【正文】 迅猛發(fā)展 ，各種 工業(yè)化 自動(dòng)控制產(chǎn)品都在向 著控制可靠 ，操作簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，價(jià)格低廉 等 方向發(fā)展，使自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)越來(lái)越容易。 PLC 是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)， PLC 及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 PLC 的輸入 / 輸出接口是已經(jīng)按不同需求做好的，可直接與控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備相連接。同時(shí)， PLC 具有很強(qiáng)的監(jiān)控功能，利用編程器、監(jiān)視器或觸摸屏等人機(jī)界面可對(duì) PLC 的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。 本設(shè)計(jì)將 PLC 應(yīng)用到工業(yè)送料小車(chē)的電氣控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)料小車(chē)的自動(dòng)化控制，使運(yùn)料小車(chē)不再需要人工控制，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。 設(shè)計(jì)要求及主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)料小車(chē)在 A、 B 兩個(gè)裝料點(diǎn)裝料之后在 C 點(diǎn)卸料。直線(xiàn)運(yùn)行時(shí)為了提高小車(chē)的效率必須使小車(chē)在較高的速度運(yùn)行。 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 運(yùn)料小車(chē)的整體方案分析 與設(shè)計(jì) 小車(chē)整體方案 分析 運(yùn)料小車(chē)一般是用在焦化廠(chǎng)等工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備，它的突出特點(diǎn)就是要求能在兩個(gè)相距不太遠(yuǎn)的工藝地點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的物料傳送功能。小車(chē)的行走距離一般比較短，從幾米到幾十米不等，這個(gè)根據(jù)物料的生產(chǎn)工藝確定。同時(shí)，智 能主令控制器還將檢測(cè)到的料車(chē)位置以模擬信號(hào)形 式送給 PLC， PLC 再將這些信號(hào)送給上位機(jī)，通過(guò)編程軟件在上位機(jī)動(dòng)態(tài)畫(huà)面上顯示出料車(chē)的位置和狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)料過(guò)程的監(jiān)視和在線(xiàn)控制。那么如果要能夠?qū)崿F(xiàn)這種目的的話(huà)，在整個(gè)設(shè)計(jì)部分需要用到的主要硬件應(yīng) 該包括 1). 可編程控制器 PLC 的使用。這一部分的內(nèi)容是需要仔細(xì)分析的部分。 通過(guò)改變電源的頻率來(lái)達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等等。 在該設(shè)計(jì)中，變頻器不是一個(gè)特別重要的部分，因此它的重點(diǎn) 就放在選型上。 4)、該設(shè)計(jì)方案中使用最多的就是各種 行程開(kāi)關(guān)和 繼電器了，在利用 PLC 進(jìn)行控制時(shí)，最主要的就是把 PLC 的輸入輸出口與電磁繼電器的接口對(duì)應(yīng)好，即進(jìn)行端口標(biāo)記與分配，從而能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的控制過(guò)程。 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 21 系統(tǒng)硬件接線(xiàn) 示意 圖 分析來(lái)看，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容就是在根據(jù)工況的要求，選出適合的各種元器件，然后在用 Protel 電氣繪圖元件畫(huà)出接線(xiàn)圖，最后利用 step7 編程 軟件 把小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要的程序?qū)懗鰜?lái)，并且進(jìn)行程序的仿真。在相鄰的兩個(gè)加料處進(jìn)行不間斷加料。在加料完畢后，小車(chē)沿著既定的運(yùn)動(dòng)軌跡到達(dá)卸料的地方，進(jìn)行自動(dòng)卸 料作業(yè)。 小車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì) 對(duì)小車(chē)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)的根據(jù)就是小車(chē)的工藝流程分析。因?yàn)樵诿看芜^(guò)彎道的過(guò)程中，為了比較小車(chē)發(fā)生危險(xiǎn)，應(yīng)該對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。為了達(dá)到運(yùn)料小車(chē)的工藝流程要求，本文給出了一種最優(yōu)的軌跡方 案，其軌跡三維模型圖如下所示。 由上面的模型圖，我們可以清晰的看到運(yùn)料小車(chē)的運(yùn)行軌跡。假定小車(chē)停在 14 點(diǎn)與 1 點(diǎn)之間， 當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，小車(chē)順時(shí)針 慢速 行駛，到達(dá)行程開(kāi)關(guān) 1，小車(chē)到達(dá)裝料 的 甲處 ，電機(jī)停止， 甲處綠燈亮，開(kāi)始裝料， 同時(shí)定時(shí)器 1 開(kāi)始 計(jì) 時(shí) 。定時(shí)器 2 到達(dá)定時(shí)時(shí)間后，裝料乙狀態(tài)完成， PLC 控制變頻器在高頻率段工作，小車(chē)快速行駛，至行程開(kāi)關(guān) 4，小車(chē)即將拐彎， PLC 控制變頻器 工作在低頻段， 使電機(jī)減速 ，至行程開(kāi)關(guān) 5 處，小車(chē)完成拐彎， PLC 控制變頻器工作在高頻段，小車(chē)快速行駛。小車(chē)到達(dá)行程開(kāi)關(guān) 8 處 PLC 控制變頻器低頻工作，小車(chē)減速準(zhǔn)備卸料，到達(dá) 9 處，小車(chē)停止， 9 處綠燈亮，小車(chē)底板打開(kāi)開(kāi)始卸料，同時(shí)定時(shí)器 3 開(kāi)始工作。當(dāng)按下急停按鈕時(shí)，小車(chē)立即停止，紅燈亮，報(bào)警鈴報(bào)警。 運(yùn)料小車(chē)的運(yùn)行方 式分析 以上對(duì)小車(chē)的工藝流程和運(yùn)行軌跡進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，由于是彎道設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)中要包含有很多限位器，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彎的過(guò)程中，要把速度降低到合適的數(shù)值，否則容易引起翻車(chē)的危險(xiǎn)，這么多的限位器開(kāi)關(guān)，也是后續(xù)的 PLC 選型的一個(gè)重要考慮方面，因?yàn)椴煌?PLC 有個(gè)數(shù)不同的輸入輸出接口，因此要綜合這些方面進(jìn)行選型。這個(gè)運(yùn)料小車(chē)的運(yùn)行過(guò)程主要就是包括速度的加速與減速，上坡與下坡，還有裝料和卸 料時(shí)的位置確定，因此，由于運(yùn)料小車(chē)的這種運(yùn)行方式比較復(fù)雜，對(duì)限位器， PLC 的選型，電機(jī)的調(diào)頻調(diào)速等電氣元件和技術(shù)的選擇與設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行仔細(xì)的分析。主要就是包括對(duì)小車(chē)的車(chē)輪要進(jìn)行適合軌道的設(shè)計(jì)，小車(chē)的單次承載能力不能過(guò)大，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彎的時(shí)候還要考慮它的慣性力。小車(chē)的四周做成一定的拔模斜度，便于物料的順利卸載。 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 25 小車(chē)的正面 模型 圖 圖 26 小車(chē)的 底面 模型 圖 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 3 硬件系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 本設(shè)計(jì)的硬件 控制 系統(tǒng)主要包括 PLC、變頻器、電機(jī)、行程開(kāi)關(guān)、電磁線(xiàn)圈、 報(bào)警鈴以及報(bào)警燈、電源等。 PLC 的選型 目前國(guó)內(nèi)國(guó)外的 PLC 產(chǎn)品有幾百種型號(hào)，而且功能也日趨完善。因此，應(yīng)該合理的選擇 PLC，提高 PLC 在控制系統(tǒng)中的作用。 a 機(jī)型的選擇 選擇機(jī)型主要以滿(mǎn)足系統(tǒng)功能要求為宗旨，不要盲目的貪大 求全而造成不必要的投資以及設(shè)備資源的浪費(fèi)。因?yàn)槟K式結(jié)構(gòu)的 PLC 配置靈活，裝配和維修方便，也便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。另外，對(duì)于大型的控制系統(tǒng)，應(yīng)該盡量做到機(jī)型統(tǒng)一。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需的 I/O 點(diǎn)數(shù)，應(yīng)考慮到以后工藝和設(shè)備的改動(dòng)或 I/O 點(diǎn)的損壞、故障等，一般應(yīng)預(yù)留 10%～ 20%的備用量 [2]， 實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠(chǎng)商 PLC 的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整 。 I/O 模塊有開(kāi)關(guān)量、模擬量，還有特殊功能輸入 /輸出模塊，如定位、高速計(jì)數(shù)器輸入，脈沖捕捉等功能。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳 輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致。 2） 存儲(chǔ)器類(lèi)選擇 存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶(hù)應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序 容量小于存儲(chǔ)器容量。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求 PLC 的存儲(chǔ)器容量，按 256 個(gè) I/O 點(diǎn)至少選8K 存儲(chǔ)器選擇。 3） 電源的選擇 PLC 的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn) PLC 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)要求設(shè)計(jì)和選用外，一般 PLC 的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用 220VAC 電源，與國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。如果 PLC 本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電流是否滿(mǎn)足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。 如果電源的干 擾特別嚴(yán)重，可以選擇安裝一個(gè)變比為 1:1 的隔離變壓器來(lái)減少干擾。從實(shí)時(shí)性要求來(lái)看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于掃描時(shí)間，則 PLC 將掃描不到該信號(hào)，造成信號(hào)數(shù)據(jù)的丟失。目前， PLC 接點(diǎn)的響應(yīng)快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約 ～ ，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。 5） 經(jīng)濟(jì)性的考慮 選擇 PLC 時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比。輸入輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)格有直接影響。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增加對(duì) CPU 選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。 綜合以上的選型要求和原則，考慮到 本系統(tǒng)屬于小型的控制系統(tǒng)，其輸入 輸出數(shù)量分別為 17/8，不需要高的控制精度，在滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的功能的情況下，選擇小型的 S7200PLC。存儲(chǔ)器為 24576 字節(jié)， 6 個(gè)計(jì)數(shù)器， 2 路 RS485 串行通信接口。 PLC 的接線(xiàn)圖 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 考慮到以上的 PLC 的選型，為了便于后續(xù)的程序編制和仿真，需要設(shè)計(jì)出明 圖 31 PLC的接線(xiàn)圖 確的接線(xiàn)圖，本設(shè)計(jì)的接線(xiàn)圖如圖 所示。 L1L4 是指裝料和卸料出的狀態(tài)指示燈，其中 L4 是急停情況下的紅色指示燈，其他三個(gè)是綠色的信號(hào)燈。 KM2 和 KM3 是變頻器的高低速控制繼電器的線(xiàn)圈，通過(guò)他們的交替通電，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的加速與減速運(yùn)動(dòng)。電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)一般不多于 2 為宜，否則變頻器的容量應(yīng)該適當(dāng)增大 。一般當(dāng)電機(jī)與變頻器距離超過(guò) 50m 時(shí) ,應(yīng)在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護(hù)電纜。主要考慮變頻器的工作環(huán)境，如溫度、濕度、粉塵、酸堿度等因素。敞開(kāi)型主要 可裝在電控箱內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏、盤(pán)、架上 ， 尤其適于多臺(tái)變頻器集中使用時(shí)選用 ,但環(huán)境條件要求較高。 密閉型則可適應(yīng)與環(huán)境差的場(chǎng)合。 變頻器容量選定過(guò)程 ， 實(shí)際上是一個(gè)變頻器與電機(jī)的最佳匹配過(guò)程 ，最常見(jiàn)、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率 ， 但實(shí)際匹配中要考慮電機(jī)的實(shí)際功率與額定功率相差多少 ， 通常都是設(shè)備所選能力偏大 ， 而實(shí)際需要的能力小 ，因此按電機(jī)的實(shí)際功率選擇變頻器是合理的 ， 避免選用的變頻器過(guò)大 ， 使投資增大。 4） 控制方式。這兩種控制方式的主要區(qū)別在于：第一，控制精度。第二，就是低頻扭矩。 本設(shè)計(jì)中所采用的電機(jī)較小， 控制精度要求不高，所以可采用 V/F 控制的容量較小的變頻器。選擇一款 380V 通用變頻器，其具體參數(shù)如表所示 。 通信控制 RS485 操作溫度 10~40℃ 濕度 0~95%相對(duì)濕度（不結(jié)露） 振動(dòng) 以下 頻功率控制 范圍 ~ 精度 數(shù)字式： %（ 10~40℃）；模擬式： %（ 25177。 其它功能 頻率下限，啟動(dòng)頻率，停車(chē)頻率、三個(gè)跳躍頻率可分別設(shè)定 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 續(xù)表 31 一一般控制 加減速控制 4 段加減速時(shí)間（ 秒）任意選擇 V/F 曲線(xiàn) 可任意設(shè)定 V/F 曲線(xiàn) 轉(zhuǎn)矩控制 可設(shè)定轉(zhuǎn)矩提升，最大 %啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩在 時(shí)可達(dá) 150% 多功能輸入端 6 個(gè)多功能輸入端，實(shí)現(xiàn) 8 段速控制，程序運(yùn)行， 4 段加減速切換， UP、 DOWN 機(jī)能、計(jì)數(shù)器，外部急停等功能 多功能輸出端 有 5 個(gè)多功能輸出端，實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)中、零速、計(jì)數(shù)器、外部異常、程序運(yùn)行等指示及報(bào)警 其它功能 自動(dòng)電壓穩(wěn)壓（ AVR）、減速停止或自由停止、直流剎車(chē)，自動(dòng)復(fù)位再起動(dòng)，頻率跟蹤， PLC 程序控制、橫動(dòng)控制、載波可調(diào)，最高達(dá) 20KHz 等 保保護(hù)功能 過(guò)載保護(hù) 電子電驛保護(hù)馬達(dá) 驅(qū)動(dòng)器（恒轉(zhuǎn)矩 150%/1 分鐘，風(fēng)機(jī)類(lèi) 120%/1 分鐘） FUSE 熔斷保護(hù) FUSE 熔斷，馬達(dá)停止 過(guò)電壓 220V 線(xiàn)：直流電 壓＞ 400V； 380V 線(xiàn)：直流電壓＞ 800V 不足電壓 220V 線(xiàn)：直流電壓＜ 200V； 380V 線(xiàn)：直流電壓＜ 400V 瞬間停電再起動(dòng) 瞬停后可以頻率跟蹤方式再起動(dòng) 失速防止 加 /減速運(yùn)轉(zhuǎn)中失速防止 輸出端短路 電子線(xiàn)路保護(hù) 其它功能 散熱片過(guò)熱保護(hù)，反轉(zhuǎn)限制，開(kāi)機(jī)后直接起動(dòng)及故障復(fù)歸之功能，參數(shù)鎖定等。由于在小車(chē)的自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，小車(chē)要經(jīng)過(guò)多次的加減速問(wèn)題，因此在選擇電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，要注意對(duì)啟停性能方面的側(cè)重要求 。并且還華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 要考慮到安裝地點(diǎn)和工作環(huán)境 ， 選擇 各種 型式的電動(dòng)機(jī) 1) 首先根據(jù)工作情況的要求，確定電壓的的大小，選擇高壓的 380V，還是選擇低壓的 220V。 小型異步電動(dòng)機(jī)的 選擇 由于本設(shè)計(jì)中的運(yùn)料小車(chē)結(jié)構(gòu)比較小，因此在選擇電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，首先要考慮的就是選擇結(jié)構(gòu)比較小的電動(dòng)機(jī)，因此在該設(shè)計(jì)中，選擇 結(jié)構(gòu) 比較小的異步電動(dòng)機(jī)。 由于運(yùn)料小車(chē)主要是在變頻器的控制下，基于 PLC 進(jìn)行速度的控制，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度 變化方面的 要求不是很高 ，關(guān)注點(diǎn)主要集中在結(jié)構(gòu)和功率的方面。六十年代初流行的為 JO2 系列電動(dòng)機(jī)，該系列電機(jī)的功率等級(jí)、安裝尺寸與國(guó)際市場(chǎng)上的通用標(biāo)準(zhǔn)不同，另外該電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較低和缺乏噪聲控制指標(biāo)，因此現(xiàn)在我國(guó)現(xiàn)在使用的電機(jī)為 Y 系列電機(jī)。然而有些用戶(hù)使用的電機(jī)年損壞率高 5%，究其原因多半是選型不當(dāng)、使用不妥、保護(hù)不善的緣故。 1） 基本系列：使用范圍廣、生產(chǎn)量大，是一種通用電機(jī)，如 Y 系列（ IP44）小型三相異步電動(dòng)機(jī)。派生系列有電氣派生（如高效電機(jī)， YX系列）、結(jié)構(gòu)派生（如繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī) YR 系列）、特殊環(huán)境派 生（隔爆型電動(dòng)機(jī)， YB 系列）等幾種。 a 基本系列技術(shù)參數(shù) 1） 外殼防護(hù)結(jié)構(gòu)型式 華北電力大學(xué)科 技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 Y 系列小型三相異步電動(dòng)機(jī)基本系列 有 IP2 IP44 兩種外殼防護(hù)等級(jí)。