材料压实成型机械的电气控制系统毕业设计.docx

材料压实成型机械的电气控制系统毕业设计.docx

《材料压实成型机械的电气控制系统毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料压实成型机械的电气控制系统毕业设计.docx（49页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

材料压实成型机械的电气控制系统毕业设计

摘要

在建筑行业中，材料的夯实占有极为重要的地位，材料的夯实是建筑的基础，。

随着电子及计算机技术的发展，由原来的简单逻辑量控制，手工控制，逐步具备了计算机控制系统的自动化功能，由于在计算能力、抗干扰能力、响应速度、通信联网能力、灵活性及可维护性等方面的诸多优点，PLC在工业控制系统中得到了大量运用，本文设计了基于PLC的材料夯实成型机械的研究。

在以PLC控制与变频器应用为核心的材料夯实过程中，PLC将外部的来的控制信号以二进制的形式发送给变频器，变频器在通过二进制编码和内部的功能设定变为频率的选择并通过特定的信号来控制电动机的启停，以实现夯实机的各项功能的实现。

PLC将所设定的时间进行数据处理，然后通过RS485通信发给有单片机组成的显示模块进行时间的显示。

关键字：

PLC，变频器，电动机，RS485通信，材料夯实

Abstract

Intheconstructionindustry,materialtampoccupiesaveryimportantposition,andisthefoundationofthebuildingmaterials,.Withthedevelopmentofelectronicandcomputertechnologydevelopment,fromtheoriginalsimplelogiccontrol,manualcontrol,andgraduallywithacomputercontrolsystemautomationfunction,asincomputingability,anti-jammingability,responsespeed,communicationnetworkingcapability,flexibilityandmaintainabilityetcadvantages,PLCinindustrialcontrolsystemhasbeenextensiveuseof,thepaperdesignofPLCbasedmaterialcompactionmoldingmachineryresearch.

InthePLCcontrolandinverterapplicationasthecorematerialcompactionprocess,PLCwillbeoutsidethecontrolsignalsinbinaryformissenttotheconverter,inverterinthebinaryencodingandinternalfunctionsetintoafrequencyselectionandbyspecificsignaltocontrolthemotorstartandstop,inordertoachievethetampingmachinetherealizationofeachfunction.ThePLCwillsetthetimefordataprocessing,andthenthroughtheRS485communicationtoMCUdisplaymoduletimedisplay.

Keywords：

PLC，Frequencyconverter,，Motor，RS485communication，Materialcompaction

前言

我们应该了解的是在建筑行业中，材料的压实成型一直是其中很关键的一步，在夯实机出现之前，人们通过手工的方式对材料进行压实，在浪费大量人力物力的情况下，材料的压实情况并不理想，索性在工业革命之后不断的发展，终于出现了夯实机，夯实机的问世，不仅节约了人力，也使得材料的压实更为优质。

随着科技的发展，自动化也有了很大的进步，各行业应用的自动化也越来越多。

而现在的夯实机应用了电气控制系统，而电气控制技术是综合了自动控制、计算机、电子技术等先进的科学技术。

现在CAD、PLC、Robot组成了当代工业自动化领域的三大支柱。

而在本次的设计中，主要应用的就是PLC。

本设计的题目为《材料压实成型机械的电气控制系统》主要应用的是SIEMENS公司S7-200PLC与MM-440变频器来实现的,在前期的工作中，我温习了《现代电气控制及PLC应用技术》、《S7-200技术手册》、《西门子MM-440变频器手册》，并查阅了大量的关于西门子S7-200相关的书籍与资料。

在中期，在指导老师的帮助下，本组成员相互合作，发挥了积极合作的团对精神，完成了本次设计的工作，在后期的工作中主要进行的是电子排版整理工作，并得到老师的审批与指正，完成了本次的设计。

在本次的设计中，我通过查阅资料，设计计算，巩固了专业知识，提高了综合分析,解决问题的能力，并学会了很多的绘图软件与编程软件，从各方面实现了这次毕业设计的目的与要求。

本次设计的编程设计工作量相对较大，所以本次设计以编程为主，由于自己水平有限，在工作中，难免出现纰漏之处，望各位老师批评指正。

1绪论

1.1概述

1.1.1夯实机概述

建筑材料的压实作业，其作用是增加建筑材料的密实度，从而提高工作面的结构强度和刚度，增强抗渗透能力和气候稳定性，降低或消除沉陷，最终达到提高工程承载能力、延长使用寿命、降低维修费用的目的。

由于压实作业的工况千差万别，压实机械系列和品种规格繁多，可将其简单划分为夯实机和垃圾压实机等。

夯实机（工作装置为平板）又分为冲击平板夯和振动平板夯等。

振动平板夯主要适用于夯实颗粒之间的粘结力及摩擦力较小的材料，如河砂、碎石及沥青等。

振动平板夯的主要工作参数有：

工作平板底面面积、整机质量、激振力及激振频率。

一般情况下，同一种规格的平板的底板面积都差不多，所以平板冲击夯的性能主要受整机质量、激振力及激振频率的影响。

激振力主要是用来维持被夯实材料的受迫振动；而激振频率则影响夯实效率及夯实程度，即在同样的激振力作用下，激振频率越高，夯实效率及密实度越高。

振动平板夯在工作跳起时都要维持一定的跳起高度，一般在0.4-0.8mm之间。

振动平板夯在达到同样激振力时，平板夯的工作频率越高，其所需的振动质量就越小，从而其整机质量就越轻。

但是，由于大部分平板夯都使用汽油发动机作为动力源，而汽油发动机能承受的振动有限，所以工作频率越高，其隔振要求就越高，从而对各部件的技术要求就越高。

在本次设计中所需要的夯实机在实现夯实材料的同时还需要实现如下功能

（1）夯实机在夯实的时候可以调节夯实频率，夯实频率需要多种选择，在本次设计中我们需要三种选择。

（2）夯实机在夯实的时候需要设置夯实的时间。

（3）夯实的时间需要可以在控制面板中进行实时显示，可以用单片机来完成。

1.1.2PLC的概述

首先，在这里我讨论的是PLC的发展前景与趋势，所以有关于PLC的原理和内部结构就不简述了。

只简单介绍一下PLC。

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC已经广泛应用于钢铁、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。

顺便说一下PLC目前的主要品牌是：

ABB，松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷等。

上述资料可以看出，PLC是一种工控设备，在我理解看来，它是一种嵌入式技术，因为PLC本身是由单片机组成的，工程上用于实现上位机与下位机的相互控制，而IEEE对于嵌入式的形容是控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。

而在工业自动化与工业控制领域，还有许多同类技术，所以我对这些技术与PLC进行了比较与分析。

AVR是MCU（单片机）中的一种，属于ATMEL的产品。

是8位精简指令集的MCU。

MCU（单片机），顾名思义就是微型控制器，国人形象翻译为单片机器（singlechipcomputer），功能使用很广，家用电器到航天航空均有应用。

DSP：

DigitalSignalProcessing,数字信号处理。

基础课程为复变函数信号系统、数字信号处理等。

DSP有专门的芯片，也可支持浮点运算，对于一般的拉普拉斯、傅立叶变换等，一般不在话下。

当然某些高档的单片机也带DSP功能。

DSP常用于数字解码，视/音频、图形、图象处理，噪声处理等。

ARM：

AdvancedRISCMachines高级精简指令处理器，就是常说的嵌入是处理器，可以简单理解为高级单片机。

其位数为32位，运算能力更强，逻辑控制更优秀，市面上也有很流行的嵌入式操作系统，如：

US/OSUCLinuxVXWORKSWINCE等等。

相比以上几款技术，PLC具有更强的控制驱动能力，其特点在于可视化、梯形图编程、外围电路简单、内部保护充足。

足够强大PLC在应用起来相比设计复杂的MCU外围电路再应用MCU要略显简单。

但其应用成本高，通常应用在大型工业系统。

也可以这么说，PLC是产品级的，就是一个盒子似的，外面有很多的接线口，可编程。

直接使用的。

一般用在工业上。

单片机和DSP、ARM都是芯片级的。

需要做PCB板然后焊接在包装上市，成为商品后是不可编程的。

和其它技术相比不难看出，PLC在工控技术中不可替代的位置，它相异于其它类技术的特点也就是它能够继续发展而不被取代的优势。

现在让我来总结一下PLC与其他相关技术相比的特点和优势：

（1）可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强。

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用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，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

当然PLC技术也存在自身的缺点

长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。

另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。

PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。

PLC的优势与缺点都已经看到了，那么就可以容易的看到其产业的前景了。

1.2设计要求

（1）本课题为建筑工程材料样本备置的材料压实成型机械的电气控制系统。

（2）一台主电动机带动偏心轮产生震动，夯实材料。

震动频率可在MM-440变频器控制下可调，分为三个频率段，50HZ、25HZ、12HZ。

（3）震动时间可调，PLC设置好时间通过自由通信由RS485连接到单片机上，实现时间的实时显示。

（4）另一台电机在需要夯实时，将夯实机降下，在不用夯实时，将夯实机升起，这主要通过控制电机的正反转来实现。

（5）两个电机要实现互锁来保障人员及系统的安全，互锁功能可以通过PLC进行

（6）报警功能，本次设计需要使用数据传送，当数据在累加5次出现错误时，需要发出报警，告诉我们传送模块出现错误。

1.3设计方案

（1）频率的调节可以通过MM-440变频器来实现，本次设计中主要应用的是开关量的控制，在变频器中设置好参数，通过数字量端口的数字量的调节来实现不同频率的转换。

（2）震动时间可以通过PLC的内部定时器来进行控制，在设置完成后通过RS485输送到单片机，在通过单片机的编程实现时间的显示。

（3）两台电机的互锁和电机的正反转等控制，可以通过PLC的编程来实现。

（4）报警功能需要使用24V的蜂鸣器来完成，当在数据传送时连续累加5次出现错误，使用计数器来统计次数，当达到5次时说明传送模块出错，应及时处理。

首先通过查阅资料将各个部件的型号确定下来，然后进行2部分的设计。

第一，PLC的外围电路进行设计，包括输入端口的设计，输出端口的设计，然后进行夯实时间的设计，和时间传输的设计，进行PLC的软件编程。

第二，变频器的外围电路的设计，包括与PLC的连接电路，与电机的连接电路。

然后进行变频器的内部程序设置，主要是实现电动机的启停，电动机的频率改变。

完成上述设计之后在进行总体优化，编写论文。

2主控部件的选择

2.1PLC的选择

PLC是针对工业控制而设计，一出现就受到广大工程技术人员的欢迎。

其主要特点是：

抗干扰能力强，可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易于使用；功能强大，成本低；设计、施工、调试的周期短；维护方便。

PLC技术随着计算机的发展而快速发展。

进入20世纪80年代以后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、性价比、设计以及应用等领域有了重大的突破。

不仅是控制功能增强，成本下降，体积减小，可靠性提高，编程方便，故障检测更为灵活方便，而且远程I/O和通信网络、数据处理等也有了长足的发展。

现在的PLC不仅用于制造业自动化，而且还可以应用于连续生产的过程控制系统。

即使在现场总线技术成为现在自动化技术应用热点的今天，PLC仍然是其中不可缺少的控制器。

本次设计主要应用的是西门子的S7-200的PLC，下面来介绍一下它的特点。

西门子S7-200是德国西门子公司生产的一种小型PLC，它的功能能达到大、中型PLC的水平，而价格确和小型PLC的一样，因此，它一出现就备受关注。

S7-200PLC的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及I/O点，这些都被集成在一个设备中。

最新一代的CPU按I/O的点数不同和功效的不同划分为五种不同结构配置的品种，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226，每个品种又分出2种类型，一种是DC24V供电/晶体管输出；一种是AC220V供电/继电器输出。

应为本次设计中需要用到准确的定时，所以还需要其中的实时时钟，所以选择了功能更为强大的CPU226系列的PLC，它集成24输入/16输出，I/O共计40点，它具有2个通信口，通信功能更加强大。

（1）输入继电器（I）

输入继电器位于PLC存储器的输入映像寄存器区，其外部有一对物理的输入端子与之对应，该触电用于接收外部的开关信号。

当外部开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在常开触点闭合，常闭触点断开。

每个输入继电器都对应一个映像寄存器，在每个扫描周期开始时，PLC对各输入点进行采样，把采样值用输入继电器送到输入映像寄存器中。

PLC在本周期中的各阶段不在改变输入映像寄存器中的值，直到下一个周期的输入采样阶段。

（2）输出继电器（Q）

输出继电器位于PLC存储器的输出过程映像寄存器区，都有PLC上的物理输出端子与之对应。

当通过程序使得输出继电器线圈得电，输出端开关闭合，作为控制外部负载的开关信号。

在软件程序中相应的常开触点闭合，常闭触点断开。

在每个扫描周期的输入采样等阶段，并不把输出信号直接送到输出继电器，而是先送到输出映像寄存器；在每个周期的最后阶段同时将输出映像寄存器中的结果送到输出锁存器，对输出点进行刷新。

（3）通用辅助继电器（M）

通用辅助继电器位于PLC存储器的位存储器区，作用和继电器接触器控制系统中的中间继电器相同，它在PLC中没有外部的输入和输出端子与之对应，因此它不能受外部信号的直接控制，它的触点也不能直接驱动外部负载。

（4）特殊继电器（SM）

特殊继电器是指那些有特殊功能或用来存储系统的状态变量、有关的控制参数和信息。

用户可以通过特殊标志来建立PLC与被控对象的联系。

如可以读取程序运行过程中的设备状态和运算结果信息。

利用这些信息一些特殊的动作。

用户也可以直接设置某些特殊继电器位来使设备实现某些功能。

表2.1特殊继电器分类

Tab.2.1Specialrelayclassification

表示状态

SMB0、SMB1、SMB5

存储扫描时间

SMW22、SMW26

存储模拟电位器值

SMB28、SMB29

用于自由口通信

SMB2、SMB3、SMB30、SMB130

接收信息控制

SMB86-SMB94、SMB186-SMB194

用于高速计数

SMB36-SMB65、SMB131-SMB165

用于脉冲输出

SMB66-SMB85、SMB166-SMB185

用于中断

SMB4、SMB34、SMB35

（5）变量存储器（V）

变量存储器是用来存储变量的值的，它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据，这些数据可以使数值，也可以使“1”“0”这样的位逻辑值。

在进行数据处理时或使用大量的存储单元逻辑时，变量存储器是会经常使用的。

（6）定时器（T）

定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。

电气自动控制的大部分领域都需要用定时器进行时间控制，也可以编制出复杂动作的控制程序。

定时器的工作过程与继电接触式控制系统的时间继电器基本相同，但它没有顺动触点，使用时要先输入预定值，当定时器满足条件时开始计时，当前值从0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预设值时，定时器触点动作。

（7）计数器（C）

计数器是用来累计输入脉冲的个数，经常用来对产品进行计数或特定功能的编程。

使用时要提前输入时间预设值，当触发满足时，计数器开始累加直到达到设定值，然后常开触点闭合，常闭触点断开。

如今，PLC已是工业自动化应用技术的三大支柱之一，自从它诞生以来得到了广泛的使用。

在工业自动化应用技术领域，速度调节和控制是经常用到的环节。

而变频器具有高效的驱动性能和良好的控制特性，在提高控制质量、减少维护费用和节能等方面都取得了明显的经济效益。

在这些场合，变频器所发挥的作用是其他任何控制设备和装置都不能取代的。

虽然变频器可以单独使用，但大多数情况还是作为一个组成部分在工业自动化控制系统中使用。

所以，作为主控制器的PLC和作为执行及检测器件（设备和装置）的变频器之间就必须相互配合，共同完成控制任务。

PLC可以控制变频器的频率给定信号，以使变频器输出相应的速度控制曲线，控制工艺指标：

变频器上的检测信号和其他智能信号也可以接入PLC，完成系统的报警和速度控制，比如通过变频器控制电机的启动，停止及正、反转，也可以使用一个变频器去控制若干台电动机的运行。

2.2变频器的选择

2.2.1变频器的分类

变频器的种类很多，分类也很多，按照本次设计的选择，只做如下介绍按工作原理分类：

（1）v/f控制的变频器

v/f控制的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使v/f（电压和频率的比）的值保持一定而得到所需的转矩特性。

采用v/f控制的变频器控制电路结构简单，成本低，多用于对精度要求不高的通用变频器。

（2）转差频率控制变频器

转差频率控制方式是对v/f控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。

由于通过控制转差频率来控制转矩的电流，与v/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。

（3）矢量控制变频器

矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式。

它的基本思路是：

将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。

由于在这种控制方式或必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控制方式。

（4）直接转矩控制变频器

直接转矩控制是交流传动中革命性的电动机控制方式，不需在电动机的转轴上安装脉冲编码器来反馈转子的位置，而具有精确转速和转矩，能在零速时产生满载转矩，电路中的PWM调制器不需要分开的电压控制和频率控制，具有这种功能的变频器称为直接转矩控制变频器。

2.2.2西门子MM-440

本次设计需要用的是西门子MM-440，MM440的主电路由电源端输入单相或三相恒压恒频的标准正弦交流电压,经整流电路将其转换成恒定的直流电压,供给逆变电路.在微控制器的控制下,逆变电路将恒定的直流电压逆变成电压和频率均可调节的三相交流电供给电动机负载.因为其直流环节是使用电容进行滤波的,所以MM440属于电压型的交一直一交变频器.

MM-440调频有模拟式和数字式，模拟式MM440变频器的“1”、“2”输出端为用户的给定单元提供了一个高精度的+10V直流稳压电源。

可利用转速调节电位器串联在电路中,调节电位器,改变输入端口AIN1+给定的模拟输入电压,变频器的输入量将紧紧跟踪给定量的变化,从而平滑无极地调节电动机转速的大小。

MM440变频器为用户提供了两对模拟输入端口，即端口“3”、“4”和端口“10”、“11”，通过设置P0701的参数值，使数字输入“5”端口据有正转控制功能；通过设置P0702的参数值，使数字输入“6”端口具有反转控制功能；模拟输入“3”、“4”端口外接电位器，通过“3”端口输入大小可调的模拟电压信号，控制电动机转速的大小。

即由数字输入端控制电动机转速的方向，由模拟输入端控制转速的大小。

本设计需要实现的功能是需要用夯实机实现三段式调频，分别在50HZ、25HZ、12HZ下工作，采用的是端子法，用数字量进行控制，并且用变频器控制电机的启停，这就要求我们对MM-440的设置和接法有个了解MM440变频器的6个数字输入端口（DIN1~DIN6），即端口“5”、“6”、“7”、“8”、“16”和“17”，每一个数字输入端口功能很多，用户可根据需要进行设置。

参数号P0701-P0706为与端口数字输入1功能至数字输入6功能，每一个数字输入功能设置参数值范围均为0-99，出厂默认值均为1。

具