系统课程设计论文基于PLC的自动加料机控制系统的设计.docx
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系统课程设计论文基于PLC的自动加料机控制系统的设计
【关键字】系统
摘要
近年来，在玻璃制造行业中，玻璃全电熔技术中的人工加料方式逐渐被自动加料系统取代。
自动加料系统具有操作简单、加料均匀、自动化程度高等优点，因此，一些有实力采用全电熔的玻璃产家已经开始使用自动加料设备。
为此，本人以此设计一套以PLC程序控制的自动加料设备的控制的程序。
本次设计在本着节约资金、降低成本，提高生产效率，保障人身安全的科学人性化管理的方针下对加料机机构进行自动化设计。
此设计中自动加料机控制体统就是采用以PLC为核心的自动控制技术来实现功能来实现的，这样就可以在不购买新设备的根底上对旧设备进行自动化改良，这不仅大大提高了工作的效率，使整个过程又快又稳又节约资金。
阐述了基于PLC的自动加料机控制系统的构架，并分别介绍了自动加料机的工艺要求、PLC模块I/O端口的分配、程序结构、软件的选择和系统的功能及保护。
关键词：
PLC；自动加料机；I/O端口分配；程序结构
第一章绪论
1.1设计背景和研究的意义
制造业是现代文明的支柱之一，其既占有根底地位，又处于前沿关键;它是工业发展的主体又是国民经济持续发展的根底。
而在我国的乡镇企业、私营企业，由于受资金管理等方面的限制，一般送料绝大多数是采用人工手动送料，且缺乏保护装置，这是造成“效率低，劳动强度大，事故发生概率大”等特点。
随着信息科技、市场经济的迅猛发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，尤其是随着高新科技的日新月异，产品的类型、工艺外形越来越复杂，精度要求越来越高，再加上企业经营与发展必会面对对劳工的短缺、人工成本要省力化、合理化与自动化的发展趋势！
传统的手工送料已经不能满足要求，这时自动加料机就应运而生。
在今天现代科学技术的许多领域中，什么是加料机呢？
顾名思义，加料机就是专门用于粒料，粉料，片状料，带状等材料的自动化，数控化，精确化的输送机器，是无论是轻工行业还是重工业都不可缺少的设备。
传统观念，送料机是借助于机器运动的作用力加于材料，对材料进行运动运输的机器。
近年来，由于自动控制技术、检测技术及电力电子技术的发展，作为辅助装置的送料机构自动化水平也需要越来越高。
提高自动化的水平不仅可以提高效率、产品的质量同时也能保证工人的人身安全。
在现在科学技术的许多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用，并且随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。
自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。
综上所述，在本着节约资金、降低成本，提高生产效率，保障人身安全的科学人性化管理的方针下对加料机机构进行自动化设计。
此设计中自动加料机控制体统就是采用以PLC为核心的自动控制技术来实现功能来实现的，这样就可以在不购买新设备的根底上对旧设备进行自动化改良，这不仅大大提高了工作的效率，使整个过程又快又稳又节约资金。
2.2自动加料机控制系统的技术要求
近年来，在玻璃制造行业中，玻璃全电熔技术中的人工加料方式逐渐被自动加料系统取代。
自动加料系统具有操作简单、加料均匀、自动化程度高等优点，因此，一些有实力采用全电熔的玻璃产家已经开始使用自动加料设备。
为此，本人以此设计一套以PLC程序控制的自动加料设备的控制的程序。
工艺要求如下：
自动加料机的机械系统共设计了3台电动机，分别实现加料设备的横向运动翻转运动和纵向运动。
横向运动用于实现向电熔炉内加料，翻转运动实现倒料，纵向运动实现工位的移动。
此系统总共设置3个工位，其运行的全过程是：
在初始点，系统首先检测原料仓内原料的多少，同时检测电熔炉内料液面的高低，当原料仓内原料足够而料液面低时，加料机开始启动，横向运动开始，同时加料机开始振料，电机横向运动至终点，翻转电机开始翻转一周，回到原位后，横向回退电机回退至原位，检测炉内料液面的高低，若高，则系统回归至原点，若低，纵向电机向前移动一个工位，再次循环横向向炉内送料的运动，也就是说，纵向电机每向前移动一个工位，都要重复一次向炉中送料的运动，直至重复完最后一个工位的送料运动后，纵向电机直接回到起始位置，检测料仓内料够否，检测料液面的高低，然后在重复下一个加料周期。
根据加料系统的工艺要求，绘制工艺流程图见图。
具体的控制过程如下：
1．横向运动。
横向给进电机Y0自原点左限X0出发，与此同时加料机开始给料斗加料，至右限X3处停止，此时加料机也停止给料斗加料，停顿3S，翻转电机Y2开始翻转，自上限X13翻转180°至下限X14处，停顿3S后，按原方向在翻转180°回归原位即上限X13处，翻转动作结束，横向电机自右限即X3点回退至左限X0点，此时一个环节的横向运动结束。
2．纵向运动。
纵向运动共设计了3个工位，纵向运动的过程是：
横向运动结束后，给纵向进给电机一个信号，纵向运动开始至上限X0处向下一个工位运动，即X1处，当到达X1点后，纵向运动暂停，开始一个横向运动的循环，横向运动过程如上所述。
当横向运动的一个循环结束后，纵向进给至第三个工位，即X2处，在重复横向运动此时，一个纵向循环就结束了。
3．炉内料液面检测系统。
启动加料系统最基本的一个条件就是炉内料液面降低了。
为了把炉内料液面的高低和加料系统联系起来，我们在炉内的上升道处加装一个液面检测仪器，把液面检测仪器输出的信号送到PLC中。
当系统在每个工位时，液面检测仪把它检测到的信号送入PLC主机中，PLC经过判断后，指令系统的运动状态。
4．自动称量系统。
程序中设计自动称量环节。
自动称量系统由料仓、振料机、测重传感器等组成，传感器输出信号给PLC主机，并通过程序编写实现自动称量功能。
5．料仓料位检测：
当系统在起始点X0时候，程序都要检测料仓内料的多少，当仓内料位正常而炉内料液面偏低时，系统开始或继续运行，当仓内料位低于下限时，系统报警且在此点等待加料，当工作人员及时给料仓加满料后，系统开始运行，周而复始。
6．下料检测：
料仓下口装有振料机，当横向给进电机Y0自原点X0出发，与此同时振料机开始振料，具体要下多少料，程序内有设定，程序通过称量和计算来决定振料机何时停止振料，下料检测环节就完成了。
具体情况见图1.1所示：
图1.1运动过程示意图
第二章系统硬件设计
2.2PLC的选择
（1）对输入/输出点的选择
盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。
要先弄清除控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15～20％留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。
（2）对存储容量的选择
对用户存储容量作粗略的估算。
（3）对I/O响应时间的选择
PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。
对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。
但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。
（4）对PLC结构形式的选择
在相同功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。
但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。
本设计采用三菱FX2N-32MR-001的PLC。
该PLC属于中型PLC，输入点：
16，16继电器输出,功能强大，控制能力好，性价比高。
2.3自动加料机的选择
目前市场上玻璃电熔炉自动加料机的型号主要有三种：
一是翻转进给型，二是XY型，三是YS型。
从经济方面以及本人所设计的控制系统考虑，选用翻转进给型的自动加料机最为合适。
图2.1翻转进给自动加料机
2.4电动机的选择
一、选择电动机种类应在满足生产机械对拖动性能的要求下，优先选用结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜的电动机。
电动机种类选择时应考虑的主要内容有：
（1）电动机的机械特性应与所拖动生产机械的机械特性相匹配；
（2）电动机的调速性能（调速范围、调速的平滑性、经济性）应该满足生产机械的要求。
对调速性能的要求在很大程度上决定了电动机的种类、调速方法以及相应的控制方法；
（3）电动机的启动性能应满足生产机械对电动机启动性能的要求，电动机的启动性能主要是启动转矩的大小，同时还应注意电网容量对电动机启动电流的限制；
（4）电源种类 在满足性能的前提下应优先采用交流电动机；
（5）经济性 一是电动机及其相关设备（如：
启动设备、调速设备等）的经济性；二是电动机拖动系统运行的经济性，主要是要效率高，节省电能。
二、电动机结构形式的选择
电动机的安装方式有卧式和立式两种。
卧式安装时电动机的转轴处于水平位置，立式安装时转轴则为垂直地面的位置。
两种安装方式的电动机使用的轴承不同，一般情况下采用卧式安装。
电动机的工作环境是由生产机械的工作环境决定的。
在很多情况下，电动机工作场所的空气中含有不同分量的灰尘和水分，有的还含有腐蚀性气体甚至含有易燃易爆气体；有的电动机则要在水中或其他液体中工作。
灰尘会使电动机绕组黏结上污垢而妨碍散热；水分、瓦斯、腐蚀性气体等会使电动机的绝缘材料性能退化，甚至会完全丧失绝缘能力；易燃、易爆气体与电动机内产生的电火花接触时将有发生燃烧、爆炸的危险。
因此，为了保证电动机能够在其工作环境中长期安全运行，必须根据实际环境条件合理地选择电动机的防护方式。
电动机的外壳防护方式有开启式、防护式、封闭式和防爆式几种。
（1）开启式 开启式电动机的定子两侧与端盖上都有很大的通风口，其散热条件好，价格便宜，但灰尘、水滴、铁屑等杂物容易从通风口进入电动机内部，因此只适用于清洁、干燥的工作环境。
（2）防护式 防护式电动机在机座下面有通风口，散热较好，可防止水滴、铁屑等杂物从与垂直方向成小于45°角的方向落入电动机内部，但不能防止潮气和灰尘的侵入，因此适用于比较干燥、少尘、无腐蚀性和爆炸性气体的工作环境。
（3）封闭式 封闭式电动机的机座和端盖上均无通风孔，是完全封闭的。
这种电动机仅靠机座表面散热，散热条件不好。
封闭式电动机又可分为自冷式、自扇冷式、他扇冷式、管道通风式以及密封式等。
对前四种，电动机外的潮气、灰尘等不易进入其内部，因此多用于灰尘多、潮湿、易受风雨、有腐蚀性气体、易引起火灾等各种较恶劣的工作环境。
密封式电动机能防止外部的气体或液体进入其内部，因此适用于在液体中工作的生产机械，如潜水泵。
（4）防爆式 防爆式电动机是在封闭式结构的基础上制成隔爆形式，机壳有足够的强度，适用于有易燃、易爆气体工作环境，如有瓦斯的煤矿井下、油库、煤气站等。
三、电动机额定电压的选择
电动机的电压等级、相数、频率都要与供电电源一致。
因此，电动机的额定电压应根据其运行场所的供电电网的电压等级来确定。
我国的交流供电电源，低压通常为380V，高压通常为3kV，6kV或10kV。
中等功率（约200kW）以下的交流电动机，额定电压一般为380V；大功率的交流电动机，额定电压一般为3kV或6kV；额定功率为1000kW以上的电动机，额定电压可以是10kV。
需要说明的是，笼式异步电动机在采用Y-D降压启动时，应该选用额定电压为380V、D接法的电动机。
直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V，最常用的电压等级为220V。
直流电动机一般由单独的电源供电，选择额定电压时通常只要考虑与供电电源配合即可。
四、电动机额定转速的选择
对电动机本身来说，额定功率相同的电动机，额定转速越高，体积就越小，造价就越低，效率也越高，转速较高的异步电动机的功率因数也较高，所以选用额定转速较高的电动机，从电动机角度看是合理的。
但是，如果生产机械要求的转速较低，那么选用较高转速的电动机时，就需要增加一套传动比较高、体积较大的减速传动装置。
因此，在选择电动机的额定转速时，应综合考虑电动机和生产机械两方面的因素来确定。
（1）对不需要调速的高、中速生产机械（如泵、鼓风机），可选择相应额定转速的电动机，从而省去减速传动机构。
（2）对不需要调速的低速生产机械（如球磨机、粉碎机），可选用相应的低速电动机或者传动比较小的减速机构。
（3）对经常启动、制动和反转的生产机械，选择额定转速时则应主要考虑缩短启、制动时间以提高生产率。
启、制动时间的长、短主要取决于电动机的飞轮矩和额定转速，应选择较小的飞轮矩和额定转速。
（4）对调速性能要求不高的生产机械，可选用多速电动机或者选择额定转速稍高于生产机械的电动机配以减速机构，也可以采用电气调速的电动机拖动系统。
在可能的情况下，应优先选用电气调速方案。
（5）对调速性能要求较高的生产机械，应使电动机的最高转速与生产机械的最高转速相适应，直接采用电气调速。
目前，各种形式异步电动机在我国应用非常广泛，用电量约占总发电量的60%，因此提高异步电动机运行效率所产生的经济效益和社会效益是巨大的。
在选用电动机时，以上几个方面都应考虑到并进行综合分析以确定出最终方案。
因此可以根据以上的要求来选取合适经济的电动机，由于经常启动、制动和反转的生产机械，选择额定转速时则应主要考虑缩短启、制动时间以提高生产率。
启、制动时间的长、短主要取决于电动机的飞轮矩和额定转速，应选择较小的飞轮矩和额定转速。
所以我们可以选取额定电压为380V,额定功率为4KW、额定转速720min/r的绕线式的三相异步电动机。
2.5物位传感器的选择
物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒壮固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不等而形成的界面位置。
根据具体用途分为液位、料位、界位传感器或变送器。
物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。
特别是在现代工业中，生产规模大，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。
物位测量可用于计算物料储量。
对于粉粒体，必须考虑到颗粒间有空隙，应区分密度和容重。
密度是指不含空隙的物料每单位体积的质量，即通常的质量密度，如果乘以重力加速度g，就成为重力密度r，简称为重度。
容重是包含空隙在内的每单位体积的重量v，也就是视在重度或宏观重度，它总要比颗粒物质本身的重度小，其差额决定于空隙率。
而空隙率又取决与许多因素。
例如颗粒形状、尺寸的一致程度、是否受外力压实、是否经受过振动、有无黏结性等，所以粉粒体物料的体积储量和质量储量之间不易精确换算，这是需要注意的。
阻力式料位传感器是指物料对机械运动所呈现的阻挡力。
粉末颗粒状物料比液态物质流动性差，对运动物体有明显的阻力，利用这一特点可构成各种料位传感器。
（1）重锤探索法：
在容器顶部安装由脉冲分配器控制的步进电机，此电机正转时缓缓释放悬有重锤的钢索。
重锤下降到与料面接触后，钢索受到的合力突然减小，促使力传感器发出脉冲。
此脉冲改变门电路的状态，使步进电机改变转向重锤提升，同时开始脉冲计数。
待重锤升至顶部触及行程开关，步进电机停止转动，同时计数器也停止计数并显示料位（料位值即容器全高减去重锤行程之差）。
显示值一直保持到下次探索后刷新为另一值。
开始探索的触发信号可由定时电路周期性地供给，也可以人为地启动。
不进行探索时，重锤保持在容器顶部，以免物料将重锤淹埋。
但这种方法运用了逻辑电路和数字技术，可连续测量料位值并输出数字量，是数字传感器，但其采样是周期性的，对时间而言不连续，此设计不予采用。
（2）旋桨或推板法：
这是一种位式传感器，或称料位开关。
在容器壁的某一高度处装小功率电动机，其轴伸入容器内，末端带有桨状叶片。
叶片不接触物料时，自由旋转的空载状态下电动机的电流很小，一旦料位上升到与叶片接触，转动阻力增加，甚至成堵转状态，电流显著加大。
根据电流的大小使继电器的接点动作，发出料位报警或位式控制信号。
如电机轴经过曲柄连杆机构变为往复运动，则可带动活塞或平板在容器中做推拉动作，即成推板法。
旋桨法或推板法不一定都是靠电机电流的大小时继电器接点动作，也可以利用离合器或连杆上的传动机构，在叶片或推板负载增大时改变电接点的通断状态。
所用电动机应能在长时间堵转状态下，或离合器打滑状态下，不致过热而损坏。
这类原理构成的料位开关，只能安装在容器壁上，安装高度取决于动作所对应的料位值。
应用不那么广泛，所以次设计也不予采用。
（3）音叉法：
根据物料对振动中的音叉有无阻力探知料位是否到达或超过某高度，并发出通断信号，这种原理不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。
音叉由弹性良好的金属制成，本身具有确定的固有频率，如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉体处于共振状态。
由于周围空气对振动的阻尼微弱，金属内部的能量损耗又很少，所以只需微小的驱动功率就能维持较强的振动。
当粉粒体物料触及叉体之后，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急剧衰减，音叉停振。
为了给音叉提供交变的驱动力，利用放大电路对压电元件施加交变电场，靠逆压电效应产生机械力作用在叉体上。
用另外一组压电元件的正压电效应检测振动，它把振动力为微弱的交变电信号。
再由电子放大器和移相电路，把检振元件的信号放大。
经过移相，施加到驱动元件上去，构成闭环振荡器。
在这个闭环中，既有机械能也有电能，叉体是其中的一个环节，倘若受到物料阻尼难以振动，正反馈的幅值和相位都将明显的改变，破坏了振荡条件，就会停振。
为了保护压电元件免受物料损坏和粉尘污染，将驱动和检振元件装在叉体内部，经过金属膜片传递振动。
如果在容器的上下方都装叉体，可以实现自动进料或自动出料的逻辑控制，或者把料位越限信号远传到控制室。
在控制室里的控制电路判断料位是否越限，并按要求使被控的进出料设备启停。
并且叉体的制造和装配良好时，音叉也可用于液体测量和控制。
在测量时不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。
此设计选择音叉法阻力式料位传感器。
2.6主电路电气接线图
图2.2主电路接线图
2.7I/O地址分配
表2.1I/O地址分配表
分类
元件
PLC元件
说明
输入（I）
SQ0、SQ1、SQ2
X0、X1、X2
横向运动的左限位
SQ3、SQ4、SQ5
X3、X4、X5
横向运动的右限位
SQ6
X6
翻转运动的上限位
SQ7
X7
翻转运动的下限位
物位传感器
X10、X11、X12
电熔炉物位测量
物位传感器
X13
料斗物位传感器
输出（O）
KM1
Y0
X轴前进电机
KM2
Y1
X轴后退电机
KM3
Y2
Y轴前进电机
KM4
Y3
Y轴后退电机
KM5
Y4
翻转电机倒料
KM6
Y5
翻转电机返回
KM7
Y6
料斗报警器
2.8控制电路I/O接线图
图2.3I/O接线口
第三章系统软件设计
3.1加料工艺流程图
3.1加料工艺流程图
3.2系统程序设计
以纵向运动为主，横向运动为辅，即以纵向运动来编制主程序，而把横向运动编制成子程序，当纵向运动达到每一个工位，呼叫一次子程序。
由此我们可以设计如图3.2所示程序：
图3.2程序梯形图
第四章系统仿真
4.1硬件仿真
图4.1系统硬件仿真
4.2功能介绍
该自动加料机控制系统具有以下功能：
1、原点复归功能。
2、停电保持功能。
3、亏料报警功能。
4、炉内料液面检测功能。
为了保证控制系统自动正常运行，系统还配备了如下保护装置:
1、外围行程开关，防止边界接近开关损坏时设备越位。
2、电机速度的改变可以通过变频器来实现，每个电机个配备一个变频器。
3、料仓料位通过音叉传感器来检测。
综上所述，要实现加料机的自动控制要求，单靠PLC程序控制是不够的，还需要一些必要的外围电路来辅助完成，因此，在一定程度上，优化设计或做一些合理的调整是必要的。
总结
本次PLC毕业设计与现实联系紧密，使我充分认识到了这门课程的实际意义和现实重要性。
通过本次设计我掌握了电气控制的原理设计的基本方法，并能达到熟练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，尤其是对于控制指令的使用。
基本可以熟练地进行系统外围电路设计、接线、编程、调试等工作。
作为一名学生，在设计的思想、经验等等方面难免有所欠缺和不足之处，但是，经过老师和同学们的帮助，我还是顺利的完成了课程设计。
在此，我要感谢张老师给了我这样一个把三年来的所学与实际应用相结合的锻炼机会，让我在完成毕业设计的过程中学到了很多很多。
也要感谢同学们在此期间对我的帮助。
通过本次毕业设计，我学到很多东西，不只是PLC这门课程的知识，还体会到了很多道理。
最重要的是让我明白：
坚持就是胜利。
最简单却最有效的成功方法。
致谢
毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。
本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的母校——福建电力职业技术学院，是她为我们提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长；其次我要感谢自动化工程系的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会我们做人做事的道理；尤其要感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的张老师，每有问题，老师总是耐心的解答，使我能够充满热情的投入到毕业设计中去；还要感谢我的同学们，他们热心的帮助，使我感到了来自兄弟姐妹的情谊；最后还要感谢相关资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士，感谢您们为我们提供一个良好的环境，使本次设计圆满完成。
参考文献
[1]张鹤鸣、刘耀元，《可编程控制仪器原理及应用教程》，北京大学出版社，2007年2月
[2]高南、周乐挺，《PLC控制系统编程与实现任务解析《北京邮电大学出版社，2008年12月
[3]王永华，《现代电气控制及PLC应用技术》（第2版），北京航空航天大学出版社，2008年
[4]邵祥兵，《电气控制与PLC实验指导书》，南京工程学院自动化学院，2009年3月
[5]王鑫、李威，《PLC机电控制系统应用设计技术》（第2版）电子工业出版社,2010年3月
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