⾃动送料装车系统
PLC⼤型设计任务书
⾃动送料撞车系统
系别：电⽓⼯程系
班级：电⽓1004班
姓名：蔡英杰
指导⽼师：
前⾔
送料⼩车控制系统采⽤了PLC控制，从⾃动装车送料⼩车的⼯艺流程来看，它的控制系统属于⾃动和⼿动控制相结合的系统。传统的运料⼩车⼤都是继电器控制，⽽继电器控制有着接线繁多，故障率⾼的缺点，且维护维修不易等缺点。作为⽬前国内控制市场上的主流控制器，PLC在市场、技术、⾏业影响等⽅⾯有重要作⽤，利⽤PLC控制来代替继电器控制已是⼤势所趋。
在国际上PLC迅速发展的形势下，我国多数PLC⼚家还没有拥有⾃主知识产权，能够参与国际竞争的PLC产品，其中之⼀就是研发实⼒不够。虽然资⾦投⼊、⽣产和质量管理等因素也占有⾮常⼤的⽐重，但对产品的质量起着决定性作⽤的是研发投⼊、研发成果产品化以及⽣产⼯艺等。⽽技术则是贯穿着其中每⼀个环节，PLC核⼼技术的开发、产品的后续开发、⽣产⼯艺的技术⽔平是决定产品质量的前提，如何在技术上进⼀步增强⾃⼰的实⼒，将是国产品牌取得市场竞争优势的关键。
依据得到的样本分析，初步得出正在使⽤的众多PLC的品牌中，西门⼦、三菱及omron占据绝对的优势，60%左右的⽤户使⽤了这些品牌的PLC产品，⽽rockwell/ab、ge-fanuc和富⼠等品牌也占有相当的市场份额。
我国可编程控制器的引进、应⽤、研制、⽣产是伴随着改⾰开放开始的。最初是在引进设备中⼤量使⽤了可编程控制器。接下来在各种企业的⽣产设备及产品中不断扩⼤了PLC的应⽤。
⽬前，我国⾃⼰已可以⽣产中⼩型可编程控制器。上海东屋电⽓有限公司⽣产的CF系列、杭州机床电器⼚⽣产的DKK及D系列、⼤连组合机床研究所⽣产的S系列、苏州电⼦计算机⼚⽣产的YZ系列等多种产品已具备了⼀定的规模并在⼯业产品中获得了应⽤。此外，⽆锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国⽐较著名的PLC⽣产⼚家。可以预期，随着我国现代化进程的深⼊，PLC在我国将有更⼴阔的应⽤天地。
在⼯业⽣产过程中，⼤量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进⾏顺序动作，并按照逻辑关系进⾏连锁保护动作的控制，及⼤量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过⽓动或电⽓控制系统来实现的。1968年美国GM（通⽤汽车）公司提出取代继电⽓控制装置的要求，第⼆年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电⼦技术的控制装置，⾸次采⽤程序化的⼿段应⽤于电⽓控制，这就是第⼀代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第⼀台PLC。
限于当时的元器件条件及计算机发展⽔平，早期的PLC主要由分⽴元件和中⼩规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。⼈们很快将其引⼊可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的⼯业控制装置。
本设计的任务设计⼀个PLC控制的⾃动送料装车系统，系统控制要求如下：
初始状态：绿灯（L1）亮，红灯（L2）灭，表⽰允许汽车开进装料，此时，进料阀门（K1），料⽃阀门（K2），电动机
（M1，M2，M3）皆为OFF状态。
当汽车到来时，检测开关S3接通（负载板上未设，可从通⽤器件板选取），红⾊信号灯L2亮，绿⾊L1
灭，传送带驱动电动机M3运⾏；2s后，电动机M2运⾏；再经过2s，M1运⾏，依次顺序起动送料系统。
电动机M3运⾏后，进料阀门K1打开料⽃进料，料⽃装满时，检测开关S1=1，进料阀门K1关闭（设1料⽃物料⾜够装满1车）；料⽃出料阀门K2在M1运⾏及料满（S1=1）后，打开放料，物料通过传送带的传送，装⼊汽车。
当装满汽车后，称重开关S2动作，料⽃出料阀门K2关闭，同时电动机断电停⽌，2s后M2停⽌，再过2s，M1停⽌，L1亮，L2灭，表⽰汽车可以开⾛。
控制系统的组成
本⽂设计中的⾃动送料装车系统由送料⼩车、轨道、料⽃等设备装置组成，来完成对物料的运料、传输、装料的过程。这类系统的控制需要运⾏平稳等特性，具有连续可靠的⼯作能⼒。当绿灯L1亮时，表⽰表⽰允许汽车进来装料。此时，进料阀门(K1)，送料阀门(K2)，电动机(M1、M2、M3)皆为OFF状态。当汽车到来时，车辆检测开关S2接通，红灯L2亮，绿灯L1灭，电动机M3运⾏，电动机M2在M3接通2秒后运⾏，电动机M1在M2启动2秒后运⾏，依次顺序起动整个送料系统。传送带和⼀辆运料⼩车配合，才能稳定有效率地进⾏⾃动送料装车过程。系统⽰意图如图1-1所⽰。
图1-1 ⾃动送料装车控制系统⽰意图
1.2 控制系统的元件
1.2.1 可编程控制器
可编程控制器(Programmable Controller，PC)由于和个⼈计算机(Personal Computer，PC)混淆，故⼈们仍习惯地⽤PLC作为可编程序控制器的简称。
PLC是⼀种数字运算操作电⼦系统，专为在⼯业环境下应⽤⽽设计。它采⽤了可编程序的存储器，⽤来在其内部存储执⾏逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输⼊和输出，控制各种类型的机械或⽣产过程。
PLC采⽤了典型的计算机结构，主要由CPU、存储器、采⽤扫描⽅式⼯作的I/O接⼝电
路和电源等组成，PLC 硬件系统如图1-2。
按钮
继电器触
电
⾏程开关
接触器电磁阀指⽰灯
图1-2 PLC 硬件系统结构框图
三相异步电动机
异步电动机之所以得到如此⼴泛的应⽤，是因为和其他电动机相⽐，具有结构简单、制造容易、价格低廉、运⾏可靠、效率⾼等⼀系列优点。和同容量的直流电动机相⽐，异步电动机的重量约为直流电动机的⼀半，⽽其价格仅为直流电动机的三分之⼀。异步电动机的缺点是不能经济地在较⼤范围内平滑调速⽽必须从电⽹吸收滞后的⽆功功率，使电⽹功率因数降低。不过，由于⼤多数⽣产机械并不要求⼤范围的平滑调速，⽽电⽹的功率因数⼜可以采⽤其他办法进⾏补偿。
图1-4 三相异步电动机T = f （s ）曲
传感器是能感受规定的被测量并按照⼀定规律转换成可⽤输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电信号部分。
传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。
通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。但是由于传感器输出信号⼀般都很微弱，需要有信号调节
与转换电路将其放⼤或变换为容易传输、处理、记录和显⽰的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应⽤，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体⾥或与敏感元件⼀起集成在同⼀芯⽚上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都
应作为传感器的组成部分。如图1-6所⽰。
图1-6 传感器组成框图
变频调速技术
变频调速技术是⼀种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速⽬的的技术。⼤家知道，从⼤范围来分，电动机有直流电动机和交流电动机。由于直流电动机调速容易实现，性能好，因此，过去⽣产机械的调速多⽤直流电动机。但直流电动机固有的缺点是，由于采⽤直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费⼯，成本⾼，给⼈们带来不少的⿇烦。因此⼈们希望，让简单可靠价廉的笼式交流电动机也能像直流电动机那样调速。这样就出现了定⼦调速、变极调速、转⼦串电阻调速和串
极调速等交流调速⽅式。直到20世纪80年代，由于电⼒电⼦技术、微电⼦技术和信息技术的发展，才出现了变频调速技术。它的出现就以其优异的性能逐步取代其他交流电动机调速⽅式，乃⾄直流电动机调速系统，⽽成为电⽓传动的中枢。
元器件的选择
2.2.1 PLC的选择
⽬前市场上的PLC产品众多，国内外众多的⽣产⼚家提供了多种系列功能各异的PLC 产品，使⽤户眼花缭乱、⽆所适从。除国产品牌外，国外有：⽇本的OMRON、MITSUB、ISHI、FUJI、ANASONIC，德国的SIEMENS，韩国的LG等。⼀般选择机型要以满⾜系统功能需要为宗旨，不要盲⽬贪⼤求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择具体可以从⼀下12个⽅⾯来考虑：
1. 选择⾃⼰需要的机种和机型
若已有设备（或产品）上已经⽤了某⼀种型号的PLC，再要选⽤PLC开发新的产品，在满⾜⼯艺条件的前提下，建议还是选⽤已经⽤过的PLC为好，这样就可以做到资源共享。
2. 不要⼤材⼩⽤
什么样的规模设计任务就选⽤什么样的规模的PLC，避免造成太多的硬件资源浪费。
3. 具体的控制对象具体选择
根据不同的设计任务，来选择PLC的机型。
4. 选⽤易采购的机型
5. 经常了解PLC产品的发展动态
6. 对I/O点的选择
要先弄清控制系统的I/O点的总点数，再按实际所需要的总点数的15%~20%留出备⽤量后确定所需PLC的点数。
7. 对存储容量的选择
对⽤户存储容量只能做粗略的估算。在仅对开关量进⾏控制的系统中，可以⽤输⼊总点数乘10字/点+输出总点数×5字/点来估算；计数器/定时器按(3~5)字/个来估算；有运算处理时按(5~10)字/个来估算；在有模拟量I/O出的系统中，可以按每输⼊（或输出）⼀路模拟
量约需（80~100）字左右的存储量来估算；有通信处理时按每个接⼝200字以上的数量粗略估算。
8. 对I/O响应时间的选择
PLC的I/O响应时间包括输⼊电路延迟、输出电路延迟和扫描⼯作⽅式引起的时间延迟（⼀般在2~3个扫描周期）等。
9. 根据输出负载的特点选型
根据PLC输出所带的负载是直流型还是交流型、是⼤电流还是⼩电流以及PLC输出点动作的频率等，从⽽确定输出端采⽤继电器输出还是晶体管输出。
10. 对PLC结构形式的选择
在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式⽐模块式价格低。
11. 选择性能相当的机型
PLC选型中还有⼀个重要问题就是性能要相当。
12. 选择新机型
富士汽车由于PLC产品更新换代很快，所以选⽤相应的新机型很有必要。
在本次设计由于输⼊量基本是开关量，⽽对于PLC的开关量输⼊回路，西门⼦公司( Siemens) 的S7-200可编程序控制器基本满⾜设计要求。
2.2.2 电动机的选择
电动机按转⼦结构形式分类：三相笼型异步电动机和三相绕线型异步电动机。电动机型号根据以下⼏个⽅⾯选择：
1. 功率的选择
要为某⼀⽣产机械选配⼀台电动机，⾸先考虑电动机的功率需要选择多⼤，合理选择电动机的功率具有重⼤的经济意义。
在本次设计中运料⼩车装满料重500kg，⼩车的车轮半径0.2m，⼩车与轨道之间的摩擦
系数µ=0.1，假设在启动阶段加速时的加速度为动摩擦⼒矩
T=500kg×9.8×0.1/100=441Nm。
2. 电动机结构的选择
因为⽤的是三相交流电源，在交流电动机中，三相笼型异步电动机结构简单、坚固耐⽤、维护⽅便、⼯作可靠、价格低廉。主要的弊端是调速困难，功率因数⽐较低，启动性能⽐较差，由于送料⼩车要求的机械特性⽐较硬⽽且没有特殊的调速要求，所以可以采⽤笼型电动机。
3. 结构形式的选择
⽣产机械的种类繁多，它们的⼯作环境也不尽相同。因此，有必要保证在不同环境中能安全的可靠运⾏。电动机常有下列⼏种
结构型式：
（1）开启式：在构造上⽆特殊防护装置，运⽤于⼲燥、⽆尘场所。通风好。
（2）防护式：在机壳或端盖下⾯有通风罩，以防⽌杂物掉进去。
（3）封闭式：封闭式电动机外壳严密封闭，电动机靠风扇冷却，并且在外壳带有散热⽚。使⽤在灰尘多、潮湿、盐碱、腐蚀性强的场所。
（4）防暴式：整个电机严密的封闭，多⽤于矿井中。
综上所述，运料⼩车所处的环境⽽选择封闭式的电动机。
4. 电动机电压的选择
Y系列的电动机的额定电压只有380V⼀个等级。
5. 电动机转速的选择
电动机的额定转速是根据⽣产机械的要求⽽选定的。通常情况下转速不低于500r/min ，异步电动机通常采⽤4个极的，则同步转速
=1500r/min 的。电动机的参数如表2-1。
表2-1 运料⼩车电动机的参数
2.2.3 传感器的选择
1.称重传感器的选择
重量传感器⼜称称重传感器，是将压⼒信号转换成电压或电流控制信号。
其输出格式是标准的控制信号类型：0~10VDC ，-10~10VDC ，4~20mA ，0~20mA 。有的智能称重传感器也能输出开关量信号，但是其动作量（检测到的压⼒信号）是可调的。
本次设计中称重传感器选择CS-20型。
2.霍尔传感器的选择
本次设计选⽤HAL815可编程线性霍尔传感器，其可⽤于⾓度或距离测量。
HAL815是⼀个可编程的霍尔传感器，内置DSP ，可设置的⽐例电压输出，具有⾼精度，多个可编程磁特性存储在具有冗余和锁定功能的⾮易失性存储器(EEPROM)，多种保护功能如。开路（地和电源线突变检测）、过压和⽋压检测，保证了传感器的⾼可靠性，可逐个编程或通过选择拉低输出脚来编⼏个并联在相同供电电压上的传感器，温度特性可编程可匹配所有常见的磁性材料。可编程的特性⽅便了客户的设计。
2.2.4 继电器的选择
继电器主要⽤于控制与保护电路或⽤于信号转换。继电器是⼀种根据特定形式的输⼊信号⽽发⽣动作的⾃动控制电器。它与接触器不同，主要⽤于反应控制信号，其触点⼀般接在控制电路中。当输⼊量变化到某⼀定值时，继电器动作，其触头接通或断开交、直流⼩容量的控制回路。
继电器的种类有很多，分类的⽅法也很多，常⽤的分类⽅法有：
1. 按输⼊量的物理性质可分为电压继电器、电流继电器、功率继电器、时间继电器和温度继电器等。
2. 按动作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电⼦式继电器等。