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[摘要]
可編程控制器由于其在工業(yè)控制方面的應(yīng)用意義日趨明顯，已在機(jī)械制造、發(fā)電、化工、電子等行業(yè)工藝設(shè)備的電氣控制方面得到了廣泛的應(yīng)用。它具有功能強(qiáng)大、使用可靠、維修簡單等許多優(yōu)點(diǎn)，并且在很多地方已逐步取代了繼電器電路的邏輯控制。而本文討論的是PLC在實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。本設(shè)備是專為啤酒桶的清洗、消毒設(shè)計(jì)的。該設(shè)備可以自動(dòng)完成清洗消毒及CO2備壓等全部工序。本設(shè)備適用桶的尺寸為高度H360—H560，直徑Φ250—Φ500。本機(jī)主要由機(jī)架、電氣控制箱、電磁閥、氣動(dòng)元件、氣沖系統(tǒng)和水路系統(tǒng)組成。本機(jī)控制單元采用以三菱公司的可編程控制器為核心對機(jī)器進(jìn)行全過程控制。
[關(guān)鍵詞] ＰＬＣ; 管路系統(tǒng); 清洗機(jī)
Abstract:
Applied meaning that programmable logic controller have in its control the aspect in the industry gradually obvious, combine at manufacture，generate electricity, chemical engineering, electronics 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. 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.
Keywords: PLC; Piping; Cleaning Machine
目 錄
57
一. 前言……………………………………………………………………3
（一） PLC技術(shù)基本原理………………………………………3
（二） PLC控制程序設(shè)計(jì)………………………………………7
（三） 清洗機(jī)的用途特點(diǎn)………………………………………9
二． 機(jī)器總體設(shè)計(jì)方案……………………………………………………10
三． 機(jī)架的設(shè)計(jì)……………………………………………………………13
四． 管路的設(shè)計(jì)……………………………………………………………21
（一） 管路的設(shè)計(jì)………………………………………………21
（二） 清洗頭的設(shè)計(jì)……………………………………………21
（三） 器件的選型………………………………………………23
五． 電路的設(shè)計(jì)……………………………………………………………29
（一） 電路的設(shè)計(jì)………………………………………………29
（二） 器件的選型………………………………………………35
六． PLC程序的設(shè)計(jì)………………………………………………………38
（一） I/O點(diǎn)分配表……………………………………………38
（二） 流程圖……………………………………………………39
(三) 梯形圖……………………………………………………40
(四) 語句表……………………………………………………44
七. 結(jié)論……………………………………………………………………47
八. 致謝……………………………………………………………………48
九. 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………49
十. 附錄:英譯漢……………………………………………………………50
一. 前言
(一) PLC技術(shù)基本原理
1. PLC的發(fā)展歷程
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。
個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。
上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為30%--40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。
PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。而對于傳統(tǒng)的繼電器電路來說，它難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能的和數(shù)字式控制，而且要實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的邏輯控制功能不僅設(shè)計(jì)繁瑣，難以實(shí)現(xiàn)升級，而且易發(fā)故障，維修復(fù)雜，現(xiàn)在已被大中型設(shè)備的控制系統(tǒng)所拋棄。而PLC正被廣泛的應(yīng)用并且已逐步取代了繼電器電路的邏輯控制。
隨著科學(xué)技術(shù)不斷的飛躍發(fā)展，PLC也不斷得到完善和強(qiáng)大，同時(shí)它的功能也大大超過了邏輯控制的范圍，如聯(lián)網(wǎng)通信功能和自診斷功能等。因此今天這種裝置被我們稱作可編程控制器，不過我們還是習(xí)慣簡稱這種裝置為PLC。
2.PLC的體系結(jié)構(gòu)
PLC實(shí)質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)是基本一致的。如圖1.1所示：
電源
編程器
中央處理單元
（CPU）
輸入電路
輸出電路
系統(tǒng)程序存儲區(qū)
用戶程序存儲區(qū)
圖1.1 PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)
（1）中央處理單元（CPU）
中央處理單元（CPU）是PLC 的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū), 然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運(yùn)算等結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行為止。
（2）存儲器
與微型計(jì)算機(jī)一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺完整的PLC。PLC的軟件分為兩部分: 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。
存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為應(yīng)用程序存儲器。
PLC存儲空間的分配：雖然大、中、小型 PLC的CPU的最大可尋址存儲空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理， 其存儲空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶程序存儲區(qū)。
A. 系統(tǒng)程序存儲區(qū)
在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的各項(xiàng)功能。
B. 系統(tǒng)RAM存儲區(qū)
系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備（例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。
（A）I/O映象區(qū)
由于PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲單元（RAM）以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作I/O映象區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲單元中的一個(gè)位（bit）, 一個(gè)模擬量I/O占用存儲單元中的一個(gè)字（16個(gè)bit)。因此，整個(gè)I/O映象區(qū)可看作由開關(guān)量的I/O映象區(qū)和模擬量的I/O映象區(qū)兩部分組成。
（B）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū)
除了I/O映象區(qū)以外，系統(tǒng) RAM存儲區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電子供電。使這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留；后者當(dāng)PLC停止運(yùn)行時(shí)，將這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部置“零”。
C． 用戶程序存儲區(qū)
用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC其存儲容量各不相同，一般來說，隨著PLC機(jī)型增大其存儲容量也相應(yīng)增大。不過對于新型的PLC，其存儲容量可根據(jù)用戶的需要而改變。
D．常用的I/O分類
常用的I/O分類如下：
開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。
模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。
按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。
（3）PLC電源
PLC電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的PLC，還是
中、大型的PLC，其電源的性能都是一樣的，均能對PLC內(nèi)部的所有器件提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動(dòng)在正負(fù)10%（15%）之間，因此可以直接將PLC接入到交流電網(wǎng)上去。
3．PLC的通信聯(lián)網(wǎng)
依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡(luò)就是控制器"的觀點(diǎn)說法。
PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信現(xiàn)在主要采用通過多點(diǎn)接口（MPI）的數(shù)據(jù)通訊、PROFIBUS 或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。
4.PLC的工作原理
PLC采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式——掃描技術(shù)，既輸入采樣，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作為一個(gè)掃描周期。不過嚴(yán)格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等，如圖1.2所示。
第(N-1)個(gè)掃描周期
輸出刷新
第(N+1)個(gè)掃描周期
輸入采樣
第N個(gè)掃描周期
輸入采樣
輸出刷新
用戶程序執(zhí)行
圖1.2 PLC的掃描運(yùn)行方式
（1）輸入采樣階段
在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并將它
們存入I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
（2）用戶程序執(zhí)行階段
在用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達(dá)等。
（3）輸出刷新階段
在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)響應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)才是PLC真正的輸出。
（二）PLC控制程序設(shè)計(jì)
1. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本原則
（1） 最大限度的滿足被控對象的控制要求。
（2） 在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用和維
護(hù)方便。
（3） 保證控制系統(tǒng)安全可靠。
（4） 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)在選擇PLC容量時(shí)應(yīng)適當(dāng)留有余量
2．PLC編程步驟
具體編制一個(gè)PLC控制程序的基本步驟如下(其流程圖見圖1.3)：
3. PLC提供的編程語言
(1) 標(biāo)準(zhǔn)語言梯形圖語言也是我們最常用的一種語言，它有以下特點(diǎn)
A.它是一種圖形語言，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點(diǎn)、線圈、串聯(lián)等術(shù)語和一些圖形符號構(gòu)成，左右的豎線稱為左右母線。
B.梯形圖中接點(diǎn)（觸點(diǎn)）只有常開和常閉，接點(diǎn)可以是PLC輸入點(diǎn)接的開關(guān)也可以是PLC內(nèi)部繼電器的接點(diǎn)或內(nèi)部寄存器、計(jì)數(shù)器等的狀態(tài)。
C.梯形圖中的接點(diǎn)可以任意串、并聯(lián)，但線圈只能并聯(lián)不能串聯(lián)。內(nèi)部繼電器、計(jì)數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負(fù)載，只能做中間結(jié)果供CPU內(nèi)部使用。
確定系統(tǒng)必須完成的各項(xiàng)任務(wù)及其順序
將PLC的I/O位分配給輸入輸出設(shè)備
編制PLC程序（梯形圖或指令代碼）
通過PC機(jī)、GPC或FIT輸入程序至PLC
YES
檢查程序
有無錯(cuò)誤
修改程序
NO
YES
運(yùn)行程序
有無錯(cuò)誤
調(diào)整程序
NO
程序投入使用
圖1.3
D.PLC是按循環(huán)掃描事件，沿梯形圖先后順序執(zhí)行，在同一掃描周期中的結(jié)果留在輸出狀態(tài)暫存器中所以輸出點(diǎn)的值在用戶程序中可以當(dāng)做條件使用。
(2) 語句表語言，類似于匯編語言。
(3) 邏輯功能圖語言，沿用半導(dǎo)體邏輯框圖來表達(dá)，一般一個(gè)運(yùn)算框表示
一個(gè)功能，左邊畫輸入、右邊畫輸出。
(三) 清洗機(jī)的用途特點(diǎn)
1.清洗機(jī)用途及使用范圍
本設(shè)備是專為啤酒保鮮容器（包括不銹鋼、塑料保鮮桶及扎啤桶）的清洗、消毒設(shè)計(jì)的。該設(shè)備可以自動(dòng)完成清洗消毒及CO2備壓等全部工序。本設(shè)備為倒置清洗方式適用桶的尺寸為高度H360—H560，直徑Φ250—Φ500即容積為5L，10L，20L的標(biāo)準(zhǔn)啤酒桶。
主要結(jié)構(gòu)：本機(jī)主要由機(jī)架、電氣控制箱、電磁閥、氣動(dòng)元件、氣沖系統(tǒng)和水路系統(tǒng)組成。
工作原理：本機(jī)控制單元采用以三菱公司的可編程控制器為核心對機(jī)器進(jìn)行全過程控制。主要工作過程為排殘液—清水沖洗—消毒液沖洗—無菌水沖洗—CO2備壓。
2. 啤酒桶簡介
啤酒桶的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1.4所示
灌酒時(shí)酒液由酒矛（以下簡稱內(nèi)圈）注入可減少泡沫的產(chǎn)生以保證酒液內(nèi)CO2的含量，出酒時(shí)可在酒桶頂部安裝上置式出酒器由桶內(nèi)CO2備壓將酒壓出，也可以在酒桶下部安裝下置式（水龍頭式）的出酒器。由于出酒器接口并不存在清洗困難的問題且出酒器不在本設(shè)計(jì)研究范圍內(nèi)，所以啤酒桶結(jié)構(gòu)簡圖中沒有畫出下置式出酒器的接口位置。
3.清洗特點(diǎn)
（1）清洗時(shí)，每次清洗液均由內(nèi)圈注入，由內(nèi)圈注入可利用清洗液的壓力直接沖刷酒桶底部。
（2）洗液注滿后進(jìn)行氣沖，即內(nèi)外圈同時(shí)充入大量氣體使桶內(nèi)清洗液“沸騰”，用氣泡破裂的力量清洗酒桶內(nèi)壁，排液時(shí)內(nèi)外圈同時(shí)排液。為保證酒桶內(nèi)盡可能不含氧氣及不潔凈氣體，所以氣沖時(shí)用CO2。
（3）為保證出酒壓力和酒液品質(zhì)，最后應(yīng)進(jìn)行CO2備壓。
圖1.4 酒桶內(nèi)膽結(jié)構(gòu)簡圖
二. 機(jī)器總體設(shè)計(jì)方案
本機(jī)的輸出狀態(tài)為噴嘴射流作業(yè)。受酒桶結(jié)構(gòu)限制，清洗其內(nèi)壁時(shí)只能將酒桶倒置于工作臺上以便清洗液全部排空。本機(jī)可以清洗不同容積的酒桶，標(biāo)準(zhǔn)容積的酒桶出口結(jié)構(gòu)尺寸也都是一樣的，所以在充入液體或氣體壓力一定的情況下，注滿的時(shí)間不同。所以通過改變各個(gè)控制閥開閉的時(shí)間就可以滿足清洗不同容積的桶的要求。
本機(jī)由一個(gè)工人站立操作。由人體工程學(xué)可知站姿的操作范圍如圖1.5
所示。整個(gè)操作過程是：將酒桶搬起倒置于工作臺上，按啟動(dòng)開關(guān)機(jī)器自動(dòng)運(yùn)行，整個(gè)清洗完成后再將酒桶搬下。本機(jī)擬一次同時(shí)清洗兩只酒桶，這樣既可以提高工作效率，也不致使工人一次搬運(yùn)過多酒桶而產(chǎn)生疲勞感。
由于本機(jī)的輸出狀態(tài)為噴嘴射流作業(yè)，這就要求控制系統(tǒng)要對流體進(jìn)行有效控制?，F(xiàn)在一般都采用PLC進(jìn)行控制。
本機(jī)擬用氣動(dòng)元件對主管路進(jìn)行控制而PLC則對各氣動(dòng)元件進(jìn)行控制。這樣做是考慮到機(jī)器的工作環(huán)境。應(yīng)用本機(jī)的單位是各啤酒廠。“結(jié)露”是啤酒廠車間內(nèi)的環(huán)境特點(diǎn)，因此必須考慮電氣元件的防潮。如果直接用電磁閥控制主管路，則難于對電磁閥進(jìn)行保護(hù)。
氣控方式對環(huán)境要求小，工作壽命長，價(jià)格低，維護(hù)簡單，可高速動(dòng)作，操縱距離長，且本機(jī)所要求的控制壓力低，所以氣控方式適合本機(jī)要求。
本機(jī)主要由機(jī)架、電氣控制箱、電磁閥、氣動(dòng)元件、氣路系統(tǒng)和水路系統(tǒng)。工人在操作時(shí)應(yīng)較輕松地將酒桶搬至工作臺和操作各個(gè)開關(guān)，應(yīng)清楚的看到操作面板的工作進(jìn)程顯示，應(yīng)清楚的看到各儀表示數(shù)和個(gè)氣控閥的工作狀態(tài)。所以本機(jī)結(jié)構(gòu)初步安排為總高2000mm，工作臺高度800mm。各氣控閥布置在工作臺下方。操作面板高度為1400mm（工作臺高度+酒桶最大高度560）。各電磁閥、電控元件安裝在電氣控制箱內(nèi)。用氣缸對酒桶夾緊，氣缸布置在酒桶頂端控制箱兩側(cè)。水箱、消毒液箱布置在工作臺下方，氣控閥后方。
由于對無菌水的保存使用有特殊要求所以無菌水箱由用戶自備，其電機(jī)和無菌水泵在現(xiàn)場布置安裝。本機(jī)只安裝清水和消毒液用電機(jī)，但本機(jī)控制單元扔對無菌水用電機(jī)進(jìn)行控制。
本機(jī)的清水壓力，消毒液壓力，無菌水壓力均為0.3MPa，氣沖壓力為0.3MPa，二氧化碳備壓壓力為0.5MPa。消毒液配方由用戶自定。
本機(jī)工作能力為30—100桶/小時(shí)。
圖1.5 站姿操作范圍
三 機(jī)架的設(shè)計(jì)
機(jī)架是一個(gè)多功能構(gòu)件，是整機(jī)的基礎(chǔ)，要求有足夠的靜動(dòng)剛度，熱變形對精度的影響盡可能小，原始精度和尺寸的穩(wěn)定性要好，外型美觀，運(yùn)輸安裝方便。在這些要求當(dāng)中，強(qiáng)度和剛度是機(jī)架的基本技術(shù)指標(biāo)。在許多情況下，剛度尤為重要。本機(jī)為單件小批量生產(chǎn)，可用焊接機(jī)架。焊接機(jī)架與鑄造機(jī)架相比具有強(qiáng)度高、剛性好、重量輕、生產(chǎn)周期短、施工簡便的特點(diǎn).本機(jī)管道內(nèi)流體具有氧化性、腐蝕性，所以機(jī)架、管道等有可能與液體相接觸的部分選不銹鋼1Cr18Ni9Ti。
（一） 焊接簡介
焊接是指利用加熱或熱加壓，或兩者并用的方法，使分離的金屬零件形成原子間的結(jié)合的一種加工方法。它是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中用來制造各種金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件的一種主要工藝方法。
焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)件種類各式各樣，在其材料確定以后，對焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)主要包括三方面內(nèi)容：焊縫布置、焊接方法選擇和焊接接頭設(shè)計(jì)等。
1. 焊縫布置
焊縫布置是否合理，直接影響結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率。因此，設(shè)計(jì)焊縫位置時(shí)應(yīng)考慮下列原則：
（1）焊縫應(yīng)盡量處于平焊位置各種位置的焊縫，其操作難度不同。以焊條電弧焊焊縫為例，其中平焊操作最方便，易于保證焊接質(zhì)量，是焊縫位置設(shè)計(jì)中的首選方案，立焊、橫焊位置次之，仰焊位置施焊難度最大，不易保證焊接質(zhì)量。
（2）焊縫要布置在便于施焊的位置焊條電弧焊時(shí)，焊條要能伸到焊縫位置。點(diǎn)焊、縫焊時(shí)，電極要能伸到待焊位置。埋弧焊時(shí)，要考慮焊縫所處的位置能否存放焊劑。設(shè)計(jì)時(shí)若忽略了這些問題，無法施焊。
（3）焊縫布置要有利于減少焊接應(yīng)力與變形接頭處的硬化組織，影響加工質(zhì)量，焊縫布置應(yīng)避開機(jī)加工表面。
2. 焊接方法的選擇
各種焊接方法都有其各自特點(diǎn)及適用范圍，選擇焊接方法時(shí)要根據(jù)焊件的結(jié)構(gòu)形狀及材質(zhì)、焊接質(zhì)量要求、生產(chǎn)批量和現(xiàn)場設(shè)備等，在綜合分
析焊件質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性和工藝可能性之后，確定最適宜的焊接方法。選擇焊接方法時(shí)應(yīng)依據(jù)下列原則：
（1） 焊接接頭使用性能及質(zhì)量要符合結(jié)構(gòu)技術(shù)要求
選擇焊接方法時(shí)既要考慮焊件能否達(dá)到力學(xué)性能要求，又要考慮接頭質(zhì)量能否符合技術(shù)要求。如點(diǎn)焊、縫焊都適于薄板輕型結(jié)構(gòu)焊接，縫焊才能焊出有密封要求的焊縫。焊接低碳鋼薄板，若要求焊接變形小時(shí)，應(yīng)選用 CO2焊或點(diǎn)（縫）焊，而不宜選用氣焊。
（2）提高生產(chǎn)率，降低成本
如果是位于不同空間位置的短曲焊縫，單件或小批量生產(chǎn)，采用焊條電弧焊為好。氬弧焊幾乎可以焊接各種的金屬及合金，但成本較高，所以主要用于焊接鋁、鎂、鈦合金結(jié)構(gòu)及不銹鋼等重要焊接結(jié)構(gòu)。
（3）焊接現(xiàn)場設(shè)備條件及工藝可能性
選擇焊接方法時(shí)，要考慮現(xiàn)場是否具有相應(yīng)的焊接設(shè)備，野外施工有沒有電源等。
此外，要考慮擬定的焊接工藝能否實(shí)現(xiàn)。
3. 焊接接頭
設(shè)計(jì)焊接接頭設(shè)計(jì)包括焊接接頭形式設(shè)計(jì)和坡口形式設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)接頭形式主要考慮焊件的結(jié)構(gòu)形狀和板厚、接頭使用性能要求等因素。設(shè)計(jì)坡口形式主要考慮焊縫能否焊透、坡口加工難易程度、生產(chǎn)率、焊條消耗量、焊后變形大小等因素。焊接接頭形式設(shè)計(jì)焊接接頭按其結(jié)合形式分為對接接頭、蓋板接頭、搭接接頭、T 形接頭、十字形接頭、角接接頭和卷邊接頭等。
（二） 不銹鋼簡介
不銹鋼是指在大氣、酸、堿或其它化學(xué)侵蝕介質(zhì)中能抵抗氧化和腐蝕的高合金鋼。不銹鋼與高合金耐熱鋼都屬于高合金鋼，而且都含有大量鉻元素。有許多不銹鋼既能滿足不銹鋼耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕性能的要求，也能滿足耐熱鋼熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性的要求，因此也可列入耐熱鋼范疇，例如，１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ、１Ｃｒ１３、２Ｃｒ１３鋼等。本機(jī)架選用１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，屬奧氏體鋼。
奧氏體鋼有兩類：一類是高鉻鎳鋼，例如１８－８型鋼、２５－２０型鋼等，另一類是高鉻錳氮鋼。奧氏體鋼在加熱和冷卻過程中一般不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，僅有碳化物的溶解和析出，在室溫下主要為奧氏體組織。其中，１８－８型鋼主要用作不銹鋼，其在氧化性、中性及弱氧化性介質(zhì)中的耐蝕性勝過高鉻不銹鋼，室溫及低溫韌性也是鐵素體鋼不能比擬的；２５－
２０型鋼主要用作熱穩(wěn)定鋼。如果高鉻鎳鋼提高含碳量，也可用作熱強(qiáng)鋼。而高鉻錳氮鋼則主要用作不銹鋼。
奧氏體鋼的焊接性比馬氏體鋼和鐵素體鋼都好。但是，當(dāng)焊接工藝制定不當(dāng)時(shí)也會出現(xiàn)一些問題。主要問題如下：
１焊接熱裂紋問題
焊縫和近縫區(qū)均可能產(chǎn)生熱裂紋。最常見的是在焊縫金屬中產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，有時(shí)在近縫區(qū)也會產(chǎn)生液化裂紋。鋼中的含鎳量越高，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越大，因此，２５－２０型奧氏體鋼比１８－８型奧氏體鋼熱裂紋傾向大。
２焊接接頭腐蝕問題
焊接接頭有可能產(chǎn)生兩種腐蝕問題：
（１）晶間腐蝕 焊接接頭有三個(gè)部位有可能產(chǎn)生晶間腐蝕：①焊縫晶間腐蝕；②敏化區(qū)腐蝕；③近縫區(qū)刀狀腐蝕（見圖９－９）。這三種晶間腐蝕不會在同一接頭上同時(shí)出現(xiàn)。其中，焊縫晶間腐蝕發(fā)生在采用單純的１８－８型焊接材料焊接１８－８型鋼以后，焊縫又經(jīng)受了６００～１０００°Ｃ加熱的情況下，或多層焊時(shí)前層焊縫受到后層焊縫６００～１０００°Ｃ加熱的區(qū)域；敏化區(qū)腐蝕發(fā)生在不含穩(wěn)定化元素（如 Ｔｉ、Ｎｂ等）而又不是超低碳的１８－８型鋼的熱影響區(qū)中加熱溫度達(dá)到６００～１０００°Ｃ 的區(qū)域；近縫區(qū)刀狀腐蝕只發(fā)生在含有 Ｔｉ、Ｎｂ等穩(wěn)定化元素的奧氏體鋼接頭的近縫區(qū)。
（２）應(yīng)力腐蝕 由于奧氏體鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大，在焊接不均勻加熱的情況下，接頭處很容易產(chǎn)生較大的焊接殘余拉伸應(yīng)力，因而在與鋼材匹配的介質(zhì)共同作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。例如，ＭｇＣｌ２、ＣａＣｌ２等對奧氏體鋼并無腐蝕作用，但對有焊接殘余拉伸應(yīng)力的接頭卻有腐蝕開裂作用。有資料表明，焊接接頭過熱區(qū)對應(yīng)力腐蝕開裂最為敏感。
３焊接接頭脆化問題
奧氏體鋼在生產(chǎn)中用途很廣，可以用在耐蝕、耐熱、耐低溫等各種工作條件下，但在不同的工作條件下對焊接接頭性能的要求不同。如果用作工作在室溫或３５０°Ｃ以下的不銹鋼，主要要求其具有耐蝕性；如果用作熱強(qiáng)鋼，則要求其在高溫下有足夠強(qiáng)度的同時(shí)，有足夠的塑性和韌性；如果作為低溫鋼，則主要要求接頭有良好的低溫韌性。但是，如果焊接工藝制定不當(dāng)，則可能產(chǎn)生高溫脆化問題和低溫脆化問題。
（１）高溫脆化 高溫下進(jìn)行短時(shí)拉伸試驗(yàn)和持久強(qiáng)度試驗(yàn)表明，當(dāng)奧氏體鋼焊縫中含有較多鐵素體化元素或較多的δ相時(shí)，都會發(fā)生顯著的脆化現(xiàn)象。一般認(rèn)為與鐵素體化元素促使析出σ相和由δ相能直接轉(zhuǎn)變成
σ相有關(guān)。鐵素體δ越多，影響越嚴(yán)重，因此要求長期工作在高溫的焊縫中所含的δ相數(shù)量應(yīng)當(dāng)小于５％。
（２）低溫脆化 試驗(yàn)表明，奧氏體鋼焊縫中一次鐵素體δ相不僅能引起高溫脆化，而且也能引起低溫脆化，δ相數(shù)量越多，低溫脆化越嚴(yán)重。因此，為了滿足低溫韌性的要求，最好不采用γ＋δ雙相組織，而應(yīng)取得單相奧氏體組織。實(shí)際上即使采用單相奧氏體組織，其低溫韌性也低于經(jīng)固溶處理的母材。
一般來說，奧氏體鋼預(yù)熱是沒有益處的，因?yàn)楹盖邦A(yù)熱能促進(jìn)碳化物的析出和引起焊件變形。但是，當(dāng)焊件剛性極大的情況下，為了避免裂紋產(chǎn)生，有時(shí)不得不進(jìn)行焊前預(yù)熱。焊接奧氏體鋼原則上不進(jìn)行焊后熱處理，只有在接頭發(fā)生了脆化或需要提高其耐蝕性時(shí)才進(jìn)行焊后熱處理。熱處理方式主要有兩種：固溶處理和穩(wěn)定化處理。其中：固溶處理用于對耐蝕性要求很高，且焊接時(shí)析出了碳化物和脆性相（如σ相）的焊件。其方法是將焊件均勻地加熱到１０５０～１１５０°Ｃ，保溫１ｈ，使析出相重新溶入奧氏體，然后快速冷卻。原則上只能整體加熱，不能局部加熱。穩(wěn)定化處理是將焊件加熱到８５０～９３０°Ｃ，一般保溫２ｈ后空冷。這樣可以加快鉻在奧氏體中的擴(kuò)散速度，使鉻能向晶界遷移，從而消除晶界處由于析出鉻的碳化物而產(chǎn)生的貧鉻現(xiàn)象，使金屬耐晶間腐蝕的能力提高。這種方法同時(shí)也能起到降低焊接殘余應(yīng)力的作用。
１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：
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
（三） 機(jī)架的設(shè)計(jì)
機(jī)架的設(shè)計(jì)見圖3.3。
機(jī)架危險(xiǎn)部分的校核:
在機(jī)架的結(jié)構(gòu)中，主要受力部分為臺面橫梁，該橫梁承受的靜載為酒桶及桶內(nèi)液體的重力和氣缸對酒桶的夾緊力，承受的沖擊為安放酒桶時(shí)酒桶對清洗頭的沖擊。當(dāng)臺面橫梁失效時(shí)，工作臺面要替代橫梁承受上述力。此外臺面還要承受其他外力，如工人扶住臺面時(shí)，臺面要承受人的壓力。所以，要對上述兩部件進(jìn)行分析。根據(jù)設(shè)計(jì)，兩部件均可視為懸臂梁。
對橫梁分析如下：
梁的撓曲線方程為：
其撓度為：
其轉(zhuǎn)角為：
rad
受力圖
ω F=1KN
x
A l B
剪力圖
Fs
x
-F
彎矩圖
M
x
-Fl
圖3.1 梁的分析
梁的剪力為：
Fs(x)=-F=-1000N 0< x ≤l
彎矩為：
M(x)=-Fx=-1000*0.34=-340Nm 0≤x≤l
彎曲應(yīng)力的校核：
≤[σ]=170MPa
截面慣性矩為：
I=,am,a
結(jié)論：橫梁安全。
對臺面的分析如下：
臺面為整張不銹鋼板，正常工作時(shí)幾乎不受力，當(dāng)其下方橫梁失效時(shí)，臺面要承受兩根橫梁所承受的力，所以也可以把臺面的受力情況簡化為懸臂梁受力，力的大小為兩根橫梁各自1000N，和其他外力1000N，共3000N。懸臂梁的截面按3mm*3mm計(jì)算。
受力圖見圖3.3
梁的剪力為：
Fs(x)=-F=-3000N 0< x ≤l
彎距為：
M(x)=-Fx=-3000*0.475=-1425Nm 0≤x≤l
彎曲應(yīng)力的校核：
≤[σ]=170MPa
截面慣性矩為：
I==4.5*10
結(jié)論：臺面結(jié)構(gòu)安全。
為進(jìn)一步提高橫梁和臺面的可靠性，在兩者之間加支柱可以更好的改善兩者的受力狀態(tài)，主要是可以改善橫梁的受力狀態(tài)，使橫梁在承受靜載時(shí)臺面可對其施加一部分拉力以減輕橫梁所受的合力。在臺面受力時(shí)，也可以借助橫梁支架進(jìn)行支撐。
受力圖
ω F=3000N
x
A l B
剪力圖
Fs
x
-F
彎矩圖
M
x
-Fl
圖3.2 臺面的受力分析
圖3.3 機(jī)架裝配圖
四 管路的設(shè)計(jì)
(一) 管路的設(shè)計(jì)
本機(jī)的清水壓力，消毒液壓力，無菌水壓力均為0.3MPa，氣沖壓力為0.3MPa，二氧化碳備壓壓力為0.5MPa，壓力繼電器工作壓力為0.65MPa。按設(shè)計(jì)要求管路圖如圖4.1所示。清水箱，消毒液箱直接用機(jī)器自帶的兩個(gè)盛液箱。供清水和消毒液的電機(jī)、泵、溢流閥安裝在機(jī)身上。無菌水箱由用戶自行解決。供無菌水的電機(jī)、泵、溢流閥及其管路在現(xiàn)場布置安裝。
硬管尺寸用外徑定寸，外徑定寸管比通徑定寸管更堅(jiān)固更整潔，容易彎成系統(tǒng)所需要的形狀，具有各種成品管接頭選用。材料選用不銹鋼。
軟管用聚氨酯管，其中備壓管的尺寸是外徑8mm、內(nèi)徑5mm，其余管路的尺寸為外徑6mm、內(nèi)徑4mm。
氣沖是指短時(shí)間內(nèi)將大量氣體充入裝有液體的酒桶內(nèi)，借用氣泡上升破裂的力量清洗桶內(nèi)表面。將氣體充入桶內(nèi)必然要有液體流出，本機(jī)控制系統(tǒng)的處理方式為：充氣時(shí)不排水，排水時(shí)不充氣，充氣和排水的時(shí)間有控制器決定。以10L桶為例，排水閥和充氣閥的工作順序?yàn)椋╔：閉合，O：打開）：排水閥 X X O X O X O X O X
充氣閥 X O X O X O X O X X
(二) 清洗頭的設(shè)計(jì)
由于酒桶的出酒口結(jié)構(gòu)特殊，清洗時(shí)必須兼顧內(nèi)壁和酒矛，這就要求針對其設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的清洗頭，如圖4.2所示。清洗頭工作狀態(tài)如圖4.3所示。
圖4.2 清洗頭裝配圖
1.清洗頭的受力分析：
清洗頭工作時(shí)受到的壓力為1000N，其中氣缸輸出壓力為800N，酒桶及桶內(nèi)液體重200N。由圖4.2可知其結(jié)構(gòu)中最薄弱的地方應(yīng)該是7噴頭桿與9分配座相配合的部分，其形狀是內(nèi)徑16mm外徑20mm的環(huán)形管，壁厚為2mm。整個(gè)系統(tǒng)可視為兩端固定的壓桿。為保證其穩(wěn)定性，對其用安全系數(shù)法進(jìn)行校核：
柔度計(jì)算。
式中I=，A=
對不銹鋼
因?yàn)椋允切∪岫葪U。壓桿的臨界力F為
=306MPa*0.000113m=34578N
再對壓應(yīng)力進(jìn)行校核：
≤[]=200MPa
結(jié)論：此結(jié)構(gòu)安全。
2.彈簧的設(shè)計(jì)：
初選圓柱螺旋彈簧，其受力為靜載壓縮，F(xiàn)=1000N
（1）選材。該彈簧用于閥門內(nèi)部所以選65Mn。許用切應(yīng)力[]=785MPa
（2）初選旋繞比C為8，計(jì)算K
K=
（3）根據(jù)安裝空間設(shè)彈簧中徑D為48mm，根據(jù)C值查表取簧絲直徑d為5.5mm。
（4）計(jì)算簧絲直徑d≥1.6m，取d=6mm
（5）求圈數(shù)n，對壓縮彈簧
n==8.635，n取8
（6）計(jì)算其他數(shù)據(jù)并與安裝空間比較：
中徑D=cd=0.048m 內(nèi)徑D= D-d=0.042m 外徑D= D+d=0.054m
節(jié)距p=0.28 D=0.013m 長度H=np+3d=0.12m
經(jīng)過驗(yàn)證符合要求
（7）驗(yàn)算穩(wěn)定性。該彈簧由于套在管上所以不會失穩(wěn)
(三) 器件選型
１.選擇液壓泵，電機(jī)：
（１）選擇泵
已知各桶內(nèi)射流壓力為0.3MPa，設(shè)水路壓力損失為0.05MPa，則液壓泵的最高工作壓力為：
p=P+ΣΔp=(0.3+0.05)MPa=0.35MPa
在泵的最高工作壓力上考慮再加上25%的壓力儲備,所以泵的額定壓力為:
p=0.35+0.35*25%=0.4375MPa
取泄漏系數(shù)k為1.1,計(jì)算泵的流量:
設(shè)噴嘴的流量為1L/s,即60L/min, 注滿容積為5L、10L、20L的酒桶的時(shí)間大約為5s、10s、20s。 所以泵的流量為:
Q≥kQ=1.1*60L/min=66L/min
應(yīng)再加上系統(tǒng)中溢流閥穩(wěn)定工作的最小溢流量,一般為3L/min．查產(chǎn)品樣本選ＹＢ型定量葉片泵．
額定壓力p=7.0MPa， 轉(zhuǎn)速n=1000-1500r/min，
排量V=48mL/r， 容積效率η=0.95
求得液壓泵輸出的實(shí)際流量為
q=qη=Vnη =48*10*1450*0.95=66.12L/min
液壓泵輸出功率為
P=p q=0.4375*10*66.12*10/60=0.483KW
（２）選擇電機(jī)
電機(jī)功率為
P= P/η=0.483/0.9=0.536 KW
選YL7114型單相電機(jī).
額定轉(zhuǎn)速n=1450r/min 額定功率P=550W
２.選擇氣缸：
（１）選擇氣缸的行程:
本機(jī)設(shè)計(jì)適用桶的尺寸為高度H360—高度H560.氣缸的主要作用是夾緊酒桶,桶的直徑為Φ250—Φ500,因此必須要在活塞桿上加墊使作用在桶底步的力分散,所以要預(yù)留墊的厚度和方便搬動(dòng)的空間40mm.通常還應(yīng)考慮各種非標(biāo)桶的高度.所以氣缸的行程定為400mm.
（２）選擇缸徑:
當(dāng)氣缸以推力做功時(shí),缸徑大小由下式得
D===47.6mm
圓整得50mm.式中為氣缸輸出推力取800N,為氣緣壓力取0.5MPa,η為效率取0.9.
選擇活塞桿直徑:
d≥==0.00225m
由于活塞桿行程定為400mm,當(dāng)活塞桿的長度L≥10d時(shí)即d≥40mm時(shí)按強(qiáng)度條件計(jì)算得只要桿徑大于3mm即滿足需要。當(dāng)活塞桿的長度L<10d時(shí)，按縱向彎曲極限力計(jì)算,這時(shí)活塞桿直徑與長度須同時(shí)考慮, 活塞桿直徑不僅和外載荷有關(guān),而且和長度及安裝形式、材料的性能有關(guān)。
普通氣缸的活塞桿材料為不銹鋼，其柔性系數(shù)m為85。本設(shè)計(jì)中氣缸的安裝形式是一端自由一端固定，故取端點(diǎn)安裝形式系數(shù)n為0.25。m=4.25。
活塞桿截面曲率半徑K=0.25d
當(dāng)
m時(shí),F=,將A=,K==0.25d代入得
d≥0.01m
由上述三種情況討論得知只要?dú)飧軛U徑大于10mm即可滿足使用要求．
（３）耗氣量的計(jì)算：
對單作用氣缸有
Q=LnD=0.4*1**0.05*=0.00471m=4.71L
（４）活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度
全部行程要求4s完成，即v=0.1m/s。
綜合上述幾方面條件可選氣缸型號為ＩＧＱ50*400
（四）水箱
機(jī)器工作時(shí)要消耗大量的水，需要隨時(shí)補(bǔ)充。為方便水的補(bǔ)給，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少操作步驟，水箱上部進(jìn)水設(shè)有機(jī)械式銅浮球閥，下部放水設(shè)有手動(dòng)球閥。
水箱容積為700*500*900，單位mm。
水箱內(nèi)設(shè)過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)用不銹鋼網(wǎng)自制。
器件選型列表
名稱 型號 數(shù)量
兩位兩通電磁閥 OK61- 25 10
兩位兩通手動(dòng)閥 D1VL22-10 1
三位四通電磁閥 K35HD-10 1
三位四通手動(dòng)閥 D1VL35-10 1
兩位兩通氣控閥 不銹鋼角座閥φ25 9
減壓閥 395-10 2
氣缸 IGQ50*400 2
泵 YB型定量葉片泵 3
溢流閥 EUR25 3
壓力繼電器 HED 2
壓力表 指針式 2
浮球閥 GD-53/4 2
球閥 ZJ-23/4 2
軟管 聚氨酯φ5 10m
聚氨酯φ8 2m
硬管，接頭按裝配圖執(zhí)行
圖4.1 管路設(shè)計(jì)圖
圖4.3 清洗頭工作示意圖
五 電路的設(shè)計(jì)
（一）電路設(shè)計(jì)
電路圖見圖5.1，圖5.2。
超壓顯示：
當(dāng)管路內(nèi)壓力達(dá)到0.65MPa時(shí)，壓力繼電器動(dòng)作，電路全部切斷，這時(shí)可由扣式電池供電使超壓指示燈亮。電路如圖5.3所示。
KP1
KP2
+3V 0
圖5.3 超壓顯示電路
電氣控制柜用不銹鋼板焊接，要求密封良好，防止“結(jié)露”現(xiàn)象對電路工作造成影響
（二）器件介紹
1.電機(jī)
單相異步電動(dòng)機(jī)就是指用單相交流電源的異步電動(dòng)機(jī)。由于只需要單相電源供電，使用方便，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和人民生活的各個(gè)方面，如電風(fēng)扇、電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)設(shè)備、電動(dòng)工具和醫(yī)療器械中都使用單相異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。與同容量的三相異步電動(dòng)機(jī)相比較，單相異步電動(dòng)機(jī)的體積較大、運(yùn)行性能較差、效率和功率因數(shù)稍低，因此一般只做成小容量的。我國現(xiàn)有產(chǎn)品功率從幾瓦到幾百瓦。單相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。
（1）單相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理
單相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和三相異步電機(jī)基本相同，但有其自身的特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上看，單相異步電動(dòng)機(jī)與三相籠型異步電動(dòng)機(jī)相似。其轉(zhuǎn)子也為普通籠型轉(zhuǎn)子，差別僅在于定子繞組。其定子繞組為一單相工作繞組，但通常為起動(dòng)的需要。定子上除了工作繞組外，還設(shè)有起動(dòng)繞組。它的作用是產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般只在起動(dòng)時(shí)接入。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 70%-80%的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由離心開關(guān)將其從電源自動(dòng)切除，所以正常工作時(shí)只有工作繞組在電源上運(yùn)行。但也有一些電容分相或電阻分相電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行時(shí)將起動(dòng)繞組接于電源上。這實(shí)質(zhì)上相當(dāng)一臺兩相電動(dòng)機(jī)，但由于它接在單相電源上，故仍稱為單相異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)定子兩個(gè)繞組在定子上的分布以及供電情況的不同，可
以產(chǎn)生不同的起動(dòng)特性和運(yùn)行特性。單相異步電動(dòng)機(jī)可分為分相電動(dòng)機(jī)和罩極電動(dòng)機(jī)兩大類型。
單相異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要是使用單相交流電，但是單相異步電動(dòng)機(jī)的
啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于零，不能自行啟動(dòng)。為了使單相異步電動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵是如何在起動(dòng)時(shí)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)獲得旋轉(zhuǎn)磁場方式的不同，單相異步電動(dòng)機(jī)可分為分相電動(dòng)機(jī)和罩極電動(dòng)機(jī)兩大類型。
在分析交流繞組磁動(dòng)勢時(shí)曾得出一個(gè)結(jié)論：只要在空間不同相的繞組中通入時(shí)間上不同相的電流，就能產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場。這樣，起動(dòng)的必要條件是要求兩相繞組中通入相位不同的兩相電流。如何把工作繞組與起動(dòng)繞組中通入的單相交流電電流相位分開，即所謂的 “分相”，就變成了單相異步電動(dòng)機(jī)的十分重要的問題。分相起動(dòng)單相異步電動(dòng)機(jī)就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的。分相起動(dòng)單相異步電動(dòng)機(jī)包括單相電阻分相起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容分相起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容起動(dòng)與運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)。
（2）單相電容分相起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)
單相電容分相起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)定子上有兩個(gè)繞組：一個(gè)為工作繞組，另一個(gè)為起動(dòng)繞組，兩繞組在空間相差90度。在起動(dòng)繞組回路中串接起動(dòng)電容C，作電流分相用，并通過離心開關(guān)或繼電器觸點(diǎn)S與工作繞組并聯(lián)在同一單相電源上。電容器的作用是使起動(dòng)繞組回路的阻抗呈容性，從而使起動(dòng)繞組在起動(dòng)時(shí)的電流超前電源電壓U一個(gè)相位角。由于工作繞組的阻抗是感性的，它的起動(dòng)電流I滯后電源電壓U一個(gè)相位角。若適當(dāng)選擇電容C，使流過起動(dòng)繞組的電流I超前工作繞組起動(dòng)電流90度相位角，這就相當(dāng)于在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，時(shí)間相位上互差90度的兩相電流流入在空間相差90度的兩相繞組中，這樣可使電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，并在該磁場作用下產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
與電阻分相單相異步電動(dòng)機(jī)比較，電容分相電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：1如果電容器的電容量配得合適，能夠作到使起動(dòng)時(shí)起動(dòng)繞組電流差不多比工作繞組電流超前90度電角度。2起動(dòng)繞組的容抗可以抵消感抗使總的電抗值小些，所以起動(dòng)繞組的匝數(shù)不像電阻分相時(shí)受到限制，可以多些，從而可以增大起動(dòng)繞組的磁動(dòng)勢。以上兩點(diǎn)都可使得電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生一個(gè)接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。3由于啟動(dòng)繞組電流和工作繞組電流接近90度電角度，合成的線電流比較小，所以電容分相起動(dòng)的單相異步電動(dòng)
機(jī)的起動(dòng)電流較小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻比較大。這種電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)繞組是按短時(shí)工作設(shè)計(jì)的，在起動(dòng)繞組回路中也串接了一個(gè)起動(dòng)開關(guān)，所以當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)
75%-80%同步轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，起動(dòng)繞組和起動(dòng)電容器C就在離心開關(guān)S的作用下自動(dòng)退出工作，使起動(dòng)繞組脫離電源。這時(shí)電動(dòng)機(jī)就在工作繞組單獨(dú)作用下運(yùn)行。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升的過程中，起動(dòng)繞組電流加大，電容器的端電壓會升高，起動(dòng)開關(guān)及時(shí)動(dòng)作可以降低對電容器耐壓的要求。電容分相起動(dòng)單相異步電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向的方法同電阻分相起動(dòng)單相異步電動(dòng)機(jī)的一樣。
（3）單相異步電動(dòng)機(jī)的選擇
當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出功率大于250W時(shí)，最好采用電容起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，也可選用電容起動(dòng)或電阻起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。具體選擇哪一種？可從價(jià)格和起動(dòng)性能方面權(quán)衡利弊來選用。對于大于550W的電動(dòng)機(jī)，可選用電容起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樵诖蠊β史秶鷥?nèi)電阻起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流太大。
2.固體繼電器
固體繼電器（亦稱固態(tài)繼電器）英文名稱為Solid State Relay，簡稱SSR。它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點(diǎn)開關(guān)器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。
（1）SSR優(yōu)缺點(diǎn)及使用場合
固體繼電器具有如下主要特點(diǎn)：
A.控制功率小只需輸入很小的工作電流，SSR 便能正常工作，并能方便地與 TTL、DTL、HTL 和 CMOS 集成電路相配合，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。其輸出部分采用大功率晶體管或可控硅元件來控制、接通或斷開負(fù)載和電源，具有很大的功率放大作用。
B.可靠性高由于 SSR 無觸點(diǎn)，接觸電阻小，因而工作可靠性高。它采用絕緣防水材料澆鑄，適合在潮濕和有腐蝕性氣體的場合使用。SSR 內(nèi)部沒有可動(dòng)部件，因而具有耐振動(dòng)和抗沖擊的能力。
C.抗干擾能力強(qiáng)SSR 對系統(tǒng)的干擾小，同時(shí)自身抗干擾能力也強(qiáng)。它沒有接點(diǎn)跳動(dòng)，消除了因火花導(dǎo)致的電磁干擾。另外，由于交流型 SSR 采用了過零觸發(fā)技術(shù)，具有零電壓、零電流斷開的特性，從而能有效地降低線路中的 dv/dt和 di/dt，使得它對外界的電磁干擾降到最低限度。此外，由于SSR 在輸入與輸出之間采取了光電隔離等措施，其抗干擾能力也相
應(yīng)明顯提高。
D.動(dòng)作快SSR 由電子元件組成，響應(yīng)快，對直流 SSR，響應(yīng)時(shí)間小于幾十微秒，比電磁繼電器的速度提高近千倍。對過零交流 SSR，其轉(zhuǎn)換時(shí)間
也不大于市電周期的一半（即十毫秒）。
E.壽命長SSR 屬于永久性或半永久性電子器件，若使用得當(dāng)，其壽命比普通電磁繼電器使用壽命要高得多。
F.能承受的浪涌電流大SSR 能承受的浪涌電流可為其額定值的 6 ---- 10 倍。
G.對電源電壓的適應(yīng)范圍廣交流型 SSR 的工作電壓可以在 30---- 220V 內(nèi)任意選擇。
H.耐壓水平高SSR 輸入與輸出之間的介質(zhì)耐壓可達(dá) 2.5kV 以上。需要指出的是，盡管 SSR 有上述眾多優(yōu)點(diǎn)，但與傳統(tǒng)的機(jī)電式繼電器相比，仍有不足之處，如漏電流大，接觸電壓大，觸點(diǎn)單一，使用溫度范圍窄，過載能力差及價(jià)格偏高等。
固體繼電器目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍接口裝置，電爐加熱恒溫系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化裝置；信號燈、閃爍器、照明舞臺燈光控制系統(tǒng)；儀器儀表、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)；自動(dòng)消防，保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關(guān)等等，另外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場合中都有大量使用。
（2）SSR的分類
交流固體繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型（簡稱過零型）和隨機(jī)導(dǎo)通型（簡稱隨機(jī)型）；按輸出開關(guān)元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和單向可控硅反并聯(lián)型（增強(qiáng)型）；按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）；另外輸入端又有寬范圍輸入（DC3－32V）的恒流源型和串電阻限流型等。
A、SSR為電流驅(qū)動(dòng)型
在邏輯電路驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)盡可能采用低電平輸出進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以保證有足夠的帶負(fù)載能力和盡可能低的零電平。
B、SSR輸入端的串并聯(lián)
多