小型智能装配生产线电气系统设计

《机电传动控制》课程设计任务书一、课题题目：小型智能装配生产线电气系统设计三、设计任务：1.根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，本设计要求采用继电器接触器控制方式；2.对重要电器元件进行选择和计算；3.按照国家标准制图方式，绘制出电气控制原理图，包括：主电路和控制电路。采用图幅分区法，对各电路模块进行注释；4.完成控制箱内的元器件安装图；5.列出所需电器元件的明细表（应包括：序号、文字符号、器件名称、规格、型号、数量、作用等）；6.编写设计说明书（课程设计报告）。三、背景意义随着科学技术的发展，PLC技术在许多领域得到了广泛的应用，尤其是在现代工业的系统控制方面，PLC的功能强、可靠性高、编程简单、使用方便、体积小巧，被誉为当代工业自动化的主要支柱之一。随着当今社会越来越快的发展步伐，生产流水线控制系统将需要实现更多更加稳定的功能，以PC机作为上位机、以PLC作为基本控制单元的集控制和管理于一身的控制系统在现代化生产流水线及管理中越来越显示出优越性，PLC易学易懂、控制简单，可以提高自动化生产流水线的生产效率。PLC用存储逻辑代替了接线逻辑，这使得控制设备外部的接线大大的减少，也使得控制系统设计的周期大大的缩短，使同一设备经过改变程序从而改变生产过程成为可能，这也很适合小批量、多品种的生产领域。因为PLC，流水线的自动化程度更高、生产效率更高。因此基于PLC的生产流水线电气控制系统的研究具有非常实用的意义，该研究一定会有很大的发展和应用空间。此课题研究的目的是在掌握一定的PLC知识的基础上，培养掌握知识、运用知识解决问题的能力，培养一定的工程意识和创新意识，学会和熟悉一定的工程设计方法，为进一步的学习和能力的培养奠定基础。四、生产流水线电气控制系统设计4.1设计目标生产流水线工作台由电机带动，本课题的电气控制系统设计针对生产流水线当中某一电机，最终需要实现电机的正向、反向以及多段速运行，使其具备启停、调试、单选等功能。电机多段速运行情况如下图所示。具体目标如下：电机启动，当电机自动运行时将分五档速度连续运转，正转一档速度（300r/min）、正转二档速度（900r/min）、正转三档速度（1500r/min），反转四档速度（600r/min）、反转五档速度（1500r/min）；当电机进行调试时以一档速度（300r/min）运行，可实现正反转调试；此外，在单选状态下，电机可以以任意一级速度恒速正转运行；需要时电机可以随时停止。4.2设计思路及实现根据公式f=nP/60可知，对于一台电机，转速n与频率f成一一对应关系，故可以利用变频器控制频率的变化从而来实现电机的多段速运行[2]。另一方面，通过对变频器工作原理的理解可知，控制变频器开关量的输入可以实现多个固定频率的输出。所以，合理运用PLC，其输出信号作为变频器开关量的输入控制信号，变频器控制电机运行于多档转速即可构成PLC配合变频器的电气控制系统，通过软件与硬件结合，即可达到设计目标。通过对设计目标的分析，结合PLC输入开关元件，该生产流水线某一部分控制电机的电气控制系统实现内容如下：按下SB1，电动机启动；按下SB12，电动机自动多段速连续运行，工作台运行；按下SB2，电动机停止，工作台停止运行；按下SB4，电动机正转；按下SB5，电动机反转；按下SB3，调试，电动机以一档转速运行；按下SB6，单选，电动机以任意一级速度恒速运行；按下SB7，电动机以一速运行；按下SB8，电动机以二速运行；按下SB9，电动机以三速运行；按下SB10，电动机以四速运行；按下SB11，电动机以五速运行。根据以上分析，生产流水线中某一部分由PLC和变频器组成的控制系统示意图如下：图2-3PLC和变频器组成的控制系统示意图五、控制系统的硬件设计5.1西门子S7-200PLC西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能强，可靠性高[5]。其中，S7-200系列是整体式的，CPU模块、I/O模块和电源模块都在一个模块内，称为CPU模块。同一机架上的模块之间是通过模块正上方的数据接头连接的。它的编程语言有三种，即语句表（STL）、梯形图（LAD）、功能块图（FBD）。S7-200PLC发展至今，大致经历了两代：第一代产品，其CPU模块为CPU21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同配置的CPU单元：CPU212，CPU214，CPU215和CPU216。第二代产品，其CPU模块为CPU22X，主机都可进行扩展，具有五种不同配置的CPU单元：CPU221，CPU222，CPU224和CPU226和CPU226XM，除CPU221之外，其它都可加扩展模块，是目前小型PLC的主流产品。西门子S7-200PLC在实时模式速度快，有较高的生产力，可以与其他控制器结合使用。S7-200硬件系统由基本单元（CPU）、扩展单元、特殊功能模块、相关设备组成。S7-200PLC具有以下特点：（1）集成的24V电源。可直接连接到传感器，其中，CPU224输出280mA，可用作负载电源。（2）通信口。其中，CPU221、CPU222以及CPU224具有1个RS-485通信口，CPU226具有2个RS-485通信口，S7-200支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。（3）高速脉冲输出。S7-200具有两路高速脉冲输出端，频率达20KHZ，可用于控制步进电机或者伺服电机。（4）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。（5）电池模块。用户数据可通过内部的超级电容存储大约5天。选用电池模块能延长存储时间到200天。电池模块插在存储器模块的卡槽中。（6）数字量输入/输出点。CPU221具有6输入/4输出；CPU222具有8输入/6输出；CPU224具有14输入/10输出；CPU226具有24输入/16输出。（7）高速计数器。具有几个高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更高的脉冲信号。S7-200PLC的应用领域从更换继电器和接触器一直扩展到单机、网络以及分布式配置更复杂的自动化领域。S7-200PLC具有结构紧凑小巧、大容量程序和数据存储、实时响应快、操作顺序和过程控制快速和精确、易于配合STEP7-Micro/WIN32工程软件使用等优点。5.1.1I/O地址分配此次课题中使用的S7-200PLC的CPU224XPCN，其具有14个输入点和10个输出点。结合此设计需要满足的功能要求以及开关元件，考虑PLC与变频器之间的输入输出控制关系，S7-200I/O地址可按如下分配：表3-1I/O地址分配表输入输出功能元件地址功能地址启动SB1I0.1DIN3Q0.1停止SB2I0.2DIN4Q0.2调试SB3I0.3DIN5Q0.3正转SB4I0.4DIN1Q0.4反转SB5I0.5DIN2Q0.5单选SB6I0.6一速SB7I0.7二速SB8I1.3三速SB9I1.4四速SB10I1.0五速SB11I1.1自动SB12I1.25.1.2S7-200PLC接线图图3-1为S7-200PLC（CPU224XPCN）DC电源/DC输入/DC输出端子接线图，DC输入端由1M、I0.0~I0.7构成的第一组和由2M、I1.0~I1.5构成的第二组组成，1M和2M分别为各组公共端，DC24V的负极接公共端1M或者2M，输入开关的一端接DC24V的正极，输入开关的另一端接CPU224XPCN各输入端；DC输出端由1M、1L+、Q0.0~Q0.4构成的第一组和由2M、2L+、Q0.5~Q1.1构成的第二组组成，1M和2M分别为各组公共端，DC24V的负极接1M、2M端，正极接1L+、2L+端，Q0.1~Q0.4输出一端接CPU224XPCN各输出端，另一端分别与变频器端7、端8、端16、端5连接。图3-1S7-200PLC接线图5.2西门子MICROMASTERVECTOR变频器MICROMASTERVECTOR(MMV)是具有免测速机矢量控制功能的通用型变频器,用于控制三相电机的转速。免测速机矢量控制可以计算出所需输出电流及频率的变化量以维持所期望的电机转速,而不受负载条件变化的影响。MMV变频器具有如下特点：(1)安装、设定、调试简便。(2)矢量控制的起动转矩高并且速度精度高。(3)单相输入的MMV12-MMV300可提供内装RFI滤波器选件。(4)快速电流限幅可以运用于无跳闸应用。(5)0°C到50°C的温度范围。(6)内部自带PID控制功能，可以完成闭环过程控制，为用于反馈的传感器提供15V、50mA供电。(7)可通过RS-485串口实现远程控制,此外使用USS通讯方式最多可以控制31台变频器。(8)输出频率(即电机转速)可由以下方法控制：=1\*GB3①前面板频率给定=2\*GB3②外部电位计控制电机转速=3\*GB3③高分辨率的模拟量给定值(电压或电流输入）=4\*GB3④8个固定频率设定。=5\*GB3⑤电动电位计功能=6\*GB3⑥串行接口5.2.1参数设置变频器可以通过前面板上的薄膜型按键改变和设定参数，以调节出所需要的变频器特性，例如最大和最小频率等。被选定的参数号和设定的参数值通过四位LED显示屏显示出来。值得注意的是，如果间断性地按键，数值将一步一步地改变，如果长时间地按住键，数值将快速地改变[10]。参数能否读取，取决于P009的设定。按照生产流水线电气控制系统的设计要求，参数设置如下：表3-2MMV变频器参数设置参数功能参数设置说明/注释P001显示选择00=输出频率（HZ）P006频率设定方式选择22=固定频率P007面板操作控制00=运行P009参数保护设定33=所有参数可被读写P041固定频率（HZ）10P042固定频率（HZ）30P043固定频率（HZ）50P049固定频率（HZ）20P048固定频率（HZ）50P051选择控制功能11=运行，向右转P052选择控制功能22=运行，向左转P053选择控制功能1717=二进制固定频率控制P054选择控制功能1717=二进制固定频率控制P055选择控制功能1717=二进制固定频率控制5.2.2多段速控制 变频器的多段速是通过功能端子控制的，这些功能端子按照二进制的规律组合接通时，变频器输出各固定频率[11]。MMV变频器最多可以通过3个端子组合闭合控制生成8种固定频率，根据f=nP/60可知，从而得到8段速。表3-3中“1”表示该端子的控制闭合；“0”表示该端子的控制断开。由段速表可见，DIN3、DIN4、DIN5功能端子按照表中的对应关系进行闭合时，得到8种固定频率。表3-3二进制编码固定频率表DIN3（P053）DIN4（P054）DIN5（P055）FF5（P046）000FF6（P047）001FF7（P048）010FF8（P049）011FF1（P041）100FF2（P042）101FF3（P043）110FF4（P044）111因此，为了使PLC与变频器相结合对电机进行控制从而达到生产流水线电气控制系统的控制要求，S7-200PLC输出点与MMV变频器的对应关系应该如表3-4所示。表3-4PLC输出点与变频器对应关系Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5DIN3DIN4DIN5DIN1DIN2速度(r/min)频率(HZ)FF11001030010FF21011090030FF311010150050FF80100160020FF7011011500505.2.3变频器接线图参照MMV变频器操作手册，接线图如图3-2所示[12]。图3-2变频器接线示意图六、控制系统的软件设计6.1PLC编程随着社会的进步与快速发展，微处理器、计算机以及数字通信技术的发展飞速，如今计算机控制几乎已经扩展到了所有的工业领域。在这种情况下，现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，要求生产出小批量、多品种、多规格并且低成本和高质量的产品。因此，为了满足这些要求，生产设备以及自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，PLC编程应运而生，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据按控制要求编制好并储存于用户存储器中的程序，按照指令步序号(地址号)作周期性循环扫描，如果没有跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后再重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描，在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样以及对输出状态的刷新等工作。PLC的用户程序，是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制规范，按照实际需要使用的功能来设计的。只要用户能够掌握某种标准编程语言，就能够使用PLC在控制系统中，实现各种自动化控制功能。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3），PLC有五种标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）、结构文化本语言（ST）。其中，梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言[13]。它是与继电器线路类似的一种编程语言。它在形式上沿袭了传统的继电器—接触器控制图，是在原继电接触器控制系统的梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它将PLC内部各种编程元件和各种具有特定功能的命令用专用图形符号、标号表示，并且按照逻辑要求及连接规律组合和排列，从而构成了表示PLC输入、输出之间控制关系的图形。因为它在原继电接触器的基础上加进了许多功能强大、使用灵活的指令并且将计算机的特点结合了进去，使得其逻辑关系清晰直观、编程容易、可读性强，可以实现的功能大大超过了传统的继电接触控制电路，所以得到了广泛的欢迎和应用。梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。梯形图的设计应注意到以下三点：（1）梯形图按从左到右、自上而下地顺序排列。每一逻辑行（或称梯级）起始于左母线，然后是触点的串、并连接，最后是线圈。（2）梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是概念电流，从左流向右，其两端没有电源。这个概念电流只是用来形象地描述用户程序执行过程中应该满足线圈接通的条件。（3）输入寄存器用来接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点驱动。因此，梯形图中只出现输入寄存器的触点，而不出现其线圈。输出寄存器则输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出寄存器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而是要通过输出接口的继电器、晶体管或者晶闸管才能实现。输出寄存器的触点也可供内部编程使用。6.2顺序控制继电器（SCR）指令在工业控制工程中，用梯形图或语句表的一般指令编程，程序简洁但需要一定的编程技巧，特别是对于一个工艺过程比较复杂的控制系统，如一些顺序控制过程，各过程之间的逻辑关系、内部连锁关系复杂，其梯形图冗长，通常要有熟练的电气工程师才能编制出控制程序。此时利用SCR指令编制，顺序控制程序清晰明了，统一性强，适合初学者和不熟悉继电器控制系统的人员运用。其中，所谓顺序控制，是使生产过程按工艺要求事先安排的顺序自动进行控制。各种型号PLC的编程软件，一般都为用户提供了一些顺序控制指令。S7-200系列PLC的编程软件有三条顺序控制继电器指令，包括LSCR（程序段的开始）、SCRT（程序段的转换）、SCRE（程序段的结束）指令，从LSCR开始到SCRE结束的所有指令组成一个SCR程序段，一个SCR程序段对应一个顺序步。装载顺序控制继电器指令LSCR标记一个顺序控制继电器(SCR)程序段的开始。LSCR指令把S位（例如S0.1）的值装载到SCR堆栈和逻辑堆栈栈顶，SCR堆栈的值决定该SCR段是否执行，当SCR程序段的S位置位时，允许该SCR程序段工作。顺序控制继电器转换指令SCRT执行SCR程序段的转换，SCRT指令有两个功能，一方面使当前激活的SCR程序段S位复位，以使该SCR程序段停止工作；另一方面使下一个将要执行的SCR程序段S置位，以便下一个SCR程序段工作。顺序控制继电器结束指令SCRE表示一个SCR程序段的结束，它使程序退出一个激活的SCR程序段，SCR程序段必须由SCRE指令结束。同一地址的S位不可用于不同的程序分区，例如不可把S0.5同时用于主程序和子程序中；在SCR段中不能使用JMP、LBL、FOR、NEXT、END指令，可以在SCR段外使用JMP、LBL指令。SCR指令应用可以是对单支流程、分支流程和选择性分支流程的控制。通过分析，本课题中生产流水线电气控制系统设计即可运用SCR指令单支流程控制。SCR在应用中，每一个状态（即每一顺序步）由三个要素组成：一、驱动输出，即这一步要做什么；二、转移条件，即满足该条件时退出这一步；三、转移目标，即下一步状态是什么。6.3程序设计按照生产流水线电气控制系统设计要求，根据PLC工作原理以及I/O地址分配，源程序梯形图设计如下：6.4仿真结果利用S7-200PLC的配套编程软件STEP7-Micro/WIN32，软件与硬件相结合，对程序进行仿真，结果如下：（1）按下启动按钮SB1和自动运行按钮SB12，S0.2程序段工作，Q0.1、Q0.4置位，电机以一档转速正转运行，同时时间继电器T37启动。图4-1程序仿真图1图4-2程序仿真图2（2）T37延时时间到，S0.5程序段工作，Q0.1、Q0.3、Q0.4置位，电机以二档转速正转运行，同时时间继电器T38启动。图4-3程序仿真图3（3）T38延时时间到，S0.6程序段工作，Q0.1、Q0.2、Q0.4置位，电机以三档转速正转运行，同时时间继电器T39启动。图4-4程序仿真图4（4）T39延时时间到，S0.7程序段工作，Q0.2、Q0.3、Q0.5置位，电机以四档转速反转运行，同时时间继电器T40启动。图4-5程序仿真图5（5）T40延时时间到，S1.0程序段工作，Q0.2、Q0.5置位，电机以五档转速反转运行，同时时间继电器T41启动。图4-6程序仿真图6（6）按下调试按钮SB3，S0.3程序段工作，Q0.1置位，按下正转按钮SB4，Q0.4置位，电机以一档转速正转运行；按下反转按钮SB5，Q0.5置位，电机以