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基于PLC的汽车顶盖接龙门式三面双点焊接设备位置速度控制系统概叙.doc
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基于plc的汽车顶盖接龙门式三面双点焊接设备位置速度控制系统概叙,毕业设计
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1 目 录 序言 2 第一章 基于 PLC 的汽车顶盖接龙门式三面双点焊接设备位置速度控制系统概叙 1.1 系统设计目的 3 1.2 模型设计要求 3 1.3 课题 设计 分析 3 第二章 PLC 概述 2.1 PLC的命名与定义 4 2.2 PLC的主要特点 、 分类 和应用范围 4 2.3 PLC的发展趋势 5 第三章 模拟系统硬件设计 3.1 硬件 结构介绍 6 3.2 输入元件和输出元件的型号 的选择 7 3.3 I/O口分配及硬件连接图 7 第四章 模拟系统软件设计 4.1 梯形图 8 4.2 程序分析 11 4.3 指令表 12 第五章 模拟实验的调试 5.1 准备工作 13 5.2 程序调试 13 总结 14 参考文献 15 nts 2 序言 可编程控制器 (plc)是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起 ,具有高可靠性、灵活通用、易于编程、使用方便等特点 ,因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍 应用。 可编程控制器 (PLC)可以通过变更程序来控制自动化机械，因为它和传统工业布线相比具有多项的优点，现今的自动机械控制工程师对可编程控制器更是爱不释手。可编程控制器的使用率高、实用性强，所以现在从职业学校 到技术学院或大学，有相当多的院系均开有可编程控制器这门课。 可编程序控制器的应用技术是一门实践性很强的学科 , 实践环节至关重要 ,只有通过做实验进行实际操作 ,才能学通学透可编程序控制器技术。为了提高学生就业能力和培养学生基本素质方面起到很重要的作用。该课程设计重点突出了机电相互配合的基本概念、基本方式，课程设计步骤与工业现场设备的设计、生产、调试所需工作基本一致。做课程设计，就是做工程。工程中生产设备需要机电配合调试，电气工程师首先要了解机械性能、了解检测方式、收集原始数据，然后才能确定程序。机电配合中的速度 与位置控制问题，位置检测的精度、速度切换的级数、工作效率的提高，这些经验都可以通过课程设计获得。 本说明书主要介绍用可编程序控制器（ PLC）进行控制设计，本课程设计课题为“基于 PLC 的汽车顶盖接龙门式单面双点焊接设备位置速度控制设计”，其中包括熟悉行程开关、接近开关、旋转编码器、相对认址器、绝对认址器、异步电动机等电气元件，也适合熟悉机械零件、结构和工艺。熟悉机电配合过程中的运动控制，可以深刻体会和总结出速度控制和位置控制所涉及的技术和宝贵的实践经验。 课程设计中的一些步骤、方法、操作过程及实际问题分析。本 课程设计由张新老师指导，在课程设计期间张新老师给与了热情指导和关心，在此深表谢意。 张春兵 2008年 1月 15日 nts 3 第一章基于 PLC 的汽车顶盖接龙门式三面双点焊接 设备位置速度控制系统概叙 1.1设计目的 通过 PLC 的硬件电路（输入 /输出设备和 PLC 的确定、 I/O 点的分配、主电路的设计、外控电路设计、控制面板设计）和软件电路设计（ PLC功能表图和梯形图设计），了解可编程序控制器控制系统设计的 基本原则，掌握其设计的基本步骤和内容，掌握实际应用程序设计方法和步骤；深刻领会可编程序控制器的原理。通过在 PLC上调试，训练动手能力和可编程序控制器实际应用能力；提高独立分析、解决问题的能力；为进一步系统的学习打下基础 。 1.2设计要求 客车顶盖龙门式单面双点焊接设备是自动化程度较高的大型设备，焊装车身长 15 米左右的客车顶盖，焊接过程中陆续将三张长铁板拉伸并焊接在预制骨架上。焊接使用单面双电极头点焊，同时焊两个焊点，焊接设备由龙门架拖动，移动步距 120毫米，相当于 60毫米一个焊点。 由直线运动模型 TM2模拟实现单面双点焊接设备的运动过程。 模拟现象如下： 按下启动按钮，滑块向右运动，隔 5厘米一停， 1秒后再启动，启动 6次后，返回，隔 5厘米一停，启动 6次。 使用孔盘或旋转编码器认址。 反转 正转 启动 6次，间隔 5厘米 原点 折返点 1.3 设计分析 由于课题主要考验的是运用 PLC实现自动控制，所以要根据所学的知识进行分析，考虑所要遇到的难点以及注意事项： 1首先根据课题要求画出流程图，在脑海里有个具体的设计概念。 2 因为停止点很多，可使用孔盘认址，行走的距离折算成孔盘脉冲个数。每个停留 1秒左右。 3 使用计数器焊接接点数控制折返点，即完成若干个焊点后，返回继续焊接。 4 由于脉冲数太多，普通的计数器不能满足，所以要用高速计数器。 nts 4 第二章 PLC 概述 2.1 PLC 的命名与定义 美国电器制造商协会 NEMA经过四年的调查工作，于 1984年首先将其正式命名为 PC（ Programmable Controller），并作了如下定义： PC 是一个数字 式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令，用来执行如逻辑、 计时计数和演算等功能，并通过数字或类似的输入 /输出模块，以控制各种机械或工作程序，一部 数字电子计算机若是从事执行 PC 之功能，亦被视为 PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。 但是为了避免和个人计算机（ Personal Computer）简称混淆通常还是将可编程序控制器成为 PLC。 以后国际电工委员会 (IEC)又先后颁布了 PLC 标准的草案第一稿，第二稿 ,并在 1987 年 2 月通过了对它的定义： “ 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算 ,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设 计。 ” 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入 /输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬 件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制 。 2.2 PLC 的主要特点 、分类 和应用范围 PLC 的主要 特点 ： （ 1） 可靠性高、抗干扰能力强 。 （ 2） 编程简单、使用方便 。 （ 3） 设计、安装容易，维护工作量少 。 （ 4） 功能完善、通用性好，可实现三电一体化 PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制） 和电结（运动控制）这三电集于一体。 （ 5） 体积小、能耗低 。 （ 6） 性能价格比高 。 PLC 的 分类： （ 1）从组成结构形式： 一体化整体式 PLC 模块式结构化 PLC （ 2）按点数及内存容量： 小型 PLC： 小型 PLC的 I/O点数一般在 128点以下，其特点是体积小、构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量 I/O以外，还可以连接模拟量 I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。 中型 PLC： 中型 PLC采用模块化结构，其 I/O点数一般 2561024点之间。 I/O的处理方式除了采用一般 PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，nts 5 刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 大型 PLC： 一般 I/O点数在 1024 点以上的称为大型 PLC。大型 PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以 构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型 PLC还可以采用三 CPU构成表决式系统，使机器的可 *性更高 （ 3）按输出形式： 继电器输出：为有触点输出方式，适用于低频大功率直流或交流负载 。 晶体管输出：为无触点输出方式，适用于高频小功率直流负载 。 晶闸管输出：为无触点输出方式，适用于高速大功率交流负载 。 PLC 的应用范围： （ 1） 开关量的逻辑控制 （ 2） 位置控制 （ 3） 过程控制 （ 4） 数据处理 （ 5） 通信联网 （ 6） CIMS的应用 。 随着我国经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个 方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动化系统开始。 2.3 PLC 的发展趋势 1向高速度、大容量方向发展 为了提高 PLC的处理能力，要求 PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。 2向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型 PLC 比较多，为了适应市场的多种需要，今后 PLC 要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。 3 PLC 大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，加强 PLC联网通信的能力，是 PLC技术进步的潮流。 PLC的联网通信 有两类：一类是 PLC 之间联网通信；另一类是 PLC 与计算机之间的联网通信，一般 PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力。 4增强外部故障的检测与处理能力 5编程语言多样化 在 PLC系统结构不断发展的同时， PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数 PLC 使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（ BASIC、 C 语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是 PLC 进步的一种趋势。 nts 6 第三章模拟系统硬件设计 3.1 硬件 结构介绍 本课程设计主要用到电源板、 PLC元件板、 TS2实验板、变频器、 TM2、 TM3机械模型 . (1)可编程控制器类型繁多，但其结构和工作原理则大同小异，了解可编程控制器的基本结构，有助于理解可编程控制器工作原理 。 可编程控制器各部件可编程控制器实质上是一种工业计算机，只不过它比一般的计算 机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故可编程控制器起与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它有中央处理单元（ CPU ）、存储器（ ROM/RAM ）、输入 / 输出单元（ I/O 单元）、编程器、电源等主要部件组成。如 下 图 3-1所示 . 图 3-1 根据现有条件和需要此课程设计确定可编程序 控制器的型号和硬件配置 选择 PLC系列： FXCPU； PLC类型： FX1N SAC-PLC-SYT可编程序控制器教学实验台 如 3-2图 ,实验时，该实验挂板必须需配合电源挂板和 PLC 元件挂板一同配合使用。首先将电源挂板接通电源 ,再通过 4 号插座和实验导线为可编程序控制器通电，根据实验内容 ,选择好所需的输入、输出元件，并将信号通过 2 号台阶插座和实验导线 ,引入到可编程序控制器的输入、输出端子区上。实验挂板上输入元件的公共端要接到 24V电源的负极上（ 24G）， PLC 上输入信号的公共端（ COM）要接到 24V 电源的正极上（ +24V ）。这样可连接好输入电路，实验挂板上输出元件的公共端要接到 5V电源的负极上 nts 7 图 3-2 (2) 变频器的 介绍 如下 : 变频器的按键很少，操作简单易学。由主要的五个按键和一个旋钮的输入环节，以及 LED 显示区和三个发光管显示组成如图 3-3 图 3-3 nts 8 (3) TM模型 介绍 如下 : 实验板主要分为机械传动部分、支架和电气元件部分等几部分。 机械模型实验板外形尺寸： 750（长） 220（宽） 150（高）。 结构简易示意图如 3-4： 图 3-4 机械传动部分：（图中从右向左依此介绍） 1三相交流异步电动机 25W， 1380转 /分，电压三相 220V。 2减速器 速比 1： 3.6。 电机、减速器、支架为南韩进口原装件。 3电机支架 安装电机的底座。 4联轴器 电机与丝杠连接件， 可拆卸。 5轴承架 安装两侧，起支撑丝杠作用，内嵌封闭轴承。 6丝杠 T型螺纹 ，直径 20毫米，螺距 2毫米，有效长度 200 毫米， 总长 320 毫米。 该丝杠具有机械终端保护功能，两端无螺纹长度各20 毫米，略大于滑块尺寸，滑块移动两端时，可空转，不会出现憋电机或顶死不能退回现象，反转即可重新入扣，正常运行。 7滑块 （丝母） 20毫米宽 ， 60毫米高， 40毫米长。两侧留有安装孔，可外装认址器或撞块。 8接近开关（磁感应器） 4个，可较精确认址，适合接入 PLC 输入端。 9孔盘认址器 在轴端处安装， 孔盘有 8个认址孔 ，孔盘旋转后，经一个沟槽式光电开关接收认址孔信号，通过计数确定相对位置。 10旋转编码器 OMRON公司产 品，直径 20毫米，每转 200个脉冲。 可实现精确的位置检测。 11认址器组 光电开关组由 6 个沟槽式光电开关组成，装在丝母板上。 7组遮光片安装在元件支架上，每组遮光片又分 3组。上面一组作为定位或相对认址使用；中间一组可作为校正位置和配合减速使用；最下一组作为绝对认址使用。三个光电开关绝对认址编码最多为 7 个地址。（ 5VG）， PLC 上输出信号的公共端要接到 5V 电源的正极上（ +5V），这样可以接好输出电路 . TM模型接线板上有图形示意元件，熟悉 PLC输入、输出回路和传感器元件常识即可接线 。 OMRON 和西门子 PLC 元件公共端接电源负极，信号（ PLC 上）公共端接电源正极。三菱 PLC输入回路使用 PLC 内部电源， 24V电源线不接。在旋转编码器上的 A、 B两相接入输入信号开关，当开始计数时开始发送脉冲计数。 nts 9 3.2 输入元 件和输出元件的型号的选择 确定 输入元件和输出元件的型号 ： 输入继电器 X： 输入接口高速计数专用输入（ X000和 X0001） 启动开关 x031 在 TS 面板属于常开开关，原点检测开关为 TM2、 TM3 机械模型的接近开关。 辅助继电器 M： 通用辅助继电器 M0-M499（共 500 个），关闭电源后重新启动后通用继电器不 保护断电前的状态。 此设计我选择 M30、 M40以及 M50。 定时器 T： 定时器 T0-T199 （ 200只）：时钟脉冲为 100ms的定时器，即当设定值 K=1时，延时 100ms。 设定范围为 0.1-3276.7秒。 设计中的选择 T0、T1定时器。 计数器 C： 21点高速计数器 C251 C255 为两相（ A B相形）双计数输入高速计数器，通过实际考虑选择 C251高速计数器。 继电器输出 Y： 变频器正转 (Y000)、变频器反转 (Y001)。 注意事项： PLC输出接口是成组的，每一组有一个 COM口，只能使用同一种电源电压 . 3.3 I/O口分配及硬件连接图 （ 1） I/O分配 : (OMRON CPM2A-60CDR机型 ) 输入信号 信号元件及作用 元件或端子位置 X000 X001 X031 X041 检测位置 检测位置 启动按钮 原点检测开关 旋转编码器 旋转编码器 TS2实验板按钮区 接近开关 输出信号 控制对象及作用 元件或端子位 01000 01001 变频器正转 变频器反转 变频器元件板 变频器元件板 图 3-5 nts 10 （ 2） .硬件 接线原理图如图 3-2： 检 测 位 置 开 关启 动 按 钮原 点 检 测X 0 0 0X 0 0 1X 0 3 0X 0 4 1LNY 0 0 1Y 0 0 0正 转反 转A C 2 2 0 VP L CC O M C O M检 测 位 置 开 关图 3-6 nts 11 第四章模拟系统软件设计 4.1 梯形图 根据课题设计如下程序： nts 12 nts 13 4.2 程序分析 按标注进行分析注释： 1 46步 利用 M8000 对 C251高速计数器进行清零工作。 2 56步 当按下启动开关 X030后变频器带动电机正传即右行（ Y000），并且实现自锁。 3 36步 此时 C251 高速计数器开始计数脉冲个数。 4 0 步 通过比 较指令对 C251 中的脉冲数（ S1）与设置 K5000（ S2）进行比较，当 S1 小于 S2 时 M30 为 ON 状态其他 OFF，当 S1 等于或者大于 S2 时 M30 和M31为 ON状态其他为 OFF。 5 28步 由 M30、 M31 的 ON状态控制 C251计数器的复位。并且 56步骤中的右行（ Y000）作为一次的结束。 6 74 步 M30、 M31 为 ON 状态时实现 M50 的为 ON 状态，且 M50 自锁。 Y000 的断开与闭合同时控制 M50的状态。优先权大于 M30、 M31。 7 84步 M50控制定时器 T0， T0设置值为 K10为 1秒定时。每当 T0 到时间右行（ Y000）就会运行一次，直到 M30、 M31 将其断开，总共进行 6 次。 8 92步 每当 T0被接通一次，计数器 C2会累加一次直到达到预设值 K6即 6次。 9 65步 当 C2计数到 6时右行（ Y000）断开，变频器开始执行左行（ Y001）。 10. 36步 Y001控制高速计数器 C251计数 . 11. 14 步 左行（ Y001）运行时开始比较指令，因为 C251 是 A、 B 两相当反转时自动减数，所以计数器所以可以把 K 值设置成 5000。同理可以通过比较进行控制 M41、 M42的 ON或 OFF状态。 12. 同第 28步，通过 M41、 M42的 ON状态控制 C251的复位。 13. 此时到达第 79 步， M41、 M42与 Y001控制 M50状态，原理同第 74步。 14. 88步 M51的 ON 状态时控制定时器 T1（ K10即 1秒）。同第 84步， T1每闭合一次左行就会运动一次，直到 M41.M42 将其断开。 15. 当左行（ Y001）到达原点时，原点开关 X041 会将所有运动终结。并使计数 器C2进行复位。 16. 99步 END指令标志整个过程结束。 由以上程序步骤控制整个过程的完成。 nts 14 4.3 指令表 通过程序可以得到下面指令表 0 LD Y000 1 DCMP C251 K5000 M30 2 LD Y001 3 DCMP C251 K-5000 M40 4 LD M31 5 OR M42 6 OR M30 7 OR M41 8 OR M8002 9 OR X041 10 RST C251 11 LDI X000 12 AND Y000 13 LDI X001 14 AND Y001 15 ORB 16 OUT C251 K5000 17 LD Y000 18 ANI M31 19 ANI M30 20 OR T0 21 OR X030 22 ANI X041 23 ANI Y001 24 OUT Y000 25 LD Y001 26 OR C2 27 ANI X030 28 ANI M41 29 ANI M42 30 OR T1 31 ANI X041 32 ANI Y000 33 OUT Y001 34 LD M31 35 OR M50 36 OR M30 37 ANI Y000 38 OUT M50 39 LD M41 40 OR M51 41 OR M42 42 ANI Y001 43 OUT M51 44 LD M50 45 OUT Y0 K10 46 LD M51 47 OUT T1 K10 48 LD T0 49 OUT C2 K6 50 LD X041 51 RST C2 52 END nts 15 第五章模拟实验的调试 5.1 准备工作 1 根据 设计要求与需要将所需要的接线按照 I/O 口分配及硬件连接图进行正确的连接。 2. 打开 PLC编程软件，把预先设计好的 PLC梯形图程序输入到编程软件。 3. 把 电源板、 PLC元件板、 TS实验板按照设计的 I/O分配进行线路连接。 4外部接线的检查 ： 包括输入输出接线的正确性检查。 5供电系统的检查 ： 对可编程序控制器供电电源接线的检查、电压检查和外部供电电源的检查等。 6执行机构的运行检查：包括执行机构对输入信号的响应时间、执行机构运转状态检查。 7检测元件和开关的运行检查。 5.2 程序调试 程 序调试的主要内容包括输入信号调试、输出信号的调试、痛信系统和总调试 1. 输入信号的调试：对输入信号的供电再检查一次保证供电电压正确 ，对于此试验设计脉冲为输入信号可用信号发生器 2. 输出信号的调试：对执行机构供电再一次检查，保证供电与接线正确，然后输
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