机电一体化系统课程设计题目：自动加料PLC控制系统的设计
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机电一体化系统课程设计说明书题目：自动加料PLC控制系统的设计
目录
绪论0
一、设计的背景1
1.1 设计目的和意义1
1.2 设计的要求2
二、系统控制方案的确定3
2.1 系统设计的思路3
2.2 系统控制方案3
三、可编程控制器概述4
3.1 PLC简介4
3.2 PLC的结构及特点5
3.3 PLC的应用6
3.4 PLC的发展8
四、系统硬件设计8
4.1 PLC的选择8
4.2 电动机的选择9
4.3 其他器件的选择10
4.4 硬件连接图的绘制10
五、系统软件设计12
5.1 PLC梯形图概述12
5.2 系统流程图设计13
5.3 梯形图的设计14
5.4 系统程序调试17结论18
参考文献19
致谢20
绪论
随着科学技术的不断进步，整个国家自动化水平和信息化水平的长足发展，社会对这方面的要求越来越多。以前的工厂都是利用人工的方式进行生产加工，这样的工作的方式，不仅没有安全保障，而且没有很高的经济效益。
改革开放以来，国内的发展形式越来越好，竞争也越来越激烈，高科技设备逐渐代替了以前的手工操作方式，自动化设备也越来越多，自动控制系统用的越来越多。公司面对的压力也越来越大，不仅要考虑国内的对手，国外的竞争逐步加大，随着信息科技、市场经济的迅猛发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，尤其是随着高新科技的日新月异，产品的类型、工艺外形越来越复杂，再加上企业经营及发展必会面对劳工的短缺、人工成本要省力化、合理化及自动化的发展趋势，传统的手工送料已经不能满足要求，这时自动加料机就应运而生。在今天现代科学技术的许多领域中，什么是加料机呢？顾名思义，加料机就是专门用于粒料，粉料，片状料，带状等材料的自动化、数控化、精确化的输送机器，送料机是借助于机器运动的作用力加于材料，对材料进行运输的机器。
特别是近年来，各项技术的不断发展，如自动控制技术、电力电子技术、检测技术和信息技术，使得这些应用的领域越来越多。作为辅助装置的送料机构自动化水平也需要越来越高。
综上所述，在本着节约资金、降低成本、提高生产效率、保
障人身安全、实现自动化运作的情况下对加料机构进行设计，研究出更加适合于工作环境的自动化加料机构。
一、设计的背景
在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用，并且随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。本设计的自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的，这样就大大提高了工作的效率，整个过程又快又稳。
1.1 设计目的和意义
由于自动化在当今时代发展越来越快，自动化水平也不断的提高，所以PLC已成为了广泛的应用，PLC加料控制系统是工业流程中的一环，他通过PLC控制，接触器、传感器等配合。再辅以开关元件、热继电器等元件设备，以达到自动下料、称量、
并将原料运走的全程自动运作。其中操作人员只需控制启动及停止按钮即可，并可在任何时候按下停车按钮，系统将在完成当前流程后再停车于初始状态，不用考虑因停车时间不对、原料滞留而引起的下次启动时过程错误，从而降低了对工作人员的操作要求及其劳动强度。
1.2 设计的要求
（1）按下启动按钮后，接通上输送带电动机（进料电动机）M3，上输送带运转，开始向秤斗进料。
（2）当称斗中的原料达到设定重量，料位开关S3动作，M3停止运行，停止进料，同时接通下输送带电动机（进料达到）M4（出料电动机）和开闸电动机M1，使下输送带运转，斗秤闸门打开，将料输出至下传送带。
（3）当闸门完全打开，碰撞闸门上限位开关S1，切断M1，M1停止运行。
（4）当称斗中原料下完，料位开关S4动作，接通关闸电动机M2，关闭闸门。
（5）当闸门完全关闭，碰撞闸门下限位开关S2，切断M2，M2停止运行，接通M3，料仓重新开始下料。
（6）按下停止按钮时，应等秤斗中的原料下完，再延时10S，待传送带上的原料输送完毕，自动切断电源，停止系统。
（7）如果出现故障，可直接切断电源，停止一切动作。
二、系统控制方案的确定
2.1 系统设计的思路
在自动供料系统设计过程中主要考虑以下几点：
（1）深入了解和分析自动供料系统的工艺条件和控制要求。
(2)确定I/O点数。根据自动供料系统功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。
(3)根据I/O点数选择合适的PLC类型。
(4)分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
(5)设计自动供料系统的梯形图程序，这是整个异步电机控制系统设计的核心工作。
(6)将PLC程序经过计算机模拟运行，查找错误，使系统程序更加完善。
(7)PLC软、硬件设计完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。
2.2 系统控制方案
实现基于S7-200供料系统控制设，进行供料控制系统研究和分析；进行PLC应用研究和分析；进行加料PLC系统硬件设计，PLC软件编程设计，对程序进行调试。三个电机均采用三
相交流异步机，其中传送带电机M3、M4功率为4000瓦，额定电压为380V，额定电流为10A，M1功率为2000瓦，额定电压为380V，额定电流为5A。
供料系统工艺过程及控制要求：启动后，M3得电，输送带运转和开始进料。当称斗中的原料达到设定重量，S3动作，接通M4，切断M3，停止进料，同时M1得电，M1电机正转，打开称斗闸门，下料至传送带，当闸门完全打开，碰撞S1，切断M1。当称斗中原料下完，S4动作，接通M1电机的反转，关闭闸门，当闸门完全关闭，碰撞S2，切断M1，接通M3，料仓重新开始下料。当按停车时，应等称斗中的原料下完，再延长10秒，待传送带上的原料输送完毕，才切断电源。如图2.1所示。
图2.1 加料系统原理图
S4
S2 M1
三、可编程控制器概述
3.1 PLC简介
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免及个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即
(1)编程方便，现场可修改程序；
(2)维修方便，采用模块化结构；
(3)可靠性高于继电器控制装置；
(4)体积小于继电器控制装置；
(5)数据可直接送入管理计算机；
(6)成本可及继电器控制装置竞争；
(7)输入可以是交流115V；
(8)输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
(9)在扩展时，原系统只要很小变更；
(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。
这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。
3.2 PLC的结构及特点
基本结构：各种PLC的组成结构基本相同，主要有CPU,电源，储存器和输入输出接口电路等组成。
（1）中央处理器：中央处理器单元一般由控制器、运算器
和寄存器组成。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。
（2）储存器：PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。
（3）输入输出接口单元：PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。PLC 的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。
（4）输入接口电路：PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接及接近开关、光电开关等电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。交流输入电路和直流输入电路类似，外接的输入电源改为220V交流电源。
（5）输出接口电路：输出接口电路通常有3种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。
（6）扩展接口和通信接口：PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块及基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。
（7）电源：PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，
内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。
特点：使用灵活、通用性强；可靠性高、抗干扰能力强；接口简单、维护方便；编程软件简单易学；适用性好，具有柔性；体积小、功耗小、性价比高等特点。
3.3 PLC的应用
PLC的应用领域，最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集及存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制及处理。PLC已日益成为产业控制装置家族中一个重要的角色。但归纳起来，PLC的主要应用有以下五个方面：
（1）开关逻辑量控制
开关逻辑量控制是PLC最基本的应用，即用PLC取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。如机床电气控制、电动机控制、注塑机控制、电镀流水线、电梯控制等等。总之，PLC既可以用于单机控制，也可以用于多机群和生产线的控制。
（2）模拟量过程控制
除了数字量之外，PLC还能控制连续变化的模拟量，如温度、压力、速度、流量、液位、电压和电流等均为模拟量。通过各种传感器将相应的模拟量转换为电信号，然后通过A/D模块将他们转换为数字量送到PLC内部CPU处理，处理后的数字量在经过D/A模块转换为模拟量进行输出控制。若使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环控制。
（3）机械件位置控制
位置控制是指PLC使用专用的位置控制模块来控制步进电机或伺服电机，从而实现对各种机械构件的运动控制，如控制构件的速度、位移、运动方式等。PLC位置控制的典型应用有机器人的运动控制、机械手的位置控制、电梯运动控制等，PLC 还可以和计算机数控装置组成数控机床，以数字控制方式控制零件的加工、金属的切削等，实现高精度的加工。
（4）现场数据采集处理
目前PLC都具有数据处理指令、数据传送指令、算术和逻辑运算指令和循环移位及移位指令，所以由PLC构成的监控系统，可以方便的对生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。数据处理通常用于诸如柔性制造系统、机器人和机械手的控制系统等大中型控制系统中。
（5）通信联网、多级控制
PLC及PLC之间、PLC及上位计算机之间通信，要采用其专用通信模块，并利用RS-232或RS-422A接口，用双绞线经过同轴电缆或光缆将它们连接成网络。并由一台计算机及多台PLC组成的分布式控制系统，进行“集中管理，分散控制”，建立工厂的自动化网络。PLC还可以连接CRT显示器或打印机，实现显示和打印。
3.4 PLC的发展
21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用
网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
四、系统硬件设计
4.1 PLC的选择
PLC输入输出地址分配：控制系统的I/O地址分配、元器件代码、说明见下方表格所示。其中SB1、SB2为按钮；S1～S4为传感器触点。KM1、KM2对应电动机M1正反转；KM3、KM4控制电机M3、M4，以带动传送带转动。根据课题的控制要求，绘制I/O分配表，如表4.1所示。
表4.1 系统的I/O分配表
3
闭信号3M4运动
I0. 4S3传感器S3、既称斗满信号
I0. 5S4传感器S4、既称斗空信号
关量输入点六个、开关量输出点四个。再考虑一定的输入输出点余量，所以选用西门子S7—200系列的CPU222（8DI/6DO）。由于系统无模拟量输入输出要求，故无需再选用扩展模块。如图4.1所示。
图4.1 西门子S7—222
4.2 电动机的选择
由于经常启动、制动和反转的生产机械，选择额定转速时则应主要考虑缩短启、制动时间以提高生产率。启、制动时间的长、短主要取决于电动机的飞轮矩和额定转速，应选择较小的飞轮矩和额定转速。
据上所述电动机选取额定电压为380V,额定功率为4KW、额定转速720min/r 的鼠笼式三相异步电动机。如图4.2所示。
图4.2 鼠笼式三相异步电动机
4.3 其他器件的选择
接触器的选择：由三个电动机均采用异步三相交流电机，故采用AC—3型接触器；其中传送带电机M3、M4的功率为4KW，额定电压为380V，故KM3、KM4采用CJX2—12型接触器（12A）；而带动闸门开关的电动机M1为2KW，额定电压为380V电机，故采用CJX2—12型接触器（9A）作为KM1、KM2。
热继电器的选择：由于M3、M4的额定电流为10A，于是
采用TK —E02W —C （9—13A ）型热继电器，调制9.5～10.5A 既可；又M1的额定电流为5A ，故采用TK —E02S —C （4—6A ）型热继电器，调至4.75～5.25A 既可。
4.4 硬件连接图的绘制
(1)主电路图
三台电动机分别为MA1、MA2、MA3。主电路如图4.3所示。
L 1L 2L 3
4
图4.3 自动加料的PLC 控制系统主电路
(2)PLC 外部接线图