基于PLC控制的料仓自动取料气动系统设计

目录TOC\o"1-3"\h\u32751目录 料仓自动取料气动装置PLC控制系统设计一、简介（一）选题背景及意义1.选题背景随着科技的发展和人们生活水平的提高，机加行业一线工人的人力资源短缺问题越来越严重，越来越多的制造业工厂已经开始向自动化、智能化过渡。各类机器人代替人工作业装配，桁架机械手配套数控机床加工零件在市场上已经非常普遍。但是，在机械手越来越普遍应用的今天，无论是装配或生产加工，上下料的便捷性、稳定性和经济性一直制约着工厂对自动化的改造程度，尤其在大批量，短周期的加工装配现场，作业过程中，上下料出现问题或限制产出节拍，对工厂产能影响非常大。对于形状规则、重量较轻的物料，在生产线上设置料仓无疑是一种经济实用的解决方案。气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段。气压传动具有工作介质容易获得、工作环境适应性好、动作迅速、反应快、调节方便、动作频率高、结构简单等优点。可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），是一种具有微处理器的、用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。PLC是一种安装方便、输入/输出功能模块齐全、组态灵活、功能强、运行速度快、编程简单、可靠性高的自动控制产品。两者在工业生产上都得到了广泛的应用，在生产过程自动化过程中采用气动控制技术，是一种经济性更高、适应性更强的重要技术手段。本设计以料仓自动取料装置为研究对象，本着经济性、可靠性、便捷性的原则，以气压传动作为传递动力，通过PLC来控制气动系统运行，完成取料、下料过程，实现节省人力，提高工作效率的目的。2.选题意义一方面可以加深对自动取料气动装置的认识，另一方面，通过此次毕业设计，可以提高对气压传动、电气控制、PLC控制知识的掌握程度，提升综合素质。（二）自动取料装置介绍根据实际生产线安装布置情况，料仓自动取料装置是由两个单杠双作用式气缸的气动控制回路组成，通过四个磁性开关完成物料位置的检测，用PLC程序进行动作控制。料仓自动取料装置的结构原理如图1.1所示。图1.1自动取料装置结构示意图二、自动取料装置原理设计（一）气动系统概述1.气压传动基本概念气压传动是以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。传递动力的系统是将压缩气体由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能装换为机械能而做功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件来实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。2.气动系统的组成气压传动是以压缩空气为工作介质传递动力和控制信号的系统。典型的气压传动系统由以下五部分组成：1）动力元件。动力元件的作用是把原动机的机械能装换成气体的压力能，是传动中的动力部分，主要设备是空气压缩机。2）执行元件。执行元件将气体的压力能装换成机械能，常见元件包括气缸和马达，输出直线运动、旋转运动或者摆动。3）控制元件。控制元件包括压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀及逻辑阀等。它们的作用是对气压传动系统中气动的压力、流量和方向进行调节控制，满足执行元件不同的动作要求。4）辅助元件。辅助元件是用于辅助、保证空气系统正常工作的一些装置，如冷却器、干燥器、空气过滤器、消声器、油雾器、蓄能装置及各种管道、管接头等。5）工作介质。气压传动的介质为压缩空气，它通过动力元件和执行元件实现能量装换。3.气压传动的优缺点（1）优点：1）气压传动装置简单、轻便，安装、维护简单，压力等级低，使用安全。2）以空气作为工作介质，排气处理简单，不会污染环境，成本低。3）调节速度快，气缸动作速度一般为50～500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快。4）可靠性高，使用寿寿命长，元件的有效动作次数约为数百万次，而新型电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀的寿命超过2亿次。5）适于标准化、系列化、通用化。6）利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；可短时间释放能量，以获得间歇运动的高速响应；可实现缓冲；对冲击负载和过载有较强的适应能力；在一定条件下可使气压传动装置有自保持能力。7）具有防火、防爆、耐潮湿的能力；与液压方式相比，气动方式可在恶劣环境下进行正常工作。8）由于空气的黏性很小，流动的能量损失远小于液压传动的能量损失，适宜于远距离输送和控制，压缩空气可集中供应。（2）缺点：1）空气具有压缩性，气缸的动作速度易受负载的影响，平稳性不好。2）目前气压传动系统的压力级一般小于0.8MPa，系统的输出力较小，传动效率低。3）气压传动装置的信号传递速度限制在声速（约340m/s）范围内，所以它的工作频率和响应速度远不如电子装置，并且信号会产生较大的失真和延滞，也不便于构成较复杂的回路。4）工作介质没有润滑性，系统必须采取措施进行给油润滑。5）噪声大，尤其在超声速排气时需要加装消声器。（二）气动系统设计气动系统回路图如图2.1所示，此气动回路由2个双作用单活塞杆缸、4个磁性开关、2个二位五通气动换向阀、4个二位三通电磁换向阀、2个单向节流阀组成。由行程开关检测气缸所处的位置，由继电器电路或PLC程序控制电磁阀的通断电，进而由电磁阀控制气动换向阀换向，就可以控制两气缸的伸缩运动顺序，来完成取料推料的过程，两单向节流阀控制两气缸的伸出速度，从而满足系统稳定性的要求。该气压系统基本控制回路主要包含调压回路、换向回路、调速回路和顺序动作回路四大类。1.调压回路：通过气动三联件中的减压阀对整个回路的压力进行调节，并保持稳定输出。2.换向回路：通过2个两位五通双气控电磁阀来实现两气缸的换向。3.调速回路：对于两个气缸，为了保证运行稳定，要求气缸双向运动速度可调，由两个单向节流阀组成排气节流调试回路，以满足系统要求。4.顺序动作回路：该气动系统可通过4个行程开关分别控制4个电磁阀的换向，从而控制2个气缸的顺序动作要求，整个动作过程可以用继电器、也可以通过PLC控制系统实现。图2.1气动回路图（三）电气控制原理设计根据料仓气动系统工作要求，可以画出系统动作流程、电磁线圈动作顺序如图2.2、表2.1所示：图2.2系统动作流程图表2.1连续自动循环动作顺序表序号工作循环激励信号1YA2YA3YA4YA1取料气缸伸出启动按钮S+―――2推料气缸伸出SQ2――+―3延时5秒SQ4――+―4取料气缸缩回延时继电器1―++―5推料气缸缩回SQ1―――+6延时10秒SQ3―――+7进入下次循环延时继电器2+―――根据动作流程图和动作顺序表，可设计出由继电器控制的原理图，如图2.3所示：图2.3电气控制原理图三、自动上料装置仿真（一）FluidSIM仿真软件介绍FluidSIM由德国Festo公司和Paperboard大学联合开发，专门用于液压、气压传动及电液压、电气动的教学培训软件，FluidSIM分为FluidSIM-H和FluidSIM-P两个软件，其中FluidSIM-H用于液压传动技术的模拟仿真与排障，而FluidSIM-P用于气压传动。FluidSIM软件既可以与FestoDidacticGmbH&Co设备一起使用，也可以单独使用。（二）自动上料装置仿真根据实验参数，利用FluidSIM软件对气压系统进行仿真。1、取料气缸伸出按下启动按钮S，继电器KA1得电，其控制的常开触点KA1闭合，线圈1YA得电，换向阀3换向左位，主换向阀7换向左位，取料气缸伸出。电气控制系统仿真如图3.1所示。图3.1取料气缸伸出电气控制仿真图取料气缸伸出时，控制回路进气路：气源→气动三联件→换向阀3左位→换向阀7左控制腔。排气路：换向阀7右控制腔→换向阀4右位→大气。取料气缸主回路，进气路：气源→气动三联件→换向阀7左位→单向节流阀9的单向阀→取料气缸无杆腔。排气路：取料气缸有杆腔→单向节流阀10的节流阀→换向阀7左位→大气。取料气缸伸出气动系统仿真如图3.2所示：图3.2取料气缸伸出气动系统仿真图2、推料气缸伸出当取料气缸伸出到位后，压下行程开关SQ2，使继电器KA2得电，其控制的常开触点KA2闭合，线圈3YA得电，换向阀5换向，主阀8换向，推料气缸伸出。电气控制仿真如图3.3所示：图3.3推料气缸伸出电气控制仿真图推料气缸伸出时，控制回路进气路：气源→气动三联件→换向阀5左位→换向阀8左控制腔。排气路：换向阀8右控制腔→换向阀5右位→大气。推料气缸主回路，进气路：气源→气动三联件→换向阀8左位→单向节流阀11的单向阀→推料气缸无杆腔。排气路：推料气缸有杆腔→单向节流阀12的节流阀→换向阀8左位→大气。推料气缸伸出气动系统仿真如图3.4所示：图3.4推料气缸伸出气动系统仿真图3、延时5秒当推料气缸伸出到位后，压下行程开关SQ4，继电器KA3得电，其控制的常开触点KA3闭合，延时继电器KT1开始计时，如图3.5所示：图3.5延时5秒电气控制仿真图4、取料气缸缩回当延时继电器KT1计时完毕，其控制的常开触点KT1闭合，线圈2YA得电，换向阀4换向左位，主阀7换向右位，取料气缸缩回。电气控制仿真如图3.6所示：图3.6取料气缸缩回电气控制仿真图取料气缸缩回时，控制回路进气路：气源→气动三联件→换向阀4左位→换向阀7右控制腔。排气路：换向阀7左控制腔→换向阀3右位→大气。取料气缸主回路，进气路：气源→气动三联件→换向阀7右位→单向节流阀10的单向阀→取料气缸有杆腔。排气路：取料气缸无杆腔→单向节流阀9的节流阀→换向阀7右位→大气。取料气缸伸出气动系统仿真如图3.7所示：图3.7取料气缸缩回气动系统仿真图5、推料气缸缩回当取料气缸缩回到位后，压下行程开关SQ1，线圈4YA得电，换向阀6换向，主阀8换向右位，推料气缸缩回。电气控制仿真如图3.8所示：图3.8推料气缸缩回电气控制仿真图推料气缸缩回时，控制回路进气路：气源→气动三联件→换向阀6左位→换向阀8右控制腔。排气路：换向阀8左控制腔→换向阀6右位→大气。推料气缸主回路，进气路：气源→气动三联件→换向阀8右位→单向节流阀12的单向阀→推料气缸有杆腔。排气路：推料气缸无杆腔→单向节流阀11的节流阀→换向阀8右位→大气。推料气缸伸出气动系统仿真如图3.9所示：图3.9推料气缸缩回气动系统仿真图6、延时10秒当推料气缸缩回到位后，压下行程开关SQ3，时间继电器KT2得电，延时继电器KT2开始计时，如图3.10所示：图3.10延时10秒电气控制仿真图7、进入下一循环当KT2计时完成后，其控制的常闭触点KT2断开（第6支路），继电器KA3断电，其控制的常开触点断开，KT2失电。同时KT2控制的常开触点KT2（第3支路）得电，继电器KA1得电，进入下一循环，如图3.11所示：图3.11进入下一循环电气控制仿真图在气压系统运行过程中，ST按钮可以随时停止系统动作，取料、推料气压缸的动作顺序不固定，可根据实际情况进行调整。四、PLC控制设计（一）PLC简介可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。根据自动上料装置系统要求，可以设计PLC控制面板如图4.1所示：图4.1自动上料装置示意图（二）I/O分配表根据控制要求列出I/O分配表见表4.1、表4.2所示。表4.1输入信号输入信号PLC地址电气符号功能说明I0.0SB1启动I0.1SB2停止I0.2S1左缸磁性开关I0.3S2右缸磁性开关I0.4S3左缸磁性开关I0.5S4右缸磁性开关I0.6SP1光电传感器I0.7SP2光电传感器表4.2输出信号输出信号PLC地址电气符号功能说明Q0.01YA取料气缸伸出Q0.12YA取料气缸缩回Q0.23YA推料气缸伸出Q0.34YA推料气缸缩回Q0.4M1步进电机（三）外部接线图根据I/O分配表设计自动上料装置PLC控制外部接线图，如图4.2所示：图4.2外部接线图（四）PLC程序梯形图根据I/O分配表以及控制要求设计自动上料装置PLC控制程序梯形图，如图4.3所示。图4.3PLC程序梯形图

五、气压系统回路装配调试按照气压系统原理图和电气控制原理图，在气动实训室进行气动系统的装配调试，装配调试过程如图5.1所示。图5.1气压系统装配调试根据PLC的I/O分配表、外部接线图、PLC控制梯形图，在实训室进行PLC装配调试如图5.2所示。图5.2PLC装配调试六、毕业设计总结气压传动是指以气体为工作介质，利用气体的压力能来传递能量和进行控制的一种传动形式。本次毕业采用电气控制和PLC控制两种控制方法来实现气压系统的控制。在设计过程中，FluidSIM软件可以对绘制好的回路进行仿真，通过强大的仿真功能可以实现显示和控制回路的动作，因此可以及时发现涉及中存在的错误，帮助我们涉及出结构简单、工作可靠、效率较高的最优回路。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使程序编制形象、直观、方