机械自动化器件及其应用大作业 交大.docx
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机械自动化器件及其应用大作业交大
题目一、情景描述：
设计一个液位高度控制器，提出两种方案进行对比，然后画出你认为最优方案的电气原理图。
水箱水位控制图
方案一：
浮球开关控制
一种是带着大金属球的浮球开关，浸在液体中时浮力大，可以控制两个液位，比如液体满了，浮球因为浮力而上升，带动球阀运动，使阀门关闭，停止进水，当水少了，浮球下降，阀门打开，又再进水，如此循环。
这种方式较多应用在煮开水器上。
另一种是带干簧管的微型浮球开关，由外面的带有磁性小浮球使杆里面的干簧管闭合，从而控制液位，多数应用在清水的液位控制，一般几块钱就有交易了，但易受污物影响。
还有一种是电缆式浮球开关，该装置通过一弹性电线与水泵连接，可用于水塔、水池各种浮球开关水位高低的自动控制和缺水保护，允许接的用电器是220V,10A左右，平衡锤或弹性电线的某一固定点到浮筒间的电线长度，决定水位的高低。
这种水位开关应用广泛，价格便宜，对于一些要求不太严格的场合适用。
但存在这样的问题：
有一定耐污能力，浮球易受外界杂物影响其稳定性，特别是纤维状的杂物缠绕而有失误，同一小水箱里不宜使用多个，否则会相缠绕。
使用寿命相对短些，而且多数直接接220V,存在一定的安全隐患，终有一天因为电线破损而漏电电人。
所以电缆式浮球开关一般有这样的警告：
电源线是本装置的完整部分，一经发现电线受损，本装置应被替换，不准对电线进行修理。
方案二：
基于单片机实现的液位控制器
该控制器以单片机为核心，通过外围硬件电路来达到实现控制的目的。
可根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，由于增加了气体压力传感器，使其具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制。
应用范围更广，会逐渐取代浮球开关控制的。
下面主要介绍这种控制方案。
利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。
根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。
检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。
现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。
1原理框图
2工作原理
基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、A／D转换、传感器，电源和控制部分等组成。
工作过程如下：
水箱（水塔）液位发生变化时，引起连接在水箱（水塔）底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号，送入A／D转换器，A／D转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。
通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。
该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。
3硬件设计
液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器（带变送器）、键盘电路、数码显示电路、A／D转换器和输出控制电路等。
1）单片机
单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片，如图1所示。
其中，P0口用于A／D转换和显示；P1口连接一个3×5的键盘；P2口用于控制电磁阀和水泵动作；P3口用于上、下限指示灯，报警指示灯以及用于读写控制和中断等。
2）传感器
传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。
压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定（O～70℃），传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。
其引脚分布如图3所示。
1脚为信号输出
（一）；2脚为信号输出
（一）；3脚为激励电压；4脚为地；5脚为信号输出（+）；6脚为信号输出（+）。
在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。
水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到A／D转换器。
3）键盘电路
P1口作为键盘接口，连接一个4×4键盘。
结构上采用行列方式，可定义键盘布局。
4）液位显示电路
液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999（单位可自定），选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。
在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲，
5）A／D转换电路及控制输出
A／D转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。
该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位A／D转换器芯片ADC0809。
在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制A／D转换程序。
6）软件设计
由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加／减键、取消键和复位键。
程序如下：
A/D转换子程序如下：
题目二、设计一个流量模拟量检测与控制器，提出控制方案并说明，然后画出你的方案电气原理图。
设计方案：
基于PLC的流量控制
流量控制系统主要有流量变送器、变频器、恒流控制单元、电动机组成。
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
基于PLC的流量控制系统主要有变频器、可编程控制器、流量变送器和水泵电机一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图
从图中可看出，系统可分为：
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（l）执行机构：
执行机构是由一个水泵电机组成，它用于将水供入管道，通过变频器改变电机的转速，以达到控制管道水流量的目的。
（2）信号检测机构：
在系统控制过程中，需要检测的信号包括管道水流量信号，其中水流量信号是本控制系统的主要反馈信号。
此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。
（3）控制机构：
本系统的控制机构包括控制器（PLC）和变频器两个部分。
控制器是整个流量控制系统的核心。
控制器直接对系统中的流量信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵电机）进行控制；变频器是对水泵电机进行转速控制的单元，其跟踪控制器送来的控制信号改变水泵电机的转速控制。
流量控制系统以供水出口管道水流量为控制目标，在控制上实现出口管道的实际流量跟随设定的水流量。
设定的水流量可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。
水流量控制系统的结构框图如图
水流量控制系统通过安装在管道上的流量变送器实时地测量参考点的水流量，检测管道出水流量，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现水流量恒定的关键参数。
由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制水泵电机的转速，进而控制管道中的水流量，实现水流量恒定。
根据基于PLC的流量控制系统的原理，系统的电气控制总框图如图
1系统主要设备
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：
（1）PLC及其扩展模块、
（2）变频器、（3）水泵电机、（4）流量变送器。
主要设备选型如表
主要设备
型号
可编程控制器（PLC）
SiemensCPU224
模拟量扩展模块
SiemensEM235
变频器
SiemensMM440
水泵电机
水泵1台（0.37KW）
流量变送器
电磁流量传感器SHLDG、电磁流量转换器SHLDZ—1
2系统主电路分析及其设计
基于PLC的水流量控制系统主电路图
水泵电机为M1；QS1为变频器主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。
本系统采用单泵变频运行方式，即1台水泵在变频器控制下作变速运行。
3PLC程序设计
PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP7-MicroWIN-V40编程软件开发。
该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表（STL）语言、梯形图（LAD）语言、功能块图（FBD）语言。
语句表（STL）语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。
梯形图（LAD）语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。
功能块图（FBD）的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。
PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。
由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：
主程序、子程序和中断程序。
系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。
利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。
程序中使用的PLC元件及其功能
器件地址
功能
器件地址
功能
VD100
过程变量标准化值
VD120
积分时间Ti
VD104
装入回路设定值
VD124
微分时间Td
VD108
回路累加器
I0.0
启动运行
VD112
回路增益Kc
I0.1
停止运行
VD116
回路采样时间Ts
流量PID控制程序分为3部分，每部分流程图如下：
（1）主程序调用模块
（2）主程序调用子程序
（3）中断子程序模块
其中，各符号名说明如下：
Mn在第n采样时刻，PID回路输出的计算值；
KcPID回路增益；
en在第n采样时刻的偏差值；
en-1在第n-1采样时刻的偏差值；
KI积分项的比例常数；
MX积分项的前值；
KD微分项的比例常数。
编程
（1）主程序部分
（2）子程序SBR_0
（3）中断程序INT_0部分
题目三、设计一个控制器，提出两种方案进行对比，然后画出你认为最优方案的电气原理图。
1—分拣气缸
2—传输带
3—需要分拣工件
4—分类带
5—已分拣工件
自动分拣系统有超过10种不同型式，基本分为直线型分拣系统和环型分拣系统两种类型。
直线型分拣系统主要包括滑块式分拣机、滚轮分拣机、滚筒分拣机等；环型分拣系统主要包括翻盘式分拣机和交叉带式分拣机；其他还有推杆式分拣机和垂直分拣机。
货物传送装置：
钢带输送机、胶带输送机、托盘输送机、辊柱输送机等。
常见的自动分拣机构有推出式、浮出式导轮转向盘、倾盘机构等。
1设计系统的硬件结构框图
材料分拣装置PLC输入/输出端子分配表及PLC输入输出接线端子图
西门子PLC（I/O）
分拣系统接口（I/O）
备注
输
入
部
分
I0.0
UCP（计数传感器）
接旋转编码器
I0.1
SN（下料传感器）
判断下料有无
I0.2
SA（电感传感器）
I0.3
SB（电容传感器）
I0.4
SC（颜色传感器）
I0.5
SD（备用传感器）
I0.6
SFW1（推气缸1动作限位）
I0.7
SEW2（推气缸2动作限位）
I1.0
SFW3（推气缸3动作限位）
I1.1
SFW4（推气缸4动作限位）
I1.2
SFW5（下料气缸动作限位）
I1.3
SBW1（推气缸1回位限位）
I1.4
SBW2（推气缸2回位限位）
I1.5
SBW3（推气缸3回位限位）
I1.6
SBW4（推气缸4回位限位）
I1.7
SBW5（下料气缸回位限位）
I2.0
SB1（启动）
I2.1
SB2（停止）
输
出
部
分
Q0.0
M（输送带电机驱动器）
Q0.1
YV1（推气缸1电磁阀）
Q0.2
YV2（推气缸2电磁阀）
Q0.3
YV3（推气缸3电磁阀）
Q0.4
YV4（推气缸4电磁阀）
Q0.5
YV5（下料气缸电磁阀）
Q0.5
YV5（下料气缸电磁阀）
2传感器原理及使用方法
1）旋转编码器是与步进电机连接在一起，在本系统中可用来作为控制系统的计数器，并提供脉冲输入。
它转化为位移量，可对传输带上的物料进行位置控制。
传送至相应的传感器时，发出信号到PLC，以进行分拣，也可用来控制步进电机的转速。
本系统选用E6A2CW5C旋转编码器,原理如图
旋转编码器是用来测量转速的装置。
技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。
它分为单路输出和双路输出两种。
单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。
编码器如以信号原理来分，可分为增量脉冲编码器（SPC）和绝对脉冲编码器（APC）两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。
编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。
工作原理，由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。
由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。
分辨率：
编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。
信号输出:
信号输出有正弦波（电流或电压），方波（TTL、HTL），集电极开路（PNP、NPN），推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A，
A-；B，B-；Z，Z-），HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。
信号连接：
编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。
如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。
A、B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。
A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。
A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。
对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。
对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米
2）电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，用来检测金属物体。
它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。
这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化。
由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。
本系统选用M18X1X40电感传感器。
接线图，原理图
由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。
这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。
当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。
电感式传感器的特点是：
①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。
电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。
常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。
在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。
3）电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关。
它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是待测物体的本身。
当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。
由此，便可控制开关的接通和关断。
本系统选用E2KX8ME1电容传感器，接线图，原理图
用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。
通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。
从能量转换的角度
而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。
力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。
另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01μm，比前者提高了两个数量级，最大量程为100±5μm，因此他在精密小位移测量中受到青睐。
对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点：
（1）测量范围大其相对变化率可超过100%；
（2）灵敏度高，如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；
（3）动态响应快，因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量；
（4）稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。
4）选用TAOS公司生产的，型号为TCS230颜色传感器。
此传感器为RGB（红绿蓝）颜色传感器，可检测目标物体对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。
TCS230传感器引脚如图
TCS230是美国TAOS公司生产的一种可编程彩色光到频率的转换器。
该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；输出为
数字量，可直接与微处理器连接。
它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。
TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其它逻辑电路相连接。
由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。
TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管。
这些二极管共分为四种类型。
其中16个光电二极管带有红色滤波器，16个光电二极管带有绿色滤波器，16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。
这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光幅射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。
工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。
该传感器的典型输出频率范围从2Hz~500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式。
输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。
当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是50%），不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚S0、S1选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。
S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型；OE是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时，也可以作为片选信号；OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。
表2是S0、S1及S2、S3的可用组合。
S0
S1
输出频率定标
S2
S3
滤波器类型
L
L
关断电源
L
L
红色
L
H
20%
L
H
蓝色
H
L
20%
H
L
无
H
H
100%
H
H
绿色
5）光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。
用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。
在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。
这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。
本系统选用FPG系列小型放大器内藏型光电传感器。
原理如图，其中负载可接至PLC。
光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。
光电传感器采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。
光电传感器是将光信号转换为电信号的光敏器件。
它可用于检测直接引起光强变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多。
传感器的结构简单，形式灵
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