【信息化-精编】生产线上运输升降机的自动化设计PLC

无锡职业技术学院毕业设计说明书生产线上运输升降机的自动化设计PLC1无锡职业技术学院毕业设计说明书第一章引言在工厂中经常看见一些升降机械，这些升降机械很多由工频电机直接带动运行，电气控制部分一般都很简单，多数采用人工手动控制或采用继电器控制方式。这些升降机械存在一些明显的问题，如启动停止和运行不平稳，升降运动过程动作不可靠，自动化程度不高，故障率较高，设备能耗高，无法应急运行，存在安全隐患等等。基于这些问题使得这些升降机械很难在工厂生产中发挥高效率的作用，同时也使得国内这些生产的升降机械无法与进口的自动化生产线配套使用，也无法根据实际的生产需要转换和调整升降机械的动作方式和工作顺序。随着变频技术和PLC控制技术的发展，工厂中的自动化生产线也越来越多，由于一些行的业生产工艺的要求或是由于生产车间和场地的特殊情况，要求一些生产线需要配置相应的物件提升装置。通过本次简单设计过程，可以了解到在现实生产中的基本控制思想。认识到若要达到所设计的目的，不仅要做到知识的严谨，还要综合考虑所可能遇到的各种情况以及所处的环境。在运行的过程中，由于环境的不同可能得到不同的结果。因此，在现实生产过程中，要全面考虑设计所要达到的目的，最重要的还要将环境与所设计结合起来，才能可能达到设计的目的。1．1可编程序控制器的特点及应用1.PLC的应用早期的可编程序控制器(ProgrammableLogicController，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，1无锡职业技术学院毕业设计说明书以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在机械系统方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC用采极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所用采的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、机械系统功能。2.PLC的特点在发达工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元[5]。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：(1)可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、机械系统上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。(2)具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人1无锡职业技术学院毕业设计说明书机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。(3)采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。(4)编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。(5)维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。在设计过程中要注意的一些细节：1．2如何选购PLC产品1、系统规模首先应确定系统用PLC单机控制，还是用PLC形成网络，由此计算PLC输入、输出点。数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量（10%）。2、确定负载类型根据PLC输出端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，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。3、存储容量与速度尽管国外各厂家的PLC产品大体相同，但也有一定的区1无锡职业技术学院毕业设计说明书别。目前还未发现各公司之间完全兼容的产品。各个公司的开发软件都不相同，而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标。一般存储容量越大、速度越快的PLC价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PLC产品。4、编程器的选购PLC编程可采用三种方式：（1）是用一般的手持编程器编程，它只能用商家规定语句表中的语句编程。这种方式效率低，但对于系统容量小，用量小的产品比较适宜，并且体积小，易于现场调试，造价也较低。（2）是用图形编程器编程，该编程器采用梯形图编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高。（3）是用IBM个人计算机加PLC软件包编程，这种方式是效率最高的一种方式，但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试。因此，应根据系统的大小与难易，开发周期的长短以及资金的情况合理选购PLC产品。5、尽量选用大公司的产品其质量有保障，且技术支持好，一般售后服务也较好，还有利于你的产品扩展与软件升级1．3输入回路的选择特点1、电源回路PLC供电电源一般为AC85—240V（也有DC24V），适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1：1隔离变压器等）。2、PLC上DC24V电源的使用各公司PLC产品上一般都有DC24V电源，但该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时要注意容量，同时作好防短路措施（因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行）。1无锡职业技术学院毕业设计说明书3、外部DC24V电源若输入回路有DC24V供电的接近开关、光电开关等，而PLC上DC24V电源容量不够时，要从外部提供DC24V电源；但该电源的“—”端不要与PLC的DC24V的“—”端以及“COM”端相连，否则会影响PLC的运行。4、输入的灵敏度各厂家对PLC的输人端电压和电流都有规定，如日本三菱公司F7n系列PLC的输入值为：DC24V、7mA，启动电流为4．5mA，关断电流小于1．5mA，因此，当输入回路串有二极管或电阻（不能完全启动），或者有并联电阻或有漏电流时（不能完全切断），就会有误动作，灵敏度下降，对此应采取措施。另一方面，当输入器件的输入电流大于PLC的最大输入电流时，也会引起误动作，应采用弱电流的输入器件，并且选用输人为共漏型输入的PLC，Bp输入元件的公共点电位相对为负，电流是流出PLC的输入端。1．4输出回路的选择特点1、各种输出方式之间的的比较（1）继电器输出：优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达2A／点；但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决定的。其寿命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至Jl百万次之间，有的公司产品可达1000万次以上，响应时间为10ms。（2）晶闸管输出：带负载能力为0.2A/点，只能带交交流负载，可适应高频动作，响应时间为1ms。（3）晶体管输出：1无锡职业技术学院毕业设计说明书最大优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为0.2ms左右，但它只能带DC5—30V的负载，最大输出负载电流为0．5A/点，但每4点不得大于0.8A。当你的系统输出频率为每分钟6次以下时，应首选继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强。当频率为10次／min以下时，既可采用继电器输出方式；也可采用PLC输出驱动达林顿三极管（5—10A），再驱动负载，可大大减小。2、抗干扰与外部互锁当PLC输出带感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。当两个物理量的输出在PLC内部已进行软件互锁后，在PLC的外部也应进行互锁，以加强系统的可靠性。3、“GOM“点的选择不同的PLC产品，其“COM”点的数量是不一样的，有的一个“COM”点带8个输出点，有的带4个输出点，也有带2个或1个输出点的。当负载的种类多，且电流大时，采用一个“COM”点带1—2个输出点的PLC产品；当负载数量多而种类少时，采用一个“COM”点带4—8个输出点的PLC产品。这样会对电路设计带来很多方便，每个“COM”点处加一熔丝，1—2个输出时加2A的熔丝，4—8点输出的加5—10A的熔丝，因PLC内部一般没有熔丝。4、PLC外部驱动电路对于PLC输出不能直接带动负载的情况下，必须在外部采用驱动电路：可以用三极管驱，也可以用固态继电器或晶闸管电路驱动，同时应采用保护电路和浪涌吸收电路，且每路有显示二极管（LED）指示。印制板应做成插拔式，易于维修。5、PLC的输入输出布线也有一定的要求，请看各公司的使用说明书。1无锡职业技术学院毕业设计说明书1．5软件编制在编制软件前，应首先熟悉所选用的PLC产品的软件说明书，待熟练后再编程。若用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可少出错，速度也快。编程结束后先空调程序，待各个动作正常后，再在设备上调试。1．6优化选择在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器（PLC）来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一，目前市场上的PLC产品众多，除国产品牌外，国外有：日本的OMRON、MITSUBISHI、FUJJ、anasonic,德国的SIEMENS，韩国的LG等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高，这是众多技术人员选用PLC的重要原因，所以在一些小型简单的自动化生产线上，厂家考虑其性价比还是选用PLC改造传统电气回路。同时西门子PLC可以根据要求选用不同的模块，在此基础上设计程序以达到所设计的功能，这种形式目前在工业现场应用最为广泛。另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。还有要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，而PLC的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。除此以外它本身有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根据自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找出故障也较为简单。1无锡职业技术学院毕业设计说明书所以应用西门子S7-200PLC和西门子MM420变频器组成的升降机控制和驱动系统，可以完成对升降机自动运行的智能化控制和管理，可以根据生产线的实际生产需要和具体工艺要求自动调整升降方向和速度快慢。也可以在变频器发生故障时自动将发生故障的电机切换到工频状态应急工作，系统设有西门子TP170A触摸屏，可以向工作人员提示设备的状态和故障信息。整个系统自动化程度高，应用范围广，可以在多个行业与国内外各型生产线配套使用。第二章运输升降机系统概述2.1运输升降机机械系统的组成运输升降机的机械系统由升降机入口和出口传输机构，轿箱内部吊篮传输机构，轿箱升降机构，升降机厅门安全机构和升降电机安全抱闸机构组成。升降机入口和出口传输机构用于将生产线上的产品向升降机内或升降机外传送。轿箱内部吊篮传送机构用于将产品传入或传出轿箱。轿箱升降机构用于提升升降机轿箱或下降升降机轿箱。升降机厅门安全机构用于在升降机轿箱升降过程中关闭升降机井厅门入口，防止安全事故发生。升降电机安全抱闸机构用于在升降机轿箱停止运动时抱住升降电机主轴，防止升降机轿箱在停止运动时发生上下滑动，避免由此而产生的安全事故。2.2运输升降机的自动控制系统的组成运输升降机的自动控制系统由程序逻辑控制器PLC，外部光电传感器，触摸屏，变频驱动器，声光报警灯和检修手动盒等元气件组成。程序逻辑控制器PLC采集外部输入点的输入信号，如启动停止信号，各个光电传感器的状态信号，各限位开关的输入信号，人机界面上的输入信号，经过逻辑判断和运算后输出相应输出信号，控制电气系统中的相应交流接触器和变频1无锡职业技术学院毕业设计说明书器动作。来完成将一层楼的产品自动的转移到另外一层楼的生产线上。2.3运输升降机的工作原理和控制要求运输升降机的工作状态分为自动运行状态和检修操作状态，两个工作状态相互独立彼此分开。当升降升降机处于自动运行状态下时，要求检修操作盒的所有按钮无效，同样当设备处于检修状态下时要求来自系统外部的控制信号无效，此时系统只能通过检修手动盒点动检修。在自动运行时要求升降机能够将一层楼的产品自动的传送到另外一层楼的生产输送带上，并自动返回到出发点进行下一个工作周期。这个过程当中要求PLC能根据外部生产线的速度自动调节升降机的运转速度。要求升降机的轿箱能够准确平层，能够判断进出口堵塞情况的发生，能够自动的连续点动正反转，以自动消除进出口的堵塞现象，减少不必要的停机发生。同时要求升降系统能够多楼层多顺序的传送运行，能根据生产需求调整传送方向。要求系统有可靠的安全保护，能避免设备安全事故的发生。要求设备具有应急运行功能，减少因设备故障造成的生产线停机。在操作上要求通过人机界面能够方便地修改参数，记录生产情况和报警信息，要求在触摸屏上复位报警和点动功能。能够设置管理人员密码，能够记录生产批次和生产数量，具有历史数据查询功能。第三章运输升降机自动控制系统设计3.1运输升降机的机械系统的组成运输升降机的传输机构分为入口输送带，出口输送带和升降机轿箱吊篮传送带。分别与各楼层的生产线输送带连接。见图1－1。图1－1运输升降机入口输送带与吊篮输送带和生产线输送带的组合1无锡职业技术学院毕业设计说明书其中升降机入口输送带采用工业输送带，生产线输送带采用皮带式输送带，加置皮带张紧装置，入口输送带可以根据需要正反转。升降机轿箱吊篮传送带采用链条传动多个金属输送辊组成的辊道式传送带，机械结构牢靠，抗撞击能力强，正反转动作可靠，其作用是连接升降机入口传送带或出口传送带。见图1－2。图1－2升降机轿箱吊篮内送辊道式输送带示意图图1－3运输升降机出口输送带与吊篮输送带和生产线输送带的组合图1－3其中升降机出口输送带采用工业输送带，生产线输送带采用皮带式输送带，加置皮带张紧装置，出口输送带可以根据需要正反转。而升降机轿箱吊篮内送辊道式输送带则与升降机升降机构组合，在各楼层之间上下运动，输送货物，见图1－4。图1－4升降机的机械升降机构升降机的机械升降机构由升降电机，电动抱闸，链条和升降部分组成，见图1－5。图1－5是升降机升降机构与升降机井架的组合在运输升降机吊篮内，吊篮输送机构与升降机升降机构的组合如下图1－6所示。对重装置未画出图1－6自动升降机吊篮输送机构和1F入口传送带的组合如下图1－7所示。图1－7自动升降机吊篮输送机构和2F出口传送带的组合如下图1－8所示。对重装置未画出1无锡职业技术学院毕业设计说明书图1－83.2运输升降机的电机驱动系统的组成本系统硬件由三相交流鼠笼式电机、西门子MM420系列通用型变频器、西门子S7-200226CPU的PLC、交流接触器组成。设计要求：可以根据生产线的实际情况，来设计上述各输送带和升降机升降机构驱动电机的功率大小。本设计中采用升降机输入口，升降机输出口和吊篮电机都为0.75KW的三相交流鼠笼式电机，设计升降机升降机构电机为1.5KW三相交流鼠笼式电机。各个电机功率可以根据实际的情况来设计，但在设计升降机入口，升降机出口和吊篮内输送带电机时，要求将这三处的输送带驱动电机功率设计为一样大小。这样设计的目的在于，因为升降机在一二楼之间来回运动运送产品，但一二楼的入口传送带和出口传送带的工作状态为二选一。即当其中一个输送带的电机处于工作状态下，另外一台电机则处于停止的状态。这样就可以使用一台变频器来驱动多个楼层升降机入口或出口的输送电机，以达到减少机械系统设备的投入。吊篮内输送带的驱动电机和变频器的功率尽量选择和升降机出入口输送带驱动电机同等功率，这样做的目的在于减少变频器和输送带驱动电机的型号差别，方便设计，时同也方便安装、调试和以后的设备检修与维护。升降机升降机构的驱动电机和变频器的功率容量根据产品的实际质量、升降机构的机械效率和安全系数来确定。所有升降机上使用的变频器选用西门子MM420系列通用型变频器。方案选择：电机变频驱动系统和工频驱动系统结构示意图如图2－1所示。13#无锡职业技术学院毕业设计说明书图2－1系统结构示意图说明：图2－1中1＃、2＃和3＃为西门子MM420系列变频器，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分别为运输升降机1楼入口输送带电机、二楼出口输送带电机、轿箱吊篮输送带电机和升降机构电机。PLC为西门子S7-200226CPU，1～12为交流接触器。所有的变频器和交流接触器工作状态都由PLC集中控制完成。设计改进：为了避免工频正反转输出时发生短路事故，在工频正反转输出的交流接触器上实施电气和机械互锁的安全措施。为了避免变频器输出时和工频输出短接，或者为了避免1＃变频器输出时Ⅰ和Ⅱ电机同时的电，在各个交流接触器之间加设电气互锁和必要的机械互锁。当升降机处于自动运行状态下时，当升降机在1楼时由1＃变频器向电机Ⅰ提供动力驱动，可以是正转也可以是反转。当升降机在二楼时由1＃变频器向电机Ⅱ提供动力驱动，可以是正转也可以是反转。2＃变频器向Ⅲ电机提供动力驱动，当升降机在一楼时正转，在二楼时反转。3＃变频器向Ⅳ电机提供动力驱动，当升降机上升时正转，下降时反转。交流接触器的的互锁状态如下：交流接触器1、2机械＋电气互锁，交流接触器3、4机械＋电气互锁，交流接触器5、6机械＋电气互锁，交流接触器8、9机械＋电气互锁，交流接触器11、12机械＋电气互锁。同时交流接触器组1、2和交流接触器组3、6电气互锁，交流接触器3、6电气互锁，交流接触器4、5电气互锁，交流接触器7和交流接触器组8、9电气互锁，交流接触器10和交流接触器组11、12电气互锁。详细的互锁组合和互锁意义如表2－1所示。第一组第二组互锁状态注释含义1无锡职业技术学院毕业设计说明书交流接触器1交流接触器2机械＋电气互防止工频正反转短二选一二选一二选一二选一二选一四选一三选一三选一锁路34机械＋电气互防止工频变频同时接通机械＋电气互防止工频变频同时接通机械＋电气互防止工频正反转短锁56锁89锁路111、2712机械＋电气互防止工频正反转短锁路3、68、911、12电气互锁防止工频变频同时接通防止工频变频同时接通防止工频变频同时接通电气互锁电气互锁103465电气互锁电气互锁防止变频同时接通防止工频同时接通二选一二选一表2－1图2－1中交流接触器1、2、4的组合目的为了当1＃变频器发生故障时或1无锡职业技术学院毕业设计说明书者设备处于检修状态时，可以通过工频驱动的方式应急运行电动机Ⅰ，而且保留了电机Ⅰ的正反转功能。同理交流接触器1、2、6的组合，交流接触器8、9的组合，交流接触器11、12的组合目的是为了能够实现工频驱动电机Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ正反转。本电机驱动系统设计的自动控制原理图请参照附录13.3运输升降机自动化控制系统的组成运输升降机的工作状态：自动状态和维修工作状态。这两种工作状态互相独立、彼此分开，目的在于确保控制回路的输出的唯一性，避免发生类似双线圈输出的情况，杜绝事故的发生。升降机自动化控制系统的组成：整个升降机自动化控制系统的组成由核心控制元件PLC、空气开关、电机马达开关、交流接触器、触摸屏、开关、按钮、指示灯、报警器和外部光电传感器等元部件组成。其中由面板旋钮开关或带锁的钥匙旋钮开关选择整个系统的工作状态，通过状态安全继电器的得电或失电来区分自动运行和手动运行的输出电源的通和断。这样就使得系统只有在自动运行状态下时PLC的输出端子才有输出电压，当系统在手动运行状态下时，PLC输出端子上无输出电压。用为当系统指令电机以工频方式工作时，起到保护电机的作用。人机界面能够方便操作人员对设备进行操作和监控，同时实时显示设备工作状态，记录生产产量和班产批次等历史数据。报警灯由多级柱装灯塔组成，不同颜色代表不同意义。设备外部设有多个光电传感器，向PLC传输外部状态信号，指示自动升降机的工作状态。自动化控制系统中的安全部分的紧急停止按钮拥有最高的设备输出中止权，即无论在手动还是自动状态下，只要紧停按钮被按下，设备都会立即停止任何动作。升降机井除了在高处和低处安装了感应1无锡职业技术学院毕业设计说明书升降机吊篮位置的光电传感器，还在井架极限高位和极限低位安装了机械式的行程限位开关，确保升降机轿箱不发生冲顶和撞底的事故。在1楼升降机进口输送带和2楼升降机出口输送带上分别安装有1个光电传感器，用来检测运输的产品。在轿箱吊篮内输送带上安装有2个光电传感器，用来检测运输产品的进出情况。控制柜设计方案：由于生产线的情况决定了在运输升降机的自动化控制系统中需要设立主控制柜和现场分控制箱。在主控制柜内安装所有空气开关，马达开关，PLC，触摸屏，塔式报警灯等元气件，在现场分控制箱上安装自动状态系统停止旋钮开关。手动检修操作盒采用移动式手持盒，所有手动按钮相互连锁，并且都为点动按钮。具体见如下示意图。图3－1主控制柜面板布置图3－2现场控制箱面板