运料小车的PLC控制系统设计.docx
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运料小车的PLC控制系统设计
课题设计论文
课题名称:
运料小车的PLC设计
班级：
P14电气一班
姓名：
徐志浩
学号：
201403170015
指导教师：
张涛
2016年10月16日
第一章绪论
1.1课题选题背景及意义
制造业是现代经济发展中占有关键地位，它的发展状况主导着经济发展的前景，但是，在我国，大部分乡镇企业、私营企业，由于受资金管理等方面的限制，一般来说，送料绝大多数是采用人工手动送料，严重缺乏保护装置，这造成“效率低，劳动强度大，事故发生率大”等特点。
随着信息科技迅猛、市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，近年来，由于PLC控制技术的发展，送料机构自动化水平也需越来越高。
提高自动化的水平不仅可以提高生产效率，同时也能保证工人的人身安全。
传统的手工送料已经不再满足要求，这时运料小车应运而生。
运料小车专门用于粒料、粉料、片状料、带状等材料的输送，这无疑是轻、重工行业不可缺少的设备。
1.2运料小车的控制概况
从世界第一台PLC被设计出来到现在，PLC历经几次更新换代，各方面的性能得到了很大完善，技术已经完全成熟。
其中运料小车控制系统随着PLC的发展过程经历一下几个发展阶段。
（1）手动控制：
上世界六十年代末七十年代初，是PLC发展的早期阶段，那个时候便有一些工业过程运用了PLC控制系统控制运料小车，但是由于那是技术并不成熟，只能采用人工手动控制机器，初期的运料小车控制系统多采用继电器和接触器组成的复杂控制系统，这种系统不仅体积庞大，系统稳定性也不高，故障率高，也没有通信模块，操作控制极为不便，控制效果也不佳。
（2）自动控制：
至上世纪八十年代，电子科学技术飞速发展，计算机的成本及价格变得越来越低，这种情况下，很多大型企业开始采用PC机与PLC通信控制方式，这种控制方式在控制方面更加灵活。
（3）全自动控制：
本世纪开始科技迅猛发展，电子计算机的更新周期越来越短，电子设备的向着高性能，低成本发展。
运用今天高性能PLC控制运料小车可以实现完全自动化，并且能满足工业过程的各种要求，另外在设备维护也极为方便，维护成本大大降低。
1.3运料小车的发展现状
随着科学技术的发展，自动化的实现水平在国民经济的发展中起着越来越重要的作用，尤其是对机械行业的生产效率、制造精度、以及可靠性和安全性提出了更高的要求。
对于自动运料装置，目前的企业中多采用以下几种运料方式。
（1）机械手加穿梭小车式自动化输送方案：
该自动化输送系统也是自动冲压生产线中最常用的系统，它主要是由自动上料，和取料机械手以及穿梭下车组成。
目前冲压车间里由不同厂商提供的各式自动化输送系统的都是基于该机构和原理进行设计制造的。
一个取料机械手，带有中置并按工件形状排部的真空吸盘式端拾器：
负责将工件从上一压机取出安放在穿梭下车上。
一个穿梭小车：
它负责将工件由取料机械手的放置位置移送到上料机械手的取料位置。
一个带有中置端拾器的上料机械手：
负责将工件由穿梭下车拾起送入到下一台压机。
采用此种输送方案工件将通过机械手简单的“拾取和“摆放”动作由前一台压机输送到下一台轧机，其穿梭下车的主要功用是通过它的穿梭运动缩短取料和上料机械手的输送行程，从而提高整线的生产效率。
其是优点可使用于多数大中小型企业。
缺点是装置较复杂，物料的运送步骤繁多，增加了加工时间，操作不便。
（2）运用机械手进行送料方式：
机械手与小车相连，然后通过钢索与滑块相连，滑块再连接重物，重物的上升和下降控制着小车的前进与后退。
保证了操作人的安全，同时提高了生产效率。
优点是可以进行连续生产，
缺点是全部操作都需机械手，导致机械结构过多，机械故障多。
（3）新型的多机连线自动搬运送料：
这种方案是由四台开式双电2500KN压力机驱动，生产线绝大多数零部件都已国产化，其送料精度及生产效率达到国外生产线的同等水平，成本较国外生产线低廉，占用空间少。
优点是工作稳定高，步进电机控制，精度高，布矩一样大，消耗功耗低，所需电压也低。
（4）气缸传动，生产效率以及送料准确性都比较低，无法满足具体的生产需要，已经面临淘汰。
第二章总体方案论述
2.1系统控制方案设计
运料小车由两个电动机带动，沿轨道行进。
每个锅炉之间的距离为80米，卸料位置由行程开关控制，装料、卸料时间由PLC定时器控制。
为增加系统的稳定性，PLC及一些控制元件安装在一个电控柜里面，只有电动机安装在运料小车内，两个电动机同时带动小车的两个动力轮子，改善小车的平稳性能，提供足够的机械动力。
电动机和控制柜之间的线路通过划线连接，电控柜设置在轨道附近，便于操作。
为避免运料过程中煤撒到轨道上影响行程开关正常工作，将行程开关设置在轨道的外侧，而不是轨道的下方，通过轮子侧面专门做的凸起部分触碰行程开关，这样更保证了系统的安全性、可靠性。
运料小车工作示意图如图2-1所示。
可清晰直观地理解送料过程。
图2-1运料小车工作示意图
初始状态时，运料小车处于起始位置E点。
当按下启动按钮后，小车向前进到达A点（装料处）进行装料，装料时间30秒。
装料结束运料小车后退，首先在B点卸料，卸料时间为15s；卸料结束返回A点装料，装料时间30秒，装料结束向C点前进，途经B点位置不再停止，在C点卸料时间为15s；卸料结束返回A点装料，装料结束向D点前进，途径B点、C点不再停车；卸料结束返回A点装料，装料结束向E点前进卸料，途径B点、C点、D点都不再停车，E点卸料结束后，重新返回A点，如此反复。
运料小车电气控制系统主要包括可编程逻辑控制器、行程开关、接触器、电机，具体如图2-2所示。
图2-2运料小车控制系统框图
2.2PLC选型
PLC作为一种发展成熟的控制器，在现代工业过程中的应用极为广泛。
其工作原理图如图2-3所示。
图2-3PLC工作原理图
PLC控制系统的特点：
（1）PLC作为一种通用的工业主控制器，可靠性、稳定性高，在各种恶劣的工作环境都能很好地工作，不易发生故障，而且容易检修，维护方便
（2）PLC在程序编写上有多种方式，有好几种编程语言编程，它拥有好几种编程语言，包括梯形图、指令表、顺序功能图、逻辑功能图，其中梯形图最简单、直观，最为常用。
（3）PLC本身的结构设计使得其在工业过程中使用很方便，很容易控制与操作。
回到本设计中，分析运料小车的工艺流程及其控制要求等，根据需要的输入输出的端口数，本文选用日本三菱公司生产的FX1s-20MR。
PLC实物图如图2-4所示。
图2-4PLC实物图
FX1s系列PLC规格和型号
FX1s系列PLC根据I/O点的不同，有10/14/20/30共四种基本规格，基本规格中，根据PLC电源的不同，可以分为AC电源输入与DC电源输入两种基本类型；根据输出类型，可以分为继电器输出与晶体管输出两个类型。
因此，本系列PLC共有16种不同的产品可以供用户选择。
本文选用日本三菱公司生产的FX1s-20MR。
FX1s系列PLC的型号中各参数的含义如图2-5所示：
图2-5FX1s系列PLC型号各参数含义
FX1s-20MR的特点：
①采用整体式固定的I/O型结构，其中央处理器、输入/输出和电源安装于一体，结构紧凑，主要用在全部是数字量输入、数字量输出的控制点少的设备上。
②可直接连接220V电压，内置EEPROM存储器大小为8K，运算速度快，每条基本逻辑控制指令为0.55~0.7微秒，每条应用指令为3.7到几百微秒，可实现高速控制。
③该系列晶体管输出有晶体管输出和继电器输出两种方式，可输出2路100KHz脉冲，直接驱动伺服电机或者步进电机。
编程指令、编程元件较丰富，性价比高。
④具有内置式扩展功能模块与功能板，系统具有一定的扩展性能。
选用FX1s-20MR的原因：
①FX1s-20MR可编程控制器输入点数为12，输出点数为8。
设计中用到8个输入口，4个输出口，首先在I/O口数量上满足要求，并且还有拓展端口。
②FX1s-20MR主要用在全部是数字量输入、输出的控制点少的设备上，本设计中涉及到的输入量、输出量也全为数字量，并且控制点少。
③FX1s-20MR可以直接连接220V电压，对电源的要求也一般化。
运算速度快，相较本设计中需要的运算速度搓搓有余。
④相较其他功能更强大的PLC而言，这款PLC的性价比更高，因为它没有诸如A/D模块这种有其他拓展功能的模块，因而成本低于其他PLC。
2.3电动机选型
电动机根据所需电源分为直流电动机和交流电动机。
直流电动机结构上较交流电动机复杂，使用上也不如直流电动机方便，维护成本也较交流电机高，而且需要直流供电。
直流电机有自身的优点：
在调速方面，可以无级调速，调速平稳；转矩大，便于快速启动和停车。
交流电动机根据工作原理的不同，分为异步电动机和同步电动机。
异步电动机是电流通过的绕组产生了旋转的磁场，这样转子跟磁场产生相对运动切割磁感线。
同步电动机是给定子通交流电产生旋转磁场，转子同直流电，通电之后转子相当于电磁铁，这样转子和定子产生的磁场同步旋转。
因此，该系统的控制设备选择三相异步交流电动机。
在实际操作中电动机的选择要考虑很多方面。
第一个是类型的选择，根据生产机械对机械特性、启动、调速、制动性能和过载能力的要求，对各种类型的电动机进行比较。
在对启动、调速性能没有特殊要求的情况下，优先选用三相笼型异步电动机。
第二个是功率的选择，选择正确的电动机额定功率很重要，功率过大，不仅增加投资，降低电动机效率，还增加运行费用；功率太小，电动机长期在过载状态下运行，电动机过热会降低使用寿命，甚至拖动不了生产机械。
第三个是电压的选择，三相异步电动机的额定电压有380V、3000V、6000V、10000V等几种；一般当电动机的额定功率小于200KW时，往往选用380V电动机，额定功率大于200KW的选用高压电动机。
第四个是转速和外形的选择，根据传动方式和使用环境选择合适的转速和外形。
综合以上情况选择合适的电动机型号。
在设计之初，确定的电动机功率是4KW，三相交流供电，选用的电机是国产的Y160M1-8/亿佳，额定功率4KW，额定电压380V。
该电机适用于驱动无特殊要求的机械设备，该电机是连续工作制（S1）符合运料小车电机长期工作的要求，另外该款电动机有一个轴伸，按用户需要，还可制成双轴伸，这样的设计利于运料小车在机械结构方面的设计。
另外此电机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。
表2-1电动机参数
品牌/型号：
忆佳/Y160M1-8
级数：
6极
产品类型：
三相异步电动机
应用范围：
机械设备
额定功率：
4.0KW
额定转速：
720r/min
产品认证：
ISO2000
额定电压：
380V
2.4接触器选型
图2-6接触器实物图
设计中用到两个4KW的电机，通过接触器的电流大约是16A，需选交流接触器，考虑到一般交流接触器的额定电流按电动机额定电流的1.3～2倍选择，交流接触器选择的是正泰DZ47交流接触器，其额定电压380V，额定电流25A，机械寿命10万次，电气寿命15万次，符合电路的要求。
2.5热继电器选型
热继电器是在通过电流时依靠发热元件所产生的热量而动作的一种低压电器，主要用于电动机的过载保护及其它电气设备发热状态的控制，有些型号的热继电器还具有断相及电流不平衡运行的保护。
热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。
过去习惯按电动机额定电流来选用热继电器，实际上这样是不够确当的，如果保护一台重载起动的电动机，只按电动机额定电流选用，那么电动机在起动时热继电器就要脱扣，造成误动作。
因此在选用热继电器时，要考虑几个基本条件：
①电动机的容量和电压是选择热继电器的主要依据。
②按电动机所带负载性质来选用；例如是轻载还是重载，是长期工作还是短期工作等等。
③电动机的起动时间及起动电流倍数，是选用热继电器的重要依据。
如果负载惯性居大起动时间长，所选用的热继电器的整定电流应比电动机额定电流稍高，才能达到正确保护。
如果出厂的整定电流与选用值有差距，可用调节凸轮调到合适值。
④我国目前生产的热继电器，基本上适用于轻载起动长期工作，或间断长期工作的电动机保护。
对反复短时工作的电动机的保护，只有一定的适应性，而对密集起动正反转工作，及转子反接制动的电动机，则不能起到充分保护作用，在选用热继电器时必须注意这一点。
电动机的额定电流是8A，一般热继电器的额定电流选择是电动机额定电流的1.1～1.25，大约9A左右，选用的是正泰的NR2-25/Z，电流可调9～25A，额定电压380V。
虽然电动机启动电流是其额定电流的4～7倍，启动电流较大，但是为瞬时电流，时间很短，还未到热继电器的动作时间，因此不会导致热继电器误动作。
2.6断路器选型
断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。
断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。
而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。
断路器作为保护装置，本设计中用在主电路的保护上，断路器的电流选择为电路回路电流的1.5～2倍，设计中有2个4KW电动机，回路中电流大约为16A，因此选用的断路器为额定32A，正泰的DZ108-32。
2.7行程开关选型
在系统中，使用了行程开关来判断小车的位置。
行程开关是一种与运动部件有接触的位置开关，是一种小电流主令电器。
它利用生产机械运动部件的碰撞使其触点动作实现通断，产生信号，用于一定的控制程序。
行程开关实物如图2-8所示。
图2-7行程开关实物图
行程开关采用防粉尘的，市面上有感应物体的光电行程开关，有感应铁的接近开关，有感应磁铁的霍尔开关，考虑到生产现场有各种设备，以及大量的粉尘，其他几种开关都不合要求，昌得CZ-3102行程开关具有防粉尘设计，因此行程开关选用昌得CZ-3102。
表2-2元器件清单
元件
公司/型号
数量
PLC
三菱FX1s-20MR
1
电动机
忆佳/Y160M1-8
2
接触器
正泰/DZ47
2
热继电器
正泰/NR2-25/Z
2
断路器
正泰DZ108-32
1
行程开关
昌得CZ-3102
5
第三章系统硬件电路设计
3.1控制方案的设计
该系统设计以PLC作为控制核心，外部电路通过行程开关作为控制信号输入，PLC根据行程开关输入信号来确定运料小车的运动状态。
考虑到该系统设计的实际控制情况，运料小车向4个位置运料，1个装料处，再考虑前进、后退、停止信号的输入需要8个输入口。
其中SB1为前进启动，SB2为后退启动，SB3为停止，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5分别为A、B、C、D、E处的行程开关。
接触器1控制电机正转，接触器2控制电机反转；Y3、Y4分别对应料斗底门、小车底门电磁阀。
根据以上控制要求，PLC的I/O分配表如表3-1所示。
表3-1I/O分配表
输入接点
对应名称
输出节点
驱动设备
X0
前进启动SB1
Y1
KM1电机正转
X1
后退启动SB2
Y2
KM2电机反转
X2
停止SB3
Y3
料斗底门
X3
行程开关SQ1
Y4
小车底门
X4
行程开关SQ2
X5
行程开关SQ3
X6
行程开关SQ4
X7
行程开关SQ5
3.2硬件电路接线图
PLC接线原理图如图3-1，在上文已经提到选择的PLC是三菱公司的FX1s-20MR，其输入点12个，输出点8个，继电器输出方式，满足控制系统对PLC输入输出口数量的要求，小车控制方式的选择、限位停止、启动及运料小车控制系统的运行情况由PLC的输入点控制，小车前进、装料，后退、卸料由PLC的输出点控制。
图3-1PLC接线原理图
图3-1中接触器2的线圈与接触器1的常闭触点（辅助）串联在一起，接触器1的线圈与接触器2的常闭点（辅助触点）串联在一起，在硬件线路上形成互锁电路。
这样可以有效避免由于小车频繁启动、停止变换过程中接触器线圈的延时作用，导致本来处于接通状态的KM1或者KM2的主触点还没有来得及断开时，刚要接通的接触器主触点动作闭合，造成三相电机通电过程中瞬间短路。
以此完全保证同一时间只有一个接触器对电机处于接通状态，这样可以有效防止电动机的短路。
保护电动机的通电安全。
通过系统主电路与PLC的控制电路的接线，实现PLC对系统的控制。
另外保护电路热继电器FR、熔断器FU会电路电流过大，电机过载时及时动作达到保护PLC和其他硬件电路的作用。
电机正反转主电路图：
图3-2电机正反转主电路图
接触器KM1对应输出端口Y1，当小车有前进指令时，PLC输出端口Y1输出，KM1的线圈闭合，电机正转；接触器KM2对应输出端口Y2，当小车有后退指令时，KM2的线圈闭合，电机反转，小车后退。
第四章控制系统软件设计
4.1程序流程图
图4-1程序流程图
程序流程图可以给整个运送过程、程序编写一个很直观、清晰的理解。
因为本文选取了五个点（1个装料位置，4个卸料位置），在图4-1中为简洁明了呈现程序流程图的意义，因为无论是2个位置的送料还是4个位置的送料，在程序编写上原理和方法基本一致，因此在此程序流程图中，只选取了3个点（1个装料位置，2个卸料位置）进行流程图的呈现。
下面是对程序流程图的分析：
开始阶段，运料小车处于C点（如图2-1运料小车工作示意图），当按下向前启动按钮后，小车向A点（装料处）前进，路过B点（行程开关SQ2）不停车，直接过去，当检测到达C点（装料处）后，小车停止进行装料，装料时间为30秒，当装料30秒时间到，小车向后运动向B点（行程开关SQ2）前进，到达B点，小车停止进行卸料，卸料时间为15秒，15秒时间一到，小车返回A点，重新进行装料，装料时间还为30秒，装料时间到之后，小车向后退，当这次到达B点时，将不再停车，而是直接向C点进发，到达C点后进行卸料，同样卸料时间为15秒，15秒时间到之后小车返回A点再次装料，如此重复此过程。
4.2程序梯形图
图4-2程序总梯形图
4.3梯形图编程的分析
当向前启动按钮（SB1）按下，Y001（电机正转）输出并自锁，同时启动按钮SB1与SB2（向后启动）的常闭触点、SB3（停止按钮）的常闭触点、SQ1（限位开关A）的常闭点触、Y002（KM2）的常闭触点串联，当此4项中任意一项由闭合转化为断开，Y001立即断开，电机正转停止。
还可以看到与X000并联了一个T1的常开点，定时器1为卸料时间定时，每次卸完料都需回A点进行装料，电机正转小车前进，此时Y001需有输出使KM1线圈闭合。
对应的是Y002的闭合，也就是小车的后退，主要原理跟Y001的控制相同。
不同的是在限位开关B（X004）的下面并联了一个M0，在限位开关C（X005）下面串联了一个M1，限位开关D（X006）的下面串联一个M2，M0、M1、M2的作用是用来区分运料小车在相应卸料处是第一次卸料还是第二次卸料，以免发生错误，导致某些位置重复卸料或者有些位置没有卸料；如果运料小车是第一次经过中间限位开关X004，此时与之并联的M0的常开触点处于断开状态，而此时X004已经由闭合转为断开，Y002断开，小车停在中间卸料位置进行卸料。
但是如果运料小车是第二次经过中间限位开关X004，根据要求小车不停车直接通过中间卸料处，在程序上、梯形图上，由于此时与X004常闭点并联的M0是闭合状态，所以Y002不会因为碰到中间限位开关X004而断开。
同样的M1、M2的作用与M0一样。
通过运用记忆元件M0、M1、M2保证了已经卸过料的位置不会重复卸料，达到了控制目的。
X003（限位开关A）闭合，Y003接通，运料小车装料，装料时间30秒，30秒时间过后，定时器T0动作，Y002闭合，小车向后运动；同时X003断开，然后Y003断开，装料结束。
主要完成小车的卸料过程，主要原理跟装料相近，只是定时时间不同而已，在此不在赘述。
此处运用到了M0，首先可以看出当X004闭合，M0闭合并自锁；但Y001常闭与X0004串联，Y001的作用保证了只有当小车在后退过程中M0才会动作，避免小车在前进过程中经过X004中间卸料处时M0闭合并自锁；X007行程开关SQ5也即最后一个卸料位置，梯形图中可以看到当小车到达最后一个卸料位置后，M0将断开，下一轮程序重新开始。
如果M0不断开，下一轮卸料运料小车会直接隔开前几个卸料位置直接向最后一个位置前进卸料，M0的适时断开，保证了新一轮卸料过程的准确无误执行。
此处M1的作用原理跟M0的作用原理完全一样，不再多讲。
此处M2的工作原理也同M0的工作原理。
总结
结合本题目，它属于PLC控制系统中设计的一种，PLC随着科学技术的发展不断的升级换代。
运料小车的发展也随着PLC的换代历经几个阶段，从人工、半人工到无人的自动化运料。
一个很重要的问题是需要根据不同的运料情况设计满足要求的控制系统。
通过毕业设计，学会解决问题的方法。
首先进行方案的设计，多种方案还需对比求优；然后就是硬件、软件的设计，硬件电路方面得根据具体情况，然后看说明书、查参数，综合考虑选择合适的PLC、接触器等。
程序编写一般采用梯形图，方法也不一，本文是根据运料小车的运动过程直接编写的，然后反复验证，最终确定。
另外还有就是保护电路方面的设计；譬如说为防止电机的短路，不仅在硬件上将两个接触器串联互锁，而且在程序上同样有两个接触器互锁的设计。
通过此次设计，不仅巩固了以前的知识，而且有了更深的理解。
但是还存在三个没有解决的问题：
（1）论文中对运料小车的制动没有进行设计，当小车碰到行程开关需停止时，由于惯性原因势必难以停到准确的位置。
由于本人知识能力有限，未对这方面进行设计。
（2）运料小车速度即电动机转速无法调速，时间仓促，没有加变频器进行调速，运料小车的速度无法调节是本文设计的一大不足。
参考文献
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