摘 要

工字轮除锈设备控制系统设计，是一种用于工字轮自动除锈的系统，在现实生活中，应用极为广泛。为了提高系统的智能化、整体性能、自动化程度，本文利用了人机交互界面对系统做出控制。

在本设计中，首先针对工字轮的除锈工艺要求，分析自动除锈装置的结构组成及工作原理，选择S7-200 PLC作为控制核心，完成了工字轮除锈设备控制系统的设计，PLC通过MODBUS通信协议与和触摸屏进行通信，触摸屏可以对电机设置速度、方向等。系统通过PI的控制方式对直流电机进行控制、通过PID的控制方式对PLC和电机组成的控制系统控制实现电机转速的闭环控制、采用偏差耦合控制方式实现系统的双电机控制。同时，系统的人机界面设计，可根据不同的需要设定界面切换，也可以对电机的参数进行设定。系统具有自动控制和手动控制切换、参数的设定和修改、在线监控、报警等功能。

研究结果表明：该系统控制明确、工作稳定、操作方便、抗干扰能力强。除锈系统可有效降低人力和时间成本 ，提高了工字轮除锈的效果，节约工时，完全满足工字轮除锈自动控制系统的工作要求。

关键词：PLC；工字轮除锈；自动控制；人机交互

Abstract

The control system design of I-wheel rust removal equipment is a kind of automatic rust removal system for I-wheel, which is widely used in real life. In order to improve the intelligence, overall performance and automation of the system, this paper uses the human-computer interaction interface to control the system.

In this design, first of all, in view of the h wheel cleaning process requirement, analysis the structure and working principle of automatic cleaning device, choose S7-200 PLC as control core, completed the design of the control system of wheel cleaning equipment, through the MODBUS communication protocol of PLC and touch screen communication, touch screen can be set to the motor speed, direction, etc. The system adopts PI control mode to control the dc motor, PID control mode to control the control system composed of PLC and motor to realize the closed-loop control of the motor speed, and adopts the deviation coupling control mode to realize the system's double motor control. At the same time, the man-machine interface design of the system can be set according to different needs to switch the interface, also can set the parameters of the motor. The system has the functions of automatic control and manual control switching, parameter setting and modification, online monitoring, alarm and so on.

The results show that：The system has clear control, stable operation, convenient operation and strong anti-interference ability. Rust removal system can effectively reduce the labor and time costs, improve the effect of h wheel rust removal, save working hours, fully meet the work requirements of the automatic control system of h wheel rust removal.

Key Words:PLC; I-wheel rust removal; automatic control; human computer interaction

目录

摘 要 III

第1章 绪论 1

1.1工字轮除锈设备控制系统设计的目的及意义 1

1.2国内外除锈方法的发展趋势 2

1.2.1基本的除锈方法 2

1.3工字轮除锈设备控制系统设计的国内外研究现状 4

1.4工字轮除锈设备控制系统设计的研究内容和设计要求 5

第2章 系统的结构组成与工作原理 6

2.1结构组成 6

2.2工作原理 6

第3章 控制系统硬件组成 8

3.1PLC的选型 8

3.1.1选用S7-1200系列可编程控制器的优点 8

3.1.2S7-1200系列可编程控制器的组成及介绍 9

3.2HITECH 触摸屏 10

3.3测量变送器 12

3.3.1传感器和变送器的定义 12

3.3.2传感器和变送器的定义和区别 14

3.4Modbus通信协议 14

3.4.1Modbus协议通信和设备 15

3.4.2Modbus协议的实现和限制 15

3.5执行器 16

3.5.1执行器的工作原理 17

3.5.2执行器结构和类型 18

3.5.3执行器的双作用和单作用 19

3.6系统控制结构设计 19

第4章系统软件设计 22

4.1 软件功能设计 22

4.2 横向电机转速闭环控制 24

4.3 旋转电机同步运行控制 25

4.4 偏差耦合 PID 控制系统 26

第5章 人机界面设计 28

5.1人机交互的介绍 28

5.2系统人机界面的实现 28

第6章 总结和展望 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1工字轮除锈设备控制系统设计的目的及意义

在现代生活中，随着人们物质生活和消费的水平一天比一天要多，在物质生活得到到满足的同时，例如衣食住行得到解决，甚至不用考虑的前提下，大多数人选择追求心里的渴望，尤其是针对于不同层面的人，更是有着自己不同的需求，在车辆选择的时候，大多数人至少一人一辆，甚至于在不同的场合中，一人可能会持有多辆汽车。因此，各种车辆不断涌入人们的生活，给人们的物质文化生活带来了极大的便利。轮胎是车最重要的一部分，随着车辆的需求数量越来越多，轮胎的数量需求数量也愈来愈多。胎圈钢丝是用来加强汽车的轮胎的一种钢丝，胎圈钢丝也经常用作一种镀青铜、紫铜和黄铜等多种铜。一般来说，胎圈钢丝和隔离胶一起制成的钢丝圈，具有使外胎紧密从而固定在轮辋上的作用，在汽车行驶过程中会带动轮胎滑动，和轮胎一起的胎圈钢丝就会受到各种力的作用。例如拉伸、扭转、压缩、以及离心力等。胎圈钢丝的用处非常多，用在各种各样的车胎中，例如常见的轿车车胎、较为少见的航空轮胎、轮胎较小的摩托车轮胎和自行车轮胎，还用一些需要承受较多重力的轮胎，例如载重轮胎。汽车的需求增多，轮胎也增多，胎圈钢丝的需求市场也渐渐增多。

在胎圈生产过程中工字轮起到非常大的作用，对于一整个产品来说，零部件损坏是整个机电产品失效的主要原因。对于胎圈生产过程来说用到最多的零部件就是工字轮，工字轮作为机械行业中可以再制造的零部件之一。工字轮的生锈是导致工字轮损坏会影响工字轮的使用，甚至于生锈严重，会使工字轮不能使用，如果能对它进行有效除锈就能变废为宝，循环利用多次，节约成本的同时做到保护环境。在过去很多时间里，胎圈钢丝生产过程中，工字轮需要清洁及除锈，一直以来都是大量人工操作，人工除锈不仅效率低下，而且整体除锈效果不佳，对工字轮除锈不彻底，影响工字轮的使用寿命。因此，降低人力成本和提高产品品质愈来愈重要。

工字轮在工业生产中扮演着非常重要的角色，它作为一种传递工具的同时也是一种标准工具，除了工字轮这个名字以外，我们也经常把它叫做线盘或者铁轴。工字轮经常用来缠绕一些金属线、钢丝绳和漆包线等多种材料，工字轮有很多大小的规格，也正是因为钢丝绳和钢丝绳的材料规格大小非常不同，一般情况下，工字轮可以分为：金属类型、塑料类型以及木质类型等多种工字轮。这三种类型工字轮的加工需求也都不一样。现在市面上需求最多的是金属工字轮，在金属工字轮的整个加工过程中，除了要考虑机床，还要着重考虑工字轮的除锈问题，一直以来，金属工字轮的加工工艺的改进一直受到除锈问题的干扰。在过去早些时候，因为技术上的缺陷，经验上的不足，设计开发能力低以及设计数据库的缺乏等多种原因，工字轮的生产一直处于小规模的水平，有的甚至处于模仿的阶段。在生产工字轮的制造中，过去都是在用传统的钣金技术进行生产，这样做的结果是基本不能满足标准的需求。

一直以来，如何防止金属产品的生锈都在困扰无数个生产商家。工字轮的生产也不例外，一直以来，工字轮在使用一段时间后，都会出现生锈的问题，而且由于技术上的问题，工字轮的除锈都是人工进行和操作的。金属产品的人工除锈存在劳动效率较为低下，校正的精度较差，基本不能满足企业的需求，不能解决工字轮的除锈问题。除此之外，目前国内的存在劳动力短缺的情况是因为工字轮对工人的技术水平要求较低，而且也不需要拥有较多经验的工人。因此，对工字轮除锈设备控制系统设计的研究非常重要。该课题以PLC和对电机的控制实现工字轮除锈工作，来替代进口设备，以降低生产成本，提高生产效率，提高国内工字轮除锈整体性能和胎圈钢丝生产技术。

1.2国内外除锈方法的发展趋势

针对于工字轮的除锈，首先需要了解除锈方法的发展趋势，以下是一些除锈方法的相关介绍。

一、基本的除锈方法

1手工操作除锈法：这种除锈方法是最基本的除锈方法，其基本的操作工具是刮刀、刚刷、纱布等，利用这些工具来对所需要的待除锈工具进行敲打、打磨、刮等一系列操作达到除锈的目的。这种除锈方法具有简单的操作性和成本较低的优点，但是，同时也具有较高的劳动强度、较低的工作效率，较差的质量稳定性以及较为恶劣的工作环境的缺点。

2机械除锈法：这种除锈方法是利用机器的冲击和机器的摩擦会去除待除锈物体的污物。利用这种除锈方法，可以达到较好的除锈效果，大大提高了除锈的质量和效率，这也是这种除锈方法的优点。该方法的缺点也是仍然需要人工操作，而且对于精度较高和较大的设备不能用这种方法除锈，总的来说，目前还是抛丸处理的方法更加合适。

3干喷砂除锈方法:目前来说，国内承认的除锈质量最高，除锈效果最好的除锈方法是干喷除锈方法。这种除锈方法主要有两种大类型：（1）封闭式除锈：在一定的封闭环境内进行除锈，除锈方式较为单一。（2）敞开式除锈：这种除锈方式包括移动式和固定式除锈两种方式。其中，移动式就是可以移动的小设备，例如空压机，储砂罐和压力罐等。这种除锈方法非常适合在野外的施工现场操作，方便携带。固定式除锈主要是针对大型的钢件设备，适合处理较多的钢材生锈问题，对大型设备的除锈效果和质量都较好。因为上面介绍到的除锈方法主要是干喷砂除锈，因此，这种方法会伤害人体安全和破坏环境，和手工除锈的方法一样会给人身和环境造成伤害和污染，而对人体的危害则更厉害。
二、保节能的除锈方法

由于之前的几种除锈方法会给人体和环境带来或多或少的伤害，为了解决这个问题，国内外的工程师一直以来都在研究除锈设备，争取解决这个问题，近年来，有了不少进步和改良，主要有以下几种。
1回收式干喷砂除锈设备：在干喷除锈方法的基础上加入一个吸收力很强的的吸引装置，这个吸引装置的作用在于，能够很好的吸收设备喷出来的砂的同时也能一同吸收从除锈物体散落下来的铁锈和砂子，这样操作之后，除锈产生的杂质和灰尘就会被吸收到装置中，散落下来的飘散物就不会被人吸入，保护环境的同时不会对施工人员造成伤害。由于这个装置较为复杂，只能针对于精度较高的仪器进行除锈，除锈成本较高。这种除锈设备也没有进行全面普及。
2湿喷砂除诱方法：这种方法在某种程度上来说，是可以与干喷砂系统相提并论的，原因是这种除锈设备除锈时可以吸收飞尘和残渣，但是他们二者之间的区别是，这种除锈的方法是利用高压水夹砂进行喷砂除锈的，由于该除锈设备能够更好地降低粉尘的污染，因此，这种设备是目前大多数厂家进行研发和发展的方向。这种除锈方法在一定程度上遏制李粉尘对环境的污染，也降低了对施工人员的伤害，但是由于在除锈过程中会使用到水，所以脱落下来的铁砂和砂粒会随水的流动而被排放到水域中，这样就造成了对水系统的污染。除此之外，这种除锈方法因为水的原因，会使除锈完成的物体造成潮湿，会加速物体造成二次生锈，所以会在除锈过后立即去处因为除锈留下水的钢体，这种除锈方法必须有定的去湿涂装功能，除此之外，还必须附有有很好的防锈性能。
3高压水除锈设备：这种除锈设备因为技术上的一些因素，目前主要是国外在生产，国内还没有开始对这一设备进行研究。这种除锈设备有着很好的除锈效果，因为可以完全避免粉尘对身体的伤害和系统除锈产生的残渣对环境的污染。这种除锈设备，在完成除锈之后，必须马上涂装防锈底漆，这样做的目的是防止具备再次生锈的条件，这也是这种设备的一大缺点。这种缺点与上面提到的方法有类似的问题，除锈之后必须要有第二次的加工处理程序。不论是在国外还是在国内，这种除锈系统所要求的技术含量都很高，因此，在国内推广时受到一定的限制。
4压缩空气喷射除锈设备：这种设备的除锈方法是将除锈要用到的磨料和空气进行混合，混合而成的混合物会被设备上的喷嘴高速喷出，除锈表明就会被打击脱落，该设备还带有加压容器，加压容器可以将磨料快速注入空气流中。这种除锈方法可以运用在多个除锈场合，连续除锈作业和进行间断除锈作业可以互相切换，可以在不同环境下进行除锈作业，例如工地、室内外、设备内和现场工地等。

在用这种除锈设备方法除锈时，必须对除锈的环境有一定的要求，原因是在除锈过程中要完全避免粉尘污染，因此，要求除锈场合具备以下两种设备：除尘器和抽风设备。这也是这种设备的明显缺点，这样的环境要求在价格方面也有很大的影响，价格不再接受范围内，在遇到需要清除污染物时，就有必要考虑其他的的方法进行处理。