毕业设计（论文）-基于PLC的起货机控制系统改造.doc

专科毕业设计（论文）设计题目： 基于plc的起货机控制系统改造 系 部： 电气工程系 专 业： 电气自动化 班 级： 工企电气091301 姓 名： 学 号： 093905130129 指导教师： 职 称： 讲师 2012年6月 南京摘 要起货机传统的控制方式是利用继电器接触器原理控制。由于利用继电器、接触器控制系统比较复杂，难于操作，因此本次设计是以plc控制为基础。首先通过对起货机工作原理的了解，对plc的硬件和软件进行设计。然后根据起货机的工作要求选择合理的工作器件如：继电器，接触器等等，编写相应的程序语句表并绘制梯形图，再根据输入、输出点数选择plc的型号，最后对程序进行模拟调试。用plc作为设备的控制器，更加方便技术人员的设计、安装、调试，减少了开发周期，适应市场需求，最终将实现经济利益最大化。目前可编程控制器成为工业领域的主要控制设备，其类型也越来越多满足了工业控制的众多要求，因此被广泛的应用。关键字 plc 控制改造 起货机 工业控制abstractthe traditional control method of electricwinch is the use of relay contacts principle control. the use of the relay contactor control system is more complicated and difficult operation, therefore this design is its use of a plc control. firstly, according to the understanding of the very governor winch works on ac, plc hardware and software design. according to drilling requirements for the work of the work of a reasonable choice of devices such as: relays, contacts, etc., and then the preparation of the corresponding procedures and the mapping of ladder diagram sentences table, the light input and output points choose plc models, finally, the simulation debugging procedures.plc as a device controller, easier and technicians design, installation, commissioning, reduced development cycles, adapt to market demand, will eventually achieve the maximum economic benefit. now become the main control in industrial programmable controller device, its type is also more and more to meet the requirements of industrial control and, therefore, is widely used. rear cover of washer machine based on plc and is of great economic and social significance.keywords plc control transformation crane industrial control 目 录1 引言12 起货机的概述12.1 起货机的简介12.2 控制线路的要求12.3 控制原理分析23 plc控制系统的硬件设计33.1 可编程控制器概述33.1.1 可编程控制器的定义33.1.2 可编程控制器的特点33.1.3 可编程控制器的应用及发展前景43.2 可编程控制器的构成及工作原理53.2.1 可编程控制器的基本组成53.2.2 可编程控制器的工作原理83.3 plc硬件的选型93.4 plc的硬件接线图104 plc控制系统的软件设计114.1 主程序工作流程图114.2 控制程序梯形图设计12结 论15致 谢16参 考 文 献17 第17页江苏海事职业技术学院2012届专科生毕业设计1 引言随着机电一体化技术的发展，可编程序控制器(plc)日益广泛应用于电气控制系统中。应用plc对现有的电气控制系统进行改造，可以把设备的功能、效率提高到一个新的水平，大大地降低设备的故障率，提高生产效率，其经济效益是十分可观的。传统的起货机控制系统都是采用继电器-接触器等元器件组构成硬件逻辑控制电路，不但接线复杂，而且经常出现故障，可靠性较差，维修工作量大。与传统的继电器-接触器电气控制系统相比，plc控制使硬件“软”化，具有可靠性高、开发周期短以及可故障自诊断等优点，特别适合应用于输入/输出点数较多、控制要求比较复杂的场合，可以大大减少继电器等硬件元件的使用数量，提高电气控制系统的稳定性和可靠性。用plc控制系统替代体积大、投资大、耗能大的继电器-接触器控制系统是今后电气控制系统发展的趋势。本文所介绍的是将plc应用于jzf-h6型三速笼式异步电动机电气控制系统的技术改造中。2 起货机的概述2.1 起货机的简介该起货机配用xhh2-m142jb型三速电动机。交流起货机控制箱(屏)与主令控制器相配合，用于交流电压380v/50hz，440v/ 60hz。动力电路中，用作控制起货机用三相交流恒力矩变极调速异步电动机的起动、正转、反转、变速及制动。2.2 控制线路的要求（1）控制设备工作可靠、操作灵活。主令控制器设零位、上升和下降各3档。（2）控制电路与主电路必须使用同一电源，用直流电磁制动器时，也必须使用同一电源整流后供电。（3）设有自启动环节。主令手柄快速操作下，能从零位-低速-中速-高速自动逐级延时起动，以减少电流冲击和能量损耗，并加快起动过程和降低接触器开断电流，起动时间应少于2s。（4）三级制动停车。为减轻电磁制动器负担，减少制动能量损耗和加快制动过程，从高速档到零位停车时实现：再生制动-电气和机械联合制动-电磁制动器单独机械制动。从高速停车的时间应少于1s。（5）有逆转矩控制环节。为避免发生电源反接制动，当主令控制器手柄从上升第3档扳到下降第3档，或相反方向操作时，首先实现高速档到零位的自动停车过程，然后再实现零位到反向高速档的自动过程。（6）不应发生重物自由跌落的状态。起动时应保证先接得电动机低速绕组后，再使电源制动器松闸。（7）换挡过程中，当主令控制器手柄在两档之间的位置时，电动机总有一个绕组得电。在加快换挡过程中，加速接触器动作次序应为：中速接触器线圈得电后，断开低速接触器接触器线圈；高速接触器线圈得电后，断开中速接触器。换挡过程中，电磁制动器应保持松开状态。（8）不允许中、高速绕组发生堵转，即制动器未松闸时，中、高速不能得电。 （9）应有短路、失压、过载、单项运行等保护。装设紧急开关，风门开关。风机过载停转时，起货机电动机低速级仍可运行。起货电动机与吊杆应有联锁保护。2.3 控制原理分析图2.1为该起货机的控制线路图。合上qs、k，则hl灯亮表示电路得电。主令控制器手柄在0位时，fv得电，其常开触头闭合，控制电路下面得电。ka3线圈得电，其常开触头闭合。主令控制器手柄在正转低速档位。km1线圈得电，主电路中kml主触闭合。km1线圈得电，主电路中km3主触头闭合。ka2线圈得电，其常开触头闭合。变压器把380v电压变成l27v，经过ci、r1、c2、r2和桥式整流电路整流滤波以后，经ka2、ka3的常开触头，流经zdq (直流制动器)，形成回路。zdq (直流制动器)线圈得电，产生磁力，松闸。这样主电路接通，起货机又处于松闸状态，起货机正转低速运行。主令控制器手柄处于正转中速档位。km1线圈得电，其主触头闭合。此时lk 也处于闭合状态，km5线圈得电，其辅助常开触点闭合，km4线圈得电。km4、km5在主电路中主触点闭合。同时时间继电器kt1线圈得电，开始计时，为进入高速档做好准备。ka2线圈得电，zdq得电，起货机处于松闸状态，此时主电路接通。起货机正转中速档运行。主令控制器手柄处于正转高速档位。km1线圈得电。此时lk4、lk5皆处于闭合状态。如果kt1延时到，则kai得电，km6线圈得电。主电路中kml、km6主触头闭合。ka2线圈得电，zdq得电，起货机处于松闸状态，起货机正转高速运行。如果kt1延时未到，则起货机仍处于正转中速档状态。如果起货机处于高速档运行状态中。fa (过流继电器)感应的电流过大的话，则fa的常闭触头断开，km6线圈失电，这样其常闭触头闭合，km5线圈、km4线圈得电，起货机又回到中速档运行。反转过程类似。 图1 起货机控制线路图3 plc控制系统的硬件设计3.1 可编程控制器概述3.1.1 可编程控制器的定义可编程控制器（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按照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。3.1.2 可编程控制器的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强 plc是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰、精选元件的措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性和可靠性较高。plc是以集成电路为基本单元的电子设备，内部处理不依赖于接点，元件的寿命长，平均无故障工作时间高。（2） 编程简单易学，深受工程技术人员欢迎 plc的最大特点之一，就是采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。方便电气人员在了解plc工作原理和它的编程技术后，就可迅速地结合实际需要进行应用设计，进而将plc用于实际控制系统中。（3） 通用性强，使用方便 由于plc自身硬件特点，用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置；用户所作的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能；与外围设备的连接方便，通讯协议标准。（4） 系统设计周期短 由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要设计具体的接口电路，同时软件设计和外围电路设计可以同时进行，这样大大缩短了整个系统设计的时间，加快了系统的设计周期。（5） 对生产工艺改变适应性强 其控制功能是通过软件编程来实现的，当生产工艺改变时，在很大程度上只需改变用户程序，这对现代化的小批量 、多品种产品的生产尤其适合；现今plc已经朝着嵌入式系统发展，将进入日常生活中。（6）安装简单、调试方便、维护工作量小 plc控制系统的安装接线工作量比继电器控制系统少得多，只需将现场的各种设备与plc相应的i/o口相连。plc软件设计和调试大部分可以在实验室模拟进行，模拟调试好后再将plc控制系统进行现场联机调试，方便省时。其本身可靠性高，有完善的自诊断能力和系统监控能力，方便迅速故障查明和排除，维护的工作效率高。（7） 适应工业环境 plc的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是plc产品的市场生存价值。3.1.3 可编程控制器的应用及发展前景plc的应用是基于其以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。 根据这些特点，可将其应用形式归纳为以下几种：开关量逻辑控制 、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制；、数据处理、通信和联网。现代 plc的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展，即现今开始发展的嵌入式plc控制方式；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。 （1） 大型网络化 主要是朝dcs方向发展，使其具有dcs系统的一些功能。网络化和通信能力强是plc发展的一个重要方面，向下可将多个plc、i/o框架相连；向上与工业计算机、以太网、map网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。 （2） 多功能 随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使plc控制领域更加宽广。 如研制出了多回路闭环控制模块、步进电机控制模块、仿真模块和通信处理模块等。并为用户提供了方便的人机界面，用户程序多级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，通过工业现场总线profibus以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。 （3）高可靠性由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。plc即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热插拔。3.2 可编程控制器的构成及工作原理plc由于其自身的特点，在工业生产的各个领域得到了愈来愈广泛的应用。而作为plc的用户，要正确地应用plc去完成各种不同的控制任务，首先应了解其组成结构和工作原理。3.2.1 可编程控制器的基本组成可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是plc实施控制的两个基本点，同时物理实现也是plc与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以plc采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（cpu）、存储器（ram/rom）、输入、输出接口（i/o）电路、通信接口及电源组成。（1）中央处理单元(cpu) 中央处理单元 (cpu)是plc的控制核心。它按照plc系统程序赋予的功能：1. 接收并存储从用户程序和数据,2.检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当plc投入运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o映像寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入i/o映像寄存区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映像寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环直到停止运行。 为了进一步提高plc的可靠性，近年来对大型plc还采用双cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统仍能正常运行。 （2） 存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。 （3） 输入接口电路 输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其i/o设计的优点之处，经过了电气隔离后，信号才送入cpu执行的,防止现场的强电干扰进入。如下图3.1就是采用光电耦合器(一般采用反光二极管和光电三极管组成)的开关量输入接口电路：图2 开关量输入接口电路（4） 输出接口电路 可编程序控制器的输出有：继电器输出(m)、晶体管输出(t)、晶闸管输出(ssr)三种输出形式。输出接口电路的主要技术参数1） 响应时间 响应时间是指plc从on状态转变成off状态或从off状态转变成on状态所需要的时间。继电器输出型响应时间平均约为10ms；晶闸管输出型响应时间为1ms以下；晶体管输出型在0.2ms以下为最快。2） 输出电流 继电器输出型具有较大的输出电流，ac250v以下的电路电压可驱动纯电阻负载2a/1点、感性负载80va以下（ac100v或ac200v）及灯负载100w以下（ac100v 或200v）的负载；y0、y1以外每输出1点的输出电流是0.5a，但是由于温度上升的原因，每输出4合计为0.8a的电流，输出晶体管的on电压约为1.5v，因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。y0、y1每输出1点的输出电流是0.3a，但是对y0、y1使用定位指令时需要高速响应，因此使用10100ma的输出电流；晶闸管输出电流也比较小，fx1s无晶闸管输出型。3） 开路漏电流 开路漏电流是指输出处于off状态时，输出回路中的电流。继电器输出型输出接点off是无漏电流；晶体管输出型漏电流在0.1ma以下；晶闸管较大漏电流，主要由内部rc电路引起，需在设计系统时注意。（5） 电源 plc的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此plc的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去。如fx1s额定电压ac100v240v，而电压允许范围在ac85v264v之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。一般小型plc的电源输出分为两部分：一部分供plc内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。因此plc对电源的基本要求：1)能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰；2)电源发生故障不会导致其它部分产生故障；3)允许较宽的电压范围；4)电源本身的功耗低，发热量小；5)内部电源与外部电源完全隔离；6)有较强的自保护功能。3.2.2 可编程控制器的工作原理由于plc以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或i/o扫描方式，若有键按下或有i/o变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。plc则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，cpu从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是cpu执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为3个阶段。 （1）输入刷新阶段在输入刷新阶段，cpu扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。 （2）程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新阶段。 （3）输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成plc的实际输出。 由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成plc一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为i/o刷新阶段。实际上，除了执行程序和i/o刷新外，plc还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。显然,扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次i/o刷新，即每一个扫描周期plc只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对i/o的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，plc在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般plc都会采取高速模块。总之，plc采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用plc当中都应加强注意。3.3 plc硬件的选型选择i/o模块之前，应确定哪些信号需要输入给plc，哪些负载由plc驱动，是开关量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的等级是否有特殊要求，例如快速响应等，并建立相应的表格。根据i/0表和可供选择的i/o模块类型，确定i/0模块的型号和块数。选择i/o模块时，i/o点数一般应留有一定的余量，以备今后系统改进或扩充时使用。数字量输入模块的输入电压一般为dc 24 v和ac 220 v。直流输入电路的延迟时问较短，可以直接与接近开关、光电开关和编码器等电子输入装置连接。交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。继电器型输出模块的工作电压范围很广，触点的导通压降比较小，能够承受的瞬时过电压和瞬时过电流的能力比较强，但是动作速度较慢，因此触点寿命（动作次数）有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。场效应晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性比较高，反应速度很快，不受动作次数的限制，但是过载能力稍差。 选择i/o模块还需要考虑下面的问题：（1）输入模块的输入电路应与外部传感器或电子设备（例如变频器）的输出电路的类型配合，最好能使二者直接相连。例如有的plc的输入模块只能与npn管集电极开路输出的传感器直接相连，如果选用npn管发射极输出的传感器，需要在二者之间增加转换电路。（2）选择模拟量模块时应考虑变送器、执行机构的量程是否能与plc的模拟量输入输出模块的量程匹配。模拟量模块的a/d，d/a转换器的位数反映了模块的分辨率，12位的分辨率较高。模拟量模块的转换时间反映了模块的工作速度。（3）使用旋转编码器时，应考虑plc的高速计数器的功能和工作频率是否能满足要求。综上所述，根据起货机控制系统的要求，采用plc为控制核心单元，以主令手柄、按钮开关、各档位和继电器作为plc的输入信号；以接触器、继电器作为输出控制，经过测算，控制系统需要12个输入点、10个输出点。根据上述plc选择的原则，本起货机控制系统采用西门子s7-200plc，cpu采用224，其i/o口为14输入10输出，无需用扩展模块。plc系统i/o分配如表3.1所示：表1 i/o地址分配表输入地址功能输出地址功能i0.0主令控制器（触头lk0）q0.0正转接触器i0.1主令控制器（触头lk1）q0.1反转接触器i0.2主令控制器（触头lk2）q0.2低速接触器i0.3主令控制器（触头lk3）q0.3中速接触器i0.4主令控制器（触头lk4）q0.4中速接触器i0.5主令控制器（触头lk5）q0.5高速接触器i0.6应急按钮q0.6继电器i0.7过流继电器q0.7继电器i1.0fr1热继电器q1.0继电器i1.1fr2热继电器q1.1欠压继电器3.4 plc的硬件接线图图3.2为plc硬件接线图，输入点的电源由本机提供24v直流电源，plc机工作电源为交流220v，输出方式为继电器式。输入和输出点数的确定是根据系统设计要求和所需的现场设备数量加以确定的.图3 plc硬件接线图4 plc控制系统的软件设计本系统的plc程序采用了模块化的编程思想，所谓模块化编程是把程序分成若干个程序块，每个程序块含有一些设备和任务的逻辑指令，由组块中的指令控制各程序模块的执行。在模块化编程中，主程序和被调用的块之间是没有数据交换的，每个功能区被划分成不同的块，这样就易于几个人同时编程，而相互之间又没有冲突。另外，把程序分成若干个小块，将有益于程序的调试和故障的查找。4.1 主程序工作流程图 按照起货机的全自动控制流程，在plc中编制用户程序，图3为主程序工作流程图。流程图包括风门控制、上升控制、下降控制、三速控制和制动。图4 主程序流程图4.2 控制程序梯形图设计(1)准备阶段。主令控制手柄i0.0接通，欠压继电器fv常开触头闭合，控制下面电路得电。(2)正反转控制。i0.0-i0.3中至少有一个接通，使得输出q0.0，电机正转。i0.4-i0.5中至少有一个接通，使得输出q0.1，电机反转。(3)