基于plc的自动送料装车控制系统的设计大学论文.docx
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基于plc的自动送料装车控制系统的设计大学论文
基于PLC的自动送料装车控制系统的设计
学生：
指导教师：
摘要：
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，以微处理器为基础的通用工业控制装置——可编程序控制器（Programmablecontroller）简称PLC，由于PLC的可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单，已经广泛应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中。
对早期的PLC，凡是有继电器的地方，都可采用。
而对当今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC。
尤其是近几年来，PLC的成本下降，功能又不段增强，所以，目前PLC在国内外已被广泛应用于各个行业。
本设计采用PLC控制伺服电机，使伺服电机动作的抗干扰能力强，工作可靠性高，实现送料装车系统的小车的手动和自动化的转化，改变以往小车的单纯手动送料，并且可以按工业流程的需要实现小车的自动循环控制，减少了劳动力，提高了生产效率，实现了自动化生产；同时，由于实现了模块化结构，使系统构成十分灵活，便于在线修改，产品的适应性强。
而且本送料小车的设计是由于工作环境恶劣，不允许人进入工作环境的情况下孕育而成的。
关键词：
PLC送料小车控制程序设计
Thedesignofcontrollingintheautomaticfeedloadingsystembasedonplc
Abstract:
Withthemicroprocessor,computeranddigitalcommunicationtechnology,therapiddevelopmentofmicroprocessor-basedgeneral-purposeindustrialcontroldevices--programmablecontroller（Programmablecontroller）referredtoasthePLC,thePLC,highreliability,adaptabilitytoenvironmentstrong,flexibleandversatile,easytouse,simplemaintenance,hasbeenwidelyusedinvariousmechanicalequipmentandproductionprocessofautomaticcontrolsystem.OfearlyPLC,theplacewheretherearerelays,canbeused.Whilelittlecanbesaidoftoday'sPLCcontrolsystemwhoneedaplacethereneedstoPLC.Especiallyinrecentyears,PLC'scost,featuresegmentswithoutenhancement,therefore,thecurrentPLCathomeandabroadhasbeenwidelyusedinvariousindustries.
ThisdesignusesPLCcontrolservomotor,theservomotormovementstronganti-interferenceability,highreliabilityandworktoachieveloadingsystemfeedingthecarintomanualandautomated,manuallychangethepast,thesimplecarfeed,andindustrialprocessescanbetheneedtoimplementtheautomaticcyclecarcontrol,reducelabor,increaseproductionefficiency,automatedproduction;thesametime,asaresultofthemodularstructure,thesystemconstitutesahighlyflexible,easyonlinechange,productadaptability.Andthiscarisdesignedtofeedthepoorworkingconditions,arenotallowedtoentertheworkingenvironmentnurturedbythecircumstances.
Keywords:
PLCFeedingcarControlProgramdesign
基于PLC的自动送料装车控制系统的设计
前言
可编程序控制器（Programmablecontroller）简称PLC，它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并以成为实现工业生产自动化的支柱产品。
随着科学技术的进步和经济的发展，工业生产中广泛使用各种各样的自动线，尤其是我国加入WTO后，自动化生产线得到了更广泛的应用。
PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
制造业的控制主要以离散控制为主，PLC是该领域控制系统的首选。
制造企业为提高劳动生产率和产品质量，必然会大量采用PLC，从而为PLC应用于自动生产线行业提供广阔的前景。
在设计该PLC的自动送料装车控制系统同时总结了以往基于PLC自动送料装车控制系统设计程序的一般方法、步骤，并且把以前学过的基础课程融汇到本次设计当中来，更加深入的了解了更多的与PLC的相关知识和机械控制部分的相关知识。
1自动送料装车系统简介
1.1自动送料装车系统的特点
A．生产率高，自动化程度高；
B．结构和动作复杂；
C．振动问题突出。
1.2自动送料装车系统的应用
自动送料装车系统是用于物料输送的流水线设备，主要是用于煤粉、细砂等材料的运输装车。
自动送料装车系统一般是由给料器、传送带、小车等单体设备组合来完成特定的过程。
这类系统的控制需要动作稳定，具备连续可靠工作的能力。
通过三台电机和三个传送带、料斗、小车等的配合，才能稳定、有效率地进行自动送料装车过程。
1.3基于PLC自动送料装车系统简介
主要工作动力来源于交流伺服电机，当准确测算出系统的具体电机功率和控制节拍要求后，可以选择配套的交流伺服控制器和交流伺服电机。
此次设计要求用PLC控制，结合电气元件组合成可自动化控制的系统。
设备电气系统一般由电源、输入元件、控制中心、执行机构几部分组成。
执行机构,执行工作命令，电气行业中常见的执行机构有：
电动机（普通、带刹车、带离合）、电磁阀（控制油路或气路的通闭完成机械动作）、伺服马达（控制调节油路、气路的开度大小）等。
2检测装置
2.1传感器
传感器的定义和分类，主要介绍了传感器的定义和按照不同的观点对传感器进行分类。
2.1.1传感器的定义
信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。
微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。
随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。
传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。
最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
国际电工委员会（IEC:
InternationalElectrotechnicalCommittee）的定义为：
“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。
按照Gopel等的说法是：
“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器”。
传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。
[6]
传感器系统的原则框图，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。
为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。
在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。
成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。
传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。
有两类传感器：
有源的和无源的。
有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源，有源（a）和无源（b）传感器的信号流程无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能。
传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。
其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态（即过程）的。
对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。
对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。
按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。
各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。
传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。
用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。
常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：
光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉
气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉
压敏、温敏、流体传感器——触觉
与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。
本次设计中选用了位置传感器、称重传感器等。
2.1.2传感器分类
可以用不同的观点对传感器进行分类：
它们的转换原理（传感器工作的基本物理或化学效应）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
常见传感器按照其用途，传感器可分类为：
压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。
以其输出信号为标准可将传感器分为：
模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。
开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。
它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。
从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：
A．按照其所用材料的类别分：
金属、聚合物、陶瓷、混合物；
B．按材料的物理性质分：
导体、绝缘体、半导体、磁性材料；
C．按材料的晶体结构分：
单晶、多晶、非晶材料。
2.2定时器
本设计选用CX-10A多功能型电子定时器。
多功能电子定时器广泛应用于电热水器、电饭煲、饮水机、电取暖器、电动车充电限时、水族等家用电器及广告灯箱、路灯、草坪灌溉等，也可运用在此次设计时间的定时上。
CX-10A多功能型技术参数:
额定电压：
220V～50Hz；
定时范围：
1分钟～168小时；
工作温度：
-20～+70℃；
额定功率：
T02型--10A（2200W）。
新一代CX多功能电子定时器主要功能介绍：
A．开：
定时器一直处于开启状态；
B．关：
定时器一直处于关闭状态；
C．自动：
（执行编写的定时开/关程序状态）：
每天可设定20组不同的编程，仅单日程序达140次开，140次关；
D．倒计时：
（24小时）；
E．随机：
定时器将在10-90分钟为间隔，随机开启。
每次为20分钟。
用于特殊场合；
F．任意循环功能：
“国内首创，突破程序组的限制”。
设定一个开的时间和关的时间，然后按这个时间反复循环。
（如：
设定开20分钟，关10分钟，然后就按此时间工作）；
G．键盘锁定功能：
此功能可有效防止他人误操作删除程序，影响使用；
H．其它功能：
12/24小时制转化，夏时制，复位（reset）。
3动力装置选择
主要工作动力来源于交流伺服电机，当准确测算出系统的具体电机功率和控制节拍要求后，可以选择配套的交流伺服控制器和交流伺服电机。
3.1电动机的介绍[2]、[4]
3.1.1普通异步电机
普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变频调速的要求。
由于变频调速对电机有以下影响：
A．电动机的损耗和效率
非正弦电源下运行的电动机，除了基波产生的正常损耗外，还将出现许多附加损耗。
主要表现在定子铜损、转子铜损和铁损的增加，从而影响电动机的效率。
B．轴电压的增加
轴电压系指两个轴端的电压或轴与轴瓦之间的电压。
对于正弦波供电的电动机，主要是由于磁路不平衡引起。
对于变频器供电的电动机，通常情况下加在电动机上的各相电压是平衡的。
然而由于各相整流元件和控制元件特性的差异，可能出现某瞬间的电压失衡现象，在轴上产生较大的轴电压。
再加上转子上的谐波电压会以轴承油膜为介质形成一个对地电容，从而产生一容性电流。
对于中小容量的电动机，在非正弦电源的情况下，轴电压的影响一般也可以不考虑。
但是对于大容量电动机，特别是在高速的和采用滑动轴承的情况下。
轴电流和轴承电流的危害是不容忽视的。
轴上电压的增高，电流将通过轴和轴瓦之间的油膜流动，若达到临界润滑状态，油膜将被破坏，会有很大的电流流过油膜，从而缩短轴承寿命或损坏轴承合金，发生重大事故。
C．冲击电压及绝缘强度
一般情况下，交流电动机承受的冲击电压主要是操作过电压。
然而对于采用静止变频器供电的电动机，还需考虑变频器换流时产生的冲击电压，该冲击电压将叠加在电动机的运行电压上。
这些冲击电压不但峰值高而且出现的频度高，对电动机的对地绝缘造成威胁。
显然冲击电压的大小和电压上升速度与变频器的型式和控制方式有关。
冲击电压较大时应考虑绝缘反复承受冲击的老化和电晕放电所导致的电腐蚀问题。
在冲击电压上升速度较快时，还要考虑匝间绝缘问题。
D．横向振动及噪声
对于正弦波供电的交流电动机，由电磁、机械和通风等原因产生的振动和噪声，已经是人们长期以来关心的问题。
当采用变频器供电时，使这个问题变得更加复杂。
变频器电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分固有的空间谐波相干涉，造成了各种电磁激振力。
同时由于电动机工作的频率范围宽、转速变化范围大，很难避开电动机机械部分各种结构件的固有频率。
除此之外，对于高速传动的场合，动平衡质量和风扇的影响也将加大。
因此，为了解决这一问题，除了要考虑正弦波供电时需注意的问题（如槽配合、动平衡；气隙不均匀，转子不对称，磁中心偏离、机械结构件的刚度）之外，还应着重考虑来自电源的时间高次谐波，应使其避开电动机各部分的固有频率。
E．频繁起动问题
由于变频器电源可以在很低的频率下起动电动机，特别是对于一些大容量的调速系统，还可以使交流电动机在四象限内运行，不仅可以频繁起动，还可以频繁正反转。
为了达到节能的效果，风机可以每天起动几十次，泵类可以起动几百次，对于可逆轧机的主传动和辅助传动电动机，则起动和正反转的次数会更多。
从而使电动机经常处于循环交变应力的作用之下，给电动机的机械部分和绝缘带来疲劳和加速老化的问题。
F．轴承的问题
对于中小型电动机，特别是滚动轴承电动机，无论何种电源型式，轴承的选择都可按正常的设计方法。
这里要说明的是大型的径向滑动轴承电动机在低速运行时，由于油环带油效果差，难以保证正常的油膜，因此，轴承设计应予充分考虑。
一般也应像轧钢直流电动机那样，采用压力加油的润滑方式。
对相当于突破直流电动机极限容量的超高速规格，轴承也是电动机设计中的关键技术之一，通常采用压力油雾润滑或采用高压油顶起轴颈的方式均可获得满意效果。
G．低速时的冷却问题
通常的自带风扇的冷却方式，在许多场合下将不适用于变频器供电的变速电动机。
基速以下的恒转矩特性使电动机在低速时的电流和磁通都基本保持不变，然而此时的冷却风量却与转速的3次方成比例地减少，使散热发生困难。
因此对不能采取强迫通风的场合，除了尽可能减少各种损耗之外，还要对空气的流场和温度场进行认真地分析，减小温度分布的不均匀系数，提高线圈端部的传热性能，加强机座本身的散热能力。
对于调速范围比较宽的电动机，特别是具有恒转矩调速和恒功率调速两个运行范围的电动机，决不能采用自带风扇冷却，这种方式对高速和低速都不利，低速时冷却效果差，高速时使电动机效率严重下降。
通常当采用自带风机冷却或管道通风时，冷却风量的选择原则是每20kW的电机损耗需要1m3/s的风量。
H．电动机的稳定和扭振问题
当交流电动机运行于变频电源时，在一定的频率及负载情况下，系统可能发生不稳定性。
由于动态稳定性与系统的状态有关，因此在无限大的工频电源系统中可以稳定运行的电动机，当采用逆变器供电时就可能变得不稳定；当一台电动机专用一个变频电源时，运行稳定，而多台电动机共用一个变频电源组合传动时，就变得不稳定了。
通过对这些现象的分析，发现有以下两个原因：
即电动机固有的低频不稳定性和电动机与逆变器间相互影响造成的不稳定性。
在低频时的这种不稳定性表现为持续地振荡，也就是转子转速在同步附近的摆动。
转矩角的变化产生相应的输出转矩和功率的脉动。
如果转子振荡过大并超过失步转矩，则电动机失步。
另一方面，也可能超出逆变器的换向能力而使其保护动作。
3.1.2普通同步电机
转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。
其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n=f/p。
转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。
具有运行稳定性高和过载能力大等特点。
常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备（如轧钢机）等。
同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。
它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。
正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。
为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。
3.1.3变频电机
A．电磁设计
在普通异步电动机设计基础之上，为进一步提高变频调速电机的性能，对变频调速异步电动机的设计参数也要进行更加细致的考虑。
满足高性能要求时的变频电机设计参数的变化与设计目标之间的关系。
在设计参数和性能要求之间还必须折衷选择。
电磁设计时不能仅限于计算某一个工作状态，电磁参数的选取应使每个频率点的转矩参数满足额定参数要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，最高频率点满足转矩倍数要求，额定点效率、功率因数满足额定要求。
由于谐波磁势是由谐波电流产生的，为减小变频器输出谐波对异步电动机工作的影响，总之是限制谐波电流在一定范围内。
方式一般如下：
（a）尽可能的减小定子和转子电阻。
减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增。
（b）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。
但转子槽漏抗较大其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。
因此，电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。
（c）变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和，二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。
B．绝缘设计
电机运行于逆变电源供电环境，其绝缘系统比正弦电压和电流供电时承受更高的介电强度。
与正弦电压相比，变频电机绕组线圈上的电应力有两个不同点：
一是电压在线圈上分布不均匀，在电机定子绕组的首端几匝上承担了约80%过电压幅值，绕组首匝处承受的匝间电压超过平均匝间电压10倍以上。
这是变频电机通常发生绕组局部绝缘击穿，特别是绕组首匝附近的匝间绝缘击穿的原因。
二是电压（形状、极性、电压幅值）在匝间绝缘上的性质有很大的差异，因此产生了过早的老化或破坏。
变频电机绝缘损坏是局部放电、介质损耗发热、空间电荷感应、电磁激振和机械振动等多种因素共同作用的结果。
变频电机从绝缘方面看应具有以下几个特点：
（a）良好的耐冲击电压性能；
（b）良好的耐局部放电性能；
（c）良好的耐热、耐老化性能。
C．结构设计
在结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般应注意以下问题：
（a）普通电机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。
在设计时要充分考虑电动机构件及整体的刚度，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象；
（b）电机冷却方式：
变频电机一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动，使其在低速时保持足够的散热风量；
（c）对恒功率变频电机，当转速超过3000r/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高；
（d）变频电机承受较大的冲击和脉振，电机在组装后轴承要留有一定轴向窜动量和径向间隙，即选用较大游隙的轴承；
（e）对于最大转速较高的变频电机，可在端环外侧增加非磁性护环，以增加强度和刚度；
（f）为配合变频调速系统进行转速闭环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器，一般选用增量型光电编码器；
（g）调速系统对传动装置加速度有较高要求时，电机的转动惯量应较小，应设计成长径比较大的结构。
因此，异步电动机，变频电动机二者各有特点，由于本设计的工况环境工程成本，选择异步电机作为动力装置。
3.2电动机的选择[3]
为了保证电动机能够得到既必要又充分的过载保护，就必须全面了解电动机的性能，并给其配以合适的过继电器，进行必要的整定。
通常在选择电动机时，应考虑以下原则：
A．电动机的型号、规格和特性
电动机的绝缘材料等级有A级、E级、B级等，他们的允许温度各不相同，因而其承受过载的能力也不相同。
在选择热继电器时应引起注意的。
另外，开启式电动机散热比较容易，而封闭式电动机散热就困难的多，稍有过载，其温升就可能超过限值。
虽然热继电器的选择从原则上讲是按电动机的额定电流来考虑，但对于过载能力较差的电动机，它所配的热继电器（或热元件的额定电流就适当小些。
在这种场合，一般可以取热继电器或热元件）的额定电流为电动机的额定电流的60%~80%。
B．电动机的使用条件和负载性质
由于电动机使用条件的不同，对它的要求也不同。
如负载性质不允许停车、即便过载会使电动机寿命缩短，也不应让电动机冒然脱扣，以免生产遭受比电动机价格高许多倍的巨大损失。
这种场合最好采用有热继电器和其它保护电器有机地组合起来的保护措施，只有在发生非常危险的过载时方可考虑脱扣。
C．操作频率
当电动机的操作频率超过热继电器的操作频率时，如电动机的反接制动、可逆运转和密接通断，热继电器就不能提供保护。
这时可考虑选用半导体温度继电器进行保护。
3.3减速器的装配与调整
平行轴圆柱齿轮减速器的装配与调整，如图3.3-1所示：
图3.3-1平行轴圆柱齿轮减速器的装配与调整
A．减速器机体在装配平台上找水平，其水平度误差小于1000mm：
0.05mm，并将调好的机体用螺拴压板压紧在装配平台上。
B．从低速轴到高速轴依次调整各轴组件在机体中各自的位置。
C
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