自动骑马订书机系统设计

第一篇：自动骑马订书机系统设计

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摘要

骑马订书机一种快速高性能的订书设备，大部分印刷厂都配有该设备。传统的骑马订书机设备，在高速工作状态下，很容易发生堵纸现象。本次设计中对传统的骑马订书机的电气系统进行了改造，对订书机头增加了电磁控制装置，在容易发生堵纸增加了微动开关，增加了光电传感器检测装置，从而很好地解决了，高速工作下的堵纸现象。本设计中还对传统骑马订书机的控制系统进行了PLC改造，使其控制系统更加智能化，提高了工作效率，减少了工人的工作量。关键词：电磁控制；光电传感器；微动开关；PLC

I

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Abstract Combined saddle stitching, a fast high-performance stapler device, most of the printers are equipped with the device.Stapler riding equipment, state of the high-speed operation, it is prone to the phenomenon of blocking the paper.The design of the electrical system of the traditional riding stapler transformation of electromagnetic control device, a micro switch prone to blocking the paper, an increase of the photoelectric sensor detection device on the stapler head, so good the solution to the phenomenon of blocking paper in the high-speed work.This design the control system of the traditional riding stapler PLC transformation to make it more intelligent control system to improve the work efficiency, reduce the workload of the workers.Key words: electromagnetic control； photoelectric sensor；micro switch；PLC

II

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目录

摘要......................................................................I ABSTRACT.................................................................II 第1章 绪论..............................................................1 1.1 骑马订书机的产生背景及印刷行业的发展状况..........................1 1.2 骑马订书机的发展趋势..............................................2 1.3 骑马订书机的书钉成型过程...........................................4 第2章 自动骑马订书机的传动机构的设计....................................5 2.1 电动机的选择......................................................5 2.1.1电动机类型的选择..............................................5 2.1.2电机容量的选择................................................5 2.2 齿轮传动设计......................................................6 2.2.1齿轮传动的简介................................................6 2.2.3按齿面接触强度设计齿轮........................................8 2.2.4按齿根弯曲强度设计...........................................11 2.2.5齿轮几何尺寸的计算...........................................13 2.3 轴的设计及校核...................................................13 2.3.1 齿轮作用在传动轴上的力.......................................13 2.3.2初步估算轴的最小直径.........................................15 2.3.4轴上的载荷...................................................17 2.3.5校核轴的强度.................................................17 2.4 带传动的设计.....................................................20 2.4.1概述.........................................................20 2.4.2带传动的设计计算.............................................21 2.5 凸轮的设计.......................................................24 2.5.1凸轮的简介...................................................24 2.5.2确定凸轮的基本外形尺寸.......................................24 第3章 骑马订书机的电气控制设计.........................................30 3.1 骑马订书机的特点及控制要求.......................................30 3.2 电气线路设计.....................................................30 3.2.1 执行电路的设计..............................................30 3.2.2控制电路的设计...............................................31 I

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3.3电器元件的选择....................................................31 3.4编制电气元件明细表................................................35 第4章 自动骑马订书机的PLC控制设计.....................................36 4.1 PLC的简介.......................................................36 4.1.1PLC的定义及基本结构..........................................36 4.1.2PLC的特点及应用范围..........................................37 4.1.3PLC的工作原理................................................38 4.1.3PLC的选择原则................................................38 4.2 自动骑马订书机的PLC选型及控制电路改造...........................39 4.2.1自动骑马订书机的PLC类型选择.................................39 4.2.2PLC控制电路设计..............................................40 结论.....................................................................43 参考文献.................................................................44 致谢.....................................................................45 II

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第1章

绪论

1.1 骑马订书机的产生背景及印刷行业的发展状况

20世纪50年代，二次世界大战结束世界经济逐步发展，印刷行业的业务量日益增加，老式的订书机设备已不能满足大批量的印刷的要求，高效率的骑马订书机应运而生。20世纪60年代骑马订书机逐步在各个国家得到应用，极大地提高了，印刷行的工作效率。

近年来，我国经济飞速发展，其中广告类印刷品，连续5年保持7.5%以上的高速增长，2011年的总产值突破15万亿大关。其它的文化印刷品也有很大的提高。根据十二五规划，“十二五”期间，文化产业要实现跨越式发展，并在2016年成为国民经济支柱性产业。作为文化产业的一个重要组成部分，印刷产业尚有很大发展空间。党的十七届六中全会通过的《关于深化文化体制改革推动社会主义文化大发展大繁荣若干重大问题的决定》，给文化产业重要组成部分的印刷业也带来了前所未有的发展机遇。随着人民群众的生活水平的提高，随着文化大发展大繁荣，群众在文化消费上将迎来一个高消费期。

新闻出版总署“十二五”期间实施重大项目带动印刷产业发展的重要举措和引导产业实现转型升级扶持政策的相继出台，为印刷产业发展创造了良好的文化氛围和市场政策环境，印刷行业形成的绿色、创意、和谐发展的印刷产业发展理念，为印刷产业发展打开了智慧的闸门，对绿色印刷业的推进，将促进印刷企业有一个飞跃性的发展，也将牵动着含有绿色印刷技术、符合环保要求的设备、器材、出版、包装、个性化印刷品产业链条的膨胀性的迅猛发展。

刚刚过去的北京国际图书节以“绿色印刷”为主题。绿色印刷也是未来印刷业发展的一个重要方向。从实施绿色印刷战略合作协议到未来五年实施绿色印刷的阶段性目标的确立，一直到关于中小学教科书实施绿色印刷的通知的颁布，我国绿色印刷工作已经进入实质性实施阶段。不久前，全国评选出来的获得环境标志产品认证的印刷企业已经达到103家，我们可以看出来全国范围的绿色印刷工作也在有条不紊的展开着。从这一份103家印企获绿色“身份证”的印刷企业名单中，我们可以清楚的看到北京地区获得环境标产品认证的印刷企业已经达到15家，仅次于江苏省，屈居第二位。同时，有10家及以上印企获得认证的地区包括北京、上海、江苏、广东。可见在这些区域印刷行业的发展还是很发达的，对于绿色印刷工作的开展也是十分积极。为了促进绿色印刷工程的实施，从不久前的针对中小学教科书提出来的要求从今年秋季学期起，全国各地使用的绿色印刷中小学教科书数量要占到本地中小学教科书使用总量的30％；再经过1到2年，1

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基本实现全国中小学教科书绿色印刷全覆盖。到现在首批绿色印刷婴幼儿图书首发以及获得环境标志产品认证的企业不断增多。

可见，为了推动我国绿色印刷行业的发展，从政府到企业，再到个人，大家都用不同的方式积极地促进着，从政策的制定，通知的颁布，到具体的实施，每个人为绿色印刷的有利实施做着贡献。一系列的事实说明我的印刷行业正在向着绿色节能高效的可持续发展的道路上来。

1.2 骑马订书机的发展趋势

骑马订书机机最早出现在欧洲，经过几十年的发展．技术有了很大的提高。近几年，随着计算机技术网路技术，PLC技术的发展，相应的的技术不断应用到骑马订书机机上使其功能越来越完善。同时，随着客户要求的不断提高．骑马装订联动机又增设了许多新功能．如卡纸粘贴、自动上书帖、喷码等。随着自动控制技术以及自动控制技术的发展自动骑马订书机主要有以下的发展趋势。

1、自动化程度越来越高

随着社会经济的发展，印刷行业的生产批量日益增多，印刷行业的熟练工有严重匮乏，自动化程度的提高显得日益重要。自动化程度的提高主要体现在PLC技术的应用、自动调整书帖规格以及完善的总体自动检测检测系统3个方面。自动调整整书帖规格开本大小已经成为骑马装订联动机的总体发展趋势，只要在屏幕中输入书本的控制器便能自动对开本大小进行调整。精密达FENGMI半自动骑马订书机上淮南光华光神DQ404-02半自动骑马订书机上海紫光DQB450自动骑马订书机都具备该功能，并且上海紫光DQB450自动骑马订书机还具有接收网络数据的功能，即能够根据网络上的相关数据对机器进行调整，从而实现印前、印刷及印后装订的全程数字化。

2、功能越来越完善[1] 随着客户要求的不断提高，以及相应技术的发展自动骑马装订机又增设了卡纸粘贴、自动上书帖、喷码等新功能。如瑞安市缪氏印刷机械有限公司产品新设备DQ404A-02/DQ404B-02型半自动骑马订书机淮南光华光神机械电子有限公司光华光神的DDQ404-02GD半自动骑马订书机都备有自动上书贴功能以减轻工人的劳动强度，提高生产效率。此外，书本装订时，通过喷码机器对书册内外侧进行喷码，如邮政编码、地址等。Osako公司的Prima 能够完成这项个性化的装订功能，而且上海紫光公司计划将其应用到下一代骑马装订联动机中。

3、速度越来越高，功能越来越稳定[2]

早在20世纪70年代初，上海订书机械厂就已生产了PDQ一02型骑马装订联动机，最大生产能力为6000本/小时。到了20世纪90年代，又研制出FENGMING型骑马装 2

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订联动机（如图1-1），最高速度达1万本/小时，不仅改进和提高了稳定性、可靠性和操作性，而且在外观上都有了不同程度的改善。2003年．上海紫光机械有限公司相继研制出LQDl0和LQD8F骑马装订联动机，LQDl0的性能与LQD8E相比有了很大的提高．最高速度达到1．2万本/小时最大开本尺寸为480mm×320mm。搭页机叼纸轮轴采用双叼牙结构．提高了搭页过程的稳定性，对于正反长短边书帖．既能用钢皮叼牙打开，也能用真空吸嘴搭无长短边书帖。三面切书机改进为先切前1：3，再切边口的形式。海德堡和马天尼公司是生产骑马装订联动机的两家大公司，其中海森堡公司最新研制的自动骑马订书机速度在2万本/小时以上。

图1-1 “FENGMING”骑马订书机

4、集成化、绿色化程度越来越高

进入21世纪来社会经济的飞速发展，化石能源的日益枯竭低耗能、高效率的的发展模式越来受到各国政府及企业的重视。绿色低耗能低污染化，绿色技术是一门综合技术，节约能源、节约资源、提高生产率是绿色制造技术的核心要求。事实上，绿色制造技术的应用既是可持续发展的客观要求，也是市场竞争的需要。近几年由于电力电子和数控技术的进步，以及直线电机、力矩电机、电主轴、光栅检测等部件的成熟，直驱技术订书机的应用速度加快，国外多家订书机企业的新产品已使用直线电机驱动。直驱技术的应用将极大推动订书机的结构改变和性能提高，也大大降低了订书机的能耗。

近几年来印刷行业迅速发展，人工成本越来越高，选择高效率的机器逐渐成为大型印刷行业的共识。随着计算机技术，PLC技术的发展，订书机越来越集成化，订书，裁 3

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剪，印刷逐渐集为一体。集成化的订书机，能够同时完成多项功能，提高了机器的效率，减少了工人的工作强度，同时又节约了工人成本，增加了企业的竞争力。

1.3 骑马订书机的书钉成型过程

骑马订书机的书钉成型过程包括：送料，切断，和做订三个过程。送料时中刀滑板下行，短销推动连杆单向机构逆时针旋转，铁丝从穿丝嘴穿入，铁丝便夹在二滚轮中靠摩擦力传动，经铁丝导轨从切料轴的孔中穿出，进入成型模长槽中。切料当铁丝到达一定位置时，边刀滑板上行，其中部的凸块推动切丝摇臂的斜面而使其逆时针旋转，由此刀架下移，刀片把铁丝切断。中刀滑板上行到一定高度，成型模由压簧推入，是切断了的铁丝边刀上铁丝槽的正下方，随后，边刀滑板下行，边刀的上的铁丝槽压向成型模两端伸出的铁丝，弯成门字形的订书钉。成订过程如图1-2所示：

1-切料刃轴；2-切料刀片；3-成形钩；4-铁丝；5-咬丝钩；6-边刀滑板；

图1-2 骑马订书机的成钉过程

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第2章

自动骑马订书机的传动机构的设计

2.1 电动机的选择

2.1.1电动机类型的选择

电磁调速异步电动机又称滑差电机[7]，它是一种利用直流电磁滑差恒转矩控制的交流无级变速电动机。由于它具有调速范围广、速度调节开滑、起动转矩大、控制功率小、有速度负反馈、自动调节系统时机械特性硬度高等一系列优点，因此在印刷机及骑马订书机、无线装订、高频烘干联动机、链条锅炉炉排控制中都得到广泛应用。如801型对开立式停回转凸版印刷机、JS2101型对开双面胶印机，J2105型对开单色胶印机、J2108型对开单色胶印机、PZ4880－01A型对开四色胶印机等印刷机械采用这种电动机就更能符合印刷工艺要求。

因此，本次设计选择电磁调速异步电动机（又称滑差电机）。该电动机具有以下主要优点：

（1）交流无级调速，机械特性硬度较高；

（2）结构简单、工作可靠、维护方便、价格低廉；

（3）调速范围大，用在像印刷机这样的恒转矩负载时，一般可达10：1，有特殊要求（如轮转机）时亦可达50：1；

（4）可调节转矩。在现代化的联合轮转机中，都应用了自动化的纸张拉紧机械，它可以达到随着卷筒纸直径的变化，调节离合器的转矩经保持拉力不变。

2.1.2电机容量的选择

电机工作的有效功率

该设备，切钢丝所用力为F=9.2KN，传从速度为V=0.6m/s电机工作的有效功率为`

PWFv1000W92000.6W

10000.846.57KW从电动机到工作机输送带间的总效率为

31234

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式中

1、

2、

3、4分别为联轴器、轴承、齿轮传动和凸轮的传动效率[5]，有表可查10.99、20.98、30.97、40.94 则

W0.990.9830.970.940.84

电机的转速

二级圆柱齿轮减速器传动比i08~10，V带传动比范围i12~4作轴转速为n020r/min所以电动机的转速的可选范围为

ni0i1n0320~800r/min

查表可知：可选JZT251—4型电机，120—1200r/min，7.5KW 2.2 齿轮传动设计

2.2.1齿轮传动的简介

齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。

齿轮传动的特点：传动效率较高，传动过程平稳，使用寿命长，齿轮之间的传动比精确，工作状况可靠，能够传动功率范围大。例如齿轮的传递功率范围可以从很几瓦到几万千瓦；传动速度高达300m/s；齿轮直径范围大，可以从手表用的几毫米齿轮到大型水利工程用的二十多米齿轮，但是制造大型齿轮需要有专门的齿轮制造设备，大型齿轮啮合传动会产生很大的噪声，而且大型齿轮的精度不易保证。

齿轮的齿面应具有较高的耐磨性能、抗塑性变形、抗点蚀、抗胶合的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对轮齿材料性能的基本要求为：齿面要用硬度较高的材料、齿芯要韧性较好的材料。常用的齿轮材料是铸铁 钢、和无机非金属材料。钢材的韧性交好，抗冲击能力强，还可以通过物理及化学处理改善其钢材力学性能，所以钢材最适合用来制造齿轮。

齿轮在工作过程中 HB＜350时，称为软齿面H8＞350时，称为硬齿面齿面硬度 HB＜350 时

常用材料；

45、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB。特点： 具有较好的综合性能，齿面具有较高强度和硬度，齿芯具有较好韧性。热处理后切齿精度可达8级。制造简单、经济、生产率高，对精度要求不高。齿面硬度 HB＞350大于 采用中碳钢时： 常用材料：

45、40Cr、40CrNi。特点：齿面硬度高 HRC＝48-55，接触强度高，耐磨性好。齿芯保持调质后的韧性，耐冲击能力好，承载能力较高。精度可达7级精度。

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适用于大量生产，如：汽车、机床等中速中载变速箱齿轮。采用低碳钢时：常用材料；20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo。

齿轮在工作时由于某种原因而损坏，使其失去正常工作能力的现象称为失效。齿轮的失效形式有很多种，常见的失效形式有：

1、齿面磨损

齿轮在传动过程中，轮齿啮合处存在滑动摩擦。齿轮在受力情况下，齿面间的相对滑动使齿面发生磨损。磨损会破坏齿面形状，造成传动不平稳；另外，磨损使轮齿变薄，造成齿侧间隙增大，轮齿强度降低。齿面磨损是润滑条件差的开式齿轮传动(外露的齿轮传动)的主要失效形式，也是开式蜗杆传动的主要失效形式。

2、轮齿折断

齿轮在工作中，其轮齿的受力状况相当于悬臂梁，齿根处受到的弯矩最大，所产生的应力集中。在啮合过程中，齿轮根部所受的弯矩是交替变化的，因此，在该处最容易产生疲劳裂纹而使轮齿折断，轮齿的这种失效形式称为轮齿的疲劳折断。齿轮的另一种折断是长期过载或受到过大冲击载荷时的突然折断，称为过载折断。

3、轮齿塑性变形

在低速重载的工作条件下，齿轮的齿面承受很大的压力和摩擦力，由于这些力的作用，材料较软的齿轮的局部齿面可能产生塑性流动，使齿面出现凹槽或凸起的棱台，从而破坏齿轮的齿廓形状，使齿轮丧失工作能力。齿轮的这种失效形式称为轮齿的塑性变形。

4、齿面点蚀

齿轮工作时，当啮合表面反复受到接触挤压作用，且由此所产生的压力过大或使用时间过长时，齿面会产生细微的疲劳裂纹。随着齿轮的连续工作，裂纹会沿表层不断扩大，使齿面出现小块金属剥落，形成麻点和斑坑。轮齿齿面发生的这种失效形式称为齿面点蚀。严重的齿面点蚀会破坏齿轮轮齿的工作表面，造成传动不平稳，产生噪声，甚至使齿轮失去工作能力。齿面点蚀这种失效形式多发生在润滑条件良好的闭式齿轮传动中。

5、齿面胶合

在高速重载的闭式齿轮传动中，齿面润滑较为困难，啮合面在重载作用下产生局部高温使其粘结在一起，当齿轮继续运动时，会在较软的齿面上撕下部分金属材料而出现撕裂沟痕，这种由于齿面粘结和撕裂而造成的失效称为齿面胶合。齿面出现胶合现象后，将严重损坏齿面而导致齿轮失效。闭式蜗杆传动中极易发生这种失效。

2.2.2选定各齿轮类型，精度等级，材料及齿数

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本设计中，已知输入功率为7.5KW，小齿轮转速为860r/min，齿数比为3.2。工作寿命为15年（每年工作300天），每天工作8小时。

（1）本设计中骑马订书机主轴齿轮精度选择

根据本设计方案，选用直齿圆柱齿轮。骑马订书机为一般工作机器，速度不高，故运用7精度(GB 10095—88)。

（2）材料选择

综合设计思路方案，根据濮良贵《机械设计》第八版191页选择小齿轮材料为40C(质)，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢(调质)，硬度为240HBS。

（3）齿数选择

选择小齿轮齿数z124，大齿轮z2243.276.8，取z277

2.2.3按齿面接触强度设计齿轮[3]

由濮良贵《机械设计》第八版203页齿面接触强设计计算公式进行计算，即

32ZEKT1u1d1t2.32·uHd式中

d1t——所求齿轮直径（mm）

T1——齿轮传动的转矩（N·mm）

ZE——弹性影响系数（MPa）

12(21)

d——齿宽系数

K——载荷系数

（1）确定公式内的各个计算数值

1）试选载荷系数Kt1.3 2）计算小齿轮传递的转矩

T195.510

5P1n1(22)

95.51057.5Nmm 8608.328104Nm3）根据濮良贵《机械设计》第八版表10-7选取出齿宽系数

d1

4）根据濮良贵《机械设计》第八版表10-6查得材料的弹性影响系数

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ZE189.8MPa

5）根据濮良贵《机械设计》第八版表10-21查得小齿轮的接触疲劳强度极限

12Hlim600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim550MPa

6）计算应力循环次数

N160n1jLh

(23)

6086083002153.7151093.715109N2 3.21.1611097）根据濮良贵《机械设计》第八版表10-19查得接触疲劳寿命系数KHN10.90，KHN20.95

8）计算接触疲劳许用应力通常取失效概率为1%，安全系数S=1

H1KHN1lim1S0.9600540MPa

（2-4）S0.95550522.5MPa H2KHN2lim2（2）计算

1）计算小齿轮分度圆直径

3d1t2.323ZEKT1u1·u Hd4189.81.38.328104.2· 522.513.22 = 2.32= 61.634mm 2）小计算圆周速度v

v

d1tn16010003.1461.634860m/s6010002.77m/s(25)

3）计算齿宽b 9

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bdd1t

(26)

161.634mm 61.634mm4）计算齿宽与齿高比

b h模数

mtd1tz161.634242.568mm

（2-6）

齿高

H2.25mt5.778mm宽与齿高比

(2-7)

b61.63410.67 h5.7785)计算载荷系数

根据v2.77ms，7级精度根据濮良贵《机械设计》第八版图10-8查得动载荷系数

KV1.12

对于直齿轮

KHKF1；

根据濮良贵《机械设计》第八版表10-2查得使用系数KA1； 查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时KHB1.423由表得KFB1.35

载荷系数为：

b10.67，KH1.423查hKKAKVKH

(28)

11.1211.4231.5946）按实际的载荷系数校正所算得的小分度圆直径

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d1d1t3KKt3(29)

1.5941.365.968mm61.6347)计算模数m

md165.9682.748mm

z1242.2.4按齿根弯曲强度设计[3]

齿根弯曲强度设计公式为 m2KT1YFaYsa2dz1F(210)

式中

FE1——齿轮的弯曲疲劳强度极限(1)确定公式内的各计算数值

由濮良贵《机械设计》第八版图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限：

FE1500MPa

大齿轮的弯曲疲劳极限：

FN1380MPa

查得弯曲疲劳寿命系数：

KFN10.85，KFN20.88

计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳完全系数S1.4，得

F1KFN1FE

1S0.85500MPa1.4303.57MPa(211)

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F2KFN2FE2S0.88380MPa

1.4238.86MPa计算载荷系数：

KKAKVKFaKFb11.1211.351.512

由濮良贵《机械设计》第八版表10-5查得齿形系数

YFa12.65，YFa22.226

查取应力校正系数

YSa11.58，YSa21.764

计算大小齿轮的YFaYSaF并加以比较

YFaYSaF12.651.580.01379303.57

2.2261.7640.01644238.86

F2由上式可知大齿轮的数值较大 设计计算

3YFaYSam21.5128.3281040.016442.05mm1242

由计算结果可知，齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，齿轮模数m主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数2.05并就近圆整为标准值m=2.5mm，按接触强度算的的分度圆直径d1=65.968mm。

算出小齿轮的齿数：

z1d165.96826 m2.5大齿轮的齿数：

z23.22683.2取z284

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2.2.5齿轮几何尺寸的计算

（1）计算分度圆的直径

小齿轮分度圆直径

d1z1m262.565mm

大齿轮分度圆直径

d2z2m842.5210mm

（2）确定齿轮中心距的

d1d2265210

2137.5mma（3）计算齿轮宽度

(212)

bddd116565mm

2.3轴的设计及校核

2.3.1 齿轮作用在传动轴上的力

分析骑马订书机的传动系统图可知主轴箱内各轴均为转轴。已知电机功率为7.5KW，转速为120~1200r/min，小齿轮工作转速为860r/min，齿数比为3.2。现对主轴进行分析和设计：

1、轴上的输出功率P2 p2p127.59.89.7

26.9KW2、轴上的转矩T2

由于n120~1200r/min，当n120r/min时，轴的转矩

PT295500002

n2 13

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6.9Nmm 12054625Nmm 9550000

3、作用在齿轮上的力[3]

Ft2T2254625520N d210FrFttan520tan20189N

FnFt520554Ncoscos20

式中圆周力Ft，径向力Fr及轴上的法向力Fn如图2-1所示

MMH2MV2

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图2-1 轴的载荷分析图

2.3.2初步估算轴的最小直径

选取材料为45钢，调质处理，根据表15-3，取A0100，可得

dminA03p2n2

6.912038.5mm 1003轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径，为了确定轴的最小直径，必须先确定联轴器的孔径。考虑到转矩变化很小，取KA=1.3

TcaKAT21.35462571012.5Nmmd=40mm故，轴的最小直径dmin=40mm

(213)

按照转矩Tca的条件，查表GB/T 5014—2003，选用LX3弹性柱销联轴器，孔径为2.3.3轴的结构设计

（1）拟定轴上零件的分配方案，如图2-2所示。

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2-2轴的结构与装配

（2）确定各轴段直径和长度

1）初步选择滚动轴承。因同时受径向载荷和很小的轴向载荷作用，故选深沟球轴承。初定dIIIdIIIIV65mm，因此，选深沟球轴承6413，其尺寸为dDB65mm120mm23mm，于是有lI—II23mm。选定，dIIIII90mm，lIIIII54mm。

2)安装z84齿轮的轴段III-IV的直径dIVV60mm，齿轮左端用套筒定位，右端用轴肩定位，dIVV60mm 为了使套筒可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取lIVV61mm。dVVI45mm，lVVI8mm。

3）查表GB/T 5014—2003取联轴器LX3的Y型，孔长60mm，石棉垫片宽度为6mm故，lVIVII60mm6mm66mm，dVIVII40mm

4）轴的长度为：

l23mm54mm64mm61mm8mm66mm276mm

（3）轴上零件的周向定位

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齿轮与轴，联轴器与轴，均采用平键连接，由表查得，齿轮与轴的平键截面为bh14mm9mm，键槽长定为54mm，联轴器与轴的平键为bh12mm8mm，长为40mm 2.3.4轴上的载荷

可化为简支梁的轴跨距为L2L3L461mm8mm66mm135mm，根据计算，截面C为危险截面，做出轴的扭矩图和弯矩图，各个数值参考如表2-2：

表2-1 轴的各个计算数值

载荷

水平面H

垂直面V 支反力F

FNH1274N FNH2274N

FNV1100N FNV289N

弯矩

MH20207.5Nmm

MV7375Nmm 总弯矩M

M22Nmm 20207.5737521511扭矩T

T254625Nmm

2.3.5校核轴的强度

（1）轴的计算应力

轴的计算应力校核时，只需校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度，本设计中最大最大弯矩和扭矩的截面为C面，根据表中数据以及扭转应力为脉动循环变应力，取0.6，轴的计算应力[3]

caMT422W(214)

2215110.65462520.1453MPa43MPa

前已选定轴的材料为45钢，调质处理，查濮良贵《机械设计》第八版表15-1可知，160MPa，因此1）判断危险截面 ca1，故安全。

（2）校核轴的疲劳强度

齿轮轴段弯矩最大，截面III为危险截面，其它截面均按扭转强度较宽设定的，故，只需轴的右侧即可。

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2）截面右侧各个系数的计算[3]

抗弯截面系数：

W0.1d30.14036400mm3抗扭截面系数：

WT0.2d30.240312800mm3截面左侧弯矩M为：

73.7530.5M2151112615Nmm73.75截面上的转矩：

(215)

(216)

T254625Nmm

截面上的弯曲应力：

M126151.97MPa W6400b截面上的扭转切应力 ：

T546254.27MPa WT12800轴的材料为45钢，调质处理[6]。由濮良贵《机械设计》第八版表15-1查得

TB640MPa，1275MPa，1155MPa。

截面上由于轴肩而形成理论应力集中系数及，由濮良贵《机械设计》第八版

D44r2.01.1，经插值后得1.82，1.20。0.05，附表3-2查取因d40d40濮良贵《机械设计》第八版附图3-2查得轴材料的敏性系数为

q0.82，q0.85

k1q(1)

(217)

10.82(1.821)1.68k1q(1)(218)

由图表选出

10.85(1.21)1.17

0.67，0.82

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轴按磨削加工，查图可得表面质量系数

0.92

轴的表面未经强化处理，即q1，按濮良贵《机械设计》第八版公式（3-12）及（3-12a）的轴的综合系数为

碳钢的特性系数

计算安全系数 [3]

Kk111.680.6710.9212.60Kk111.170.8210.921 1.510.1~0.取0.10.05~0.1取0.05S1Kam2752.64.860.1021.76S1Kam

1551.5117.8020.0517.80211.1619

(219)

(220)

(221)

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ScaSSSS21.7611.162222(221)

21.7611.169.9S1.5故可知轴是安全的。

2.4 带传动的设计

2.4.1概述[4] 带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮和传动带。当主动轮转动时，利用摩擦，将动力通过传动带传递给从动轮。工作示意图如图2-3所示：

（a）不工作

（b）工作

2-3传动带工作示意图

带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、能够轻易实现远距离，价格便宜、维护容易等特点。在近代机器设备中应用广泛。摩擦型带传动能够实现过载打滑、而且机器工作时噪声低，但摩擦型带传动比不够精确；同步带传动能够保证一定的传动比，但是对带的载荷变动量的吸收能力差，高速速运转时噪声很大。根据用途不同，有一般工业用传动带、汽车用传动带、农业机械用传动带和家用电器用传动带。摩擦型传动带根据其截面形状的不同又分平带、V带和特殊带等。

带传动的功率损失有：

（1）滑动损失 摩擦型V带传动工作时，由于带轮上下边的拉力差及其带轮不同变形差形成弹性滑动，从而导致带与从动轮的速度损失。弹性滑动功率损失率通常在1%～2%之间。严重滑动，特别是过载打滑，会使带的运动长时间处于不稳定状态，效率急剧下降，摩擦磨损加剧，从而严重影响带的寿命。滑动损失随紧边与松边拉力差的增大而增大，随带体弹性模量的增大而减小。

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（2）内摩擦损失 带在运行中的反复伸缩，会使带体内部产生摩擦引起功率损失。内摩擦损失随预紧力、带厚与带轮直径比的增大而增大。减小带的带轮之间的拉力变化，可减小带传动的内摩擦损失。

（3）空气阻力损失 带轮高速运行时，运行风阻引起的功率损失。带传动的功率损失与速度的平方成正比。因此设计高速带传动时，应减小带的表面积，尽量用厚窄的带；带轮的轮辐表面应平滑或用辐板以减小风阻。

（4）轴承摩擦损失 轴承受带拉力的作用产生摩擦，也会导致带传动的功率损失，轴承摩擦损失是引起功率损失的重要因素之一。

综合上述损失，带传动的效率约在80%～96%范围内，设计带传动时，要根据带综合因素来选取带轮与传动带的形状。

2.4.2带传动的设计计算

骑马订书机带式传动系统中采用V带传动。已知电动机功率为P7.5kW，转速为n11200r/min，传动比i3.4，每天工作8小时

1、确定计算功率Pca[4] 由带传动工作情况系数表查得濮良贵《机械设计》第八版表8-7知KA1.1，故

PcaKAP1.17.5kW8.25kW

2、选择V带的带型根据Pca、n1由普通V带选型图，选用A型。

3、确定带轮基准直径dd并验算带速v 1）选择取小带轮基准直径

dd1120mm

2）验算带速 由经验知

vdd1n16010003.141201200

6010007.54m/s

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因为5 m/s < v < 30 m/s，故带速合适。3）计算大带轮基准直径

dd2idd13.4120mm 408mm元整取dd2400mm

4、确定V带中心距a和基准长度Ld 1）初定中心距

0.7(dd1dd2)a02(dd1dd2)

初定中心距a0 = 600 mm 2)计算带所需基准长度 L2a0(dd2dd1)d02(dd1dd2)4a0260022(120400)(400120)4600

2050mm

查表得基准长度：

Ld =2000 mm 3）带的实际中心距a

aa0LdLd0

2200020506002mm575mm

4）中心距变化范围[3] amina0.015Ld6000.0152000570mmamaxa0.03Ld6000.032000660mm

222）(223)

（

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中心变化距范围570~660 mm

4、计算验证小带轮上的包角1[3] 1180(dd2dd1)

57.3a57.3180(400120)57515290(224)

5、计算带的根数z 1）计算单根V带的额定功率Pr 由dd1120mm和n11200r/min,查表得P02.28kW

根据n11200r/min,i3.4查表得

P00.15kW

查表得K0.925，KL0.93于是

Pr(P0P0)KKL

2）计算V带的根数

(225)

(2.280.15)0.9250.93kW2.2kWz

取4根

6、单根V带的初始拉力最小值[3]

Pca8.253.75 Pr2.2F0min500500232N应使初拉力F0>F0min

7、轴的最小压力[3]

(2.5K)Pcaqv2Kzv（224）

(2.50.925)8.250.17.5420.92547.54 23

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Fpmin2zF0minsin12152 224161sin1251N2.5 凸轮的设计

2.5.1凸轮的简介[5]

凸轮是一种机械机械回转或滑动部件，它把运动传递给紧靠它边缘运动的滚轮或在槽面上运动的针杆。凸轮在各种机械中广泛的应用，尤其在纺织机械，印刷机械，冲压机床等自动控制装置中应用最为广泛。随着制造技术的发展，凸轮的制造越来越精确，应用范围也逐渐扩大。凸轮传动的特点如下： 只要合理的设计出凸轮的轮廓，就能很容易地获得预期的运动规律。2 凸轮的响应速度快 3 凸轮机构结构简单紧凑 凸轮轮廓线与推杆之间为点线接触，易磨损。5 凸轮制造困难。

凸轮的种类很多，按凸轮的形状分类可分为盘形凸轮和圆柱形凸轮；按推杆分类可分为，尖顶推杆凸轮，滚子推杆凸轮和平底推杆凸轮；按接触的方式不同可分为，力封闭凸轮和几何封闭凸轮。

2.5.2确定凸轮的基本外形尺寸

自动骑马订书机采用直动滚子推杆盘形凸轮机构，工作条件是高速轻载。对推杆的要求为：当凸轮转过90°时，推杆上升150mm，凸轮继续转过90°时时，推杆停止不动；凸轮再继续转过60°时，推杆下降150mm，凸轮转过其余角时，推杆又停止不动。、确定凸轮机构的基本尺寸 基圆半径

初步确定基圆的半径r0=300mm，推杆棍子半径为rr=60mm。本此设计的工作条件是高速轻载，选用冲击较小的运动规律。

2、确定凸轮机构的运动方程

初步选定，推程阶段为正弦加速运动规律，回程阶段选用五次多项式运动规律[5]。运动规律如图2-4所示：

（1）正弦运动规律的方程式为：

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vh1cos(2/0)/0a2h2sin(2/0)/02sh(/0)sin(2/0)/(2)

（2）五次多项式的运动规律方程为：

sC0C1C22C33C44C55vds/dtC12C23C324C435C54 adv/dt2C226C3212C42220C523

(a)正弦运动规律图

（b）五次多项式运动规律

图2-4 凸轮推程与回程阶段的运动规律

由图知正弦加速运动规律和五次多项式运动规律都没有柔性冲击和刚性冲击，适合高速轻载的凸轮设计。

3、计算凸轮的理论廓线

对于对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，凸轮的理论轮廓线坐标为

x(s0s)sinecosy(s0s)cosesinsr0，求得：

(225)

本次骑马订书机的设计中e0x(r0s)sin

y(r0s)cos对上式中的位移s进行分段计算

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（1）骑马订书机凸轮的推程阶段

0290/2

0190/2

s1h(1/01)sin(21/01)/(2)

h(21/)sin(41)/(2)

10,/2

（2）骑马订书机凸轮的远休止阶段

0290/2

s21

5（3）骑马订书机凸轮的回程阶段0360/3

s3346h55310h3/0315h43/033/0

327h033/3121h543/4145h853/5

（4）骑马订书机凸轮近休止阶段

041202/3

s40

推程和回程阶段的压力角

arctands/drs

0去计算间隔为5°计算以上各式的值，将结果写入表格中。计算结果时：推程阶段：1远休止阶段：123

回程阶段：123近休止阶段：12345

4、计算凸轮的实际工作廓线

20,/2

30,/3

40,/3

（2-26）

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其中

xxrrcosyyrrsin(227)

sin(dx/d)/(dx/d)2(dy/d)2 cos(dy/d)/(dx/d)2(dy/d)2

（1）骑马订书机凸轮的实际工作推程阶段 10,/2

dx/d(ds/d)sin1(r0s)cos12h 1cos4(1)sin1(r0s)cos1



dy/d(ds/d)cos1(r0s)sin12h

1cos4(1)cos1(r0s)sin1



（2）骑马订书机凸轮的实际工作远休止阶段

20,/2

dx/d(r0s)cos(/22)dy/d(r0s)sin(/22)

（3）骑马订书机凸轮的实际工作回程阶段

30,/3

dx/d(ds/d)sin(3)(r0s)cos(3)

(81h032/3486h033/4729h034/5)sin(3)

(r0s)cos(3)

35dy/d(810h3/34860h34/47290h3/5)cos(3)(r0s)sin(3)

4）骑马订书机凸轮的实际工作远休止阶段

30,2/3

dx/d(r0s)cos(4/34)

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dy/d(r0s)sin(4/34)

凸轮的工作曲线与实际曲线的计算结果如表2-2

表2-2 凸轮的各个计算数值



0 5 10

350 x

0.000 26.175 52.365

y

300.000 299.185 296.226

x

0.000 21.602 44.468



240.000 238.885 237.228-52.092-26.148 0.000

295.446 298.984 300.000

-41.468-20.916 0.000

236.352 238.645 240.000 355 360

由表中各个数值计算结果，可作出凸轮的轮廓曲线如图2-5所示：

图2-5 凸轮的轮廓曲线

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凸轮机构推程阶段最大的压力角为19.856°，相应凸轮的转角为45°；回程阶段的最大压力角为27.658°，相应的凸轮转角为210°，凸轮的最大压力角小于许用压力角，故凸轮的尺寸设计合理。

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第3章

骑马订书机的电气控制设计

3.1 骑马订书机的特点及控制要求

1、骑马订书机的运动由电动机M传动

2、主轴制动靠刹车轮的摩擦制动

3、到发生堵纸现象时，微动开关启动，电机M断电，机器停止工作。

4、机器的运动与停止等操作都集中在电气操作箱上。

电动机M的型号：JZT251—4 7.5kW 220V 1200r/min 3.2 电气线路设计

3.2.1 执行电路的设计

根据骑马订书机的工作要求，为了调速，并降低启动电流，电动机M选用松下变频器BFV00072G 220V 0.75KW。总电路的过载保护选用，选用熔断器FU[10]。执行电路图如3-1所示：

图3-1 自动骑马订书机的执行电路图

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3.2.2控制电路的设计

光电传感器的初状态闭合，当检测到书帖信号时，光电传感器SL1的长闭触电开启，继电器KM3断开，从而使电磁铁主回路中的电流继电器KA1失电断开，电磁铁YV不工作，离合机构啮合，订书机机头工作。当无书帖时，光电传感器SL1闭合，继电器KM3得电触点闭合，从而使从而使电磁铁主回路中的电流继电器KA1得电闭合，电磁铁电磁铁YV工作，离合机构断开，订书机机头不工作。接近开关SL2同步复位KM3，以保证装订机头，停于上限位置。当发生纸张拥堵时，微动开关SS1断开，继电器KM1失电，变频器的控制回路中的开关SA开启，变频器失电，停止工作，电动机M停止。当光电传感器SL1检测到书帖时，SL1-2触电闭合，计数器得到一次信号，累加一次。当无书帖时，计数器无信号，不累加。控制电路图如3-2所示

图3-2 自动骑马订书机的控制电路图

3.3电器元件的选择[6]

1、电源引入开关Q

电源引入开Q关主要起外部输入电路的作用，可根据电机M的额定电流选用。

P7500IA19.7A U380选用HZ-25/3型开关，额定电流25A

2、变频器[12] 变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流 31

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变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。为了电动机M调速，并降低启动电流，电动机M选用松下变频器BFV00072G 220V 0.75KW。

3、电位器

电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压。电位器既可作三端元件使用也可作二端元件使用。后者可视作一可变电阻器。工作示意图图如3-3所示：

图3-3 电位器工作原理图

本设计中为了获得部分稳定的电压输出，选用日本思博（sakae）22HP-10电位器，主要参数如下：

功率：2W

最大工作电压：250V 预期旋转寿命：1000000次

4、光电传感器[16] 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。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。光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同。光电电传感器具有检测距离长；对检测物体的限制少； 响应时间短 ；分辨率高 ；可实现非接触的检测 ；可实现颜色判别 ；便于调整等优点。

本设计中当每个书帖装订好时，为使其信号转化为计数器能识别的电信号，选用PIH-TC20NOC3D（对射型NPN常开+常闭 / 距离3CM / DC10-30V）光电传感器。

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5、熔断器FU1，FU2 FU1是对总电路的保护熔断器。熔体电流为：

P7500IRA19.7A

U380可选用RL-15熔断器，配用20A的熔断器。FU2，选用RL-15熔断器，配用2A的熔断器。

6、继电器KA，KA1，KA2及KA3 继电器专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。

固态KA选用固态继电器SAP-4040D 40A，各项参数如下 负载最大电流：40A；

负载电压：40V-480V；

控制电压：3-32VDC；

频率范围：47/63HZ 工作环境温度：-40-80℃

动作状态指示：LED，KA1，KA2及KA3选用SSR-10DA(10A)单相固态继电器 各项参数如下： 负载最大电流：10A；

负载电压：40V-480V；

控制电压：3-32VDC；

频率范围：47/63HZ 工作环境温度：-30-75℃

动作状态指示：LED，7、停止开关SB1，启动开关SB2 停止开关SB1选用LA10绿色，启动开关SB2选用LA10红色

8、电磁铁YT 电磁铁控制电磁离合机构的啮合与断开，选用直流推拉式电磁铁HCNE-1038主要参数如下：

吸力：5N

行程：10mm

控制电压：DC24V

9、开关电源

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。本次设计中所选开关电源为欧姆龙开关电源S8JC-100-24 100W DC24V。如图3-4所示：

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图3-4 S8JC-100-24型欧姆龙开关电源

10、计数器

本设计中选用JDM9-6数显智能计数器（图3-5）220V交流 110V 24V交直流电压均可直接工作 计数范围：6位LED数码管0-999999

图3-5 JDM9-6型数显智能计数器

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3.4编制电气元件明细表

根据3.3所选电气元件，列出3-1所示，电气元件表

3-1 自动骑马订书机电气元件明细表

符号 M Q RP U SL 名 称 异步电动机 组合开关 电位器 变频器 光电传感器

型 号 JZT251-4 HZ-25/3 22HP-10 BFV00072G PIH-TC20NOC3D

规

格

380V 1200r/min 7.5KW 3极

500V

25A

2W 250V 220V 0.75KW 距离3CM

DC10-30V KA 固态继电器

SAP-4040D

40A 控制电压：

3-32vDC KA1 继电器

SSR-10DA

10A 控制电压：

3-32vDC KA2 继电器

SSR-10DA

10A 控制电压：

3-32vDC KA3 SB1 SB2 YT FU1 FU2 G C 继电器 控制按钮 控制按钮 电磁铁 熔断器 熔断器 开关电源 计数器

SSR-10DA LA10 LA10 HCNE-1038 RL-15 RL-15 S8JC-100-24 JDM9-6

10A 控制电压：

3-32vDC 绿色 红色

吸力5N 行程10mm

DC24V 500V 熔体 10A 500V 熔体

2A 100W 24V

24V 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 数量 1 1 1 1 2

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第4章

自动骑马订书机的PLC控制设计

4.1 PLC的简介

4.1.1PLC的定义及基本结构[18] PLC又称可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机。

PLC硬件的基本结构包括：电源、中央处理器（CPU）、储存器、输入输出借口、外部设备。

1、电源

电源是PLC的能量源，可靠稳定的电源很大程度上决定了PLC工作性能。如果没有一个持续稳定的电源系统PLC是无法正常工作的。因此，PLC控制器的制造商对电源的设计和制造十分重视。PLC的电源有直流和交流两种，直流多为24V的电源，交流多为220V电源，PLC电源的抗干扰能力都很强，有的交流电源PLC供电范围在140V~250V之间。

2、中央处理器(CPU)

中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的核心部件，是PLC的控制运算中心。它负责处理PLC接受的用户程序和数据，检查电源、存储器、计数器、定时器等部件的运行状态，并能够判断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并存入“内存映像”，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，按指令执行逻辑或算数运算，当所有的用户程序执行完毕之后，将输入输出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。

3、存储器

存储器主要用来存放用户的程序及数据。存储器的主要种类有，ROM、EPROM、EEROM。

4、输入输出接口

PLC输入输出接口是CPU与外部设备之间交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。PLC的输入输出接口包括：数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块和模拟量输出模块四大部分。PLC之所以能够在恶劣的工业环境中正常工作，输入输出接口起了重要作用。

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5、外部设备

PLC的外部设备主要有：显示器、打印机、编程器等。目前，PLC多采用个人计算机编程，PLC通过通信电缆与PC连接，从而使PLC的编程、监控达到了真正意义上的快捷、方便。

4.1.2PLC的特点及应用范围[12] PLC是面向用户的专用控制器，相对于应用广泛的继电—接触系统以及单片机应用系统具有很多特点。

（1）PLC控制器的考干扰能力强，一般的PLC控制系统不用考虑干扰问题，继电气控制虽然能够抵抗一般的电磁干扰，但在高电磁环境中，可靠性会急剧下降。单片机控制系统则要专门设计抗干扰系统，非常容易受到电磁干扰，不能够在较高电磁环境下工作，应用范围较小。

（2）PLC系统的维护方便，利用PLC自我诊断功能可以很快的找出故障点及时排除故障。继电器控制系统常用的电子元件容易损坏，更换时检查非常不方便费时费力。单片机控制系统需要定期维护且维护复杂，技术难度较高，需要专门的技术人员。（3）PLC程序开发采用梯形图，明了简便易学不需要专门的计算机知识。机电控制系统开发时图样多，线路复杂接线工作量大，出现错误排查困难系统的调试工作量大周期长。单片机控制系统设计复杂，系统的调节测试技术难度大，需要有专门计算机技术知识的人进行测试。

（4）PLC控制系统通用性较好，适用范围广非常适合在恶劣的工业环境中工作，而且系统易于扩展，接口即插即用。继电器控制系统铺设好后改装麻烦，费时费力，一般为专用系统。单片机系统改造时要经过专门的软硬件技术改造再能使用，改造时间长。（5）PLC的硬件成本相对于继电器控制系统和单片机控制系统较高，这是制约PLC控制系统应用的一个重要因素。

随着工业自动化的提高，如今只要涉及控制的地方，都离不开PLC这个大脑，可大概分为两个领域：

（1）单机控制为主的自动化设备，比如：包装机械、印刷机械、纺织机械、注塑机械、自动焊接设备、机床设备、冶金行业的辊压、连铸机械等。这些设备的所有动作，加工都需要靠依据工艺设定在PLC内的程序来指导执行和完成，就如人的大脑。（2）以过程控制为主的流程自动化设备，比如污水处理、自来水处理、楼宇控制、火电主控、辅控、水电主控、辅控、太阳能、水泥、石油、石化、铁路交通等。这些行业所有设备的连续生产运行，总存在许多的监控点和大量的实时参数，而要监视、控制、和采集这些流程参数和相关的工艺设备，也必须依靠PLC这个大脑来完成，当然传统叫法也有DCS，尽管设计之初的理念不一样，但现技术路线已逐渐融合。

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4.1.3PLC的工作原理[19] PLC采用循环扫描的方式工作，实际工作时，用户设定好程序后，CPU从第一条程序开始执行，执行方式是从上向下，从左向右，程序结束时，再返回第一执行直到循环结束。工作过程如图4-1所示。

4-1 PLC的工作过程框图

1、自诊断

PLC在扫描用户程序之前，都首先进行自我诊断。自我诊断包括输入输出接口，储存器，CPU等，发现异常情况，停机显示出错。若PLC自我诊断正常，用户程序开始执行。

2、通信

在通信阶段PLC编程器或计算机有通信请求，PLC会在这段时间内完成数据收发工作。

3、读入现场信号

在这个阶段PLC对各个输入端信号进行扫描，将外部输入存入映像寄存器。对于接通电路输入信号，映像寄存器中状态为“1”；对于断开电路输入信号，映像寄存器的状态为“0”，也就是说某一个输入信号相对应的电器元件在映像寄存器中为“1”时，该电器元件的状态为“ON”，在映像寄存器中为“0”时，该电气元件的状态为“OFF”。

4、程序执行

这一阶段CPU将用户当前程序调出，逐条执行，程序的运算结果会存在映像寄存器中。如果在这一阶段用户改变程序内容，PLC不会立刻执行，要在下一个扫描周期执行。

5、输出结果

当PLC将程序执行完毕后，PLC会把输出状态寄存器的指令状态，转化成执行元件所能够识别的电信号，从而控制被控设备及电器元件。

4.1.3PLC的选择原则[19] PLC系统设计时，明确控制方案后就是PLC的选型问题了。PLC的选择依据主要有 如下：

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（1）输入输出点数的估算，PLC选择是输入输出点数要留一定的余量，通常是比实际所需点数高10%到40%，也可根据实际情况自行考虑。

（2）储存量的估算，PLC选择时要首先根据机器所执行的功能，初步估算应用程序的大小，从而初步确定储存器的大小。

（3）控制功能的选择，用户选择PLC设备时，要熟悉所控制设备的主要功能及控制方式，来确定PLC的类型。

（4）PLC机型的选择，以上三个步骤完成之后，PLC的各项参数基本确定，就要考虑机型问题。PLC的产品种类很多，用户要根据自身经济情况和所控机器的情况综合考虑，选择性价比合适的产品。

4.2 自动骑马订书机的PLC选型及控制电路改造

4.2.1自动骑马订书机的PLC类型选择

根据自动骑马订书机的规格和各项技术要求，可选用日本三菱公司生产FX2N-32MR-001型PLC[15]（如图4-2）。FN系列PLC是日本三菱公司制造的高性能小型PLC，性能稳定，速度快是现有PLC产品中性价比较高的产品，其中FN2系列是FN系列中速度最快的型号。FX2N-32MR-001型PLC的规格如下：

电源规格：AC 100V~240V，DC24V

输入输出点数：输入16，输出16（继电器）外形尺寸：150×87×90（mm）

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图4-2 FX2N-32MR-001型PLC 4.2.2PLC控制电路设计

（1）自动骑马订书机的输入输出点数如表4-1所示：

表4-1地址分布表

输入地址 X0 X1

注释 电机启动按钮SB1 光电传感器SL1未检测到数

到书帖信号

光电传感器SL1检测到数贴

信号

光电传感器SL2检测到数贴

信号

纸张拥堵微动开关SS1 错帖微动开关SS2 电机停止SB2

输出地址 Y0 Y1

注释 电动机启动 继电器ＫA1得

电闭合 电磁铁ＹT得电闭合 电动机停止 X2 Y2 X3 X4 X5 X6

Y3

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（2）自动骑马订书机的PLC接线图如图4-3所示

图4-3自动骑马订书机的PLC接线图

（3）自动骑马订书机的PLC程序图如图4-4所示: 41

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图4-4 自动骑马订书机的PLC程序图

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结论

紧张忙碌的毕业设计，终于接近尾声。在毕业设计这段时间里，我学到了很多知识，同时也对大学所学知识做了一次系统的总结。在毕业设计初期，我遇到了很大的困难，面对题目不知如何下手。在老师指导下我查逐步理清了设计思路，通过查阅相关资料，向老师请教和同学们讨论我逐步解决了毕业设计中的相关难题。最终，我顺利完成了毕业设计论文。

此次设计，我对传统骑马订书机的电气部分精进行了设计改装，传在对订书机头增加了电磁控制装置，在容易发生堵纸增加了微动开关，增加了光电传感器检测装置，从而很好地解决了，传统骑马订书机在高速工作下状态了的容易堵纸的现象。本设计中还对传统骑马订书机的控制系统进行了PLC改造，使其控制系统更加智能化，提高了工作效率，减少了工人的工作量。

总结此次设计，我遇到了很多棘手的难题，但在老师和同学们的帮助下通过查阅相关资料我都一一解决了。通过这次设计，增强了我的分析思考能力和团队合作能力，为我日后的工作打下了良好的基础。

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参考文献

[1] 陈金成.骑马装订联动机的技术现状与发展趋势[J].印刷技术，2004.6 [2] 孟祥福，江蓉，刘传思.半自动骑马订书联动机[P].中国：CN2813299，2006.8 [3] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2006.5 [4] 李心耀，洪建忠，蒋春梅.同步带传动在离心机配平系统中的应用与研究[J].机械传动，2011.11 [5] 王世刚,胡宏佳, 机械原理与设计实验[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2004 [5] 孙午光.高速凸轮[M].北京:高等教育出版社,1992 [6] 王世刚，王树才.机械设计实践与创新[M].北京：国防工业出版社，2010.9 [7] 林瑞光.电机与拖动技术[M].杭州：浙江大学出版社，2002.8 [8] Mott, Robert L.Machine elements in mechanical design [M]．Beijing：China Machine Press，2003．

[9] 齐占庆，王振臣.机床电气控制技术[M].北京：机械工业出版社,1997.5 [10] 黄永红.电气控制与PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011.8 [11] 廖常初.设备改造中的PLC梯形图设计方法[J].电工技术杂志，2001.9 [12] 彭婧.基于PLC控制的双头车床主电路设计[J].机械,2010.02 [13] Mott,Robert L.Machine elements in mechanical design [M]．Beijing：China Machine Press，2003．

[14] Bo Chen，Jifeng Wang，Shanben Chen.A study on application of multi-sensor information fusion in pulsed GTAW[J].strial Robot，2010.3 [15] 李江全,王玉巍,刘荣.三菱PLC通信与控制应用的编程实例[M].北京:中国电力出版社,2011.8 [16] Hui-Myoung Oh，Sungsoo Choi，Youngsun Kim.A Systematic Approach to Analyzing Multipath Parameters From PLC Channel Response[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2008.23(4)[17] Hajarnavis V, Young K.An Assessment of PLC Software Structure Suitability for the Support of Flexible Manufacturing Processes[J].IEEE transactions on automation science and engineering,2008.5(4)[18] Murat Uzam.PLC/MCU: PLC with PIC16F648A Microcontroller-Part 16[J].44

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Electronics World，2010.116(1886)[19] 程子华.PLC原理与编程实例分析[M].北京：国防工业出版社，2007.1 [20] 王得胜，韩红彪.电气控制系统设计[M].北京：电子工业出版社 2011.4

致谢

时光如白驹过隙，转眼间美好的四年大学时光即将结束。大学的最后一项重要工作——毕业设计，也接近尾声。回首四年的大学生活，我受益颇多。在做毕业设计的这段时间里，同学们和老师都给了我无私的帮助。在此，对帮助我的人致以诚挚的感谢。在毕业设计中我遇到了很多困难，在同学和老师的帮助下我都逐一解决。我要特意感谢李东升老师，李西兵老师，尤其是我的毕业设计导师郭建华教授，他严谨的治学风格，幽默的说话方式，独特的人格魅力深深的感染了我，使我受益匪浅。我还要感谢我的同组同学，张阳、高先龙他们给我了很多帮助。我还要特别感谢18#317兄弟们，你们不仅在学习上给我了很多帮助，还在生活中给我了很大的帮助，你们都是我的好兄弟。最后谢谢所有帮助过我的人，谢谢你们。

第二篇：订书机改良设计

订书机人机（改良）设计

—便携式订书机

前言

文具行业是中国轻工产业发展最迅速、最完善的一个行业。中国文具市场容量已突破人民币1000亿元，近年来的文具市场发展步伐均在10%以上，随着国内经 济的发展，集团购买力的提高，将更加加速文具行业的发展。许多大的外企文具生产商、经销商都纷纷驻足国内市场，正是看中了中国文具广阔的消费市争场前景。如果把文具行业的发展分为初级阶段、竞阶段、成熟阶段的话，目前文具行业已进入了后竞争阶段，也就是逐步步入品牌化时代，文具行业的竞争方式由 单一的价格竞争转向服务、管理、购物环境等多方位的品牌化竞争。面对品种繁多的文具用品，消费者可选择的余地也越来越多，国外竞争对手的涌入，将使得整个 市场的竞争压力不断加强，未来的竞争也将更加残酷。为此要在残酷的市场竞争又赢得一席之地，就必须提升产品的功能性和使用性来赢得消费者，为此我们针对订书机做此改良设计。

一产品介绍 订书机简介 订书机的发明

装订图书的传统方法是按照“贴码”将书页缝合起来。这是一个相当复杂的工序，对熟练的装订工人来说是简单的，但由一部机器来做却可能很困难。因此想提高工作速度的装订工人，尤其当生产那些通常要求快的小册子和杂志时，都试图寻找到用小段弯铁丝来进行装订的办法。

1869年，美国马萨诸塞州波士顿的托马斯·布里格斯发明了一个能担当此任的机器。他创办了一家制造和销售这种机器的“波士顿铁丝装订机公司”。他的机器将铁丝轧断并使它弯成U形，然后用它来钉穿书页，最后再弯一下将书恰当地固定好。

布里格斯最初的订书机是相当复杂的，因为它有那么多道操作步骤。因此，他在1894年采用了一种制造工序，该工序首先将铁线轧断并弄弯，做成一串“U”形订书钉。这些钉子可以装进一个简单得多的机器里，该机器可以把这些钉子嵌入纸张中去。这个机器就是如今办公室和家里订书机的原型。

早期的“U”形钉包在纸里，或者单个地装进订书机里。订书机的使用在20世纪20年代日益普及，而在当时，U形钉已可以被黏合成一长条投放市场。

订书针规格

订书钉规格有： 26/

6、24/6（369）、10#、23/6-24，封箱钉35╳16、18、19等。现有市场上订书机现状分析

订书机知名企业

骑马订书机 得力订书机 益而高订书机 黑皮文具订书机 惠胜订书机 品牌惠胜订书机展示 1）手握式订书机

品牌:惠胜，型号:HS-851，最大装订厚度:3（mm），规格:NO.10，装订方式:手动，装订长度:65（mm），打孔厚度:3（mm），刀片使用寿命:1000000，重量:0.1722（kg）。产品专利号:200530129583.X订纸张数:2-18张80克纸适用针型:No.10(100PCS)入纸深度:

分析：这款订书机和按压订书机的不同，原理类似平时用的夹子，体积较大。装订的页数较多，2）360度转头塑胶订书机

品牌:惠胜，型号:HS2005，最大装订厚度:3（mm），规格:24/6 26/6，装订方式:手动，装订长度:95（mm），打孔厚度:3（mm），刀片使用寿命:100000，重量:0.1778（kg）。订纸张数:2-20张80克纸适合针型:24/626/6(100/105PCS)入纸深度:95mm产品尺寸:160&

分析：这款订书机采用了360度转头，解决了人们转纸的麻烦，设计更加人性化，更加方便使用。3）手握立式标准订书机

品牌:惠胜，型号:H-800，最大装订厚度:3（mm），规格:24/6 26/6，装订方式:手动，装订长度:60（mm），打孔厚度:3（mm），刀片使用寿命:1000000，重量:0.1375（kg）。产品专利号:200430087588.6订纸张数:2-20张80克纸适用针型:24/626/6(105/100PCS)...分析：立式的订书机更加节省空间，适合在办公室使用或要求节约空间的地方使用。

4）手握式标准订书机

品牌:惠胜，型号:HS-850，最大装订厚度:3（mm），规格:24/6 26/6，装订方式:手动，装订长度:65（mm），打孔厚度:3（mm），刀片使用寿命:1000000，重量:0.233（kg）。产品专利号:200430129588.9订纸张数:2-20张80克纸适用针型:24/626/6(105/100PCS)

5）标准塑胶订书机

品牌:惠胜，型号:HS-721，最大装订厚度:3（mm），规格:24/6 26/6，装订方式:手动，装订长度:60（mm），打孔厚度:3（mm），刀片使用寿命:1000000，重量:0.1611（kg）。产品专利号:200430087519.8订纸张数:2-20张80克纸适用针型:24/626/6(100/105PCS)

分析：塑料的发明使人类的生活变得更加丰富多彩，塑料的外壳不仅坚固，而且色彩亮丽。

6）迷你订书机

使用书针型号:10，装订厚度:8，类型:迷你订书机，规格:10X2.2X4.5CM，包装方式:OPP。此款订书机造型时尚，颜色鲜艳，手感舒适。上层有磨砂感电镀光亮且十分实用，是办公家居的好帮手！

分析：体积小巧，色彩鲜艳，方便携带，适合学生等经常使用装订的人群使用。

7）重型加厚订书机

可一次性装订210张80g纸张！高品质产品，建议选用高品质订书钉如伊莎瑞特，可得优等品牌书钉配套使用，效果更佳！钉纸深度：66MM钉纸厚度：210张（21.MM厚,80g/m2）书针规格：23/10-23/24

分析：此类订书机常用于专门转订书籍的场所，如印刷厂、复印店等。8）电动订书机

【包装】1/－－/24【外箱尺寸】36.5x26x27.5cm【颜色】【书钉种类】26/6 ~ 24/6【订纸厚度】15pages/80g【装订数】≤50pcs电池适用 4节5V碱性电池

分析：这款订书机以电能为动力，更加方便了人们的装订，是未来订书机发展的趋势。

9）无订订书机

无针订书机不用订书针，就能轻松把几张纸订在一起

它对于装订一般的纸张，发票等都没有问题，使用方便，省时省力，非常适合装订少量文件时使用。无针订书机环保设计，时尚先锋，永不伤手。尤其适合装订票据，简单文件等。再也不用因为装订错了而要使用工具用劲去撬。避免了对碎纸机的损坏.它适合商务会议，促销活动，有多处丝印位置。

分析：无订订书机是环保设计，并且没有了被订到手的危险，也是未来订书机发展的趋势，但是使用寿命较短。

2、操作分析

这种操作方式装订的页数较少，当页数较多时，按压比较费力

使用这种按压方式，装订的页数较多，也比较省力。

这种操作方式主要用大拇指施力，力量较小，适合装订页数较少的情况，当页数较多时，按压比较费力

3、使用群体分析（大学生便携设计）

1）影响消费者购买行为的主要因素有哪些？

影响消费者购买行为的主要因素有：

1．社会文化因素。文化因素包括文化、亚文化及社会阶层对消费者行为所起到的影响，是各因素中对消费者的作用最为广泛深远的。

2．经济因素。影响消费行为的经济因素主要有商品价格、消费者收入和商品效用以及经济环境因素。

3．心理因素。影响消费者购买行为的心理因素，主要包括动机、知觉、学习、信念和态度等。

4．个人因素。购买者的决策也会受到个人外在特征的影响，特别是受其年龄所处的

生命周期阶段、经济环境、生活方式、个性以及自我概念的影响。

2）消费者心理分析 青年人消费心理 ：在我国青年消费人口众多，一般来说青年消费者的消费心理特征具有以下几点，1）追求时尚和新颖 青年人的特点是热情奔放，思想活跃，富于幻想，喜欢冒险，这些特点反映在消费心理上，就是追求时尚和新颖，喜欢购买一些新的产品，尝试新的生活。在他们的带领下，消费时尚也就逐渐形成了。

2）表现自我和体现时尚 这一时期，青年人的自我意识逐渐加强，强烈地追求独立自主，在做任何事情时，都力图表现出自我个性。这一心理特征映在消费行为上，就是喜欢购买一些具有特色的商品，而且这些商品最好能体现自己的个性特征，对那些一般化,不能表现自我个性的商品，他们一般都不屑一顾。

3）容易冲动，注重情感 由于人生阅历并不丰富，青年人对事物的分析判断能力还没有完全成熟，他们的思想感情，兴趣爱好，个性特征还不完全稳定，因此在处理事情时往往容易感情用事，甚至产生冲动行为。他们这种心理特征表现在消费行为上，那就是容易产生冲动性购买，在选择商品时，感情因素占了主导地位，往往以能否满足自己的情感愿望来决定对商品的好恶，只要自己喜欢的东西，一定会想方设法，迅速做出购买决策。

4男性消费心理：

1)动机形成迅速、果断，具有较强的自信性。男性的个性特点与女性的主要区别之一就是具有较强的理智性、自信性。他们善于控制自己的情绪，处理问题是能够冷静的权衡各种利弊因素，能够从大局着想。有的男性则把自己看成能力、力量的化身，具有较强的独立性和自尊心，这些个性特点也直接影响他们在购买过程中的心理活动。因此，动机形成要不女性果断迅速，并能立即导致购买行为，即使处在比较复杂的情况下，如当几种购买动机发生矛盾冲突时，也能够果断处理，迅速作出决策，特别是许多男性不愿“斤斤计较”，购买商品也只是询问大概情况，对某些细节不予追究，也不喜欢花太多时间去比较、挑选，即使买到稍微有些毛病的商品，只要无关大局，也不去计较。

2）购买动机具有被动性 就普遍意义讲男性消费者不如女性消费者经常料理家务，照顾老人、小孩，因此，购买活动远不如女性频繁，购买动机也不如女性强烈，比较被动。在许多情况下，购买动机的形式往往是由于外界因素作用，如家里人的嘱咐、朋友的委托、工作的需要等等，动机的主动性、灵活性比较差，我们常常看到这样的情况，许多男性顾客在购买商品时，事先记好所要购买的商品品名、样式、规格等，如果商品符合他们的要求，则采取购买行为，否则就放弃购买动机。

3）购买动机感情色彩比较单薄 男性消费者在购买活动中心境的变化不如女性强烈，不喜欢联想、幻想，他们往往把幻想看作是未来的现实。相应的，感情色彩比较薄淡薄，所以，当动机形成后，稳定性较好，其购买行为比较有规律，即使出现购买冲动，也往往自信决策正确，很少后悔退货。需要指出的是，男性消费者的审美观同女性有明显差异，这对他们的动机形成也有很大的影响。比如，有的男同志认为，男性的特征是粗犷有力，因此他们在购买商品时，往往对具有男性特征的商品感兴趣，如烟、酒、服装等。

5女性消费心理：在现代社会，谁抓住了女性，谁就抓住了赚钱的机会。要想快速的赚钱，就应该将目光瞄准女性的口袋，店铺在市场销售中，应当充分重视女性消费者的重要性，挖掘女性消费市场，女性消费者一般具有以下消费心理。1）追求时髦 俗话说“爱美之心。人皆有之”，对于女性消费者来说，就更是如此。不论是青年女子，还是中老年女性，她们都愿意把自己打扮的美丽一些，充分展现自己的女性魅力。尽管不同年龄层次的女性具有不同的消费心理，但是她们在购买某种产品时，首先想到的是这种商品能否展现自己的美，能否展现自己的形象美，使自己显得更加年轻更加有魅力。例如，她们往往喜欢造型别致新颖、包装华丽、气味芬芳的商品。

2）追求美观 女性消费者还十分注重商品的外观，将外观和商品的质量、价格当成同样重要的因素来对待，因此在挑选商品时，她们会非常注意商品的外观、色彩。

3）感情强烈，喜欢从众 女性一般具有比较强烈感情特征，这种心理特征表现在商品消费中，主要是情感支配购买动机和购买行为，同时她们经常受到同伴的影响，喜欢购买和她人一样的东西。4）喜欢炫耀，自尊心强 对于许多消费者来说，之所以购买商品，除了满足基本需要之外，还有可能是为了显示自己的社会地位，向别人炫耀自己的与众不同，在这种心理驱使下，她们会追求高档产品，而不注重商品的实用性，只要能显示自己的身份和地位，她们就会乐意购买。

综合以上的信息可以知道，大学生作为年轻人，即追求时尚，有要求个性.喜欢购买一些具有特色的商品，在选择商品时，感情因素占了主导地位，往往以能否满足自己的情感愿望来决定对商品的好恶，只要自己喜欢的东西，一定会想方设法，迅速做出购买决策。不会顾及太多。

4、现有订书机存在的一些不足

1）一次只能装订30页左右的印刷纸，页数再多时，就需要非常大的力气才能使用，不但不方便使用，而且容易造成订书机的损坏。

2）无法观察订书机内部订书钉的具体情况，当订书订用完或者卡订时，使用者无法知道，降低了使用效率。

3）采用骑马钉时需要另购专用的加长型订书机，增加了成本。4）订订的位置、方向只能靠使用者目测，易使订订歪斜，影响装订美观。

5）有些订书机体积较大不容易携带，而体积小的订书机装订的页数又较少，并且存在携带时误伤到手的危险。

改良设计草图

第三篇：自动搅拌机控制系统及其监控系统设计（推荐）

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自动搅拌机控制系统及其监控系统设计 AUTOMATIC MIXER CONTROL SYSTEM AND MONITORING SYSTEM DESIGN

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本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。

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I

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摘要

由PLC和计算机共同组成的控制系统是目前控制领域最广泛应用的控制模式,由PLC实现的控制系控制现混凝土搅拌的工作流程,相比于传统的混凝土搅拌，拥有生产率高，不易发生故障，自动化程度高，产品质量高等优点。

本论文对搅拌机的产生，发展历史，未来的发展趋势等方面进行了详细的分析，自动搅拌机在未来的社会建设中还会发挥着重要作用。本论文要设计自动搅拌机的控制系统，主要做了两方面的工作，即搅拌机的硬件系统设计，一个是搅拌机的软件系统设计。硬件方面，要了解有哪些控制对象，根据具体要求，进行元器件的选型设计等。设计出控制电路，画出硬件电路图，各种接线图等。软件方面，首先要明确控制要求，根据要求来进行软件设计。利用西门子系列S7-200PLC作为控制器。利用梯形图进行程序的编写，要有控制程序，同时还要有监控程序。利用整个控制系统，对搅拌机搅拌混凝土的整个过程实现自动控制。

本文针对PLC和配料控制器结合控制的搅拌站来设计其控制及监控程序设计中主要要完成的任务有系统构造、PLC的I/O分配、工作流程图及PLC程序的编写。

关键词：混凝土搅拌机 ； I/O分配 ；可编程控制器（PLC）；自动控制

I

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Abstract The control system consists of PLC and computer composed of field control mode is the most widely used, the control system implemented by the PLC control now concrete mixing workflows, compared to traditional concrete mixing, with high productivity, less prone to failure, high degree of automation, product quality advantages.In this paper, the generation of the mixer, history, future trends and other aspects of a detailed analysis, automatic mixer in society in the future will play an important role.In this paper, to design automated mixer control system, mainly to do the work of two aspects, namely mixer hardware system design, software system design a mixer.Hardware, to understand what the control object, depending on requirements, the selection and design of components and so on.Design a control circuit, draw a hardware circuit, various wiring diagrams.The software side, we must first clear control requirements, according to the requirements for software design.Siemens Series S7-200PLC use as a controller.Use a ladder diagram program preparation, to have control procedures, but also have monitoring programs.Use of the entire control system, the whole process of concrete mixer mixing to achieve automatic control.In this paper, and ingredients controllers combine PLC controlled mixing station designed for controlling and monitoring program design of the main tasks to be accomplished in a systematic structure, PLC's I / O assignments, preparation of flow chart and PLC program.Keywords

I / O assignment programmable logic controller(PLC)automatic control mixer

II

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目 录

摘要..................................................................................................................................................I Abstract..........................................................................................................................................II 1 绪论.............................................................................................................................................1 1.1 选题背景及意义..................................................................................................................1 1.2 搅拌机的现状分析..............................................................................................................1 1.3本论文的主要的主要研究内容...........................................................................................2 2系统整体设计方案......................................................................................................................3 2.1自动搅拌机的组成...............................................................................................................3 2.2 电控系统的组成................................................................................错误！未定义书签。2.3系统器件的选型设计.........................................................................错误！未定义书签。2.3.1 PLC的选型设计..........................................................................错误！未定义书签。2.3.2 行程开关的选型.........................................................................错误！未定义书签。2.3.3交流接触器的选型......................................................................错误！未定义书签。2.3.4热继电器的选型..........................................................................错误！未定义书签。2.3.5熔断器的选型..............................................................................错误！未定义书签。2.3.6断路器选型..................................................................................错误！未定义书签。2.3.7导线及开关按钮的选用..............................................................错误！未定义书签。2.3.8电压表头，电流表头的选型......................................................错误！未定义书签。2.3.9传感器的选型..............................................................................错误！未定义书签。2.3.10变频器的选型............................................................................错误！未定义书签。3 系统硬件系统设计...................................................................................错误！未定义书签。3.1 控制系统设计的基本原则及步骤....................................................错误！未定义书签。3.2 硬件电路设计....................................................................................错误！未定义书签。3.2.1 混凝土搅拌机主电路设计.........................................................错误！未定义书签。3.2.2 PLC外部接线图..........................................................................错误！未定义书签。3.2.3 I/O分配表..................................................................................错误！未定义书签。4系统软件设计............................................................................................错误！未定义书签。4.1 软件设计的主要任务........................................................................错误！未定义书签。4.2 系统功能模块化分析........................................................................错误！未定义书签。4.3 程序设计............................................................................................错误！未定义书签。5程序的下载与调试....................................................................................错误！未定义书签。5.1 调试准备............................................................................................错误！未定义书签。5.2 仿真调试..............................................................................................................................3

I

毕业设计(论文)结论.................................................................................................................................................5 致谢.................................................................................................................................................6 参考文献.........................................................................................................................................6 附录.................................................................................................................................................7 附录1 主程序.............................................................................................................................7 附录2 报警程序.......................................................................................................................12

II

毕业设计(论文)绪论

1.1 选题背景及意义

随着现代化进程的不断加快，基础设施建设，房地产业发展越来越快，人们对于所建住宅或其他建筑的要求也越发的严格，只有上好的建筑材料才能保证建造出高质量，满足要求的建筑。原来那种在工地自己生产混凝土的情况下，由于搅拌时的认为因素多，搅拌质量很难得到保障。同时传统搅拌机还搅拌时还具有噪音大，粉尘多的缺点，且生产效率也不高。而混凝土搅拌站则没有上述缺点，必将取代传统搅拌机成为主流生产方式。混凝土搅拌站采用控制系统，由电脑控制整个的生产流程，并且对生产流程进行监控、与传统方式相比，具有生产效率高，噪音小，粉尘少等特点，受到越来越多的生产企业的亲睐。

搅拌机作为核心部件，从上个世纪50年代兴起后，因其稳定的产品质量，自动控制，极高的生产效率得到了迅猛的发展。圆盘立轴式强制混凝土搅拌机作为最早出现的品类。圆盘立轴式拥有窝浆式和行星式两种运行方式。从1870年往后，轻骨料进入人们视野并迅速得到应用，从而又发展出了卧式强制式搅拌机，根据搅拌轴的多少又分为两种，分别为单卧轴式和双卧轴式，此种搅拌机具有自落的优点，同时具有强制的优点。卧式搅拌机搅拌叶片的线速度小，拥有较好的耐磨性能和耗能少的特点，得到快速发展。强制式混凝土搅拌机的搅拌叶片装在拌筒内的转轴臂架上，待搅拌材料加入到搅拌罐内之后，搅拌叶片由搅拌电机带动旋转，对物料进行搅拌，卧式搅拌机的搅拌方式的搅拌效果远远好于自落方式搅拌的混凝土，对搅拌干硬性混凝土，圆盘立轴式的搅拌效果不如卧式搅拌机。

1.2 搅拌机的现状分析

从上个世纪世界上第一个混凝土搅拌站出现以来，混凝土的搅拌历史已经发展了一百多年。随着生产要求的不断提高，企业与科研单位也在不断的改进，通过吸收和借鉴国外先进的混凝土搅拌技术，我国虽然在商品混凝土机械上面起步较晚，通过吸收学习外国的设计经验，得到的长足的发展。生产的许多品种，甚至达到了世界领先。在“十五”乃至

毕业设计(论文)2010年期间，随着现代化进程的不断加快，基础设施建设，房地产业发展越来越快，还要建设一批高铁，高速公路等重点工程。在城市化进程的道路上，住宅，道路等都需要大量地优质混凝土，所以得发展前景依然良好。

虽然混凝土机械发展了很久，但仍旧面临着许多的问题:过去的设备大多是自动化不足，现在的设备要求自动控制，向这方面转化又困难重重。经过企业和科研机构多年的努力，在混凝土搅拌设备方面型号与规格上已经比较全面，所以企业的决策者们就理所当然的认为不再需要创新，已经满足需要了，不明白接下来的发展方向。

现在市场竞争激烈，科技发展日新月异，搅拌机械要想在如此激烈的市场下生存，应该具有如下的几个方面：

（1）设计人员要具有独特的理解和设计能力。进行混凝土搅拌机械的生产企业必须要有一个坚实的人才储备，要有一定的高水平高素养的创新设计人才。显而易见，混凝土搅拌机械的入门标准较低，要有一定的闲散资金，再拥有专业技术人才，此行业经过这么多年的发展有效的验证了上述理论的真实性。同时，这也是这类企业不可回避的重要条件，是混凝土搅拌机械企业的生存要素。

（2）不光具有设计能力，还要有生产能力。自动搅拌机是整个混凝土搅拌站的核心部件，搅拌机的好坏决定了整个搅拌站的好坏，进而直接影响生产出混凝土的质量好坏，也就是说，商品混凝土的质量好坏，取决于搅拌机的质量，一旦搅拌机的质量差，肯定也生产不出高品质的混凝土。搅拌机的价值就体现在这里。企业就是通过生产，服务等经济活动赚钱的组织。所以，混凝土搅拌机械也是要赚钱来贡献社会，维持企业运转，搅拌机作为核心部件，无疑是利润最为丰厚的一部分。由此看来，加入一个混凝土搅拌企业放弃了搅拌机这一块，就相当于放弃了生存下去的机会。

（3）不光要能生产搅拌机，还要能够设计并制作配套的控制系统。控制系统作为混凝土搅拌站的另一个核心，地位与搅拌机是一样的，作为整个系统的大脑，控制系统根据不同要求控制着不同的机构，什么时间做什么事，有条不紊的进行生产。源源不断的生产出高品质的混凝土。控制系统的利润同样也不必搅拌机差。现在市场竞争如此激烈，很大程度上已经不是产品的竞争，而是售后服务的竞争，一个好的控制系统，是占领市场的制胜法宝。此类企业也只有在拥有了设计与制作控制系统的能力之后，才能说具有了完善的售后服务体系，有了对系统进行维护，升级改造的能力，这样在市场竞争中，才有了竞争力。

1.3本论文的主要的主要研究内容

（1）自动搅拌机硬件电路设计

此控制系统要求对整个混凝土的搅拌过程就是控制并监控搅拌各机构状态。首先要对整个系统的硬件设施有一个清晰的了解和认识，然后对不同的各个方面，如PLC，搅拌机的各个组成部件，按钮开关等进行分析。根据要求设计出控制电路，对电路中需要的各个

毕业设计(论文)元器件进行选型。

（2）自动搅拌机软件系统设计

按照混凝土搅拌机生产混凝土的工艺流程画出程序设计流程图，合理的分配I/O端口以及写出梯形图程序，用PLC，通过交流接触器控制各执行机构电机，控制混凝土的生产过程，并对整个生产过程进行监控。

2系统整体设计方案

2.1自动搅拌机的组成

5.2 仿真调试

第一步：从做基本的开始测试，测试程序启动和停止是否符合要求。程序下载完成后，找到工具栏上的有一个绿色的小三角形按钮，点击，就可以转换到RUN模式了。在RUN模式下，点击I0.0(启动按钮)，则Q0.0（循环开始指示灯）的LED亮；点击I0.1（手动开始），各电机启动信号灯亮，这是因为具备开始条件：点击I0.3（紧急停止按钮），所有执行机构都要停止工作，代表各输出的信号灯要全部灭掉。就可以看出是否符合要求。符合，进行下一步测试，不符合，改进。

第二步：开始测各个单元，测试各个执行机构是否符合要求。再点击手动开始按钮后，然后点击各个行程开关，测试各个执行电机是否能够正常起动和停止。

第三步：产生“加水完成”信号的程序调试。加水完成信号对整个控制系统来说至关重要，用内存监视来调试此信号。

报警程序的调试：

第一步：点击I1.1（试灯、试铃按钮），而后Q1.0、Q1.1„„Q1.4都是输出状态，即报警铃声，所有表示故障的指示灯都由熄灭状态变为亮状态，否则程序就有错误，需要进行修改。

第二步：承接着第一步，点击各个故障按钮，而后Q1.0为亮，且与该故障对应的故障指示灯闪烁，说明程序正确，不然程序为错误，需要进一步修改。

第三步：承接第二步，点击I1.1，Q1.0为输出状态，灯由亮转为熄灭状态，所有的故障指示灯转为常亮，程序就是正确的，不然程序有错，需要进行修改。

第四步：承接第三步，第三步完成以后，各个故障触点都处于闭合状态，挨个的断开这些故障触点，步该故障对应的指示灯就由常亮转为熄灭状态。程序就是正确的，否则为

毕业设计(论文)错误。需要进行修改。

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结论

由PLC和计算机共同组成的控制系统是目前控制领域最广泛应用的控制模式,由PLC实现的控制系控制现混凝土搅拌的工作流程,相比于传统的混凝土搅拌，拥有生产率高，不易发生故障，自动化程度高，产品质量高等优点。

本论文对搅拌机的产生，发展历史，未来的发展趋势等方面进行了详细的分析，自动搅拌机在未来的社会建设中还会发挥着重要作用。本论文要设计自动搅拌机的控制系统，主要做了两方面的工作，即搅拌机的硬件系统设计，一个是搅拌机的软件系统设计。硬件方面，要了解有哪些控制对象，根据具体要求，进行元器件的选型设计等。设计出控制电路，画出硬件电路图，各种接线图等。软件方面，首先要明确控制要求，根据要求来进行软件设计。利用西门子系列S7-200PLC作为控制器。利用梯形图进行程序的编写，要有控制程序，同时还要有监控程序。利用整个控制系统，对搅拌机搅拌混凝土的整个过程实现自动控制。

通过这次设计,大大增强了自己独立发现和解决实际问题的能力,提高了自己的动手能力,学会了把所学的知识运用到实践当中去,加深了对理论知识的理解和运用。对PLC各系列有了更深的了解,能够独立的编写一些PLC程序。还有就是最后的测试,虽然这个测试与真正的项目相比还有很大差别,但是它让我了解到做一个项目,付出的汗水固然重要，但细心在以后的工作生活中尤为重要。

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致谢

参考文献

[1]焦予民.混凝土搅拌机械企业核心竞争力与走出国门之路[J] ,建设机械技术与管理 2009.1 [2] New trends in European ready-mixed concrete production,United States Patent, Appl.No.:647834, May 15, 1996,1～14 [3]高佳珍.混凝土搅拌站(楼)综述(三)[J]，建设机械技术与管理，2000.3.[4]高佳珍.混凝土搅拌站(楼)综述(四)[J]，建设机械技术与管理，2000.4 [6]朱蕴璞，孔德仁等.传感器原理及应用[A].国防工业出版社，2005.8

毕业设计(论文)[7]童占荣，张翔生.搅拌设备用称重传感器选型的探讨[M].工程机械，2005,(11)[8]曲波，尚圣兵，吕建平.工业常用传感器选型指南[M].清华大学出版社.2002.1 [9] A method of and device for improving the quality of fresh concrete and preventing adhesion and hardening of fresh concrete in a rotary mixer drum of a concrete mixer truck and of a concrete mixing plant,Canadian Patent Database(CA 2236627), 1～7 [10]张德仁.DCS, PLC的现状与展望[J].山西电子技术，1999,(3).[11]张建文，徐琼，冯林.PLC控制系统工作方式的分析和研究[M].华东地质学院学报，2003(03)[12]董油海.PLC在混凝土搅拌站计量系统的应用[J].自动化与仪表，2000 ,(4).[13]刘士阳.基于PLC和组态软件的搅拌站控制系统[[J].建筑机械，2005,(5).[14]李丹，许少云.用于工业过程控制的一种新工具一组态软件[J].计算技术与自动化，1995(3).[15]王立明.基于PLC和工控机的混凝土搅拌站测控系统设计[J].西安建筑科技大学，2006(3).[16]廖常初.PLC编程及应用[M].—2版.北京：机械工业出版社，2005.5 [17]吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.1

附录

附录1 主程序

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毕业设计(论文)附录2 报警程序

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第四篇：自动售货机的PLC系统设计

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自动售货机的PLC系统设计

摘要：本文介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为了几个程序块，然后分别对程序块进行编程。具体说明了可编程序控制在自动售货机忠的作用。程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期稳定运行。

关键字

自动售货机；可编程控制器；梯形图

Abstact: This articke introduced vending machine‟s basic principle as well as the work flow, then take a transaction process as examples, divides into several blocks the transaction process, the carries on the programming separately to the block.Explained the programmable controller‟s in vending machine function specifically.The procedure involved the vending machine work major part process.Enhanced system‟s stability using the PLC control‟s vending machine, the guarantee vending machine has been able the long-term stability movement.Key word vending machine;programmable controller;trapezoidal chart

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目录

·摘要…………………………………………………………………………………1 ·前言…………………………………………………………………………………3 ·第一章 自动售货机的介绍………………………………………………………...4 ·1.1自动售货机功能分析…………………………………………………………..4 ·1.1.1自动售货机的基本功能……………………………………………………...4 ·1.2 PLC的选型原理………………………………………………………………..5 ·1.3 PLC的概论……………………………………………………………………..6 ·1.3.1 PLC的产生…………………………………………………………………...6 ·1.3.2 PLC的定义…………………………………………………………………...6 ·1.3.3 PLC的发展趋势……………………………………………………………...7 ·1.3.4 PLC的特点…………………………………………………………………...8 ·1.3.5 PLC的基本功能……………………………………………………………...9 ·1.4 PLC的基本结构和原理………………………………………………………10 ·1.4.1 PLC的系统结构…………………………………………………………….10 ·1.4.2 PLC各部分的作用………………………………………………………….10 ·1.5 松下电工可编程序控制器产品—FP1-C24介绍……………………………12 ·1.5.1 FP1-C24的组成各部分……………………………………………………..13 ·1.5.2 技术性能……………………………………………………………………14 ·第二章

PLC系统设计………………………………………………………….14 ·2.1 可编程序控制系统设计的基本原则………………………………………...14 ·2.1.1 控制系统设计原则…………………………………………………………14 ·2.1.2 控制系统设计的基本内容…………………………………………………14 ·2.1.3 控制系统设计的一般步骤…………………………………………………15 ·2.1.4 编写梯形图的注意事项……………………………………………………15 ·2.1.5 程序设计的步骤……………………………………………………………15 ·第三章

自动售货机PLC程序设计……………………………………………16 ·3.1 仿真实验中的售货机的分析………………………………………………...16 ·3.2 设计任务的确定……………………………………………………………...18 ·3.3 程序设计部分………………………………………………………………...18 ·3.3.1 程序设计说明………………………………………………………………19 ·3.3.2 PLC 程序设计………………………………………………………………19 ·3.4 仿真界面与PLC……………………………………………………………...28 ·3.5 数据连接……………………………………………………………………...32 ·3.5.1 定义I/O设备……………………………………………………………….32 ·3.5.2 设计…………………………………………………………………………34 ·3.5.3 运行…………………………………………………………………………37 ·4 结束语…………………………………………………………………………38 ·致谢………………………………………………………………………………..39 ·参考文献…………………………………………………………………………..39

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前言

从自动售货机的发展趋势来看，它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新的流通渠道；而相对的超市、百货购物中心等新的流通渠道的产生，人工费用也不断上升；再加上场地的局限性以及购物的便利性等因素的制约，无人自动售货机作为一种必须的机器便应运而生了。

从广义来讲投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械，从狭义来讲就是自动销售商品的机械。从供给的条件看，自动售货机可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本小、面积小，有吸引人们购物的好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。

据说世界上最早的自动售货机出现在公元前3世纪，那是埃及神殿里的投币式圣水出售机。17世纪，英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。在自动售货机历史的长河里，日本开发出实用型的自动售货机，那是在进入本世纪后的事。日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动售货机“，它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。自动售货机的真正普及是在第二次世界大战以后。50年代，”喷水型果汁自动售货机“大手欢迎，果汁杯注入在纸杯里出售。后来，由于美国的饮料大公司进入日本市场，1962年，出现了以自动售货机主体的流通领域的革命。1967年，100日元单位以下的货币全改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。现在，自动售货机产业正走向信息化并进一步实现合理化。例如实行联机方式，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送到各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状态下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节省10—15%的电力。进入21世纪时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。因经济复苏缓慢，社会对扩大就业与工作场所所提供的茶点饮料的福利事业更为关注。自动售货机不仅保障了惬意的工作时间，也是最廉价、提高职工工作效率最有效的手段。特别是在24小时无休工作状态中的办公场所，使用独具魅力的迷你型饮料冲饮机解决了不间断提供咖啡饮料服务的问题，这种服务加速了自动售货机与咖啡饮品服务的融合。1999年的全美自动售货机协会和全美咖啡服务协会的合并使人们更直观地看到了这种融合的现象。

日本是自动售货机的天堂。出了鸡蛋、米饭之外，报纸、杂志、一次性相机、干电池、磁带、刮胡刀、袜子、花及宠物食品等各种商品都通过自动售货机进行销售。连熟知自动售货机的美国游客在日本看到10台自动售货机排成一列的景象后，也是连声称奇。

韩国大约有78万台自动售货机，是除了日本、美国、英国之外自动售货机使用数量最多的国家。从不同的种类来看，咖咖啡茶的自动售货机约占全部售货机的40%以上；另外，还有冰饮料自动售货机、听装饮料自动售货机、成人用品自动售货机、生活用品自动售货机、烟、方便面自动售货机等多种。主要的设置场所包括学校、楼房、公共机关、地铁、公共汽车站、公园、体育场、展示场、工厂等。运营自动售货机产业的公司全国大约有800余个，而销售自动售货机原料、商品流通、机械销售的公司大约达到了1150个。

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第一章 自动售货机的介绍

1.1自动售货机功能分析

这部分阐述了自动售货机的各种动作功能和控制要求，给出了完整的自动售货机操作规章，并介绍了自动售货机运行系统所包括的人工操作步骤。

1.1.1自动售货机的基本功能

在进行上、下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定自动售货机本身所具备的功能及在进行某种操作后具有的状态。

在实际生活照，我们见到的售货机可以销售一些简单的日用品，如饮料、常用药品和小的生活保健用品等。售货机的基本功能就是投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够买某种商品，并做出相应的反应。举一个简单的例子来说明，列如：售货机中有8种商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为2.60元，02号商品为3.50元，其余类推。现投入1个1元银币，当投入的货币超过01商品的价格时，01商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，其他商品同比。当按下选择01商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去01商品的价格同时启动相应的电机，提取01号商品到出货口。此时售货机继续进行等待外部命令。如继续交易，则同上。如果此时不在购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的 出发运算，这是它内部功能。还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的收获、退币功能。自动售货机的工作流程图如图1所示。

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1.2 PLC的选型原则

当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC，另一方面是选择哪个的PLC及外设。

对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或者是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之间既有交流220V的接触器、电磁阀、又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出端数有可能呢大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组公用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流220V的负载负载使用，则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。这样有可能造成输出点浪费，成本增加。所以要尽可能所则相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。

对于第二问题，则有以下几个方面的考虑:(1)功能方面

所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求‘或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。

(2)价格方面

不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因素。

(3)PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。

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1.3 PLC的 概述

1.3.1 PLC的产生

20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系联系起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制机系统。由于它结构简单，容易掌握，价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在空也控制领域中一直占主导地位。但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。

20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更换，它必要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置，为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求。1968年美国通用汽车公司向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：

（1）编程方便，可现场修改程序（2）维修方便，采用插件式结构（3）可靠性高于继电接触器控制系统（4）体积小于继电器控制盘

（5）数据可直接送人管理计算机（6）成本可与继电器控制盘竞争（7）输入可以是交流150V以上

（8）输出为交流115V容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等（9）扩展时原系统改变最小

（10）用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装备过程的需要）

十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。

1.3.2 PLC的定义

美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出以下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或者生产过程。可编程序控制器及其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原理而设计。

定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是去呗与一般微机控制系统的一个重要特征。定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机，它是“专门在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算

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等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。

1.3.3 PLC的发展趋势

PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下方面：

（1）向小型化、专业化、低成本方向发展

随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使PLC结构更为紧凑，相当于一本精装书本的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。（2）向大容量、高速度方向发展

大型PLC多采用微处理器系统，有的采用32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外，存储容量大大增加。

（3）智能型I/O模块的发展

智能型I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。（4）基于PC的编程软件取代编程器 随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于计算机上的编程软件。编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上的模块的型号、模块的参数、各串行通用接口的参数等。（5）PLC编程语言的标准化

与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用。PLC的编程语言和指令系统的功能和表达式也不一致，因此各厂家的可编程序控制器互不兼容。为了解决这一问题，IEC制定了可编程序控制器标准。标准中共有5种编程语言，允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程能够选择不同的语言来适应特殊的工作。

（6）PLC通信的易用化

PLC的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信号，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制。（7）组态软件与PLC的软件化

个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。

（8）PLC与现场总线相结合

现场总线I/O与PLC可以组成功能强大的、廉价的DCS系统。（9）开发新型特殊功能模块

I/O组件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大处理能力。（10）CPU的处理速度进一步加快

目前，PLC的处理速度与计算机相比还比较慢，其中高的CPU也不过80486，将来会全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU进行处理、分时处理或者分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使PLC的处理速度达到纳秒级。

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1.3.4 PLC的特点

（1）抗干扰能力强，可靠性好 PLC在电子线路、机械结构以及软件上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。具体措施主要有以下几个方面：

1）隔热：这是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，是外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。

2）滤波：这是抗干扰的另一个主要措施。在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。

3）对内部电源采用了屏蔽、稳压等保护措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、WATCHDOG（看门狗）等电路，一旦发现故障或程序循环执时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。

5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。

6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或者信息部丢失。

7）采用密封、防尘、防震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。8）以集成电路为基础元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。（2）控制系统结构简单，通用性强 PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

（3）编程方便，易于使用

PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编程，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可以在短时间内学会。（4）功能完善

PLC的I/O功能完善，性能可靠，能适应于任何形式和性质的开关量和模拟量的I/O。在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及位移寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟预算、显示、监控、扫描以及报表生成等功能。

（5）设计、施工、调试的周期短

用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分方便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且以商品化，故

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仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。（6）体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的I/O系统能够直接的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态。（7）易于实现网络化

PLC可连成功能很强的网络系统。（8）可实现三电一体化 PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活的组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

1.3.5 PLC的主要功能

（1）条件控制功能

条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联及其他各种逻辑连接，进行开关控制。（2）定时/记数控制功能

定时/记数控制功能是指用PLC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。（3）数据处理功能

数据处理功能是指PLC能进行数据传输、比较、位移、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。（4）步进控制功能

步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序的操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。

（5）A/D与D/A转换功能

A/D与D/A转化功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。

（6）运动控制功能

运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或者多轴运动控制。

（7）过程控制功能

过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。（8）拓展功能

拓展功能是指通过连接输入输出拓展单元（即I/O拓展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能。（9）远程I/O功能

远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输出、输入设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。（10）通信联网功能

通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程

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I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。（11）监控功能

监控功能是指PLC能监视系统各部分地进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。

1.4 PLC的基本结构及原理

1.4.1 PLC的系统结构

目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所有其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O拓展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构进行数据和指令的传输。

如同2所示，PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输出量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构由控制部分输入和输出组成。

1.4.2 PLC各部分的作用

（1）中央处理器

CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取出指令和执行指令。他的重要功能如下：

① 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编程中的语法错误。

② 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。③ 按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。④ 将存于寄存器中的处理结果送至输出端。⑤ 应各种外部设备的工作请求。

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（2）存储器

PLC的存储器分为两大部分： 一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。（3）输入输出接口电路 PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。（4）电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。

（5）输入输出I/O拓展接口、若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O拓展单元与主机单元相连接。（6）PLC的基本工作原理

PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序直至遇到结束信号后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描全过程如图3所示。

① 输入刷新阶段

在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。② 程序执行阶段

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。③ 输出刷新阶段

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当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实现输出。

显然扫描周期的长短取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地繁盛变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统相应较慢往往要几个扫描周期菜响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较为严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。

1.5 松下电工可编程序控制器产品—FR1-C24介绍

经过从功能和价格两个方面的考虑，发现松下电工可编程序控制器产品—FR1-C24比较适合自动售货机。因为它是一种功能很强的小型机，在设计的过程中采用先进的方法及组件使其通常只有在大型PLC中才具有的功

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能，且具有其他控制器所不具备的功能。虽然是小型机，但是其功能较完善，性能价格比高，较适合自动售货机。

现在就对FR1-C24的组成各部分和技能做一个简单介绍。在松下电工公司生产的FR系列产品中，FR1属于小型的PLC产品，其中C24是具有高级处理功能的型号。从型号可以看出FR1-C24可编程序控制器的输入输出点数（即I/O）之和为24.1.5.1 FR1-C24的组成各部分

（1）RS232 该端口能于PC机通信编程，也可连接其他外围设备。（2）运行监视指示灯

① 当运行程序时，“RUN”指示灯亮； ② 当控制单元终止执行程序时，“PROG”指示灯亮； ③ 当发生自诊断错误时，“ERR”指示灯亮；

④ 当检测到异常的情况时或出现“Watchdog”时，“ALARM”指示灯亮。（3）工作方式选择开关

①“RUN”工作方式

当开关扳到这个档位时，控制单元运行程序。②“REMOTE”工作方式

在这个工作方式下，可以使用编程工具改变可编程序控制器的工作方式为“RUN”或“PROG”工作方式。③“PROG”工作方式

在此方式下可以编辑程序。若在“RUN”工作方式下编辑程序，则按出错对待。可编程控制器鸣响报警，提示编程者将方式选择开关切换至“PROG”工作方式。④输出端子

C24型的输出端子有8点。该端子板为两头带螺钉可拆卸的板。⑤直流电源输出端子

在FP1系统主机内部均配有一个供输入端使用的24V直流电源。⑥输入端子

C24型的输入端子有16点。输入电压范围为直流12~24V。该端子板为两头带螺钉可拆卸的板。⑦编程工具连接插座（RS422口）

可用此插座经专用外设电缆连接编程工具。⑧波特率选择开关

有19 200bp和9 600sbps两档，当可编程控制器与外部设备进行通信时，应根据不同的外设选定波特率。⑨电位器（V0、V1）

电位器（V0、V1）这两个电位器可用螺丝刀进行手动调节，实现外部设定。当调节该点位器时，PLC内部对应的特殊数据寄存器DT9040和DT9041的内容在0~255之间变化，相当于输入外部可调的模拟量。C24有两个（V0、V1）。

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⑩ I/O点状态指示灯和拓展单元接口插座

用来指示输入/输出的通断状态，当某个输入触点闭合时，对应于这份触点编号的输入指示发光二极管点亮（下一排）；当某个输出继电器接通时，对应这个输出继电器编号的输出只是发光二极管点亮（上一排）。拓展单元接口插座用以连接FP1拓展元件及A/D、D/A转换单元、链接单元。

1.5.2 技术性能

FP1—C24的主机I/O点数为16/8；最大I/O点数为104；运行速度为1.6μs/步；容量为2720步；基本指令数为80；高级指令数为111；内部继电器为1008点；特殊内部继电器为64点；定时器/记数器为144点；数据寄存器为1660字；特殊数据寄存器为70字；索引寄存器为2字；主控指令为32点；跳转标记数为64点；步进数为128级；子程序个数为16个；中断个数为9个程序；输入滤波时间为1—128ms。

第二章 PLC系统设计

2.1 序控制系统设计的基本原则

2.1.1 控制系统设计原则

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

（1）最大限度地满足被控对象的控制对象。设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

（2）在满足控制系统要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。

（3）保证控制系统的安全、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。

2.1.2 控制系统设计的基本内容

PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的，因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括：

（1）用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及有输出设备驱动的控制对象（电动机、电

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磁阀等）。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法在其他有关数据中已有介绍。

（2）PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起到重要作用。选择PLC，应包括机型选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。（3）分配I/O点，绘制I/O梯形图。

（4）设计控制程序。包括设计梯形图、语句表（即程序清单）和控制系统流程图。控制系统程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作安全、可靠的关键。因此，控制程序的设计必须经过反复调试、修改，知道满足要求为止。（5）必要时还需要设计控制台。（6）编制程序系统的技术文件。

2.1.3 控制系统设计的一半步骤

（1）根据生产的工艺过程分析控制要求。

（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，以此确定PLC的I/O点数。（3）选择PLC系统。

（4）分配PLC的I/O点，设计I/O接线图。

（5）进行PLC程序设计，同时可进行控制大的设计和现场施工。

2.1.4 编写梯形图的注意事项

（1）输入/输出继电器、内部辅助继电器、定时器。记数器等器件的触点可以多次重复使用，无需复杂的程序结构来减少触点的使用次数。

（2）梯形图每一行都是从左母线开始，线圈终止于右母线。触点不能放在线圈的右边。除步进程序外，任何线圈、定时器、记数器、高级指令等不能直接与左母线相连。如果需要任何时候都被执行的程序段，可以通过特殊内部常闭继电器或者一个没有使用过的内部继电器的常闭触点来连接。（3）在程序中，不允许同以编号的线圈两次输出。（4）不允许出现桥式电路。

程序的编写顺序应该按照自上而下、从左至右的方式编写。为了减少程序的执行步数，程序应为“左大右小，上大下小”。

2.1.5 程序设计的步骤

（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。

（2）设计梯形图。是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。（3）根据梯形图编制程序清单。（4）用编程器将程序输入到PLC的用户存储器中，并检查输入的程序是否正确。（5）对程序进行调试和修改，知道满足要求为止。

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（6）带控制台及现场施工完成后，就可以进行联机调试。若未满足要求，再从新修改程序或检查接线，知道满意为止。（7）编写技术文件。（8）交付使用。

控制系统设计步骤流程图如图4所示。

第三章

自动售货机PLC程序设计

3.1 仿真实验系统中售货机的分析

由于售货机的全部功能时在上位机上模拟的，所以售货机的部分硬件是由计算机软件来模拟

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图4 PLC 控制系统设置

替代的。如钱币识别系统可以用按压某个“仿真对象”输出一个脉冲直接给PLC发布命令而传动系统也是由计算机来直接模拟的，这些并不会影响实际程序的操作，完全能模拟现实中自动饮料售货机的运行。（1）试验状态假设

由于是在计算机上模拟运行，试验中有一些区别于实际情况的假设，本试验中假设：

① 自动饮料售货机只可售8种商品。

② 自动饮料售货机可识别10元、5元、1元、5角、1角硬币。

③ 自动饮料售货机可退币10元、5元、1元、5角、1角硬币。

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④ 自动饮料售货机有液晶显示功能

⑤ 实验中售货机忽略了各种故障以及缺货等因素。（2）一次交易过程分析

为了方便分析，我们以一次交易过程为例。

① 初始状态。由电子标签显示各种商品价格，显示屏显示友好界面，此时不能购买任何商品。

② 投币状态。按下投币按钮，显示投币框，按下所投币值显示屏显示投入、消费、余额数值，当所投币值超过商品价格时，相应价格选择按钮发生变化，提示可以购买。

③ 购买状态。按下可以购买的选择按钮，所选的商品出现在出货框中，同时显示屏上的金额数字根据消费情况相应变化。取走商品后出货框消失。

④ 退币按钮。按下退币按钮，显示退币框，同时显示出应退币值及数量。按下确认钮，则恢复初始状态。

到此为止，饮料自动售货机的一个完整工作过程结束。

3.2 设计任务的确定

在清楚饮料自动售货机运行工作过程的基础上，制定出设计方案，确定任务的目标，以设计出合理的仿真系统。

首先，应该做上位机与下位机的任务分工：上位机主要用来完成仿真界面的制作过程，而下位机则主要用来完成PLC程序的编写。其次，要分别对上位机和下位机进行资料的查找与收集。例如在进行仿真界面的设计时可以去观看一下真正售货机的外观，必要时可以借助一些宣传图片来设计饮料自动售货机的外型：在进行PLC程序的编写时需要先分配PLC的I/O点，确定上、下位机的接口。然后，对上、下位机分别进行设计工作。最后，进行上位机设计结果与下位机设计结果的配合工作，经调试后完成整个系统的设计。

另外，上位机与下位机的设计工作是紧密配合的。它们无论在通信中使用的变量，还是在仿真中控制的对象都应该是一致的。总体上讲，仿真界面是被控对象，利用PLC来控制这个仿真的饮料自动售货机，仿真的饮料自动售货机接受PLC的控制指令并完成相应的动作；另一方面，仿真界面中的仿真饮料自动售货机的运行，都是由组态界面所提供的命令语言来完成的。这是整个仿真系统内部各大部件之间的内在关系。

我主要是对饮料自动售货机中的下位机，也就是主要是对PLC在其中的程序进行设计。仿真程序只做了解，虽然只做了解，但是也将在下面有所介绍。清楚了仿真试验的整体设计思路，下面就可以开始着手设计了。

3.3 程序设计部分

这个部分内容是整个系统设计的主体部分。所要完成的任务是仿真系统的上位机与下位机的程序设计，即在上述功能分析的基础上，有针对地进行设计。

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3.3.1 程序设计说明

下位机程序的编制则是利用松下PLC专用编程软件FPWIN-GR完成的。

在设计的过程中，就像上面所叙述的那样，并非孤立的分别进行上位机和下位机的设计工作，而是互相配合的。因此在以下的详细设计过程中，并没有将上位机的设计与下位机的设计整体分开来写，而是相互交替，同时尽量清晰的叙述，在相应的设计部分中注明是上位机的设计还是下位机的设计。

3.3.2 PLC程序设计

可以把一次交易过程分为几个程序块：运行初期电子标签价格的内部传递；投币过程；价格比较过程；选择商品过程；退币过程。（1）运行初期电子标签价格的内部传递程序的设计

仿真系统运行初期，要由PLC向仿真画面相应对象传递已存储好的价格，还要给投入显示、消费显示以及余额显示存储器清零，同时也要给存储退币币值的存储器清零。程序编制过程中，要用到运行初期闭合继电器R9013、16位数据传送指令F0，同时在上位机上ForceControl中，必须定义相应的变量，来实现与PLC程序的对接。所定义的变量如表1所示。

表1初始状态变量表

根据表1编制PLC程序如图5所示。

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图5 运行初期电子标签价格的内部传递程序

在梯形图程序图5中，系统初始化时，通过运行初期闭合继电器R9031在第一次扫描时将数值传递给上位机。给WR1-WR11及SV0-SV4赋初值，赋值功能通过高级指令F0实现，至于为什么要加入WR13、WR15、WR17、WR19及WR20，在以后的程序中将介绍他们的作用。（2）投币过程

在投币过程中，每投下一枚硬币，投入显示将增加相应的币值，余额也增加同样币制。先建立变量表，在编写程序。变量表如表2所示。对应的梯形图程序如图7所示。

表2 投币过程变量表

在图中，当按下投入1角时，相当于让R200接通，之所以用一个微分指令，就是要只在接通时检测一次，不能永远加下 去。投入1角要投入显示、余额显示

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都相应增加相同数值，加法是由16位加法指令E20来实现的。投入5角、1元、10元，原理同上。（3）价格比较过程

价格的比较要贯穿实验的始终，只要余额大于某种商品价格时，就需要输出一个信号，图7 投币过程梯形图

提示可以购买。这里只要选择灯代表此信号。所建立的变量表如表3所示。

表3 价格比较过程变量表

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根据变量表和控制要求编写程序如图8所示。

在梯形图8中，为了实现数据的实时比较，用了一个特殊内部继电器R9010，在程序执行过程中，R9010始终保持闭合，F60是16位数据比较指令，用它来比较余额和商品价格，R900A是大于价格，R900B是等于标志。当余额大于等于某种商品价格时，程序使相应的指示灯闪烁表示可以购买该种商品。

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图8 价格比较过程梯形图

（4）选择商品过程

当投入的币值可以购买某种商品时，按下相应的“选择”按钮即可在出货框中出现该种商品，同时消费显示栏中显示出已经消费掉的金额，余额也将扣除已消费的币值，接着余额继续与价格相比较，判断是否能继续 购买。出现在出货口的商品在没有取走之前，一直保持显示状态，用鼠标点击该商品代表已经取走，出货口的商品隐藏。建立的变量表如表4所示。对应的梯形图程序如图9所示。

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表4 选择商品过程变量表

在梯形图9中，一是要使商品出现在出货框中，而是要实现内部的货币运算。以第一步为例，按下选择01 商品键，相当于给R205加一个信号（只接受一次脉冲，所以用DF微分指令），当Y0接通（01商品灯亮)时，则系统显示可以购买01商品，购买成功。当按下取01商品按钮时，R230断开，不能输出Y8，代表01商品被取走。内部币值的计算和是否取走商品无关，只要按下选择按钮，并且可以购买此商品就要从余额中扣除相应的金额，显示消费的币值。加法由F20指令实现，减法由F25实现。

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（5）退币过程

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在退币过程中，最主要的是完成退币的运算过程，根据结果输出相应的钱币，退币结束时还要使用到的某些寄存器重新赋零，所建立的变量如表5所示，对应的梯形图程序如图10所示。

表5 退币过程变量表

整个退币过程在按下按钮（即R20F接通时）时执行，同样也用到一个微分指令，在接收到信号时产生一次开关脉冲，进而执行一次其下面的指令。F32是除法指令，第一次将余额的币值除以1000，商存储于SV0中，作为退币10的输出值。余数则存储于特殊数据寄存器DT9015中，下次将不能被1000（10元）整除的余数除以100（5元），商且存储于SV1中，余数继续下传，直至被1角除过，由于所投币值最小是1角，并且商品价格也确定在整角，所以最终能被1角整除。在程序的初始化时曾给WR13、WR15、WR17、WR19和WR20赋零，WR13、WR15、WR17、WR19和WR20是程序的中间量，为的只是程序在使用过程中能稳定执行，避免出现退币错误。

为什么要除以1000呢？这主要是考虑到PLC的主要特点是执行过程稳定可靠，但执行速度较慢，在计算时尽量将数值作为整数计算，因为是在计算机上模拟，可以把一部分功能交由计算机来实现，这里把1角当作

10、把5角当作50、1元当作100、5元当作500、10元当作1000，可以避免把这些数据当作有小数点的实数计算，这同前面的加1角等于10（K10）是相同的道理。至于交由计算机的任务将在以后叙述。

退币过程结束后，PLC要将寄存器中的数值置回原定得初值0，完成一次交易，防止下一次交易时出错，还将中间量WR13、WR15、WR17、WR19和WR20清零。完成了以上5个过程，自动售货机的PLC控制程序基本完成，程序可以控制售货机实现各种要求的功能。

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图10 退币过程梯形图

3.4 仿真界面与PLC的配合定

在这一段中，将仔细分析仿真界面各部分是如何与PLC连接的。分析过程是按照一次交易的实际情况来进行的，即有初始状态、投币状态、购买状态、退币状态到交易结束。（1）初始状态

通过分析得知，当电子标签显示各商品的价格、显示屏显示友好界面时，不能购买任何商品。因此先让变量poiwindows=0（系统默认）。

电子标签中的字符„J.01‟（以01商品为例）对应的变量JG01.PV与PLC程序中的地址WR4相匹配，WR4中的存储器据为250，即让字符显示2.5元。对应的梯形图如

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图11所示。（2）投币状态

当投币时，按下“投币”提示字，出现投币框。如何定义“投币”呢？双击汉字“投币”来到“动画连接”画面，选择“触敏动作”框中作如下定义：按下鼠标时，poiwinJB=1,poiwinJB这个变量是控制投币框的，当poiwinJB=1时，出现钱币和提示框：poiwinJB=0时，钱币和提示框隐藏。

图11 数据初始化梯形图

下面分别定义提示框和钱币以及“确认”按钮，双击提示框，来到“动画连接”画

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面，定义poiwinJB=1时显示，各硬币也用同样的方法定义，这样就使在按下汉字“投币”时，变量poiwinJB=1，从而出现投币框，以及硬币等。我们只是定义了投币框的显示状态，用鼠标点击代替 了实际过程中的钱币投入动作，最重要的任务是钱币运算，下面介绍钱币的定义方法。

以10为例：双击10硬币，开到“动画连接”画面，选择“触敏动作”中的“左键动作”，在动作描述中如下定义：按下鼠标时，poiwinJB=1；TR$100.PV=1时给PLC发出一个接通信号，由于TR$100.PV对应的PLC地址是R204，使得204继电器导通，转而执行相应的加10元程序。同样定义其他钱币，注意其对应的PLC软继电器。最后还要定义“确认按钮”。要实现的功能是按下“确认”按钮时，所有的钱币以及提示框均消失。当投币以后，显示屏要及时反映出投币情况，同时“选择”指示也要相应变化。下面来定义显示屏和“选择”按钮。

显示屏要显示3种数据，分别为：投入显示、消费显示、余额显示。三种显示均用力控软件自带的附件—数码管来显示。现在工具箱中点击“选择子图框”，在子图框中找到仪表中的数码管，放在显示屏中，作为投入显示，再复制两个，分别作为消费显示、余额显示。双击数码管来到数码管属性设置画面，在表达式中作如下定义:poiTR001.PV/100，poiTR001.PV连接的是PLC程序中的WR1软继电器，是用来存储投入显示数据的，除以100同样是为了PLC数据计算的方便。这样就可以用数码管来显示投入中的币值。同样定义消费显示、余额显示。“选择”按钮要根据余额的数值发生闪烁和变色。定义过程如下：双击“选择”按钮，来到“动画连接”画面，在“颜色相关动作”中选择“闪烁”项，分别定义属性和频率，在变量选择中选择相应的指示灯变量。以01商品的选择指示灯为例，在变量选择中选择D01.PV=1,满足条件时指示灯变色。这样就定义好了投币状态的上位机仿真变量，配合PLC程序可以实现投币功能。（3）购买状态

定义了投币状态，就可以购买商品了。当选择指示灯以后，按下它，在出货口处出现我们要买的商品。这样定义“选择”按钮：双击“选择”按钮，来到“动画连接”画面，选择“触敏动作”中的“左键动作”，在动作描述中如下定义：按下鼠标时，XZ01.PV=1；释放鼠标时，XZ01.PV=0.XZ01.PV与PLC程序中的R205相对应，按下可以购买商品的选择键，转而执行相应的PLC程序，同时消费显示增加相应的币值，余额显示减少相应的币值，此时还要在出货口出现相应的商品，这是用“显示/隐藏”功能来定义在出货口中出现相应的商品。以01为例，双击出货口处的小商品，来到“动画连接”，选择“显示/隐藏”项，定义CX01.PV=1时显示。出货口框架的隐藏/显现是用程序来控制的。当有一种商品出现在出货口，就会显示

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框架；当全部商品均消失后框架隐藏。程序如图12所示。图中R210是控制出货口框架是否出现的继电器。（4）退币状态

当按下“退币”按钮时，PLC进行退币运算，所以按下“退币”按钮就要与PLC通信，执行退币计算。下面来定义退币按钮，出现“动画连接”画面，选择“触敏动作”中的“左键动作”，动作描述为：按下鼠标，poiwinJB=0；poiwinTB=1；Tenter.PV=1.释放鼠标，Tenter.PV=0；内部变量poiwinJB=1是让投币框消失，poiwinTB=1是让退币框出现，Tenter.PV与PLC程序中的R20F对应。退币框中要有5种硬币，还要有表示硬币个数的数字。由于计算中采用的算法使得退币时按照币值大小顺序退币，例如退5元，只退一个5元，而不是5个1元。定义表示硬币个数的变量只用一位数即可。在退币时，要退出的硬币及个数显式，而不退的硬币隐藏。

图12 出货口框架的隐藏/显现梯形图

定义钱币时（以10为例），双击10元硬币，出现“动画连接”画面，选择“显示/隐藏”项，在“可见性定义”对话框中作出的表达式为TB$100.PV=0。其他硬币定义方法同上。定义钱币个数：双击10硬币个数字符“a”，出现“动画连接”画面，选择“数值输出”中的“模拟”项，做出表达式为TB$100.PV。同时钱币个数也要定义是否隐藏，定义方法和定义钱币相同。定义“确认”键时，按下“确认”键，代表取走了所有硬币，完成此次交易，因此退币“确认”的定义很重要。双击“确认”键，出现“动画连接”画面，选择“触敏动作”中的“左键动作”，在动作描述栏中定义如下：按下鼠标

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poiwinTB=0； 功能：退币框消失

TuiBiok.PV=1； 功能：给PLC信号，闭合R0，完成数据的初始化

Poiwindows=0 功能：显示屏显示友好界面时

为了防止在未取走商品时退币，按下“确认”键又不能返回原始状态，在描述过程中加入以下一段程序，强行抛掉以购买的商品。CX01.PV=0 CX02.PV=0 CX03.PV=0 CX04.PV=0 CX05.PV=0 CX06.PV=0 CX07.PV=0 CX08.PV=0 释放鼠标时，TuiBiok.PV=0.只是一个微分信号，不能将R0永远置为1。还有一点要注意，“确认”键也要有隐藏的时候定义方法如钱币。

定义退币框架：按下“退币”按钮后就会出现退币框架。可以这样定义：双击退币框架，来到“动画连接”画面，选择“显示/隐藏”项，在“可见性定义”中定义poiwinTB=1时显现即可。

3.5 数据连接

3.5.1 定义I/O设备

数据库是从I/O驱动程序中获取过程数据的，而数据库同时可以与多个I/O驱动程序进行通信，一个I/O驱动程序也可以连接一个或多个设备。下面创建I/O设备。（1）在Draw导航器中双击“实时数据库”项使其展开，在展开项目中选择“PLC”项双击使其展开后，选择项目双击并定义。（2）单击“完成”按钮返回，在“松下电工”项目下增加一项“PLC001”，如果要对I/O设备“PLC001”的配置进行修改，双击项目“PLC001”，会再次出现PLC001的“I/O设备定义”对话框。若要删除I/O设备“PLC001”，用鼠标右键单击项目“PLC001”，在弹出的右键菜单中选择“删除”。

① 数据连接

刚刚创建了一个名为“PLC001”的I/O设备，而且它连接的正是假想的PLC设备。现在的问题是如何将已经创建的多个数据库点与PLC联系起来，以使这些点的PV参数值能与I/O设备PLC进行实时数据交换，这个过程就是建立数据连接的过程。由于数据库可以与多个I/O设备进行数据交换，所以必须指定哪些点与哪些个I/O设备建立数据链接。为方便起见，我们将数据列整理成如表

6、表7所示。

表6 数字I/O

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续表 6

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表7 模拟I/O表

3.5.2 设计

饮料自动售货机控制要求

（1）该自动售货机可以同时投入5角、1元或5元硬币，自动销售汽水、果汁和咖啡。

（2）当投入的硬币总值等于或超过1.5元时，汽水按钮指示灯亮；当投入的硬币总值等于或超过3元时，汽水按钮和果汁按钮同时亮；当投入的硬币总值等于或超过5元，汽水按钮、果汁按钮和咖啡按钮同时亮。

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（3）当汽水按钮灯亮时，按汽水按钮，则汽水排出10s后自动停止，同时汽水按钮指示灯闪烁10s。

（4）当果汁按钮灯亮时，按果汁按钮，则果汁排出10s后自动停止，同时果汁按钮指示灯闪烁10s。

（5）当咖啡按钮灯亮时，按咖啡按钮，则咖啡排出10s后自动停止，同时咖啡按钮指示灯闪烁10s。

（6）若投入的硬币总值超过所购商品的价格（汽水1.5元，果汁3元，咖啡5元），则找钱指示灯亮，同时进行找钱动作。

图13 饮料自动售货机示意图 I/O地址定义表

此控制系统可采用自动工作方式，输入信号为汽水、果汁和咖啡按钮，5角、1元或5元硬币投入识别口记数手动复位按钮；出入信号为汽水、果汁和咖啡排出电磁阀、找钱电磁阀及相应指示灯，共7个输入点，8个输出点，均为开关量。I/O地址定义如表8所示。

表8 饮料自动售货机控制系统I/O地址定义表

常工院毕业设计论文 程序设计

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3.5.3 运行

保存所有组态内容，然后关闭所有力控程序。将饮料自动售货机的PLC程序下传到PLC装置中，在切换到离线状态，然后再次启动力控工程管理器，选择本工程，并单击“进入运行”按钮启动整个运行系统。

常工院毕业设计论文 结束语

经过几个月的学习、研究以及吴老师的指导，终于按时完成了毕业设计。设计主要研究的是自动售货机有关PLC的部分。自动售货机是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。自动售货机可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本少、面积小，有吸引人们购物好奇新的自身性能，可以很好地解决人工费用的上升的问题等各项优点。所以说，自动售货机是今后饮料销售方式的一个很好的发展趋势。它的出现将极大的方便人们购买所需的饮品。

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致谢

经过几个月的努力工作，毕业设计在指导老师吴金的悉心指导下终于顺利完成了，吴老师他待人和蔼可亲，在这几个月里我们相处的非常融洽，吴老师他社会实践经验丰富，工作认真踏实，治学态度严谨，而且他深厚的理论功底及设计能力更令我感到钦佩。设计期间，吴老师对我悉心的指导，认真查阅我的草图和设计说明书，令我十分感动。总之，吴老师的人品及治学态度是我学习的楷模和榜样，在此，我要向指导老师吴金表示感谢。

在此次设计中，也需要感谢的是我的同学。大家在一起共同奋斗，互相讨论，对我的毕业设计有很大帮助，并且，我们在一起共同营造了一个融洽的学习生活环境，建立了良好的友谊。

参考文献 程周·可编程序控制器原理与应用·北京：高等教育出版社，2003年 2王永华·现代电机控制及PLC应用技术·北京：北京航空航天大学出版社，2000年 周美兰、周封、王岳宇·PLC电气控制与组态设计·北京：科学出版社，2003年 吴建强、蒋三勇·可编程控制器原理及应用·哈尔滨工业大学出版社，2000年 吴中俊、黄永红·可编程序控制器原理及应用·北京：机械工业出版社，2003年 张万忠、刘明芹·电器与PLC控制技术·北京：化学工业出版社，2003年 7 王兆义·可编程序控制器教程·北京：机械工业出版社，2001年

第五篇：区域气象自动监测系统设计及建设

区域气象自动监测系统设计及建设

近年来，气象综合观测系统建设快速发展，全国地面气象观测站已全部完成自动气象站的建设，区域自动气象站作为综合观测体系的重要组成部分具有量大面广特点，并且由省级保障部门进行技术指导，市、县两级保障。随着对气象 观测数据的精度要求越来越高，根据新一代气象观测网络建设的规划，已建成1657个新型区域自动气象观测站，实现了区域自动气象站全省乡镇全覆盖和618 个山洪地质灾害点气象监测，加上土壤水分观测自动气象站、交通气象自动气象站的建设，共同为气象预报预测、决策气象服务、公共气象服务、气象防灾减灾发挥 了极其重要的作用。

区域气象自动监测系统是针对区域范围内，可能会对人的生产生活造成影响的气象要素，进行长时间区域范围内不间断的准确监测而设计开发的一款标准区域气象监测站。主要应用于城市降水网络、山洪预警、森林生态、核电厂环境监测等应用。主要监测要素是雨量、风向、风速、太阳辐射、气压、温度、湿度等气象参数。

一、系统内容

该区域气象监测系统是方大天云设计的支持站点参数、实时数据、历史数据、加密间隔、运行状态等信息的远程维护，极大地方便了用户使用和日常维护工作。此外自动站可实现自动电源管理，数据自动采集、存储、通讯、分析等功能，能够满足灾害性天气监测、降水过程加密观测及多种形式气象保障和气象服务的需求。

二、系统指标

风速 0～60m/s；精度：3%（0-35m/s）；5%（>35m/s）风向 0～359.9°；精度：±3° 降水强度 0～200mm/h；精度：5% 降水类型 雨/雪

大气压力 300～1200 hPa；精度：±1.5hPa 空气温度-50～60°C；精度：±0.2°C(-20～+50°C)‘±0.5°C(>-30°C 空气湿度 0～100%RH；精度：±2%RH 通讯接口 RS232/RS485，板载GPRS 供电方式 交流220V/太阳能+蓄电池 工作环境温度-50～+50℃ 工作相对湿度 0～100%RH 防护等级 IP65 可 靠 性 免维护,防盐雾，防尘 功 耗 3-30W

三、功能特点

具有极强针对性的区域范围气象监测设备 区域大面积组网布点使用，无线数据传输 工作方式可由用户设置 远程状态监控与参数设置 低能耗、低维护

四、典型应用

气候环境监测 旅游景区气象监测 生态环境气候监测 生态产业监测系统

五、系统组成

传感器：空气温湿度传感器，风速风向传感器，雨量传感器，气压传感器，太阳辐射。

FANDA-CJ80综合数据采集器 GPRS/CDMA无线数据通讯服务器

电源控制系统：交流/直流太阳能系统+12V太阳能电池板 10M/6M/3M/定制高度铝钛合金风杆及相关安装固定件 FAMEMS-SD综合数据监测软件

区域自动气象站运行监控系统是保障观测网稳定、可靠运行的实时业务系统。系统基于多线程分布式数据处理技术，采用两级部署、多级应用、多方共享的模式，有效利用互联网和中国气象局局域网的优势，实现对我国区域自动气 象站、加密自动气象站及暴雨监测站运行状态、探测数据质量状况、设备维护维修状况以及观测站网的实时监控与保障。从系统的逻辑架构、技术架构、系统建设的 主要技术路线、系统实现的主要功能以及系统建设中所采用的关键技术等方面介绍了中国区域自动气象站运行监控系统的建设情况。