生产线皮带运输机控制系统设计

密级： 学号： 本科生毕业（设计）论文生产线皮带运输机控制系统的设计 系 别： 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导老师： 完成日期： 学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的设计（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本设计（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文属于保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。不保密 。本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西蓝天学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 （请在以上相应方框内打“” ）学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日江西蓝天学院本科生毕业论文（设计） 摘要 生产线皮带运输机作为运输机的一种，在各大型公司应用得十分普遍，但传统的生产线皮带运输机控制系统的控制采用执行功能单一的单片机控制系统控制，当皮带运输机上面的产品需要多元化控制，例如随输送线前进指定的距离，然后后退指定的距离，对于这种多元化的控制，单片机系统与PLC控制系统相比，还是存在很多不足。PLC控制系统相对于单片机控制系统来，更加多地是体现在智能化控制方面，操作人员只需要按下一个功能按钮，就可以使通过PLC控制程序中的相应的功能一一实现，灵活，智能化是当今生产线皮带运输机控制系统迫切需要解决的问题。 本文研究的这个系统的控制是采用PLC的编程语言-梯形图,梯形语言是可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上增加了许多功能，指令清晰明白，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路，可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，性能好，能够在恶劣的生产环境中使用。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术等操作的指令，并采用数字式，模拟式的输入和输出，控制各种各样的机械或生产过程。关键词：生产线皮带运输机；PLC；功能；控制AbstractProduction line conveyor belt as a kind of transport, in the large company used very common, but traditional production line conveyor belt control system control the executive function of single chip control system control, when above the conveyor belt products need multiple control, such as with the conveyor line along a specified distance, and then back a specified distance, for such a wide range of control, compared to the single chip microcomputer system and PLC control system, there is still many problems. PLC control system compared with the one chip computer control system, more and more is reflected in intelligent control. The operator only need to press a button, you can make through the PLC control program in the corresponding function come true one by one, flexible, intelligent is todays production line of skin belt conveyor control system is an urgent need to solve problems. In this paper, we study the system of control is the use of PLC programming languages - ladder, the ladder language is of the programmable controller is the most widely used language, because it in the relay based on the increase in the number of functions and instructions clear, logical relationship clear and intuitive, programming easy, readability is strong, the realization of the function greatly exceeded that of the traditional relay control circuit, programmable controller is a digital computing operation of electronic systems, good performance, can use in the harsh environment. It uses programmable memory used in internal storage implementation of the logical, sequential control, timing, counting and arithmetic operations such as instruction, and using the digital, analog input and output, control all kinds of machinery or production process. 关键词：生产线皮带运输机；PLC；功能；控制Keywords: production line conveyor belt; PLC function; control; 目 录第1章 绪论1 1.1课题的来源与研究的目的和意义1 1.2本课题的研究内容 3 1.3 皮带运输机的结构4第2章 PLC控制系统简介6 2.1 PLC的概况9 2.2 PLC的特点10 2.3 PLC的应用11 2.4 PLC的工作原理11 第3章 生产线皮带运输机控制系统硬件的设计12 3.1 PLC的选型12 3.2 电动机的选型13 3.3 变频器的控制方式及分类13 3.4 变频器的选型14 3.5 主电路及控制电路设计15 3.5.1 主电路的设计15 3.5.2 控制电路的设计15 3.5.3 I/O分配表的设计17第4章 生产线皮带运输机控制系统软件的设计18 4.1系统工作流程图的设计19 4.2梯形图程序的设计20结 论21致 谢22参考文献23第一章 绪论 1.1 课题的来源与研究的目的和意义目前，输送带系统在工业的各个领域有着广泛的应用。其结构简单、运行平稳、运转可靠、能耗低、对环境污染小、便于集中控制和实现自动化、管理维护方便，在连续装载条件下可实现连续运输。对于输送带的控制，它的控制形式也多种多样，它可以由单片机，PLC，以及计算机来控制，以前都采用接触继电器控制系统。而接触继电器控制系统接线复杂、抗干扰能力差，易因接触不良而造成故障，而且功能扩展性差。PLC因其可靠性高、功能完善而越来越受到企业的青睐，传统的接触继电器控制系统已逐步为PLC所取代。本系统的控制是采用PLC的编程语言-梯形语言,梯形语言是在可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上增加了许多功能，指令清晰明白，使逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路，可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，性能好，能够在恶劣的生产环境中使用。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术等操作的指令，并采用数字式，模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。现代以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业，企业对自动化的需要。到了上世纪80年代，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，极大地推动了它的发展，使得它的功能日益增强。目前，在先进国家中，它已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有企业。由于它综合了计算机和自动化技术，因此它的发展节节攀升，大大超过其出现时的技术水平，它不但可以很容易的完成逻辑，顺序，定时，计数，数字运算，数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械的联系，从而实现从中的自动化控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展和网络时代的到来，扩展了它的功能，使其具有很强的网络通讯能力，从而更广泛的运用于各类行业。 本次拟采用PLC控制系统对生产线皮带运输机控制系统进行优化和改进，在原有的控制系统的基础上面，了解生产线皮带运输机的工作原理，从而运用PLC控制系统来对这些动作进行程序的实现，通过模块化的设计，使程序更加简练，操作也更加方便快捷。 1.2 本课题研究的内容 本次设计主要针对生产线皮带运输机控制系统进行设计，从生产线皮带运输机控制系统的整体方案出发，然后具体细化出具体内部结构，其具体内部结构主要包括以下几个方面： 1、查阅资料，撰写开题报告。 2、制定、比较并确定解决方案。 3、确定生产线皮带运输机控制系统的控制原理。 4、对控制元器件进行选型。 5、绘制控制系统的接线图、控制程序流程图。 6、编写控制程序并仿真调试。 7、整理并撰写毕业论文。 1.3 皮带运输机的结构 皮带运输机主要结构有：机架、皮带（或输送带）、机头滚筒、机尾滚筒、驱动装置、上下托轮、拉紧装置及清扫装置等组成。其具体结构图如下图1-1所示： 图1-1 皮带运输机具体结构图 第2章 PLC控制系统简介 本控制系统硬件设计由PLC控制系统硬件、触摸屏系统硬件以及其他辅助硬件设计组成，在设计中应考虑以下原则: 1.可靠性。在系统的设计中，要选择尽可靠的电气元件，虽然初期投资较多，但是考虑到可编程控制器的优越性能，后期维护较低，投资值得。 2.功能完善。在满足机床控制工艺要求的基础上，对系统尽量完善，提高安全性能。 3.经济性。在可靠性和功能方面保证的情况下，考虑经济性。 4.在保证前三条的基础上，考虑系统的先进性和可扩展性。2.1 PLC的概况 1969世界第一台PLC在美国数据设备公司诞生。1975-1976年,德国、日本、美国等将微处理器作为控制器的中央处理单元应用到PLC中，并且去掉磁心存储器改用了集成电路的存储器，结合了微型计算机的技术与电控制器技术，从而实现了可编程控制器的规模集成化，使得处理器更能适用工业环境，更加的可靠，功能也更加强大，更加的灵活，成本却大大下降，从而使得PLC进入了实用阶段。随着科技的不断进步，PLC的性能也飞速增强，其应用和研究现状主要在以下方面体现: 1.控制规模的扩大，控制大型机的规模越变越大，开关量高的达到了几万。 2.组成模块的增多，现在PLC己经新增了很多模块，如PDI控制、温度以及运动模块等等。 3.开放性和互操作性大大发展，在PLC的发展过程中，制造商为了垄断和扩大各自市场，都各自发展自己的标准，开放是发展的一个趋势，各厂商都意识到这一点，并形成了长时期的妥协与竞争，这一过程还将继续。 4.工作速度的提高可以对系统实现实时控制。 5.联网的能力增强，由于通信、信息及控制技术的大力发展，联网也得到了的发展，己经可以实现的远程控制。 正是由于这些性能、使得工业系统可以实现远程化、自动化、控制信息化及智能化。现在应用在不断前进,尤其在运动控制、模拟量控制及驱动控制上广泛使用，已经成为现在系统工作自动化中最有效的工具之一。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。2.2 PLC的特点1)可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。2)配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3)体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.3 PLC的应用1)PLC开关量的逻辑控制这是PLC开关量的逻辑控制是基本的控制方法。它可以实现各种逻辑控制工艺，顺序控制工艺以及其他自动化生产线控制工艺等。PLC的开关量逻辑控制基本取代了接触器-继电器电路，广泛应用于各行各业，如注塑机、订书机械、机床、仓库生产线、灌装流水线等。2)PLC模拟量控制由于自然界存在许多连续变化的物理量，比如压力、温度、流量、液位等都是模拟量。要将模拟量转换为数字量，才能在程序中进行计算和处理，将处理的结果转换为模拟量。3)PLC数据处理 可编程控制器具有各种各样的计算方法，便于完成实际数据处理，数据传送和转换等，可以对数据进行采集和分析处理，具有很明显优势。4)PLC过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是模拟量闭环控制系统中，使用很频繁的调节方法。可编程控制器具有专用的PID子程序。5)PLC通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.4 PLC的工作原理 PLC由三个基本部分组成：外部输入采样单元、内部逻辑计算处理单元、处理结果输出执行单元。可编程控制器的结构框图如图1-2可知。逻辑处理输出接口输入接口M SBQAKA1ARtHLKA2A图1-2 可编程控制器结构框图可编程控制器的I/O输入单元包含主令按钮、限位开关、检测器等外部输入主令接口，可编程控制器在对外部I/O输入单元收集的各种逻辑信号和模拟量采样数据，以及主令台的各种命令等信息进行储存和处理。可编程控制器根据所设计的程序对这些输入信号进行处理计算，并将结果通过输出单元进行输出。通常下都是输出给继电器，继电器通过动作来控制外面的执行单元。可编程控制器可根据外部工程需要建立通讯控制，通过通讯可以将某执行机构的具体数据进行采样和监控，并计算和输出。如图1-3所示，可编程控制器的原理框图。由图可知，外部输入变量都有开关量，模拟量，通讯接口传送的变量数据，以及编程执行器等。CPU开关量I/O接口RAM 、 ROM模拟量I/O接口EPROM/E2ROM通迅接口编程器电源图1-3 可编程控制器原理框图 编程工具一般就是电脑设计的编程软件，我门可以根据编程软件对可编程控制器进行硬件组态设计，输入输出点的分配设计，程序编写设计，可以通过在线连接进行监控，通过监控可以调试程序，并修改程序。当可编程控制器启动运行后，我们可以根据外部动作情况来判断程序的错误和需要完善的地方。这也是现场调试工程师必须具备的技能。可编程控制器编程软件都是各自厂家自主研发的，对这些软件必须学习，了解指令含义和编程原则，技巧等。我们在编程时，一般要对系统进行总体设计，总体设计可以保证编程的思路清晰，明朗。总体设计完后进行分布设计，对各种功能实现进行单独编程，有必要的时候对程序进行模块化设计，节省编程空间和时间。分布设计完毕后，就进行系统的调试阶段，在调试时，首先必须对系统调试步骤进行了解，对系统工艺进行了解，以免调试时出现差错。1简易编程器 简易编程器就是很简单的编程工具，在编程工具上我们可以看到功能输入键，各种指令输入键，各种指令地址数字输入键，还有显示屏显示当前编程的具体情况。在编程时首先简易编程器就可以直接接在可编程控制器的端口上，用专用的通讯电缆与可编程控制器进行连接，通过设置可以对可编程控制器进行程序设计调试工作。在编程时，首先对各种按键进行熟悉，在编程过程中必须进行记录，以便后面的调试修改。在编程的时候必须对输入输出点的地址分配进行详细说明，以免编写程序过程中，思路混乱。在编写程序结束后，就要对系统进行调试，调试的时候，必须判断系统功能实现是否准确，如果不准确，对相应部分进行修改。使其准确。如果修改完毕，程序运行正常，就可以将简易编程器拔下，保存。2图形编程器 常用的图形编程器是液晶显示图形编程器(手持式的)，它有一个大型的点阵式液晶显示屏。除具有简易型的功能外，还具有可以直接打入和编辑梯形图程序，使用起来更方便，直观。但它的价格较高，操作也较复杂。也有用CRT作显示器的台式图形编程器，它实质是一台专用计算机，它的功能更强，使用更方便，但价格也十分昂贵。3用专用编程软件在个人计算机(PC)上实现编程功能 随着PC的日益普及，最新发展趋势是使用专用的编程软件，在通用的PC上实现图形编 程器的功能。这一编程方法的最大特点是：充分利用PC机的软、硬件资源(如：硬盘、打印及各种功能软件)，大大降低了编程器的成本，同时也大大增强了编程器的功能，使用十分方便。一般的PC添置一套专用的“编程软件”后就可进行编制、修改PLC的梯形图程序，存贮、打印程序文件(清单)，与PLC联机调试及系统仿真等。并且用户程序可在PC、PLC之间互传。具有以上功能后，PLC的程序(特别是大型程序)编程、调试就显得十分方便和轻松。输入输出数字输入624 数字输出416模拟输入1632 模拟输出828输入输出映像（可扩展）128输入 128输出硬件扩展最多7台扩展模块中断输入4脉冲数出2（20k100k）CPU特性8个PID控制器 最多2个串行端口实时时钟 运行中编辑浮点运算 状态LED指示CPU处理时间位处理：0.22us程序存储器425k数据存储器210k定时器256温度模块16位分辨率网络扩展串行通讯 AS-interfaceMPI Profibus-DP从站Modbus主站/从站通讯速率PPI/MPI：187.5kbps自由口：115.2kbps编程软件Step7-MicroWIN安装方式IEC导轨工作电压DC24V/AC220V 根据本系统控制要求，选用S7-200CPU226CN可编程控制器。24个DC输入点，16个DC晶体管输出点。订货号：6ES7 216-2AD23-0XB0。使用Step7Micro/WINV4.0软件进行编程。第3章 第3章 生产线皮带运输机控制系统硬件的设计3.1 PLC的选型 我国市场上流行的有如下几家PLC产品： 施耐德公司，目前有Quantum、Momentum、Premium等产品； 罗克韦尔公司PLC产品，目前有SLC、ControlLogix、 MicroLogix等产品； 西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品； GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。 本次设计选用西门子S7-200型PLC。车床电气控制系统只需要逻辑运算等简单功能，西门子S7-200系列PLC非常适用于单机自动化控制系统。现选择西门子S7-200 CPU226型PLC控制，AC220V供电，DC24V 6点输入，继电器型交流3点输出。 图1-4 西门子S7-200型PLC S7-200可编程控制器是小型化的PLC，对于社会各种行业，各种场合的逻辑控制，自动检测和运算功能都适用。S7-200可编程控制器具有强大的运算功能和通讯功能，能使用在比较复杂的自动化控制场合。S7-200可编程控制器提供了4个不同的型号，8中CPU类型可以选择使用。本次设计选择的是采用CPU226类型可编程控制器。CPU226类型的可编程控制器可以集成24输入和16输出共计40个I/O点。可以扩展7个模块，最大扩展至248路数字量I/O或者35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，具有PID控制器，具有2路独立的20KHz高速计数器输出。RS485通讯编程口共有两个，具有PPI和MPI通讯协议，I/O端子很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统。共有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能的更强的内部集成特殊功能，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。3.2 电动机的选型 为生产机械的电力拖动系统选用电动机，主要内容包括确定电动机的种类、电动机的型号、电动机的额定电压、额定转速和额定功率等。选择电动机的基本原则如下：（1）电动机在工作过程中，其额定功率应得到充分利用。要求温升接近但不超过规定的允许数值。（2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。保证一定负载下的转速稳定，有一定的转速范围及具有良好的启动和制动性能。（3）电动机的结构型式应满足设计提出的安装要求和适应周围的工作环境。例如防止灰尘进入电动机内部，或者防止绕组绝缘受气体腐蚀等。电力拖动系统应用电动机来拖动生产机械工作的，由于生产机械种类繁多，工艺要求不一，作为驱动电机的电动机分类也很多。按电流种类分，有直流电动机和交流电动机，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。 为了合理选用电动机的种类，应同时考虑两个方面的问题：一是电动机的性能，例如机械特性、启动性能和调速性能等；二是要知道生产工艺的特点，要使所选电动机的性能满足生产机械的工艺要求， 具体从以下几个方面考虑：（1）电动机的机械特性；（2）电动机的启动性能；（3）电动机的调速性能；（4）电动机的电源；（5）电动机的经济性；最后着重强调的是综合的观点：一方面是以上的内容在选择电动机时必须都考虑到都能得到满足；另一方面能满足以上条件的电动机可能不是一种类型，还应综合其他情况，例如节能、货源、技术情况等。综上所述，经过综合考虑本系统采用YBSS-220型电机，是隔爆型三相异步电动机。 3.3 变频器的控制方式及分类 如何实现变压变频，输出平滑规则的正弦波形，实现良好的驱动性能，是变频器的根本任务，变频器控制中出现了多种控制方式，现在此做一简单介绍： (1)UCf控制电压和频率成正比。控制电路的特点是结构简单、低成本和良好的机械性能,可以满足一般传播的平滑调速的要求。 转差频率控制电动机转速的角度,这是一种实际的发动机和电动机的速度滑移速度控制模式的逆变器输出频率决定。 矢量控制(VC)矢量控制是用来计算定子电流的磁场分量和转矩分量，直接转矩控制(DTC)是用作直接转矩控制的控制,而不是间接控制电流和磁链。3.4 变频器的选择 因为该生产线皮带运输机长时间运作，其电动机一直在低速高扭矩中转动。对于这点可以与西门子PLC匹配变频器MM440使用，它是一种矢量型通用变频器，具有良好的低速高转矩输出和良好的动态性能。 MM440变频器的输出频率的控制有以下四种方式：（1）操作的基本操作面板（BOP）模式，该模式是通过操作板键手动调整操作模式的输出频率，以这种方式不适合自动调整。（2）的频率选择操作模式变频器的外部输入端子的数量通常配备有多个固定频率选择性操作功能。固定频率值由功能码设定，且频率范围内选择由外部终端。由于这种方法可实现的频率的数目有限，所以不使用这种方式。（3）作为外部输入端子的模拟频率选择性操作模式MM440设置有模拟输入端子，并且当该终端的电流或电压在一定范围内改变时，反相器的输出频率在一定范围内，通常改变。这种方式可以由PLC可以扩展到一个模拟输出模块，模拟转换器，以控制逆变器的输出，这种方法是扩大一个模块的缺点，从而增加成本。 为了便于与网络的接口，该频率转换器具有一个网络接口，其可以通过通信模式接收的频率控制命令。西门子公司设计的通信协议，该协议是通用串行端口协议（USS），这是基于对串行总线的原理。总线可连接到一主站和最多31个从属站。所述主站选择的从属站根据通信消息中的地址的字符传输数据。当主并不需要它来进行沟通，从本身不能首先发送数据的站，各个之间的信息来自台的发射不能直接。这种方法可以设置由指令所需的频率输出，并且只需要一个通信线路到PLC连接到转换器。因此与四种方式相比，通信的选择，操作的最佳方式。3.5 主电路及控制电路设计3.5.1 主电路的设计在图1-6所示中，通过QF1的闭合，电流经过接触器的线圈，使主电路吸合，使四台电机启动，控制皮带机运作。线圈KM1控制电机M1、线圈KM2控制电机M2、线圈KM3控制M3、线圈KM4控制M4。在主电路中，如果某一台电机发生故障，都可由对应的低压电器来切断电路，进行保护。刀开关QF起电源隔离作用。熔断器FU作为电路后备短路保护。热继电器FR具有对电机过载保护作用，与电动机的反时限特性配。图1-5 主电路图3.5.2 控制电路的设计根据以上分析，设计出的控制电路图如下图1-6所示：图1-6 控制电路图3.5.3 I/O分配表的设计 一般情况下输入点与输入信号，输出点与输出控制一一对应。分配好后，按系统配置的通道与接点号分配给每一个输入信号和输出信号。在本系统中报警器是几个信号共用一个输出点，各报警因素按逻辑关系并联后接到报警输出点。I/O分配表如表1-7所示。 图1-7 I/O分配表第4章 生产线皮带运输机控制系统软件的设计 4.1系统工作流程图的设计 根据以上分析，制定生产线皮带运输机控制系统流程图如下：4.2 梯形图程序的设计根据以上硬件电路的设计以及I/O分配点的确定，该生产线皮带运输机梯形图程序如下：结 论本次毕业设计的题目是多功能切菜机的设计，直到今天，毕业设计总算接近尾声了，通过这次对于生产线皮带运输机控制系统的设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计