车控制系统的设计毕业论文.doc

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1、 数控机床控制技术课程设计说明书题 目 基于PLC的电镀行车控制系统的设计 机 械 工 程 学院机械设计制造及其自动化 专业 0904班 8号学生姓名 . 指导教师 伍 新 吴晨曦 完成日期 2011年11月25日 湖南工程学院机械工程系 目录第1章 电镀行车控制系统的总体方案1.1 电镀行车概述3 1.1.1 电镀行车的用途 3 1.1.2 电镀行车的基本组成结构 3 1.1.3 电镀行车的主要技术参数4 1.1.4 电镀行车的工作原理41.2 对电镀行车控制系统的设计要求 6 1.2.1 对工作方式的设计要求 6 1.2.2 对单机控制的设计要求 61.2.3 对全机控制的设计要求 61.

2、2.4 对控制系统保护的要求 7 1.2.5 对信号显示和故障报警的设计要求 7第2章 控制系统硬件设计112.1 电气控制线路的设计.82.2 PLC控制系统硬件部分的设计.8 2.2.1 PLC输入/输出元件确定.82.2.2 PLC型号的确定102.2.3 PLC I/O元件分配表102.2.4 PLC I/O接线图的绘制 11第3章控制系统软件设计及实现12总 结 17参 考 文 献18附录A 基于PLC的电镀行车控制系统的设计图纸19第1章 电镀行车控制系统的总体方案1.1 电镀行车概述1.1.1 电镀行车的用途本电镀行车是某企业电镀车间为了提高工作效率，促进生产自动化和减轻劳动强度

3、而制造的一台起吊设备。该设备采用远距离控制，起吊物品是有待进行电镀或表面处理的各种产品零件。另外，本电镀行车拥有手动、单周和连续3种工作方式，用户可根据实际需要选择其中工作方式进行电镀产品零件，这样就大大增加了对电镀行车操作的灵活性。1.1.2 电镀行车的基本组成结构本电镀行车机械部分由传送带A、传送带B、行车和电镀槽等4部分组成，而行车又由大车、小车和吊钩等部分组成，如图2.1所示。传送带A、传送带B、大车、小车和吊钩分别由电动机M1M5拖动。其中，大车、小车和吊钩在电动机的拖动下可分别作前后、左右、上下运动，行车的起吊重量在500kg以下，起吊物品是待进行电镀和表面处理的各种产品零件。用来

4、进行电镀和表面处理的容器是15号槽，每个槽内从左到右都有5个位置依次称为1号位、2号位5号位，每个位置都可以放置一个吊篮，因此，每个槽内共可以放置5个吊蓝。15号槽内依次装有酸液、清水、图2.1 电镀车间平面示意图镀镍镉处理）。完成对产品零件的除锈、清洗、镀锌、镀铬和镀镍镉处理所需的时间分别为5分钟、2分钟、10分钟、10分钟、20分钟。 1.1.3 电镀行车的主要技术参数根据工厂生产实际情况可得：（1）电镀行车传送带A和传送带B最大载重为Mmax=2500kg，其传送带摩擦系数m =0.2，传送带速度要求为v =15m/min。 （2）电镀行车大车最大载重为Mmax =5000kg，其大车与

5、导轨的摩擦系数m =0.15，大车的速度要求为v =30m/min。（3）电镀行车小车最大载重为Mmax =1500kg，其小车与大车的摩擦系数m =0.1，小车的速度要求为v =15m/min。（4）电镀行车吊钩最大负重为Mmax =500kg，其吊绳的摩擦系数可忽略不计，吊钩上升与下降的速度要求为v =15m/min。1.1.4 电镀行车的工作原理要求本电镀行车对产品零件的传送过程如下：（1）将吊篮从传送带A送到1号槽，以对产品零件进行除锈处理。在电镀行车启动前的初始状态下，吊钩在大车和小车的拖动下处于传送带A的1号位的上方。当按下启动按钮后，传送带A向前，将装满待电镀和表面处理的产品零件

6、的吊篮送到15号位。传送到位后，吊钩下降。下降到位后，小车向右一小段距离，以使吊钩钩住吊篮。钩住吊篮后，吊钩上升。吊钩将吊篮提升到位后，大车向前(小车不动)，将吊篮送到1号槽的1号位的上方。将吊篮送到位后，吊钩下降，将吊篮送到1号槽中的1号位，以对产品零件进行除锈处理。 吊钩下降到位后，小车向左一小段距离，以使吊钩脱离吊篮。吊钩脱离吊篮后，吊钩上升。上升到位后，大车向后，小车向左，拖动吊钩到传送带A的2号位的上方。吊钩到达传送带A的2号位的上方后，吊钩下降。以后重复上述过程，依次将各吊篮从传送带A的25号位送到1号槽的25号位。当行车将第5个吊蓝送到1号槽的5号位后，重复上述第（7）、（8）步

7、的过程，使吊钩脱离吊篮并上升。上升到位后，大车不动，小车向左，拖动吊钩回到1号槽的1号位的上方。等待下一步传送工作的进行。（2）将吊篮从1号槽送到2号槽，以对产品零件进行清洗。当1号槽1号位的吊篮中的产品零件经酸液进行了5分钟的除锈处理后，重复类似于上述（1）（13）步的过程，依次将各吊篮从1号槽中的15号位送到2号槽的15号位，以对产品零件进行清洗。当2号槽1号位的吊篮中的产品零件经清水进行了2分钟的清洗后，若需对产品零件进行镀锌处理，则应重复类似于上述（1）（13）步的过程，依次将各吊篮从2号槽中的15号位送到3号槽的15号位，以对产品零件进行镀锌处理。将各吊篮送到位后，应使吊钩回到3号槽

8、的1号位的上方。等待下一步传送工作的进行。（4）将吊篮从2号槽送到4号槽，以对产品零件进行镀铬处理。当2号槽1号位的吊篮中的产品零件经清水进行了2分钟的清洗后，若需对产品零件进行镀铬处理，则应重复类似于上述（1）（13）步的过程，依次将各吊篮从2号槽中的15号位送到4号槽的15号位，以对产品（5）将吊篮从2号槽送到5号槽，对产品零件进行镀镍镉处理。当2号槽1号位的吊篮中的产品零件经清水进行了2分钟的清洗后，若需对产品零件进行镀镍镉处理，则应重复类似于上述（1）（13）步的过程，依次将各吊篮从2号槽中的15号位送到5号槽的15号位，以对产品零件进行镀镍镉处理。将各吊篮送到位后，应使吊钩回到5号槽

9、的1号位的上方。等待下一步传送工作的进行。（6）将吊篮从3或4、5号槽送到传送带B，以将经镀锌或镀铬、镀镍镉处理过的产品零件运走。1.2 对电镀行车控制系统的设计要求1.2.1 对工作方式的设计要求（1）为了适应电镀行车控制系统的调试、检查和操作方便的需要，应使电镀行车控制系统具备手动、单周和连续三种工作方式。（2）应具有对上述三种工作方式的自由选择功能。（3）为了避免程序混乱，应能避免在同一时间内电镀行车按两种或两种以上的工作方式运行。1.2.2 对单机控制的设计要求在电镀产品零件的过程中，要求能按下某一步就运行某一步，即当遇到电镀特殊工艺要求时能实现人工单步操作。1.2.3 对全机控制的设

10、计要求（1）在单周和连续工作方式下，当下述初始条件中的任何一个不具备时，应避免电镀行车启动运行： 行车大车在初始位置； 行车小车在初始位置； 吊钩在初始位置。（2）在单周和连续工作方式下，应能使电镀行车按照预先规定的工艺流程运行。（3）在电镀产品零件的过程中，如遇到任何一步不能正常完成，应能使电镀行车立即自动停车。（4）在连续工作方式下，应能对电镀行车工作循环次数和一个循环完成时间进行累计，具备计数和计时功能。（5）应能保证操作人员随时都能使电镀行车紧急停车。1.2.4 对控制系统保护的要求为了能够保障电镀行车及其控制系统的安全，应使控制系统具备以下保护功能：（1）短路保护；（2）过载保护；（

11、3）失压保护；（4）吊钩紧急制动。1.2.5 对信号显示和故障报警的设计要求（1）在任何工作方式下，信号显示系统都能显示电镀行车及其传送带运行的全过程。（2）信号显示系统应能显示控制系统的电源的工作状态，电动机的工作状态，控制系统的工作方式。（3）当任何一台电动机的过载保护动作时，信号显示系统应能显示发生过载故障电动机，故障报警系统应能发出音响故障信号。第2章 控制系统硬件设计2.1 电气控制线路的设计本自动线中的电动机控制线路，采用交流380/220V电源供电，电源开关采用刀开关与自动开关串连的组合形式，其中刀开关起隔离电源、安全检修的作用，自动开关起短路保护作用。电动机控制线路中各电机主电

12、路接于380V电源，控制电路接于220V电源。各电机主电路采用接触器控制，并采用热继电器作过载保护，其中大车电机、小车电机和吊钩电机采用电磁抱闸制动。因实际需要，吊钩电机采用转子串电阻起动。因此，电镀行车电动机的主电路、局部照明电路、向PLC负载供电的直流稳压电源如附录A中的图A.1所示。在附图A.1所示主电路中，根据前面所确定的控制方案，各主轴电机的接触器KM1KM10的线圈由PLC控制。因此，在该图中不再给出这些接触器的线圈控制回路。信号和故障显示采用DC24V发光二极管，因此，电路中配备了一台AC220V/DC24V变压器向该二极管电路提供24V直流电源。在附图A.1的自动开关QF2作为

13、稳压电源和PLC及其负载的短路保护，接触器KM作为PLC及其负载的电源控制电器。2.2 PLC控制系统硬件部分的设计2.2.1 PLC输入/输出元件确定一、所需PLC输入元件及输入点的统计预开按钮SB11、启动按钮SB12和预停按钮SB13，占用PLC的3个输入点。工作方式选择开关SA2用来选择手动、单周、连续三种工作方式的一种，占用PLC的3个输入点。电镀种类选择开关SA3用来选择镀锌、镀铬、镀镍镉三种电镀中的一种，占用PLC的3个输入点。电镀行车及传送带的手动操作按钮SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10均为一个常开触点，它们共占用PLC的10个输

14、入点。用于检测传送带吊篮位置的光电开关为SP1、SP2、SP3，它们共占用PLC的3个输入点。用于吊钩拖动电机串电阻起动的欠电流继电器为KI1、KI2、KI3，它们共占用PLC的3个输入点。用于检测电镀行车大车运行位置的行程开关为SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、SQ9，它们共占用PLC的9个输入点。用于检测电镀行车小车运行位置的行程开关SQ10、SQ11、SQ12、SQ13、SQ14、SQ15、SQ16、SQ17，它们共占用PLC的8个输入点。用于检测吊钩升降位置的行程开关SQ18，占用PLC的一个输入点。用于电镀行车各电动机过载保护的热继电器为FR1、FR2、

15、FR3、FR4、FR5，它们均为一个常开触点，共占用PLC的5个输入点。综上所述，共需PLC输入触点48个。二、所需PLC输出元件及输出点的统计控制电镀行车各个电机运行的接触器线圈为KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9、 KM10，它们共占用PLC的10个输出点。在吊钩拖动电机转子回路中，用于接入和切除三段附加电阻的接触器为KM11、KM12、KM13，用于防止三台接触器同时通电动作的中间继电器为KA，KM11、KM12、KM13和KA的线圈与PLC输出点的连接关系如图3.1所示，由该图可知，KM11、KM12、KM13和KA的线圈共占用PLC的2个输出点。图

16、3.1 电流继电器控制电路图用于大车电机、小车电机、吊钩电机制动抱闸的电磁铁的线圈为YB1、YB2、YB3，它们共占用PLC的3个输出点。预开预告电铃BE 1个，占用PLC的1个输出点。故障报警蜂鸣器BU 1个，占用PLC的1个输出点。电镀行车各电机运行过程指示灯为HL1、HL2、HL3、HL4、HL5、HL6、HL7、HL8、HL9、HL10，它们共占用PLC的10个输出点。2.2.2 PLC型号的确定查阅我国各大企业使用较多的PLC生产厂家生产的PLC的技术手册，确认日本三菱公司生产的FX2N-128MR型基本单元完全能过满足上述要求，因此本课题控制系统的PLC选用FX2N-128MR型基

17、本单元1台。其主要技术性能指标如下：该型PLC为整体式结构，具有本电镀行车所需的所有指令功能，其输入点数为64点，输出点数为64点，用户存储器容量8KB，输入模块电压为DC24V，输出模块为继电器型。2.2.3 PLC I/O元件分配表一、PLC输入元件分配表可将PLC电镀行车控制系统中PLC的所有输入元件分配到PLC的各个输入点上，如表3. 1所示。二、PLC输出元件分配可将基于PLC的电镀行车控制系统中PLC的所有输出元件分配到PLC的各个输出点上，如表3.2所示。表3.2 PLC输出元件分配表.2.4 PLC I/O接线图的绘制由输入元件分配表3.1和输出元件分配表3.2可绘制PLC输入

18、和输出元件接线图如附图A.2所示。 第3章 控制系统软件设计及实现3.1 PLC梯形图总体方案设计3.1.1 PLC程序的组成及各部分程序的作用在第二章中，已对电镀行车工作方式控制的设计要求进行了叙述，其内容如下：为了适应电镀行车控制系统的调试、检查和操作方便的需要，应使电镀行车控制系统具备手动、单周和连续三种工作方式。据此，本设计基于PLC的电镀行车控制系统的软件部分应由公用程序、手动程序、单周程序、连续程序、信号显示和故障报警程序等五个部分组成。公用程序是电镀行车在大多数工作方式下都要执行的程序，这部分程序主要用来处理电镀行车的各种操作信号（如预开和预停等操作信号）、电镀行车起动前应具备的

19、各种初始信号、由连续的工作方式转换为手动或单周工作方式时，使连续工作方式程序复位的信号等，并将处理结果作为电镀行车启动、停止、程序转换或故障报警等的一个依据。连续程序是软件中最重要的部分。它用来实现电镀行车控制对象在无人参与的情况下对成批零件进行自动地连续电镀，在电镀完预期的零件后才自动停下来。因此，连续程序可大大提高加工效率，提高产品质量，减轻工人的劳动强度、降低加工成本。单周程序可实现电镀行车控制对象对单批零件的自动电镀，在电镀完单批零件后实现自动停车。因此这部分程序主要用于电镀行车控制对象及其PLC控制系统在组装或检修完成后投入生产前的试车，以及工人交接班时对行车的检查。手动程序主要用来

20、检查和调整电镀行车每一步的运行状态。具体来说，就是要实现单步控制，即按下某一步的起动按钮，该步就运行直到这一步完成。信号显示及故障报警程序用来显示电镀行车控制对象中各电动机的工作状态、电镀行车控制对象的工作方式和运行过程，用来在电镀行车控制对象启动的所有初始条件都已具备且已按下预开按钮时发出音响预告信号，或在各电动机的过载保护动作时发出音响故障警告信号。3.1.2 PLC梯形图程序的总体结构在第二章中，对电镀行车控制对象工作方式选择的设计要求中，还提出了如下的要求：（1）应具有对上述三种工作方式的自由选择功能。（2）为了避免程序混乱和发生机械碰撞事故，应能避免在同一时间内电镀行车控制系统有两种

21、或两种以上的工作方式运行为满足上述要求，从程序的总体结构上来说，应采用跳步法设计基于PLC的电镀行车控制系统的用户程序，即将手动程序、单周程序和连续程序分隔在不同的跳步区，同时应能保证在同一时间内，所有跳步区中只有一个跳步区的跳步条件满足，其余跳步区的跳步条件都不满足，而各跳步区的跳步条件的满足与否，则应能由工作方式选择开关SA2自由选择，这样才能满足上述要求。据此，可将PLC梯形图程序的总体结构设计成图3.1所示的形式。图3.1 PLC梯形图程序的总体结构图3.2 公用程序设计由图4.2中第1逻辑行并结合PLC输入/输出接线图可知，在电镀行车的小车处于传送带A的1号位时（初始状态）和未按预停

22、按钮的情况下，辅助继电器的线圈回路中X33和X44的触点处于断开状态，X2触点均处于闭和状态。此时，按下预开按钮SB11(X0)，可使继电器M151和Y17通电动作。M151动作可为电镀行车起动作好准备，Y17动作可接通电铃BE的电源，向人们发出电镀行车将要开车的音响预告信号。在按下起动按钮SB12（X1）以前，若想取消预开命令，只要按下预停按钮SB13（X2），使M151断电即可。在图3.2第2逻辑行中，电镀行车的预停信号由辅助继电器 M150发出。当按预停按钮SB13 (X2)，应能使预停回路M150通电，以向电镀行车发出预停信号；当按启动按钮SB12（X1）或电镀行车回到初始步M0时，应

23、能使预停回路M150断电，否则，电镀行车将无法在连续工作方式下再次启动运行。据此，应将预停按钮X2、和初始步的状态寄存器M0的常闭触点串联起来，去控制辅助继电器M150的线圈回路，以得到所需的预停回路。图3.2 公用程序梯形图在图3.2第3、4逻辑行中，当M151和M8002满足同时动作时，可使初始步M0置位。系统选择手动工作方式运行时，X3的常开触点接通，用区间复位指令ZRST使M1M23复位，同时初始步M0复位，为以后由手动转到单周或连续作好准备。如果此时不对所有的状态复位，回到单周或连续状态后有可能出现两个状态同时为ON的异常现象。在图3.2第5逻辑行中，系统选择单周或连续工作方式工作时

24、，X4或X5的常开触点接通，且必须是由一个上升沿脉冲才能使触点动作，同时使用ZRST指令使Y0Y42复位，防止由手动转到单周或连续时出现两个输出状态同时为ON的异常现象。3.3 单周/连续程序设计3.3.1 单周/连续工作方式的顺序功能图设计根据毕业设计任务书要求，本控制系统应具备单周/连续工作方式，即在单周/连续工作方式下，控制系统控制的电镀行车在按下启动按钮后，将按照设计的程序连续不间断的运行，在完成一个循环后又进入下一个循环，直到循环次数达到预定值或操作人员停止电镀行车的运行。据此，可设计出单周/连续工作方式程序的顺序功能图，如附录A中的图A.3所示。3.3.2 单周/连续工作方式的程序

25、设计根据图A.3所示的单周/连续工作方式程序的顺序功能图，以及顺序功能图与梯形图之间的对映关系，可设计出电镀行车控制系统单周/连续工作方式程序的梯形图，如附录A中的图A.4所示。3.4 手动程序设计手动操作主要用于设备的检修和调试，以及调整元件位置和改进接线等。手动运行时，各种操作可独立运行，但同时只能执行一个动作，一步运行时，按其它步的运行按钮不能使这一步停止运行，并且所按的步也不能运行。各种操作之间的互锁是分别串联其它输出线圈的常闭触点实现的。据此，采用经验设计法，可设计出手动工作方式程序的梯形图，如附录A中的图A.5所示。3.5 信号显示及故障报警程序设计对信号显示及故障报警程序的设计要

26、求是：（1）在任何工作方式下，信号显示系统都能显示电镀行车运行的过程。（2）信号显示系统应能显示控制系统的电源的工作状态，电动机的工作状态。（3）在单周/连续工作方式下，当系统启动的初始条件都具备时，按下预开按钮后，信号系统应能发出音响预开信号。（4）在连续工作方式下，当控制系统的实际工作循环次数累计达到设定的次数时，信号系统应能发出音响预停信号。（5）当任何一台电动机的过载保护动作时，信号显示系统应能显示发生过载故障的电动机，故障报警系统应能发出音响故障信号。据此，结合附图A.2所示的PLC I/O接线图，可设计出电镀行车的信号显示及故障报警程序，如附录A中的图A.6所示。 总 结 两周的学

27、习很快就结束了，我们这两周的任务是电镀行车电气控制系统设计，实现了两个目的：（1）着重训练我们查阅资料的能力、工程制图的能力、计算机运用能力、元件选择能力、软件开发使用能力以及文字表达的能力。同时，让我们回顾已学过的电气控制与PLC的知识，并对知识重新组合、灵活运用。使我们能够通过毕业设计对电气控制与PLC应用技术的了解更加深刻。（2）成功地实现使控制系统满足工艺流程要求以及设计任务书上提出的所有控制、保护和显示要求，并且力图使所设计的控制系统做到了工作稳定可靠、技术性能先进、操作灵活方便。通过顺序功能图的循环，重点解决了连续工作方式的顺序功能图的设计过程中遇到的各种复杂问题。毕业设计达到了预

28、期目的。在这里我要感谢我们的指导老师伍新老师和吴晨曦老师。参考文献1廖常初主编.FX系列PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，20102齐蓉、肖维荣主编. 可编程控制器技术.电子工业出版社，20093张公源主编.PLC应用实例与程序解说.电子工业出版社，20084刘晓春主编.电气控制与PLC技术应用.电子工业出版社，20065高钦和编著.PLC应用开发.人民邮电出版社，20056廖常初主编.PLC基础及应用.北京：机械工业出版社，20037阳宪惠主编.工业数据通信与控制网络.清华大学出版社，20038中华人民共和国国家标准 电气制图.中国标准出版社，19879廖常初主编.S7-300/400 PLC应用技术.北京：机械工业出版社，200510廖常初等.PLC的书序控制方法.工业自动化（香港），1997（8）图A.1 电动机主电路原理图 图A.3 单周/连续工作方式顺序功能图图A.4 单周/连续工作方式程序梯形图（第一张）图A.4 单周/连续工作方式程序梯形图（第二张）图A.4 单周/连续工作方式程序梯形图（第三张）图A.5 手动工作方式程序梯形图图A.6 信号显示和故障报警程序梯形图