课程设计说明书自动装卸线控制系统设计

机电工程学院 课 程 设 计 说 明 书 设计题目: 自动装卸线控制系统设计 学生姓名： 学 号： 20094805 专业班级： 机制 F09 指导教师： 2012 年 12 月 7 日 内容摘要 自动装卸线控制系统，由于其控制简单，成本低，因此广泛应用与车站、码头、 仓库、矿井等生产场所。但传统的接触继电器控制系统，有着其自身的缺点。例如： 整个运行过程中，小车的速度很难设定，如果太快，启动和制动时由于存在小车惯性 很容易造成物料的掉落、抛洒，这样就不能实现安全的启动。 随着经济的不断发展，运料小车的应用也不断扩大到各个领域。继电器-接触器组 成的系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷,几乎无数据处理和通信功能,必须 有专人负责操作。现将 PLC 应用到自动装卸控制系统,可实现运料系统的自动化控制, 降低系统的运行费用。PLC 自动装卸线控制系统具有连线简单,控制速度快，精度高， 可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便、设计施工调试周期短等优点。 关键词：自动装卸；继电器-接触器控制；PLC 控制 目 录 第 1 章 引言 .1 1.1 控制要求 .1 1.2 课题要求 .1 1.3 方案设计 .1 第 2 章 自动装卸线控制系统工作分析 .2 第 3 章 继电器 接触器控制线路设计 .3 3.1 继电器 接触器控制系统设计 .3 3.2 控制线路设计步骤 .3 3.2.1 主电路要求 .3 3.2.2 设计自锁、连锁、限位保护环节 .4 3.2.3 控制电路设计 .4 第 4 章 PLC 控制设计 .6 4.1 PLC 选择设计 .6 4.2 PLC 的 I/O 分配表 .7 4.3 I/O 接线 图 .7 4.4 梯 形图的设计 .8 4.5 语句表 .12 第 5 章 软件硬件 调试 .13 结 论 .17 设计总结 .18 谢 辞 .19 参考文献 .20 1 第 1 章 引言 1.1 控制要求 电动机 M1 驱动装料机加料，电动机 M2 驱动装料车升降，电动机 M3 驱动卸料机卸 料.装卸线操作过程是： (1) 料车在原位，显示原位状态，按启动按纽，自动线开始工作； (2) 加料定时 5S，加料结束； (3) 延时 1S，料车上升； (4) 上升到位，自动停止移动； (5) 延时 1S，料车自动卸料； (6) 卸料 10S，料车复位并下降； (7) 下降到原位，料车自动停止移动。 (8) 能实现单周装卸及连续循环操作。 1.2 课题要求 1. 采用继电接触器控制，完成控制线路的设计。 2. 采用 PLC 控制 (1) 列出输入输出分配表； (2) 画出 PLC 的输入输出设备的接线图； (3) 利用 STEP7-Micro/WIN32 软件完成梯形图、指令表的程序设计与调试； 1.3 方案设计 本次继电器接触器的控制电路设计准备多次利用时间继电器来实现延时控制，利 用行程开关实现限位控制。而 PLC 设计准备采用顺序控制指令来实现顺序转移和顺控 结束功能，采用定时器实现延时控制。 2 第 2 章 自动装卸线控制系统工作分析 根据课题要求，画出系统工作简化图: 图 2-1 系统简化图 分析料车工作情况，画出工作流程图： 原位指示灯亮 （按下启动按钮） 装料（10S） （定时结束） 暂停（1S） （连续循环） （定时结束） 料车上升 (碰到上行程限位开关) 暂停（1S） （定时结束） 卸料（10S） （定时结束） 料车复位并下降 （碰到下行程原位开关） (按下停止按钮) 图 2-2 流程图 结束 是否停止 N Y 开始 3 第 3 章 继电器接触器控制线路设计 3.1 继电器接触器控制系统设计 继电器接触器控制系统是生产机械不可缺少的重要组成部分，它对生产机械能否 正确、可靠的工作起着决定性的作用。继电器接触器控制系统主要由继电器、接触器、 按钮、行程开关等组成。它的优点是电路图较直观形象，结构简单、价格便宜、抗干 扰能力强，因此广泛应用于各种机床和机械设备。它的缺点是采用固定接线形式，通 用性和灵活性差，工作频率低，触电易损坏，可靠性差。 3.2 控制线路设计步骤 3.2.1 主电路要求 KM1 控制电机 M1 正转，驱动装料机加料；KM2 控制电机 M2 正转，驱动装料车上升； KM5 控制电机 M2 反转，驱动装料车下降；KM3 控制电机 M3 正转，驱动装料车卸料； KM4 控制电机 M3 反转，驱动装料车复位。 主电路图如图 3-1 所示： 图 3-1 自动装卸线控制系统主电路图 4 3.2.2 设计自锁、连锁、限位保护环节 1、自锁保护 中间继电器 KA 的常开触点 KA 对自身自锁保护； 时间继电器 KT2 的常开触点 KT2 对自身自锁保护； 接触器 KM2 的常开触点 KM2 对自身自锁保护； 接触器 KM4 的常开触点 KM4 对自身自锁保护。 2、互锁保护 时间继电器 KT2 的常闭触点 KT2 与接触器 KM1 线圈、时间继电器 KT1 线圈互锁； 接触器 KM2 常闭触点 KM2 与接触器 KT2 线圈、时间继电器 KM5 线圈互锁； 时间继电器 KT4 的常闭触点 KT4 与时间继电器 KT3 线圈互锁； 接触器 KM4 常闭触点 KM4 与接触器 KM3 线圈、时间继电器 KT4 线圈互锁； 接触器 KM5 常闭触点 KM5 与接触器 KM2 线圈互锁。 3、限位保护 行程开关 SQ1 和 SQ2 分别实现向上限位和向下原位保护。 3.2.3 控制电路设计 根据上述思路设计控制电路图如图 3-2 所示： 图 3-2 控制电路图 5 原理和操作顺序说明： 按下启动按钮 SB1，接触器 KA 线圈得电并自锁，自动装卸线工作；同时，装料车 在原位，PG 指示灯亮； 由于接触器 KA 线圈得电，KA 常开触点闭合，接触器 KM1 线圈得电，装料车加料； 同时时间继电器 KT1 线圈得电，经过 5S 延时，KT1 通电延时常开触点闭合，时间继电 器 KT2 线圈得电自锁，时间继电器 KT2 常闭触点断开，KM1 线圈失电，加料结束； 1S 延时之后，KT2 通电延时常开触点闭合，KM2 线圈得电并自锁，料车上升，KM2 常闭触点断开； 当料车上升到位时，上行程限位开关 SQ1 常闭触点断开，KM2 线圈失电解除自锁； SQ1 常开触点闭合，时间继电器 KT3 线圈得电自锁，经过 1S 延时，KT3 通电延时闭合 常开触点闭合，接触器 KM3 和时间继电器 KT4 线圈得电，料车开始卸料； 延时 10S 之后，KT4 通电延时闭合常开触点闭合，KM4 线圈得电自锁，KM4 常闭触 点断开，KT3 线圈失电，解除自锁，KT4 线圈和 KM3 线圈失电，卸料结束，料车复位； KM4 常开触点闭合，KM5 线圈得电自锁，料车下降； 当下降到原位时，原位开关 SQ2 常闭触点断开，KM4、KM5 线圈失电，SQ2 常开触 点闭合，原位指示灯亮。 若不按下停止按钮 SB2，则系统重新进入循环，实现连续循环操作；若按下停止按 钮 SB2，KA 线圈失电解除自锁，机床停止，实现单周装卸。 6 第 4 章 PLC 控制设计 4.1 PLC 选择设计 PLC 问世以来，其发展极为迅速。由最初的 1 位机发展为 8 位机，现在的大型 PLC 已采用了 32 位微处理器，可同时进行多任务操作，其技术已经相当成熟。 目前，世界上有 PLC 生产厂 200 多家，比较著名的有美国的 A-B 公司、通用电气 公司，日本的三菱、松下电工、欧姆龙，德国的西门子，法国的施耐德等。生产的 PLC 品种繁多，产品的更新换代也极快，著名的生产公司几乎每 12 年即可推出一种新产 品。PLC 的结构不断改进，功能日益增强，性能价格比越来越高。展望未来，PLC 在规 模和功能上正朝着两个方向发展。一方面，大型 PLC 不断向大容量、高速度、多功能 的方向发展，能取代工业控制微机对大规模复杂系统进行综合性的自动控制。另一方 面，小型 PLC 向超小型、简易、廉价方向发展，能真正完全取代最小的继电接触器系 统，适应单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求。另外，不断增强 PLC 的联 网通信功能，便于分散控制与集中控制的实现；大力开发智能 I/O 模块，极大地增强 PLC 的过程控制能力，提高它的适应性和可靠性；不断使 PLC 的编程语言与编程工具向 标准化和高级化方向发展。 PLC 是计算机技术与传统的继电器接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想 是把计算机的功能完善、灵活、通用等优点和继电器接触器控制系统的简单易懂、操 作方便、价格便宜等优点结合起来。目前它已经成为工业自动化控制的强有力工具。 本次课程设计使用的是德国西门子 S7-200 的 CPU222 型 PLC，本机集成 8 输入/6 继电器输出，共 14 个数字量 I/O 点。8K 字节程序和数据存储空间，2 个高速计数器， 2 路 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。以下分别设计了 PLC 的 I/O 分配表、接 线图、梯形图和语句表。 7 4.2 PLC 的 I/O 分配表 表 4-1 PLC 控制输入输出分配表 控制信号 信号名称 元件名称 元件符号 地址编码 系统启动信号 常开按钮 SB1 I0.0 终点信号 行程开关 SQ1 I0.1 原位信号 行程开关 SQ2 I0.2 输入信号 系统停止信号 常开按钮 SB2 I0.3 料车装料信号 交流接触器 KM1 Q0.0 料车上升信号 交流接触器 KM2 Q0.1 料车卸载信号 交流接触器 KM3 Q0.2 料车复位信号 交流接触器 KM4 Q0.3 料车下降信号 交流接触器 KM5 Q0.4 输出信号 原位状态信号 指示灯 PG Q0.5 4.3 I/O 接线图 图 4-1 PLC 的外围设备接线图 8 4.4 梯形图的设计 梯形图是 PLC 编程的高级语言,所有 PLC 厂家的 PLC 产品均支持梯形图语言编程。 梯形图只有触点(表示输入条件)、线圈(表示输出结果)和指令盒(表示一些复杂功能的 附加指令)三种基本指令格式,利用梯形图编程器可以建立与电气原理图相类似的程序, 具有梯级或网络段结构,有利于程序的阅读理解、运行调试和修正很容易被 PLC 编程人 员和维护人员接受和掌握。 9 10 11 图 4-2 梯形图 本程序是顺序控制，采用顺序控制指令。 初始化脉冲 SM0.1 用来置位 S0.0(即把状态 S0.0 激活) 当按下启动按钮，I0.0 得电闭合，M0.0 得电自锁，状态位 S0.0 置 1，自动装卸线 工作； 同时，Q0.5 得电输出，原位指示灯亮，同时 Q0.0 得电输出，料车加料；定时器 T37 得电，状态从状态 S0.0 转移到状态 S0.1，同时状态 S0.0 复位； T37 定时 5S 之后，T38 得电，开始定时，1S 之后，Q0.1 得电输出，料车上升；状 态从状态 S0.1 转移到状态 S0.2，同时状态 S0.1 复位； 当上升至最高位时，I0.1 得电，T39 开始定时，1S 之后，Q0.2 得电输出，料车卸 料；T40 得电，状态从状态 S0.2 转移到状态 S0.3，同时状态 S0.2 复位； T40 定时 10S 之后，Q0.3 得电，同时 Q0.5 得电输出，料车下降；当下降到原位时， 10.2 得电，状态从状态 S0.3 转移到状态 S0.0，同时状态 S0.3 复位； 系统重新进入程序循环。当按下停止按钮，I0.3 得电，M0.0 失电，系统停止循环， 实现单周装卸；否则，系统进入循环，实现连续循环装卸。 12 4.5 语句表 / 启动单周和连续装卸控制 LD I0.0 O M0.0 AN I0.3 = M0.0 / 系统初始化 LD SM0.0 S S0.0, 1 Network 3 LSCR S0.0 / 灯亮，开始加料，并且定时 5 秒 LD I0.2 = Q0.5 Network 5 LD M0.0 = Q0.0 TON T37, +50 / 5 秒后，进入延时阶段 LD T37 SCRT S0.1 Network 7 SCRE Network 8 LSCR S0.1 / 延时 1 秒后，料车上升 LD SM0.0 TON T38, +10 A T38 = Q0.1 Network 10 LD I0.1 SCRT S0.2 Network 11 SCRE Network 12 LSCR S0.2 / 料车上升到位后，开始延时；延时 1 秒后， 料车卸料，并定时 10 秒 LD SM0.0 TON T39, +10 A T39 = Q0.2 TON T40, +100 Network 14 LD T40 SCRT S0.3 Network 15 SCRE Network 16 LSCR S0.3 / 10 秒后，料车复位，并且开始下降 LD SM0.0 = Q0.3 Network 18 LD Q0.3 = Q0.4 / 下降到原位后，重新进入循环 LD I0.2 SCRT S0.0 Network 20 SCRE 图 4-3 语句表 13 第 5 章 软件硬件调试 软硬件调试过程中出现了一些问题，通过理论分析与实践的反复进行和论证，许 多问题都有了较好的解决方案，最终实现了系统的功能。 软件部分采用各部分程序直接转的方式，依次实现了 PLC 流程图、梯形图、指令 表三种控制方式。用此种方法编写程序条理清晰，连贯性强，但若要增加其它控制方 式或进行扩展，程序会变得相当复杂而且容易出错，出错后调试修改也很困难。 作为一个好的控制系统必须把各种控制都考虑在内之外，还要考虑安全控制，一 个安全的系统才是真正的好系统。 硬件调试：接通电源，检查可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好， 然后把其与电脑的通信口连接。 软件调试：按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置 正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器 ROM 中，进行下一步的调试。 运行调试：在硬件调试和软件调试正确的基础上，打开可编程控制器的“RUN”开 关进行调试；观察运行的情况，看按下按钮时是否按要求工作。 14 按下启动按钮 SB1，灯亮，小车开始装料： 15 碰到行程开关 SQ1： 16 碰到行程开关 SQ2，系统重新进入循环： 17 结 论 本设计分别利用继电器接触器控制和 PLC 控制，设计了继电器具体控制的方法和 PLC 控制的优势。从技术上看，计算机技术的新成果会更多的应用于可编程控制器的设 计和制造上，完备的人机界面和通信设备会更好的适用各种工业控制场合的需求。伴 随着计算机网络的发展，可编程控制作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成 部分，将在工业及工业化以外的众多领域发挥重要的作用。 本设计完成了课程设计说明书上的要求，实现了料车装料-上升-卸料-复位-下降的 功能，设计简单、清晰、明了。但是，本设计还是存在着纰漏：当外部突然停电之后， 料车停止工作；再次恢复供电时，料车不能工作，这是正确的。但是当按下启动按钮 后，料车很可能还是不能动。因为本设计要求是当小车在起始位置碰到原位行程开关 的前提下按下起始按钮，料车才会启动。而断电时料车可能处于任意位置，这就是我 认为的最大问题所在，需要后需改进。 18 设计总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题，锻 炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 回顾此次课程设计，我感慨颇多。通过这次对自动装卸线控制系统的继电器接触 器控制和 PLC 控制，让我们对继电器接触器控制电路和 PLC 梯形图、指令表、外部接 线图有了更好的了解。有很多设计理念来源于实际，从中可以找出做适合的设计方法。 从理论到实践，在两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多 的东西，不仅可以巩固了以前所学的知识，而且学到了很多在书本上没有的知识。通 过这次课程设计使我懂得了理论与实践相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够 的，只有把理论与实践结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提 高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，可以说得是 困难重重，这毕竟是第一次做的，难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中 发现自己的不足之处，对以前所学的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，比喻说 不懂一些元器件的使用方法，对 PLC 编程掌握的不好通过这次课程设计之后，一 定要把以前的知识重新温习。 在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和 INTERNET 成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知 识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的， 在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。 19 谢 辞 非常感谢学校学院给了我们这次非常重要的实践机会，对我们的能力提高非常有 帮助，对以后的工作能更好更快的融入工作中去。还要感谢王老师不辞劳苦的辛勤指 导，对每个简单或难的问题都予以精彩深刻的解答，使我又学到了很多的知识。 通过这次综合实践，我更加看清了自己的不足之处。为了搞好这次课程设计，通 过查阅资料以及在王老师和同学的帮助下，最终基本达到了设计目的。通过实践，巩 固了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。 特别是老师严谨的态度给我启发不小。在这次的设计实践过程中，我认识到不管做什 么事，都需要大胆假设，小心求证。任何一个方案都要经过详细周全的论证后才能着 手去做，否则即使很快做出来，但经不起推敲和考验。对于那些要求能够扩展功能的 课题更是如此。 总之，这次实习要再次感谢学院和指导老师王老师，使自己又在课本知识上更深 刻的理解和研究，在实践能力上也同样大大提高，综合能力都提高显著。 20 参考文献 1 王宗才.机电传动与控制.电子工业出版社，2012 1 廖常初.PLC 基础及应用.机械工业出版社，2004 2 于庆广.可编程控制器原理与系统设计.清华大学出版社，2004 3 赵金荣.可编程序控制器原理及应用.上海应用技术学院，1999 4 易传禄.可编程序控制器应用指南.上海科普出版社，2006 5 方承远.工厂电气控制技术.机械工业出版社, 2004 6 王永华.现代电气及可编程技术.机械工业出版社，1997 7 汤以范.电气与可编程序控制器技术.机械工业出版社，2005 8 刘子林.电机与电气控制M.北京:电子工业出版社，2003 9 程周.电气控制与 PLC 原理及应用M.北京:电子工业出版社，2003