毕业设计（论文）-PLC在运料车电气控制系统中的应用..doc

1 绪言1.1 课题背景现在许多小的加工企业仍然采用最原始的生产方法，即人工操作。在现在实习的单位，生产车间的工人在往投料机里添加原材料时，要负重爬到机器上进行投料操作，费时又费力。PLC可编程控制系统可以解决这个问题。在现在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序起动，并按照逻辑关系进行连锁保护动作控制，及大量离散的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段用于电气控制，这就是第一代可编程控制器，称Programmable Controiier PC。个人计算机开展起来后，为了方便，也为了反映编程控制器的功能特点，可编程控制器定名为ProgrammabieLogic Controiier (PlC)，现在，仍常常将简称。1.2 课题研究的目的和意义学会用解决一个实际的问题的思路。熟悉指令的功能。掌握程序设计中起保停电路，自锁电路和互锁电路的设计方法。1.3 国内外概况世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司DEC研制的。限于当时的元器件条件及计算机开展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化开展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器开展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的开展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期开展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的开展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比拟著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.4 PLC的优点及未来展望 PLCProgrammable logic Controller,是指以计算机技术为根底的新型工业装置。在1987年国际电工委员会International Electrical Committee公布的PLC标准草案中对PLC下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原那么而设计。一、PLC的特点1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间那么更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低,此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2配套齐全，功能完善，适用性强PLC开展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合.除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的开展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3易学易用，深受工程技术人员欢送PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事翻开了方便之门。4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种,小批量的生产场合。5体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。二、PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1开关量的逻辑控制这是PLC最根本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了控制器处理模拟量，必须实现模拟量Analog和数字量Digital之间的A/D转换及D/A转换。PLC产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合.4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热炉控制等场合有非常广泛的应用。5数据处理现代PLC具有数学运算含矩阵运算、函数运算、逻辑运算、数据传送、数据转换、排序、查表、功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比拟，完成一定控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的开展，工厂自动化网络开展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接接口,通信非常方便。三、PLC的展望21世纪，PLC会有更大的开展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向开展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的开展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的开展方向。目前的计算机集散控制系统DCSDistributed Control System中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的开展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成局部，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。2 系统设计方案的研究2.1 运料小车的运动流程右行装料卸料左行2.2 设备控制要求运了小车启后向左行，到左端停下装料，20S后装料结束，开始右行，到右动端停下卸料10S后卸料完毕，又开始左行，如此反复循环，直到按下停止按钮，小车才停止工作。2.3 运料小车往返控制系统的实现原理生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的启动，这就要求拖动电动机能正、反向旋转。由电动机原理可知，改变电动机三相电源的相序，就能改变电动机的转向。按下启动按钮SB1，输出继电器X3接通，内部辅助继电器Y0接通并自锁，用作小车允许小车控制。同时，输出继电器Y1接通并自锁，左行接触器KM1接通，使小车向左运动，当碰到左端行程开关SQ1时，输入继电器X1常闭接触点断开，使输出继电器Y1断开，左行接触器KM1断电，小车停止运动。同时，X1常开触点闭合，定时器T1开始延时，20S定时时间到，T1触点闭合，使输出继电器Y2接通并自锁，右行接触器KM2接通，使小车向右运动。当碰到右端行程开关SQ2时，输入继电器X2常闭接触点断开，使输出继电器Y2断开，右行接触器KM2断电，小车停止运动。同时，X2常开触点闭合，定时器T2开始延时，10S定时时间到，T2触点闭合，使输出继电器Y1接通并自锁，左行接触器KM1又接通，使小车向左运动。如此周而复始，直到按下停止按钮，输入继电器X0的常闭触点断开，使内部辅助继电器Y0断开，其常开触点都断开，使输出继电器都断开，因而接触器都断电，小车停止运动。如图2.3图.运料小车模拟控制的梯形图3 运料小车往返控制系统的设计3.1 可编程控制器的系统结构和工作原理可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的根底上开发出来的，并逐渐开展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。主要有电源、输入接口，输出接口，中央处理器CPU，存储器等。目前已被广泛地应用于工业控制中。可编程控制器为了与个人计算机的PC相区别，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC。PLC是一种存储程序控制器。用户根据某一具体的控制要求，编制好程序后，用编程器键入到PLC的用户程序存储器中存放。PLC的控制作用就是通过用户程序来实现的。3.2 运料小车往返控制系统的选型目前市场上可编程控制器的种类繁多，同一品牌的的可编程控制器也有很多类型，仅三菱电机的FX系列就有FX1s、FX1n、FX2n、FX2nc这4个分系列，对于我们初学者，如何选择适宜的可编程控制器是一难题。选型时既要满足控制系统的功能要求，还要考虑控制系统的工艺改良后的系统升级的需要，更兼顾控制系统的制作本钱。3.2.1 可编程控制器结构选择可编程控制器的根本结构分整体式和模快式。多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格廉价等优点，适于工艺过程比拟稳定，控制要求比拟简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多，控制要求复杂的系统，价格比整体机高。三菱的FX可编程序控制器吸取了整体式和模块式可编程控制器的优点，不用基板仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体，输入输出点数的配置也相当灵活。三菱FX1s系列可编程控制器是一种卡片大小的PLC，适合在小型环境中进行控制。它具有卓越的性能、串行通讯功能以及紧凑的尺寸，这使得它们能用在以前常规可编程控制器无法安装的地方。三菱FX1N系列可编程控制器是一种普遍选择方案，最多可达128点控制。由于FX1N系列具有对于输入/输出、逻辑控制以及通讯/链接功能的可扩展性，因此它对普遍的顺控解决方案具有广泛的适用范围，并且能增加特殊功能模块或扩展板。三菱FX2N系列可变成控制器是FX系列中最高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。三菱FX2NC系列可变成控制器在保存其原有的强大功能特点的前提下实现了极为可观的模块缩小，I/O型连接口降低了接线本钱并接生了时间。3.3 电器资源的配置1.刀开关 塑壳刀开关是一种结构简单，应用最广泛的手动电器，用作电路的电源开关和小容量的电动机非频繁启动的操作开关。塑壳开关由操作手柄、熔丝、触刀、触头座和底座组成，塑壳使电弧不至飞出灼伤操作人员，防止极间电弧造成电源短路，熔丝起短路保护作用。2.交流接触器交流接触器的主触头通常有3对，接触器具有分断能力高，寿命长，操作频率高，体积小及重量轻等优点。当交流接触器线圈通电后，在铁心中产生磁通。由此在衔铁气隙处产生吸力，使衔铁产生闭合动作，主触头在衔铁的带动下闭合，于是接通了主电路。同时衔铁还带动辅助触头工作，使原来翻开的辅助触头闭合，而使原来闭合的辅助触头翻开，当线圈断电或电压显著降低，吸力消失或减弱，衔铁在弹簧放开后翻开，辅助触头又恢复到原来状态。3. 行程开关行程开关就是限位开关。用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。 这种开关有接触式的和非接触式的。 接触式的比拟直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了或改变了控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程以保护开关不受损坏。 非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。当然还有更多的先进形式。表3.3输入电器输出电器启动按钮SB1允许工作KM0停止按钮SB2左行接触器KM1行程开关SQ1右行接触器KM2行程开关SQ23.4 模块功能概述3.4.1 PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式模块式两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规那么组合配置。3.4.2 CPU运算和控制中心起核心作用CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，T它按PLC的系统程序赋予的功能接受并存了用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的存放器中，同时，诊断电源和PLC内部电源的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中 逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、存放器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。存放器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指下工作。3.4.3 存储器具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监空程序及用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区，由随机存取存储器组成。用户使用的断电内容消失。3.4.4 输入/输出接口PLC与电气回路的接口，是通过输入输出局部I/O完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出DO，模拟量输入AI，模拟量输出AO等模块。开关量是指只有开和关或1和0两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VACV12、110VAC、24DVC，按隔离方式分，有继电器和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分：电流型4-20Ma，0-20mA、电压型0-10V，0-5V，-10-10V等，按精度分：12bit，14bit，16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块：热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的根本配置的能力，即受最大的底板或槽数限制。3.4.5 电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型：交流电源220VAC或110VAC，直流电源常用的为24VAC。3.4.6 其他设备编程设备：变成器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的期器件，至于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型变成器，目前一般由计算机运行编程软件充当编程器。人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏或触摸屏式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机运行组态软件充当人机截界面非常普及。4 运料小车往返控制系统的实现和调试4.1 源程序图4.14.2 控制系统结构图图4.21 电器结构接线图图4.22外部接线图4.3 资源配置表4.3资源配置表输入输入点输出输出点启动按钮X允许工作Y0停止按钮X装料Y1左限位开关X卸料Y2右限位开关X全 文 总 结经过近半个月的努力,到此为止,课程设计已根本完成。由于本次设计从头至尾是由一个人单独来完成。不和任何人组成小组进行分工协作,而且设计课题关系到的相关材料范围较为广泛，这并给设计本身增加了工作量,提高了难度。但鉴于上学期一周的电工电子课程设计实训根底,以及之前的各种课程设计,完成了本次毕业设计也是在情理之中。当然,在进行过程中也碰到了一些困难，特别是在按装调试的过程中遇到的一些问题,还不是那么容易解决,尽管理论研究可行,但用于实际电路却效果不同,甚至越是着急越是迷惘。后来还是从电路原理图的根本入手，经过分析、查找、总结；再安装、再调试、再查找，一步步逐次分析，最终才把正确的理论思想附诸实际的电路，完成了本次的课题设计。对选择也提供了一定的帮助。当然，这些都在于平时在学习中的积累。再次，焊接过程也是十分艰巨的，由于在布线时布局不是非常的合理，以致于元器件焊接时碰到了一些问题，而且电路本身存在的一些问题，需要修改，所以焊接调试时间比拟长。 在这次课程设计中，我学会了怎样通过查阅相关资料和一些文献来进行自己的设计，加深了对一些常用元器件的认识，并提高了独立分析和解决实际问题的能力。另外，动手能力也得到了很大的提高。但从中我也发现自己存在的一些缺乏，在安装、调试及故障检修过程中碰到的一些问题说明：我并不能很好的熟练去使用我所学到的模电知识。换言之，并没有把自己在学校所学过的理论知识附诸于实际问题中。在以后的学习、工作中，我会加强对使用电路的设计和选用能力。把所学到的理论运用于实践，并通过实践，再加强对理论知识的掌握，不断地充实自己，争做一个合格的大学毕业生！致 谢本课题从课题的选择到工程的最终完成，张炜老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，各值班老师也屡次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。老师们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和鼓励着我。在此谨向老师们致以诚挚的谢意和崇高的敬意！感谢指导老师对我的教育培养。感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间姐妹般的感情，维系着寝室那份家的融洽。三年了，仿佛就在昨天。三年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担忧的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！由于本人学识有限，加之时间仓促，文中不免有错误和待改良之处，真诚欢送各位师长、同行提出珍贵意见！参 考 文 献1 孙振强，王文华等.可编程控制起原理及应用教程.清华大学出版社，2005.22 范茨猛，可编程控制器原理与应用。北京：理工大学出版社。20063 刘云生，现代数据库技术。北京：国防工业出版社，2001，38464 林小峰.可编程控制器原理及应用.北京：高等教育出版社，1994 5 田瑞庭.可编程控制器应用技术.北京：机械工业出版社，1994 6 张万忠.可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，2001.127 于庆广.可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社.20048 彭介华. 电子技术课程设计指导. 北京：高等教育出版社，1997,4