机械设计 毕业设计论文.docx

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机械设计毕业设计论文

本科毕业设计论文

消防安全绳抗切割性能试验台

控制系统设计

姓名：

XX

学院：

机械工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

指导老师：

XXXXX

完成日期：

201X/6/4

XXXX大学

全日制本科生毕业设计（论文）承诺书

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文）消防安全绳抗切割性能试验台控制系统设计是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。

文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。

论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。

如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。

承诺人（签名）：

日期：

消防安全绳抗切割性能试验台控制系统设计

摘要

与消防工作最为直接的人是消防员，与消防员最为直接的是消防绳，与消防绳最为直接的是消防员的生命安全。

为了确保消防员的生命安全，我们就要确保安全绳的质量。

为此，我们专门设计了一台针对消防绳质量的测试仪器，用来测试消防绳的抗切割性能。

本试验台采用旋转的圆刃刀片来切割张紧力作用下的消防安全绳，通过记录消防安全绳断裂时圆刃刀片旋转的圈数或切割消防安全绳指定圈数后进行抗拉强度试验，以此作为消防安全绳的抗切割性能值。

预紧力的施加主要通过升降机构来调节圆刃刀片的高度，使消防安全绳在垂直方向上由圆刃刀片施加预压力。

步进电机通过人机界面结合西门子S7-200PLC控制。

此处人机界面HMI（HumanMachineInterface）由LabVIEW8.6编写，作为上位机使用，通过DataSocket技术访问OPCserver，实现与下位机西门子S7-200PLC的通信控制。

径向载荷的大小由人工在人机界面上输入，结合安装在调节装置上的三个力传感器，然后通过内部PID控制步进电机行程，实现消防安全绳径向载荷的恒定加载控制。

试验结果表明，此控制程序可以有效控制试验台实现对消防绳的抗切割性能测试。

关键词：

消防安全绳步进电机PIDOPC

Controlsystemoffiresafetyropeanti-cuttingperformancetestdevice

ABSTRACT

Themostdirecttothefireworkarefiremen,themostdirecttofiremenarefirerope,themostdirecttothefireropearethelivesofthefirefighters.Inordertoensurethesafetyoffirefighters,wemustensurethequalityofthefirerope.Withthispurpose,wedesignedatestingequipmenttotesttheanti-cuttingperformanceofthefirerope.

Thetestdeviceuserotatingbladetocutthefiresafetyropeunderthetension.Thenrecordthenumberofrotationswhenthefireropebreak,orcutthefiresafetyropeforspecifiednumberoflapsandthendotensilestrengthtest.usingthisasanti-cuttingperformancevalue.

Radialloadismainlyachievedbythetoolunitupanddownbysteppingmotor.SteppermotoriscontrolledbytheSiemensS7-200PLCwhichiscontrolledbyHMI.TheHMI（HumanMachineInterface）ispreparedbytheLabVIEW8.6,asthehostcomputer,usingdatasocketaccessthroughOPCserver,realizingtheconmunicationcontrolwiththeclientcomputerSiemensS7-200PLC.Thesizeoftheradialloadisinputbyhandonhumanmachineinterfaceandcombinationofthethreeforcesensorsinstalledintheregulationdevice,thenthroughtheinternalPIDalgorithmtocontrolthesteppingmotortoachieveconstantloadingcontrolofradialload.

Theresultsofthetestshowthatthecontrolprogramcaneffectivelycontrolthedevicetoachievetheanti-cuttingtestsofthefirerope.

KEYWORDS:

firesafetyropesteppingmotorPIDOPC

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论------------------------------------------------------------1

1.1课题的研究意义及设计目的-------------------------------------1

1.2国内外研究现状及趋势-----------------------------------------1

第二章试验台总体方案----------------------------------------------------2

2.1试验台的任务-------------------------------------------------2

2.2试验台的原理-------------------------------------------------2

2.3试验台基本功能及要求-----------------------------------------2

2.4试验台整体结构-----------------------------------------------2

2.5控制系统总体方案---------------------------------------------4

第三章控制系统的硬件设计-----------------------------------------------5

3.1电机的选择---------------------------------------------------5

3.2传感器的选择-------------------------------------------------7

3.3PLC的选择----------------------------------------------------7

3.3.1s7-200PLC---------------------------------------------8

3.4s7-200PLCI/O口分配-----------------------------------------9

第四章控制系统的软件设计-----------------------------------------------11

4.1LabVIEW人机界面设计-----------------------------------------11

4.1.1人机界面（HMI）基本概念--------------------------------11

4.1.2LabVIEW控制程序人机界面-------------------------------12

4.2基于OPC的LabVIEW与s7-200PLC的通信------------------------16

4.2.1LabVIEWVISA串口通信----------------------------------16

4.2.2OPC通信-----------------------------------------------18

4.2.3PCaccess建立OPC服务器-------------------------------18

4.2.4LabVIEW访问OPC服务器--------------------------------20

4.3力传感器与s7-200PLCEM235模块------------------------------22

4.4s7-200PLC控制步进电机程序----------------------------------24

4.4.1闭环控制系统与PID调节--------------------------------24

4.4.2建立PID控制算法--------------------------------------27

4.4.3调试PID控制程序--------------------------------------32

总结---------------------------------------------------------------------33

参考文献-----------------------------------------------------------------34

致谢---------------------------------------------------------------------35

第一章绪论

1.1课题的研究意义及设计目的

随着人类社会的快速发展，科学技术的日新月异，人类的追求就会越来越多。

然而在人类追求自己的幸福生活的同时，往往会因为疏忽或其它各种原因造成一些事故后果。

比如火灾就是我们比较常见的事故。

消防工作是国民经济和社会发展的重要组成部分，是发展社会主义市场经济不可缺少的保障条件。

消防工作是一项社会性很强的工作，它涉及到社会的各个领域，与各个行业和人们的生活都有着十分密切的关系。

消防工作关系到国家和人民生命财产的安全，关系到社会稳定和建设和谐社会，同教育，医疗，住房等日益成为百姓最关心最现实的问题。

消除火灾隐患，降低火灾次数，确保百姓平安成为解决民生的一个重要方面。

与消防工作最为直接的人是消防员，与消防员最为直接的是消防绳，与消防绳最为直接的是消防员的生命安全。

为了确保消防员的生命安全，我们就要确保安全绳的质量。

消防绳的质量主要表现在抗切割，抗磨，抗拉，耐火等性能。

为了研究测试消防安全绳的抗切割性能，为此，我们专门设计了一台针对消防安全绳的测试仪器，用来测试消防绳的抗切割性能。

1.2国内外研究现状及趋势

通过查阅相关书籍，文献资料和网络媒体，我们发现市面上供应的消防安全绳的种类型号非常多。

但对安全绳质量检验这一方面还是比较落后的。

目前检验消防安全绳的一般方法是外观检查和强度试验。

外观检查主要检查消防绳的外表是否完整，衬塑是否基本完好，有无断丝，断股，严重扭折等硬伤。

强度试验主要通过冲击试验和拉伸试验检验安全绳的拉伸强度，断裂强度，最大伸长率，定负荷伸长率等。

安全绳检验可以参考安全带的检验，所以可以从安全带角度看看国内外的情况。

自从解放以来，党和国家对工人实行劳动保护政策，1965年国家颁布《安全带》、《安全带检验方法》，各企业遵照执行，使安全带，安全绳质量提高，保证了工人安全生产。

消防员救援工作得到了提高，消防员和被救者的生命得到了保障。

国外使用安全带形式是多样化的，有单腰带；双背带加腿带；围杆带式，坐板式等。

国际标准化组织曾在英国召开会议，对《个人防坠落用品》草案征求意见，讨论安全带结构形式和有关部件的负荷指标。

对绳索材料，带子材料多数国家坚持使用合成纤维。

综上所述目前国内外对于安全绳的检验方面还是局限在冲击试验和拉伸试验，而对于安全绳的抗切割和抗磨性能没有具体的仪器检测和国家标准。

这在一定程度上降低了安全绳的质量，可能同时会带来对人员和物质财产的损失。

就目前而言，以后的发展趋势必将是对安全绳的质量标准的提高，检验方法的完善，全方位的保障安全绳的性能。

本文所研究的消防安全绳抗切割性能试验台必将成为一种不可或缺的检验安全绳的仪器。

第二章试验台总体方案

2.1试验台的任务

测试评价消防安全绳的抗切割性能，分析影响消防安全绳抗切割性能因素，为消防安全绳的生产和使用提供技术支持。

2.2试验台的原理

采用旋转的圆刃刀片切割张紧力作用下的消防安全绳，通过记录消防安全绳断裂时圆刃刀片所旋转的圈数，以此作为消防安全绳的抗切割性能值。

2.3试验台基本功能及要求

1）该试验台可进行四种试验。

第一，圆刃刀片沿一个方向切割消防安全绳至断裂，记录已旋转圈数；第二，圆刃刀片沿正反两个方向切割消防安全绳至断裂，记录已旋转圈数；第三，在该试验台上，圆刃刀片沿一个方向切割消防安全绳指定圈数后，将消防安全绳安装在拉力机上进行破断强度的测试；第四，在该试验台上，圆刃刀片沿正反两个方向切割消防安全绳指定圈数后，将消防安全绳安装在拉力机上进行破断强度的测试；

2）主轴输出转速0～300rpm或100~400r.p.m可调，主轴可正转可反转，主轴旋转圈数可设定；（抗切割测试转速0～100rpm）

3）圆刃刀片的垂直方向装有力传感器，力传感器的量程0～200N，精度0.1N，力传感器的示值可实时显示；垂直安全绳方向施加压力应可调节并恒定。

4）圆刃刀片由钨钢制成，HV740～800，直径45mm，厚度0.3mm，切削角30˚～35˚。

5）旋转圈数的角度传感器精度为0.01周；

6）夹具等的设计应考虑消防安全绳和圆刃刀片更换方便，消防安全绳在切割过程中晃动量小；

7）试验过程实现自动控制，数据实时显示，操作方便，结果可以报告形式打印。

2.4试验台整体结构

该试验台主要由主轴部分，刀具调节部分，安全绳张紧部分，电气控制部分，外壳部分组成。

主轴刀具旋转结构为：

主轴电机——同步带，同步带轮——联轴器——旋转刀片，如图2-1所示。

联轴器为无齿系弹性联轴器，左半部分右一个轴承支撑，右半部分由两个轴承支撑。

旋转刀片通过键连接在联轴器的右半部分轴上。

两端均需要锁紧。

安全绳张紧部分结构比较简单，绳索一段通过钩子钩住安全绳，然后通过螺纹紧固钩子。

另一端采用钩子钩住安全绳，通过加载砝码配重张紧安全绳。

刀片调节装置如图，通过电机旋转，带动轴套，轴套旋转，则其上方的螺纹连接的轴就会上下移动，如图2-2所示。

电气控制部分为试验台的核心，其软硬件设计将在后面详解。

外壳结构较为简单，主要起保护内部部件和起到安全试验的目的。

图2-1试验台整体结构俯视图

图2-2刀片调节轴结构图

2.5控制系统总体方案

根据试验台的目的和要求，控制系统有如下软硬件组成。

（1）上位机PC，控制面板

（2）控制器PLC及扩展模块

（3）传感器，变送器（压力传感器，角度传感器）

（4）步进电机（主轴电机，调节电机）

（5）电源，电线电缆

（6）工控软件

控制系统原理图如图所示：

图2.3控制系统原理图

本系统是通过上位机PC或者操作面板对PLC进行控制，PLC在通过控制步进电机驱动器控制步进电机。

具体的细节控制是由压力传感系统和角度传感系统进行信号反馈到PLC，压力传感器系统和角度传感器系统一般是模拟量输出，可以通过PLC的扩展模块进行数模转换之后送至PLC，同时上位机的控制信号也传至PLC，PLC在内部进行计算处理后，从而可以实现步进电机的速度和位置控制。

同时压力传感器和角度传感器所测量到的数值可以实时的在控制界面上显示，并可以根据需要进行数据存储。

第三章控制系统的硬件设计

3.1电机的选择

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种机器仪器中，另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

步进电机有步距角、静转矩、以及电流三大要素组成。

1、步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

2、静力矩的选择

静力矩的选择依据是电机工作的负载，分为惯性负载和摩擦负载。

电机直接起动时二中负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行只要考虑摩擦负载。

一般静力矩为摩擦负载2-3倍即可。

3、电流的选择

静力矩一样的电机，有句电流参数不同，运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线，判断电机电流。

选择电机一般遵循以下步骤：

图3-1步进电机选择

1：

主轴电机的选择

主轴电机带动刀片旋转的作用，虽然中间经过了同步带轮，联轴器的变换。

为了是简化步进电机的选择难度，所以直接考虑刀片上旋转所需要的力矩。

由于旋转刀片是钨钢制成，安全绳为尼龙制成，所以通过查找《常用材料摩擦系数表》得知，其之间的摩擦系数参考为µ=0.48.

由于圆刃刀片垂直方向作用力最大值不会超过力传感器的最大量程值（为200N），共三个传感器，暂且估计作用力最大值为600牛顿。

则摩擦力F为：

F=µ×N=0.48×200×3=288N

考虑到刀片直径为120MM,则圆刃刀片处的力矩为M：

M=F×R=288×0.120/2=17.28NM

转矩M放大两倍为34.56牛米。

步距角的选择不宜过大，选择0.6/1.2度。

综上所述，主轴电机选择上海运控电子科技有限公司的三相混合式步进电机130BYG350B。

适配驱动器选择YK3722MA。

技术参数如表3-1所示：

表3-1

型号

相数

步距角

相电流A

驱动器

电源输入

保持转矩

N.M

适配驱动器

130BYG350B

3

0.6/1.2

5

80-325

36

YK3722MA

2：

刀片调节装置电机的选择

调节电机主要用来调节圆刃刀片上下位置的电机，通过螺杆，带动整个调节装置的上下。

此处结构较为复杂，对电机的选择计算也较为复杂，为此在计算电机所承受的重力时的计算做简化处理。

G=G主要+G其它

=G底板+G轴承座×3+G轴承×3+G轴承盖×3

+G刀片+G联轴器×2+G其它

=G主要×1.3

=370N

以上为加载在电机上装置的大概重量，再加上预紧力F1，最大值为传感器的量程，约为600N。

则电机承受的最大力值为：

N=G+F1=970N

通过查阅机械手册得知，螺纹之间的摩擦系数一般为0.15-0.20之间。

则

F=µ×N=0.20×970=194.0N

M=F×R=1.56NM

综上所述，此处步进电机选择上海运控电子科技有限公司的110BYG350B。

参数如表3-2所示：

表3-2

型号

相数

步距角

相电流A

驱动器

电源输入

保持转矩

N.M

适配驱动器

110BYG350B

3

0.6/1.2

2.8

80-325

12

YK3722MA

3.2传感器的选择

圆刃刀片上下调节装置中共有三个压力传感器，根据设计要求，我们选择上海天沐自动化仪表有限公司的NS-TH13系列称重传感器。

传感器输出信号通过配套变送器转化为输出信号4~20mA输出。

主要技术参数如表3-3所示。

表3-3NS-TH13系列称重传感器技术参数

技术参数

单位

技术指标

额定载荷

KG

20....50~1000

额定输出

mV/V

>1.5

绝缘电阻

MΩ

≥2000

供桥电压

VDC

10

材质

不锈钢

备注

可设计成12V或24V供电，0~5V或4~20mA信号输出

3.3PLC的选择

在工业自动化控制领域主要分为PLC，工控机和嵌入式控制，而PLC自1968年诞生以后以惊人的速度成为了这一领域的主导者，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。

PLC=ProgrammablelogicController，可编程逻辑控制器，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。

PLC的定义有许多种。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC将不断丰富功能、提高性能，其主要发展趋势体现为以下几点。

功能更强大

在原有开关量处理的基础上，PLC将进一步增强模拟量处理能力，并融合顺序控制、过程控制和运动控制功能。

同时，PLC的运算速度、处理能力和存储容量也将不断提高。

网络化

无论是大型PLC还是小型PLC，网络功能不断增强。

PLC向上可以连接各种管理网，向下可连接各种现场设备。

不仅要完成单机设备的控制，还要对相关设备进行协调，因此通过网络交换信息就显得十分重要。

标准化和开放性

通过自由组合模块化和标准化的硬件，同一厂商的产品可以灵活地组成满足不同要求的控制系统。

同时，PLC将越来越开放，它提供的将是一个开放性平台，通过提供标准化和开放性的接口，PLC可以很方便地接入其它系统。

专业化

不同行业在采用PLC时其关注点会有所不同，故其功能需求也会不一样。

因此，在PLC通用功能的基础上针对不同行业应用特点开发专业化PLC产品，不仅可以提高产品性能、降低产品成本，而且可以提高产品的易用性和专业化水平，提高产品的综合竞争实力。

这种专业化应用不仅体现在软件功能上，也体现在硬件构成上。

3.3.1s7-200PLC

目前主流的西门子PLC主要包括s7-200系类，s7-300系列和s7-400系列PLC。

S7-200CN系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

其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。

S7-300系列PLC属于S7系列家族中的中型PLC产品，其主要功能，I/O点数与扩展性