电气控制技术课程设计电镀车间专用行车PLC控制系统设计

电气控制技术课程设计说明书 电镀车间专用行车PLC控制系统设计系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 指导教师： 职称 教 授 专 业： 自 动 化 班 级： 自本0803班 完成时间： 2011-11-11 摘 要通过对可编程逻辑器（PLC）进行软件编程，通过子程序的调用的方法对电镀行车关于不同的槽位进行选择性行车。从而实现电镀程序的预选功能。通过设计电机控制主电路，PLC外部接线等一些必要的硬件电路的设计，实现电镀车间专用行车的专用硬件电路。通过软件和硬件电路的结合，设计实现了电镀车间专用行车系统的设计。 关键词 可编程控制器；电镀行车；硬件设计；软件设计ABSTRACT Through to the programmable logic controller (PLC) software programming, through the subroutine calls the method of driving about different plating slots for selective driving. So as to realize the electroplating process primary function. Through the design of main circuit motor control, PLC external connection and others, some necessary hardware circuit design, realization of electroplating workshop special driving special hardware circuit. Through the combination of software and hardware circuit, electroplating workshop designed special driving system design. Key words Programmable controller; Electroplating driving; The hardware design; Software design目录1 绪论101.1 PLC 概述101.2 电镀生产线的系统简介101.3 可编程序控制器的基本结构及工作原理111.4 PLC的技术参数121.5 电镀车间行车PLC控制的电气要求121.5.1 拖动系统121.5.2 设计要求121.5.3 设计任务131.6电镀行车PLC控制的优势132 总体方案设计142.1 行车动作设计142.2 总体方案选择152.2.1 拖动方案选择152.2.2槽位选择设计的方案选择152.2.3信号检测装置选择152.2.4指示显示方案选择152.2.5工作方式方案选择162.2.6保护方案选择162.3程序设计163 主电路设计173.1 控制电机主电路174 PLC控制系统设计184.1 PLC 的选型184.2 PLC主机资源分配194.3 PLC外部接线图204.4 控制梯形图214.5 语句表254.6 测试调试285 参考文献30致 谢311 绪论1.1 PLC 概述 PLC是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在 工业入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。 PLC的特点：可靠性高，抗干扰能力强；套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低； PLC的应用领域：目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 PLC的国内外状况：我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器，可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.2 电镀生产线的系统简介 现有的电镀生产工艺，生产工艺数据输入十分繁琐，现场操作人员众多、劳动强度大，极易造成生产工艺参数、生产数量、挂具匹配错误。为了达到提高电镀生产线的自动化生产水平，实现对电镀生产的实时监控，提高生产效率、生产的安全性，提高产品的性能，在电镀生产线中引入RFID技术，即无线射频技术对整个电镀生产流程进行监控. 目前对于制造业企业，特别是对零配件生产能够大大解决生产问题，市场需求量大1.3 可编程序控制器的基本结构及工作原理 PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图1所示。 图1 PLC单元式结构1.4 PLC的技术参数一般技术参数主要是指PLC产品的工作条件与一般工作环境的适应程度。PLC是专为工业控制设计的，充分考虑了工业环境种种恶劣因数。其技术指标如表1所示。 表1 PLC的一般技术参数环境温度055环境湿度35%89%RH（不结露）抗振JIS C0911标准 1055Hz 0.5mm（最大2G）3轴方向各2h抗冲击JIS C0912标准10G 3轴方向各3次抗噪声干扰用噪声仿真器产生电压为1000Vp-p, 噪声脉冲宽度为1s,频率为30100Hz噪声，在此噪声干扰下PLC正常工作耐压AC 1500V 1min绝缘电阻5M以上，DC 500V接地第三种接地，不能接地时，亦可浮空使用环境禁止腐蚀性气体，严禁尘埃1.5 电镀车间行车PLC控制的电气要求1.5.1 拖动系统专用行车的小车、大车和升降运动均采用三相交流异步电动机（Y802-4，0.75kW、2A、1390r/min、380V）分别拖动，并采用一级机械减速。1.5.2 设计要求 （1）控制装置具有程序预选功能（按电镀工艺确定需要停留工位），一旦程序选定，除上、下装卸零件，整个电镀工艺应能自动进行。 （2）前后运动和升降运动要求准确停位，前后、左右、升降运动之间有联锁作用。 （3）采用远距离控制，整机电源及各种动作要有相应指示。 （4）应有极限位置保护和其它必要的电气保护措施。1.5.3 设计任务 （1）根据控制要求设计程序及必要的硬件系统。 （2）PLC选择及I/O及其它PLC元器件分配。 （3）选择电器元件，编制元件目录表。 （4）绘制梯形图。 （5）用计算机绘制主电路图、PLC控制电路图、电器元件布置图。6编写设计说明书及设计小结。1.6电镀行车PLC控制的优势 目前市场上面主流的控制方式包括。PLC、单片机、DSP、FPGA、RPC等。其中DSP为精密微控制器，工作环境要求高，在电镀车间的复杂环境中有很大的限制，单片机虽然使用的环境可以适应服装的环境，但是由于起本身的资源限制，不能满足稍微复杂的控制要求。FPGA是通过硬件语言设计其控制功能的，因此不容易为其赋予复杂的控制算法，并且也不容易实现一些数学运算，并且其也是精密的微电子器件，对工作的环境有很高的要求。PRC工业控制机，只能对特定的控制系统进行控制，并且成本也很高，需要的外部辅助器件太多。 采用PLC对电镀专用行车进行自动控制，简化了电气控制系统的硬件和接线，减小了控制器的体积，进步了控制系统的灵活性，同时，PLC有较完善自诊断和自保护能力，可以增强系统的抗干扰能力，进步系统的可靠性，应用表明，PLC在旧电动行车的自动化改造和新型电动行车的设计中，有广泛的应用远景。 可编程控制器是70年代以来，计算机迅速发展在产业控制领域对顺序控制有着重大意义的一种新兴技术，由于它编程直接，方便，抗干扰能力强，产业控制中几乎所有的顺序控制都可简单地由它完成，因而其应用愈来愈广泛。电动行车是现代化生产中用于物料输送的重要设备，传统的控制方式下，大都采用人工操纵的半自动控制方式，在很多场合，为了进步工作效率，促进生产自动化和减轻劳动强度，往往需要实现电动行车的自动化控制，实现自动化控制，可以使行车能够按照预定顺序和控制要求，自动完成一系列的工作。2 总体方案设计2.1 行车动作设计 总体方案是通过控制三台电动机，控制行车的前进后退到达不同的电镀槽位，上行下行实现电镀过程，以及必要的时候做左右的调整。选择功能的实现是通过选择不同的旋动开关，以使行车在选择的不同的槽位停止去实行电镀的动作，以下图2是设计方案的行车动作流程图。图2 行车动作流程图2.2 总体方案选择2.2.1拖动方案选择 由于行车的动作具有很好的可控制性，并且需要迅速频繁的连续开关电机。电镀过程中会电镀槽有热量产生，并且电镀槽里面的电镀液不能有其他的杂志存在，再有就是由于现在变频器的迅速发展，为交流三相电机的无级调速的实现成为可能，因此就不选择使用液压马达做为拖动，而采用三相异步电动机做拖动。 为实现不同的槽位的精准位置停车，设计采用自带刹车的电机。既可以节约左右制动用的接触器等器件也可以节约能耗制动的能量。而且使用接近开关代替行程开关，以获得更多的反应时间，然后在程序中使用一定的延时，保证行车的精准位置停车，并且使挂件不会因为运动的惯性，而发生撞击的事故或者其他的意外。在平移过程中上下行的电机采用抱闸制动（失电保持型），以防止吊篮因为自重下滑导致事故。 对于防止运行在不同的位置停电或者是其他的原因停车，而不能重新启动的事情发生，我采用了上下行和平移的点动操作。2.2.2槽位选择设计的方案选择 不同的槽位选择，在启动电机以前要通过旋动开关的关闭选择好，由于设计的行车是上料点和下料点分开，就不用考虑行车在中途就需要返回。只要在不同的槽位前面通过程序的设计就可以实现行车只在选择的位置停车以及发生电镀的要求。于是我设计采用调用子程序的方法来做的槽位选择。2.2.3 信号检测装置选择 在每一个槽位之前使用接近开关，可以比行程开关做到更加精准的停车，在左右平移的前后上限位置也使用接近开关，给PLC更多的反应时间做到前后限位的保护。 每个槽位电镀都做了上下限的行程开关。方便控制电镀过程的电机动作。由于上下动作的时候速度很慢，为了节约输入点和开关数量以及成本，就没有添加上下限保护的开关，因此为了保证上下行后行车在固定的导轨上面。上限位置的行程开关应该装在适当的位置。 2.2.4指示显示方案选择 在不同的槽位前面添加到位提示，给原点和下料点增加光指示，给电机前进运行的时候增加光指示。以保证可以通过光指示可以很好的了解行车的运行状况。2.2.5 工作方式方案选择由于使用PLC对电镀行车做控制的初衷就是为了使工作流程自动运行，是实际工作的时候因为一些外在的因素，像震动，人为，以及行车动作的惯性等，许多的时候需要对其做一些手动的调整，因此工作方式，既可以通过PLC使其自动运行，也可以通过人工的手动，对其进行手动的调整。2.2.6 保护方案选择在主电路以及整流滤波电路中装设熔断器保护。给指示灯增加限流电阻做保护。给每一台电动机装设热继电器保护电机以及主电路。2.3程序设计 本题的主要的一个思想，或者说是难点就是选择不同的开关实现不同的动作。因此我采用了使用调用子程序的方法。给每一个不同的槽位制定一个不同的子程序。因此拓展功能很强大，我可以根据不同的要求通过给子程序赋予不同的值或者改变子程序，就非常容易的给不同的电镀件，赋予不同的电镀要求下图3即为一个子程序调用的流程框图。图3 子程序调用流程框图3 主电路设计3.1 控制电机主电路电机采用3台三相交流异步电动机（Y802-4，0.75kW、2A、1390r/min、380V采用带刹车的型号），电机驱动行车的前进后退，上升下降动作。以及一台电机，在万一需要左右的调整的时候，通过电机的点动做调整。主电路设计包括了，过流过载保护，交流接触器的触头驱动电机电路。通过主电路供给的三相交流电其中的2相，通过整流滤波后产生24V直流电，既可以供给PLC的直流24V供电回路的电源，也在有必要的时候给电路增加能耗制动提供24V的直流电源。如下图4所示。图4电机控制主电路图4 PLC控制系统设计4.1 PLC 的选型FX系列PLC由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元组成。基本单元包括CPU、存储器、输入输出口及电源，是PLC的主要部分。扩展单元是用于增加I/O点数的装置，内部没有电源。扩展模块用语增加I/O点数及改变I/O比例，内部无电源，由基本单元或扩展单元供电。因扩展单元及扩展模块无CPU，因此必须与基本单元一起使用。特殊功能单元是一些专门用途的装置，如位置控制模块、模拟量控制模块、计算机通讯模块等等。PLC的选型在PLC的应用设计当中非常的重要，目前在国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几点：1. 规模要适当输入、输出点数以及软件对PLC的功能及指令要求是选择PLC机型规模大小的重要依据。首先要有足够的输入、输出点数，并留有一定的裕量（百分之十的备用量）。如果只是为了实现单机自动化，或者机电一体化产品，可选用小型的PLC。如果控制系统较大，输入、输出点数较多，被控设备较分散的，可选用中型或大型的PLC。2. 功能要相当，结构要合理对于以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能满足要求。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，应选用带A/D、D/A转换，加减运算，数据传送的低档机。对于控制比较复杂，控制性能较高的系统，应选用中档或高档机。根据以上对PLC的选型要求的严格分析，再对照我们所设计的电镀生产线的控制系统的具体分析，我们所选用的控制系统是三菱公司的FX2N-32MR-001，I/O点数各为16点，便可以满足其控制要求，且有一定的裕量。根据该专用行车的控制要求，其输进/输出及控制信号共有39个，其输进信号25个，输出信号14个，实际使用时，系统的输入输出都为开关控制量，加上10%15%的余量就可以了，并无其他特殊控制模块的需要。由于其开关频率不是很高，外部驱动的只是控制电机的正反转以及开关。因此采用晶体管输出的方式。综上所述，拟采用三菱公司的FX2N-64MR型PLC，如果需要增加一些槽位的时候可以再配用适当的拓展单元，以满足需要的更多的输入输出点。4.2 PLC主机资源分配根据选用三菱FX2N-64MR PLC主机。输入输出各32点。以下表2为IO分配表。表2 PLC主机IO分配表4.3 PLC外部接线图 使用Altium Designer软件（绘制电路板的软件），通过把一些电气元件的符号，制作成每一个库文件，通过必要的操作制作成以下的PLC主机接线图，如下图5所示图5 PLC外部接线图4.4 控制梯形图 4.5 语句表 4.6 测试调试由于时间有限，在去实验室测试一次发现问题后，就一直没有去再去测试了，只是使用专用PLC仿真模拟软件对程序进行了基本的模拟。模拟结果如下。 测试结果一：下图所示为调用子程序的时候的状态模拟，当行车到达有预置的槽位一的时候调用子程序P1。执行完子程序实现的电镀过程的模拟过程后，返回到第20步程序，准备到达下一个预置槽位，调用相对应的子程序。操作说明：预置旋动开关X6闭合，并且接近开关X7闭合（既是行车到达了1槽位）。调用相对应的子程序，既是执行电镀过程。 测试结果二：下图所示，当第一个预置槽位过了以后，到达第二个槽位，自动调用P2子程序。符合题目自动运行的要求。 测试结果三：如下图所示，为电镀过程中子程序实现的电镀模拟过程，原本设计的时候是希望。电镀过程可以自行设定，但是由于时间有限并且所学的知识有限，于是我设计的时候定时器什么的就固定死了，从而电镀的过程是通过子程序模拟死了的。没有制作的非常的智能和人性化。 操作说明：X7接近开关到达，执行电机下降，并且制动。当到达下限X11的时候停止制动并且启动电镀定时器，定时器时间到，电机上行，并且到达上限停，并且电磁抱闸制动防止吊篮因为重力而自动掉下。 5 参考文献1 史国生.电气控制与可编程控制器技术.北京：化学工业出版社.20102 廖常初.PLC基础及应用M.北京：机械工业出版社.20093 贾德胜.PLC应用开发实用子程序M.北京：人民邮电出版社.20064 钟肇新.可编程序控制器原理及应用M.广州：华南理工大学出版社.20055 朱绍祥.可编程序控制器（PC）原理与应用M.上海：上海交大出版社.20036 赵跃华.可编程序控制器原理及应用M.成都：电子科技大学出版社.20057 周淑珍、高鸿斌.PLC分析与设计应用. 成都：电子工业出版社.20058 王玉中.电气控制及PLC应用技术.开封：河南科学技术出版社.20069 孙平.可编程序控制器原理及应用.北京：高等教育出版社.2003致 谢非常感谢老师以及各个同学对我的支持。以及众多实际做过电镀车间行车的一些学长和网上的朋友的帮助。实际的电镀车间的行车过程复杂异常，所使用到的器件和设备也是比我们能够想象的东西多了很多很多，我们模拟的过程在实际操作过程中是远远达不到实际生产的要求的。因此在一些地方有一些缺陷的设计，就不可避免了。实际过程中使用的器件的选择又很多的讲究，但是对于我们全凭自己的想象力去想象所需要的器件的要求，对实际的器件的性能缺少最基本的使用数据，因此选择的器件不是非常的适合实际的使用要求。 电镀车间的行车过程需要很多的其他的辅助的设备支持，像机械。和变频器的供电系统等。特别是供电这方面，对于带刹车的电动机来说，要实现的精准停车定位，如果没有变频器的调速设计，在实际过程中要实现这样的功能具有一定的虚拟的过程。就像，本设计采用的，制动，以及接近开关，以及一定的延时的操作，虽然理论上可以实现的，但是实际的过程中，因为行车由于装载不同的东西，具有不同的惯性，制动后，因为惯性不同，从而产生不同的滑动距离。因此具有这个不具有智能的控制。总体来说。程序设计的过程中有缺陷，并且也不可能完全模拟出行车的全过程，因此在过程中具有很多的想象。因此更要感谢老师对我的帮助因为没有老师的指导。我们能够想象出的情况更少更需要老师的实际的操作的经验24