PLC课程设计-基于PLC的汽车顶盖接龙门式三面双点焊接设备位置速度控制系统.doc

目 录序言2第一章基于plc的汽车顶盖接龙门式三面双点焊接设备位置速度控制系统概叙1.1 系统设计目的31.2 模型设计要求31.3 课题设计分析3第二章plc概述2.1 plc的命名与定义 42.2 plc的主要特点、分类和应用范围 42.3 plc的发展趋势 5第三章模拟系统硬件设计3.1 硬件结构介绍 6 3.2 输入元件和输出元件的型号的选择 73.3 i/o口分配及硬件连接图 7第四章模拟系统软件设计4.1 梯形图 84.2 程序分析114.3 指令表12第五章模拟实验的调试 5.1 准备工作 13 5.2 程序调试 13总结 14参考文献 15序言可编程控制器(plc)是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起,具有高可靠性、灵活通用、易于编程、使用方便等特点,因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。可编程控制器(plc)可以通过变更程序来控制自动化机械，因为它和传统工业布线相比具有多项的优点，现今的自动机械控制工程师对可编程控制器更是爱不释手。可编程控制器的使用率高、实用性强，所以现在从职业学校到技术学院或大学，有相当多的院系均开有可编程控制器这门课。可编程序控制器的应用技术是一门实践性很强的学科, 实践环节至关重要,只有通过做实验进行实际操作,才能学通学透可编程序控制器技术。为了提高学生就业能力和培养学生基本素质方面起到很重要的作用。该课程设计重点突出了机电相互配合的基本概念、基本方式，课程设计步骤与工业现场设备的设计、生产、调试所需工作基本一致。做课程设计，就是做工程。工程中生产设备需要机电配合调试，电气工程师首先要了解机械性能、了解检测方式、收集原始数据，然后才能确定程序。机电配合中的速度与位置控制问题，位置检测的精度、速度切换的级数、工作效率的提高，这些经验都可以通过课程设计获得。本说明书主要介绍用可编程序控制器（plc）进行控制设计，本课程设计课题为“基于plc的汽车顶盖接龙门式单面双点焊接设备位置速度控制设计”，其中包括熟悉行程开关、接近开关、旋转编码器、相对认址器、绝对认址器、异步电动机等电气元件，也适合熟悉机械零件、结构和工艺。熟悉机电配合过程中的运动控制，可以深刻体会和总结出速度控制和位置控制所涉及的技术和宝贵的实践经验。课程设计中的一些步骤、方法、操作过程及实际问题分析。本课程设计由张新老师指导，在课程设计期间张新老师给与了热情指导和关心，在此深表谢意。张春兵 2008年1月15日 第一章基于plc的汽车顶盖接龙门式三面双点焊接设备位置速度控制系统概叙1.1设计目的通过plc的硬件电路（输入/输出设备和plc的确定、i/o点的分配、主电路的设计、外控电路设计、控制面板设计）和软件电路设计（plc功能表图和梯形图设计），了解可编程序控制器控制系统设计的基本原则，掌握其设计的基本步骤和内容，掌握实际应用程序设计方法和步骤；深刻领会可编程序控制器的原理。通过在plc上调试，训练动手能力和可编程序控制器实际应用能力；提高独立分析、解决问题的能力；为进一步系统的学习打下基础 。1.2设计要求客车顶盖龙门式单面双点焊接设备是自动化程度较高的大型设备，焊装车身长15米左右的客车顶盖，焊接过程中陆续将三张长铁板拉伸并焊接在预制骨架上。焊接使用单面双电极头点焊，同时焊两个焊点，焊接设备由龙门架拖动，移动步距120毫米，相当于60毫米一个焊点。由直线运动模型tm2模拟实现单面双点焊接设备的运动过程。模拟现象如下：按下启动按钮，滑块向右运动，隔5厘米一停，1秒后再启动，启动6次后，返回，隔5厘米一停，启动6次。使用孔盘或旋转编码器认址。 反转 正转 启动6次，间隔5厘米 原点 折返点 1.3设计分析由于课题主要考验的是运用plc实现自动控制，所以要根据所学的知识进行分析，考虑所要遇到的难点以及注意事项：1首先根据课题要求画出流程图，在脑海里有个具体的设计概念。2因为停止点很多，可使用孔盘认址，行走的距离折算成孔盘脉冲个数。每个停留1秒左右。3使用计数器焊接接点数控制折返点，即完成若干个焊点后，返回继续焊接。4由于脉冲数太多，普通的计数器不能满足，所以要用高速计数器。 第二章plc概述2.1 plc的命名与定义美国电器制造商协会nema经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为pc（programmable controller），并作了如下定义：pc是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令，用来执行如逻辑、计时计数和演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序，一部数字电子计算机若是从事执行pc之功能，亦被视为pc，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。但是为了避免和个人计算机（personal computer）简称混淆通常还是将可编程序控制器成为plc。以后国际电工委员会(iec)又先后颁布了plc标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.2 plc的主要特点、分类和应用范围plc的主要特点：（1）可靠性高、抗干扰能力强。（2）编程简单、使用方便。（3）设计、安装容易，维护工作量少。（4）功能完善、通用性好，可实现三电一体化plc将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体。（5）体积小、能耗低。（6）性能价格比高。plc的分类：（1）从组成结构形式：一体化整体式plc模块式结构化plc（2）按点数及内存容量：小型plc：小型plc的i/o点数一般在128点以下，其特点是体积小、构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量i/o以外，还可以连接模拟量i/o以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。 中型plc：中型plc采用模块化结构，其i/o点数一般2561024点之间。i/o的处理方式除了采用一般plc通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 大型plc：一般i/o点数在1024点以上的称为大型plc。大型plc的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型plc还可以采用三cpu构成表决式系统，使机器的可*性更高（3）按输出形式：继电器输出：为有触点输出方式，适用于低频大功率直流或交流负载。晶体管输出：为无触点输出方式，适用于高频小功率直流负载。晶闸管输出：为无触点输出方式，适用于高速大功率交流负载。plc的应用范围：（1）开关量的逻辑控制（2）位置控制（3）过程控制（4）数据处理（5）通信联网（6）cims的应用。随着我国经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动化系统开始。2.3 plc的发展趋势1向高速度、大容量方向发展为了提高plc的处理能力，要求plc具有更好的响应速度和更大的存储容量。2向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型plc比较多，为了适应市场的多种需要，今后plc要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。3plc大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，加强plc联网通信的能力，是plc技术进步的潮流。plc的联网通信有两类：一类是plc之间联网通信；另一类是plc与计算机之间的联网通信，一般plc都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力。4增强外部故障的检测与处理能力5编程语言多样化在plc系统结构不断发展的同时，plc的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数plc使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（basic、c语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是plc进步的一种趋势。 第三章模拟系统硬件设计3.1 硬件结构介绍本课程设计主要用到电源板、plc元件板、ts2实验板、变频器、tm2、tm3机械模型.(1)可编程控制器类型繁多，但其结构和工作原理则大同小异，了解可编程控制器的基本结构，有助于理解可编程控制器工作原理。 可编程控制器各部件可编程控制器实质上是一种工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故可编程控制器起与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它有中央处理单元（ cpu ）、存储器（ rom/ram ）、输入 / 输出单元（ i/o 单元）、编程器、电源等主要部件组成。如下图3-1所示 . 图3-1根据现有条件和需要此课程设计确定可编程序控制器的型号和硬件配置选择plc系列：fxcpu；plc类型：fx1n sac-plc-syt可编程序控制器教学实验台如3-2图,实验时，该实验挂板必须需配合电源挂板和plc元件挂板一同配合使用。首先将电源挂板接通电源,再通过4号插座和实验导线为可编程序控制器通电，根据实验内容,选择好所需的输入、输出元件，并将信号通过2号台阶插座和实验导线,引入到可编程序控制器的输入、输出端子区上。实验挂板上输入元件的公共端要接到24v电源的负极上（24g），plc上输入信号的公共端（com）要接到24v电源的正极上（+24v ）。这样可连接好输入电路，实验挂板上输出元件的公共端要接到5v电源的负极上图3-2(2) 变频器的介绍如下: 变频器的按键很少，操作简单易学。由主要的五个按键和一个旋钮的输入环节，以及led显示区和三个发光管显示组成如图3-3图3-3(3) tm模型介绍如下:实验板主要分为机械传动部分、支架和电气元件部分等几部分。机械模型实验板外形尺寸：750（长）220（宽）150（高）。结构简易示意图如3-4：图3-4机械传动部分：（图中从右向左依此介绍）1三相交流异步电动机 25w，1380转/分，电压三相220v。 2减速器 速比1：3.6。 电机、减速器、支架为南韩进口原装件。 3电机支架 安装电机的底座。 4联轴器 电机与丝杠连接件， 可拆卸。 5轴承架 安装两侧，起支撑丝杠作用，内嵌封闭轴承。6丝杠 t型螺纹 ，直径20毫米，螺距2毫米，有效长度200毫米， 总长320毫米。 该丝杠具有机械终端保护功能，两端无螺纹长度各20毫米，略大于滑块尺寸，滑块移动两端时，可空转，不会出现憋电机或顶死不能退回现象，反转即可重新入扣，正常运行。 7滑块 （丝母） 20毫米宽 ，60毫米高， 40毫米长。两侧留有安装孔，可外装认址器或撞块。8接近开关（磁感应器） 4个，可较精确认址，适合接入plc输入端。 9孔盘认址器 在轴端处安装， 孔盘有8个认址孔 ，孔盘旋转后，经一个沟槽式光电开关接收认址孔信号，通过计数确定相对位置。 10旋转编码器 omron公司产品，直径20毫米，每转200个脉冲。 可实现精确的位置检测。 11认址器组 光电开关组由6个沟槽式光电开关组成，装在丝母板上。7组遮光片安装在元件支架上，每组遮光片又分3组。上面一组作为定位或相对认址使用；中间一组可作为校正位置和配合减速使用；最下一组作为绝对认址使用。三个光电开关绝对认址编码最多为7个地址。（5vg），plc上输出信号的公共端要接到5v电源的正极上（+5v），这样可以接好输出电路.tm模型接线板上有图形示意元件，熟悉plc输入、输出回路和传感器元件常识即可接线。omron和西门子plc元件公共端接电源负极，信号（plc上）公共端接电源正极。三菱plc输入回路使用plc内部电源，24v电源线不接。在旋转编码器上的a、b两相接入输入信号开关，当开始计数时开始发送脉冲计数。 3.2 输入元件和输出元件的型号的选择确定输入元件和输出元件的型号：输入继电器x：输入接口高速计数专用输入（x000和x0001）启动开关x031在ts面板属于常开开关，原点检测开关为tm2、tm3机械模型的接近开关。 辅助继电器 m：通用辅助继电器m0-m499（共500个），关闭电源后重新启动后通用继电器不保护断电前的状态。此设计我选择m30、 m40以及m50。定时器 t：定时器t0-t199 （200只）：时钟脉冲为100ms的定时器，即当设定值k=1时，延时100ms。 设定范围为0.1-3276.7秒。设计中的选择t0、t1定时器。计数器 c：21点高速计数器c251c255 为两相（ab相形）双计数输入高速计数器，通过实际考虑选择c251高速计数器。继电器输出y：变频器正转(y000)、变频器反转(y001)。注意事项：plc输出接口是成组的，每一组有一个com口，只能使用同一种电源电压.3.3 i/o口分配及硬件连接图（1） i/o分配: (omron cpm2a-60cdr机型)输入信号信号元件及作用元件或端子位置x000x001x031x041检测位置检测位置启动按钮原点检测开关旋转编码器旋转编码器ts2实验板按钮区接近开关输出信号控制对象及作用元件或端子位0100001001变频器正转变频器反转变频器元件板变频器元件板图3-5（2）.硬件接线原理图如图3-2： 图3-6第四章模拟系统软件设计4.1 梯形图根据课题设计如下程序：4.2 程序分析 按标注进行分析注释：1 46步利用m8000对c251高速计数器进行清零工作。2 56步当按下启动开关x030后变频器带动电机正传即右行（y000），并且实现自锁。3 36步此时c251高速计数器开始计数脉冲个数。4 0步通过比较指令对c251中的脉冲数（s1）与设置k5000（s2）进行比较，当s1小于s2时m30为on状态其他off，当s1等于或者大于s2时 m30和m31为on状态其他为off。5 28步由m30、m31的on状态控制c251计数器的复位。并且56步骤中的右行（y000）作为一次的结束。6 74步m30、m31为on状态时实现m50的为on状态，且m50自锁。y000的断开与闭合同时控制m50的状态。优先权大于m30、m31。7 84步m50控制定时器t0，t0设置值为k10为1秒定时。每当t0到时间右行（y000）就会运行一次，直到m30、m31将其断开，总共进行6次。8 92步每当t0被接通一次，计数器c2会累加一次直到达到预设值k6即6次。9 65步当c2计数到6时右行（y000）断开，变频器开始执行左行（y001）。10. 36步y001控制高速计数器c251计数.11. 14步左行（y001）运行时开始比较指令，因为c251是a、b两相当反转时自动减数，所以计数器所以可以把k值设置成5000。同理可以通过比较进行控制m41、m42的on或off状态。12. 同第28步，通过m41、m42的on状态控制c251的复位。13. 此时到达第79步，m41、m42与y001控制m50状态，原理同第74步。14. 88步m51的on状态时控制定时器t1（k10即1秒）。同第84步，t1每闭合一次左行就会运动一次，直到m41.m42将其断开。15. 当左行（y001）到达原点时，原点开关x041会将所有运动终结。并使计数 器c2进行复位。16. 99步end指令标志整个过程结束。由以上程序步骤控制整个过程的完成。4.3 指令表通过程序可以得到下面指令表0 ld y0001 dcmp c251 k5000 m302 ld y0013 dcmp c251 k-5000 m404 ld m315 or m426 or m307 or m418 or m80029 or x04110 rst c25111 ldi x00012 and y00013 ldi x00114 and y00115 orb16 out c251 k500017 ld y00018 ani m3119 ani m3020 or t021 or x03022 ani x04123 ani y00124 out y00025 ld y00126 or c227 ani x03028 ani m4129 ani m4230 or t131 ani x04132 ani y00033 out y00134 ld m3135 or m5036 or m3037 ani y00038 out m5039 ld m4140 or m5141 or m4242 ani y00143 out m5144 ld m5045 out y0 k1046 ld m5147 out t1 k1048 ld t049 out c2 k650 ld x04151 rst c252 end第五章模拟实验的调试5.1 准备工作1 根据设计要求与需要将所需要的接线按照i/o口分配及硬件连接图进行正确的连接。2. 打开plc编程软件，把预先设计好的plc梯形图程序输入到编程软件。3. 把电源板、plc元件板、ts实验板按照设计的i/o分配进行线路连接。4外部接线的检查：包括输入输出接线的正确性检查。5供电系统的检查：对可编程序控制器供电电源接线的检查、电压检查和外部供电电源的检查等。6执行机构的运行检查：包括执行机构对输入信号的响应时间、执行机构运转状态检查。7检测元件和开关的运行检查。 5.2 程序调试 程序调试的主要内容包括输入信号调试、输出信号的调试、痛信系统和总调试1. 输入信号的调试：对输入信号的供电再检查一次保证供电电压正确，对于此试验设计脉冲为输入信号可用信号发生器2. 输出信号的调试：对执行机构供电再一次检查，保证供电与接线正确，然后输入信号看是否动作。3. 将编好的程序进行读入转换成执行程