江苏工程 基于PLC控制的物料提升机的应用设计PPT
毕 业 设 计（论 文）设计题目：基于PLC控制的物料提升机的应用设计 专 业：机电一体化班 级：21机电八学 号：212010181...
毕 业 设 计（论 文）设计题目：基于PLC控制的物料提升机的应用设计 专 业：机电一体化班 级：21机电八学 号：2120101814姓 名：沈在涛指导老师：张海霞起讫日期年 月 日～ 年 月 日摘 要本文主要对物流提升机系统中的控制和调速部分进行研究，通过可编程控制器和双闭环直流调速系统实现对提升机的调速控制。根据物流提升机的运行特点，可将该控制系统分为两部分，包括PLC控制部分和调速部分。采用PLC作为主控系统具有调试方便、维护量小、硬件设计简单等优点，同统接触式继电器控制系统相比较，不光省去了它的中间环节、减少了线路的连接数目，还从很大程度上完善了现有系统的安全、可靠性水平。最后，通过组态软件对构建的提升机系统进行画面仿真，实现提升机的启停、调速和升降功能。关键词：可编程控制器；提升机；直流电机调速；组态软件目 录摘 要 I1 引言 11.1 选题背景 11.2 国内外研究状况 11.3 研究内容 21.4 研究意义 32.1 PLC的硬件设计 42.1.1 PLC机型的选择 42.1.2 PLC硬件部分设计 52.2 控制系统的硬件设计 62.2.1 控制系统结构图 62.2.2 系统硬件结构设计 73.1 PLC的程序设计环境 83.1.1 PLC公司的编程软件 83.1.2 三菱PLC系统的GX Developer编程软件简介 83.2 部分软件程序设计 93.2.1 主程序设计 93.2.2 PID程序设计 103.3 仿真调试 103.3.1 系统仿真画面的监控 113.3.2 监控趋势曲线 113.3.3 实时报警表 124 结论与展望 13致 谢 14参考文献 15附录A 系统硬件结构设计 17附录B 物流提升机的升降组态画面 18附录C 物流提升机的加减速组态画面 19附录D 程序清单 20引言物流提升机是一种经常使用的机械运输装置，它主要适用于对粉状，颗粒状，和小块物料进行连续的竖直提升。提升机系统的电力传动部件非常复杂，电机经常采用正反向运行，使得其经常在过载和电动和制动状态之间不断切换，这对系统的稳定性提出了很高的要求。因此，保证系统的安全性和可靠性，是起重机的首要要求。如果系统长期处于低安全性、低可靠性的状态，不仅会对整个工业场所的生产输送能力造成影响，从而造成经济效益的下降，而且还会对工作人员的人身安全造成威胁。因此，研制出一种性能良好、安全性高、可靠性好的起升装置，将成为未来工控系统发展的一个重要方向。在过去的四十多年里，国外的提升机发展得很快，特别是其机械控制部件和电子传动部件，可以说是突飞猛进。19世纪70年代初期，国外已将 PLC应用于起重机的控制系统。到了1880年代，起重机重新采用了计算机，对其进行了实时监控，并对其进行了可视化的管理。计算机与可编程逻辑控制器的组合应用，为提升机系统提供了一种全新的、现代化的可视监控方式，不仅使提升机的控制技术更上一层楼，而且在一定程度上改善了系统的安全性和可靠性。同时，国内的起重设备也没有取得太大的进展，致使起重设备长期处于停滞状态。与国际先进水平比较，国内起重机控制系统仍有较大差距，亟待加强对起重机控制系统的研究。目前，国内超过80%的卷扬机仍然采用交流绕线型感应电动机驱动的电控系统。通过串联一个额外的电阻器来完成电机的起动和调速。串电阻调速方法是一种常见的恒转矩调速方式，尽管其经济性差，低速运行特性软，稳定性差，但是因为其相对简单、方便、实用，仍被广泛应用于大型工业机械中。20世纪90年代初期，我国自主研制的可控硅—直流电机控制系统已在部分工业领域得到应用。该控制系统适用于大多数场合，体积小，重量轻，占地不大，安装和建设费用低，总效率高，电能损耗少，单机容量大，首次实现了自动化控制。因为物流提升机在安全性、可靠性和调速性能这几方面都有着特殊的要求，所以可以说，提升机的电控技术水平可以代表一个企业乃至一个国家的电控技术水平。近年来，国外的电力牵引技术也有了长足的进步，涌现出了很多新型的牵引方式，如交流-交流变频、交流-直交流变频等。变频调速属于一种与他励电动机调速十分类似的调速方式，它拥有较宽的调速能力、良好的调速平滑性以及足够硬的机械特性，在工业生产中可展现出其特有的优势。在研究了目前提升机控制系统的基础上，本文重点设计了物流提升机的控制系统部分，采用可编程控制器和直流电机相结合的方法，来实现对物流提升机的起制动、升降速和调速的控制该系统包括两大部分：可编程控制器和直流电动机的速度调节。PLC的控制部分，主要用来编写起重机的动作命令，并对其进行数据打包等处理，从而达到对起重机的动作控制；直流电动机调速系统以双闭环方式为主，并与控制器相联接，以接收 PLC的指令，完成电动机的起停、加速、减速等动作。本项目针对起重机的控制系统，从三个方面展开研究：为提高起重机的安全性和可靠性，采用可编程控制器对其进行控制。通过编程实现了对直流电动机的各种状态的改变，实现了对起重机系统的控制。本文介绍了一种基于直流电动机调速系统的研究方法。利用组态软件对系统进行了模拟。用组态软件绘制并模拟了提升器的图形，可以更直观地观察提升器的状态变化。在该项目中，物流提升机的主控制部分采用了当前工业中广泛应用的可编程序控制器，具有运行可靠，操作简单等优点；在电驱动系统中，采用速度-电流双闭环直流调速系统，具有较大的调速范围，较小的静差率，良好的稳定性和较好的动态性能，并通过可编程控制器的使用，对其性能进行了一定的优化。为了改善物流提升机系统的控制方式，在传统调速方案的基础上，对其控制方式进行了创新，不仅达到了降低成本的目的，而且提高了系统的稳定性。安全可靠地使用吊车，是该系统研制和设计的主要目的。物流提升机控制系统的硬件设计本设计研究的物流提升机控制系统，其硬件部分主要由PLC和转速-电流双闭环直流调速系统组成。PLC机型的选择该设计使用的是日本三菱公司FX3U系列的FX3U-16MTCPU,16表示共有16个输入和输出点， M表示基本单位， T表示晶体管的输出形式。这种可编程控制器具有良好的工作温度、抗冲击性能和抗干扰性能。PLC组成的双闭环直流速度控制系统由一个基础装置（FX3U-16 MT）、一个模拟输入模块（FX3U-4 AD)(4个12比特的模拟输入通道）和一个模拟输出模块（FX3U-2DA)(2个12比特的模拟输出通道）组成。PLC基机与FX3U-4AD、FX3U-2DA的数据通信是由 FROM (FNC78)/TO (FNC79）指令来完成的。FROM （读特殊功能模块指令）是用来读取数据的指令，实现从FX3U-4AD/2 DA中读出数据的功能， TO （写特殊功能指令）是用来写入数据的指令。由 PLC组成的双闭环速度-电流控制系统由FX3U-16M、FX3U-4AD和FX3U-2DA三大模块组成。将 I/O模块连接在FX3U-16MT的右侧扩展总线上，在编号的时候，将接近基本单元的模块作为起始模块，依次标为0号、1号，如图2-1所示。图2-1 PLC模块连接和编号PLC接受双闭环直流调节系统的三个信号：转速的反馈，将调节系统的输出转换成一个电压，再通过一个输入装置将这个电压的模拟量传送给 PLC；电流的反馈值，即要先用电流互感器去检测整流变压器副边的交流电流量，测试出与电枢电压成正比的一个值，然后经过整流操作，再经过模拟量的输入单元输送到 PLC。PLC硬件部分设计（1）PLC硬件设计如下图2-2所示为本设计的PLC硬件连接方式。我们把其中的SB0~SJ设定为输入通道，KM0~DJ设置为输出信号通道。图2-2 PLC连线图（2）I/O口的选择及分配由于输入、输出之间存在相互对应的关系，所以一定要事先对信号的输入输出通道进行分配。分配完毕之后，就可以对其进行编号了。如表2-1所示为I/O口的配置情况。输入信号输出信号SB0启动X0KM0提升机启动Y0SB1电机正转X1KM1上升Y1SB2电机反转X2KM2下降Y2SB3停转X3DJ输出显示Y3SJ过电流保护X40脉冲宽度调节器I1给定电压CH1I2电流的反馈CH2I0.7I3速度的反馈CH3可编程控制器是一种通用工业自动控制设备，它是在微处理器的基础上，结合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术以及通信网络技术发展起来的，所以，可以用它来代表当下工业生产技术中程序控制部分的先进程度。该方法面向的对象主要有两大类：一是控制系统，二是用户。PLC控制技术的出现，使整个工业控制技术发生了巨大的变化，与传统的继电器控制技术相比，其主要优势有：(1)具有较高的可靠性和较强的抗干扰性随着科技的进步，元件的性能也在不断的改进，从而使 PLC的运行可靠性得到了一定的改善。一般来说， PLC能够正常工作的时间很长，甚至可以达到数万个小时，这就意味着这个参数已经没有任何意义了，所以，大多数厂商在以后的生产中都不会再强调这个参数了。大量的实践证明， PLC运行系统出现故障的原因，基本不是由于其自身的问题，大部分是由于其外部开关、传感器或执行机构的故障所引起的。(2)具有较高的普遍性和易用性当前，大多数 PLC产品中所包含的 I/O模块及有关组件已经较为完备，并且已基本达到了系列化生产、功能模块化的目的，这在很大程度上为使用者提供了方便，使得使用者在执行不同的系统控制时可以方便地将需要的组件组合起来，从而节约了使用者的设计时间。(3)编程方法简便，易于学习和理解从目前的使用者资料来看， PLC的使用者以电控人员为主。所以，根据目前的实际情况， PLC厂家在设计它的时候，一般不会采用微机使用编程语言，而是选择了一种梯形图语言，该语言的结构与继电器的控制原理图相似，因此，对于工程技术人员而言，无论学习还是使用都十分方便。(4)采用了先进的模块式结构，使系统的组装变得更加灵活PLC在总体上使用了模块化的技术手段，将 CPU、电源及 I/O通道等各部件分别进行模块化设计，然后用机架和电缆将各模块结合到一起。可根据使用者的需要任意组合，极大地提高使用者的工作效率.(5)在较短的时间内完成了系统的设计由于该系统的硬件只需要按照目标的需求合理地配置模块，大大缩短了开发周期，加速了项目的实施。(6)容易安装，容易调试，维护工作量少PLC可以在各种工业环境下工作，而且一般不需要建立存储室。PLC软件的设计与调试一般都是在实验室内完成，并不一定要到现场进行。可以用模拟实验开关来表达输入信号，可以利用发光二极管的显示情况来观察输出状态，也可以采用另接输出模拟实验板的方式来观察输出状态。控制系统结构图如图2-3所示，是提升机系统的整体控制结构图，整个系统被分成了上位机和下位机两部分。在 PC端，利用组态王的工业组态软件，实现了对起重机的监控，并对起重机的各项性能指标进行了设定和监视。以FX3U系列 PLC为下位机的控制部分，通过 PID功能输出模拟量给脉宽调制器，再通过 IGBT的驱动装置给四个 IGBT管提供不同宽度的脉冲，实现直流电机的调速，并通过直流电机带动物流提升机的运转，最后实现提升机的加、减速控制功能的设计。图2-3 控制系统结构框图系统硬件结构设计本设计将物流提升机电控系统的直流电机调速作为主要研究对象，如图2-4所示为系统的部分原理图，提升机系统的总电路原理图如附件1所示。在起重过程中，使用双闭环调速器来调整起重系统的转速。首先将模拟量输入到可编程控制器FX3U中，然后经过整流电路，完成由 AC到 DC的转换；中间部分加上大电容后，进行滤波，可以获得一个稳定的直流电压，然后再通过4个全控器件给直流电机供电。图2-4 部分供电电源结构图物流提升机系统的软件设计可编程控制器采用两种方法来实现程序的编制，一种是编制程序，另一种是编制程序。关于编程器，每个 PLC公司都有自己的专用的 PLC的编程器，因为编程器是要带到现场去工作的，所以厂商在制造它的时候，一般都会把它做得更小一些。不过，这个编程器的编程语言很简单，只有一种助记符语言，而且因为体积太小，屏幕很小，能看到的东西也很少，很难完全理解这个程序；而编写软件则要方便得多，因为它是在电脑上编写的，可以全面地分析一个程序。此外，它还拥有多种编程语言，具有较高的灵活性，并且还能模拟运行过程，对所编程序进行监控和调试。PLC公司的编程软件编程软件是一种用于对用户程序进行编辑、调试和输入的工具，它不但可以在线实时监控 PLC内部的状态、参数，还可以实现人机对话的功能，所以，编程软件在 PLC的开发、应用和维护的过程中发挥着非常关键的作用，编程软件通常是由 PLC生产厂家提供的，不同的 PLC其对应的编程软件也有差异。它的主要功能可以划分为六大类：脱机程序设计，文件管理，文件上传和下载，监控运行，在线修改，以及其它六大类。三菱PLC系统的GX Developer编程软件简介打开 GX开发工具，开始绘制梯形图。在这种情况下，通常不会直接编写程序，而会首先创建一个新的文件，在创建文件的过程中要选择 PLC的型号。在文件建立好之后，才可以开始编写程序，梯形图的编写流程如图3-1所示图3-1 编程界面程序编写完成后，首先要对其进行编译，如果没有错误，可以直接将程序下载到 PLC中去执行，如果有错误，则要对错误进行修改后才能执行。主程序设计主程序完成的是提升机的启停控制、升降运行以及转速显示功能，其部分程序如下。提升机的启停控制梯形图：提升机的升降控制梯形图：PID程序设计PID 部分的程序设计是整个调速系统运行程序设计的重要部分，它可以输出可使的控制电压，使电机的转速达到给定的转速值。部分程序如下：LD Y001OR Y002FROM K0 K30 D4 K1 模块标识码送到D4CMP K2010 D4 M0MPSAND M1TO K0 K0 H3000 K1 通道初始化，关闭通道4，即CH4FROM K0 K29 K4M10 K1ANI M10ANI M18FROM K0 K29 K4M10 K1MPPMOV K0.4 D10 采样时间TS=0.4msMOV K1 D11 调节器反作用MOV K3.48 D13 比例系数Kp=3.48MOV K5 D4MOV K0 D16 微分无作用PID D0 D1 D10 D10 PID运算结果存入D1MOV K0.4 D20MOV K1 D21 调节器反作用MOV K10 D21MOV K34 D24MOV K0 D26PID D1 D2 D20 D30 PID运算结果存入D30由于组态王的配置结果能够在监视器上实时地呈现出来，因此，在本设计中，选用了“组态王”软件来进行试验模拟。组态王软件对控制系统进行模拟和调试，其基本过程是这样的：(1)建立系统所需的屏幕图像库；(2)整个屏幕的构建；(3)将变量关联起来，并将其动态关联起来；(4)运行然后调试。系统仿真画面的监控如图3-3所示，是整个控制系统的配置图，其中速度调节键可以实现加速和减速；起动和停机均采用同一按键（起动时为绿，停机时为红）；如果起重器在底部，那么起重器将会在起重过程中自动起重，直到达到最高高度才会停止起重，反之亦然。在起重机运转的同时，它的速度也会被实时地显示出来。它的状态切换控制屏幕显示在附件 B到附件 D中。图3-3 物流提升机控制画面监控趋势曲线如图3-4所示为系统运行的实时趋势曲线。图3-4 实时趋势曲线实时报警表在图3~5中，给出了该系统的实时警报表.它是在对系统运行过程进行整体化监控的基础上，根据系统部件参数的某些变化，实时的判断系统是否发生异常、发出信号并自动生成报警表，可供工作人员打印使用。从报警表上可以清楚地看出什么类型的异常，以及异常存在的时间长度问题，便于操作人员对其进行检修。图3-5 实时报警表结论与展望本文主要是合理地设计了物流提升机的电气控制部分，使其能够通过 PLC来调整提升机的速度，满足了高可靠性、高安全性的要求。利用可编程控制器的强大功能，来实现对起重机的操作及参数的调整，从而使控制方法的变化，给用户带来了极大的便利。实现物流卷扬机的速度调节，既可以满足企业对数字化生产的需求，又可以在一定程度上保证员工的生命安全。本文以物流卷扬机电子控制系统为研究对象，针对卷扬机起动、停止、速度调节和起升过程中存在的问题进行了探讨。本文的结论如下：利用组态软件，实现了对本系统的模拟画面，并根据监控中心，实时趋势曲线，实时报警等信息，对其进行了监控和优化，从而实现了对转速的最佳控制。整个系统由FX3U控制，运用人机接口及通讯功能，可对起重机的运转进行实时监视。通过以上分析，本课题实现了系统的整体设计，具有较高的理论和实际应用价值。与此同时，也存在着几个问题，比如对物流提升机的内部结构还不是很清楚，不能将其用实物来表达。此外，该设计系统只能够实现固定高度的升降，不能对根据楼高来改变自己的速度的问题进行自动识别，这方面的知识还需要在以后的工作中去学习，本设计还需要持续的完善。致 谢值此论文完稿之际，感激之情油然而生。………………参考文献[1]道客巴巴.浅谈提升机的适用范围及功能[DB/OL].http://www.doc88.com/p-1416813143858.html,2014-01-01.[2]刘军.21世纪高等院校电气信息类系列教材：电力拖动运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2007.[3]黄亮,谢青海.矿井提升机变频调速控制系统改造设计[J].煤炭技术,2012.[4]张艺.大功率直流电机调速系统的研究与设计[D].大连海事大学,2008.[5]张金男.基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计[D].大连海事大学,2007.[6]廖常初. 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PLC选型根据江苏工程的物料提升机的工作环境和要求，选择适合的PLC设备进行控制。考虑到可靠性和稳定性，建议选择具有高性能和可编程能力的PLC设备。2. 系统结构设计设计物料提升机的系统结构，包括传感器、执行器以及PLC等的连接方式和布局，确保信号传输稳定可靠。3. 信号采集与处理根据物料提升机工作过程中需要采集和处理的信号，确定使用的传感器类型和数量。将传感器与PLC连接，实现信号的采集和处理功能。4. 控制策略设计根据物料提升机的工作特点和要求，设计合理的控制策略。通过PLC编写程序，实现提升机的自动化控制，包括启动、停止、速度控制等功能。同时，考虑到物料提升机的安全性，设计相应的安全措施，如过载保护、紧急停止等。5. 界面设计设计人机界面，通过触摸屏等设备与PLC进行交互。提供人机交互界面，使操作人员能够直观地了解提升机的状态、参数和运行情况，并进行相应的操作和调整。6. 故障检测与诊断设计故障检测与诊断系统，通过PLC实时监测物料提升机的运行状态和参数，发现并诊断可能出现的故障，提供相应的报警和处理方法，确保物料提升机能够及时进行维修和保养，避免生产线的停机和安全事故。结论通过基于PLC控制的物料提升机的应用设计，可以实现江苏工程的物料提升机的自动化控制，提高工作效率和生产质量。在设计过程中，需要对PLC设备进行选择和布局，确定传感器类型和数量，设计合理的控制策略和安全措施，设计人机界面，并建立故障检测与诊断系统。
