机械机电毕业设计基于PLC的自动控制系统设计.docx
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机械机电毕业设计基于PLC的自动控制系统设计
袋装粉料自动上料系统的研发
——基于PLC的自动控制系统设计
摘要
我国目前袋装粉料的上料一般是由人工操作来完成的。
生产效率低，工人劳动强度大，环境恶劣。
为减轻工人劳动强度，提高效率，应用PLC构建控制系统来实现自动上料。
设计采用松下FP0-C32可编程程序控制器（PLC）控制整个系统，按下开始按钮，PLC控制皮带输送机运输袋装粉料，当袋装粉料靠近光电接近开关时，光电接近开关给PLC信号，PLC控制电磁阀使气缸动作把袋装粉料送到大箱体内；由PLC控制箱体内的开袋装置将袋装粉料划开，干粉利用自重落到大料斗内，随后PLC控制推袋装置将袋推出；当大料斗内的粉料碰到料位传感器时，传感器给PLC信号，PLC控制左、右两个螺旋输送机将干粉输送到左、右两个小料仓内；从而完成自动上料过程。
本文的主要工作包括：
选出合理的设计方案，绘制完整的电气原理图，选出传感器和PLC的型号，设计控制系统，编制PLC程序，完成整个系统的电气接线。
所设计的自动上料系统已经在胜利油田得到了应用，减轻工人的劳动强度，改善工作环境，提高工作效率，取得了很好的经济效益。
关键词：
料位传感器；螺旋输送机；可编程控制器
ABSTRACT
Now,baggedpowderisgenerallyexpectedtobecompletedbythemanualinourcountry.Theproductivityislow.Theworkersarelabor-intensiveandtheconditionsarepoor.Toreducethelaborintensityofworkers,improveefficiency,weusePLCtobuildacontrolsystemforautomaticfeeding.
ThedesignuseFP0-C32PLCtocontroltheentiresystem.PresstheStartbutton,thestartsignalinputPLC,PLCcontrolledconveyorbelttransportbagpowder,whenthepowderbagsapproachphotoelectricswitch,photoelectricswitchtransmitthesignaltoPLC,PLCcontrolsolenoidvalvesothatthecylindermovingthatbringthebaggedpowertothebigcase,thenPLCcontroldevicewhichisinthecasetoopenthebaggedpowderandthedrymealisself-loadingwithinthelargehopper;Whenitisintouchwithsensor,thesensorgivesthesingertothePLC,PLCcontrolleftandrighttwoscrewconveyortodeliverydrypowdertotheleftandrightwithtwosmallhopper;Whentheairbagdown,thecleanersiphonawayfloatingdrypowder,thenPlccontrolsthedevicetoreleasethebags.Afterprocess,theairbagissentoutinordertocompletetheprocessofautomaticfeeding.Inthispaper,themainfunctionsinclude:
electionofareasonabledesign;designofcontrolsystems.
Theautomaticfeedingsystemhasbeenappliedtoreducethelaborintensityandimprovetheworkingenvironment,improveworkefficiency,andachievedgoodeconomicbenefitsintheShengliOilfield.
Keywords:
Levelsensor；Spiralconveyer；Programmablecontroller.
1绪论
1.1项目研究的背景
袋装粉料像面粉、水泥、聚丙烯酰胺等应用广泛，但有些粉料对人的身体有害，我们所设计的自动上料系统是在密闭的环境中完成全部作业，避免了人与粉料的接触，改善了工人的作业环境。
所设计的自动上料系统的要求如下：
1．将提高上料的自动化程度，降低劳动强度，提高生产效率。
2．提高干粉的利用率，具有显著的经济效益。
3．符合国家环保的要求。
该方案采用全自动的方式完成上袋-开袋-倒料-收袋的工作。
用传送带输送的方式实现自动上袋；粉料袋放在平台上固定好后用划刀划开，划开后平台翻转倒料，为保证粉料没有残留，需要抖动几下，为减小粉尘的飞扬，在缓冲罐的顶部安装一个吸尘器吸收粉尘；空袋先经过积压整形，堆积整齐后推出，打包运走。
用螺旋式输送机将粉料由缓冲罐送到料仓中。
为了方便，将上料系统做成传送带、主体和分料器三个模块，以方便搬运。
“袋装粉料自动上料系统”能研制成功，提高了上料的自动化程度，改善工人的作业环境，降低劳动强度，提高生产效率，具有显著的经济效益，也符合国家环保的要求。
1.2PLC及气动自动控制的发展概况
自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。
至今，在PLC的编程语梯形图中还可以看到这些布线的影子。
直到60年代末、70年代初可编程控制器问世，随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展，以及微处理器的出现，PLC产品朝小型和超小型化方面进行了一次飞跃，最终使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。
1968年，美国通用汽车公司（GM）根据市场形势与生产发展的需要，提出了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。
要实现这个战略决策，依靠原有的工业控制装置显然不行，而必须有一种新的工业控制装置，它可以随着生产品种的改变，灵活方便地改变控制方案以满足对控制的不同要求。
1969年，著名的美国数字设备公司（DEC）根据GM的功能要求，研制出了这种新的工业控制装置，并在GM公司的一条汽车自动化生产线上首次运行取得成功口根据这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及专门用于逻辑控制的情况，称这种新的工业控制装置为可编程序控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC。
从1968年到现在，PLC经历了四次换代:
第一代PLC大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只有逻辑控制功能。
在第二代PLC产品中换成了8位微处理器及半导体存储器，PLC产品开始系列化。
第三代PLC产品随着高性能微处理器及位片式CPU在PLC中大量使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展。
第四代PLC产品不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC（Reducedinstructionsetcomputer）精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个处理器，进行多通道处理。
同时生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。
同一时期，由PLC组成的PLC网络也得到飞速发展。
PLC与PLC网络成为工厂企业中首选的工业控制装置，由PLC组成的多级分布式PLC网络成为CIMS（computer-integratedmanufacturingsystem）系统不可或缺的基本组成部分。
人们高度评价PLC及其网络的重要性，认为是现代工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。
从近年的统计数据看，在世界范围内，PLC产品的产量、销量、用量高居各种工业控制装置榜首，形成这一局面有其深刻的原因:
PLC集三电于一体。
工业自动化通常分为三类:
一类是控制开关量的逻辑控制系统，一类是控制慢连续量的过程控制系统，一类是控制快连续量的运动控制系统。
在传统上对于这三种控制系统使用不同的控制装置。
逻辑控制用电控装置（电气控制装置即继电器接触器控制柜），过程控制用电仪装置（电动单元组合仪表），运动控制用电传装置（电气传动控制装置）。
所谓三电指的就是电控、电仪、电传。
从现代控制装置来看，无论是逻辑控制、过程控制还是运动控制都使用计算机开发的控制装置，计算机成为三电一体的物质基础。
有两种实现三电一体化的思路:
一种是在网络一级实现三电一体化，逻辑控制装置、过程控制装置、运动控制装置尽管各不相同，但他们通过网络载体实现了三电一体化。
另一种思路是在控制装置一级实现三电一体化，一台控制装置既有逻辑控制功能，又有过程和运动控制功能。
DCS（distributedcontrolsystem）系统沿着前一种思路发展三电一体化，它花费较大，适合于大型自动化系统。
PLC则沿着后一种思路发展三电一体化，它灵活机动，三电集成度高，适合于各种规模的自动化系统。
随着PLC的处理器处理速度的不断提高，PLC的功能不断增多，现在发展成具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的名符其实的多功能控制器。
①PLC网络的性能价格比高。
PLC网络经过多年的发展，已成为具有3-4级子网的多级分布式网络。
加上配置强有力的工具软件，使它成为具有工艺流程显示、动态画面显示、趋势图生成显示、各类报表制作的多种功能的系统，所有这一切使PLC网络成为CIMS系统非常重要的组成部分。
而且PLC网络仅在关键部位配置冗余结构，在价格上大大低于DCS等控制系统。
②PLC的高可靠性。
PLC是一种具有很高可靠性的控制装置，在硬件上采取了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施，在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计，采用了数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列软件抗干扰措施及故障诊断技术。
PLC采用周期循环扫描方式工作，对输入输出集中进行，这种工作方式本身具有抗干扰能力。
通常，为了防止输入开关量丢失，把循环扫描的时间控制在100-200ms之内，这个时间比PLC所带的执行器的机电时间常数小得多，所以，其纠正错误输出的能力是十分强的。
1.3设计的主要任务
目前，袋装粉料大多数对人身体有害，而且现在大多数袋装粉料开袋都需要人工完成。
将现有的人工上料方式改成自动上料，在密闭的环境中完成全部动作，避免了人与粉料的接触，改善了工人的工作条件，降低劳动强度，并提高了粉料的利用率。
主要完成袋装粉料自动上料装置的自动控制部分。
主要要求如下：
（1）确定袋装粉料自动上料装置电气控制的总体设计方案；
（2）完成电气控制系统设计，绘制相关电气图；
（3）编写PLC控制系统程序
2控制方案的选择
电路部分的控制系统是整个设计的核心，选用什么样的控制方案，对整个系统的可靠运有着十分重要的意义。
2.1单片机控制
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
单片机系统设计主要包括以下几个方面的内容：
控制系统总体方案设计，包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等；选择各参数检测元件及变送器；选择单片机，并决定是自行设计还是购买成套设备。
系统硬件设计：
（1）包括接口电路，逻辑电路及操作面板；系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计，应用系统设计包含有硬件设计与软件设计两部分
（2）系统的调试与试验。
系统软件设计：
（1）可靠性设计为保证系统软件的可靠性，通常设计一个自诊断程序，定时对系统进行诊断。
在可靠性要求较高的场合，可以设计看门狗电路，也可以设计软件陷阱，防止程序跑飞。
（2）软件设计与硬件设计的统一性在单片机系统设计中，通常一个同样的功能，通过硬件和软件都可以实现，确定那些由硬件完成，那些由软件完成，这就是软件、硬件的折衷问题。
一般来说，在系统可能的情况下，尽量采用软件，因为这样可以节省经费。
若系统要求实时性比较强，则可采用硬件。
本系统中我们以MCS-51系列的8031单片机为核心，扩8kb的EEPROM2864构成最小系统。
系统控制如图2-4所示。
单片机控制的特点是I/O端口可以实现很丰富的功能。
不仅如此，其中一些I/O口还可以与一些特殊模块相结合完成更为复杂的工作。
如与捕获比较模块相结合可以实现串行通信，与A/D模块结合实现A/D转换等。
此外，I/O端口的电器特性也十分突出，几乎所有的I/O口都有20mA的驱动能力，对于一般的LED、蜂鸣器可以直接驱动无需辅助电路。
许多端口内部都集成了上拉电阻，可以方便与外围器件的接口。
图2-4单片机控制图
2.2电气控制与PLC控制
PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位。
今天的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。
PLC系统一般由以下基本功能构成：
1．控制功能
逻辑控制：
PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。
定时控制：
它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：
接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。
计数控制：
用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。
顺序控制：
在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。
2．数据采集、存储与处理功能
数学运算功能：
基本算术：
加、减、乘、除。
扩展算术：
平方根、三角函数和浮点运算。
比较：
大于、小于和等于。
正是由于以上原因，PLC己成功地应用于污水处理厂、机械加工、汽车制造、电力、冶金、纺织等领域。
目前PLC市场多以进口国外产品为主，如立石、西门子、三菱、ABB、OMRON。
大型以西门子为主，小型则被三菱和OMRON占据。
我国PLC技术水平与国外相差十年以上，特别在CPU冗余，通信网络和远程I/O技术，通信模块，编程语言，可靠性等关键技术方面相差更远，且多为技术含量低的低档产品，这也制约了PLC产品在我国的应用普及。
今后PLC不仅会取代继电器控制，而且随着网络化的发展，将成为自动控制中不可缺少的一部分。
从自动控制系统来看，为了降低袋装粉料自动上料装置研发的成本，达到减员增效的目的，就必须提高袋装粉料自动上料装置的自动化水平，一方面提高系统运行的可靠性，另一方面通过自动化水平的提高，将劳动力解放出来。
而运营成本的降低，归根到底是管理和高科技的竞争，自动化控制系统是实现这一竞争的根本保。
目前PLC在各行各业中己得到了广泛的应用，产品有从可以控制几十点小型PLC到上千点的大型PLC，而且其总线与网络能力越来越强，可方便地与上位PC机组成控制系统。
从发展来看，袋装粉料自动上料装置的自动化水平将随着国际自动化技术和设备的发展而发展。
而智能化、分布式、开放型、网络化、管控一体化是自动化发展的趋势。
如图2-5所示为PLC控制料系统图：
图2-5PLC控制图
自动上料系统的电路部分采用PLC控制系统，这个方案的特点是：
PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。
系统连线少、体积少、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和扩展性好。
而且，PLC采用集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定的定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。
另外，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
2.3方案分析比较及方案的选择
两种控制方案的比较：
（1）PLC的编程语言是梯形图而单片机是汇编语言，梯形图编程更简单一些。
（2）单片机在电路的链接上比较麻烦，而且需要一些辅助的电路来实现预定的功能，而PLC则比较简单，更容易被大众接受。
（3）如果系统的I/O点数比较多时，PLC的优势更加明显。
（4）PLC的价格比单片机贵一些，但就性价比来讲，PLC的性价比更好一些。
综合以上比较，我们决定采用方案二作为设计的方案。
3袋装粉料自动上料装置自动控制系统设计及制作
3.1系统组成与控制要求
1.自动化系统的组成
在工业自动化领域中，任何自动化系统都是由对象和自动化装置两大部分组成。
所谓对象，就是指被控制的机器和设备。
如泵、阀门、鼓风机等，都是被控制的设备，即对象。
所谓自动化装置，就是指实现自动化的工具，归纳起来可以分为以下四类:
（1）自动检测装置和报警装置:
自检测装置是在工艺过程中，对生产中的各个参数自动、连续地进行检测并显示出来。
只有采用了自动检测，才谈得上生产过程自动化问题。
自动报警装置是指用声光等信号自动地反映生产过程的情况及机器设备运转是否正常的情形。
（2）自动保护装置:
当生产操作不正常，有可能发生事故时，自动保护装置能自动地采取措施，防止事故的发生和扩大，保护人身和设备的安全。
实际上自动保护装置和自动报警装置往往是配合使用的。
（3）自动操作装置:
利用自动操作装置可以根据工艺条件和要求，自动地启动或停运某台设备，或进行交替动作。
（4）自动调节装置:
在工业过程控制中，有些工艺参数需要保持在规定的范围内，当某种干扰使工艺参数发生变化时，就由自动调节装置对生产过程施加影响，使工艺参数回到原来的规定值上。
上面四类自动化装置，在采用可编程控制器和计算机系统的控制中，类别界限己经不很明显，如自动报警、自动保护、自动操作和自动调节的功能都可以在可编程控制器和计算机系统中完成。
因此，测量仪表、计算机监控系统和被控设备，即组成了自动化系统。
2.控制要求
自动上料过程中要用到大量的阀门、泵、风机等机械设备，它们常常根据一定的程序、时间和逻辑关系定时开、停。
在自动调节系统中，这种调节、控制方式称为程序调节，我们常常称其为顺序逻辑控制。
另外，自动上料的工艺过程同其它工艺过程类似，也需要在一定的温度、压力、流量、浓度等工艺条件下进行。
但是，由于种种原因，这些数值总会发生一些变化，与工艺设定值发生偏差。
为了保持参数设定值，就必须对工艺过程施加一个作用以消除这种偏差而使参数回到设定值上来。
例如，鼓风机的出口压力需要控制在一个定值上。
将其称之为闭环回路控制。
具体要求为:
（1）螺旋输送机的控制：
控制左右螺旋输送机的电机，启动、停止，完成粉料的输送。
（2）皮带输送机的控制：
控制皮带输送机，启动、停止、前近、后退，完成粉料的上传，可以手动也可以自动。
（3）自动开袋装置控制：
开袋倒料必须要保证倒干净，袋中没有剩余，粉袋提升至进袋位置后，由一气缸将干粉袋推入缓冲罐中的平台上并控制该装置的左右爪使其固定，用前侧刀、后侧刀、长刀划开干粉袋后，抖动几下，使袋中剩余的粉料都能掉入罐中,左右爪收回,空袋落下。
（4）空袋回收装置的控制：
袋推出经挤压整形，堆积成垛打包运走。
（5）框架及粉尘处理装置的控制：
控制该装置的鼓风机将框架内的粉尘吸走,使开门时没有粉尘飘出。
3.2元器件的选择
3.2.1料位传感器的选择
LS-DCA型射频电容式物位限位开关（下称限位开关）是一种新型的物位仪表。
可对块状、颗粒状、粉末状及液态物料料仓的料位及液位进行控制或上、下限位报警，适用于高温、高压、强腐蚀、多粉尘的恶劣环境；在冶金、石油、化工、轻工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛,根据设计需要可采用此类功能的限位开关。
1.工作原理
当传感器安装于仓体上时，探极和仓壁分别相当于电容器的两个极板；由于被测物料的介电常数与空气不同，所以仓内物位发生变化时会引起探极对仓壁间的电容量发生变化，当该电容量大于用户的设定值时，限位开关内的继电器动作，输出一个开关量达到控制（或报警）的目的。
2.主要技术指标
仪表部分：
1）工作环境：
温度-10—60℃/-30—85℃湿度≤90%
2）电源电压：
AC220V±10%50Hz/DC24V
3）功耗：
≤3W
4）输出信号：
一组继电器接点输出（触点容量AC220V1A,）
5）输出延时：
内部输出延时3秒。
6）安装结构：
与传感器一体化结构。
探级部分：
a）普通型：
仓内温度：
-30-100℃
仓内压力：
常压。
仓内介质：
无腐蚀性，一般粘度，一般冲击。
b）特殊型：
仓内温度：
-30-600℃
仓内压力：
不大于4Mpa
仓内介质：
强腐蚀，高粘度，强冲击。
c）安装接头：
R1/R1.5管螺纹。
根据料仓容积和介质选用普通型的棒式探级。
5.调试方法
用户应在确定传感器探头未被物料埋没条件下进行标定，具体标定步骤如下：
第一步：
确认探头未被物料埋没（空仓或物料距离探头50cm以上），上电15分钟。
第二步：
观察“频率显示值”并记录此数值。
第三步：
用该“频率显示值”减去50便得出“动作频率值”；然后用小改锥将“动作频率值”设置到“动作频率设定”旋转数码开关上，至此标定结束。
注：
如传感器作为下限位检测，将“上/下限位”选择开关置于下限位位置。
3.2.2电磁阀的选型
电磁阀可以作为气动、液动回路自动切换或顺序控制的执行元件，这方面的应用较普遍。
电磁阀的结构并不复杂，它由两个基本功能单元组成，一是电磁线圈（电磁铁）和磁芯，另一个是滑阀，即包含数个孔的阀体。
电磁线圈带电或失电时，磁芯的运动导致流体通过阀体或被切断。
电磁阀的选择方法:
1.首先，选出阀门的有效截面积与工作的气缸相吻合的电磁阀系列。
根据以上所选工作气缸缸径和阀门的有效截面积，可选择VCA系列，其参数如表3-9所示，其特点：
适合空气用，体积小、轻；耐久性提高；耐尘、防喷流；配线方式多；可以集装，最多集装10位。
2.按照控制气缸的动作，选出电磁阀的功能。
根据工作原理只需驱动气缸让电磁阀门打开、关闭即可，所以电磁阀只需开、关两个位置，控制精度要求不高。
选择二位二通的VCA系列，直动式常闭型电磁阀。
3.电气规格的选择：
1）选择使用的电流及电压如表3-8所示：
根据需要选择DC24V。
2）选择导线引出方式
一般情况下，小型电磁阀的导线引出方式是直接出线式及L或M型插座式，大型的电磁阀是直接出线式及DIN型插座式。
电流种类
电压
标准
其它
AC（交流）
110V,220V
24V,48V,100V,200V等
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