課程設(shè)計說明書自動裝卸線控制系統(tǒng)設(shè)計

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1、機電工程學院 課 程 設(shè) 計 說 明 書 設(shè)計題目: 自動裝卸線控制系統(tǒng)設(shè)計 學生姓名： 學 號： 20094805 專業(yè)班級： 機制 F09 指導教師： 2012 年 12 月 7 日 內(nèi)容摘要 自動裝卸線控制系統(tǒng)，由于其控制簡單，成本低，因此廣泛應(yīng)用與車站、碼頭、 倉庫、礦井等生產(chǎn)場所。但傳統(tǒng)的接觸繼電器控制系統(tǒng)，有著其自身的缺點。例如： 整個運行過程中，小車的速度很難設(shè)定，如果太快，啟動和制動時由于存在小車慣性 很容易造成物料的掉落、拋灑，這樣就不能實現(xiàn)安全的啟動。 隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，運料小車的應(yīng)用也不斷擴大到各個領(lǐng)域。繼電器-接觸器組 成的系統(tǒng)存在設(shè)計周期長、體積大、成本高等缺陷,幾

2、乎無數(shù)據(jù)處理和通信功能,必須 有專人負責操作?，F(xiàn)將 PLC 應(yīng)用到自動裝卸控制系統(tǒng),可實現(xiàn)運料系統(tǒng)的自動化控制, 降低系統(tǒng)的運行費用。PLC 自動裝卸線控制系統(tǒng)具有連線簡單,控制速度快，精度高， 可靠性和可維護性好，安裝、維修和改造方便、設(shè)計施工調(diào)試周期短等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：自動裝卸；繼電器-接觸器控制；PLC 控制 目 錄 第 1 章 引言 .1 1.1 控制要求 .1 1.2 課題要求 .1 1.3 方案設(shè)計 .1 第 2 章 自動裝卸線控制系統(tǒng)工作分析 .2 第 3 章 繼電器 接觸器控制線路設(shè)計 .3 3.1 繼電器 接觸器控制系統(tǒng)設(shè)計 .3 3.2 控制線路設(shè)計步驟 .3 3.2.1

3、主電路要求 .3 3.2.2 設(shè)計自鎖、連鎖、限位保護環(huán)節(jié) .4 3.2.3 控制電路設(shè)計 .4 第 4 章 PLC 控制設(shè)計 .6 4.1 PLC 選擇設(shè)計 .6 4.2 PLC 的 I/O 分配表 .7 4.3 I/O 接線 圖 .7 4.4 梯 形圖的設(shè)計 .8 4.5 語句表 .12 第 5 章 軟件硬件 調(diào)試 .13 結(jié) 論 .17 設(shè)計總結(jié) .18 謝 辭 .19 參考文獻 .20 1 第 1 章 引言 1.1 控制要求 電動機 M1 驅(qū)動裝料機加料，電動機 M2 驅(qū)動裝料車升降，電動機 M3 驅(qū)動卸料機卸 料.裝卸線操作過程是： (1) 料車在原位，顯示原位狀態(tài)，按啟動按紐，自動

4、線開始工作； (2) 加料定時 5S，加料結(jié)束； (3) 延時 1S，料車上升； (4) 上升到位，自動停止移動； (5) 延時 1S，料車自動卸料； (6) 卸料 10S，料車復位并下降； (7) 下降到原位，料車自動停止移動。 (8) 能實現(xiàn)單周裝卸及連續(xù)循環(huán)操作。 1.2 課題要求 1. 采用繼電接觸器控制，完成控制線路的設(shè)計。 2. 采用 PLC 控制 (1) 列出輸入輸出分配表； (2) 畫出 PLC 的輸入輸出設(shè)備的接線圖； (3) 利用 STEP7-Micro/WIN32 軟件完成梯形圖、指令表的程序設(shè)計與調(diào)試； 1.3 方案設(shè)計 本次繼電器接觸器的控制電路設(shè)計準備多次利用時間繼

5、電器來實現(xiàn)延時控制，利 用行程開關(guān)實現(xiàn)限位控制。而 PLC 設(shè)計準備采用順序控制指令來實現(xiàn)順序轉(zhuǎn)移和順控 結(jié)束功能，采用定時器實現(xiàn)延時控制。 2 第 2 章 自動裝卸線控制系統(tǒng)工作分析 根據(jù)課題要求，畫出系統(tǒng)工作簡化圖: 圖 2-1 系統(tǒng)簡化圖 分析料車工作情況，畫出工作流程圖： 原位指示燈亮 （按下啟動按鈕） 裝料（10S） （定時結(jié)束） 暫停（1S） （連續(xù)循環(huán)） （定時結(jié)束） 料車上升 (碰到上行程限位開關(guān)) 暫停（1S） （定時結(jié)束） 卸料（10S） （定時結(jié)束） 料車復位并下降 （碰到下行程原位開關(guān)） (按下停止按鈕) 圖 2-2 流程圖 結(jié)束 是否停止 N Y 開始 3 第 3 章

6、 繼電器接觸器控制線路設(shè)計 3.1 繼電器接觸器控制系統(tǒng)設(shè)計 繼電器接觸器控制系統(tǒng)是生產(chǎn)機械不可缺少的重要組成部分，它對生產(chǎn)機械能否 正確、可靠的工作起著決定性的作用。繼電器接觸器控制系統(tǒng)主要由繼電器、接觸器、 按鈕、行程開關(guān)等組成。它的優(yōu)點是電路圖較直觀形象，結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、抗干 擾能力強，因此廣泛應(yīng)用于各種機床和機械設(shè)備。它的缺點是采用固定接線形式，通 用性和靈活性差，工作頻率低，觸電易損壞，可靠性差。 3.2 控制線路設(shè)計步驟 3.2.1 主電路要求 KM1 控制電機 M1 正轉(zhuǎn)，驅(qū)動裝料機加料；KM2 控制電機 M2 正轉(zhuǎn)，驅(qū)動裝料車上升； KM5 控制電機 M2 反轉(zhuǎn)，驅(qū)動裝料車

7、下降；KM3 控制電機 M3 正轉(zhuǎn)，驅(qū)動裝料車卸料； KM4 控制電機 M3 反轉(zhuǎn)，驅(qū)動裝料車復位。 主電路圖如圖 3-1 所示： 圖 3-1 自動裝卸線控制系統(tǒng)主電路圖 4 3.2.2 設(shè)計自鎖、連鎖、限位保護環(huán)節(jié) 1、自鎖保護 中間繼電器 KA 的常開觸點 KA 對自身自鎖保護； 時間繼電器 KT2 的常開觸點 KT2 對自身自鎖保護； 接觸器 KM2 的常開觸點 KM2 對自身自鎖保護； 接觸器 KM4 的常開觸點 KM4 對自身自鎖保護。 2、互鎖保護 時間繼電器 KT2 的常閉觸點 KT2 與接觸器 KM1 線圈、時間繼電器 KT1 線圈互鎖； 接觸器 KM2 常閉觸點 KM2 與接

8、觸器 KT2 線圈、時間繼電器 KM5 線圈互鎖； 時間繼電器 KT4 的常閉觸點 KT4 與時間繼電器 KT3 線圈互鎖； 接觸器 KM4 常閉觸點 KM4 與接觸器 KM3 線圈、時間繼電器 KT4 線圈互鎖； 接觸器 KM5 常閉觸點 KM5 與接觸器 KM2 線圈互鎖。 3、限位保護 行程開關(guān) SQ1 和 SQ2 分別實現(xiàn)向上限位和向下原位保護。 3.2.3 控制電路設(shè)計 根據(jù)上述思路設(shè)計控制電路圖如圖 3-2 所示： 圖 3-2 控制電路圖 5 原理和操作順序說明： 按下啟動按鈕 SB1，接觸器 KA 線圈得電并自鎖，自動裝卸線工作；同時，裝料車 在原位，PG 指示燈亮； 由于接觸器

9、 KA 線圈得電，KA 常開觸點閉合，接觸器 KM1 線圈得電，裝料車加料； 同時時間繼電器 KT1 線圈得電，經(jīng)過 5S 延時，KT1 通電延時常開觸點閉合，時間繼電 器 KT2 線圈得電自鎖，時間繼電器 KT2 常閉觸點斷開，KM1 線圈失電，加料結(jié)束； 1S 延時之后，KT2 通電延時常開觸點閉合，KM2 線圈得電并自鎖，料車上升，KM2 常閉觸點斷開； 當料車上升到位時，上行程限位開關(guān) SQ1 常閉觸點斷開，KM2 線圈失電解除自鎖； SQ1 常開觸點閉合，時間繼電器 KT3 線圈得電自鎖，經(jīng)過 1S 延時，KT3 通電延時閉合 常開觸點閉合，接觸器 KM3 和時間繼電器 KT4 線圈

10、得電，料車開始卸料； 延時 10S 之后，KT4 通電延時閉合常開觸點閉合，KM4 線圈得電自鎖，KM4 常閉觸 點斷開，KT3 線圈失電，解除自鎖，KT4 線圈和 KM3 線圈失電，卸料結(jié)束，料車復位； KM4 常開觸點閉合，KM5 線圈得電自鎖，料車下降； 當下降到原位時，原位開關(guān) SQ2 常閉觸點斷開，KM4、KM5 線圈失電，SQ2 常開觸 點閉合，原位指示燈亮。 若不按下停止按鈕 SB2，則系統(tǒng)重新進入循環(huán)，實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)操作；若按下停止按 鈕 SB2，KA 線圈失電解除自鎖，機床停止，實現(xiàn)單周裝卸。 6 第 4 章 PLC 控制設(shè)計 4.1 PLC 選擇設(shè)計 PLC 問世以來，其發(fā)展

11、極為迅速。由最初的 1 位機發(fā)展為 8 位機，現(xiàn)在的大型 PLC 已采用了 32 位微處理器，可同時進行多任務(wù)操作，其技術(shù)已經(jīng)相當成熟。 目前，世界上有 PLC 生產(chǎn)廠 200 多家，比較著名的有美國的 A-B 公司、通用電氣 公司，日本的三菱、松下電工、歐姆龍，德國的西門子，法國的施耐德等。生產(chǎn)的 PLC 品種繁多，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也極快，著名的生產(chǎn)公司幾乎每 12 年即可推出一種新產(chǎn) 品。PLC 的結(jié)構(gòu)不斷改進，功能日益增強，性能價格比越來越高。展望未來，PLC 在規(guī) 模和功能上正朝著兩個方向發(fā)展。一方面，大型 PLC 不斷向大容量、高速度、多功能 的方向發(fā)展，能取代工業(yè)控制微機對大規(guī)模復雜

12、系統(tǒng)進行綜合性的自動控制。另一方 面，小型 PLC 向超小型、簡易、廉價方向發(fā)展，能真正完全取代最小的繼電接觸器系 統(tǒng)，適應(yīng)單機、數(shù)控機床和工業(yè)機器人等領(lǐng)域的控制要求。另外，不斷增強 PLC 的聯(lián) 網(wǎng)通信功能，便于分散控制與集中控制的實現(xiàn)；大力開發(fā)智能 I/O 模塊，極大地增強 PLC 的過程控制能力，提高它的適應(yīng)性和可靠性；不斷使 PLC 的編程語言與編程工具向 標準化和高級化方向發(fā)展。 PLC 是計算機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其基本設(shè)計思想 是把計算機的功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器接觸器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操 作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來。目前它已經(jīng)成為工業(yè)自

13、動化控制的強有力工具。 本次課程設(shè)計使用的是德國西門子 S7-200 的 CPU222 型 PLC，本機集成 8 輸入/6 繼電器輸出，共 14 個數(shù)字量 I/O 點。8K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，2 個高速計數(shù)器， 2 路 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。以下分別設(shè)計了 PLC 的 I/O 分配表、接 線圖、梯形圖和語句表。 7 4.2 PLC 的 I/O 分配表 表 4-1 PLC 控制輸入輸出分配表 控制信號 信號名稱 元件名稱 元件符號 地址編碼 系統(tǒng)啟動信號 常開按鈕 SB1 I0.0 終點信號 行程開關(guān) SQ1 I0.1 原位信號 行程開關(guān) SQ2 I0.2 輸入信

14、號 系統(tǒng)停止信號 常開按鈕 SB2 I0.3 料車裝料信號 交流接觸器 KM1 Q0.0 料車上升信號 交流接觸器 KM2 Q0.1 料車卸載信號 交流接觸器 KM3 Q0.2 料車復位信號 交流接觸器 KM4 Q0.3 料車下降信號 交流接觸器 KM5 Q0.4 輸出信號 原位狀態(tài)信號 指示燈 PG Q0.5 4.3 I/O 接線圖 圖 4-1 PLC 的外圍設(shè)備接線圖 8 4.4 梯形圖的設(shè)計 梯形圖是 PLC 編程的高級語言,所有 PLC 廠家的 PLC 產(chǎn)品均支持梯形圖語言編程。 梯形圖只有觸點(表示輸入條件)、線圈(表示輸出結(jié)果)和指令盒(表示一些復雜功能的 附加指令)三種基本指令格

15、式,利用梯形圖編程器可以建立與電氣原理圖相類似的程序, 具有梯級或網(wǎng)絡(luò)段結(jié)構(gòu),有利于程序的閱讀理解、運行調(diào)試和修正很容易被 PLC 編程人 員和維護人員接受和掌握。 9 10 11 圖 4-2 梯形圖 本程序是順序控制，采用順序控制指令。 初始化脈沖 SM0.1 用來置位 S0.0(即把狀態(tài) S0.0 激活) 當按下啟動按鈕，I0.0 得電閉合，M0.0 得電自鎖，狀態(tài)位 S0.0 置 1，自動裝卸線 工作； 同時，Q0.5 得電輸出，原位指示燈亮，同時 Q0.0 得電輸出，料車加料；定時器 T37 得電，狀態(tài)從狀態(tài) S0.0 轉(zhuǎn)移到狀態(tài) S0.1，同時狀態(tài) S0.0 復位； T37 定時 5

16、S 之后，T38 得電，開始定時，1S 之后，Q0.1 得電輸出，料車上升；狀 態(tài)從狀態(tài) S0.1 轉(zhuǎn)移到狀態(tài) S0.2，同時狀態(tài) S0.1 復位； 當上升至最高位時，I0.1 得電，T39 開始定時，1S 之后，Q0.2 得電輸出，料車卸 料；T40 得電，狀態(tài)從狀態(tài) S0.2 轉(zhuǎn)移到狀態(tài) S0.3，同時狀態(tài) S0.2 復位； T40 定時 10S 之后，Q0.3 得電，同時 Q0.5 得電輸出，料車下降；當下降到原位時， 10.2 得電，狀態(tài)從狀態(tài) S0.3 轉(zhuǎn)移到狀態(tài) S0.0，同時狀態(tài) S0.3 復位； 系統(tǒng)重新進入程序循環(huán)。當按下停止按鈕，I0.3 得電，M0.0 失電，系統(tǒng)停止循環(huán)

17、， 實現(xiàn)單周裝卸；否則，系統(tǒng)進入循環(huán)，實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)裝卸。 12 4.5 語句表 / 啟動單周和連續(xù)裝卸控制 LD I0.0 O M0.0 AN I0.3 = M0.0 / 系統(tǒng)初始化 LD SM0.0 S S0.0, 1 Network 3 LSCR S0.0 / 燈亮，開始加料，并且定時 5 秒 LD I0.2 = Q0.5 Network 5 LD M0.0 = Q0.0 TON T37, +50 / 5 秒后，進入延時階段 LD T37 SCRT S0.1 Network 7 SCRE Network 8 LSCR S0.1 / 延時 1 秒后，料車上升 LD SM0.0 TON T38

18、, +10 A T38 = Q0.1 Network 10 LD I0.1 SCRT S0.2 Network 11 SCRE Network 12 LSCR S0.2 / 料車上升到位后，開始延時；延時 1 秒后， 料車卸料，并定時 10 秒 LD SM0.0 TON T39, +10 A T39 = Q0.2 TON T40, +100 Network 14 LD T40 SCRT S0.3 Network 15 SCRE Network 16 LSCR S0.3 / 10 秒后，料車復位，并且開始下降 LD SM0.0 = Q0.3 Network 18 LD Q0.3 = Q0.4 /

19、 下降到原位后，重新進入循環(huán) LD I0.2 SCRT S0.0 Network 20 SCRE 圖 4-3 語句表 13 第 5 章 軟件硬件調(diào)試 軟硬件調(diào)試過程中出現(xiàn)了一些問題，通過理論分析與實踐的反復進行和論證，許 多問題都有了較好的解決方案，最終實現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。 軟件部分采用各部分程序直接轉(zhuǎn)的方式，依次實現(xiàn)了 PLC 流程圖、梯形圖、指令 表三種控制方式。用此種方法編寫程序條理清晰，連貫性強，但若要增加其它控制方 式或進行擴展，程序會變得相當復雜而且容易出錯，出錯后調(diào)試修改也很困難。 作為一個好的控制系統(tǒng)必須把各種控制都考慮在內(nèi)之外，還要考慮安全控制，一 個安全的系統(tǒng)才是真正的好系統(tǒng)

20、。 硬件調(diào)試：接通電源，檢查可編程控制器是否可以正常工作，接頭是否接觸良好， 然后把其與電腦的通信口連接。 軟件調(diào)試：按要求輸入梯形圖，轉(zhuǎn)換成指令表，并進行語法的檢查，正確后設(shè)置 正確的通信口，將指令讀入到指定的可編程控制器 ROM 中，進行下一步的調(diào)試。 運行調(diào)試：在硬件調(diào)試和軟件調(diào)試正確的基礎(chǔ)上，打開可編程控制器的“RUN”開 關(guān)進行調(diào)試；觀察運行的情況，看按下按鈕時是否按要求工作。 14 按下啟動按鈕 SB1，燈亮，小車開始裝料： 15 碰到行程開關(guān) SQ1： 16 碰到行程開關(guān) SQ2，系統(tǒng)重新進入循環(huán)： 17 結(jié) 論 本設(shè)計分別利用繼電器接觸器控制和 PLC 控制，設(shè)計了繼電器具體控

21、制的方法和 PLC 控制的優(yōu)勢。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多的應(yīng)用于可編程控制器的設(shè) 計和制造上，完備的人機界面和通信設(shè)備會更好的適用各種工業(yè)控制場合的需求。伴 隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成 部分，將在工業(yè)及工業(yè)化以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。 本設(shè)計完成了課程設(shè)計說明書上的要求，實現(xiàn)了料車裝料-上升-卸料-復位-下降的 功能，設(shè)計簡單、清晰、明了。但是，本設(shè)計還是存在著紕漏：當外部突然停電之后， 料車停止工作；再次恢復供電時，料車不能工作，這是正確的。但是當按下啟動按鈕 后，料車很可能還是不能動。因為本設(shè)計要求是當小車在起始位置碰到原位行

22、程開關(guān) 的前提下按下起始按鈕，料車才會啟動。而斷電時料車可能處于任意位置，這就是我 認為的最大問題所在，需要后需改進。 18 設(shè)計總結(jié) 課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識、發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛 煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。 回顧此次課程設(shè)計，我感慨頗多。通過這次對自動裝卸線控制系統(tǒng)的繼電器接觸 器控制和 PLC 控制，讓我們對繼電器接觸器控制電路和 PLC 梯形圖、指令表、外部接 線圖有了更好的了解。有很多設(shè)計理念來源于實際，從中可以找出做適合的設(shè)計方法。 從理論到實踐，在兩個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多 的東西，不僅

23、可以鞏固了以前所學的知識，而且學到了很多在書本上沒有的知識。通 過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實踐相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠 的，只有把理論與實踐結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提 高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到的問題，可以說得是 困難重重，這畢竟是第一次做的，難免會遇到各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中 發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，對以前所學的知識理解的不夠深刻，掌握的不夠牢固，比喻說 不懂一些元器件的使用方法，對 PLC 編程掌握的不好通過這次課程設(shè)計之后，一 定要把以前的知識重新溫習。 在本次設(shè)計中，我們還需要大量的以前沒有學到過的知識

24、，于是圖書館和 INTERNET 成了我們很好的助手。在查閱資料的過程中，我們要判斷優(yōu)劣、取舍相關(guān)知 識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。我們學習的知識是有限的， 在以后的工作中我們肯定會遇到許多未知的領(lǐng)域，這方面的能力便會使我們受益非淺。 19 謝 辭 非常感謝學校學院給了我們這次非常重要的實踐機會，對我們的能力提高非常有 幫助，對以后的工作能更好更快的融入工作中去。還要感謝王老師不辭勞苦的辛勤指 導，對每個簡單或難的問題都予以精彩深刻的解答，使我又學到了很多的知識。 通過這次綜合實踐，我更加看清了自己的不足之處。為了搞好這次課程設(shè)計，通 過查閱資料以及在王老師和同學的幫助下

25、，最終基本達到了設(shè)計目的。通過實踐，鞏 固了理論知識的學習，提高了實際應(yīng)用所學知識的能力，還積累了許多寶貴的經(jīng)驗。 特別是老師嚴謹?shù)膽B(tài)度給我啟發(fā)不小。在這次的設(shè)計實踐過程中，我認識到不管做什 么事，都需要大膽假設(shè)，小心求證。任何一個方案都要經(jīng)過詳細周全的論證后才能著 手去做，否則即使很快做出來，但經(jīng)不起推敲和考驗。對于那些要求能夠擴展功能的 課題更是如此。 總之，這次實習要再次感謝學院和指導老師王老師，使自己又在課本知識上更深 刻的理解和研究，在實踐能力上也同樣大大提高，綜合能力都提高顯著。 20 參考文獻 1 王宗才.機電傳動與控制.電子工業(yè)出版社，2012 1 廖常初.PLC 基礎(chǔ)及應(yīng)用.機械工業(yè)出版社，2004 2 于慶廣.可編程控制器原理與系統(tǒng)設(shè)計.清華大學出版社，2004 3 趙金榮.可編程序控制器原理及應(yīng)用.上海應(yīng)用技術(shù)學院，1999 4 易傳祿.可編程序控制器應(yīng)用指南.上?？破粘霭嫔纾?006 5 方承遠.工廠電氣控制技術(shù).機械工業(yè)出版社, 2004 6 王永華.現(xiàn)代電氣及可編程技術(shù).機械工業(yè)出版社，1997 7 湯以范.電氣與可編程序控制器技術(shù).機械工業(yè)出版社，2005 8 劉子林.電機與電氣控制M.北京:電子工業(yè)出版社，2003 9 程周.電氣控制與 PLC 原理及應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社，2003