行车电气控制系统设计

目录

第1章绪论 (1)

1.1 系统概述 (1)

1.1.1 (1)

1.2功能要求 (1)

第2章方案论证 (2)

第3章系统硬件电路设计 (3)

第4章系统程序设计 (4)

第5章调试及性能分析 (5)

第6章总结 (6)

附录 (7)

附1：硬件原理图 (7)

附2：源程序清单 (8)

附3：实物图 (8)

参考文献 (9)

第1章绪论

1.1 系统概述

电动专用行车是现代化生产中用于物料输送的重要设备，传统的控制方式下，

大都采用人工操纵的半自动控制方式，在许多场合，为了提高工作效率，促进生产

自动化和减轻劳动强度，往往需要实现电动行车的自动化控制，实现自动化控制，

可以使行车能够按照预定顺序和控制要求，自动完成一系列的工作。

专用行车生产线自动化的程度在德国、意大利、美国等国家的发展水平已经较高，而在我国尚处于发展阶段。而本文介绍的工厂电镀车间的电镀专用行车，分别

利用继电器接触控制和PLC构成一套自动控制系统，实现对电镀专用行车的自动控

制过程。

（1）本设计方案中的控制对象电机均由交流接触器完成开、停的控制，电动机需采用正、反向控制，正、反转之间具有互锁的功能，为了避免过多的使用接触器，互锁装置由PLC内部的软件完成。

（2）为了精确的对各个行动部件（大车，小车）进行定位，采用行程开关和接近开关对其进行定位的设计，选用的开关在现场进行安装，在选型和安装硬件以及编程时应考虑抗干扰性能。选用的开关由于要进行反复的使用和承受高强度的负荷，选用开关时还要考虑其耐磨损性。

（3）导轨上的驱动电机，其内部设有过载保护开关，一般为常闭型触点。作为电机的过载保护信号，在设计PLC的控制电路时应考虑该信号的逻辑关系。

（4）对于电镀车间小型行车系统而言，电镀环节是整个工序成败的关键，而进行电镀的镀槽定位的信号是由装在电镀现场的行程开关录入的，所以行程开关的工作状况，即行程开关在工作时的好坏对生产有极大的影响。而行程开关一般为无源电器元件，其动作为重复性的机械动作，磨损和受压的次数最多，因而是整个工作的电气元件中最容易出现故障的装置。所以在自动程序开始之前，先要对行程开关进行检测，进行检测时，是用检测电机（小功率）驱动一个检测小车对行程开关进行通/断的测试。

（5）起吊电机（M1）、横行电机（M2）、走行电机（M3）、检测用电机（M4）。分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点用过中间继电器KA的转换后，作为PLC的输入触点，用以完成各个电机系统的过载保护。

（6）主回路选用自动开关，各负载和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器实现短路的保护。

（7）电气控制箱设置在控制控制室内。控制面板与控制箱内的电器板选用BVR型铜导线连接，电气控制箱与执行装置之间采用接线端子板连接。

（8）设计方案中选用的PLC为继电器输出型。

（9）PLC本身配有24＋V的直流电源，该接线端可为输入传感器提供直流24V电源。PLC的接地线与机器的接地端相连，基本单元必须接地。为了抑止附加在电源设及输入

端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地点应与动力设备（电动机）的接地点分开，接地电阻应该小于100Ω，接地线面积应大于2mm2，而且接地点应该尽可能靠近可编程控制器。

（10）PLC控制程序，均采用梯形图编程（LD）。

1.1.1 PLC系统

可编程控制器（PLC）是一种数字型的电子系统，即为计算机产品，它为在工业

环境下应用而设计，即为工业计算机。这种工业计算机与传统用于工业控制的继电

器相比具有独一无二的特性[1]。（1）高可靠性：PLC在软硬、件的设计上采用了一

系列的抗干扰措施，使目前其他任何一种工业控制设备都无法达到这样的可靠性。（2）编程方便，易于学用：它采用与实际继电器控制电路非常接近的梯形图方式编程，广大电气技术人员非常熟悉，易于掌握，易于推广。（3）通用性强：PLC用程

序代替了接线，改变接线只要改变程序，因而柔性大。（4）体积小、重量轻，是“机电一体化”特有的产品。

第2章方案论证

PLC与继电器控制系统的比较

1）可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，

采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控

制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚

至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故

障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊

断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系

统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2）配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种

规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3）易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

5）体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备

6）功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

7）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。而继电器对生产工艺变化的适应性差，需要进行重新设计与接线。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

PLC控制系统是从继电器控制系统发展而来的，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，目前仍然在工业领域中大量应用。然而就其控制性能与自身的功能已无法满足现代工业控制的要求和发展，下面就用继电器控制和PLC控制系统来完成专用行车的设计。

第3章系统硬件电路设计

专用行车装置的主要控制及原理

2.3.1 电机的正反转控制

本设计中，要求电机根据指令改变运动方向，即保证行车能够前/后、上/下、左/右移动，实际上也就是要求电动机能够实现正反转。

由三相异步电动机转动原理[23]可知，若要电机逆向运行，只要将接于电动机定子的三相电源线中的任意两相对调一下即可，可通过两个接触器来改变电动机定子绕组的电源相序来实现[9]。电机的正反转控制线路如图 3.11所示。其中接触器KM1为正向接触器，控制电机的正转；KM2为反向接触器，控制电机M的反转。

图2.3.1 电机的正反转控制

该正反转控制原理为:

正转:合上刀开关→按下复合开关SB3→反转线路断开,线圈KM1通电→KM1常开开关吸合,常闭开关打开→电机正转；

反转:合上刀开关→按下复合开关SB2→正转线路断开,线圈KM2通电→KM2常开开关吸合,常闭开关打开→电机反转；

停止:直接按下SB1，线路断开。

该控制线路必须要求KM1和KM2不能同时通电，否则会引起主电路电源短路，所以要求电路设置必要的联锁环节，即将其中一个接触器的常闭触头串入另一个接触器线圈电路中，则任何一个接触器先通电后，即使按下相反方向的启动按钮，另一个接触器也无法接通，这种利用两个接触器的辅助常闭触头实现相互控制的方式成为电气联锁。起互锁作用的常闭触头称为互锁触头。为提高生产效率，简便正反操作，常利用复合按钮组成“正—反—停”或“反—正—停”的互锁控制。复合按钮的常闭触头同样起到互锁作用，这样的互锁称为机械互锁[10-11]。该电路既有接触器常闭触头的电气互锁又有复合按钮常闭触头的机械互锁，即具有双重互锁。

2.3.2 能耗制动的控制

耗制动是电气制动，三相异步电动机能耗制动时，切断定子绕组的交流电源后，在定子绕组任意两相通入直流电流，形成一个固定磁场，与旋转着的转子中的

感应电流相互作用产生制动力矩。制动结束后，必须及时切除直流电源[12]。能耗制动示意图如图2.3.2所示。

3 继电接触控制设计

3.1 专用行车主控制电路设计

1、由接触器KM1、KM

2、KM

3、KM

4、KM5和KM6分别控制电动机M1、M2、M3的正反转；

2、M2、M3由热继电器FR1、FR2实现过载保护，M1为点动短时工作，故不设过载保护；

3、FU1实现短路保护，并由隔离开关QS作为电源控制；

4、为保证准确定位，并考虑到进退与升降运动由同一信号电动机拖动，且不会同时工作（联锁）。所以停车时，可采用同一个直流电源实现能耗制动。直流电源可采用低压交流电源经单相桥式整流得到。能耗制动回路中设有单独的短路保护，由FU2、FU4实现；

5、考虑到升降运动中吊有一定的重量，在行车平移中，需设置电磁抱闸制动控制。三相电磁铁YA与M3并联，当M3得电时，YA工作，松开刹车允许升降运动。M3失电时，YA释放，抱闸刹车，使吊篮稳定停留在空中，能安全的前后平移。[15-16]。主控制电路如图3.1

图3.1 电镀专用行车控制线路的主电路

M1正转左移，反转右移，采用点动控制，两地操作（控制操作台或现场操作）。在吊篮进退与升降运动中，不允许左右移动，故串联KA1～KA4常闭触点，以实现联锁。左右极限位保护，由固定于左右两端的限位开关SQ6、SQ7实现。

2）根据电镀工艺要求，行车前进运动与升降运动为自动控制，其控制过程是：按下SB11（见图），KM3及KA1吸合，行车前进，当运行到需要停留的槽位，例如到1槽清洗，由运动挡铁压下固定于道轨一侧的行程开关SQ1，SQ1常闭触点串在M2控制回路中。使KM3、KA1失电，M2停止旋转，同时由KA1常闭及SQ1常开触点接通前进制动回路。KM7、KT1得电，使M2制动行车准确停在1槽。制动时间由KT1调定，停留时间由KT4调定。若工艺要求1槽无需停留，则可扳动开关SA1，使其常开触点闭合，常闭触点打开，则行车继续前进。在M2制动的同时，由KM7常开触点接通KM6与KA4，使M3的正转，吊篮下降，至下限位，限位开关SQ11受压，使KM6失电。同时SQ11常开触点接通下降制动回路，而使其迅速停车。零件在槽内停留时间由时间继电器KT4自动控制，由KT4延时闭合触点接通KM5，KA3，使M3反转，吊篮上升。到上极限位压下限位开关SQ10，使M3停转。同时SQ10常开触点接通上升制动回路，KM8和KT2得电，在制动的同时，由KM8常开触点接通行车前进控制回路。如此循环，直至按工艺要求完成零件的过程，行车到达绺，压SQ8自动停止前进，同时由SQ8常开触点接通KM4、KA2使行车自动回到原位。进退与升降之间，由

KA1、KA2及KA3、KA4常闭触点串于对方控制回路，实现联锁。过载保护由FR1、FR2常闭触点串在M2、M3各自的控制回路中实现。

3）根据控制要求，KM3～KM6的副触点数量不够，因而采用KA1～KA4中间继电器办法来解决。

4）因设备调整需要，进退及升降控制应有连续运转控制，也有点动控制。

5）由FU5对控制电路进行短路保护。

6）为节省控制变压器，控制电压直接采用电网电压。

根据上述要求便可设计出如图3.2所示的控制电路。

K M 1左移K M 2右移 K M 3 前 进K A 1K M 4后退K A 2K M 7前进制动

K T 1制动时间

K M 5上升K A 3K M 6下降

K A 4K M 8上升制动K T 2制动时间K M 9下降制动K T 3制动时间

K T 41槽停时间K T 5 2槽停时间K T 6 3槽停时间K T 8 5槽停时间

K T 7 4槽停时间图3.2 电镀专用行车控制电路

3.3 辅助电路设计

根据设计要求，设计出图3.3所示的辅助电路。HL0为电源指示，HL1～HL10

为行车运行状态显示。

3.4 主要参数计算

a.FU1熔体额定电流

IRN ≥7IN/2·5=7*1·99/2·5A=5·6A 故选用IRN=6 A,其余熔体额定电流选用2 A 。 b.能耗制动参数计算

制动电流ID= 1·5IN=3 A

直流电压UD=IDR=30 V(R 为定子两相电阻,可查电工手册得知) 整流变压器二次侧交流电流I2=3/0. 9 A =3·33 A 整流变压器二次侧交流电压U2=30/0. 9 V=33·3 V 整流变压器容量S=I2U2=100 VA [18]

3.5 选择电器元件表3.5 元器件目录表

3.5.1 元件简介

三相异步电机

定义：

三相异步电机(Triple-phase asynchronous motor)是靠同时接入380V三相交流电源(相位差120度)供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。

工作原理：

用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。三相异步电机是感应电机，定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场。通电启动后，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子转起来，实现能量变换。

特点：

优点：与单相异步电动机相比，三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。

缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。

行程开关

行程开关就是一种由物体的位移来决定电路通断的开关，行程开关又称限位开关,可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等，简称静物)上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。热继电器

热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。热继电器的主要技术参数额定电压：热继电器能够正常工作的最高的电压值，一般为交流220V，380V，600V。

额定电流：热继电器的额定电流主要是指通过热继电器的电流额定频率：一般而言，其额定频率按照45~62HZ设计。