自动装车送料控制系统设计-开题报告

本科毕业设计（论文）开题报告本科毕业设计（论文）开题报告 题目：题目：自动送料装车控制系统设计自动送料装车控制系统设计 的统的的统的 学生姓名学生姓名学学号号 教学院系教学院系电气信息学院电气信息学院 专业年级专业年级电气工程及其自动化电气工程及其自动化 2008 级级 指导教师指导教师职职称称讲师讲师 单单位位西南石油大学西南石油大学 自动送料装车控制系统 1 1 自动送料装车控制系统研究的目的、意义自动送料装车控制系统研究的目的、意义 1.1 研究目的与意义研究目的与意义 设计的是某工厂自动送料车的模拟系统，硬件设置可利用 FX2N 系列 PLC 实验 装置构成，用一台微机作为上位机对其进行实时监控和动态模拟，微机与 PLC 通过 RS232、RS485 接口连接并实现其通信，也可以通过单片机作为控制核心，完成控制 系统。 研究意义：随着社会的不断进步与发展，2l 世纪正是我国全面地实现信息化、工 业化和高科技化的崭新时代。自动化、信息化、智能化和数字化的方式将会在社会的 各个城市领域得到广泛地关注和普及。 至此， 将会给我们带来生产效率的大幅度提高， 以及社会发展的稳定与进步。 工业自动化是现代先进工业科学的核心技术，是工业现 代化的物质基石，是工业现代化的重要标志。当前，不断研究和探讨我国工业电气自 动化的发展和战略目标，有着极其深远的现实意义和时代意义。 1.2 研究现状研究现状 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动作，并 按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集，推动工业的发展 向自动化方向发展1。 1）以工业 PC 为基础的低成本工业控制自动化将成为主流 从 20 世纪 60 年代开始，西方国家就依靠技术进步（即新设备、新工艺以及计算 机应用）开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展；20 世纪末世界上最大的 变化就是全球市场的形成。 全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加快新产品投 放市场时间（Time to Market） 、改善质量（Quality） 、降低成本（Cost）以及完善服务 体系（Service） ；20 世纪 90 年代以来，由于 PC-based 的工业计算机（简称工业 PC） 的发展，以工业 PC、I/O 装置、监控装置、控制网络组成的 PC-based 的自动化系统 得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径；几年前，当“软 PLC”出现 时，业界曾认为工业 PC 将会取代 PLC。然而，时至今日工业 PC 并没有代替 PLC， 主要有两个原因：一个是系统集成原因；另一个是软件操作系统 Windows N。 2）PLC 在向微型化、网络化、PC 化和开放性方向发展 长期以来， PLC 始终处于工业控制自动化领域的主战场， 为各种各样的自动化控 西南石油大学本科毕业设计开题报告 2 制设备提供非常可靠的控制方案，与 DCS 和工业 PC 形成了三足鼎立之势。同时， PLC 也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业 PC 所带来的冲击；目前，全世 界 PLC 生产厂家约 200 家，生产 300 多种产品。国内 PLC 市场仍以国外产品为主， 如 Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE 的产品。经过多年的发展，国内 PLC 生产厂家约有三十家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说 PLC 在我国尚未形成制造产业化。在 PLC 应用方面，我国是很活跃的，应用的行业 也很广，微型化、网络化、PC 化和开放性是 PLC 未来发展的主要方向。 3）微型化、网络化、PC 化和开放性是 PLC 未来发展的主要方向 集散控制系统 DCS（Distributed Control System）问世于 1975 年，生产厂家主要 集中在美、日、德等国。我国从 70 年代中后期起，首先由大型进口设备成套中引入 国外的 DCS，首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。当时，我国主要行业（如电力、 石化、建材和冶金等）的 DCS 基本全部进口。80 年代初期在引进、消化和吸收的 同时，开始了研制国产化 DCS 的技术攻关。 4）工业控制软件正向先进控制方向发展 自 20 世纪 80 年代初期诞生至今，工业控制软件已有 20 年的发展历史。工业控 制软件作为一种应用软件，是随着 PC 机的兴起而不断发展的。工业控制软件主要包 括人机界面软件（HMI） ，基于 PC 的控制软件以及生产管理软件等。目前，我国已 开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、过程优化控制软 件等成套应用软件，工程化、产品化有了一定突破，打破了国外同类应用软件的垄断 格局。 2 自动送料装车控制系统设计任务概况自动送料装车控制系统设计任务概况 基于工程实际的条件设计一个自动装车送料系统，其具体要求如下： 当红灯灭，绿灯亮，表示允许汽车开进装料，料斗 K2，3 节传送带的电机分别 是 M1、M2、M3 均处于关闭状态， ，当汽车到达指定位置后，首先检测 3 条送料皮 带是否可以正常启动，启动时 1）先启动最后一条皮带，经过 5S 后，再依次启动其 他的皮带机。2）当皮带进料满以后，停止时应先停止最前面一条皮带机，5S 后，再 依次停止其他皮带机。3）当皮带机发生故障时，该皮带机及前面的皮带机停止，而 该皮带机以后的皮带机待运完后才停止。汽车进料满以后，L2 亮，L1 灭，表示汽车 可以开走，同时下一辆汽车可以开进来进料。 最终可以运用 PLC 控制其流程并通过试验台进行演示模拟。 自动送料装车控制系统设计 3 3 主要研究内容及研究方法主要研究内容及研究方法 3.1 运料小车控制系统的控制方案选择运料小车控制系统的控制方案选择 实现小车送料系统控制有很多方法来实现，可以用单片机、可编程控制器 PLC 等元器件来实现，下面对于单片机和可编程控制器的特点比较。 3.1.1 可编程控制器特点可编程控制器特点 可编程控制器是继电器和计算机控制的基础上开发的产品， 逐渐发展成以微处理 器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业化自动控制装 置；是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的，它采用可编 程序的存储器，是用在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算 等操作的指令， 并通过数字、 模拟的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程2。 可编程控制器主要由以下优点：1）可靠性高，抗干扰能力强；2） 配套齐全， 功能完善，适用性强；3）易学易用，深受工程技术人员欢迎 4）系统的设计、建造 工作量小，维护方便，容易改造 5）体积小，重量轻，能耗低。 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。 3.1.2 单片机的特点单片机的特点 单片机是一种集成在电路芯片， 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能 力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、 定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统3。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域， 几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪 迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业 自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安 全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等， 这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各 种智能机械了，因此，单片机的学习、开发与应用将将造就一批计算机应用与智能化 西南石油大学本科毕业设计开题报告 4 控制的科学家、工程师。 单片机具有体积小、 功耗低、 控制功能强、 扩展灵活、 微型化和使用方便等优点， 广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿 度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采 用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电 路更加强大；但是单片机对环境要求较高，不适合在恶略环境下工作。 单片机主要应用于测试和控制领域，在国际上，多把单片机称为微控制器。 3.1.3 方案确定方案确定 单片机控制系统电路中需要加入 A/D，D/A 转换器，线路复杂，还要分配大量的 中断口地址。而且单片机控制电路易受外界环境的干扰，也具有不稳定性。另外控制 程序需要具有一定编程能力的人才能编译出，在维修时也需要高技术的人员才能修 复，所以在此也不易用单片机来实现。 由于可编程控制器 PLC 具有很高的可靠性， 通常的平均无故障时间都在 30 万小 时以上；安装，操作和维护也较容易；编程简单，PLC 的基本指令不多，编程器使用 比较方便，程序设计和产品调试周期短，具有很好的经济效益。此外 PLC 内部定时、 计数资源丰富，可以方便地实现对送料小车的控制。 比较单片机和可编程控制器的特点得到如下结论： 1）因为体积小而且廉价所以单片机方案适合大批量重复生产的民用消费品。 特别是仪器仪表以及小型控制系统。 2 ）PLC 比单片机更适合于工作母机控制和工业过程控制。 3）对于单项工程或者重复数极少的项目，采用 PLC 方案是明智、快捷的途径， 成功率高、可靠性好。但成本较高。 4 ）对于量大的配套项目采用单片机系统具有成本低、效益高的优点但这要 有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。 5 在单片机方案和 PLC 方案都适用的前提下若控制系统对于稳定性和抗干扰 性要求很高，即使设计成本较高也应采用 PLC 方案。 因此，最终我选择了用可编程控制器 PLC 来实现送料小车系统的控制，完成本 次的设计题目。 3.2 控制装置硬件构成及连接控制装置硬件构成及连接 上一节的定性分析使我们确定了自动送料装车控制系统的最佳方案， 综合比较在 自动送料装车控制系统设计 5 工厂环境下使用可编程控制器对其控制要优于使用单片机进行控制， 下面我们将针对 自动送料装车控制系统的控制方案进行设计， 并建立其相应的硬件结构和动态分析模 型。 3.2.1 控制系统控制系统 PLC 的的 I/O 分配表分配表 根据控制要求，PLC 控制送料小车的输入输出(I0)地址编排如下表所示，其中 SB0 为启动开关，为 SB1 停止开关，在电动机出现报警信号时直接按下 SB1 停止按 钮，系统进入检修状态，待检修完毕，再按下 SB0 重新启动。 绿灯表示允许汽车驶入，红灯表示禁止驶入；L1表示汽车到位，开始装料；L2 表示装料结束；Q1、Q2、Q3 亮分别表示 M1、M2、M3 出现故障；S 用于在电机出 现故障时的报警；K2 打开关闭进料阀打开关闭。 表表 1 1I/OI/O 分配表分配表 输入点分配输出点分配 输入开关名称输入接点驱动设备输出接点 系统启动开关 SB0X0红灯 L3Y0 系统停止开关 SB1X1绿灯 L4Y1 称重开关 SB2X2指示灯 L1Y2 前限位开关 SQ1X3指示灯 L2Y3 后限位开关 SQ2X4报警灯 Q1Y4 前限位开关 SQ3X5报警灯 Q2Y5 电机启动开关 M1X6报警灯 Q3Y6 电机启动开关 M2X7警报器 SY7 电机启动开关 M3X8进料阀 K2Y8 由 I/O 分配表可以看出对于自动装车控制系统的设计中输入点有 9 个， 输出点有 9 个。因此初步选择三菱公司的 FX2N48MR 系列的 PLC 装置。 3.2.2PLC 端子接线图端子接线图 上一节我们对自动送料装车控制系统的输入输出点进行了简单的归纳， 并对其进 行了端子分配， 下面我们将针对上一节的端子地址分配给出相应的端子接线图，如图 1 所示，其中 SB0、SB1SB2、SQ1SQ2、SQ3 为点动式的机械开关。而 M1、M2、 M3 是由继电器控制的开关，S 为继电器控制的报警器。 西南石油大学本科毕业设计开题报告 6 L3 L4 L1 L2 Q1 Q2 Q3 S K2 24v 24v AV220V SB0 SB1 SB2 SQ1 SQ2 SQ3 M1 M2 M3 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 COM Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 COM 系统启动开关 系统停止开关 称重开关 前限位开关 后限位开关 前限位开关SQ3 电机启动开关 电机启动开关 电机启动开关 +- -+ KM1 KM2 KM3 KM9 KM8 KM7 KM6 KM5 KM4 图图 1 1 PLCPLC 端子接线图端子接线图 3.2.2 控制系统设计流程图控制系统设计流程图 根据设计任务的要求，确定自动送料装车控制系统设计主要有以下几个步骤： （1）第一阶段汽车驶入 通过红灯 L3 和绿灯 L4 的指示状况判断是否有汽车正在进行装料，是否可以驶 入，若红灯亮表示里面有汽车正在装料需要继续等待，若绿灯亮表示可以进入，当进 入以后触动前限位开关 SQ1。 （2）第二阶段装料阶段 检测汽车的驶入是否到位。触动点动后限位开关 SQ2，则指示灯 L1 亮，若没有 到位则继续直到到位为止； 汽车到位以后检测电机状态的开关被驱动，检测电机正常 自动送料装车控制系统设计 7 红灯灭，绿灯亮，电动机O F F ，K 1 、K 2 灭 汽车开进 继续前行 是否到位 S Q 1 = O F F ，红灯亮，绿灯灭 到位S Q 2 = O N ，L 1 亮L 2 灭，延时5 S M 3 电机启动 开始 检测M 3 正常否 报警灯Q 1 亮 延时5 S ，M 2 电机启动 检测M 2 正常否报警灯Q 2 亮报警器S 启动 延时5 S ，M 1 电机启动 检测M 1 正常否 报警灯Q 3 K 2 打开 继续装料是否装满 S B = O F F ，K 2 关闭 M 1 停止 料满 延时5 S ，M 2 停止 延时5 S ，M 3 停止，L 1 灭L 2 亮 汽车开走，S Q 2 、S B 2 断开、S Q 3 闭合 Y N Y Y Y Y N N N N 图图 2 2PLCPLC 控制系统设计流程图控制系统设计流程图 西南石油大学本科毕业设计开题报告 8 与否，若不正常直接启动报警信号以及相应的报警灯，并停止装料，若正常则开启进 料阀 K2，启动装料系统。 （3）第三阶段驶出阶段 利用称重装置检测汽车装料是否达到标准重量，若未达到标准则继续装料，当达 到标准以后关闭装料阀 K2，汽车驶出，点动开关后限位开关 SQ2 还原，到达前门时 触动前限位开关 SQ3，红灯亮，绿灯灭。 经过详细的规划和分析以后， 对自动送料装车控制系统设计数据分析以及从可靠 性等角度综合考虑，做出如图 2 的流程图。 3.3 利用利用 MCGS 进行组态模拟和实时监控进行组态模拟和实时监控 3.3.1MCGS 系统介绍系统介绍 MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于 Windows 平台的，用于 快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于 MicrosoftWindows 95/98/Me/NT/2000 等操作系统7。 MCGS 为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台， 能够完成现场数 据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和 报表输出以及企业监控网络等功能。使用 MCGS，用户无须具备计算机编程的知识， 就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业 水准的计算机监控系统的开发工作。 MCGS 具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点， 已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通 运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行， 系统稳定可靠。 3.3.2 MCGS 组态软件的系统构成组态软件的系统构成 MCGS 5.1 软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完 整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统6。运行环境则按照组态环境中 构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目 标和功能。 自动送料装车控制系统设计 9 图图 3 3 MCGSMCGS 运行方式运行方式 MCGS 组态软件（以下简称 MCGS）由“MCGS 组态环境”和“MCGS 运行环 境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。 图图 4 4 MCGSMCGS 运行体系运行体系 MCGS 组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序 McgsSet.exe 支 持，其存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中。用户在 MCGS 组态环境中完成动画 设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名 为.mcg 的工程文件，又称为组态结果数据库，其与 MCGS 运行环境一起，构成了用 户应用系统，统称为“工程”8。 MCGS 运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序 McgsRun.exe 支持， 其存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。 西南石油大学本科毕业设计开题报告 10 3.32 MCGS 设计自动送料装车控制系统过程设计自动送料装车控制系统过程 1）设计图形界面并建立动画连接 在组态主画面上创建自动运料装车控制系统实验仿真动画界面图 . 建立启动和 停止按钮, 并将各个控制信号及启动和停止按钮与所建立的相应变量关联, 进行动画 连接。 2）系统运行 启动组态主运行系统 ，运行自动运料装车的控制。将 PLC 与 MCGS 组态系统 结合起来, 观察自动运料装车系统的控制结果以及监控运行状况，查看当