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计算机控制送料装置的控制系统


1 .设计说明 1.1 设计的原始资料及依据
设计一个送料装置的控制电路,要求用计算机对其控制和监视。

1.2 设计主要内容及要求
(1)当料斗内有料发出信号,电动机拖动料斗前进,到达下料台,电动 机自动停止,进行卸料; (2)当卸料完毕发出信号,电动机反转拖动料斗退回,到达上料台电动 机又自动停止、装料,周而复始工作; (3)无料状态下

,电动机能实现点动,进行正、反试车工作。 (4)有短路、过载保护; (5)用计算机组态对系统进行监控。

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2.概述
2.1 基于 PLC 控制的自动送料装车系统简介
自动送料装车系统是用于物料输送的流水线设备,主要是用于煤粉、细 砂等材料的运输。自动送料装车系统一般是由给料器、传送带、小车等单体 设备组合来完成特定的过程。这类系统的控制需要动作稳定,具备连续可靠 工作的能力。通过三台电机和三个传送带、料斗、小车等的配合,才能稳定、 有效率地进行自动送料装车过程。本次自动送料装车系统采用了 PLC 控制。 从送料小车运行的工艺流程来看,其控制系统属于自动运行的控制系统,因 此,此送料小车的电气控制系统设计采用自动扫描循环工作方式。而在 程序 设计上采用整体式设计方法,这样就可以使读者一目了然地看懂整个程序, 从而在一定程度上省去了使用人员阅读并分析程序的大量宝贵时间,同时也 使得程序的设计、修改和故障查找工作大为简化。 自动送料装车系统控制系统的软件部分(信号显示和故障显示)均采用 经验设计法,而自动程序则采用顺序控制法设计。 为了使整个控制过程更加完善,本设计采用北京亚控公司的组态王 6.5 仿真软件对整个系统进行组态模拟仿真,以进一步充分检验并修改系统硬件 与软件。下面我们先介绍一下 PLC 及组态各自的特点。

2.2

PLC 的特点
1. 可靠性高,抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电

路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具 有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的 机外电路来说, 使用 PLC 构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比, 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此 外,PLC 带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报 信息。在 应用软件中, 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序, 使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统具有极高的可靠 性也就不奇怪了。 2. 配套齐全,功能完善,适用性强
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PLC 发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以 用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代 PLC 大多具有 完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大 量涌现,使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加 上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用 PLC 组成各种控制系统 变得非常容易。 3. 易学易用,深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易, 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继 电器电路图相当接近,只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实 现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人 使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4. 系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控 制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是 使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量 的生产场合。 5. 体积小,重量轻,能耗低 以超小型 PLC 为例, 新近出产的品种底部尺寸小于 100mm, 重量小于 150g, 功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控 制设备。

2.3 组态仿真软件简介
1.组 态 王 开 发 监 控 系 统 软 件 ,是 新 型 的 工 业 自 动 控 制 系 统 ,它 以 标 准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。 组 态 王 kingview6.55 是 亚 控 科 技 根 据 当 前 的 自 动 化 技 术 的 发 展 趋 势,面向低端自动化市场及应用,以实现企业一体化为目标开发的一套 产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标,集成了对亚控科 技 自 主 研 发 的 工 业 实 时 数 据 库 ( KingHistorian) 的 支 持 , 可 以 为 企 业 提 供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台,使企业 能够及时有效地获取信息,及时地做出反应,以获得最优化的结果。
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2 . 组态王作用 (1) 显示功能:工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等 显示、画面调用等功能; (2) 报警处理和报表生成功能:纪录报警发生时间、故障内容等信息, 并对报警信息进行管理,系统报表有时报、日报、月报等; (3) 历史趋势功能:对现场的皮带速度、料槽料位以曲线图形显示。每 个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势等; (4) 画面系统对系统料位参数进行修改,实现对系统自动/手动的切换; (5) 管理权限:实现不同级别的系统管理权限,系统操作员可以选择操 作模式,查看趋势曲线及报表等;系统工程师可以对监控软件和下位机软件 进行修改; (6) 操作控制功能:根据界面上的按钮可以对各条皮带进行操作,比如: 启动、停止;对料位按工艺要求进行设定并对其进行选择。

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3
3.1
3.1.1

系统硬件设计

系统硬件的设计
自动送料装车系统控制工艺要求 基于 PLC 控制的自动送料装车系统的控制要求如下: 初始状态:红灯 L2 灭,绿灯 L1 亮,表示允许汽车进来装料。此时,进

料阀门(K1) ,送料阀门(K2) ,电动机(M1、M2、M3)皆为 OFF 状态。当汽 车到来时,车辆检测开关 S2 接通,红灯 L2 亮,绿灯 L1 灭,电动机 M3 运行, 电动机 M2 在 M3 接通 2 秒后运行,电动机 M1 在 M2 启动 2 秒后运行,依次顺 序起动整个送料系统。 当电动机 M3 运行后,进料阀门 K1 打开给料斗进料。当料斗中物料装满 时,料斗检测开关 S1 接通,此时进料阀门 K1 关闭(设 1 料斗物料足够运料 小车装满一车) 。料斗出料阀门 K2 在电动机 M1 运行 2 秒及料斗装满后,打开 放料,物料通过传送带 PD1、PD2 和 PD3 的传送,装入汽车。 当运料小车装满后,称重开关 S3 动作,送料阀门 K2 关闭,同时电动机 M1 延时 2 秒后停止,电动机 M2 在 M1 停止 2 秒后停止,电动机 M3 在 M2 停止 2 秒后停止。此时绿灯 L1 亮,红灯 L2 灭,表示汽车可以开走。 故障操作:在带式传输机传送物料过程中,若传送带 PD1 超载,则送料 阀门 K2 立即关闭,同时停止电动机 M1,电动机 M2 和 M3 在电动机 M1 停止 4 秒后停止; 在带式传输机传送物料过程中,若传送带 PD2 超载,则同时停止电动机 M1 和 M2 并关闭送料阀门 K2,延时 4S 后电动机 M3 停止; 在带式传输机传送物料过程中,若传送带 PD2 超载,则同时停止电动机 M1、M2 和 M3 并关闭送料阀门 K2。 3.1.2 主电路的设计

主电路的设计对于本次设计小车自动送料装车系统设计相当重要 ,只有 在主电路设计正确且简便的基础上,系统控制电路及软件设计才能精简方便。 根据系统的控制工艺要求,我所设计的电气控制系统主回路原理图如图 3-1 所示。图中,M1,M2,M3 为三台皮带传输送料电动机,交流接触器 KM1~KM3 通过控制三台电动机的运行来控制三个传送带, 从而进行对物料的传输。 FR1, FR2,FR3 为起过载保护作用的热继电器,用于物料传输过程中当传送带 过载
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时断开主电路。FU1 为熔断器,起过电流保护作用。
L1 L2 L3
QS FU KM1 KM2 KM3

FR1

FR2

FR3

M1 3~ 电机M1

M2 3~ 电机M2

M3 3~ 电机M3

图3-1 自动送料装车系统主电路原理图

3.1.3

I/O 地址分配

此次设计,系统占用 18 个 PLC 的 I/O 端口,分别是 8 个输入端口和 10 个输出端口,具体的 I/O 分配如表 2-1 所示:
表 2-1 输 启动 称重开关 装车开关 紧急停止 料斗已满 电动机 M3 故障 电动机 M2 故障 电动机 M1 故障 ------------------------------入 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 ------电机 M3 电机 M2 电机 M1 送料阀门 K2 进料阀门 K1 红灯 L2 绿灯 L1 电机 M3 故障显示 电机 M2 故障显示 电机 M1 故障显示 自动送料装置系统 I/O 地址表 输 出 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1

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3.2

PLC 机型的选择
在 PLC 控制系统设计时,应遵循以下基本原则:

(1)最大限度地满足被控对象或生产过程的控制要求。设计前,应深入 现场进行调查研究,搜索资料,并与机械部分的设计人员和实际操作人员密 切配合,共同拟定电气控制方案,协同解决设计中出现的各种问题。 (2)在满足控制要求的前提下,力求使控制系统简单、经济、使用及维 修方便。 (3)保证控制系统的安全可靠。 (4)考虑到生产发展和工艺的改进,在选择 PLC 容量时,应适当留有余 量。 在该系统中,输入点数为 3,输出点数为 8,为继电器输出,则我可以选 择 FX 2 N ? 16MR ? 001机型,由于此设计的系统要求不复杂,则可以选用小型 控制系统中采用整体式 PLC。

4 系统软件设计
4.1 PLC 程序设计
根据可编过程控制器系统硬件结构和生产工艺要求,在软件规格说明书 的基础上,用相应的编程语言指令,编制实际应用程序并形成程序说明书的 过程就是程序设计。程序设计要对做一些必要的准备工作,首先要了解系统 的概况形成整体概念。其次熟悉被控对象、编出高质量的程序。再次,充分 利用已有的硬件和软件工具。如果是利用计算机编程,可以大大提高编程的 效率和质量。 4.1.1 PLC 程序流程图

PLC 采用计算机控制技术,其程序设计同样可遵循软件工程设计方法, 程序工作过程可用流程图 4-1 表示。由于 PLC 的程序执行为循环扫描工作方 式,因而与计算机程序框图不同点是,PLC 程序框图在进行输出刷新后,再 重新开始输入扫描,循环执行。

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初始状态

红灯灭 绿灯亮 Y 小车进入

N

启动

电机M3启动

进料阀门

延时2秒

料斗满? Y 送料阀门

N

电机M2启动

延时2秒

电机M1启动

装车

电动机 过载? N N 达到小车 重量 Y 关闭送料阀门 关闭电动机M3 延时2秒

Y 关闭送料 阀门

显示故障 电机

排除故障 电机

关闭电机M2

延时2秒

关闭电机M1

红灯灭 绿灯亮 Y 小车退出

N

图 4-1 PLC 程序流程图

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4.2

PLC 梯形图设计
Network 1 I0.0 启动 I0.1 电机M3启动 Q0.0

Q0.0 Network 2 Q0.0 IN 电机M3启动后延时2秒 T37 TON

20 PT 100ms Network 3 T37 电机M2启动 Q0.1

Q0.1 Network 4 Q0.1 电机M2启动后延时2秒 IN T38 TON

20 PT 100ms Network 5 T38 电机M1启动 Q0.2

Q0.2

Network 6 Q0.0

检测料斗 准备装料 Q0.4 I0.2 I0.4 Q0.3

Network 7 开始装料 检测小车 (如果小车装满电机M3停止) I0.5 I0.6 I0.7 Q0.2 Q0.0 I0.2 I0.1

Q0.4

Q0.4

Network 8 I0.1 Q0.1 M0.0

M0.0

Network 9 M0.0 20

电机M3停止后延时2秒 T39 IN TON PT 100ms

Network 10 电机M2停止 T39 Q0.1 R 1

图 4-2 PLC 程序梯形图(一)

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Network 11 T39 Q0.2 M0.1

M0.1

Network 12 M0.1

电机M2停止后延时2秒 IN T40 TON

20 PT 100ms Network13 T40 电机M1停止 Q0.2 R 1 红灯亮 Q0.5

Network 14 I0.0

Q0.2

Q0.5

Q0.0

Network 15 I0.0

绿灯亮 Q0.6

Q0.5

Network 16 电动机M1故障 Q0.0 I0.5

M0.2

Q0.1

Q1.0

Network 17 M0.2

延时2秒 IN T41 TON

20 PT 200ms

Network 18 T41

电动机M3故障显示 Q0.7 Q0.0 R 1

图 4-3

PLC 程序梯形图(二)
10

Network 19 Q0.0

电动机M2故障 I0.6 M0.3

Q0.2

Q0.7 延时2秒 IN T42 TON

Network 20 M0.3

20 PT 100ms Network 21 T42 电动机M2故障显示 Q1.0

Network 22

电动机M3故障

Q0.2

I0.7

Q0.1 R 1 Q0.0 R 1 M0.4

Q0.1

Q1.1

Network 23 M0.4

延时2秒 T43 IN 20 PT TON 200m s

Network 24 T43

电动机M3故障显示 Q1.1 Q0.2 R 1 Q0.1 R 1 Q0.0

Network25 I0.3

紧急停止

R 1 Q0.0 R 5

图 4-4

PLC 程序梯形图(三)
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初始状态:Q0.6 接通,其它都处于断开状态。表示小车可以进入。 小车到达:I0.0 闭合,Q0.0 接通同时 Q0.4 接通,延时 2 秒 Q0.1 接通, 延时 2 秒,Q0.2 接通。Q0.5 接通,Q0.6 断开。表示小车已经到达。 开始装料:I0.2 闭合,Q0.4 断开,Q0.3 接通,表示装料中。 装料完毕:I0.1 闭合,Q0.3 断开同时 Q0.0 断开,延时 2 秒 Q0.1 断开,在延 时 2 秒 Q0.2 断开,Q0.5 断开,Q0.6 闭合。表示小车已经装满并 且可以离开。

4.3
4.3.1

组态监控系统设计
组态王工程的建立

1.组态主画面的建立 建立新的组态王工程,请首先为工程指定工作目录(或称“工程路径” 。 ) “组态王 6.5”用工作目录标识工程,不同的工程应置于不同的目录。工作 目录下的文件由“组态王 6.5”自动管理我们打开组态王 6.5 软件,首先要 求我们新建组态王工程所在的目录,启动“组态王 6.5”工程管理器,选择

图 4-5 新建工程向导之二

菜单“文件\新建工程”或单击“新建”按钮,在弹出图框中单击“下一步” 继续。弹出“新建工程向导之二对话框” 如图 4-5 我们首先确定文件存放的 目录,然后选择工程所在的目录的路径,点“浏览”选择你所 要存放工程的 目录,然后点下一步,进入工程向导之三,要求我们为新工程命名,在工程 名称文本框中输入工程的名称,该工程名称同时将被作为当前 工程的路径名 称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。工程名称长度应小于 32
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个字节, 工程描述长度应小于 40 个字节。 完成工程的新建如图 3-6, 单击 “完 成”完成工程的新建。系统会弹出对话框,询问用户是否将新建工程设为当 前工程,在弹出图框中单击“否”按钮,则新建工程不是工程管理器的当前 工程,如果要将该工程设为新建工程,还要执行“文件\设为当前工程”命令; 单击“是”按钮,则将新建的工程设为组态王的当前工程。定义的工程信息 会出现在工程管理器的信息表格中。

图 4-6

新建工程向导之三

4.3.2 组态监控仿真 从总体结构上看一般都是由系统开发环境(或称组态环境)与系统运行环 境两大部分组成。系统开发环境是自动化工程设计 者为实施其控制方案,在 组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境,通 过建立一系列用户数据文件,生成最终的图形目标应用系统,供系统运行环 境运行时使用。系统运行环境是将目标应用程序装入计算机内存并投入实时 运行时使用的,是直接针对现场操作使用的。 系统开发环境和系统运行环境之 间的联系纽带是实时数据库,它们三者之间的关系如图所示。

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图 4-7 组态监控系统结构图

当我们 进入 组态王 主 画面后 ,首 先确定 把 我们修 改的 画面是 否 保 存。这时系统要我们选择要运行的画面,我们选择所要运行的画面,然 后点“确定” ,这样就进入仿真画面如图 4-8。在图 4-8 中我们可以看到 小车正在进入装车系统,此时我们可以看到只有绿灯亮。当汽车到达是 红灯亮,绿灯灭,如图 4-9,此时进料阀门打开,电动机依次转动。当 料斗检测已满,检测信号灯亮,如图 4-10 说明料斗有足够的料供装车, 准备装料,送料开关打开,可以看到小车中物料在上升,这时我们可以 调节阀门大小来控制物料的流量。

图 4-8 小车进入组态运行图

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图 4-9 小车到达

图 4-10 料斗已满
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图 4-7 开始装车

图 4-11 小车退出

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5.心得体会
课程设计主要为了培养学生的理论与实践相结合的能力以及动手能力和 思维培养,还有独立思考的能力。大学的学习就是理论与实践相结合的一个 过程。只有理论和实践结合好了,才能在社会上找到真正属于自己的位置, 为社会献出我们自己的力量和自己的知识。 在此课程设计中,了解了工业生产过程中 PLC 的控制方法,对如何 使用 PLC 解决实际生产问题有了基本了解。对程序有了熟练的掌握,基本能 做到熟练编程无误,对成粗的小细节都应注意。在使用定时器时一定要学会 如何使用中间继电器,尽量少用一个定时器的常开触点来控制另外一个定时 器,以免造成触点竞争。通过本次课程设计,使我在电气工程方面的流程图、 梯形图等方面的水平有了进一步地提高。

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参考文献

[1] [2] [3]

孙平.2003 年 1 月.《可编程控制器原理及应用》. 高等教育出版社. 张运波.3001 年 7 月.《工厂电气控制技术》.高等教育出版社. 项毅、吴宜平.1999 年.《工厂电气控制设备实验与设计指导》接写工

业出版社. [4] 王永华.2002 年 9 月.《现代电气及可编程控制技术》.北京航空航天大 学出版社. [5] [6] [8] 程周.2003 年 4 月.《可编程控制器原理与应用》.高等教育出版社. 胡学林.2001 年 8 月.《可编程控制器应用技术》.高等教育出版社. 任志锦.2003 年 2 月.《电气与电气控制》 》.机械工业出版社.

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