基于Micro850 PLC的运煤小车电气控制系统.doc

毕业设计（论文）编号 基于micro850 plc的运煤小车电气控制系统系 部： 专 业: 班 级: 姓 名: 学 号: 指导老师: abstract摘 要随着我国社会科技的不断发展，工业现代化的进程也越来越快，作为工业现代化的核心技术与重要标志的电气自动化技术也逐渐受到众人的关注。依靠科技进步是电气自动化发展适应全面建设小康社会要求的必然选择，煤矿产业通过采用自动化技术，可以大大降低工人的劳动强度，提高测量检测的准确度和信息传输的实时性，为生产过程提供进一步的技术保障，并大幅度增强设备运转的安全性，有效避免安全事故的发生。文章阐述了电气自动化的现状及重要性，简单地介绍了电气自动化控制系统的现状，我们结合自己在校所学知识，设计一个简单而实用的运煤小车电气控制系统，进而满足工业现场中的实际应用。本次设计的目的是让plc控制运煤小车精确的来回运动，达到送煤物料的要求，使之能最大限度的满足被控对象的控制要求。本次设计选用罗克韦尔micro850plc和powerflex525交流变频器做交流电机的控制核心，用触摸屏来实现对交流电机的远程控制，以便做到使小车能够在我的控制意愿下实现自由来回的运动。本文详细介绍了该系统的组成、系统硬件设计和系统软件设计以及系统的工作原理。我们在实验室里进行模拟仿真实验。关键词：plc；交流电机；控制；触摸屏。i1abstractwith the development of social science and technology, industrial modernization process faster and faster, as the core technology of industrial modernization and an important indicator of electrical automation technology has gradually been everyones attention. rely on scientific and technological progress of electrical automation development is the inevitable choice of building a moderately prosperous society to adapt to the requirements of the coal industry through the use of automation technology, can greatly reduce labor intensity and improve the timeliness and accuracy of information transmission measurement detector for the production process to provide further technical support, equipment operation and significantly enhanced security, which can effectively prevent the occurrence of accidents.the article describes the current situation and the importance of electrical automation, simply describes the status of electrical automation control systems, we learned in school with their own knowledge, to design a simple and practical electric car coal control system, and thus meet the industrial field practical application. the purpose of the design is to make a precise plc control coal car back and forth motion, to send coal material requirements, so that it can maximize the meet the control requirements of the controlled object. the design and selection of rockwell micro850plc do powerflex525 ac drive ac motor control center, with a touch screen remote control of the ac motor to do so the car back and forth to achieve freedom of movement under the control of my will.this paper describes the system components, hardware design and software design and working principle of the system. we conducted simulation experiments in the laboratory.keywords: plc; ac motor; control; touch screen.i1目录目 录目 录1第1章 绪论11.1 引言11.2 设计目的1第2章 系统总体方案32.1 系统组成32.2系统结构框图42.3主电路接线图5第3章 系统硬件设计63.1 plc选型63.1.1 micro850 plc63.1.2 micro850 plc端子块83.2 变频器选型83.2.1 powerflex525变频器93.2.2 powerflex525变频器控制i/o接线图103.3 编码器、交流电机10第4章系统软件设计124.1系统流程图124.2 i/o表与plc接线图134.3程序介绍144.4软件参数设置14第5章 设计总结175.1 结论175.2不足之处及未来展望18参考文献19致 谢20附录a程序清单211河南机电高等专科学校毕业设计论文第1章 绪论1.1 引言煤矿自动控制系统是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并将成为现代生产系统中的一个重要组成部分。煤矿运煤小车担负着运输煤炭的重要任务，系统自动化程度的高低直接影响煤矿的产量和效益。运煤小车的运输速度和停车精度也直接影响煤矿的产量和生产安全，小车采用轨道形式运行，在轨道沿途的关键位置设置光电开关，从而达到为小车定位；通过编码器来确定小车的具体位置并将位置信息返回plc电路，从而达到即时监视和控制小车的目的。根据煤矿井下运输的实际情况及要求吸收同类产品的先进经验对原有系统进行自动化改造增加新功能。采用具有自动化水平更高的煤矿运输小车控制系统会给煤矿带来显著的经济效益和管理效益。1.2 设计目的煤矿工业生产过程中，要用各种自动化设备来监视和控制整个生产过程，使各个设备能够在工作过程中呈现出最佳状态，煤矿工业的电气化应该着重实现的是自动化。电气控制自动化行业在我国现代经济发展中占有关键地位，它的发展状况主导着经济发展的前景和方向，目前国内大部分企业中多采用以下几种运料方式：（1） 机械手加穿梭小车式自动化输送方案：该自动化输送系统也是自动冲压生产线中最常用的系统，它主要是由自动上料，和取料机械手以及穿梭下车组成。目前冲压车间里由不同厂商提供的各式自动化输送系统的都是基于该机构和原理进行设计制造的。一个取料机械手，带有中置并按工件形状排部的真空吸盘式端拾器：负责将工件从上一压机取出安放在穿梭下车上。一个穿梭小车：它负责将工件由取料机械手的放置位置移送到上料机械手的取料位置。一个带有中置端拾器的上料机械手：负责将工件由穿梭下车拾起送入到下一台压机。采用此种输送方案工件将通过机械手简单的“拾取和“摆放”动作由前一台压机输送到下一台轧机，其穿梭下车的主要功用是通过它的穿梭运动缩短取料和上料机械手的输送行程，从而提高整线的生产效率。其是优点可使用于多数大中小型企业。缺点是装置较复杂，物料的运送步骤繁多，增加了加工时间，操作不便。（2） 运用机械手进行送料方式：机械手与小车相连，然后通过钢索与滑块相连，滑块再连接重物，重物的上升和下降控制着小车的前进与后退。保证了操作人的安全，同时提高了生产效率。优点是可以进行连续生产，缺点是全部操作都需机械手，导致机械结构过多，机械故障多。（3） 新型的多机连线自动搬运送料：这种方案是由四台开式双电2500kn压力机驱动，生产线绝大多数零部件都已国产化，其送料精度及生产效率达到国外生产线的同等水平，成本较国外生产线低廉，占用空间少。优点是工作稳定高，步进电机控制，精度高，布矩一样大，消耗功耗低，所需电压也低。（4） 气缸传动，生产效率以及送料准确性都比较低，无法满足具体的生产需要，已经面临淘汰。综合以上分析，自动控制运料系统具有很好的发展前景，因此我们设计了基于micro850plc煤矿运煤小车电气控制系统，该系统的设计理念是根据煤矿运煤的现场需要而设计制造的，它具有十分贴近现场需求的特点，其设计目的是帮助企业最大程度地减少劳动力成本和强度，确保企业生产活动的顺利进行，大大地减少安全事故的发生，提高生产效率，保障生产设备的安全运行。本设计我们在实验室里进行了模拟仿真实验，下面详细的介绍一下该系统的组成、系统硬件设计和系统软件设计以及系统的工作原理。11第2章 系统总体方案2.1 系统组成工业以太网作为一种新的工业控制系统，已将在许多工业领域得到了越来越广泛的应用，在技术方面也逐渐趋于稳定和成熟。目前工业以太网控制系统已经成功应用到矿井下，并且大大提高了矿井通信网络的速率，减小通信线路和设备的维护量，将矿井通信系统的理论和技术水平提高了一个新的层次。本次系统所选用的plc是罗克韦尔公司的micro850 可编程序控制器和powerflex525交流变频器都配置了ethernet/ip端口能和工业以太网控制系统实现通信，使矿井控制系统更完善。系统模拟示意图如下图所示，计算机、控制器plc、变频器和被控对象（小车）通过路由器（或交换机）连接成一个以太网网络系统，与矿井工业以太网控制系统实现通信连接，使控制更加准确、快速、稳定性更高。系统模拟实物图如下图所示。图2-1 系统实物图煤矿运煤小车的运动控制要求如下：（1） 按下启动按钮，系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作，按下复位按钮，小车回到初始位置。（2） 当小车启动之后，首先匀加速达到设定的速度，再匀速运动，接近要停止的位置光电开关时，匀减速停止。（3） 小车停留设定时间到达后，小车自动启动，往下一个位置移动。（4） 小车走到最后一个停车位置并达到设定时间是，小车快速返回初始位置，等待下一次的启动信号。2.2系统结构框图控制系统的结构框图是由具有一定函数关系的若干方框组成，按照系统中各环节之间的联系，将各方框连接起来，并标明信号传递方向的一种图形。在结构图中，方框的一端为相应环节的输入信号，另一端为输出信号，信号传递方向用箭头表示，方框中的函数关系即为相应环节的传递函数。结构框图能简单明了地表达系统的组成、各环节的功能和信号的流向，它既是一种描述系统各元部件之间信号传递关系的图形，也是系统数学模型结构的图解表示，更是求取复杂系统传递函数的有效工具。该系统结构框图（图2-2）清晰的展现了系统是由计算器对plc进行上传、下载程序，plc通过计算和外部的信号对变频器发出控制指令，改变变频器的输出频率、加减速时间等变量使电机在我的控制意愿下带动控制对象（小车）自由来回的运动；电机旋转带动旋转编码器，旋转编码器通过plc的高速输入端子反馈给plc，形成一个闭环系统。图2-2系统结构框图2.3主电路接线图图2-3系统主电路接线图第3章 系统硬件设计3.1 plc选型 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器programmable logic controller（plc）取代传统继电器控制装置以来，plc得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，plc的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，plc在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的plc不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。3.1.1 micro850 plc基于煤矿环境恶劣，选用罗克韦尔公司的micro850 可编程序控制器，micro850 控制器都是具有嵌入式输入和输出的经济型集成式控制器。根据控制器类型，它可以容纳 2 到 5 个功能性插件模块。micro850 控制器，可以使用任何标准 rj-45 以太网电缆通过10/100 base-t 端口 (带嵌入式绿色和黄色 led 指示灯) 与以太网相连。led 指示灯用于指示发送和接收状态。micro850 控制具有可扩展特性，能额外支持四个扩展 i/o 模块。该系列的plc可靠性强，配置灵活，具有良好的环境适应性和抗干扰能力。图3-1 micro850 48点控制器实物图图3-2 micro850 48点控制器和指示灯表3-1 micro850 48点控制器说明序号描述序号描述1状态指示灯9扩展i/o插槽盖2可选电源插槽10din导轨安装锁销3功能性插件锁销11模式开关4功能性插件螺丝孔12b型连接器usb端口540针高速插件连接器13rs232/rs485非隔离复用串行端口6可拆卸i/o端子块14rj-45ethernet/ip连接器（带嵌入式黄色和绿色led指示灯）7右侧盖15可选交流电源8安装螺丝孔/安装支架表3-2 micro850 48点控制器状态指示灯说明序号描述序号描述16输入状态21故障状态17模块状态22强制状态18网络状态23串行通信状态19电源状态24输出状态20运行状态3.1.2 micro850 plc端子块micro850 48点qwb plc只有高速输入，没有高速输出，其中输入端i-00，i-01，i-02，i-03，i-04，i-05，i-06，i-07,i-8,i-09,i-10,i-11都是高速输入端子，编码器输出的高速脉冲通过plc高速输入端传给plc，plc通过计算，控制小车动作和小车的位置。端子块如下图所示，黑圈的为高速输入端。图3-3 micro850 48点控制器输入、输出端子3.2 变频器选型 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后电力电子器件经历了scr(晶闸管)、gto(门极可关断晶闸管)、bjt(双极型功率晶体管)、mosfet(金属氧化物场效应管)、sit(静电感应晶体管)、sith(静电感应晶闸管)、mgt(mos控制晶体管)、mct(mos控制晶闸管)、igbt(绝缘栅双极型晶管)hvigbt(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始脉宽调制变压变频(pwmvvvf)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代作为变频技术核心的pwm模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣并得出诸多优化模式其中以鞍形波pwm模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始美、日、德、英等发达国家的vvvf变频器已投入市场并获得了广泛应用。基于煤矿环境恶劣，我们选用allen-bradley powerflex 525 交流变频器，安装灵活、体积小巧以及耐高温使 powerflex 525交流变频器能够满足用户对灵活性的要求，同时又能节省空间。添加附件卡不会影响变频器的体积。可帮助用户简化设备的设计与运行，提升安装与配置的速度，具有嵌入式 ethernet/ip、安全、usb 编程以及节能等特性，并可搭配众多电机控制选件，是设备级独立应用或简单系统集成的理想选择。安装这些变频器时，只需在其顶部和底部预留 50mm (1.96 in) 的间隙，可节省额外的面板空间。要获得更高的灵活性，可以垂直安装、水平安装变频器，而且两个方向上都可以并排安装。水平安装时需要控制模块风扇套件。3.2.1 powerflex525变频器交流变频器配置了嵌入式dsi端口，支持多台变频器联网，一个节点上可连接五台powerflex交流变频器；还配置了ethernet/ip端口，支持无缝集成到logix环境和ethernet/ip网络。powerflex525交流变频器非常适合需要更多电机控制选项，嵌入式ethernet/ip节能和标准安全功能的联网应用，将powerflex525交流变频器和ethernet/ip相结合时，可以无缝集成到系统架构中并可通过单一软件工具进行标准化。 图3-4 powerflex 525实物图3.2.2 powerflex525变频器控制i/o接线图 图3-5 powerflex 525控制i/o接线图3.3 编码器、交流电机增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a、b和z相；a、b两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。由下图可知，在b相脉冲的上升沿，正转和反转时a相脉冲的电平高低刚好相反，因此使用ab相编码器，plc可以很容易地识别出转轴旋转的方向。图2-2 编码器正反转示意图本系统中采用的是增量式ab相旋转编码器，编码器的ab相分别接在plc的高速输入端子i-06、i-07。系统中采用了四个u型光电开关，以便于确定小车的停车位置。光电开关接在plc的i-08、i-09 、i-10、i-11等输入端，系统中为了避免小车跑出轨道，在轨道两端设计了两个极限开关，保护小车避免发生意外。该编码器采用的精确度非常高的光电编码器，利用它可以精确的定位小车的位置，再利用计数器对脉冲进行计数，然后可以在标度尺上看到小车运行的实际距离，再通过光电编码器的输出端子将信号传送给plc，plc将信号进一步处理，可以显示在显示屏上，编码器和plc接线端子的作用是实现编码器和plc之间的通信和数据交换。该系统选用的是三相交流电机，三相交流电机是交流驱动系统的主要组成部分，其工作原理是将三相交流电输送给定子绕组，产生旋磁场，感应闭合的转子绕组，从而产生电流，转子在电磁力的作用下顺着旋转磁场的转动方向旋转。第4章系统软件设计4.1系统流程图系统流程图是人们对解决问题的方法、思路或算法的一种较为简明的描述，他能更加直接的阐述该系统的工作流程和工作的先后顺序，它描述了计算机系统事务处理中从获取数据输入开始到获得输出为止，各个处理工序的逻辑过程。该系统开始工作是由外部开关给定信号，通过plc设置小车在一号、二号、三号、四号位置分别停留是时间，小车接受启动信号，开始运动，当小车接近一号位置时开始减速，最后停在一号位置，停留时间到了之后再次启动，往二号位置运动，当小车接近二号位置时开始减速，最后停在二号位置，依次往后运动，当小车到达四号位子并停留时间到了之后，快速返回到初始位置，准备再次启动，依次往复运动。该流程图如下图（图4-1）所示。图4-1 系统流程图4.2 i/o表与plc接线图表4-1 plc输入信号线与元器件对应关系表输入信号线序号(自左到右)对应元器件备 注1启动i-002停止i-013复位i-024编码器a相输入i-035编码器b相输入i-046小车一号位置光电传感器i-057小车二号位置光电传感器i-068小车三号位置光电传感器i-079小车四号位置光电传感器i-0810小车导轨左限位i-0911小车导轨右限位i-10根据控制要求，运煤小车的plc控制接线图如下图所示（图4-2），i-00接到启动按钮，i-01为停止按钮，i-02为复位按钮，i-03、i-04分别为编码器的a、b两端输入，i-05、i-06、i-07、i-08分别为小车在导轨上停留处的四个光电开关，i-09、i-10分别为小车导轨两端的左右限位开关。图4-2 plc接线图4.3程序介绍初始化子程序是小车在开始运动前的准备，上电之后执行初始化子程序，到小车的规定位置，准备开始工作。本设计小车的初始化位置在编码器计数为0的位置。程序运用顺序控制思想，来给变频器送加减速时间、运动频率等参数，上电之后小车回到初始位置。程序见-附录1初始化子程序。变频器与plc通信利用定义的一个通信功能块，如下图所示。该功能块主要参数设置有，plc的ip地址，通信检错时间，启动信号，停止信号，正转信号，反转信号，手动操作，频率设置，加减速时间设置；输出频率显示等等。程序见附录1。图4-3 变频器通信功能块4.4软件参数设置变频器的参数设定在调试过程中是十分重要的。由于参数设定不当，不能满足生产的需要，导致起动、制动的失败，或工作时常跳闸，严重时会烧毁功率模块igbt或整流桥等器件。变频器的品种不同，参数量亦不同。一般单一功能控制的变频器约5060个参数值，多功能控制的变频器有200个以上的参数。不是把全部的参数重新调整，而是大多数可不变动，只要按出厂值就可，只要把使用时原出厂值不合适的予以重新设定就可，如基底频率、最高频率、上限频率、下限频率、启动时间、制动时间(及方式)、热电子保护、过流保护、载波频率、失速保护和过压保护等是必须要调整的；电机的额定电压、额定电流、额定功率、额定转速等都要进行调整。当运转不合适时，再调整其他参数。 图4-4 变频器部分参数设置该系统的软件中用都了高速计数器，编程软件ccw中的高速计数器分为两部分，高速计数部分和用户接口部分。用户接口部分由衣蛾中断机制驱动，用于在高速计数器达到设定条件时驱动执行指定的用户中断程序。高速计数部分中hscid、hscmode、hpsetting、lpsetting、ofsetting、ufsetting6个参数必须设置，否则将会提示hsc配置信息错误。上溢值最大为+2，147，483，647，下溢值最小为-2，147，483，647。预设值大小须对应，即高预设置不能比上溢值大，低预设值不能比下溢值小。当hsc计数值达到上溢值时，会将计数值置为下溢值继续计数，达到下溢值是，类似。hsc部分参数设置如下图所示。 图4-5软件部分参数设置第5章 设计总结5.1 结论随着毕业的日子临近，毕业设计也随着接近了尾声，经过一个月的奋战，我们组的毕业设计终于完成了。我们几个组员们在老师的指导下，对此课题进行了思考和探究，这次的毕业设计相对于以前的课程设计，多了很多思考，也锻炼了我的组织能力和对一些知识的深刻认识，使我受益匪浅。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计，使我明白了自己原来的知识比较欠缺，自己要学习的东西还很多。以前老是觉得自己什么都懂了，有点眼高手低的感觉。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个不断积累的过程，我以前所懂的都只是停留在表面，并让我知道，在以后的工作和生活中都应该不断的学习，努力的充实自己的大脑。在设计中用到了光电编码技术，平时的课本中找不到一点点得相关资料，通过老师提供的资以及网上和图书馆收集的资料，让我们了解了光电编码器的原理，控制对象，控制方式，应用范围等。让我们从中又学到了一些书本中学不到的知识，这些都告诉我们要注重理论和实践的结合。这次毕业设计要求设计煤矿运煤小车电气自动控制系统，自行设计对于我们来说是非常困难的，只能借助以前学姐、学长们完成的作品，并且在此基础上近一步突破，这对于我们来说是一种挑战，同时也是一种考验，于是本次设计过程中需要按照设计步骤的要求来进行，从而进一步掌握设计操作流程，使自己达到学习并掌握知识的目的。通过这次毕业设计实践，让我对变频器及plc控制器的工作原理和使用方法也有了更深层次的理解。在理论的运用中，提高了我的工程素质，特别是通过解决一个个在调试中出现的问题，使我们对变频器的理解得到了进一步的加强，同时也看到了实践和理论的差距。通过合作，使我们的合作意识得到加强，合作能力得到提高。大家各尽其力，提出自己的见解，为解决一个个设计中遇到的问题而努力着。在设计过程中，我们也得到了老师的帮助和大力指导，才使设计能够按时完成。在这要特别感谢田老师的辛苦帮助，您辛苦啦！在学习的过程中，不是每一个问题都能自行解决的，和老师或同学讨论也是一个很好的办法。所以在以后的学习中，我要更加的努力学习知识，不断完善和补充自己的不足，提高自身能力。5.2不足之处及未来展望在这次毕业设计中，我们只是完成了小车比较简单的自动往返控制，对于较复杂的运动，目前还没有实现。我们是在实验室进行了模拟实验，但是实验室跟实际现场还是有很大差别的，我们还应该到煤矿现场实地考察考察，对有些数据还要进行实地的参数配置，以确保系统更加稳定，这次毕业设计让我也发现到了自己的缺点和不足，自己的思维方式有待提高，要换个方式去思考问题，动手能力也不是特别强，需要向其他同学积极学习，不断提高自己的动手能力。而且还需要更加积极的融入到这个团队中，为团队的发展和成长贡献自己应有的力量。这样不仅增进了我们同学之间的关系，也使我从他们身上学会了很多东西。在设计过程中总会出现这样那样的问题，而我又解决不了时，我总会请教其他同学，他们也都会给我耐心的解答。有些问题拿捏不准时，我们也会互相商量，积极地参与讨论，是问题逐渐的明了化。同学们的关系也在这次设计中更加的亲近，彼此之间的友谊也是更近一步。随着我国经济的不断发展，现代化工业的不断发展使电气自动化技术方面的人才市场有着相当大的潜力。尤其是广东等沿海地区，自动化生产技术不断提高，自动化产品不断普及，智能楼宇和智能家居的应用，智能交通的不断发展，为电气自动化技术专业提供了广阔的发展前景。电气自动化专业是电气信息领域的一门新兴学科，触角伸向各行各业，小到一个开关的设计，大到宇航飞机的研究，都有它的身影。由于和人们的日常生活以及工业生产密切相关，发展非常迅速，现在技术也相对比较成熟，电气自动控制技术也是现代高新技术产业的重要组成部分，智能控制电器及电气控制设备、自动控制系统及生产线广泛应用于工业、农业、国防等领域，在国民经济中其着举足轻重的作用。我国的工业自动化发展较快，与国际先进水平的差距正在不断缩小，工业自动化科技体系已初步形成，拥有一支从事工业自动化基础科学研究、应用研究、产品研制和工程产业化开发的科技队伍。但是，在工业自动化科技领域普遍存在着实用性差、转化率低的情况。故我们要认识到现状，不断提高自身能力，为工业自动化的发展贡献出