[工学]机电控制技术课程设计报告内容有错误_需谨慎.doc

中原工学院机电控制技术课程设计纺织机械同步传动测控系统的设计The design Of Textile Machinery Synchrodrive Measurement And Control System 单 位：机电学院姓 名：孙章鹏指导教师：邓大立 靳继勇2011年 01月中原工学院机电控制技术课程设计摘要随着现代工业的飞速发展，PLC（可编程控制器）在工业生产中有着越来越广泛的应用，PLC控制已经成为自动化生产的主要控制方式，在电气控制中占有重要地位。因此，学习和掌握PLC应用技术，已经成为当今电气工程技术人员的必备知识和技能。本课程设计主要介绍了纺织机械同步控制系统的工作原理，PLC的造型和资源的配置、控制系统程序设计与调试、控制系统PLC程序。根据纺织机械同步控制系统的工作原理，利用可编程程序控制器PLC实现控制，说明了PLC控制的原理、特点及控制纺织机械的特色。在系统中纺织品由五个电动机带动辊子与橡胶辊的摩擦带动左向右传动。要求设计该系统的控制部分，控制部分采用西门子S7-226PLC控制5个三相变频电机，实现纺织布料在该系统中自左向右的同步传动。在本设计中采用西门子系列PLC S7-224XP编写程序通过改变变频器的电压进而改变电源频率从而达到控制布的同步传动的目的。根据继电器控制系统的实际情况,结合I/O地址分配表和PLC控制系统的实际安装接线图,设计出梯形图。在程序中分别有五个输入来控制的启动、升速、降速、停止以及急停功能，有五个模拟量输出模块端口和五个变频器输入端口相接。从工程实际出发考虑，系统的工作方式为手动，由按钮来控制电机的启动停止以及升速和降速。机械的工作方式由具体需要而定，即既可以先升速后降速也可以先降速再升速也可以一直保持一种动作状态，但在按下升速按钮的时候再按降速按钮无效，反之亦然，即要具有联锁功能，同时在布的同步传动过程中若出现紧急情况按下一个按钮后再按下其他按钮无效，实现控制系统急停的功能。通过对程序的调试，从中又学到了很多东西，可以说是我们程序编制的一个很好的反馈。首先，我们要合理的分配变量的地址，养成一个好习惯。其次，我们要以PLC的方式来进行思考，从而使我们的程序能够得到更好的执行。最后，可以通过实践，不断对程序进行优化，尽力做到更好！关键词：纺织机械同步控制；可编程控制器；变频器；电气控制；程序指令35中原工学院机电控制技术课程设计目录1引言51.1 可编程控制器简介51.1.1 当代PLC技术的发展51.1.2 PLC学习情况61.1.3 PLC的应用领域及未来展望71.2 课程设计的研究背景、设计目的及任务分析71.2.1 课程设计的目的71.2.2 课程设计的基本要求8 1.2.3 课程设计的主要过程及内容92 课程设计任务9 2.1 任务描述10 2.2 控制任务和要求103 控制方案的选择104 I/O分配表125 PLC硬件接线图135.1 PLC接线图见附录A 135.2 电气原理图见附录B136 编写系统控制流程图136.1 控制系统的流程图13 6.2 程序梯形图及指令157调试说明228结束语23附录A PLC接线图25附录B 电气原理图26附录C PLC模拟量输出模块图32附录D 系统控制面板及电工柜图339参考文献35中原工学院机电控制技术课程设计1引言1.1可编程控制器简介可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller）， 图1 PLC实物图它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。 1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义： “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则而设计。”1.1.1当代PLC技术的发展1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。接着美国MODICON公司也研制出084控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着微电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器就不在不局限于当初的逻辑运算了，功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。当代PLC技术的发展迅速，产品更新换代；开发各种智能化模块，不断增强过程功能；PLC与个人计算机（PC）结合；通信联网功能不断增强；发展新的编程语言，增强容错功能。1.1.2 PLC学习情况目前，PLC应用人才供应主要依靠高校（设相关专业的有267所）、高职（600多所）和技校（2000多所）。其相关的专业一般名为“自动化”、“机械制造及自动化”、“电气自动化”和“机电一体化”。设置相关专业的学校包括从清华大学、浙江大学这样的国内一流院校，到各种职业培训机构，而涉及的专业外延更加广泛，有不少学校已经将PLC的应用作为专业学院的基础课程。而人力资源和社会保障部CETTIC项目下的PLC课程，更是将培训分为通用知识、实务知识、实践技能，重视案例分析和行为导向。1.1.3 PLC的应用领域及未来展望目前，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、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网等。21世纪，PLC会有更大的发展。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发展；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；从网络的发展情况来看，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发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed 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发展，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部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.2 课程设计的研究背景、设计目的及任务分析1.2.1课程设计的目的课程设计在整个教学过程中，是一个非常重要的实践性教学环节。通过机电传动控制课程的学习，在掌握了机电传动控制技术的基本工作原理和方法后，为使学生更进一步加深对机电传动控制技术应用特点理解和提高应用技术水平，结合生产工艺和机械设备的要求，通过课程设计教学环节进行初步的工程训练。课程设计以培养工程应用能力为主，在独立完成设计任务的同时，还要进行多方面能力的培养和提高，如：独立工作能力、文献信息检索能力、知识综合运用能力、写作及表达能力、创新能力。为毕业设计以及毕业后的工作能力打下良好的基础。1.2.2课程设计的基本要求机电传动控制的课程设计的主要目的，是通过对某个自动化生产设备、某条自动化生产线、某些工艺过程的调查研究，使学生明确生产工艺对电气控制提出的各项要求。根据这些要求，进行系统的原理设计、工艺设计和操作设计，使学生在课程设计的全过程中，进一步明确设计任务中的各项要求，建立机电系统设计工作的整体概念，从工程环境、实现手段和操作方式的各个环节入手来设计控制系统，通过不断的调试和完善软硬件设计，最终能够满足这些要求。（1）明确设计任务，详细了解各种设计要求和设计指标（2）指定设计方案（3）拟定工作进度计划（4）确定所需要的I/O点数，合理选择控制装置（5）使用西门子PLC编程软件（Step7Micro）编写控制程序，并使用仿真器软件调试程序（6）规定时间内完成课程设计（7）完成课程设计说明书1.2.3课程设计的主要过程及内容本课程设计为期两周，第一周主要在熟悉PLC编程的思路及方法。在课程任务布置以后，课下完成了PLC程序的主体设计。第二周通过老师的讲解和与同学的交流对程序不合适的地方进行改进，并在模拟器上进行调试运行。待程序运行无误后，设计电气原理图并用AutoCAD画出，并记下相关元器件的型号，规格等，总结心得，最后完成课程设计报告。本课程设计主要介绍了纺织机械同步控制系统的工作原理，PLC的造型和资源的配置、控制系统程序设计与调试、控制系统PLC程序。根据纺织机械同步控制系统的工作原理，利用可编程程序控制器PLC实现控制，说明了PLC控制的原理、特点及控制纺织机械的特色。2课程设计任务图2 纺织机械同步传动控制系统联动状态图2.1 任务描述本系统结构与工作原理如上图所示，纺织品由五个电动机带动辊子与橡胶辊的摩擦带动左向右传动。要求设计该系统的控制部分。本控制部分采用西门子S7-224PLC（继电器型）控制5个三相变频电机，实现纺织布料在该系统中自左向右的同步传动。2.2 控制任务和要求（1）确定本系统所需要的电气元件，并说明元件型号；（2）变频电机的转速范围01500r/min；（3）按下启动按钮，布料按一个初始速度自左向右运行；（4）一直按下升速按钮，布料运行速度持续上升（上升到上限不在上升）；一直按降速按钮，布料运行速度持续下降（下降到下限不在下降）；(5)按停止按钮，系统停止运行；3 控制方案的选择交流电机按品种分同步电机、异步电机两大类。同步电机转子的转速ns与旋转磁场的转速相同，称为同步转速。ns与所接交流电的频率 (f)、电机的磁极对数(P)之间有严格的关系 nsf/P在中国，电源频率为50HZ，所以三相交流电机中一对磁极电机的同步转速为3000转/分，三相交流电机中两对磁极电机的同步转速为1500转/分，以此类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10以内。转差率S=n0-n/n0 (n0为同步转速，n为空载转速)由此可知，交流电机（不管是同步电机还是异步电机）的转速都受电源频率的制约。因此,交流电机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率。本系统结构与工作原理如上系统联动控制图所示，纺织品由五个电动机带动辊子与橡胶辊的摩擦带动左向右传动。首先可以看出该系统属于同步开环控制，在布的同步传动中必须保证布在传动过程中始终被拉直，因此要求后一个电动机的转速比前一个电动机的转速高，但转速差不宜过大，否则会影响布的质量甚至会拉断布。由上述控制要求可知，本系统要求五个电机实现同步升速和同步降速，而且在升速和降速的过程中保持各个电机之间存在一个速度差，从而使绕过辊子的布保持一定的张力。如果在运行过程中出现紧急情况，可以实现紧急停车，从而把损害减小到最少。为了实现上述功能，达到控制要求，经分析可知，选择变频调速的开环交流调速系统。理由如下：（1） 提供的电源为工频50HZ的三相四线制的线电压为380V的工业用电；（2） 要求电机调速范围宽，即转速范围01500r/min；（3） 要求电机的负载转矩小，调速特性稳定、准确、快速。从工程实际出发考虑，系统的工作方式为手动，由按钮来控制电机的启动停止以及升速和降速。机械的工作方式由具体需要而定，即既可以先升速后降速也可以先降速再升速也可以一直保持一种动作状态，但在按下升速按钮的时候再按降速按钮无效，反之亦然，即要具有联锁功能，同时在布的同步传动过程中若出现紧急情况按下一个按钮后再按下其他按钮无效，实现控制系统急停的功能。在本设计中采用西门子系列PLC S7-224XP编写程序通过改变变频器的电压进而改变电源频率从而达到控制布的同步传动的目的。在程序中分别有五个输入来控制的启动、升速、降速、停止以及急停功能，有五个模拟量输出模块端口和五个变频器输入端口相接。每当按下相应的按钮时就给PLC程序一个输入信号从而实现相应的动作。当按下升（降）速按钮时，PLC程序逐步提高（降低）模拟量输出模块上的数值在输入到变频器端口，通过变频器电压的改变以此来改变电源的频率，具体来说，可以在每单位时间内让各个电机增加不同的转速，从而实现布的同步传动，在电机的升速控制过程中最末一个电机转速不宜过大，在电机降速控制过程中最前一个电机转速不宜过小，否则会影响效率，且二者转速差不宜过大。所需要的主要电气设备为西门子S7224XP PLC 、变压器、三个模拟量输出扩展模块、五个变频器以及电线等。4 I/O分配表表1 I/O分配表项目编号功能 说明地址输入1 电动机启动按钮SB1I0.02电动机停止按钮SB2I0.13电动机加速按钮SB3I0.24电动机减速按钮SB4I0.35电动机急停按钮SB5I0.4输出61号电机速度控制K1Q0.072号电机速度控制K2Q0.183号电机速度控制K3Q0.294号电机速度控制K4Q0.3105号电机速度控制K5Q0.45 PLC硬件接线图5.1 PLC接线图见附录A 5.2 电气原理图见附录B6编写系统控制流程图6.1 控制系统的流程图对于编写复杂的控制程序前，一般要先编写控制系统的流程图。流程图是程序设计中很有用的工具，它直观、清晰易懂，便于检查和修改。编写流程图时，首先要根据控制要求，将要完成的控制任务分解成几个主要的相对独立的部分（环节），分析各个部分（环节）之间的关系或者联系，集合结构化程序设计的概念，编写出有顺序结构、循环结构或者分支结构的流程图。图3 控制系统的流程图6.2 程序梯形图及指令根据继电器控制系统的实际情况,结合I/O地址分配表和PLC控制系统的实际安装接线图,设计出梯形图。图4 纺织机械同步传动控制系统程序梯形图LD SM0.1O I0.1O I0.4MOVR 0.0, VD302MOVR 0.0, VD306MOVR 0.0, VD310MOVR 0.0, VD314MOVR 0.0, VD318MOVR 0.0, VD100LD I0.0EUAN I0.1AN I0.2AN I0.3AN M0.1MOVR 21400.0, VD100LD SM0.1O I0.1R M0.1, 1LD I0.0EUO M0.0AN I0.1= M0.0S M0.1, 1LD I0.2AN I0.3AR= VD100, 12800.0OLDA M0.0AN T37TON T37, 3LD I0.2A T37+R 50.0, VD100LD M0.0MOVR VD100, VD302*R 1.001, VD302MOVR VD100, VD306*R 1.003, VD306MOVR VD100, VD310*R 1.005, VD310MOVR VD100, VD314*R 1.007, VD314MOVR VD100, VD318*R 1.009, VD318LD SM0.0ROUND VD302, VD302DTI VD302, VW402MOVW VW402, AQW0LD SM0.0ROUND VD306, VD306DTI VD306, VW404MOVW VW404, AQW2LD SM0.0ROUND VD310, VD310DTI VD310, VW406MOVW VW406, AQW4LD SM0.0ROUND VD314, VD314DTI VD314, VW408MOVW VW408, AQW6LD SM0.0ROUND VD318, VD318DTI VD318, VW410MOVW VW410, AQW8LD I0.4STOP中原工学院机电控制技术课程设计7调试说明调试过程可分为以下几步，在课程设计设中我们只需要完成第二部。第一步：硬件调试。接通电源，检查可编程序控制器能正常工作，接头接触良好。 第二步：软件调试。在硬件调试和软件调试正确的基础上，在模拟器上使PLC进入运行状态，观察运行情况，看是否能够实现循环工作。第三步：运行调试。按要求输入梯形图，检查后编译通过，在线工作后把程序写入可编程序控制器的程序存储区。软件调试是整个调试中很重要的部分。各个控制要求能否实现，运行是否稳定可靠，是否考虑到各种生产实际情况，很大程度上取决于程序是否正确，是否采用了合理的调试方法。在调试的过程中，主要遇到以下情况：（1）中间变量的存储区可能会冲突，比如VW10和VD10，这时会由于存储区的冲突而导致程序出现一些莫名奇妙的结果；（2）没有考虑到各个网络中间的执行和扫描周期的关系，从而导致后面程序对前面的变量值覆盖；（3）各个功能中间没有加上必要的互锁，导致某些功能实现不了，比如在手动调速之后，如果按下启动按钮，程序将会回到初始状态运行；针对上述情况，我认为在调试中应采取以下方法：（1）利用状态表，把一些重要的中间变量进行监视，通过它们的变化，可以很快的找到程序的问题所在；（2）调试的过程中，如果出现问题，应该仔细认真分析问题的所在，在脑子中建立程序的执行方式，如果能以PLC的工作方式来分析程序，很多问题就可以迎刃而解；（3）只有具有严谨的治学精神，才能在调试中发现问题，分析问题，解决问题；考虑实际，在运行过程中若出现紧急情况应将PLC也停下，这样即使有人误操作时电机也不能启动，所以应在程序中加入急停指令最好，这样就能满足安全要求。经反复调试确认程序无误。8结束语在PLC问世以前,工业控制领域中是以继电器控制系统占主导地位。这种由各种继电器构成的控制系统存在着明显的缺点,如体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高,尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差。为解决继电器控制系统在实际应用中存在的诸多缺点,PLC于1969年便应运而生。现在，为期两周的机电传动控制课程设计结束了。说是两周半，实则一周半，第一周因刚结束其他课程的考试，因而不能专心忙设计，一周半的时间紧迫，于是不得不晚上和周末抽时间来继续设计，这段时间时间抓的紧也很充实。作为一名机械电子工程大三的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义的。在已度过的两年半大学生活里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去面对现实中的各种机械设计？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计书是十分必要的，同时也是必不可少的。我们做的是课程设计，而不是艺术家的设计。艺术家可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，虽然本次课程设计没有要求用 auto CAD制图，但我却在整个设计过程中都用到了它。用CAD制图方便简洁，易修改，速度快，我们的电路及电气接线等设计，大部分都是在CAD上完成的。另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。由此我可用更好地了解到自己的不足，以便课后加以弥补。附录A PLC接线图图5 PLC硬件外部接线图附录B 电气原理图图6 主电路电气原理图(PLC供电图)符号名称型号QF空开CHNT DZ47-60T变压器GCF-G5Z滤波器EMI FILTER DL-601FU熔断器RT18-32ST行程开关JLXK1-311图7 电机1电气原理图变频器U1：线1L1，1L2，1L3经空开QF2后给变频器UI和风扇M11供电，变频器U，V，W端接电机M1控制其转速。模拟量输出模块的V1,M1接变频器VI1、GND控制其变频，从而改变电动机M1转速。符号名称型号QF2空开CHNT DZ47-60U1变频器GCF-G5M1电动机1YVP80Z-4IM11风扇1GY80A图8 电机2电气原理图变频器U2：线1L1，1L2，1L3经空开QF3后给变频器U2和风扇M21供电，变频器U，V，W端接电机M2控制其转速。模拟量输出模块的V1,M1接变频器VI1、GND控制其变频，从而改变电动机M2转速。符号名称型号QF3空开CHNT DZ47-60U2变频器GCF-G5M2电动机2YVP80Z-4IM21风扇2GY80A图9 电机3电气原理图变频器U3：线1L1，1L2，1L3经空开QF4后给变频器U3和风扇M31供电，变频器U，V，W端接电机M3控制其转速。模拟量输出模块的V1，M1接变频器VI1、GND控制其变频，从而改变电动机M3转速。符号名称型号QF4空开CHNT DZ47-6