基于PLC保龄球设备控制系统设计课程设计.docx

1、基于PLC保龄球设备控制系统设计课程设计 课 程 设 计 说 明 书课程设计名称： 电气控制技术与PLC 课程设计 题 目： 基于PLC保龄球设备控制系统设计 学 生 姓 名： 专 业： 电气工程与自动化 学 号： 指 导 教师： 日期： 2015 年 1 月 18日基于PLC的保龄设备控制系统设计摘要：随着经济发展，保龄球运动日益受到欢迎，然而对保龄球设备的控制技术还存在着不足。本文主要是用PLC对保龄球设备控制系统的设计，结合保龄球设备运行过程控制及其要求，经PLC处理后控制机械进行相应动作 ，使电气部分与机械配合动作，并使用上位组态软件、监控系统等进行模拟。既满足了设备控制的各项控制要求

2、，又具有结构清晰简单，可靠性高，稳定性高等优点，促进了保龄球设备的推广和保龄球运动的普及。 关键词：保龄球，组态软件，PLCAbstract: With economic development, the growing popularity of bowling control technology of bowling equipment, however, there are insufficient. This paper is the design of the control system with PLC for bowling equipment, combined with

3、bowling equipment operation and process control requirements, mechanical action accordingly by PLC control, the electrical part and mechanical action, and use the upper configuration software, such as monitoring and control system simulation. Meets the requirements of various control equipment contr

4、ol, and has a clear and simple structure, high reliability, high stability, promoted the popularization of bowling equipment and bowling.Keywords: The bowling ball，Configuration software，PLC前 言保龄球运动是我国一项方兴未艾的高品位、健康的娱乐活动，近年来我国大部分都在建设保龄球馆。对于保龄球馆来说，保龄球设备尤为的重要。现在大多数的保龄球馆的设备都存在着或多或少的问题，在保龄球控制技术方面有着不足。本文就

5、这方面的问题，提出了基于PLC的保龄球设备控制系统的设计。基于PLC控制的保龄球综合控制系统是保龄球设备的核心部分，包括机械部分和电气部分。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。目前保龄球设备设计使用的可编程控制器(PLC)，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低，维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。基于PLC控制的电气部分负责与机械配合动作，其机械状态信息和打球信息，经PLC处理后控制机械进行相应动作。对设备的要求是按照一定的规则把被打到的不规则保龄球瓶按规则要求排列好。为了完成这项基本功能，机械和电气有分工

6、也有合作。好的方案标准是：完成同样的功能，越简单越好。在此，机电一体化思想体现越充分越好。通过上述的对保龄球馆的保龄球进行PLC控制，可提高球馆的服务质量和管理水平，是进行高效服务的保证，在激烈的市场竞争中具有不可忽略的作用。1 基于PLC的保龄球设备控制系统方案设计1.1 基于PLC的保龄球设备控制系统设计要求（1）完成保龄设备自动控制系统的相关流程分析，画出流程图；（2）完成全部的输入、输出信号分析，作出输入、输出表，画出输入、输出线路图设计；（3）完成系统总体硬件线路图的设计，进行正确的选型，给出元器件清单，画出系统安装配置图；（4）说明程序模块结构，做出中间元件说明表，完成系统软件程序

7、的编写，对程序进行清晰的注释。（5）进行保龄球系统的上位监控系统设计。系统结构图如图1.1所示：1.2 基于PLC的保龄球设备控制方案比较及论证1.2.1单片机与可编程控制器的方案比较论证（1) 单片机控制方案 可靠性低单片机本来抗干扰能力较低，从现在所要求的I/O总数来看，不论是MCS51系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。 开发成本高单片机的售价并不贵，以目前市场价，较有名气的ATMEL也不过十几元钱一片而已，但简单从这表面上看这个问题是不妥的，以本人几年来单片机开发经验可知，要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和

8、还要开模制版等，这都是一笔不小的费用。加上开发周期长所投入的人力物力，其价钱已远远地超过应用PLC开发的费用。 另外由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性较强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不值得。 开发周期更长单片机的开发周期较长，从电路设计、开模制版、编程、仿真、调试等经历非常长的周期，工程师往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，对最为重要的工艺过程往往没有更多的时间考虑。 不便于修改和维护利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场上往往不能找到可替代的备件，所以不便于维护，这是用户最不愿看到的。 基于以上的原因，本人认为此方案不适用(2) PLC控制方案 可靠性自第

9、一台PLC诞生就是应用于工业现场控制，不可否认，PLC的可靠性得到了工控业界的认可。据最近行业统计显示，目前采用PLC控制的设备份额达90。 成本低就此设备的控制来说，采用PLC来进行的设备开发和控制费用都要远远低于采用单片机或IPC的费用，其系统可大可小，小的几点，大的数千点，甚至上万点，很好解决工业控制问题，适用于很多场合。 开发周期短采用PLC进行设备控制，工程师无须花太多的精力在硬件的处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路，大部分精力集中在工艺的了解处理和程序的编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑、修改和调试也都可随时进行，缩短了开发时间。 性能加强随着微电子控制技术的发展，P

10、LC的处理能力也越来越强，其通讯能力、运算处理能力、容量（I/O容量和程序容量）等都有长足的发展。所以，从可靠性和性价比等方面来说，本次设计采用的是PLC。 1.2.2 PLC经验设计法和顺序控制法的方案比较论证经验设计法类似于通常设计继电器电路图的方法，即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。有时需要多次反复的调试和修改，增加一些触点或中间编程软件，最后才能得到一个较为满意的结果。这种方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的是弹性和随意性，最后的结果不是唯一的，设计所用的时间，设计的质量与设计者的经验有很大的关系，一般用于较简单的梯形图（比如手动程序

11、）的设计。在设计复杂的梯形图时，用大量的中间单元来完成记忆，连锁和互锁等功能，由于需要考虑的原因很多，他们往往又交织在一起，分析起来非常的困难，并且很容易遗漏一些应该考虑的问题。修改某一局部电路时，可能对系统的其他部分产生影响，因此梯形图的修改也是很麻烦的。用经验发设计的梯形图往往难以阅读，给系统的维修和改进带来了很大的困难。顺序控制，就是按照生产工艺规定的顺序，在各个输入的信号的作用下，根据内部情况和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有次序的进行操作。顺序控制法是一种先进的设计方法，很容易被初学者接受，对于有经验的工作人员，也会提高设计效率，程序的调试、修改和阅读也就很方便。通过以上

12、的比较所以选择顺序控制编程法。1.3系统方案设计本设计是一个基于PLC的保龄球设备控制系统，系统主要核心是利用了PLCc来进行保龄球整个流程的一个控制，我们可以利用手动或者自动来进行控制。通过PLC的输出信号来驱动不同的执行机构，在本设计中执行机构就是扫瓶电路的扫瓶电机，传送带的提瓶电机1，提瓶盘的提瓶电机2，送瓶滑道电机，凸轮定位器电机，置瓶电机，输送带电机，后提升电机，前升电机，电气控制柜冷却风机电机。通过控制以上的的电机来实现保龄球扫瓶，提瓶，送平和置瓶的功能。本设计在整个系统的运行过程中采用了上位机来进行监控，借助了计算机的组态软件易控来实现。保龄球设备控制图如图1.2所示：2 基于P

13、LC的保龄球设备控制系统分析2.1 基于PLC的保龄球设备控制系统功能分析本次设计基于PLC的保龄球控制设备系统主要就是对保龄球的转移进行控制，不仅要实现自动循环控制，也要能进行手动的控制；其次，系统能工作停止和紧急停止，以及一些故障自诊断功能，在发生危险情况时要有声光报警等报警装置。最后，整个系统的工作过程是出于工业组态软件的上位监控下。上述即是整个设计的要求，但是在实际的设计过程中，我们应该很好的将其完善和细化。首先系统要实现自动循环控制，当然，这个自动循环过程中我们要用到PLC来完成，先用编程器编好程序，在下载到PLC中，用PLC的输出信号就可以了。另外，手动控制方面，那就说明我们在硬件

14、设计时在控制面板上要添加各种开关按钮。总台管理系统：对球道实时监控，并进行分析、统计、价格设定、故障球道统计、报表等，实现了球馆现代化管理。电脑计分系统：可自动判断每次击瓶的数量，自动完成对每局球的分数统计及剩余瓶位的显示，并控制排瓶机工作。先进的电脑管理系统，由总台电脑控制操作台电脑进行开局、加局关道、移道操作，并对球道的动作状态进行监控，对营业情况进行分析、统计、报表等功能。配以生动活泼的动画，各种刺激游戏，赋于保龄的趣味性。 保龄设备（排瓶机）：采用可编程控制器为核心部件，与电脑计分系统相匹配，配合精密摄像系统，完成储瓶、置瓶、扫瓶等一系列功能。球道及回球系统：球道就是球滚动的路径，有投

15、球区、犯规线、球沟、护板等，回球装置就是投球之后，使用自动机械把球回到记分台前面地区。整个过程我们都是利用上位来进行监控，这样我们可以方便迅速的完成监控。2.2 系统工艺流程图系统工艺流程图如图2.1所示：YNY N图2.1 工艺流程图2.3 输入控制信息分析主要输入信号：启动信号、停止信号、入球检测信号、扫瓶信号、提瓶机检测信号、凸轮定位信号、夹瓶检测信号、置瓶信号等。2.4 输出控制信息分析主要输出信号：回球电动机、提升保龄球电动机、扫瓶电动机（正反转）、传输带电动机、提瓶电动机1、提瓶电机2、送瓶滑道电动机（正反转）、滑架电机、置瓶机构电动机（上下运行）、置瓶机构电磁阀夹子、凸轮定位器电

16、机等。2.5 PLC输入输出表的设计表2.1 PLC输入输出表输入信号输出信号X0开始信号M0工作信号X1停止信号X2扫瓶正转信号Y2扫瓶正转X3提瓶信号Y3提瓶X4送瓶信号Y4送瓶X5凸轮定位信号Y5凸轮X6滑架Y6滑架X7夹子Y7夹子X12置瓶信号Y12置瓶X13扫瓶反转信号Y13扫瓶反转X14球进入信号X15滑倒信号Y15送瓶滑道X16后提升信号Y16后提升X17自动手动Y17前提升X20大满信号2.6 PLC的选型（选型依据）目前世界上PLC品牌众多，由于各公司的发展战略不同，价格也参差不齐，性能特长也各不相同，但从市场占有情况来说基本上可以划为两大阵营，一是以Rockwell、SIE

17、MENS、施耐德等公司为首的欧美洲流派，一种是以MITSUBISHI、OMRON、富士等公司为首的日本流派，它们各有特点，各有所长，欧洲流派以大型系统而见长，而在中小型系统方面则是日本流派一统天下，占据了市场大部分份额。下面以国内市场占有率较高的SIEMENS和MITSUBISHI为例，按所要求的数字量I/O点进行配置（暂不包括步进控制），以目前的市场报价进行统计对比，以便确定哪一种PLC更加适合本系统的应用。按I=128点，O=75点，另加四台步进电机控制进行配置，考虑到用触摸屏可节约大量的输入点，经初步统计实际I点按约64点配置即可。（其余I点由HMI软元件满足）表2.2 三菱（MITSU

18、BISHI）FX2N系列PLC的I/O配置表上面比较可以说明，同档次的PLC，基本配置相同I/O时，用SIEMENS所花的费用比用三菱要贵多两倍，当然，对此系统配置来说，问题还远远不如这些，因为用SIEMENS配置需要用14个扩展，已远远地超过了其一个CPU最多只能带7个扩展模块的限制，还有就是S7200系列还没有相应的定位模块，换句话说，用S7200系列的PLC根本无法完成此系统的功能，除非用多个CPU或者用S7300系列才有可能完成此系统的功能，这样费用更高。反观三菱的PLC系统，只带一个扩展就完成了配置，而且还可以轻松带4个定位控制模块，也不会超出其最大配置的限制。而且，其特有的顺控指令

19、对处理复杂的逻辑关系又是PLC不能相比的。日本公司的PLC产品正是凭借其自身的优点，进入世界各大市场，据有关资料报道，在中小型系统PLC方面，日本产品占据了世界上约70%的份额。而三菱系列的PLC更是占据了国内大部份市场份额。所以本系统选用了三菱的PLC作为控制系统。3 控制系统硬件设计3.1 系统总图设计3.1.1 系统电源电路图设计在这次设计中的保龄球设备控制系统汇中，电源采用的是380v三相电源。因为隔离开关主要用来将高压配电装置中需要停电部分与带电部分可靠地隔离，以保证检修工作的安全。隔离开关的触头全部毕露在空气中，具有明显的断开点。因此为了保护电源，同时方便以后的检修，在主线路中加了

20、一个隔离开关。由于主线路的电压为330V属于低压，所以选择的隔离开关为：NH3-100，此隔离开关型号的意思为：N-企业特征代号、H-隔离开关、2数字表示设计序号、100-壳架等级额定电流（A）。当选好隔离开关以后，就可以从主线路中接出之路电路，在我们这次设计的内容中，要求为置瓶电机：380V550W；扫瓶电机：380V370W；夹子电机：380V180W；滑架电机：380V120W；提瓶电机：380V250W；提瓶电机：380V250W；送瓶滑道电机：380V180W；凸轮定位器电机：380V250W；输送带电机：380V250W；后提升电机：380V250W；前升电机：380V250W；电

21、气控制柜冷却风机电机：220V40W。以及为PLC的电源进行供电。首先设计的是保龄球设备控制的各个电机的电路。在设计的时候首先考虑的是安全问题，所以在设计支路时必须加入保护器件，由于该支路的中的异步电动机电路电压都是380V，功率相差不是很大，考虑到最大电流的问题，当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断的升高，并且升高的电流有可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若电路中正确是安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常升高到一定的高度和维持一定的时间后，自身熔断切掉电流，从而起到保护电路安全运行的作用，所以选择十一个熔断电流为5A的熔断器。同时还要加的保护器件为热

22、继电器，因为热继电器的作用是电动机过负荷时自动切断电源，热继电器的构造是两片膨胀系数不同的金属片构成，电流过大时膨胀系数大的先膨胀，起到切断电源的作用。考虑到这些电机的最大电流，选择的过热继电器型号为：JR28-1353。另外的保护器件就是断路器，断路器的作用：正常情况下接通和断开高压电路中的空载及负荷电流；在系统发生故障时能与保护装置想配合，速度切断故障电流，防止事故扩大，从而保证系统安全运行。其实断路器上就是一个开关，它和其他普通开关不同的地方在于：使用电压等级高；灭弧介质及方式有真空，少油，多油及六氟化硫等等；灭弧能力强，效果好。一般情况下断路器本身不存在润滑方面的问题，需要润滑的是它的

23、操动机构。当考虑好该支路的保护器件后，就可以添加最后的控制对象一部交流电机。要想让PLC能够控制电机的起停，就必须使用继电器。继电器简单的说就是一种用小电流来看最大电流的开关。小电流通过线圈，产生磁场，这个磁场使得控制大电流的开关吸合。由于电机的功率和电源都已经选好，选好继电器只需要考虑流过他的电流的大小，所以选择继电器为：CJ20-63A。因为控制过程中，有些电机需要正反转。控制电机的电路图如图3.1所示：(扫瓶电机、置瓶电机、送瓶滑道电机、夹子电机、凸轮定位电机等如图a所示，其他如图b所示)：图3.1控制电机接线图当保龄球设备流程控制流程电机电路图设计好后，接下来就是对PLC和电气控制柜冷

24、却风机电机电源电路的设计，因为它们需要的是220V的交流电源的型号，所以可以通过一个变压器将380V的电压变为220V，这样就可以加载到PLC的电源接口端。变压器就选择SG-300VA，同样也需要对变压器进行保护，就需要添加断路器和熔断器。PLC和电气控制柜冷却风机的电路图如图3.2所示：图3.2 PLC及电气控制柜冷却电机接线图3.2 电器元件的选型（元器件清单）在前面已经详细的介绍了电路图中每一个电路分支图中所使用的器件，一些参数。下面就给出这次设计中要用到的主要元器件清单，如表3.1所示：表3.1 主要元器件清单序号元器件代号元器件名称型号与规格数量功能1FX2NPLCAC 220V1主

25、控制2M1置瓶电机380V 550W1置瓶3M2扫瓶电机380V 370W1扫瓶4M3夹子电机380V 180W1夹瓶5M4滑架电机380V 120W1送瓶6M5提瓶电机380V 250W2提瓶7M6送瓶滑道电机380V 180W1送瓶8M7输送带电机380V 250W1传送9M8凸轮定位器电机380V 250W1夹瓶10M9后提升电机380V 250W1提升保龄球11M10前提升电机380V 250W1提升保龄球12M11电气控制柜冷却风机电机220V 40W1降低控制柜温度13BT隔离变压器380v/220v1提供220V电压14SB按钮PLC输入15QS隔离开关NH3-10011隔离电机

26、16FR过热继电器JR28-125311防止电机过载17FU熔断器RL111保护电机3.3 PLC控制系统设计设计完上面的电路图后，接下来就是设计PLC控制系统电路图。目前国内外PLC种类很，性能也各有特点，价格也不同，在设计PLC控制系统要选择合适的PLC机型，一般考虑一下几个因素：（1） 系统控制目标。设计PLC控制系统，首先目标要明确：确保控制系统可稳定的运行，提高生产效率，保证质量。（2） PLC硬件配置。包括CPU的能力，IO系统，指令系统，响应速度，性价比等，储容量也是考虑的范畴。用户程序储存容量和指令的运行速度都是两个重要的指标。综上所诉，本设计选择的PLC是三菱系列的FX2N-

27、232。PLC电源电路如图3.3所示：图3.3 PLC电源启动保护电路上图就是设计出来的PLC电源启动保护电路。首先设计PLC的电源输入电路，是因为这是考虑当系统出现紧急状况时能够及时停下。因此在PLC的电源电路中，设定了一停止按钮，此按钮为常闭按钮。然后设定一个继电器KM的通断。它的工作原理为：当SB9一按下，继电器就会导通吸合KM，此时电路就导通，当松开SB9后，由于继电器吸合就不会断开。当有紧急情况时，按动SB8则KM就断开，这样就切断了PLC的电源，达到了实现设定的目的。下面就设计PLC的输入输出，在前面第二部分给出了PLC的输入输出表，我们就可以根据前面的内容直接设计。PLC输入输出

28、图如图3.4所示：图3.4 PLC输入输出图3.4 控制柜的安装布置设计本次课程设计选择的是三菱的PLC，有自动手动按钮，大满和非大满按钮，还有扫瓶，运瓶，提瓶，扫瓶，夹瓶和置瓶按钮。根据以上的按钮进行控制面板的设计。控制面板的设计图如图3.5所示：图3.5 控制柜设计图4 控制系统软件设计4.1 控制流程图设计此次课程设计的程序采用的顺序控制编程法来控制，通过对题目的分析可以列出相应的逻辑顺序来控制，然后根据该逻辑控制顺序来编写相应的程序。首先通过一段程序控制在开始时进入将球瓶放置的过程，避免在原来有余瓶而造成的干扰。在准备完成后，在有球信号进入后，在确定是否全部击倒的信号后，进行不同程序。

29、一段程序是将击倒的球瓶全部重置进行下一次击倒，另一段是将未击倒的球瓶夹起，并将余瓶扫除，再将球瓶放下供下一次击倒。4.2 中间元件表 图4.1 中间元件表M0中间继电器T1中间延时继电器T2中间延时继电器T3提瓶延时T4凸轮电动机延时主要作用：M0：接收开始信号。T1: 接收大满信号。T2：未完成大满信号。T3：提瓶所用延时。T4：凸轮电动机延时。4.2 编程平台的介绍我们所用到的编程平台是GX developer。他是可以用于FX系列PLC汉化软件，可以使用梯形图和指令表。该软件是三菱PLC的专用编程平台，能够在线将程序写入PLC和调试程序，也可以用该软件对编写的梯形图进行仿真调试。可以观察

30、到每一个程序中的变量值如X,Y,M,T等寄存器。 在启动GX developer 以后想要编写梯形图，首先要新建一个工程点击菜单栏下的“创建新工程”选项，弹出如图4.1的对话框。工程创建图如图4.1所示：图4.1 工程创建图 在该对话框中可以很清楚的看出我们需要设置的一些选项，首先是在PLC系列栏里点击右边的下三角，就会弹出一个下拉菜单选择自己对应的实际PLC系列号在这次设计中选择FXPLC；然后是选择PLC的类型，同样点击右边的下三角形，可以选择需要的型号。程序类型我们选择梯形图逻辑，再点击设置工程名选项就会激活最下面三个选框，第一个驱动器路径，就是保存工程的路径；第二个就是填工程的名字；第三个可以不填。当设置完以上的内容以后，就点击确定，就会创建一个空白的梯形图编辑区，然后就可以编写需要的梯形图。程序的标准化标号编程 用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。 用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程