自动送料装车系统控制设计方案

1/35自动送料装车系统控制设计专业：电气工程及其自动化姓名：马宁指导老师：刘明华摘要送料装车控制系统在冶金、采矿运输、和生产制造等许多领域中都得到了普遍的应用，它通过自动输送设备实现物料的传输、接收、装运、处理、装配和存储的自动化，把工厂的各个生产部门、各个储存点联系起来。送料装车控制系统的工作环境通常比较恶劣，设备所处环境一般粉尘较大、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。用可编程控制器PLC）控制的自动送料装车动作稳定，具备连续可靠的工作的能力。本文以日本三菱FX2N系列PLC为主控制器控制运料小车的自动往返顺序的控制，实现了送料车的装料、送料、卸料的功能。次系统主要是由基本设备、运料存储装置和控制系统三大部分组成，重点研究自动化生产线的控制。关键词自动送料装车，PLC，控制系统ABSTRACTKeyWords:1绪论1.1自动送料装车控制的发展送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2/35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3/35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4/35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。2.自动送料装车控制系统设计2.1控制系统的组成本文设计中的自动送料装车系统由送料小车、轨道、料斗等设备装置组成，来完成对物料的运料、传输、卸料的过程。这类系统的控制需要运料小车能够实现加速、减速、运行平稳等特性，具有连续可靠的工作能力。通过3条轨道和一台运料小车配合，才能稳定有效率地进行自动送料装车过程。系统示意图如图2-1所示：5/35料斗1料斗2料斗3SQ4SQ1SQ4SQ3SQ2轨道2轨道3轨道1卸料仓库图2-1自动送料装车控制系统示意图2.2控制系统的元件2.2.1可编程控制器可编程控制器ProgrammableController，PC）由于和个人计算机PersonalComputer，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，如图2－1所示：6/35电源输入电路输出设备ROM编辑器或外围设备CPURAM按钮继电器触电行程开关接触器电磁阀指示灯图2-2PLC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，如图2－2所示：7/35输出刷新通信处理程序执行内部处理自诊断输入采样方式开关开始RUNSTOP图2－3PLC循环扫描的工作过程当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。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，使用情况主要分为如下几类：1.开关量逻辑控制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8/35等。2.工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。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。3.运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。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，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.数据处理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。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5.通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.2.2三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9/35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。图2-4三相异步电动机T=fs）曲线图2-5三相异步电动机n=fT）曲线2.2.3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。10/35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。如图2－6所示：敏感元件转换元件信号调节转换电路辅助电源被测量图2－6传感器组成框图2.2.4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11/35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。2.3控制系统的要求自动送料装车系统是由电机、运料轨道、限位开关等来控制的。本系统的设计要求：1.本系统有三个不同的轨道轨道1与轨道2、轨道2与轨道3之间都相差30度角），运料小车运料时要对轨道进行选择。故本设计采用了在运料小车上增加一个步进电机来控制运料小车的转向。2.要求运料小车运三种物料时每次装车重量要相同500kg）。一般可以采用定时、电子秤或称重传感器等方法。本设计中采用了在小车底部安装一个称重传感器来测量所装的物料重量。3.要求小车在每个运料轨道上都可以往复运动，即要求电动机的正反转。4.要求系统为一个循环系统，运料小车先在轨道1上运物料1，再在轨道2上运物料2，接着在轨道3上运物料3，如此循环往复直到停止按钮发出指令，整个系统停止运作。5.特别要求运料小车运料过程中小车要稳，加速、稳速、减速要严格控制，即对调速系统要求比较高。本设计采用了变频调速技术。6.三种物料都卸放到同一个卸料仓库，且卸料时要由一个卸料12/35油泵提供。7.对于运料小车在运送轨道上的运行要求要有行程开关的控制，以确定小车的准确到位。8.对于运料装车系统要有一个照明及信号显示系统，当系统装料或者是卸料时，信号显示系统会给我们提示。2.4控制系统的分析3自动送料装车控制系统的硬件设计3.1送料装车控制系统的元件选择3.1.1送料装车控制系统PLC的选择目前市场上的PLC产品众多，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。除国产品牌外，国外有：日本的OMRON、MITSUB、ISHI、FUJI、ANASONIC，德国的SIEMENS，韩国的LG等。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目