基于PLC的自动运料小车经典设计

一、绪论1.1.选题意义制造业在现代社会经济生活中占着极其重要的地位，它的发展主导着经济发展的前景方向。我国作为世界工厂，以前因为劳动力廉价，大部分情况下送料都是采用人力手工运送，缺乏安全有效的保护措施，使得运料过程有着“劳动强度大，效率低下，安全事故频发”等特点。随着已进入高速发展期的计算机科技、信息科技以及市场经济的快速发展创新，制造业市场的竞争在国内国外也变得日益激烈，依靠单纯的人工运料这一传统的运料方式已不能满足日益繁重生产要求。此时由于PLC控制技术的发展，运料过程的自动化也在慢慢的发展中。运料过程自动化程度的提高极大地提高了生产的效率和稳定性，并保证了员工的人身安全，降低了生产成本。而自动运料小车在这一过程中始终占着关键的地位，小车专用于粒料、粉料、片状料、带状料等生产物料的运输，是制造业生产中不可或缺的设备之一。1.2.运料小车发展历史及现状自从第一台PLC被设计出来到现在，PLC几经更新换代，在性能和技术方面取得了长足的发展与完善。而运料小车的控制系统也随之经历了手动控制、自动控制﹑全自动控制的三个本质性发展阶段。当前我们国内的大部分企业基本上都在用下面所说的几种运料方式：（1）机械手加若干穿梭小车式：自动冲压生产线基本上都是采用这种系统，该系统的基本结构为自动上料、取料机械手和穿梭小车。当前在冲压车间工作的各种各样的自动化运料系统都是由不同商家以上述结构和原理为基础的情况下设计和制造的。它所具有的优点是可适用于大多数企业，而缺点是装置比较繁杂、运送步骤多、耗时长以及操作不够简便。（2）送料机利用机械手进行送料：在这个自动系统中机械手是以小车的形式存在，由钢绳将滑块和小车连接在一起，利用滑块向上向下进行垂直运动产生的拉力，使得小车在水平方向上平行的来回运动。并借此完成运料和小车复位。这种系统在提高生产效率的前提下，也最大限度的保证了生产人员自身的安全。该系统所具有的的优点是可以进行连续生产，而缺点则是由于整个生产过程都需要机械手完成，使得机械手的数量过大，造成该系统发生机械故障的概率也大大增加。（3）新型的多级连线自动搬运物料系统：这种自动系统的动力部分通过驱动四台2500KN压力机来提供的，它在达到国外发达国家所生产的生产线相同送料精度和生产效率的情况下，生产线所需要绝大部分零件都已可以在国内自己研发生产。相较于国外生产线，我们在控制生产成本这一块上具有较大的优势。该系统具有的优点是可靠性高，步进电机控制使得系统精度高、布距均匀、功耗低和所需电压低。（4）汽缸传动：这一生产系统因为生产效率以及送料准确性相对于上述各个系统而言都比较低，已经满足不了现代化较高的生产要求，被市场淘汰已是它的最终命运。综上所述可知，以PLC为核心控制系统的运料小车在安全保障、系统稳定、抗干扰能力、生产效率、生产成本和对生产环境的适应上有着其他自动运料系统都难以比拟的优势。1.3.课题的意义及应用自中国加入WTO以来，国内一些大型企业为了适应经济全球化和贸易国际化的时代趋势，提高在国际市场上的竞争力，已经逐渐发现送料环节在生产过程中的重要性，并且逐步的提高了该过程自动化程度。但我们仍然应该清醒的认识到国内许多乡镇企业﹑私营企业，由于受到资金及管理方面的限制，依旧在采用着人工运料的传统方式，并且这一过程缺乏必要的保护措施。延续着“高成本、低效率、劳动强度大、事故频发”等特点。切入点：本设计中的自动运料小车将以PLC为小车控制核心，加上各式传感器、控制电路（有要求可以外接显示电路、特殊地段可加上轨道）等器件，组成一个基于PLC的全自动控制控制系统。该系统操作简单、维护维修方便、适应能力强，可在室内外、山区不同地段拆卸安装运行，并能满足大部分物料的输送。该系统将以四轮小车小车为主要载体，采用三相异步电机为动力装置，加上行程开关、定时器以及PLC和一些控制元件组合而成。其一般组成示意如下图1-1所示：图1-1自动运料小车结构图

二、PLC应用2.1PLC的定义、硬件结构、工作原理以及系统设计2.1.1PLC的定义PLC(ProgrammableLogicController)早期被称作可编程逻辑控制器，它主要被用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PLC,PLC自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本和德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。2.1.2PLC的硬件结构PLC根据基本结构形式的差别可分成两类，即整体式PLC和模块式PLC。（1）整体式PLC又被称作箱体式或者单元式PLC，它将电源电路、CPU模块、输入/输出模块、存储器、通信端口等各个功能独立的模块组装到一个箱状机壳内，使得这类PLC结构非常紧凑，体积也相对较小。具有输入/输出点数固定、体积较小、造价低、灵活性低等特点。结构如图2-1所示：2-1整体式PLC（2）模块式PLC又称作组合式PLC，它将组成PLC的各个模块独立出来，并使CPU、存储器、I/O模块、通信端口和电源电路等分别变成相应的模块，需要使用时根据系统要求的性能再将这些模块以搭积木的方式组装在机架上，各模块之间通过机架上的总线相互联系。它具有价格高、应用灵活等特点。结构如下图2-2所示。图2-2模块式PLC上面所说的两种结构各有其优缺点，为了综合他们各自的优点，回避他们固有的缺点。在这两种PLC结构之外又开发了一种名为叠装式PLC。它同时具备了整体式和模块式PLC的优点，将基本单元和扩展单元设计的高宽一致，并用扁平的电缆将它们连接在一起，放弃占用空间较大的基板。经过合理的组装后外形一般呈占地较少的长方体，而且，由于具有扩展功能，所以I/O点数的配置也有很大的自由空间。将具有扩展功能的PLC扩展之后，便可称之为叠装式PLC。此类PLC的体积较小，系统组成还可以按要求进行灵活的配置。其代表系列如下图2-3所示。图2-3三菱PLCFX2N—64MR结构图2.1.3PLC的工作原理PLC最初是被用来代替电气控制装置中的电器元件，它是一种工业控制计算机，工作方式和普通的计算机一样使用串行工作方式。在实际运行中，它采用不同于一般微型计算机的扫描的方式运行，当PLC开始运行后，它的工作方式是按集中输入、集中输出、不断的周期性循环扫描进行工作的，它的每个扫描周期按工作过程基本可分为三个阶段，分别是输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容，在PLC的工作时间中，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，计算一个扫面周期所需时间（T）的公式为：T=(读入时间*输入点数)+(运算速度*程序步数)+(输出时间*输出点数)+自诊断时间。扫描过程如下图2-3所示。图2-4扫描过程2.1.4PLC的系统设计在我们实际运用时，PLC可以使用三种语言编程，分别是梯形图、助记符以及功能块图。其中梯形图使用简单、直观易懂，为主要编程语言。而助记符语言则需要有一定的基础才可以运用。PLC控制系统由硬件部分及软件部分组成。PLC控制系统是为了满足生产中具体的工艺流程设计制作的，所以在达到生产所需要的控制要求前提之下，设计应该在以下四个基本原则下进行：1.满足要求，即依据具体的生产流程进行设计，应最大程度的满足被控对象的控制要求。2.经济实用，即在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用，使控制系统简单、经济。3.适应发展，因为经济市场会不停的进步，对生产的控制要求也会不断地提高、改变，所以控制系统设计时应考虑PLC的可扩展性，适当的留一些裕量。4.安全可靠，设计过程中设计者还要考虑，在长期运行中控制系统能不能达到安全可靠、稳定运行、维护方便等要求。PLC系统设计在满足上述原则下，按下述流程设计:1.根据产品生产要求分析系统需要达到的控制要求，确定控制任务，拟定设计的控制系统中目前需要达到的技术条件。2.确定所设计的控制系统中需要的一些硬件设备，这些设备主要有三类：输入设备、输出设备和被控对象；然后估算所需PLC的I/O点数和用户存储器容量。3.选择PLC。作为整个控制系统的核心部件，PLC的正确选择是保证控制系统的达到生产所需的各项技术指标、经济指标的最重要要求，PLC的选择主要参考以下几个方面，即机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择。这些选择可以通过估算出被控对象要求的输入输出形式、I/O点数、特殊要求和操作规则等进行选择，最终确定的PLC必须满足上述估算要求。4.对于PLC的输入/输出点要按系统控制要求进行分配与定义，并绘制出相应的I/O连接图。参照选用的PLC类型，按功能将输入、输出、辅助继电器、定时器、计数器、数据区一一区分好，对控制系统使用的每一个输入、输出信号及内部元件定义专用的信号名和地址，在程序设计中使用哪些内部元件，执行什么功能格都要做到清晰，无误。5.PLC控制系统程序设计。控制程序相当于控制系统的灵魂部分，关乎到系统的正常、高效和安全运行。这个步骤包含顺序流程图的设计、梯形图编译和语句表的编写。上述程序语句编写完成后，必须经过反复的检查、修改、仿真运行，直到满足要求为止。6.模拟调试。程序编写检查完成后，将编好的程序输入仿真软件中，利用仿真软件进行仿真调试，观察分析运行结果；查看能否达到系统的控制要求。最终结果必须达到基本的控制要求才能进行下一步。7.整理和编写技术文件。例如整理与设计有关的文档、设计说明书、硬件原理图、I/O接线原理图、电器元件明细表、PLC程序、注意事项和使用说明书、等。设计步骤的示意图如下图2-5所示。图2-5设计步骤示意图2.2系统的资源分配2.2.1系统的I/O资源分配在本设计中控制系统的输入为启动停止按钮各一个、呼叫按钮4个、行程开关5个，总共是11点输入。而在该系统中由输出控制的外部硬件设备只有一个为小车提供动力的三相电机，但是因为该电机有两中工作状态（正转、反转）来对应小车的正向行驶和反向行驶，所以需要有两个输出点与之对应。由于PIC的CPU模块数字量输入、输出点数能满足控制系统的I/O点数要求，所以不再需要增加输入/输出模块。控制系统对应的地址分配表如表2-1所示表2-1输入地址分配表地址对应的外部设备I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5Q0.0Q0.1启动按钮开关 停止按钮开关2号站点呼叫按钮开关3号站点呼叫按钮开关4号站点呼叫按钮开关5号站点呼叫按钮开关1号站点行程开关2号站点行程开关3号站点行程开关4号站点行程开关5号站点行程开关电动机正转（左行）电动机反转（右行）2.3系统PLC的具体设计依据自动运料小车系统对于小车运行过程的控制要求，即按下启动按钮I0.0之后，自动运料小车系统被启动，系统开始正常运行，小车初状态默认为停靠在1号站（装料处）；此时，上料装置开始给小车装料，15秒（装料时间可按实际情况调整，公式T=输入数*0.1）后小车装料完成；此时静止不动，直到有呼叫按钮处于触发状态，小车立刻向右行驶。持续行驶到处于触发状态的呼叫按钮对应的行程开关处后，运料小车停靠在该站，并开始卸料。20秒（同上述）后运料小车完成卸料过程，小车开始向左行驶，回到装料处（1号站点）后，小车停靠并重新装料。我们可以将整个运动过程划分为8步，并用M0.1，MO.2，M0.3，M0.4，M0.5，M0.6，M0.7，M0.8来代表上述8个步骤，而最开始系统等待启动的初始步骤则由M0.0代表。在系统运行过程中，上述各个步骤转化时所需的转换条件分别为启动按钮（I0.0）的常开触点、停止按钮（I0.1）的常开触点、呼叫按钮（I0.2—I0.5）的常开触点、行程开关（I1.1—I1.5）的常开触点和定时与延时接通的常开与常闭触点。2.3.1系统顺序流程图顺序功能流程图（SFC）如下图2-6所示。图2-6顺序功能流程图2.3.2系统梯形图将上述顺序功能图翻译成梯形图语言（LAD）时如下图2-7所示图2-7系统梯形图2.3.3系统的语句表（STL）将上述梯形图翻译为语句表如下所示Network1LDM1.0AI0.1OSM0.1OM0.0ANM0.1=M0.0Network2LDM0.0AI0.0LDM0.0AI1.1OLDOM0.1ANM0.2=M0.1TONT37,200Network3LDM0.1AT37OM0.2ANM0.3ANM0.4ANM0.5ANM0.6=M0.2Network4LDM0.1AI0.1OM0.3ANM0.7=M0.3Network5LDM0.2AI0.3OM0.4ANM0.7=M0.4Network6LDM0.2AI0.4OM0.5ANM0.7=M0.5Network7LDM0.2AI0.5OM0.6ANM0.7=M0.6Network8LDM0.3AI1.2LDM0.4AI1.3OLDLDM0.5AI1.4OLDLDM0.6AI1.5OLDOM0.7ANM1.0=M0.7TONT38,150Network9LDM0.7AT38OM1.0ANM0.0ANM0.1=M1.0=Q0.1Network10LDM0.3OM0.4OM0.5OM0.6=Q0.0

三、运料小车的硬件设计3.1小车运行示意图上述按控制要求设计出的自动控制系统以及编制完成的各个程序皆是依据下图3-1运料小车示意图设计：图3-1运料小车示意图3.2系统工作原理分析及要求自动运料系统未启动时，运料小车默认停靠在1号站（装料处）。启动系统需先打开启动电源按钮，系统启动并且等待运行，当其余四个站点呼叫时，小车开始装料，设计装料时间为60S（可根据具体情况修改），装料完成后小车开始向呼叫的站点运行，到达呼叫站点后停靠，然后小车开始卸料，设计卸料时间为120S（可根据具体情况修改），卸料完成后小车运行回到1号站点等待下一次运行。根据上述情况，自动运料小车运行系统要求如下：（1）按下启动按钮后，该系统开始运行。按下停止按钮后，系统停止运行。（2）当有呼叫点呼叫时，小车开始向呼叫点运行，到达呼叫点后，小车停止并卸料。（3）小车卸料完成后，小车开始向装料处运行，到达装料处之后停止运行。（4）呼叫按钮之间具有互锁功能，先按下呼叫按钮的具有优先级。3.3小车运行分析PLC为小车控制核心，加上各式传感器、控制电路、显示电路（特殊地段可加上轨道）等器件，组成一个基于PLC的全自动控制控制系统。该系统适应能力强，可在室内外、山区不同地段拆卸安装运行，并适应大部分物料的输送。根据大部分运输情况的要求，我们将其分为几个控制部分，每个部分都可以在此基础上根据具体情况加以删减或增加。具体的控制系统组成设计如下图3-2所示。3-2控制系统组成图为了更加具体、直观的了解自动运料小车的运行流程，也为了使得我们的设计更加严谨、简单。所以设计出运料小车的运行方式，并将它以流程图表现出来。其控制系统运行流程图如下图3-3所示。否否是否是否是否是小车装料按下呼叫按钮小车右行到达呼叫停靠点小车停止卸料小车左行到达装料停靠点小车停止按下停止按钮结束开始按下启动按扭钮3-3控制系统流程图3.4运料小车硬件介绍系统硬件接线图如下图3-4所示。3-4主电路图3-5PLC外部接线图上图3-4所示KM1和KM2是分别控制电机正转（向右运行）和电机反转（向左运行）的交流接触器。原理上是应用通过改变三相电机的电源相序来改变三相电机的运行方式，且在3-5的PLC外部接线图中，KM1和KM2形成了硬件互锁电路，即KM1的线圈串联了KM2的辅助常闭触点,KM2的线圈串联了KM1的辅助常闭触点；更好的保证电机的正常运行，提高该系统工作的稳定性。在主电路图中对于三相电机的选择应参考实际生产过程中对于小车的动力、运行环境要求。

四、工作总结4.1设计总结4.1．1小车的优缺点分析本设计利用PLC实现了运料小车的自动运送生产材料功能，避免了以往继电器控制系统造价高、接线复杂、体积大、故障率高、维护维修困难、通用性低、几乎无数据处理和通讯功能等缺点。并且在运料小车的运行过程中通过对行程开关的运用，使得运料小车的运送精度和效率大大提高。而由于可编程序控制器的运用，使得系统硬件极少，需要硬件之间的连线相应的较少，这让操作系统整体上显得简洁明了，有利于生产人员的理解和使用，在系统出现一些紧急故障时，即使非专业人员也可以进行简单的维修。极大的提高了自动控制系统的稳定性和安全性。因为是针对较简单的运料系统进行的设计，本系统只是基本实现设计要求，系统显得比较单一，且没有什么功能扩展，这使得该系统的适用性不高。4.1.2设计的改进及推广在我们的实际生产生活中，该系统还应该具有智能化、远程化、无人化的操作优点，比如说将该控制系统接入互联网之中，或者与多台控制器连接组成局域网，让生产系统与控制系统之间以及系统自生的信息交换更加准确、方便快捷。这可以在一定程度上提高生产系统的生产效率、安全性和适用性。如果被控对象有控制要求的话，我们还可以在本设计基础上加上显示功能，显示运料小车的运行速度，到达指定呼叫点需要的时间等。加入一些特殊传感器来扩展系统的可控制要求和安全性等。例如在小车底部安装一个声呐类传感器，以此来检测运料小车的卸料是不是比较完全，在运料距离较长或各个停靠点距离较大时，可以通过修改运料总数、卸料时间以及自动运料系统程序，使得小车一次可装载较多的物料，给多个呼叫点补充生产材料。另外，视被控对象的要求，我们可以将运料小车概念化，比如大型养猪场中自动打料系统的输料管道也可以视为运料小车。这些都可提高我们所设计的自动运料系统的生产效率，节约生产成本。增加整个系统的安全性、灵活性和适用性。4.2工作小结毕业设计是要求我们对大学阶段所学知识进行综合整理、运用和实践，通过毕业设计，我们能更好的了解自身存在的专业知识盲点、技能掌握不足之处和基本能力的缺陷，并针对这些不足之处进行知识补充、技能熟练和基本能力训练。提高我们的观察、学习能