自动装车送料控制系统设计开题报告

自动送料装车控制系统设计 本科毕业设计（论文）开题报告题目：自动送料装车控制系统设计 的统的学生姓名学号教学院系电气信息学院专业年级电气工程及其自动化2008级指导教师职称讲师单位西南石油大学111 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（TimetoMarket）、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WindowsN。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。3 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PLC的I/O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1 I/O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。 图1 PLC端子接线图3.2.2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，检测电机正常图2 PLC控制系统设计流程图与否，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MCGS进行组态模拟和实时监控3.3.1MCGS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。图3 MCGS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4 MCGS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。3.32 MCGS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，查看当电动机出现故障时的系统运行和解决方案。4 预期结果1、按照任务要求完成方案比较、软件编写，软