基于PLC的电镀行车控制系统的设计与研究毕业设计论文)word格式

毕 业 设 计 论 文题 目 基于PLC的电镀行车控制系统的设计与研究 （院）系 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0103 学号 0101110306 学生姓名 方 俊 导师姓名 赖 指 南 完成日期 2005年6月12日 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 基 于 PLC 的 电 镀 行 车 控 制 系 统 的 设 计 与 研 究 姓名 方 俊 系别 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0103 学号 0101110306 指导老师 赖 指 南 教研室主任 唐 勇 奇、赵 葵 银 一、 基本任务及要求： 本电镀行车是某电镀车间的自动送料和起吊设备。它由传送带A、B和行车这三个基本部分组成，而行车又由大车、小车和吊钩等部分组成。其中，传送带A、传送带B、大车、小车和吊钩分别由电动机M1M5拖动,作前后、左右、上下运动，起吊重量在500kg以下，起吊重物是装有待进行电镀和表面处理的各种产品零件的吊篮。用来进行电镀和表面处理的容器是15号槽，每个槽内从左到右都有5个放置吊篮的位置，依次称为1号位、2号位5号位。15号槽内依次盛有酸液、清水、锌液、铬液、镍镉液，可分别用来对产品零件进行除锈、清洗、镀锌、镀铬和镀镍镉等处理(但在同一时间内，只需对产品零件进行一种电镀处理)。完成对产品零件的除锈、清洗、镀锌、镀铬和镀镍镉处理所需的时间分别为5分钟、2分钟、10分钟、15分钟、20分钟。对电镀行车的控制要求如下： 当按下启动按钮后，(1)传送带A将装有待电镀和表面处理的产品零件的各吊篮依次送到起吊位置。(2)行车依次将送到起吊位置的各吊篮再依次送到1号槽的15号位，以对产品零件进行除锈处理。(3) 除锈处理5分钟后，行车将1号槽中的各吊篮依次送到2号槽的15号位，以对产品零件表面的酸液进行清洗。(4) 清洗5分钟后，行车将2号槽中的各吊篮依次送到3号(或4号、5号)槽的15号位，以对产品零件进行镀锌(或镀铬、镀镍镉)处理。(5) 镀锌(或镀铬、镀镍镉)处理10分钟(或15分钟、20分钟)后，行车将3号(或4号、5号)槽中的各吊篮依次送到传送带B上。(6) 传送带B依次将各吊篮送走，至此，电镀行车对产品零件一个循环的的传送过程进行完毕。 电镀行车应具有手动、单周和连续3种工作方式。要求能对本电镀行车实现起动、预停、急停等操作，具有计数、计时、短路保护、过载保护、失压保护以及故障报警和故障显示功能。 要求设计本电镀行车各电动机M1M5的电气原理图；本电镀行车控制系统的PLC I/O接线图、PLC程序的总体结构图、顺序功能图和梯形图（包括公用程序、手动程序、自动程序、信号显示和故障报警程序等程序的梯形图）；编写指令程序清单；上机调试PLC程序；选择电器元件；绘制工艺图纸；编写设计说明书和使用说明书。上机调试程序；编写设计说明书和使用说明书。 二、 进度安排及完成时间： 第24周：明确设计任务和要求，收集设计资料，查阅有关文献，了解本课题的研究现状、存在问题、实际意义和发展前景，撰写文献综述和开题报告，开题报告上传到FTP。 第56周：毕业实习、撰写实习报告。 第7周：确定控制系统的总体设计方案。 第8周：设计电镀行车电动机的电器控制系统原理图，确定电镀行车控制系统的PLC型号规格，确定PLC I/O元件，列出PLC I/O元件分配表，绘出PLC I/O接线图。 第911周：设计电镀行车控制系统的PLC程序的总体结构图、顺序功能图和梯形图（包括公用程序、手动程序、自动程序、信号显示和故障报警程序等程序的梯形图）；编写指令程序清单。 第12周：上机调试程序。 第1314周：编写设计说明书和使用说明书。 第15周：修改、完善、整理、装钉设计资料。 第16周： 准备答辩；答辩。 前 言基于PLC的电镀行车控制系统的设计与研究 目 录摘 要 Abstract第1章 绪 论11.1 控制系统在电镀行车中的作用与地位11.2 电镀行车控制系统的种类21.2.1 继电接触器控制系统21.2.2 单片机控制系统31.2.3 可编程序控制器控制系统41.3 电镀行车控制系统的发展与现状61.4 本课题的背景意义与主要设计研究内容61.4.1 本课题的背景意义41.4.2 电镀行车控制系统设计的主要设计内容与设计要求4第2章 电镀行车控制系统的总体方案论证82.1 电镀行车概述82.1.1 电镀行车的用途92.1.2 电镀行车的基本组成结构92.1.3 电镀行车的主要技术参数92.1.4 电镀行车的工作原理92.2 对电镀行车控制系统的设计要求92.2.1 对工作方式的设计要求92.2.2 对单机控制的设计要求102.2.3 对全机控制的设计要求102.2.4 对控制系统保护的要求112.2.5 对信号显示和故障报警的设计要求132.3 控制系统总体方案的论证142.3.1 对电动机自动控制方案的论证152.3.2 对PLC用户程序设计方案的论证16第3章 控制系统硬件设计83.1 电动机电气控制线路的设计83.1.1 电机及电器元件型号选择93.1.2 电气原理图设计93.1.3 辅助电路的设计93.2 PLC控制系统硬件部分的设计93.2.1 PLC I/O元件选型93.2.2 PLC输入/输出元件确定103.2.3 PLC型号的确定103.2.4 PLC I/O元件分配表113.2.5 PLC I/O接线图的绘制13第4章 控制系统软件设计及实现84.1 PLC梯形图总体方案设计84.1.1 PLC程序的组成及各部分程序的作用94.1.2 PLC梯形图程序的总体结构94.2 公用程序设计94.3 单周/连续程序设计144.3.1 单周/连续工作方式的顺序功能图设计154.3.2 单周/连续工作方式的程序设计164.4 手动程序设计94.5 信号显示及故障报警程序设计14第5章 电镀行车控制系统操作面板工艺设计8第6章 电镀行车控制系统使用说明书86.1 操作前的准备86.2 连续工作方式下的操作96.3 单周工作方式下的操作146.4 手动方式下的操作96.5 关机操作146.6 电镀行车的维护14参考文献38结束语36致 谢55附录A 基于PLC的电镀行车控制系统的设计图纸56附录B 电镀行车电气控制系统PLC指令表57附录C 电镀行车控制系统电气元件明细表57附录D 电镀行车控制系统的使用说明书58基于PLC的电镀行车控制系统的设计与实现摘 要 本文介绍了利用可编程序控制器对某电镀行车的工作过程进行控制的方法，简化了控制系统的接线，克服了电磁继电器动作时间长、触点抖动的缺点，提高了系统的可靠性和灵活性。利用PLC实现对电镀生产线的系统控制，使系统具有很强的适应能力，可方便完成自动，手动拉制和相互之间的切换;整个程序采用结构化的设计方法，具有调试方便，维护简单，移植性好的优点。关键词: PLC, 电镀行车, 可编程控制器, 控制Abstract This paper presents a controlling system which controls the special traveling crane for electroplating. With a PIE. This system really helps improve the reliability and laity of the controlling system. And this paper introduces the application of Rockwell PLC in the plating product line.The system can achieve auto-control and manual-control, and be switched flexibly between the two methods. Modularization is the fundamental aspect of the programming designs. Advantages of this method includes convenience for debugging, simplicity for maintenance and good transplantation.Keywords: PLC, special traveling crane for electroplating，programmable controller control， subprogramsI湖南工程学院毕业设计论文第1章 绪论1.1 控制系统在电镀行车中的作用与地位在现代的电镀行车中，一个优质、稳定的控制系统是整个电镀行车正常运行的最基本的保障，控制系统在电镀行车中的作用就好比是起着总指挥的作用。若是控制系统出现了故障，电镀行车也就处于瘫痪的地步，这样将直接影响生产的进行，无疑会给企业造成重大的损失，这对于任何一个企业来说都是不能接受的。同时，控制系统的性能的好坏也关系到电镀行车的正常运行，若是控制系统不稳定，或者经常出故障，或是不能够正常的运行，同样都会给企业的生产造成困难。另外，企业生产的工作效率也和控制系统关系密切，性能好的控制系统对效率的提高起着非常大的作用。因此，我们可以得知控制系统在电镀行车中的地位是非常重要的，它直接关系着企业生产的能否进行。所以对电镀行车控制系统的设计和制作工作要引起足够的重视。1.2 电镀行车控制系统的种类1.2.1 继电接触器控制系统继电器问世以来，一直是电气控制的主流，目前国内仍有不少厂家应用继电接触器控制系统。其中输人单元为按钮开关等主令电器、逻辑单元是支配控制系统的“程序”。它是由各种继电器的触点通过导线连接，并具有一定的逻辑功能的控制线路。输出单元包括各种阀门的控制线圈、各类接触器控制线圈及信号指示等执行元件。这种控制系统的特点是：价格便宜、性能价格比低。由于存在继电器抖动、打弧、吸合不良等现象，因此控制系统寿命短，可靠性差。因为它的自动控制功能是靠继电器的辅助触点动作来实现。而触点动作一次需要几十毫秒，所以控制速度慢，由于需要改变控制逻辑就要改变各触点间的连线，故技改难度大，同时体积大，耗能高。因此继电接触器控制方案，适用控制逻辑比较简单，所需继电器数量较少，程序固定的场合。1.2.2 单片机控制系统 用单片机可以构成各种工业控制系统。有不少控制系统是利用通用PC单片机或通用计算机。大部分都可以用单片机系统或单片机加通用机系统来代替计算机系统，特别是较大型的工业测控系统。单片机的控制逻辑由软件组成，同时软件的编写和修改方便，设计安装接线工作量相对较少，设计周期较短，其适应性较强。但其缺点是对工作环境条件要求较高，抗干扰能力不强，它适应于工作环境条件比较好的各种控制领域。如机械、冶金、纺织、国防、民用等。除通用外设(如打印机、硬盘、磁盘等)外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口，而这些外设与接口完全由主机进行管理，必然造成主机负担过重，因而出现了新的控制手段，即可编程序控制器。1.2.3 可编程序控制器控制系统1.2.3.1 可编程序控制器的特点(1) 可靠性高，抗干扰能力强；(2) 适应性强，应用灵活；(3) 编程方便，易于使用；(4) 功能强，扩展能力强 ； (5) PLC控制系统设计、安装、调试方便；(6) 维修方便，维修工作量少；(7) PLC体积小，重量轻，易于实现机电一体化。1.2.3.2 可编程序控制器的应用领域随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而功能却大大加强。目前，在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用的领域已覆盖了所有的工业企业。概括起来主要应用在以下几个方面。(1) 顺序控制；(2) 运动控制；(3) 闭环过程控制；(4) 数据处理；(5) 通信和联网。1.3 电镀行车控制系统的发展与现状在工业控制的各个领域里，小到一个简单的机电一体化设备、大到整个生产线，以及大型的工程领域里，都存在PLC控制系统的技术存在。PLC已不在是局限在逻辑上，应该理解成过程控制器，如西门子全集成自动化TIA的概念。在整个自动化领域，PLC和传动是组成自动控制的两个非常重要的部分。在主流PLC往大型化、集成化、多功能化、网络化发展的同时，还有很多分支在并列发展。我们还有很多单体化、一体化的设备，现在越来越微型化离散的控制也在同步进行。比如西门子S7-200功能强大，1000多块一个，原来是不能想象的。为满足自动控制领域各层面的不同要求，微型机、小型机的发展势头也很猛。现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量的闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制方面都得到广泛的应用。如今大、中型、甚至小型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还具有PID功能。这些功能使PLC应用于模拟量的闭环控制、运动控制、速度控制等具有了硬件基础；PLC具有输出和接收高速脉冲的功能，配合相应的传感器及伺服装置，PLC可以实现数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备（如触摸屏），可以实时显示采集到的现场数据及分析结果，为分析、研究系统提供依据；利用PLC的自检信号可实现系统监控；PLC具有较强的通信功能，可与计算机或其他智能装置进行通信和联网，从而能方便地实现集散控制。功能完备的PLC不仅能满足控制的要求，还能满足现代化大生产管理的需要。总之为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业扩印不同需要，PLC产品大致向以下几方面发展：(1) 向小型化方向发展；(2) 向高速度、大容量和智能化方向发展；(3) PLC编程工具与编程语言的多样化、高级化、标准化；(4) 向网络化方向发展；(5) 发展容错技术和故障诊断。1.4 本课题的背景意义与主要设计研究内容1.4.1 本课题的背景意义在现代工业化的电镀车间中，工业电镀生产线工位多、生产复杂，同时在电镀中，其氧化、酸洗、碱洗、电镀等许多工艺具有严重的化学污染和腐蚀，如果采用人工操作电镀行车，那么将会对现场工人的身体健康十分不利，并使工人长期处于精神高度紧张的状态。为了提高工作效率，促进生产自动化和减轻劳动强度以及保障工人的身体健康,就很有必要由工程技术人员设计出一种自动控制系统来替代人工操作，从而帮助企业解决许多人力不能为的事情，结束工人在恶劣环境下直接参与控制生产的局面，保证了人身安全。采用PLC控制系统控制该电镀行车，其突出特点表现在：电镀行车控制系统抗干扰能力大为提高，其工作的可靠性和稳定性度可大大提高。同时可以根据工艺要求迅速灵活的改变生产流程和对系统进行扩充。而且系统维护简单,使用方便,提高了生产效率、降低了工人的劳动强度。作为一名大学生，在即将面临毕业的时候，我们需要的已不仅仅是理论知识了，我们更多需要的是实践机会和个人的动手能力。新世纪以来，高等教育实现了大众化教育，培养应用型人才已成为我院办学的一个特点。因此在我们即将毕业时，学院给我们安排了为期14周的毕业设计，本次毕业设计不仅仅是要我们成功设计出控制系统，更重要的是培养我们善于解决生产中的实际问题的能力，这是为了我们以后走向工作岗位打好坚实的基础。因此对本课题的研究设计是一次很具实际意义的锻炼机会，是我们走向社会必不可少的一步。1.4.2 电镀行车控制系统设计的主要设计内容与设计要求1.4.2.1 主要设计内容(1) 绘制电镀行车各电动机M1M5的主电路的电气原理图；(2) 绘制电镀行车控制系统的PLC I/O接线图；(3) 绘制PLC程序的总体结构图、顺序功能图和梯形图（包括公用程序、手动程序、自动程序、故障显示和故障报警程序等的梯形图）；(4) 列出指令程序清单；(5) 列出电气元件明细表；(6) 绘制下述工艺图纸之一 操作面板元件布置图、接线图和安装底板的零件加工图； 电器元件安装的元件布置图、接线图和安装底板零件加工图； 信号显示屏的元件布置图、接线图和安装底板的零件加工图。(7) 编写设计说明书和使用说明书。1.4.2.2 设计要求本控制系统应能使电镀行车具有手动、单周和连续3种工作方式。要求能对本电镀行车实现起动、预停、急停等操作，具有计数、计时、短路保护、过载保护、失压保护以及故障报警和故障显示功能等。第2章 电镀行车控制系统的总体方案论证2.1 电镀行车概述2.1.1 电镀行车的用途本电镀行车是某企业电镀车间为了提高工作效率，促进生产自动化和减轻劳动强度而制造的一台起吊设备。该设备采用远距离控制，起吊物品是有待进行电镀或表面处理的各种产品零件。另外，本电镀行车拥有手动、单周和连续3种工作方式，用户可根据实际需要选择其中工作方式进行电镀产品零件，这样就大大增加了对电镀行车操作的灵活性。2.1.2 电镀行车的基本组成结构本电镀行车机械部分由传送带A、传送带B、行车和电镀槽等4部分组成，而行车又由大车、小车和吊钩等部分组成，如图2.1所示。传送带A、传送带B、大车、小车和吊钩分别由电动机M1M5拖动。其中，大车、小车和吊钩在电动机的拖动下可分别作前后、左右、上下运动，行车的起吊重量在500kg以下，起吊物品是待进行电镀和表面处理的各种产品零件。用来进行电镀和表面处理的容器是15号槽，每个槽内从左到右都有5个位置依次称为1号位、2号位5号位，每个位置都可以放置一个吊篮，因此，每个槽内共可以放置5个吊蓝。15号槽内依次装有酸液、清水、锌液、铬液、镍镉液，可分别用来对产品零件进行除锈、清洗、镀锌、镀铬和镀镍镉等处理(但在同一时间内，只需对产品零件进行镀锌或镀铬或镀镍镉处理) 。完成对产品零件的除锈、清洗、镀锌、镀铬和镀镍镉处理所需的时间分别为5分钟、2分钟、10分钟、15分钟、20分钟。图2.1 电镀车间平面示意图2.1.3 电镀行车的主要技术参数根据工厂生产实际情况可得：(1) 电镀行车传送带A和传送带B最大载重为Mmax=2500Kg，其传送带摩擦系数u=0.2，传送带速度要求为v=15m/min。 (2) 电镀行车大车最大载重为Mmax=5000Kg，其大车与导轨的摩擦系数u=0.15，大车的速度要求为v=30m/min。(3) 电镀行车小车最大载重为Mmax=1500Kg，其小车与大车的摩擦系数u=0.1，小车的速度要求为v=15m/min。(4) 电镀行车吊钩最大负重为Mmax=500Kg，其吊绳的摩擦系数可忽略不计，吊钩上升与下降的速度要求为v=15m/min。2.1.4 电镀行车的工作原理要求本电镀行车对产品零件的传送过程如下：(1) 将吊篮从传送带A送到1号槽，以对产品零件进行除锈处理。在电镀行车启动前的初始状态下，吊钩在大车和小车的拖动下处于传送带A的1号位的上方。 当按下启动按钮后，传送带A向前，将装满待电镀和表面处理的产品零件的吊篮送到15号位。传送到位后，吊钩下降。 下降到位后，小车向右一小段距离，以使吊钩钩住吊篮。 钩住吊篮后，吊钩上升。 吊钩将吊篮提升到位后，大车向前(小车不动)，将吊篮送到1号槽的1号位的上方。 将吊篮送到位后，吊钩下降，将吊篮送到1号槽中的1号位，以对产品零件进行除锈处理。 吊钩下降到位后，小车向左一小段距离，以使吊钩脱离吊篮。 吊钩脱离吊篮后，吊钩上升。 上升到位后，大车向后，小车向左，拖动吊钩到传送带A的2号位的上方。 吊钩到达传送带A的2号位的上方后，吊钩下降。 以后重复上述过程，依次将各吊篮从传送带A的25号位送到1号槽的25号位。当行车将第5个吊蓝送到1号槽的5号位后，重复上述第(7)、(8)步过程，使吊钩脱离吊篮并上升。上升到位后，大车不动，小车向左，拖动吊钩回到1号槽的1号位的上方。等待下一步传送工作的进行。(2) 将吊篮从1号槽送到2号槽，以对产品零件进行清洗。当1号槽1号位的吊篮中的产品零件经酸液进行了5分钟的除锈处理后，重复类似于上述(1)(13)步的过程，依次将各吊篮从1号槽中的15号位送到2号槽的15号位，以对产品零件进行清洗。将各吊篮送到位后，应使吊钩回到2号槽的1号位的上方。等待下一步传送工作的进行。(3) 将吊篮从2号槽送到3号槽，以对产品零件进行镀锌处理。当2号槽1号位的吊篮中的产品零件经清水进行了2分钟的清洗后，若需对产品零件进行镀锌处理，则应重复类似于上述(1)(13)步的过程，依次将各吊篮从2号槽中的15号位送到3号槽的15号位，以对产品零件进行镀锌处理。将各吊篮送到位后，应使吊钩回到3号槽的1号位的上方。等待下一步传送工作的进行。(4) 将吊篮从2号槽送到4号槽，以对产品零件进行镀铬处理。当2号槽1号位的吊篮中的产品零件经清水进行了2分钟的清洗后，若需对产品零件进行镀铬处理，则应重复类似于上述(1)(13)步的过程，依次将各吊篮从2号槽中的15号位送到4号槽的15号位，以对产品零件进行镀铬处理。将各吊篮送到位后，应使吊钩回到4号槽的1号位的上方。等待下一步传送工作的进行。(5) 将吊篮从2号槽送到5号槽，对产品零件进行镀镍镉处理。当2号槽1号位的吊篮中的产品零件经清水进行了2分钟的清洗后，若需对产品零件进行镀镍镉处理，则应重复类似于上述(1)(13)步的过程，依次将各吊篮从2号槽中的15号位送到5号槽的15号位，以对产品零件进行镀镍镉处理。将各吊篮送到位后，应使吊钩回到5号槽的1号位的上方。等待下一步传送工作的进行。(6) 将吊篮从3或4、5号槽送到传送带B，以将经镀锌或镀铬、镀镍镉处理过的产品零件运走。当3或4、5号槽的1号位的吊篮中的产品零件经过了10或15、20分钟的镀锌或镀铬、镀镍镉处理后，重复类似于上述(1)(13)步的过程，依次将各吊篮从3或4、5号槽中的15号位送到传送带B的15号位，以将经镀锌或镀铬、镀镍镉处理过的产品零件运走。将各吊篮送到传送带B后，应使吊钩回到传送带A的1号位的上方。等待下一个循环的传送工作的进行。2.2 对电镀行车控制系统的设计要求2.2.1 对工作方式的设计要求(1) 为了适应电镀行车控制系统的调试、检查和操作方便的需要，应使电镀行车控制系统具备手动、单周和连续三种工作方式。(2) 应具有对上述三种工作方式的自由选择功能。(3) 为了避免程序混乱，应能避免在同一时间内电镀行车按两种或两种以上的工作方式运行。2.2.2 对单机控制的设计要求在电镀产品零件的过程中，要求能按下某一步就运行某一步，即当遇到电镀特殊工艺要求时能实现人工单步操作。2.2.3 对全机控制的设计要求(1) 在单周和连续工作方式下，当下述初始条件中的任何一个不具备时，应避免电镀行车启动运行： 行车大车在初始位置； 行车小车在初始位置； 吊钩在初始位置。(2) 在单周和连续工作方式下，应能使电镀行车按照预先规定的工艺流程运行。(3) 在电镀产品零件的过程中，如遇到任何一步不能正常完成，应能使电镀行车立即自动停车。(4) 在连续工作方式下，应能对电镀行车工作循环次数和一个循环完成时间进行累计，具备计数和计时功能。(5) 应能保证操作人员随时都能使电镀行车紧急停车。2.2.4 对控制系统保护的要求为了能够保障电镀行车及其控制系统的安全，应使控制系统具备以下保护功能：(1) 短路保护(2) 过载保护(3) 失压保护(4) 吊钩紧急制动2.2.5 对信号显示和故障报警的设计要求(1) 在任何工作方式下，信号显示系统都能显示电镀行车及其传送带运行的全过程。(2) 信号显示系统应能显示控制系统的电源的工作状态，电动机的工作状态，控制系统的工作方式。(3) 当任何一台电动机的过载保护动作时，信号显示系统应能显示发生过载故障的电动机，故障报警系统应能发出音响故障信号。2.3 控制系统总体方案的论证2.3.1 对电动机自动控制方案的论证电镀行车控制系统控制对象传送带A、传送带B、大车、小车、吊钩的运动都是由电动机拖动，在电镀行车控制系统单机手动、全机半自动以及全机全自动工作方式下，这些电动机的运动都有一定的顺序，电动机运动的先后顺序就构成了电镀行车工作的各个阶段。从工艺流程来看，对于电镀行车每一阶段的运动都需要设置一个控制回路来对其进行控制，每一控制回路都需要设置一个继电器。在这种情况下，如果对拖动这些部件的电动机仍采用继电器控制方案来控制的话，则需采用大量的继电器，这势必会大大增加控制系统的安装、接线工作量，降低控制系统的工作可靠性，增大故障率和查找故障的难度。此外，电镀产品零件的工艺流程一旦发生变动而要求修改其控制程序时，则需花费大量的时间和精力来更改硬件线路中各元件的连接关系，这就给控制系统日后的技术改造工作埋下了很大的隐患。而采用单片机控制方案或PLC控制方案来控制的话，则不需采用一个硬件继电器，因此，可以克服由采用继电器控制方案带来的上述所有缺点。于是电镀行车各电动机拖动的控制方案选择就缩小到单片机控制和PLC控制这两种方案的范围了。虽然单片机控制方案的成本比PLC控制方案较低，但将它应用于电镀行车控制系统时，需要为它设计和制作大量的输入/输出接口电路、放大电路和印刷电路板。而PLC本身就是一个独立的控制设备，如采用PLC控制方案，则不需要为PLC设计和制作输入/输出接口电路、放大电路和印刷电路板，因此，相对于PLC控制方案而言，单片机控制方案所需的电路设计、制作工作量较大，设计、制作周期较长，此外，单片机控制系统的抗扰能力没有PLC控制系统的强，工作的可靠性也没有PLC控制系统的高，其编程方法也不如PLC控制系统的简单，而它对工作环境的要求却比PLC控制系统的高。综上所述，作者决定对电镀行车控制系统的电动机系统采用PLC控制方案控制。2.3.2 对PLC用户程序设计方案的论证由于电镀行车控制系统各个阶段数量很多、控制关系较复杂，因此，如果将公用程序、各种工作方式的控制程序、信号显示和故障报警程序“混合”在一起设计，则各程序间必然会相互“牵连”，从而使设计和修改程序的难度成倍增大，且出现故障时故障点难以查找。为此作者决定在PLC用户程序程序设计中，采用模块化设计方案，即将不同功能的程序放在不同的模块中设计。这样，可以省去各部分程序之间复杂的连锁关系，使得每一部分的程序都可以单独设计和修改，也就是说设计和修改某一部分程序时，不必担心会对另一部分程序造成影响。基于PLC的电镀行车控制系统的公用程序、手动程序、信号显示和故障报警程序不存在步的转换问题，程序中各回路间的关系不相同，且没有规律可循，因此，对这几部分程序只能采用经验法设计。而手动、单周和连续工作方式的工作过程都是一步一步按顺序进行的，所以，对这几种工作方式的程序决定采用顺序控制法设计，这样做不但可以使这几种工作方式的程序的设计工作变得思路清晰和简单，而且设计出来的程序非常规范，便于阅读理解。程序中各回路间的连锁关系也变得十分简单，便于程序的修改。第3章 控制系统硬件设计3.1 电动机电气控制线路的设计3.1.1 电机及电器元件型号选择3.1.1.1 传送带电机选择根据工厂生产实际要求：电镀行车传送带A和传送带B最大载重为Mmax=2500Kg，其传送带摩擦系数u=0.2，传送带速度要求为v=15m/min，由电机功率计算公式 (3.1) (3.2)得出P=1250W, 由此查电动机选型与应用可选型号为Y100L1-4的电动机2台分别作为传送带A、B的拖动电机，其额定功率为2.2KW，额定电压为交流380V，额定电流为5A，功率因数为0.81，额定转速1430r/min。3.1.1.2 大车电机选择根据电镀行车大车实际情况：电镀行车大车最大载重为Mmax=5000Kg，其大车与导轨间的摩擦系数u=0.15，大车的速度要求为v=30m/min，由电机功率计算公式(3.1)(3.2)可得出P=3750W，由此查电动机选型与应用可选型号为Y112M-6的电动机1台作为大车的拖动电机，其额定功率为6KW，额定电压为交流380V，额定电流为9.8A，额定转速为1500r/min。3.1.1.3 小车电机选择根据电镀行车小车实际情况：电镀行车小车最大载重为Mmax=1500Kg，小车与导轨间的摩擦系数u=0.1，小车的速度要求为v=15m/min，由电机功率计算公式(3.1)(3.2)可得出P=375W，由此查电动机选型与应用可选型号为Y100L1-4的电动机1台作为小车的拖动电机，其额定功率为2.2KW，额定电压为交流380V，额定电流为5A，功率因数为0.81，额定转速1430r/min。3.1.1.4 吊钩电机选择根据电镀行车吊钩实际情况：电镀行车吊钩最大载重为Mmax=500Kg，吊钩的速度要求为v=15m/min，由电机功率计算公式(3.1)(3.2)可得出P=3750W，由此查电动机选型与应用可选定吊钩拖动电机型号为YZR160M2-6，数量为1台，其额定功率为7.5KW，额定电压为交流380V，额定电流为19.7A，额定转速为1470r/min。3.1.1.5 电源指示灯选择根据实际情况，查低压电器维修手册可选型号为XD7信号灯1只作电源指示灯HLD, 其主要技术参数如为：额定电压为220V，颜色为绿色，变压器式结构。3.1.1.6 刀开关选择根据前面所选定的电镀行车各电机额定电流,可知配电支路的总工作电流为45A，查工厂常用电气设备手册，选用规格最小的HD-11-100/18型单投刀开关作为自动线控制系统配电支路的电源开关,数量为1只。其额定电压为380V，额定电流100A。3.1.1.7 自动开关选择(1) 用于电镀行车主电路电源端的自动开关QF1的选择由于此自动开关是用作电镀行车主电路电源端配电开关，作为该电路的短路保护电器，该电路负荷不大,所以可采用结构较为紧凑的塑料外壳式自动开关，并需在其内配备过电流电磁脱扣器。根据前面所选定的各种电机额定电流可知该主电路的总工作电流为45A，工作电压为380/220V，查低压电器维修手册，可将该塑料外壳式自动开关QF1的型号选为DZ10-100。其额定电压为交流500V，额定电流为100A，极限短路通断电流（峰值）为9000A，机械寿命为10000次，电寿命为5000次；过电流电磁脱扣器额定电流为50A，瞬时整定电流为10In=500A。(2) 用于PLC和稳压电源配电支路电源端的自动开关QF2的选择由于PLC、变压器和稳压电源配电支路的工作电压为交流220V，工作电流较小，不超过6A，查低压电器维修手册，可选用规格最小的塑料外壳式自动开关作为用于PLC、照明变压器和稳压电源配电支路电源端的自动开关QF2，其型号为DZ5-10，其额定电压为交流220V，额定电流为10A，极限短路通断电流（有效值）为1000A，电寿命为2000次；过电流电磁脱扣器额定电流为10A，其脱扣器延时特性如表3.2所示：表3.1 DZ5-10型自动开关的脱扣器延时特性试验电流1.2IN1.75IN3.5IN56IN动作时间1h20min0.240s0.2s3.1.1.8 接触器选择(1) 传送带电机接触器KM1KM4的选择根据传送带电机额定功率为2.2KW、额定电流为5A，查低压电器维修手册，选择其接触器KM1KM4型号为CJ10-20，数量为4台，其额定电压为交流380V，额定电流为20A，可控制电动机最大功率为5.5KW，1.05倍额定电压时通断能力为200A，操作频率为600次/h，电寿命为60万次，机械寿命为300万次。线圈参数：线圈电压220V，线圈匝数326016，线圈导线直径0.21，吸引线圈视在功率起动时140VA、吸持时22VA，工作功率9W，动作时间：起动时16ms，释放时18ms。(2) 大车电机接触器KM5和KM6的选择根据大车电机额定功率为6KW、额定电流为9.8A，查低压电器维修手册，选择接触器KM5和KM6型号为CJ10-30，数量为2台，其额定电压为交流380V，额定电流为30A，可控制电动机最大功率为8.5KW，吸引线圈视在功率起动时210VA、吸持时32VA。(3) 小车电机接触器KM7和KM8的选择根据小车电机额定功率=2.2KW、额定电流=5 A，可选择其接触器与传送带电机选择接触器型号相同。数量为2台，具体参数参考传送带电机接触器。(4) 吊钩电机接触器KM9和KM10的选择根据吊钩电机额定功率为7.5KW、额定电流为19.7A，查低压电器维修手册，选择其接触器KM9和KM10型号为CJ24-100，数量为2台，其额定电压为交流380V，额定电流为100A，操作频率为600次/h，电寿命为180万次，机械寿命为600万次。(5) PLC电源及PLC负载电源接触器KM选择从附图A.2可以看出，接触器KM的线圈及其两对主触头均接于220V交流线路中，这对触头用来控制PLC电源的通断，接触器KM的另外一对主触头分别接于直流稳压电源GD的24V直流输出端，用来控制PLC负载电源的通断，因此接触器KM的额定电压(即触头的额定电压)及其线圈的额定电压均应按交流220V来选，而其额定电流(即触头的额定电流)应按直流电流来选。据此，选规格最小的3TB40型接触器1只作PLC电源及PLC负载电源的控制接触器KM，并选择其线圈的额定电压为AC220V，主触头为三对常开，辅助触头为两对常开和两对常闭。其中两对主触头用来控制PLC的AV220V负载电路的通/断，另一对主触头用来控制PLC的DC24V负载电路的通/断，一对辅助常开触头作为接触器KM线圈控制回路的自保触头。该接触器的额定电压为交流380V，额定电流为9A，可控制电动机最大功率为5.5KW，1.05倍额定电压时通断能力为200A，操作频率为1200次/h，电寿命为12万次，机械寿命为800万次。(6) 吊钩电机串电阻起动接触器KM11KM13选择因为吊钩电机串电阻起动接触器的主触头接于电机转子电路中，故这些接触器的型号选择与前述控制吊钩电机的接触器KM9和KM10的选择一样，也为CJ24-100型，数量为3台。 3.1.1.9 热继电器选择(1) 传送带A、B拖动电机的热继电器FR1和FR2的选择根据传送带电机额定功率为2.2KW、额定电流为5A，查电器控制，可选用规格最小的热继电器作为传送带电机热继电器FR1和FR2，其型号为JR0-20/3D，数量为2只，极数为3，有断相保护和温度补偿功能，触头数量：1个常闭，1个常开。其额定电压为交流500V，额定电流为20A，热元件额定电流为7.2A，额定电流调节范围为4.57.2A。考虑到传送带A、B的拖动电机额定电流为5A，故热继电器的动作电流整定为5A，这样能保证热继电器在上述两台电动机过载时可靠动作。 (2) 大车拖动电机的热继电器FR3的选择根据大车电机额定电流为9.8A，查电器控制，可选用规格最小的热继电器作为大车拖动电机的热继电器FR3，其型号为JR0-20/3D，数量为1只，极数为3，有断相保护和温度补偿功能，触头数量：1个常闭，1个常开。其额定电压为交流500V，额定电流为20A，热元件额定电流为11A，额定电流调节范围为6.811A。考虑到大车拖动电机额定电流为9.8A，故热继电器的动作电流整定为9.8A，这样能保证热继电器在电动机过载时可靠动作。(3) 小车拖动电机的热继电器FR4的选择根据小车电机额定电流为5A，可选与传送带A、B拖动电机同样型号规格的热继电器JR0-20/3D作为小车拖动电机的过载保护电器。(4) 吊钩拖动电机的热继电器FR5的选择根据吊钩电机额定电流为19.7A，查电器控制，选择热继电器型号为JR0-60/3D，数量为1只，极数为3，有断相保护和温度补偿功能，触头数量：1个常闭，1个常开。其额定电压为交流500V，额定电流为60A，热继电器热元件额定电流为22A，调节范围1422A，故热继电器的动作电流整定为19.7A，这样能保证热继电器在电动机过载时可靠动作。3.1.1.10 电流继电器选择本电镀行车吊钩电机采用转子串电阻起动，起动电阻的接入和切除用电流继电器KI1KI3分别控制接触器KM11KM13来实现，查中低压电控使用技术，可选型号为LL-63的电流继电器3只，其触点数为一动合、一断开，最大整定电流值为20A，电流整定范围520A，动作时间1.1倍整定值时小于20ms，触头断开容量AC250V，电寿命10万次。3.1.1.11 中间继电器选择为了防止电动机开始起动时，起动电流由零增大到最大值的一段时间内，电流继电器还未动作，而接触器线圈通电吸合将电阻短接，使电动机变为直接起动。故在电路中设置了中间继电器，在起动时由中间继电器的常开触头来切断接触器KM11KM13的线圈回路，这样就可保证起动时转子回路接入全部电阻。查低压电器维修手册，可选型号为DZ-650的中间继电器1只，其额定电流为DC24V，动作时间小于40mm，触点容量为AV250V。3.1.1.12 制动电磁铁型号的选择电动机的机械抱闸制动器的有关技术参数由机械方面的工程技术人员提供，这里只需向机械方面的工程技术人员提供选择制动电磁铁的要求即可，即要求对大车和小车拖动电机采用通电抱闸制动方式；为了防止突然停电时吊钩上的重物自由落下，应对吊钩拖动电机采用断电抱闸制动方式。同时所有制动电磁铁的额定电压值均与前面所选定的接触器线圈的额定电压相同，即均为交流220V，这样可减少PLC负载电源的种类和电压等级的数量，便于控制机系统的设计、安装和接线。3.1.1.13 熔断器选择熔断器FU1接于直流稳压电源GD的输入电路中，它所保护的对象为直流稳压电源GD，该直流稳压电源GD向PLC的负荷供电，其负荷中没有冲击性负荷，因此，该直流稳压电源GD的输入电路中没有冲击性电流。据此，查电器控制可选型号选为RL1-15的螺旋式熔断器1只作直流稳压电源GD电路的短路保护熔断器FU1，其主要技术参数如下：URD.N=380V，IRD.N=15A，IRT.N=10A，Idl=2KA3.1.1.14 启动电阻的选择吊钩拖动电机转子回路所串附加电阻的阻值采用解析法计算，因转子回路串电阻分级起动时起动电阻计算是在对机械特性作线性化处理的前提下得出的，因此有一定的误差。具体参数计算公式如下： (3.3)(3.4)(3.5)(3.6)在式(3.6)中，m表示转子回路中所串电阻的段数，考虑到采用三段电阻启动已经够用，故这里取m=3。(3.7)(3.8)吊钩电机的额定功率为PN=7.5KW，额定电压为交流UN=380V，转子感应电动势E2N=380V，转子感应线电流I2N=19 .7A，额定电流为IN=19.7A，过载能力=2.6，额定转速为nN=1470r/min。由公式(3.3)(3.8)可得：R1=0.361；R2= 0.946；R3=2.47。查低压电器维修手册，选用型号为BT2-9的变阻器三只，其电阻选择值分别为R1=0.4；R2=1.0；R3=2.5，该变阻器适用于在小型绕线式三相异步电动机转子回路中作起动调速用，其额定电压为交流380V，电流63A，电阻值误差10%。3.1.2 电气原理图设计本自动线中的电动机控制线路，采用交流380/220V电源供电，电源开关采用刀开关与自动开关串连的组合形式，其中刀开关起隔离电源、安全检修的作用，自动开关起短路保护作用。电动机控制线路中各电机主电路接于380V电源，控制电路接于220V电源。各电机主电路采用接触器控制，并采用热继电器作过载保护，其中大车电机、小车电机和吊钩电机采用电磁抱闸制动。因实际需要，吊钩电机采用转子串电阻起动。因此，电镀行车电动机的主电路、局部照明电路、向PLC负载供电的直流稳压电源如附录A中的图A.1所示。在附图A.1所示主电路中，根据前面所确定的控制方案，各主轴电机的接触器KM1KM10的线圈由PLC控制。因此，在该图中不需再给出这些接触器的线圈控制回路。信号和故障显示采用DC24V发光二极管，因此，电路中配备了一台AC220V/DC24V变压器向该二极管电路提供24V直流电源。该电源及其整流变压器由协作单位供货。在附图A.1的自动开关QF2作为稳压电源和PLC及其负载的短路保护，接触器KM作为PLC及其负载的电源控制电器。3.1.3 辅助电路的设计3.1.3.1 PLC负载电源电路设计PLC的负载包括接触器线圈、电磁换向阀线圈、信号指示灯、电铃和蜂鸣器等五种。为了减少指示灯占用的信号显示屏的安装面积，需要选用体积较小的信号指示灯。目前在各类信号指示灯中，只有发光二极管的体积较小，因此，只能选用发光二极管作该控制系统的过程显示指示灯。由于发光二极管属直流元件，其电压等级较高的也只有24V，因此就需要为PLC负载配置一台输出电压为24V的直流稳压电源GD。此外，需要在该稳压电源的输入回路配置一只熔断器FU1作其短路保护。根据以上配置情况，可将PLC负载电源电路的电气原理图设计成如附图A.1所示的形式。但直流稳压电源GD以及向该电源供电的变压器TC由协作单位供货,作者只负责向协作单位提供这两个部分的设计原始数据。3.1.3.2 PLC及其负载的电源控制电路设计在电镀行车正常工作下，通常PLC及其负载的电源应一直处于供电状态，因此，可采用由按钮和接触器组成的启、保、停电路对它们的电源进行通/断控制。为此，需为PLC及其负载配置一只接触器KM作为其电源的通/断控制电器，并需为接触器KM的线圈控制回路配置一只接通按钮SB14和一只紧急停止按钮SB15，以对PLC及其负载的电源进行通断操作。据此，可将PLC及其负载的电源控制电路的电气原理图设计成如附图A.2所示的形式。3.1.3.3 控制系统电源指示电路设计为了让操作人员和维修人员能够及时、方便地了解基于PLC的电镀行车控制系统电源的状态，以便为进一步的操作、维修以及对故障的分析判断提供依据。因此，应为控制系统配置一只电源指示灯HLD，并应将该指示灯直接跨接到电动机主电路的相线与零线之间，如图附图A.1所示。在电源指示电路中不应串入任何开关或保护电器，以免因开关或保护电器方面的原因，造成电源指示灯不能正确地指示出电源工作状态的后果。3.2 PLC控制系统硬件部分的设计3.2.1 PLC I/O元件选型3.2.1.1 PLC运行控制开关SA1 可选规格最小的XB2-BD25型具有1对常开触点的二位置旋钮作PLC运行停止控制开关SA1。其主要技术参数如下：UN=220V，IN=5A，手柄操作位置2个，常开触点1对，没有常闭触点。3.2.1.2 工作方式选择开关型号的选择为了满足控制要求，本电镀行车控制系统设置了手动、单周和连续三种工作方式；且电镀种类也分为镀锌、镀铬和镀镍镉三种。在任何时刻，控制系统都只能选中其中的一种工作方式，绝对不能有两种或两种以上的工作方式被选中，否则将产生严重后果。由于与PLC输入点相连的一般都是电器元件的常开触点，也就是说，在任何时刻，工作方式选择开关都只能有一对常开触点闭合。例如，当工作方式选择开关打到手动工作方式这一档位时，此时只能有这一档位的触点闭合，而其余档位的触点都必须处于断开状态。通过工作方式选择开关中手动这一档位的触点闭合，其余档位的触点断开的这一状态，使与之相连接的输入继电器X的状态分别为“1”和“0”态，使得系统只执行手动工作方式的程序，其余工作方式的程序将被越过而不执行。同理，当工作方式选择开关打到单周和连续这两种工作方式中的任何一档位时，此时也只能有被选中的工作方式的档位的触点闭合，而其余档位的触点处于断开位置。由于在任何时刻都只能选中一种工作方式，所以工作方式选择开关必须有三个操作位置来对应三种工作方式。除此外，工作方式选择开关还应有一个零位。当工作方