直线滑台的交流伺服电机PLC控制及人机界面设计毕业设计Word下载.doc
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绪论……………………………………………………………………………………1
1PLC的概述…………………………………………………………………………………2
1.1PLC的定义………………………………………………………………………………2
1.2PLC的组成………………………………………………………………………………3
1.3PLC的工作原理…………………………………………………………………………4
1.4常用PLC介绍……………………………………………………………………………5
2交流伺服电机概述……………………………………………………………………8
2.1交流伺服电机的基本常识……………………………………………………8
2.2交流伺服电机及其调速分类和特点…………………………………………………8
2.3步进电机和交流伺服电机性能比较……………………………………………………11
2.4交流伺服电机在包装机械上的应用……………………………………………………13
3直线滑台交流伺服电机PLC控制原理……………………………………………………15
3.1概述…………………………………………………………………………………………15
3.2PLC控制的数控滑台结构………………………………………………………………15
3.3行程控制………………………………………………………………………………16
3.4进给速度控制…………………………………………………………………………17
3.5进给方向控制………………………………………………………………………………17
3.6PLC的软件逻辑控制…………………………………………………………………17
3.7伺服控制、驱动及接口……………………………………………………………………18
4PLC控制系统设计……………………………………………………………………………20
4.1系统程序设计语言选择及其特点………………………………………………………20
4.2系统的软件设计……………………………………………………………………………20
4.3伺服电机及驱动器…………………………………………………………………………22
4.4程序的安装与调试…………………………………………………………………………23
4.5人机界面…………………………………………………………………………24
结论…………………………………………………………………………………………………25
致谢…………………………………………………………………………………………………26
参考文献……………………………………………………………………………………………27
绪 论
在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。
将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。
伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。
交流伺服电机较好,因为是正弦波控制,转矩脉动小。
直流伺服是梯形波,直流伺服比较简单,便宜。
本文首先介绍了可编程控制器的有关知识,包括它的定义、组成、工作原理等,为后面自动送料装车控制系统的设计打下理论基础。
第二章是本文的核心部分,首先分析了直线滑台的工作流程,然后根据设计要求,选择合适的PLC模块,给出合理的输入/输出分配表,并设计PLC外部接线图。
最后设计相应的梯形图,并进行程序调试和模拟运行。
本课题的研究对自动化工业生产具有重大意义。
1PLC的概述
1.1PLC的定义
PLC问世以来,尽管时间不长,但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化,美国电气制造商协会NEMA(National
Electrical
Manufactory
Association)经过四年的调查工作,于1984年首先将其正式命名为PC(Programmable
Controller),并给PC作了如下定义。
PC是一个数字式的电子装置,它使用了可编程序的记忆体储存指令。
用来执行诸如逻辑,顺序,计时,计数与演算等功能,并通过数字或类似的输入/输出模块,以控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着,亦被视为PC,但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
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。
以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿,第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。
1.2PLC的组成
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,PLC可编程控制器主要由CPU模块、存储器、输入模块/输出模块、电源、编程器和外部设备接口组成。
(1)CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器,中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
它主要由微处理器(CPU)和存储器组成。
它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理,即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作,将结果送到输出端,并响应外部设备(如编程器、电脑、打印机等)的请求以及进行各种内部判断等。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
PLC的内部存储器有两类,一类是系统程序存储器,主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序,系统程序已由厂家固定,用户不能更改;
另一类是用户程序及数据存储器,主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
为了进一步提高PLC的可靠性,近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。
这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。
(2)存储器
PLC的存储器用来存放程序和数据。
程序分系统程序和用户程序。
系统程序是PLC研制者所编的程序,它是决定PLC性能的关键。
用户程序是用户为解决实际问题并根据PLC的指令系统而编制的程序,它通过编程器输入,经CPU存放入用户程序存储器。
(3)I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚,是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。
输入信号有两类:
一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号;
另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器,可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
一些可编程控制器还具有模拟输出接口,用于需要模拟信号驱动的负载。
(4)电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
PLC可编程序控制器一般使用220V交流电源。
可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。
(5)编程器
编程器是PLC的外部编程设备,它是开发、维护PLC控制系统的必备设备。
用户可通过编程器输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。
也可以通过专用的编程电缆线将PLC与电脑联接起来,并利用编程软件进行电脑编程和监控。
编程器是专用的,不同型号的PLC都有自己专用的编程器,不能通过。
PLC正常工作时,不一定需要编程器。
因此,多台同型号的PLC可以只配一个编程器。
(6)外部设备接口
此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联,以完成相应的操作。
1.3 PLC的工作原理
作为电器控制装置,可编程控制器必须接入电路,与主令器件、传感器件及执行器件共同构成系统才能承担控制任务。
可编程控制器有两种基本的工作状态,即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态。
在运行状态,可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不是只执行一次,而是反复不断地重复执行,直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外,在每次循环过程中,可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作,一次循环可分为5个阶段(如图1-1所示)
在内部处理阶段,可编程序控制器检查CPU,模块内部的
硬件是否正常,将监控定时器复位,以及完成一些别的内部工
作。
在通信服务阶段,可编程序控制器与别的带微处理器的智
能装置通信,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内
容。
图1-1PLC内部循环图
在输入处理阶段,可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开(ON/OFF)
状态读入输入映像寄存器。
在程序执行阶段,即使外部输入信号的状态发生了变化,输入映像寄存器的状态也不会随之而变,输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。
在输出处理阶段,CPU将输出映像寄存器的通/断状态传送到输出锁存器。
1.4常用PLC介绍
西门子S7-200系列可编程控制器介绍:
SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业,各种场合的检测、监测及控制的自动化。
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系列产品具有极高的性能/价格比。
在以下几方面均有出色的表现:
极高的可靠性;
极丰富的指令集;
易于掌握;
便捷的操作;
丰富的内置集成功能;
实时特性;
强劲的通讯能力;
丰富的扩展模块。
S7-200系列PLC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。
S7-200产品凭借其先进性、成熟性和广泛的适用性在自动化产品中受到广泛的重视,相信此次发布的新产品一定能够满足部分用户的需求,同时在自动化领域中获得更广泛的应用。
OMRONC200H可编程控制器介绍:
先进的、小型化的可编程序控制器.OMRON的可编程序控制器更加小型化。
SYSMACCPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来说),从而使安装体积大幅度减小,同时也进一步节省了控制柜的空间。
它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能,而且还可连接可编程序终端,为生产现场创造了新的环境。
可连接可编程终端,选用通讯适配器以相应的上位Link或高速NTLink与PT之间进行高速通讯。
有10点至40点多种CPU单元。
CPU单元与扩展I/O并用,可完成10点到100点的输入输出要求。
并有AC和DC两种电源型号可选择。
汇集了各种先进的功能,如高速响应功能、高速计数功能、中断功能,还备有2个模拟量设定。
充足的程序容量,具有2048字的用户程序存储器和1024字的数据存储器。
编程环境与CQM1及SYSMACA等机种相同。
由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用,故而系统的扩展及维护都可简单进行[8]。
松下可编程控制器介绍:
包括FPO,FP1,FP2,FP3,FPe,FP-X等系列。
FP-X特点:
超高速处理,浮点数PID运算只有32µ
s,基本指令只需0.32µ
s,可快速扫描充裕的程序容量达到32K步,注释区域也可以保证;
I/O最多300点;
通过8位密码和禁止上传功能,有效保护程序:
配备USB端口,可与计算机实现简单连接。
FPe(晶体管输出,继电器输出)特点:
面板式安装型控制器,电源电压24VDC,程序容量2.7K步,运算速度0.9μs。
FP2、FP3、FP10sh系列(输出类型同上):
最多可控制2048点(使用远程I/O),程序容量大16K,30K步,可扩展到120K步,CUP运行世界最快(1ms/20步,快速起运0.1ms以下)。
FPO系列(输出同上):
世界产品体积最小,扫描周期1ms,选择点从10到128点。
各种常用PLC详述请参阅由于庆广编著清华大学出版社出版的《可编程控制器原理及系统设计》。
三菱FX系列可编程控制器介绍:
FX系列可编程控制器是当今国内外最新,最具特色、最具代表性的微型PLC。
特与日本三菱电机公司研发的。
在FX中,除基本的指令表编程方式外,还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程,而且这些程序可互相转换。
在FX系列PLC中设置了高数计数器,对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理,扩大了PLC的应用领域。
其FX2NPLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器,可获取最高50kHz的高速脉冲。
FX系列PLC基于“基本功能、高速处理、便于使用”的研发理念,使其具有数据传送与比较,四则运算与逻辑运算、数据循环与移动等应用指令系统。
除此之外,还具有输入输出刷新、中断、高速计数器比较指令、高速脉冲输出等告诉处理指令,以及在SFS控制方面,将机械控制的标准动作封装化的状态初始化指令等,使功能大大增加。
FX系列PLC在特殊控制方面不但具备模拟量的输入输出控制,而且具有定位控制及PID系统控制。
在通信方面,能够方便地与PC计算机链接实现数据交换与管理[10]。
2交流伺服电机概述
2.1 交流伺服电机的基本常识
交流伺服电动机的结构主要可分为两部分,即定子部分和转子部分。
其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同,在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。
其中一组为激磁绕组,另一组为控制绕组,交流伺服电动机一种两相的交流电动机。
交流伺服电动机使用时,激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf,控制绕组两端施加控制电压Uk。
当定子绕组加上电压后,伺服电动机很快就会转动起来。
通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场,旋转磁场的转向决定了电机的转向,当任意一个绕组上所加的电压反相时,旋转磁场的方向就发生改变,电机的方向也发生改变。
为了在电机内形成一个圆形旋转磁场,要求激磁电压Uj和控制电压UK之间应有90度的相位差,常用的方法有:
(1)利用三相电源的相电压和线电压构成90度的移相;
(2)利用三相电源的任意线电压;
(3)采用移相网络;
(4)在激磁相中串联电容器。
2.2交流伺服电机及其调速分类和特点
长期以来,在要求调速性能较高的场合,一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。
但直流电动机都存在一些固有的缺点,如电刷和换向器易磨损,需经常维护。
换向器换向时会产生火花,使电动机的最高速度受到限制,也使应用环境受到限制,而且直流电动机结构复杂,制造困难,所用钢铁材料消耗大,制造成本高。
而交流电动机,特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点,且转子惯量较直流电机小,使得动态响应更好。
在同样体积下,交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪~70﹪,此外,交流电动机的容量可比直流电动机造得大,达到更高的电压和转速。
现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动,交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。
图2-1台达ECMA系列交流伺服电机
(1)异步型交流伺服电动机
异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。
它有三相和单相之分,也有鼠笼式和线绕式,通常多用鼠笼式三相感应电动机。
其结构简单,与同容量的直流电动机相比,质量轻1/2,价格仅为直流电动机的1/3。
缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速,必须从电网吸收滞后的励磁电流。
因而令电网功率因数变坏。
这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机,用IM表示。
(2)同步型交流伺服电动机
同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂,但比直流电动机简单。
它的定子与感应电动机一样,都在定子上装有对称三相绕组。
而转子却不同,按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。
非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。
其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。
数控机床中多用永磁式同步电动机。
与电磁式相比,永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高;
缺点是体积大、启动特性欠佳。
但永磁式同步电动机采用高剩磁感应,高矫顽力的稀土类磁铁后,可比直流电动外形尺寸约小1/2,质量减轻60﹪,转子惯量减到直流电动机的1/5。
它与异步电动机相比,由于采用了永磁铁励磁,消除了励磁损耗及有关的杂散损耗,所以效率高。
又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等,其机
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