机床电气与PLC课程设计-加热炉自动送料控制系统设计.doc

机床电气与PLC课程设计 加热炉自动送料控制系统设计 专业 机械设计制造及其自动化 班级 081015 学号 叉 组别 03 姓名 叉叉 指导教师 叉叉 日期 2011.06.1 成绩 目 录 前言 2摘要 3第一部分PLC概述 4PLC设计任务书及基本要求 5PLC选型 7第二部分I/O端口分配表 8加热炉自动控制送料系统设计思想 9 程序流程图 10 梯形图 11 语句指令表 18 总结 21附注：参考文献 前言 在现在化的生产中，生产机械的自动化程度反映了工业生产发展的水平。现代化的生产设备与系统已不再是传统意义上单纯的机械系统，而是机电一体化的综合系统电气传动与控制系统已经成为现代生产机械的重要组成部分。机与电，传动与控制已经成为不可分割的整体。所谓的机电传动，是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称，它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动，停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。机电传动控制系统所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备，生产线，车间，甚至整个工厂都实现自动化；从狭义上讲，则指通过控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的曾加，质量的提高，生产成本的降低，工人劳动的条件的改善的以及能量的合理利用。机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，所以，现在化机电传动基本上均采用这种拖动形式。随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。它集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。本设计就PLC在机械控制上的应用作了详细阐述。摘要 加热炉自动控制（automatic control of reheating furnace） 对加热炉的出口温度、燃烧过程、联锁保护等进行的自动控制。早期加热炉的自动控制仅限控制出口温度，方法是调节燃料进口的流量。现代化大型加热炉自动控制的目标是进一步提高加热炉燃烧效率，减少热量损失。为了保证安全生产，在生产线中增加了安全联锁保护系统。 自动化学科有着光荣的历史和重要的地位，20世纪50年代我国政府就十分重视自动化学科的发展和自动化专业人才的培养。现在，世界上有很多非常活跃的领域都离不开自动化技术，比如机器人、月球车等。另外，自动化学科对一些交叉学科的发展同样起到了积极的促进作用，例如网络控制、量子控制、流媒体控制、生物信息学、系统生物学等学科就是在系统论、控制论、信息论的影响下得到不断的发展。在整个世界已经进入信息时代的背景下，中国要完成工业化的任务还很重，或者说我们正处在后工业化的阶段。 工业加热炉的炉温应当按照生产工艺要求维持在一定的数值。但是炉的热负荷经常在变化(例如常常要打开炉门取出已加热的工件和送入冷的工件)，在这种条件下要靠自动控制技术准确控制炉温，保持炉温的误差很小。而靠人力调整则难以做到，从而会造成能源的浪费甚至影响产品质量。 人们每年都把许多重量达到吨级的人造地球卫星准确送入位于数百千米乃至数万千米高空的预先计算好的轨道，并一直保持其姿态正确，也就是使它的太阳能电池帆板保持指向太阳，使它的无线电天线保持指向地球。这只有依靠先进的自动控制技术才能做到。 然而在国际形势日益复杂、科学技术日益进步的今天，人造地球卫星和宇宙飞船已经不能完全满足需要，近年来出现的“空天飞行器”要求既能在大气层外飞行，又能在返回大气层以后转为像飞机那样自主地高速航行，而不像人造卫星或宇宙飞船那样在返回大气层以后只能被动地降落地面。研制这种“空天飞行器”必须解决的技术难题之一就是智能自主控制技术。第一部分 PLC概述 主要讲述了PLC的产生和发展历史，讨论了从继电器控制系统到PLC系统变化的原因。从构成PLC的基本部分入手，介绍了PLC在过程控制系统中的应用，然后简单介绍了各种不同类型的PLC的特点、分类及应用情况，最后简单介绍了PLC的编程语言，并对现阶段PLC的前景应用进行了展望。一、PLC的定义由于可编程控制器的不断发展，对它下一个确切定义是困难的。可编程控制器问世后，美国电器制造商协会NEMA（National Electrical Manufactures Association）于1980年对可编程控制器有如下定义：可编程控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，实现对各种机械或生产过程的控制。 1982年，国际电工委员会（International Electrical Committee，简称IEC）办不了可编程序控制器标准草案，于1985年提交了第二版，1987年2月的第三版对可编程控制器做了如下定义：“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。” 可见，PLC这个电子系统，也是靠存贮程序、执行指令，进行信息处理，实现输入到输出的变换。但它的目的是用以控制各种类型机械或生产过程。所以，从实质上讲，它是一台工业环境应用的、满足实时控制要求的专用计算机。PLC与普通计算机所不同的主要是： 1、它没有键盘，代之为一个个输入电路，并用其获取控制命令或现场信号。同时，此输入电路具有滤波能力的，与内部电路为电隔离，但通过光耦合建立联系； 2、它没有显示器，代之为一个个输出电路，并用其产生控制输出。由于此电路具有驱动能力，故可以驱动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等。同时，此电路与内部电路也是电隔离的，是用光或磁耦合建立联系；它没有硬盘，只有内存。但可配备存贮卡，以为程序与数据建立备份； 3、它配置有外设或通讯接口，可用以编程或下载程序、监控及联网通讯； 4、 它的结构为整体式或模块化，体积小，安装方便，比较坚固，具有很强的抗干扰、抗冲击、抗震动特性。二、 PLC的由来 可编程控制器的10项招标指标1968年，美国通用汽车公司（GM）根据多品种、小批量、不断翻新汽车品牌的战略思想，以降低生产成本，缩短新产品开发周期为设想，针对汽当时车生产线的自控系统现状：工装基本上由继电器控制装置构成。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，因而继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，这不仅费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，希望用新的控制装置来取代继电器控制装置，并提出了以下10项招标指标： 在使用者的工厂里，能以最短的中断服务时间，迅速、方便地对其控制的硬件和设备进行编程及重新进行程序的设计。 所有的系统组件必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下进行。 系统的维修必须简单易行。在系统中应设计有状态指示器及插入式模块，以便在在最短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行； 装置的体积应小于原继电器控制柜的体积，它的能耗也应较小； 必须能与中央数据采集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状态和运行情况。 输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流115V(注：美国电网电压为115V，我们中国是AC220V)； 输出的驱动信号都必须能驱动以交流运行的电动机驱动器和电磁阀线圈，每个输出量将设计为可开停和连续操纵具有交流115V，2A以下容量的电磁阀等负载设备。 具有灵活的扩展能力。在扩展时，必须能以最小的系统变动及最短的更换、停顿时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。 在购买和安装费用上应有与原有继电器控制和固态逻辑控制系统的竞争力，即有高的性价比。 用户存储器容量至少在4KB1以上（根据当时汽车装配厂的要求）三、PLC的基本结构 PLC主要由中央控制单元（CPU）、存储器（RAM或ROM或 ）输入输出模块（I/O）部分、电源和编程设备组成，有的PLC还可以配备特殊功能模块，用来完成某些特殊的任务。术语“体系结构”是指PLC的硬件，或软件，或者二者的结合。开放式的体系结构，是指系统使用现成的标准组件，能方便的与其它生产厂家的设备和程序兼容。封闭的体系结构是指该系统为专用的并且与其他系统不兼容。目前，大多数PLC系统从本质上讲都是封闭的系统，所以使用时必须确定所选用的硬件和软件与所使用的PLC是兼容的。1.中央控制单元CPU CPU是PLC的“大脑”，通常由一个微处理器和一个存储器组成。微处理器实现逻辑处理和控制各模块间通信的功能，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存由微处理器完成的逻辑操作的结果（程序产生的数据）。 2.I/O模块 I/O系统构成了现场设备与控制器连接的接口，作用就是从使现场接收到的信号或送到现场的信号达到处理器的要求。输入(1nput)模块和输出(Output)模块简称为IO模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号。3.编程器设备 （或称编程终端） 编程设备用来向存储器中写入程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。个人计算机（PC）是最常用的编程设备。使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。4电源 PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V，12V，24V等直流电源。小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器(如接近开关)提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。 （ 关于PLC的硬件结构和软件体系敬请参阅第二讲内容。）四、 PLC的工作原理1、PLC替换 PLC是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。这种用计算机程序实现的“欺继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上有某些相似之处。2、 PLC的工作原理分析 可编程控制器的原理：PLC是采取顺序扫描，不断循环，的方式进行工作的，即在PLC运行时，PLC根据用户按控制要求编好并存放于用户程序存储器中的程序，按指令步序号或地址号作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮扫描，在每一次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必须经过输入采样，程序执行和输出刷新三个阶段及其他一些辅助阶段，其中的输入采样和输出刷新在有的场合也称之为I/O刷新。3.输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时问，是指PLC部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。五、PLC的特点 从讨论PLC的工作原理知，PLC的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系主要不是靠物理过程，不是用线路，而主要靠变换信息的程序实现。输入输出主要为软联系，而不是硬联系。它的工作基础是信息流，而不是物流、能量流。信息不同于物质与能量，有自身的规律。信息便于处理，便于传递，便于存储；信息可反复重用，重用后自身还不消失，等等。正是由于信息的这些特点，决定了PLC的基本特点。归纳起来，除了功能丰富，PLC还有以下特点：1工作可靠: 用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多非常有效的根本性措施。2使用方便: 用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先PLC控制逻辑的建立是程序，用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多!其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的箱体或模块。而且，这些箱体或模块是配套的，已实现了系列化与规格化。3.经济合算： 高新技术的使用必将带来巨大的社会效益与经济效益，这是科技是第一生产力的体现，也是高新技术生命力之所在。六、PLC的应用领域 基于PLC的特点，PLC已得到广泛的应用。目前主要是：1用于顺序控制顺序控制是根据有关输入开关量的当前与历史的状况，产生所要求的开关量输出，以使系统能按一定顺序工作。2.用于过程控制过程控制要用到模拟量。模拟量一般是指连续变化的量，如电流、电压、温度、压力等物理量。3.用于运动控制运动控制主要指，对工作对象的位置、速度及加速度所作的控制。4.用于信息控制信息控制也称数据处理，是指数据采集、存储、检索、变换、传输及数表处理等。5用于远程控制远程控制是指，对系统的远程部分的行为及其效果实施检测与控制。PLC有多种通讯接口，有很强的联网、通讯能力，并不断有新的联网的模块与结构推出。七、PLC的类型 1按生产厂家分有： 德国的西门子公司、美国的AB（Allen-Bradley）公司，美国GE公司与日本FANAC合资的GE-FANAC公司、法国的施耐德公司以及日本的欧姆龙（OMRON）公司、三菱公司、松下公司、东芝公司、富士公司、光洋公司、日立公司等等。德国西门子公司：主流产品为 S7系列机，有S7200（小型）、S7300（中型）及S7400机（大型）。性能比S5大有提高。此外，还推出微型机Logo。2.按结构特点分: 可分为箱体式与模块式。近期还出现有内插板式。箱体式的PLC：把电源、CPU、内存、I/O系统都集成在一个小箱体内。一个主机箱体就是一台完整的PLC，就可用以实现控制。微型、小型机多为箱体式。3.按其它特点分： 如按电源分有：用直流24伏的，交流220/110伏的。交流也还有宽幅，有的称任意的（从80到240伏均可）与非宽幅（220、110伏可选）。 课程设计任务书1. 设计题目：加热炉自动送料控制系统设计机械系统包括自动台车、机械臂起吊装置、冷却槽和夹紧装置四部分。控制动作主要包括：台车的前进/后退、机械臂的上升/下降、夹钳的夹紧/松开、冷却槽的前进/后退。示意图如图所示。动作控制要求：2. 设计内容： 1）完成课程设计指导书所要求的控制循环。 2）按停止按钮，立即停止。 3）要求可以实现回原点、单周期、连续控制。3. 设计要求 1）画出端子分配图和顺序功能图 2）设计并调试PLC控制梯形图 3）设计说明书 4. 进度安排1) 下放课设题目，查阅相关资料，确定总体方案设计熟悉每个课题的具体要求，作出总体方案设计 0.5天2）操作原理图的设计根据控制要求，PLC型号的选择,画出控制原理图，并确定系统的输入、输出量，最终选择PLC的型号 0.5天 3）PLC控制梯形图的设计结合控制要求，画出PLC端子接线图，为每个输入及输出量分配地址，并设计出相应的PLC控制梯形图 1天 4）PLC控制梯形图的设计结合控制要求，画出PLC端子接线图，为每个输入及输出量分配地址，并设计出相应的PLC控制梯形图 1天 5）上机调试程序并撰写说明书,梯形图程序设计好后，在PLC实验室或者用仿真软件进行程序调试，调试好后让老师进行程序考核最后按照设计过程及设计思想撰写说明书，体现整体设计思想及最认真准备答辩自诉并讲解部分，每人15分钟。 2天 指导教师：教传艳方案及控制过程 1、I/O分配图 2、原理接线图3、流程图4.梯形图31 5.语句表LD 00001AND 00009LD 25315OR LDLD 20001OR LDAND NOT 20002OUT 20001LD 20001AND 00001LD 20002OR LDAND NOT 20003OUT 20002TIM 000#0020AND 00100AND 20002LD 20003OR LDAND NOT 20004OUT 20003LD 20003AND 00009LD 20004OR LDAND NOT 20005OUT 20004LD 20004AND 00007LD 20005OR LDAND NOT 20006OUT 20005LD 20005AND 00011LD 20006OR LDAND NOT 20007OUT 20006TIM 001#0020AND 00101AND 20006LD 20007OR LDAND NOT 20008OUT 20007LD 20007AND 00009LD 20008OR LDAND NOT 20009OUT 20008LD 00005AND 20008LD 00009AND 20047OR LDLD 20009OR LDAND NOT 20010OUT 20009LD 20009AND 00012LD 20010OR LDAND NOT 20011OUT 20010TIM 002AND 00010AND 20010LD 20011OR LDAND NOT 20012OUT 20011LD 20011AND 00009LD 20012OR LDAND NOT 20013OUT 20012LD 20012AND 00013LD 20013OR LDAND NOT 20014OUT 20013LD 20013AND 00011LD 20014OR LDAND NOT 20015OUT 20014TIM 003 #0020AND 00100AND 20014LD 20015OR LDAND NOT 20100OUT 20015LD 20015AND 00009LD 20100OR LDAND NOT 20101OUT 20100LD 20100AND 00008LD 20101OR LDAND NOT 20102OUT 20101LD 20101AND 00011LD 20102OR LDAND NOT 20103OUT 20102TIM 004 #0020AND 00101AND 20102LD 20103OR LDAND NOT 20104OUT 20103LD 20103AND 00009LD 20104OR LDAND NOT 20105OUT 20104LD 20104AND 00007AND 00014LD 20105OR LDAND NOT 20106OUT 20105LD 20105AND 00011LD 20106OR LDAND NOT 20107OUT 20106TIM 005#0020AND 00100AND 20106LD 20107OR LDAND NOT 20108OUT 20107LD 20107AND 00009LD 20108OR LDAND NOT 20109OUT 20108LD 20108AND 00006LD 20109OR LDAND NOT 20110OUT 20109LD 20109AND 00011LD 20110OR LDAND NOT 20111OUT 20110TIM 006#0020AND 00101AND 20110LD 20111OR LDAND NOT 20112OUT 20111LD 20111AND 00009LD 20112OR LDAND NOT 20113OUT 20112LD 20112AND 00005LD 20113OR LDAND NOT 20114OUT 20113LD 20113AND 00012LD 20114OR LDAND NOT 20115OUT 20114TIM 007#0020AND 00010AND 20114LD 20115OR LDAND NOT 20200OUT 20115LD 20115AND 00009LD 20200OR LDAND NOT 20201AND NOT 20040OUT 20200LD 20200AND 00013AND 00004LD 20201OR LDAND NOT 20202OUT 20201LD 20201AND 00011LD 20202OR LDAND NOT 20203OUT 20202TIM 008#0020AND 00100AND 20202LD 20203OR LDAND NOT 20204OUT 20203LD 20203AND 00009LD 20204OR LDAND NOT 20205OUT 20204LD 20204AND 00007LD 20205OR LDAND NOT 20206OUT 20205LD 20205AND 00011LD 20206OR LDAND NOT 20207OUT 20206TIM 009#0020AND 00101AND 20206LD 20207OR LDAND NOT 20208OUT 20207LD 20207AND 00009LD 20208OR LDLD 00003AND 00013OR LDAND NOT 20209OUT 20208LD 20208AND 00015AND 00008LD 20209OR LDAND NOT 20210OUT 20209LD 20209AND 00011LD 20210OR LDAND NOT 20211OUT 20210TIM 010#0020AND 00016AND 20210LD 20211OR LDAND NOT 20212OUT 20211LD 20211AND 00009LD 20212OR LDAND NOT 20213OUT 20212LD 20212AND 00006LD 20213OR LDAND NOT 20214OUT 20213LD 20213AND 00011LD 20214OR LDAND NOT 20215 OUT 20214TIM 011#0020AND 00101AND 20214LD 20215OR LDAND NOT 20300AND NOT 20009OUT 20215LD 20215AND 00009AND 00003LD 20300OR LDOUT 20300LD 200.01OUT 10.01LD 200.02OUT 10.04TIM 000 #0020LD 200.03OUT 10.00LD 200.04OUT 10.03LD 200.05OUT 10.01LD 200.06OUT 10.05TIM 001 #0020LD 200.07OUT 10.00LD 200.08OUT 10.02LD 200.09OUT 10.06LD 200.10OUT 10.01TIM 002 #0020LD 200.11OUT 10.00LD 200.12OUT 10.07LD 200.13OUT 10.01LD 200.14OUT 10.04TIM 003 #0020LD 200.15OUT 10.00LD 201.00OUT 10.03LD 201.01OUT 10.01LD 201.02OUT 10.05TIM 004 #0020LD 201.03OUT 10.00LD 201.04OUT 10.02LD 201.05OUT 10.01LD 201.06OUT 10.04TIM 000 #0020LD 201.07OUT 10.0