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1、金属锯屑挤压机液压控制系统的设计摘要随着现在社会的发展，机械、液压、电气等科学技术的进步，挤压机的应用越来越广泛，渐渐成为机械行业不可或缺的加工机械。本文根据金属锯屑挤压机（又名金属锯屑压块机）的具体结构，进行液压系统的设计。首先，根据金属挤压机的具体工作原理，深入研究液压传动技术，分析其在实际应用中的功能。然后利用不同液压元件的作用，进行合理的连接来实现其所能完成的任务。同时，对PLC技术进行研究，了解各元件的作用。根据设计好的液压传动原理图，画出控制流程图；并根据设计确定I/O点数，选用了合适的可编程控制器，并给出了I/O分配表和I/O接线图，以及编写了PLC控制系统的程序。最后利用FES
2、TO仿真软件对所设计的金属锯屑挤压机液压系统进行了控制系统的仿真，进一步证明了本次设计的控制系统能按挤压机的工作过程进行工作。 关键词：PLC；液压传动；挤压机；FESTO仿真METAL SAWDUST EXTRUSION MACHINE HYDRAULIC SYSTEM DESIGNAbstractWith the development of modern society and science technology, eg. mechanical technique hydraulic electric technique, Extrusion machines used more wi
3、dely, Gradually become an indispensable processing machinery of mechanical industry. According to the metal sawdust extrusion machine (also named metal sawdust press), the specific structure of hydraulic system design. First, according to the concrete work of metal extruding machine, thorough resear
4、ch the principle of hydraulic drive technology, analyzes its in practical application function. Then use different hydraulic components role, reasonable connection to achieve what they can do. At the same time, to study, understand PLC technology to the role of a component. According to design good
5、hydraulic transmission chart, draw a control flow; And according to the design sure I/O points, choose the suitable programmable controller, and gives the I/O allocation schedule and I/O, and compiled the hookup PLC system program. Finally, using the FESTO simulation software for the design of metal
6、 sawdust extrusion machine hydraulic system simulation of control system, further proved the design of control system according to the working process of the extruder. Keywords: PLC； hydraulic transmission；extrusion machine；FESTO simulation目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究的背景11.2 研究课题所做的工作21.3 课题的意义22 金
7、属锯屑挤压机液压系统设计32.1 液压技术的简介32.2 挤压机的机械结构32.3 压块机工况分析42.4 液压系统图及其工作原理53 PLC的选用和设计73.1 可编程控制器73.1.1 采用PLC控制的优点73.1.2 PLC应用的领域83.2 PLC的选型93.2.1 输入输出I/O点数的估算93.2.2 用户存储容量的估算93.2.3 控制功能的选择93.3 PLC的控制设计103.3.1 PLC控制工作原理103.3.2 PLC硬件的设计113.3.3 PLC软件设计124 金属锯屑挤压机控制系统的仿真154.1 仿真的概况154.1.1 仿真的分类154.1.2 仿真的工具154.
8、2 仿真软件介绍164.3 金属锯屑挤压机控制系统仿真17总结24参考文献25附录26致谢291 绪论1.1 课题研究的背景随着现在社会的发展，机械、液压、电气等科学技术的进步，挤压机的应用越来越广泛，渐渐成为机械行业不可或缺的加工机械。目前挤压技术已经应用于硬质合金、食品工业及机械加工业等诸多领域。利用硬质合金挤压成型技术可生产截面积较小且长度较长的产品，如棒材、管材、带材等。由于采用挤压技术可以获得沿长度方向密度均匀的产品，且生产效率高，因此在硬质合金生产中挤压机技术已经得到普及应用。同时随着挤压机的发展，种类逐渐细化，其产品应用领域不断扩展，使挤压机在国民经济中地位在不断加强。而伴随着资
9、源、能源的缺乏和对环境保护要求的提高，越来越多的节能、减排产品投放到了市场，而金属锯屑挤压机便是其中的一种，它可以将金属锯屑压成块再回炉，不仅减少了对环境的污染，而且给运输带来了方便。在中国,金属锯屑挤压机市场有很大的发展空间，有很高的投资价值，为保护环境，节约能源起到了举足轻重的作用。因此，可以看出金属锯屑挤压机具有很大的发展潜力与极好的市场。金属锯屑挤压机的具体发展方向为：1）智能化送料装置送料量的多少及是否均匀，直接关系到屑块的形状、尺寸及松紧度。现在金属屑挤压机大多无独立送料装置或装置达不到要求，导致屑块形状、尺寸及松紧度差异较大，为了达到均匀稳定送料，可采用振动机重量检测进行控制。2
10、）工艺性好与主机配合完美的金属锯屑挤压机控制系统将会有所发展，它具有友好的人机界面，不占太多的工作空间，便于操作，便于维护，可大大减少操作工人的工作强度。3）良好的工作性能具有较低的噪声、较小的能耗，在高速换向时，利用程序控制、软件来实现对换向冲击的缓冲。4）能够实现从进料到出块全自动的金属锯屑压块生产流水线。5）发展智能化金属锯屑挤压机控制系统。6）应配置屑块智能称重仪，使屑块具有重量即时显示、超重报警、累计重量、累计数量、班次产量等功能。7）发展机电液一体化金属锯屑挤压机。屑块质量好、生产效率高是金属锯屑挤压机的发展方向，现有使用金属锯屑挤压机均成为单一的机械设备。可以综合使用机械、液压、
11、电气控制等技术，发展结构紧凑，元件高度集成，使得液压站的体积大大减小，减少连接管路、液压元辅件，从而使可靠性相应的提高。8）增加出料装置配备出料装置可以避免二次操作，从而节省了时间与劳动强度。9）高效率、低故障率，便于维修这就要求系统结构尽可能的简单，从而降低故障率，并且便于维修。同时要求液压系统反应速度快，行程短。设计须考虑到多尘和高温等环境因素，以减少故障发生。10）全方位的监控运行控制系统。本次研究的金属屑挤压机的应用更为广泛。只要有锯切设备，锯屑的产生就不可避免。如何处理、回收锯屑，尤其是铜、铝材等贵金属切屑，就成为一个必须考虑的问题。如果每天产生大量的锯屑，依靠人工将锯屑装入翻斗车，
12、需要较多人力，既影响环境，又不便于运输、回收。因此，金属挤压机的功用就显得尤为重要，它不仅节约了资源，而且提高了工作效率。1.2 研究课题所做的工作1）问题的提出金属锯屑挤压机是各个机械加工行业不可或缺的辅助设备。随着机械加工行业不断地发展，金属的需求量逐年的增加，随之产生了大量的金属锯屑，而对锯屑的回收就显得更加必要。这就需要有一种专门的工具进行回收，而金属锯屑挤压机的出现，使之得到了解决, 它不仅能节省成本，而且也能节约资源。本次毕业设计所要解决的问题就是设计出这种锯屑挤压机的液压控制系统。2）解决问题所做的工作a.详细分析金属锯屑液压挤压机的工作过程；并根据工作过程，设计能满足工作要求的
13、液压控制系统。b.以设计的液压系统为基础，画出控制流程图；并根据设计确定I/O点数，选用合适的可编程控制器，写出I/O分配表，画出I/O接线图；编写PLC控制系统的程序；c.利用仿真软件对锯屑挤压机进行控制系统的仿真，以检验自己设计的控制系统是否能按挤压机的工作过程进行工作。1.3 课题的意义本文以金属锯屑挤压机为研究对象，在对挤压机的运动分析的基础上，运用所学的液压与电气控制知识，将挤压机的内部控制系统独立设计出来。在设计的过程中，需要对所需知识做进一步的研究，并将金属锯屑挤压机所涉及的知识有机的整合在一起。而在完成这些设计的过程中，培养了自己遇到问题时，思考问题，收集资料，整合问题，最终解
14、决问题的能力。本次毕业设计涉及到了液压传动和PLC方面的知识，这就要求对这两方面的知识比较熟悉，才能正确完成本设计，同时也提高了自己在这两方面解决问题的能力。2 金属锯屑挤压机液压系统设计2.1 液压技术的简介一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。 控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流
15、量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。液压由于其传动力量大，易于传递及配置，在工业、民用行业应用广泛。当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集成化、微型化、智能化
16、等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制、伺服控制、数字控制的技术上也有许多新成就。此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设计，计算机仿真和优化以及计算机控制等开发性研究方面成就更大。液压设备以其“柔性”的动力和单一的直线驱动力，使系统具有较长的生命和较高的工作效率，加上液压设备与PLC结合很容易实现压力、行程、速度及自动、半自动循环工作控制，已成为成型机械首选驱动方式。本次设计的金属锯屑挤压机充分综合这些特点，利用PLC控制液压机械，将散碎的锯屑挤压成块料。2.2 挤压机的机械结构挤压机的机械结构是挤压机完成各功能的基础和保障，它是控制系统的具体执行部分，对整个挤压机的稳定性、灵活性
17、起着非常重要的作用，也是对金属锯屑挤压机进行进一步运动分析的前提条件。挤压机的机械结构设计需要先确定设计目标，使挤压机结构尽量紧凑、轻量化，具备良好的稳定性、良好的灵活性、较高的运动效率，这些要求与挤压机结构形式、系统质量、液压的性能以及动力配置等密切相关。金属锯屑挤压机的整个机架采用长方形布置，具体结构如下图2-1所示。金属锯屑挤压机有机架部分、压块部分、油缸部分、液压部分和电气部分组成。挤压机机架有底座、前后横梁、拉杆等组成，前后梁为整体铸钢件，和钢板焊接件相比，进一步提高了设备成体的稳定性能和使用寿命。图2-1 金属锯屑挤压机结构示意图金属锯屑挤压机机架系统是整个挤压机的支撑机构，其一方
18、面和液压机构配合完成控制系统发出的控制命令，而另一方面整个机架要为电源模块、传感器模块、驱动模块等提供安装位置。因此，挤压机性能的优劣对整个挤压机系统起着举足轻重的作用。挤压机压块部分由料斗、压料套、料筒等零件做成，金属锯屑在完成挤压过程后，形成高密度的压块。油缸部分有压缩缸、快速缸、活塞等组成，装在后横梁上，在工作时液压油驱动活塞，实现快进、加压、快退等动作，从而完成压块的全过程。挤压机液压部分有油箱、集成阀块、油泵、补液箱等组成。液压系统是大截面挤压机完成挤压作业的执行机构，本部分设计的合理与否，将直接影响到屑块的质量，能量的消耗以及合成产率，甚至影响到挤压机的工作安全性。液压系统设有溢流
19、阀防止系统超载，电磁换向阀实现每个油缸的双向运动，液控单向阀保证主压油缸保压。电气部分采用PLC技术控制液压系统的动作。2.3 压块机工况分析锯床锯屑料斗辅缸压下主缸轻压保压主缸回退到位重压主缸回退少许辅缸上升主缸推出锯屑主缸回退到位辅缸压下到位图2-2 压块机的工序流程图对于具有压延性和弹性的铜、铝屑而言，为了减小其挤压回退量，采用两个液压缸（主缸和辅缸）轻压和重压相结合的方法。图2-2所示为压块机的工序流程图。2.4 液压系统图及其工作原理 图2-3所示为金属锯屑挤压机的液压系统原理图，系统采用高压小流量泵2和低压大图2-3 金属锯屑挤压机液压系统原理图 1-低压大流量泵；2-高压小流量泵
20、；3-外控卸荷阀；4、8、9、13-单向阀；5-二位二通电磁换向阀；6-先导式溢流阀；7、14三位四通电磁换向阀；10-压力继电器；11-主液压缸；12-平衡阀；15-辅助液压缸流量泵1组合提供，泵2的压力由先导式溢流阀6设定，泵2的升压与卸荷有二位二通的电磁换向阀5控制；泵1的卸荷由外控卸荷阀3控制；系统的执行器为主液压缸11和辅液压缸15，两缸的运动方向分别由三位四通电磁换向阀7和14控制；单向阀9用于主缸快速进给时的差动连接；压力继电器10用于轻压到达要求之后开始保压信号，保压结束后进行一次重压。立置的辅缸15由平衡阀12控制，以防该缸因自重自行下落。系统工作期间，电磁铁5YA通电时换向
21、阀5切换向右位。当负载小时，电磁铁1YA通电时三位四通换向阀7切换向右位，大流量泵1和小流量泵2同时经换向阀7向主缸11的无杆腔供油有杆腔的油液经单向阀9和换向阀7反馈至主缸无杆腔(差动连接)，主缸快速进给；锯屑压紧到一定程度后，系统压力上升，使外控卸荷阀3打开，大泵1卸荷，小泵2单独向主缸无杆腔供油，主缸由差动连接变成非差动连接（有杆腔经单向阀9和阀3向油箱排油），从而实现对锯屑的慢速挤压；当电磁阀2YA通电使阀7切换向左位时，双泵同时经阀7和单向阀8向主缸的有杆腔（无杆腔经阀7向油箱排油），主缸快速退回。机器等待期间，电磁铁5YA断电时换向阀5恢复至右位，双泵卸荷。3 PLC的选用和设计3
22、.1 可编程控制器金属锯屑挤压机是工业性机电系统，可选用可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为其控制器。PLC是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：“PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数学运算操作的电子装置。它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输出，控制各种类型的机械或生产过程”。本设计中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的点控制器，它源于继电器控制技术，但基于电子计
23、算机。通过运行储存在其中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息。进而在通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，但并不等于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般是不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性、以及信息的实际使用性。特别要考虑怎么适应于工业环境，如何便于安装，便于维修及抗干扰等问题。入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本点。PLC也可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电气控制装置多得多、强得多。PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O
24、接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本功能：1)逻辑处理功能；2)数据运算功能；3)准确定时功能；4)高速计数功能；5)中断处理功能；6)程序控制与储存功能；7)互联通信功能；8)自检测、自诊断功能；可以说凡小型计算机能实现的功能，PLC也都能实现。3.1.1 采用PLC控制的优点1）控制方式上看：电气控制硬件接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能是很困难的；而PLC软件接线，只需要改变控制程序就可以轻易改变逻辑或增加功能。2）工作方式上看：电气控制并行工作，而PLC串行工作，不受约束。3）控制速度上看：电气控制速度慢，触电易抖动；而PLC通过半导体控制，速度
25、很快，无触点，故而无抖动之说。4）定时、计数上看：电气控制精度不高，容易受环境温度变化影响，且无计数功能；PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有计数功能。5）可靠、维护上看：电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤。接线也多，可靠、维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断能力，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。3.1.2 PLC应用的领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、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，使用情况大致可归纳为如下几类。 1）开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实
26、现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2）模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3）运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模
27、块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4）过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制、自动清洗机等场合有非常广泛的应用。 5）数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数
28、据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6）通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.2 PLC的选型在PLC系统设计中，首先应确定控制方案，
29、下一步就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此工程设计选型和估算时，应详细分析过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作。然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需储存容量、确定PLC功能、外部设计特性等。最后选择较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。3.2.1 输入输出I/O点数的估算I/O点数是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。PLC的输入输出点数和类型应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量等输入输出设备情况（包括模拟量、开关量等输入信号和需控制的输出设备数目类型）来确定，一般一个输
30、入/输出元件要占用一个输入/输出点。因此，I/O点数估算是应该考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点，在增加10%-20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。本次设计有10个输入和5个输出。3.2.2 用户存储容量的估算PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于12KB之间。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只要粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下：开关量输入元件：1020B/点；开关量输出元件：510B/点；定时
31、器/计数器：2B/个；模拟器：100150B/点；通讯接口：一个接口一般需要300B以上；根据上面算出的总字节数再考虑增加25%左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。3.2.3 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通讯功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。1) 控制功能。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的只能输入输出单元完成所要求的控制功能，提高PLC的处理速度和节省储存器容量。2) 编程功能。离线编程方式：PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只是为编程
32、器服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器完成到运算模式。CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低成本。但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机的CPU负责现在控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换。编程器在线编程的程序或数据发送到手机，下一扫描周期，主机就根据新接收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便。在大型PLC机中常见到。3) 诊断功能。PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CP
33、U与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响维护时间。4)PLC机型的选择。目前，在国内众多的生产了多种系列功能各异的PLC产品，使用眼花缭乱、无所适从。根据本次设计有10个输入和5个输出，在这里我选择三菱FX2N-32MR。3.3 PLC的控制设计PLC控制系统的设计遵循自动化控制系统设计的一般规律如图4-1所示。图4-1 PLC控制系统设计流程图是否符合投入运行Y软件设计分析工艺过程，明确控制要求选择PLC软件设计总装调试硬件设计确定控制方案硬件设计NN 3.3.1 PLC控制工作原理启动SB1使得5YA得电换向
34、阀5至左位，然后启动SB2使得整个系统自动运行起来。在此工作期间主缸前进轻压一次，主缸保压3秒钟；时间到了再重压一次，主缸后退少许（SQ5），辅缸上升，而后主缸推出压好的锯屑块完成一次循环；最后工作完成后点击SB0停车。3.3.2 PLC硬件的设计选择好PLC的机型后，就可以根据控制系统的要求具体安排输入、输出的配置，并输入、输出进行地址的分配。这项工作会给硬件设计带来方便。硬件设计是指对PLC外围电路的设计，如输入输出电路的设计，电源、负载供电回路的设计等等。3.3.2.1 I/O口的分配根据控制要求进行I/O的分配（见表4-1）。表4-1 I/O分配表输 入功能说明输 出功能说明SB0X0
35、00停车按钮1YAY001主缸前进SB1X001启动电磁阀5YA2YAY002主缸后退SB2X002启动工作按钮3YAY003辅缸提升SB3X003复位按钮4YAY004辅缸下降SQ1X004主缸前进终止限位5YAY005电磁阀5得电，阻止卸荷SQ2X005主缸后退终止限位SQ3X006辅缸提升终止限位SQ4X007辅缸下降终止限位SQ5X010主缸后退少许限位PX011压力继电器启用3.3.2.2 外部电路接线图系统选用三菱公司的可编程控制器FX2N-24MR，输入信号有按钮、行程开关和压力继电器，输出信号电磁铁。根据控制要求及I/O分配表输入输出的分配，其电控系统硬件原理图如图4-2所示。
36、图4-2 电控系统硬件原理图3.3.3 PLC软件设计软件设计的过程是指根据工艺要求使用PLC编程语言进行用户程序设计的过程。这是PLC控制系统设计的主要工作，其质量的好坏直接影响系统的工作的可靠性。3.3.3.1 PLC梯形图的概述 梯形图是使用的最多的的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电气控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别是用于开关量逻辑控制。梯形图被称为电路或程序，梯形图的设计成为编程。PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是他们不是真实的物理继电器，而是一些储存单元，每一
37、继电器与PLC存储器中映象寄存器的一个存储单元相对应。该寄存单元如果为“1”的状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，长闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该寄存单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触电的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”成为编程元件。梯形图两侧的垂直公共线称为母线，在分析梯形图的逻辑关系时，为借用继电气电路图分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。有的母线可以不画出。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求处于图中各线圈对应
38、的编程的状态，成为梯形图的逻辑解算。3.3.3.2 PLC控制梯形图（1）在本设计中该系统采用自动工作方式和梯形图编程，控制面板上有各种相应的工况指示灯和报警指示灯。由其工作原理要求，其自动循环梯形图如图4-3所示。图4-3 自动循环梯形图续图4-3 自动循环梯形图4 金属锯屑挤压机控制系统的仿真4.1 仿真的概况仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿，它是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来
39、研究存在的或设计中的系统，又称模拟。这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。所指的系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。 4.1.1 仿真的分类仿真可以按不同原则分类：按所用模型的类型（物理模型、数学模型、物理数学模型）分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）、半
40、实物仿真；按所用计算机的类型（模拟计算机、数字计算机、混合计算机）分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真；按仿真对象中的信号流（连续的、离散的）分为连续系统仿真和离散系统仿真；按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺）、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺）和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺）；按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。 4.1.2 仿真的工具主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。用于仿真的计算机有三种类型：模拟计算机、数字计算机和混合计算机。数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。模拟计算
41、机主要用于连续系统的仿真，称为模拟仿真。在进行模拟仿真时，依据仿真模型(在这里是排题图)将各运算放大器按要求连接起来，并调整有关的系数器。改变运算放大器的连接形式和各系数的调定值，就可修改模型。仿真结果可连续输出。因此，模拟计算机的人机交互性好，适合于实时仿真。改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差，在仿真中应用受到限制。现代的数字计算机已具有很高的速度，某些专用的数字计算机的速度更高，已能满足大部分系统的实时仿真的要求，由于软件、接口和终端技术的发展，人机交互性也已有很大提高。因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。混合计算机把模拟计算机和数字
42、计算机联合在一起工作，充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。但这种系统造价较高，只宜在一些要求严格的系统仿真中使用。除计算机外，仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器，如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。 仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。 仿真软件的种类很多，在工程领域，用于系统性能评估，如机构动力学分析、控制力学分析、结构分析、热分析、加工仿真等的仿真软件系统MSC Software在航空航天等高科技领域已有45年的应用历史。 4.2 仿真软件介绍FluidSIM软件由德国Festo公司和
43、Paderborn大学联合开发，是专门用于液压与气压传动的软件。FluidSIM软件可设计液压回路相配套的电气控制回路。通过电气控制液压回路，能充分展现各种开关和阀的动作过程。FluidSIM软件将CAD功能和仿真功能紧密联系在一起。在绘图过程中，FluidSIM软件将检查各元件之间连接是否可行，可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，观察到各元件的物理量值，如气缸的运动速度、输出力、节流阀的开度、气路的压力等，这样我们就能够预先了解回路的动态特性，从而正确的估计回路实际运行时的工作状态。FluidSIM软件的主要特征是：1）CAD功能和仿真功能紧密联系在一起。FluidSIM软件符合DIN
44、电气液压（气压）回路图绘制标准，CAD功能是专门针对流体而特殊设计的，例如在绘图过程中，FluidSIM软件将检查各元件之间连接是否可行。最重要的是可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，并有元件的状态图显示，这样就使回路图绘制和相应液压（气压）系统仿真相一致，从而能够在设计完回路后，验证设计的正确性，并演示回路动作过程。 2）系统学习的概念。FluidSIM软件可用来自学、教学和多媒体教学液压（气压）技术知识。液压（气压）元件可以通过文本说明、图形以及介绍其工作原理的动画来描述；各种练习和教学影片讲授了重要回路和液压（气压）元件的使用方法。 3）可设计和液压气动回路相配套的电气控制回路。弥
45、补了以前液压与气动教学中，学生只见液压（气压）回路不见电气回路，从而不明白各种开关和阀动作过程的弊病。电气液压（气压）回路同时设计与仿真，提高学生对电气动、电液压的认识和实际应用能力。 FluidSIM软件用户界面直观，采用类似画图软件似的图形操作界面，拖拉图标进行设计，面向对象设置参数，易于学习，用户可以很快地学会绘制电气液压（气压）回路图，并对其进行仿真。4.3 金属锯屑挤压机控制系统仿真1）FluidSIM-H软件的打开界面，如下图4-1。图4-1 FluidSIM-H软件打开界面图2) 输入设计好的控制系统程序及液压设计图，如下图4-2-1，图4-2-2。图4-2-1 金属锯屑挤压机液
46、压系统原理图图4-2-2 金属锯屑挤压机控制电路图续图4-2-2 金属锯屑挤压机控制电路图3)点击仿真按钮进入仿真环境，系统进入启动状态,如下图4-3。图4-3 启动仿真按钮4)点击SB1，启动电磁阀5YA，两位两通电磁阀得电右移，如下图4-4。图4-4 启动电磁阀5YA5)点击SB2，启动整体循环系统。a. 当1YA得电主缸杆右移当压力达到6MPa时压力继电器P得电，电磁阀失电，主缸进入保压状态，保压3s，如下图4-5-1。图4-5-1 保压状态b. 保压结束后2YA得电主缸杆退到SQ1，如下图4-5-2。图4-5-2 保压结束退回c. 随后1YA得电主缸杆进行重压，如下图4-5-3。图4-5-3 重压状态d. 2YA得电，主缸杆退后少许到达SQ5，辅缸上升到位，如下图4-5-4。图4-5-4 主缸回退少许，辅缸
