小型智能裝配生產(chǎn)線電氣系統(tǒng)設(shè)計

《機電傳動控制》課程設(shè)計任務(wù)書一、課題題目：小型智能裝配生產(chǎn)線電氣系統(tǒng)設(shè)計三、設(shè)計任務(wù)：1.根據(jù)控制要求，進行電氣控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，本設(shè)計要求采用繼電器接觸器控制方式；2.對重要電器元件進行選擇和計算；3.按照國家標(biāo)準(zhǔn)制圖方式，繪制出電氣控制原理圖，包括：主電路和控制電路。采用圖幅分區(qū)法，對各電路模塊進行注釋；4.完成控制箱內(nèi)的元器件安裝圖；5.列出所需電器元件的明細(xì)表（應(yīng)包括：序號、文字符號、器件名稱、規(guī)格、型號、數(shù)量、作用等）；6.編寫設(shè)計說明書（課程設(shè)計報告）。三、背景意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PLC技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在現(xiàn)代工業(yè)的系統(tǒng)控制方面，PLC的功能強、可靠性高、編程簡單、使用方便、體積小巧，被譽為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。隨著當(dāng)今社會越來越快的發(fā)展步伐，生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)將需要實現(xiàn)更多更加穩(wěn)定的功能，以PC機作為上位機、以PLC作為基本控制單元的集控制和管理于一身的控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化生產(chǎn)流水線及管理中越來越顯示出優(yōu)越性，PLC易學(xué)易懂、控制簡單，可以提高自動化生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)效率。PLC用存儲邏輯代替了接線邏輯，這使得控制設(shè)備外部的接線大大的減少，也使得控制系統(tǒng)設(shè)計的周期大大的縮短，使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序從而改變生產(chǎn)過程成為可能，這也很適合小批量、多品種的生產(chǎn)領(lǐng)域。因為PLC，流水線的自動化程度更高、生產(chǎn)效率更高。因此基于PLC的生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的研究具有非常實用的意義，該研究一定會有很大的發(fā)展和應(yīng)用空間。此課題研究的目的是在掌握一定的PLC知識的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)掌握知識、運用知識解決問題的能力，培養(yǎng)一定的工程意識和創(chuàng)新意識，學(xué)會和熟悉一定的工程設(shè)計方法，為進一步的學(xué)習(xí)和能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。四、生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)設(shè)計4.1設(shè)計目標(biāo)生產(chǎn)流水線工作臺由電機帶動，本課題的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計針對生產(chǎn)流水線當(dāng)中某一電機，最終需要實現(xiàn)電機的正向、反向以及多段速運行，使其具備啟停、調(diào)試、單選等功能。電機多段速運行情況如下圖所示。具體目標(biāo)如下：電機啟動，當(dāng)電機自動運行時將分五檔速度連續(xù)運轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)一檔速度（300r/min）、正轉(zhuǎn)二檔速度（900r/min）、正轉(zhuǎn)三檔速度（1500r/min），反轉(zhuǎn)四檔速度（600r/min）、反轉(zhuǎn)五檔速度（1500r/min）；當(dāng)電機進行調(diào)試時以一檔速度（300r/min）運行，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)調(diào)試；此外，在單選狀態(tài)下，電機可以以任意一級速度恒速正轉(zhuǎn)運行；需要時電機可以隨時停止。4.2設(shè)計思路及實現(xiàn)根據(jù)公式f=nP/60可知，對于一臺電機，轉(zhuǎn)速n與頻率f成一一對應(yīng)關(guān)系，故可以利用變頻器控制頻率的變化從而來實現(xiàn)電機的多段速運行[2]。另一方面，通過對變頻器工作原理的理解可知，控制變頻器開關(guān)量的輸入可以實現(xiàn)多個固定頻率的輸出。所以，合理運用PLC，其輸出信號作為變頻器開關(guān)量的輸入控制信號，變頻器控制電機運行于多檔轉(zhuǎn)速即可構(gòu)成PLC配合變頻器的電氣控制系統(tǒng)，通過軟件與硬件結(jié)合，即可達到設(shè)計目標(biāo)。通過對設(shè)計目標(biāo)的分析，結(jié)合PLC輸入開關(guān)元件，該生產(chǎn)流水線某一部分控制電機的電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)內(nèi)容如下：按下SB1，電動機啟動；按下SB12，電動機自動多段速連續(xù)運行，工作臺運行；按下SB2，電動機停止，工作臺停止運行；按下SB4，電動機正轉(zhuǎn)；按下SB5，電動機反轉(zhuǎn)；按下SB3，調(diào)試，電動機以一檔轉(zhuǎn)速運行；按下SB6，單選，電動機以任意一級速度恒速運行；按下SB7，電動機以一速運行；按下SB8，電動機以二速運行；按下SB9，電動機以三速運行；按下SB10，電動機以四速運行；按下SB11，電動機以五速運行。根據(jù)以上分析，生產(chǎn)流水線中某一部分由PLC和變頻器組成的控制系統(tǒng)示意圖如下：圖2-3PLC和變頻器組成的控制系統(tǒng)示意圖五、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計5.1西門子S7-200PLC西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能強，可靠性高[5]。其中，S7-200系列是整體式的，CPU模塊、I/O模塊和電源模塊都在一個模塊內(nèi)，稱為CPU模塊。同一機架上的模塊之間是通過模塊正上方的數(shù)據(jù)接頭連接的。它的編程語言有三種，即語句表（STL）、梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）。S7-200PLC發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了兩代：第一代產(chǎn)品，其CPU模塊為CPU21X，主機都可進行擴展，它具有四種不同配置的CPU單元：CPU212，CPU214，CPU215和CPU216。第二代產(chǎn)品，其CPU模塊為CPU22X，主機都可進行擴展，具有五種不同配置的CPU單元：CPU221，CPU222，CPU224和CPU226和CPU226XM，除CPU221之外，其它都可加擴展模塊，是目前小型PLC的主流產(chǎn)品。西門子S7-200PLC在實時模式速度快，有較高的生產(chǎn)力，可以與其他控制器結(jié)合使用。S7-200硬件系統(tǒng)由基本單元（CPU）、擴展單元、特殊功能模塊、相關(guān)設(shè)備組成。S7-200PLC具有以下特點：（1）集成的24V電源。可直接連接到傳感器，其中，CPU224輸出280mA，可用作負(fù)載電源。（2）通信口。其中，CPU221、CPU222以及CPU224具有1個RS-485通信口，CPU226具有2個RS-485通信口，S7-200支持PPI、MPI通信協(xié)議，有自由口通信能力。（3）高速脈沖輸出。S7-200具有兩路高速脈沖輸出端，頻率達20KHZ，可用于控制步進電機或者伺服電機。（4）中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿做出響應(yīng)。（5）電池模塊。用戶數(shù)據(jù)可通過內(nèi)部的超級電容存儲大約5天。選用電池模塊能延長存儲時間到200天。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。（6）數(shù)字量輸入/輸出點。CPU221具有6輸入/4輸出；CPU222具有8輸入/6輸出；CPU224具有14輸入/10輸出；CPU226具有24輸入/16輸出。（7）高速計數(shù)器。具有幾個高速計數(shù)器，用于捕捉比CPU掃描頻率更高的脈沖信號。S7-200PLC的應(yīng)用領(lǐng)域從更換繼電器和接觸器一直擴展到單機、網(wǎng)絡(luò)以及分布式配置更復(fù)雜的自動化領(lǐng)域。S7-200PLC具有結(jié)構(gòu)緊湊小巧、大容量程序和數(shù)據(jù)存儲、實時響應(yīng)快、操作順序和過程控制快速和精確、易于配合STEP7-Micro/WIN32工程軟件使用等優(yōu)點。5.1.1I/O地址分配此次課題中使用的S7-200PLC的CPU224XPCN，其具有14個輸入點和10個輸出點。結(jié)合此設(shè)計需要滿足的功能要求以及開關(guān)元件，考慮PLC與變頻器之間的輸入輸出控制關(guān)系，S7-200I/O地址可按如下分配：表3-1I/O地址分配表輸入輸出功能元件地址功能地址啟動SB1I0.1DIN3Q0.1停止SB2I0.2DIN4Q0.2調(diào)試SB3I0.3DIN5Q0.3正轉(zhuǎn)SB4I0.4DIN1Q0.4反轉(zhuǎn)SB5I0.5DIN2Q0.5單選SB6I0.6一速SB7I0.7二速SB8I1.3三速SB9I1.4四速SB10I1.0五速SB11I1.1自動SB12I1.25.1.2S7-200PLC接線圖圖3-1為S7-200PLC（CPU224XPCN）DC電源/DC輸入/DC輸出端子接線圖，DC輸入端由1M、I0.0~I0.7構(gòu)成的第一組和由2M、I1.0~I1.5構(gòu)成的第二組組成，1M和2M分別為各組公共端，DC24V的負(fù)極接公共端1M或者2M，輸入開關(guān)的一端接DC24V的正極，輸入開關(guān)的另一端接CPU224XPCN各輸入端；DC輸出端由1M、1L+、Q0.0~Q0.4構(gòu)成的第一組和由2M、2L+、Q0.5~Q1.1構(gòu)成的第二組組成，1M和2M分別為各組公共端，DC24V的負(fù)極接1M、2M端，正極接1L+、2L+端，Q0.1~Q0.4輸出一端接CPU224XPCN各輸出端，另一端分別與變頻器端7、端8、端16、端5連接。圖3-1S7-200PLC接線圖5.2西門子MICROMASTERVECTOR變頻器MICROMASTERVECTOR(MMV)是具有免測速機矢量控制功能的通用型變頻器,用于控制三相電機的轉(zhuǎn)速。免測速機矢量控制可以計算出所需輸出電流及頻率的變化量以維持所期望的電機轉(zhuǎn)速,而不受負(fù)載條件變化的影響。MMV變頻器具有如下特點：(1)安裝、設(shè)定、調(diào)試簡便。(2)矢量控制的起動轉(zhuǎn)矩高并且速度精度高。(3)單相輸入的MMV12-MMV300可提供內(nèi)裝RFI濾波器選件。(4)快速電流限幅可以運用于無跳閘應(yīng)用。(5)0°C到50°C的溫度范圍。(6)內(nèi)部自帶PID控制功能，可以完成閉環(huán)過程控制，為用于反饋的傳感器提供15V、50mA供電。(7)可通過RS-485串口實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,此外使用USS通訊方式最多可以控制31臺變頻器。(8)輸出頻率(即電機轉(zhuǎn)速)可由以下方法控制：=1\*GB3①前面板頻率給定=2\*GB3②外部電位計控制電機轉(zhuǎn)速=3\*GB3③高分辨率的模擬量給定值(電壓或電流輸入）=4\*GB3④8個固定頻率設(shè)定。=5\*GB3⑤電動電位計功能=6\*GB3⑥串行接口5.2.1參數(shù)設(shè)置變頻器可以通過前面板上的薄膜型按鍵改變和設(shè)定參數(shù)，以調(diào)節(jié)出所需要的變頻器特性，例如最大和最小頻率等。被選定的參數(shù)號和設(shè)定的參數(shù)值通過四位LED顯示屏顯示出來。值得注意的是，如果間斷性地按鍵，數(shù)值將一步一步地改變，如果長時間地按住鍵，數(shù)值將快速地改變[10]。參數(shù)能否讀取，取決于P009的設(shè)定。按照生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，參數(shù)設(shè)置如下：表3-2MMV變頻器參數(shù)設(shè)置參數(shù)功能參數(shù)設(shè)置說明/注釋P001顯示選擇00=輸出頻率（HZ）P006頻率設(shè)定方式選擇22=固定頻率P007面板操作控制00=運行P009參數(shù)保護設(shè)定33=所有參數(shù)可被讀寫P041固定頻率（HZ）10P042固定頻率（HZ）30P043固定頻率（HZ）50P049固定頻率（HZ）20P048固定頻率（HZ）50P051選擇控制功能11=運行，向右轉(zhuǎn)P052選擇控制功能22=運行，向左轉(zhuǎn)P053選擇控制功能1717=二進制固定頻率控制P054選擇控制功能1717=二進制固定頻率控制P055選擇控制功能1717=二進制固定頻率控制5.2.2多段速控制 變頻器的多段速是通過功能端子控制的，這些功能端子按照二進制的規(guī)律組合接通時，變頻器輸出各固定頻率[11]。MMV變頻器最多可以通過3個端子組合閉合控制生成8種固定頻率，根據(jù)f=nP/60可知，從而得到8段速。表3-3中“1”表示該端子的控制閉合；“0”表示該端子的控制斷開。由段速表可見，DIN3、DIN4、DIN5功能端子按照表中的對應(yīng)關(guān)系進行閉合時，得到8種固定頻率。表3-3二進制編碼固定頻率表DIN3（P053）DIN4（P054）DIN5（P055）FF5（P046）000FF6（P047）001FF7（P048）010FF8（P049）011FF1（P041）100FF2（P042）101FF3（P043）110FF4（P044）111因此，為了使PLC與變頻器相結(jié)合對電機進行控制從而達到生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的控制要求，S7-200PLC輸出點與MMV變頻器的對應(yīng)關(guān)系應(yīng)該如表3-4所示。表3-4PLC輸出點與變頻器對應(yīng)關(guān)系Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5DIN3DIN4DIN5DIN1DIN2速度(r/min)頻率(HZ)FF11001030010FF21011090030FF311010150050FF80100160020FF7011011500505.2.3變頻器接線圖參照MMV變頻器操作手冊，接線圖如圖3-2所示[12]。圖3-2變頻器接線示意圖六、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計6.1PLC編程隨著社會的進步與快速發(fā)展，微處理器、計算機以及數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展飛速，如今計算機控制幾乎已經(jīng)擴展到了所有的工業(yè)領(lǐng)域。在這種情況下，現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速的反應(yīng)，要求生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格并且低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。因此，為了滿足這些要求，生產(chǎn)設(shè)備以及自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，PLC編程應(yīng)運而生，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)按控制要求編制好并儲存于用戶存儲器中的程序，按照指令步序號(地址號)作周期性循環(huán)掃描，如果沒有跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束，然后再重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描，在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣以及對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的用戶程序，是設(shè)計人員根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝控制要求，通過PLC編程語言的編制規(guī)范，按照實際需要使用的功能來設(shè)計的。只要用戶能夠掌握某種標(biāo)準(zhǔn)編程語言，就能夠使用PLC在控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)各種自動化控制功能。根據(jù)國際電工委員會制定的工業(yè)控制編程語言標(biāo)準(zhǔn)（IEC1131-3），PLC有五種標(biāo)準(zhǔn)編程語言：梯形圖語言（LD）、指令表語言（IL）、功能模塊語言（FBD）、順序功能流程圖語言（SFC）、結(jié)構(gòu)文化本語言（ST）。其中，梯形圖語言是PLC程序設(shè)計中最常用的編程語言[13]。它是與繼電器線路類似的一種編程語言。它在形式上沿襲了傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制圖，是在原繼電接觸器控制系統(tǒng)的梯形圖基礎(chǔ)上演變而來的一種圖形語言。它將PLC內(nèi)部各種編程元件和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號、標(biāo)號表示，并且按照邏輯要求及連接規(guī)律組合和排列，從而構(gòu)成了表示PLC輸入、輸出之間控制關(guān)系的圖形。因為它在原繼電接觸器的基礎(chǔ)上加進了許多功能強大、使用靈活的指令并且將計算機的特點結(jié)合了進去，使得其邏輯關(guān)系清晰直觀、編程容易、可讀性強，可以實現(xiàn)的功能大大超過了傳統(tǒng)的繼電接觸控制電路，所以得到了廣泛的歡迎和應(yīng)用。梯形圖編程語言的特點是：與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性；與原有繼電器控制相一致，電氣設(shè)計人員易于掌握。梯形圖的設(shè)計應(yīng)注意到以下三點：（1）梯形圖按從左到右、自上而下地順序排列。每一邏輯行（或稱梯級）起始于左母線，然后是觸點的串、并連接，最后是線圈。（2）梯形圖中每個梯級流過的不是物理電流，而是概念電流，從左流向右，其兩端沒有電源。這個概念電流只是用來形象地描述用戶程序執(zhí)行過程中應(yīng)該滿足線圈接通的條件。（3）輸入寄存器用來接收外部輸入信號，而不能由PLC內(nèi)部其它繼電器的觸點驅(qū)動。因此，梯形圖中只出現(xiàn)輸入寄存器的觸點，而不出現(xiàn)其線圈。輸出寄存器則輸出程序執(zhí)行結(jié)果給外部輸出設(shè)備，當(dāng)梯形圖中的輸出寄存器線圈得電時，就有信號輸出，但不是直接驅(qū)動輸出設(shè)備，而是要通過輸出接口的繼電器、晶體管或者晶閘管才能實現(xiàn)。輸出寄存器的觸點也可供內(nèi)部編程使用。6.2順序控制繼電器（SCR）指令在工業(yè)控制工程中，用梯形圖或語句表的一般指令編程，程序簡潔但需要一定的編程技巧，特別是對于一個工藝過程比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如一些順序控制過程，各過程之間的邏輯關(guān)系、內(nèi)部連鎖關(guān)系復(fù)雜，其梯形圖冗長，通常要有熟練的電氣工程師才能編制出控制程序。此時利用SCR指令編制，順序控制程序清晰明了，統(tǒng)一性強，適合初學(xué)者和不熟悉繼電器控制系統(tǒng)的人員運用。其中，所謂順序控制，是使生產(chǎn)過程按工藝要求事先安排的順序自動進行控制。各種型號PLC的編程軟件，一般都為用戶提供了一些順序控制指令。S7-200系列PLC的編程軟件有三條順序控制繼電器指令，包括LSCR（程序段的開始）、SCRT（程序段的轉(zhuǎn)換）、SCRE（程序段的結(jié)束）指令，從LSCR開始到SCRE結(jié)束的所有指令組成一個SCR程序段，一個SCR程序段對應(yīng)一個順序步。裝載順序控制繼電器指令LSCR標(biāo)記一個順序控制繼電器(SCR)程序段的開始。LSCR指令把S位（例如S0.1）的值裝載到SCR堆棧和邏輯堆棧棧頂，SCR堆棧的值決定該SCR段是否執(zhí)行，當(dāng)SCR程序段的S位置位時，允許該SCR程序段工作。順序控制繼電器轉(zhuǎn)換指令SCRT執(zhí)行SCR程序段的轉(zhuǎn)換，SCRT指令有兩個功能，一方面使當(dāng)前激活的SCR程序段S位復(fù)位，以使該SCR程序段停止工作；另一方面使下一個將要執(zhí)行的SCR程序段S置位，以便下一個SCR程序段工作。順序控制繼電器結(jié)束指令SCRE表示一個SCR程序段的結(jié)束，它使程序退出一個激活的SCR程序段，SCR程序段必須由SCRE指令結(jié)束。同一地址的S位不可用于不同的程序分區(qū)，例如不可把S0.5同時用于主程序和子程序中；在SCR段中不能使用JMP、LBL、FOR、NEXT、END指令，可以在SCR段外使用JMP、LBL指令。SCR指令應(yīng)用可以是對單支流程、分支流程和選擇性分支流程的控制。通過分析，本課題中生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)設(shè)計即可運用SCR指令單支流程控制。SCR在應(yīng)用中，每一個狀態(tài)（即每一順序步）由三個要素組成：一、驅(qū)動輸出，即這一步要做什么；二、轉(zhuǎn)移條件，即滿足該條件時退出這一步；三、轉(zhuǎn)移目標(biāo)，即下一步狀態(tài)是什么。6.3程序設(shè)計按照生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)設(shè)計要求，根據(jù)PLC工作原理以及I/O地址分配，源程序梯形圖設(shè)計如下：6.4仿真結(jié)果利用S7-200PLC的配套編程軟件STEP7-Micro/WIN32，軟件與硬件相結(jié)合，對程序進行仿真，結(jié)果如下：（1）按下啟動按鈕SB1和自動運行按鈕SB12，S0.2程序段工作，Q0.1、Q0.4置位，電機以一檔轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)運行，同時時間繼電器T37啟動。圖4-1程序仿真圖1圖4-2程序仿真圖2（2）T37延時時間到，S0.5程序段工作，Q0.1、Q0.3、Q0.4置位，電機以二檔轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)運行，同時時間繼電器T38啟動。圖4-3程序仿真圖3（3）T38延時時間到，S0.6程序段工作，Q0.1、Q0.2、Q0.4置位，電機以三檔轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)運行，同時時間繼電器T39啟動。圖4-4程序仿真圖4（4）T39延時時間到，S0.7程序段工作，Q0.2、Q0.3、Q0.5置位，電機以四檔轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)運行，同時時間繼電器T40啟動。圖4-5程序仿真圖5（5）T40延時時間到，S1.0程序段工作，Q0.2、Q0.5置位，電機以五檔轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)運行，同時時間繼電器T41啟動。圖4-6程序仿真圖6（6）按下調(diào)試按鈕SB3，S0.3程序段工作，Q0.1置位，按下正轉(zhuǎn)按鈕SB4，Q0.4置位，電機以一檔轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)運行；按下反轉(zhuǎn)按鈕SB5，Q0.5置位，電機以