基于PLC控制的运料小车系统设计.docx
- 文档编号:26214216
- 上传时间:2023-06-17
- 格式:DOCX
- 页数:52
- 大小:1.95MB
基于PLC控制的运料小车系统设计.docx
《基于PLC控制的运料小车系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于PLC控制的运料小车系统设计.docx(52页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于PLC控制的运料小车系统设计
摘要
20世纪60年代以来,随着科学技术的进步和微电子行业的快速发展,可编程控制技术也处于快速发展阶段,在工业自动化控制领域中得到了广泛的运用。
可编程控制器(PLC)拥有可靠性高和操作简便等特点,已经成为了工控领域重要的,也是不可或缺的一部分。
运料小车系统作为具有代表性的PLC控制系统,普遍存在于现代化的工业生产中。
传统的运料小车系统非常落后,大多都是运用继电器来进行控制,众所周知,继电器控制有着很多的缺点,如故障率高、接线复杂、维护维修难度大等。
PLC已经成为目前国际控制市场上的主流产品,并且在市场、技术等方面较继电器有很大的优势,继电器控制逐渐被PLC控制所替代已是一种趋势。
运料小车的电气控制系统若与PLC控制技术相结合,可以很容易地实现运料小车的全自动运行,不仅降低了系统的运行成本,更重要的是工业生产效率得到了显著的提高。
现阶段,PLC的功能不仅仅局限于能实现继电器的逻辑控制功能,还具有数字量和模拟量的采集和转化、以太网通信、PID算法调节、DCS生产监控及故障自诊断等功能。
本文以信捷电气股份有限公司生产的信捷XC系列PLC为基础,通过两周的自学,按照控制要求设计出了一套完整的运料小车控制方案,具体内容如下:
首先,介绍了运料小车控制系统的研究背景,发展状况,概括了它的发展趋势和应用前景。
并初步分析了控制思路,明确实验的目的。
其次,对实验中所要用到的PLC、触摸屏、变频器等硬件进行进一步的研究,了解其硬件结构、参数设置和软件编程。
详细分析了控制要求,并能根据控制需要选择合适的硬件。
成功构建了运料小车模拟系统,为接下来的编程调试阶段打下基础。
最后,根据构建的模拟系统进行相应主程序的编写,主程序大致无误之后,适当加入一些监控程序,包括速度监控、位置监控和状态监控。
由于需要配合触摸屏的使用,一些中间标志位也是必不可少的。
考虑到实际工程项目中可能会出现的问题,对程序进行了进一步的完善,提高了系统稳定性和安全性。
关键词:
PLC;运料小车;控制系统
ABSTRACT
Sincethe1960s,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyandtherapiddevelopmentofmicroelectronicsindustry,programmablecontroltechnologyisalsoinarapiddevelopmentstage,inthefieldofindustrialautomationandcontrolhasbeenwidelyused.Programmablecontroller(PLC)hasthecharacteristicsofhighreliabilityandeasyoperation,whichhasbecomeanimportantandindispensablepartofindustrialcontrolfield.Thetransportcarsystemisprevalentinmodernindustrialproduction.Mostofthetraditionaltransportcarsystemistheuseofrelaystocontrol,andrelaycontrolhasalotofshortcomings,suchashighfailurerate,wiringcomplex,maintenanceandrepairdifficult.ThePLCasthecurrentinternationalcontrolofthemainstreammarketcontroller,inthemarket,technologyandotheraspectsofagreatadvantage,relaycontrolisgraduallyreplacedbyPLCcontrolisthetrendofthetimes.
ThePLCcontroltechnologywillbeappliedtotheelectricalcontrolsystemofthetransportcar,whichcanrealizetheautomaticoperationofthefreightcar.Itnotonlyreducestherunningcostofthesystem,butalsoimprovestheworkefficiency.Now,PLCcannotonlyrealizethelogiccontrolfunctionoftherelay,butalsohasthedigitalandanalogacquisitionandtransformation,communicationnetworking,PIDregulation,DCSproductionmonitoringandfaultself-diagnosisandotherfunctions.BasedontheletterXCseriesPLCproducedbyXinjieElectricCo.,Ltd.,thispaperhasdesignedacompletesetofcontrolmeasuresfortransportingvehiclesaccordingtothecontrolrequirements.Thespecificcontentsareasfollows:
Firstly,itintroducestheresearchbackgroundanddevelopmentofthecontrolsystem,andsummarizesitsdevelopmenttrendandapplicationprospect.Andtheinitialanalysisofthecontrolideas,clearthepurposeoftheexperiment.
Second,theexperimenttousethePLC,touchscreen,inverterandotherhardwareforfurtherstudy,tounderstanditshardwarestructure,parametersettingsandsoftwareprogramming.Detailedanalysisofthecontrolrequirements,andaccordingtothecontrolneedstoselecttheappropriatehardware.Successfullybuiltatransportcarsimulationsystemforthenextstageofprogrammingdebuggingtolaythefoundation.
Finally,accordingtotheconstructionofthesimulationsystemforthepreparationofthecorrespondingmainprogram,themainprogramisgenerallycorrect,theappropriateaccesstosomemonitoringprocedures,includingspeedmonitoring,locationmonitoringandstatusmonitoring.Duetotheneedtocooperatewiththeuseoftouchscreen,someintermediatesignsarealsoessential.Takingintoaccounttheactualprojectmayoccurintheproblem,theprogramhasbeenfurtherimprovedtoimprovethesystemstabilityandsecurity.
Keywords:
PLC;Materialtransporttrolley;controlsystem
第一章绪论
1.1研究背景
可编程控制器(PLC),是一种从20世纪60年代开始发展起来的,以微处理器为核心工业控制器。
它结合了通信技术、自动化技术以及计算机技术,是现代控制技术的结晶。
PLC的目的是作为一种新型的工业装置来取代传统的继电器控制系统。
由于其编程简单、可靠性高、体积小、功能完善等特点,得到了大部分企业的青睐。
运料小车控制系统可以看做一种典型的PLC控制系统,在煤矿、港口车站、仓库、矿井等行业中被广泛应用。
传统的运料小车大多使用继电器控制,而继电器控制有着很多的缺点,如故障率高、接线复杂、维护维修难度大等。
运用可编程控制技术作为小车的控制系统,不仅可以实现系统全自动运行,还可以降低运料小车的运行成本。
本论文主要是在学习信捷XC系列PLC的基础上,设计了一套基于该系列PLC的完整的运料小车控制方案,也包括了触摸屏的设计。
1.2运料小车控制系统的发展过程
运料小车的控制系统随着可编程控制技术的发展也越发的完善,生产效率得到不断提高。
运料小车的控制经历了以下的三个阶段:
1.手动控制
2.自动控制
3.全自动控制
1.3本论文主要研究的内容
在本论文中,我首先阅读了一些相关的文献,研究了运料小车控制系统发展的历程和相关背景,并在此基础上加以思考分析,并提出了可行的运料小车控制系统设计方案。
其次,我详细阅读并分析了运料小车的控制要求,并按照控制要求分别设计了系统的硬件和软件部分,设计完成之后对程序部分进行了不断地调试,得到满足具体控制要求的系统。
最后,在完成控制要求的基础上完善了软件部分,提出了将来的研究方向。
第二章可编程控制器(PLC)与人机界面(HML)
2.1PLC与HML的定义
国际电工委员会(IEC)对PLC作了如下的定义:
PLC是一种为了满足工业控制需要而设计的电子工作系统。
它运用了可编程的存储器,在内部存储用来执行顺序运算、逻辑运算、算术运算和计时等操作的指令,并且能够通过模拟式或者数字式的输入和输出,控制各类的生产过程或者各种机械。
由于近年来高速发展,PLC的应用面越发宽广。
可编程控制器拥有成熟的继电器控制思路和设计理念,加上高新技术以及电子器件的高速发展,推动了PLC的完善,使其逐渐发展成各具特色的产品。
人机界面(HML)是通过触摸式工业显示器把人和机器连为一体的智能化界面。
它作为一种智能化操作显示终端用来替代传统的实体按钮和指示灯。
更有很多实用的功能,如设置参数,显示数据,监控设备状态,以曲线/动画等形式描绘自动化控制过程等等。
在使用上更加方便、快捷,在使用视觉感受上更具表现力,更重要的是还可以简化PLC的控制程序。
触摸屏作为一种特殊的计算机外设,它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它赋予了多媒体崭新的面貌,是极富吸引力的全新的交互设备。
2.2PLC与HML的结构组成
PLC有很多品种,按结构型式的不同可分为模块式和整体式两种。
模块式PLC包括CPU模块、输入/输出模块、电源模块、内存模块等,这些模块组装在同一个机架内,可根据需要选装某些模块。
整体式PLC包括CPU主板、内存块、电源、I/O主板等,这些部分组成了一个整体,是不可拆卸的。
1.CPU
将CPU、时钟、并行接口、串行接口、存储器集成在一起,就构成了PLC的核心部件。
CPU又叫做微处理器,实际上就是一台单片机,其作用是控制整个PLC的工作。
实现逻辑运算、算术运算并对整机进行协调控制,它是整个PLC的运算中心和控制中心。
2.存储器
PLC的存储器有两种:
一种是单片机上自带的存储器,主要用于存储系统程序。
另外一种是用户程序存储器,通常都是CMOS型的RAM,用来存储用户程序以及参数,用锂电池作为后备电池,调试起来很方便。
3.输入/输出接口电路
输入输出的信号可分为开关量、模拟量、数字量这三种类型。
输入/输出接口电路连接着PLC与被控对象(机械设备或生产过程)。
现场信息通过输入接口传送给CPU,CPU的运算结果以及发出的命令经输出接口送到现场或有关设备。
4.电源
电源为整个PLC提供能源。
在PLC系统中,有两种电源存在:
一种是内部电源,是PLC主机内部电路的工作电源。
其特点为性能稳定、工作可靠,开关稳压电源使用较多。
另一种是外部电源(用户电源),用于驱动现场执行机构或传送现场信息,需要用户另行配置。
5.扩展口
扩展口实际为总线形式,可配备开关量的I/O单元,也可配置如模拟量、高速脉冲等单元。
用于系统扩展输入、输出点数。
如果I/O点离主机较远,可设置一个I/O子系统,用来将这些I/O点归纳在一起,并通过远程I/O接口与主机相连。
6.存储器接口
存储器接口的内部与总线相连,可根据用户的需求扩展存储器,可扩展的区域为数据参数存储区、用户程序存储区。
7.外设接口
外设接口可与触摸屏、计算机或其它外设相连,一般作为PLC的通信口使用,以实现编程、调试、运行、监视、数据传送和打印等功能
图2.1PLC硬件系统
人机界面(俗称触摸屏)由两个部分组成,包括触摸检测装置和控制器(卡)。
其中,触摸检测装置一般安装在触摸屏的前部,主要作用是用来检测用户的触摸位置,并传送给触摸屏控制卡。
控制器(卡)的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息,并将其转换成触点坐标形式,送给CPU,同时又能接收CPU发出的命令并加以执行,触摸屏从技术原理上来分可分为五个基本种类:
电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、表面声波技术触摸屏、红外线技术触摸屏、矢量压力传感技术触摸屏。
2.3PLC的工作原理
PLC采用周期循环扫描的工作方式进行工作,其工作过程大致可分为如下这几个阶段:
1.输入采样阶段
当PLC在运行过程中,PLC是以循环扫描的方式按顺序读入所有输入端口的状态信息以及数据,读取后便把这些数据存放到输入映像区所对应单元内,这就是输入采样阶段。
输入采样结束以后,PLC转入用户程序执行和输出刷新阶段。
当PLC处在这两个阶段中时,输入映像区中各单元的状态和数据不会因为输入的状态和数据发生了变化而发生改变。
因此,如果输入的是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,否则该输入信号可能会丢失。
2.程序执行阶段
PLC在执行用户程序时,梯形图程序通过CPU从上往下依次扫描运行。
在扫描每一条支路的过程中,按照从左往右、从上往下的顺序对梯形图进行逻辑运算,得出一个结果,然后用这个结果作为依据刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中所对应位的状态,或者刷新该输出线圈在输出映像区中所对应位的状态。
在此阶段,只有输入点在映像区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软器件则不同,它们在映像区(或系统RAM存储区)内的状态和数据都可能发生变化。
3.输出刷新阶段
在CPU执行用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照输出映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,此时输出锁存电路不足以驱动被控负载,所以还要再经输出电路驱动相应的被控负载,这才是PLC的实际的输出。
图2.2信号传递过程
2.4PLC的编程语言
说一句同样的话,既可以用汉语,也可以用英语,还可以用法语,同样的,编制PLC用户程序也可以使用多种语言。
考虑到用户的利益以及PLC制造商的实际要求,国际电工委员会(IEC)通过对种类繁多的概念和编程语言进行了标准化(IEC61131-3),制订出了工业控制器的标准,这也包括了PLC的标准。
其中对PLC定义了5种编程语言,较常见的是梯形图和语句表,而在实际的工程项目中,由于梯形图的高可读性,多使用梯形图编程,在信捷XC编程软件中,可以实现梯形图和语句表的互换,使用非常方便。
2.5PLC的程序
如何对一个任务或过程进行控制,首先必须使PLC处于运行状态下,然后主机开始循环扫描,通过连续的执行用户程序从而实现控制。
所以说程序是决定了一个系统功能的基础,是一个完整控制系统不可或缺的一部分。
可以使用相应编程软件在计算机上对程序进行编写。
广义上的PLC程序由3部分构成:
用户程序部分、数据块部分和参数块部分。
1.用户程序:
用户程序的结构比较简单,包含主程序,子程序和中断程序三大类。
2.数据块:
数据块主要存放的是程序在运行时所需要用到的数据,在数据块中可以允许布尔型(用来表示元件的状态)、二进制、十进制、十六进制、字符等类型的数据。
3.参数块:
参数块用于存放CPU的组态数据(系统的配置参数)。
2.6本章小结
PLC的实质其实很容易理解,它其实就是计算机的一种,其硬件结构是与微机基本相同的,但是主要用途是在工业控制上。
现阶段PLC已得到广泛使用。
在学习PLC的过程中,对PLC有个大致的了解是必不可少的,通过本节,我了解了PLC的结构与工作原理,对其编程方式也有了一定的了解,为之后的学习打下了基础。
触摸屏通常在实际中与PLC配合使用,能更好的监测实时数据和状态,并能通过触摸屏来控制PLC内部一些寄存器和软元件。
通过了解触摸屏,让我能更好的去运用它,在出现了一些未知的问题时也能自行解决。
第三章运料小车控制系统方案设计
3.1控制内容与要求
设备的结构简图如下:
3.1实验设备结构简图
异步电机旋转一周,滚珠丝杠也旋转一周,装在滚珠丝杠另一端的旋转编码器也旋转一周,输出一周的脉冲信号,同时,工作台水平移动一个丝距的距离。
当工作台上的定位铁片靠近接近开关时,接近开关输出信号。
控制方案要求:
1.将接近开关2作为原点,1和5分别为左右极限;无论设备处于何种工作状态,遇到左右极限时都必须停止且不可向超限的方向运行;
2.当工作台不在原点时(无论在原点左边还是右边),按下复位按钮,工作台回到原点;若在原点,则复位按钮无效;
3.设手动、单步和自动模式,原点时自动、单步模式方可自由切换,手动模式任意模式可切换。
4.假定滚珠丝杠的丝距为5mm,工作台处于原点时,在自动模式下,按下启动按钮,工作台以段速1向前(接近开关5的方向)运行40mm,然后再以段速2向前运行40mm,以此类推,走完160mm之后,停止3秒,然后快速返回原点;各段速度可通过触摸屏更改,单位为mm/s;
5.在单步模式下,每按一下启动按钮,工作台完成一步,第一步必须是在原点时才可以启动;上一步完成之后,触发信号才有效,走完第四段之后,再按一次启动,工作台就回到原点;
6.手动模式下,无需设备处于原点就可以启动,可控制工作台的前进和后退,注意左右极限即可;
7.无论设备处于何种工作模式,按下停止按钮时,设备都停止在当前位置,并且必须要复位至原点,才能以自动或者单步模式再次启动;
触摸屏设计要求:
1.显示设备当前的工作模式、状态,如前进、暂停、前进的段号、返回、停顿定时等等,工作台的移动速度,单位为mm/s,精确到0.1mm/s;
2.各个模式下,实时显示工作台当前相对原点的位置,单位为mm,精确到0.1mm;
3.工作模式可通过触摸屏修改;
4.所有的触发信号要可以通过外部按钮输入,也可以通过触摸屏输入;如:
启动按钮,可用PLC的输入端子输入,也可以由触摸屏上的某一个按钮来输入;
5.各段速度、返回速度、手动速度可设,设定值的单位为mm/s,精确到0.1mm/s。
3.2方案设计
3.2.1运料小车运动分析
根据生产工艺的要求,可以得出运料小车按控制要求动作的简单时序如下:
3.2时序图
四个段速没有固定值,四段速及各个时期的速度均可通过触摸屏调节。
在自动模式下,按下启动按钮会自动运行一个循环,然后停止在原点,等待下次启动命令,单步模式下每按下一次启动,运行一个步骤,第四段速运行完毕后再次按启动会执行原点回归操作,手动模式下可手动控制小车前进后退,遇到极限会停止。
复位时,小车触碰左右极限后会向相反方向运行,正常运行过程中触碰左右极限后会停在原地,此时,只能进行复位操作或者是切入手动模式操作。
3.2.2控制系统框图
异步电机的调速有三种方式:
变频调速、改变磁极对数调速和改变转差率调速。
由于变频调速范围大,平滑性较好,机械特性较硬,故采用变频调速的方法调速,此时PLC的作用是通过通讯(Modbus协议或者自由格式协议)的方式将频率和运行状态给到变频器内部,通过变频器控制异步电机的运动,而异步电机连接的丝杆可以将电机轴旋转运动变成小车水平方向的运动,即可控制运料小车的前进和后退。
3.3控制系统框图
通过控制系统框图,可以很清楚的知道硬件之间的控制关系,方便理清思路,为下一步硬件及软件的设计打下基础。
3.3本章小结
本章节是在仔细阅读了控制要求之后,对运料小车的运动进行分析。
画出了简单的时序图,让控制要求更加直观。
并且画出了控制系统框图,对整个模拟系统有了大致的了解,为以后硬件的接线理清了思路。
第四章控制系统硬件设计
4.1PLC选型
依据对运料小车的控制要求、实际控制需要、输入输出变量的特点以及实验室设备的限制,我选用信捷电气股份有限公司生产的信捷XC3-24RT-E(24点输入输出,继电器晶体管混合输出)PLC,其中输入点数为14,输出点数为10,完全能够满足该系统的控制需求。
输入点用来实现小车控制方式的选择、启动、复位、限位、停止及接近开关信号输入,输出点主要用到AB相的通讯,与变频器AB相相连,用来传输运动信号。
PLC单元配有数据通讯口,实现PC机和PLC的数据通讯,触摸屏与PLC的通讯。
4.2HML选型
触摸屏选择与信捷PLC相配套的信捷TouchWin触摸屏,由于该方案对于触摸屏的要求并不高(可能在实际项目中会有特殊的要求,视情况进行选型),所以选用常规款信捷TH765-N的触摸屏,详细参数如下:
4.3三相异步电动机选型
由于实验室中模拟系统所用的异步电机相比实际应用中要求低,对转速和转矩要求也没有那么严格,并且出于实验室器材的有限性,我选用JSCC精研型号为80YS25GY22的自带减速机的三相异步电机,具体参数如下:
型号
80YS25GY22
产品类型
三相异步电动机
额定电流
0.22(A)
额定转速
1350(rpm)
额定转矩
195(N/M)
额定电压
220(V)
外形尺寸
80*80(mm)
额定功率
25(W)
效率
95(%)
4.4变频器的选型
变频器的选择应遵循如下依据:
1.选择变频器时应依据实际电机的电流值,电机的额定功率只作为参考。
另外,考虑到变频器的输出含有丰富的高次谐波,这会导致电动机的功率因数和效率降低。
因此,用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较,电动机的电流会增加10%左右,温升会增加20%左右。
所以在选择电动机和变频器时,应适当留有余量,以防止温升过
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 PLC 控制 小车 系统 设计