基于PLC的自动上料机设计

基于PLC的自动上料机设计摘要电器控制技术应用于各个行业，电气控制技术的开展，是随着科学技术的不断开展、生产工艺的不断改良和电器控制的日新月异而迅速开展。从简单的控制系统开展到以计算机为中心的上位机对下位机的控制。越来越多的实现对机械的控制。上料机是在日常生产中应用广泛的设备，自动控制能够减轻人的劳动，使人从中解放出来。自动上料是常见的工业生产环境，因为伺服电动机的各种优点所以自动送料机的马达选用伺服电动机。因为伺服电机不需要A\D转换，能够直接将数字脉冲信号转化为位移，所以被认为是理想的执行元件。随着伺服电机技术的开展，伺服电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为不可替代的执行元件。伺服电机的抗干扰能力强，它工作的可靠性高，同时，由于实现模块化结构，使系统构成十分灵活，便于在线修改，产品适应性强。本课题采用PLC控制伺服电机来控制小车的自动运行，实现自动上料功能，完成要求的运行状态。本文以为燃煤锅炉为研究背景进行了如下设计：(1)建立了根本模型，确定了控制要求。(2)确定了系统控制方式，选定了PLC，制定了设计过程，设计了能够实现完整功能的程序。(3)进行了局部硬件接线的设计，能够完成局部接线任务。关键词：PLC；自动上料；控制系统目录摘要=2\*ROMANI第1章绪论11.1课题背景11.2本课题设计的目的和意义11.3主要研究内容2第2章上料系统32.1上料系统图32.2控制要求42.3本章小结4第3章硬件及连接53.1硬件的选择5电机5传感器6接触器73.2线路接线93.2.1PLC的连接9电机接线93.3本章小结9第4章系统控制确定104.1PLC的结构及优点104.1.1PLC的结构104.1.2PLC的控制的优点114.2PLC的主要功能和应用134.3设计过程13系统程序设计的根本步骤13确定I\O接口144.3.3PLC的选型144.4梯形图154.5本章小结19结论20参考文献21致谢22绪论1.1课题背景人类逐渐开展向机械化时代，越来越多的自动化产品代替手工劳动，使人类得到解放，自动化控制是时代的需求，面对未来的需求，本课题研究就是实现日常中上料小车的自动控制。产业中已不在是仅仅要求单机自动化，而是要求能实现一条产线甚至更大规模的全盘自动化。因此将机械、电子等联系起来实现整体的自动化控制是很有必要的。本次课题就是实现PLC对上料小车的自动控制，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。并使其完成人为规定其需要完成的动作，各执行机构根据系统要求，实现一定的规律和顺序运动。[1]PLC即可编程控制器〔ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为根底的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会〔InternationalElectricalCommittee〕公布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原那么而设计。可靠性高，抗干扰能力强。配套齐全，功能完善，适用性强。易学易用，深受工程技术人员欢送。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造体积小，重量轻，能耗低。因此进行伺服电机的PLC控制系统设计，可以推动与伺服电机相关行业的开展，具有一定的经济和理论研究的价值。1.2本课题设计的目的和意义自动送料系统是当今常见的工业生产设备，由于计算机的开展，使得伺服电机获得了广泛的应用和普及，在许多领域的到应用。伴随着不同数字化技术的开展以及伺服电机本身技术的提高，使得其应用领域更广，故自动上料控制有广泛的应用价值。目前比较典型的控制方法是用单片机产生的脉冲来控制电机。但采用单片机控制，不仅要设计复杂的控制程序和I\O接口电路，实现比较麻烦，而且工业现场的恶劣环境适应性差，可靠性不高。基于PLC控制具有设计简单、实现方便、定位精度高、参数设灵活的优点，在工业过程控制中使用可靠性高，监控方便。因此用PLC来控制伺服电机来实现自动控制，非常有实际价值。主要研究内容课题主要研究的是如何实现要求的功能，在完成硬件接线的前提下，平安稳定的实现控制功能。(1)通过编程，控制系统的整体运行，主要研究对象是程序，认真仔细的编写程序。(2)通过编程软件的自检测功能检测程序是否能正常运行，保证程序的准确性，在实现功能的前提下尽可能是程序精简，保证程序高效运行，减少运行时间，使系统高效工作，到达最节能最高效的工作。上料系统以燃烧炉为背景进行建模，设计能够进行自动上料的控制系统，实现自动上料的目的，通过PLC的控制来控制电机的正反转，通过上料小车电机的正反转靠控制小车的前进与后退，炉门电机的正反转来控制炉门的开关，通过行程开关来检测小车的位置，PLC的程序来实现对上料的控制，满足要求的功能，进行了如图2-1的建模。上料系统图上料小车炉门上料小车炉门导轨小车电机炉门电机控制要求通过系统图模拟要实现的功能列出如下控制要求：(1)按启动按钮→炉门电机正转→炉门开；(2)压下炉门上限位开关→炉门电机停止；推料机电机正转→推料机进，送料入炉到料位；(3)压限位开关→推料机电机停止；延时3秒后，推料机电机反转→推料机退到原位；(4)压限位开关→推料机电机停止；炉门电机反转→炉门闭；(5)压限位开关→炉门电机停止；常闭触点闭合，为下次循环作准备；(6)完成4次上料后，系统自动停止；(7)假设按下停止按钮，那么完成当前工作后，才能停止工作。本章小结(1)建立并绘制上料系统图，明确系统中的主要硬件局部，(2)编写系统控制要求。对小车工作过程进行介绍，明确程序编写需要实现的功能。硬件及连接硬件的选择电机伺服电机〔servomotor〕是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反响，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类。伺服电机：伺服电机有转矩、惯量、转速三大要素组成。根据负载的控制精度要求选择步距角大小，根据负载的大小确定静力矩，静力矩一经确定根据电机距频特性曲线来判断电机的电流。一旦三大要素确定，伺服电机的型号变确定下来。图4-1伺服电机传感器物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒壮固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不等而形成的界面位置。根据具体用途分为液位、料位、界位传感器或变送器。物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备平安的重要参数。特别是在现代工业中，生产规模大，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。物位测量可用于计算物料储量。对于粉粒体，必须考虑到颗粒间有空隙，应区分密度和容重。密度是指不含空隙的物料每单位体积的质量，即通常的质量密度，如果乘以重力加速度g，就成为重力密度r，简称为重度。容重是包含空隙在内的每单位体积的重量v，也就是视在重度或宏观重度，它总要比颗粒物质本身的重度小，其差额决定于空隙率。而空隙率又取决与许多因素。例如颗粒形状、尺寸的一致程度、是否受外力压实、是否经受过振动、有无黏结性等，所以粉粒体物料的体积储量和质量储量之间不易精确换算，这是需要注意的[6]。现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。(1)灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，那么应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，那么要求传感器的交叉灵敏度越小越好。(2)线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，那么其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。(3)精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节[7]。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较廉价和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到适宜的传感器，那么需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。图4-2传感器接触器接触器是用来远距离频繁地接通和断开交直流主电路和大容量控制电流的电器。具有动作迅速控制容量大使用平安方便，能频繁操作和远距离操作等优点。主要用作电动机的主控开关；小型发电机；电热设备；电焊机和电容器组等各种设备的主控开关。能接通和断开负载电流，但不能切断短路电流，因此常与熔断器和热继电器等配合使用。主要由触头系统；电磁机构和灭弧装置等组成[6]。线圈和静触头是固定不动的，当线圈通电后，产生的电磁力克服弹簧的反作用力，将衔铁吸合并使动；静触头接触，从而接通主电路。当线圈断电时，由于电磁吸力消失，衔铁依靠弹簧的反作用力而跳开，动触头和静触头也随之别离，切断主电路[8]。交流接触器主要由四局部组成：(1)电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；(2)触头系统,包括三副主触头和两个常开、两个常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；(3)灭弧装置,一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,以便迅速切断电弧,免于烧坏主触头；(4)绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。交流接触器的工作原理：当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失,动铁芯联动局部依靠弹簧的反作用力而别离,使主触头断开,切断电源。图4-3接触器线路接线PLC的连接本设计的PLC外部接线如下图.CPU224CN的传感器电源24V(DC)可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU224CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为5~30V〔DC〕或5~250V〔AC〕。PLC的接线尽可能清晰明了。便于检查。电机接线简单绘制电机接线图，完成电机的接线。MM3~KM2KM1UVW图4-5电路接线图本章小结本章对局部硬件设备进行了研究和分析如下：(1)阐述了电机的特点，以及确定的要素。详细的介绍了电机的具体要素对做出选择提供了根底。(2)分析了传感器的应用和其选择原那么。对几个要素做了具体介绍，对本设计特别关心的精度等做了说明。(3)讨论了接触器的特点和它的组成。对于局部线路通过接触器可以起到更好保护最用，通过他的工作可是使设计更好的完成要求实现的功能，更平安更可靠。(4)研究了局部线路的接线，确定其接线顺序，为安装提供方便。接线要仔细，这是能成功运行的前提条件，所以线路图是很重要的。系统控制确定PLC的结构及优点PLC的结构S7-200系列PLC系统由主机〔根本单元〕、I\O扩展单元、功能单元和外部设备等组成。S7-200PLC主机的结构形式为整体式结构[2]。(1)电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。(2)中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据存放器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出存放器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。(3)存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。(4)输入输出接口电路现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道；现场输出接口电路由输出数据存放器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。PLC的控制的优点PLC能如此迅速开展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些以下特点：(1)可靠性可靠性包括产品的有效性和可维修性。PLC的可靠性高，表现如下：与继电器逻辑控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因：PLC不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计、掉电保护、故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。PLC有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高[3]。(2)易操作性操作方便对PLC的操作包括程序输人的操作和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行程序输人和更改的操作。编程器至少提供了输人信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用CRT屏幕显示，因此，程序的输人直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT屏幕上显示。所以PLC具有操作方便的特点。编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解，所以有利于程序的编写和学习。采用布尔助记符编程语言时，由于符号是功能的简单缩写，十分有利于编程人员的编程。为便于维修工作的开展，有些PLC的制造企业提供了维修用的专用仪表或设备，提供了故障树等维修用的资料。有些厂商还提供维修用的智能卡件或插件板，使维修工作变得十分方便。(3)灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。编程方法的多样性使编程方便，应用面拓展。由于采用软连接的方法，在生产工艺流程更改或者生产设备更换时，可以不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统所不能比较的。正是由于编程的柔性特点，使PLC能大量地替代继电器顺序控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。在柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成过程控制系统(CIPS)中，PLC正成为主要的控制设备，得到广泛的应用。操作的灵活性，操作的灵活性是指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作可以简化，不同的生产过程可采用相同的控制台或控制屏等。(4)机电一体化为了使得工业生产过程的控制更平稳、更可靠，向优质高产低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化——仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程控制而设计的控制设备，它的体积大大减小，功能不断完善，抗干扰性能增强、机械与电气部件被有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。因此，它已成为当今数控技术、工业机器人、过程流程控制等领域的主要控制设备[4]。当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，可编程逻辑控制器。即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。输入采样阶段：可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，那么该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。用户程序执行阶段：可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。PLC的主要功能和应用PLC的主要功能和应用如下：(1)开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最根本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。(2)模拟控制在工业生产过程中，由许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大局部PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比较的优势。另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反响或其他模拟量的控制运算。(3)定时控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器。其定时时间间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对于频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数器。(4)数据处理新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算，数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。(5)通信把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器[5]。设计过程系统程序设计的根本步骤(1)深入了解和分析控制要求。(2)确定I\O设备。根据需要，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、开关灯，常用输出设备有指示灯等。(3)根据I\O点数选择适宜的PLC类型。(4)设计自动上料系统的梯形图程序，根据工作要求设计周密的梯形图程序，这是核心工作。(5)将程序输入PLC进行软件测试。确定I\O接口表3-1I\O口分配表序号名称地址1启动按钮I0.02门上限位开关I0.13料车到位限位开关I0.24料车原位限位开关I0.35门下限位开关I0.46停止按钮I0.57炉门开Q0.08料车前进Q0.19料车后退Q0.210炉门关Q0.3PLC的选型对输入输出点的选择盲目选择多点数的机型会造成一定浪费。按实际所需总点15~20%留出备用量后确定所需PLC的点数。对PLC结构形式的选择在相同功能和相同I\O点数的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能拓展灵活。维修方便，容易判断故障等优点，要按实际需要选择结构形式。最大限度地满足被控对象的控制要求；保证PLC控制系统平安可靠；力求简单、经济、使用及维修方便；适应开展的需要。综合输入输出点的计算以及要实现的电梯控制功能和现有PLC，使用西门子s7-200PLC〔CPU224〕加一个16输出扩展模块和一个8输入扩展模块，这样就能完全能够满足设计要求。S7-200PLC是一种小型可编程逻辑控制器〔MicroPLC〕，可应用于各种小型自动化控制系统。高集成度的设计、低廉的本钱使得s7-200成为各种小型控制任务理想的解决方案，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。并且，西门子s7-200PLC具有：极高的可靠性、丰富的指令集、极快的浮点运算速度、丰富的扩展模块、强大的内部集成功能等几个方面的出色表现。图3-1西门子PLC梯形图本章小结在本章对PLC和程序进行了研究和编写。(1)对PLC的结构和优点进行介绍，解释了它的运行过程，对更好的理解PLC提供了理论依据。为PLC的选择提供根底，对控制要求的实现有明确的理解。(2)确定了程序的编写过程，详细的分析了控制要求，确定了接口的分配。(3)通过对PLC特点和优点的研究，对满足要求的PLC进行了选择。为更好的完成功能要求提供可靠保证。(4)通过软件的自检测功能编写了正确的程序，通过完整的程序，可以实现完整的功能要求。结论本设计的自动上料车系统可以实现通过手动操作按钮实现控制要求，在其今后开展中一定可以通过传感器检测实现全面自动化，保障生产的可靠性、平安性、降低生产本