自动往返运料小车控制系统设计说明.docx

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自动往返运料小车控制系统设计说明

机电高等专科学校

毕业设计（论文）

编号

自动往返运料小车控制系统设计

系部：

自动控制系

专业:

电气自动化

班级:

自124

姓名:

晓需

学号:

*********

指导老师:

新蕖

二零一五年五月

摘要

运料小车在煤矿、仓库、港口车站、矿井等行业中被广泛应用，而其控制系统就是一种典型的PLC系统。

传统的运料小车大多是继电器控制，而继电器控制有着接线复杂、易出故障、维护维修不易等缺点。

为了降低运料小车的运行成本,实现自动化控制，应用可编程控制技术作为小车的控制系统。

本设计针对电气控制的运料小车系统，利用组态软件和西门子S7200PLC实现对运料小车系统的监测和控制。

通过现场数据采集，进行集中的数据管理，从而实现对自动运料小车系统有效控制，系统状态实时监控，并由上位机生成可视化的动态监控界面。

方便管理人员对现场的管理，提高工作效率。

关键词：

运料小车；组态软件；PLC；传感器；

Abstract

Carriage iswidelyusedin coalmine, warehouse, station, port mine andotherindustries, anditscontrolsystem is a typicalPLCsystem. Thetransportcars mostofthetraditionalrelaycontrol, relaycontrol withcomplexwiring, easy maintenance, fault repair defect isnoteasy. Inordertoreducetheoperationcost ofmaterialtransporttrolley, automaticcontrolsystem, theapplicationofprogrammable control technologyasthecontrol system ofcar.

Thedesignforthe carriage ofelectriccontrolsystem, realizethe monitoringandcontrolofmaterialtransporttrolley systemusingconfigurationsoftwareand S7200 PLC Siemens.Throughthefielddataacquisition, data management, soastorealizethe automatic control ofmaterialtransporttrolley system, real-timemonitoringsystemstatus, andmadethedynamicmonitoring interfacePC togeneratevisual. Management tofacilitatethemanagementofthesite, improveworkefficiency.

Keywords:

 Materialtransporttrolley;configurationsoftware; PLC;  sensor; 

第1章绪论

1.1课题来源、目的和意义

1.1.1课题来源

随着科学技术的日新月异，对自动化程度要求越来越高，原有的生产线已不能满足要求。

在工业生产中运料是一个非常重要的环节，但是其岗位对人体伤害较大或者是劳动负荷较大。

所以运料小车在工业生产中发挥了重要作用，为企业节省了人力、物力等，节约了生产成本提高了经济效益。

但是，相比传统接触器、继电器控制的运料小车电气控制线路比较复杂，不容易检修及维护。

基于PLC的自动运料小车控制系统可以解决上述问题，因此对它的设计具有了现实可能性。

运料小车是工厂工业运料的主要设备之一，广泛应用于冶金、有色金属、煤矿等行业。

早期运料小车电气控制系统多为“继电器一接触器”组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。

现代的运料小车基本将控制系统更改为基于PLC核心的计算机控制，并且为了更方便的对运输现场实施监控，传统的指示灯报警和提示已不能满足要求。

人们需要掌握小车的实时运行路径、了解小车的工作状态、记录小车的运行历史并能够随时修改小车的运行参数和调用历史数据，还需要按照可视和可控的格式，实时传输、管理和显示这些信息。

因此，采用组态软件进行实时的数据管理和监控显得尤为重要。

1.1.2课题目的和意义

随着社会的飞速发展，人们的物质需求日益增长。

因此，为了满足人们需求，就要加快物质生产。

控制系统的出现及发展，是现代工业向自动化方向发展的必然产物。

送料小车是基于可编程控制器（PLC,Programmable logic Controller）控制的智能系统，经过了40多年的发展应用，已经由手动到自动再到全自动控制。

现已进入人们的生产生活，为改善人们生活带来了许多帮助。

企业现代化生产规模的不断扩大，使得生产资料的输送成为生产物流系统中的一个重要环节。

运料小车自动控制正是用来实现输送生产资物的系统。

在国外，随着PLC技术的发展，生产线上的运输控制系统已广泛地采用基于PLC控制系统，有些制造厂甚至还开发研制出了专用的逻辑处理控制芯片。

目前，国大部分工控企业的运料小车自动控制系统都是从国外引进的，成本高。

为了满足现代化生产的需要，让PLC技术与自动化技术相结合，充分的应用到我国的工控企业生产线上，并且在各种环境下都能够正常工作，本文应用PLC实现对运料小车工作过程的自动控制，并仿真实现，从而实现成本低，易控制，安全可靠，效率高的设计目标。

1.2课题容及要求

本设计的主要容有：

确定运料小车控制系统的总体设计方案；设计运料小车拖动电机的电气控制线路原理图；确定运料小心控制系统PLC的型号规格；确定PLCI/O元件，列出I/O元件分配表；设计运料小车控制系统PLCI/O接线图；PLC程序的总体结构图和梯形图（包括主程序和中断程序）等。

设计目的：

（1）熟练掌握PLC的指令系统，学会一些特殊设备在生产实际中的应用。

（2）能使用西门子PLC编程软件及MCGS组态软件。

（3）通过设计牢固掌握功能表梯形图的方法、步骤及绘制梯形图所遵循的规则和技巧。

学会时序控制程序的设计和调试方法。

（4）能够绘制传动系统的电气图。

第2章控制方案的选择

2.1自动往返运料小车设计思路

本系统采用西门子SIMATIC系列PLC进行控制，伺服器与交流电机构成传动装置，驱动小车来回往返，用昆仑通态公司MCGS（英文说明）作为组态监控界面，实现实验环境下运料小车系统的运行。

2.2可编程控制器的介绍

2.2.1可编程控制器（PLC）的分类

 PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。

对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

 1．按结构形式分类

   根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC  整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。

小型PLC一般采用这种整体式结构。

整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。

基本单元有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。

扩展单元只有I/O和电源等，没有CPU。

基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。

整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

（2）模块式PLC  模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。

模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。

模块装在框架或基板的插座上。

这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。

大、中型PLC一般采用模块式结构。

 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。

叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。

这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

  2．按功能分类

   根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。

（1）低档PLC  具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。

主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档PLC  除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。

有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

 （3）高档PLC  除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。

高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

3．按I/O点数分类

 根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

（1）.小型PLC——I/O点数<256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。

如：

GE-I型

美国通用电气（GE）公司

TI100    美国德洲仪器公司

F、F1、F2  日本三菱电气公司

C20C40   日本立石公司（欧姆龙）

S7-200    德国西门子公司

EX20EX40  日本东芝公司

SR-20/21  中外合资华光电子工业

（2）. 中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K

如：

S7-300    德国西门子公司

SR-400    中外合资华光电子工业

SU-5、SU-6  德国西门子公司

C-500      日本立石公司

GE-Ⅲ      GE公司

  （3）. 大型PLC——I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K

如：

S7-400  德国西门子公司

GE-Ⅳ  GE公司

C-2000  立石公司

K3    三菱公司等

2.2.2PLC的工作原理

PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式的不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出先前通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能几个电器同时动作。

而PLC则不同，它采用循环扫描技术，自有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。

也就是说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。

PLC采用循环扫描技术可分为3个阶段：

输入阶段（将外部输入信号的状态传送的PLC）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。

在输入阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把他们存入相应的输入存储单元。

在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。

从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储单元。

在输出阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。

2.3自动运料小车控制系统

小车运料示意图如图2所示，为小车一处装料，另一处卸料。

小车由电动机拖动，电机正转，小车前进，电机反转，小车后退。

料斗底门和小车底门均由电磁阀控制，得电打开，断电闭合。

小车前、后终端位置均由限位开关控制。

按下右启动按钮小车右行（前述至限位开关SQ1处停下来装料，20S后结束，开始左行。

当碰到SQ2后停下来第一次卸料，15S后右行，碰到SQ1又停下来装料，20S后结束，又开始左行，经过SQ2不停，当碰到SQ3后停下来第二次卸料，15S后右行，碰到SQ1后又停下来装料。

完成一个工作周期动。

图2-2送料小车工作示意图

2.4系统硬件配置

图2-3系统总体框架图

系统硬件配置结构框图如图3所示，包括PLC及I/O扩展单元、传感器元件（行程开关和接近开关等）、控制面板（按钮开关和指示灯）、控制元件（中间继电器，交流接触器和电磁阀）以及执行元件（电机）等几部分。

控制面板作为设备控制的主要器件，接收来自操作人员的操作指示：

传感器元件检测运转小车进信号、后退信号，以及各部分的动作完成情况：

PLC自动循环扫描各个输入输出点的当前状态，并根据梯形图程序所确定的逻辑关系更新输出点的状态，通过通断交流接触器和换向电磁阀来控制电机的启停和油缸的动作，从而完成转料小车运转任务的过程的自动控制。

第3章控制系统的硬件选型

3.1系统硬件的选型

本课题涉及的硬件包括步进电机、驱动器、传感器、三相异步电机、气动系统、PLC控制器等。

以下为各部件详细介绍：

1.步进电机：

步进电机有步角距、静力矩、电流三大要素组成。

根据负载的控制精度要求选择步角的大小，根据负载的大小确定静力矩，静力矩一经确定给我悲剧电机矩频特性曲线来判断电机的电流。

一旦三大要素确定，步进电机的型号变确定下来了。

2.驱动器：

遵循先选电机后选驱动的原则，电机的相数、电流大小是驱动器选择的决定因素：

在选型中，还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或者共阴极。

未来改善电机的运行性能和提高控制精度，通常通过选择带细分功能的驱动器来实现，目的驱动器的细分等级有8倍、16倍、32倍、64倍等，最高可达256倍细分。

在实际应运中，应根据控制要求和步进电机的特性选择合适的细分倍数，以达到更高的速度和更大的高速转矩。

使电机运转精度更高。

振动更小。

3.三相异步电动机：

1）电动机的机械特性、启动、制动、调速及其他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（入电压波动、谐波干扰等），应在容许的围；

（1）按预定的工作制、冷却放大基础在情况所需的电动机功率，电动机的温升应在限定的围；

（2）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；

（3）综合考虑一次投资几运行费用，整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。

4.传感器：

传感器的选型原则可以从以下六个方面来叙述：

（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型；

（2）灵敏度的选择；

（3）频率响应特性；

（4）线性围；

（5）稳定性；

（6）测量精度。

根据具体的测量工作，从以上六个方面综合考虑，以选择最合适的传感器。

5.气动系统：

（1）确定气动执行元件的形式；

（2）进行工况分析，确定系统的主要参数；

（3）制定基本方案，拟定气动系统原理图；

（4）选择气动元件；

（5）气动系统的性能验算；

（6）绘制工作图，编制技术文件。

3.2PLC选型

在设计控制系统中，PLC用到了8个输入点、6个输出点、 1个模拟量输入点以及1个模拟量输出点控制运料小车的运动。

因此，依据运料小车控制系统的工艺流程、实际控制需求以及输入输出变量特点，选用了西门子S7-2PLC CPU224 XPCN控制的运料小车控制系统设计方案。

该PLC不仅用有14个输入点和10个输出点，还有1个模拟量输入点和1个模拟量输出点，利用PLC控制技术，实现运料小车两处装料、两处卸料的运动控制，完全能满足设计需求。

在运料小车控制系统设计过程中，需要PLC具有抗干扰能力出众、可靠性高、控制功能强、编程方便等优点，因此采用可编程控制器作为主控制器。

同时考虑到该控制系统不是很复杂，从经济角度考虑后决定：

该控制系统采用德国西门子公司声场的S7-200系列可编程控制器，具体型号为CPU224CNAC/DC/继电器，现有AC220V电源，DC24V电源输入，继电器输出。

该PLC结构紧凑小巧。

执行速度快、功能强大及性价比高等特点，符合本系统各方面要求。

（1）PLC的I/O分配表

表3.1PLC的I/O分配表

输入信号

输出信号

名称

代号

输入编号

名称

代号

输出编号

启动按钮

SB1

I0.0

正转接触器

KM1

Q0.0

停止按钮

SB2

I0.1

反转接触器

KM2

Q0.1

前限位开关1

SQ1

I0.2

装料指示灯

L1

Q0.2

前限位开关2

SQ2

I0.3

卸料指示灯

L2

Q0.3

后限位开关1

SQ3

I0.4

运行指示灯

L3

Q0.4

后限位开关2

SQ4

I0.5

报警指示灯

L4

Q0.5

急停按钮1

SB3

I0.6

报警信号

SB4

I0.7

（2）PLC输入输出地址分配

本次所采用的是S7-200系列中的CPU224，系统中的运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转，小车向右行。

SB1是系统启动按钮，SB2是系统停止按钮，SQ1-SQ4位行程开关，KM1、KM2分别为电动机正反转，L1-L4位小车状态指示灯。

小车控制系统的输入，输出设备与PLC的I/0段对应的外部接线如图3-1所示：

图3-2PLC外部接线

3.3传感器的选型

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：

“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。

通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

本课题中需要各种传感器来完成各种操作流程，比如需要传感器来检测小车是否运动到位，需要传感器来检测小车是否装卸货物完成到位，所以我们需要对传感器进行型号选定。

在检测小车是否运动到位时，需要位置传感器，位置传感器可用来检测位置，反映某种状态的开关，和位移传感器不同，位置传感器有接触式和接近式两种。

接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，常见的有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。

当某个物体在运动过程中，碰到行程开关时，其部触头会动作，从而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z轴方向两端分别装有行程开关，则可以控制移动围。

二维矩阵式位置传感器安装于机械手掌侧，用于检测自身与某个物体的接触位置。

由于行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。

所以本课题选择行程开关来完成这项检测。

当检测货物是否装卸完成时，需要红外传感器，红外线传感器依动作可分为：

（1）将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型，但是误差偏大，不能精确判断。

（2）利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN接合之光电动势效果的量子型。

热释电型的现象俗称为焦热效应。

热释电型的优点有：

可常温动作下操作，本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。

价格低廉。

综上所述，本课题选择热释电型红外传感器。

具体型号如下：

表3.2传感器型号与参数

实验温度：

T = 22°C                    NEP：

100 °C 黑体, 1Hz 电子带宽 

敏感度：

100 °C 黑体                   噪音：

0.4到10Hz 带宽隐蔽性好。

价格低廉。

3.4步进电机的选型

步进电机是将电脉冲信号转换为相应角位移或直线位移的一种特殊电动机。

其工作方式是每输入一个电脉冲信号，电动机就转动一个角度，由于运动形式是步进的，因此称为步进电机。

（1）步进电机转矩的选择  

步进电机的保持转矩，近似于传统电机所称的“功率”。

当然，有着本质的区别。

步进电动机的物理结构，完全不同于交流、直流电机，电机的输出功率是可变的。

通常根据需要的转矩大小（即所要带动物体的扭力大小），来选择哪种型号的电机。

大致说来，扭力在0.8N.m以下，选择20、28、35、39、42（电机的机身直径或方度，单位：

mm）;扭力在1N.m左右的，选择57电机较为合适。

扭力在几个N.m或更大的情况下，就要选择86、110、130等规格的步进电机。

（2）步过电机转速的选择  

对于电机的转速也要特别考虑。

因为，电机的输出转矩，与转速成反比。

就是说，步进电机在低速（每分钟几百转或更低转速，其输出转矩较大），在高速旋转状态的转矩（1000转/分--9000转）就很小了。

当然，有些工况环境需要高速电机，就要对步进电动机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。

选择电感稍小一些的电机，作为高速电机，能够获得较大输出转矩。

反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感在十几或几十mH,电阻也要大一些为好。

（3）步进电机空载起动频率的选择  

步进电机空载起动频率，通常称为“空起频率”。

这是选购电机比较重要的一项指标。

如果要求在瞬间频繁启动、停止，并且，转速在1000转/分钟左右（或更高），通常需要“加速启动”。

如果需要直接启动达到高速运转，最好选择反应式或永磁电机。

这些电机的“空起频率”都比较高。

（4）步进电机的相数选择  

步进电机的相数选择，这项容，很多客户几乎没有什么重视，大多是随便购买。

其实，不同相数的电机，工作效果是不同的。

相数越多，步距角就能够做的比较小，工作时的振动就相对小一些。

大多数场合，使用两相电机比较多。

在高速大力矩的工作环境，选择三相步进电机是比较实用的。

（5）针对步进电机使用环境来选择  

特种步进电机能够防水、防油，用于某些特殊场合。

例如水下机器人，就需要放水电机。

对于特种用途的电机，就要针对性选择了。

由于本文中的自动小车是安装在仓库之中，所运送的物料也比较大而且重，也就是说负载较大，需要选择大力矩的电机，所以本文中选择的电机是规格为130的步进电机，以满足现实的工作要求。

本文中选择的电机型号为130mm三相步进电机，具体型号为SS5401C40A，详细参数如下：

图3-3步进电机的型号与参数

第4章控制系统的软件实现

4.1PLC软件开发工具介绍

STEP7-Micro/WIN32西门子编程软件是基于Windows的应用软件，它是西门子公司专门为S7-200系列可编程控制器而设计开发，是西门子PLC用户不可缺少的开发工具。

目前STEP7-Micro/WIN32编程软件已经升级到了4.0版本。

4.1.1   硬件连接及软件的安装 

 1、硬件连接

为了实现PLC与计算机之间的通信，西门子公司为用户提供了两种硬件连接方式：

一种是通过PC/PPI电缆直接连接，另一种是通过带有MPI电缆的通信处理器连接。

 典型的单主机与PL