基于PLC的压力控制回路设计毕业作品.docx
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基于PLC的压力控制回路设计毕业作品
任务书
设计题目：
基于PLC的压力控制回路设计系部：
机械工程系
1．设计的主要任务及目标
本设计是利用多功能液压试验台和西门子PLC，通过合理的设备选型、参数设置和程序设计，完成对各种压力控制回路的自动控制，实现压力控制回路的功能，达到本次设计的目的。
首先应参阅各类相关资料，完成各种压力控制回路原理图，然后进行程序设计，最后调制程序、进行实验。
2．设计的基本要求和内容
（1）设计各种压力控制回路原理图；
（2）完成压力控制回路的程序设计；
（3）利用液压实验台调试程序；
（4）编写设计说明书。
3．主要参考文献
[1]左健民.液压与气压传动[M].第四版.北京：
机械工业出版社，2007.5
[2]韦抒.基于PLC的压力过程控制系统研究[J].轻工科技，2012（5），5
[3]高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[M].北京:
人民邮电出版社，2004.
[4]崔继仁，王越男，张艳丽.电气控制与PLC应用技术[M].北京:
中国电力出版社，2010.2
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅相关资料
2014年4月3日前
2
设计各种压力控制回路原理图
2014年4月4日-2014年4月18日
3
完成压力控制回路的PLC程序设计
2014年4月19日-2014年5月3日
4
利用液压实验台搭建实物调试程序
2014年5月4日-2014年5月31日
5
编写设计说明书，完成设计
2014年6月1日-2014年6月13日
基于PLC的压力控制回路设计
摘要：
PLC控制的液压系统克服了继电器控制系统手工接线、可靠性差、控制不方便、响应速度慢等不足，将PLC应用到液压系统，能较好地满足控制系统的要求，并且测试精确，运行高速、可靠，提高了生产效率，延长了设备使用寿命。
本设计是通过查阅相关资料，设计出调压回路、卸荷回路和保压回路三种压力控制回路，然后用西门子PLC编程实现控制，利用多功能液压试验台和西门子S7-200系列PLC进行实验验证，达到本次设计的目的。
关键词：
PLC，压力控制回路，实验台
ThedesignofthepressurecontrolloopbasedonPLC
Abstract：
PLCcontrolledhydraulicsystemovercomesmanualrelaycontrolsystemwiring,poorreliabilityandlackofcontrolisinconvenient,slowresponse,andapplyingPLCtohydraulicsystems,canbettermeettherequirementsofcontrolsystem,andthetestaccurately,runningfast,reliable,improvedproductionefficiency,extendequipmentlife.Thisdesignisbyreviewingtherelevantliterature,designavoltageregulatorcircuits,unloadingpressurecontrolcircuitsandcircuitsofkeepingpressureinthreeloops,andthencontrolledbySiemensPLCprogramming,bymeansofmultifunctionalhydraulictestmachineandPLCSiemensseriesofexperiments,achievethepurposeofthisdesign.
Keywords:
PLC,pressurecontrolcircuits,test-bed
1.绪论
1.1PLC控制在国内外的发展近况
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.2液压技术的发展现状及趋势
液压传动相对于机械传动来说是一门新兴技术。
从1795年世界上第一台水压机诞生起，已有几百年的历史，液压传动技术被广泛采用和有较大幅度的发展是由19世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的，最早实践成功的液压传动装置是舰船上的炮塔转位器，其后出现了液压六角车床和磨床，一些通用车床到20世纪30年代末才用上了液压传动。
第二次世界大战期间，在一些兵器上用上了功率大，反应快，动作准的液压传动和控制装置，大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。
战后，液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制订和完善，各类元件的标准化，规格化，系列化而在机械制造，工程机械，材料科学，控制技术，农业机械，汽车制造等行业中推广开来。
由于军事及建设需要的刺激，液压技术日益成熟。
20世纪60年代后，原子能技术，空间技术，计算机技术等的发展再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动，控制，检测在内的一门完整的自动化技术，在国民经济的各个方面都得到了应用。
如工程机械，数控加工中心，冶金自动线等。
液压传动在某些领域内甚至已占有压倒性优势。
液压传动是以流体作为工作介质对能量进行传动和控制的一种传动形式。
利用有压的液体经由一些机件控制之后来传递运动和动力。
因而在工程机械、冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空和机床行业中，液压技术得到了普遍的应用。
随着原子能、空间技术、电子技术等方面的发展，液压技术向更广阔的领域渗透，发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。
现今，液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都很重视，所以采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
如发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动。
正是因为液压传动有着其独特的优点，所以液压在工业中的应用发展迅速，并涉及到诸多领域。
其主要的发展趋势将集中在以下几个方面：
（1）减少能耗,充分利用能量
液压技术在将机械能转换成压力能及反转换方面，已取得很大进展，但一直存在能量损耗，主要反映在系统的容积损失和机械损失上。
如果全部压力能都能得到充分利用，则将使能量转换过程的效率得到显著提高。
为减少压力能的损失，必须解决下面几个问题：
①减少元件和系统的内部压力损失，以减少功率损失。
主要表现在改进元件内部流道的压力损失,采用集成化回路和铸造流道,可减少管道损失,同时还可减少漏油损失。
②减少或消除系统的节流损失，尽量减少非安全需要的溢流量，避免采用节流系统来调节流量和压力。
③采用静压技术，新型密封材料，减少磨擦损失。
④发展小型化、轻量化、复合化、广泛发展3通径、4通径电磁阀以及低功率电磁阀。
⑤改善液压系统性能，采用负荷传感系统，二次调节系统和采用蓄能器回路。
⑥为及时维护液压系统，防止污染对系统寿命和可靠性造成影响，必须发展新的污染检测方法，对污染进行在线测量，要及时调整，不允许滞后，以免由于处理不及时而造成损失。
（2）主动维护
液压系统维护已从过去简单的故障拆修，发展到故障预测，即发现故障苗头时，预先进行维修，清除故障隐患，避免设备恶性事故的发展。
要实现主动维护技术必须要加强液压系统故障诊断方法的研究，当前，凭有经验的维修技术人员的感宫和经验，通过看、听、触、测等判断找故障已不适于现代工业向大型化、连续化和现代化方向发展，必须使液压系统故障诊断现代化，加强专家系统的研究，要总结专家的知识,建立完整的、具有学习功能的专家知识库，并利用计算机根据输入的现象和知识库中知识，用推理机中存在的推理方法，推算出引出故障的原因，提高维修方案和预防措施。
要进一步引发液压系统故障诊断专家系统通用工具软件，对于不同的液压系统只需修改和增减少量的规则。
另外，还应开发液压系统自补偿系统，包括自调整、自润滑、自校正，在故障发生之前，进市补偿，这是液压行业努力的方向。
（3）机电一体化
电子技术和液压传动技术相结合，使传统的液压传协与控制技术增加了活力，扩大了应用领域。
实现机电一体化可以提高工作可靠性，实现液压系统柔性化、智能化，改变液压系统效率低，漏油、维修性差等缺点，充分发挥液压传动出力大、贯性小、响应快等优点,其主要发展动向如下：
①电液伺服比例技术的应用将不断扩大。
液压系统将由过去的电气液压on-oE系统和开环比例控制系统转向闭环比例伺服系统,为适应上述发展,压力、流量、位置、温度、速度、加速度等传感器应实现标准化。
计算机接口也应实现统一和兼容。
②发展和计算机直接接口的功耗为5mA以下电磁阀，以及用于脉宽调制系统的高频电磁阀（小于3mS）等。
③液压系统的流量、压力、温度、油的污染等数值将实现自动测量和诊断,由于计算机的价格降低,监控系统,包括集中监控和自动调节系统将得到发展。
④计算机仿真标准化，特别对高精度、“高级”系统更有此要求。
⑤由电子直接控制元件将得到广泛采用，如电子直接控制液压泵，采用通用化控制机构也是今后需要探讨的问题，液压产品机电一体化现状及发展。
1.3课题的研究意义
PLC是一种专门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。
它的优点如下：
（1）可靠性高，抗干扰能力强；
（2）硬件配套齐全，功能完善，适用性强；（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎；（3）系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造；（4）体积小，重量轻，能耗低。
液压传动是利用各种控制元件组成所需要的各种控制回路，再有若干回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统来进行能量的传递、转换和控制。
它的优点如下：
（1）由于液压传动油管是连接所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构这是比机械传动优越的地方；
（2）装置的重量轻结构紧凑惯性小；（3）可在大范围内实现无级调速；（4）运动平稳；（5）易于实现过载保护；（6）易于实现自动化；（7）液压系统安装布置灵活；（8）液压系统设计、制造和使用维护方便。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
因此可以将PLC运用于对压力控制回路的控制，来实现其自动化压力控制。
2.压力控制回路的设计
压力控制回路是利用压力控制阀来控制整个系统或局部支路的压力，以满足执行元件对力和转矩的要求。
压力控制阀通过液压作用力与弹簧力进行比较来实现对油液压力的控制。
包括:
调压回路、卸荷回路、减压回路、增压回路、平衡回路和保压回路。
2.1压力控制阀
压力控制阀，用来控制液压系统中油液压力或通过压力信号实现控制的阀。
包括溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。
2.1.1溢流阀
（1）定义：
溢流阀是一种液压压力控制阀，在液压设备中主要起定压溢流作用，稳压，系统卸荷和安全保护作用。
（2）作用：
作溢流阀用，起溢流和稳压作用，在定量泵系统中，保持液压系的压力恒定。
作安全阀用，起限压保护作用，在变量泵系统中，防止液压系统过载。
（3）类型、结构组成和工作原理
溢流阀按结构形式和基本动作方式可分为直动式和先导式两种。
①直动式溢流阀：
结构组成：
直动型溢流阀由阀芯、阀体、弹簧、上盖、调节杆、调节螺母等零件组成。
工作原理：
阀体上进油口旁接在泵的出口，出口接油箱。
原始状态，阀芯在弹簧力的作用下处于最下端位置，进出油口隔断。
进口油液压作用在阀芯底端面，当液压力等于或大于弹簧力时，阀芯上移，阀口开启，进口压力油经阀口溢回油箱。
此时阀芯受力平衡。
图2.1直动式溢流阀的结构图和图形符号
②先导式溢流阀：
结构组成：
它由先导阀和主阀组成。
先导阀实际上是一个小流量直动型溢流阀，其阀芯为锥阀。
主阀芯上有一阻尼孔，且上腔作用面积略大于下腔作用面积，其弹簧只在阀口关闭时起复位作用。
工作原理：
先导阀和主阀阀芯分别处于受力平衡，其阀口都满足压力流量方程。
阀的进口压力由两次比较得到，压力值主要由先导阀调压弹簧的预压缩量确定，主阀弹簧起复位作用。
通过先导阀的流量很小，是主阀额定流量的1％，因此其尺寸很小，即使是高压阀，其弹簧刚度也不大。
这样一来阀的调节性能有很大改善。
主阀芯开启是利用液流流经阻力孔形成的压力差。
阻力孔一般为细长孔，孔径很小φ=0.8~1.2mm，孔长l=8~12mm，因此工作时易堵塞，一旦堵塞则导致主阀口常开无法调压。
先导阀前腔有一控制口，用于卸荷和遥控。
图2.2先导式溢流阀结构图和图形符号
2.1.2减压阀
（1）定义：
减压阀是利用液流流过缝隙产生压力损失，使其出口压力低于进口压力的压力控制阀。
（2）作用：
减压阀用在液压系统中获得压力低于系统压力的二次油路上，如夹紧回路、润滑回路和控制回路。
必须说明，减压阀出口压力还与出口负载有关，若负载压力低于调定压力时，出口压力由负载决定，此时减压阀不起减压作用。
（3）分类
按调节要求不同，有定值减压阀，定差减压阀，定比减压阀。
其中定值减压阀应用最广，又简称减压阀。
（4）结构原理：
减压阀由压力先导阀和主阀组成。
出口压力油引至主阀芯上腔和先导阀前腔，当出口压力大于减压阀的调定压力时，先导阀开启，主阀芯上移，减压缝隙关小，减压阀才起减压作用且保证出口压力为定值。
图2.3减压阀结构图和图形符号
2.1.3顺序阀
（1）定义：
顺序阀是一种利用压力控制阀口通、断的压力阀。
（2）作用
用来控制液压系统中各执行元件动作的先后顺序。
（3）工作原理及分类
按工作原理和结构，顺序阀分直动式和先导式两类；按压力控制方式，
顺序阀有内控和外控之分。
在顺序阀中装有单向阀，能通过反向液流的复合阀称为单向顺序阀。
一般说来，这种阀使用较多。
（a）内控外泄（b）内控内泄（c）外控外泄（d）外空内泄
图2.4顺序阀的四种控制形式的结构图
（a）内控外泄（b）内控内泄（c）外控外泄（d）外空内泄
图2.5顺序阀的四种控制形式的图形符号
2.1.4压力继电器
压力继电器是利用液体的压力来启闭电气触点的液压电气转换元件。
当系统压力达到压力继电器的调定值时，发出电信号，使电气元件（如电磁铁、电机、时间继电器、电磁离合器等）动作，使油路卸压、换向，执行元件实现顺序动作，或关闭电动机使系统停止工作，起安全保护作用等。
2.2调压回路
2.2.1定义、功用及分类
调压回路用来调定或限制液压系统的最高工作压力，或者使执行元件在工作过程的不同阶段能够实现多种不同的压力变换。
当液压系统工作时，只要溢流阀始终能够处于溢流状态，就能保持溢流阀进口的压力与调定压力基本相等，如果将溢流阀并接在液压泵的出油口，就能达到调定液压泵出口压力基本保持不变的目的。
调压回路分为单级调压回路、多级调压回路以及采用电液比例溢流阀的无级调压回路。
2.2.2调压回路的设计
本次设计的调压回路为三级调压回路。
原理图如图所示：
图2.6调压回路原理图
回路原理：
如图所示的由溢流阀1、2、3分别控制系统的输出压力，从而组成了三级调压回路。
当两电磁阀都不带电时，系统压力由阀1确定，当1YA得电时，由阀2调定系统压力，当2YA带电时系统压力由阀三确定。
但在这种调压回路中，阀2和阀3的调定压力一定要小于阀1的调定压力，而阀2和阀3的调定压力之间没有什么一定的关系。
2.3卸荷回路
2.3.1定义、功用及分类
卸荷回路是在执行元件短时间停止运动，而原动机仍然运转的情况下，能使液压泵卸去载荷（即泵做空载运转）的回路。
所谓“卸荷”是指液压泵以很小的输出功率运转，即液压泵输出油液以很低的压力拍回油箱；或液压泵输出很小流量的压力油。
这样既减少了功率的消耗和降低了系统的温升，有延长了液压泵的使用寿命。
常见的卸荷回路有：
用换向阀的卸荷回路、用先导式溢流阀的卸荷回路、二通插装阀的卸荷回路。
2.3.2卸荷回路的设计
本次设计的卸荷回路为换向阀卸荷回路。
原理图如图所示：
图2.7卸荷回路原理图
回路原理：
M、H和K型中位机能的三位换向阀处于中位时，液压泵即卸荷。
图为采用M型中位机能的电磁换向阀的卸荷回路。
这种回路切换时压力冲击小，但回路中必须设置单向阀，以使系统能保持0.3MPa左右的压力，供操纵控制油路使用。
2.4保压回路
2.4.1定义、功用及分类
保压回路主要是用在液压回路中，功用是使系统在液压缸不动或因为工件变形而产生微小位移的情况下能够保持稳定不变的压力。
保压回路主要分利用液压泵保压的保压回路，利用蓄能器保压回路，自动补油的保压回路三种基本回路。
2.4.2保压回路的设计
本次设计的保压回路是由自动保压回路改进来的保压回路。
原理图如图所示：
图2.8保压回路原理图
回路原理：
当按下启动按钮时，电磁阀1YA得电，液压缸开始向下运动，SQ1第一次接通；当液压缸运动至SQ2处后，1YA失电，液压缸停止运动，并进行保压延时，延时一段时间后，电磁阀2YA得电，液压缸向上运动至SQ1处，SQ1第二次接通，2YA失电，液压缸停止运动。
3.PLC控制程序
3.1编程装置、软件、指令介绍
3.1.1S7-200PLC介绍
本系统选用的是西门子公司生产的SIMATICS7-200系列小型PLC，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。
由于它极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其功能。
它适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200的可靠性高，可以用梯形图、语句表、功能块图三种语句来编程。
它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供使用。
3.1.2编程软件介绍
本系统采用的编程软件是STEP7MicroWIN，该编程软件可以方便的在Windows环境下对PLC编程、调试、监控，使得PLC编程更加方便、快捷。
项目的组成：
（1）程序块
程序块由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序（OBI）、可选的子程序和中断程序组成。
代码被编译并下载到PLC。
（2）数据块
数据块由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。
数据被编译并下载到PLC。
（3）系统块
系统块用来设置系统的参数，例如存储器的断电保持范围、密码。
STOP模式时PLC的输出状态模拟量与数字量输入滤波值脉冲捕捉位等，系统模块中的信息需要下载到PLC。
（4）符号表
符号表允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。
程序编译下载到PLC时，所有符号地址被转换为绝对地址，符号表中的信息不会下载到PLC。
（5）状态表
状态表用来观察程序执行时指定的内部变量的状态，状态表并不下载到PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具。
（6）交叉引用表
交叉引用表列举出程序中使用的各种操作数在哪一个程序块的哪一个网络中出现，以及使用它们的指令助记符。
还可以查看哪些内存区域已经被使用，是作为单位使用还是作为字节使用。
在运行模式下编译程序时，可以查看程序当前正在使用的跳变触点的编号。
交叉引用表并不下载到PLC，程序编译成功后才能看到交叉引用表的内容。
在交叉引用表中双击某操作数，可以显示出包含该操作数的那一部分程序。
3.1.3设计相关指令介绍
（1）逻辑取及线圈驱动指令
逻辑取及线圈驱动指令为LD、LDN和=。
LD（Load）：
取指令。
用于网络块逻辑运算开始的常开触点与母线的连接。
LDN（LoadNot）：
取反指令。
用于网络块逻辑运算开始的常闭触点与母线的连接。
=（Out）：
线圈驱动指令。
使用说明：
①LD、LDN指令不仅用于网络块逻辑计算开始时与母线相连的常开和常闭触点，在分支电路块的开始也要使用LD、LDN指令；
②并联的=指令可连续使用任意次；
③在同一程序中不能使用双线圈输出，即同一元器件在同一程序中只使用一次=指令；
④LD、LDN、=指令的操作数为：
I、Q、M、SM、T、C、V、S和L。
T、C也作为输出线圈，但在S7-200PLC中输出时不是以使用=指令形式出现。
（2）触点串联指令
触点串联指令为A、AN。
A（And）：
与指令。
用于单个常开触点的串联
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