plc课程设计工业铲车控制系统设计.docx

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plc课程设计工业铲车控制系统设计

第一章绪论

PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，PLC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。

它是随着时代发展和技术应用而发展起来的，相比传统的继电器控制系统，PLC可以使电气控制工作更可靠，更容易维修，更能适应经常变换的生产工艺要求。

它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。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

1969年，美国研制出世界第一台PDP-14，1974年，中国研制出第一台PLC，20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

PLC具有的网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

工业铲车自动化智能低，铲车又叫装载机，是往车辆或其他设备装载散状物料的自行式装卸机械。

装载机也可以进行轻度的铲掘工作，通过换装相应的工作装置，还可进行推土、起重、装卸木料及钢管等作业。

装卸机的动力强，灵活性好，操作简单。

因此广泛应用于建筑、铁路、公路、水电、巷口、矿山、农田基本建设及国防等工程中。

装载机，一般由发动机，变矩器，变速箱，前后驱动桥几个部件组成，装载机被使用在铲，装，卸，运石料和土，挖掘硬土岩石，起重物料等工地。

铲车种类很多。

有徐工15、30、50装载机，常林15、30、50装载机，柳工30、50、852装载机，厦工50，95装载机1，成工30、50装载机，常见的作业方式有I形作业法、V形作业法和L形作业法等。

根据行走系结构可分为轮胎式和履带式两种。

其中轮胎式装载机按其车架结构型式和转向方式又可分为铰接车架折腰转向、整体车架偏转车轮和差速转向装载机3种。

根据作业过程的特点可分为间歇作业式（如单斗装载机）和连续动作式（如螺旋式、圆盘式、转筒式等）装载机。

第二章工业铲车仿真模型的设计与组装

2.1驱动部分设计

工业铲车的主要动作是铲起、放下，并能作前进、后退、左转、右转的操作。

铲起和放下属于纵向移动，行走和左右转属于横向移动，所以应使用纵向和横向两种电动机。

本设计共需要3台电动机。

其中货物的铲起或放下可由纵向电动机的正反转实现，左轮的前进和后退由一台电动机正反转实现，右轮的前进和后退由另一台电动机的正反转实现，当要实现左转的时候，可让左轮的电动机不动，右轮的电动机正转前进，反之，则右转也是同样的原理。

2.2传动部分设计

纵向传动是通过纵向电动机的正向旋转带动栓着电磁铁的钢丝，使得铲头上下移动，便于货物的铲起和放下。

前进可以是左右轮的两个电动机同时正向转动，后退则是同时反向转动，左转是左轮上的电动机不动，右轮电动机正向转动；右转是右轮上的电动机不动，左轮上的电动机正向转动。

第三章控制系统设计

3.1控制要求分析

开启系统后，小车应停于初始位置，SQ1压合。

然后依次按SB1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5完成以下动作（铲起→向前0.5米→左转90度后，向前0.5米→右转90度后，向前0.5米→右转90度后，后退0.5米→放下）。

最后返回初始位置。

系统设定限位开关压合则做相应的90度旋转，旋转时间为五秒。

预停按钮的设计，可在按下预停按钮后，是小车完成一个循环后，不再进入下一次循环。

3.2程序流程图

经过对控制过程和要求的详细分析，明确了具体的控制任务就是铲起、放下、行走、左转和右转等主要任务。

确定了铲车这些必须完成的动作后，再确定动作的顺序：

纵向电机正转，电磁铁由上向下移动，铲爪抓物体，纵向电机反转，由下向上移动，左右轮电机同时正转，实现向前，左轮电机停止右轮电机正转，实现向左转，左轮电机正转右轮电机停止，实现向右转，左右轮电机同时反转，实现后退。

其工艺流程图如下

图3-1工业铲车工艺流程图

3.3主电路图

如图7-1所示为电控系统主电路。

三台电机分别为M1、M2、M3。

接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的正转运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的反转转运行。

FR1、FR2、FR3分别为三台电机的热继电器；FU为主电路的熔断器，QS为电路主开关。

图3-2

3.4电控系统控制电路

如图7-2所示为电控系统控制电路图。

图中SB1、SB2、SB3分别控制三台电机正转的启/停；SB1'、SB2'、SB3'分别控制三台电机反转的启/停。

图3-3电控系统控制电路

3.5工业铲车操作控制系统示意图

控制要求：

小车有电机驱动，电机正转前进，反转后退。

初始时，小车停于初始位置，限位开关SQ1压合。

（1）按下开始按钮，小车开始铲起物品。

8秒后铲物结束，小车按规定路线经过压合SQ2,SQ3,SQ4,前往目的地，压合SQ5放下物品。

（2）5秒后放物结束，按图路线经过压合SQ6、SQ7返回原地，压合SQ1再次开始铲起物品……如此循环。

（3）设置预停按钮，小车在工作中若按下预停按钮，则小车完成一次循环后，停于初始位置。

3.6I/O分配表

输入

输出

符号

作用

输入点

符号

作用

输出点

SB1

开始按钮

I0.0

KM1

铲起

Q0.0

SB2

预停按钮

I0.1

KM2

前进

Q0.1

SQ1

限位开关1

I0.2

KM3

后退

Q0.2

SQ2

限位开关2

I0.3

KM4

放下

Q0.3

SQ3

限位开关3

I0.4

KM5

左转90度

Q0.4

SQ4

限位开关4

I0.5

KM6

右转90度

Q0.5

SQ5

限位开关5

I0.6

SQ6

限位开关6

I0.7

SQ7

限位开关7

I1.0

.

3.7PLC的选型

本设计采用西门子公司的S7-200系列整体式PLC实现工业铲车（模型）的自动控制。

由上面分析可以知道，系统共有开关量输入点17个、开关输出点6个；故CPU模块采用CPU226（AC/DC/继电器）模块，该模块采用交流220V供电。

CPU226简介：

集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

3.8外部接线图

图3-5

3.9顺序功能图

3.10梯形图

图3-8

图3-8（续）

图3-8（续）

图3-8（续）

图3-8（续）

图3-8（续）

网络1：

接入初始化脉冲SM0.1小车启动。

网络2：

小车开始铲物并延时。

网络3：

延时时间到，小车前进。

网络4：

小车左转90度延时5秒。

网络5：

延时时间到，小车继续前进。

网络6：

小车右转90度并延时5秒。

网络7：

延时时间到，小车继续前进。

网络8：

小车右转90度并延时5秒。

网络9：

延时时间到，小车后退。

网络10：

放下物品并延时5秒。

网络11：

延时时间到，小车右转90度并延时5秒。

网络12：

延时时间到，小车前进。

网络13：

小车到达点SQ6点并向左转90度并延时。

网络14：

延时时间到，小车前进到SQ7点。

网络15：

小车左转90度并延时5秒。

网络16：

延时时间到，小车达到初始位置。

网络17：

小车前进的6步动作。

网络18：

小车右转的几步动作。

网络19：

小车左转的3步动作。

网络20：

小车后退的一步动作。

网络21：

小车放下物品的一步动作。

3.11指令表

第四章设计总结

4.1答辩问题

（1）为什么PLC具有很强的抗干扰能力？

试例举软件和硬件方面的措施予以说明。

答：

在工作原理方面，可编程序控制器采用周期循环扫描方式，在执行用户程序过程中与外界隔绝，从而大大减小外界干扰；在硬件方面，采用良好的屏蔽措施、对电源及I／O电路多种形式的滤波、CPU电源自动调整与保护、CPU与I／O电路之间采用光电隔离、输出联锁、采用模块式结构并增加故障显示电路等措施；在软件方面，设置自诊断与信息保护与恢复程序。

（2）PLC开关量输出模块若按负载使用的电源分类，可有哪几种输出模块？

若按输出的开关器件分类，可有哪几种输出分类？

答：

按负载使用的电源分类可有：

直流输出模块，交流输出模块，交直流输出模块；

若按输出开关器件分类可有：

场效应晶体管输出方式——直流输出模块，响应速度最快（可带高速小功率直流负载），可控硅输出方式——交流输出模块（可带高速大功率交流负载），继电器输出方式——交直流输出模块，响应速度较慢，但工作最可靠（可带较低速大功率交、直流负载）。

4.2总结

通过本次课程设计我对PLC有了进一步的了解，并对学过的PLC知识进行了巩固，在大学阶段学习的过程中，毕业设计是一个重要的环节，是我们步入社会参与实际工程建设的一次极好的演示，这次毕业设计让我更加熟悉了从理论到实践的跨越。

从开始的查阅图书，网上搜索，询问同学，到现在的完成整个设计，这中间有很多值得回味的地方，从中学会了示意图和流程图的绘制，并加深了对梯形图的理解和设计能力。

本设计涉及到《可编程控制技器应用技术》、《数字电子技术》等学科。

感谢肖清老师给我们进一步学习PLC控制技术的机会，通过本次课设的学习，发现自己还有许多地方需要进一步加强学习。

我相信，只要肯钻研，只要挤时间，一切自己想要的知识都可以掌握。

第五章科技文献分析

桥式起重机是横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备。

由于它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上，形状似桥。

桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。

它是使用范围最广、数量最多的一种起重机械。

传统的起重机驱动方案一般采用:

（1）直接起动电动机;

（2）改变电动机极对数调速;（3）转子串电阻调速;（4）涡流制动器调速;（5）可控硅串级调速:

（6）直流调速。

前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速:

起动电流大，对电网冲击大;常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸，瓦磨损严重;功率因数低，在空载或轻载时低于0.2—0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。

可控硅串级调速虽各服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。

该论文采用PLC控制技术，并对机构的前进、后退、左右、上下、进行了全方位检测，能严格，有效地完成测试，并能解决传统控制下在操作方面的许多麻烦。

同时，该PLC控制在改造老式起重机落后的控制系统的应用也具有重要的实用意义。

该论文有两大亮点：

一是采用PLC控制技术，充分应用了PLC的可靠性高、抗干扰强、体积小、维护方便等优点：

二是能进行自动和手动切换，进一步增强了桥式起重机控制的可靠性和安全性。

参考文献

[1]林小峰.可编程控制器原理及应用[M].北京：

高等教育出版社，1994.

[2]田瑞庭.可编程控制器应用技术[M].北京：

机械工业出版社，1994.

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化学工业出版社，2001.12.

[4]于庆广.可编程控制器原理及系统设计[M].北京：

清华大学出版社.2004.

[5]张连华.电器-PLC控制技术及应用[M].北京：

机械工业出版社，2007.

[6]张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术（第二版）.北京：

化学工业出版社，2009.05.

[7]西门子公司SIMATICS7-200系统手册，2002.

[8]肖清，王忠锋.西门子PLC课程设计指导书.江西理工大学应用科学学院，2010.