入）通过改变12#端子的电压输入，来改变频率F021运行操作（外部端子）变频器的FWD、REV由K1、K2控制F0350最高频率基底频率F073加速时间实际动作时间：F083减速时间F1550上限频率保护电动机、机械设备F1620下限频率变频器开始运行时输出起动频率P014电机极数根据实际电动机极数设置下限频率450rmin/20Hz：本系统所用电机是通用型电机，并非变频器专用电机，无强制风冷系统，为了防止电机低速运行时转矩过小，由于负载的作用，会使电机转差损耗大，发热量增大，同时由于转速较低自通风效果大大降低，严重时会导致电机烧毁。设置上限频率1500rmin/50Hz是为了确保电动机额定转速下安全运行，保护电动机、机械设备。

第3章调试过程及改进图3.1改进后plc程序梯形图1手自动选择开关由MT506T触摸屏输入，在触摸屏输入平台往返次数后按下手自动开关m100切换型开关，M90闭合进入自动模式。按下触摸屏复归型开关“自动启动”M0，M1动作辊道启动，经T01秒延时后M2动作钢丝刷电机启动，经T1延时1秒M3动作合上变频器主回路接触器KM1。M4动作后变频器正转平台先向左移动，碰平台左限位后M4先打开M5再动作变频器反转，平台再向右移动。平台碰右限位时由于FX0s型号PLC是早期型号，还不支持脉冲指令所以利用PLC逐行扫描执行程序的特性利用M4、M5常闭触点对C0发出一个扫描周期的计数脉冲计数。图3.2变频器正反转控制原理示意图原平台电机由正转到反转延时由变频器加减速时间代替。图3.3改进后的plc程序梯形图2在增加了变频器的启停功能后，变频器得电当按下平台向左（右）开关后，Y1（Y2）信号输出，K1（K2）继电器吸合平台运行，如果误操作X0急停或X6变频器停止按钮，变频器将在工作中立即断电，这对变频器会造成很大的损害。通过在PLC程序中增加了，M27、T10、T11等指令，问题得到了解决。当急停操作或按下变频器停止按钮，Y1（Y2）将无信号输出，K1（K2）继电器分离，小车停止，延时一段时间（T1）动作，Y4将无信号输出，变频器再切断电源。

结束语本系统通过使用威纶触摸屏、三菱可编程序控制器、富士变频器,,实现了应用一台工业用除锈机的自动控制系统.由于采用了可视化人机界面,系统功能简洁易用,无需复杂的专业培训，即可上手操作，同时所用控制元件均为闲置设备,对于企业去库存增效益有一定实用性。在本系统设计之初，我对于触摸屏、plc、变频器的理解仅限于理论层面，学到的都是书本上的知识，特别是实际操作编写操作界面和控制程序，实际应用能力比较缺乏。

在指导老师的帮助下，我用了近一个月的时间收集编程教材与软件，威纶触摸屏及三菱PLC编程知识进行了强化补习，再根据所学的电气自动控制知识，用大约2周的时间对除锈机控制系统进行了设计，编程完成了初步的系统调试，并在这个过程中进一步熟悉了各类电气设备的使用方法。最后又用了大概2周的时间改进系统的性能和技术文档的编写整理，最后完成毕业设计。

在完成这次设计后回过头来看，我的这项作业完成得并不完美。还有很多需要提高和改进的地方。一是系统的功能还比较单一，有一些比较成熟的控制方法和功能实现在分析设计时没有考虑进去。比如总线网络控制和转速输入和反馈显示功能；二是，知识积累不够，到了需要完成毕业设计时才急忙查找，这样知识掌握还比较肤浅，运用起来也不够熟练。三是完成毕业设计过程，留个