啤酒瓶清洁机设计

毕业设计（论文）

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题 目: 啤酒桶清洗机设计 专 业: 机电一体化 班 级: 04413 学 号: 29 姓 名: 指导老师:

成都电子机械高等专科学校

二〇〇七年六月

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

I

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.

Key Words:

PLC Piping Cleaning Machine

II

目 录

论 文 摘 要 ....................................................................................................................................... I 关键词： ............................................................................................................................................. I ABSTRACT ..................................................................................................................................... II KEY WORDS: ................................................................................................................................. II 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 .................................................................................................................. 8 第2章 机架的设计 ........................................................................................................................ 10 2.1 焊接简介 .............................................................................................................................. 10 2.1.1焊缝布置 ........................................................................................................................ 10 2.1.2焊接方法的选择 .............................................................................................................. 11 2.1.3 焊接接头 ........................................................................................................................ 11 2.2不锈钢简介 ............................................................................................................................ 11 2.3 机架的设计 .......................................................................................................................... 14 第3章 管路的设计 ................................................................................................................. 19 3.1管路的设计 ..................................................................................................................... 19 3.2 清洗头的设计 ............................................................................................................. 19 3.2.1.清洗头的受力分析： ..................................................................................................... 20 3.2.2弹簧的设计：................................................................................................................. 21 3.3 器件选型 ......................................................................................................................... 22 3.3.1.选择液压泵，电机： ..................................................................................................... 22 3.3.2选择气缸：..................................................................................................................... 23 3.4 水 箱 .............................................................................................................................. 24 第4章 电路的设计 ................................................................................................................. 28 4.1电路设计 .......................................................................................................................... 28 4.2器件介绍 .......................................................................................................................... 28 4.2.1电机 ................................................................................................................................ 28

III

4.2.2.固体继电器..................................................................................................................... 30 4.2.3 低压断路器.................................................................................................................... 33 4.2.4整流、滤波..................................................................................................................... 34 第5章 PLC程序的设计 ............................................................................................................... 38 5.1 PLC技术基本原理 ....................................................................................................... 38 5.1.1 PLC的发展历程 ......................................................................................................... 38 5.1.1 PLC的体系结构 ......................................................................................................... 39 5.1.3 PLC的通信联网 ......................................................................................................... 41 5.1.4 PLC的工作原理 ......................................................................................................... 41 5.2 PLC控制程序设计 ..................................................................................................... 43 5.2.1 PLC控制系统的设计基本原则 ................................................................................. 43 5.2.2 PLC编程步骤 ............................................................................................................. 43 5.2.3 PLC提供的编程语言 ................................................................................................. 43 5.3 I/O分配表 ......................................................................................................................... 45 5.4 语句表 ................................................................................................................................ 50 第6章 结论 .................................................................................................................................. 53 6.1关于机器 .......................................................................................................................... 53 6.2关于设计 .......................................................................................................................... 53 致 谢 ............................................................................................................................................ 55 参 考 文 献 .................................................................................................................................... 56

IV

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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??(x?3l)

6EI其挠度为：

?Fl3?1000*0.343?B????1.04*10?4m 11?73EI3*2*10*6.3*10

其转角为：

Fl21000*0.342?4?B?????4.6*10rad 11?72EI2*2*10*6.3*10受力图

ω F=1KN x A l B

剪力图 Fs

x 14

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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??*lixdD??*lIzA?0.5*0.152?9

0.0084?D4(1?()4)式中I=

对不锈钢 ?0?32，A=

?(D2?d2)4

a??s461?306??60 b2.57因为???0，所以是小柔度杆。压杆的临界力Fcr为

Fcr??0A=306MPa*0.000113m=34578N

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Fcr34578??34?[nw]?2 Fp1000再对压应力进行校核：

??N/A?1000/0.000113?8850000Pa?8.85MPa≤[?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

K=

4C?10.615310.615????1.223 4C?4C285（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*1.223?1.6?0.0055m，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 3max38P8*1000*5maxC（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η

求得液压泵输出的实际流量为 qv=qvtη

液压泵输出功率为

P0=p qv=0.4375*106*66.12*10?3/60=0.483KW

(2)选择电机 电机功率为

Pi= P0/η=0.483/0.9=0.536 KW

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v=Vnηv =48*10

?3v=0.95

*1450*0.95=66.12L/min

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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4*800==47.6mm

?*0.5*106*0.9?ps?圆整得50mm.式中F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

Ln?EI2

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64FL264*800*0.42?4d≥==1.3*10m 2211?nE?*0.25*2.1*10fAIL?d2当>mn时,F=,将A=,K==0.25d代入得

?l2K4A1?()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

?2(ps?p0)?0.5?0.1D=0.4*1**0.052*=0.00471m3=4.71L

0.144p0（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。

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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 25

成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 图3.1管路设计图 26 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文）

图3.2.2清洗头工作示意图

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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

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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

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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。

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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。

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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

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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

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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=500?F

选用35V470uF

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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

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图4.1 电路图

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图4.2 PLC主机接线图

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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。

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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。

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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

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