毕业设计（论文）-汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计

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传感器.....................................................8 四、控制系统的设计.............................................12 4.1 冷却机控制电路的设计 ........ .............................12 4.2 冷却机PLC控制程序设计.....................................14 4.3 触摸屏控制画面及其通讯... .................................17 五、结论............ ...........................................21 总结..................................................... .....21 参考文献................................................ ......22附录.................................................. ........23 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印(12电气12班) 摘 要 在汽车天窗生产中,应用玻璃冷却机来实现对高温玻璃的冷却功能,利用机械手实现玻璃的搬运,将高温玻璃送到冷却机上,再将冷却好的玻璃送到待加工的天窗生产线,实现天窗的自动加工。 本设计应用西门子S7--200 PLC来实现对冷却机设备进行控制。通过组态技术实现触摸屏对设备的监控,以便在生产过程中直观的了解设备和加工工件的工作情况。 本设备可以实现对不同材质,不同大小的玻璃来改变冷却时间,解决了搬运过程中玻璃的尺寸大和温度高的困难,避免操作过程中对人体的伤害。在运行中稳定性好,精确度高。 关键字:冷却机 PLC 触摸屏 一、绪论 汽车天窗在国外有100多年的历史已成为汽车文化的一部分。目前汽车天窗不少关键技术还掌握在少数外资企业手中，可以说国内汽车天窗产业仍处于发展初期。近几年来汽车天窗已经逐渐成为了汽车的一个标准配置。随着人们对驾乘舒适性要求的不断提高汽车天窗以时尚气息和优越性能赢得了市场。汽车天窗随着汽车产业的发展而发展，我国市场容量很大，为了满足社会需求量必须改进天窗的生产技术提高生产效率。 考虑天窗玻璃的抗击打能力和光学性能，如透射率、光反射率、紫外线传导率等。天窗玻璃在天窗的整体结构中是非常重要的，在玻璃的加工过程中，通过温度的控制来 1 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 实现玻璃的冷却是实现上述(光学性能，如透射率、光反射率、紫外线传导率)指标的重要环节，为了解决玻璃冷却过程中环境温度的影响，特设计玻璃冷却机来实现对玻璃温度的冷却控制。 二、设备结构及工作过程分析 2.1 冷却机的简述 冷却机是用于汽车天窗生产车间总成玻璃的冷却。 该设备主要有触摸屏、变频器、异步电动机及传感器等构成。设备采用西门子S7-200 PLC控制运行，用触摸屏进行手/自动操作控制及动作、故障显示，同时配有三色指示灯指示工位工作状态。 2.2 冷却机的整体结构 冷却机工作台主要由传送带、放料链条、减速机、托盘、真空吸盘、推料气缸、过滤调压二联件、电磁阀、传感器开关、PLC、启动/停止按钮、走线槽、支架等组成。图2-1所示为冷却机工作台机械结构图，图2-2所示为冷却机工作台的实物全貌。 俯视图 主视图 左视图 图2-1 机械结构图 1. 传送带:冷却机上共有两条皮带每条传送带上均匀分布着放料链条共22片， 冷却机用减速机来带动传送带实现玻璃的传送功能。 2. 推料气缸:通过对电磁阀的通断电，来改变气缸的通气方向控制推料气缸的伸缩。 2 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图2-2 冷却机实物全貌 2.3 冷却机的工艺流程及操作方式 2.3.1 冷却机的工艺 流程图 破产流程图 免费下载数据库流程图下载数据库流程图下载研究框架流程图下载流程图下载word 3 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图2-3 流程图 二、各种元器件的选型 3.1元器件选型清单 表3-1 元器件选型清单 器件名称 规格型号 器件名称 规格型号 PLC 6ES7 216-2BD23-0XB8 接线端子 ST 2.5 触摸屏 TPC7062K 接线端子 ST 4 4 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 总线适配器 6ES7 972-0BB12-0XA0 接地端子 ST 4-PE 变频器 6SE6 420-2UD17-5AA1 端子隔板 D-ST 2.5 BOP控制板 6SE6 400-0BP00-0AA0 端子隔板 D-ST 4 开关电源 DR-120-24 插拔式桥接件 FBS 10-5 光电开关 E3Z-D86 端子连接片 FBS 10-6 配电箱 500W*350H*210D 连接电缆 S08-4FVW-050 配电箱 300W*300H*210D 行程开关 D4V-8107Z 电感式传感器 DW-AS-513-M12-120 配电箱 300W*300H*120D 连接电缆 S12-3FVW-050 警示灯 JD501-L01G024(红色) 磁感应传感器 D-A93 警示灯 JD501-L01R024(绿色) 光栅传感器 NA40S-8-3-P 警示灯 JD501-L01Y024(黄色) 安全光栅 NA-F5R-5 警示灯装饰盖 A02 安全光栅 NA-F4E-5 警示灯接线座 B03 光幕安装支架 ZJ-NA-1 警示灯底座 S-1 按钮 M22-D-G/K10 单股软电线 RV-0.3mm? 按钮 M22-D-R/K10 多芯软电缆 RVV3-3*1.5MM? 指示灯 M22-L-W/LED230 单股软电线 BVR-1.5MM? 钥匙开关 M22-WRS/K10 单股软电线 BVR-1.5MM? 蘑菇头按钮 M22-DP-G/K10 欧标插头 TYP231 按钮盒 M22-I1 欧标插座 TYP2601 保护单片 FU-8818B 急停按钮 M22-PV/KC11/IY 指示灯 M22-L-R/LED 交流接触器 LC1D09BDC PC 导轨插座 PC 3-4-10 指示灯 M22-L-Y/LED 指示灯 M22-L-G/LED 通断开关 LW42B32-1016/L 断路器 S202-C6 电动机 YYP6314 3.2 S7-200 CPU 226的I/O及电源 3.2.1 输入接线 CPU 226 的主机共有24个输入点(I0.0~I0.7、I1.0~I1.7、I2.0~I2.7)。系统设计1M为输入端字子I0.0~I1.4的公共端，2M为输入端子I1.5~I2.7的公共端。 3.2.2 输出接线 对于CPU 226 的主机共有16个输出点(Q0.0~Q0.7、Q1.0~Q1.7)。输出电路有晶体管输出电路和继电器输出两种供用户选用(本设计选择继电器输出)。PLC由220V交流电源供电，负载直流电源负载供电，也可以采用交流电源为负载供电。在继电器输出电路中，数字量输出分为三组，每组的公共端为本组的电源供给端，Q0.0~Q0.3共用 1L，Q0.4~Q1.0共用2L，Q1.1~1.7共用3L，各组之间可以接入不同电压等级、不同电压性质的负载电源。 3.3 MCGS TCP7062K触摸屏 3.3.1 TCP7062K 特性 液晶屏:7"TFT液晶屏 分辨率:800X400 电源: DC24V/30W供电 5 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 3.3.2 TPC7062K启动 使用24V直流电源给TPC供电，开机启动后屏幕出现“正在启动”提示进度条，此时不需任何操作自动进入工程运行界面。 3.3.3 TPC7062K与西门子PLC通信接线 图3-1 TPC7062K与西门子PLC通信接线 3.3.4 TPC7062K外部接口 图3-2 TPC7062K外部接口 3.4 变频器 变频器(Variable-frequency Drive，缩写:VFD)，也称为变频驱动器或驱动控制器，可译作Inverter(和逆变器的英文相同)。变频器是可调速驱动系统的一种，是应用变频驱动技术改变交流电动机工作电压的频率和幅度，来平滑控制交流电动机速度及转矩，最常见的是输入及输出都是交流电的交流/交流变频器。 6 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 3.4.1 西门子MM420型变频器 西门子MM420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。 图3-3 MM420外型 3.4.1.1 西门子6SE6 420-2UD17-5AA1变频器的额定参数 电 源 电 压 : 380-480V，三相交流 额定输出功率: 0.75KW 额定输入电流: 2.4A 额定输出电流: 2.1A 3.4.1.2 西门子 MM420接线图 图3-4 MM420接线图 3.4.2 MM420 基本操作面板 表3-2 基本操作面板(BOP)的按钮 7 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 3.4.2 冷却机上常用的变频器参数设定 表 3-3 是冷却机上常用的变频器参数设定值，如果希望设置更多的参数，请参考 MM420 用户手册。 8 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 表3-3 冷却机变频器参数的设定 序号 参数号 参数名称 设置值 说明 1 P0010 调试用的参数过滤器 30 工厂的缺省设定值 2 P0970 复位为工厂设置值 1 复位出厂设置 3 P0003 用户的参数访问级 3 专家级访问 4 P0004 参数过滤器 0 全部参数设定 5 P0010 调试用的参数过滤器 1 快速调试 6 P0100 确定功率和频率设定0 欧洲-[KW]， 值 频率缺省值50HZ 7 P0304 电机的额定电压 380V 8 P0305 电机额定电流 0.48A 9 P0307 电机额定功能功率 0.12KW 10 P0310 电机额定频率 50HZ 11 P0311 电机额定转速 1400r/min 12 P0700 选择命令源 2 控制信号由端子排输入 13 P1000 选择频率设定值 1 MOP 设定值 14 P1080 电机最小频率 0HZ 15 P1082 电机最大频率 50HZ 16 P1120 斜坡上升时间 1s 17 P1121 斜坡下降时间 1s 18 P3900 结束快速调试 1 19 P0003 用户的参数访问级 3 专家级访问 20 P1040 MOP的设定置 10HZ 电机的运行频率 3.5 传感器 3.5.1 接近式传感器 电感接近式传感器是电感式传感器最常用的一种，属于一种开关量输出的位置传感器，又称为电感式接近开关，主要由LC振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成。电感式传感器在接通电源且无金属工件靠近时，其头部产生自激振荡的磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以致停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大器电路处理并转换成开关信号，触发驱 动控制器件，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断，达到非接触式的检测目的。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。 DW-AS-513-M12-120 接近式传感器额定电压为 10-30V 直流电源供电，采用S12-3FVW-050型三芯插头连接导线与传感器相连;导线分为棕(1)、蓝(3)、黑(4) 9 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 三种颜色，棕色接电源正极，蓝色接0V，黑色为输出信号线。在传感器上设有指示灯，用于显示接近开关的信号状态，供调试运行监视观察。当金属靠近接近开关，接近开关输出动作时，输出信号“1”，LED灯亮;当金属远离接近开关，接近开关不动作，输出信号“0”，LED灯不亮。 图3-5 DW-AS-513-M12-120 接近式传感器 3.5.2 磁感应传感器 磁感应传感器是一种将磁信号转换为电信号的器件或装置。磁感应接近开关是磁感应传感器的一种，是一种非接触式位置检测开关。它由两片具有高导磁和低矫顽力的合金弹簧组成，并密封在一个充满惰性气体的玻璃管中。两个弹簧片之间保持一定的重叠和适当的间隙，末端镀金作为触点，管外焊接引线。当传感器所处位置的磁感应强度足够大时，两弹簧相互吸引而使触点导通;当磁场减弱到一定程度时，在弹簧本身弹力的作用下而释放。 D-A93型磁感应接近开关额定电压为12-24V直流电源供电;导线分为棕、蓝两种颜色，棕色接电源正极，蓝色接0V。在传感器上设有指示灯，用于显示接近开关的信号状态，供调试运行监视观察。当气缸活塞靠近接近开关，接近开关输出动作时，输出信号“1”，LED灯亮;当气缸活塞远离接近开关，接近开关不动作，输出信号“0”，LED灯不亮。 图3-6 D-A93型磁感应接近开关 3.5.3 光电传感器 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 10 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 E3Z-D86型光电传感器额定电压为12-24V直流电源供电，采用S08-4FVW-050型四芯插头连接导线与传感器相连;导线分为棕(1)、蓝(3)、黑(4)三种颜色，棕色接电源正极，蓝色接0V，黑色为输出信号线，白色线不接。 在传感器上设有指示灯，用于显示接近开关的信号状态，供调试运行监视观察。当玻璃靠近光电开关，光电开关输出动作时，输出信号“1”，橙色灯亮;当玻璃离开光电开关，光电开关不动作，输出信号“0”，绿灯灯亮。 图3-7 E3Z-D86型光电传感器 3.5.4 安全光栅 安全光栅由投光器和受光器两部分组成。投光器发射出调制的红外光，由受光器接收，形成了一个保护网，当是有物体进入保护网，当从中有光线被物体挡住，通过内部控制线路，受光器电路马上作出反应，即在输出部分输出一个信号用于暂停程序，电机停止运转。 光束的密度多少决定了体积多大的身体部分能通过光幕才被检测。按照人体工程学的数据，成年人的手指直径应不少于14mm,手掌厚度不少于30mm,手腕直径不少于40mm，举例:如果使用的光幕的光轴间距是40mm,光轴直径是20mm，它的分辨率是40+20=60mm,那么手值，手掌，手腕及手臂都有可能通过光幕而不会被发现。因此，如果想获得更高的安全性，便需使用较高分辨率的光幕. 对射式安全光幕是指发光单元、受光单元分别在发光器、受光器内，发光单元发出的光直射到受光单元，从而形成保护光幕的安全光栅装置。对射式安全光栅由控制器、发光器、受光器及发光传输线和受光传输线五部分组成。 NA型光栅传感器工作状态说明: 1.光幕通过状态:当光幕传感器保护区域内无遮挡物时，光幕传感器发出通过信号给控制器，控制器上的通过(PASS)指示灯绿灯点亮，遮断(INTERCEPT)指示灯红灯熄灭，继电器吸合，设备可以被启动。 11 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 2.光幕遮断状态:当光幕传感器保护区域内有遮挡物时，光幕传感器立即发出遮断信号给控制器，控制器上的通过(PASS)指示灯绿灯熄灭，遮断(INTERCEPT)指示灯红灯点亮，继电器释放，设备不可以被启动。 外部接线图: 先将投光器和受光器同颜色的引线全部对接，然后将DC24V(棕线)、0V(蓝线)接到24V电源，光幕使用PLC直流电源时，将OUTPUT(黑线)接到PLC上的信号输入端口; 如光幕使用外部电源时，则还需将外部电源和PLC直流电源共正极。 图3-8 光栅传感器外部接线图 四、控制系统的设计 4.1 冷却机控制电路的设计 4.1.1 配电箱电器元件布置图 12 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图 4-1 电器元件布置图 4.1.2 冷却机 PLC 的I/O地址分配表 表4-1 I/O地址分配表 输入 输出 器件名称 地址 功能 器件名称 地址 功能 钥匙开关 I0.0 手自动切换 电磁阀线圈1 Q0.0 气缸伸出 按钮 I0.1 复位按钮 电磁阀线圈2 Q0.1 气缸缩回 按钮 I0.2 启动按钮 指示灯(黄) Q0.2 手动指示灯 行程开关 I0.3 热玻璃检测到位 指示灯(绿) Q0.3 自动指示灯 光电开关 I0.4 冷玻璃检测到位 指示灯(红) Q0.4 故障指示灯 电感式传感器 I0.5 左链条检测到位 三色灯(黄) Q0.5 电感式传感器 I0.6 右链条检测到位 三色灯(绿) Q0.6 磁感应接近开关 I0.7 气缸伸出到位 三色灯(红) Q0.7 磁感应接近开关 I1.0 气缸缩回到位 指示灯(绿) Q1.0 自动程序运行指示 光栅传感器 I1.1 运行暂停 变频器 Q1.1 驱动电机正转 按钮 I1.2 停止 变频器 Q1.2 驱动电机反转 蘑菇按钮 I1.3 急停 机械手 Q1.3 发出放上玻璃信号 机械手 Q1.4 发出取走玻璃信号 4.1.3 控制系统电气原理图 变频器中R、S、T表示交流电源的输入端，U、V、W表示变频器的输出端。 13 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图4-2 主电路接线图 图 4-3 控制系统电气原理图 4.2 冷却机PLC控制程序设计 4.2.1 冷却机控制系统工作过程 1. 合上电源开关，系统上电，合上电控柜空气开关，打开气源，使气缸恢复原位 14 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 状态。 2. 打开触摸屏进入主界面设定玻璃冷却时间为15分钟，将触摸屏控制箱上的自动/手动转换开关拨到手动状态(手动指示灯亮)，按下复位按钮，传送带左、右链条检测到链条复位。 3. 将自动/手动钥匙开关拨到自动状态(自动指示灯亮)。按下启动按钮冷却机开始运行(三色灯绿灯亮，自动运行指示灯亮)。在冷却机传送带的第一层放入玻璃，传感器检测到玻璃，开始计时1.5分钟，计时时间到，玻璃自上而下有减速机传送，当玻璃传送落到托盘(传送链条的第十层)，且传感器检测玻璃存在时(传感器没有检测到玻璃时，则返回到初始状态，继续执行程序)，计时1.5分钟，玻璃冷却15分钟，冷却完成(三色灯绿灯闪烁)，托盘伸出，取走玻璃即可，玻璃取走后托盘自动收回，进行下一次循环。 注:玻璃在托盘中未取出时，传送带停止工作，只有取走托盘上的玻璃，传送带才能开始工作。 4. 传送链条在传送过程中，请勿遮挡光栅，一旦遮挡了光栅，传送链条停止工作，此时(三色灯黄灯亮)。 5. 当托盘里的传感器未检测到托盘有玻璃时，传送带在每层的固定冷却时间到了，就传送一次。 6. 按下停止按钮，机械手不再向冷却机上放待冷却玻璃，冷却机上所有玻璃冷却完成，冷却机上没有玻璃，再次按下停止按钮冷却机停止工作。将冷却机切换到手动状态。 7. 按下急停按钮，冷却机立刻停止工作(故障灯和三色灯红灯亮)。再次启动时需将传送带上玻璃清空，将链条复位。 注意:运行过程出现故障急停时，此时必须把钥匙开关拨到手动状态,单击手动画面中的托盘气缸伸出，此时托盘伸出，取走玻璃，再单击托盘气缸收回，此时托盘收回。将所有玻璃取走后按下复位按钮，复位完成，最后把钥匙开关拨到自动状态，方可开始自动运行。 4.2.2 冷却机控制系统顺序功能图 15 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图4-4 顺序功能图 4.2.3 冷却机控制系统梯形图 图4-5 为主程序梯形图，其它程序见附录。 16 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 17 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图4-5 冷却机主程序梯形图 4.3 触摸屏控制画面及其通讯 4.3.1 触摸屏控制画面 打开触摸屏进入控制界面，设定冷却时间，系统默认冷却时间为0分钟，本材质的玻璃冷却时间为15分钟，在玻璃冷却时间窗口输入数字15，完成时间设定。点击手动画面按钮进入手动画面。 18 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图4-5 冷却机触摸屏主界面 手动画面:电机正转按钮和电机反转按钮为点动按钮，点击电机正、反转按钮实现传送带上链条的上行和下行。点击托盘气缸伸出按钮和托盘气缸缩回按钮实现托盘的伸出和回缩。按下复位按钮将冷却机复位。 图4-6 冷却机触摸屏手动界面 自动画面:点击启动按钮冷却机将开始自动运行(在自动运行之前冷却机必须处于复位状态)，按下停止按钮时，冷却机完成全部玻璃冷却后将停止工作。按下急停按钮冷却机将立即停止工作。 19 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图4-7 冷却机触摸屏自动界面 4.3.1 触摸屏与PLC建立通信 图4-8 设置通讯方式 图4-9 “通用串口父设备”通信参数设定 20 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图4-10 实时数据库变量设定 图4-11 编辑变量名称对应PLC地址 21 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 五、结论 本设计应用变频器实现了对电机的速度和方向控制，使得冷却机平稳运行，减少了玻璃在冷却过程中的损伤。冷却时间的改变实现了冷却过程中温度的控制。应用PLC向机械手发出动作指令实现了玻璃的搬运控制，完成了玻璃的准确摆放，减少了人工及高温对人体的烫伤，降低了投入，提高了产品质量。应用PLC和触摸屏相结合的控制，使得冷却机具有操作简单、自动报警、时实监控的功能，实现了冷却机的自动运行。 总结 经过近两个月的努力最终完成了毕业设计，这不仅是一份设计，而是对所学知识的总结与突破。通过这次毕业设计，我们了解到了做一个系统的基本常识，为我们以后从事技术工作打下良好的基础。在设计的过程中遇到许多问题，在老师的指导下，通过查资料，把问题都一一解决。另外在设计的过程中还得到同学的帮助，对于良师益友的帮助，我深表感谢。同时也感谢学校提供给我们一次提高的机会，我在此深表感谢。 22 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 参 考 文 献 [1] 廖常初,《PLC基础及应用》,北京, 机械工业出版社,2004 [2] 王兆义,《可编程序控制器教程》,北京,北京机械工业出版社 2005 [3] 王永华. 《现代电气控制及PLC应用技术》,北京,北京航天大学出版社 2003 [4] 张文明. 《嵌入式组态控制技术》. 北京,中国铁道出版社,2014 [5] 许 廖. 《电机与电气控制技术》. 北京,机械工业出版社,2010 [6] 陶 权. 《PLC控制系统设计、安装与调试》. 北京,北京理工大学出版社,2009 23 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 附录 24 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 25 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图1 自动程序 26 汽车天窗玻璃冷却机控制系统的设计 白乾印 图2 手动程序 27