基于plc的电磁泵控制程序设计大学毕业设计论文.docx
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基于plc的电磁泵控制程序设计大学毕业设计论文
基于PLC的电磁泵控制程序软件设计
摘要
本设计采用三菱FX0n-3A系列PLC和三菱GOT1000触摸屏分别作为电磁泵输送系统的控制器和人际界面，以电磁泵电源为被控对象，实现定量输送控制。
该系统包括三部分：
电磁泵电源、PLC控制器、人机界面。
本文首先分析了电磁泵的工作原理，拟定出控制方案并对硬件选型；然后根据定量输送系统工艺流程进行PLC控制程序和人机界面设计。
其中PLC控制程序主要实现的功能是通过从触摸屏接受信号输出0～10V模拟电压控制电磁泵电源0～2500A电流，并根据工业现场输送电流给予适当补偿；人机界面程序主要实现的功能是替代系统部分按钮、通过对PLC程序和人机界面程序仿真，证明此设计方案可行。
关键词：
电磁泵，，PLC控制，人机界面应用
DesignoftheelectromagneticpumpcontrolprogrambasedonPLCcontroler
ABSTRACT
ThisdesignusesMitsubishiFX0n-3AseriesPLCandMitsubishiGOT1000touchscreenasthecontrollerofelectromagneticpumpdeliverysystemandhumaninterface,withelectromagneticpumppowerasthecontrolledobject,realizethequantitativefeedingcontrol.Thesystemconsistsofthreeparts:
electromagneticpumppower,PLCcontroller,man-machineinterface.
Thispaperanalyzestheworkingprincipleofelectromagneticpump,acontrolschemeandthehardwareselection;thenaccordingtothequantitativconveyingsystemprocessdesignPLCcontrolsystemandman-machineinterface.ThePLCcontrolprogram'smainfunctionistoreceivesignalsoutputby0~10Vanalogvoltagecontrolelectromagneticpumppowerof0~2500Acurrentfromthetouchscreen,andaccordingtotheindustrialfieldcurrentissuppliedtogiveappropriatecompensation;mainlyrealizesman-machineinterfaceprogramfunctionistoreplacethesystemofbutton,throughthePLCprogramandman-machineinterfaceprogram,provethatthisdesignisfeasible.
Keywords:
electromagneticpump,PLCcontrol,applicationofhuman-machineinterface
1引言………………………………………………………………………………………………1
1.1课题研究的背景、目的及意义…………………………………………………………1
1.2定量输送国内外发展状况………………………………………………………………2
1.2.1针对铸型采用的定量输送方法………………………………………………………2
1.2.2高温金属液输送设备定量输送………………………………………………2
1.3电磁泵国内外发展状况…………………………………………………………3
1.3.1国外电磁泵发展状况…………………………………………………………3
1.3.2国内电磁泵发展状况…………………………………………………………4
1.4本设计主要研究内容……………………………………………………………4
2系统方案的确定……………………………………………………………………6
2.1直流电磁泵的工作原理…………………………………………………………6
2.2系统方案的确定…………………………………………………………………7
2.3三菱FX2n和GT1000………………………………………………………………7
2.3.1三菱FX0n-3A系列PLC的基本功能…………………………………………………7
2.3.2GOT1000系列…………………………………………………………………………8
3系统硬件的设计………………………………………………………………………10
3.1与PLC的连接………………………………………………………………………10
3.2规格特征……………………………………………………………………………10
3.2.1模拟量输入规格…………………………………………………………………11
3.2.2输入特性…………………………………………………………………………12
3.2.3模拟量输出规格…………………………………………………………………12
3.3流程控制……………………………………………………………………………13
3.4缓冲存储器（BFM）分配……………………………………………………………13
3.4.1A/D输入程序……………………………………………………………………14
3.4.2D/A输出程序……………………………………………………………………15
3.5FX2n与GT1000的通信………………………………………………………………16
4PLC控制程序设计……………………………………………………………………18
4.1补偿电流计算………………………………………………………………………18
4.2PLC控制程序………………………………………………………………………19
5触摸屏软件设计………………………………………………………………………21
5.1人机界面的设计……………………………………………………………………21
5.2人机界面的设计…………………………………………………………………22
结论……………………………………………………………………………………27
附录……………………………………………………………………………………28
参考文献………………………………………………………………………………33
致谢……………………………………………………………………………………35
1引言
1.1课题研究的背景、目的及意义
随着工业化的高速发展。
铸造工业正走向专业化规模生产。
绿色铸造技术将成为2l世纪的发展趋向。
传统铸造业正逐渐向高质量、低消耗、无污染、高效率的现代铸造业转变[2]。
近几年来，所有发达国家调整产品方向，向资金和技术密集型产业迈进，而对铸造行业来说，既是劳动密集型产业，又是热、累、脏行业。
加之发达国家的环保指标使得铸造行业的成本难以承受，使不少国家把铸件采购转向发展中国家，这给中国铸造业向国外市场发展提供了绝好的机遇。
充分利用我们的劳动力和资源优势,去占领发达国家市场空缺，无疑是我国融入世界经济的一条重要途径。
但是，我们必须清楚的看到，中国铸造业将会面临一场严峻的考验：
一方面是出口铸件向高、精、尖方面发展，铸件不仅要求薄壁、轻量、整体化和外观美观，同时也要求其强度和耐久性，就我国的情况看还很难达到其要求。
另一方面是我国劳动力便宜，原材料资源丰富，环保成本相对较低，对外资具有较大的吸引力；加入世贸组织后，贸易堡垒被拆除，更多合资和独资铸造业进入中国，竞争也更加激烈，一些工艺落后、设备简陋、生产能力低下的企业被淘汰。
由此看来，我们既得到了绝好机遇又面临严峻挑战，利弊同在。
在当今的铝及铝合金工业中，铝及铝合金产品的需求量越来越大，对其质量要求也越来越高，尤其在汽车工业、军工产品、航空航天等方面的零部件要求高强度、轻量化和低成本。
目前，国内外的铝合金应用正以平均每年15%以上的速度增长，90%以上的铝合金结构件都是用铸造技术生产的，而铝合金铸件中又90%以上是通过压铸生产的。
但是，传统的铸造方法易使铝合金高温熔体氧化、烧损、形成夹杂，严重影响铸件质量，生产的产品在质量上不能很好的满足用户需求，并且存在生产效率低、生产过程不稳定、不易控制生产工艺、自动化程度低、易受外界影响等缺点。
正如前面所说，这样的情况对于提高产品国际竞争力、企业生产效益极为不利。
在工业发达国家，大规模高温熔融金属生产作业都是应用成熟的输送设备而不是依靠人工浇注。
国内在定量输送方面的研究已取得较大进步，但从整体来看，自动化定量输送技术还不成熟，如压铸、挤压铸造、砂型铸造生产线等成套定量输送设备仍需进口。
针对以上情况，如何提高与完善定量控制输送过程的自动化水平和定量精度是当前铸造生产中迫切需要解决的问题。
1.2定量输送国内外发展状况
在现代铸造生产中，供料定量输送的实现可分为两种形式：
（1）针对铸型采用适当的方法，如冒口探测法等。
（2）通过自动化或半自动化的金属液输送设备来实现，如电磁泵、气压浇注机等[3]。
1.2.1针对铸型采用的定量输送方法
1.重量定量法
用称重的方法实现定量，多用中间定量浇注包，中间包下面设有一个控制重量的传感器，金属液贮存包先向中间浇包倒入一定量的金属液，然后由中间浇包向砂型浇注，当中间浇包里德金属液减少到预定值时，重量传感器就发出讯号使浇注停止。
但是这些方法称量要求对象本身比较重，如果向一个砂型浇注的金属液重量相对比较小，即使传感器本身的测量误差并不大，而相对于所浇金属液来说，这个误差可能会比较大。
2.体积定量法
用控制金属液的体积实现定量，如采用容量一定的中间浇包，也可以用一耐火的物体浸入浇包，用浸入物的体积控制所排溢出的金属溶液的体积来实现定量浇注。
3.冒口探测法
在砂型上除浇口外另设一个冒口，对着冒口装一个红外线探测器或光电管，当铸型接近浇满时，金属液沿着冒口上升，红外线探测器或光电管立即发出讯号，停止浇注。
但红外线探测器则可能受铸型冒口中发出的火苗干扰，发生误操作。
1.2.2高温金属液输送设备定量输送
自动化或半自动化金属液输送设备应具有下述大部分条件才能充分发挥作用[6]：
（1）保证铸件浇注质量；
（2）输送装置应具备与造型线相适应的生产率；
（3）对输送参数的变更应具有较大的适应性；
（4）输送装置应操作方便、迅速、安全可靠。
在对金属液进行浇注作业时应答指令要灵敏；
（5）作业环境应清洁、热辐射小；
（6）输送装置结构应牢固，其维修和易损零件更换应方便；
（7）输送装置占地面积小；
（8）经济性高，操作简单；
为了节省劳动力、改善作业环境，各国对高温金属液浇注机进行了研究。
他们所采用的原理各不相同，其方式有：
（1）手工浇注；
（2）气体压力浇注；（3）机械手浇注；（4）电磁泵浇注[7]。
下面我们对这四种浇注方式作简单对比：
其中手工浇注最容易实现，定量较准确，短期投资很小；机械手浇注可实现自动化，定量准确，工人劳动强度低；气压浇注也可以实现自动化，液态金属与空气接触少，金属液中氧化夹杂物较少，吸气量小。
但是手工浇注工人劳动强度大，操作较危险，不易实现全面自动化；而机械手浇注设备投资大，占地面积多，并且手工浇注与机械手浇注由于是裸露在空气中的，所以液态金属（如铝液或镁液）与大气直接接触，造成铸件中氧化夹杂含量升高，从而降低结构的疲劳强度，尤其是镁合金甚至会出现氧化燃烧的情况；而气压浇注虽然避免了液态金属与空气的接触，但是该法很难实现定量输送，且设备多、占地面积大[3]。
当用液态金属电磁泵浇注时，融合了以上3种浇注方式的优点：
（1）可实现自动浇注，大大降低工人的劳动强度，改善作业环境；
（2）完全隔绝了液态金属与空气的接触，降低了铸件中氧化夹杂的含量及含气量，提高铸件的综合力学性能，这种方法对镁合金来讲可将炉体完全封闭形成一种全新的工艺及设备，以解决镁合金压铸的一个重要问题；（3）可以精确控制流量，且响应速度快；（4）浇注速度大大提高，从而提高了压铸机得生产效率，而且设备投资适中，占地面积小。
因此该项技术完全能够满足压铸的需求，可显著提高铸造生产效率，将会广泛地应用于铝镁合金的压铸生产中。
1.3电磁泵国内外发展状况
1.3.1电磁泵国外发展状况
电磁泵设备最早应用在在核工业，主要用于循环钾、钠等冷却剂。
在国外1947年就曾尝试应用电磁泵来实现熔融铝的自动定量浇注，随后各国都在电磁泵应用于铸造方面做了大量的工作，到目前为止国际上包括美国、英国、法国、南非及俄罗斯等国家都掌握了该项技术。
如俄罗斯采用电磁泵充型的低压铸造方法铸造柴油发动机缸盖，与气压式方法比，产品的废品率由原来的25%降到2%，金属利用率由原来的45提高到49%，而且成功地采用电磁泵充型的低压铸造系统生产导弹铝合金罩壳。
在20世纪70年代末，英国Cosworth公司发明了以电磁泵传输、充型为核心的CP工艺技术，主要生产一级方程式赛车的发动机缸体、缸盖。
1988年，美国福特公司购买CP专利，并于1992年建成年产100万只缸体的生产线；特别是该汽车公司某铸造厂全部采用电磁泵低压铸造系统，并实行自动化控制，年产300多万件缸盖，成品率稳定在90%以上。
1991年，南非M&R公司建立了29法铸造厂。
其他采用29法工艺生产的比较著名的汽车厂家有：
Mercedes（日本）、Opel（德国）、Benz（德国）、Jaguar（通用）等[7]。
1.3.2电磁泵国内发展状况
我国在电磁泵系统方面的研究起步比较晚。
曾在20世纪70年代由中国科学院力学研究所和上海电器科学研究所共同开发过电磁泵设备，但并未应用在铝合金铸造方面。
据了解，济南铸锻设备研究所等单位也曾研究过铝合金电磁泵，但未成功；目前国内许多重点院校的铸造专家都对此项技术表示关注。
认为该技术是改进当前我国高品质铝铸件生产条件的有效方法与途径[8]。
山西省铸造新工艺工程技术研究中心（中北大学）长期从事电磁泵铸造技术理论和应用研究，特别是研制的产品现已应用于国内企事业单位铝铸件低压铸造和定量浇注的生产，从而极大地提高了铝铸件的产品质量和生产效率。
该产品在国内属于首创，并取得多项发明专利。
该中心研制的电磁泵定量浇注系统。
主要用于压铸机和挤压机在生产中的定量供液环节。
采用电磁泵定量供液系统的优点：
①可实现自动浇料，大大降低工人的劳动强度，改善作业环境；②完全隔绝了液态金属与空气的接触，降低了铸件中氧化夹杂的含量，提高了铸件的综合力学性能；⑨流量控制精确、连续可调；④浇料速度大大提高，从而提高了压铸机的生产率[9]。
1.4本设计主要研究内容
工控机是专门为工业现场而设计，它具有很强的抗震、抗干扰性能，而且在连续作业的情况下运行也非常稳定。
但在控制过程中它也存在许多弊端：
（1）它需要专门的板卡连接被控设备、人机界面以及一些必要的外设；
（2）软件控制编写也需要专门的编程人员；（3）价格较高导致后期维护需要投入大量的财力；（4）体积较大需要专门的空间放置。
这些都导致工控机在小型工业现场的应用受到限制，显然不如PLC，所以电磁泵的定量输送系统需要进一步改进和完善。
控制电磁泵定量输送是铸造生产中一种重要的生产方式，同时也是一个复杂的工艺过程[18]，近年来这方面的研究取得较大进步[19]，国内外已有较成熟的设备。
输送量的控制对于自动浇注非常重要，因为铸型还没有浇满就过早停止浇注，会造成废品；反之若已浇满还不停止浇注，不但浪费金属液，而且金属飞溅容易造成事故[20]。
在电磁泵定量输送系统中，电磁泵出口处的金属液流量不仅与电流有关，还与保温炉内液面的高度有关。
因为保温炉内液面高度随着金属液的减少会下降，此高度会影响泵头的压力，使出口处的流量下降，最终将影响铸件质量。
为达到定量的目的，我们将通过实时增加适当的电流来补偿[21]。
随着科学技术的发展，铸造生产高效率、高精度的发展趋势，提高与完善定量浇注过程的自动化水平和定量精度势在必行。
2系统方案的确定
2..1直流电磁泵的工作原理
电磁泵是一种输送导电流体的设备，它是对液态金属施加电场和磁场，使液态金属在电磁推力的直接作用下输送，其结构如图2.1所示。
图2.1直流平面电磁泵工作原理图
图中扁平管道是电磁泵体流槽，内部充满导电金属液体，在流槽的左右两侧装置的是电磁铁的磁极，两磁极之间形成一个具有一定磁感应强度的磁隙。
流槽的前后两侧是电极，电流通过电极流过流槽和内部的金属液体。
电磁泵工作时，作用于流槽内金属液体的电流（I）和磁隙磁感应强度（B）的方向（如图2.1所示）两者互相垂直，根据左手安培定则，在磁场中的电流元将受到磁场的作用力，该力称为安培力，其方向向上。
其原理实际上与电动机的原理相似，只是将液态金属作为动子（或转子）从而发生定向移动。
电流和磁场可以是交流，也可以是直流，只要两者共同产生的作用力向一个方向即可。
电磁泵的工作参数是电磁铁磁隙间的磁感应强度B和流过液态金属的电流密度j。
它们与电磁泵的主要技术性能指标压头（ΔP）间存在如下关系：
（1）
（1）式中ΔP——液态金属经过磁场作用区（长度为L）后压强的增加量（即泵产生的理想压头）,pa；
j——垂直于磁感应强度方向和金属液体流动方向上的电流密度，A/m2；
B——垂直于电流方向和金属液体流动方向上的磁感应强度，T；
L——处于磁隙间升液方向上的金属液长度，m；
液态金属在该压力的作用下，产生定向移动，从而实现了液态金属的输送和提升。
从公式可以看出电磁泵所产生的压力与电流密度和磁感应强度成正比，j和B越大则产生的压力越大[15]。
2.2系统方案的确定
本设计的主要研究内容是在中北大学铸造新工艺新技术工程中心低压铸造直流平面电磁泵的基础上，进一步改善电磁泵定量输送系统的控制部分，使该系统在空间上和生产中达到最佳状态。
根据系统的工作原理和任务要求，我们将用触摸屏作为上位机，通过PLC控制电磁泵的电源，且对输送电流进行实时跟踪，进而使得整个系统得到改善，达到定量输送的目的。
通过对被控对象的工艺过程分析，我们将上述任务分解为以下问题：
（1）从PLC模拟输出端输出0〜10V电压，来控制电磁泵电源输出0〜2500A电流。
（2）电磁泵电源从生产现场实时采集工作电流将其转换为0〜10V电压，送给PLC模拟输入端。
（3）设计合适的人机界面替代按钮、键盘及显示器控制PLC，并得到实时跟踪曲线。
针对上述情况，可将PLC控制直流平面电磁泵定量输出系统直观地表示成图2.2
输入参数设定运行参数
参数显示电磁泵电流
图2.2PLC控制电磁泵输送系统结构图
本系统中，所用PLC除具有基本功能外，还需模拟输入输出模块；触摸屏部分必须结合工艺设计需求和PLC的通讯接口来选取。
经过分析调查，我们选取可扩展模拟输入输出模块FX0n-3A的三菱FX2n系列PLC作为该系统的控制部分，三菱GOT1000为该系统的人机界面。
2.3三菱FX0n-3A特殊模块和三菱GOT1000
2.3.1三菱FX0n-3A系列PLC的基本功能
（1）FX0n-3A模拟特殊功能块有两个输入通道和一个输出通道。
输入通道接收模拟信号并将模拟信号转换成数字值。
输出通道采用数字值并输出等量模拟信号FX0n-3A的最大分辨率为8位。
（2）在输入/输出基础上选择的电压或电流由用户接线方式决定。
（3）FX0n-3A可以连接到FX2N、FX2NC、FXin、FXon系列的可编程控制器上。
（4）所有数据传输和参数设置都是通过应用到PLC中的TO/FROM指令，通过FX0n-3A的软件控制调节的。
PLC和FXon-3A之间的通信由光电耦合器保护。
（5）FX0N-3A在PLC扩展每线上占用8个I/O点。
8个I/O点可以分配给输入或输出。
图2.3FX0n-3A的端子配线
当使用电流输入时，确保标记为[VIN*1]和[IIN*1]的端子连接了。
当使用电流输出时,不要连接[VOUT]和[IOUT]端子。
*1此处识别端子编号1或2。
如果电压输入/输出方面出现任何电压波动或者有过多的电噪音，则要在位置*2连接一个额定值大约在25V,0.1至0.47uF的电容器。
2.3.2GOT1000系列
GT1000系列手掌大小，宽屏显示，超小型4.5英寸3色LED背光灯,增加显示效果，高亮度液晶，光照下显示清晰分辨率288×96,标准内存1.5M内置标准接口RS232,RS422。
超薄型，防护等级IP67。
如图2.4。
参数规格如表2.1。
图2.4GOT接口图
表2.1GOT1000系列参数规格
型号
GT1020GT1020--LBD
GT1020GT1020--LBD2LBD2
与PLC接口
RS422
RS232
与电脑接口
RS232
尺寸，液晶
3.73.7””STNSTN
分辨率
160x64
显示色
黑白
背光灯
3色LED（（绿色，红色，橙色）
3系统硬件的设计
在该系统中，总共涉及的电路有：
（1）电源；
（2）1个励磁开关量输出；（3）1个模拟量输入、1个模拟量输出；（4）FX2n和GT1000的通讯接口；
整体硬件电路结构如图3.1所示
PLC开关量输出，控制电磁泵励磁
通过RS232连接
PLC模拟量输出控制电磁栗输送电流
PLC模拟输入通道采集电磁泵输送电流
图3.1电磁泵定量输入系统结构图
说明：
1、输入设备为人机界面；
2、KM1线圈对应Y001驱动电磁泵励磁；
3、模拟输出通道对应电磁泵输送电流；
4、模拟输入通道对应电磁泵实时采集电流。
3.1与PLC的连接
与PLC的连接如图3.1所示。
图3.1三菱FX0n与FX2n的连接
FX0N-3A在FX2N-16M□、FX2N-32M□、FX2N-32E□（□=R/S/T）中可以连接2台FX0N-3A在FX2N-48M□、FX2N-48E□、FX2N-64M□、FX2N-80M□、FX2N-128M□
（□=R/S/T）中可以连接3台。
3.2规格特征
FX0n-3A系列的通用规格如表3.1所示。
表3.1FX0n-3A系列的通用规格
项目
内容
电源
模拟电路
DC24V±10%90mA（由PLC内部供电）
数字电路
DC5V30mA（由PLC内部供电）
绝缘承受电压
AC500V1分钟（所有端子与外壳之间）
绝缘方式
模拟电路、数字电路与PLC间光耦隔离、主电源AC/DC转换器隔离
模拟量输入输出间绝缘（各通道间不绝缘）
数字位
8位（0~255）（数字值在0以下的固定为0；在255以上的固定为255）
模拟范围
DC0~10V、DC
升级会员 