自动装卸小车电气控制系统的设计方法.docx

自动装卸小车的电气控制系统设计目录由2第一章绪论31.1PLC的发展和历史趋势31. 2PLCH分类4按1/0点数分类4按功能分类41.3 PLC系统构成及各部分B功能51.4 PLC的基本工作原理错误!未定义书签。1.5 PLCB¾应用领域6第二章系统的硬件设计82. 1PLC机型选择82.3 分析控制规定，确定输入、输出设备82.4 主电路0设计错误！未定义书签。2.5 _L作流程.错误未定乂书签第三章系统的软件设计143. 1PLC内部资源错误！未定义书签。3.2PLC编程语言错误！未定义书签。结论17致谢18参照文献19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，由于其控制简朴，成本低，因此广泛应用与车站、码头、仓库、矿井等生产场所。但老式的接触继电器控制系统，有着其自身的缺陷。例如：整个运行过程中，小车0速度很难设定，假如太快，启动和制动时由于存在小车惯性很轻易导致物料的掉落、抛洒，这样就不能实现安全0启动。伴随经济的不停发展，运料小车B¾应用也不停扩大到各个领域。初期运料小车电气控制系统多为继电器-接触器构成B¾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,减少系统的运行费用。PLC运料小车电气控制系统具有连线简朴,控制速度快,精度高,可靠性和可维护性好,安装、维修和改造以便、设计施工调试周期短等长处。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1.1PLC日勺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（ProgrammableLogicController,PLO取代老式继电器控制装置以来，PLC得到了迅速发展，在世界各地得到了广泛应用。同步，PLC的功能也不停完善。伴随计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不停发展和顾客需求的不停提高，PLC在开关量处理0基础上增长了模拟量处理和运动控制等功能。今天的IPLC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B¾制B¾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%°伴随工厂自动化程度的不停提高和PLC市场容量基数的不停扩大，近年来PLC在工业发达国家09增长速度放缓。不过，在中国等发展中国家PLCrJ增长十分迅速。综合有关资料，2023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B¾位置。PLC是由摸仿原继电器控制原剪发展起来B¾,二十世纪七十年代B¾PLC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、次序控制、定期、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。顾客编制的控制程序体现了生产过程的工艺规定，并事先存入PLC0¾顾客程序存储器中。运行时按存储程序0内容逐条执行，以完毕工艺流程规定的操作。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（一般为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完毕一次循环操作所需的时间称为一种扫描周期。不一样型号的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，体现出迅速的长处，在微秒量级，解算IK逻辑程序不到1毫秒。它把所有09输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一种模拟量。大型PLC使用此外一种CPU来完毕模拟量0运算。把计算成果送给PLCB控制器。相似I/O点数日勺系统,用PLC比用DCS,其成本要低某些（大概能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，因此维护成本比DCS要低诸多。一种PLC的控制器，可以接受几千个I/O点（最多可达8000多种IO）o假如被控对象重要是设备连锁、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，要轻易某些。近23年来，伴随PLC价格B不停减少和顾客需求B不停扩大，越来越多0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。伴随中国经济的高速发展和基础自动化水平时不停提高，此后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。1. 2PLC改（分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相似。对PLC的分类可以根据构造、功能的差异等进行大体分类。1.2. 1按I/O点数分类PLC按其I/O点数多少一般可分为如下4类。1 .微型PLC：I/O点数不大于64点0PLC为超小型或微型PLC。2 .小型PLC：I/O点数为256点如下，顾客程序存储容量不大于8KB时为小型PLC。3 .中型PLe：I/O点数在512-2048点之间的为中型PLCo4 .大型PLCI/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PLe所具有的功能不一样可将PLC分为低级、中等、高档3类。1.高档PLe除具有中等PLC的功能外，还增长了带符号算术运算、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aJ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 .中等PLC：除具有低级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、PlD仕匕例、积分、微分控制）控制等功能，以合用于复杂控制系统。3 .低级PLe具有逻辑运算、定期、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少许的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能1.3PLC系统构成及各部分的功能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B¾半导体电路，分为系统程序存储器和顾客存储器。系统程序存储器用以寄存系统程序，包括管理程序，监控程序以及对顾客程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、RoM构成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。顾客存储器：分为顾客程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器(RAM)构成。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0¾开关信号转化成PLC内部所能接受B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B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0电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部0数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。1.4PLC日勺基本工作原理PLe采用“次序扫描，不停循环”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 .一种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伴随程序的执行变化而变化的。5 .扫描周期0¾长短由三条决定。(1)CPU执行指令0速度(2)指令自身占有0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。1.5PLC的应用领域PLC用存储逻辑替代接线逻辑，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，同步平常维护也变得轻易起来，更重要的是使同一设备通过变化程序而变化生产过程成为也许。这尤其适合多品种、小批量0生产场所。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、交通运送、环境保护及文化娱乐等各个行业，使用状况重要分为如下几类：(1)开关量逻辑控制取代老式的继电器控制电路，实现逻辑控制、次序控制，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，存在某些如温度、压力、流量、液位和速度等持续变化B¾量(即模拟量)，PLC采用对应B¾AD和D/A转换模块及多种各样日勺控制算法程序来处理模拟量，完毕闭环控制。PlD调整是一般闭环控制系统中用得较多的一种调整措施。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场所有非常广泛的应用。(3)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动B控制。一般使用专用B运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机B¾单轴或多轴位置控制模块，广泛用于多种机械、机床、机器人、电梯等场所。(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，可以完毕数据的J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0¾某些大型控制系统。(5)通信及联网PLC通信包括PLC间日勺通信及PLC与其他智能设备间日勺通信。伴随工厂自动化网络的发展，目前的PLe都具有通信接口，通信非常以便。不过，可编程控制器产品并不针对某一详细工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制规定进行设计编制。第二章系统的硬件设计2. 1PLC机型选择根据自动化电镀生产线B控制规定，我们采用了三菱PLCS7-200型号，此类型PLC无论独立运行，还是联接网络都能完毕多种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器日勺简朴控制到复杂的自动控制。其应用领域包括多种机床、纺织机械、塑料机械、电梯等行业。S7-200CPU226通讯功能完善，具有极高的性能价格比是很突出的特点，也是我们采用它的重要原因。PLC为此系统的控制关键，此系统的输入信号有两部分，一部分是原点、单周期、持续等面板控制按钮，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PLCB¾输入变量，通过PLCB¾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分析控制规定，确定输入、输出设备运料小车自动来回次序控制系统示意图，如图1所示，小车在启动前位于原位下限位开关SQl处，一种工作周期日勺流程控制规定如下：图2.1运料小车自动来回次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，首先加料定期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种工作循环。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0起动(SBl).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，起点和终点处日勺两个行程开关是用来自动控制小车时往复运动日勺，此外起点终点处应分别加一种限位保护行程开关，也应作为输入设备。即：SBlm表攵4的入输出分派表LzSR?mKMl序号X廊叭X4U1X402Y4序号JO输出1XW11YdOlKMlYWe5rCT2DJCSB2SQl现?I412JiKMJIzIOl3/sS2/4UX提13Y432KM34三34SQ3次胸14SB4/SMKM4Y4335S%5/X408X404X40918KTlF4脚46SQ6sc?XWY433JQJ/Q"77SQ3/FRlWVKTI8s©R2卜六叶三Y434A9ClIMSQ4SBlmX400X401Y430X402X403Y431X404X405X406Y432X407X408X409433X410X411X412Y434X413CMCOMSB2<11SB3DKMlSB4mKM2SB5CSQl/SQ2KM3/SQ3/SQ4/SQ5KM4/SQ6/SQ7/FRlXKTlTz-FR2-K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，采用电器元件展开日勺形式，运用图形符号和项目符号表达电路各电器元件中导电部件和接线端子连接关系日勺电路图。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一样的部位上。电气原理图具有构造简朴、层次分明B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B工艺规定，只需用一台电机分别控制小车g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Ml的正、反转，实现小车的上升和下降，接触器KM3控制电动机M2,实现小车附加料，KM4控制料斗卸料图2.3自动装卸生产线主电路图FUl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常开触点处在闭合状态，KMl线圈得电KMl常开触点闭合，Ml电机正转，小车向前运动，当小车走到槽1是撞到行程开关SQl,KMI线圈失电小车停止前进，同步SQl常开触点闭合，KM3线圈得电，升降电机正转，同步抱闸松开，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，同步KTI线圈得电，时间继电器开始计时，当到达一定期间后KTl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，同步抱闸暴死，此时按下继续前进按钮SB2小车继续前进，反复上述过程！当到达左运动限位开关SQ4是线圈KM2得电，小车返回，当抵达右限位开关SQ5是线圈KM2失电，电机停止运动！第三章系统的软件设计3. 1PLC内部资源内部根据软元件的功能不一样，提成了许多区域，如输入/输出继电器区、定期器区、计数器区、特殊继电器区等。下面分别简介下。1 .定期器：电气自动控制B¾大部分领域都需要用定期器进行时间控制，灵活地使用定期器可以编制出复杂动作B¾控制程序。它是PLC中重要B编程元件，是合计时间增量的内部器件。定期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似，但它没有瞬动触点。使用时要提前输入时间预设值。当定期器0输入条件满足时开始计时，目前值从O开始按一定0时间单位增长；当定期器的目前值到达预设值时，定期器触点动作。运用定期器的触点就可以得到控制所需的延时时间。2 .计数器：计数器可用来合计输入脉冲的个数，常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,计数器开始合计它0输入端脉冲电位上升延0次数，当计数器计数到达预定0设定值时，其常开触点闭合，常闭触点断开。3 .输入继电器：输入继电器一般均有一种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：输出继电器一般均有一种PLC上0¾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B¾开关信号。同步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似，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重要区别。它重要起逻辑控制作用。以上几种是我们在本次系统设计欧J过程中也许需要用到0PLC软元件，此外PLC尚有诸多其他H¾软元件。3. 2PLC编程语言PLC是通过运行编写B¾顾客程序实现控制任务的。PLC中的程序由系统程序和顾客程序两部分构成，系统程序由PLC生产厂家提供，它支持顾客程序的运行；顾客程序是顾客为完毕特定日勺控制任务而编写B应用程序。S7-200系列PLC日勺编程语言非常丰富，有梯形图、语句表、功能块图和次序功能图等，顾客可以选择一种编程语言，假如需要，也可混合使用几种语言编程。这些编程语言都是面向顾客0,它使控制程序0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。如下我们详细简介下梯形图的概念。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梯形图具有如下某些特点：1 .PLC日勺梯形图是“从上到下”按行绘制0,两侧的竖线类似电气控制图0电源线，一般称做母线（BUSBar）,大部分梯形图只保留左母线；梯形图B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；线圈一般代表逻辑“输出”成果,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，尚有一种输出“盒”（功能框），它代表附加的指令，如定期器、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B¾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。层次变化（接通的次序）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II.0、10.1等，输出线圈QO.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0实际状态；输出线圈只对应输出映像区0对应位，该位0¾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0多种PLC内部器件，如辅助继电器、定期器、计数器等,也不是真B¾电器元件，但具有对应B¾功能，因此一般按电气控制系统中对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，对应位为“1”，表达继电器线圈通电、常开接点闭合或常闭接点断开；对应位为“0”，表达继电器线圈断电、常开接点断开或常闭接点闭合。5 .梯形图中0继电器触点既可常开，又可常闭，其常开、常闭触点B¾数目理论上是无穷多种（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以便。对于外部输入信号，只要接入一种信号到PLC即可。6 .电气控制电路中各支路是同步加上电压并行工作时，而PLC是采用循环扫描方式工作，梯形图中各元件是按扫描次序依次执行0,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），因此控制效果同电气控制电路是基本相似B¾。但在设计梯形图时，对这种并行处理与串行处理的差异有时候应予注意,尤其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日勺PLC,不要由于对串行处理这一特点考虑不够而引起偶尔的误操作。结论PLC的编程是我们整个设计最重要的一部分,我们的编程是采用梯形图编程语言，所有时编写环节和编写要点是严格按照书本规定和教科老师的指导来编写的，因此整个编写的过程是相称严谨的。并且我们编写程序之前对电镀生产线的工作流程做了详细0¾分析，每个环节考虑都很严密，因此总B来说，这个系统B设计师比很好的。不过在编写B¾过程中我们还是碰到了诸多问题，这样的系统假如可以实际验证的话会很到程度上提高我们的动手能力。并且在编写过程中有某些小的细节我们也没有考虑到，假如说可以有足够的条件来调试的话可以大大提高我们系统的对的性。当然在后来的类似设计当中我们将会尽量的到达这些规定。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毕0。从论文选题到课题难点0处理，都予以了本人悉心地指导。范老师严谨H¾治学态度、很深0专业造诣和顽强0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0敬意和衷心B感谢！在课题完毕过程中，范老师给我提供了诸多思绪与经验，对我深入理解课题的有关知识与措施起到了重要作用。因此，我再对范老师表达诚挚的谢意。同步,也非常感谢学习期间的讲课老师和同学在学习中给我的教导和协助，谢谢！最终，向在论文研究过程中予以我协助的所有朋友表达衷心感谢!参照文献1李道霖.电气控制与PLC原理及应用M.电子工业出版社,2023.72孙海维.SIMATIC可编程控制器及应用M.机械工业出版社,2023.13廖常初.可编程控制应用技术M.重庆大学出版社,2023.34冯立明.电镀工艺与设备化学M.北京工业出版社,2023.65孙平.可编程控制器原理及应用M.高等教育出版社,2023.86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，20237黄北刚.工厂电气控制电路实例详解.北京：化学工业出版社，2023.38方承远.工厂电气控制技术.北京：机械工业出版社，20239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，202311三菱企业.S7-200可编程控制器系统手册，202312三菱企业.S7-200可编程控制器产品目录，202313汪志锋.可编程控制器原理和应用.西安：西安电子科技大学出版社，202314汪晓平.PLC可编程控制器系统开发实例导航.北京：人民邮电出版社，202315张万忠.可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，2023.12