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题 目: 啤酒桶清洗机设计
论 文 摘 要
本设备是专为啤酒桶的清洗、消毒设计的。该设备可以自动完成清洗消毒及CO2备压等全部工序。本设备适用桶的尺寸为高度H360—H560，直径Φ250—Φ500。本机主要由机架、电气控制箱、电磁阀、气动元件、气冲系统和水路系统组成。本机控制单元采用以三菱公司的可编程控制器为核心对机器进行全过程控制。由于可编程控制器在工业控制方面的应用意义日趋明显，已在机械制造、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用。它具有功能强大、使用可靠、维修简单等许多优点，并且在很多地方已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。本文讨论的是PLC在实际工业控制系统的应用。
关键词：
ＰＬＣ 管路系统 清洗机
1
Abstract
This equipment designed for cleaning and sterilizing casks. The equipment is automatic. The key processes contain discharging remnants, swilling with water, swilling with disinfectant, swilling with aseptic water and inflating with CO2. The height of cask is 360—560.The diameter is 250—500. The equipment is made of chassis, control unit, electromagnetic valve and piping. The center of manipulative unit is the MITSUBISHI PLC. PLC controls all of the running processes. Applied meaning that programmable logic controller have in its control the aspect in the industry gradually obvious, combine at manufacture，generate electricity, chemical engineering, electr
onics etc profession craft the equipment's electricity control the aspect got the extensive application. It have the function strong and big, the usage is dependable, maintain the many advantage of simple etc., and already and gradually replaced after the logic control of the electric appliances electric circuit in a lot of places. But what the text discussion is a PLC in the actual industry to control the system's application.
II
Key Words:
PLC Piping Cleaning Machine
目 录
论 文 摘 要 ....................................................................................................................................... I 关键词： ............................................................................................................................................. I ABSTRACT ..................................................................................................................................... II KEY WORDS: ................................................................................................................................ III 目 录 .......................................................................................................................................... III 前言 .................................................................................................................................................... V 第1章 机器总体设计方案 .............................................................................................................. 6 1.1 清洗机的可行性报告. ............................................................................................................ 6 1.2 清洗机的用途特点 ................................................................................................................. 6 1.2.1清洗机用途及使用范围 ................................................................................................... 6 1.2.2啤酒桶简介....................................................................................................................... 6 1.2.3清洗特点 .......................................................................................................................... 7 1.3机器总体设计方案 .................................................................................................................. 9 第2章 机架的设计 ......................................................................................................................... 11 2.1 焊接简介 ............................................................................................................................... 11 2.1.1焊缝布置 ......................................................................................................................... 11 2.1.2焊接方法的选择 ............................................................................................................. 12 2.1.3 焊接接头 ....................................................................................................................... 12 2.2不锈钢简介 ........................................................................................................................... 12 2.3 机架的设计 .......................................................................................................................... 15 第3章 管路的设计 ................................................................................................................. 20 3.1管路的设计 ..................................................................................................................... 20 3.2 清洗头的设计 ............................................................................................................. 20 3.2.1.清洗头的受力分析： ..................................................................................................... 21 3.2.2弹簧的设计：................................................................................................................. 22 3.3 器件选型 ......................................................................................................................... 23
III
3.3.1.选择液压泵，电机： ..................................................................................................... 23 3.3.2选择气缸：..................................................................................................................... 24 3.4 水 箱 .............................................................................................................................. 25 第4章 电路的设计 ................................................................................................................. 29 4.1电路设计 .......................................................................................................................... 29 4.2器件介绍 .......................................................................................................................... 29 4.2.1电机 ................................................................................................................................ 29 4.2.2.固体继电器..................................................................................................................... 31 4.2.3 低压断路器.................................................................................................................... 34 4.2.4整流、滤波..................................................................................................................... 35 第5章 PLC程序的设计 ............................................................................................................... 39 5.1 PLC技术基本原理 ....................................................................................................... 39 5.1.1 PLC的发展历程 ......................................................................................................... 39 5.1.1 PLC的体系结构 ......................................................................................................... 40 5.1.3 PLC的通信联网 ......................................................................................................... 42 5.1.4 PLC的工作原理 ......................................................................................................... 42 5.2 PLC控制程序设计 ..................................................................................................... 44 5.2.1 PLC控制系统的设计基本原则 ................................................................................. 44 5.2.2 PLC编程步骤 ............................................................................................................. 44 5.2.3 PLC提供的编程语言 ................................................................................................. 44 5.3 I/O分配表 ......................................................................................................................... 46 5.4 语句表 ................................................................................................................................ 51 第6章 结论 .................................................................................................................................. 54 6.1关于机器 .......................................................................................................................... 54 6.2关于设计 .......................................................................................................................... 54 致 谢 ............................................................................................................................................ 56 参 考 文 献 .................................................................................................................................... 57
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前言
啤酒桶清洗机使用广泛,而本设计采用PLC控制。安全可靠易修复。为了对整个设计进行详细的说明，特编写以下章节。书中着重讲了总体设计方案及可行性。全面介绍了所采用的材料及所用到的元件。并且阐述了其工作原理和工作环境。随着科学技术的发展以及具体使用环境的变化，设计和介绍中难免有不足之处，恳请指教。
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第1章 机器总体设计方案
1.1 清洗机的可行性报告.
随着社会的发展,人们生活水平的提高。人们可以花更多的时间和金钱
来改善自己的饮食.许多场合都将用到啤酒,而且这个市场也越来越大.所以生产啤酒及保鲜的桶也将随之增涨,因而对于啤酒桶的清洗也是一次重要工种和很大的市场.本设备就是在这种情况下萌生的设计,既然是将投入应用,同样是清洗消毒的设备,那就要考虑其性能比,这就要求其在保证功能和质量的前提下.所需费用要有优势.本设备采用PLC全程控制.所用的材料都考虑了使用条件和范围以及所需费用.其工作过程为排残液---清水冲洗----消毒液冲洗---无菌水冲洗--- CO2备压.操作简单,效率高,易于大规模和单个用户使用.
1.2 清洗机的用途特点
1.2.1清洗机用途及使用范围
本设备是专为啤酒保鲜容器（包括不锈钢、塑料保鲜桶及扎啤桶）的清洗、消毒设计的。该设备可以自动完成清洗消毒及CO2备压等全部工序。本设备为倒置清洗方式适用桶的尺寸为高度H360—H560，直径Φ250—Φ500即容积为5L，10L，20L的标准啤酒桶。
主要结构：本机主要由机架、电气控制箱、电磁阀、气动元件、气冲系统和水路系统组成。
工作原理：本机控制单元采用以三菱公司的可编程控制器为核心对机器进行全过程控制。主要工作过程为排残液—清水冲洗—消毒液冲洗—无菌水冲洗—CO2备压。 1.2.2啤酒桶简介
啤酒桶的结构简图如图1.4所示
灌酒时酒液由酒矛（以下简称内圈）注入可减少泡沫的产生以保证酒液内
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CO2的含量，出酒时可在酒桶顶部安装上置式出酒器由桶内CO2备压将酒压出，也可以在酒桶下部安装下置式（水龙头式）的出酒器。由于出酒器接口并不存在清洗困难的问题且出酒器不在本设计研究范围内，所以啤酒桶结构简图中没有画出下置式出酒器的接口位置. 1.2.3清洗特点
（1）清洗时，每次清洗液均由内圈注入，由内圈注入可利用清洗液的压力直接冲刷酒桶底部。
（2）洗液注满后进行气冲，即内外圈同时充入大量气体使桶内清洗液“沸腾”，用气泡破裂的力量清洗酒桶内壁，排液时内外圈同时排液。为保证酒桶内尽可能不含氧气及不洁净气体，所以气冲时用CO2。
（3）为保证出酒压力和酒液品质，最后应进行CO2备压。
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密封元件垫板弹性元件连接板
图1..2..3清洗内部结构简图
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1.3机器总体设计方案
本机的输出状态为喷嘴射流作业。受酒桶结构限制，清洗其内壁时只能将酒桶倒置于工作台上以便清洗液全部排空。本机可以清洗不同容积的酒桶，标准容积的酒桶出口结构尺寸也都是一样的，所以在充入液体或气体压力一定的情况下，注满的时间不同。所以通过改变各个控制阀开闭的时间就可以满足清洗不同容积的桶的要求。
本机由一个工人站立操作。由人体工程学可知站姿的操作范围如图1.5 所示。整个操作过程是：将酒桶搬起倒置于工作台上，按启动开关机器自动运行，整个清洗完成后再将酒桶搬下。本机拟一次同时清洗两只酒桶，这样既可以提高工作效率，也不致使工人一次搬运过多酒桶而产生疲劳感。
由于本机的输出状态为喷嘴射流作业，这就要求控制系统要对流体进行有效控制。现在一般都采用PLC进行控制。
本机拟用气动元件对主管路进行控制而PLC则对各气动元件进行控制。这样做是考虑到机器的工作环境。应用本机的单位是各啤酒厂。“结露”是啤酒厂车间内的环境特点，因此必须考虑电气元件的防潮。如果直接用电磁阀控制主管路，则难于对电磁阀进行保护。
气控方式对环境要求小，工作寿命长，价格低，维护简单，可高速动作，操纵距离长，且本机所要求的控制压力低，所以气控方式适合本机要求。
本机主要由机架、电气控制箱、电磁阀、气动元件、气路系统和水路系统。工人在操作时应较轻松地将酒桶搬至工作台和操作各个开关，应清楚的看到操作面板的工作进程显示，应清楚的看到各仪表示数和个气控阀的工作状态。所以本机结构初步安排为总高2000mm，工作台高度800mm。各气控阀布置在工作台下方。操作面板高度为1400mm（工作台高度+酒桶最大高度560）。各电磁阀、电控元件安装在电气控制箱内。用气缸对酒桶夹紧，气缸布置在酒桶顶端控制箱两侧。水箱、消毒液箱布置在工作台下方，气控阀后方。
由于对无菌水的保存使用有特殊要求所以无菌水箱由用户自备，其电机和无菌水泵在现场布置安装。本机只安装清水和消毒液用电机，但本机控制单元扔对无菌水用电机进行控制。
本机的清水压力，消毒液压力，无菌水压力均为0.3MPa，气冲压力为0.3MPa，二氧化碳备压压力为0.5MPa。消毒液配方由用户自定。
本机工作能力为30—100桶/小时。
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图1..3 站姿操作范围10
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第2章 机架的设计
机架是一个多功能构件，是整机的基础，要求有足够的静动刚度，热变形对精度的影响尽可能小，原始精度和尺寸的稳定性要好，外型美观，运输安装方便。在这些要求当中，强度和刚度是机架的基本技术指标。在许多情况下，刚度尤为重要。本机为单件小批量生产，可用焊接机架。焊接机架与铸造机架相比具有强度高、刚性好、重量轻、生产周期短、施工简便的特点.本机管道内流体具有氧化性、腐蚀性，所以机架、管道等有可能与液体相接触的部分选不锈钢1Cr18Ni9Ti。
2.1 焊接简介
焊接是指利用加热或热加压，或两者并用的方法，使分离的金属零件形成原子间的结合的一种加工方法。它是现代工业生产中用来制造各种金属结构和机械零件的一种主要工艺方法。
焊接结构工艺设计焊接结构件种类各式各样，在其材料确定以后，对焊接结构件进行工艺设计主要包括三方面内容：焊缝布置、焊接方法选择和焊接接头设计等。 2.1.1焊缝布置
焊缝布置是否合理，直接影响结构件的焊接质量和生产率。因此，设计焊缝位置时应考虑下列原则：
（1）焊缝应尽量处于平焊位置各种位置的焊缝，其操作难度不同。以焊条电弧焊焊缝为例，其中平焊操作最方便，易于保证焊接质量，是焊缝位置设计中的首选方案，立焊、横焊位置次之，仰焊位置施焊难度最大，不易保证焊接质量。
（2）焊缝要布置在便于施焊的位置焊条电弧焊时，焊条要能伸到焊缝位置。点焊、缝焊时，电极要能伸到待焊位置。埋弧焊时，要考虑焊缝所处的位置能否存放焊剂。设计时若忽略了这些问题，无法施焊。
（3）焊缝布置要有利于减少焊接应力与变形接头处的硬化组织，影响加工质量，焊缝布置应避开机加工表面。
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2.1.2焊接方法的选择
各种焊接方法都有其各自特点及适用范围，选择焊接方法时要根据焊件的结构形状及材质、焊接质量要求、生产批量和现场设备等，在综合分析焊件质量、经济性和工艺可能性之后，确定最适宜的焊接方法。选择焊接方法时应依据下列原则：
(1)焊接接头使用性能及质量要符合结构技术要求
选择焊接方法时既要考虑焊件能否达到力学性能要求，又要考虑接头质量能否符合技术要求。如点焊、缝焊都适于薄板轻型结构焊接，缝焊才能焊出有密封要求的焊缝。焊接低碳钢薄板，若要求焊接变形小时，应选用 CO2焊或点（缝）焊，而不宜选用气焊。
(2)提高生产率，降低成本
如果是位于不同空间位置的短曲焊缝，单件或小批量生产，采用焊条电弧焊为好。氩弧焊几乎可以焊接各种的金属及合金，但成本较高，所以主要用于焊接铝、镁、钛合金结构及不锈钢等重要焊接结构。
(3)焊接现场设备条件及工艺可能性
选择焊接方法时，要考虑现场是否具有相应的焊接设备，野外施工有没有电源等。
此外，要考虑拟定的焊接工艺能否实现。 2.1.3 焊接接头
设计焊接接头设计包括焊接接头形式设计和坡口形式设计。设计接头形式主要考虑焊件的结构形状和板厚、接头使用性能要求等因素。设计坡口形式主要考虑焊缝能否焊透、坡口加工难易程度、生产率、焊条消耗量、焊后变形大小等因素。焊接接头形式设计焊接接头按其结合形式分为对接接头、盖板接头、搭接接头、T 形接头、十字形接头、角接接头和卷边接头等。
2.2不锈钢简介
不锈钢是指在大气、酸、碱或其它化学侵蚀介质中能抵抗氧化和腐蚀的高合金钢。不锈钢与高合金耐热钢都属于高合金钢，而且都含有大量铬元素。有许多不锈钢既能满足不锈钢耐化学介质腐蚀性能的要求，也能满足耐热钢
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热强性和热稳定性的要求，因此也可列入耐热钢范畴，例如，１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ、１Ｃｒ１３、２Ｃｒ１３钢等。本机架选用１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，属奥氏体钢。
奥氏体钢有两类：一类是高铬镍钢，例如１８－８型钢、２５－２０型钢等，另一类是高铬锰氮钢。奥氏体钢在加热和冷却过程中一般不发生组织转变，仅有碳化物的溶解和析出，在室温下主要为奥氏体组织。其中，１８－８型钢主要用作不锈钢，其在氧化性、中性及弱氧化性介质中的耐蚀性胜过高铬不锈钢，室温及低温韧性也是铁素体钢不能比拟的；２５－２０型钢主要用作热稳定钢。如果高铬镍钢提高含碳量，也可用作热强钢。而高铬锰氮钢则主要用作不锈钢。
奥氏体钢的焊接性比马氏体钢和铁素体钢都好。但是，当焊接工艺制定不当时也会出现一些问题。主要问题如下： １
焊接热裂纹问题
焊缝和近缝区均可能产生热裂纹。最常见的是在焊缝金属中产生结晶裂纹，有时在近缝区也会产生液化裂纹。钢中的含镍量越高，产生热裂纹的倾向越大，因此，２５－２０型奥氏体钢比１８－８型奥氏体钢热裂纹倾向大。
２
焊接接头腐蚀问题
焊接接头有可能产生两种腐蚀问题：
（１）晶间腐蚀 焊接接头有三个部位有可能产生晶间腐蚀：①焊缝晶间腐蚀；②敏化区腐蚀；③近缝区刀状腐蚀（见图９－９）。这三种晶间腐蚀不会在同一接头上同时出现。其中，焊缝晶间腐蚀发生在采用单纯的１８－８型焊接材料焊接１８－８型钢以后，焊缝又经受了６００～１０００°Ｃ加热的情况下，或多层焊时前层焊缝受到后层焊缝６００～１０００°Ｃ加热的区域；敏化区腐蚀发生在不含稳定化元素（如 Ｔｉ、Ｎｂ等）而又不是超低碳的１８－８型钢的热影响区中加热温度达到６００～１０００°Ｃ 的区域；近缝区刀状腐蚀只发生在含有 Ｔｉ、Ｎｂ等稳定化元素的奥氏体钢接头的近缝区。
（２）应力腐蚀 由于奥氏体钢的导热系数小、线膨胀系数大，在焊接不均匀加热的情况下，接头处很容易产生较大的焊接残余拉伸应力，因而在与钢材匹配的介质共同作用下容易产生应力腐蚀。例如，ＭｇＣｌ２、ＣａＣｌ２等对奥氏体钢并无腐蚀作用，但对有焊接残余拉伸应力的接头却有腐蚀开裂作用。有资料表明，焊接接头过热区对应力腐蚀开裂最为敏感。
３
焊接接头脆化问题
奥氏体钢在生产中用途很广，可以用在耐蚀、耐热、耐低温等各种工作
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条件下，但在不同的工作条件下对焊接接头性能的要求不同。如果用作工作在室温或３５０°Ｃ以下的不锈钢，主要要求其具有耐蚀性；如果用作热强钢，则要求其在高温下有足够强度的同时，有足够的塑性和韧性；如果作为低温钢，则主要要求接头有良好的低温韧性。但是，如果焊接工艺制定不当，则可能产生高温脆化问题和低温脆化问题。
（１）高温脆化 高温下进行短时拉伸试验和持久强度试验表明，当奥氏体钢焊缝中含有较多铁素体化元素或较多的δ相时，都会发生显著的脆化现象。一般认为与铁素体化元素促使析出σ相和由δ相能直接转变成
σ相有关。铁素体δ越多，影响越严重，因此要求长期工作在高温的焊缝中所含的δ相数量应当小于５％。
（２）低温脆化 试验表明，奥氏体钢焊缝中一次铁素体δ相不仅能引起高温脆化，而且也能引起低温脆化，δ相数量越多，低温脆化越严重。因此，为了满足低温韧性的要求，最好不采用γ＋δ双相组织，而应取得单相奥氏体组织。实际上即使采用单相奥氏体组织，其低温韧性也低于经固溶处理的母材。
一般来说，奥氏体钢预热是没有益处的，因为焊前预热能促进碳化物的析出和引起焊件变形。但是，当焊件刚性极大的情况下，为了避免裂纹产生，有时不得不进行焊前预热。焊接奥氏体钢原则上不进行焊后热处理，只有在接头发生了脆化或需要提高其耐蚀性时才进行焊后热处理。热处理方式主要有两种：固溶处理和稳定化处理。其中：固溶处理用于对耐蚀性要求很高，且焊接时析出了碳化物和脆性相（如σ相）的焊件。其方法是将焊件均匀地加热到１０５０～１１５０°Ｃ，保温１ｈ，使析出相重新溶入奥氏体，然后快速冷却。原则上只能整体加热，不能局部加热。稳定化处理是将焊件加热到８５０～９３０°Ｃ，一般保温２ｈ后空冷。这样可以加快铬在奥氏体中的扩散速度，使铬能向晶界迁移，从而消除晶界处由于析出铬的碳化物而产生的贫铬现象，使金属耐晶间腐蚀的能力提高。这种方法同时也能起到降低焊接残余应力的作用。
１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ的化学成分（质量分数，%）： C≦0.12，Si≦1.00，Mn≦2.00，P≦0.035，S≦0.030
Ni 8.00—11.00，Cr 17.00—19.00，Ti 5（C%-0.02）—0.80
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2.3 机架的设计
机架的设计见图2.3。 机架危险部分的校核:
在机架的结构中，主要受力部分为台面横梁，该横梁承受的静载为酒桶及桶内液体的重力和气缸对酒桶的夹紧力，承受的冲击为安放酒桶时酒桶对清洗头的冲击。当台面横梁失效时，工作台面要替代横梁承受上述力。此外台面还要承受其他外力，如工人扶住台面时，台面要承受人的压力。所以，要对上述两部件进行分析。根据设计，两部件均可视为悬臂梁。
对横梁分析如下：
梁的挠曲线方程为：
Fx2(x3l)
6EI其挠度为：
Fl31000*0.343B1.04*104m 1173EI3*2*10*6.3*10
其转角为：
Fl21000*0.3424B4.6*10rad 1172EI2*2*10*6.3*10受力图
ω F=1KN x A l B
剪力图 Fs
x 15
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-F
弯矩图 M
x -Fl
图3.1 梁的分析
梁的剪力为：
Fs(x)=-F=-1000N 0< x ≤l
弯矩为：
M(x)=-Fx=-1000*0.34=-340Nm 0≤x≤l
弯曲应力的校核：
max
截面惯性矩为：
Mmaxymax340*0.0472.159*10Pa≤[σ]=170MPa 7IZ6.3*104a14a2Iz=12126.3*107,a10.08m,a20.076m
a12
结论：横梁安全。
对台面的分析如下：
台面为整张不锈钢板，正常工作时几乎不受力，当其下方横梁失效时，台面要承受两根横梁所承受的力，所以也可以把台面的受力情况简化为悬臂梁受力，力的大小为两根横梁各自1000N，和其他外力1000N，共3000N。悬臂梁的截面按3mm*3mm计算。
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受力图见图3.3
梁的剪力为：
Fs(x)=-F=-3000N 0< x ≤l
弯距为：
M(x)=-Fx=-3000*0.475=-1425Nm 0≤x≤l
弯曲应力的校核：
max
截面惯性矩为：
Mmaxymax1425*0.001584.75*10Pa≤[σ]=170MPa 9IZ4.5*10
a1430.003Iz=12=4.5*109
a162 结论：台面结构安全。
为进一步提高横梁和台面的可靠性，在两者之间加支柱可以更好的改善两者的受力状态，主要是可以改善横梁的受力状态，使横梁在承受静载时台面可对其施加一部分拉力以减轻横梁所受的合力。在台面受力时，也可以借助横梁支架进行支撑。 受力图
ω F=3000N
x
A l B
剪力图 Fs
x
-F
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弯矩图
M
x
-Fl 图3.2 台面的受力分析
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毕业设计（论文） 图2.3 机架装配图 19 毕业设计（论文）
第3章 管路的设计
3.1管路的设计
本机的清水压力，消毒液压力，无菌水压力均为0.3MPa，气冲压力为0.3MPa，二氧化碳备压压力为0.5MPa，压力继电器工作压力为0.65MPa。按设计要求管路图如图4.1所示。清水箱，消毒液箱直接用机器自带的两个盛液箱。供清水和消毒液的电机、泵、溢流阀安装在机身上。无菌水箱由用户自行解决。供无菌水的电机、泵、溢流阀及其管路在现场布置安装。
硬管尺寸用外径定寸，外径定寸管比通径定寸管更坚固更整洁，容易弯成系统所需要的形状，具有各种成品管接头选用。材料选用不锈钢。
软管用聚氨酯管，其中备压管的尺寸是外径8mm、内径5mm，其余管路的尺寸为外径6mm、内径4mm。
气冲是指短时间内将大量气体充入装有液体的酒桶内，借用气泡上升破裂的力量清洗桶内表面。将气体充入桶内必然要有液体流出，本机控制系统的处理方式为：充气时不排水，排水时不充气，充气和排水的时间有控制器决定。以10L桶为例，排水阀和充气阀的工作顺序为（X：闭合，O：打开）：
排水阀 X X O X O X O X O X 充气阀 X O X O X O X O X X
3.2 清洗头的设计
由于酒桶的出酒口结构特殊，清洗时必须兼顾内壁和酒矛，这就要求针对其设计特殊结构的清洗头，如图3.2.1所示。清洗头工作状态如图3.2.2示。
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图3.2.1清洗头装配图
3.2.1.清洗头的受力分析：
清洗头工作时受到的压力为1000N，其中气缸输出压力为800N，酒桶及桶内液体重200N。由图4.2可知其结构中最薄弱的地方应该是7喷头杆与9分配座相配合的部分，其形状是内径16mm外径20mm的环形管，壁厚为2mm。整个系统可视为两端固定的压杆。为保证其稳定性，对其用安全系数法进行校核：
柔度计算。z*lix*lIzA0.5*0.1529
0.0084D4(1()4)式中I=
对不锈钢 0dD32，A=
(D2d2)4
as46130660 b2.57因为0，所以是小柔度杆。压杆的临界力Fcr为
Fcr02A=306MPa*0.000113m=34578N
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Fcr3457834[nw]2 Fp1000再对压应力进行校核：
N/A1000/0.0001138850000Pa8.85MPa≤[p]=200MPa
结论：此结构安全。
3.2.2弹簧的设计：
初选圆柱螺旋弹簧，其受力为静载压缩，F=1000N
（1）选材。该弹簧用于阀门内部所以选65Mn。许用切应力[p]=785MPa （2）初选旋绕比C为8，计算K
4C10.615310.615K=1.223 4C4C285（3）根据安装空间设弹簧中径D2为48mm，根据C值查表取簧丝直径d为5.5mm。
（4）计算簧丝直径d'≥1.6
PmaxKC1000*8*1.2231.60.0055m，取d=6mm []785*106
（5）求圈数n，对压缩弹簧
Gd78500*106*0.0055n=*0.02=8.635，n取8 3max38PmaxC8*1000*5（6）计算其他数据并与安装空间比较：
中径D2=cd=0.048m 内径D1= D2-d=0.042m 外径D= D2+d=0.054m
节距p=0.28 D2=0.013m 长度H=np+3d=0.12m 经过验证符合要求
（7）验算稳定性。该弹簧由于套在管上所以不会失稳
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3.3 器件选型
3.3.1.选择液压泵，电机：
(1)选择泵
已知各桶内射流压力为0.3MPa，设水路压力损失为0.05MPa，则液压泵的最高工作压力为：
pP=P+ΣΔp=(0.3+0.05)MPa=0.35MPa
在泵的最高工作压力上考虑再加上25%的压力储备,所以泵的额定压力为:
p=0.35+0.35*25%=0.4375MPa
取泄漏系数k为1.1,计算泵的流量:
设喷嘴的流量为1L/s,即60L/min, 注满容积为5L、10L、20L的酒桶的时间大约为5s、10s、20s。 所以泵的流量为:
Qp≥kQ=1.1*60L/min=66L/min
应再加上系统中溢流阀稳定工作的最小溢流量,一般为3L/min．查产品样本选ＹＢ型定量叶片泵．
额定压力p=7.0MPa， 转速n=1000-1500r/min， 排量V=48mL/r， 容积效率ηv=0.95
求得液压泵输出的实际流量为
qv=qvtηv=Vnηv =48*103*1450*0.95=66.12L/min
液压泵输出功率为
P0=p qv=0.4375*106*66.12*103/60=0.483KW
(2)选择电机 电机功率为
Pi= P0/η=0.483/0.9=0.536 KW
23
毕业设计（论文）
选YL7114型单相电机.
额定转速n=1450r/min 额定功率P=550W
3.3.2选择气缸：
(1)选择气缸的行程:
本机设计适用桶的尺寸为高度H360—高度H560.气缸的主要作用是夹紧酒桶,桶的直径为Φ250—Φ500,因此必须要在活塞杆上加垫使作用在桶底部的力分散,所以要预留垫的厚度和方便搬动的空间40mm.通常还应考虑各种非标桶的高度.所以气缸的行程定为400mm.
(2)选择缸径:
当气缸以推力做功时,缸径大小由下式得
D=
4F推ps=
4*800=47.6mm
*0.5*106*0.9圆整得50mm.式中F推为气缸输出推力取800N,ps为气缘压力取0.5MPa,η为效率取0.9.
选择活塞杆直径:
4F推4*800d≥==0.00225m
*200*106[p] 由于活塞杆行程定为400mm,当活塞杆的长度L≥10d时即d≥40mm时按强度条件计
算得只要杆径大于3mm即满足需要。当活塞杆的长度L<10d时，按纵向弯曲极限力计算,这时活塞杆直径与长度须同时考虑, 活塞杆直径不仅和外载荷有关,而且和长度及安装形式、材料的性能有关。
普通气缸的活塞杆材料为不锈钢，其柔性系数m为85。本设计中气缸的安装形式是一端自由一端固定，故取端点安装形式系数n为0.25。mn=4.25。
活塞杆截面曲率半径K=0.25d
当
LnEI2 毕业设计（论文） 64FL264*800*0.424d≥==1.3*10m 2211nE*0.25*2.1*10IfAd2L当>mn时,F=,将A=,K==0.25d代入得 l2A4K1()nKd≥0.01m 由上述三种情况讨论得知只要气杠杆径大于10mm即可满足使用要求． （３）耗气量的计算： 对单作用气缸有 Qv=Ln 0.50.12(psp0)D=0.4*1**0.052*=0.00471m3=4.71L p00.144（４）活塞杆的运动速度 全部行程要求4s完成，即v=0.1m/s。 综合上述几方面条件可选气缸型号为ＩＧＱ50*400 3.4 水 箱 机器工作时要消耗大量的水，需要随时补充。为方便水的补给，减轻劳动强度，减少操作步骤，水箱上部进水设有机械式铜浮球阀，下部放水设有手动球阀。 水箱容积为700*500*900，单位mm。 水箱内设过滤网，过滤网用不锈钢网自制。 25 毕业设计（论文） 器件选型列表 名称 型号 两位两通电磁阀 OK61- 25 10 两位两通手动阀 D1VL22-10 1 三位四通电磁阀 K35HD-10 1 三位四通手动阀 D1VL35-10 1 两位两通气控阀 不锈钢角座阀φ25 9 减压阀 395-10 2 气缸 IGQ50*400 2 泵 YB型定量叶片泵 溢流阀 EUR25 压力继电器 HED 压力表 指针式 浮球阀 GD-53/4 球阀 ZJ-23/4 软管 聚氨酯φ5 10m 聚氨酯φ8 硬管，接头按装配图执行 数量 3 3 2 2 2 2 2m 26 毕业设计（论文） 图3.1管路设计图 27 毕业设计（论文） 图3.2.2清洗头工作示意图 28 毕业设计（论文） 第4章 电路的设计 4.1电路设计 电路图见图4.1，图4.2。 超压显示： 当管路内压力达到0.65MPa时，压力继电器动作，电路全部切断，这时可由扣式电池供电使超压指示灯亮。电路如图4.3所示。 KP1 KP2 +3V 0 图4.3 超压显示电路 电气控制柜用不锈钢板焊接，要求密封良好，防止“结露”现象对电路工作造成影响 4.2器件介绍 4.2.1电机 单相异步电动机就是指用单相交流电源的异步电动机。由于只需要单相电源供电，使用方便，因此被广泛应用于工业和人民生活的各个方面，如电风扇、电冰箱、洗衣机、空调设备、电动工具和医疗器械中都使用单相异步电动机作为原动机。与同容量的三相异步电动机相比较，单相异步电动机的体积较大、运行性能较差、效率和功率因数稍低，因此一般只做成小容量的。我国现有产品功率从几瓦到几百瓦。单相异步电动机具有结构简单、成本低廉、噪声小等优点。 （1）单相异步电动机的运行原理 单相异步电动机的运行原理和三相异步电机基本相同，但有其自身的特点。从结构上看，单相异步电动机与三相笼型异步电动机相似。其转子也为普通笼型转子，差别仅在于定子绕组。其定子绕组为一单相工作绕组，但通常为起动的需要。定子上除了工作绕组外，还设有起动绕组。它的作用是产 29 毕业设计（论文） 生起动转矩，一般只在起动时接入。当转速达到 70%-80%的同步转速时，由离心开关将其从电源自动切除，所以正常工作时只有工作绕组在电源上运行。但也有一些电容分相或电阻分相电动机，在运行时将起动绕组接于电源上。这实质上相当一台两相电动机，但由于它接在单相电源上，故仍称为单相异步电动机。根据定子两个绕组在定子上的分布以及供电情况的不同，可以产生不同的起动特性和运行特性。单相异步电动机可分为分相电动机和罩极电动机两大类型。 单相异步电动机的优点主要是使用单相交流电，但是单相异步电动机的 启动转矩等于零，不能自行启动。为了使单相异步电动机能够产生起动转矩，关键是如何在起动时在电动机内部形成一个旋转磁场。根据获得旋转磁场方式的不同，单相异步电动机可分为分相电动机和罩极电动机两大类型。 在分析交流绕组磁动势时曾得出一个结论：只要在空间不同相的绕组中通入时间上不同相的电流，就能产生一旋转磁场。这样，起动的必要条件是要求两相绕组中通入相位不同的两相电流。如何把工作绕组与起动绕组中通入的单相交流电电流相位分开，即所谓的 “分相”，就变成了单相异步电动机的十分重要的问题。分相起动单相异步电动机就是根据这一原理设计的。分相起动单相异步电动机包括单相电阻分相起动异步电动机、单相电容分相起动异步电动机、单相电容运转异步电动机、单相电容起动与运转异步电动机。 （2）单相电容分相起动异步电动机 单相电容分相起动异步电动机定子上有两个绕组：一个为工作绕组，另一个为起动绕组，两绕组在空间相差90度。在起动绕组回路中串接起动电容C，作电流分相用，并通过离心开关或继电器触点S与工作绕组并联在同一单相电源上。电容器的作用是使起动绕组回路的阻抗呈容性，从而使起动绕组在起动时的电流超前电源电压U一个相位角。由于工作绕组的阻抗是感性的，它的起动电流I滞后电源电压U一个相位角。若适当选择电容C，使流过起动绕组的电流I超前工作绕组起动电流90度相位角，这就相当于在电动机起动时，时间相位上互差90度的两相电流流入在空间相差90度的两相绕组中，这样可使电动机在起动时产生一个接近圆形的旋转磁动势，并在该磁场作用下产生较大的电磁转矩使电动机转动。 与电阻分相单相异步电动机比较，电容分相电动机的优点是：1如果电容器的电容量配得合适，能够作到使起动时起动绕组电流差不多比工作绕组电流超前90度电角度。2起动绕组的容抗可以抵消感抗使总的电抗值小些，所以起动绕组的匝数不像电阻分相时受到限制，可以多些，从而可以增大起动 30 毕业设计（论文） 绕组的磁动势。以上两点都可使得电动机在起动时能产生一个接近圆形的旋转磁动势，得到较大的起动转矩。3由于启动绕组电流和工作绕组电流接近90度电角度，合成的线电流比较小，所以电容分相起动的单相异步电动机的起动电流较小，起动转矩却比较大。这种电动机的起动绕组是按短时工作设计的，在起动绕组回路中也串接了一个起动开关，所以当电动机转速达75%-80%同步转速时，起动开关动作，起动绕组和起动电容器C就在离心开关S的作用下自动退出工作，使起动绕组脱离电源。这时电动机就在工作绕组单独作用下运行。在转子转速上升的过程中，起动绕组电流加大，电容器的端电压会升高，起动开关及时动作可以降低对电容器耐压的要求。电容分相起动单相异步电动机改变转子转向的方法同电阻分相起动单相异步电动机一样。 （3）单相异步电动机的选择 当电动机输出功率大于250W时，最好采用电容起动和运转电动机，也可选用电容起动或电阻起动电动机。具体选择哪一种？可从价格和起动性能方面权衡利弊来选用。对于大于550W的电动机，可选用电容起动电动机。因为在大功率范围内电阻起动电动机的起动电流太大。 4.2.2.固体继电器 固体继电器（亦称固态继电器）英文名称为Solid State Relay，简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。 （1）SSR优缺点及使用场合 固体继电器具有如下主要特点： A.控制功率小只需输入很小的工作电流，SSR 便能正常工作，并能方便地与 TTL、DTL、HTL 和 CMOS 集成电路相配合，广泛应用于各种电子设备中。其输出部分采用大功率晶体管或可控硅元件来控制、接通或断开负载和电源，具有很大的功率放大作用。 B.可靠性高由于 SSR 无触点，接触电阻小，因而工作可靠性高。它采用绝缘防水材料浇铸，适合在潮湿和有腐蚀性气体的场合使用。SSR 内部没有可动部件，因而具有耐振动和抗冲击的能力。 31 毕业设计（论文） C.抗干扰能力强SSR 对系统的干扰小，同时自身抗干扰能力也强。它没有接点跳动，消除了因火花导致的电磁干扰。另外，由于交流型 SSR 采用了过零触发技术，具有零电压、零电流断开的特性，从而能有效地降低线路中的 dv/dt和 di/dt，使得它对外界的电磁干扰降到最低限度。此外，由于SSR 在输入与输出之间采取了光电隔离等措施，其抗干扰能力也相 应明显提高。 D.动作快SSR 由电子元件组成，响应快，对直流 SSR，响应时间小于几十微秒，比电磁继电器的速度提高近千倍。对过零交流 SSR，其转换时间 也不大于市电周期的一半（即十毫秒）。 E.寿命长SSR 属于永久性或半永久性电子器件，若使用得当，其寿命比普通电磁继电器使用寿命要高得多。 F.能承受的浪涌电流大SSR 能承受的浪涌电流可为其额定值的 6 ---- 10 倍。 G.对电源电压的适应范围广交流型 SSR 的工作电压可以在 30---- 220V 内任意选择。 H.耐压水平高SSR 输入与输出之间的介质耐压可达 2.5kV 以上。需要指出的是，尽管 SSR 有上述众多优点，但与传统的机电式继电器相比，仍有不足之处，如漏电流大，接触电压大，触点单一，使用温度范围窄，过载能力差及价格偏高等。 固体继电器目前已广泛应用于计算机外围接口装置，电炉加热恒温系统，数控机械，遥控系统、工业自动化装置；信号灯、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。 （2）SSR的分类 交流固体继电器按开关方式分有电压过零导通型（简称过零型）和随机导通型（简称随机型）；按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）；按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；另外输入端又有宽范围输入（DC3－32V）的恒流源型和串电阻限流型等。 A.SR为电流驱动型 在逻辑电路驱动时应尽可能采用低电平输出进行驱动，以保证有足够的带负载能力和尽可能低的零电平。 32 毕业设计（论文） B、SSR输入端的串并联 多个SSR的输入端可以串、并联，但应满足每个SSR高电平时，过零型触发电流大于5mA，随机型大于10mA,低电平电压小于1V。也即并联驱动电流应大于多个SSR的输入电流之和;串联时驱动电压应大于多个开启电压（以4V计算）之和。 （3）固体继电器电压等级的选取及过压保护 当加在固体继电器交流两端的电压峰值超过SSR所能承受的最高电压峰值时，固体继电器内的元件便会被电压击穿而造成SSR损坏，选取合适的电压等级和并联压敏电阻可以较好地保护SSR。 A、交流负载为220V的阻性负载时可选取220V电压等级的SSR。 B、交流负载为220V的感性负载或交流负载为380V的阻性负载时可选取380V电压等级的SSR。 C、交流负载为380V的感性负载时可选取480V电压等级的SSR（480V等级的SSR还具有更高的静态dv/dt指标）；其他要求特殊、可靠性要求高的场合如电力补偿电容器切换、电动机正反转等均须选取480V电压等级的SSR。 D、交流负载的电压小于100VAC以下场合时，选择固体继电器最好向我公司咨询定制。 SSR过压的保护：除SSR内部本身有RC吸收回路保护外，还可以采取并联金属氧化物压敏电阻（MOV），MOV面积大小决定吸收功率，MOV的厚度决定保护电压值。一般220V系列SSR可选取500V-600V的压敏电阻，380V系列SSR可选取800V-900V的压敏电阻，480V系列SSR可选取1000V-1100V的压敏电阻。 （4）固体继电器电流等级的选取及过流保护 过流（最严重的情况为负载短路）是造成SSR内部输出可控硅永久性损坏的最主要原因。快速熔断器和空气开关是过流保护方法之一，小容量SSR也可选用保险丝；许多负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，由于散热不及，浪涌电流与过流一样也是造成SSR内部输出可控硅损坏的最主要原因之一。因此选取固体继电器时，保证一定的电流余量是极其重要的。 A、阻性负载时，选取SSR的电流等级宜大于等于2倍的负载额定电流。 B、负载为交流电动机时，选取SSR的电流等级须大于等于6-7倍的电动机额定电流。 C、交流电磁铁、中间继电器线保、电感线圈等负载时，选取SSR的电流等级宜大于等于4倍的负载额定电流，变压器时要求大于等于5倍变压 33 毕业设计（论文） 器初级额定电流，特种感性、容性负载则应根据实际经验还须放大SSR的电流余量。 D、电力补偿电容器类负载时，选取SSR的电流等级须大于5倍的负 载额定电流。 （5）SSR的发热与散热： 单相SSR在导通时的最大发热量按实际工作电流×1.5W/A来计算，在散热设计时，应考虑到环境温度，通风条件（自然冷却、风扇冷却）及SSR安装密度等因素。 （6）电网频率： SSR应用于50Hz或60Hz的工频电网上，不宜于低频或高次谐波分量大的场合，如变频器输出端有多组负载需要分别切换，采用SSR作为开关则可能由于高次谐波使其不能可靠关断，并且高次谐波还可能使SSR内部的RC吸收回路因过热而炸裂。 固体继电器两交流端无极性。 SSR 24V DC 220V AC — 图4.2.2 SSR接线图 4.2.3 低压断路器 低压断路器俗称自动空气开关，是低压配电网中的主要电气开关之一，它不仅可以接通和分断正常负载电流、电动机工作电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电流。主要用在不频繁操作的低压配电线路或开关柜（箱）中作为电源开关使用，并对线路、电器设备及电动机等实行保护，当它们发生严重过电流、过载、短路、断相、漏电等故障时，能自动切断线路，起到保护作用，应用十分广泛。较高性能型万能式断路器带有三段式保护特性，并具有选择性保护功能。高性能万能式断路器带有各种保护功能脱扣器，包括智能化脱扣器，可实现计算机网络通信。低压断路器具有的多种功能，是 34 毕业设计（论文） 以脱扣器或附件的形式实现的，根据用途不同，断路器可配备不同的脱扣器或继电器。脱扣器是断路器本身的一个组成部分，而继电器（包括热敏电阻 保护单元）则通过与断路器操作机构相连的欠电压脱扣器或分离脱扣器的动作控制断路器。 4.2.4整流、滤波 负载总电阻按100欧计算，变压器副边有效值 U=U0/1.2=24/1.2=20V 二极管承受的最高反向电压 UDRM=2U=28V 由RC=5*T/2=5* 1502=0.02S知 C=0.05/R=500F 选用35V470uF 35 毕业设计（论文） 器件选型 名称 型号 数量 备注 单相电机 YL7114 550W 3 固态继电器 40A/220VAC 可编程控制器 FX1S-30MT 变压器 BK-100VA/AC24V 1 继电器 HH52P/24V 12 空气开关 DE47-2P/3A 3 带灯开关 KD10-121-R（G）224 2 指示灯 XDX124VG 8 熔断器 R3-12 变压器 ZBDG 1 整流桥 MB4S 1 控制柜 电容 8535V470Uf 1 接线端子排、线号、夹头、热缩管 3 1 红绿各一个绿色 10 不锈钢自制 若干 36 毕业设计（论文） 图4.1 电路图 37 毕业设计（论文） 图4.2 PLC主机接线图 38 毕业设计（论文） 第5章 PLC程序的设计 5.1 PLC技术基本原理 5.1.1 PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30%--40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。而对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，而且易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。 随着科学技术不断的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。因此今天这种装置被我们称作可编程控制器，不过我们还是习惯简称这种装置为PLC。 39 毕业设计（论文） 5.1.1 PLC的体系结构 PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如图5.1.2所示： 编程器 输入电路中央处理单元 输出电路 （CPU） （1）中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区, 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为止。 40 系统程序存储区 用户程序存储区 图5.1.2PLC硬件的基本结构 电源 毕业设计（论文） （2）存储器 与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的PLC。PLC的软件分为两部分: 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为应用程序存储器。 PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理， 其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。 A. 系统程序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。 B. 系统RAM存储区 系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备（例如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。 （A）I/O映象区 由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定数量的存储单元（RAM）以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit）, 一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit)。因此，整个I/O映象区可看作由开关量的I/O映象区和模拟量的I/O映象区两部分组成。 （B）系统软设备存储区 除了I/O映象区以外，系统 RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电子供电。使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部置“零”。 C．用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC其存储容量各 41 毕业设计（论文） 不相同，一般来说，随着PLC机型增大其存储容量也相应增大。不过对于新型的PLC，其存储容量可根据用户的需要而改变。 D．常用的I/O分类 常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 (三) PLC电源 PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的PLC，还是 中、大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负10%（15%）之间，因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。 5.1.3 PLC的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出\"网络就是控制器\"的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。 5.1.4 PLC的工作原理 PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式——扫描技术，既输入采样，用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作为一个扫 42 毕业设计（论文） 描周期。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等，如图5.1.4所示。 第(N-1)个扫描周期 第N个扫描周期 第(N+1)个扫描周期 输出刷新 输入采样 用户程序执行 输出刷新 输入采样 图5.1.4 PLC的扫描运行方式 （1）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态，并将它 们存入I/O映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化，I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC的CPU总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。 （3）输出刷新阶段 在输出刷新阶段，CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是PLC真正的输出。 43 毕业设计（论文） 5.2 PLC控制程序设计 5.2.1 PLC控制系统的设计基本原则 （1） 最大限度的满足被控对象的控制要求。 （2） 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维 护方便。 （3） 保证控制系统安全可靠。 （4） 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量 5.2.2 PLC编程步骤 具体编制一个PLC控制程序的基本步骤如下(其流程图见图5.2.2) 5.2.3 PLC提供的编程语言 (1) 标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点 A.它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。 B.梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。 C.梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。 44 毕业设计（论文） 确定系统必须完成的各项任务及其顺序 将PLC的I/O位分配给输入输出设备 编制PLC程序（梯形图或指令代码） 通过PC机、GPC或FIT输入程序至PLC 检查程序 有无错误 NO YES 修改程序 运行程序 有无错误 NO YES 调整程序 程序投入使用 图5..2.2 D.PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。 (2) 语句表语言，类似于汇编语言。 (3) 逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示 一个功能，左边画输入、右边画输出。 45 毕业设计（论文） 5.3 I/O分配表 输入 输入端子号 电器设备 X400 X401 输出端子号 Y430 Y431 Y432 COY433 Y434 Y435 Y436 Y437 Y530 Y531 Y532 Y533 Y534 Y535 CO 系统运行按钮SB1 急停按钮SB2 压力继电器常闭触点KP1 压力继电器常闭触点KP2 输出 电器设备 活塞下行接触器KM1 内外圈连通接触器KM2 2气冲接触器KM11 需回收废液接触器KM4 进清水接触器KM5 清水泵固体继电器SSR1 直接排放接触器KM6 进消毒液接触器KM7 消毒液泵固体继电器SSR2 循环使用接触器KM8 进无菌水接触器KM9 无菌水泵固体继电器SSR3 活塞上行接触器KM10 2备压接触器KM3 运行自锁接触器KM12 46 X402 X403 Y536 毕业设计（论文） 47 毕业设计（论文） 48 毕业设计（论文） 49 毕业设计（论文） 50 毕业设计（论文） 5.4 语句表 步序 指令 001 LD X400 026 OR M102 027 OR M103 002 OR 003 AND 004 ANI 005 ANI 006 OUT 007 OUT 008 LD 009 ANI 010 OUT 011 OUT 012 K 013 LD 014 ANI 015 OUT 016 LD 017 ANI 018 OUT 019 LDI 020 AND 021 OUT 022 LDI 023 AND 024 OUT 025 LD M100 X401 X402 X403 M100 Y536 M100 T450 Y430 T450 050 T450 T451 M101 C460 T452 M102 C460 T455 M103 C460 T456 M104 M101 步序 指令028 OR 029 OUT 030 LD 031 ANI 032 OUT 033 K 034 OUT 035 LD 036 ANI 037 OUT 038 OUT 039 OUT 040 K 041 LDI 042 AND 043 ANI 044 OUT 045 LD 046 ANI 047 ANI 048 OUT 049 LD 050 ANI 051 ANI M104 Y431 T450 T451 T451 120 Y433 T451 T452 Y434 Y435 T452 100 C460 T452 T453 M105 T455 C460 T453 M106 T456 C460 T453 51 毕业设计（论文） 052 OUT M107 步序 指令 053 LD M105 054 OR M106 055 OR M107 056 OUT Y432 步序 指令 083 RST C460 084 LD T453 085 OUT C460 086 K 4 057 OUT 058 K 059 LD 060 ANI 061 AND 062 OUT 063 LD 064 AND 065 ANI 066 OUT 067 LD 068 ANI 069 AND 070 OUT 071 LD 072 OR 073 OR 074 OUT 075 K 076 LD 077 OR 078 OUT 079 LD 080 OR 081 OR 082 OR T454 025 T454 C460 T452 M120 T455 T454 C460 M121 T454 C460 T456 M122 M120 M121 M122 T453 025 M120 M122 Y436 T455 T456 T452 M71 087 OUT 088 OUT 089 K 090 LD 091 ANI 092 OUT 093 OUT 094 OUT 095 K 096 LD 097 ANI 098 ANI 099 OUT T454 100 K 025 101 LD C460 102 ANI T456 103 OUT Y532 104 OUT Y533 105 OUT T456 106 K 100 107 LD C460 108 ANI T457 109 OUT Y535 110 OUT T457 111 K 025Y535 T457 050 C460 T455 Y437 Y530 T455 100 T455 C460 T453 52 毕业设计（论文） 步序 指令 112 LD T457 113 ANI T550 114 OUT Y534 115 OUT T550 116 K 030 117 END 53 毕业设计（论文） 第6章 结论 6.1关于机器 1洗机的可靠性： （1）设有压力表，当压力超过0.6MPa时，应人工关闭气路、水路、电 路，及时查找故障。 （2）当管路各安全阀、减压阀失效时，管路压力达到0.65MPa时，压力 继电器作用，使电源自动断开，超压指示灯亮。 （3）缸可以手动调节活塞杆上下运动，防止活塞杆上有杂物阻碍工作。 （4）系统掉电再复电时，工作过程重新进行，防止出现未洗净的桶。 （5）控制面版设有程序显示可对程序运行情况进行观察。 2清洗机安装场所的选择： （1）因为设备中清水与无菌水清洗完桶之后要排掉，所以安装场合要有 良好的排水条件。 （2）场地要求平整 （3）设备使用中清水和无菌水要求不断补充，所以要选择离水源近的地 方。 3洗机的维护： （2）工作前将消毒液箱清理干净，注入消毒液，根据需要定时更换。 （3）运行一段时间后检查管路是否出现泄漏。 （4）设备长时间不用或环境温度低于零摄氏度时，应将机内液体全部排 空，防止冻裂。 6.2关于设计 毕业设计是我们在校学习的最后阶段，也是对知识和能力深化和升华的过程。通过设计，可以对所学知识结构进行重新整合，将所学知识与工程实践问题相结合，熟悉了国家有关标准和规范。培养了分析问题和解决问题的能力。强化了创新意识，为将来激烈的竞争打下了基础。同时也培养了严肃认真的科学态度，优良的思维模式，和严谨求实的工作作风。树立了正确的设计思想，并掌握了现代设计方法。此次设计用到了我以前学过的机械、电 54 毕业设计（论文） 子等多方面知识，是对我们大学所学知识的大综合，对这些知识进行了加强巩固，有了更深的认识。 此次设计还有许多不足之处，再加上本人的设计能力所限、实践经验的缺乏，虽经过缜密思考、周密计算、广泛实践，还是会有不尽与人意的地方。希望老师给予建议、指导，我定将虚心接受，不胜感激。 55 毕业设计（论文） 致 谢 在本文即将结束之际，我要由衷地感谢在我毕业设计阶段，学习中帮助过我的师长和同学。感谢我的老师。在整个设计过程中，罗老师给予了我关心和帮助。使我的课题研究能够顺利开展，并取得一定成果。同时还要感谢我的班主任老师，她在我毕业阶段，在思想上给予了我极大的帮助和指导，使我及时地走出心理误区，摆正心态。在此，我向他们表示最真挚的感谢!并祝他们工作顺利! 56 毕业设计（论文） 参 考 文 献 [1]. 三菱公司，三菱微型可编程控制器编程手册，2000 [2]. 顾战松、陈铁年编著，可编程控制器原理于应用，北京：国防工业出版社，1996 [3]. 宋伯生编著，可编程控制器配置、编程、联网，北京：中国气象出版社，1995.5 [4]. 杨天玉等，可编程控制器之间的联网通讯，电气自动化，2000 [5]. 王兆义编著，可编程控制器教程，北京：机械工业出版社，2000 [6]. 杨长能，张兴义，可编程控制器基础与应用，重庆：重庆大学出版社，1992 [7]. 丁树摩主编，液压传动，北京：机械工业出版社，1999 [8]. 濮良贵编著，机械设计，北京：高等教育出版社，1989 [9]. 机械工程手册编委会主编，机械工程手册，北京：机械工业出版社，1995 [10].周开勤主编，机械零件手册，北京：高等教育出版社，1994 [11].邓兴中主编，机电传动控制，武汉：华中科技大学出版社，2001 [12].廖晓钟编著，电力电子技术与电气传动，北京：北京理工大学出版社，2000 [13].张其枢编著，不锈钢焊接，北京：机械工业出版社，1999 [14].刘新德主编，液压气动手册，北京：机械工业出版社，2004 57 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容