生产流水线小车的PLC控制设计.doc

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PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1.开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2.模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3.运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4.过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5.数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。摘要 目前，在自动化领域主要的控制方式有继电器控制、微机控制和PLC控制三种。由于PLC控制系统与继电器控制系统及微机控制系统相比，具有设计、安装、接线、调试工作量小，研制周期短，可靠性高，抗干扰能力强，鼓掌率低，对工作黄鲸要求低，维护方便等一系列优点。而继电器控制系统因技术性能差，功能单一，在机械控制系统中已很少使用。微机控制系统因抗干扰能力较差，对工作黄鲸要求较高，设计研制周期较PLC控制系统长，因此，在自动控制领域的应用呈逐降的趋势。 在基于PLC的送料小车控制系统设计中，设计了基于PLC的送料小车控制系统总体方案，给出了软、硬件设计与实现方案。在电动机电器控制线路的设计部分，阐了电动机主电路以及辅助电路的实际过程，给出了这些电路的电器元件选择结果。在PLC控制的设计部分中，阐述了PLC I/0接线图的设计过程，给出了PLC及其输入/输出元件的选择结果，详细的阐述了PLC用户程序的设计过程，其中包括对公用程序、手动程序、自动程序、信号显示与鼓掌报警程序的设计过程的阐述。 生产流水线小车PLC-控制装置的设计一：已知情况、控制要求、设计要求前进后退ST1ST2ST3ST4ST5图1-1“某生产流水线小车”工作过程示意图 1.1：已知情况某生产流水线小车由1台Y系列三相异步电动机驱动，电动机规格为2.2、380V、4.7A，不频繁起动。该电动机正转时，使小车前进；反转时，使小车回退生产流水线小车主要工作过程(工作流程)如图11所示。1.2：控制要求起初：小车停在ST1处(1)ST1第1次按下小车前进至ST2处ST2动作小车停止延时5min小车返回ST1处ST0动作小车停止；(2)ST1第2次按下小车前进至ST3处ST3动作小车停止延时8min小车返回ST1处ST1动作小车停止；(3)ST1第3次按下小车前进至ST4处ST4动作小车停止延时10min小车返回ST1处ST1动作小车停止。(3)ST1第3次按下小车前进至ST5处ST5动作小车停止延时6min小车返回ST1处ST1动作小车停止。(5)ST1再次按下重复以上过程。1.3：设计要求根据生产设备工作方面及其它方面的需要，本次设计要达到如下设计要求：(1)要求本次设计的控制装置采用PLC技术实现；(2)要能完全满足控制要求；(3)要按照电气设计惯例，提供短路、过载、联锁等故障保护措施；(4)本次设计的控制装置应由操作屏、电气控制箱(柜)等部分组成，要尽量与生产设备进行一体化安装，具体安装尺寸另行商定；(5)操作屏上要有完整的信号指示(含电源、启动、停止、故障等指示)；因本次设计时间紧，程序设计及调试部分、电气设计部分要求做到具体到位，柜屏设计部分不作要求。四：总体设计思路根据情况、控制要求、设计要求，该小车送料PLC控制装置的设计思路可划分为以下5个，依序进行各部分的设计任务分配如下：4.1：程序设计及调试拟采用切换编程法来完成程序的设计，并在实验室环境中进行模拟调试；4.2：电气设计完成电气路原理图、元件位置图、接线图、元件明细表的设计；4.3：安装、接线、联合测试完成电气元件的安装、接线，并对程序与线路进行联合测试；4.4：工作说明操作过程、拟定常见故障排除方案、编写设计说明书等。下面按这个总体设计思路的任务安排逐步展开。五：程序设计及调试5.1：PLC的“I/O为分配” I/O分配情况如图12所示。原位、1号位、2号位、3号位、4号未、点动/自动、送料、点进、点退分别接至PLCX0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8端；PLCY1、Y2控制输出，分别接到接触器的KM1、KM2控制电动机的正反转，PLCY3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、为指示输出， Y3Y9分别接到七段数码管的A、B、C、D、E、F、G端。ST1ST2ST3ST4SA4SB5SB6SB7X0 原位X1 1号位X2 2号位X3 3号位X4 点动/自动/X5 送料X6 点进X7 点退限位开关Y1Y2KM1前行KM2回退Y9Y3Y4Y5Y6Y7Y8D2COMST5X8 4号位图12 PLC 送料小车I/O分配图5.2：明确“信息流向”由M8002开机脉冲使M0置1而“初入步0”，小车停止原位；初始程序完成后，进入切换程序；通过X4（SA4按钮）选择手动/自动方式，该程序在由自动切换到点动方式时，需要等到小车返回到原位才能进行，避免了由于切换带来的错误动作或其他事故。在自动方式下，小车首先要在原位（装料），然后按下送料钮X5，并根据D0的值判断小车需要送到1#位（D=0）、2#位(D=1) 、3#位(D=2)、3#位（D=3）中哪号位，将料自动送到需要的位置。 D=0时，送1#位；送达1#位，数码管变为1；D=1时，送2#位；送达2#位，数码管变为2；D=2时，送3#位；送达3#位，数码管变为3；D=3时，送4#位；送达4#位，数码管变为4； 小车从4#位还回到原位之后，D0变为0，自动开始新一轮的“送料”循环。5.3：SFC顺序功能图根据已知情况、控制要求及I/O分配图采用“切换编程法”， 试探设计出“PLC-小车送料”的SFC顺序功能图。图13切换程序-SFC顺序功能图5.4：梯形图、程序工作过程简析及编程元件明细表（1）：程序组成PLC-送料小车的控制程序组成如图14所示。由程序初始程序与主体程序组成，其中主体程序包括切换程序，工位号传送及定时程序、动作程序、信号指示等。其中，初始程序、切换程序是关键，传送及定时程序为切换程序提供切的条件。图14送料小车程序组成（2）：初始程序PLC-送料小车的初始程序的梯形图如图15所示.仅当小车在原位时（X0 接通），M8044才为1态，设定原点条件成立；由M8002开机脉冲使M0置1从而“初入步0”。图15初始程序梯形图（3）切换程序切换程序图16切换程序梯形图（4）工位号传送及定时程序梯形图PLC送料小车的工位号传送及定时程序的梯形图如图17所示，当D0大于等于3时其值自动清零，表示小车已从3号位返回，将重新前往1号位送料。1号位、2号位3号位4号位与数码管的值0、1、23对应，分别停车5min、8min、10min、6min。图17工位号传送及定时程序梯形图（5）动作程序（含自动、点动）PLC送料小车的动作程序（含自动、点动）的梯形图如图18所示，该程序以电机正反转控制为基础；其中，X6与X7分别点动控制小车的前进与后退；X0与X3分别是后退与前进的限位点，避免点进、点退失控。对于小车来说，某一时刻只能是前进与后退中的一种状态，故需要对Y1与Y2进行互锁。图18输出动作程序动作程序（自动、点动）梯形图（6）信号程序梯形图PLC送料小车的信号程序梯形图如上图19所示，该程序利用触点比较型指令实现应送料的工位号的显示，以提醒操作人员。图19信号程序梯形图该PLC-送料小车程序的工作过程，综合以上格梯形图，采用链图格式，简要分析如下：、采样：由M8002开机脉冲使M0置1而“初入步0”，、运算： 扫描“原点梯级” : X0接通M8004接通； 扫描“切换梯级” ：X4接通X5接通开始送料； 扫描“动作梯级” ：Y1接通KM1导通电动机正转X1导通KM1断开电动机停止转动 扫描“信号梯级” ：MOV K1 D10数码管显示由0变为1； 扫描“定时梯级” ：T1开始计时，6min分钟后T1导通; 扫描“其余梯级” ：分析略。 、刷新：M0启开始：Y1、Y2 导通 KM1导通、KM2断开；M0启数码管指示开始：Y7、Y8导通 数码管显示为1；结论：本程序能满足控制要求，并能达到设计要求的有关规定。表11 编程元件明细表编程元件编号功能参数及附注输入继电器X0原点X11号位X22号位X33号位X84号位X4点动自动X5送料X6点进X7点退中间继电器 M0、M10、M11、M12、M13、M21、M22、M23、M31、M32、M33、M41、M42在梯形图中起中间变量的作用主要用于完成不能直接实现的功能、或比较复杂的功能特殊继电器M8002开机脉冲M8044原点条件 触点比较型指令 D03大于或等于3时导通D0=0等于0时导能D0=1等于1时导通D0=2等于2时导通D0=3等于3时导通输出继电器Y1控制KM1小车前进Y2控制KM2小车后退Y3Y9七段数码管显示显示数字03时间继电器T1定时5minT2定时8min T3定时10minT4定时6min序号切换条件小车运动情况KM1KM2数码管结论0设备送电之后停止000通过1SB5按下，松开前进101通过2 到达1号位停止001通过3T15min到，1态后退011通过4SQ0动作停止000通过5SB5按下，松开前进102通过6到达2号位停止002通过7T28min到，1态后退012通过8SQ0动作停止000通过10SB5按下，松开前进103通过11 到达3号位停止003通过12T310min到，1态后退013通过13SQ0动作停止000通过14SB8按下，松开前进102通过15到达4号位停止000通过16T36min到，1态后退013通过程序调试说明：程序调试时采用实验室现有三菱FX2N-48MR型号的PLC为替代品，参照I/O分配图，对I/O信号进行模拟接线，接触器用继电器替代，未接入电动机； 因为程序调试只与PLC的I/O信号相关。异常情况：无程序调试结论：本程序在实验室用FX2N-48MR(与EC-8M8R相容)进行模拟调试，各工作步工作情况符合控制要求及设计要求的相关规定，程序在模拟环境中调试通过。 调试：丁涛 指导老师：余老师 时间：2009年11月6日在计算机上启动FXGP或GX编程软件，将小车送料梯形图程序，录入到计算机；并以自己姓名为名，将该程序保存于D盘之上，以备后用。该程序在“实验室模拟环境”中的调试按照表1-2的安排进行，如调试出现“逻辑性错误”，则需要重新修改程序。表12 “PLC送料小车”程序在模拟环境中的调试顺序安排、调试记录及调试结论六：电气设计6.1：确定电气原理图(含PLC外部接线原理图)根据图I/0分配图（12）、切换程序梯形图（16）、工位号传送及定时程序图（17）、输出动作程序图（18）、信号程序梯形图（19）、编程元件明细表（11），科威EC-08M08R型PLC接线端子图，及设计要求的相关规定，对小车送料装置进行控制，参照设计惯例，最终设计出电气控制原理图如图（1.22）。小车送料电气原理图： 图110送料小车电气原理图PLC-送料小车的电气控制的电气原理图如图（110）所示。该电气原理图是在实训设备上完成设备接线，进行程序模拟调试的重要依据。对该电气原理图的关键点分析如下：整台设备采用自动空气开关QF作为总电源开关，拉闸之后，使设备与电源完全断开，确保不带点；对PLC未家装分电源开关，以简化操作过程；由于电动机为短时重复工作，并且功率较小，故在电机回路不需过载热保护，由空开QF实现过流保护；对电机M1的正反转接触器KM1与KM2的线圈实施“应互锁,以防止装反转切换时出现“边相短路故障”；安排了原位、送1#位、送3#位、送3#位、送4#位等指示，对操作人员起到提醒的作用。总之，本电气线路“设计简约，考虑面广，满足要求”。6.2：确定元件位置图、接线图、互连图 图111 控制箱-元件位置图 图1-12 操作屏-元件位置图、接线图图1-13 控制箱-主电路-接线图图1-14 控制箱-辅助电路-接线图6.3：气元件进行选择，确定“电气元件明细表”表（13）为本设计的“电气元件明细表”。下面对表中主要设备、元件的型号规格的选择原则及选用的理由进行扼要说明。（1）电动机所用接触器的选择接触器的基本选择原则：接触器的额定电流电动机的额定电流。交流接触器一般按“AC-3类别”设计，如CJ10系列适合于一般任务的笼型电动机；对重任务的笼型电动机，如选用AC-3类别接触器则应降级使用。中小型工厂90kW及以下的笼型电动机，基本是一般任务型，属“AC-3工作类别”。本例电动机M1功率为4kW，额定电流In=8.2A，故可选CJ20-10型交流接触器；为多留一点余量，实际选CJ20-16，16A、380V，线圈额定电压选220V。表13 “M启动”元件明细表序号文字符号名称型号规格单位数量备注1M1电动机Y112M-2380V、4kW8.2A、7倍台1Y接法21#PLCPLCEC-08M08R台1*黄石科威3KM1KM2通电接触器Y形接触器CJ20-16瞬时脱扣80A台3*虎牌集团*人民电器(AC-3)10A4KW启65VA/47.6W持8.3VA/2.6W4QF空开DZ20Y-20/3200220V熔体2A个1200-有瞬时脱扣无热脱扣器5FU1FU21#PLC保险负载保险22mm, 红个21#PLC内含2A保险负载启动电流0.6A6SB5启动钮LA39-11/r22mm,绿个1*上海二工7SB6启动钮LA39-11/g22mm,绿个1*上海二工8SB7启动钮AD16-16/g3122mm,绿个1*上海二工9主电路导线BV5001mm2单芯，红500V铜芯塑料线*(北京)神州永立10交流制线BV500500V铜芯塑料线11线槽接线用本例电动机额定电流In=8.2A，故可选FR20-10型热继电器，为与接触器对应，实际选FR20-16型，16A,380V；相电流=8.2A/1.73=4.7A，故热元件编号应选S1，它的整定电流范围为3.9-4.5-5.4，本例实际整定值应取4.7A。（2）笼型电动机所用低压断路器的选择低压断路器，又名自动空气开关，简称“空开”。笼型电动机所用空开的基本选择原则：空开的额定电流(1.52)电传机的额定电流In；瞬时脱扣器整定电流10电传机的额定电流In；热脱扣器(长延时)整定电流(11.1) 电传机的额定电流In；6倍长延时电流整定值的可返回时间电动机的启动时间，按实际可选用返回时间1s、3s、5s、8s、15s中的某一档。笼型电动机空开速算口诀：“电动机瞬动，千瓦20倍” 因笼型电动机额定电流大约是其千瓦数的2倍，故瞬时脱扣整定电流应是千瓦数的20倍；“热脱扣，按额定” 热脱扣器整定电流约等于电传机的额定电流。本例电动机M1功率为4kW，额定电流In=8.2A，8.2A216，故可选DZ20-16型空开；为多留一点余量，实际选DZ20-20/3，20A、380V、3极；4kW20=80，故瞬时脱扣电流选80A，不带热脱扣器；热过载保护另由热继电器实现。（3）电动机配用导线的选择电动机配线速算口诀：“1.5加二，2.5加三，4.0加四” 如1.5mm2的铜芯塑料线，能配3.5kW的及以下的电动机，还留有余量；“6后加六，25后加五” 表示6mm2的铜芯塑料线，能配12kW的及以下的电动机；“50后递增减五” 50mm2可配45kW电动机，70mm2可配60kW等；“百二导线，配百数” 120mm2的铜芯塑料线可配100kW电动机。BV意为“铜芯聚氯乙烯绝缘电线”，就是铜芯塑料线，一般为独股单芯，常用于民用建筑；BVR就是铜芯塑料线软线，一般为多芯。本例电动机功率为4kW，1.5+2=3.5，2.5+3=5.54，故电动机主电路导线可选2.5mm2铜芯塑料线；本例因采用Y-减压启动，故电动机主电路导线也可选1.5mm2铜芯塑料线。七：安装、接线、及系统联合测试按照元件安装图安装元件；参考原理图，按照接线图完成“板内接线”；参考原理图，按照互连图，完成板间、柜间接线。最后，对程序系统与电气系统进行联合测试，详细步骤略。如不满足要求，再回去修改程序或检查接线，直到满足要求为止。八：后期工作8.1：操作过程简要说明操作过程可用链图的格式，简要说明如下：电源开关QF合闸数码管显示为0第一次按启钮SB5按下/松开码管由0变为1KM1导通封皮电动机M1启动启钮SQ1接通 数码管显示仍为1电动机M1停止定时3min后 数码管显示仍为1KM2导通电动机启动原位SQ0导通 数码管显示变为0，电动机M1停止第二次按启钮SB5按下/松开码管由0变为2KM1导通封皮电动机M1启动启钮SQ1接通 数码管显示仍为2电动机M1停止定时5min后 数码管显示仍为2KM2导通电动机启动原位SQ0导通 数码管显示变为0，电动机M1停止第三次按启钮SB5按下/松开码管由0变为3KM1导通封皮电动机M1启动启钮SQ1接通 数码管显示仍为3电动机M1停止定时8min后 数码管显示仍为3KM2导通电动机启动原位SQ0导通 数码管显示变为0，电动机M1停止再次按下启钮SB5重复以上过程8.2：常见故障及其排除方案常见故障及其排除方案如表14所示。表14 常见故障及其排除方案序号故障现象可能原因排除方案备注 1电源总开关合上，数码管不亮数码管损坏第3路火线存在开路更换数码管查相关接线端2 启钮SB1失效启钮SB1损坏更换启钮SB1 3启钮SB1按下，数码管不亮，电动机M1不启动1#PLC电源保险FU1烧断1#PLC负载保险FU2烧断1#PLC内置保险烧断更换FU1更换FU2更换1#PLC内置保险8.3：编写并提交(课程)设计说明书“课程设计说明书”应包括以下内容：封面课程设计任务书摘要目录已知情况、控制要求、设计要求总体设计思路程序设计及调试电气设计*安装、接线、联合