基于PLC的自动送料控制系统设计.docx

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基于PLC的自动送料控制系统设计

摘要

自动供料系统是常见的工业生产环境，因为步进电动机的各种优点所以自动供料机的马达常选用步进电动机。

步进电动机突出的优点是它可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可靠。

步进电机最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。

随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。

除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

本课题用PLC控制步进电机使步进电机动作的抗干扰能力强，它的工作的可靠性高，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。

关键字：

可编程控制器PLC；步进电机；脉冲频率；控制

·引言

可编程控制器（ProgrammableLogicController），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，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。

近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多地采用PLC控制系统取代传统的继电-接触器控制系统。

与继电—接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电—接触器控制系统小；价格上能与继电—接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。

采用可编程控制器来实现自动供料机中的步进电机的控制对于步进电机动作的抗干扰能力，步进电机的工作的可靠性，系统构成的灵活性，步进电机的开发周期都具有实际意义。

可以在一定程度上推动步进电机、数控机床的等相关行业的发展，拓展PLC在自动化行业的应用领域，具有一定的经济和理论意义。

1绪论

1.1　本课题设计的背景

自动供料系统在当今的工业生产中有广泛的应用，步进电机应其各种特性广泛用于各种生产系统中。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

1969年美国数字设备公司（DEC）研制书世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。

但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简称PLC（programmablelogiccontroller）。

70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmablecontroller）.但由于PC容易与个人计算机（programmablecomputer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。

1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：

可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，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，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。

继电器在控制系统中主要起两种作用：

（1）逻辑运算

（2）弱电控制强电。

PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。

可编程控制器，简称PLC。

它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的的一中新型工业控制设备，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少4.功能强、通用性好5.开发周期短，成功率高6.体积小，重量轻、功耗底等特点。

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，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。

与继电——接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电——接触器控制系统小；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。

因此，进行步进电机的PLC控制系统的设计，可以推动与步进电机相关行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。

1.2本课题设计的内容

本设计将在以下几个方面对自动供料系统的步进控制进行研究和论证。

1.自动供料系统马达的选择。

综合步进电机应用的各种要求，在本课题中主要研究步进电机在自动供料系统中能满足对聊盘转动控制。

2.自动供料系统的设计。

本课题设计的自动供料系统的步进控制要求对其的控制准确度高，在PLC对步进电机的控制中要接有与步进电机型号相适配的步进电机驱动器和相关的传感器。

PLC通过步进电机驱动器才能实现对步进电机的控制。

所以本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要先考虑步进电机的经济实用再根据步进电机的相数、电流以及适配关系选择适合的步进电机驱动器。

3.自动供料系统步进控制软件的设计。

在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计出步进电机控制的要求，梯形图的编写运用FX/PCS-Win编程软件，此软件支持全部的三菱FX系列的PLC，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了维修时间。

1.3　本课题设计的目的和意义

自动供料系统是当今常见的工业生产设备,因步进电机有如下各种特点：

是控制系统中的执行单元，是一种利用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行电机。

其中步进电机最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。

随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。

由于计算机技术的发展，使得步进电动机获得了广泛的应用和普及，除了在数控机床上的应用、计算机外围设备、钟表、数字控制系统、程序控制系统以及许多航天工业装置中得到应用。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

故自动供料系统步进控制有很广泛应用价值。

随着微处理器、步进电机可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点。

步进电机的性能在很大程度上取决于步进电机控制系统，而步进电机控制系统由步进电机控制器、驱动器、系统软件等几部分组成，控制系统的每一部分对步进电机的运行性能息息相关。

目前比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。

但采用单片机控制,不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路,实现比较麻烦,而且对工业现场的恶劣环境适应性差,可靠性不高。

基于PLC控制的步进电机具有设计简单,实现方便,定位精度高,参数设置灵活等优点,在工业过程控制中使用,可靠性高,监控方便。

当下已成为当代工业自动化的主要支柱之一。

因此用PLC来控制步进电动机也是实际的控制系统中应用非常广泛，非常有实际价值。

2系统控制方案的确定

2.1　自动供料系统步进控制的概述

自动供料系统是常见的工业生产现场，其可使生产过程的装料、传送等程序实现自动化生产更可以和包装等程序结合以提高生产效率。

在自动供料系统的步进控制中主要研究的对象是对于系统的马达即步进电机的控制

步进电机是一种将数字式电脉冲信号转换成（角位移或线位移）的机电元件，它的机械位移与输入的数字脉冲有严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电机前进一步。

最早的步进电机问世于19世纪30年代，早期的步进电机由于性能较差，没有得到很好的利用。

随着电子技术、精密机械加工，特别是数字计算机的高速发展和数字控制系统的需要，使步进电机获得了飞速的发展。

目前，步进电机已经在数控机床、计算机外围设备、轧钢机自动控制、钟表工业等方面获得广泛的应用。

由于步进电机构成的开环数控机床伺服机构。

这种开环控制方式，结构简单，系统调试方便，工作可靠，成本较低。

步进电机的主要优点：

1．直接实现数字控制。

数字脉冲信号经环形分配器和功率放大后可直接控制步进电机，无需任何中间转换，这也使优于交直流电动机的地方。

2．控制性能好。

通过改变脉冲频率可在较宽的范围内实现均匀的调速，并能快速而方便地起动、反转和制动。

3．无接触式。

没有电刷和换向器也式步进电机的一个关键性的优点。

4．抗干扰能力强。

在不仅带你机的负载能力范围内，步距角不受电压、负载以及周围温度变化等各种干扰的影响，保持运行的精度。

5．误差不长期积累。

步进电机每运行一步所转过的角度与理论步距角之间总有一定的误差，在一转之内从某一步到任何一步将会一定的积累误差，但每转一圈的积累误差将为零。

6．具有自锁能力（反应式）和保持转矩（永磁式）。

2.2采用PLC的自动供料系统步进控制的优点

1、控制方式上看：

电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而plc软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。

2、工作方式上看：

电器控制并行工作，而plc串行工作，不受制约。

3、控制速度上看：

电器控制速度慢，触点易抖动；而plc通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。

4、定时、记数看：

电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；plc时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。

5、可靠、维护看：

电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；plc无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。

2.3系统设计的基本步骤

自动供料系统步进控制设计与调试的主要步骤，如下图2-1所示：

在动供料系统步进控制的设计过程中主要要考虑以下几点：

1．入了解和分析动供料系统步进控制的工艺条件和控制要求。

2．确定I/O设备。

根据动供料系统步进控制的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。

3．根据I/O点数选择合适的PLC类型。

4．分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。

5.设计动供料系统步进控制的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个步进电机控制系统设计的核心工作。

6．将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。

7．本系统控制的整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进