机电一体化毕业设计（论文）-基于PLC与运料小车设计.doc

济源职业技术学院 毕 业 设 计题目 运料小车 系别 机电工程系 专业 机电一体化 班级 机电0911 姓名 学号 指导教师 日期 2011年8月 济源职业技术学院毕业设计设计任务书设计题目：运料小车设计要求：1. 小车可在A、B、C三地分别起动停止，A为下料地，B、C分别为装料地。2.在起动时无论小车位于何地均先到A地下料，停时为20秒，同时打开小车底门控制电磁铁下料。定时时间到小车自动运行到B地停留20秒装料，B地装料结束后，小车运行到C地进行装料停时20秒，后再次运行到B地装料，如此往复。 3.在B、C两地装料期间如果检测到达到预设重量值时，就会发出一信号，侧此时无论小车是在B地还是在C地都会马上返回A地进行下料。下料结束后，再次返回B、C两地循环装料。4任何情况下小车都可以通过停止按钮停止。设计进度要求：第一周：确定设计题目，列出题纲，整理、查询材料。第二周：对设计进行实体操作，发现问题解决问题。第三、四周：在设计得到实验成功后写论文并修改。 指导教师（签名）： I摘要随着现代科学技术的飞速发展，电子类技术的广泛应用，人们对现在生产能够自动化的要求愈来愈高，这就为自动控制的研究开发 技术的改进提供了必要的条件。在工厂中运料小车是必不可少的一种设备，对运料小车实行自动控制在工业设备中起着至关重要的作用，它能为企业减少一定的人力，增加生产的稳定性。本设计就是将PLC与运料小车相结合，以实现小车的自动控制减少人为参与。PLC采用的编程语言有梯形图、语句表、功能图，这些语言十分简洁明了，操作也十分灵活方便，在发展中越来越受到各企业的青睐。PLC的优点有：可靠性高、抗干扰能力强功能强编程语言丰富等，相信在以后的发展中PLC的应用会更加广泛。关键词：plc 自动化 自动控制 II目 录设计题目：I1 可编程控制器1.1.1 可编程控制器的发展1.1.2 可编程控制器的特点22 总体设计思想3.2.1小车运行工位示意图3.2.2 计时设计方案3.2.3 小车往返设计方案3.2.4 下料设计方案32.5测重设计方案43 硬件结构及工作原理5.3.1 电机的简介5.3.2 三相异步电动机的结构及原理6.3.2.1三相异步电动机的结构6.3.2.2三相异步电动机的工作原理6.3.3 三相笼型异步电动机的正反转控制6.3.4电磁铁的原理8.3.5称重传感器与接线8.3.6 PLC的选型和I/O 接线94 PLC编程12.4.1 S7-200可编程控制器12.4.2 S7-200系统基本构成12.4.3 S7200的工作方式13.4.4 程序思路设计145 系统程序调试运行画面176 结 论20致 谢21参考文献22附 录A23271 可编程控制器.1.1 可编程控制器的发展 可编程控制器是一种专为在工业的环境下设计的计算机控制系统。它采用可编程的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制。因早期在功能上只能进行逻辑控制，由此被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。PLC的发展过程大致分为以下几个阶段： 第一阶段：功能简单。主要是逻辑运算、定时和计数功能，没有形成系列。与继电器控制相比，可靠性有一定提高。CPU由中小规模集成电路组成，目前此类的产品以被淘汰。第二阶段：通过不断的发展又增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制，开始具有自行诊断的功能，存储器也采用了EPROM。但这个阶段的PLC已退出市场。第三阶段：在原有的基础上添加了微处理器，而且向多微处理器发展，使PLC的功能和处理速度大大增加，具有通信功能和远程I/O能力，这一代的PLC目前还有部分使用。第四阶段：能完成对整个车间的监控，可在CRT上显示各种现场图像，灵活方便地完成各种控制和管理操作，也可将多台PLC连接起来与大系统连成一体，实现网络资源共享。编程语言有梯形图、流程图、语句表等多种语言，是当前自动控制的主流产品。现在，为了适应大中小型企业的不同需要，扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，PLC正朝着以下两个方向发展：1）低档PLC向小型化、简易廉价方向发展，使小成本的一些企业能够使用，从而能更加广泛的取代继电器的控制。2）中高档PLC向大型、高速、多功能方向发展，使其能取代工业控制机的部分部分功能，对复杂系统进行综合性自动控制。.1.2 可编程控制器的特点1.可靠性高，抗干扰能力强工业生产对控制设备的可靠性要求：平均故障间隔时间长，故障修复时间短。由于工业生产过程是昼夜连续的，一般的生产装置要几个月，甚至几年才大修一次，这就对用于工业生产过程的控制器提出了高可靠性的要求，PLC之所以具有较高的可靠性是因为它采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，另外还采取了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施，使它的平均故障时间能达到3到5万个小时以上。2.通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只要改编程序就可以满足要求。3功能强大，适应面广现在所用的PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可以控制一台生产机械，又可以控制一条生长线、一个生产过程。4.编程简单，易于掌握目前，梯形图编程方式即继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握，梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图接近，同时还提供了语句表和功能图等编程语言。5.体积小、质量轻、功耗少。由于采用半导体集成电路，这样与传统的控制系统相比就大大的减小了体积、质量，功耗也就减小。2 总体设计思想前进后退.2.1小车运行工位示意图.2.2 计时设计方案在本设计中会用到对小车进行20秒的停留时间计时，该计时是利用s7-200PLC的内部定时器进行定时的。在对程序的编写时，将软件中的具有接通延时功能作用的通电延时定时器编入程序，程序在执行时就会控制PLC的内部定时器进行定时，这样就解决了小车的停留问题。.2.3 小车往返设计方案运料小车在规定的工位上进行工作时，会有前进和后退的循环位移移动，这就需要我们用一定的器械来进行控制，完成它的规定动作达到预期的工作效果。本设计就是利用带动运料小车运动的电机来完成的，小车使用三相异步电动机。我们正好抓住此类电机的一个操控特点电机的正反转，使小车完成了它的前进后退上料下料的循环动作。.2.4 下料设计方案运料小车在到达A地下料时，要有一个像开关一样的控制器，来完成小车底门的打开与关闭，在这个设计中我们采用了结构相对比较简单的电磁铁来控制。电磁铁可以分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型，按照模拟的需要本设计使用直流电磁铁对运料小车的底门进行开关控制，当电磁铁通电时小车底门处于关闭的状态，当电磁铁失电时小车的底门被打开，运料小车就进行下料的动作。2.5测重设计方案 运料小车在B、C两地上料时，都有可能在上料后小车被装满，所以为了这种现象出现后小车不会再继续装料，我在小车的内部就设计了称重传感器，这种传感器的应用会在小车装料达到标准重量时发出信号，信号就会传递给所编的程序，来进一步的处理（返回A地下料）。3 硬件结构及工作原理.3.1 电机的简介实现机械能与电能互相转换的旋转机械称为电机。把机械能转换为电能的电机称为发电机；把电能转换为机械能的电机称为电动机。电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电机分为静止电机和旋转电机。静止电机：变压器变压器是一种静止电机，应用电磁感应原理，可将一种电压的电能转换为另一种电压的电能（一般是交流电）。从电力的生产、输送、分配到各用电户，采用着各式各样的变压器。首先，从电力系统来讲，变压器就是一种主要设备。我们知道，要将大功率的电能输送到很远的地方去，再用较低的电压即相应的大电流来传输是不可能的。这是由于：一方面，大电流将在输电线上引起大的功率损耗；另一方面，大电流还将在输电线上引起较大的电压降落，致使电能根本送不出去。为此，需要变压器来将发电机的端电压升高，相应的电流便可减小。旋转电机：电动机电动机按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机；按结构和工作原理可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机；按启动与运行方式分：电容启动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容启动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机；按用途分：驱动用电动机和制动用电动机。在本设计中主要应用了我们生活中常见的一种交流异步电动机，交流异步电动机是领先交流电压运行的电动机，广泛应用于电风扇、电冰箱、洗衣机、空调器、电吹风、吸尘器、电动缝纫机、食品加工机等家用电器及各种电动工具、小型机电设备中。交流电异步电动机分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为单相异步电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 电机的转速（转子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。.3.2 三相异步电动机的结构及原理 .3.2.1三相异步电动机的结构在此设计之中我们利用了交流异步电动机的三相异步电动机来带动小车，实现运料小车的前进与后退，使整个运料过程得到很好的运行。三相异步电动机的结构由两个基本部分组成：一是固定不动的部分，称为定子；二是旋转的部分，称为转子。1.定子定子由机座、定子铁心、定子绕组和端盖等组成。机座通常用铸铁制成，机座内装有由0.5mm厚的硅钢片叠成的筒形铁心，铁心内圆周上有许多均匀分布的槽，槽内嵌放三组绕组，绕组与铁心间有良好的绝缘。定子绕组是定子的电路部分，中小型电动机一般采用漆包线绕制，共分三组分布在定子铁心槽内，他们在定子内圆周空间的排列彼此相隔120，构成对称的三相绕组，三相绕组共有六个出线端，通常接在置于电动机外壳上的接线盒中，三个绕组的首端接头分别用U1、V1、W1表示，与其对应的末端接头分别U2、V2、W2表示。2.转子转子由转子铁心、转子绕组、转轴、风扇等组成。转子铁心为圆柱形，通常有定子铁心冲片冲下的内圆硅钢片叠成，压装在转轴上。转子铁心与定子铁心之间有微小的空气隙，他们组成了电动机的磁路，转子铁心外圆周上有许多均匀分布的槽，槽内安放转子绕组。.3.2.2三相异步电动机的工作原理三相异步电机是利用定子绕组中的三相交流电流所产生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用而产生转矩的。.3.3 三相笼型异步电动机的正反转控制根据本设计的设计要求采用三相笼型异步电动机，控制运料小车的前进和后退以实现上料和下料之间的距离变动。在三相异步电动机的控制中接触器互锁电机的正反转就很好的满足了这种要求，下面我们介绍一下接触器互锁的正反转控制电路。图3.1 接触器互锁的正反转控制电路在图3.1中，KMF为正转接触器，KMR为反转接触器，SBF为正转按钮，SBR为反转按钮。正转接触器KMF的三对主触头把电动机按相序L1U1、L2V1、L3W1与电源相接；反转接触器KMR的三对主触头把电动机按相序L3U1、L2V1、L3W1与电源相接。因此，当按下正转按钮SBF时，KMF接通并自锁，电动机正转；如果按下反转按钮KMR，则KMR接通并自锁，电动机反转。当按下停止按钮SBstp时，接触器释放，电动机停止转动。在此电路控制中KMF和KMR的主触头是不允许同时闭合的，否则会相间短路。因此就要求在各自的控制电路中串接入对方的辅助动分触头。当正转接触器KMF线圈通电时，其动分触头断开，即使按下SBR也不能使KMR线圈通电；同理，当KMR线圈通电时，其动分触头断开，也不能使KMF线圈通电。这种分别用接触器触头封锁主对方的控制电路，被称为“互锁”。在电路之中加入互锁能够避免两个接触器同时通电，从而就防止了相间短路事故的发生。 在本设计中电动机的触点控制就是用PLC来控制的，利用PLC装置来控制电动机的正反转触点的接通与断开，从而使运料小车能够在下料地与上料地之间运动，来完成小车的使用目的：节省人力或在不适合工人工作的环境下工作。.3.4电磁铁的原理电磁铁是通电产生电磁的一种装置。在生活生产中应用的十分广泛，比如在物体的搬运中对重物的叼运，电磁开关等。这种装置可以通过控制其电流的有无来控制其磁性，在一定的条件下有电流通过时就会产生磁性，当切断电流时磁性就会消失。本设计中就是利用电磁铁的这种原理，在运料小车的底部设置一个电磁铁底门控制，用得电失电来控制底门的开合完成小车的上料与下料。.3.5称重传感器与接线称重传感器是将重量转换为电流数据的器件。称重传感器的输出电流是非标准的电压或电流信号，所以称重传感器后接变送器将测量的数据转换为标准电压或电流信号。再经过AD转换模块连接到PLC。EXC+和EXC-是给称重传感器供电的，但是由于称重模块和传感器之间的线路损耗，实际上传感器接收到的电压会小于供电电压。每个称重传感器都有一个mV/V的特性，它输出的mV信号与接收到的电压密切相关，SENS+和SENS-实际上是称重模块内的一个高阻抗回路，可以将称重模块实际接收到的电压反馈给称重模块。假设EXC+和EXC-为10V,线路损耗0.5V，传感器 2mV/V，实际上传感器输出最大信号为(10-0.5)*2=19mV，而不是 20mV。此时称重模块内部就会把19mV作为最大量程，前提是传感器必须通过反馈回路把实际电压反馈给称重模块。在称重模块上将EXC+与SENS+短接，EXC-与SENS-短接，仅限于传感器与称重模块距离较近，电压损耗非常小的场合，否则测量存在误差。本设计中的称重传感器可以采用与变送器采用四线接线方式如图3.2图3.2称重传感器接线图.3.6 PLC的选型和I/O 接线本设计中plc的型号选用的是西门子S7200CPU224XPCN,此型号CPU采用交流供电，直流数字量输入，数字量输出点是继电器触点的类型（即AC/DC/Relay），共14点输入，10点继电器输出。表3.3给出了PLC的I/O信息表，I/O接线原理图如图3.4所示。表3.3 PLC的I/O信息表输 入序 号元 件PLC输入点信息名称说 明1SB1I0.0启动2SB2I0.1停止3SQ1I1.0限位开关14SQ2I1.1限位开关25SQ3I1.2限位开关36B1I1.3重量检测=1合；=0开输出序号元件PLC输出点信息名称说明1KM1Q0.0电机正传前进2KM2Q0.1电机反转后退3YVQ0.2电磁铁=1开；=0合图3.4 PLC接线原理图4 PLC编程.4.1 S7-200可编程控制器S7-200是众多可编程控制器中的一个，它是由西门子自动化与驱动集团开发、生产的小型模块化PLC系统，S7-200除了能够进行传统的继电逻辑控制、计数和计时控制，还能进行复杂的数学运算、处理模拟量信号，并可支持多种协议和形式的数据通信。一个实际的S7-200控制系统可有多个模块化的组件和设备组成。西门子自动化与驱动集团能够提供使用于s7-200系统的全套系列产品以及满足各种控制任务的解决方案。本设计就是以西门子S7-200来进行编程操控的。.4.2 S7-200系统基本构成S7-200是整体式结构的、具有很高的性级/价格比的小型号可编程控制器，可以根据输入/输出点数的多少，选择相应的CPU的主机。与其他的PLC一样，S7-200的系统基本组成也是由主机单元加编程器。在需要系统进行扩展时，系统的组成中还可以包括:数字量扩展单元模板、模拟量扩展单元模板、通信模板、网络设备等。S7-200整体式PLC系统的基本构成，如图4.1所示图4.1 S7-200 PLC系统的基本构成.4.3 S7200的工作方式S7-200 CPU的基本功能就是监视现场的输入信号，根据用户程序中编制的控制逻辑进行运算，把运算结果作为输出信号去控制现场的设备，使设备能够按照用户程序进行运行。在S7-200中，控制逻辑由用户程序实现，用户程序要下载到S7-200 CPU中执行，S7-200 CPU以循环扫描的方式完成包括执行用户程序在内的各项任务。这些任务每次执行一遍，CPU就经历了一个扫描周期，在一个扫描周期内一般包括五个阶段：自诊断、与编程器通信、读入现场信号、执行用户程序、输出结果。如图4.2所示的操作顺序。图4.2图4.2中RUN和STOP是S7-200的两种操作模式：运行模式和停止模式。在CPU前面板上的LED状态指示灯显示了它的运动模式，在停止模式下，S7-200不执行用户程序，这时可以下载程序数据等。在运行模式下，S7-200执行用户程序。.4.4 程序思路设计PLC程序采用模块化式程序编写，为每个功能编写相应的程序来完成一定的动作。本设计运料小车的程序编写，在上电时SM0.1可使程序进入初始步，此时小车处于停止位置，各工作状态都不动作。按下启动按钮后，程序开始执行S0.1步，运料小车前进，进入工作状态，动作如图4.3所示图4.3程序流程图程序控制功能图如下图4.4所示。图4.4运料小车的顺序功能图程序控制功能：本设计顺序控制设计方法是将运料小车的一个工作周期划分成八个顺序相连的阶段，也就是将其分为八步，然后用编程元件S来代表各步。其八步的控制动作如下：S0.0步是SM0.1上电激活一个周期有效时间内接通，即程序进入初始步，当按下启动按钮I0.0接通，程序进入S0.1步。S0.1步电动机进行正向转动(Q0.0)，则运料小车就会前进。当小车运行到A地限位开关1 I1.0就会接通，程序进入S0.2步。S0.2步T37开始进行20秒的定时延时，同时底门电磁铁Q0.2将底门打开开始下料,延时时间到时进入S0.3步。S0.3步电动机反向转动（Q0.1），同时运料小车后退，当倒退到B地使限位开关2 I1.1接通，就会进入S0.4步。S0.4步运料小车在B地进行20秒（T38）的定时，在定时的同时对小车进行上料动作，当定时时间到，小车又没有被装满（I1.3，=0）时程序进入S0.5步；当定时时间到，又检测到小车已装满(I1.3，=1)时则程序返回到S0.1步。S0.5步电动机进行反转（Q0.1），小车后退，当到C地时限位开关3 I1.2就会接通，程序进入S0.6步。S0.6步小车在C地20秒的定时（T39），同时上料。当定时时间到，小车没有装满则程序进入S0.7步，小车若被装满则进入S0.1步。S0.7步电动机进行正转（Q0.0），当小车前进到B地限位开关2I1.1接通时，程序进入S0.4步。在正常条件下启动后运料小车会自动的循环执行程序的运行，直至按下停止按钮，运料小车才停止工作。程序编写见附录5 系统程序调试运行画面在各种要求都完成了准备之后，就要对程序进行调试，看调试的结果能不能按照我们所要求设计的那样一步一步的进行操作，能否达到设计者的设计目的。在操作调试中我们分硬件和软件的调试。硬件的调试，我们把各种硬件的元器件按照需要进行安装组成，然后与所需设备进行连接保证软件编程的编写、下载、运行。来进一步的为软件的调试做好准备。软件调试，本人认为软件的调试较比硬件重要，这更需要我们的专心、细心，比如各参数的设置，程序编写的顺序关系等，下面我们看一下程序在软件中的运行步骤：将在计算机上编好的程序通过数据线下载到S7-200CPU内，当按下启动按钮程序开始执行（蓝色为运行色）。按下启动按钮时程序跳转到S0.1步。S0.1电动机正转电动机正转到A地，限位开关1自动接通程序跳转到S0.2步。S0.2步底门电磁铁失电下料同时定时当定时时间到时程序跳转到S0.3步。S0.3步电动机反转电动机反转到B地，限位开关2自动接通程序跳转到S0.4步。S0.4步小车在B地定时上料当定时时间到程序跳转到S0.1步或S0.5步。重量检测等于预设重量跳转到S0.1步重量检测小于预设重量跳转到S0.5步S0.5步电动机反转电动机反转到C地，限位开关3自动接通程序跳转到S0.6步。S0.6步小车在C地上料当定时时间到程序跳转到S0.1步或S0.7步。重量检测等于预设重量跳转到S0.1步重量检测小于预设重量跳转到S0.7步S0.7步电动机正转电动机正转到B地，限位开关2自动接通程序跳转到S0.4步，程序循环执行，直到按下停止按钮时程序停止。程序停止运行6 结 论经过一个多月的操作设计查阅有关资料后终于完成了本设计，本设计以要求自动运行为主，能适应在恶劣的环境下工作同时还能节省大量的人力。在设计中是以西门子S7-200PLC为核心进行编程控制运料小车，使plc与传感器及各种硬件相结合控制小车路线，设计完成后在s7-200试验台上进行程序实验成功。综合PLC的稳定性功能及本设计的要求，此设计适应在中小企业生产线中进行物料的运输。致 谢在我们即将毕业之际按