自动装卸小车的电气控制系统设计

自动装卸小车的电气控制系统设计目 录摘 要2第一章 绪论31.1 PLC的发展和历史趋势31.2 PLC的分类41.2.1按I/O点数分类41.2.2按功能分类41.3 PLC系统组成及各部分的功能51.4 PLC的基本工作原理51.5 PLC的应用领域6第二章 系统的硬件设计82.1 PLC机型选择82.2 分析控制要求，确定输入、输出设备82.3 主电路的设计122.4 工作流程12第三章 系统的软件设计143.1 PLC内部资源143.2 PLC编程语言15结论17致 谢18参考文献1919自动装卸小车的电气控制系统设计摘要：小车自动运料系统，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。早期运料小车电气控制系统多为继电器-接触器组成的复杂系统,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,必须有专人负责操作。现将PLC应用到运料小车电气控制系统,可实现运料小车的自动化控制,降低系统的运行费用。PLC运料小车电气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： 自动运料 PLC 自动控制系统 电气控制系统第一章 绪论1.1 PLC的发展和历史趋势二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。1.2 PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类。1.2.1 按I/O点数分类PLC按其I/O点数多少一般可分为以下4类。1. 微型PLC：I/O点数小于64点的PLC为超小型或微型PLC。2.小型PLC：I/O点数为256点以下，用户程序存储容量小于8KB的为小型PLC。3.中型PLC：I/O点数在5122048点之间的为中型PLC。4.大型PLC：I/O点数为2048点以上的为大型PLC。它具有极强的软件和硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。1.2.2 按功能分类 根据PLC所具有的功能不同可将PLC分为低档、中档、高档3类。1.高档PLC：除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT可编程控制器原理与应用显示、打印和更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。2.中档PLC：除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID(比例、积分、微分控制)控制等功能，以适用于复杂控制系统。3.低档PLC：具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能1.3 PLC系统组成及各部分的功能1.CPU运算和控制中心它在整个系统中起“心脏”作用。 2.存储器 具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。 系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。 用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。 3.输入/输出接口 (1) 输入接口 输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。 (2) 输出接口 输出接口工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。 1.4 PLC的基本工作原理 PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1. 每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。2. 输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3.一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4.元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5.扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数。6.由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。1.5 PLC的应用领域PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。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控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，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通信包括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。但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。第二章 系统的硬件设计2.1 PLC机型选择根据自动化电镀生产线的控制要求，我们采用了三菱PLC S7-200型号，此类型PLC无论独立运行，还是联接网络都能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、塑料机械、电梯等行业。S7-200 CPU226通讯功能完善，具有极高的性能价格比是很突出的特点，也是我们采用它的主要原因。 PLC为此系统的控制核心，此系统的输入信号有两部分，一部分是原点、单周期、连续等面板控制按钮，另一部分是多种行程开关，这些面板按钮信号和传感器信号作为PLC的输入变量，经过PLC的输入接口输入到内部数据寄存器， 然后在PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出变量的形式送到输出接口，从而驱动电机来控制行车的运行和吊钩的升降2.2 分析控制要求，确定输入、输出设备运料小车自动往返顺序控制系统示意图，如图1所示，小车在启动前位于原位下限位开关SQ1处，一个工作周期的流程控制要求如下：图2.1运料小车自动往返顺序控制系统示意图料车在原位，显示原位状态。在自动模式下按启动按钮，自动线开始工作，首先加料定时5秒，加料结束后延时1秒，料车上升，上升到位，压下上限位开关SQ3，小车自动停止移动，延时1秒，料车开始自动卸料，卸料10秒，料斗复位并下降，下降到原位，料车自动停止移动并开始下一个工作循环。系统自动手动工作模式选择需要一二位式选择开关SA，系统的起动（SB1）、停止（SB2）需要二个按钮，手动模式下：上升（SB3），下降（SB4）需要两个按钮， 起点和终点处的两个行程开关是用来自动控制小车的往复运动的，另外起点终点处应分别加一个限位保护行程开关，也应作为输入设备。即：表2.1 输入输出分配表序号输 入序号输 出1SB1X40011KM1Y4302SB2X40112KM2Y4313SB3X40213KM3Y4324SB4X40314KM4Y4335SQ1X40418KT1Y4346SQ2X4057SQ3X4068SQ4X4079SQ4X408图2.1 I/O端子接线图图2.2 梯形图2.3主电路的设计电气原理图是根据电气控制系统的工作原理，采用电器元件展开的形式，利用图形符号和项目符号表示电路各电器元件中导电部件和接线端子连接关系的电路图。电气原理图并不按电器元件实际布置来绘制，而是根据它在电路中所起的作用画在不同的部位上。电气原理图具有结构简单、层次分明的特点，适合研究和分析电路工作原理，在设计研发和生产现场等方面得到广泛应用。电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分，在本次设计中我们着重分析了主电路图。在本设计中，根据自动装卸生产线的工艺要求，只需用一台电机分别控制小车的上升、下降，再用两台电机控制上料和下料。主电路如图2.3。图2.3中，接触器KM1，KM2控制电动机M1的正、反转，实现小车的上升和下降，接触器KM3控制电动机M2，实现小车的加料，KM4控制料斗卸料图2.3 自动装卸生产线主电路图图2.4 自动装卸小车控制电路图2.4工作流程当按下启动按钮SB2时由于在起始点SQ5常开触点处于闭合状态，KM1线圈得电KM1常开触点闭合，M1电机正转，小车向前运动，当小车走到槽1是撞到行程开关SQ1 ，KM1线圈失电小车停止前进，同时SQ1常开触点闭合，KM3线圈得电，升降电机正转，同时抱闸松开，升降下降，当小车撞到下降限位开关SQ7时KM3线圈失电电机下降停止，同时KT1线圈得电，时间继电器开始计时，当达到一定时间后KT1常开触点闭合，KM4线圈得电，升降电机开始上升，当撞到上升限位开关SQ6时KM4线圈失电，升降电机停止转动，同时抱闸暴死，此时按下继续前进按钮SB2小车继续前进，重复上述过程！当达到左运动限位开关SQ4是线圈KM2得电，小车返回，当到达右限位开关SQ5是线圈KM2失电，电机停止运动！第三章 系统的软件设计3.1 PLC内部资源内部根据软元件的功能不同，分成了许多区域，如输入/输出继电器区、定时器区、计数器区、特殊继电器区等。下面分别介绍下。1.定时器：电气自动控制的大部分领域都需要用定时器进行时间控制，灵活地使用定时器可以编制出复杂动作的控制程序。它是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的工作过程与继电-接触器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点。使用时要提前输入时间预设值。当定时器的输入条件满足时开始计时，当前值从0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预设值时，定时器触点动作。利用定时器的触点就可以得到控制所需的延时时间。2.计数器：计数器可用来累计输入脉冲的个数，经常用于对产品进行计数或者进行特定功能的编程。使用时要提前输入它的特定植。当输入触发条件满足时，计数器开始累计它的输入端脉冲电位上升延的次数，当计数器计数达到预定的设定值时，其常开触点闭合，常闭触点断开。3.输入继电器：输入继电器一般都有一个PLC的输入端子与之对应，它用于接受外部的开关信号。当外部的开关信号为闭合时，输入继电器的线圈得电，在程序中常开触点闭合，常闭触点断开。4.输出继电器：输出继电器一般都有一个PLC上的输出端子与之对应。当通过程序使得输出继电器线圈得电时，PLC上的输出端开关闭合，它可以作为控制外部负载的开关信号。同时在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。5.内部位存储器：内部位存储器的作用和继电-接触器控制系统中的中间继电器相同，它在PLC中没有输入/输出端与之对应，因此它的触点不能驱动外部负载，这是与输出继电器的主要区别。它主要起逻辑控制作用。以上几个是我们在本次系统设计的过程中可能需要用到的PLC软元件，另外PLC还有很多其它的软元件。3.2 PLC编程语言PLC是通过运行编写的用户程序实现控制任务的。PLC中的程序由系统程序和用户程序两部分组成，系统程序由PLC生产厂家提供，它支持用户程序的运行；用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序。S7-200系列PLC的编程语言非常丰富，有梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图等，用户可以选择一种编程语言，如果需要，也可混合使用几种语言编程。这些编程语言都是面向用户的，它使控制程序的开发、输入、调试和修改工作大大简化。我们在本次设计中选择梯形图编程。以下我们详细介绍下梯形图的概念。梯形图左边有一条垂直的线称作左母线，右边一条虚线称为右母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。PLC梯形图具有以下一些特点：1.PLC的梯形图是“从上到下”按行绘制的，两侧的竖线类似电气控制图的电源线，通常称做母线（Bus Bar），大部分梯形图只保留左母线；梯形图的每一行是“从左到右”绘制，左侧总是输入接点，最右侧为输出元素，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按纽、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如指示灯、接触器、中间继电器、电磁阀等。对S7-200系列的PLC来说，还有一种输出“盒”（功能框），它代表附加的指令，如定时器、计数器或数学运算等功能指令。2.电气控制电路左右母线为电源线，中间各支路都加有电压，当支路接通时，有电流流过支路上的触点与线圈。梯形图中的假想电流在图中只能作单方向的流动，即只能从左向右流动。层次改变（接通的顺序）也只能先上后下，与程序编写时的步序号是一致的。3.梯形图中的输入接点如I1.0、I0.1等，输出线圈Q0.0、Q0.1等不是物理接点和线圈，而是输入、输出存储器中输入、输出点的状态，并不是接线时现场开关的实际状态；输出线圈只对应输出映像区的相应位，该位的状态必须通过I/O模块上对应的输出单元才能驱动现场执行机构。4.梯形图中使用的各种PLC内部器件，如辅助继电器、定时器、计数器等，也不是真的电器元件，但具有相应的功能，因此通常按电气控制系统中相应器件的名称称呼它们。梯形图中每个继电器和触点均为PLC存储器中的一位，相应位为“1”，表示继电器线圈通电、常开接点闭合或常闭接点断开；相应位为“0”，表示继电器线圈断电、常开接点断开或常闭接点闭合。5.梯形图中的继电器触点既可常开，又可常闭，其常开、常闭触点的数目理论上是无穷多个（受存储容量限制），也不会磨损，因此，梯形图设计中，可不考虑触点数量，这给设计者带来很大方便。对于外部输入信号，只要接入一个信号到PLC即可。6.电气控制电路中各支路是同时加上电压并行工作的，而PLC是采用循环扫描方式工作，梯形图中各元件是按扫描顺序依次执行的，是一种串行处理方式。由于扫描时间很短（一般不过几十毫秒），所以控制效果同电气控制电路是基本相同的。但在设计梯形图时，对这种并行处理与串行处理的差别有时候应予注意，特别是那些在程序执行阶段还要随时对输入、输出状态存储器进行刷新操作的PLC，不要因为对串行处理这一特点考虑不够而引起偶然的误操作。结论PLC的编程是我们整个设计最主要的一部分，我们的编程是采用梯形图编程语言，所有的编写步骤和编写要点是严格按照课本要求和教科老师的指导来编写的，所以整个编写的过程是相当严谨的。而且我们编写程序之前对电镀生产线的工作流程做了详细的分析，每个步骤考虑都很严密，所以总的来说，这个系统的设计师比较好的。 但是在编写的过程中我们还是遇到了很多问题，这样的系统如果能够实际验证的话会很到程度上提高我们的动手能力。而且在编写过程中有一些小的细节我们也没有考虑到，如果说能够有足够的条件来调试的话能够大大提高我们系统的正确性。当然在以后的类似设计当中我们将会尽量的达到这些要求。致 谢本论文是在电子信息与电气工程学院范秋凤导师精心指导下完成的。从论文选题到课题难点的解决，都给予了本人悉心地指导。范老师严谨的治学态度、很深的专业造诣和顽强的敬业精神都使我受益非浅、终身难忘。在此，我要向范老师致以深深的敬意和衷心的感谢!在课题完成过程中，范老师给我提供了很多思路与经验，对我深入理解课题的有关知识与方法起到了重要作用。因此，我再对范老师表示诚挚的谢意。同时，也非常感谢学习期间的授课老师和同学在学习中给我的教导和帮助，谢谢!最后，向在论文研究过程中给予我帮助的所有朋友表示衷心感谢!参考文献1 李道霖.电气控制与PLC原理及应用M. 电子工业出版社,2006.72 孙海维.SIMATIC可编程控制器及应用M. 机械工业出版社,2005.13 廖常初.可编程控制应用技术M. 重庆大学出版社,2002.34 冯立明.电镀工艺与设备化学M. 北京工业出版社,2005.65 孙平.可编程控制器原理及应用M. 高等教育出版社,2004.86 常晓玲电气控制系统与可编程控制器北京：机械工业出版社，20077 黄北刚工厂电气控制电路实例详解. 北京：化学工业出版社，2007.3 8 方承远工厂电气控制技术北京：机械工业出版社，20029 田瑞庭.可编程控制器应用技术. 北京：机械工业出版社，199410 廖常初主编.PLC编程及饮用. 北京：机械工业出版社，2005 11 三菱公司. 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