基于PLC的自动运料小车设计

精品文档 I I欢迎下载 目录 一 绪论 1 1 1 选题意义 1 1 2 运料小车发展历史及现状 1 1 3 课题的意义及应用 2 二 PLC 应用 4 2 1 PLC 的定义 硬件结构 工作原理以及系统设计 4 2 1 1 PLC 的定义 4 2 1 2 PLC 的硬件结构 4 2 1 3 PLC 的工作原理 5 2 1 4PLC 的系统设计 6 2 2 系统的资源分配 8 2 2 1 系统的 I O 资源分配 8 2 3 系统 PLC 的具体设计 9 2 3 1 系统顺序流程图 10 2 3 2 系统梯形图 10 2 3 3 系统的语句表 STL 12 三 运料小车的硬件设计 16 3 1 小车运行示意图 16 3 2 系统工作原理分析及要求 16 3 3 小车运行分析 16 3 4 运料小车硬件介绍 18 四 工作总结 20 4 1 设计总结 20 4 1 1 小车的优缺点分析 20 4 1 2 设计的改进及推广 20 参考文献 23 精品文档 1欢迎下载 1 基于 PLC 的自动运料小车设计 摘要 PLC Programmable controller 是可编程序控制器的简称 定义为 一 种数字运算操作的电子系统 专为工业环境下应用而设计 是为了满足人们对 控制装的提出的经济 可靠 通用 易变 易修而应运而生的 故而在 PLC 被 设计出制造出来之后 得到了非常广泛的应用 并且由于应用领域的及用途不 断扩大 PLC 自身也在这种情势发展迅猛 致使 PLC 在制作成本持续下降的前 提下 保持着提高集成度 缩小体积 加大自身容量 提升运行速度 方便使 用和综合性能加强的发展趋势 当前由于 PLC 具有的价格低廉 可靠性高 适 用性强 使用简单灵活 维护和修改方便等优点 在世界范围内的各个行业领 域得到了广泛的应用 由于国内制造业的迅猛发展 传统的人工运输生产材料方式已成为提高生 产力的桎梏 而本设计中将运料小车这一重要生产工具由手动变为自动化 在 大大的提高生产效率的同时 还解放了劳动力 保障了生产安全 降低了生产 对于环境的要求 并在一定程度上提高了生产自动化的程度 本设计以 PLC 的历史和运料小车的现状为切入点 详细讲述了用 PLC 来 控制运料小车的系统相对于其他的自动生产系统目前所具有的优势及良好前景 并为该系统提出了一系列严谨细致且切实可行的设计 关键词 PLC 可编程控制器 三相异步电机 自动运料小车 精品文档 2欢迎下载 2 Automatic Haul Car Design Based on PLC Abstract PLC Programmable controller is referred to as programmable logic controllers defined as an electronic digital computing operating system designed for industrial environment applications and design In order to meet people s economic control equipment proposed reliable universal variable easy to repair and came into being Therefore after the PLC is designed manufactured has been very widely used And because applications and uses expanding PLC itself is also such a situation is developing rapidly PLC causing production costs continued to decline in the premise to maintain a higher integration and reduce the size and increase their capacity to enhance the speed ease of use and enhanced overall performance trends PLC has a current due to low prices high reliability applicability easy to use and flexible and easy to maintain and modify in various industry sectors worldwide has been widely used Due to the rapid development of domestic manufacturing transportation and production materials traditional manual methods to increase productivity has become shackles and the design will haul the car this important production tool manually into automation greatly improving production efficiency at the same time also liberated workforce to ensure production safety and reduce the production requirements of the environment and to some extent improve the degree of production automation The design of the history and current situation of PLC haul the car as a starting point a detailed account of the haul with a PLC to control the car s system compared to other automated production system is currently the advantages and good prospects And made a 精品文档 3欢迎下载 3 series of rigorous and meticulous and practical design for the system Keywords PLC Programmable Logic Controller three phase asynchronous motor car auto transporter 精品文档 1 1欢迎下载 一 绪论 1 1 选题意义 制造业在现代社会经济生活中占着极其重要的地位 它的发展主导着经济 发展的前景方向 我国作为世界工厂 以前因为劳动力廉价 大部分情况下送 料都是采用人力手工运送 缺乏安全有效的保护措施 使得运料过程有着 劳 动强度大 效率低下 安全事故频发 等特点 随着已进入高速发展期的计算机科技 信息科技以及市场经济的快速发展 创新 制造业市场的竞争在国内国外也变得日益激烈 依靠单纯的人工运料这 一传统的运料方式已不能满足日益繁重生产要求 此时由于 PLC 控制技术的发 展 运料过程的自动化也在慢慢的发展中 运料过程自动化程度的提高极大地 提高了生产的效率和稳定性 并保证了员工的人身安全 降低了生产成本 而 自动运料小车在这一过程中始终占着关键的地位 小车专用于粒料 粉料 片 状料 带状料等生产物料的运输 是制造业生产中不可或缺的设备之一 1 2 运料小车发展历史及现状 自从第一台 PLC 被设计出来到现在 PLC 几经更新换代 在性能和技术方 面取得了长足的发展与完善 而运料小车的控制系统也随之经历了手动控制 自动控制 全自动控制的三个本质性发展阶段 当前我们国内的大部分企业基本上都在用下面所说的几种运料方式 1 机械手加若干穿梭小车式 自动冲压生产线基本上都是采用这种系统 该系统 的基本结构为自动上料 取料机械手和穿梭小车 当前在冲压车间工作的各种 各样的自动化运料系统都是由不同商家以上述结构和原理为基础的情况下设计 和制造的 它所具有的优点是可适用于大多数企业 而缺点是装置比较繁杂 运送步骤多 耗时长以及操作不够简便 2 送料机利用机械手进行送料 在 这个自动系统中机械手是以小车的形式存在 由钢绳将滑块和小车连接在一起 利用滑块向上向下进行垂直运动产生的拉力 使得小车在水平方向上平行的来 回运动 并借此完成运料和小车复位 这种系统在提高生产效率的前提下 也 最大限度的保证了生产人员自身的安全 该系统所具有的的优点是可以进行连 精品文档 2 2欢迎下载 续生产 而缺点则是由于整个生产过程都需要机械手完成 使得机械手的数量 过大 造成该系统发生机械故障的概率也大大增加 3 新型的多级连线自动 搬运物料系统 这种自动系统的动力部分通过驱动四台 2500KN 压力机来提供的 它在达到国外发达国家所生产的生产线相同送料精度和生产效率的情况下 生 产线所需要绝大部分零件都已可以在国内自己研发生产 相较于国外生产线 我们在控制生产成本这一块上具有较大的优势 该系统具有的优点是可靠性高 步进电机控制使得系统精度高 布距均匀 功耗低和所需电压低 4 汽缸传 动 这一生产系统因为生产效率以及送料准确性相对于上述各个系统而言都比 较低 已经满足不了现代化较高的生产要求 被市场淘汰已是它的最终命运 综上所述可知 以 PLC 为核心控制系统的运料小车在安全保障 系统稳定 抗干扰能力 生产效率 生产成本和对生产环境的适应上有着其他自动运料系 统都难以比拟的优势 1 3 课题的意义及应用 自中国加入 WTO 以来 国内一些大型企业为了适应经济全球化和贸易国际 化的时代趋势 提高在国际市场上的竞争力 已经逐渐发现送料环节在生产过 程中的重要性 并且逐步的提高了该过程自动化程度 但我们仍然应该清醒的 认识到国内许多乡镇企业 私营企业 由于受到资金及管理方面的限制 依旧 在采用着人工运料的传统方式 并且这一过程缺乏必要的保护措施 延续着 高成本 低效率 劳动强度大 事故频发 等特点 切入点 本设计中的自动运料小车将以 PLC 为小车控制核心 加上各式传 感器 控制电路 有要求可以外接显示电路 特殊地段可加上轨道 等器件 组成一个基于 PLC 的全自动控制控制系统 该系统操作简单 维护维修方便 适应能力强 可在室内外 山区不同地段拆卸安装运行 并能满足大部分物料 的输送 该系统将以四轮小车小车为主要载体 采用三相异步电机为动力装置 加 上行程开关 定时器以及 PLC 和一些控制元件组合而成 其一般组成示意如下图 1 1 所示 精品文档 3 3欢迎下载 图 1 1 自动运料小车结构图 精品文档 4 4欢迎下载 二 PLC 应用 2 1 PLC 的定义 硬件结构 工作原理以及系统设计 2 1 1 PLC 的定义 PLC Programmable Logic Controller 早期被称作可编程逻辑控制器 它 主要被用来代替继电器实现逻辑控制 随着技术的发展 这种采用微型计算机 技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围 因此 今天这种 装置称作可编程控制器 简称 PLC PLC 自 1966 年美国数据设备公司 DEC 研 制出现 现行美国 日本和德国的可编程序控制器质量优良 功能强大 2 1 2 PLC 的硬件结构 PLC 根据基本结构形式的差别可分成两类 即整体式 PLC 和模块式 PLC 1 整体式 PLC 又被称作箱体式或者单元式 PLC 它将电源电路 CPU 模 块 输入 输出模块 存储器 通信端口等各个功能独立的模块组装到一个箱状 机壳内 使得这类 PLC 结构非常紧凑 体积也相对较小 具有输入 输出点数固 定 体积较小 造价低 灵活性低等特点 结构如图 2 1 所示 2 1 整体式 PLC 2 模块式 PLC 又称作组合式 PLC 它将组成 PLC 的各个模块独立出来 并使 CPU 存储器 I O 模块 通信端口和电源电路等分别变成相应的模块 需 要使用时根据系统要求的性能再将这些模块以搭积木的方式组装在机架上 各 模块之间通过机架上的总线相互联系 它具有价格高 应用灵活等特点 结构 精品文档 5 5欢迎下载 如下图 2 2 所示 图 2 2 模块式 PLC 上面所说的两种结构各有其优缺点 为了综合他们各自的优点 回避他们 固有的缺点 在这两种 PLC 结构之外又开发了一种名为叠装式 PLC 它同时具 备了整体式和模块式 PLC 的优点 将基本单元和扩展单元设计的高宽一致 并 用扁平的电缆将它们连接在一起 放弃占用空间较大的基板 经过合理的组装 后外形一般呈占地较少的长方体 而且 由于具有扩展功能 所以 I O 点数的 配置也有很大的自由空间 将具有扩展功能的 PLC 扩展之后 便可称之为叠装 式 PLC 此类 PLC 的体积较小 系统组成还可以按要求进行灵活的配置 其代 表系列如下图 2 3 所示 图 2 3 三菱 PLC FX2N 64MR 结构图 2 1 3 PLC 的工作原理 PLC 最初是被用来代替电气控制装置中的电器元件 它是一种工业控制计 精品文档 6 6欢迎下载 算机 工作方式和普通的计算机一样使用串行工作方式 在实际运行中 它采 用不同于一般微型计算机的扫描的方式运行 当 PLC 开始运行后 它的工作方 式是按集中输入 集中输出 不断的周期性循环扫描进行工作的 它的每个扫 描周期按工作过程基本可分为三个阶段 分别是输入采样 用户程序执行和输 出刷新三个阶段 这三个阶段是 PLC 工作过程的中心内容 在 PLC 的工作时间 中 PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 计算一个扫面周期 所需时间 T 的公式为 T 读入时间 输入点数 运算速度 程序步数 输 出时间 输出点数 自诊断时间 扫描过程如下图 2 3 所示 图 2 4 扫描过程 2 1 4PLC 的系统设计 在我们实际运用时 PLC 可以使用三种语言编程 分别是梯形图 助记符 以及功能块图 其中梯形图使用简单 直观易懂 为主要编程语言 而助记符 语言则需要有一定的基础才可以运用 PLC 控制系统由硬件部分及软件部分组成 PLC 控制系统是为了满足生产中 具体的工艺流程设计制作的 所以在达到生产所需要的控制要求前提之下 设 计应该在以下四个基本原则下进行 1 满足要求 即依据具体的生产流程进行 设计 应最大程度的满足被控对象的控制要求 2 经济实用 即在满足控制要 求的前提下 尽量减少 PLC 系统硬件费用 使控制系统简单 经济 3 适应发 精品文档 7 7欢迎下载 展 因为经济市场会不停的进步 对生产的控制要求也会不断地提高 改变 所以控制系统设计时应考虑 PLC 的可扩展性 适当的留一些裕量 4 安全可靠 设计过程中设计者还要考虑 在长期运行中控制系统能不能达到安全可靠 稳 定运行 维护方便等要求 PLC 系统设计在满足上述原则下 按下述流程设计 1 根据产品生产要求分析系统需要达到的控制要求 确定控制任务 拟定 设计的控制系统中目前需要达到的技术条件 2 确定所设计的控制系统中需要的一些硬件设备 这些设备主要有三类 输入设备 输出设备和被控对象 然后估算所需 PLC 的 I O 点数和用户存储器 容量 3 选择 PLC 作为整个控制系统的核心部件 PLC 的正确选择是保证控制 系统的达到生产所需的各项技术指标 经济指标的最重要要求 PLC 的选择主 要参考以下几个方面 即机型的选择 容量的选择 I O 模块的选择 电源模 块的选择 这些选择可以通过估算出被控对象要求的输入输出形式 I O 点数 特殊要求和操作规则等进行选择 最终确定的 PLC 必须满足上述估算要求 4 对于 PLC 的输入 输出点要按系统控制要求进行分配与定义 并绘制出相 应的 I O 连接图 参照选用的 PLC 类型 按功能将输入 输出 辅助继电器 定时器 计数器 数据区一一区分好 对控制系统使用的每一个输入 输出信 号及内部元件定义专用的信号名和地址 在程序设计中使用哪些内部元件 执 行什么功能格都要做到清晰 无误 5 PLC 控制系统程序设计 控制程序相当于控制系统的灵魂部分 关乎到 系统的正常 高效和安全运行 这个步骤包含顺序流程图的设计 梯形图编译 和语句表的编写 上述程序语句编写完成后 必须经过反复的检查 修改 仿 真运行 直到满足要求为止 6 模拟调试 程序编写检查完成后 将编好的程序输入仿真软件中 利用 仿真软件进行仿真调试 观察分析运行结果 查看能否达到系统的控制要求 最终结果必须达到基本的控制要求才能进行下一步 7 整理和编写技术文件 例如整理与设计有关的文档 设计说明书 硬件 原理图 I O 接线原理图 电器元件明细表 PLC 程序 注意事项和使用说明书 精品文档 8 8欢迎下载 等 设计步骤的示意图如下图 2 5 所示 图 2 5 设计步骤示意图 2 2 系统的资源分配 2 2 1 系统的 I O 资源分配 在本设计中控制系统的输入为启动停止按钮各一个 呼叫按钮 4 个 行程 开关 5 个 总共是 11 点输入 而在该系统中由输出控制的外部硬件设备只有一 个为小车提供动力的三相电机 但是因为该电机有两中工作状态 正转 反转 来对应小车的正向行驶和反向行驶 所以需要有两个输出点与之对应 由于 PIC 的 CPU 模块数字量输入 输出点数能满足控制系统的 I O 点数要求 所以 不再需要增加输入 输出模块 控制系统对应的地址分配表如表 2 1 所示 精品文档 9 9欢迎下载 表 2 1 输入地址分配表 地址对应的外部设备 I0 0 I0 1 I0 2 I0 3 I0 4 I0 5 I1 1 I1 2 I1 3 I1 4 I1 5 Q0 0 Q0 1 启动按钮开关 停止按钮开关 2 号站点呼叫按钮开关 3 号站点呼叫按钮开关 4 号站点呼叫按钮开关 5 号站点呼叫按钮开关 1 号站点行程开关 2 号站点行程开关 3 号站点行程开关 4 号站点行程开关 5 号站点行程开关 电动机正转 左行 电动机反转 右行 2 3 系统 PLC 的具体设计 依据自动运料小车系统对于小车运行过程的控制要求 即按下启动按钮 I0 0 之后 自动运料小车系统被启动 系统开始正常运行 小车初状态默认为停靠 在 1 号站 装料处 此时 上料装置开始给小车装料 15 秒 装料时间可按 实际情况调整 公式 T 输入数 0 1 后小车装料完成 此时静止不动 直到有 呼叫按钮处于触发状态 小车立刻向右行驶 持续行驶到处于触发状态的呼叫 按钮对应的行程开关处后 运料小车停靠在该站 并开始卸料 20 秒 同上述 后运料小车完成卸料过程 小车开始向左行驶 回到装料处 1 号站点 后 小车停靠并重新装料 我们可以将整个运动过程划分为 8 步 并用 M0 1 MO 2 M0 3 M0 4 M0 5 M0 6 M0 7 M0 8 来代表上述 8 个步骤 而 最开始系统等待启动的初始步骤则由 M0 0 代表 在系统运行过程中 上述各个 步骤转化时所需的转换条件分别为启动按钮 I0 0 的常开触点 停止按钮 精品文档 10 10欢迎下载 I0 1 的常开触点 呼叫按钮 I0 2 I0 5 的常开触点 行程开关 I1 1 I1 5 的常开触点和定时与延时接通的常开与常闭触点 2 3 1 系统顺序流程图 顺序功能流程图 SFC 如下图 2 6 所示 图 2 6 顺序功能流程图 2 3 2 系统梯形图 将上述顺序功能图翻译成梯形图语言 LAD 时如下图 2 7 所示 精品文档 11 11欢迎下载 精品文档 12 12欢迎下载 图 2 7 系统梯形图 2 3 3 系统的语句表 STL 将上述梯形图翻译为语句表如下所示 Network1 LD M1 0 A I0 1 O SM0 1 O M0 0 精品文档 13 13欢迎下载 AN M0 1 M0 0 Network2 LD M0 0 A I0 0 LD M0 0 A I1 1 OLD O M0 1 AN M0 2 M0 1 TON T37 200 Network3 LD M0 1 A T37 O M0 2 AN M0 3 AN M0 4 AN M0 5 AN M0 6 M0 2 Network4 LD M0 1 A I0 1 O M0 3 AN M0 7 M0 3 Network5 LD M0 2 精品文档 14 14欢迎下载 A I0 3 O M0 4 AN M0 7 M0 4 Network6 LD M0 2 A I0 4 O M0 5 AN M0 7 M0 5 Network7 LD M0 2 A I0 5 O M0 6 AN M0 7 M0 6 Network8 LD M0 3 A I1 2 LD M0 4 A I1 3 OLD LD M0 5 A I1 4 OLD LD M0 6 A I1 5 OLD O M0 7 精品文档 15 15欢迎下载 AN M1 0 M0 7 TON T38 150 Network9 LD M0 7 A T38 O M1 0 AN M0 0 AN M0 1 M1 0 Q0 1 Network10 LD M0 3 O M0 4 O M0 5 O M0 6 Q0 0 精品文档 16 16欢迎下载 三 运料小车的硬件设计 3 1 小车运行示意图 上述按控制要求设计出的自动控制系统以及编制完成的各个程序皆是依据 下图 3 1 运料小车示意图设计 图 3 1 运料小车示意图 3 2 系统工作原理分析及要求 自动运料系统未启动时 运料小车默认停靠在 1 号站 装料处 启动系统 需先打开启动电源按钮 系统启动并且等待运行 当其余四个站点呼叫时 小 车开始装料 设计装料时间为 60S 可根据具体情况修改 装料完成后小车开 始向呼叫的站点运行 到达呼叫站点后停靠 然后小车开始卸料 设计卸料时 间为 120S 可根据具体情况修改 卸料完成后小车运行回到 1 号站点等待下 一次运行 根据上述情况 自动运料小车运行系统要求如下 1 按下启动按钮后 该系统开始运行 按下停止按钮后 系统停止运行 2 当有呼叫点呼叫时 小车开始向呼叫点运行 到达呼叫点后 小车停 止并卸料 3 小车卸料完成后 小车开始向装料处运行 到达装料处之后停止运行 4 呼叫按钮之间具有互锁功能 先按下呼叫按钮的具有优先级 3 3 小车运行分析 精品文档 17 17欢迎下载 PLC 为小车控制核心 加上各式传感器 控制电路 显示电路 特殊地段 可加上轨道 等器件 组成一个基于 PLC 的全自动控制控制系统 该系统适应 能力强 可在室内外 山区不同地段拆卸安装运行 并适应大部分物料的输送 根据大部分运输情况的要求 我们将其分为几个控制部分 每个部分都可以在 此基础上根据具体情况加以删减或增加 具体的控制系统组成设计如下图 3 2 所示 3 2 控制系统组成图 为了更加具体 直观的了解自动运料小车的运行流程 也为了使得我们的 设计更加严谨 简单 所以设计出运料小车的运行方式 并将它以流程图表现 出来 其控制系统运行流程图如下图 3 3 所示 精品文档 18 18欢迎下载 否 是 否 是 否 是 否 是 小车装料 按下呼叫按 钮 小车右行 到达呼叫停靠 点 小车停止卸 料 小车左行 到达装料停靠 点 小车停止 按下停止按 钮 结束 开始 按下启动按扭 钮 3 3 控制系统流程图 3 4 运料小车硬件介绍 系统硬件接线图如下图 3 4 所示 精品文档 19 19欢迎下载 3 4 主电路图 3 5 PLC 外部接线图 上图 3 4 所示 KM1 和 KM2 是分别控制电机正转 向右运行 和电机反转 向左运行 的交流接触器 原理上是应用通过改变三相电机的电源相序来改 变三相电机的运行方式 且在 3 5 的 PLC 外部接线图中 KM1 和 KM2 形成了硬 件互锁电路 即 KM1 的线圈串联了 KM2 的辅助常闭触点 KM2 的线圈串联了 KM1 的辅助常闭触点 更好的保证电机的正常运行 提高该系统工作的稳定性 在主电路图中对于三相电机的选择应参考实际生产过程中对于小车的动力 运 行环境要求 精品文档 20 20欢迎下载 四 工作总结 4 1 设计总结 4 1 1 小车的优缺点分析 本设计利用 PLC 实现了运料小车的自动运送生产材料功能 避免了以往继 电器控制系统造价高 接线复杂 体积大 故障率高 维护维修困难 通用性 低 几乎无数据处理和通讯功能等缺点 并且在运料小车的运行过程中通过对 行程开关的运用 使得运料小车的运送精度和效率大大提高 而由于可编程序 控制器的运用 使得系统硬件极少 需要硬件之间的连线相应的较少 这让操 作系统整体上显得简洁明了 有利于生产人员的理解和使用 在系统出现一些 紧急故障时 即使非专业人员也可以进行简单的维修 极大的提高了自动控制 系统的稳定性和安全性 因为是针对较简单的运料系统进行的设计 本系统只是基本实现设计要求 系统显得比较单一 且没有什么功能扩展 这使得该系统的适用性不高 4 1 2 设计的改进及推广 在我们的实际生产生活中 该系统还应该具有智能化 远程化 无人化的 操作优点 比如说将该控制系统接入互联网之中 或者与多台控制器连接组成 局域网 让生产系统与控制系统之间以及系统自生的信息交换更加准确 方便 快捷 这可以在一定程度上提高生产系统的生产效率 安全性和适用性 如果 被控对象有控制要求的话 我们还可以在本设计基础上加上显示功能 显示运 料小车的运行速度 到达指定呼叫点需要的时间等 加入一些特殊传感器来扩 展系统的可控制要求和安全性等 例如在小车底部安装一个声呐类传感器 以 此来检测运料小车的卸料是不是比较完全 在运料距离较长或各个停靠点距离 较大时 可以通过修改运料总数 卸料时间以及自动运料系统程序 使得小车 一次可装载较多的物料 给多个呼叫点补充生产材料 另外 视被控对象的要 求 我们可以将运料小车概念化 比如大型养猪