东南大学自动化学院本科毕业设计方案开题报告模板.doc

毕业设计（论文）开题汇报

院（系） 自动化学院
专 业 自动化

设计（论文）题目 XZ系列芯模振动制管机芯模制管机PLC控制系统设计

学 生 姓 名 王碧波 学号 08009418
起 止 日 期 12月20日至6月10日
设 计 地 点 江苏华光双顺机械制造
指 导 教 师 王晓俊
顾 问 教 师 周杏鹏

开题日期 　 2月25日
一、选题背景和意义：
中国排水关管生产普遍采取离心工艺，悬辊工艺。
离心工艺是管模平卧在离心机上旋转,使管模内混凝土混合料受到离心力沿着管模四面分散,各组分沿离心力方向沉降排出空气和多出水分,使混凝土达成密实。混凝土中石、砂、水泥等质量不一样，所受离心力大小和沉降速度也就不一样。混凝土层、水泥砂浆层水泥浆层和浮浆层分布于外、中、内层即称外分层。伴随作业进行，水泥粒子也要沉降外移，粗骨料间水泥浆继续沉降，水泥颗粒便从中分离出来，在粗骨料表面上形成一层水膜，称内分层。分层造成管强度低，且管壁存在很多毛细孔道；同时塑性混凝土易造成合缝处跑浆、跑水，不利于安全文明生产，也造成水泥浪费。生产承插口管时需二次以上喂料成型、中途停车排浆，不利于快速生产。生产中噪声污染大。存在“飞车”隐患。
悬辊工艺是管模平卧套置于辊轴上,管模内混凝土混合料在离心力作用下均匀分布于内壁,当混凝土料厚度超出管模挡圈时,受到辊压力作用而逐步密实。辊轴和混凝土料团接触面不平引发振动也有利于混凝土密实。从根本上改变了离心工艺切向产生结构弊端。悬辊制管采取干硬性混凝土辊压密实成型，混凝土坍落度为零，水灰比小，强度较高，混凝土消耗水泥量小；干法生产工艺，无废浆废液排出，改善了劳动条件利于安全文明生产；制管时噪音污染小于离心工艺；工艺缺点：卧式生产决定了不能立即脱模，模具占用时间长，不利于同一规格管短时间内大批量生产；用悬辊工艺制作承插口和企口管时承口处混凝土密实效果较差；在喂料成型管端部时，尘土飞扬造成环境污染。
芯模振动工艺近几年引进渐多，芯模振动工艺是内、外模垂直竖立于地坑内底托（盘）上，内模高频振子振动力使混凝土混合料液化而充满模型并排出空气，逐步密实；液压力带动定型环轻微搓动碾压使管子上端部密实成型。相比于前两种工艺，芯模振动工艺有以下优点：（1）地下封闭立式成型，地面控制，生产和工作环境大大改善，工人劳动强度低，利于安全文明生产；（2）采取干硬性混凝土，坍落度为零，水灰比小。（3）混凝土混合料振动得充足、均匀，密实度极高，尤其适合于顶管生产。（4）成型后可立即脱模，每种口径只需一套模具，模具投资费用降低；（5）不需蒸汽养护，可罩上塑料薄膜， 24h后即可吊运至露天堆场；（6）振动频率、振幅和激振力能够依据生产不一样大小管子方便进行调整；（7）立式振动成型，能成型特大口径管子，可成型异型管子，能满足产品多样化生产。承口置于下部，适合于承插口、企口管生产，根本改变了卧式生产承口强度低工艺弊端；（10）生产效率较高，可确保大工程和应急工程对管材需求；（11）内外模确保了管子内径和外径尺寸正确。
工艺缺点：（1）因为采取干硬性混凝土，干法生产，成型后立即脱去内外模，管子内外壁易产生粗糙拉痕，且光洁度不如离心管、悬辊管。（2）尽管在地坑内成型，还是伴有噪音产生。
经过对比芯模振动工艺在自动化程度，节能环境保护效益，提升产品质量降低成本等方面存在显著优势，在目前东部产业升级大背景下，这些优势能够显著提升企业竞争和生产能力，产生良好经济和社会效益。江苏华光双顺机械制造引进国外同类设备，并将其国产化必将为企业和同行发展提供新契机。

二、课题关键问题及难点：
1、熟悉芯模振动工艺步骤和已经有手动控制芯模振动设备硬件布局，为设备升级做准备。手动控制芯模制管设备通常由以下几部分组成：工作平台、旋转搓压机、回转布料机、芯模振动器、模具设备（内模、外模、底托盘、插口盘）、液压系统、电器控制系统、自动翻管吊架、脱模吊架。而芯模振动器关键和拖动电机转速、芯模偏心距（由电动阀调整）和振动棒和内模接触因数决定。
2、了解西门子PLC产品系列，学习产品选型，产品硬件安装维护方法。西门子PLC各个部件设计均采取了模块化结构(单元式PLC除外)，由导轨及电缵将模块连接起来。用户能够依据需要灵活地配置电源模块、CPU模块、数字量I/O模块、模拟量I/O模块，通信模块等已满应用要求。PLC选型要考虑到满足系统功效而且含有良好性价比。所以在设计控制系统时，PLC模块数量和型号选择关键依据系统输入、输出点总量来确定。选型可参考依据：
(1)选择PLC容量和输入输出点时应留有富裕，所以全部应大于系统实际所需要，其中输入输出点应该留出15%-20%。
(2) 依据负载类型和启停频率等特点,选择不一样输出方法。
(3) 假如控制系统有模拟量,I/O模块响应时间能要满足系统要求。
(4) 依据系统通讯要求不一样,选择PLC内部对应通讯功效。
3、学习西门子PLC工作原理，STEP7V5.4编程环境使用，PLC模块化编程思想，梯形图、STL、S7-Graph编程方法。使用经验设计法、继电器转换法或次序控制设计法等程序设计方法方便编写控制系统软件。西门子PLC平均无故障工作时间在30万小时，其由CPU、存放器、接口电路等计算机部件组成，只是其可靠性和抗干扰能力很适合复杂工业现场使用，其含有方便程序编写方法，可谓真正“蓝领计算机”。STEP7是运行在PC上西门子PLC软件开发和调试集成环境，能够完成硬件组态、应用程序编写、仿真和在下调试、程序下载/上载等一系列工作，使用十分方便。模块化编程思想便于由上至下设计调试复杂程序，西门子PLC程序由各个程序模块组成。各个模块又能够经过不一样语言编写，梯形图形象直观是主流编程语言，STL语言类似和汇编语言适合编写部分数据处理功效模块，次序功效图语言S7-Graph便于编写次序控制功效块。
4、了解组态软件WINCC，学习使用PROFIBUS-DP网络通信，实现上位机软件和PLC控制器间数据通信。
5、学习闭环控制PID控制器原理和设计方法。PID控制由百分比、积分和微分三部分组成，其有多个变形如带死区、抗积分饱和PID等使用十分灵活，所以广泛应用于工程领域。S7-300PLC有内部PID调整模块，也能够依据计算机控制技术设计自己PID控制器。PID参数整定也有很多成熟方法。
6、三项异步电机控制方法。在变频调速领域中,异步电动机有多个多样控制方法：V/F控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制。
7、变频器组成和原理，和使用方法。
8、电动阀工作原理和控制技术。电动阀通常由电动实施机构和阀门连接起来，经过安装调试后成为电动阀。电动阀使用电能作为动力来接通电动实施机构驱动阀门，实现阀门开关、调整动作。从而达成对管道介质开关或是调整目标。
三、文件综述(或调研汇报)：
在中国钢筋混凝土排水管行业离心、悬辊、立 式振捣工艺被称为传统工艺，是经过吸收 消化国外制管技术逐步发展起来，而立式径向挤压和芯模振动工艺基础上是依靠引进国外技术。生产DN1400mm以上管材最好工艺则是芯模振动工艺，该艺除了在生产效率、质量控制含有技术优势外，还可使产品适应性得到极大改善，不仅能够生产圆形管材，还能够生产异形管材如椭圆管、带基座管、方涵和复合管材。现在欧美国家普遍采取该工艺生产钢筋混凝土排水管。中国现在正处于引进国外设备和将其国产化阶段。该工艺中芯模振动器震动频率、幅度对混凝土液化起到至关关键作用，所以设计调整振动器频率自动控制系统对设备国产化至关关键。现在工控领域，PLC+变频器+交流电机拖动系统已经得到广泛应用。
PLC实质是含有很多适合工业控制使用特点计算机，它含有以下特点：良好稳定性和可靠性，编程方便，丰富I/O接口模块，采取模块化结构，环境适应能力强，和其它装置配置连接方便，设计和施工时间比较短等。西门子PLC在业界广泛使用，S7-300 PLC包含导轨(RACK)、电源模块(PS)、CPU模块、信号模块(SM)、功效模块(FM)、接口模块(IM)、通讯处理器(CP)等。
经过20年发展及应用，交流电机变频调速己经成为现代电机调速主流，逐歩被大家接收。变频器和以往调速方法相比较，含有体积较小、精度较高、功效繁多、操作方便、实用性强、轻易形成变换控制等优点。今日变频器，已经由压频控制发展到动态矢量控制，其优点很多，如：转矩大。OHz时,转矩输出100%，0.5Hz时,转矩输出200%；高速CPU不仅能够测定最好负载控制电压和电流矢量，还能够对急变负载进行快速响应和瞬时功率立即检知，进而使加减速时间缩减为最短；控制精度可达±0.02%；带有0~10V， 4~20mARS485接口，能够方便地和计算机进行通讯。另外还含有软开启、瞬时停电自动再开启、跳跃共振频率点、在线自整定、多个保护等功效。
参考文件：
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四、方案(设计方案、或研究方案、研制方案)论证：
本控制系统关键功效有以下三点：芯膜振动管振动频率调整、芯膜振动偏向距自动调整、芯膜振动管自动张紧安装。生产不一样规格水泥管时产生不一样芯模振动频率，而控制芯模频率需要控制拖动皮带交流电机转速。芯膜振动偏向距自动调整、芯膜振动管自动张紧安装能够经过调整电动阀位移来实现。
电机转速、电动阀设定值经过上位机经过PROFIBUS通行传输给PLC(S7-300)。电机转速经过编码器测定后将4~20mA电流反馈给PLC模拟量输入模块，和设定值比较偏差作为PID调整器输入，PID调整器能够自行设计也可使用S7-300中PID调整模块。PID调整器输出经过模拟量输出模块输出4~20mA控制信号到变频器，控制变频器输出频率改变，变频器输出控制交流电机转速。经过整定对应参数使得闭环动静态对应指标达成使用要求。
电动阀控制信号也由S7-300模拟量输出模块输出4~20mA控制信号，因为电动阀开启时间较短（通常小于30s），而设备对电动阀动态响应时间没有较高要求，而电动阀响应位移和控制信号是一个线性关系，所以在没有较高响应时间要求时能够对电动阀进行开环控制即可。
本方案是现在业内比较普遍使用，技术成熟、稳定。结合厂房要求，该方案能够符合其相关技术指标要求和费用预算。
五、进度安排：
起止日期
工作内容
.12.21 ~
.1.20
熟悉资料，调研和分析
.1.21 ~
.2.24
系统方案论证
.2.25 ~
.3.10
撰写开题汇报，总体方案设计
.3.11 ~
.3.24
电气安装和PID控制
.3.25 ~
.4.7
PLC软件设计
.4.8 ~
.4.21
通信软件设计
.4.22 ~
.5.5
系统调试
.5.6 ~
.5.19
撰写毕业设计论文
.5.20 ~
.6.10
毕业设计验收和答辩