自动装卸小车的电气控制系统设计

/自动装卸小车的电气限制系统设计目录摘要 2第一章绪论 31.1PLC的发展和历史趋势 31.2PLC的分类 4按I/O点数分类 4按功能分类 41.3PLC系统组成及各部分的功能 51.4PLC的基本工作原理 51.5PLC的应用领域 6其次章系统的硬件设计 82.1PLC机型选择 82.2分析限制要求，确定输入、输出设备 82.3主电路的设计 122.4工作流程 12第三章系统的软件设计 143.1PLC内部资源 143.2PLC编程语言 15结论 17致谢 18参考文献 19自动装卸小车的电气限制系统设计摘要：小车自动运料系统，由于其限制简洁，成本低，因此广泛应用和车站、码头、仓库、矿井等生产场所。但传统的接触继电器限制系统，有着其自身的缺点。例如：整个运行过程中，小车的速度很难设定，假如太快，启动和制动时由于存在小车惯性很简洁造成物料的掉落、抛洒，这样就不能实现平安的启动。随着经济的不断发展，运料小车的应用也不断扩大到各个领域。早期运料小车电气限制系统多为继电器-接触器组成的困难系统,这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷,几乎多数据处理和通信功能,必需有专人负责操作。现将PLC应用到运料小车电气限制系统,可实现运料小车的自动化限制,降低系统的运行费用。PLC运料小车电气限制系统具有连线简洁,限制速度快,精度高,牢靠性和可维护性好,安装、修理和改造便利、设计施工调试周期短等优点。关键词：自动运料PLC自动限制系统电气限制系统第一章绪论1.1PLC的发展和历史趋势二十世纪六十年头美国推出可编程逻辑限制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器限制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、限制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动限制等功能。今日的PLC不再局限于逻辑限制，在运动限制、过程限制等领域也发挥着特殊重要的作用。作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年头至九十年头得到了快速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长特殊快速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着特殊重要的位置。PLC是由摸仿原继电器限制原理发展起来的，二十世纪七十年头的PLC只有开关量逻辑限制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、依次限制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来限制各类机械或生产过程。用户编制的限制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把全部的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC运用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的限制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低许多。一个PLC的限制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。假如被控对象主要是设备连锁、回路很少，接受PLC较为合适。PLC由于接受通用软件，在设计企业的管理信息系统方面，要简洁一些。近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备起先接受PLC进行限制，PLC在我国的应用增长特殊快速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。1.2PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类可以依据结构、功能的差异等进行大致分类。1.2.1按I/O点数分类PLC按其I/O点数多少一般可分为以下4类。1.微型PLC：I/O点数小于64点的PLC为超小型或微型PLC。2.小型PLC：I/O点数为256点以下，用户程序存储容量小于8KB的为小型PLC。3.中型PLC：I/O点数在512～2048点之间的为中型PLC。4.大型PLC：I/O点数为2048点以上的为大型PLC。它具有极强的软件和硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。1.2.2按功能分类依据PLC所具有的功能不同可将PLC分为低档、中档、高档3类。1.高档PLC：除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT可编程限制器原理和应用显示、打印和更强的通信联网功能，可用于大规模过程限制或构成分布式网络限制系统,实现工厂自动化。2.中档PLC：除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断限制、PID(比例、积分、微分限制)限制等功能，以适用于困难限制系统。3.低档PLC：具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能1.3PLC系统组成及各部分的功能1.CPU运算和限制中心它在整个系统中起“心脏”作用。2.存储器具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的说明编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家运用的，内容不行更改，断电不消逝。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。3.输入/输出接口(1)输入接口输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。(2)输出接口输出接口工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，供应负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。1.4PLC的基本工作原理PLC接受“依次扫描，不断循环”的工作方式1.每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。2.输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3.一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4.元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变更而变更的。5.扫描周期的长短由三条确定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数。6.由于接受集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。1.5PLC的应用领域PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大削减了限制设备外部的接线，使限制系统设计及建立的周期大为缩短，同时日常维护也变得简洁起来，更重要的是使同一设备经过变更程序而变更生产过程成为可能。这特殊适合多品种、小批量的生产场合。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、环保及文化消遣等各个行业，运用状况主要分为如下几类:(1)开关量逻辑限制取代传统的继电器限制电路，实现逻辑限制、依次限制，既可用于限制单台设备，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)工业过程限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更的量(即模拟量)，PLC接受相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的限制算法程序来处理模拟量，完成闭环限制。PID调整是一般闭环限制系统中用得较多的一种调整方法。过程限制在冶金、化工、热处理、锅炉限制等场合有特殊广泛的应用。(3)运动限制PLC可以用于圆周运动或直线运动的限制。一般运用专用的运动限制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置限制模块，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限制系统。(5)通信及联网PLC通信包括PLC间的通信及PLC和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，通信特殊便利。但是，可编程限制器产品并不针对某一详细工业应用，在实际应用时，其硬件需依据实际须要进行选用配置，其软件需依据限制要求进行设计编制。其次章系统的硬件设计2.1PLC机型选择依据自动化电镀生产线的限制要求，我们接受了三菱PLCS7-200型号，此类型PLC无论独立运行，还是联接网络都能完成各种限制任务。它的运用范围可以覆盖从替代继电器的简洁限制到困难的自动限制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、塑料机械、电梯等行业。S7-200CPU226通讯功能完善，具有极高的性能价格比是很突出的特点，也是我们接受它的主要缘由。PLC为此系统的限制核心，此系统的输入信号有两部分，一部分是原点、单周期、连续等面板限制按钮，另一部分是多种行程开关，这些面板按钮信号和传感器信号作为PLC的输入变量，经过PLC的输入接口输入到内部数据寄存器，然后在PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出变量的形式送到输出接口，从而驱动电机来限制行车的运行和吊钩的升降2.2分析限制要求，确定输入、输出设备运料小车自动来回依次限制系统示意图，如图1所示，小车在启动前位于原位下限位开关SQ1处，一个工作周期的流程限制要求如下：图2.1运料小车自动来回依次限制系统示意图料车在原位，显示原位状态。在自动模式下按启动按钮，自动线起先工作，首先加料定时5秒，加料结束后延时1秒，料车上升，上升到位，压下上限位开关SQ3，小车自动停止移动，延时1秒，料车起先自动卸料，卸料10秒，料斗复位并下降，下降到原位，料车自动停止移动并起先下一个工作循环。系统自动手动工作模式选择须要一二位式选择开关SA，系统的起动（SB1）、停止（SB2）须要二个按钮，手动模式下：上升（SB3），下降（SB4）须要两个按钮，起点和终点处的两个行程开关是用来自动限制小车的往复运动的，另外起点终点处应分别加一个限位爱惜行程开关，也应作为输入设备。即：表2.1输入输出支配表序号输入序号输出1SB1X40011KM1Y4302SB2X40112KM2Y4313SB3X40213KM3Y4324SB4X40314KM4Y4335SQ1X40418KT1Y4346SQ2X4057SQ3X4068SQ4X4079SQ4X408图2.1I/O端子接线图图2.2梯形图2.3主电路的设计电气原理图是依据电气限制系统的工作原理，接受电器元件绽开的形式，利用图形符号和项目符号表示电路各电器元件中导电部件和接线端子连接关系的电路图。电气原理图并不按电器元件实际布置来绘制，而是依据它在电路中所起的作用画在不同的部位上。电气原理图具有结构简洁、层次分明的特点，适合探讨和分析电路工作原理，在设计研发和生产现场等方面得到广泛应用。电气原理图一般分为主电路和帮助电路两部分，在本次设计中我们着重分析了主电路图。在本设计中，依据自动装卸生产线的工艺要求，只需用一台电机分别限制小车的上升、下降，再用两台电机限制上料和下料。主电路如图2.3。图2.3中，接触器KM1，KM2限制电动机M1的正、反转，实现小车的上升和下降，接触器KM3限制电动机M2，实现小车的加料，KM4限制料斗卸料图2.3自动装卸生产线主电路图图2.4自动装卸小车限制电路图2.4工作流程当按下启动按钮SB2时由于在起始点SQ5常开触点处于闭合状态，KM1线圈得电KM1常开触点闭合，M1电机正转，小车向前运动，当小车走到槽1是撞到行程开关SQ1，KM1线圈失电小车停止前进，同时SQ1常开触点闭合，KM3线圈得电，升降电机正转，同时抱闸松开，升降下降，当小车撞到下降限位开关SQ7时KM3线圈失电电机下降停止，同时KT1线圈得电，时间继电器起先计时，当达到确定时间后KT1常开触点闭合，KM4线圈得电，升降电机起先上升，当撞到上升限位开关SQ6时KM4线圈失电，升降电机停止转动，同时抱闸暴死，此时按下接着前进按钮SB2小车接着前进，重复上述过程！当达到左运动限位开关SQ4是线圈KM2得电，小车返回，当到达右限位开关SQ5是线圈KM2失电，电机停止运动！第三章系统的软件设计3.1PLC内部资源内部依据软元件的功能不同，分成了许多区域，如输入/输出继电器区、定时器区、计数器区、特殊继电器区等。下面分别介绍下。1.定时器：电气自动限制的大部分领域都须要用定时器进行时间限制，灵敏地运用定时器可以编制出困难动作的限制程序。它是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的工作过程和继电-接触器限制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点。运用时要提前输入时间预设值。当定时器的输入条件满足时起先计时，当前值从0起先按确定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预设值时，定时器触点动作。利用定时器的触点就可以得到限制所需的延时时间。2.计数器：计数器可用来累计输入脉冲的个数，经常用于对产品进行计数或者进行特定功能的编程。运用时要提前输入它的特定植。当输入触发条件满足时，计数器起先累计它的输入端脉冲电位上升延的次数，当计数器计数达到预定的设定值时，其常开触点闭合，常闭触点断开。3.输入继电器：输入继电器一般都有一个PLC的输入端子和之对应，它用于接受外部的开关信号。当外部的开关信号为闭合时，输入继电器的线圈得电，在程序中常开触点闭合，常闭触点断开。4.输出继电器：输出继电器一般都有一个PLC上的输出端子和之对应。当通过程序使得输出继电器线圈得电时，PLC上的输出端开关闭合，它可以作为限制外部负载的开关信号。同时在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。5.内部位存储器：内部位存储器的作用和继电-接触器限制系统中的中间继电器相同，它在PLC中没有输入/输出端和之对应，因此它的触点不能驱动外部负载，这是和输出继电器的主要区分。它主要起逻辑限制作用。以上几个是我们在本次系统设计的过程中可能须要用到的PLC软元件，另外PLC还有许多其它的软元件。3.2PLC编程语言PLC是通过运行编写的用户程序实现限制任务的。PLC中的程序由系统程序和用户程序两部分组成，系统程序由PLC生产厂家供应，它支持用户程序的运行；用户程序是用户为完成特定的限制任务而编写的应用程序。S7-200系列PLC的编程语言特殊丰富，有梯形图、语句表、功能块图和依次功能图等，用户可以选择一种编程语言，假如须要，也可混合运用几种语言编程。这些编程语言都是面对用户的，它使限制程序的开发、输入、调试和修改工作大大简化。我们在本次设计中选择梯形图编程。以下我们详细介绍下梯形图的概念。梯形图左边有一条垂直的线称作左母线，右边一条虚线称为右母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。PLC梯形图具有以下一些特点：1.PLC的梯形图是“从上到下”按行绘制的，两侧的竖线类似电气限制图的电源线，通常称做母线（BusBar），大部分梯形图只保留左母线；梯形图的每一行是“从左到右”绘制，左侧总是输入接点，最右侧为输出元素，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按纽、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如指示灯、接触器、中间继电器、电磁阀等。对S7-200系列的PLC来说，还有一种输出“盒”（功能框），它代表附加的指令，如定时器、计数器或数学运算等功能指令。2.电气限制电路左右母线为电源线，中间各支路都加有电压，当支路接通时，有电流流过支路上的触点和线圈。梯形图中的假想电流在图中只能作单方向的流淌，即只能从左向右流淌。层次变更（接通的依次）也只能先上后下，和程序编写时的步序号是一样的。3.梯形图中的输入接点如I1.0、I0.1等，输出线圈Q0.0、Q0.1等不是物理接点和线圈，而是输入、输出存储器中输入、输出点的状态，并不是接线时现场开关的实际状态；输出线圈只对应输出映像区的相应位，该位的状态必需通过I/O模块上对应的输出单元才能驱动现场执行机构。4.梯形图中运用的各种PLC内部器件，如帮助继电器、定时器、计数器等，也不是真的电器元件，但具有相应的功能，因此通常按电气限制系统中相应器件的名称称呼它们。梯形图中每个继电器和触点均为PLC存储器中的一位，相应位为“1”，表示继电器线圈通电、常开接点闭合或常闭接点断开；相应位为“0”，表示继电器线圈断电、常开接点断开或常闭接点闭合。5.梯形图中的继电器触点既可常开，又可常闭，其常开、常闭触点的数目理论上是无穷多个（受存储容量限制），也不会磨损，因此，梯形图设计中，可不考虑触点数量，这给设计者带来很大便利。对于外部输入信号，只要接入一个信号到PLC即可。6.电气限制电路中各支路是同时加上电压并行工作的，而PLC是接受循环扫描方式工作，梯形图中各元件是按扫描依次依次执行的，是一种串行处理方式。由于扫描时间很短（一般不过几十毫秒），所以限制效果同电气限制电路是基本相同的。但在设计梯形图时，对这种并行处理和串行处理的差别有时候应予留意，特殊是那些在程序执行阶段还要随时对输入、输出状态存储器进行刷新操作的PLC，不要因为对串行处理这一特点考虑不够而引起偶然的误操作。结论PLC的编程是我们整个设计最主要的一部分，我们的编程是接受梯形图编程语言，全部的编写步骤和编写要点是严格依据课本要求和教科老师的指导来编写的，所以整个编写的过程是相当严谨的。而且我们编写程序之前对电镀生产线的工作流程做了详细的分析，每个步骤考虑都很严密，所以总的来说，这个系统的设计师比较好的。但是在编写