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钢筋切断机知识

钢筋矫直切断机控制系统硬件的设计及实现

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-3-14     浏览次数:    
  钢筋矫直切断机控制系统硬件的设计及实现
  摘要:对钢筋矫直切断机的控制系统硬件的设计与实现,首先对控制系统的强电控制部分的制作做了详细的设计说明,包括强电控制原理图、控制箱的内部元件的布局图、强电元件的型号选型和控制箱的内的线径的选用等方面;其次对控制系统的弱电控制部分的硬件设计和选型做了详细的说明,按功能模块分成了稳压电源模块、数据处理模块、按键和显示模块和继电器驱动模块等四个方面,完成了从设计原理分析到元器件的选型工作。
  关键词:钢筋矫直切断机;系统硬件;强电控制;弱电控制;

  综合目前市场上同类钢筋矫直切断设备的使用情况及动作要求,应用MCS-51单片机设计一款既能满足正常的动作需求[1],又能替代以PLC为控制核心的智能数控工业应用系统。在实现同样功能的情况下,硬件造价便宜,整套系统成本造价可以控制在200元以内,其整机市场竞争力大大增强。本文对其控制系统硬件的设计与实现进行了描述。

  通过与钢筋切断机生产企业的沟通并获得支持,在开发初期,由企业提供一台钢筋切断机的机械部分,建立一个钢筋矫直机控制系统的开发的环境;在开发中期,由企业提圆盘供卷曲状钢筋做切断材料,用于测试控制系统的控制效果;在开发后期,由企业提供一些钢筋矫直机的使用工地,让最终的使用客户来做最后的检验。
  钢筋矫直切断机控制系统的硬件部分是实现系统智能控制的基础保证,其硬件部分的设计包含系统强电部分和系统弱电部分的设计与制作,如图1所示。
  系统强电部分主要是指电气控制箱的设计和实现,电气控制箱体的主要作用是接收小功率的开关量控制信号,驱动接触继电器线圈工作,转换成大功率的开关量控制信号,从而实现控制大功率电机的启停和电磁阀运动等动作。整个控制箱体的设计内容主要包括电气原理设计和电气工艺设计两部分,电气原理设计包含电机的控制主电路原理图、控制电路原理图和电气元件的选型等设计内容;电气工艺设计包含整个电气控制箱体内每个元件的排布、布线连接、强电电源输入与输出接线安排及箱体尺寸的确定等设计内容。
  系统弱电部分的设计主要是指单片机电路板的设计和实现,也包含两大步骤的设计内容:第一步是电路原理图的设计,将电路板上的设计原理按照功能模块组合的方法进行分块设计[5];第二步是印刷电路板的布线设计,考虑到电路板上的低压电和高压电最好隔离分开,本文将印制电路板分成两块板设计,两者之间通过数据线接口连接[6]。第一部分是单片机信号处理部分(包括按键、显示、数据信号处理等),称为主板;第二部分是执行元器件的驱动部分(包括继电器对电磁阀和接触器的驱动等),称为驱动板。
  1电气控制箱的设计和实现
  电气控制箱的设计也就是电气控制系统的设计,包括电气原理设计和电气工艺设计两部分。电气原理设计是为满足矫直切断机的生产动作的工艺要求而进行的控制电路的设计;电气工艺设计是为电气控制箱内各个元器件位置的布置、接线连接等统一规划而进行的生产施工的设计。
  1.1电气控制箱的电气功能及原理图的设计钢筋矫直切断机的电气控制箱需要实现的功能是设计电气原理图的基本依据,其电气控制的主电路原理图。控制3台的三相异步电动机,分别是由KM1控制1台2kW油泵电机的启停,由KM2(控制正转)与KM3控制(控制反转)1台4kW压轮电机与1台4kW矫直电机,其中压轮电机和矫直电机的启停是同步控制。
  与钢筋矫直切断机电气控制箱的主控电路图相互配套的电气控制电路原理图的设计,如图2所示。
  图2矫直切断机电气控制箱电气控制电路原理图其控制电路原理图对应实现的控制功能和主要元器件的选型说明如下:
  (1)由单片机驱动板控制2个压轮电机与矫直电机的正反转接触器线圈额触点K1,K2,用于控制钢筋的前进与后退。
  (2)由单片机驱动板控制2个电磁阀线圈的供断电触点K3,K4,用于控制油缸切断刀的前进与后退;(3)提供2个手动控制油缸切断刀进刀和退刀的电磁阀控制主令按钮SB3,SB4,用于生产调试等用途。
  (4)通过控制变压器TC输出12V和220V交流电源,其中12V交流电源给单片机控制主板供电;220V交流电源给电磁阀和接触器供电。
  (5)提供1个主令常开按钮SB2,配合KM1的常开触点,形成油泵电机启动自锁保持电路,用于单独对油泵电机的启动控制。
  (6)提供一个急停常闭保持按钮SB1,用于紧急状况时切断所有执行元件线圈的控制电源。
  (7)小型断路器QS2为单相交流电的输入接口,用于给控制变压器提供输入电源,选择型号为DZ47-61P,额定电压400V。
  (8)控制变压器TC,用于将交流380V电压变换成交流220V和交流12V,功率选择50W,型号选择为BK-5VA。
  其中接触器KM2和KM3的主触点不能同时闭合,否则会造成三相交流电源中的L1相和L3相的短路事故。
  1.2电气控制箱的电气工艺设计根据设计出的电气原理图和选定的电器元件,结合控制箱体的宽度和高度,设计出电气元件的总布局图。电气元件布置图分为3个层布置,每层中间由线槽隔开,最上层放置驱动板K1-K4和控制变压器TC;中间层放置接触器KM1-KM3和小型断路器QS1,QS2;最下层为各种接线端子,包括外电源交流380V强电输入端子、3台电机控制输出端子及矫直机其它辅助接线端子。按照上面的主电路原理图和控制电路原理图上的标定的接线标号,在每条控制线端子上都打上对应的接线标号。控制箱的电气元件的总布局图和电气元件安装布线后的实物图,如图3所示。
  根据电机的功率和工作时的起停特点,主电路的导线采用截面积为4mm2,其对应的正常工作条件下的最大稳定电流是28A;控制线路的导线采用截面积1mm2,其对应的正常工作条件下的最大稳定电流是12A。在后续的生产调试中,导线和电气元件负载正常,没有异常发热等现象,导线和电气元件选型可以正常持续使用。
  2单片机电路板原理图的设计和实现
  钢筋矫直切断机数控系统设计的核心内容就是基于MCS-51系列单片技术的在数控系统中的应用,而整个控制系统功能实现的硬件基础就在于单片机电路板的设计和实现[7,8]。该硬件系统包含以下组成部分:
  稳压电源部分、显示部分、按键部分、中央处理器部分、驱动部分、抗干扰部分、通讯调试部分、接口部分等八大部分,其中抗干扰部分是在电路的设计和实现时为了提高整个电路板工作稳定性而要注意增加的一些措施[7,8]。
  考虑到驱动部分主用是控制切断刀头的来回运动,切断一根钢筋,电磁阀就要来回运动一次,控制电磁阀的继电器每天平均下来工作的次数将达到上千次,而继电器的标称寿命为10万次左右,可见在钢筋切断机正常工作的情况下,驱动电磁阀的继电器为易损件。所以将驱动电磁阀和接触器的继电器等电路单独设计成一块驱动板,通过6条屏蔽数据线与主控制电路板连接,如图4所示,这样就可以实现矫直切断机在现场工作中易损件在出故障时,维修人员可以通过更换驱动板实现快速维修,同时由于不需要更换主板,维护费用相对也会比较少。
  2.1稳压电源模块的设计由于钢筋矫直切断机的使用环境大部分是在建筑、桥梁、公路等工地上,经常要在电源条件比较恶劣的条件下工作,要考虑增加抑制共模和差模干扰的电路方案。图5所示的就是本控制系统主电路板上应用的稳压直流电源模块的设计电路原理图,该电源模块的设计方案经过多种施工现场的调试和检验,都能比较稳定地向整个控制系统提供稳压直流电源,具有比较好的电源抗干扰能力。
  2.2数据处理模块与旋转编码器接口的设计数据处理模块的设计主要是对单片机的选型及其外围电路的设计,本系统采用已经广泛应用的MSC-51系列的单片机。本文论述的钢筋矫直切断控制系统选用的单片机就是该公司出品的一款增强型单片机,型号为STC12C5A32S2。
  通过图6所示的外围电压检测电路的辅助,可以实现单片机掉电前中断功能。2.3按键与显示模块的设计按键的设计是单片机控制系统重要的输入设备,是实现人机对话的纽带。本控制系统采用的矩阵式的键盘结构,按键位于行线和列线的交叉点上。所谓按键其实就是一个机械开关,当键被按下时交叉点上的行线和列线接通。本系统的键盘设计利用了单片机的10个端口,布置了5×5的矩阵结构,通过键盘软件的对矩阵的扫描读取,最多可以得到25个不同的键值,用于系统数据输入。
  本控制系统的电路显示方案采用8位LED数码管显示驱动芯片MAX7219,它是由MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极数码管显示驱动芯片,广泛应用于单片机系统的显示电路中。该芯片的三根串行接口线(即串行数据线、串行时钟线和芯片选通线)具有10MHz传输率可与任何微处理器相连。
  3单片机电路主板及驱动板印刷电路图的布线及实现
  将单片机主题电路原理图的主要模块及主要参数都确定好之后,就可以着手将印刷电路板布线按照主板和驱动板分开的设计思路,结合电控箱的面板尺寸及电控箱的内部尺寸,将主板印刷电路的外围尺寸定为:80mm×200mm,驱动板印刷电路的外围尺寸定为:60mm×110mm。图7是主板的印刷电路布线后的PCB文件图,图8是驱动板的印刷电路布线后的PCB文件图。
  印刷电路板布线时要注意的是抗干扰措施,结合工程现场的实际测试的效果,最终确定了一款布线效果最好的印刷电路板设计方案。图9是将主板和驱动板的所有元器件都安装上去后的正面实物效果图和方面实物效果图。这一对主板和驱动板在后期的钢筋矫直切断机的实际应用中,有着比较稳定的工作表现,基本可以适应大多数建筑工地的使用环境。
  4结束语
  钢筋矫直切断机控制系统的硬件部分的设计和实现的过程,涵盖了电气工程技术和电子工程技术两大方面的知识内容。在实际的工程实现过程中不但要应用所学电气电子方面的知识,而且还要学会元件选型、采购、性价对比、元件的接线、焊接等一系列的工程制作工艺。本文重点是将主要功能模块的设计原理及相应的抗干扰措施融合在设计的每个环节进行阐述,并将在后期在对整个控制系统的不断调试中得到的元件选型的经验参数进行真实描述,以使论文的描述和工程中的实际应用一致,增强本论文实际应用价值。
  参考文献:
  [1]田野.我国钢筋调直切断机的现状与发展[J].建筑机械化,2005(1):23-25
  [2]田茹.PLC在钢筋调直切断机上的应用[J].建筑机械化,2005(3):37
  [3]釐贺荣,卢秀春.钢筋矫直切断控制系统中PLC的应用[J].机械与电子,2004(8):57
  [4]潘振宁.电脑数控在多轮DGT90-14钢筋矫直机上的应用[J].企业技术开发,2013,1(32):94-95
  [5]釐贺荣.数控冷轧带肋钢筋矫直切断机的系统研究及设计[D].秦皇岛:燕山大学,2001

  [6]肖洪博.调直切断机定长自动控制系统的设计与应用[J].机械研究与应用,2006,4(19):48-49[7]


本文由 废旧钢筋切断机 整理编辑。


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