自动化课程设计-运料小车自动控制系统等3篇

1、滩坊巻浣专业课综合课程设计说明书系部：信息与控制工程学院专业：自动化班级：2012级3班学生姓名：涂壅学 号： 120311400762015 年 12 月 261设计项目一运料小车自动控制系统11.1设计任务与要求11.1.1设计任务11.1.2设计要求11.2设计方案21.2.1运料小车流程图21.3硬件设计21.3.1外部接线图21.4软件设计31.4.1编程软件选型31.4.2 i/o地址分配地址表31.4.3运料小车控制系统梯形图41.5 小结7参考文献82设计项目二异步电动机矢量控制系统仿真92. 1引言92. 2 异步电机矢量控制变频原理92. 3异步电动机矢量控制变频调速系统的

2、仿真模型102. 3.1电流变换和磁链观测模块102.3.2 dq-abc模块122.3.3 电流调节器模块122.4 仿真结果及分析122. 5 小结16参考文献：163设计项目三 基于组态王的双容液位控制系统设计173.1设计任务与要求：173. 2总体设计方案173. 3现场控制系统的设计173.4±位机监控系统183. 5远程监控客户端的设计213. 6联机调试233. 7小结23参考文献23设计项目四 工厂供电系统设计244.1设计任务及要求244. 2总体设计244. 2. 1重复接地的原因和作用244. 2.2同一低压配电系统不能同时采取保护接地、接零的原因254. 2

3、.3接地保护和接零保护注意事项264. 3 小结263/311设计项目一运料小车自动控制系统1.1设计任务与要求1-1-1设计任务某自动生产线上运料小车的运动如图1所示：运料运料小车1号站 2号站 3号站 4号站5号站口动化生产图1运料小午示意图运料小车由一台三和界步电动机拖动，电机止转，小车向右行，电机反转，小向左行。电动机止反转图如图2所示:图2三相异步电动机正反转主电路图km1km2在生产线上有5个编号为15的站点供小车停靠，在每一个停靠站安装一个行 程开关以监测小车是否到达该站点。设有5个呼叫按钮开关（sb1sb5）分别与5 个停靠站点相对应。1.1.2设计要求（1）按下启动按钮，系统

4、开始工作，按下停止按钮，系统停止工作；（2）当小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮sb的编码时，小车向右运行， 运行到呼叫按钮sb所对应的停靠站时停止；（3）当小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮sb的编码吋，小车向左行，运 行到呼叫按钮sb所对应的停靠站时停止；1.2设计方案1.2.1运料小车流程图1.3硬件设计1.3.1外部接线图运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向右行，电机反转，小 车向左行。小车控制系统的输入，输入设备与plc的i/o端对应的外部接线图如图 5所示：45s s6 7 8s s se e e e e ei 0ui 011 02i 03i 04i 0510.6

5、11.211.311.411.7i 2. 0km3qo2quuqo.3kmi fr1图5 plc小车运料外部接线图1.4软件设计1.4.1编程软件选型编程软件选用西门了公司的编程软件s7-200型号。s7-200是一种小型的可编程 控制器，具右极高的性能、极丰富的指令集、易于掌握、实时特性等特点。1.4. 2 i/o地址分配地址表小车运料控制系统的输入有启动按钮开关、停止按钮开关、一个故障恢复按钮 开关、5个呼叫按钮开关、5个行程开关共13个输入点。这个控制系统需要控制的 外部设备冇控制小车运动的三相电动机一个，两个指示灯，其屮 qo. 2(km3), qo. 3(km4)接通两个指示灯前位绿

6、，后为红。对应的i/o地址分配表如表1所示:输入信号功能启动停止故障恢复位置开关1位置开关2位置开关3位宜开关4位置开关5呼叫按钮1呼叫按钮2呼叫按钮3呼叫按钮4呼叫按钮5输出信号电机正传电机反转空闲指示灯故障指示灯按钮对应i/o 口sbo11.0sb812.0sb711.7sq110.1sq210.2sq310.3sq410.4sq510.5sb111.1sb211.2sb311.3sb411.4sb511.5km1q0.1km2q0.2km3q0.3km4q0.4表1小车运料i/o地址分配表1.4.3运料小车控制系统梯形图根据小车运动的控制要求，画岀小车控制系统的梯形图如图6所示:netw

7、ork 2m0.010.2mov_beneno2-inout-vb1network 3mo.oi0.3mov.beneno3-inout-vb1letwork 4m0.0mdv-benen0 4- inout -vb1network 5mo.oi0.5mov.b-eneno 5- inout -vb1network 6m0.1m0.2m0.3m0.4mov.b-eneno 1 - inout -vb2network 7m0.2m0.3m0.4m0.5mov.b一 eneno 2- inout -vb2network 8m0.3m0.1m0.2m0.4m0.5m0v_b-eneno 3- ino

8、ut -vb2network 10m0.5m0.1m0.2m0.31m0v_benom1tn5-inoutvb2m0.4network 12vb2<bq0.1()vb1etwork 13qo.ot ! q0.110.1i0.2i0.3i0.5m0.7)m0.7t iletwork 14101t ?i0.2i0.3i0.4i0.5m1.0m0.7q0.1()jet work 15i0.0mov.beneno vb1 - inout -vb2letwork 16i2.0m0.1)m0.2letwork 17letwoik 1810.012.0图6运料小车梯形图1.5小结本设计运用的可编程控制

9、器实现的运料小车口动控制，避开了以往继电器接触 不良、开关易损坏等缺点，可靠性和稳定性都冇所提高。在检测小车是否到达装料、 卸料点的时候，运用了行程开关，这样的检验系统让小车的停靠位置更加准确。在 这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。我要感谢安宏伟老师在课程 设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计的主要 原因，更重耍的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。参考文献1 plc在运料小车自动化系统中的运用主编 戴冠英工矿自动化-2005 年，6 期:57-592 机床控制技术第四版主编 齐占庆机械工业出版社2010年3 可编程控制器常用

10、控制电路主编 何友华 冶金工业出版社2008年4 工厂电气控制技术主编 熊幸明 清华大学出版社2005年5 可编程控制器应用技术主编 胡学林 高等教育出版社 2003年2设计项目二异步电动机矢量控制系统仿真2.1引言交流异步电动机是-个高阶、强耦合、非线性的多变量系统。该系统数学模型 比较复杂，将其简化成单变量线性系统进行 控制，动态性能不够理想，调节器参数很 难准确设计1。为了实现 高动态性能，20世纪70年代初徳国西门子公司f. blaschke等提出了矢量控制的方法。所谓矢量控制就是以转了磁场定向，用矢量变 换的方法,实现对交流屯动机转速和磁链控制的完全解耦，达到与直流电动机一样 的调速

11、性能4 o利用matlab/simulink中的电气系统模块(powersystem blocksets )构建异步电机矢量控制仿真模型，并对其动态性能进行仿真实验。2. 2 异步电机矢量控制变频原理在同步旋转的mt坐标系中，将m轴方向固定在转子磁场方向，因此矢量控制 又称为磁场定向控制。在沿转子磁场定向的m、t同步旋转坐标系屮，对于笼型转 子异步电机，由于传子短路，冇ms = 0,则电压方程矩阵可简化为：厶 slmputl0-0 -+厶sp3皿0 r2 + lrp 0a)slr式中:心，尺2为定子和传子电阻；为定子和转子绕组的自感；ml为定转子绕组间的互感 异步电机矢量控制中, 被控的是定子

12、电流因此,需要推导岀定子电流分量和其他物理量的关系。心二一儿(2)mt当转子磁链达到稳态并保持不变时，电磁转矩只曲4决定，此时磁链与转矩分 别由im和4独立控制，磁链与传矩实现了解耦。2.3异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型在 matlab6. 5 环境卜，利用 simulink 和 power sys-tem blocksets,可以构建异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型2。speed controller是速度调节器，速度调节器的输出信号是转矩给定c t*。 在iqs* calculation模块中，根据转矩给定c t*和转了磁通2來计算得出定了 电流的转矩分量iq*,显然是给

13、定值。teta calculation模块的作用是计算q角， 也就是d轴的位置。abc-dq环节的作用是根据角q,将实际的电动机定了电流ieibc 变换得到d、q坐标系中的分量id和iqo id*calculation模块的作用。2. 3.1电流变换和磁链观测模块在同步旋转m、t坐标系屮构造的电流模型磁链观测器。电机定子三相电流ai、 b i > c i经3/2变换变成二相静止坐标系电流di > a i，再经同步旋转变换并 按转子磁场定向，得到m、t坐标上的电流m i、t i。由m i、t i即可以得 到2 y和s w ,由s w与电机转速的反馈信号w相加得到定了频率信号，再经 积

14、分，即口j得到转 子磁链的相位信号。在matlab/simul ink中圭寸装的电流变换和磁 链观测模块如图2所示。图2封装的电流变换和磁链观测模块(1)电流变换abc-dq模块abc-dq模块完成从abc三相定子坐标系到dq坐标系的变换，在这个模块中, 根据定子电流在abc三相定子处标系下的分量,经过旋转变换，得出电动机定子电 流在dq坐标系下的转矩分量iqs和励磁分量ids。模块的构造图如图3所示转子磁链幅值的计算采用式(2),仿真模块内部结构如图4所示:(3)转了磁链角计算模块转子磁链角通过计算q=j( + ),其中转差频率"有下式计算该仿真模块的结构如图5所示图5传子磁链角计

15、算模块2.3.2 dq-abc 模块dq-abc模块的作用是根据定了电流在dq坐标系卜的分量，经过旋转变换得 出电动机定了的三相绕组电流的给定值t*abc,其内部结构如图6所示，根据旋转变 换的公式得出ab两相 电流,c相电流由ic=-ia-ib得到。2. 3. 3电流调节器模块电流滞环pwm控制用一个正弦波电流信号作为电流给定信号,将实际检测到的屯动机屯流作为反馈信号，两者比较后作为滞 环比较器的输入，滞环比较器电流 调节器仿真模块的内部结构如图7所示，由三个滞环控制器和三个逻辑非运算器组成。1 oh*not-'kidpukesijbc9nor-»pi_>图7电流调节

16、器模块2.4仿真结果及分析利用图2所示的仿真模烈，对三相异步电动机矢量控制系统的原理进行仿真研究。在电动机的测量模块demux中选择电动机的定了三相电流、电动机的电磁转矩 以及转了角速度作为测量对象，转子漏感0. 8mh;定转子漏感34. 7mh;极对数为2。速 度调节器的参数如下:积分增益ki二26,比例增益kp二13;电流调节器采用滞环型的 pw控制器，滞环宽度为20ao仿真的波形如图8、图9所示。dme（3）图8空载时的速度仿真曲线t)rne(s)图9空载时的转矩仿真曲线图10空载时的电流仿真曲线图11加负载时的速度仿真曲线图12加负载时的转矩仿真曲线图13加负载时的电流仿真曲线从图8空

17、载运行的曲线可以看出在开始启动的瞬间，恒转矩启动阶段的大约时 间为0.3so在恒转矩段，转矩 保持在极限值300n. m,这个极限值是在速度调节器参 数表中设定的。速度约在0.4s时上升到最大值，在约13s时达到稳态值，稳 态转 子角速度为120rad/so从图9是负载运行的仿真曲线，当转速达到稳定值120rad/s后,在1. 5s时,给 电机突加nm t1 = 100的负载，此时电机输出转矩从零迅速跳变为额定负载值，转 速恢复时间为0. 5s,系统具冇良好的抗负载扰动的能力。2.5小结用mat l ab/si mu link中的电气系统模块(power system blocksct )构建

18、动态矢 量仿真系统，说明matlab非常适合电机控制领域内的仿真及研究,在某些问题的 研究'i1 matlab/simulink能带来极大的方便并使效率极大提高。实验证明，用 simulink进行交流调速系统的动态仿真，具有方便、直观、灵活、精确的优点，是比 较理想的仿真方法。参考文献：1 陈伯时电力拖动自动控制系统，北京:机械工业岀版社,20002 张志涌，徐彦琴,matlab教程，北京:北京航空航天大学出版社,20043 b. k. bose,姜建国等译，电力电子学与变频传动技术和应用，北京：中国矿业大学 岀版社,19994 纪志成，薛花，沈艳霞，基于matlab交流界步电机矢量控

19、制系统的仿真建模， 系统仿真学报,20043设计项目三基于组态王的双容液位控制系统设计3. 1设计任务与要求：任务：以双容下水箱液位为被控参数，以智能仪表为控制器，以电动调节阀为 执行器构成双容液位单回路控制系统，以pc机为上位机（组态王为监控软）对现场 参数监控，通过网络连接客户端，在客户端能对现场参数监控。要求：完成方案设计（包括设计思路、设计原理、实现功能等）完成现场控制系统设计（包括各功能电路接线图、框图和说明等）完成上位机监控系统组态设计的设计远程监控客户端的设计32总体设计方案图1总体设计方案总体设计方案如图1所示:系统由现场控制系统、上位机、远程客户端构成。现场控制系统：现场参数

20、控制；监控系统：采用pc机，预装组态王软件，实现对现场控制系统监控。同时服务 器做上位机，百特智能仪表做卜位机构成上卜位机监控逻辑结构。客户端：远程客户端pc机通过opc技术连接到服务器，实现远程监控。3. 3现场控制系统的设计现场控制系统：双容水箱、液位传感器、智能控制仪表、电动调节阀构成，原理图如图2所示，控制规律采用pid控制规律。图2现场控制系统原理图1. 百特智能仪表1）适用范围：适用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等各种现场 和设备配套。2）万能输入信号：只需做相应的按键设置和硬件跳线设置，即可在以下所有 输入信号之（4）3）多种给定方式可选：木机给定方式（lsp）；吋间程

21、序给定；外部模拟给定 （远程给定）。4）多种控制输出方式：10ma、4-20ma、0-5v、1-5v控制输岀。5）专家白整定算法：独特的pii）参数专家门整定算法，将先进的控制理论和 丰富的工程经验相结合。6）可带rs485 /rs232/modem隔离通讯接口或串行标准打印接口。7）零点、满度自动跟踪，t期运行无漂移，全部参数按键可设定。2电动调节阀：单座阀，螺纹连接，线性流量。3液位变送器：420madc3. 4上位机监控系统1. 上位机监控系统组成硬件:pc机软件：组态王（1）组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以 及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产

22、系统和应用以及信息交流汇集 在i起，实现最优化管理。(2) 组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对己有工程进 行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控 的设备及相关量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。运行系统：工程运行界面，从采集设备屮获得通讯数据，并依据工程浏览器 的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。(3) 组态王与1/0设备通信组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常

23、见的plc、 智能模 块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等(如：西门子plc、莫迪康plc、 欧姆龙plc、三菱plc、研华模块等等)通过常规通讯接口(如串口方式、usb接 口方式、以太网、总 线、gprs等)进行数据通讯。(4) 组态王的开放性组态王支持通过opc、dde等标准传输机制和其他监控软件(如：intouch, fix、wince等)或其他应用程序(如：vb、vc等)进行本机或者网络上的数据交 互。2. 上位机监控系统设计(1) 建立组态王新工程：启动组态王，进入工程管理器，点击新建，选择存储路径，将工程名定为基于 组态王的双容液位控制系统系统，将工程设为当前工程(2) 创建组态i

24、mi面进入组态王开发系统后，依次建立监控总图、液位现场控制系统、报警窗口、 丿力史趋势曲线窗口和数据报表窗口等人机接口。英屮将监控总图设为启动窗口，各 窗口 z间可口由切换。(3) 定义10设备定义io设备包括指定设备驱动，地址，逻辑名等关键参数。选择工程浏览器左侧大纲项“设备com1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键 双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，择“百特仪表，xm类仪表，审口， 外部设备名称百特仪表，为设备选择连接串口为c0m1,填写设备地址1:0-3:0。通 讯参数为：采用串口通迅，端口号com1,波特率为9600bps,数据位8,无校验位， 停止位1:0,通讯超时3000ms,釆

25、集频率1000mso（4）构造数据库数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况耍以动画的形式反 映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送往生产现场，所有这一切都 是以实吋数据库为屮介环节。选择工程浏览器左侧大纲项“数据库数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标 左键双击“新建”图标，弹岀“变量屈性”对话框，依次建立数据字典“测量值”、“输出值”、“设定值”、“比例度”丨“积分时间”、“微分时间”、“手动自动切换”等。（5）动画连接定义动虺连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系, 当变量的值改变时，在画面上以图形对彖的动画效果表现出来。1）水箱的动画连接水箱链接：

26、双击下水箱，在弹出的属性设置框中选择填充，在弹出的设置框中 连接pv值2）按钮链接：双击按钮，在弹出的属性设置框屮选择模拟量输入，在弹出的 设置框中分别连接连接“输出值”、“设定值”、“比例度”“积分时间”、“微分时间”、“手动自动切换”，保存。3）输出连接双击xxxx,在弹出的属性设置框中选择模拟量输出，在弹出的设置框中分别 连接连接“测量值”、“输出值”、“设定值”、“比例度”“积分吋间”、“微分吋间”、“手动自动切换”4）管道连接：双击管道，在弹出的屈性设置框屮选择流动，在弹出的设置框 中连接“输出值/10”5）保存画面（6）启动配置选择工程浏览器左侧大纲项“系统配置设置运行系统”，双击

27、打开,在弹出对话框中选择启动时，画面最大化，启动画面为监控总图3. 5远程监控客户端的设计远程监控客户端的设计与上位机监控系统的设计相似1建立组态王新工程：启动组态王，进入工程管理器，点击新建，选择存储路径，将工程名定为基于 组态王的远程监控系统，将工程设为当前工程2. 创建组态画面进入组态王开发系统后，依次建立监控总图、液位控制系统、报警窗口、历史 趋势曲线窗口和数据报表窗i i等人机接口。其中将监控总图设为启动窗】i,齐窗口 之间可自曲切换。3. 定义10设备选择工程浏览器左侧大纲项“设备0pc服务器”,在工程浏览器右侧用鼠标 左键双击“opc服务器新建”图标，在弹岀“查看opc服务器”对

28、话框屮， “网 络节点名”编辑框中输入“scrvxl,然后单击“查找”按钮，选中 “kingview. view. 1",确定。如图 12 所示m8bixj叫讥'amtlxj一 一 timytlm j理开議爲鶴釁橡蛊孟竄壽黑崽t算p 凑 占 j l b发境发 文 设 说回琏&劉®elcr?倉 q/w«ha'arah邑 0 l ®.el.处.etl更1.珂二：厂言袤： 点幻ns疥3豎誉建« a 霜kss蠶器需翼 £於配末斛结数报岳8 8dd饭op网煙设没报历网用打筋杰记opcopcopcs«rverls

29、«rv«r2s«rv«r3査 sopckse3网絡节点名(jo ccoput or 1)opcffil务器当出腕信瞬时，设定恢复策昭兰曲欢间瓯30秒最长仮矣时14网小时订阅施 looos»p侵用动态优化査找|二解二取消|图12定义远程客户端设备4. 构造数据库选择工程浏览器左侧大纲项“数据库数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标 左键双击“新建”图标，弹出“变量屈性”对话框，依次建立数据字典“测量值”、“输出值”、“设定值”、“比例度”丨“积分时间”、“微分时间”、“手动口动切换”。序号参数名设备寄存器数据类型读写属性最大值最大原 时值1pv1se

30、rverlpv1. valuefloat只读1001002mv1servcrlmv1. valuefloat读写1001003sp1serverlsp1. valuefloat读写1001004p1serverlpl. valuefloat读写100100511serverltl. valuefloat读写10010061)1serverldi. valuefloat读写1001007am1servcrlami. valuefloat读写1001008kdtz1serverl内存整形9jlbfb1serverl内存整形5.动画连接以液位控制系统为例说明动虺链接，(1) 水箱的动画连接双击下水箱

31、，在弹出的屈性设置框屮选择填充，在弹出的设置框屮连接本地pv 按钮链接双击按钮，在弹出的属性设置框中选择模拟量输入，在弹出的设置框中分 别连接连接“输出值”、“设定值”、“比例度”“积分时间”、“微分时间”、“手动自动 切换”，保存。(3)输出连接双击xxxx,在弹出的属性设置框中选择模拟量输出，在弹出的设置框中分别 连接连接“测量值”、“输出值”、“设定值”、“比例度” “积分时间”、“微分时间”、 “手动自动切换”管道连接双击管道，在弹岀的属性设置框中选择流动，在弹出的设置框中连接“输出值(5) 保存画面6启动配置选择工程浏览器左侧大纲项“系统配置设置运行系统”，双击打开,在弹出对话框中选

32、择启动时，画面最大化，启动画面为监控总图3. 6联机调试1）由工程开发系统启动到运行系统2）设置sp为15, am为0, p为10, i为20, d为0,观察液位变化情况.3）液位变化情况用震荡衰减法调整pid参数.4）系统稳定后，改变sp为25,观察液位变化情况.调整pid参数.3.7小结通过木次实验，完成了基于液位控制系统的pid串级控制算法的研究与应用， 在验证理论与算法的同时拓展了原有的实验平台，使得原有的实验装置的实验内容 得到了丰富与充实。参考文献1王再英，刘淮霞，陈毅静，过程控制系统与仪表m.北京机械工业出版社.2王志新，谷云东，王加银等，双容水箱上的集屮液位控制实验及被控对象的

33、数学 模型，j北京师范大学学报.3姜秀英，过程控制系统实训m,化学工业出版社.4设计项目四工厂供电系统设计4.1设计任务及要求我国380/220v低圧配电系统中，广泛采用中性点直接接地的运行方式，而tn 系统应用最为普遍。如图所示，试分析如下问题：(1) 分析说明重复接地的原因和作用。(2) 同一低压配电系统中，不能自的设备釆取保护接地而有的设备釆取保护接 零，分析其中的原因。4.2总体设计4. 2.1重复接地的原因和作用在tn系统中，为确保公共pe线或pen线安全可靠，除在电源中性点进行工作接地外，述应在pe线或pen线的下列地点进行重复接地。(1)在架空线路终端及沿线每隔1km处;(2)屯缆和架空线引入车间和其他建筑物处。v断线pen/e o oq o iooo/ n/m/(b"j虫父接地图1重复接地的作用说明(a)没有重复接地中，pe线或pen线断线时(b)采用重复接地中，pe线或pen线断线时如果不进行重复接地，则在pe线或pen线断线且有设备发生单相接壳短路时,接在断线后面的所冇设备的外霜口j导电部分(外壳)都将呈现接近于相屯压的对地电压，即图1 (a)线路与地形成回路，4兀二220v,这是很危险的。如果进行重复接地，