蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)研究【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</p><p><b>　　（二零 屆）</b></p><p>　　蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)研究</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p&g

2、t;<p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　研

3、究一種基于PLC控制的新型蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)。旨在改進(jìn)原先一些蠟燭生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低下、成本要求高、勞動(dòng)力需求大和設(shè)備操作不便等技術(shù)問(wèn)題。該新型蠟燭生產(chǎn)線是運(yùn)用PLC來(lái)控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制整個(gè)生產(chǎn)流水線的運(yùn)作。其中一臺(tái)是控制整個(gè)生產(chǎn)線的前后運(yùn)動(dòng)，而另外一臺(tái)則是用來(lái)控制蠟燭液體箱的上下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)PLC所發(fā)出的脈沖頻率與脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到蠟燭生產(chǎn)的要求。并且，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求采用光電傳感器來(lái)控制蠟燭

4、的浸制過(guò)程，達(dá)到使蠟燭鑄成錐形的目的。根據(jù)相關(guān)研究，該新型的蠟燭生產(chǎn)線所需的軟件技術(shù)支持已經(jīng)成熟，可以完成設(shè)計(jì)提出的各項(xiàng)要求。與傳統(tǒng)人工手動(dòng)生產(chǎn)相比，可以減少85%的勞動(dòng)力資源，提高75%的生產(chǎn)效率，同時(shí)采用通過(guò)先用粗蠟油浸制，后用少量精蠟油浸制的方案有效地降低了生產(chǎn)成本。使得蠟燭質(zhì)量上和成本上都有了顯著提高，同時(shí)也提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。</p><p>　　關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器（PLC）；蠟燭；生產(chǎn)線；光

5、電傳感器；脈沖；步進(jìn)電機(jī)</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　Studying a kind of new type of candle based on PLC intelligent control system of automatic production lines. Aims to improve its purpo

6、se original candle production low degree of automation，low productivity，high cost，work force and operate not easy and so on technology problems. This new automatic production line of candles uses the PLC control two step

7、per motors control the entire production line system production. Among them, a stepper motor controls the line before and after walking. Another s</p><p>　　Key Words： programmable logic controller(PLC); cand

8、les；production line；photoelectric sensor；pulse；stepping motor</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　2 新型蠟燭生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.

9、1 研究方案2</p><p>　　2.2 蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝2</p><p>　　2.3 光電傳感器的應(yīng)用.....................................................................................................3</p><p>　　2.3.1遮光式光電傳感器

10、...................................................................................................4</p><p>　　2.4 蠟燭生產(chǎn)線的構(gòu)造5</p><p>　　2.5 主要的控制方案7</p><p>　　2.5.1電機(jī)控制6</p>&

11、lt;p>　　2.5.2電氣控制8</p><p>　　3 電機(jī)控制系統(tǒng)10</p><p>　　3.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)以及分類10</p><p>　　3.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)電路組成………………………………………10</p><p>　　3.3步進(jìn)電機(jī)的控制方法.............................

12、............................................................11 </p><p>　　3.4步進(jìn)電機(jī)的工作方式………………………………………………………….12</p><p>　　3.5步進(jìn)電機(jī)的選擇……………………………………………………………….12</p><p>

13、　　4 PLC控制系統(tǒng)13</p><p>　　4.1三菱FX2N系列PLC13</p><p>　　4.1.1三菱FX2N系列PLC的基本構(gòu)成14</p><p>　　4.1.2 FX2N系列PLC的選擇.............................................................................

14、..14</p><p>　　4.1.3 PLC的安裝與接線......................................................................................14</p><p>　　4.2觸摸屏的使用..........................................................

15、...........................................15</p><p>　　4.2.1觸摸屏的概況...............................................................................................15</p><p>　　4.2.2 F940GOT的功能.....

16、....................................................................................15</p><p>　　4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.....................................................................................................1

17、6</p><p>　　4.4 I/0點(diǎn)數(shù)的分配....................................................................................................16</p><p>　　5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)19</p><p>　　5.1 系統(tǒng)程序流程框圖19</p&

18、gt;<p>　　5.2 PLC程序設(shè)計(jì)21</p><p>　　5.3 觸摸屏程序設(shè)計(jì)20</p><p><b>　　6 結(jié)論24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p>　　附錄1 PLC主程序梯形圖27</p>&l

19、t;p><b>　　1 引言</b></p><p>　　中國(guó)自古以來(lái)就以生產(chǎn)蠟燭而聞名于世，其生產(chǎn)技術(shù)也日益成熟?，F(xiàn)在的中國(guó)已經(jīng)成為世界第一的蠟燭生產(chǎn)國(guó)，長(zhǎng)久以來(lái)因蠟燭的物美價(jià)廉而被世界認(rèn)可。我國(guó)人口眾多，蠟燭的市場(chǎng)更是大的驚人，現(xiàn)在一些工藝蠟燭也很受追捧。然而，聰明的國(guó)人怎么會(huì)滿意只做中國(guó)人自己的生意呢？改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)人把目光投入到國(guó)際市場(chǎng)中去了，憑借優(yōu)質(zhì)的蠟燭產(chǎn)品，我國(guó)的蠟燭

20、迅速在國(guó)際市場(chǎng)占有一定份額。隨著近年來(lái)我國(guó)蠟燭的出口的快速增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)蠟燭在國(guó)際市場(chǎng)的份額也越來(lái)越重。而我國(guó)現(xiàn)在普遍的銷售的蠟燭主要蘆葦芯和竹子芯蠟燭，其生產(chǎn)工藝還是傳統(tǒng)的人工浸制而成，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且生產(chǎn)出來(lái)的蠟燭形狀也存在一些差異，這無(wú)疑加大了勞動(dòng)力的投入。面對(duì)如此困境，開(kāi)發(fā)一種新型的蠟燭生產(chǎn)線變得極為迫切。</p><p>　　當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研制的浸制式蠟燭機(jī)多采用PLC控制，其主要是解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的蠟燭成

21、型機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動(dòng)化程度低、操作不便、制作成本高等一些技術(shù)問(wèn)題。但同時(shí)，此類蠟燭機(jī)也存在著一些缺點(diǎn)，其中一點(diǎn)就是只能使用單一的優(yōu)質(zhì)石蠟用來(lái)制造蠟燭。這無(wú)疑加大了生產(chǎn)成本?；诮档蜕a(chǎn)成本考慮，對(duì)原有的設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新研究，著重開(kāi)發(fā)新型的蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線，使之可以在蠟燭內(nèi)部填充普通石蠟，然后在表層覆蓋各種式樣的高檔次蠟油。這樣便可以有效地降低了生產(chǎn)成本。而且現(xiàn)在PLC技術(shù)也是日益成熟，同時(shí)結(jié)合指導(dǎo)老師的意見(jiàn)，開(kāi)發(fā)新型的蠟燭自動(dòng)生產(chǎn)線是十

22、分可行和必要的，具有很大的意義。</p><p>　　綜上所述，研制固定蠟燭不動(dòng)，依靠PLC控制蠟燭油桶上下運(yùn)動(dòng)浸制蠟燭的裝置和研究新型的蠟燭自動(dòng)生產(chǎn)線控制技術(shù)是十分必要的。</p><p>　　2 蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)</p><p>　　研究蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線控制技術(shù)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝，主要通過(guò)由PLC控制整個(gè)生產(chǎn)流水線的運(yùn)作。其中包括控制電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)(油箱上下動(dòng)

23、作、前后動(dòng)作)、電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)填充蠟油系統(tǒng)和自動(dòng)更換位置等組成部分。根據(jù)各個(gè)組成部分的特點(diǎn)，選擇高品質(zhì)的電氣控制元件，用PLC和先進(jìn)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)來(lái)設(shè)計(jì)新型先進(jìn)的蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線。結(jié)合在大學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)和查閱相關(guān)資料，進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)此新產(chǎn)品。運(yùn)用電機(jī)拖動(dòng)、PLC控制原理等知識(shí)，研究新型蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理與性能，運(yùn)用編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部功能。</p><p><b>　　2.1

24、 研究方案</b></p><p>　　通過(guò)學(xué)過(guò)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷對(duì)蠟燭自動(dòng)生產(chǎn)線硬件組成部分和PLC控制應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的研究，在研究的過(guò)程中鞏固和系統(tǒng)整理自己學(xué)習(xí)的知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新研究。先搜集有關(guān)該課題的各方面調(diào)查研究資料，同時(shí)，加以認(rèn)真閱讀整理分析，再在理解認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上和指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，確定用PLC軟件編程控制方法，最后，論證和完善設(shè)計(jì)方案。</p><p>

25、　　研究的具體步驟如下：</p><p>　?。?）經(jīng)過(guò)調(diào)查了解現(xiàn)有蠟燭生產(chǎn)線有關(guān)性能要求和使用環(huán)境，收集和整理相關(guān)設(shè)備資料；得出現(xiàn)有產(chǎn)品的缺陷，提出改進(jìn)方案；</p><p>　?。?）對(duì)新的方案進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，編寫PLC梯形圖，并仿真；</p><p>　?。?）對(duì)創(chuàng)新的方案進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn):尋找一個(gè)可供研究的蠟燭生產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)行創(chuàng)新地研制成新型蠟燭自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)備，以達(dá)

26、到預(yù)期目標(biāo)。</p><p>　　2.2 蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝</p><p>　　蠟燭自動(dòng)生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝要滿足兩個(gè)動(dòng)作：其中一個(gè)動(dòng)作是左右兩個(gè)蠟油箱在平衡位置做水平的行走運(yùn)動(dòng)，為對(duì)每個(gè)棉芯板上的棉芯進(jìn)行蠟燭依次浸制進(jìn)行上下行走的準(zhǔn)備；另一個(gè)動(dòng)作是左右兩個(gè)蠟油箱做反方向的上下行走運(yùn)動(dòng)，用以浸制蠟油。</p><p>　　具體的生產(chǎn)工藝按左右各五個(gè)棉芯板為例（因?yàn)樽?/p>

27、右蠟油桶在上下運(yùn)動(dòng)是實(shí)時(shí)反方向的，所以，以下涉及到蠟油桶上下行走的工藝步驟都是以右邊的蠟油桶為準(zhǔn)）。</p><p><b>　　1．粗料浸制</b></p><p>　　裝蠟燭芯子：開(kāi)始（左右蠟燭液體箱水平中間位置，并處于初始端），右桶向上全程浸制燭芯，桶退下至底點(diǎn)位置（此時(shí)左邊桶剛好全程浸制燭芯），桶向上至水平中間位置；左右蠟燭液體箱開(kāi)始前進(jìn)至第二個(gè)棉芯板位置。接

28、著，重復(fù)蠟燭液體箱的上下全程浸制燭芯的動(dòng)作；然后，蠟燭液體箱依次前進(jìn)至第三個(gè)、第四個(gè)、第五個(gè)。完成后退回至初始端的水平中間位置，等待一定時(shí)間進(jìn)行下一輪的蠟燭浸制。為了使蠟燭形成錐體形狀，第二輪浸制步驟只是1/3程浸制；完成后退回至初始端的水平中間位置。等待一定時(shí)間進(jìn)行第三輪浸制步驟是2/3浸制，完成后退回至初始端的水平中間位置。然后，對(duì)以上三輪周而復(fù)始地進(jìn)行重復(fù)浸制6次（夏天浸制8次，冬天6次）。6個(gè)重復(fù)完成后，再對(duì)每個(gè)棉芯周而復(fù)始地進(jìn)

29、行26次全程浸制（夏天浸制28次，冬天26次）。</p><p><b>　　2．精料浸制</b></p><p>　　換成裝有精料的蠟燭液體箱，利用水平定位、上下行走對(duì)每個(gè)棉芯板進(jìn)行全浸制一次。</p><p><b>　　3．紅料浸制與燙頭</b></p><p>　　換成裝有紅料的蠟燭液體箱，

30、利用水平中間定位、上下行走對(duì)每個(gè)棉芯板進(jìn)行全浸制一次。</p><p>　　繼續(xù)用紅料的蠟燭液體箱，利用水平中間定位、上下行走對(duì)每個(gè)棉芯板進(jìn)行精確距離燙頭浸制（一分鐘以上）一次，整個(gè)流水線生產(chǎn)蠟燭完成。</p><p>　　蠟燭浸制時(shí)因夏天的溫度高，粘度小，一般總共浸制38～40次；冬天溫度低，粘度大，一般總共浸制32次左右。</p><p>　　2.3 光電傳感器

31、的應(yīng)用</p><p>　　光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。</p><p>　　2.3.1遮光式光電傳感器</p><p>　　在本次研究中用到的是遮光式光電傳感器，這種傳感器需要兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)殼，一個(gè)機(jī)殼安裝發(fā)光器，

32、另一個(gè)安裝接收器。發(fā)光器發(fā)射出來(lái)的光線對(duì)準(zhǔn)接收器，當(dāng)有目標(biāo)物體把光線擋住時(shí)，接受器的輸出便發(fā)生變化。如圖2-1所示的是遮光式光電傳感器簡(jiǎn)易模型圖。</p><p>　　圖2-1 遮光式光電傳感器簡(jiǎn)易模型圖</p><p>　　蠟燭浸制過(guò)程是棉芯板固定不動(dòng)，油箱在電機(jī)的控制下做上下、前后動(dòng)作，因此將三組傳感器（一組分別配有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)接收器）安置在如圖2-3 A,B,C處。接收器輸出

33、口與PLC連接，由PLC進(jìn)行控制。以一邊為例，第一輪浸制當(dāng)油箱位置到達(dá)棉芯1/3處時(shí)，自動(dòng)停止，完成后退回至初始端的水平中間位置。第二輪浸制到達(dá)棉芯2/3處，自動(dòng)停止，完成后退回至初始端的水平中間位置。當(dāng)接觸到頂端處自動(dòng)停止。</p><p>　　傳感器的型號(hào)選擇：我們選擇的是光電傳感器FN-F-PK-T,其主要技術(shù)參數(shù)如下表2.1所示</p><p>　　表2.1 光電傳感器FN-F-

34、PK-T技術(shù)參數(shù)表</p><p>　　如下圖2-2所示的是FN-F-PK-T型傳感器的產(chǎn)品尺寸圖和電氣連接圖</p><p>　　對(duì)于PNP-NO型，在沒(méi)有信號(hào)觸發(fā)時(shí)，輸出線是懸空的，就是0v線和out線斷開(kāi)。有信號(hào)觸發(fā)時(shí)，發(fā)出與OV相同的電壓，也就是out線和0V線連接，輸出輸出低電平OV。 </p><p>　　圖2-2 FN-F-PK-T型傳感器的產(chǎn)品

35、尺寸圖和電氣連接圖</p><p>　　由于從傳感器上輸出的是模擬信號(hào)而在PLC中處理的是數(shù)字信號(hào)，所以要加入一個(gè)ADC（模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)），ADC一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化和編碼四個(gè)過(guò)程。接下來(lái)介紹一種ADC—逐次逼近ADC。</p><p>　　逐次逼近ADC主要由控制邏輯、比較器、DAC和寄存器組成，它是利用逐次逼近寄存器（SAR）和控制電路來(lái)產(chǎn)生所需的特定序列的二進(jìn)制碼，構(gòu)成

36、相應(yīng)的輸出數(shù)字。如圖2.3所示逐次逼近ADC的結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　圖2.3 逐次逼近ADC的結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　2.4 蠟燭生產(chǎn)線的構(gòu)造</p><p>　　如圖2.4所示為生產(chǎn)線的截面結(jié)構(gòu)圖，左右兩個(gè)蠟燭液體箱，在兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)下可以進(jìn)行上下，前后的行走，并且定位精準(zhǔn)。 </p><p>　　圖2-4 生產(chǎn)線

37、機(jī)械結(jié)構(gòu)截面圖</p><p>　　如圖2.5所示為生產(chǎn)線的俯視結(jié)構(gòu)圖。設(shè)備的左右兩端可以掛上對(duì)稱的棉芯板，棉芯板是固定的，通過(guò)蠟燭液體箱的水平中間行走定位，以及定位后的上下行走，可以完成整個(gè)流水線的生產(chǎn)。因?yàn)橄灎T的浸制是需要冷卻時(shí)間的，而采用這種流水線的浸制方法可以利用6～8分鐘冷卻時(shí)間的間隔，可正好做一個(gè)輪回的浸制步驟，可以大大的提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　圖2.5 生產(chǎn)線機(jī)

38、械結(jié)構(gòu)俯視圖</p><p>　　2.5 主要的控制方案</p><p><b>　　2.5.1電機(jī)控制</b></p><p>　　主要由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制滑輪兩邊裝有蠟燭油的兩個(gè)油箱的上下和前后行走。其中馬達(dá)一個(gè)控制蠟燭液體箱的上下行走，主要分3個(gè)步驟：第一步是粗油浸制，先在兩個(gè)油箱中裝入粗油，油箱運(yùn)動(dòng)從水平中間初始點(diǎn)開(kāi)始。按下“開(kāi)始”按鈕，

39、馬達(dá)開(kāi)始正轉(zhuǎn)，油箱開(kāi)始做一個(gè)向上、一個(gè)向下運(yùn)動(dòng)，并按照給定的工藝步驟做周期性的往返運(yùn)動(dòng)，粗料浸制26～28周期結(jié)束后，步進(jìn)電機(jī)暫停工作。此時(shí)，兩個(gè)蠟燭液體箱都回到初始位置。第二步，進(jìn)行精油浸制。等換上精料蠟燭液體箱后，電機(jī)控制油箱進(jìn)行第二往返動(dòng)作，第二輪結(jié)束之后，步進(jìn)電機(jī)暫停工作，蠟燭液體箱依舊回到初始位置。第三步是用紅色蠟燭油浸制，待換上紅色蠟油桶后，做最后一輪的浸制，最后，燙頭并結(jié)束。必須注意的是蠟燭油箱的每次動(dòng)作都要從水平平衡位置

40、開(kāi)始進(jìn)行。而另外一個(gè)電機(jī)則主要控制蠟燭液體箱在水平中間位置的水平行走，而且嚴(yán)格按照蠟燭的制造工藝，完成蠟燭制造的全過(guò)程。</p><p>　　2.5.2 電氣控制</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步?？梢酝ㄟ^(guò)控制輸入的脈沖數(shù)就可以控制步進(jìn)電機(jī)的位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的

41、目的;同時(shí)可以通過(guò)控制發(fā)送脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到有效控制的目的。</p><p>　　而單片機(jī)和PLC都能做到這點(diǎn)，相比之下從可靠性、易操作性、對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性、生產(chǎn)效率等方面來(lái)考慮的話，PLC更具有優(yōu)勢(shì)，最終采用PLC作為主要的電氣控制。通過(guò)PLC的編程來(lái)達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)目的，整個(gè)生產(chǎn)線的流程是是PLC步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)油箱運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)

42、的驅(qū)動(dòng)電路分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種，且根據(jù)不同的工作場(chǎng)合，選著合理的驅(qū)動(dòng)方式。</p><p>　　蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制圖和PLC接線圖如下：</p><p>　　單極性驅(qū)動(dòng)電路使用四顆晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩組相位，電機(jī)結(jié)構(gòu)則如圖2.6所示包含兩組帶有中間抽頭的線圈，整個(gè)電機(jī)共有六條線與外界連接。</p><p>　　圖2.6 單極性步進(jìn)電機(jī)

43、驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路則如圖2.7所示，它會(huì)使用八顆晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)兩組相位。雙極性驅(qū)動(dòng)電路可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四線式或六線式步進(jìn)電機(jī)，雖然四線式電機(jī)只能使用雙極性驅(qū)動(dòng)電路，它卻能大幅降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)動(dòng)電路的兩倍，其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅(qū)動(dòng)，上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　圖

44、2.7 雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　圖2-8 蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線的PLC電氣接線圖</p><p><b>　　3 電機(jī)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　3.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)以及分類</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)需要配上專用的驅(qū)動(dòng)電源才能工作，步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。</p&

45、gt;<p>　　1.一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3～5%且不積累。</p><p>　　2.系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，步進(jìn)電機(jī)的控制原理圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖</p><p>　　3．步進(jìn)電機(jī)的力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，

46、電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。</p><p>　　4. 具有自鎖能力，通電后，步進(jìn)電機(jī)即使停止亦具備保持力矩(自鎖力)，因此無(wú)需剎車系統(tǒng)即能保持停止位置。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。</p>

47、<p>　　3.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式及驅(qū)動(dòng)電路組成</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式分單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種。根據(jù)不同的工作場(chǎng)合，選著合理的方案。</p><p>　　單極性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)器在控制器指令的作用下，電機(jī)組僅通以單相工作電流，如圖3.2所示為單極性驅(qū)動(dòng)電路圖。</p><p>　　圖3.2 單極性驅(qū)動(dòng)電路圖</p>

48、<p>　　雙極性驅(qū)動(dòng)是驅(qū)動(dòng)器在控制器指令的作用下，驅(qū)動(dòng)器可向電機(jī)的繞組提供雙向的工作電流，如圖3.3所示為雙極性驅(qū)動(dòng)電路圖。</p><p>　　圖3.3 雙極性驅(qū)動(dòng)電路圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成一般由脈沖分配器、脈沖放大器、變頻信號(hào)源等各部分組成，如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成</p&

49、gt;<p>　　變頻信號(hào)源是一個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生器，脈沖的頻率可以由幾赫茲到幾十千赫茲連續(xù)變化。實(shí)現(xiàn)這一功能最常見(jiàn)的電子線路有多諧振蕩器和張弛振蕩器。</p><p>　　脈沖分配器是一個(gè)數(shù)字邏輯單元，它接收一個(gè)單相脈沖信號(hào)，根據(jù)運(yùn)行指令把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系分配到每一相脈沖放大器上，使步進(jìn)電機(jī)以按選定的運(yùn)行方式工作。它可以由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和門電路組成，也可用可編程邏輯器件組成。</p>

50、<p>　　脈沖信號(hào)放大器的作用是對(duì)脈沖功率的放大。因?yàn)閺拿}沖分配器輸出的電流很小，而步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)需要的電流較大（幾安到幾十安）。因此需要進(jìn)行功率放大。功率發(fā)電路的種類很多，對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響也各不相同。脈沖放大器是每相繞組一套。</p><p>　　3.3 步進(jìn)電機(jī)的控制方法</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的控制分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由控制器、脈沖分配器、

51、驅(qū)動(dòng)電路及其步進(jìn)電機(jī)四部分構(gòu)成。如圖3.5所示</p><p>　　圖3.5 開(kāi)環(huán)控制原理圖</p><p>　　與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比閉環(huán)控制多了一個(gè)由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)。如圖3.6所示</p><p>　　圖3.6 閉環(huán)控制原理圖</p><p>　　閉環(huán)控制原理圖中位置傳感器測(cè)出的負(fù)載實(shí)際位置與位置指令值相比較，用比較信號(hào)進(jìn)行控制

52、。這樣不僅可以防止失步，還能夠消除位置誤差，提高系統(tǒng)的精度。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)比較，因?yàn)殚_(kāi)環(huán)系統(tǒng)不需要反饋元件，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，可靠并精確，便于掌握。所以，本系統(tǒng)使用開(kāi)環(huán)控制。</p><p>　　3.4步進(jìn)電機(jī)的工作方式</p><p>　　以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，根據(jù)電機(jī)的通電狀態(tài)可以分為以下三種工作方式。</p><p>　　1.三相單三拍工作方式：三

53、相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)各相分別為A、B、C相。如果換相方式為A→B→C→A,則電流切換三次，即換相三次時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距。對(duì)某相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒就會(huì)與該相定子齒對(duì)齊。這種通電方式稱單三拍方式。所謂“單”是指每次對(duì)單相通電，所謂“三拍”，是指換相三次磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子移動(dòng)一個(gè)齒距。</p><p>　　2. 三相雙三拍工作方式：如果繞組按AB→BC→CA→AB順序通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果繞

54、組按AB→AC→CB→AB順序通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。也是三拍一循環(huán)。</p><p>　　3. 三相六拍工作方式：將上述兩種工作方式結(jié)合起來(lái)，就產(chǎn)生了六拍工作方式。通電的相數(shù)為A→AB→B→BC→C→CA→A。在六拍工作方式中，控制電流切換六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子移動(dòng)一個(gè)齒距。</p><p>　　3.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇</p><p>　　在選擇電機(jī)是我們

55、需要考慮到以下因素：電機(jī)的行走定位要非常精確; 電機(jī)扭力不能偏小; 要控制好其速度和加速減速的平緩; 降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　綜合考慮以上因素, 我們選擇了130BYG3503型步進(jìn)電機(jī)。如圖3.7所示是130BYG3503型步進(jìn)電機(jī)的外型尺寸。如表3.1所示是130BYG3503型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖3.7 130BYG3503型步進(jìn)電

56、機(jī)外型尺寸</p><p>　　表3.1 130BYG3503型步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)</p><p>　　4 PLC控制系統(tǒng)</p><p>　　一般的蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線采用變頻器控制電機(jī)的結(jié)構(gòu)。采用PLC控制的蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線可由、環(huán)行脈沖分配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)等部分組成。下面著重介紹可編程控制器。</p><p>　　可編程控制

57、機(jī)（簡(jiǎn)稱PLC）以其可靠性高、編程簡(jiǎn)單、易操作性、維修方便、擴(kuò)展和操作的靈活性、機(jī)電—一體化等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境中被廣泛應(yīng)用。因此，PLC在蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用更能顯示其優(yōu)異的性能。PLC的軟件編程則采用常見(jiàn)的編程語(yǔ)言—梯形圖。</p><p>　　4.1三菱FX2N系列PLC </p><p>　　目前，中小型PLC成功地取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，PLC的種類繁多，發(fā)展迅

58、速。該次設(shè)計(jì)額蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)線也將采用三菱FX2N系列PLC。</p><p>　　4.1.1 三菱FX2N系列PLC的基本構(gòu)成</p><p>　　三菱FX2N系列PLC采用一體化箱體結(jié)構(gòu)，其基本單元是將CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口及電源等裝在一個(gè)模塊內(nèi)，是一個(gè)完整的控制裝置。結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，成本低，安裝方便。三菱FX2N系列PLC基本單元的輸入輸出比為1：1。</p>

59、<p>　　為了實(shí)現(xiàn)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的靈活配置及功能的靈活擴(kuò)展，三菱FX2N系列PLC還配有擴(kuò)展單元，擴(kuò)展模塊及特殊功能單元。</p><p>　　擴(kuò)展單元用于增加I/O點(diǎn)數(shù)的裝置，內(nèi)部設(shè)有電源。</p><p>　　擴(kuò)展模塊用于增加I/O點(diǎn)數(shù)及改變I/O比例，內(nèi)部無(wú)電源，用電由基本單元或擴(kuò)展單元供給。因擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊無(wú)CPU，必須與基本單元一起使用。</p>&

60、lt;p>　　特殊功能單元是一些專門用途的裝置。如模擬量I/O單元、高速計(jì)數(shù)單元、位置控制單元、通信單元等；這些單元大多數(shù)通過(guò)基本單元的擴(kuò)展口連接基本單元，也可以編程借口接入或通過(guò)主機(jī)上并接的適配器接入，不影響原系統(tǒng)的擴(kuò)展。</p><p>　　4.1.2 PLC的選擇</p><p>　　FX2N-64MT-001型PLC具有優(yōu)越的性能表現(xiàn)為極高的可靠性極豐富的指令集，易于掌握，便

61、捷的操作，豐富的內(nèi)置集成功能，實(shí)時(shí)特性，強(qiáng)勁的通訊能力，豐富的擴(kuò)展模塊。其中輸入輸出總點(diǎn)數(shù)為64，輸入輸出點(diǎn)數(shù)比為1：1，M為基本單元，T為晶體管輸出（無(wú)干接點(diǎn)，直流負(fù)載用）。因其體積小巧、高速、高性能而被我們采用。</p><p>　　4.1.3 PLC的安裝與接線</p><p>　　PLC是專為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制裝置，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，PLC的安裝環(huán)境一般在0-55度，相對(duì)濕

62、度小于85%，無(wú)粉塵、油煙，無(wú)腐蝕性及可燃性氣體的場(chǎng)合中。</p><p>　　PLC的安裝固定常有兩種方式，一是直接利用機(jī)箱上的安裝孔，用螺釘將機(jī)箱固定在控制柜的背板或面板上；二是利用DIN導(dǎo)板安裝，這需先將DIN導(dǎo)板固定好，再將PLC及各種擴(kuò)展單元卡上DIN導(dǎo)板。安裝時(shí)還要注意在PLC周圍留足散熱及接線的空間。</p><p><b>　　4.2觸摸屏的使用</b>

63、;</p><p>　　4.2.1觸摸屏的概況</p><p>　　人機(jī)界面（或稱人機(jī)交互）是系統(tǒng)與用戶之間進(jìn)行信息交互的媒介，包括硬件界面和軟件界面，隨著信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，人機(jī)界面在工業(yè)控制中已得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　在工業(yè)控制中，三菱常用的人機(jī)界面有觸摸屏、顯示模塊和小型顯示器（FX—10DU—E）。三菱觸摸屏有A900系列和F900

64、系列，F(xiàn)940GOT觸摸屏就是目前應(yīng)用最廣泛的一種。</p><p>　　4.2.2 F940GOT的功能</p><p>　　三菱F940GOT的顯示畫面為5.7寸（外形尺寸162mm130mm57mm），分辨率為320240，規(guī)格具有F940GOT—SWD—C（彩色）及F940GOT—LWD—C（黑白）兩種型號(hào)。F940GOT具有下列基本功能：</p><p>

65、　　1. 畫面顯示功能。F940GOT可存儲(chǔ)并顯示用戶制作畫面最多500個(gè)（畫面序號(hào)0～499），及30個(gè)系統(tǒng)畫面（畫面序號(hào)1001～1030）。其中系統(tǒng)畫面是機(jī)器自動(dòng)生產(chǎn)的系統(tǒng)檢測(cè)及報(bào)警類監(jiān)控畫面，用戶畫面可以重合顯示并可以自由切換。畫面上可顯示文字、圖形、圖標(biāo)，可以設(shè)定數(shù)據(jù)，還可以設(shè)定顯示日期、時(shí)間等。</p><p>　　2．畫面操作功能。GOT可以作為操作單元使用，可以通過(guò)GOT上設(shè)繪的操作鍵來(lái)切換PLC

66、的位元件，可以通過(guò)設(shè)繪的鍵盤輸入更改PLC數(shù)字元件的數(shù)據(jù)。在GOT處于HPP狀態(tài)時(shí)，還可以使用GOT作為編程器顯示及修改PLC機(jī)內(nèi)的程序。</p><p>　　3．監(jiān)視功能?？梢酝ㄟ^(guò)畫面監(jiān)視PLC內(nèi)位元件的狀態(tài)及數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)的數(shù)值，并可對(duì)位元件執(zhí)行強(qiáng)制ON/OFF狀態(tài)。</p><p>　　4．?dāng)?shù)據(jù)采樣功能?？梢栽O(shè)定采樣周期，記錄指定的數(shù)據(jù)寄存器的當(dāng)前值，并以清單或圖表的形式顯示或打印這

67、些數(shù)值。</p><p>　　5．報(bào)警功能?？梢允棺疃?56點(diǎn)PLC的連續(xù)位元件與報(bào)警信息相對(duì)應(yīng)，在這些元件置位時(shí)顯示一定的畫面，給出報(bào)警信息，并可以記錄最多1000個(gè)報(bào)警信息。</p><p>　　4.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　蠟燭自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊、PLC和觸摸屏等組成。如圖4.3所示。</p><p>　

68、　圖4.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　4.4 I/0點(diǎn)數(shù)的分配</p><p>　　I/O接口分配如表4.4所示</p><p>　　表4.4 PLC I/O接口分配表</p><p>　　5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 程序流程框圖</p><p>　　圖5.

69、1 程序流程圖</p><p>　　在確定生產(chǎn)工藝要求后，分析各輸入、輸出與各種操作之間的邏輯關(guān)系，確定需要檢測(cè)的量和控制方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)中各設(shè)備的操作內(nèi)容和操作順序，設(shè)計(jì)出如圖5.1所示控制程序流程圖。此流程圖中以滑輪兩邊各5個(gè)棉芯板為例，實(shí)際生產(chǎn)中棉芯板的數(shù)量要超出很多。</p><p>　　5.2 PLC程序設(shè)計(jì)</p><p>　　1．實(shí)現(xiàn)左邊蠟燭油

70、箱的上1/3浸制，梯形圖如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.2 上1/3浸制梯形圖</p><p>　　2．實(shí)現(xiàn)左邊蠟燭油箱的下2/3浸制，梯形圖如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3 下2/3浸制梯形圖</p><p>　　3．實(shí)現(xiàn)左邊蠟燭油箱的上2/3浸制，梯形圖如圖5.4所示。</p><p>

71、;　　圖5.4 上2/3浸制梯形圖</p><p>　　系統(tǒng)整體程序圖見(jiàn)附錄1。</p><p>　　5.3 觸摸屏程序設(shè)計(jì)</p><p>　　觸摸屏應(yīng)分為手動(dòng)操作畫面和自動(dòng)運(yùn)行畫面，如圖5.5所示。</p><p>　　圖5.5 觸摸屏首頁(yè)面</p><p>　　手動(dòng)操作面板上單獨(dú)設(shè)有三個(gè)浸制流程。手動(dòng)和自動(dòng)操

72、作面板上還都安裝有“急?！焙汀皬?fù)位”按鍵，“急停”按鍵式在意外的情況下，關(guān)閉設(shè)備，“復(fù)位”是因?yàn)樘厥馇闆r下出現(xiàn)了非正常的停機(jī)后，再次啟動(dòng)時(shí)要求焊接機(jī)處于初始狀態(tài)而設(shè)置。而面板上的脈沖頻率設(shè)置和脈沖個(gè)數(shù)設(shè)置是調(diào)節(jié)蠟燭浸制的次數(shù)等。如圖5.6所示。</p><p>　　圖5.6 觸摸屏手動(dòng)、自動(dòng)操作畫面</p><p>　　試驗(yàn)結(jié)果：上述觸摸屏的方案的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)這一蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)

73、線進(jìn)行有效控制，并且觸摸屏設(shè)計(jì)界面也很清楚，很容易看懂，方便于人們操作。</p><p><b>　　6 結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)方案按照任務(wù)書(shū)的要求研制新型蠟燭自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由行走機(jī)構(gòu)、上下充蠟油機(jī)構(gòu)組成，PLC控制和觸摸屏的使用在本系統(tǒng)中得到充分應(yīng)用，也很注重控制系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)。編制的該蠟燭自動(dòng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了PLC控制系統(tǒng)對(duì)多

74、個(gè)棉芯板自動(dòng)浸制蠟燭工藝的流程軟件控制系統(tǒng)，并基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，能按預(yù)期效果進(jìn)行自動(dòng)浸制，自動(dòng)完成整個(gè)流水線上的浸制流程。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，蠟燭自動(dòng)生產(chǎn)線工作可靠、精度高、性能穩(wěn)定，同時(shí)生產(chǎn)出來(lái)的蠟燭表面非常平滑、質(zhì)量好。與手工生產(chǎn)比較，可以節(jié)省人力物力85%以上，具有可靠性好、易操作等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的控制系統(tǒng)，由于PLC控制系統(tǒng)成本低，更適合中小型企業(yè)的小批量生產(chǎn)應(yīng)用。還可以應(yīng)用于同類的控制系統(tǒng)中，相對(duì)于繼電器控制系

75、統(tǒng)來(lái)說(shuō)壽命長(zhǎng)、重復(fù)利用性高、便于查錯(cuò)與修改，源程序還便于移植，也有利于提高二次開(kāi)發(fā)的效率，市場(chǎng)前景非常廣闊。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 謝克明，夏路易.可編程控制器原理與程序設(shè)計(jì)[M] .北京：電子工業(yè)出版社，2005.1-20.</p><p>　　[2] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[

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