基于plc控制的运料小车运动设计

基于plc控制的运料小车运动设计内容摘要：

图 25 小车的正面 模型 图 图 26 小车的 底面 模型 图 华北电力大学科 技学院本科毕业设计（论文） 8 3 硬件系统设 计 本设计的硬件 控制 系统主要包括 PLC、变频器、电机、行程开关、电磁线圈、 报警铃以及报警灯、电源等。 这些都是为了能够更好满足运料小车运行需求，需要对它们进行一一的选型和分析设计。 PLC 的选型 目前国内国外的 PLC 产品有几百种型号，而且功能也日趋完善。 PLC 的 结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法及价格等各不相同，使用场合也各有侧重。 因此，应该合理的选择 PLC，提高 PLC 在控制系统中的作用。 PLC 的选型可以从以下几个方面考虑。 a 机型的选择 选择机型主要以满足系统功能要求为宗旨，不要盲目的贪大 求全而造成不必要的投资以及设备资源的浪费。 机型的选择可以从以下几个方面考虑：在工艺过程比较固定，环境比较好的场合可以选用整体式结构的 PLC；给予其他情况则最好选用模块式结构的 PLC。 因为模块式结构的 PLC 配置灵活，装配和维修方便，也便于系统的扩展。 对于以开关量控制为主的以及带少量模拟量控制的工程项目可以选用带有 A/D,D/A 转换的低档机；而在应用 PID 运算、闭环控制、通信联网等控制比较复杂、控制功能要求比较全的工程项目则应该选用高档机。 另外，对于大型的控制系统，应该尽量做到机型统一。 b 硬件选择与配置 1） 输入 /输出的选择与配置 确定 I/O 点数，即确定 PLC 的控制规模。 根据控制系统的要求确定所需的 I/O 点数，应考虑到以后工艺和设备的改动或 I/O 点的损坏、故障等，一般应预留 10%～ 20%的备用量 [2]， 实际订货时，还需根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 同时应考虑 PLC 提供的内部继电器和寄存器的数量，以节省 I/O 资源。 I/O 模块有开关量、模拟量，还有特殊功能输入 /输出模块，如定位、高速计数器输入，脉冲捕捉等功能。 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。 例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传 输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。 对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。 输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。 可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。 2） 存储器类选择 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序 容量小于存储器容量。 设计阶段，由于用华北电力大学科 技学院本科毕业设计（论文） 9 户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。 为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O点数的 10～ 15 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（ 16 位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求 PLC 的存储器容量，按 256 个 I/O 点至少选8K 存储器选择。 需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 3） 电源的选择 PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。 重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。 如果 PLC 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。 为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 如果电源的干 扰特别严重，可以选择安装一个变比为 1:1 的隔离变压器来减少干扰。 4） 处理速度 PLC 采用扫描方式工作。 从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则 PLC 将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、 CPU 处理速度、软件质量等有关。 目前， PLC 接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约 ～ ，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。 扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型 PLC 的扫描时间不大于 ；大中型 PLC 的扫描时间不大于。 5） 经济性的考虑 选择 PLC 时，应考虑性能价格比。 考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品 [3]。 输入输出点数对价格有直接影响。 每增加一块输入输出 的 卡件就需增加一定的费用。 当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。 在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。 综合以上的选型要求和原则，考虑到 本系统属于小型的控制系统，其输入 输出数量分别为 17/8，不需要高的控制精度，在满足系统要求的功能的情况下，选择小型的 S7200PLC。 其中 CPU226 型有 24 路输入点， 16 路输出点， 2 个扩展模块， 248 路数字量 I/O 点， 35 路模拟量 I/O 点。 存储器为 24576 字节， 6 个计数器， 2 路 RS485 串行通信接口。 编程软件为 STEP7Micro/WIN32。 PLC 的接线图 华北电力大学科 技学院本科毕业设计（论文） 10 考虑到以上的 PLC 的选型，为了便于后续的程序编制和仿真，需要设计出明 图 31 PLC的接线图 确的接线图，本设计的接线图如图 所示。 其中 SB SB SB3 是控制按钮，而 SQ1SQ14是分布在运动轨迹上的行程开关。 L1L4 是指装料和卸料出的状态指示灯，其中 L4 是急停情况下的红色指示灯，其他三个是绿色的信号灯。 B 是报警铃，而 KM1 是电磁继电器的线圈，用来控制运料小车车门的关闭。 KM2 和 KM3 是变频器的高低速控制继电器的线圈，通过他们的交替通电，实现小车的加速与减速运动。 变频器的选型 变频器的选择主要需要考虑一下几个方面： 1） 变频器及被控制的电机 [4]。 电机的磁极对数一般不多于 2 为宜，否则变频器的容量应该适当增大。 为减少主电源稳压器干扰 ,在中间电路或变频器输入电路中增加电抗器 ,或安装前置隔离变压器。 一般当电机与变频器距离超过 50m 时 ,应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。 2） 变频器箱体结构的选用。 主要考虑变频器的工作环境，如温度、湿度、粉尘、酸碱度等因素。 常见的变频器结构有 敞开型、封闭型和密闭型三种。 敞开型主要 可装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上 ， 尤其适于多台变频器集中使用时选用 ,但环境条件要求较高。 封闭型 适于一般用途 ,可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合。 密闭型则可适应与环境差的场合。 华北电力大学科 技学院本科毕业设计（论文） 11 3） 容量 的选择。 变频器容量选定过程 ， 实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程 ，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率 ， 但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少 ， 通常都是设备所选能力偏大 ， 而实际需要的能力小 ，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的 ， 避免选用的变频器过大 ， 使投资增大。 对于轻负载类 ， 变频器电流一般应按 (In 为电动机额定电流 )来选择 ， 或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的最大电机功率来选择。 4） 控制方式。 目前 常见的有两种，一种是早期的 V/F 控制，另外 一种就是现在的矢量控制。 这两种控制方式的主要区别在于：第一，控制精度。 矢量控制是闭环控制，因此，控制精度较高，而 V/F 控制属于开环控制，其控制精度相对于矢量控制来讲，要低一些。 第二，就是低频扭矩。 这主要看负载的惯性，如果负载的惯性较大，而且需要长期低频运转的话，就要选用矢量控制的变频器，所谓的低频，一般是指小于等于 10Hz。 本设计中所采用的电机较小， 控制精度要求不高，所以可采用 V/F 控制的容量较小的变频器。 由于小车只在两种速度下运行，对变频器变频的要求也不高。 选择一款 380V 通用变频器，其具体参数如表所示。 表 31 变频器的参数 项目名称 HDI 控制方式 SPWM 输入电源 380V 电源： 330~440V； 220V 电源： 170~240 五位数码显示 及状态指示灯 显示频率、电流、转速、电压、计数器、温度、正反转状态、故障等。 通信控制 RS485 操作温度 10~40℃ 湿度 0~95%相对湿度（不结露） 振动 以下 频功率控制 范围 ~ 精度 数字式： %（ 10~40℃）；模拟式： %（ 25177。 10℃） 设定解析度 数字式： ；模拟式：最大操作频率的 1‰ 输出解析度 键盘设定方式 可直接以← ∧∨ 设定 模拟设定方式 外部电压 05V， 010V， 4— 20mA， 0— 20mA。 其它功能 频率下限，启动频率，停车频率、三个跳跃频率可分别设定 华北电力大学科 技学院本科毕业设计（论文） 12 续表 31 一一般控制 加减速控制 4 段加减速时间（ 秒）任意选择 V/F 曲线 可任意设定 V/F 曲线 转矩控制 可设定转矩提升，最大 %启动转矩在 时可达 150% 多功能输入端 6 个多功能输入端，实现 8 段速控制，程序运行， 4 段加减速切换， UP、 DOWN 机能、计数器，外部急停等功能 多功能输出端 有 5 个多功能输出端，实现运转中、零速、计数器、外部异常、程序运行等指示及报警 其它功能 自动电压稳压（ AVR）、减速停止或自由停止、直流刹车，自动复位再起动，频率跟踪， PLC 程序控制、横动控制、载波可调，最高达 20KHz 等 保保护功能 过载保护 电子电驿保护马达 驱动器（恒转矩 150%/1 分钟，风机类 120%/1 分钟） FUSE 熔断保护 FUSE 熔断，马达停止 过电压 220V 线：直流电 压＞ 400V； 380V 线：直流电压＞ 800V 不足电压 220V 线：直流电压＜ 200V； 380V 线：直流电压＜ 400V 瞬间停电再起动 瞬停后可以频率跟踪方式再起动 失速防止 加 /减速运转中失速防止 输出端短路 电子线路保护 其它功能 散热片过热保护，反转限制，开机后直接起动及故障复归之功能，参数锁定等。 电动机的选择 本设计中，运料小车的电机选择也是一个很重要的方面。 由于在小车的自动运行过程中，小车要经过多次的加减速问题，因此在选择电动机的时候，要注意对启停性能方面的侧重要求。 正确选用电动机的基本原则 为了更好的达到运料小车在运行过程中的功率要求，在选择电动机的时候，要根据电源电压、使用条件、拖动对象选择电动机，要求电源电压与电动机额定电压相符。 并且还华北电力大学科 技学院本科毕业设计（论文） 13 要考虑到安装地点和工作环境 ， 选择 各种 型式的电动机 1) 首先根据工作情况的要求，确定电压的的大小，选择高压的 380V，还是选择低压的 220V。 2） 电动机的机械特性、启动、制动、调速及其它控制性能应满足机械特性和生产工艺过程的要求，电动机工作过程中对电源供电质量的影响（如电压波动、 谐波 干扰等），应在容许的范围内 ； 3） 按预定的工作制、冷却方法基辅在情况所确定的电动机功率，电动机的温升应在限定的范围内； 4） 根据环境条件、运行条件、安装方式、传动方式，选定电动机的结构、安装、防护形式，保证电动机可靠工作； 5） 综合考虑一次投资 以及 运行费用，整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。 小型异步电动机的 选择 由于本设计中的运料小车结构比较小，因此在选择电动机的时候，首先要考虑的就是选择结构比较小的电动机，因此在该设计中，选择 结构 比较小的异步电动机。 在控制上，由于小车需要载着物料不断的自行移动，因此，在电源控制上选择由电缆输送的电源控制方法。 由于运料小车主要是在变频器的控制下，基于 PLC 进行速度的控制，因此对电动机的速度 变化方面的 要求不是很高 ，关注点主要集中在结构和功率的方面。 小型三相异步电动机，通常包括 H80315MM 的电机，其产量大、用途广，在电网的总负荷中，它的用电量为 40%左右。 六十年。