电气控制与PLC技术课程设计

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课程设计成绩评定标准及成绩

评阅人：                  职称：   讲 师   

日期：      2014 年       月     日

河南工程学院

课程设计报告

设计名称：电气控制与PLC技术课程设计

设计时间：自12 月 8 日至 12 月 19日，

共10 天。

设计地点：河南工程学

设计单位：河

指导教师：

1.自动送料装车控制系统的设计

   1.1自动送料装车控制的发展                  

    料装车设备广泛地应用于建材、冶金、煤炭、电力、化工、 轻工等工业生产部门。老式送料装车设备因为没有计量而存在多装、少装的问题。特别是在运输的过程中，不允许车辆超载，多装了，得卸掉，少装了，得进行二次装车，使得装车工作进行非常缓慢。  随着当今社会科学技术的发展，各类物料输送的生产线对自动化程度的要求越来越高，原有的生产送装料设备已经远远的不能满足当前高度自动化的需要。由于控制系统的不断发展和革新，使得生产线的运输控制也将得到不断的改善和生产效率的不断提高，送料装车的控制经历了以下几个阶段：  1.手动控制：在20世纪60年代末70年代初期，便有一些工业生产采用PLC来实现送料装车的控制，但是限于当时的技术还不够成熟，只能采用手动的控制方式来控制机器设备，而且早期送料装车控制系统多为继电器和接触器所组成的复杂控制系统，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，必须要有专人负责操作。  2.自动控制：在20世纪80年代，由于计算机的价格普遍下降，这时的大型工控企业将PLC充分的与计算机相结合，通过机器人技术，自动化设备终于实现了PLC在送料装车控制系统中自动控制方面的应用。  3.全自动控制：现阶段，由于PLC技术向高性能、高速度、大容量发展，大型PLC大多数采用多CPU结构，不断向高性能、高速度、大容量方向发展。将PLC运用到送料装车控制系统中，可实现送料装车的全自动控制，降低了系统的运行费用。PLC控制的送料装车自动控制系统具有连线简单、控制速度快、精度高、可靠性和可维护性好、维修和改造方便等优点.

  1.2自动送料装车在国内外的发展现状    

在国内，大多数还是还是人工管理，智能控制及需普及，国外工程机械产品以电子、信息技术为先导，开发出各种工程机械相匹配的软、硬件系统，使工程机械向信息化、智能化前进。  国外大多数PLC品牌都有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的相互结合使系统的性能大幅度的提高，人机界面更加的友好。通讯技术的发展、现场总线的发展及以太网的发展时通讯能力大大加强。  在国外的送料装车控制系统中已经广泛的应用PLC控制系统，而采用可靠性比较高的 FX2N系列 PLC软件来控制该系统,实现送料装车系统的自动控制过程,满足了系统可靠性、 稳定性和实时性的要求。  

  1.3自动送料装车控制系统设计的目的和意义  

送料装车控制系统的工作环境通常比较恶劣, 设备周围所处的环境一般粉尘比较大、空气湿度相对高且操作分散,所以对送料装车控制系统工作的安全性、 可靠性、 维护简便性要求比较高。  在早期的送料装车控制中通常都采用继电器逻辑控制,继电器控制系统中大多数采用分立的继电器、 接触器等电器元件作为控制元件,其控制系统复杂、 操作难度大, 并且安装接线时工作量大、 修改控制策略难、 维护量大等问题，严重影响了正常的工业生产。  PLC所控制的系统可以方便地通过改变用户程序，以实现各种控制功能，从根本上解决了电器控制系统控制电路难以改变的问题。同时，PLC控制的系统不仅能够实现逻辑运算，还具有数值运算及过程控制等复杂的控制功能。  对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。  PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，从而可以节省下大量的配线和附件，减少了大量的安装接线工作时，可以减少大量费用。  PLC不仅用于开关量控制，还可用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色.

  1.4基本控制要求

按下启动按钮SB1，小车运动到1号工地装料1，停止2秒，运动到2号工地卸货，停止2秒，运动到3号工地装料2，停止3秒，运动到4号工地卸货，停止3秒，返回1号工地。循环上述过程。按下停止按钮，回到１号工地停止。可加设急停。

  1.5控制系统的元件

  1.5.1可编程控制器  

可编程控制器（Programmable Controller，PC）由于和个人计算机（Personal Computer，PC）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的简称。  PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。  PLC采用了典型的计算机结构,主要由CPU、存储器、采用扫描方式工作的I/O接口电路和电源等组成. 

电源 输入电路 输出设备 ROM 编辑器或外围设备 CPU RAM 按钮继电器触电 行程开关 接触器电磁阀 指示灯   图2-2  PLC硬件系统结构框图  PLC采用循环扫描工作方式，集中进行输入采样，集中进行输出刷新。I/O映像区分别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中各结果的状态。  PLC循环扫描工作方式一般包括五个阶段：内部处理与自诊断、与外设进行通信处理、输入采样、用户程序执行、输出刷新五个阶段.

1.5.2三相交流异步电动机 

 三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通往三相交流电源后，产生了旋转磁场并切割转子，就获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。

   1.5.3传感器  

传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电信号部分。  传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。

通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。但是由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。

   1.5.4变频调速技术  

     变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。大家知道，从大范围来分，电动机有直流电动机和交流电动机。由于直流电动机调速容易实现，性能好，因此，过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流电动机固有的缺点是，由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来不少的麻烦。因此人们希望，让简单可靠价廉的笼式交流电动机也能像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、转子串电阻调速和串极调速等交流调速方式。直到20世纪80年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，才出现了变频调速技术。它的出现就以其优异的性能逐步取代其他交流电动机调速方式，乃至直流电动机调速系统，而成为电气传动的中枢。

  1.6主要的实验设备 

１实验室控制屏１台

２电脑１台

３ＰＬＣ通讯电缆一台

４自动送料装车控制系统一套

５变频器一台

６跨接线若干

  1.7I/O分配                                                

表 1-1 PLC输入设备

1.9PLC程序

2.单轴位置控制系统设计

2.1单轴位置控制装置简介

单轴位置控制装置实际上是一个一维机械手装置，它以工业自动化生产系统中的一维机械手为参考对象，完全展现了实际一维机械手的运行状态，装置将机械、气动、电气控制、传感器等技术合理的融合在一起。

1、机械部分    

单轴位置控制实训装置的机械部分主要由直线滑块模组机构、升降气缸、吸盘、接近传感器、磁感应开光及限位开关等构成。

1)直线滑块模组机构：由一个电机通过联轴器主同步带轮驱动，并通过同步带将滑块与从同步带轮配合成直线驱动机构，在型材上实现直线移动。在自动状态下将不同属性的工件放入对应的物品容器中，滑块上的气动抓手的位置判断是根据与工位对应的接近开关开关来判断滑块与工位见关系，在直线模组终端均设置行程开关，来保护模组的滑块在允许范围内运动。

X向的运动机构均设定有保护开关，为超小型基本开关。安装于各自机构的两头极限位置。一旦行走超出范围时，立即切断机构电气硬件回路。从而避免程序的误动作组成设备损坏。并将超程信号开放到IO面板。

 2)接近传感器：是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。在换为电气信号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利石和引导开关的方式。

   3) 升降气缸及吸盘

升降气缸和吸盘皆为气动执行器件，在本实训装置上的主要功能是实现工件的吸取、提升、下降及释放。提升、下降位置由装在气缸上的两个磁感应开关通过检测装在活塞上的磁环位置来判断，吸盘利用真空发生器产生的负压将工件吸住，负压消失工件在其自身重力作用下自然与吸盘分离。此过程是磁感应开关把升降气缸缸位检测信号反馈给控制器（PLC，自动控制时有效），再通过控制器控制电磁阀，使升降气缸与真空发生器实现气源换向，从而实现工件的吸取、提升、下降及释放操作。

   2、 机械部分工作原理    直线滑块模组的滑块通过（升降气缸固定在滑块上）移动，到达指定的工位后，升降气缸及吸盘工作，将工件吸取并提升，然后直线滑块模组机构的滑块又开始移动到达指定的工位后，升降气缸及吸盘又开始工作，将工件放到指定的工位上，达到搬运工件之目的。

1)X向直线滑块模组单元：

直线滑块模组机构由一个电机通过联轴器主同步带轮驱动，并通过同步带将滑块与从同步带轮配合成直线驱动机构，在型材上实现直线移动。在自动状态下将不同属性的工件放入对应的物品容器中，滑块上的气动抓手的位置判断是根据与工位对应的接近开关开关来判断滑块与工位见关系，在直线模组终端均设置行程开关，来保护模组的滑块在允许范围内运动。

2）Z向升降气缸单元

Z轴通过工厂自动化常用的气缸和气动真空吸盘来控制取放工件。Z轴方向的运动通过一个气缸来实现。真空吸盘安装在升降气缸的前端，通过电磁阀来控制气路通断，从而控制Z轴的升降和真空吸盘来吸取释放工件。在气缸上设置两个磁性传感器，来判断气缸的上下位置。

    3)保护及定位检测装置

X向的运动机构均设定有保护开关，为超小型基本开关。安装于各自机构的两头极限位置。一旦行走超出范围时，立即切断机构电气硬件回路。从而避免程序的误动作组成设备损坏。并将超程信号开放到IO面板。

4）开关电源

利用开关电源将接入的交流220V通过开关电源转换出直流24V供设备中继电器、电磁阀等弱电设备使用。

5）空气过滤器

气压传动，往往使用空气压缩机将空气压缩后存储至专用的存储单元，通常称之为气源。空气中难免会有油污、水蒸气等等一些杂质在空气压缩的过程被吸入压缩机当中混合在气源中。为了设备更好的发挥性能，在气源接入设备之前安装了空气过滤器，保证较清洁的空气接入设备当中。

 3气动回路部分

 单轴位置控制实训装置的气动回路主要由过滤减压阀、电磁阀组（含有两个双电控二位五通电磁阀）、真空发生器、真空过滤器、数字式压力开关及气管等组成。

    1）过滤减压阀

气源处理组件及其实物与回路原理图分别如下图所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。该气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于关闭气源。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。

2）电磁阀组

就是将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成，而每个阀的功能是彼此的。单轴位置控制实训装置的气动回路使用了2个双电控二位五通电磁阀，2个阀集中安装在汇流板上，汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。

    3）电磁阀

以双电控二位五通电磁阀为例，对电磁阀的组成结构加以说明：双电控电磁阀采用两端都用电磁线圈控制的方式，与单电控电磁阀的区别在于，对于单电控电磁阀，在无电控信号时，阀芯在弹簧力的作用下会被复位，而对于双电控电磁阀，在两端都无电控信号时，阀芯的位置是取决于前一个电控信号。

   电磁阀，带手动换向、加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到在LOCK位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作。只有在PUSH位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。在进行设备调试时，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。

4）真空发生器

真空发生器产生真空的原理和传统真空泵是不一样的。它是让压缩空气在泵体内形成高速气流，大家知道，气体的流动速度越高，当地的气体压力就越低（从柏努利方程可以得出），因此就具有越强的抽吸能力。真空发生器就是利用这种原理制成的。 正因为如此，在同等真空抽气量的情况下，真空发生器体积小，基本不用维护，真正的无油，是一种既可靠效率又高的真空泵。 真空发生器分单级真空发生器和多级真空发生器两类，在消耗相同压缩空气的条件下，多级真空发生器在标准大气下的真空抽气量一般是单级真空发生器的好几倍，因此，多级真空发生器是真正高效率的真空泵。 真空发生器的使用环境要求很简单，只要有压缩空气源，就可以使用真空发生器。

     5）真空过滤器

它的主要作用是滤除压缩空气中的水分和微型颗粒杂质。

     6）数字式压力开关

    数字式压力开关的主要功能是将真空发生器的压力转换成对应的电信号，并通过数字表显示其压力值.

                                                                     2.2控制原理：

1、气动控制原理

    装置的气动控制原理如图，气源将压缩空气首先送入过滤减压阀，经过滤减压阀过滤、减压处理后，输出洁净的、干燥的压力适合于工作要求的压缩空气，经电磁阀组汇流排的进气口到电磁阀内，电磁阀线圈与控制器（PLC，自动控制时有效）的输出端连接，并受控制器控制，然后由电磁阀控制进入升降气缸和真空发生器的气源并使其换向，实现升降气缸的伸缩、真空发生器的负压产生与消失控制，从而完成吸取、提升、下降、释放的运行动作。

2、手动控制

要求

通过操作单轴位置控制实训装置控制盒面板上的按扭开关，控制直线滑块模组左右移动、控制升降气缸的活塞伸缩运动、控制吸盘完成吸取和释放工件动作，以达到抓取、提升、搬运、下降、释放工件之目的。

操作步骤

1）. 接通气动机械手实训装置及空气压缩机的电源。