自动送料装车系统控制设计方案.docx

1、自动送料装车系统控制设计方案自动送料装车系统控制设计专业：电气工程及其自动化 姓名：马宁 指导老师：刘明华摘要送料装车控制系统在冶金、采矿运输、和生产制造等许多领域中都得到了普遍的应用，它通过自动输送设备实现物料的传输、接收、装运、处理、装配和存储的自动化，把工厂的各个生产部门、各个储存点联系起来。送料装车控制系统的工作环境通常比较恶劣，设备所处环境一般粉尘较大、操作分散，所以对送料装车控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求比较高。用可编程控制器PLC）控制的自动送料装车动作稳定，具备连续可靠的工作的能力。本文以日本三菱FX2N系列PLC为主控制器控制运料小车的自动往返顺序的控制，实现了

2、送料车的装料、送料、卸料的功能。次系统主要是由基本设备、运料存储装置和控制系统三大部分组成，重点研究自动化生产线的控制。关键词自动送料装车，PLC，控制系统ABSTRACTKey Words:1绪论1.1自动送料装车控制的发展送料装车设备广泛地应用于建材、冶金、煤炭、电力、化工、轻工等工业生产部门。老式送料装车设备因为没有计量而存在多装、少装的问题。特别是在运输的过程中，不允许车辆超载，多装了，得卸掉，少装了，得进行二次装车，使得装车工作进行非常缓慢。随着当今社会科学技术的发展，各类物料输送的生产线对自动化程度的要求越来越高，原有的生产送装料设备已经远远的不能满足当前高度自动化的需要。由于控制

3、系统的不断发展和革新，使得生产线的运输控制也将得到不断的改善和生产效率的不断提高，送料装车的控制经历了以下几个阶段：1.手动控制：在20世纪60年代末70年代初期，便有一些工业生产采用PLC来实现送料装车的控制，但是限于当时的技术还不够成熟，只能采用手动的控制方式来控制机器设备，而且早期送料装车控制系统多为继电器和接触器所组成的复杂控制系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须要有专人负责操作。2.自动控制：在20世纪80年代，由于计算机的价格普遍下降，这时的大型工控企业将PLC充分的与计算机相结合，通过机器人技术，自动化设备终于实现了PLC在送料装车控

4、制系统中自动控制方面的应用。3.全自动控制：现阶段，由于PLC技术向高性能、高速度、大容量发展，大型PLC大多数采用多CPU结构，不断向高性能、高速度、大容量方向发展。将PLC运用到送料装车控制系统中，可实现送料装车的全自动控制，降低了系统的运行费用。PLC控制的送料装车自动控制系统具有连线简单、控制速度快、精度高、可靠性和可维护性好、维修和改造方便等优点。1.2自动送料装车在国内外的发展现状在国内，大多数还是还是人工管理，智能控制及需普及，国外工程机械产品以电子、信息技术为先导，开发出各种工程机械相匹配的软、硬件系统，使工程机械向信息化、智能化前进。国外大多数PLC品牌都有与之相应的开发平台

5、和组态软件，软件和硬件的相互结合使系统的性能大幅度的提高，人机界面更加的友好。通讯技术的发展、现场总线的发展及以太网的发展时通讯能力大大加强。在国外的送料装车控制系统中已经广泛的应用PLC控制系统，而采用可靠性比较高的 FX2N系列 PLC软件来控制该系统,实现送料装车系统的自动控制过程,满足了系统可靠性、 稳定性和实时性的要求。1.3自动送料装车控制系统设计的目的和意义送料装车控制系统的工作环境通常比较恶劣, 设备周围所处的环境一般粉尘比较大、空气湿度相对高且操作分散,所以对送料装车控制系统工作的安全性、 可靠性、 维护简便性要求比较高。在早期的送料装车控制中通常都采用继电器逻辑控制,继电器

6、控制系统中大多数采用分立的继电器、 接触器等电器元件作为控制元件,其控制系统复杂、 操作难度大, 并且安装接线时工作量大、 修改控制策略难、 维护量大等问题，严重影响了正常的工业生产。PLC所控制的系统可以方便地通过改变用户程序，以实现各种控制功能，从根本上解决了电器控制系统控制电路难以改变的问题。同时，PLC控制的系统不仅能够实现逻辑运算，还具有数值运算及过程控制等复杂的控制功能。对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，从而可以节省

7、下大量的配线和附件，减少了大量的安装接线工作时，可以减少大量费用。PLC不仅用于开关量控制，还可用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。2.自动送料装车控制系统设计2.1控制系统的组成本文设计中的自动送料装车系统由送料小车、轨道、料斗等设备装置组成，来完成对物料的运料、传输、卸料的过程。这类系统的控制需要运料小车能够实现加速、减速、运行平稳等特性，具有连续可靠的工作能力。通过3条轨道和一台运料小车配合，才能稳定有效率地进行自动送料装车过程。系统示意图如图2-1所示：图2

8、-1 自动送料装车控制系统示意图2.2控制系统的元件2.2.1可编程控制器可编程控制器Programmable Controller，PC）由于和个人计算机Personal Computer，PC）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的简称。PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC采用了典型的计算机结构,主要由CPU、存储器、采用扫描方式工作的I/O接口电路和电源等组成，如图21所示：图2-2 P

9、LC硬件系统结构框图PLC采用循环扫描工作方式，集中进行输入采样，集中进行输出刷新。I/O映像区分别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中各结果的状态。PLC循环扫描工作方式一般包括五个阶段：内部处理与自诊断、与外设进行通信处理、输入采样、用户程序执行、输出刷新五个阶段，如图22所示：图23 PLC循环扫描的工作过程当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。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

10、通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：1.开关量逻辑控制取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2.工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 3.运动控制 PLC可以用于圆周运动或

11、直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4.数据处理 PLC具有数学运算含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 5.通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 2.2.2三相交流异步电动机三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、转子和它

12、们之间的气隙构成。对定子绕组通往三相交流电源后，产生了旋转磁场并切割转子，就获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。图2-4三相异步电动机T = fs）曲线图2-5 三相异步电动机n = fT）曲线2.2.3传感器传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理

13、确定。通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。但是由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。如图26所示：图26 传感器组成框图2.2.4变频调速技术变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。大家知道，从大范围来分，电动机有直流电动机和交流电动机。由于直流电动机调速容易实现，性能好，因此，过去生产机械的调速多用直流电动

14、机。但直流电动机固有的缺点是，由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来不少的麻烦。因此人们希望，让简单可靠价廉的笼式交流电动机也能像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、转子串电阻调速和串极调速等交流调速方式。直到20世纪80年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，才出现了变频调速技术。它的出现就以其优异的性能逐步取代其他交流电动机调速方式，乃至直流电动机调速系统，而成为电气传动的中枢。2.3控制系统的要求自动送料装车系统是由电机、运料轨道、限位开关等来控制的。本系统的设计要求：1.本系统有三个不同的轨道轨道1与轨道2、轨道2与轨道3

15、之间都相差30度角），运料小车运料时要对轨道进行选择。故本设计采用了在运料小车上增加一个步进电机来控制运料小车的转向。2.要求运料小车运三种物料时每次装车重量要相同500kg）。一般可以采用定时、电子秤或称重传感器等方法。本设计中采用了在小车底部安装一个称重传感器来测量所装的物料重量。3.要求小车在每个运料轨道上都可以往复运动，即要求电动机的正反转。4.要求系统为一个循环系统，运料小车先在轨道1上运物料1，再在轨道2上运物料2，接着在轨道3上运物料3，如此循环往复直到停止按钮发出指令，整个系统停止运作。5.特别要求运料小车运料过程中小车要稳，加速、稳速、减速要严格控制，即对调速系统要求比较高。

16、本设计采用了变频调速技术。6.三种物料都卸放到同一个卸料仓库，且卸料时要由一个卸料油泵提供。7.对于运料小车在运送轨道上的运行要求要有行程开关的控制，以确定小车的准确到位。8.对于运料装车系统要有一个照明及信号显示系统，当系统装料或者是卸料时，信号显示系统会给我们提示。2.4控制系统的分析3自动送料装车控制系统的硬件设计3.1送料装车控制系统的元件选择3.1.1送料装车控制系统PLC的选择目前市场上的PLC产品众多，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。除国产品牌外，国外有：日本的OMRON、MITSUB、ISHI、FUJI、ANASONIC，德国的

17、SIEMENS，韩国的LG等。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择具体可以从一下12个方面来考虑：1.选择自己熟悉的机种和机型若已有设备或产品）上已经用了某一种型号的PLC，再要选用PLC开发新的产品，在满足工艺条件的前提下，建议还是选用已经用过的PLC为好，这样就可以做到资源共享。2.不要大材小用什么样的规模设计任务就选用什么样的规模的PLC，避免造成太多的硬件资源浪费。3.具体的控制对象具体选择根据不同的设计任务，来选择PLC的机型。4.选用易采购的机型5.经常了解PLC产品的发展动态6.对I/O点的选择要先弄清控制系统的I/O

18、点的总点数，再按实际所需要的总点数的15%20%留出备用量后确定所需PLC的点数。7.对存储容量的选择对用户存储容量只能做粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘10字/点+输出总点数5字/点来估算；计数器/定时器按3）字/个估算：有运算处理时按5）字/个估算：在有模拟量I/O出的系统中，可以按每输入或输出）一路模拟量约需80100）字左右的存储量来估算：有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。8.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23个扫描周期）等。9.根据输出负载的特点选型根据PLC输出

19、所带的负载是直流型还是交流型、是大电流还是小电流以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出还是晶体管输出。10.对PLC结构形式的选择在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式比模块式价格低。11.选择性能相当的机型PLC选型中还有一个重要问题就是性能要相当。12.选择新机型由于PLC产品更新换代很快，所以选用相应的新机型很有必要。在本次设计由于输入量基本是开关量，而对于PLC的开关量输入回路，日本三菱公司的比较好，其主要原因是三菱公司做了些优化设计：1、采用漏输入，输入端本来就设计为对地短路就引发断开输入有效，不会对电源系统构成危害，最多只影响到自己的回路。也不会由于电源故障

20、而影响其他输入回路的正常工作，而很多欧美PLC采用源输入方式，有一定弊端FX2N系列PLC编程元件有输入输出继电器X和Y）、辅助继电器M）、状态继电器S）、定时器T）、计数器C）、数据寄存器D）、和指针P、I、N）等七大类。具有灵活的配置、高速运算、突出的寄存器容量、丰富的器件资源、较强的数学指令集。选用FX2N-32MR，输入16点X0-X17），输出16点Y0-Y17），可扩展2432点数。3.1.2送料装车控制系统电动机的选择电动机按转子结构形式分类：三相笼型异步电动机和三相绕线型异步电动机。电动机型号根据以下几个方面选择：1.功率的选择要为某一生产机械选配一台电动机，首先考虑电动机的功

21、率需要选择多大，合理选择电动机的功率具有重大的经济意义。在本次设计中运料小车装满料重500kg，小车的车轮半径0.2m，小车与轨道之间的摩擦系数=0.1，假设在启动阶段加速时的加速度为0.3m/s2，则匀速行驶的滚动摩擦力矩T=500kg9.80.1/100=441Nm2.电动机结构的选择因为用的是三相交流电源，在交流电动机中，三相笼型异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、工作可靠、价格低廉；主要的弊端是调速困难，功率因数比较低，启动性能比较差，由于送料小车要求的机械特性比较硬而且没有特殊的调速要求，所以可以采用笼型电动机。3.结构形式的选择生产机械的种类繁多，它们的工作环境也不尽相同。因此

22、，有必要要保证在不同环境中能安全的可靠运行。电动机常有下列几种结构型式：1）开启式 在构造上无特殊防护装置，运用于干燥、无尘场所。通风好。2）防护式 在机壳或端盖下面有通风罩，以防止杂物掉进去。3）封闭式 封闭式电动机外壳严密封闭，电动机靠风扇冷却，并且在外壳带有散热片。使用在灰尘多、潮湿、盐碱、腐蚀性强的场所。所示；它的转速n，或线速度v与脉冲频率f成正比，如图14(b所示。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。因而可适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接

23、将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。3.1.4送料装车控制系统传感器的选择 1.称重传感器的选择重量传感器又称称重传感器，是将压力信号转换成电压或电流控制信号。其输出格式是标准的控制信号类型：010VDC， -1010VDC，420mA， 020mA 。有的智能称重传感器也能输出开关量信号， 但是其动作量检测到的压力信号）是可调的。本次设计中称重传感器选择CS-20型。2.霍尔传感器的选择本次设计选用HAL 815可编程线性霍尔传感器，其可用于角度或距离测量。HAL815是一个可编程的霍尔传感器，内置DSP，可设置的比例电压输出，具有高精度，多个可编程磁特性存储在具有冗余和锁

24、定功能的非易失性存储器、过压和欠压检测，保证了传感器的高可靠性，可逐个编程或通过选择拉低输出脚来编几个并联在相同供电电压上的传感器，温度特性可编程可匹配所有常见的磁性材料。可编程的特性方便了客户的设计。3.1.5送料装车控制系统变频器的选择 本次设计采用日本三菱变频器：FR500系列通用型FR-E540，其变频器参数的确定和设置表3-3所示参数号参数名称设定值Pr1上限频率45HzPr2下限频率5 HzPr7加速时间3sPr8减速时间3sPr9电子过电流保护22.6APr13起动频率5 HzPr14适应负荷选择0Pr15点动频率5 HzPr16点动加减速时间1sPr20加减速基准频率45HzP

25、r79操作模式选择23.1.6送料装车控制系统继电器的选择继电器是一种根据特定形式的输入信号而发生动作的自动控制电器。它与接触器不同，主要用于反应控制信号，其触点一般接在控制电路中。继电器的种类有很多，分类的方法也很多，常用的分类方法有：1.按输入量的物理性质可分为电压继电器、电流继电器、功率继电器、时间继电器和温度继电器等；2.按动作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等；3.按动作时间可分为快速继电器、延时继电器和一般继电器；4.按执行环节作用原理可以分为有触点继电器和无触点继电器；5.按用途可分为电器控系统用继电器和电力系统用继电器。继电器的主要特性

26、是输入、输出特性、继电器的返回系数、吸合时间、释放时间。吸合时间是从线圈接收型号到衔铁完全吸和时所需要的时间，释放时间是从线圈失电导衔铁完全释放时所需要的时间。一般继电器的吸合时间与释放时间为0.050.15s，它的大小会影响继电器的操作频率。本次设计所选择的继电器有：时间继电器JR0，热继电器JR16-20/3。3.1.7送料装车控制系统接触器的选择接触器是用来接通或者切断电动机或其他负载主电路的一种控制电器。它通常可分为交流接触器和直流接触器。接触器的基本参数有主触点的额定电流、主触点的允许切断电流、触点数、线圈电压、操作频率、动作时间、机械寿命和电寿命。选用接触器时通常是交流负载的选择交

27、流接触器,直流负载选用直流接触器，但由于交流负载频繁动作时可采用直流吸引线圈的接触器。通常选用的是直流110V、220V，交流220V、380V。直流接触器断开时产生的过电压可达1020倍，故不宜采用高电压等级440V的已经停止生产）。而电压太低时，接通此线圈用的继电器或接触器的联锁触点不可靠如灰尘或由层存在）。额定操作频率是指每小时接通的次数。交流接触器最高可达600次每小时；直流接触器可高达1200次/小时。综上所述，接触器的选择可按下列步骤进行：根据负载性质确定工作任务类型；并根据类型确定接触器系列；根据负载额定电压确定接触器的额定电压；根据负载电流确定接触器的额定电流，并根据外界实际田

28、间加以修正。本次的设计中所选用的接触器型号为：交流接触器CJ10-20。3.1.7送料装车控制系统行程开关的选择行程开关又叫限位开关，是用于控制机械设备的行程和限位保护。在实际生产应用中，将行程开关安装在预先要设置的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击到行程开关时，行程开关的触点动作，就实现了电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件模块的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮有些类似。行程开关广泛应用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。本次设计我选用LX1-11型限位开关。参数如表1-6型号温度范围额定电压额定电流LX1-110）380V）10A）3.2控制系统的电器元件表名称型号及规格数量M1三相异步电动机Y90S-411KW、380V、22.6A、1400r/min1M2反应式步进电机36BF013相、额定电压27V、步距角3度、静态电流0.5A、空载启动频率1800Hz1SB1-SB3启动控制按钮LA-2绿色3SB4、SB5停止控制按钮LA-2红色2QS组合开关HZ10-25/3三极，