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PLC的精密滚柱直径筛选控制系统设计方案

毕业设计任务书

课题名称:

滚柱直径自动分选控制系统的设计

学生姓名廖仁忠

专业机电一体化技术

班级机电1004

时间2012.10～2013.4月

指导教师朱芸

摘要

工业的发展对轴承的性能、寿命和可靠性提出了更高的要求，其质量取决于设计、制造和检测各个环节，而滚柱直径的误差是影响轴承质量的关键因素。

在实际生产中测量滚柱尺寸时，因为数量较大，人工检测和分选比较困难，本文主要介绍一种由PLC控制的精密滚柱直径筛选系统，通过机械输送、电测的方式完成滚柱的自动检测及分选，实现自动高效筛选，对轴承的生产具有重要意义。

本设计推料气缸前端装有推杆，滚柱落下后能将其准确地推到限位挡板的位置，通过钨钢测头检测滚柱误差，并将测量值送相敏检波放大器处理后再送电压放大器放大，把与直径误差值成正比的电压值（±10V）送PLC的模拟量输入模块处理后，根据误差大小来决定具体打开哪一个翻板，再由电磁机构将限位挡板抽离，从而将滚柱送入不同的分料箱，料箱中装有油类物质，在滚柱落入料箱中时起到缓冲作用，使滚柱表面不受磨损，保证其精度。

仿真实验证明，本设计采用的方法是可行的，基于PLC的的轴承检测系统控制可以提高轴承检测的自动化程度。

关键词：

精密滚柱；PLC；模拟量；直径筛选

Abstract

Thedevelopmentofindustryofthebearingperformancethatservicelifeandreliabilityputforwardhigherrequest,it’squalitydependsonthedesign,manufactureandtestingeachlink,andthediameteroftherollerbearingtheinfluenceerroristhequalityofkeyfactors.Intheactualproductionofmeasuringrollersize,becausetheamountislargerandartificialdetectionandsortingismoredifficult,ThispapermainlyintroducesakindofcontrolledbyPLCprecisionrollerdiameterfiltersystemthatthroughthemechanicaltransmission,electricalmeasurementiscompletedthewaytheautomatictestandsortingofroller,torealizeefficienton-lineinspection,ithasimportantmeaningofthebearingproduction.

Thisdesignpushmaterialcylinderwithfrontpushrod,rollerfallstotakeitsaccuratelypushedtothelimitthepositionofthepanel,throughthetungstensteelsiderollererrordetectionhead,andthemeasuredvaluesendphasesensitivedetectionamplifieraftertreatment，sendvoltageamplifieramplification,thediameterisproportionaltotheerrorofthevoltagevalue（±10V）sendProgrammableLogicController（PLC）analogueinputmoduleafterprocessing,accordingtotheerrorsizetodecidewhichonespecificopentheflap,thentheelectromagneticorganizationswilllimitbafflepullaway,andthuswillrollerintodifferentpointsmaterialbox.Inthematerialboxwithoilmaterial,andintherollertofallintoabuffermaterialboxhittingeffect,makerollersurfacefromwearandensureitsaccuracy.

Thesimulationresultsshowthatthemethodusedinthisdesignisfeasible,bearingcontroldetectionsystembasedonthePLCwhichcanincreasethedegreeofautomationforbearingdetection.

KeyWords:

Precisionroller,PLC,Analog,Diameterfilter

1绪论

1.1课题的背景和研究意义

跨入二十一世纪，随着全球经济一体化和贸易自由化的发展，各国轴承工业发展水平之间存在的差距将会不断缩小，地区存在的成本优势也将不再明显，轴承工业的竞争将更多地体现在技术竞争上，只有掌握了技术的优势，才能处于领先地位。

这将迫使各国不断加大用于科技开发的资金投入，投资力度将更大。

轴承的整体技术水平，在近30年来取得了令人瞩目的进步。

高精度、高转速、高可靠性、长寿命、免维护保养以及标准化、单元化、通用化已成为轴承的基本技术标志。

特别在轴承基础技术进步、通用产品的结构改进、专用轴承单元化和陶瓷轴承的开发等方面成效最为显著。

在机械行业中，轴承是重要的标准零件之一，其质量好坏在一定程度上影响整个机械系统的性能。

轴承产品精度的高低与性能的好坏是靠仪器、设备来检测和判断的。

因此，轴承检测仪自身是否先进，将直接影响到轴承产品检测的准确性和可靠性[1]。

中国正在逐步成为世界上的产品制造中心，国外的先进制造技术和测控技术日益冲击着国内的各个行业。

目前国内的轴承检测分选装置和实验设备仍然与国外的同类先进企业存在着较大的差距。

目前，我国轴承企业广泛应用了自动化程度比较高的加工机床，生产效率和产品质量得到了很大的提高。

但是在快速发展的轴承行业里，存在着一个瓶颈问题，那就是对成品轴承直径检测还是使用很原始的方法，即广泛使用传统的千分尺，对轴承进行人工测量分选。

这种测量分选方法测量精度低，随机误差大，检测结果比较不稳定，自动化程度低，工人劳动强度大，已不能满足高精度测量的要求。

为弥补产品测量分选技术领域与国外先进技术方面存在的不足，同时也为了适应轴承行业，特别是产品出口企业对各项质量指标的有效把握和检测方面的迫切需求，以及从根本上控制检测分选质量和降低成本，确实提高测量精度和分选效率，降低工人劳动强度，实现高精度、高效率、高自动化的轴承直径测量并分选过程，就需要我们在各方面都加以改善，并针对先进制造技术和提高已有产品可靠性和稳定性两个方面齐头并进，进行专项突破，研究制造出一种高精度、自动化程度较高的轴承内径测量分选装置，对于提高轴承直径的测量效率和减少工人劳动强度，具有重要意义。

总之，针对国内轴承检测分选的现状和实际要求，一些精度高、测速快且又经济实惠的自动化检测分选装置应尽快研制出来，以满足飞速发展的轴承工业生产的需求。

这就需要一种自动检测及分选机构，通过机械输送、电测的方式完成滚柱的自动检测及分选，实现自动高效筛选，应用PLC（ProgrammableLogicController,可编程控制器）控制技术实现这种方法，不仅可以实现单机手动、自动，也可以方便地实现网络联动，对轴承的生产具有重要意义[2]。

1.2课题的研究现状

轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件，它们广泛应用于工业、农业、交通运输、国防、航空航天、家用电器、办公机械和高科技等领域，与国计民生息息相关。

轴承产品精度的高低与性能的好坏是靠测量分选来保证的。

因此，轴承测量分选技术自身是否先进，将直接影响到轴承产品质量的准确性、可靠性、效率以及工人劳动强度的大小。

随着应用技术的发展，计算机技术的日趋成熟和完善，国际轴承测量技术已向综合化、智能化的方向发展，进入了测量、加工、反馈、补偿、统计一体化的时代。

目前，国外轴承测量的先进技术主要有：

纳M测量技术、网络仪器的开发应用、虚拟仪器与智能仪器。

由于在应用技术领域和国外存在的差距，以及行业内较多的企业对产品质量和检测、控制方面认识不够，目前国内的轴承内径的测量分选技术仍然采用手动测量或半自动测量方式，与国外的同类先进企业存在着较大的差距。

1.3课题的主要研究内容和目标

本文综合论述了研究轴承直径自动检测分选装置的意义、轴承直径测量分选技术的现状及目前国内外的发展动态。

在分析比较了各种常用轴承直径测量分选方法的基础上，结合轴承测量过程中的特点和工作环境，确定了轴承直径自动检测分选装置的设计方案。

第1章是概述，介绍了精密滚柱直径筛选系统国内外的研究现状、应用范围以及本文的结构。

第2章是对精密滚柱直径筛选系统进行总体设计，包括了整体设计的流程和PLC系统配置及资源分配。

第3章是对模拟量进行设置，包括了模拟量的处理及FC105模块的使用方法。

第4章是按照控制要求，编写精密滚柱直径筛选系统的PLC程序，并举例说明各个模块的作用。

第5章对设计方案进行调试，检验程序的可执行性，并用S7-PLCSIM进行仿真演示。

本设计是基于PLC的自动分选系统，其功能是对滚柱直径进行连续测量，将被测参数转变为电信号，再经电路放大、逻辑运算处理后，控制相应的执行机构，完成滚柱的自动分选。

2精密滚柱直径筛选控制系统总体设计

2.1精密滚柱直径筛选控制系统示意图

精密滚柱直径筛选系统示意图如图2.1所示。

系统由1个落料管、1个推料气缸、1个误差测量机构、1个限位挡板、7个料斗及料斗电磁翻板组成。

在落料管的低端装有缺料传感器B0，有料时为0，无料时为1；推料气缸为双作用气缸，由电控阀TA和TB控制，当TB得电时，气缸缩回，TA得电时气缸伸出，在气缸的两端各装1个位置传感器（常开），气缸缩回到位时B8-1为动作，气缸伸出到位时B8-2动作；测量机构的钨钢测头，在弹簧的作用下能自然接触被测滚柱，不需要驱动装置，测量机构可根据滚柱直径误差大小输出-10～+10V的电压信号；限位挡板装有位置传感器B9（常开），挡板伸出到位时B9动作，缩回到位时B9复位；在7个料斗入口处均装有1个光电传感器（B1～B7，常开）及1个电磁翻板（Y1～Y7），每落下一个滚柱，光电传感器就产生一个脉冲信号以便对落下的滚柱进行计数[3]。

2.2系统控制要求

（1）在初始状态下（限位挡板处于伸出位置、推料气缸处于伸出位置、各料斗的电磁翻板均处于关闭位置），按启动按钮，系统首先检查落料管有无滚柱，如果无滚柱，则发出报警信号（按消警按钮可以消除警报），补充滚柱后需再按启动按钮；如果有滚柱，则推料气缸缩回，被测滚柱由落料管落下，然后推料气缸伸出将滚柱推到钨钢测头下方，完成送料过程。

（2）当滚柱被推到钨钢测头下方时，即限位挡板的位置，钨钢测头开始测试滚柱直径的误差，并将测量值送相敏检波放大器处理，再送电压放大器放大，最后将与直径误差值成正比的电压值（±10V）送PLC的模拟量输入模块进行处理，根据误差的大小来决定打开哪一个翻板（Y1～Y7），再由电磁机构将限位挡板抽离，滚柱在推料气缸的作用下落入对应料斗并计数；如果料斗计数满，则发出报警信号（按消警按钮可消除警报），更换料斗后可再按启动按钮继续进行滚柱测量；如果料斗计数器未满，则直接进入下一个滚柱的测量，并如此循环。

（3）按下停止按钮，系统停机并复位；限位挡板伸出，推料气缸伸出，各电磁翻板关闭。

2.3计数模块和比较模块

2.3.1计数器

计数器（COUNTERS）：

它们不是实际存在的。

它们是模拟的计数器，编程后可以用来对脉冲计数。

在S7-300PLC的CPU中保留一块存储区作为计数器计数值存储区。

每个计数器占用一个16位的字和一个二进制位。

计数器字用来存放它的当前计数值，计数器触点的状态由它的位的状态来决定。

用计时器地址（C和计数器号组成，如C1）来存取当前计数值和计数器位，不同的CPU支持32～256个计数器。

计数器字中的第0～11位表示计数值BCD码，计数范围是0～999。

当计数值达到上限999时，停止计数。

计数值达到下限0时，停止计数。

计数器进行置数（设置初始值）操作时，累加器1低字中的内容改装入计数器字。

计数器的计数值，将以此为初值增加或减小。

计数器字的计数值为二进制格式时，计数值只占用计数器字的0～9[4]。

典型的计数器可以做加计数、减计数和双向计数。

因为它们是模拟的，所以限制了它们的计数速度。

有些厂家也在PLC中加入基于硬件的高速计数器。

我们可以认为它们是实际存在的。

大多数情况下，这些计数器可以做加计数、减计数和双向计数[5]。

2.3.2比较器

比较指令用于比较累加器2与累加器1中的数据大小。

比较时，应确保两个数的数据类型相同，数据类型可以是整数、双整数或实数。

若比较的结果为真，则RLO为1，否则为0。

比较指令影响状态字位CC1和CC0。

滚柱直径筛选系统输出端子接线如图2.2所示。

2.4PLC系统硬件配置及资源分配

根据控制要求，系统有7个电磁翻板驱动器Y1～Y7；1个电磁挡板驱动器Y9；2个双作用气缸的电磁阀驱动（TA和TB）；7个料斗满指示灯H1～H7；1个落料管缺料指示灯H0；1个报警器HA；1个启动按钮；1个停止按钮；1个消警按钮；1个落料管缺料传感器B0；7个料斗落料传感器B1～B7；2个推料气缸位置传感器；1个电磁挡板位置传感器；1个测量机构。

所以至少需要19个数字量输出端子、14个输入端子和1个模拟量输入通道。

系统硬件配置如图2.3所示。

滚柱直径筛选系统I/O地址分配如表2.1所示。

表2.1滚柱直径筛选系统资源分配表

序号

符号

地址

说明

序号

符号

地址

说明

SB1

I0.0

启动按钮，常开按钮

M2.4

控制步序4

SB2

I0.1

停止按钮，常闭按钮

M2.5

控制步序5

SB3

I0.2

消警按钮，常开按钮

M2.6

控制步序6

I0.3

落料管缺料传感器

Q4.0

推料缸伸出驱动电控阀

B8_1

I0.4

推料气缸缩到位传感器

Q4.1

推料缸缩回驱动电控阀

B8_2

I0.5

推料气缸推到位传感器

Q4.2

电磁挡板驱动装置

I0.6

挡板伸出到位位置开关

Q4.3

声光报警器

续表2.1

序号

符号

地址

说明

序号

符号

地址

说明

I1.1

料斗1落料传感器

Q5.1

料斗翻板1电磁驱动装置

I1.2

料斗2落料传感器

Q5.2

料斗翻板2电磁驱动装置

I1.3

料斗3落料传感器

Q5.3

料斗翻板3电磁驱动装置

I1.4

料斗4落料传感器

Q5.4

料斗翻板4电磁驱动装置

I1.5

料斗5落料传感器

Q5.5

料斗翻板5电磁驱动装置

I1.6

料斗6落料传感器

Q5.6

料斗翻板6电磁驱动装置

I1.7

料斗7落料传感器

Q5.7

料斗翻板7电磁驱动装置

M0.1

料斗1允许落料标志

Q6.0

落料管缺料指示灯

M0.2

料斗2允许落料标志

Q6.1

料斗1料满指示灯

M0.3

料斗3允许落料标志

Q6.2

料斗2料满指示灯

M0.4

料斗4允许落料标志

Q6.3

料斗3料满指示灯

M0.5

料斗5允许落料标志

Q6.4

料斗4料满指示灯

M0.6

料斗6允许落料标志

Q6.5

料斗5料满指示灯

M0.7

料斗7允许落料标志

Q6.6

料斗6料满指示灯

M2.1

控制步序1

Q6.7

料斗7料满指示灯

M2.2

控制步序2

PIW288

滚柱直径测量通道

M2.3

控制步序3

3模拟量设置

3.1模拟量的处理

在生产过程中，有许多过程变量的值是随时间连续变化的（如温度、压力、流量等），称为模拟量。

为了实现对这些物理量的控制，首先需要经测量传感器将物理量转换为电量（如电压、电流、电阻、电荷等），然后再经变送器将测量结果转换为标准的直流电压和直流电信号（如±1000mV、±10V、4～20mA等），再将标准的模拟电信号送入模块进行A/D转换，变成CPU能够接收的数字量信号后送入CPU进行处理，PLC处理后的二进制电平信号再送给模拟量输出模块D/A转换，转换成模拟量信号后去驱动相应的执行器。

模拟量处理模块的主要功能是，把生产过程中送来的模拟信号转换成PLC可使用的数字信号（A/D转换），或将经过CPU的内部程序处理，PLC以数字量形式给出的控制数据转换成模拟量（D/A转换），以供执行机构使用。

该模块还具有将PLC与被控对象、执行机构实现电气上隔离的能力[6]。

在S7-300PLC系统中，模拟量输入/输出模块用于完成包含模拟过程信号的较复杂的任务，用于连接不带附加放大器的模拟执行元件和传感器。

它具有以下优点：

（1）优化配合，模块可任意组合以配合任何所需输入/输出点数量；

（2）强大的模拟技术，不同的I/O范围和高分辨率允许与众多不同的模拟传感器和执行元件相连；

（3）结构紧凑，组装简单，接线方便，输入地址由插槽决定；

（4）电压，电流传感器，热电偶，电阻和电阻式温度器均可作为传感器与该模块相连；

（5）从8位到15位+符号位的分辨率可调，用于不同的转换时间；

（6）基本电流/电压测量范围由量程卡机械设定或模块连线选定，微调由STEP7V5.3“硬件组态”功能进行设定；

（7）中断能力，模块将诊断和超限中断传送到PLC的CPU中；

（8）诊断模块将大量的诊断信息传送到CPU中，红色的LED组表示故障/错误。

3.2模拟量输入值的规范化FC105

在STEP7V5.3的标准库“T1-S7转换块”的子目录里有一个可以用于模拟量输入规范化的功能FC105，符号名为“SCALE”，该功能可以将从模拟量输入模块接收的一个整型值转换为以工程单位表示的介于下限（LO-LIM）和上限（HI-LIM）之间的实型值。

常数K1和K2根据输入值是双极性还是单极性来设置[7]。

FC105的功能可用方程式表示为：

由于测量机构所产生的信号为±10V的模拟量电压信号，所以需要通过模拟量输入模块将误差信号送入PLC进行比较处理。

可以将模拟量输入模块转换后的数字-32768～+32768用整数规范化功能子程序进一步转换为0～100的实型数字。

（1）如果误差值＜15，则将滚柱送入料斗1；

（2）如果30＞误差值≥15，则将滚柱送入料斗2；

（3）如果45＞误差值≥30，则将滚柱送入料斗3；

（4）如果55≥误差值≥45，则将滚柱送入料斗4；

（5）如果70≥误差值＞55，则将滚柱送入料斗5；

（6）如果85≥误差值＞70，则将滚柱送入料斗6；

（7）如果误差值＞85，则将滚柱送入料斗7。

滚柱直径筛选系统输入端子接线如图3.1所示。

4滚柱直径筛选控制系统PLC控制程序

4.1工作过程子程序FC1

工作过程控制子程序FC1主要完成滚柱直径筛选系统工作步序的控制，系统分为5个循环工序，送料子系统由工序1和工序2完成。

检测由工序3、工序4及工序5完成[8]。

（1）工序1：

在初始状态下（限位挡板处于伸出位置、推料气缸处于伸出位置、各料斗的电磁翻板均处于关闭位置），按启动按钮，系统首先检查落料管有无滚柱，如果无滚柱，则发出报警信号（按消警按钮可以消除警报），补充滚柱后需再按启动按钮；在电磁挡板Y9伸到位（B9动作）、推料缸伸到位（B8-2动作）且未出现缺料及料斗满的情况下，按启动按钮SB1（或循环到最后一个工序）则进入工序1，使推料缸Y8缩回（电控阀TA复位、TB动作），以便被测滚柱从落料管落下。

程序如图4.1所示。

（2）工序2：

如果有滚柱，则推料气缸缩回，被测滚柱由落料管落下，然后推料气缸伸出将滚柱推到钨钢测头下方，完成送料过程。

如果推料缸Y8已经缩回到位（B8-1动作），则进入工序2，使推料缸Y8伸出（电控阀TA动作、TB复位），以便将被测滚柱推到钨钢测头下方。

程序如图4.2所示。

（3）工序3：

此时推料缸Y8已经伸出到位（B8-2动作），则进入工序3，等待1s使钨钢测头完成对滚柱的测试。

程序如图4.3所示。

（4）工序4：

完成工序3后，将测量值送相敏检波放大器处理，再送电压放大器放大，最后将与直径误差值成正比的电压值（±10V）送PLC的模拟量输入模块进行处理，根据误差的大小来决定打开哪一个翻板。

这时则进入工序4，先有料斗标志（F1～F7）对应控制具体打开哪一个料斗翻板（Y1～Y7），然后延时1s，缩回电磁挡板（Y9）。

程序如图4.4和图4.5所示。

（5）工序5：

完成工序4后由电磁机构将限位挡板抽离，滚柱在推料气缸的作用下落入对应料斗并计数；如果料斗计数满，则发出报警信号（按消警按钮可消除警报），更换料斗后可再按启动按钮继续进行滚柱测量；如果料斗计数器未满，则直接进入下一个滚柱的测量，并如此循环。

此时电磁挡板Y9已经缩回到位（B9断开），且被测滚柱已经落入对应料斗（B1～B7有一个动作），则进入工序5，以便进入下一循环测试过程。

程序如图4.6所示。

（6）停机复位：

任何时候按停止按钮，则直接进入停机复位状态。

4.2计数及比较功能子程序FC2

4.2.1计数程序

计数及比较功能子程序FC2主要对落入料斗的滚柱进行计数统计，并判断料斗是否计数满，如果料斗计数满，则发出料斗满声光报警提示，然后等待消警并重新启动。

下面以料斗1计数为例，说明FC2工作过程。

料斗1：

由光电传感器B1检测滚柱是否落入料斗1，并由计数器C1进行统计。

如果C1的统计值（MW60）大于或等于料斗的设定值（950），则料满指示灯H1点亮，并由声光报警器HA报警。

程序如图4.7所示。

4.2.2报警程序

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