S7PLC控制的智能料车行走系统设计本科毕业设计Word文件下载.docx
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还有来自全球通货膨胀、人力资源成本上升因素对企业的影响。
如何降低生产成本以及提高生产的自动化水平已成为企业工厂提高自身竞争力的最佳选择,这也是决策者们所必须面对和亟待解决的。
因此在这种情况下尤其能体现自动运料车物料运输的价值与意义。
本设计基于饲料厂的自动运料车系统,通过分析物料系统的整体要求和控制任务,设计相应的控制系统。
在运料车运料过程中,控制工作人员可以很方便的根据生产工艺类型,需要加工的原料类型对运料车结构进行适当的调整。
运料车的运行模式根据系统配置的旋转编码器,主令控制器和编写PLC程序的不同进行设置来实现,运料车的速度切换的位置可以通过旋转编码器预设值和行程开关的设置来改变,运料车运行速度可通过所设置变频器的相关频率参数来调节。
1.1料车行走系统国内外发展状况和趋势
运料车发展过程中的各个阶段简述。
手动控制系统:
手动控制系统由继电-接触器组成,对线路的安装,保护,动作速度要求很高,由于摩擦、震动,老化等导致系统故障率高。
继电-接触器系统需要较长的时间设计同时对设计者经验的要求也比较高,安装占地面积大,数据运算和通信处理能力比较弱,控制的效果比较差。
送料车半自动控制阶段:
PLC智能模块、自动控制理论的突破使得微机和检测设备的成本变得很低,成本的降低促使很多企业尝试运用微机和PLC控制系统。
本世纪开始以来,以PLC为控制核心的运料车使工厂运料变得自动化和智能化,大大降低了企业运行时的费用。
在工业现场控制中PLC控制系统使得一些控制参数可以根据现场实际情况进行修改、调整使设备处于最佳状态。
制造业在现代经济中有很重要的地位,其发展主导着经济发展的前景。
我国很多工业企业特别是东南沿海大部分乡镇和私营企业,特别是南方发达的饲料加工企业、制鞋业、电子制造业等,他们由于公司规模有限,资金有限不能够投入很多来提高工厂的自动化水平在加上管理方面欠缺的限制,很多送料还是采用人工,缺少必要的保护设施,导致工人的劳动强度大效率低,造成工人人身事故的现象普遍存在。
国内有很多科研单位都在研究运料车的自动行走控制系统。
例如PLC在多点控制系统中的应用,基于PLC的自动运料车的设计等都通过不同的控制方式来进行运料车的设计。
设计中有些采用的是主令电气控制,有些采用旋转编码器进行控制。
本设计采用程序控制的方式,利用主令电器和旋转编码器来进行系统的设计,本饲料厂运料车系统可以根据工艺随时调整,节约了投资并且提高工厂对生产不同商品的灵活性。
近年来随着源于欧洲的经济和债务危机,越来越多的工厂企业开始投入巨资升级工厂的自动化水平,提高工人的劳动生产率,精简员工从而提高企业效益。
工厂物料运送车是最需要使用自动化的控制环节,运料车将原料从料场开始,经过自动上料、按照控制任务的要求对物料进行必要地加工、风干等动作后、自动运行到指定地点开始卸料等一系列生产动作完成。
随着智能化检测设备诸如传感器技术的不断发展促使运料车能够完全摆脱人工的控制。
在路线固定并且环境复杂诸如煤炭运输,矿山开采,港口集装箱货物的运输的场合,国外自动化巨头已经研制出无人自动驾驶设备,用来适用那些环境恶劣、人工操纵危险的特殊作业环境。
美国自动化企业卡特彼勒(CAT)公司早在一九八零年代末期就已经研制了无人驾驶自动化产品矿山自卸矿卡,并且已经进入市场得到了市场的认可。
网络和宽带通信技术、自动检测变送技术、可编程控制技术、现场总线技术的迅速发展使得PLC技术朝着集成度高、高速化处理、大容量存储、网络化通信和智能化检测与变送的方向发展[3]。
国外先进的以自动化、可视化为基础的自动无人驾驶控制开始被国内工程运料企业关注,很多工业企业开始引进和使用西方先进的自动运料和无人自动驾驶技术与设备,同时我国很多有财力和技术积累的企业和高校、科研院所已经开始着手研制相关的理论和技术。
未来制造业以智能化、自动化、可视化为主要制造方式进行柔性大工业生产的理念已经清晰并且处在快速发展之中。
本设计的主要内容是设计一个基于PLC控制的料车行走控制系统。
系统以PLC为主控制单元,通过编码器读取小车的位置信息,通过对编写程序实现对变频器的控制实现运料车行走电机的速度的切换,通过PLC输出控制继电器、交流接触器来控制下料电机、风机、旋刀电机和下料电机的动作和相关指示灯的显示,通过行程开关读取初始位置和返回点的信息。
主要任务要求如下:
当运料车到达初始位置后关闭风机、下料电机、行走电机、旋刀电机同时打开上料电机;
当上料电机结束后,打开行走电机,小车开始行走,打开挡板正向开关,当挡板正向打开完毕以后,打开下料电机,开始下料动作;
运料车达到返回点后挡板电机换向。
根据课题任务要求进行相关接线端子设计、PLC梯形图和程序指令设计,最后进行仿真调试。
运料车正常工作运行中,料场技术人员可以监控到料车的实时运行和工作状态。
可以根据不同的生产工艺要求设置变频器对小车的运行速度进行设置,能够根据现场生产要求对小车停靠的不同位置点进行设置,企业能够根据不同的生产需要方便进行调整和改造,提高企业对于生产多样性的要求。
结合本校学习掌握了电动机的原理结构、电机及其拖动、电气控制与PLC应用技术、电气测试技术、变频调速技术和运动控制等知识使我有能力设计PLC控制的运料车行走系统。
运料车的自动行走控制系统设计可帮助企业提高生产效率,减少物料搬运费用,例如饲料厂运料车需要进行物料运送和混合、搅拌和风干。
运料车可以随时根据饲料的配比来进行调节,如调节下料电机何时出料、出料量大小、粉碎的程度、风干的程度等。
自动运料车还特别适用于矿山开采、港口运输、水泥生产、金属冶炼等危险性比较大、粉尘危害大的场合。
物料自动运输还具有以下优势:
可大量减少人员的工作量,提高劳动生产效率;
节约企业生产成本,提高企业效益和企业在同行业之中的竞争力;
促进工厂的现代化生产水平,减少事故的发生率。
2运料小车控制系统设计方案
2.1控制系统流程
本设计运料车控制流程如下:
当运料车在初始地时经物料传感器I1.0判定有料,打开系统启动按钮此时Q0.2接通继电器线圈动作,继电器接通接触器线圈通过主触点接通上料电机动作,同时关闭行走电机Q0.0、风机Q0.4、和旋刀电机Q0.5。
上料电机Q0.2将已经称量好的物料倒入料车车斗内,上料过程所用的时间用定时器T37进行定时。
当定时器定时时间到后,启动料车行走正向电机带动料车前行,同时打开风机继电器输出、旋刀电机继电器输出和挡板正向电机继电器运行。
在运料车系统中风机的作用是将料车上的物料干燥。
旋刀电机的作用是将物料通过搅拌、粉碎和混合均匀,以便于物料的充分混合。
运料车挡板电机正反转有接入电机的三相电压的相序来进行控制。
在运料车正向行走过程中当正向挡板完全打开以后,挡板正向电机碰到挡板正向限位开关时停掉同时打开下料电机,下料电机开始下料动作。
通过编码器读取运料车的实时位置,根据E6B2-CWZ6C的预设值范围来控制PLC什么时间对数字量信号进行输出,输出信号作为MM440变频器多段速的输入控制运料车行走电机的速度,使其按照既定慢-快-慢的规律运行;
当运料小车到达折返点时,关闭行走正向电机、风机、旋刀电机和下料电机同时打开挡板反向电机并使用定时器T38进行延时,当挡板反向电机碰到挡板反向限位开关时挡板反向电机停止;
当定时器延时时间到后,定时器接通反向行走电机Q0.1和变频器反向快速输入Q1.1PLC数字量输出点来控制变频器输入使运料车行走电机反向运行且按照既定快速-慢速的方式到达初始点进行上料动作,并开始下一个运料和下料周期过程的循环。
控制系统整体布局如下图1所示。
图1控制系统整体布局图
2.2控制方式的对比和选择实现
运料车控制方案有多种方式可供选择。
可以采用以继电-接触器为核心的继电-接触器控制系统;
也可以单片机(MCU)为主控制核心,使用单片机外围接口设备和驱动电机模块来实现;
还可以使用PLC为控制核心的设计。
在这三种常用运料车控制方案之中,继电-接触器作为早期运料车的控制系统其控制线路硬件电路复杂,控制功能是实现用户的特定功能,当用户控制功能发生改变时,控制硬件线路必须重新接线,这种控制方式不符合现代柔性制造工艺,对其不易进行改造且维护成本较高。
单片机系统虽然能够采用修改软件提高系统通用性,但是维护起来还是比较困难,单片机的软硬件对干扰的措施要求很高,需要附加很强的抗干扰技术和措施。
PLC专为工业控制而设计,其本身已采取很强的抗干扰措施,一般工业环境完全可以正常的工作。
运料车控制目前主流采用的是以小型PLC为控制核心。
PLC控制系统具有很强的抗干扰特性,广泛使用与工业控制系统之中。
PLC控制系统可实现工业现场模拟量、数字量等多种信息的逻辑、数学、通信等。
运用PLC为核心的运料车控制系统编程简单、维修起来方便、高性价比,广泛使用于各种物料运输领域中[4]。
2.3控制系统方案选择
控制系统要求旋转编码器和行程开关直接向PLC送请求信号。
料车在达到旋转编码器预设值范围和初始地、折返点行程开关时,向PLC发送一个信号。
料车的行走和故障可以通过指示灯来判断。
料车的正反转互锁通过软件和硬件相结合的方法来解决。
S7-200PLC的料车行走系统设计控制方案如图2所示。
其中S7-200PLC作为控制系统的核心,用于接收来自采集旋转编码器和行程开关的信号,然后由S7-200PLC对所采集信号的进行逻辑运算和判断进而输出控制信号驱动各个电机或者部分指示灯[5]。
图2料车行走系统设计控制方案
3.1PLC概述
美国DEC公司根据通用汽车公司提出的十项指标研发的控制器PDP-14是全世界公认的第一台可编程控制器。
它第一次以程序化的方式运用于电气控制项目中,并且在通用汽车生产线上成功运用。
它的独创性意义在于引入了程序控制功能,加速促进了计算机控制技术在工控领域的控制地位[5]。
随着网络技术的发展使得PLC在大数据处理、人机接口(HMI)和现场总线等方面的性能得到很大提升,PLC控制还增加了许多特殊功能(如高速计数、PID控制单元、脉冲宽度调制等)使其在以模拟量过程控制领域也占有重要地位。
3.1.1PLC的组成和工作原理
PLC的控制过程采用程序存储的方式将系统程序和用户程序存储起来,通过外部接口设备将现场实时采集数据送进PLC,然后根据用户控制程序执行相关的逻辑运算,数学运算、通信连接、定时器定时和计数器计数,通过PLC自身CPU强大的运算功能执行相关的逻辑、比较、PID等的运算操作,并将运算结果通过数字或模拟输出的控制口传送给外部设备。
PLC逻辑电路采用软件设计,由用户编写的控制程序体现了用户需要控制的特定的输入和输出的关系。
PLC基本组成部件如图2示。
图2PLC基本组成部件
PLC按串行扫描的方式执行用户程序来实现系统的控制要求。
执行用户程序时从第一行指令开始执行,按照从左向右从上到下逐条执行直到程序结束为止。
用户程序每被PLC执行一次PLC就扫描一遍所有元件的状态并按控制程序的要求进行相应的操作和动作,我们把程序执行一遍所需要的时间叫PLC的扫描周期。
理论上PLC扫描时间越短,其性能越好。
PLC正常工作时将以循环扫描的方式扫描程序。
PLC运行过程主要分为三个阶段即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。
理解这三阶段是掌握PLC的基础工作,只有深入了解其过程才能对PLC系统有深刻的认识。
3.1.2PLC控制系统设计的原则和步骤
工业控制系统必须满足工厂生产工艺要求、效率和质量等的相关方面要求。
PLC控制系统设计需要遵循以下原则:
一是必须满足生产工艺要求;
二是力求系统简单、经济、维护方便;
三是必须保证系统安全性可靠性;
四是选型上要留有适当的余量。
PLC控制系统的一般步骤如图3所示。
图3PLC控制系统的一般步骤
3.1.3PLC的型号选择和I/O分配
控制系统选用PLC机型应从系统I/O点数、是否需要特殊功能、ID功能、通信功能等方面。
基本原则必须在满足基本功能的情况下,保证可靠、维护方便。
PLC品牌的种类很多,比较知名的品牌有西门子、三菱、泰达、欧姆龙等。
首先根据控制系统的需要明确设计系统所占用I/O点数,对PLCI/O点数给出合理估计,最后在这个统计的数量上增加30%的余量计算出所需要的I/O的总数。
经计算系统共需要数字量输入点15个没有模拟量输入点,数字量输出点14个没有模拟量输出点,再给出30%的余量需要的点数为39个,不需要其它的特殊用模块。
S7-200系列CPU226满足条件,由于实验设备条件的局限本次设计使用实验室的CPU224作为控制系统核心,S7-200PLC的CPU224具有14入10出的数字量I/O口设计,S7-200PLC的CPU224外观如下图4所示。
用户还需要考虑所选用PLC的相关技术支持,采购同一型号能够为以后维护带来方便同时还有利于系统改造升级等。
图4S7-200PLCCPU224外观
本料车系统的工艺过程比较简单且固定,使用过程中维修量比较小,因此选用整体式PLC。
控制系统对速度没有过于严格的要求而且过程中采集的输入和输出均是开关量信号所以小型机就能满足要求。
工作环境也是PLC选型时需要考虑的重要因素。
例如现场温度、湿度、粉尘、信号屏蔽、高压电压和高压电流信号的干扰等。
因此需要选择适合实际工作环境的PLC产品。
PLC输出方式有继电器方式、晶体管方式、晶闸管方式三种。
通过分析系统输入和输出特点,本系统要求输出开关动作不频繁而且速度也不高因此采用继电器输出模式。
继电器输出模式相对价格比较便宜,可以带交、直流两种负载。
PLC选型确定之后,需为控制系统定义分配I/O口,我们最好把各个I/O口的名称和地址以表格的形式列出,做好这一步可为以后的程序设计和修改带来诸多便利。
系统I/O配置如下表1示。
表1系统I/O配置
输入信号
输出信号
编码器A相输入
I0.0
继电器K1
Q0.0
编码器B相输入
I0.1
继电器K2
Q0.1
编码器Z相输入
I0.2
接触器KM3
Q0.2
初始地启动
I0.3
接触器KM4
Q0.3
系统急停
I0.4
接触器KM5
Q0.4
系统故障启动
I0.5
接触器KM6
Q0.5
初始地行程开关
I0.6
接触器KM7
Q0.6
折返点行程开关
I0.7
接触器KM8
Q0.7
判料传感器
I1.0
变速1(继电器K3)
Q1.0
挡板正向限位开关
I1.1
变速2(继电器K4)
Q1.1
挡板反向限位开关
I1.2
故障1指示灯
Q1.2
初始点保护限位开关
I1.3
故障2指示灯
Q1.3
折返点保护限位开关
I1.4
故障3指示灯
Q1.4
消铃按钮
I1.5
报警电铃
Q1.5
试灯和试铃按钮
I1.6
控制系统I/O接线包括有欧姆龙旋转编码器的电源和输出,S7-200PLC数字量输入和数字量输出,西门子MM440变频器的输入需接到交流380V电源上和输出需要与行走电机相连,还包括系统中的相关指示灯、接触器、继电器和电动机的接线,线路不能接错和接反。
其中需要的电压等级有交流380V、交流220V、直流24V。
控制系统I/O接线图如下图5示。
图5控制系统I/O接线图
3.1.4提高PLC控制系统可靠性的措施
硬件设计上PLC本身就采取了诸如电磁隔离,光电耦合器等抗干扰措施,一般工厂里工作完全可以没有故障的运行。
但在一些场合如强电干扰,过失电压会导致PLC内部信息紊乱,引起控制系统异常。
因此引入必要的抗干扰措施对于现场控制来说是必需的[7]。
干扰源源于电压和电流产生大的剧烈变化的地方,剧变将将带来强大磁场,对设备产生电磁辐射,由于PLC元件为半导体材料容易受到干扰,即使PLC已经有很好的抗干扰措施依然要根据实际情况采取相应的抗干扰措施。
变频器为高压设备需要抑制变频器对PLC的干扰。
抑制变频器干扰的措施可以采用无源滤波器也可以使用输出电抗器。
3.2变频器选型
3.2.1通用变频器概述和选型
变频调速是一种以改变交流电机供电频率来来调节电动机速度的。
他是把电压与频率固定的交流电转换成电压和频率频率可以调节的交流电的变换器。
变频器有五部分组成:
整流与逆变、驱动控制、中央处理、保护与报警、参数设定和监视。
变频器的输出为电动机。
通用变频器主要运用于交流电动机转速的调节,是被公认的异步电动机理想的调速方案。
变频器除具有调速特性外,还具有较为可观的节能效果[8]。
变频器品牌种类很多,其中国外著名品牌有西门子,罗克韦尔,ABB等,国内的主要品牌有四方、海利普等。
他们的质量都很过硬,且能够保证控制系统长期运行稳定。
变频器的容量除要与异步电机的功率匹配外,还需要考虑电动机的启动转矩,加减速时间和负载大小等的情况。
根据控制系统对运料车行走工艺的要求需要采用变频器的多段速功能。
本设计选用的是实验室具有的西门子MM440变频器。
3.2.2电动机的调速方式选择和相关参数设置
操作者可以通过基本操作面板(BOP)设置变频器参数。
BOP是具有五位数字显示的七段数码管,用他可以进行相应参数的显示和设置,提示相关的报警和故障信息,还能够显示一个参数的当前设定值和实际值,只能用来进行变频器参数的设置而不能存储相关的参数。
MM440基本操作面板外观如下图6所示[9]。
图6MM440的操作面板(BOP)外观图
运料车异步电机的调速方式可以选择采用S7-200PLC与MM440通过USS(通用串行接口协议)的方式进行,也可以采用变频器的多段速功能的方式进行。
USS协议是西门子公司专为S7-200PLC与MicroMaster系列变频器之间进行通信而开发的。
USS协议是主从机构的基于串行总线来进行数据通信的协议,通过使用USS协议指令可以方便的控制变频器。
一般在使用USS协议之前是需要在STEP7-MicroWIN编程软件指令树中安装指令库。
使用USS指令需要完成以下步骤
(1)在用户程序中插入USS_INIT(初始化指令)。
(2)激活USS_CTRL指令,通过USS_RPM_x和USS_WPM_x来读取和改写变频器指令参数。
(3)为USS指令指定V存储区的起始地址。
(4)组态变频器的站地址和波特率。
(5)通信电缆将S7-200与变频器的连接。
由于CPU226以下只有一个RS-485接口,根据本设计选用的CPU使用USS指令操作起来不方便,因此本设计采用MM440变频器多段速。
MM440多段速功能与参数设置。
多段速功能也叫做固定频率,设置P1000=3允许开关量输入端子选择固定频率的组合实现电动机的多速段。
在设计的控制系统中选用的行走电机是三相异步电机,在使用变频器对其进行调速时,首先需要根据所选用的异步电机进行变频器的快速调试,使变频器和电动机参数匹配使变频器能够正常的驱动电机工作。
本设计中的多段调速需要用到MM4
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- S7PLC 控制 智能 车行 系统 设计 本科 毕业设计