火电厂脱硫装置中型扁圈成型机的控制系统硬件设计【毕业设计】.doc

1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 火电厂脱硫装置中型扁圈成型机的控制系统硬件设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 本文针对目前成型机控制系统的现状，采用单片机对控制系统进行了设计，实现控制过程的自动化，不仅可以降低 工作人员的劳动强度，而且可以消除人工操作带来的诸多不可靠因素，使型扁圈的 加工精度有了保证 ， 生产效率也大大提高。该控制系统主要包括： CPU时钟及复位电路设计、存储器扩展电路设计、 控制电源的电路设计、串口通讯的电路设计、 手动按钮的电路设计、电磁阀控制电路、接近式传感器输入电路设计、步进电机控制信号输出电路

2、设计。 主 CPU的控制主要 以应用广泛，性能可靠的 89C51芯片组成控制系统；单片机与触摸屏的串口通信利用 MAX485 芯片完成通讯协议；用芯片 ULN2003 驱动 3 路步进电机；手动按钮的 5个按钮输入，以完成控制成型机 的电源、启动、复位、停止、急停等功能；通过电磁阀驱动气缸来完成成型机打圈成型出料等动作； 3个传感式接近开关的电路，用来自动检测是否有金属接近，来驱动电机控制成型机的相关动作；外扩存储器电路设计 用 2402芯片与单片机相连，来储存大量的数据。 总体来说，该设计电路简单、开发成本低、可靠性很高，在此基础上，进一步完善硬件，通过单片机进行全智能化控制，具有一定的应用

3、价值。 关键词： 型扁圈成型机，控制系统，电路原理图，智能化 II Abstract This article for status of currently forming machine control system, used single tablets machine on control system for has design, implementation automation of control process, not only can reduce staff of intensity, but only can elimination artificial oper

4、ation brings of many unsure factors, makes has guarantee for type flat ring of processing precision, production efficiency also greatly improve. The control system includes: the clock of CPU and the design of reset circuit, the circuit design of storage expansion, the control circuit design of power

5、 supply, the circuit design of serial communication, the circuit design of manual button, the control circuit proximity sensor, the control circuit design of solenoid valve input, the circuit design of step motor control signal outputs. the control of main CPU used of widely application and performa

6、nce reliable of 89C51 chip composition control system; single tablets machine and the serial communications of the screen of touch using MAX485 chip completed communications agreement; with chip ULN2003 driven 3 road step into motor; the manually button of five buttons entered, to completed function

7、s to control forming machine of power, started, reset, stop, anxious stopped; by electromagnetic valve driven cylinder to complete forming machine action of playing ring ,forming ,the material of out; a 3 sensing type close switch of circuit, used to automatically detects if has metal close, to driv

8、en motor control forming machine of related action; outside spread memory circuit design with 2,402 chip is connected and single tablets machine, to storage large of data. Overall, the design of circuit is simple, low cost, high reliability, on this basis, improving the hardware, by single-chip comp

9、uter intelligent control, has a useful value. Keywords: Type flat ring forming machine, control system, circuit schematics, intellectualization III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1课题的来源 . 1 1.2课题的意义 . 1 1.3数控设备 控制系统的 国内外发展现状 . 1 1.3.1数控机床控制系统的简介 . 1 1.3.2成型设备控制系统的国内外发展动态 . 2 1.4课题研究的主要内容 . 3 2型

10、扁圈成型机控制系统硬件电 路设计方案的拟定 . 4 2.1型扁圈成型机设备的概述及工作机理 . 4 2.2成型机控制系统硬件设计控制方式的确定 . 4 2.3 总体方案的确定 . 5 2.3.1 主 CPU 的选用 . 6 2.3.2 外扩存储器的确定 . 6 2.3.3 串口通信芯片的确定 . 6 2.3.4电机类型的确定 . 7 2.3.5 I/O 口电路的确定 . 8 2.3.6 总体方案的结构框图 . 8 3型扁圈成型机控制系统硬件电路设计及元器件的选型 . 9 3.1 CPU时钟及复位电路设计 . 9 3.1.1 时钟电路设计 . 10 3.1.2 存储器扩展电路设计 . 10 3.

11、2控制电源的电路设计。 . 11 3.3串口通讯的电路设计 . 13 3.4手动按钮的电路设计 . 14 3.5 电磁阀控制电路 . 15 3.6接近式传感器输入电路设计 . 16 3.7 步进电机控制信号输出电路设计 . 18 4 控制系统原理图及 PCB图的绘制 . 19 4.1 控制系统电路原理图的绘制方法及步骤 . 19 4.2 控制系统电路 PCB图的绘制方法及步骤 . 22 结论 . 24 致谢 . 错误 !未定义书签。 IV 参考文献 . 27 附录 . 28 附录图 1 硬件电路原理图 . 28 附录图 2 硬件电路 PCB图 . 29 附录图 3 硬件电路实物组装图 . 30

12、 火电厂脱硫装置中型扁圈成型机的控制系统硬件设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 型扁圈在火电厂脱硫装置中大量使用，是脱硫装置中不可缺少的一个零件，因此，在当今社会研究如何高效的、精确的制造型扁圈这个课题非常有意义。随着社会科技的发展，智能化控制大量的应用于生产，所以，要高效、精确的制造扁型圈，就需要探索新进的控制系统来控制型扁圈成型机的生产。 1.2 课题的意义 目前在冷弯成型机上，大部分采用的是传统的电气控制和液压传动控制的控制方式，其控制系统设计比较复杂、可靠性差、维护工作量大。所以采用一个 高效的控制系统 来控制冷弯成型机的各个动作，不仅可以大幅度降低工作人员的劳动强度，而且可以消除

13、人工操作带来的诸多不可靠因素，使型扁圈的 加工精度有了保证 ， 生产效率也大大提高。 一个好的控制系统也可以大大提高冷弯机的工作稳定性和检验精度。 1.3 数控设备 控制系统的 国内外发展现状 1.3.1 数控机床控制系统的简介 目前，对数控机床控制系统的控制主要采用基于 PLC的控制系统、基于单片机的 控制系统、计算机控制系统和通过 DSP进行控制等方式。 PLC 控制方式 是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的，如果控制功能改变时，只需要修改程序即可， PLC 控制系统 外部接线极少，甚至可不必改动接线； PLC 用户的程序大部分都可以在实验室进行模拟调试，用模拟实验开关按钮代替输入信号

14、，其输出状态可以通过 PLC 上的发光二极管指示得知，模拟调试成功后再将 PLC 控制系统安装到生产现场，进行现实中的联机调试，既安全，又快速方便；同时， PLC 控制系统 有较为完善的诊断和显示功能，即当 PLC 或外部输入装置与执行机 构发生故障或停机时，可以通过 PLC 上的二极管或在线编程器上提供的一些信息，快速地查明每个原因，如果是 PLC 控制系统 本身故障，可以用模块更换的方法迅速排除，因此，对 PLC进行维修也是非常方便的； PLC 体积非常小，很容易就装入机械设备的内部，而且它本身具有较强抗干扰能力，能适应周围各种恶劣的环境，实现机电一体化的智能化控制 1。 单片机应用系统是

15、指以单片机为核心，配以一定外围电路和软件，能实现某种或几种功能应用系统。单片机应用系统设计包括硬件和软件设计两大部分。一火电厂脱硫装置中型扁圈成型机的控制系统硬件设计 2 般来说，应用系统所要完成的任务不同，相应 的硬件和软件也就不同。为了保证系统能可靠工作，在软、硬件设计中，还要考虑系统抗干扰设计 2。 数控机床中计算机控制系统通常采用 DCS 系统的形式，使得运行人员能方便地控制各种参数，操作简单，确保了系统稳定运行，提高了系统的安全性，降低了运行人员劳动强度，提高了工作效率。 DSP控制系统是面向数控机床位置伺服系统进行设计的 ,为达到实时性控制要求 , X向位置和 Y向位置均由 DSP

16、进行控制 ,而用户面向的上位机是工业控制机(或 PC机 ) ,DSP通过 PCI总线与主机通信。此位置伺服控制是采用开环控制方式 ,用户在工控机上 进行指令操纵 ,并监控电机运行过程 ,进行工作的其他功率电机可另行手动调速控制 3。 1.3.2 成型设备控制系统的国内外发展动态 很多成型机利用 PIC16F877 单片机，它具有哈佛总线结构、 RISC技术、功耗低、驱动能力强、应用平台界面友好、开发方便、一次性编程、体积非常小等特点，因此，以 PIC16F87X 单片机为主开发控制系统，在软、硬件的设计上都有其独特优势，在成型机的控制系统中得到了非常广泛的应用。该单片机设计的软件部分由 PIC

17、16F87X 单片机借助于开发软件 MPLAB-ICD在线编制和调试而成； 硬件部分则是根据所需软件的设计，通过在电路板上对单片机各个管脚的输入输出连接完成。上文所述的硬、软件合成为数控装置，此装置是数控系统的核心，它的功能有正确识别、解释数控程序，对解释结果进行逻辑判断、数据计算处理，完成各种输入、输出程序等 4。 国内外已建立了基于 PLC 和触摸屏的 型扁圈成型机 控制系统 ， 是加工船体上的型钢构件如 型扁圈、 肋骨、横梁、纵骨等的机器设备 , 通过三支点弯曲或者纯弯曲原理来加工型材以得到所要求的外形。 采用的是单片机控制系统 ， 由普通电脑作为人机界面 。 单片机系统的优点是成本低廉

18、 ， 技术保密性 强 。 PLC控制技术优势相对单片机系统很明显 ，在成型机 系统维修很方便、简单 ， 设备抗干扰能力大大增强 ， 故障率也大幅下降 5。 SIMATIC S7-300 PLC在冷弯机组中的应用涉及机组前后的工序单机间速度的匹配、整线速度的调整以及 型扁圈成型机 组的位置定位、各单机整线自动运行或手动按钮完成的输入输出的控制、整线故障自诊断等控制方面，光电编码器和测长 轮同轴连接、冷弯型材长度与相应的脉冲信号转化问题，及利用 PLC的高速计数模块或伺服定位模块进行计数、定位等控制，以实现冷弯、打圈等型材的伺服测长送料和定尺冲切动作 等 6。 火电厂脱硫装置中型扁圈成型机的控制系

19、统硬件设计 3 1.4 课题研究的主要内容 （ 1）在阅读文献以及深入企业实习的基础上，了解火电厂脱硫装置中型扁圈成型机的特点及工作原理。 （ 2）完成步进电机、电磁阀、接近传感器、触摸屏、按键等的控制电路。要求：扁圈周长精度正负 0.1mm，外型尺寸精度正负 0.5mm。 （ 3）完成成型机控制系统的电路图。 （ 4）完成设计计算说明书。火电厂脱硫装置中型扁圈成型机的控制系统硬件设计 4 2 型扁圈成型机控制系统硬件电路设计方案的拟定 2.1 型扁圈成型机设备的概述及工作机理 成型机 按机器的自动化程度可分为：自动成型成型机、全自动纸箱成型机等 。在国内，成型机已经广泛应用 于各个领域的现代

20、化控制，特别是火电站的碳粉成型机、脱硫 扁圈成型机、秸秆成型机等。型扁圈成型机 ,也称冷弯成型机，是通过 校平送料电机、冲切液压电机和打圈出料电机 的运行完成钢丝的定尺冲切和打圈成型的动作，使其在常温下弯曲成规定的型状 9。型扁圈即将一定周长的钢丝从两端往里弯 180 度成扁圆形状即可。 型扁圈成型机系统机组 一般由开卷机、校平机、步进送料机组、在线冲切压力机、冷弯机组、出料架等基本单元组成，其工作流程框图如图 1-1所示 。 放 料 校 平 送 料 打 圈 成 型定 长 冲 切 出 料 图 1-1 型扁圈成型 机工作流程图 系统功能冷弯机组可实现手动、自动或调整等操作控制模式，即将卷料或带钢

21、料经开卷机放料，通过开卷机与校平机的连接将卷料进行校平操作，便于后道的送料及在线预冲切等工序的加工处理，再经冷弯机组的冷弯加工形成需要的扁形圈，出料处理完成具体产品的生产活动。综上所述，型扁圈成型机控制系统需要通过电机驱动来完成成型机的放料、校平、送料、冲切、打圈成型、出料；需外接功能手动按钮和触摸屏来控制成型机的运行；需要通过电磁阀来驱动气缸的运作；需要通过传感式接近开关来自动控制成型机的相关动作 7。 2.2 成型机控制系 统 硬件设计控制方式的确定 型扁圈成型机硬件设计的主要内容是电气控制系统的设计，电气控制元件的选择。电气控制系统：电气原理图、电器布局图、电气安装接线图，其中电气原理包

22、括控制电路和主电路，控制电路包括主控制器和外围电路，在数控机床中对于主控制器的选择主要有 PLC 控制系统和单片机控制系统。成型机控制系统结构框图如图 2-1所示 . 火电厂脱硫装置中型扁圈成型机的控制系统硬件设计 5 按 钮 及指 示 灯触 摸 屏人 机 界 面电 磁 阀电 机 系 统 主 从 站传 感装 置交 流系 统直 流系 统主 控 制 器如图 2-1 系统结构框图 当成型机控制系统中选用 PLC控制时，控制电路包括 PLC的 I/O 外围接线，自动控制、手动控制等电路 ；而主电路包括控制执行机构动作的电路。电器布局图、安装接线图：器件安装位置图、器件标注的代码、外配安装图、端子接线图

23、等。电气元器件选择：是控制要求所需的按钮、开关、传感器、保护电器、接触器、指示灯和电磁阀等。 当采用单片机控制系统控制成型机时，是以单片机（ CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。单片机系统设计主要包括以下几个方面的内容：控制系统总体方案设计，包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等 8。 综上所述，单片机控制系统已经足够完成对 成型机控制系统的控制，且采用单片机控制不仅 灵活、方便、高效、 而且单片机比 PLC 便宜的多，用单片机控制非常的经济，还可以 节省 大量的 硬件 开销， 最重要的是可实现智能化 控制。 2.3 总体方案的确定 成型机控制系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路可靠性直接影响控制系统性能指标。控制系统硬件电路由以下六部分组成： 1）主控制器，即中央处理单元（ CPU）； 2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； 3）存储器，包括程序存储器和数据存储器； 4）接口，即 I/O 输入 输出接口电路； 5）外围设备，如按钮开关、触摸屏显示器、电机控制电路、电磁阀控制电路及传感器输入电路等。 6）用 RS485 与主控制器相连完成通讯协议。