基于plc控制系统的大型笼舍自动门设计

PAGEII基于plc控制系统的大型笼舍自动门设计摘要当今社会产品更新换代越来越快，人力成本不断提升，生活的节奏不断变快，以前在大型动物饲养方面都是以人为主，通过人力来去手动的开启大型动物笼舍的门，这种方式不但工人的劳动强度大，而且有一定的危险性，大型动物的笼舍门，不但笨重而且开关极其费力特别像大象，老虎，狮子等猛禽动物在开门关门的时候，很有可能受到伤害，本文设计一种可以自动开关猛兽动物笼舍的门，采用plc控制液压缸驱动的方式实现，同时在关门之后底部带有插销可以锁定确保安全。关键词笼舍自动门；液压驱动；AbstractToday'ssocialproductsareupdatingfasterandfaster,thehumancostisrising,andthepaceoflifeisbecomingfasterandfaster.Inthepast,intheaspectoflarge-scaleanimalbreeding,peopleweremainlyusedtomanuallyopenthedoorsoflarge-scaleanimalcages.Thiswayisnotonlythelaborintensityofworkers,butalsoacertaindegreeofdanger.Thedoorsoflarge-scaleanimalcagesarenotonlybulkybutalsoextremelyopenandcloseWhenthedoorisopenedandclosed,theRaptors,suchaselephants,tigers,lionsandsoon,arelikelytobehurt.Inthispaper,akindofdoorthatcanautomaticallyopenandclosethecageofraptorsisdesigned,whichisdrivenbyPLCcontrolledhydrauliccylinder.Atthesametime,afterthedoorisclosed,thebottomwithapincanbelockedtoensuresafety.Keywordscageautomaticdoor;hydraulicdrive;xxx大学毕业设计(论文)PAGE20目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1PLC的发展 11.2设计内容 22笼舍自动门设计 32.1设计原则 32.2设计组成 32.3设计内容 42.3.1设计参数 42.3.2设计内容 42.4自动门设计方案 52.5自动门液压特点 52.6自动门液压原理 72.7自动门液压缸 92.7.1液压缸内径确定 92.7.2液压缸行程确定 102.7.3液压缸活塞杆直径确定 102.7.4液压缸壁厚、外径等参数计算 113硬件设计 143.1PLC选型 143.2电磁阀型 143.3传感器 143.4变频器 153.5三相电机 163.6硬件电路 16致谢 18参考文献 19结论 201绪论1.1PLC的发展最近几年来，PLC在工业领域发展的越来越广，它的性能组机周期等都优于同类的其他产品。随着PLC技术的发展，他在位置控制，伺服控制，过程控制，数据处理等各个方面应用越来越多在实际生产过程中，为了提高，生产精度对未知的控制尤为重要。PLC是以微机技术为基础，通过嵌入式系统把自动控制技术的一种电子设备，它具有结构简单，操作方便，编程可靠等优点，已广泛应用于工业的各个方面。据统计，可编程控制器是工业中最主要的自动化控制设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段。PLC，计算机辅助设计和机器人将成为今后的工业中的三大支柱产业。PLC是在继电器的基础上发展起来的一种逻辑控制单元，它内部实行软连接，再输入口和输出口之间，可以实现编程的软连接。简单可，编程方便。PLC在安装的时候有集中控制和分散控制，随着当代技术的不断发展。以及控制的大情况。由以前的分散控制集中控制。逐步发展到今天的分散控制。可靠性是控制的主要性能之一，PLC采用的是大规模的集成电路技术，它有严格的制造工艺和生产工艺，内部采用了先进的防干扰技术，即可以达到很高的可靠性。在软件应用中，可以编入外围的自动诊断自动检测等子程序使系统中除之外的电路的io输入与输出也可以达到自诊断的目的，这样就使整个系统更加的完整可靠。近年来随着我国工业机器的不断快速发展，可编程控制器(ProgramableLogiccontroller)，它的本质是大规模的集成电路以及计算机的综合，他是为PLC半导体触发电路为工业环境下设计的一种工业计算机，PLC最早是用继电器实现的，所以说PLC也称作继电器控制，在后来随着电子计算机的发展，继电器慢慢的被PLC取代，就是集成电路，他通过软连接也就是逻辑连接布线，以实现逻辑的运算顺序的控制，定时技术和算术的操作，然后通过输入和输出模拟量数字量控制各类机械的生产过程。它广泛应应用于自动化自动生产线，机器人，家用电器，个人电子设备。PLC的软件组成结构和工作原理程序编程方法大同小异，市面上主流的PLC产品，一般有三菱的，西门子的，欧姆龙等，他们的编程原理大同小异，一般都是以梯形图为主，PLC与传统的继电器控制相比，它的反应速度更快，而且可靠，易于编程，灵活性好以及维护方便等优点。1.2设计内容液压系统，一般都用于工业型，在机械设计工业自动化嗯有着全面的应用，但是在控制笼舍门方面应用较少，所以参考的资料比较少，本文根据实际的应用目的以及结合现场的调研，设计了一种可以自动开关听笼舍自动门的液压系统设计，设计的主要目的是，通过工人点动按钮可以实现笼舍门的自动开和关，设计的重点是对其PLC控制系统进行设计，同时对PLC控制部分的液压也有所涉及。2笼舍自动门设计2.1设计原则任何的PLC设计最终目的都是实现被控被控制对象的工艺要求，提高产品的效率。所以PLC的设计也应该遵循以下的规则：（1）满足工艺要求充分发挥飘PLC的功能是设计PLC系统的前提是，设计人员深入现场研究，收集现场资料。收集相关的国内外资料，同时注意和现场的管理人员沟通。拟定控制方案。解决设计中的难题。（2）保证PLC安全可靠任何设计最主要的目的就是安全可靠，PLC也不例外。一个系统能够保证长期安全稳定可靠的工作是设计的重中之重，如果这个都达不到，其他的设计无从谈起。就是在PLC的设计元件选择程序编程上要全面考虑，防止程序过于冗长。保证PLC不仅在正常的条件下能工作，而且在非正常的条件下也应该有处置程序，比如急停等操作。（3）力求简单，维修方便一个新的控制工程能带来巨大的效益，但是他要投入新的技术培训设备维护。运营等都会导致资金的大量增加，因此满足控制前提下尽量减少使用成本。设计的程序尽量简单，设计的方法符合人机工程学。在使用和维修方方面，尽量做到简单规范化四适应发展需要。由于技术的不断发展，系统也需要不断的发展，所以在设计的时候要有前瞻性，能遇见未来在后面的发展过程中在不增加原来设备的基础上，可以通过改变程序来增加设备的多样性，以满足今后的设备工艺的改进。2.2设计组成本次设计笼舍门自动控制系统硬件系统主要包括PLC，CPU，现场控制柜，警报器，连接电缆，按钮等等。PLC西门子1200变频器日本三菱行程开关施耐德液压站台湾开关施耐德电器柜自制指示灯施耐德电缆自购急停开关日本立德液压缸自购报警器日本立德液压自购笼舍自动门控制系统硬件组成2.3设计内容2.3.1设计参数门体长2m、高3m，自重300-500KG，运动范围0-2m,快速运动距离1.5m，快速运动速度0.5m/s，动物最大冲击力2000KG，遥控距离50m。3.输入电源：AC380V/50HZ，控制电压：24V2.3.2设计内容本次设计的大型笼舍自动开关门系统主要设计的内容为plc控制系统设计，笼舍门采用上下推拉式来实现开关龙上门，上下推拉开关的驱动为上面的两个液压缸，本次设计的主要内容为电控系统PLC的控制电机接线图，PLC梯形图程序编制，液压驱动电机的接线图，笼舍门机械原理图，笼舍门液压驱动原理图等。2.4自动门设计方案本文设计的大型笼门是开关门的结构方案图如下，笼舍门的形式为上下提拉形式，笼舍门上下推拉的驱动力为上部的两个液压缸提供液压缸的动力为一个标准的液压站，然后只要通过控制液压站就可以自动门的控制，所以我们设计的重点为plc的梯形图编制以及其他电路附件的设计，本次设计的笼门底部为两个液压锁销，在整个系统完成之后液压缩小自动合紧，这样就可以有效防止笼门被误打开，使设计更加安全。笼舍结构图2.5自动门液压特点液压系统主要有各种液压元件，包括压泵，减压阀，执行机构，辅助机构，按一定的组合而成。液压工作原理是液压泵在电动机的带动下旋转，然后实现液压油转化成高压油。液压油经过过滤系统之后输送到执行机构，然后再换向阀的换向作用下，液压缸就可以往复运动。然后依次循环把油送回油箱，这样就可以执行了一个液压循环。由此可知，液压系统的传动媒介是液压，系统传递不受空间的限制，液压传动是靠液压控制来实现的。液压组成主要以下几个部分，动力装置它主要是把机械能转换成液压能。发动机提供给执行装置，它主要把液压能转化成机械能。然后马达等执行即可调节控制装置主要对液压系统内的压力进行控制，流量方向等进行控制，它主要是通过溢流阀，节流阀换等实现控制。这些元件的不同的组合可以达到不同的功能，辅助装置的作用是对整个液压系统的辅助，辅助装置有过滤装，散热装置，油管，蓄能器，等辅助装置在整个系统中必不可少。液压的缺点第一、单位体积内出力大液压系统比电控系统和机械装置在同等体积下，液压系统的出力要大20倍到30倍。液压系统体积更小，重量更轻，结构更紧凑。液压马达的扭矩是同等电机体积的十二倍。第二、工作平稳压装置优点在于重量轻，惯性小，反应快易于实现精确控制，可以实现快速的自动频繁的启停。可以快速的换向，在往复运动中可以达到每分钟500次，这个速速是电机无法达到的。第三、变速范围液压装置可以实现大范围的无极调速，还可以在运动的过程中实现调速。第四、容易实现自动化液压系统容易实现自动控制，而且实现远程的控制，只要是PLC控制液压阀来实现液压系统的自动控制。所以可以把液压系统和电气完美的结合起来，使整个系统更加的复杂，更容易实现远程控制。第五、过载保护液压系统更容易实现过载保护可以在上面安装溢流阀，压力继电器等来控制过载保护。第六、标准化液压系统容易实现标准化，通用化，系列化，这样就为设计制造节省了时间，降低了成本。液压系统的缺点如下：第一、传动比液压系统不能保证严格的传动比，在传统的过程中，外负载的影响传动比可能随时改变而改变。第二、压力损失大压力在传动的过程中损失比较大，特别是在一些远程的传递。他在沿程压力损失和局部压力损失比较大。第三、一按容易泄露。液压泄漏生污染特别是在一些对环境要求比较高的工作场合的时候，液压泄漏可以造成意想不到的后果。第四、温度敏感液压油对温度比较敏感的一些温度湿度跨度比较大的高海拔地区对整个液压系统都会产生不稳定的作用。第五、元件精度为了减少线路对液压元件的加工精度要求比较高，因此造价很高。而且元件精密之后，对液压油的清洁度要求很高，这就又增加了实际成本与使用成本。液压传动在使用过程中有时会因为故障而找不出原因。总地来说，液的传递过程中的优点是大于缺点，随着科技的不断发展，液压的优点会越来越多，缺点会越来越少。2.6自动门液压原理液压传动是工业控制的一种控制方式，它是以液压能为传递能量的过程的具有传递简单，而且传递过程中不受传递空间的限制。这个最大的优点使液压系统在工业上得到了广泛的应用，一个完整的液压系统包括动力系统，控制系统，执行系统辅助系统等，其中动力性系统主要是液压泵，液压泵的种类有很多。笼舍液压原理图本次设计的大型笼舍自动门系统采用双上位液压缸，提拉来实现门的开关侧边双液压缸实现销定位，同时压系统采用双泵提供压动力采用幻象法实现快速回味同时在压力过高的时候采用卸荷阀降压，以实现整个液压系统的安全，同时提拉液压缸采用三位四通电磁阀，这样中午可以实现断电锁紧同时卸荷，而锁紧电磁阀采用三位儿四通非卸荷电磁阀，这样可以防止液压缸失压回位，达到了双保险的目的。2.7自动门液压缸2.7.1液压缸内径确定（a）液压缸受压状态（b）液压缸受拉状态。液压缸在设计的过程中最主要的参数为作用力和液压缸的行程，由于结液压缸的结构特点分为有杆腔和无杆腔： 式中：——机械效率，液压系统中一般按=0.8；——额定压力（MPa）；所以根据上面的公式，液压系统的压力越高，对密封性能要求越高成本也会更高，所以液压系统的压力选择要合适，根据本次机械的系统设计要求，本次液压系统选择MPa液压设备常用压力机型机床工程机械和液压机械起重机吊车夹钳子数控机床夹具起重设备剧床额定压力P/（MPa）0.8~2.03~52~88~1010~1620~32所以根据上面的液压系统要求，我们可以计算出液压缸无杆端，最大作用力：根据上面公式，我们可以计算出液压缸的，缸径D缸筒内径尺寸系列（GB/T2348-1993）810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250（280）320（360）400（450）500所以根据上面的设计参数,把液压缸的缸径圆整成标准直径取油缸内径mm。2.7.2液压缸行程确定由于本次设计的机械结构使用液压缸为角耳式连接，工作形成为1800mm，由于行程不够，可以在液压缸当中使用滑轮组，这样可以节省距离：mm缸活塞行程系列（GB/T234-1980）2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000所以根据上表，我们可以选择出压缸的行程L=900mm。2.7.3液压缸活塞杆直径确定活塞杆是连接活塞与外部负载的连杆，它的结构形式分为外螺纹，内螺纹，双耳式，球头式柱销式等多种形式，本文选择单耳式，这种结构形式简单，便于维修而且可以承载的作用力大，活塞杆有空心和实心两种，本文选择实行活塞杆材料为45号钢由于本次的机械结构中使用的液压缸为单活塞式为了减少冲击，在往返的过程中速度相差不是过大所以我们设计的液压缸的活塞杆运动速度范围0.2～0.3m/s<v<2m/s活塞杆直径的选取活塞杆受力情况工作压力p/MPa活塞杆直径d受拉—d=(0.3～0.5)D受压及拉p≤5d=(0.5～0.55)D受压及拉5<P≤7d=(0.6～0.7)D受压及拉p>7d=0.7D在一般的液压系统中选用的为双作用液压缸，液压缸伸缩均采用液压驱动，液压驱动的直径与刚径的比值一般有经验公式可以计算出： d=0.7D把本子液压系统中选择的缸径带入到上市可以得到d=0.7D=0.763=44.1mm液压缸活塞杆外径尺寸系列（GB/T2348-1993）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360所以根据上表把得到的外径尺寸圆整本次我们选择45mm。2.7.4液压缸壁厚、外径等参数计算以上液压缸的基本参数确定之后要对液压缸的缸体厚度强度条件等进行设计，液压缸的缸径一般采用无缝钢管车加工得到，无缝钢管的壁厚一般由计算公式得到： 式中——液压缸钢桶壁厚；D——液压缸的钢桶内径；——液压缸试验压力，取=16MPa；——液压缸缸筒材料的许用应力。不同的材料其使用应力是不同的，可以根据材料力学的数值去查得缸筒材料的使用用力这里取=1.510=15MPa本次液压系统中选择45钢的材料作为钢桶其使用应力=110MPa。所以根据使用应力带入计算公式可以得到： 4mm所以根据上面的公式可以得出液压缸缸体的外径 然后根据可以得到 =71mm这样我们就可以计算出液压缸，无杆端面积 液压缸有杆腔面积 .导向长度 活塞宽度 ～ 导向套滑动面长度 ～ 根据本次机械结构的参数；；；；；；；。我们可以得到液压系统的固有频率 式中——取起升总质量为；——液压缸行程；——液压缸油弹性模量,查表取；——液压缸有杆端与无杆端比值；液压缸最小加速时间 液压缸最大加速时间 压缸最大加速度 所以根据上面的计算，我们可以求出液压缸最大压力好的嗯： 3硬件设计3.1PLC选型在本次的系统设计中根据设计要求我们可以得到5个输入量，5个输出量就是。其中5个为数字量输入。5个开关量输出。根据PLC的总数量和输出量然后再加上2个富余量，所以我们选择西门子的S7-1200,型CPU作为控制单元。西门子S7-1200Cpu.他自身包括中央处理器输入输出端口，有电源电路外接设备和外接其他单元的接口，I/O扩展端口。3.2电磁阀型电磁阀顾名思义就是在电的作用下，阀芯可以在AB腔内来回的移动实现换向控制，由于阀芯工作要考虑液体的化学性质，浓度要求，然后经过比较该次设计的电子阀采用日本生产的VD40-20型电磁阀.（1）阀体与阀芯的材质为LY12.（2）使用温度≤120℃,使用环境温度-30℃+50℃.（3）额定电压:DC5V.（4）操作方式:通电关闭，断电打开.3.3传感器传感器的种类很多，工作原理也各不相同有电容室光电式电阻式等等工作原理不同价格也不同。所以传感器的精度也各不相同电容式传感器的工作原理主要是在两个电极之间产生电容，如果有其他的物体接近时的时候改变了电容，那么触发传感器工作，这个就是电容式传感器的基本工作原理也是最基本的传感器，本次设计提升机构选用日本米思米品牌传感器，传感器的设计参数如下：（1）工作压力0.2Mpa（2）工作温度+90℃（3）使用寿命50万次（4）开关电压20W（5）触点功率12V（6）转换电流0.1A本文设计的一种大型笼舍控制系统，主要采用plc控制，反馈控制系统就是传感器本文采用日本米思米品牌的传感器通过检测笼舍门的位置来反馈给PLC，让PLC知道笼舍门的门开关是否到位。3.4变频器变频器顾名思义是用来改变电的频率的事件的频率，一般在中国是50HZ变频器的作用是用来控制电机的，根据电机学的常识可以知道，电机的转速的改变一般只有两个参数，一个是电机的级数，另一个是交流电的频率，而电机级数在设计制造的时候已经定下来了，所以要改变电机的转速，一般最常用的方法是通过PLC去控制变频器的频率，就可以控制电机的转速这里我们选择爱默生的V300变频器：变频器参数（1）电压200V-240V±10%（2）功率0.1kW-0.4kW（3）控制方式:交流（4）控制单元:可反馈（5）伺服方式：闭环矢量控制本文的变频器主要是控制液压缸的电机，压缸流量为零时控制变频电机实现减速，减少流量，流量为零时实现电机停转。3.5三相电机三相电机选型主要是功率，其次是电压控制方式等。（1）电机功率根据本次设计的任务要求电机的功率选择既不能过大也不能过小过大的话产生能量浪费，过小的话容易烧坏电机，电机选择就是连续运行额定的负载情况下长时间运行电机不发生过热的现象，然后根据长期运行在选择电机的时候功率要略大于长期运行的功率，从而保证运行安全在复杂运行条件下。比如大的冲击，负载不稳定等情况时，要以最大的为额定的运行功率来选择电机，本次设计的机构冲击不是太大所以我们选择电机的功率为500W。（2）链接的类型电机一般有直流电机，交流电机有星形启动和三角形启动本文选择的电机用普通的电机机，三项异步交流电动机。（3）电机的电压电机的电压有很多种在中国，一般Y型电机的额定电压是380伏，所以本次设计的电机采用Y型异步三相交流电动机，额定电压为380伏。3.6硬件电路序号设备/信号类型设备名称信号地址1输入启动按钮SB1I0.02停止按钮SB2I0.13上限位传感器I0.24中限位传感器I0.35下限位传感器I0.46输出进液阀A/YV1Q0.07进液阀B/YV2Q0.18出液阀C/YV3Q0.29出液阀D/YV4Q0.310运行指示Q0.411报警指示Q0.512报警铃Q0.6致谢时光飞逝，大学的时光已经接近尾声，回想当时从一个懵懂的少年变成了一个成熟的青年，在这里我学到了很多知识，不仅是知识还有认识了来自五湖四海的同学同时认识了治学严谨的老师。书到用时方恨少，在写这篇论文的时候，我才感觉到自己知识的匮乏。通过这几个月的学习使我对自己的所学的知识有了更深刻更全面的了解在这里我要主要感谢下我的毕业设计老师。从刚开始的一无所知。然后老师指导我去查资料，指导我去查哪些资料。然后在设计的过程中，有不解的地方及时向老师请教，老师都认真的指导。而且在指导的过程中都给了一些建设性的意见。在我感觉到困难无法完成的时候，老师都给我信心上的鼓励。我的这篇论文能按时的完成于与老师的认真指导是分不开的。再次向老师郑重的说一声你辛苦了。同时也要感谢学校。给我们创造了这么好的学习环境，让我们在良好的环境中完成论文。在此我要感谢一起度过大学时光的同学和尊敬的老师们。正是因为有了你们。我才能克服困难。直至本次毕业设计的完成。我也要感谢我的同学们对我的无私帮助，同学帮我查资料指导我使用软件，让我在设计中避免了许多弯路，让我找到了集体的魅力，增进了同学友情，让我对团结与合作有了深刻的理解。在大学的这几年教过我的老师以及辅导员，感谢你们对我的辛勤培育，没有你们的培育我们不可能有今天的成绩。大学虽然只有短短的几年，但老师们严谨的治学态度和认真的教学风格终将影响我的一生。经过这几个月的努力我的毕业设计顺利完成了。在设计过程中个人感觉结构不是最重要，最重要的是过程，通过请教老师和同学学到了解决问题的方法，这个才是最重要的。我的设计题目比较难，我多次请教老师，老师不知疲倦地指导，一遍又一遍帮我查资料并且告诉我要去看那些资料以及去学那些软件，在指导的过程中占用老师许多的业余时间。老师知识渊博，博览群书对我的问题都能切中要点的解答，老师治学的风格是我以后工作学习的榜样，在这里我想一声：“老师你辛苦了”。最后我想感谢一下我的父母，没有你们辛苦的劳动培育我上学我更不可能有今天的成绩嗯，不但养育了我，而且教我做人。我永远不会忘记您的谆谆教诲，我一定不辜负你们殷切的期望，好好努力工作，做一个对社会有用的人。参考文献[1]孙荣等.液压驱动与控制,[M]，沈阳：东北大学出版社，2010.[2]李思成等.液压源流场有限元分析法，[M]，北京：机械工业出版社，2012.[3]宋杰等.液压与气动的原理分析,[M]上海：上海交通大学出版，2013.[4]张天成等.液压传动与气压传动,[M]上海：国防工业出版社.[5]张丽萍.液压气压传动与控制,[M]北京：北京工业大学出版社.[6]朱新才,工程机械液压与液力传动技术,[M]北京：化学工业出版社.[7]张平格,机床液压传动系统,[M]北京：化学工业出版社.[8]王国庆等,液压与气压技术,[M]北京，国防工业出版社[9]彭希伟，流体传动与控制基础，[M]北京，机械工业出版社[10]马德胜，液压阀原理使