基于plc的机械小车运料自动控制系统毕业设计

基于plc的机械小车运料自动控制系统毕业设计内容摘要：

部信号的转换。 通常情况下，来自生产设备或控制现场的各种输入信号，通过输入接口电路可以讲开关量信号转换成 PLC 内控制所需要的、 CPU 能够直接处理的 TTL 电平，将模拟量信号转换成 PLC 内部所需要的数字量等。 输入接口电路一般由信号连接器件（如接线端子、插头等）、输入电路（ RC 滤波器、限流电路、整流电路、稳压电路等）、信号 隔离 /电平转换电路（如光电耦合器件、模拟开关等）、输入信号寄存电路等环节组成。 （ 4） 输出接口电路 输出接口的主要作用是完成 PLC 内部信号到外部信号的转换。 通过输出接口电路，可以将 CPU 处理完成的逻辑运算结果转换到外部执行元件所需要的控制信号，将处理完成的数字量信号转换成外部控制、显示所需要的模拟量等。 输出接口电路一般由信号连接器件（如接线端子、插头等）、输出驱动电路 （如中间继电器、 大功率晶体管、双向晶体管等 ） 、信号隔离 /电平转换电路（如光电耦合器件、模拟开关等）、输出信号寄存电路等环节组成。 （ 5） 通信接口 通信接口的主要作用是实现 PLC 与外部设备之间的数据交换。 最基本的通信接口有 RS23 RS42 RS485 等标准的串行接口。 11 （ 6） 内部电源 PLC 的外部输入电源有交流输入和直流输入两种。 由于 PLC 内部一般采用开关电源 ，因此大部分 PLC 对输入电压的要求不高，交流输入时，一般为单相 AC85260V,50/60HZ；直流输入时要求 ,但部分PLC 对“纹波”有一定的要求。 PLC 内部电源的作用主要是提供 PLC 内部的 TTL 集成运算放大器等组件的工作电源，因此，需要将外部输入转换为 DC5V、 DC24V 等不同的电压。 PLC的工作原理 在 PLC 电路中， PLC 可以分为输入电路、内部控制、输出电路三部分。 其中输入电路代表了实际 PLC 的输入接口电路板、输入采样、输入缓冲等部分；内部控制电路代表了实际 PLC 的控制程序执行过程；输出电路代表了实际 PLC 的输出接口电路、输出刷新、输出缓冲等部分。 （ 1） 输入电路 由外部输入信号、 PLC 输入接线端、等 效输入继电器三部分。 外部输入信号经 PLC 的输入接线端与输入继电器接入。 每个输入继电器与输入信号一一对应，当外部输入“ 1” 时，输入继电器“线圈”得电，内部控制电路中对应的输入接点“吸合”。 （ 2） 输出电路 由内部输出接点、 PLC 输出接线端、输出执行元件三部分组成。 内部输出接点经 PLC 的输出接线端与输出执行元件连接，每个输出接点与内部控制电路中的输出线圈一一对应，当输出线圈为“ 1” 时，输出接点接通，且每一个输出线圈只能有一个用于驱动外部执行元件的接点。 （ 3） 内部控制电路 由 PLC 用户程序转化而来，它将 PLC 程 序中的顺序控制逻辑转化成 12 普通的继电器控制线路。 在 内部控制电路中， PLC 的定时器、计数器可以用继电器控制线路的时间继电器、计数继电器进行等效。 PLC的工作过程 当 PLC 投入运行后，主要的工作过程可以分为输入采样、执行程序、通信处理、 CPU 诊断、输出刷新五个基本步骤，并且不断循环执行。 如果不考虑 PLC 的公共处理过程， PLC 的正常执行用户程序的工作过程分为 3 步：① PLC 一次性将全部输入端的状态 (输入信号 )读入输入缓冲寄存器，生成“输入映像”； ② 执行 PLC 用户程序，进行逻辑运算处理，运 算结果立即写入指 定的标志寄存器、数据寄存器、输出缓冲寄存器中； ③ 用户程序处理完成， PLC 一次性将全部“输出映像”输出到 PLC的输出端。 13 3 方案设计 方案的比较 方案 1： 运料 小车在最初位置 时 ，按下启动按钮， 电机正转，小车开始前进， 到达 右限位 开关，电机停转，小车停止 ；按下电机反转启动按钮，小车后退，到达左限位开关，电机停转，小车停止，按下停止按钮，小车完成一个工作周期。 方案 2： 运料小车在最初位置时，按下正转启动按钮，如果运料小车处于停止状态，则立即正转运行，到达右限位开关后停止；等待装料10s 后，电机自动切换到反转，小车开始后退，直至到达左限位开关处停止，等待卸料 5s 后，运料小车回到最初位置，按下停止按钮，运料小车完成一个工作周期。 针对 这两 个方案， 做出一些分析 并得出方案 3：在 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 ,组成了硬件互锁电路 ，以此 避免由于正反转 (运料 小车前进 ,后退 )切换过程中电感的延时作用 ,导致原来接通的接触器的主触点还未断弧时 , 另一个接触器的主触点已经合上而造成交流电源瞬间短路的故障。 在运料小车装料、卸料的过程中，用指示灯 L1， L2 来显 示当前的运料小车所处的状态，也方便工作人员的监管。 限位开关的作用是为保证运料小车能够在准确的位置停车。 14 系统描述 本设计的控制对象 是机械运料小车的 电动机 ， 其目的是通过控制电机的正反转来控制机械运料小车在 A、 B 两地 自动 往复运动 ，从而实现在B 地卸料、在 A 地装料这一 过程。 机械 运料 小车的控制示意图和 动作循环图如下 ： 图 31 运料小车的控制示意图 和动作循环图 控制要求 控制系统各部分的工作过程如下： （ 1） 机械运料小车在初始位置处，按下启动按钮 SB1， 电机正转， 则机械运料小车前行，； （ 2） 机 械运料小车运行至 右限位开关 ST1， 电机停转， 运料 小车停止，等待装料 ， 装料指示 L1 灯亮； （ 3） 延时 10s 后， 指示灯灭， 装料完成 ，电机反转， 运料小车后退 ，直至运行至左限位开关 ST2 处， 电机停转， 运料 小车停止， 等待卸料， 15 卸料指示 L2 灯亮； （ 4） 延时 8s，指示灯灭，卸料完成 ,到此完成一个工作周期，若不按停止按钮，此过程可以循环。 主要 电气元件的配置 根据系统的控制要求，选择设计所需要的电气元件： （ 1） 三 相异步电动机的选择 通过对 控制要求 的分析，控制系统需要一台三相异步电动机 M,为满足工艺要求，电动机的 功率选定为 1KW,型号： J02224, 1410 转/分， 380V， 安。 （ 2） 开关的选择 在该系统的主电路中，采用三级的组合开关。 电动机的最大容量为 1KW，则三级组合开关的额定电流为 10A，型号为 HZ1010。 （ 3） 熔断器的选择 在本系统中， 需要 熔断器保护一 台 三相异步电动机， 启动电流为额定电流四至七倍，为了防止启动时烧断熔体，熔体的额定电流一般去电动机额定电流的 至 倍， 则 额 定 电 流 为 ： ，其中：AII NN a x  ，所以 熔体的 最大额定电流为。 熔断器的额定电压为 AC380V，则可选择型号为 RT1420 的熔断器。 （ 4） 时间继电器（ KT） 本系统中 需 要 延时 10S，并考虑到价格费用方面，可选用空气阻尼式时间继电器，可选用 JS72A 型号的空气阻尼式时间继电器，其触点额定电压为 380V，触点额定电流为 5A 均能符合要求。 （ 5） 热继电器的选择（ FR） 16 热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。 然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。 热继电器的热元件的额定电流应略大于电动机额定电流。 当电动机启动电流为其额定电流的 6 倍及启动时间不超过 5S时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电流的 倍。 一台电动机的额定电流为 ， 可以用 整定电流 范围为 —— ,热元件整定电流的中间值要等于或稍大于电动机的额定电流值， 则热继电器的型号为 R2016，此额定电流为 16A。 （ 6） 接触器的选择（ KM） 额定电流为 AKUPINNC 100 0  采用的 接触器要与 继电器 相配合，则 选择 CJ20 型号的交流接触器。 元件列表如下 ： 表 32 序号 代号 名称 型号 数量 1 M 三相异步电动机 J02224 1 2 QS 空气开关 DZ473P 3 3 FR 热继电器 R2016 1 4 CPU PLC处理器 CPU224 1 5 KM 交流接触器 CJ20 2 6 SB 按钮 LAY8 3 7 ST 限位开关 LXK2 2 8 FU 熔断器 RT1420 1 9 L 导线 若干 17 PLC机型的选择 （ 1） CPU 性能 PLC 的 CPU 性能 主要涉及处理器的“位数” 、 运算速度、用户存储器的容量、编程 能力、软件开发能力、通信能力等方面。 在 CPU 性能满足控制要求的前提下， CPU 的价格也在考虑的范围之内。 （ 2） I/O 点数 PLC 的输入 /输出点数是 PLC 的基本参数之一。 在正常情况下， PLC的 I/O 点可以适当的留有余量，同时也必须考虑生产成本。 （ 3） 开关量输入模块的选择 选择三相交流输入电源 AC380V，采用直流汇点输入接线方式。 （ 4） 开关量输出模块的选择 该系统中有用到继电器，一般开关输出模块的输出方式常为继电器输出。 （ 6） I/O 地址分配方式 采用 I/O 自动分配方式 ，地址连续、有序。 根据设计的控 制要求和确定的硬件设备的分析得出： 控制系统需要的 外部设备只有控制 机械运料 小车运动的三相 异步 电动机 ， 电 动 机有正转和反转两种状态 ,分别对应正转 KM1 和反转 KM2,电动机 M 的正转 启动按钮 SB1,反转启动 按钮 SB2，电动机的停止按钮 SB3，热继电器的常闭触点 FR，两个限位开关 ST1 和 ST2。 装料指示灯 L1，卸料指示灯 L2，其中输入为： SB SB SB ST ST2；输出为： KM KM L L 将以上 PLC 的输入、输出汇总，可以统计如下： PLC 的输点总计： 5 个。 全部的输入点均为触点输入信号。 PLC 输出点总计： 4 个。 18 列出 I/O 地址分配汇总表如下： 表 33 输入 输出 地址 符号 功能 地址 符号 功能 SB1 前进启动 KM1 前进接触器 SB2 后退启动 KM2 后退接触器 ST1 A点限位开关 L1 装料指示灯 ST2 B点限位开关 L2 卸料指示灯 SB3 停止按钮 综合以上，本设计选择 S7200PLC 的 CPU224，它的 PLC 结构类型是基本 元 +扩展型，基本单元集成的 I/O 数量 是 24（ 14 个输入点、 10 个输出点）， AC100230V 电源， DC24V 输入 ,继电器输出， 不需要输入 \输出 扩展 模块 ，且满足一定的余量要求。 19 4 PLC控制系统硬件设计 4． 1 系统主回路 与控制回路的设计 PLC控制系统 的设计包括硬件设计和软件设计两部分， PLC具有灵活 、通用的特点，几乎全部的控制都是通过软件来控制的， 虽然如此硬件 设计 也 并不是 PLC与 I/O信号间简单的连线，它直接关系到控制系统的安全性、可靠性与生产 成本等诸多问题，而且硬件设计一旦完成， 不可以随时随地进行修改，因此，它是决定控制系统设计成败的关键问题，在硬件设计阶段应高度重视。 系统主回路设计 （ 1） 主回路设计的内容 在 PLC控制系统中，主回路采用的是电机主回路，主要由一台三相鼠笼式异步电机 M、热继电器 FR、 电机保护的 熔断器 FU、 正转控制交流接触器 KM1与反转交流接触器 KM2的两组 主触点构成电动机的正反转接线，还有空气隔离开关 QS将 380V三相电源引入。 （ 2）电源总开关 根据 EN602041标注规定，为了使正的控制系统与电网隔离，机械设备的电气控制装置必须安装电源总开关 ，在本次设计的控制系统中，设有空气开关作为电源总开关，可断开回路中的所有用电设备电源。 （ 3）保护装置的设计 在主回路的设计中，为了对设备进行可靠、有效的保护，必须含有具有足够分断能力的保护装置，在回路出现故障时，能够可靠分断被保 20 护的电机。 所以，在主回路中装设有 熔断器，它的主要用做短路保护和严重过载保护；热继电器 FR，是一类实现自动断电功能的装置，主要用做过电流、漏电、欠压、过热等故障的保护。 （ 4）接地与抗干扰 从安全 角度 考虑，在控制系统中装有总接地母线，用于 电位平衡与接地，主回路用的是三相四线制 ，以防止干扰，提高线路的可靠性。 控制主回路见附录 2 系统 控制 回路设计 在机械运料小车 的控制回路 主要由 通电延时 时间 继电器 KT KT2；接触器 KM KM2；停止按钮，启动按钮，限位开关等 构成。 本次控制回路是采用时间继电器，可以按时间继电器的延时闭合常开触点来实现电动机从正转运行到反转运行。