PLC控制的运料小车运动设计.docx
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PLC控制的运料小车运动设计
摘要
现在的工业生产中，分工越来越细化，流水线生产已经成为企业生产环节中一种重要的生产模式。
但是由于一些生产车间的环境恶劣，或者是有些物料本身需要自动化的生产设备进行运送，运料小车在这种情况下应运而生。
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
因而可以说PLC是近乎理想的工业控制计算机。
本文是在对于运料小车的运动设计，围绕以下几方面展开研究：
（1）通过查阅国内外的相关文献材料，结合运料小车的工艺流程，用三维软件设计了小车的运动轨迹模型图，使得该轨迹在保证工作要求的前提下，提高了工作的安全性和效率。
（2）通过查阅PLC的相关资料，考虑到该设计中运料小车的要求，选择了合适的PLC型号，并画出了PLC的硬件接线原理图。
（3）选择了符合运料小车运动要求的一系列电子电器元件，并利用PROTEL99se绘制了硬件电路接线图。
（4）利用S7-200MWv4.0编程软件，编写了小车的运动控制程序梯形图，并结合程序语句，在计算机上进行了仿真模拟，取得了良好的设计效果。
关键词：
PLC；运料小车；梯形图；仿真
第一章引言
1.1课题的研究背景及意义
随着我国工业自动化的不断发展，运料小车成为了工业运料的主要设备之一。
由于其工作效率高、运行稳定、大大降低了工人的劳动强度、减少了工人的体力劳动，在冶金、有色金属、煤矿、港口、码头、工业自动化生产线等领域得到了广泛的应用。
早期运料小车电气控制系统多为“继电器一接触器”组成的复杂系统，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，必须有专人负责操作。
20世纪以来随着人类科技的迅猛发展，各种工业化自动控制产品都在向着控制可靠，操作简单，通用性强，价格低廉等方向发展，使自动控制的实现越来越容易。
PLC应运而生。
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
因而可以说PLC是近乎理想的工业控制计算机。
PLC的输入/输出接口是已经按不同需求做好的，可直接与控制现场的设备相连接。
同时，PLC具有很强的监控功能，利用编程器、监视器或触摸屏等人机界面可对PLC的运行状态进行监控。
随着PLC技术的成熟、性价比的不断提高，其应用范围不断扩大，在工业自动化中发挥着越来越重要的作用。
本设计将PLC应用到工业送料小车的电气控制系统中，实现了运料小车的自动化控制，使运料小车不再需要人工控制，降低了系统的运行费用，提高了系统的自动化程度。
PLC运料小车电气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，安装、维修和改造方便等优点。
1.2设计要求及主要内容
本设计主要实现运料小车在A、B两个装料点装料之后在C点卸料。
由于小车运行过程中会有拐弯，在拐弯处必须减速运行以保证小车的稳定。
直线运行时为了提高小车的效率必须使小车在较高的速度运行。
设计的主要内容有：
1.设计运料小车的结构以及运料小车的运行轨迹；
2.确定设计的工艺流程；
3.进行系统硬件的电路的设计；
4.进行系统电机以及变频器的选型；
5.进行运料小车控制系统的PLC功能分析和设计，并进行PLC选型、I/O口的分配及I/O接线图；
6.编写小车PLC控制程序并进行仿真。
第二章运料小车方案分析与设计
2.1小车整体方案分析
运料小车一般是用在焦化厂等工业领域的设备，它的突出特点就是要求能在两个相距不太远的工艺地点上实现自动化的物料传送功能。
但是，所谓运料小车并不一定就是小车的形状，它可以根据生产的产品的种类，设计成漏斗状的盒子或者小的平台，只要在它的下面安装一个负责控制的PLC单元和一个带动行走部件的电机，即可统称为运料小车，本设计中采用漏斗形式小车，小车的结构会有详细介绍。
小车的行走距离一般比较短，从几米到几十米不等，这个根据物料的生产工艺确定。
整个运料周期可根据产量进行调整，载料小车的运行模式通过主令控制器和PLC来实现，速度变化通过改变变频器的频率来实现。
同时，智能主令控制器还将检测到的料车位置以模拟信号形式送给PLC，PLC再将这些信号送给上位机，通过编程软件在上位机动态画面上显示出料车的位置和状态，从而实现对运料过程的监视和在线控制。
根据实际情况的小车运行分析可知，最合理的设计方式就是在小车运行的整个过程中，实现全面的控制和监测。
那么如果要能够实现这种目的的话，在整个设计部分需要用到的主要硬件应该包括
1）.可编程控制器PLC的使用。
在这一部分当中，最重要的就是根据电磁控制器的数量决定输入输出的接口的多少，然后在保证接口有富余的前提下，对PLC进行选型。
这一部分的内容是需要仔细分析的部分。
2）.变频器的使用。
通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
在该设计中，变频器不是一个特别重要的部分，因此它的重点就放在选型上。
3）、如果是设计具有实际效果的运料小车，那还需要一个工控机的分析与选型的环节，因为在实际环境下，我们需要的是一个能够随时监控的状态，那么就必须要用到可视的工控机环节。
4）、该设计方案中使用最多的就是各种行程开关和继电器了，在利用PLC进行控制时，最主要的就是把PLC的输入输出口与电磁继电器的接口对应好，即进行端口标记与分配，从而能够进行准确的控制过程。
硬件的接线图如下图2-1所示，这是外在连线示意图，具体的硬件连线要在各种设备的零件选型完成以后才可以给出详细的接线原理图，要用到PROTEL连线绘图或者AutoCAD的电气设计模块。
图2-1系统硬件接线示意图
分析来看，本设计的重点内容就是在根据工况的要求，选出适合的各种元器件，然后在用Protel电气绘图元件画出接线图，最后利用step-7编程软件把小车运动过程中需要的程序写出来，并且进行程序的仿真。
2.2运料小车的工艺流程
运料小车的工艺流程主要分为两次的加料和一次的卸料。
在相邻的两个加料处进行不间断加料。
每次的加料时间为20S。
在加料完毕后，小车沿着既定的运动轨迹到达卸料的地方，进行自动卸料作业。
这个过程持续25S的时间。
2.3小车的运动轨迹设计
对小车的运行轨迹进行设计的根据就是小车的工艺流程分析。
从上面的流程分析可知，小车的轨迹应该是一种循环往复的形式，而且小车的运行要在一个非直线的环境下运行，这就给小车的轨迹设计带来了难度。
因为在每次过弯道的过程中，为了防止小车发生危险，应该对小车的速度进行适当的调节。
这里就在每个拐弯的地方用到了行程开关，通过PLC的控制，达到调节速度的目的，使得小车能够平稳的拐弯，而且还能达到高效的目的。
系统的工作示意图图如下图2-5,包括带导轨的运行工作台,电机，变频器，行程开关，
起动停止控制按钮，急停按钮，可编程控制器，继电器，电源等。
由上面的模型图，我们可以清晰的看到运料小车的运行轨迹。
为了进行进一步的分析，我们可以通过图2-5来进行分析
图2-5小车运动轨迹示意图
图中1和3是装料点，9点是卸料点。
假定小车停在14点与1点之间，当按下启动按钮时，小车顺时针慢速行驶，到达行程开关1，小车到达装料的甲处，电机停止，甲处绿灯亮，开始装料，同时定时器1开始计时。
定时器1到达定时时间后，装料的甲处的状态完成，PLC控制变频器在高频率段工作，小车快速行驶，至行程开关2，PLC控制变频器工作在低频段，小车减速，至行程开关3，小车运行至装料乙处，电机停止，乙处绿灯亮，开始装料，同时定时器2开始计时。
定时器2到达定时时间后，装料乙状态完成，PLC控制变频器在高频率段工作，小车快速行驶，至行程开关4，小车即将拐弯，PLC控制变频器工作在低频段，使电机减速，至行程开关5处，小车完成拐弯，PLC控制变频器工作在高频段，小车快速行驶。
到达6处减速拐弯，7处加速。
小车到达行程开关8处PLC控制变频器低频工作，小车减速准备卸料，到达9处，小车停止，9处绿灯亮，小车底板打开开始卸料，同时定时器3开始工作。
到达定时器3定时时间，卸料底板闭合，变频器开始工作在高频段，小车快速前进、拐弯到达装料的甲处，如此循环，直至按下停止按钮。
当按下急停按钮时，小车立即停止，红灯亮，报警铃报警。
整个过程是一种自动化的运行方式。
2.4运料小车的运行方式分析
以上对小车的工艺流程和运行轨迹进行了分析和设计，由于是弯道设计，所以设计中要包含有很多限位器，因为在转弯的过程中，要把速度降低到合适的数值，否则容易引起翻车的危险，这么多的限位器开关，也是后续的PLC选型的一个重要考虑方面，因为不同的PLC有个数不同的输入输出接口，因此要综合这些方面进行选型。
运料小车在运行过程中，要进行多次的速度变化，还要经过上下坡等一系列的过程，运行方式比较复杂，这也给PLC的控制环节提出了很高的要求。
这个运料小车的运行过程主要就是包括速度的加速与减速，上坡与下坡，还有装料和卸料时的位置确定，因此，由于运料小车的这种运行方式比较复杂，对限位器，PLC的选型，电机的调频调速等电气元件和技术的选择与设计，需要进行仔细的分析。
如前所述，焦化厂车间中，由于有的车间特别不适合工作人员进行工作，因此就需要用自动控制的小车进行物料的传送，在焦化厂中，反应池和地面的加料设备往往有一定的高度距离，因此，在小车的设计中还要考虑到坡度的变化带给小车设计的影响。
主要就是包括对小车的车轮要进行适合轨道的设计，小车的单次承载能力不能过大，因为在转弯的时候还要考虑它的惯性力。
2.5运料小车结构设计
本文主要考虑小车加料与卸料的方便简洁，其结构示意如图2-5.考虑到装料的方便，本小车位于装料的上部采用敞口式，物料可直接从下料口装入小车，不需要其他环节，装料过程简单且易于监控，当然这样的装料方式对于某些粉尘类物料，需要考虑粉尘的飘扬污染环境。
小车的四周做成一定的拔模斜度，便于物料的顺利卸载。
小车底部开卸料口，通过电磁阀的得电与失电来控制小车底部卸料底板的开合，控制简单。
图2-5小车的正面模型图
图2-6小车的底面模型图
第三章硬件系统设计
本设计的硬件控制系统主要包括PLC、变频器、电机、行程开关、电磁线圈、报警铃以及报警灯、电源等。
这些都是为了能够更好满足运料小车运行需求，需要对它们进行一一的选型和分析设计。
3.1PLC的选型
目前国内国外的PLC产品有几百种型号，而且功能也日趋完善。
PLC的结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法及价格等各不相同，使用场合也各有侧重。
因此，应该合理的选择PLC，提高PLC在控制系统中的作用。
PLC的选型可以从以下几个方面考虑。
a机型的选择
选择机型主要以满足系统功能要求为宗旨，不要盲目的贪大求全而造成不必要的投资以及设备资源的浪费。
机型的选择可以从以下几个方面考虑：
在工艺过程比较固定，环境比较好的场合可以选用整体式结构的PLC；给予其他情况则最好选用模块式结构的PLC。
因为模块式结构的PLC配置灵活，装配和维修方便，也便于系统的扩展。
对于以开关量控制为主的以及带少量模拟量控制的工程项目可以选用带有A/D,D/A转换的低档机；而在应用PID运算、闭环控制、通信联网等控制比较复杂、控制功能要求比较全的工程项目则应该选用高档机。
另外，对于大型的控制系统，应该尽量做到机型统一。
b硬件选择与配置
1）输入/输出的选择与配置
确定I/O点数，即确定PLC的控制规模。
根据控制系统的要求确定所需的I/O点数，应考虑到以后工艺和设备的改动或I/O点的损坏、故障等，一般应预留10%～20%的备用量，实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行调整。
同时应考虑PLC提供的内部继电器和寄存器的数量，以节省I/O资源。
I/O模块有开关量、模拟量，还有特殊功能输入/输出模块，如定位、高速计数器输入，脉冲捕捉等功能。
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。
例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。
对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。
2）存储器类选择
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。
需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。
3）电源的选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。
重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。
为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
如果电源的干扰特别严重，可以选择安装一个变比为1:
1的隔离变压器来减少干扰。
4）处理速度
PLC采用扫描方式工作。
从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。
处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。
目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。
扫描周期（处理器扫描周期）应满足：
小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。
5）经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。
考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
每增加一块输入输出的卡件就需增加一定的费用。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。
在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
综合以上的选型要求和原则，考虑到本系统属于小型的控制系统，其输入输出数量分别为17/8，不需要高的控制精度，在满足系统要求的功能的情况下，选择小型的S7-200PLC。
其中CPU226型有24路输入点，16路输出点，2个扩展模块，248路数字量I/O点，35路模拟量I/O点。
存储器为24576字节，6个计数器，2路RS-485串行通信接口。
编程软件为STEP7-Micro/WIN32。
3.2PLC的接线图
考虑到以上的PLC的选型，为了便于后续的程序编制和仿真，需要设计出明
图3-1PLC的接线图
确的接线图，本设计的接线图如图3.1所示。
其中SB1、SB2、SB3是控制按钮，而SQ1-SQ14是分布在运动轨迹上的行程开关。
L1-L4是指装料和卸料出的状态指示灯，其中L4是急停情况下的红色指示灯，其他三个是绿色的信号灯。
B是报警铃，而KM1是电磁继电器的线圈，用来控制运料小车车门的关闭。
KM2和KM3是变频器的高低速控制继电器的线圈，通过他们的交替通电，实现小车的加速与减速运动。
3.3变频器的选型
变频器的选择主要需要考虑一下几个方面：
1）变频器及被控制的电机。
电机的磁极对数一般不多于2为宜，否则变频器的容量应该适当增大。
为减少主电源稳压器干扰,在中间电路或变频器输入电路中增加电抗器,或安装前置隔离变压器。
一般当电机与变频器距离超过50m时,应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。
2）变频器箱体结构的选用。
主要考虑变频器的工作环境，如温度、湿度、粉尘、酸碱度等因素。
常见的变频器结构有敞开型、封闭型和密闭型三种。
敞开型主要可装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上，尤其适于多台变频器集中使用时选用,但环境条件要求较高。
封闭型适于一般用途,可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合。
密闭型则可适应与环境差的场合。
3）容量的选择。
变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大，使投资增大。
对于轻负载类，变频器电流一般应按1.1In（In为电动机额定电流）来选择，或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的最大电机功率来选择。
4）控制方式。
目前常见的有两种，一种是早期的V/F控制，另外一种就是现在的矢量控制。
这两种控制方式的主要区别在于：
第一，控制精度。
矢量控制是闭环控制，因此，控制精度较高，而V/F控制属于开环控制，其控制精度相对于矢量控制来讲，要低一些。
第二，就是低频扭矩。
这主要看负载的惯性，如果负载的惯性较大，而且需要长期低频运转的话，就要选用矢量控制的变频器，所谓的低频，一般是指小于等于10Hz。
本设计中所采用的电机较小，控制精度要求不高，所以可采用V/F控制的容量较小的变频器。
由于小车只在两种速度下运行，对变频器变频的要求也不高。
选择一款380V通用变频器，其具体参数如表所示。
表3-1变频器的参数
项目名称
HDI
控制方式
SPWM
输入电源
380V电源：
330~440V；220V电源：
170~240
五位数码显示
及状态指示灯
显示频率、电流、转速、电压、计数器、温度、正反转状态、故障等。
通信控制
RS-485
操作温度
-10~40℃
湿度
0~95%相对湿度（不结露）
振动
0.5G以下
频功率控制
范围
0.10~400.00Hz
精度
数字式：
0.01%（-10~40℃）；模拟式：
0.1%（25±10℃）
设定解析度
数字式：
0.01Hz；模拟式：
最大操作频率的1‰
输出解析度
0.01Hz
键盘设定方式
可直接以←∧∨设定
模拟设定方式
外部电压0-5V，0-10V，4—20mA，0—20mA。
其它功能
频率下限，启动频率，停车频率、三个跳跃频率可分别设定
续表3-1
一一般控制
加减速控制
4段加减速时间（0.1-6500秒）任意选择
V/F曲线
可任意设定V/F曲线
转矩控制
可设定转矩提升，最大10.0%启动转矩在1.0Hz时可达150%
多功能输入端
6个多功能输入端，实现8段速控制，程序运行，4段加减速切换，UP、DOWN机能、计数器，外部急停等功能
多功能输出端
有5个多功能输出端，实现运转中、零速、计数器、外部异常、程序运行等指示及报警
其它功能
自动电压稳压（AVR）、减速停止或自由停止、直流刹车，自动复位再起动，频率跟踪，PLC程序控制、横动控制、载波可调，最高达20KHz等
保保护功能
过载保护
电子电驿保护马达
驱动器（恒转矩150%/1分钟，风机类120%/1分钟）
FUSE熔断保护
FUSE熔断，马达停止
过电压
220V线：
直流电压＞400V；380V线：
直流电压＞800V
不足电压
220V线：
直流电压＜200V；380V线：
直流电压＜400V
瞬间停电再起动
瞬停后可以频率跟踪方式再起动
失速防止
加/减速运转中失速防止
输出端短路
电子线路保护
其它功能
散热片过热保护，反转限制，开机后直接起动及故障复归之功能，参数锁定等。
3.4电动机的选择
本设计中，运料小车的电机选择也是一个很重要的方面。
由于在小车的自动运行过程中，小车要经过多次的加减速问题，因此在选择电动机的时候，要注意对启停性能方面的侧重要求。
3.4.1正确选用电动机的基本原则
为了更好的达到运料小车在运行过程中的功率要求，在选择电动机的时候，要根据电源电压、使用条件、拖动对象选择电动机，要求电源电压与电动机额定电压相符。
并且还要考虑到安装地点和工作环境，选择各种型式的电动机
1）首先根据工作情况的要求，确定电压的的大小，选择高压的380V，还是选择低压的220V。
2）电动机的机械特性、启动、制动、调速及其它控制性能应满足机械特性和生产工艺过程的要求，电动机工作过程中对电源供电质量的影响（如电压波动、谐波干扰等），应在容许的范围内；
3）按预定的工作制、冷却方法基辅在情况所确定的电动机功率，电动机的温升应在限定的范围内；
4）根据环境条件、运行条件、安装方式、传动方式，选定电动机的结构、安装、防护形式，保证电动机可靠工作；
5）综合考虑一次投资以及运行费用，整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。
3.4.2小型异步电动机的选择
由于本设计中的运料小车结构比较小，因此在选择电动机的时候，首先要考虑的就是选择结构比较小的电动机，因此在该设计中，选择结构比较小的异步电动机。
在控制上，由于小车需要载着物料不断的自行移动，因此，在电源控制上选择由电缆输送的电源控制方法。
由于运料小车主要是在变频器的控制下，基于PLC进行速度的控制，因此对电动机的速度变化方面的要求不是很高，关注点主要集中在结构和功率的方面。
小型三相异步电动机，通常包括H80-315MM的电机，其产量大、用途广，在电网的总负荷中，它的用电量为40%左右。
六十年代初流行的为JO2系列电动机，该系列电机的功率等级、安装尺寸与国际市场上的通用标准不同，另外该电机启动转矩较低和缺乏噪声控制指标，因此现在我国现在使用的电机为Y系列电机。
该电机坚固耐用、安全可靠因此使用范围越来越广。
然而有些用户使用的电机年损坏率高5%，究其原因多半是选型不当、使用不妥、保护不善的缘故。
小型异步电动机可分为：
基本系列、派生系列和专用系列。
1）基本系列：
使用范围广、生产量大，是一种通用电机，如Y系列（IP44）小型三相异步电动机。
2）派生系列：
按照不同的使用要求，在基本系列的基础上做了部分改动，另部件与基本系列有较高的通用性和一定程度的统一性。
派生系列有电气派生（如高效电机，YX系列）、结构派生（如绕线转子电动机YR系列）、特殊环境派生（隔爆型电动机，YB系列）等几种。
3）专用系列：
与一般用途不同，具有特殊使用要求和特殊防护条件系列，如YZ、YZR冶金及起重用异步电动机。
a基本系列技术参数
1）外壳防护结构型式
Y系列小型三相异步电动机基本系列有IP23、I
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