自动控制液压板料剪切生产线设计-液压系统和泵站设计、控制系统设计【液压剪板机】
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开题报告 设计开题报告题目名称: 自动控制液压板料生产线控制系统 院系名称: 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 2011 年 03月1本课题所涉及的内容国内(外)研究现状综述板材厂生产的幅宽成卷钢板一般需要经过校平和分剪, 才能成为最终产品提供给客户使用,因此钢板校平剪板机是钢板厂和板材仓库重要的生产设备。钢板卷材整平剪切机可以对冷轧板、热轧板、不锈钢板、镀锌板、彩涂板等卷料进行整平横切成标准规格的板材, 在一些机动车配件厂、金属餐具厂、轧钢厂、型材厂及电器行业等具有广阔的应用价值。针对传统钢板校平剪板机存在的生产效率和剪切定位精度低的问题,我研究基于PLC成卷钢板校平剪板机自动控制系统。就目前而言,对低端设备而言,传统方法一般采用直流调速系统,实施方案的缺点是:系统笨重、耗电量大、调试复杂、维护成本高;在定位控制方式方面,一般采用读取行程开关信号后通过预减速配合气压制动的定位方式, 剪切效率很低, 误差较大。而对高端设备,一般采用直流伺服技术,虽然精度和效率得以保证,但价格非常昂贵,产品性能价格比难以令人满意。基于以上原因,控制系统我采用了,变频器,PLC,编码器,组成的伺服控制系统。2本课题有待解决的主要关键问题1) 精确控制剪切板料的长度。2) 送料机与校平机的速度。3) 防止板材在接料过程中卷曲。3对课题要求及预期目标的可行性分析 (包括解决关键问题技术和所需条件两方面)本课题的的关键问题:a) 剪板长度的高精度要求b) 送料机与校平机的速度。c) 防止板材在接料过程中卷曲。电动机变频器PLC编码器图1.自动剪板机控制系统图解决方案:1) 剪板长度的高精度定位,长度定位采用编码器与校平送料滚轴直连方式以实现准确测量。校平机由减速电机驱动,用电磁抱闸强制克服钢材运动的惯性以利于被加工对象的准确定位。2) 在送料机与校平机之间采用挖地坑的方法实现缓冲,如送料机以16m/s的速度送料,校平机以2m为一块板切割,则要求留足2m的余量。若挖3m长,2m深的地坑,刚好可以满足2m的余量满足速度匹配。但实际钢板是不可能拉到水平的,也不能接触到地坑底部,因此在地坑底部适当位置加装一对光电开关,检测越限信号,只要超限就启动送料机,这样就可以满足工艺要求。3) 接料机构做成可升降式,每接十张,接料机构下降一定的高度。 4完成本课题的工作计划及进度安排第1-2周 毕业实习第3周 方案论证,确定方案,完成调研报告、开题报告、外文翻译第4-10周 玻璃制品液压压机均匀震荡部分、液压系统、液压泵站、总体装置的设计第11-12周 主要零件的设计,撰写设计说明书第13周 审查设计、完善文件、准备答辩5指导教师审阅意见指导教师(签字): 年 月 日6指导小组意见 指导小组组长(签字): 年 月 日说明:1. 本报告前4项内容由承担毕业论文(设计)课题任务的学生独立撰写;2. 本报告必须在第八学期开学两周内交指导教师审阅并提出修改意见;3. 学生须在小组内进行报告,并进行讨论;本报告作为指导教师、毕业论文(设计)指导小组审查学生能否承担该毕业设计(论文)课题和是否按时完成进度的检查依据,并接受学校的抽查。4设计题目名称:自动控制液压板料剪切生产线设计液压系统和泵站设计、控制系统设计 院系名称: 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 2011 年05月说明书摘要板材厂生产的幅宽成卷钢板一般需要经过校平和分剪, 才能成为最终产品提供给客户使用,因此钢板校平剪板机是钢板厂和板材仓库重要的生产设备。钢板卷材整平剪切机可以对冷轧板、热轧板、不锈钢板、镀锌板、彩涂板等卷料进行整平横切成标准规格的板材, 在一些机动车配件厂、金属餐具厂、轧钢厂、型材厂及电器行业等具有广阔的应用价值。针对传统钢板校平剪板机存在的生产效率和剪切定位精度低的问题,我研究基于PLC成卷钢板校平剪板机自动控制系统。就目前而言,对低端设备而言,传统方法一般采用直流调速系统,实施方案的缺点是:系统笨重、耗电量大、调试复杂、维护成本高;在定位控制方式方面,一般采用读取行程开关信号后通过预减速配合气压制动的定位方式, 剪切效率很低, 误差较大。而对高端设备,一般采用直流伺服技术,虽然精度和效率得以保证,但价格非常昂贵,产品性能价格比难以令人满意。AbstractThe width of sheet metal factory steel rolls to go through smoothing and sub-normal shear in order to become final products to customers, thus leveling plate steel mills and plate shears are important production equipment warehouse. Steel coil leveling shearing machine can be cold-rolled plate, hot plate, stainless steel plate, galvanized plate, color coated coil, etc. to cross into the standard leveling plate, in a number of motor vehicle parts factory, metal Tableware plant, rolling mills, profile plant and electrical industries have broad application. Leveling plate shears for the existence of traditional production efficiency and cut the problem of low accuracy, my research is based on PLC leveling plate shears rolls automatic control system.For now, on the low-end equipment, traditional methods generally use DC drive system, the implementation of the programs weaknesses are: the system bulky and power consumption, debugging complex, high maintenance costs; in terms of positioning control, the general reading Limit switch signal obtained by pre-positioning gear means with the air brake, shearing efficiency is very low, errors. While the high-end equipment, the general DC servo technology, although the accuracy and efficiency can be guaranteed, but the price is very expensive, product cost performance not satisfactory.引言5第1章 液压泵站设计61.1 制定基本方案和绘制液压系统图61.1.1制定基本方案61.2 液压元件的选择与专用件设计71.2.1液压泵的选型。71.2.2 电动机的选择71.2.3 液压阀的选择81.2.4 空气滤清器的选择91.2.5 冷却器的选择91.3 设计液压装置,编制计数文件101.3.1 液压装置总体布局101.3.2 液压阀的配置形式101.3.3 集成块的设计101.4 油箱的设计111.4.1 油箱的设计要点111.5 液压泵站的组装141.5.1、液压元件检查与要求141.5.2、液压元件的拆洗与测试141.5.3.液压元件和管道安装151.5.4 液压泵站的使用与检查17第2章 控制系统的设计182.1 概述182.1.1 系统简介182.1.2 系统功能分析系202.1.3 PLC控制系统的使用202.2 系统的总体设计212.2.1 系统结构212.3 硬件系统配置222.3.1 PLC的选型222.3.2 PLC的I/O资源配置232.3.3 其他资源配置242.3.4 其他262.4 软件系统设计262.4.1 控制系统的计算282.4.2 程序282.5 系统存在的问题及解决方法382.5.1 硬件问题382.5.2 软件的问题38第3章 设计小结38参考资料39引言钢板校平剪板机是钢板厂和钢材库房的重要设备,钢板卷材整平剪切机可以对冷轧板、热轧板、不锈钢板、镀锌板、彩涂板等卷料进行整平横切成标准规格的板材, 在一些机动车配件厂、金属餐具厂、轧钢厂、型材厂及电器行业等具有广阔的应用价值,但是传统的剪板机在使用方面存在诸多问题,针对传统钢板校平剪板机存在的生产效率和剪切定位精度低的问题,研制了基于PLC工控产品的成卷钢板校平剪板机自动控制系统,该系统运行稳定可靠,生产效率高,控制精度高,维护使用方便。第1章 液压泵站设计1.1 制定基本方案和绘制液压系统图1.1.1制定基本方案(1) 制定调速方案液压执行元件确定之后,其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统,大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对高压大流量的液压系统,现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合容积节流调速。容积调速是靠改变液压泵排量来达到调速的目的。其优点是没有溢流损失和节流损失,效率较高。但为了散热和补充泄漏,需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。容积节流调速一般是用变量泵供油,用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量,并使其供油量与需油量相适应。此种调速回路效率也较高,速度稳定性较好,但其结构比较复杂。此系统调速的要求不是很高,综上,选择节流调速实现液压回路的调速。(2)制定压力控制方案液压执行元件工作时,要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作,也有的需要多级或无级连续地调节压力,一般在节流调速系统中,通常由定量泵供油,用溢流阀调节所需压力,并保持恒定。在容积调速系统中,用变量泵供油,用安全阀起安全保护作用。在有些液压系统中,有时需要流量不大的高压油,这时可考虑用增压回路得到高压,而不用单设高压泵。液压执行元件在工作循环中,某段时间不需要供油,而又不便停泵的情况下,需考虑选择卸荷回路。在系统的某个局部,工作压力需低于主油源压力时,要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。设计采用在压油路放置溢流阀来实现液压回路压力的控制。(3) 制定顺序动作方案此系统的各个液压缸没有顺序动作的要求。(4) 选择液压动力源液压系统的工作介质完全由液压源来提供,液压源的核心是液压泵。采用柱塞式变量泵容积式调速,液压泵的供油量要大于系统的需油量,多余的油经溢流阀流回油箱,溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供油,用安全阀限定系统的最高压力。为节省能源提高效率,液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况,一般采用多泵供油或变量泵供油。对长时间所需流量较小的情况,可增设蓄能器做辅助油源。油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器,进入系统的油液根据被保护元件的要求,通过相应的精过滤器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱,可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。根据液压设备所处环境及对温升的要求,还要考虑加热、冷却等措施。1.2 液压元件的选择与专用件设计1.2.1液压泵的选型。系统的最大压力10MP,最大流量26L/min。由于此系统工作环境在室外,因此,液压系统的抗污染要好,所以,初步选择齿轮泵。根据压力和流量,选择CBN-E310型齿轮泵。此泵的参数如下:排量,10/min;额定压力:16MP 最高压力:20MP容积效率:90% 驱动功率:6.2KW选用电机的转速:2880则泵的排量:10 X 2.88 X 90%=26L/min1.2.2 电动机的选择液压泵的驱动功率为6.2kw,查手册,选用电动机 Y2-132S2-2。电动机得参数:额定功率:7.5KW 转速:2900转 效率87%计算得电动机得实际功率,7.5 X 0.87=6.525。 因此该电机符合液压泵。1.2.3 液压阀的选择1)阀的规格,根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量,选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取;选择节流阀和调速阀时,要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些,必要时也允许有20%以内的短时间过流量。2)阀的型式,按安装和操作方式选择。根据系统的工作压力和流量选择:溢流阀的型(参数如下):(1)名称: 溢流阀公称通径/in: 6mm型号: DBD-A-6-G调压范围/MPa: 2.540最大流量/Lmin(-1): 50重量/kg: 5.0调速阀的型号(参数如下):(2) 名称: 2FRM10型调速阀型号|板式连接: 2FRM10通径/mm: 10压力/MPa: 31.5流量/Lmin(-1): 50开启压力/MPa: 0.15控制压力/MPa: p 1.6(3) 电磁换向阀型号(参数如下):WE6通径/mm: 6额定流量/Lmin(-1): 60额定压力MPa: 31.5允许背压MPa: 6.3接通时间: 30ms断开时间: 20ms电压: AC220V 50Hz;DC12V、24V允许电压变动范围: 10电磁铁功耗(吸持时): AC:46W,DC:26W(4) 顺序阀型号:DZ6DP输入压力(MP):带单向阀 =21; 不带单向阀:=31.5输出压力(MP):21.0背压(MP):=16最大流量(L/min):60(5) 压力表1.2.4 空气滤清器的选择选择 EF系列液压空气滤清器,一般选取泵流量的1.5倍故选型号为 EF5-65 流量为 45该产品把空气过滤和加油过滤合为一体,简化了油箱的结构,有利于油箱油液的净化,维持油箱的压力与大气压力的平衡。加油流量(L/min): 47空气流量(L/min): 45油过滤面积(cm2 ): 400A: 190空气过滤精度: 0.105油过滤精度: 125um(120目/in) 可根据用户要求1.2.5 冷却器的选择热交换量为 2326,流量为29L/min。查表热交换面积为0.7故选用 2LQF4W 型冷却器 ,热交换面积为0.7m3其参数如下:设计压力(MP):1.6实验压力(MP):2.4设计温度(C): 100压力降: 0.1重量(kg):181.3 设计液压装置,编制计数文件1.3.1 液压装置总体布局液压系统总体布局有集中式、分散式。集中式结构是将整个设备液压系统的油源、控制阀部分独立设置于主机之外或安装在地下,组成液压站。如冷轧机、锻压机、电弧炉等有强烈热源和烟尘污染的冶金设备,一般都是采用集中供油方式。分散式结构是把液压系统中液压泵、控制调节装置分别安装在设备上适当的地方。机床、工程机械等可移动式设备一般都采用这种结构。本设计采用液压装置的集中式布局1.3.2 液压阀的配置形式1)板式配置 板式配置是把板式液压元件用螺钉固定在平板上,板上钻有与阀口对应的孔,通过管接头联接油管而将各阀按系统图接通。这种配置可根据需要灵活改变回路形式。液压实验台等普遍采用这种配置。2)集成式配置 目前液压系统大多数都采用集成形式。它是将液压阀件安装在集成块上,集成块一方面起安装底板作用,另一方面起内部油路作用。这种配置结构紧凑、安装方便。1.3.3 集成块的设计1)块体结构 集成块的材料一般为铸铁或锻钢,低压固定设备可用铸铁,高压强振场合要用锻钢。块体加工成正方体或长方体。对于较简单的液压系统,其阀件较少,可安装在同一个集成块上。如果液压系统复杂,控制阀较多,就要采取多个集成块叠积的形式。相互叠积的集成块,上下面一般为叠积接合面,钻有公共压力油孔P,公用回油孔T,泄漏油孔L和4个用以叠积紧固的螺栓孔。P孔,液压泵输出的压力油经调压后进入公用压力油孔P,作为供给各单元回路压力油的公用油源。T孔,各单元回路的回油均通到公用回油孔T,流回到油箱。L孔,各液压阀的泄漏油,统一通过公用泄漏油孔流回油箱。集成块的其余四个表面,一般后面接通液压执行元件的油管,另三个面用以安装液压阀。块体内部按系统图的要求,钻有沟通各阀的孔道。2)集成块结构尺寸的确定 外形尺寸要求满足阀件的安装,孔道布置及其他工艺要求。为减少工艺孔,缩短孔道长度,阀的安装位置要仔细考虑,使相通油孔尽量在同一水平面或是同一竖直面上。对于复杂的液压系统,需要多个集成块叠积时,一定要保证三个公用油孔的坐标相同,使之叠积起来后形成三个主通道。各通油孔的内径要满足允许流速的要求,具体参照本章4.4节确定孔径。一般来说,与阀直接相通的孔径应等于所装阀的油孔通径。油孔之间的壁厚不能太小,一方面防止使用过程中,由于油的压力而击穿,另一方面避免加工时,因油孔的偏斜而误通。对于中低压系统,不得小于5mm,高压系统应更大些。采取的液压块的基本尺寸分别为为:1、长、宽、高分别为135,100,105;2、长、宽、高分别为135,100,100 ;3、长、宽、高分别为135,100,115。1.4 油箱的设计油箱油箱在液压系统中除了储油外,还起着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。油箱中安装有很多辅件,如冷却器、加热器、空气过滤器及液位计等油箱可分为开式油箱和闭式油箱二种。开式油箱,箱中液面与大气相通,在油箱盖上装有空气过滤器。开式油箱结构简单,安装维护方便,液压系统普遍采用这种形式。闭式油箱一般用于压力油箱,内充一定压力的惰性气体,充气压力可达0.05MPa。如果按油箱的形状来分,还可分为矩形油箱和圆罐形油箱。矩形油箱制造容易,箱上易于安放液压器件,所以被广泛采用;圆罐形油箱强度高,重量轻,易于清扫,但制造较难,占地空间较大,在大型冶金设备中经常采用。1.4.1 油箱的设计要点设计油箱时应考虑如下几点。1)油箱必须有足够大的容积。一方面尽可能地满足散热的要求,另一方面在液压系统停止工作时应能容纳系统中的所有工作介质;而工作时又能保持适当的液位。2)吸油管及回油管应插入最低液面以下,以防止吸空和回油飞溅产生气泡。管口与箱底、箱壁距离一般不小于管径的3倍。吸油管可安装100m左右的网式或线隙式过滤器,安装位置要便于装卸和清洗过滤器。回油管口要斜切45角并面向箱壁,以防止回油冲击油箱底部的沉积物,同时也有利于散热。3)吸油管和回油管之间的距离要尽可能地远些,之间应设置隔板,以加大液流循环的途径,这样能提高散热、分离空气及沉淀杂质的效果。隔板高度为液面高度的2/33/4。1液位计;2吸油管;3空气过滤器;4回油管;5侧板;6入孔盖;7放油塞;8地脚;9隔板;10底板;11吸油过滤器;12盖板;4)为了保持油液清洁,油箱应有周边密封的盖板,盖板上装有空气过滤器,注油及通气一般都由一个空气过滤器来完成。为便于放油和清理,箱底要有一定的斜度,并在最低处设置放油阀。对于不易开盖的油箱,要设置清洗孔,以便于油箱内部的清理。5)油箱底部应距地面150mm以上,以便于搬运、放油和散热。在油箱的适当位置要设吊耳,以便吊运,还要设置液位计,以监视液位。6)对油箱内表面的防腐处理要给予充分的注意。常用的方法有: 酸洗后磷化。适用于所有介质,但受酸洗磷化槽限制,油箱不能太大 喷丸后直接涂防锈油。适用于一般矿物油和合成液压油,不适合含水液压液。因不受处理条件限制,大型油箱较多采用此方法。 喷砂后热喷涂氧化铝。适用于除水-乙二醇外的所有介质。 喷砂后进行喷塑。适用于所有介质。但受烘干设备限制,油箱不能过考虑油箱内表面的防腐处理时,不但要顾及与介质的相容性,还要考虑处理后的可加工性、制造到投入使用之间的时间间隔以及经济性,条件允许时采用不锈钢制油箱无疑是最理想的选择。液压泵站的油箱公称容量系列(JB/T7938-1995),见表1。表1 油箱容量JB/T7938-1995(L)46.31025406310016025031540050063080010001250160020003150400050006300 油箱容量与系统的流量有关,一般容量可取最大流量的38倍。另外,油箱容量大小可从散热角度去设计。计算出系统发热量与散热量,再考虑冷却器散热后,从热平衡角度计算出油箱容量。不设冷却器、自然环境冷却时计算油箱容量的方法如下。1)系统发热量计算 在液压系统中,凡系统中的损失都变成热能散发出来。每一个周期中,每一个工况其效率不同,因此损失也不同。一个周期发热的功率计算公式为式中 H一个周期的平均发热功率(W); T一个周期时间(s); Ni第i个工况的输入功率(W); i第i个工况的效率; ti第i个工况持续时间(s)。2)散热量计算 当忽略系统中其他地方的散热,只考虑油箱散热时,显然系统的总发热功率H全部由油箱散热来考虑。这时油箱散热面积A的计算公式为式中 A油箱的散热面积(m2); H油箱需要散热的热功率(W); t油温(一般以55考虑)与周围环境温度的温差();K散热系数。与油箱周围通风条件的好坏而不同,通风很差时K=89;良好时X=1517.5;风扇强行冷却时K=2023;强迫水冷时K=110175。3)油箱容量的计算 设油箱长、宽、高比值为:b:c,则边长分别为l、bl、cl、时,l的计算公式为式中 A散热面积(m2)。根据所选取的柱塞泵可知液压泵的最大流量为:25L/min则预算油箱的容积大概为液压泵最大流量的3到8倍,即油箱的容积V不小于75L油箱主要设计参数如图3所示。一般油面的高度为油箱高h的0.8倍,与油直接接触的表面算全散热面,与油不直接接触的表面算半散热面,图示油箱的有效容积和散热面积分别为V=0.8bh (50)A1=1.6h(+b)+1.5b (51)若A1求出,再根据结构要求确定、b、h的比例关系,即可确定油箱的主要结构尺寸。如按散热要求求出的油箱容积过大,远超出用油量的需要,且又受空间尺寸的限制,则应适当缩小油箱尺寸,增设其他散热措施。根据以上基本要求以及便于液压泵站上个元件的布置确定的油箱的基本尺寸为:a=850mm:b=490mm:h=360mm又油箱的厚度为10mm则油箱的体积为:V=(a-20)*(b-20)*(h-20)油箱的油容积约为:V1=0.8*V1.5 液压泵站的组装1.5.1、液压元件检查与要求(1)液压元件的检查液压元件的型号规格应与元件清单上一致;生产日期不宜过早,否则其内部密封件可能老化;各元件上的调节螺钉、手轮及其他配件应完好无损;电磁阀的电磁铁、压力继电器的内置微动开关及电接触式压力表内的开关等应工作正常;元件及安装底板或油路块的安装面应平整,其沟槽不应有飞边、毛刺、棱角,不应有磕碰凹痕,油口内部应清洁;油路块的工艺空封堵螺塞或球涨等堵头应齐全并连接密封良好;油箱内部不能有锈蚀,通气过滤器、液位计等油箱附件应并全,安装前应清洗干净。(2)管件的检查油管的材质、牌号、通径、厚度、壁厚和接头的型号规格及加工质量均应符合设计要求及有关规定。金属材质油管的内外壁不得有腐蚀和伤口裂痕,表面凹入或有剥离层和结疤;软管(胶管和塑料管)的生产日期不得过久。管接头的螺纹、密封圈的沟槽棱角不得有伤痕、毛刺或断丝扣等现象;接头体与螺母配合不的松动或卡涩。1.5.2、液压元件的拆洗与测试 液压元件一般不宜随便拆开,但对于内部污染或生产、库存时间过久,密封件可能自然老化的液压元件则应根据情况进行拆洗和测试。(1)拆洗拆洗液压元件必须在熟悉其构造、组成和工作原理的基础上进行。元件拆开时建议对各零件拆下的次序进行纪录,以便拆息结束组装时正确、顺利的安装。清洗时,一般应先用洁净的煤油清洗,再用液压系统中的工作油液清洗。不符合要求的零件和密封件必须更换。组装时要特别注意不使个零件被再次污染和异物落入元件内部。此外,油箱、油路板及油路块的通油孔道也必须严格清洗并妥善保管。(2)测试经拆洗的液压元件应尽可能进行试验,一些主要液压元件的测试项目见表1。测试元件均应达到规定的技术指标,测试后应妥善保管,以防再次污染。表1 液压元件拆息后的测试项目元件名称测试项目液压泵额定压力、流量下的容积效率先导式溢流阀调压状况,启闭压力,外泄漏三位四通换向阀换向状况;压力损失;内、外泄漏液控单向阀压力损失;内、外泄漏1.5.3.液压元件和管道安装1. 液压元件的安装(1)液压泵的安装液压泵与原动机、液压马达与其拖动的主机工作机构间的同轴度偏差在0.1以内,轴线间的倾角不得大于1;不得用敲击方式安装联轴器。(2)液压控制阀的安装方向阀一般应保持轴线水平安装;各油口处的密封圈在安装后应有一定压缩量以防泄漏;固定螺钉应均匀拧紧(勿用锤子敲打或强行扳拧),不要拧偏,最后使罚的安装平面与底板或油路块安装平面全部接触。2. 管道安装在液压系统中,管道的主要作用是传输载能工作介质。一般应在所连接的设备及各液压装置部件、元件等组装、固定完毕后再进行管道安装。安装管道时应特别注意防振、防漏问题。(1)管道敷设管道敷设应变预装拆和维护,并不妨碍生产人员行走及机电设备的运行和维护。橡胶软管应远离热源或采取隔热措施,并避免相互间与其他物体间产生磨擦,还应避免急弯,管道最小弯曲半径应在10倍管径以上。官长除满足弯曲半径和移动行程外,尚应留4%的余量。(2)管道加工在管道安装过程中,应根据其尺寸、形状及焊接要求加工管材。切割加工的管材端部应平整,无裂纹和重皮等缺陷;需弯曲加工的钢质管道,弯管前要进行退火处理,以防弯管时起皱或变扁,弯曲半径一般应大于管子外径的3倍,弯制后的椭圆旅应小于8%;管端螺纹应与相配的螺纹的基本尺寸和公差标准一致,螺纹加工后应无裂纹和凹痕等缺陷;管子的焊接坡口形式、尺寸及接头间隙可根据壁厚进行加工和组对。经加工而成的管道,应将切削、毛刺等去除干净。(3)管道焊接应根据焊接对象的材质选用合适的焊接材料;管壁较厚的管道焊前应进行预热。管道焊接完毕,要将焊缝及周围的熔渣及飞溅物清理干净,并进行耐压试验,试验压力为工作压力的1.52倍,试压不合格的管道应进行补焊,同一部位的返修次数不宜超过3次。(4)酸洗和循环冲洗酸洗方法有以下两种:槽式酸洗其工序流程为:脱脂 水冲洗酸洗 水冲洗 中和 钝化 水冲洗 干燥 涂防锈油(剂) 封口。循环酸洗,其工序流程为:水试漏 脱脂 水冲洗 酸洗 中和钝化水冲洗 干燥涂防锈油(剂) 封口。 酸洗时应遵循有关规程。酸洗后,管道内壁应无附着物;用盐酸、硝酸或硫酸洗时管道内壁呈灰白色;用磷酸酸洗时管道内壁呈灰黑色。酸洗合格后,须在专用冲洗台上将各段管子连接在一起进行循环冲洗。循环冲洗时,应当注意:应选用液压泵、油箱、过滤器等元件适用的且与系统中所有密封件材质相容的冲洗液(油),其粘度宜低些;清洗液(油)诸如油箱前,应将有向内清洗干净,不得有任何肉眼可见的污物;注入冲洗液时应经过滤,过滤精度不低于液压系统要求的过滤精度。冲洗过程中宜辅以适当的敲击或振动等,以加强冲洗效果;冲洗结束后,须将冲洗液(油)排除干净;冲洗后应对冲洗质量进行检验,冲洗清洁度可用颗粒计数法监测1.5.4 液压泵站的使用与检查优质的液压系统是针对无故障使用寿命长而设计的,它仅需要很少的维护。但是少量的维护对于得到无故障工作非常重要。实践表明液压系统失效、损坏等多数是由于污染、维护不足和油液选用不当造成的。为保证液压系统处于良好性能状态,并延长其使用寿命,应对其合理使用,并重视对其进行日常检查和维护。1 使用的一般注意事项液压泵站使用中的注意事项如下:1)低温下,油温应达到20以上才准许顺序动作;油温高于60是应注意系统的工作情况。2)停机4h以上的设备,应先使液压泵孔在运转5min,再起动执行器工作。3)各种液压元件、辅助元件未经主管部门同意,不准私自调节火拆换。4)液压站出现故障时,不准擅自乱动,应通知有关部门分析原因并拆除。第2章 控制系统的设计2.1 概述在工业生产过程中, 自动剪切生产线应用十分广泛。它能将金属卷料加工成一定尺寸的板料, 可实现自动开卷、定长送料和自动剪切, 其生产效率高、适应性强, 适合较大规模生产。但是传统的生产设备与系统多以机械为主, 是电气液压或气动控制的机械设备 1 , 存在送料不够精确、生产效率低下等诸多不足, 已不能满足所有的生产需要。随着工业水平的不断发展, 生产设备已逐步地由手动操作改为能够进行大规模生产的自动控制。本文设计的PLC 控制系统, 使用了伺服驱动装置, 充分发挥其控制精度高、响应速度快和运行平稳等优点, 有效地提高剪切的精度和效率, 提升生产过程的自动化程度, 具有十分广阔的应用前景。2.1.1 系统简介1.自动剪切生产线由开卷机、送料机和剪切机3 部分组成1) 开卷机包括开卷轴、保持器和弧形托起器。开卷轴由变频器驱动的电动机带动, 负责将卷料展开。为了避免送料机工作时对已展开的卷料产生较大的张力以及对机械设备造成损伤, 开卷机先预放一定长度的料, 起到缓冲的作用。保持器在开卷机转动时压住卷料, 避免卷料松动。弧形托起器托起已展开的卷料, 避免其触地。2) 送料机通过伺服驱动器/ 伺服电机装置带动内部许多组压辊旋转, 精确地给剪切机送料。另外, 这些压辊还能对卷料进行压平, 使送到剪切机的料更加平整。3) 剪切机完成对送料的剪切, 是整个生产线的最后一道工序。1) 运行方式。开卷机、送料机和剪切机都具有手动/ 自动两种工作方式。采用自动工作方式时, 系统将按预先设定的工艺流程不间断地循环工作; 手动工作方式是在设备单动、调试和检修阶段使用 2 。2) 协调一致。在自动工作方式时, 开卷机、送料机和剪切机3 种设备需要配合使用, 因此要求它们的动作能够协调运行。3) 实时显示。系统中各个工序的运行情况、报警信息、送料长度和加工工件数量等信息都要求在触摸屏上显示。4) 故障检测。系统能够自动检测各个工序的运行是否正常。如果出现异常, 在触摸屏上显示错误信息, 同时生产线停止运行; 故障解除后, 按启动按钮生产线继续运行 3 。5) 紧急停止。当出现紧急情况时, 按下急停按钮, 所有正在运行的设备全部停止。6) 安全保护。在程序设计过程中, 对关键环节设置多重防护, 避免人身及设备事故的发生。2.控制系统设计自动剪切生产线的PLC 控制系统如图2 所示。PLC 采用西门子S7-200,新的, 内置高速脉冲输出功能, 可以直接控制伺服电机运行。为了满足输入输出点数的需要, 增加一个8 点的输入/ 输出扩展模块。PLC 接收系统中各种按钮及开关的信号, 根据程序和预先设定的参数, 控制电磁阀及继电器动作, 同时通过高速脉冲输出向伺服驱动器发出定量的脉冲数控制伺服电机的运转。变频器采用西门子, 主要是根据PLC 输出端信号控制电机的正反转及转速, 从而实现对卷料的释放和回收。交流伺服控制系统采用西门子 系列, 由于其采用独特算法, 速度频率高, 定位超调整定时间短, 可实现高速定位, 是交流伺服电机中性价比较高的产品 5 。伺服驱动器根据PLC 高速脉冲输出端发出脉冲的个数、频率控制伺服电机的转动位置及速度, 从而精确地给出送料长度。触摸屏采用西门子S7-200 系列, 其作用是负责参数的设定、修改和部分机械动作的控制, 同时将设备的动作信息反映给用户。它与PLC 之间通过RS232 串口通信实现数据交换, 为用户提供了良好的人机交互界面。开卷机上装有上、下两个光电开关, 当卷料位于上光电开关之上时, 变频器高速运行, 控制开卷机高速放料; 当卷料位于上、下两个光电开关之间时, 变频器低速运行, 控制开卷机低速放料; 当卷料足够长以至于挡住下光电开关时, 变频器停转, 同时开卷机停止运行。剪切机上装有一组凸轮开关, 它们是一种微动机械开关, 用来标识剪切机动作位置, 作为输入信号提供给PLC。凸轮开关有上死点、干涉点、下死点和送料启动点4 个信号。当送料启动点信号接通时, 伺服系统开始运行, 控制送料机送料, 送料启动点至干涉点上升沿之间的区域为可送料区域; 当干涉点信号接通时, 伺服送料必须完成, 否则将发生干涉报警。PLC 根据这组凸轮开关信号, 协调开卷机、送料机和剪切机三者的动作, 最终使整个生产线能够协调运行。2.1.2 系统功能分析系继电器控制系统,其控制方式采用硬件连线方式实现,利用继电器的接触点的串、并联关系,以及延时继电器的使用,组合形成逻辑控制功能。由于连线多且复杂,同时体积庞大,一旦设计好之后就只能实现最初设计的功能,如果进行功能扩展或者改变功能控制顺序将非常的困难。在控制速度方面,继电器主要靠机械的触点动作来实现,其工作频率低,而且好会出现机械抖动的现象,收起机械特性的影响,继电器控制系统的寿命短,可靠性和维护性较低。采用单片机控制系统,其核心处理器为单片机,此类控制系统多为用户自行设计,在可靠性方面无法与成熟的产品相比。在工厂的时间生产环境中,用电设备较多而且功率大,频繁的启动停止控制容易造成电网电压的波动,同时电磁干扰也对但单片机控制系统有较大的影响,容易产生程序跑飞等现象。使用PLC的控制系统,使用与工业现场环境恶劣、干扰较多的场合,同时编程简单易学,利于推广,最重要的是其安装。设计简单,如果需要改变控制逻辑或增加控制功能时,只需改编程序即可,对硬件连线改动较少,便于进行技术改造。采用PLC作为控制器具有运行速度快,调试周期短、维护简单,并具有较高的可靠性。2.1.3 PLC控制系统的使用系统的功能主要是卷材展平后,运行给定的长度后,然后停止展平,进行剪切。即展平机展平,通过旋转编码器测定展平机最后轴的转速,然后换算成长度,当板材长度与设定值相等时,停止展平,控制剪切机剪料,当剪料十张后,接料架下降设定的距离,循环进行直到达到停止的条件,其主要设计两方面的功能,即检测输入信号和控制输出信号。1.检测输入信号该系统主要完成对操作按钮输入的检测、板材长度等于预设值的检测、开卷速度的检测、接料架上、下行程的检测、出料到位的检测。1) 操作按钮输入检测。完成对人工操作台得输入按钮的检测,主要的输入按钮有急停、复位、自动/手动选择按钮、送料按钮、展平按钮、剪切按钮、接料架上升/下降按钮、出料按钮。2) 板材长度达到预设值的检测。完成对板料长度的控制,当板材长度达到预设值时,停止展平机。3) 开卷速度的检测。通过测定开卷机与送料机之间板材的张力,判定开卷机的速度快慢,然后对开卷机进行调速。4)接料架上、下行程的检测。完成对接料架运行到位的检测,当接料架上升或下降到指定位置时,让接料架停止运行,然后进行下一个动作。5) 出料到位的检测。完成对出料运行情况的检测,当出料到位时,停止出料。2.控制输出信号控制输出的方式主要有开卷机电机,送料机电机,展平机电机,剪切机,接料架油缸的换向阀,撞板机气缸换向阀,出料机电机。1)开卷机电机的控制。控制该电动机的运行方向、停止及加减速实现开卷机与送料机的同步运行。2)展平机电动机得控制。控制该电动机的运行方向、停止启动。3)出料电动机的控制,主要控制2.2 系统的总体设计生产线的设计主要包括两个方面,机械机构设计和PLC机电控制设计。机械结构设计是实现控制功能的基础,PLC机电控制系统是是实现控制功能的核心部分,两方面的设计过程独立,但在设计之前需要整体考虑,先分析和研究控制系统的整体功能,对整体结构深入了解之后,设计出整体框架,明确两个部分的具体功能和接口。2.2.1 系统结构随着企业对各类板材的质量要求不断提高,板材加工的要求也越来越高,因此采用传统的继电器控制线路的切割系统已经无法满足产品质量的要求,利用PLC对板材切割系统,其抗干扰能力强,精度高。该系统的机械结构主要包括开卷机、送料机、展平机、剪切机、接料架、液压系统和机电控制系统。(1)开卷机其作用是固定卷材,并且在电动机的控制下防卷。(2)送料机主要作用是送料(3)展平机对卷材进行展平,保证卷材展平的关键结构。(4)接料架接已经剪切过的板材,并进行正平和出料(5)液压系统由泵站和相应的液压控制系统组成,相应的油缸通过对应的泵站进行控制,完成其功能。(6)机电控制系统通过对生产线功能进行分析2.3 硬件系统配置板材切割系统的硬件示意图如图2-1所示,此控制系统的核心控制器是PLC,主要输入和输出量是数字量。图2-12.3.1 PLC的选型根据控制系统的功能要求,从经济性、可靠性方面来考虑、选择西门子 S7-200系列PLC作为控制系统的主机。此控制系统的控制系统过程比较简单,算法不复杂,因此选用CPU224作为主机,由于此系统需要 21输入,12输出。CPU224自带只有 14输入/10输出。需要扩展一个数字量输入/输出模块。选用 EM223(8输入/8输出),此外系统还需要两个 模拟量输出和 1模拟量输入。 需要扩展 EM232(2模拟量输出) EM231(3个模拟量输入)2.3.2 PLC的I/O资源配置根据系统的功能要求,对PLC的I/O进行配置,具体分配如下所示。1.数字量输入部分,共有21个数字量输入表3-2 数字量输入地址分配输入功能备注I0.0计数接编码器A相I0.1计数接编码器B相I0.2上限位I0.3下限位传感器触发I0.4正点动手动前进I0.5反点动手动后退I0.6送料送料机送料I0.7退料送料机退料I1.0送料机停止I1.1料架进I1.2料架退I1.3接料机点动升I1.4接料机点动降I1.5手动剪板I1.6 2.0手动开关I1.6 2.0自动开关I1.7 2.1循环启动I2.0 2.2急停按钮I2.1 2.3停止I2.2 2.4料架下行程开关I2.3 2.5料架下行程开关模拟量输入AI0压力传感器(2)数字量输出部分Q0.0开卷机正转Q0.1开卷机反转Q0.2展平机正转Q0.3展平机反转Q0.4剪切机剪料Q0.5撞板机撞板Q0.6撞板机退回Q0.7接料架升Q1.0接料架降Q1.1料架进Q1.2料架退Q1.3出料模拟量输出AQ0开卷机变频器AQ2送料机变频器AQ4展平机变频器2.3.3 其他资源配置要完成系统的功能,除了PLC及其扩展模块之外,还需要各种限位开关,电磁阀和接触器等设备。图3-3 PLC控制部分硬件接线图(1)光电开关此系统中有两个光电开关,安装在地坑 的两侧,一个为板料的高位,一个是低位。以此来控制送料的速度。当卷料位于上光电开关之上时, 变频器高速运图2-3行, 控制开卷机高速放料; 当卷料位于上、下两个光电开关之间时, 变频器低速运行, 控制开卷机低速放料; 当卷料足够长以至于挡住下光电开关时, 变频器停转, 同时开卷机停止运行。(2)行程开关此系统共用了2个行程开关,用来控制接料架的上下行程(3)接触器(4)人机界面由于需要对板材的切割长度,以及切割的张数进行修改,为了便于修改,需要采用人机界面进行控制和显示。在此控制系统中,采用了西门子公司为S7-200设计的文本显示面板TD200,其特点如下。1)最大显示2行中文文本2)支持中英文显示3)与S7-200通过RS-485通信4)显示器为LED显示5)可编程的功能键有4个,系统键有5个6)显示电路具有反接保护、短路保护、电子自恢复保险丝。7)允许调整指定的程序变量。8)允许强制改变输入/输出点(5)旋转编码器,采用500PPR的台达编码器与滚轴直连来准确检测记数位置。2.3.4 其他急停按钮采用带锁的常闭触点,按下旋转复位按钮;手动/自动采用旋转按钮,一边常闭,一边常开;其余按钮均采用触点触发方式,即按下接通,松开即复位。2.4 软件系统设计根据控制系统的总体功能要求,板材切割的控制过程分为手动控制模式和自动控制模式。模式旋转流程图如图4.1所示。开始自动?自动控制模式手动控制模式YN自动控制程序流程图图2-42.4.1 控制系统的计算滚轴直径为130mm,周长为3.1415*130=408mm。编码器采用2倍频计数,那幺编码器计数的精度为408/1000=0.408mm。切板机每切一次的时间为1s,滚轴带动原料要求以30m/min的速度可以满足要求:按每块加速到最大速度时间2s,减速到0时间2s计算。一分钟内有60-8-4*8=20s在最高速行,一分钟内运行距离:20*30/60+30*4*8*0.5/60=18m,可以满足每分钟2*8=16m的要求。PLC的计数频率:(30*1000/0.339)/60=1475HZ3KHZ。采用额定转速为1450转/分、15的减速比的减速电机,速度:1450/15=96转/分。滚轴轴径130mm。线速度:3.1415*130*96/1000=39.2米/分。大于上面计算的最高速度30米每分。因此是可以满足要求的。设定的参数和PLC自动修正的数据存放于PLC的掉电保持区(EEPROM AREA),可以保证数据不会丢失;人机界面具备电池后备数据保持区(64K BYTE),可以存放重要的过程历史数据;同时人机界面对PLC的数据作二次处理,如报警记录和显示等;可根据客户的要求进行设计;2.4.2 程序1.手动模式在手动模式下,可单独控制每个设备的运行,手动模式流程图如图4-2所示2.自动控制模式自动控制模式需要先手动进料,然后手动的剪切对其,然后再按下自动按钮。其动作过程包括以下几个方面。 手动对齐后,降选择开关达到自动。 开卷机和送料机自动运行 展平机自动运行,当编码器送的脉冲数达到预设值十时,展平机停止工作。 展平机停止工作后,剪板机剪板,同时进行计数 剪板完成1S后,撞板机撞板,并退回。 如果接料10快板料后,接料架下降相应的距离。 如此往复循环,当剪切的板料等于预设值时,停止运行,接料架下降,进行出料。流程图如图4-3所示编写程序(1)主程序(2)高速计数器初始化子程序程序(3)自动程序中断子程序2.5 系统存在的问题及解决方法2.5.1 硬件问题在该系统的设计中,个设备的选择、摆放位置,以及接近开关的位置选择、PLC外围电路和接线处得设计,是该控制系统的主要硬件问题。在机械设计方面,在控制过程中需要采用气缸,因此对于压缩空气有一定的要求,要求具有一定的压力和一定的洁净程度。由于板材切割系统所在的环境温度较高,而空气湿度较大,空气压缩机对湿空气进行压缩后,水蒸气的含量增大造成锈蚀,严重影响了气缸、电磁阀等相关结构的使用,减小了其寿命,导致气动元件频繁更换,降低了生产效率。通过增加一些辅助设备对水分进行过滤,这样救能增加气动元件的寿命。在PLC的外围硬件连接方面,由于输出大多是和接触器等元件连接,PLC输出的突然断开和闭合会形成突波干扰,对PLC输出端子造成破坏,因此需要加装一些保护装置,增加触点的寿命。2.5.2 软件的问题软件方面的主要问题在于逻辑错误和书写错误。程序编写完毕后,需要现在计算机上对程序进行软件仿真,可利用西门子公司配套的仿真软件。主要工作是检查是否存在书写错误等,然后通过模拟硬件的方式检查程序,主要检查是否存在逻辑上的错误,观察输入和输出状态指示灯,看是否按照所需的逻辑状态亮和灭。对程序进行调试时,根据功能模块分类后,分别调试、修改,最后合到一起进行总体调试和修改。第3章 设计小结在设计控制系统的过程中,遇到很多的问题,最棘手的问题就是开卷机和送料机得同步控制,高速计数器的用法,以及TD200文本显示器的编程。由于卷材在放料的过程中,其半径是不断的变小,因此速度是不断的减小,而送料机得速度是不变的,所以,二者的同步问题就很难解决,起初是想用开环控制,计算出开卷机速度变化的规律,然后对其进行变频调速,但是,很难找到速度的规律,而且,其电机也可能受一些外界的干扰,产生累计误差,造成二者不同步运行。后来又想到,可以利用光栅,来检测其卷材的实时半径,然后对其进行调速,但是,此方案不仅编程不方便,而且价格昂贵。最后在多次上网查资料,以及请教靳老师,选择通过控制二者之间板材的张力来实现同步控制。高速计数器的用法,因为以前学习学的是日本三菱的PLC,而且讲的也只是一般的控制命令,没有讲到PLC的高级用法。而这次毕业设计,选择了西门子的S7-200作为核心的控制器,对高速计数器的概念很是陌生,还有旋转编码器,就不知道是干什么用的,在网上搜资料,还是没有弄懂原理。记得当时无奈。刚好郑州举办机械展览会,和自己的专业联系挺大的,就去看了看。令我遗憾的是,没有见到西门子的PLC的相关产品。但是也收获不小,有台达系列PLC,以及一些产品,旋转编码器,变频器,文本显示器。还有就是看到了,台达做的一个模拟电机,是通过旋转编码器来控制电梯在各楼层停止的。真的很感谢台达公司的讲解员,非常的热情,我们并不是客户,只是学生,但讲解员慌的指东指西得讲解各种产品,并且还说,学生多了解点东西有好处什么的话。比国内的企业好多了,国内的企业,只要一听说是学生,来看看东西的,立马是态度180度转弯。说的远了,还是回归正题了。高数计数器之所以难,我觉得更多的是因为,模拟软件模拟不出程序的对错,编程程序不知道程序有没哟问题,如果想调试,就必须要有编码器,PLC,电机进行实际的调试了。TD200程序倒是不难,但是没有见过,也没有真正的使用过,和高数计数器一样,不能进行模拟调试,询问老师,老师也只是理论的,并没有实际用过TD200.所以,就只是将一些书本上的东西。 此刻,我深深的体会到了靳老师说的一句话,学习PLC,可能你只是为了找一点东西,但是,你要翻遍全书。 为了编写TD200的程序,我大量的在网络上收集这方面的资料,最后在西门子的官方网站上下载了一本,西门子文本显示器使用指南,把说明书看了两遍才明白了一点,然后又是去找老师探讨,终于在老师的帮助下,将TD200的程序编了下来。最后非常感谢我的指导老师,非常的有责任心,同时也要感谢靳老师。在PLC方面不懂的地方,都是他教我弄懂的。参考资料1 谢丽萍等 西门子S7-200系列PLC快速入门与实践 北京 人民邮电出版社 20102 海心 马银忠 刘树青等编著 西门子PLC开发入门与典型实例 北京 人民邮电出版社 20103 邓星钟主编.机电传动控制(第三版)北京. 北京:华中工业大学出版社,2001,034 大连理工大学工程画教研室.机械制图. 高等教育出版社,20055 联合编写组.机械设计手册(上中下)S.北京:机械工业出版社,1988.12.6 联合编写组.机械设计手册(1-6卷) S.北京:机械工业出版社,2004.87 黄大宇 梅
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