自动送料装车系统

毕业论文 项目名称 自动送料装车系统 专 业 机电一体化 班 级 XXXXXXXXXXXX 学生姓名 X X 指导教师 X X 机械与电子工程系 20XX 年 X 月 XX 日 重 庆 三 峡 职 业 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语 及 成 绩 专业 机电一体化 班 级 姓名 题目 自动送料装车系统 指导教师评语： 签字： 年 月 日 答辩记录及评语： 记录员： 年 月 日 综合成绩： 答辩小组组长签字： 系主任签字： 年 月 日 毕业设计任务书 专业 机电一体化 班级 姓名 题目 自动送料装车系统 内容 某原料从料斗经过 M1、M2、M3 三台皮带运输机送出。从料斗向皮带 1 供料由电磁阀 K2 控制，皮带 1、皮带 2、皮带 3 分别由电动机 M1、M2、M3 驱动。通过红灯 L1、绿灯 L2 控制 装料车的进出。由传感器 S1、S2 控制料斗的开关。 基本要求 当红灯灭，绿灯亮，表示允许汽车开进装料，料斗 K2，3 节传送带的电机分别是 M1、M2、M3 均处于关闭状态， ，当汽车到达指定位置后，首先检测 3 条送料皮带是否可以正 常启动，启动时 1）先启动最后一条皮带，经过 5S 后，再依次启动其他的皮带机。2）当皮 带进料满以后，停止时应先停止最前面一条皮带机，5S 后，再依次停止其他皮带机。3）当 皮带机发生故障时，该皮带机及前面的皮带机停止，而该皮带机以后的皮带机待运完后才停 止。汽车进料满以后，L2 亮，L1 灭，表示汽车可以开走，同时下一辆汽车可以开进来进料。 重点研究问题 在浓烟之中能正常的达到送料的目的 各个传感器的协调工作问题 整个系统软件设计问题 主要技术指标 传感器模块输出信号有数字量和模拟量; 本系统的电源最好是 220V 的供电； 其它要说明的问题 无 指导教师签字： 年 月 日 重庆三峡职业学院毕业设计(论文)进度考核表 起止日期 毕业设计 (论文) 各阶段工作任务 完成情况 指导教师签 字 4.144.19 收集和查阅与设计相关的资料 完成 4.204.24 学习有关的知识，并初步系统的需 求分析和设计 完成 4.254.27 写好开题报告 完成 4.284.29 进一步进行系统分析和设计，同时 写出设计提纲 完成 5.015.10 系统程序的编写 完成 5.115.16 系统安装和调试过程 完成 5.175.27 撰写毕业设计说明书初稿 完成 5.285.31 完成第二次毕业设计说明书 完成 6.16.3 完成第三次毕业设计说明书 完成 6.46.10 完成最终毕业设计说明书准备毕业 答辩 完成 备 注 注：本表用于考核学生毕业设计(论文) 的进度及完成情况，是学生毕业答辩资格认定和成绩评定的依 据之一。 基于 PLC 的自动送料装车控制系统设计 摘 要：送料装车控制系统在冶金、采矿运输、和生产制造等许多领域中都得到了 普遍的应用，它通过自动输送设备实现物料的传输、接收、装运、处理、装配和存储的 自动化，把工厂的各个生产部门、各个储存点联系起来。送料装车控制系统的工作环境 通常比较恶劣，设备所处环境一般粉尘较大、操作分散，所以对送料装车控制系统工作 的安全性、可靠性、维护简便性要求比较高。用可编程控制器(PLC)控制的自动送料装车 动定，具备连续可靠的工作的能力。 关键词：PLC、可编程控制器、传感器 目录 前 言 .1 一、系统总设计 .2 1.1 研究背景 .2 1.2 研究现状 .2 1.3 研究目的与意义 .3 1.4 主要研究内容及研究方法 .4 二 概 述 .5 2.1 控制系统的组成 .5 2.2 控制系统的元件 .6 2.2.1 可编程控制器 .6 2.2.2 三相异步电动机 .8 2.2.3 传感器 .8 2.2.4 变频调速技术 .9 2.3 控制系统的要求 .9 三 系统硬件设计 .10 3.1 主电路的设计 .10 3.2 元器件的选择 .11 3.2.1 PLC 的选择 .11 3.2.2 电动机的选择 .12 3.2.3 传感器的选择 .13 3.2.4 继电器的选择 .13 3.2.5 接触器的选择 .14 3.2.6 行程开关的选择 .14 3.3 I/O 地址分配及外部接线设计 .15 3.3.1 I/O 地址分配 .15 3.3.2 PLC 外部接线图的设计 .16 四 系统软件设计 .17 4.1 PLC 程序流程图设计 .17 4.2 PLC 梯形图和语句表设计 .19 结 论 .24 参考文献 .25 谢 辞 .26 1 前言 送料装车设备广泛地应用于建材、冶金、煤炭、电力、化工、轻工等工业生产部门。 老式送料装车设备因为没有计量而存在多装、少装的问题。特别是在运输的过程中，不 允许车辆超载，多装了，得卸掉，少装了，得进行二次装车，使得装车工作进行非常缓 慢。 随着当今社会科学技术的发展，各类物料输送的生产线对自动化程度的要求越来越 高，原有的生产送装料设备已经远远的不能满足当前高度自动化的需要。由于控制系统 的不断发展和革新，使得生产线的运输控制也将得到不断的改善和生产效率的不断提高， 送料装车的控制经历了以下几个阶段： 1. 手动控制：在 20 世纪 60 年代末 70 年代初期，便有一些工业生产采用 PLC 来实 现送料装车的控制，但是限于当时的技术还不够成熟，只能采用手动的控制方式来控制 机器设备，而且早期送料装车控制系统多为继电器和接触器所组成的复杂控制系统，这 种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，必须要 有专人负责操作。 2. 自动控制：在 20 世纪 80 年代，由于计算机的价格普遍下降，这时的大型工控企 业将 PLC 充分的与计算机相结合，通过机器人技术，自动化设备终于实现了 PLC 在送料 装车控制系统中自动控制方面的应用。 3. 全自动控制：现阶段，由于 PLC 技术向高性能、高速度、大容量发展，大型 PLC 大多数采用多 CPU 结构，不断向高性能、高速度、大容量方向发展。将 PLC 运用到送料 装车控制系统中，可实现送料装车的全自动控制，降低了系统的运行费用。PLC 控制的送 料装车自动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、维修 和改造方便等优点。 在国内，大多数还是人工管理，智能控制及需普及，国外工程机械产品以电子、信 息技术为先导，开发出各种工程机械相匹配的软、硬件系统，使工程机械向信息化、智 能化前进。 国外大多数 PLC 品牌都有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的相互结合 使系统的性能大幅度的提高，人机界面更加的友好。通讯技术的发展、现场总线的发展 及以太网的发展时通讯能力大大加强。 在国外的送料装车控制系统中已经广泛的应用 PLC 控制系统，而采用可靠性比较高 的 S7-200 系列 PLC 软件来控制该系统,实现送料装车系统的自动控制过程,满足了系统可 靠性、 稳定性和实时性的要求。 送料装车控制系统的工作环境通常比较恶劣, 设备周围所处的环境一般粉尘比较大、 空气湿度相对高且操作分散，所以对送料装车控制系统工作的安全性、可靠性、维护简 2 便性要求比较高。 在早期的送料装车控制中通常都采用继电器逻辑控制,继电器控制系统中大多数采用 分立的继电器、 接触器等电器元件作为控制元件,其控制系统复杂、 操作难度大, 并且 安装接线时工作量大、 修改控制策略难、 维护量大等问题，严重影响了正常的工业生 产。 PLC 所控制的系统可以方便地通过改变用户程序，以实现各种控制功能，从根本上解 决了电器控制系统控制电路难以改变的问题。同时，PLC 控制的系统不仅能够实现逻辑运 算，还具有数值运算及过程控制等复杂的控制功能。 对于复杂的控制系统，使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小 型 PLC 的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1/21/10。 PLC 的配线比继电器控制系统的配线要少得多，从而可以节省下大量的配线和附件， 减少了大量的安装接线工作时，可以减少大量费用。 PLC 不仅用于开关量控制，还可用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还 可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。PLC 已日 益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。 一、系统总设计 1.1 研究 背景 随着时代的进步和发展，PLC 技术以普及到我的生活、工作、科研，各个领域，已经 成为一种比较成熟的技术，随着社会的发展，知识的更新，各行各业的需要带动了电子 产品的发展，未来的智能化计算器将是我们的发展方向，更希望成为现代社会应用广泛 的计算工具。 1.2 研究现状 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按 照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集，推动工业的发展向自 动化方向发展 1。 1）以工业 PC 为基础的低成本工业控制自动化将成为主流 3 从 20 世纪 60 年代开始，西方国家就依靠技术进步（即新设备、新工艺以及计算机 应用）开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展；20 世纪末世界上最大的变化就 是全球市场的形成。全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加快新产品投放市场时 间（Time to Market） 、改善质量（Quality） 、降低成本（ Cost）以及完善服务体系 （Service） ； 20 世纪 90 年代以来，由于 PC-based 的工业计算机（简称工业 PC）的发展， 以工业 PC、I/O 装置、监控装置、控制网络组成的 PC-based 的自动化系统得到了迅速普 及，成为实现低成本工业自动化的重要途径；几年前，当“软 PLC”出现时，业界曾认为 工业 PC 将会取代 PLC。然而，时至今日工业 PC 并没有代替 PLC，主要有两个原因：一个 是系统集成原因；另一个是软件操作系统 Windows N。 2）PLC 在向微型化、网络化、PC 化和开放性方向发展 长期以来，PLC 始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设 备提供非常可靠的控制方案，与 DCS 和工业 PC 形成了三足鼎立之势。同时，PLC 也承受 着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业 PC 所带来的冲击；目前，全世界 PLC 生产厂家 约 200 家，生产 300 多种产品。国内 PLC 市场仍以国外产品为主，如 Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE 的产品。经过多年的发展，国内 PLC 生产 厂家约有三十家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说 PLC 在我国尚 未形成制造产业化。在 PLC 应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广，微型化、 网络化、PC 化和开放性是 PLC 未来发展的主要方向。 3）微型化、网络化、PC 化和开放性是 PLC 未来发展的主要方向 集散控制系统 DCS（Distributed Control System）问世于 1975 年，生产厂家主要集中 在美、日、德等国。我国从 70 年代中后期起，首先由大型进口设备成套中引入国外的 DCS，首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。当时，我国主要行业（如电力、石化、建材 和冶金等）的 DCS 基本全部进口。80 年代初期在引进、消化和吸收的同时，开始了研制 国产化 DCS 的技术攻关。 4）工业控制软件正向先进控制方向发展 自 20 世纪 80 年代初期诞生至今，工业控制软件已有 20 年的发展历史。工业控制软 件作为一种应用软件，是随着 PC 机的兴起而不断发展的。工业控制软件主要包括人机界 面软件（HMI） ，基于 PC 的控制软件以及生产管理软件等。目前，我国已开发出一批具有 自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软件， 工程化、产品化有了一定突破，打破了国外同类应用软件的垄断格局。 1.3 研究目的与意义 设计的是某工厂自动送料车的模拟系统，硬件设置可利用 FX2N 系列 PLC 实验装置构 成，用一台微机作为上位机对其进行实时监控和动态模拟，微机与 PLC 通过 4 RS232、RS485 接口连接并实现其通信，也可以通过单片机作为控制核心，完成控制系统。 研究意义：随着社会的不断进步与发展，2l 世纪正是我国全面地实现信息化、工业 化和高科技化的崭新时代。自动化、信息化、智能化和数字化的方式将会在社会的各个 城市领域得到广泛地关注和普及。至此，将会给我们带来生产效率的大幅度提高，以及 社会发展的稳定与进步。工业自动化是现代先进工业科学的核心技术，是工业现代化的 物质基石，是工业现代化的重要标志。当前，不断研究和探讨我国工业电气自动化的发 展和战略目标，有着极其深远的现实意义和时代意义。 1.4 主要研究内容及研究方法 思路： 某原料从料斗经过 M1、M2、M3 三台皮带运输机送出。从料斗向皮带 1 供料由电磁阀 K2 控制，皮带 1、皮带 2、皮带 3 分别由电动机 M1、M2、M3 驱动。通过红灯 L1、绿灯 L2 控制装料车的进出。由传感器 S1、S2 控制料斗的开关。 要求如下： 当红灯灭，绿灯亮，表示允许汽车开进装料，料斗 K2，3 节传送带的电机分别是 M1、M2、M3 均处于关闭状态， ，当汽车到达指定位置后，首先检测 3 条送料皮带是否可以 正常启动，启动时 1）先启动最后一条皮带，经过 5S 后，再依次启动其他的皮带机。2） 当皮带进料满以后，停止时应先停止最前面一条皮带机，5S 后，再依次停止其他皮带机。 3）当皮带机发生故障时，该皮带机及前面的皮带机停止，而该皮带机以后的皮带机待运 完后才停止。汽车进料满以后，L2 亮，L1 灭，表示汽车可以开走，同时下一辆汽车可以 开进来进料。 步骤： （1）第一阶段汽车驶入 通过红灯 L3 和绿灯 L4 的指示状况判断是否有汽车正在进行装料，是否可以驶入， 若红灯亮表示里面有汽车正在装料需要继续等待，若绿灯亮表示可以进入，当进入以后 触动前限位开关 SQ1。 （2）第二阶段装料阶段 检测汽车的驶入是否到位。触动点动后限位开关 SQ2，则指示灯 L1 亮，若没有到位则继 续直到到位为止；汽车到位以后检测电机状态的开关被驱动，检测电机正常与否，若不 正常直接启动报警信号以及相应的报警灯，并停止装料，若正常则开启进料阀 K2，启动 装料系统。 （3）第三阶段驶出阶段 5 利用称重装置检测汽车装料是否达到标准重量，若未达到标准则继续装料，当达到标准 以后关闭装料阀 K2，汽车驶出，点动开关后限位开关 SQ2 还原，到达前门时触动前限位 开关 SQ3，红灯亮，绿灯灭。 6 二 概 述 2.1 控制系统的组成 本文设计中的自动送料装车系统由送料小车、轨道、料斗等设备装置组成，来完成 对物料的运料、传输、装料的过程。这类系统的控制需要运行平稳等特性，具有连续可 靠的工作能力。当绿灯 L1 亮时，表示表示允许汽车进来装料。此时，进料阀门(K1)，送 料阀门(K2)，电动机(M1、M2、M3)皆为 OFF 状态。当汽车到来时，车辆检测开关 S2 接通， 红灯 L2 亮，绿灯 L1 灭，电动机 M3 运行，电动机 M2 在 M3 接通 2 秒后运行，电动机 M1 在 M2 启动 2 秒后运行，依次顺序起动整个送料系统。传送带和一辆运料小车配合，才能 稳定有效率地进行自动送料装车过程。系统示意图如图 1-1 所示。 图 1-1 自动送料装车控制系统示意图 7 2.2 控制系统的元件 2.2.1 可编程控制器 可编程控制器(Programmable Controller，PC )由于和个人计算机(Personal Computer，PC)混淆，故人们仍习惯地用 PLC 作为可编程序控制器的简称。 PLC 是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程 序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操 作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 采用了典型的计算机结构,主要由 CPU、存储器、采用扫描方式工作的 I/O 接口 电路和电源等组成，PLC 硬件系统如图 1-2。 电 源 输 入 电 路 输 出 设 备 R O M 编 辑 器 或 外 围 设 备 C P U R A M 按 钮 继 电 器 触 电 行 程 开 关 接 触 器 电 磁 阀 指 示 灯 图 1-2 PLC 硬件系统结构框图 PLC 采用循环扫描工作方式，集中进行输入采样，集中进行输出刷新。I/O 映像区分 别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中各结果的状态。 PLC 循环扫描工作方式一般包括五个阶段：内部处理与自诊断、与外设进行通信处理、 输入采样、用户程序执行、输出刷新五个阶段，如图 1-3 所示。 8 输 出 刷 新 通 信 处 理 程 序 执 行 内 部 处 理 自 诊 断 输 入 采 样 方 式 开 关 ? 开 始 R U N S T O P 图 1-3 PLC 循环扫描的工作过程 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和 输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 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，使用情况主要分为如下几类： 1. 开关量逻辑控制 取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也 可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包 装生产线、电镀流水线等。 2. 工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量 （即模拟量） ，PLC 采用相应的 A/D 和 D/A 转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模 拟量，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控 制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 3. 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动 9 步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、 电梯等场合。 4. 数据处理 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据转换、排 序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造 纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 5. 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发 展，现在的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 2.2.2 三相异步电动机 异步电动机是工农业生产中用得最多的一种电机，其容量从几十瓦到几千千瓦，在 国民经济的各行各业，如交通运输业、国防工业、以及家用电器中都得到了广泛的应用。 例如，在工业方面：中小型轧钢设备、各种金属切削机床、轻工机械、矿山机械等；在 农业方面：水泵、脱粒机、粉碎机等；此外，在日常生活中，如电扇、洗衣机、空调机， 异步电动机的应用也日益增多。 异步电动机之所以得到如此广泛的应用，是因为和其他电动机相比，具有结构简单、 制造容易、价格低廉、运行可靠、效率高等一系列优点。和同容量的直流电动机相比， 异步电动机的重量约为直流电动机的一半，而其价格仅为直流电动机的三分之一。异步 电动机的缺点是不能经济地在较大范围内平滑调速而必须从电网吸收滞后的无功功率， 使电网功率因数降低。不过，由于大多数生产机械并不要求大范围的平滑调速，而电网 的功率因数又可以采用其他办法进行补偿。 2.2.3 传感器 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置， 通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分， 转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电信号部分。 传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传 感器的原理确定。 通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。但是由于传感器输出信号一般都很微弱， 需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随 着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感 器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需 电源都应作为传感器的组成部分。如图 1-6 所示。 10 敏 感 元 件 转 换 元 件 信 号 调 节 转 换 电 路 辅 助 电 源 被 测 量 图 1-6 传感器组成框图 2.2.4 变频调速技术 变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技 术。大家知道，从大范围来分，电动机有直流电动机和交流电动机。由于直流电动机调 速容易实现，性能好，因此，过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流电动机固有 的缺点是，由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给 人们带来不少的麻烦。因此人们希望，让简单可靠价廉的笼式交流电动机也能像直流电 动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、转子串电阻调速和串极调速等交流 调速方式。直到 20 世纪 80 年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展， 才出现了变频调速技术。它的出现就以其优异的性能逐步取代其他交流电动机调速方式， 乃至直流电动机调速系统，而成为电气传动的中枢。 2.3 控制系统的要求 基于 PLC 控制的自动送料装车系统的控制要求如下： 初始状态：红灯 L2 灭，绿灯 L1 亮，表示允许汽车进来装料。此时，进料阀门(K1)， 送料阀门(K2)，电动机(M1、M2、M3)皆为 OFF 状态。当汽车到来时，车辆检测开关 S2 接 通，红灯 L2 亮，绿灯 L1 灭，电动机 M3 运行，电动机 M2 在 M3 接通 2 秒后运行，电动机 M1 在 M2 启动 2 秒后运行，依次顺序起动整个送料系统。 当电动机 M3 运行后，进料阀门 K1 打开给料斗进料。当料斗中物料装满时，料斗检 测开关 S1 接通，此时进料阀门 K1 关闭（设 1 料斗物料足够运料小车装满一车） 。料斗出 料阀门 K2 在电动机 M1 运行 2 秒及料斗装满后，打开放料，物料通过传送带 PD1、PD2 和 PD3 的传送，装入汽车。 当运料小车装满后，称重开关 S3 动作，送料阀门 K2 关闭，同时电动机 M1 延时 2 秒 后停止，电动机 M2 在 M1 停止 2 秒后停止，电动机 M3 在 M2 停止 2 秒后停止。此时绿灯 L1 亮，红灯 L2 灭，表示汽车可以开走。 故障操作：在带式传输机传送物料过程中，若传送带 PD1 超载，则送料阀门 K2 立即 关闭，同时停止电动机 M1，电动机 M2 和 M3 在电动机 M1 停止 4 秒后停止。 在带式传输机传送物料过程中，若传送带 PD2 超载，则同时停止电动机 M1 和 M2 并 11 关闭送料阀门 K2，延时 4S 后电动机 M3 停止。 在带式传输机传送物料过程中，若传送带 PD2 超载，则同时停止电动机 M1、M2 和 M3 并关闭送料阀门 K2。 三 系统硬件设计 3.1 主电路的设计 主电路的设计对于本次设计小车自动送料装车系统设计相当重要,只有在主电路设计 正确且简便的基础上,系统控制电路及软件设计才能精简方便。 根据系统的控制工艺要求，我所设计的电气控制系统主回路原理图如图 2-1 所示。 图中，M1，M2，M3 为三台皮带传输送料电动机，交流接触器 KM1KM3 通过控制三台电动 机的运行来控制三个传送带，从而进行对物料的传输。FR1，FR2，FR3 为起过载保护作用 的热继电器，用于物料传输过程中当传送带过载时断开主电路。FU1 为熔断器，起过电流 保护作用。 （注意：FU 和 FR 不能进行互换，它们在本设计电路当中所承担的任务不一样。 FU 起过流保护，FR 起过载保护）主电路原理图如图 2-1。 图 2-1 自动送料装车系统主电路原理图 12 3.2 元器件的选择 3.2.1 PLC 的选择 目前市场上的 PLC 产品众多，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的 PLC 产品，使用户眼花缭乱、无所适从。除国产品牌外，国外有：日本的 OMRON、MITSUB、ISHI、FUJI 、ANASONIC，德国的 SIEMENS，韩国的 LG 等。一般 选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源 的浪费。机型的选择具体可以从一下 12 个方面来考虑： 1. 选择自己需要的机种和机型 若已有设备（或产品）上已经用了某一种型号的 PLC，再要选用 PLC 开发新的产品， 在满足工艺条件的前提下，建议还是选用已经用过的 PLC 为好，这样就可以做到资源共 享。 2. 不要大材小用 什么样的规模设计任务就选用什么样的规模的 PLC，避免造成太多的硬件资源浪费。 3. 具体的控制对象具体选择 根据不同的设计任务，来选择 PLC 的机型。 4. 选用易采购的机型 5. 经常了解 PLC 产品的发展动态 6. 对 I/O 点的选择 要先弄清控制系统的 I/O 点的总点数，再按实际所需要的总点数的 15%20%留出备用 量后确定所需 PLC 的点数。 7. 对存储容量的选择 对用户存储容量只能做粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入 总点数乘 10 字/点+输出总点数5 字/点来估算；计数器/定时器按(35)字/个来估算； 有运算处理时按(510)字/个来估算；在有模拟量 I/O 出的系统中，可以按每输入（或输 出）一路模拟量约需（80100）字左右的存储量来估算；有通信处理时按每个接口 200 字以上的数量粗略估算。 8. 对 I/O 响应时间的选择 PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延 迟（一般在 23 个扫描周期）等。 9. 根据输出负载的特点选型 根据 PLC 输出所带的负载是直流型还是交流型、是大电流还是小电流以及 PLC 输出 点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出还是晶体管输出。 10. 对 PLC 结构形式的选择 13 在相同功能和相同 I/O 点数的情况下，整体式比模块式价格低。 11. 选择性能相当的机型 PLC 选型中还有一个重要问题就是性能要相当。 12. 选择新机型 由于 PLC 产品更新换代很快，所以选用相应的新机型很有必要。 在本次设计由于输入量基本是开关量，而对于 PLC 的开关量输入回路，西门子公司( Siemens) 的 S7-200 可编程序控制器基本满足设计要求。 3.2.2 电动机的选择 电动机按转子结构形式分类：三相笼型异步电动机和三相绕线型异步电动机。电动 机型号根据以下几个方面选择： 1. 功率的选择 要为某一生产机械选配一台电动机，首先考虑电动机的功率需要选择多大，合理选 择电动机的功率具有重大的经济意义。 在本次设计中运料小车装满料重 500kg，小车的车轮半径 0.2m，小车与轨道之间的 摩擦系数 =0.1，假设在启动阶段加速时的加速度为 0.3m/s，则匀速行驶的滚动摩擦力 矩 T=500kg9.80.1/100=441Nm。 2. 电动机结构的选择 因为用的是三相交流电源，在交流电动机中，三相笼型异步电动机结构简单、坚固 耐用、维护方便、工作可靠、价格低廉。主要的弊端是调速困难，功率因数比较低，启 动性能比较差，由于送料小车要求的机械特性比较硬而且没有特殊的调速要求，所以可 以采用笼型电动机。 3. 结构形式的选择 生产机械的种类繁多，它们的工作环境也不尽相同。因此，有必要保证在不同环境 中能安全的可靠运行。电动机常有下列几种结构型式： （1）开启式：在构造上无特殊防护装置，运用于干燥、无尘场所。通风好。 （2）防护式：在机壳或端盖下面有通风罩，以防止杂物掉进去。 （3）封闭式：封闭式电动机外壳严密封闭，电动机靠风扇冷却，并且在外壳带 有散热片。使用在灰尘多、潮湿、盐碱、腐蚀性强的场所。 （4）防暴式：整个电机严密的封闭，多用于矿井中。 综上所述，运料小车所处的环境而选择封闭式的电动机。 4. 电动机电压的选择 Y 系列的电动机的额定电压只有 380V 一个等级。 5. 电动机转速的选择 14 电动机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的。通常情况下转速不低于 500r/min，异步电动机通常采用 4 个极的，则同步转速 n =1500r/min 的。电动机的参数 如表 2-1。 表 2-1 运料小车电动机的参数 符号 名称 型号 规格 台数 M 三相异步电动机 Y160M1-2 功率 7.5 KW 额定电流21.8 A 转速 2930r/min 重量 68 kg 1 3.2.3 传感器的选择 1.称重传感器的选择 重量传感器又称称重传感器，是将压力信号转换成电压或电流控制信号。 其输出格式是标准的控制信号类型：010VDC，-1010VDC，420mA，020mA。 有的智能称重传感器也能输出开关量信号，但是其动作量（检测到的压力信号）是 可调的。 本次设计中称重传感器选择 CS-20 型。 2.霍尔传感器的选择 本次设计选用 HAL815 可编程线性霍尔传感器，其可用于角度或距离测量。 HAL815 是一个可编程的霍尔传感器，内置 DSP，可设置的比例电压输出，具有高精 度，多个可编程磁特性存储在具有冗余和锁定功能的非易失性存储器(EEPROM)，多种保 护功能如。开路（地和电源线突变检测） 、过压和欠压检测，保证了传感器的高可靠性， 可逐个编程或通过选择拉低输出脚来编几个并联在相同供电电压上的传感器，温度特性 可编程可匹配所有常见的磁性材料。可编程的特性方便了客户的设计。 3.2.4 继电器的选择 继电器主要用于控制与保护电路或用于信号转换。继电器是一种根据特定形式的输 入信号而发生动作的自动控制电器。它与接触器不同，主要用于反应控制信号，其触点 一般接在控制电路中。当输入量变化到某一定值时，继电器动作，其触头接通或断开交、 直流小容量的控制回路。 继电器的种类有很多，分类的方法也很多，常用的分类方法有： 15 1. 按输入量的物理性质可分为电压继电器、电流继电器、功率继电器、时间继电器 和温度继电器等。 2. 按动作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电 子式继电器等。 3. 按动作时间可分为快速继电器、延时继电器和一般继电器。 4. 按执行环节作用原理可以分为有触点继电器和无触点继电器。 5. 按用途可分为电器控系统用继电器和电力系统用继电器。 继电器的主要特性是输入、输出特性、继电器的返回系数、吸合时间、释放时间。 吸合时间是从线圈接收型号到衔铁完全吸和时所需要的时间，释放时间是从线圈失电导 衔铁完全释放时所需要的时间。一般继电器的吸合时间与释放时间为 0.050.15s，它的 大小会影响继电器的操作频率。 本次设计所选择的继电器有：时间继电器 JR0，热继电器 JR16-20/3。 3.2.5 接触器的选择 接触器是用来接通或者切断电动机或其他负载主电路的一种控制电器。它通常可分 为交流接触器和直流接触器。接触器的基本参数有主触点的额定电流、主触点的允许切 断电流、触点数、线圈电压、操作频率、动作时间、机械寿命和电寿命。 选用接触器时通常是交流负载的选择交流接触器,直流负载选用直流接触器，但由于 交流负载频繁动作时可采用直流吸引线圈的接触器。通常选用的是直流 110V、220V，交 流 220V、380V。直流接触器断开时产生的过电压可达 1020 倍，故不宜采用高电压等级 （440V 的已经停止生产） 。而电压太低时，接通此线圈用的继电器或接触器的联锁触点不 可靠（如灰尘或油层存在） 。 额定操作频率是指每小时接通的次数。交流接触器最高可达 600 次每小时；直流接 触器可高达 1200 次/小时。 综上所述，接触器的选择可按下列步骤进行：根据负载性质确定工作任务类型；并 根据类型确定接触器系列；根据负载额定电压确定接触器的额定电压；根据负载电流确 定接触器的额定电流；并根据外界实际田间加以修正。本次的设计中所选用的接触器型 号为：交流接触器 CJ10-20。 3.2.6 行程开关的选择 行程开关又叫限位开关，是用于控制机械设备的行程和限位保护。在实际生产应用 中，将行程开关安装在预先要设置的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击到行 程开关时，行程开关的触点动作，就实现了电路的切换。因此，行程开关是一种根据运 动部件模块的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮有些类似。行程开关广 16 泛应用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电 路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位、轿厢的上、下限位 保护。 主令电器应用广泛、种类繁多。按其工作可分为：按钮、行程开关、接近开关、万 能开关及其它主令电器 行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。 本次设计我选用 LX1-11 型限位开关。参数如表 2-2。 表 2-2 LX1-11 型限位开关主要参数 型号 温度范围 额定电压 额定电流 LX1-11 0（） 380（V） 10（A） 3.3 I/O 地址分配及外部接线设计 3.3.1 I/O 地址分配 此次设计，系统占用 18 个 PLC 的 I/O 端口，分别是 8 个输入端口和 10 个输出端口， 具体的 I/O 分配如表 2-3 所示。 表 2-3 I/O 地址分配表 输 入 输 出 I0.0 启动开关 Q0.0 电动机M3 I0.1 称重开关S2 Q0.1 电动机M2 I0.2 装车开关S3 Q0.2 电动机M1 I0.3 紧急停止 Q0.3 送料阀门K2 I0.4 料斗已满 Q0.4 进料阀门K1 I0.5 电动机M3故障 Q0.5 红灯L2 I0.6 电动机M2故障 Q0.6 绿灯L1 I0.7 电动机M1故障 Q0.7 电动机M3故障显示 Q1.0 电动机M2故障显示 Q1.1 电动机M1故障显示 17 3.3.2 PLC 外部接线图的设计 该控制系统核心部分是以德国西门子 CPU226 为主，CPU 模块采用整体式结构，它的 体积小、价格低，CPU 模块、I/O 模块和电源装在一个箱形机壳内，前盖下面有模式选择 开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。I/O 模块中输入 8 点，输出 10 点，可实现高速 输入输出响应，内部具有高速计数和中断处理功能。PLC 的输入输出端子均接到相应的接 线端子排，输入输出信号通过这些接线端子排可由其它地方直接引入，这些接线端子排 的布置与 PLC 的输入输出端子以及电源端、接地端和公共端的实际位置一一对应。I/O 模 块接口将输入输出信号引入到控制台上。PLC 外部硬件接线图如图 2-2 所示（PLC 外部接 线图） 。PC/PPI 编程电缆上标有 PC 的 RS-232 端连接电脑的 RS-232 通信接口，标有 PPI 的 RS-485 端连接到 CPU 模块的通信口，并拧紧两边接口的螺丝。PC/PPI 编程电缆通常 在试验中下载梯形图程序时使用。PLC 自动送料 I/O 端口分配如图 2-2。 I 0 . 0 I 0 . 1 I 0 . 2 I 0 . 3 I 0 . 4 I 0 . 5 I 0 . 6 Q 0 . 0 Q 0 . 1 Q 0 . 2 Q 0 . 3 Q 0 . 4 Q 0 . 5 Q 0 . 6 C P U 2 2 6 C N + 2 4 V 称 重 开 关 S 2 装 车 开 关 S 3 停 止 按 钮 故 障 开 关 M 1 故 障 开 关 M 2 故 障 开 关 M 3 进 料 阀 门 K 1 送 料 阀 门 K 2 K M 1 K M 2 K M 3 绿 灯 红 灯 料 斗 检 测 开 关 S 1 启 动 开 关 Q 0 . 7 Q 1 . 0 Q 1 . 1 I 0 . 7 1 L 2 L 3 L 电 动 机 M 1 故 障 电 动 机 M 2 故 障 电 动 机 M 3 故 障 - 1 M F U 2 2 0 S 7 - 2 0 0 图 2-2 PLC 自动送料 I/O 接线图 18 四 系统软件设计 4.1 PLC 程序流程图设计 根据可编过程控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上， 用相应的编程语言指令，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是程序设计。程 序设计要对做一些必要的准备工作，首先要了解系统的概况形成整体概念。其次熟悉被 控对象、编出高质量的程序。再次，充分利用已有的硬件和软件工具。如果是利用计算 机编程，可以大大提高编程的效率和质量。程序设计(Programming)是给出解决特定问题 程序的过程，是软件构造活动中的重要组成部分。程序设计往往以某种程序设计语言为 工具，给出这种语言下的程序。程序设计过程应当包括分析、设计、编码、测试、排错 等不同阶段。 流程程序图是程序分析中最基本、最重要的分析技术，它是进行流程程序分析过程 中最基本的工具。它运用工序图示符号对生产现场的整个制造程序做详细的记录、研究 与分析。 1.流程图的优点： (a) 采用简单规范的符号，画法简单； (b) 结构清晰，逻辑性强； (c) 便于描述，容易理解。 计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计 算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现 生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的 专门学科。企业对具备较强的计算机控制技术应用能力专门人才需求很大。 PLC 采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程序工作过程 可用流程图 3-1 所示。由于 PLC 的程序执行为循环扫描工作方式，因而与计算机程序框 图不同点是，PLC 程序框图在进行输出刷新后，再重新开始输入扫描，循环执行。PLC 程 序流程图如图 3-1。 19 红 灯 灭 绿 灯 亮 ? 小 车 进 入 启 动 进 料 阀 门 料 斗 满 ？ 电 机 M 3 启 动 电 机 M 2 启 动 电 机 M 1 启 动 送 料 阀 门 关 闭 送 料 阀 门 电 动 机 过 载 ？ 装 车 达 到 小 车 重 量 ? 关 闭 电 机 M 2 关 闭 电 机 M 1 小 车 退 出 红 灯 灭 绿 灯 亮 ? 关 闭 送 料 阀 门 关 闭 电 动 机 M 3 初 始 状 态 显 示 故 障 电 机 排 除 故 障 电 机 延 时 2 秒 延 时 2 秒 延 时 2 秒 延 时 2 秒 Y N Y N Y N Y N Y N 图 3-1 PLC 程序流程图 20 4.2 PLC 梯形图和语句表设计 梯形图如图 3-2。 21 22 23 图 3-2 PLC 程序梯形图 24 程序解释如下： 初始状态：Q0.6 接通，其它都处于断开状态。表示小车可以进入。 小车到达：I0.0 闭合，Q0.0 接通同时 Q0.4 接通，延时 2 秒，Q0.1 接通，延时 2 秒， Q0.2 接通。Q0.5 接通，Q0.6 断开。表示小车已经到达。 开始装料：I0.2 闭合，Q0.4 断开，Q0.3 接通，表示装料中。 装料完毕：I0.1 闭合，Q0.3 断开同时 Q0.0 断开，延时 2 秒 Q0.1 断开，在延时 2 秒 Q0.2 断开，Q0.5 断开，Q0.6 闭合。表示小车已经装满并且可以离开。 25 结论 本文相对于传统的送料装置而言，采用许多新技术，因此有许多新的特点，这些特 点同时也是本课题的只要研究内容： 1. 稳定性高，适应性强： 本自动送料系统采用目前比较流行的 PLC 编程控制，因此适应能力比较强。自动送 料装置一般都是在条件比较恶劣的环境下运行，对装置的要求比较高，传统的装置都是 用继电器等一些器件组成，这些装置不仅线路复杂，而且在恶劣的环境下稳定性很差， 这些线路很容易出现故障，致使生产效率大大降低，而此次运用 PLC 编程控制，解决了 系统的稳定问题，经过生产厂家多年的实际运行，它的稳定性是不容置疑的。因此和传 统的系统相比较，此次的装置具有更强的适应性和稳定性，使生产效率不因环境而改变。 2. 控制系统加入了电动机故障的检测，能及时对系统修复： 由于传送带采用的是交流电动机驱动，在传送带运行过程中可能会出现物料在传送 带过多，而致使过载的情况。如果这种情况出现，首先应该关闭送料阀门，同时检测出 故障电机，以便工作人员快速修理，恢复生产。 3. 为提高生产效率，我们设计了一个控制台，来控制阀门的流量： 本系统为适应不同的场合，在工艺上做了小小的改变，我们把送料口设计成可控的 对象，通过调整组态模拟输入量的大小，来调整送料口的大小，这样，在不同载重运输 物料货车的到来时，可以随着货车载重的大小适当的调整送料口的大小。这样，可以节 省装料时间，提高生产效率。 26 参考文献 1廖常初.PLC 编程集应用.北京:机械工业出版社,2008 2李俊秀,赵黎明.可编程控制器应用技术实训指导.北京:化学工业出版社,2006 3李刀夫.可编程控制器.北京中国轻工业出版社, 2002 4杨长能,林小峰.可编程控制器（PC）例题、习题集实验指导. 重庆:重庆大学出版社,1996 5刘元扬.自动检测和过程控制.北京:冶金工业出版社,2009 6 张万忠.可编程控制器入门级应用实例（欧姆龙 CPM2A 系列）.北京:中国电力出版社,2008 7方荣惠,上官璇峰.电机原理及拖动基础.北京:中国矿业大学出版社,2001 8 王兆安,黄俊.电力电子技术.西安:西安交通大学出版社,2005 9何伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社,2000 10于庆广.可编程控制器原理及系统设计. 北京:清华大学出版社,2005 11刘美兰. PLC 控制教学实验系统的设计.实验室研究与探索,2004 27 谢辞 本论文是在老师的悉心指导和严格要求下完成的。在大学三年期间，各位老师渊博 的学识、严谨的治学态度和踏实的工作作风在学业上和生活中给予了我很多关怀和帮助， 使我受益终身。至此论文完成之际，谨向恩师们致以由衷的感谢和诚挚的祝福！ 在课题的研究和设计过程中，老师耐心地为我讲解课题中不明白的地方，为我提供 了设计的方向，并为我们仔细介绍了复杂的 PLC 设计方法。各位老师不仅在我的学校生 活中给予我学术上的指导，还让我学到了做学问所必备的良好素质，让我受益匪浅。 感谢电气工程与自动化系所有关心和帮助过我的老师们。此外，我还要对在这次设 计中，帮助和支持我的同学表示感谢！