基于PLC控制的物料供给系统设计毕业设计可编辑

大连民族学院本科毕业设计(论文)
基于PLC控制的物料供给系统设计
学院(系):机电信息工程学院
专业: 机械设计制造及其自动化
大连民族学院
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摘要
在现代化的工业生产设备中,有大量的数字量及模拟量的控制装置,例如电机的起停,电磁阀的开闭,产品的计数,温度、压力、流量的设定与控制等,工业现场中的这些自动控制问题,若采用可编程序控制器(PLC)来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一。

可编程控制器在机电一体化产品中应用范围极广,其主要特点是:工作可靠、可与工业现场信号直接输人输出连接、组合灵活、编程容易、安装简单、维修方便、运行迅速,为继电器逻辑控制所望尘莫及。

本文是基于PLC控制的物料供给系统,就当前PLC控制系统的发展概况及应用前景进行了合理分析,进一步就PLC控制物料供给系统在现代化企业中的意义进行了说明和阐释。

且就PLC控制的物料供给系统的工作原理和意义进行了简单说明,并对部分组成部分作了介绍分析和设计在本设计中,货物供给通过PLC 的控制可以实现现代企业生产的自动化,极大的提高生产效率,且在一些大型厂矿设备及重污染的场合可以减轻操作工人的劳动强度,避免一些不必要的事故发生。

在一些必要场合通过PLC控制的物料系统可以实现生产过程中生产设备的简单性,进而实现减少生产场地面积,节省不必要的经济开支,实现过程的连续性即可持续生产过程。

21世纪,PLC会有更大的发展,产品的品种会更丰富、规格更齐全,通过完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求,PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业物料控制领域发挥越来越大的作用。

关键词:可编程控制器、控制系统、步进电机
Abstract
目录
摘要 2
Abstract 3
一、绪论 6
1.1 PLC控制系统的定义 6
1.2 PLC控制系统发展概况及应用前景 6
1 .3 PLC对物料供给系统的控制
1.4 本课题的提出与意义
二、TVT-4000E齿轮供给系统各单元结构及其工作原理 8
2.1 TVT-4000E齿轮供给系统单元结构图8
2.2 TVT-4000E齿轮供给系统单元工作原理9
三、系统硬件设计11
3.1 总体设计11
3.2 可编程控制器的选型 11
3.2.1 S7-200 CPU的选择12
3.3 步进电机的选择15
3.3.1 步进电动机的特点15
3.3.2 步进电机驱动系统的基本组成16
3.3.3 步进电动机的选择16
3.3.4 步进电机驱动器的原理与选择16
3.4电磁阀的选择19
3.4.1 电磁阀的工作原理
3.4.2 电磁阀的选择原则
3.5气缸的选择
3.5.1 气缸的工作原理
3.5.2 气缸的选择原则
3.5.3 气缸的选择参数
3.6 电气原理图21
3.7 控制柜布局图
3.8 气动原理图
3.9 接线板接线图 3.10 元器件清单 21
四、系统的软件设计23
4.1 系统的总体程序设计 23
4.1.1 I/0地址分配表 23
4.1.2 系统的程序流程图及程序编制23
4.3步进电机的控制及程序编制24
24
4.3.2 PTO/PWM控制寄存器27
4.3.3 主要程序的编写30
结论与展望41
参考文献42
附录43致谢
一、绪论
1.1 PLC控制系统的定义
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

”
总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制
器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。

1.2 PLC控制系统发展概况及应用前景
1.早期的PLC(60年代末?70年代中期)早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。

这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制,定时等。

它在硬件上以准计算机的形式出现,在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。

装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路,存储器采用磁芯存储器。

另外还采取了一些措施,以提高其抗干扰的能力。

在软件编程上,采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式?梯形图。

因此,早期的PLC的性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂,便于安装,体积小,能耗低,有故障指使,能重复使用等。

其中PLC特有的编程语言?梯形图一直沿用至今。

2、中期的PLC(70年代中期?80年代中,后期)在70年代,微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。

美国,日本,德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元CPU。

这样,使PLC得功能大大增强。

在软件方面,除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。

并扩大了存储器的容量,使各种逻辑线圈的数量增加,还提供了一定数量的数据寄存器,使PLC得应用范围得以扩大。

3、近期的PLC(80年代中、后期至今)进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的
PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。

而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。

这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

21世纪,PLC会有更大的发展。

从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品规模上看,会进一步向超小型及超大型方向发展;从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全,完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;从市场上看,各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言;从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS(Distributed Control System)中已有大量的可编程控制器应用。

伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

1.3 PLC对物料供给系统的控制
通过PLC对物料供给系统进行控制,使得在现代化的生产过程中物料供给的自动化程度可以满足各种产品的生产需求,大大提高了现代化生产过程中所需要的高效率、搞性能的自动化程度。

在现代工业控制中,PLC控制的物料供给系统犹如不知疲惫的搬运工,它可以连续不断地把需要进一步加工的货物(如齿轮)送进装配车间,直至完成生产任务。

而且该系统的投入使企业彻底抛弃了手工操作,货物传送方式进入科学数据化生产,个人也从粉尘、噪音等恶劣的劳动环境中
解脱出来。

不仅如此,稳定的高速度的物料供给更带来了产品质量的提高。

该系统投入后,产品密度、精度等主要技术指标均有较大提高,所以PLC控制的物料供给系统在生产制造和加工领域里,尤其是在大规模、高效率、连续生产的现代化企业被广泛引用,是一项值得推广的技术。

该系统的投入使用,对于网络信息时代企事业计算机集成制造过程和物流自动化系统的开发设计具有重要的参考价值。

1.4 本课题的提出与意义
在现代化的工业生产设备中,有大量的数字量及模拟量的控制装置,例如电机的起停,电磁阀的开闭,产品的计数,温度、压力、流量的设定与控制等,工业现场中的这些自动控制问题,若采用可编程序控制器(PLC)来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一,
可编程控制器在机电一体化产品中应用范围极广,其主要特点是:工作可靠、可与工业现场信号直接输人输出连接、组合灵活、编程容易、安装简单、维修方便、运行迅速,为继电器逻辑控制所望尘莫及。

本设计是基于PLC控制的物料供给系统。

货物供给通过PLC 的控制可以实现生产的自动化极大的提高生产效率,且在一些大型厂矿设备及重污染的场合可以减轻操作工人的劳动强度,避免一些不必要的事故发生。

且在一些必要场合通过PLC控制的物料系统可以实现生产过程中生产设备的简单性,进而实现减少生产场地面积,节省不必要的经济开支,实现过程的连续性即可持续生产过程。

21世纪,PLC会有更大的发展,产品的品种会更丰富、规格更齐全,通过完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求,PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业控制领域发挥越来越大的作用
二.TVT-4000E齿轮供给系统各单元结构及其工作原理
2.1 TVT-4000E齿轮供给系统单元结构图
图5-1 齿轮供给系统单元结构图 (5-1)-回收库 (5-2)-供给库 (5-3)-货物传送机构 (5-4)-升降载货台机构
2.2、4000E齿轮供给系统单元工作原理齿轮供给系统供给库(5-2)中有4层装满齿轮的载货台,当货物传送机
构中的升降载货台(5-4)通过步进电机驱动到达供给库的库位时,供给库
(5-2)中的气缸动作使第一层装满齿轮的载货台被放入升降载货台(5-4) 同时升降载货台(5-4)下降,通过步进电机驱动使第一层齿轮被送入视觉装配系统单元,当齿轮被装完后第一层空载货台通过步进电机驱动到达回收库(5-1)的库位,同时升降载货台(5-4)动作使第一层空载货台被放入回收
库(5-1)中,重复以上的动作依次循环完成齿轮的供给。

自动流程图:
供给库
升降载货台机构
货物传送机构
回收库
三.PLC控制物料供给系统硬件设计
3.1 总体设计
在此单元中当电磁铁通电,使电磁铁吸合板被吸合,同时直线气缸的活塞杆运动使多层货物储料台中的第一排齿轮被推出,此时电磁铁断电,电磁铁吸合
板与电磁铁分离,同时直线气缸的活塞杆带动电磁铁回到初始位置,完成一个工作循环,依次循环使多层货物储料台中的第二排齿轮被推出,直至多层货物储料台中第一层货物被全部推出后,气缸带动电磁铁做反向运动,使电磁铁吸合板回到初始位置,此时多层货物储料升降机构再由电机带动丝杠使多层货物储料台被提升到第二层位置,重复第一层的动作,使齿轮从多层货物储料台中被推出。

齿轮被推出后通过双通道滑梯使齿轮被送入货料输送机构中的滑动载货台上,通过载货台的运动使齿轮被送入五维装配系统单元。

3.2 可编程控制器的选型
为了提高仓库的仓储能力,降低工人的劳动强度,提高仓库的自动化程度,而PLC编程控制器恰恰具有可靠性高、.编程方便、易于使用、逻辑功能强、体积小的特点,并且其有网络通讯功能,可附加高性能模块对模拟量进行处理,实现各种复杂控制功能。

因此在我的仓储电控系统中,我选择了使用PLC可编程控制器,作为核心控制件。

3.2.1 S7-200 CPU的选择
西门子提供多种类型的CPU以适应各种应用要求。

不同类型的CPU具有不同的数字量I/O点数、内存容量等规格参数。

目前提供的S7-200 CPU有:CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU 226XM。

S7-200 CPU规格如表3.1所示。

按以上S7-200CPU规格所示,由于该系统需要的PLC输入端接口较多,因此选用的PLC可编程控制器应为CPU 226系列,该CPU为直流供电,直流数字量输出,数字量输出点是晶体管因此选择DC/DC/DC系列。

综上所述,最终选用的PLC可编程控制器件为CPU 226DC/DC/DC系列。

表3.1 S7-200 CPU规格表
CPU 221 CPU 222 CPU224 CPU226 CPU226XM
用户程序区
数据存储区4K字节
2K字节4K字节
2K字节8K字节
5K字节8K字节
5K字节16K字节
10K字节
CPU 内置DI / DO点数6/4 8/6 14/10 24/16 24/16
AI / AO点数无16/16 32/32 32/32 32/32
扫描时间/ 1 条指令0.37us 0.37us 0.37us 0.37us 0.37us
最大DI/DO点数256 256 256 256 256
位存储区256 256 256 256 256
计数器256256 256 256
计时器256 256 256 256 256
时钟功能可选可选内置内置内置
数字量输入滤波标准标准标准标准标准
模拟量输入滤波N/A 标准标准标准标准
高速计
数器单相4个 30KHZ 4个 30KHZ 6个 30KHZ 6个 30KHZ 6个 20KHZ 双相2个 20KHZ 2个 20KHZ 4个 20KHZ 4个 20KHZ 4个 20KHZ
脉冲输出2个 20KHZ 2个 20KHZ 2个 20KHZ 2个 20KHZ 2个 20KHZ
通讯口1×RS485 1×RS485 1×RS485 2×RS485 2×RS485
3.3 步进电机的选择
3.3.1 步进电动机的特点
步进电动机是一种作为控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度称为“步距角”一步一步运行的,其特点是没有积累误差精度为100%,所以广泛应用于各种开环控制。

步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比
步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制或半闭环控制就能进行良好的定位控制。

步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。

步进电动机带负载惯性的能力不强,在使用时既要注意负载转矩的大小,又要注意负载转动惯量的大小,只有当两者选取在合适的范围时,电机才能获的满意的运行性能。

由于存在失步和共振,因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。

3.3.2 步进电机驱动系统的基本组成
为了驱动步进电动机,必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器(在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制)、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器,以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统,如图3-5所示。

图3-5 步进电机驱动系统组成
3.3.3 步进电动机的选择
在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择,其次才是具体的品种选择,根据系统要求,确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置,从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。

在进行步进电动机的品种选择时,要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩、额定转矩和运行频率,以确定步进电机的具体规格和控制装置。

3.3.4 步进电机驱动器的原理与选择
1.步进电机驱动器的选择
步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说:控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。

所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

所有型号驱动器的输入信号都相同,共有三路信号,它们是:步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE此端为低电平有效,这时电机处于无力矩状态;此端为高电平或悬空不接时,此功能无效,电机可正常运行。

它们在驱动器内部的接口电路都相同,见下图。

OPTO端为三路信号的公共端,三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式,所以OPTO端须接外部系统的VCC,如果VCC是+5V则可直接接入;如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R,保证给驱动器内部光耦提供8-1 5mA的驱动电流,参见图3-6和图3-7。

外围提供电平为24V,而输入部分的电平为5V,所以须外部另加1.8K的限流电阻R。

图3-6 输入信号接口电路图3-7 外接限流电阻R
步进电机驱动器的输出信号有两种:
①.初相位信号:驱动器每次上电后将使步进电机起始在一个固定的相位
上,这就是初相位。

初相位信号是指步进电机每次运行到初相位期间,此信号就输出为高电平,否则为低电平。

此信号和控制系统配合使田,可产生相位记忆功能,其接口见图3-8。

图3-8 初相位信号接口电路
②. 报警输出信号:每台驱动器都有多种保护措施如:过压、过流、过温等。

当保护发生时,驱动器进入脱机状态使电机失电,但这时控制系统可能尚未知晓。

如要通知系统,就要用到‘报警输出信号’。

此信号占两个接线端子,此两端为一继电器的常开点,报警时触点立即闭合。

驱动器正常时,触点为常开状态。

触点规格:DC24V/1A或AC11OV/O.3A。

一般来说,对于两相四根线电机,可以直接和驱动器相连,见图3-9。

图3-9 电机与驱动器接线图
以北京斯达特机电科技发展有限公司生产SH系列步进电动机驱动器型号为SH-2H057为例,主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成。

SH-2H057步进电动机驱动器采用铸铝结构,此种结构主要用于小功率驱动器,这种结构为封闭的超小型结构,本身不带风机,其外壳即为散热体,所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内,接触面之间要涂上导热硅脂,在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法。

此步进电机驱动器的电气技术数据见表3.3:
表3.3 SH-2H057电气技术数据表
驱动器型号
相数
类别细分数
通过拨位
开关设定最大相电流
开关设定
工作电源
SH-2H057
二相或四相
混合式
二相八拍
3.0A
一组直流
DC24V-40V
2.步进电机驱动器接线示意图见图3-10。

3.步进电机驱动器细分数和电机相电流的设定
①. 细分数的设定
对于两相步进电机,细分后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数。

细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的,与电机无关。

所以我们最好选用细分驱动器。

在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

但现在的情况不同了,细分驱动器的出现改变了这种观念,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。

所以如果用户采用细分驱动器,‘相数’将变得没有意义
②.电机相电流的设定
SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定电机的相电流,您只需根
据面板上的电流设定表格进行设定。

3.5 电磁阀的选择
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器,并不限于液压和气动。

它的工作原理是电磁阀里有密闭的腔,在的不同位置开有通孔,每个孔都通向不同的油管,腔中间是阀,两面是两块电磁铁,哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边,通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔,而进油孔是常开的,液压油就会进入不同的排油管,然后通过油的压力来推动油刚的活塞,活塞又带动活塞杆,活塞竿带动机械装置动。

这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。

本文选择的是二位五通电磁阀,2、二位五通电磁阀的“两位”是指两个位置可控:开?关;“五通”是指有五个通道通气,具有1个进气孔接进气气源、1个正动作出气孔和1个反动作出气孔分别提供给目标设备的一正一反动作的气源、1个正动作排气孔和1个反动作排气孔安装消声器。

两位五通电磁阀通常与双作用气动执行机构配套使用。

2、两位五通电磁阀一般为双电控即双线圈。

线圈电压等级一般采用DC24V、AC220V等。

动作原理:给正动作线圈通电,则正动作气路接通正动作出气孔有气,即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的,将会一直维持到给反动作线圈通电为止。

给反动作线圈通电,则反动作气路接通反动作出气孔有气,即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的,将会一直维持到给正动作线圈通电为止。

这也相当于“自锁”。

在设计机电控制回路或编制PLC程序的时候,可以让电磁阀线圈动作1~2秒即可,以保护电磁阀线圈不受损坏。

3.5.2 选择电磁阀应遵循的原则
电磁阀选型应遵循安全性、适用性、可靠性、经济性四项原则依次选:
一安全性:
1、? 腐蚀性介质:宜选用塑料王电磁阀和全不锈钢;对于强腐蚀的介质必须选用隔离膜片式。

例CD-F.?Z3CF。

中性介质,也宜选用铜合金为阀壳材料的电磁阀,否则,阀壳中常有锈屑脱落,尤其是动作不频繁的场合。

氨用阀则不能采用铜材。

2、? 爆炸性环境:必须选用相应防爆等级产品,露天安装或粉尘多场合应选用防水,防尘品种。

3、? 电磁阀公称压力应超过管内最高工作压力。

二.?适用性:
1、? 介质特性
1质气,液态或混合状态分别选用不同品种的电磁阀,例ZQDF用于空气,ZQDF?Y用于液体,?ZQDF?2(或-3)用于蒸汽,否则易引起误动作。

ZDF系列多功能电磁阀则可通通于气.液体。

最好订时告明介质状态,安装用户就不必再调式。

2介质温度不同规格产品,否则线圈会烧掉,密封件老化,严重影响寿命命。

3介质粘度,通常在50cSt以下。

若超过此值,通径大于15mm用ZDF系列多功能电磁阀作特殊订货。

通径小于15mm订高粘度电磁阀。

4介质清洁度不高时都应在电磁阀前配装反冲过滤阀,压力低时尚可选用直动膜片式电磁阀作例如CD?P。

5介质若是定向流通,且不允许倒流ZDF?N和ZQDF?N单需用双向流通,请作特殊要求提出。

6介质温度应选在电磁阀允许范围之内。