电镀车间专用行车电气控制装置设计.docx

1、电镀车间专用行车电气控制装置设计1.1.1 继电器的定义 21.1.2 继电器的分类 31.1.3 接触器的定义与分类 51.2.1 PLC内部运作方式 71.2.2 PLC的硬件结构及基本配置 51.2.3 PLC专用编程语言种类 91.2.4 PLC未来展望 101.2.5 PLC的应用实例 111.4 本设计完成的工作 132.3.1 电机的正反转控制 162.3.2 能耗制动的控制 173.5.1 元件简介 224 PLC设计 274.2 主要参数计算 294.2.1 确定I/O 291 绪论电动专用行车是现代化生产中用于物料输送的重要设备，传统的控制方式下，大都采用人工操纵的半自动控

2、制方式，在许多场合，为了提高工作效率，促进生产自动化和减轻劳动强度，往往需要实现电动行车的自动化控制，实现自动化控制，可以使行车能够按照预定顺序和控制要求，自动完成一系列的工作。专用行车生产线自动化的程度在德国、意大利、美国等国家的发展水平已经较高，而在我国尚处于发展阶段。而本文介绍的工厂电镀车间的电镀专用行车，分别利用继电器接触控制和PLC构成一套自动控制系统，实现对电镀专用行车的自动控制过程。1.1 继电接触器的定义与分类继电器接触控制系统是应用最早的控制系统，是由各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成的控制系统。它具有结构简单、容易掌握、维修方便、价格低廉，能在一

3、定范围内（特别是在工作模式固定、工作方式简单的场合）满足自动控制的需要，多年来在各种生产机械的电器控制领域中，一直获得广泛的应用。其缺点是体积庞大、故障率高、功耗大、不易维护、不易改造和升级等。由于生产机械的种类繁多，所要求的控制线路也是千变万化、多种多样的，所以很难满足工业控制的要求。下面着重介绍一下继电器和接触器的发展现状1.1.1 继电器的定义 1）继电器的定义 继电器:当输入量(或激励量)满足某些规定的条件是能在一个或多个电器输出电路中产生跃变的一种器件。 2）继电器的继电特性 继电器输出入量和输出量之间在整个变化过程中的相互关系成为继电器的继电特征或控制特征.用x表示输入回路量,y表

4、示输出回路的输出量,如图1所示.当输出量x连续变化到一定量xa时,输出量y发生跃变,有0增加到ya值,则是输入量继续增加,是输出保持不变.相反,当减少到xb是,y又突然由ya减少到0.xa被称为继电器的动作值,xb被称为继电器的释放值,ya即是继电器的负载。 1.1.2 继电器的分类 1、按继电器的工作原理或结构特征分类 1）电磁继电器：利用输入电路内点路在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用而工作的一种电气继电器。 直流电磁继电器：输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。 交流电磁继电器：输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器。 磁保持继电器：利用永久磁铁或具有很高剩磁特性的铁芯，是电磁继电器的

5、衔铁在其线圈断点后仍能保持在线圈通电时的位置上的继电器。 2）固体继电器：指电子元件履行其功能而无机械运动构件的，输入和输出隔离的一种继电器。 3）温度继电器：当外界温度达到给定值时而动作的继电器。 4）舌簧继电器：利用密封在管内，具有触电簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧的动作来开,闭或转换线路的继电器。 干簧继电器：舌簧管内的介质的介质为真空，空气或某种惰性气体，即具有干式触点的舌簧继电器。 湿簧继电器：舌簧片和触电均密封在管内，并通过管底水银槽中水银的毛细作用，而使水银膜湿润触点的舌簧继电器。 剩簧继电器：由剩簧管或有干簧关于一个或多个剩磁零件组成的自保持干簧继电器。 舌簧管：同理舌簧管有干簧

6、管,湿簧管,剩簧管三种类型。 5）时间继电器：当加上或除去输入信号时，输出部分需延时或限时到规定的时间才闭合或断开其被控线路的继电器。 电磁时间继电器：当线圈加上信号后，通过减缓电磁铁的磁场变化而后的延时的时间继电器。 电子时间继电器：由分立元件组成的电子延时线路所构成的时间继电器，或由固体延时线路构成的时间继电器。 混合式时间继电器：由电子或固体延时线路和电磁继电器组合构成的时间继电器。 6）高频继电器：用于切换高频,射频线路而具有最小损耗的继电器。 7）极化继电器：有极化磁场与控制电流通过控制线圈所产生的磁场综合作用而动作的继电器。继电器的动作方向取决于控制线圈中流过的的电流方向。 二位置

7、极化继电器：继电器线圈通电时，衔铁按线圈电流方向被吸向左边或右边的位置，线圈断电后，衔铁不返回。 二位置偏倚计划继电器：继电器线圈断电时，衔铁恒靠在一边；线圈通电时，衔铁被吸向另一边。 三位置极化继电器：继电器线圈通电时，衔铁按线圈电流方向被吸向左边或右边的位置；线圈断电后，总是返回到中间位置。 （8）其他类型的继电器：如光继电器,声继电器,热继电器,仪表式继电器,霍尔效应继电器,差动继电器等。 2、按继电器的外形尺寸分类 名称定义微型继电器最长边尺寸不大于10mm的继电器超小型微型继电器最长边尺寸不大于10mm,但不大于25mm的继电器小型微型继电器最长边尺寸不大于10mm,但不大于25mm

8、的继电器注：对于密封或封闭式继电器，外形尺寸为继电器本体三个相互垂直方向的最大尺寸，不包括安装件，引出端，压筋，压边，翻边和密封焊点的尺寸。 3、按继电器的负载分类 名称定义微功率继电器当触点开路电压为28V时，触点额定负载电流（阻性）为0.1A；0.2A的继电器弱功率继电器当触点开路电压为28V时，触点额定负载电流（阻性）为0.5A；1A的继电器中功率继电器当触点开路电压为28V时，触点额定负载电流（阻性）为2A；5A的继电器大功率继电器当触点开路电压为28V时，触点额定负载电流（阻性）为10A；20A；25A;40A的继电器4、按继电器的防护特征分类 名称定义密封继电器采用焊接或其他方法，

9、将触点或线圈等密封在罩子内，与围介质相隔离，其泄露率较低的继电器封闭式继电器用罩壳将触点或线圈等密封（非密封）加以防护的继电器敞开式继电器不用防护罩来保护触点和线圈等的继电器1.1.3 接触器的定义与分类接触器是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头

10、断开 在工业电气中，接触器的型号很多，电流在5A-1000A的不等，其用处相当广泛。在电工学上。接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器，主要控制对象是电动机，此外也用于其他电力负载，如电热器，电焊机，照明设备，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大。适用于频繁操作和远距离控制。是自动控制系统中的重要元件之一。通用接触器可大致分以下两类。 1)交流接触器 主要有电磁机构、触头系统、灭弧装置等组成。常用的是CJ10、CJ12、CJ12B等系列。 2)直流接触器 一般用于控制直流电器设备，线圈中通以直流电，直流接触器的动作原理

11、和结构基本上与交流接触器是相同的。因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制(某些型别可达800安培)电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象，也可用作控制工厂设备电热器工作母机和各样电力机组等电力负载，并作为远距离控制装置。交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。交流接触器的动作动力来源于交流电磁铁，电磁铁由两个山字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定，在上面套上线圈，工作电压有多种

12、供选择。为了使磁力稳定，铁芯的吸合面，加上短路环。交流接触器在失电后，依靠弹簧复位，另一半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点的开关。交流接触器制作为一个整体，外形和性能也在不断提高，但是功能始终不变。无论技术的发展到什么程度，普通的交流接触器还是有其重要的地位。接触器具有可高频率的做电源开启与切断控制最高操作频率甚至可达每小时1200次也没问题。20安培以上的接触器加有灭弧罩，利用断开电路时产生的电磁力，快速拉断电弧，以保护接点。1.2 PLC的发展可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）,是一种用于自动化实时控制的数位逻辑控

13、制器，广泛应用于目前的工业控制领域。在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能(IO控制)，所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断的发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能，名称也改为可编程控制器（Programmable Controll

14、er），但是由于它的简写也是PC与个人电脑（Personal Computer ）的简写相冲突，也由于多年来的使用习惯，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并在术语中仍沿用PLC这一缩写。现在工业上使用可编程逻辑控制器(PLC)已经相当接近于一台轻巧型电脑所构成，甚至已经出现整合个人电脑(采用嵌入式操作系统)与PLC架构的PC-BASE控制器，能透过数位或类比输入/输出模组控制机器设备、制造处理流程、及其它控制模组的电子系统。PLC可接收(输入)及发送(输出)多种型态的电气或电子讯号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，

15、为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。PLC技术展的最终趋势仍然是人们所争论的焦点之一。大多数人认为，PLC将会继续失去市场份额；更有甚者认为，在工业PC面前，PLC将会一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工业应用领域仍将为PLC提供一定的市场份额。在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式

16、过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有PLC，但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软PLC(SoftPLC)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统PLC的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲，这是PLC控制器的核心，PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现得非常积极。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将PLC融入更加开放的工业控制行业。PL

17、C制造商已经开始注视基于工业PC控制技术所带来的强大冲击。有专家甚至认为，新商务活动所带来的新技术和开放技术规范将会埋葬传统PLC。PLC制造商认为，虽然在工业现场安装有大量的PLC控制设备，但他们仍然需要联合工控软件公司，以便开发他们自己的基于工业PC的过程控制软件。1.2.1 PLC内部运作方式虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读

18、入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下：步骤一“输入状态检查”： PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。步骤二“程式执行”： 将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。步骤三“输出状态更新”： 将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PL

19、C 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”1.2.2 PLC的硬件结构及基本配置可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC，是一种具有微处理机的数位电子设备，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数位类比.等单元所模组化组合成.一般讲，PLC分为箱体式和模组式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CP

20、U性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模组式PLC，有CPU模组、I/O模组、内存、电源模组、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下： 1.2.2 PLC基本机构图1.2.3 PLC专用编程语言种类PLC常用的编程语言主要有四种：基本指令、阶梯图、流程、IEC 61131-3。另有一些较少使用的专用编程语言。1） 基本指令：类似于组合语言，由指令语句系列构成，如Mitsubishi FX2的控制指令LD、LDI、AND、ANI、OR、ORI、ANB、ORB、MMP、MMS与OUT等，一般配合书写

21、器写入程式，而书写器只能输入简单的指令，与电脑程式中的阶梯图比较起来阳春许多。书写器一次只显示四行指令，所以不太直观，可读性差，特别是遇到较复杂的程式，更难读，所以多数程式用顺序功能流程图(SFC)表达；其优点就是不需要电脑就可以更改或察看PLC内部程式。使用书写器时，必须注意的是PLC指令中输出有优先次序，其中若有输出至相同的单元时(如Y000)，输出的优先次序以位址越大优先次愈越高，一般不容易从书写器中察觉所输入的单元。如下面程式中，有两个Y000输出点，而输出点Y000最大的位置是在X001后面，所以能控制Y000输出的只有X001这个输入点；因而X000输入点无法控制Y000。指令例：

22、 位址 指令 变数 0000 LD X000 ;当输入点 X0=ON(常开状态) 0001 OUT Y000 ;则输出点 Y0=ON 0002 LDI X001 ;当输入点 X1=OFF(常闭状态) 0003 OUT Y001 ;则输出点 Y1=ON 0004 END 2） 阶梯图（Ladder Programming,简称LAD)：类似于传统上以继电器控制接触器的电路图，梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组

23、一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为资料控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。1.2.3 PLC未来展望关于PLC电控工程师的训练对于企业来讲，不管使用任何开发环境，最注重的不外乎成本、效率。在软件开发上，要求的重点便在于工程师可以在最短的时间开发出程式，程式具有可重用性，以及新人的训练成本可以降到最低。如果你是一个机台设备的电控开发厂商，当然希望引进的员工能对 PLC 有一定程度认知，最好不要训练就可以开始进入程式写作。但以现在台湾的教育环境，技职体系已经逐渐放弃实习，相关科系最多

24、只教一些基本设定，普通大学不管是电机、机械、资工等控制相关系所更是三不管地带，学校完全没有针对性教学。在这种情况下，如果使用传统阶梯图来训练新PLC 程式工程师，还需要解释一些工业电子才能开始入门。如果有心想成为自动控制方面的工程师，可参加职业训练局、生产力中心或坊间的机电整合相关训练，以职训局的机电整合班的教学为例，强调实务技术的能力;实习的课目尽量接近实际场合,从一个系统抽出一个部分:由传感、控制、 驱动、及机构等组件的实习中，使学员能认识机电整合的概念，学员在学习了机械、电子、电机、电脑方面的技能后，应用于实习课目上，培养学员创造的能力。职业训练局机电整合班有产生合作关系厂商，各行各业均

25、有，产业别如:各行业设备生产制造及研发公司、环境监控公司、生技科技制造研发公司等都有联系。至于坊间电机补习班大都以考照为目标，缺乏整体教育训练，但大都设有实习场所与教材，对于学习上也可做为一种管道。每家PLC原厂如有设置服务点，大部分皆会提供定期教育训练，部分甚至可在预约后至公司做教育训练与业务需求拜访。对于PLC初学者应首当学习阶梯图，对于简单的控制，如简单的开关直接驱动灯号显示，打开电源开关等，应该是最容易表达，最快可以完成的程式写法。但对于不在硬件支援列表的控制元件，程式设计者很难用阶梯图去开发函数库。对于不是单一制程的机器，能弹性加工不同产品的设备，可能需要依照使用者设定的配方去跑，或

26、者需要简单的排程处理一些产品的优先加工顺序，或是需要一些数学函示运算，这些要求对阶梯图的方式都有表示上的困难。且当程式大到一定程度，阶梯图的程式就远不如结构化的高阶语言能够很快的看懂，不管是开发或者后续的程式维护，对于设计者都是很大的挑战。因此有出现一种OpenPLC 的语法来弥补这项缺失。1.2.4 PLC的应用实例PLC以CPU执行顺序控制，它具有内存可进行储存各输入，输出点状态，使用者可进行编写的逻辑控制程式，PLC本身功能即包含传统的继电器、计数器、计时器等硬件元件相同的功能，且体积小、重量轻、功耗低，不仅可缩小控制系统空间，配线容易，维修方便。其程式撰写方法简单，容易掌握，可经由更改

27、控制程式修改原本执行工作的动作，具备模组化架构及弹性化工作能力。由于具有使用容易，节省配线人力，设计弹性等优点，已广泛的应用于各种控制系统中，在工厂自动化、监视控制中担任核心控制任务。目前市面上之PLC种类繁多，依照制造厂商及适用场所的不同而有所差异，但是每种厂牌可依机组复杂度分为大、中、小型;而一般工厂及学校通常使用小型PLC，在 工业用途通常使用大型PLC 1.3 PLC与继电器控制系统的比较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PL

28、C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

29、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

30、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6）功能强，性能价格比高 一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信

31、联网，实现分散控制，集中管理。 7）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。而继电器对生产工艺变化的适应性差，需要进行重新设计与接线。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 PLC控制系统是从继电器控制系统发展而来的，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，目前仍然在工业领域中大量应用。然而就其控制性能与自身的功能已无法满足现代工业控制的要求和发展，下面就用

32、继电器控制和PLC控制系统来完成专用行车的设计。 1.4 本设计完成的工作本设计第一部分介绍了本课题的研究背景以及继电接触控制和PLC控制的定义与分类，并且对继电器接触控制和PLC控制方式进行了比较；第二部分介绍了系统的说明及要求以及总体方案的简要说明，并描述了专用行车控制所涉及的控制原理；第三部分用继电接触控制进行电镀专用行车的设计；第四部分用PLC控制进行电镀行车的设计，利用PLC构成一套自动控制系统，实现对电镀专用行车的自动控制过程。2 系统说明及要求2.1 专用行车电气控制系统概述本设计是用继电器接触控制和PLC控制完成电镀车间专用行车的控制，是为了提高工作效率、促进生产自动化和减轻劳动强度而改造的起吊设备。该设备采用远距离控制，起吊重量在500Kg以下，起吊物品是有待进行电镀