电气工程及其自动化毕业论文-基于PLC的金属压块机控制系统设计

基于PLC的金属压块机控制系统设计摘要随着国内国力的发展，每年在工业生产上所消耗的钢铁数量也与日俱增，而在钢铁加工的过程中进行切割等操作常常会产生很多金属垃圾。而金属压块机这款设备可以将废弃的金属进行加工，压制成块状物体，这样既方便存放也节约了空间，方便下一步进行对金属的回收利用。此次所设计的金属压块机从结构、控制和动力等三个方面进行分析设计。在进行设计金属压块机时，首先去图书馆和网络上查找了一些国内外关于压块机的相关信息。对其他机器的结构和控制方式进行了了解，从而制作一些压块机的设计方案。此次设计所选择的是立式压块机的制作，控制系统采用的三菱PLC。分别从电机的参数，电磁阀的选择，电路工作流程，梯形图设计等方面进行介绍。虽然最后所完成的金属压块机还存在着很多不足，但是我也会慢慢的去完善它。关键词：金属；PLC；立式压块机；控制系统目录TOC\o"1-2"\h\u1绪论 绪论1.1金属压块机的研究背景和意义近几年国内发展迅速，对于钢铁制品的需求量与日俱增，而很多的加工厂商都对金属的处理很不在意，经常将金属随便堆放在一起，或者将金属扔到大自然中。随意堆放的后果就可能会导致金属长时间暴露在空气中，容易被腐蚀，将被腐蚀的金属进行回收处理需要更多的时间和精力。所以对金属进行合理的存放也可以提高回收效率。因为金属本身形状的原因，在存放的时候往往需要很大的空间，而且在进行加工钢铁的时候，经常会接触到一些油污和一些其他液体。导致金属在处理的时候一般处理方式并不能很好的将金属进行集中。所以选择挤压方式，将金属通过挤压形成一个便于管理的形状。这样在存放的时候也更加节省空间，为下一步的金属回收提供了方便。再对金属进行压块储存时还需要对其工作方法和方式进行分许研究，此次设计就是对于金属压块机的工作方式进行改进，对机器的工作运行进行模拟[1]。1.2国内外研究现状对于国外的一些国家来说，压块机的发展较早，很早就有所应用，对于各型号的压块机都有对应的厂家生产。近几年对于压块机的研究方向也在往智能化方向发展[2]。在工作时体现出的机械性能不足还有液压控制系统的缺陷等问题，随着对压块机技术的不断开放，也有很多优秀的符合使用要求的产品涌现出来。在现代科技发展的节奏中，机器的发展就是将软件、系统、网络等结合在一起，适用于各种场合，其简单的工作过程为：首先使用传送带将废弃的金属进行运输到料箱中，或者通过铲车等形式移动到料箱内。当料箱内的金属积攒到一定的量时，启动液压设备来对金属进行挤压，因为此次挤压过后，金属组织还是会处于一个不规则的形状，所以还需要对其进行二次挤压，最后将其压制成一个合适的形状。此技术已经在全世界范围内有所使用[3]。国内在发展金属压块机的过程中，不但的研究探索，并且吸收国外的先进经验，YJD1250这款压块机就是国内目前所研制的最新款金属压块机。他不仅吸收了同类型机器的工作优点，还大胆的使用了全新的结构，使其整体结构更加紧凑，运行稳定，而且此机器的制作成本也很低。比起其他相同类型的机器更受人们的欢迎。南京工业学校研制出一款YJY2500的金属压块机，用来压制金属。为一些冶金类的企业提供优质的回炉料。江阴市的圣博液压机械有限公司也是专门致力于金属液压的设计研究。如下图1-1所示是型号Y81-4000的液压机实物图：图1-1Y81-4000液压机Y83系列金属液压机是在Y81系列的基础上进行研究设计的，对其性能要比Y81系列更加的强大，其运行方式依旧采用液压传动的方式，再将系统阀块集成在一起安装，增加了液体的流量大小，提高了系统运行的稳定性。确保设备在长时间运行后对于机器的正常运行影响较小。在设备内配备了预卸负荷处理装置，能够稍微缓解液体的压力冲击。设备的整体结构都采用钢体铸件，使整个设备的重量更轻，结构更加紧凑，提高设备的生产效率。如下图1-2所示是Y83-6300型号机器的实物图：图1-2Y83-6300压块机对比Y83系列，Y83W则是卧式液压机，其主要功能是针对粉末状的一些金属细屑通过冷压的形式压缩成圆柱形的饼状。此种结构的机器可以满足自动上料，自动出饼，循环水冷等功能，其控制功能由PLC来执行。可以只通过一个人来操作整个机器。如图1-3便是Y83W-3150的一款卧式压块机[4]。图1-3Y83W-3150卧式压块机1.3设计的内容根据查阅的大量资料，对于国内外金属压块机的发展有了一定的了解，对国内外的发展趋势也有了一定的了解。发现在金属压块机的研究过程中依旧有一些问题没有得到解决。根据金属压块机的使用控制要求来对压块机的组成原理进行分析，根据其工作过程和液压控制来确定系统使用的工作方案，所以此次设计主要针对金属压块机以下几点进行研究：（1）查阅国内外相关资料对这些设备的内部结构进行了解，学习压块机的基本工作原理，对其内部构造进行了解，提出设计压块机的方案，通过对其内部不同部件分开进行研究，从而设计出符合要求的金属压块机。（2）对系统的液压系统进行设计使其符合工作要求，通过系统的工作要求来对符合的液压系统进行选择，使系统可以完成正常工作，通过对液压系统的计算从而确定符合系统给的液压参数，并画出系统的液压原理图。（3）使用PLC来对系统进行控制，在计算机上对PLC的梯形图实现编程，完成对金属的压块操作，通过人机结合来达到生产的目的，体现出了设备的智能化设计。（4）对金属压块机的机械结构进行分析，每个部分的使用都要完全符合力学的标准，根据对机械结构的一系列计算从而得到最合理的加机械配置。2金属压块机系统介绍2.1设备工作过程设计金属压块机的主要作用是将金属加工多下来的金属压制成块状，方便存储和进行二次回收利用，既是节约材料也是为厂家节约成本，是生产回收中比较重要的一部分。通过使用该机器将散乱的金属压制成方便存储的形状[5]。本章节主要针对金属压块机中的硬件部分进行设计，其设计过程为：先确定压块机的总体运行方案，根据方案来对设备的整体进行设计，确定液压机的设备内部布局。接着对设备内单独配件进行选择和设计。在进行金属制造等工艺过程中，对所产生的金属如何处理是一个比较困难的问题。有了此次设计的金属压块机，可以完美解决对金属的回收，如图2-1是其工作流程图[6]。图2-1金属回收工作过程系统所需要控制的结构简单，所使用的压块机也是小型机型，整个系统运行过程并不是很复杂，编辑的程序也是简单的一些，只需要用到一些简单的指令控制。在机器完成一轮循环操作后，需要对系统进行复位后再进行下一轮操作。复位程序如果没有完成复位则会启动机器内的报警系统进行报警，发出警报光线，能够提醒工作人员设备出现了故障，从而及时的对设备进行维修。不仅是复位错误时会报警，当设备长时间处于运行过程中时，设备会开始发热，当温度到达一定程度时会损伤设备。还有设备运行过程中出现过大的压力，这些情况都会启动报警程序。在启动报警程序的同时还会看情况对设备进行关闭[6]。如下图2-2所示是铁屑压块机中的组成结构示意图，在使用时，铁屑通过上下料装置进入到收料箱。当铁屑进入到收料箱后通过其内部的上液压头向下压，对收料箱内的铁屑进行挤压成型。铁屑在收料箱中被压成一个3-6公斤左右的圆柱形饼块。此饼块的大小大概为，这种物体的密度大概为5-6T/M3。在压缩完成后，下部的液压缸脱离，使挤压完的铁饼掉入推块槽内，然后通过下液压缸的压头把铁块推送出去。图2-2铁屑压块机结构示意图如表2-1为金属压块机结构的参数说明表：表2-1金属压块机参数表序号参数名称单位型号或数值上压块液压缸下推块液压缸1公称推力KN19002862油缸内径mm3601353活塞杆直径mm200704使用压力MPa20205电动机型号Y200L-4 30KW6液压泵型号HY100M-RP7主机尺寸2150×800×3300mm8油箱尺寸1900×1300×1650mm2.2PLC控制设备的使用此次设计的金属压块机需要完成侧液压缸推进、主液压缸下降压块、侧液压缸上升回退，主液压缸回退，侧液压缸完成推块这几个工作过程。主要运用到的是PLC中的顺序控制和运动控制这两种方式，经过上述对工作过程的分析，可以知道液压控制主要是通过液压油的流动来控制造成压力，进行工作。而PLC设备则控制供油系统进行流动[7]。下图2-3中是关于PLC控制系统的结构图。图2-3PLC控制系统结构框图2.3液压系统工作原理金属压块机主要是通过液压的方式来进行驱动，液压泵运作从而带动系统运行，设备中液压泵的主要组成元件有单向阀，减压阀，截止阀，溢流阀，泵等组成。系统中主要有两种液压缸，一种是用来控制主液压缸对金属进行压制成型，另一种是推进缸，是来完成将成型的铁块推出箱内。对于整个系统的控制来说液压缸的运行速度至关重要，而为系统选择到合适的速度，还需要考虑到整个系统运行时的功能、稳定性、设备温度等因素。而且也要保证选用设备具有一定的性价比。因为压块机所需要的工作速度并不是很快，所以选用单向节流阀来控制压块的速度是最为合适的。在运行时，通过推进液压缸来控制铁饼的流出，在推进液压缸启动时，因为其液压缸内部流量变化小，所以采用三位四通电磁换向阀来进行推进和退回操作。系统内部产生的压力系统由溢流阀来进行控制。其液压泵的原理图如图2-4液压系统原理图所示，表2-2为液压系统符号说明表。图2-4液压系统原理图表2-2液压系统符号说明表序号代号名称状态功能符号1YA1卸荷阀+卸荷阀关毕/2YAA料门液压缸+料门打开SQ93YA4侧压缸铁+侧压缸推进SQ34YA5侧压缸+侧压缸退回SQ45YA2主压缸+主缸压下SQ16YA3主压缸+主缸抬起SQ27YA9二次加压缸+二次加压缸微抬（接受块体）SQ98YA6推块缸+推块缸推进SQ59YA7推块缸+推块缸退回SQ610YA8二次加压缸+二次加压缸压下（未归位则报警）SQ711YA9二次加压缸+二次加压缸抬起SQ812YAA料门液压缸-料门关闭SQ913YA1卸荷阀-卸荷阀打开/3系统硬件部分设计3.1液压阀的选择在选择液压阀时也需要关注液压阀的性价比，在选择合适自身设计的液压阀的前提下也要保证所选择的产品尽量便宜。对于液压阀的使用寿命和工作情况都要进行详细的了解。辅助元件的应用也是帮助液压系统进行更好的使用，液压系统中的辅助元件一般包括油箱，滤油器，油水分离器，消声器和油位油温机等设备。这些元件中，油箱可以根据自身需要的对油箱进行设计，液压系统使用的油量为多少就设计多大的油箱以供使用。其他的零件则采用标准规格进行使用，为了保证液压系统的集成化，为电路选择叠加阀来控制系统的油路运行[8]。图3-1是叠加阀的实物图。图3-1叠加阀装置图叠加法是将方向控制阀，流量控制阀，以及压力控制阀等通过螺栓将各个阀的油口按照有序的排列连接起来的方式固定的，叠加阀的常用通经有6mm通径、10mm通径、16mm通径等，连接时要注意阀与阀之间的通径要相等。通常使用的叠加阀流量在30L/min到200L/min，额定压力通常为20MPa。此次设计中所使用的各种阀门参数如表3-1所示。表3-1叠加阀的选用表序号名称型号数目1叠加式单向阀MPW-03-2-2022叠加式减压阀MRP-03-H-2013三位四通换向阀T-DSG-03-3C4-D24-7024叠加式单向节流阀MSW-10-XH-1025叠加式单向溢流阀MSW-10-YH-1026叠加式溢流阀MBW-03-XH-301在对叠加阀进行安装之前，应该先设计普通的运行油路。在设计普通的运行油路时，也要考虑接下来要安装的叠加阀，所以需要对液压系统中使用到的流量和压力进行计算，这样在普通油路中添加叠加阀时也方便许多。在安装叠加阀的时候，所选用的各种叠加阀设备都需要保证其油路通径相等。这样在流通的时候才能保证系统的准确运行。叠加阀顶端连接的应该是主换向阀，其他的阀门都安装在各个主换向阀和底板之间，在系统的电路连接中，推块液压缸的运动路径中进过减压阀的油路需要安装一个压力表，用来实时检测压力值的大小。本次设计以及对以往的其他压块机工作压力的对比，选择工作压力为20MPa，则液压系统的主要技术参数如表3-2所示：表3-2液压系统技术参数表序号参数参数值单位1上压块液压缸的公称推力1900KN2上压块液压缸的有效行程300mm3下推块液压缸的公称推力270KN4下推块液压缸的有效行程260mm5系统工作压力20MPa6行进速度60mm/s3.2电磁阀的选择本次设计采用电磁阀控制气缸的动作状态，从而实现气缸动作检测功能。型号为4V210-08，功能为二位五通，电控方式为单电控，手控方式为锁定式，电压为220VAC/24VDC，功率为50/60Hz，耐压值为1.5MPa，使用压力范围为0.15~0.8MPa，工作温度为5~50℃。图3-2是二位五通单电控制电磁阀实物图。图3-2二位五通单电控制电磁阀3.3行程开关行程开关又称磁性开关，在金属压块机系统中的作用是检测各气缸推杆位置，性质为非接触型，极大程度的减小了机械损坏，具有较高响应速度。本次设计选型CS1-U型气缸磁性，开关电压范围为5VDC~240VDC，开关电流为50mA，最大反应时间为1ms，工作温度为0℃~+60℃。图3-3是CS1-U气缸磁性开关实物图。图3-3CS1-U气缸磁性开关3.4PLC选型在选择PLC的时候尽可能选择性价比高的，其前提条件必须满足所选择的PLC达到设计要求。主要保证内部的I/O数量足够，工作稳定，其平时需要维护所用的费用最低。在进行系统设计时，首要完成的任务就是对系统的控制方案进行确认，然后是各种硬件的选型操作，在选型时主要依据控制系统的主要功能和特点。根据所使用的外部设备数量来对使用的外部输入输出进行估算，最后来选择最适合系统使用的PLC。然后可以根据所选择的外部设备来对系统所需I/O点数进行估算，当然在估算完，选择设备时，需要在估算的点数上加上百分之十到百分之二十的余量。这样方便往后使用时，设备损坏也可以进行接线的更换，或者更新功能和设备时使用。在实际选择中还要根据PLC的设备情况来进行调整。此次设计预估计需要输入点数12个，输出点数12个。结合以上所述，本次金属压块机控制系统的可编程控制器选择日本三菱的FX2N-32MR型PLC作为控制核心，下图3-4为此型号的实物图。3.5I/O分配表根据所用到的输入输出设备，可以知道需要使用PLC上的12个输入口和12个输出口，下表3-3是PLC内部的输入输出分配表。表3-3输入输出分配表输入端输出端序号端口说明符号序号端口说明符号1X0系统启动按钮SB11Y0电机线圈KM2X1系统升压/卸荷SB22Y1加压电磁阀YA13X2主缸下压到位SQ13Y2主缸下压电磁阀YA24X3主缸抬起到位SQ24Y3主缸抬起电磁阀YA35X4侧缸推进到位SQ35Y4侧缸推进电磁阀YA46X5侧缸缩回到位SQ46Y5侧缸退回电磁阀YA57X6推块缸推进到位SQ57Y6推块缸推进电磁阀YA68X7推块缸缩回到位SQ68Y7推块缸退回电磁阀YA79X10二次加压缸下压到位SQ79Y10二次加压缸下压电磁阀YA810X11二次加压缸抬起到位SQ810Y11二次加压缸抬起电磁阀YA911X12料斗门打开/闭合SB311Y12料斗门电磁阀YA12X13急停按钮KJ12Y13报警指示灯HL此次总用使用到24个端口，三菱公司所生产的FX2N-32MR型号PLC就比较适合此次设计，此型号的PLC其内部带有16个输入口和16个输出口，足够后期修改以及扩充使用，不需要再进行其他I/O模块的使用。此PLC所使用的电源模块是Q61P，专门用于PLC内部使用，这种电源所使用的输入电压信号采用120/230AC，输出部分的电压为24VDC/2.5A，此部分电压是提供给PLC所使用的[9]。3.6外围接线图在设计系统的时候，电源系统十分重要，因为都是电器设备，所以都需要用电，用来驱动液压泵的电机需要使用380V的三相交流电。PLC连接的是220V的两相交流电。对于PLC上所连接的I/O等设备一般采用24V直流电。并且为了避免设备出现漏电静电等情况，还需要对设备进行接地处理。各个零件在安装的时候也要为其分配好位置。这样才能保证金属压块机能够正常运行。PLC设备的接线图如图3-5所示：图3-5PLC硬件连接图4软件部分设计4.1编程软件选择本次金属压块机的控制系统设计采用三菱系列PLC，编程软件选择三菱的GXWorks2，该版本的编程系统为三菱编程系列最新版本，支持梯形图、指令表、SFC等编程语言，编辑功能强，可进行参数/网络设定、在线/模拟监控、仿真调试、智能功能块设定等功能，适用于三菱多种系列PLC，打开软件后根据所选PLC型号，选择PLC类型为“FX2N/FX2NC”，编程语言为“梯形图”，如图4-1所示。图4-1PLC类型选择4.2流程图金属压块机的程序编写需要结合流程图使用，流程图是将设备之间的工作流程通过框图的方式表达出来，方便设计人员进行观看，流程图采用特殊的符号来表达设备之间的关系，流程图中将工作进程按照顺序排列好。流程图编写的好坏对于后续程序的编写影响也很大。为了提供设备工作效益，设计的流程图要使工作流程最少，机器运行所使用的时间最短。根据之前对于油缸，液压阀这些设备的计算所选择出来的型号安装在压块机上，然后通过PLC对这些设备进行控制。如下图4-2为梯形流程图：图4-2梯形图控制流程图4.3系统调试通过使用GXWorks2软件可将SFC形式的编程指令转化成梯形图程序进行使用，由于三菱系列PLC编程软件自带仿真调试功能，因此程序可直接利用编程软件进行模拟仿真调试。PLC程序模拟写入成后，程序在“RUN”状态下才可进行相关模拟仿真操作，系统详细梯形图可见附录所示，如图4-3为程序写入过程：图4-3梯形图模拟仿真过程1.系统开启前的初始状态为：电机未运转、各按钮未按下、各缸未动作、料门未动作、指示灯熄灭。按下启动按钮X0（SB1），电机Y0（KM）得电运转，系统运行；2.同时按下升压/卸荷按钮X1（SB2）、料门打开按钮X12（SB2），加压电磁阀Y1（YA1）得电，卸荷关闭，料斗门Y12（YA）得电打开，T0计时器得电计时5S；3.5S时间到后，T1计时器得电计时3S，侧压缸推进电磁阀Y4（YA4）得电，侧压缸开始推进；4.3S时间后，侧压缸推进电磁阀Y4（YA4）失电，料斗门Y12（YA）失电闭合；5.当侧缸推进到位X4（SQ3），计时器T2得电计时2S，若2S时间内侧缸缩回X5（SQ4）未到位，则侧缸退回电磁阀Y5（YA5）得电，报警指示灯Y13（HL）得电点亮，显示侧压缸未退回报警；6.当出现紧急情况时（Y13得电），可按下急停按钮X13（SB3），则系统回到初始状态；7.若2S时间内侧缸缩回X5（SQ4）到位，则T3得电计时3S，同时主缸下压Y2（YV2）得电；8.3S时间到后，主缸下压Y2（YA2）失电；9.主缸下压到位X2（SQ1），T4得电计时2S，若2S时间内未按下X3，则报警指示灯Y21得电点亮，则主缸抬起电磁阀Y3（YA3）得电，报警指