姓名+学号+说明书+日期(日期格式20150106)

目录

1绪论 (2)

1.1系统设计背景 (2)

1.2系统设计功能 (2)

1.3系统设计思路 (3)

2设计总体方案 (4)

3机械结构及关键零部件设计 (5)

4传动系统设计 (10)

5控制系统设计 (11)

5.1系统总体控制方案 (11)

5.2控制器选型设计 (11)

5.3传感器选型及安装 (13)

5.4硬件电路设计 (15)

5.5系统控制流程图设计 (17)

5.51总体控制流程图 (17)

5.5.2子程序控制流程图 (18)

5.2.3子程序控制流程图 (19)

6系统编程 (20)

6.1程序开发硬件配置 (20)

6.2程序开发软件配置 (20)

6.3.....子程序 (20)

6.4.....子程序 (21)

6.5 .....子程序.. (21)

6.6 .....子程序.. (23)

6.7......子程序 (23)

6.8 ......子程序.. (24)

7设计总结 (28)

参考文献 (29)

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1绪论

1.1系统设计背景

当前运料小车电气控制系统多为继电器—接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作，将PLC应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用，PLC运料小车电气控制系统具有连线简单，控制速度快，可靠性和可维护性好，易于安装、维修和改造等优点。通信和数据连接功能选项使得PLC在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。随着经济的发展，运料小车不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。

表1-1 数据参数

1.2系统设计功能

图1-2小车运行示意图

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运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向右行，电机反转，小车向左行。在生产线上有5个编码为1—5的站点供小车停靠，在每个停靠站安装一个行程开关以监测小车是否到达该站点。对小车的控制除了启动按钮和停止按钮之外，还设有5个呼叫按钮开关（HJ1-- HJ5）分别与5个停靠站点相对应。小车在按下启动按钮装料后，经过每一个停靠点，能进行卸料。

1.3系统设计思路

先确定设计的总体方案，明确系统由控制器，传感器，电机驱动三大部分组成。然后设计小车的机械结构以及一些关键零部件结构。包括电动机，热继电器，熔断器，开关等。接着进行传动系统的设计，确定一套准确高效的传动系统。最后是最重要的控制系统的设计。包括控制器的选择设计，传感器的选择设计，以及整个小车的电路设计。

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2 设计总体方案 本系统利于PLC 作为主控控制器。利用传感器进行外部信号的采集，PLC 将根据传感器的信息判别目前状态并进行相应的调整，如循迹走动、路径测量、速度测量等。

系统框图如图5-1所示。该系统主要由PLC 控制器部分、电机驱动模块、传感器模块等组成。其中各模块主要完成的功能如下：

● PLC 控制器部分：系统主控制器

● 电机驱动模块：电机的驱动电路

● 传感器模块：完成速度和路程的实时测量

系统总体方案图

3机械结构及关键零部件设计

3.1 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。

整定电流范围：整定电流的范围有本身的特性来决定。它描述的是在一定的电流条件下热继电器的动作时间和电流的平方成正比。

热继电器的作用是：主要用来对异步电动机进行过载保护，他的工作原理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。鉴于双金属片受热弯曲过程中，热量的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保护，而只能用作过载保护热继电器的符号为FR，

选择方法：

热继电器主要用于保护电动机的过载，因此选用时必须了解电动机的情况，如工作环境、启动电流、负载性质、工作制、允许过载能力等。

原则上应使热继电器的安秒特性尽可能接近甚至重合电动机的过载特性，或者在电动机的过载特性之下，同时在电动机短时过载和启动的瞬间，热继电器应不受影响(不动作)。当热继电器用于保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时，一般按电动机的额定电流来选用。例如，热继电器的整定值可等于0.95~1.05倍的电动机的额定电流，或者取热继电器整定电流的中值等于电动机的额定电流，然后进行调整。当热继电器用于保护反复短时工作制的电动机时，热继电器

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仅有一定范围的适应性。如果短时间内操作次数很多，就要选用带速饱和电流互感器的热继电器。对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，而应使用埋入电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。

综合以上及控制要求选择热继电器型号如下：

型号:JY1型具有两个常开触点、两个常闭触点

触电额定电压为380V 额定电流为2A

工作频率：50Hz 工作时间、转数：≤3000转/分

频繁起动、制动：≤30次/分动作轴转、转数：200转±50

抗电强度：AC1500V/分工作环境：-50℃至+50℃

3.2 电压及开关

电动机电压等级的选择，要根据电动机类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。Y系列鼠笼式电动机的额定电压只有380V一个等级。

综合以上考虑以及控制要求选用电机型号如下：

电机型号：JYZ-12-4 额定频率：50HZ 额定功率:0.81KW

额定电流：2A 转速：1410r/min

由于 IQF ＝ 1.7 INE ＝ 1.7×2＝ 3.4 A

故应选用IQF ＝4A的自动开关

我们选择开启式负荷开关，开关型号为HK2－4/3，级数3，额定电流4A。

3.3 熔断器

熔断器在电路中起主要起短路保护作用，用于保护线路。熔断器以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用维护方便、价格低廉、分断能力较高、限流能力良好等优点，因此在电路中得到广泛应用。常用的熔断器有以下几种：插入式熔断器、螺旋式熔断器、RM10型密封管式熔断器、RT型有填料密封管式熔断器等。

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熔断器的选择要求是：

在电气设备正常运行时，熔断器不应熔断；在出现短路时，应立即熔断；在电流发生正常变动（如电动机起动过程）时，熔断器不应熔断；在用电设备持续过载时，应延时熔断。对熔断器的选用主要包括类型选择和熔体额定电流的确定。选择熔断器的类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。熔断器的额定电压要大于或等于电路的额定电压，熔断器的额定电流要依据负载情况而选择。

常用熔断器有RC1A、RL6、RL7、RLS2、RM10、RT12、RT14、RT15、RS3和RS2等系列

综合以上内容及设计要求，选择如下型号：

型号：RC1A－10 额定电压：415V

额定电流：100A 工作频率：50Hz

熔断器电流计算的方法为：

IFU ＝ IS /(2.5~3)

IQF －熔体额定电流；IS －电机的启动电流

对于JYZ-12-4型号电机，其额定电流IN ＝ 2 A，

启动电流IS＝6.5×2＝13A，熔体额定电流

IFU ＝ IS /(2.5~3)＝4.3～5.2（A），

故选择熔断器类型为：RC1A－10，熔丝的额定电流6A；

3.4行程开关

行程限位开关又称限位开关,用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中,将行程限位开关安装在预先安排的位置,当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时, 行程限位开关的触点动作,实现电路的切换。因此, 行程限位开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器,它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械,用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中,还利用行程限位开关来控制开关轿门的速度、自

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动开关门的限位,轿厢的上、下限位保护。行程限位开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。

常用的行程开关有LX19、LXW5、LXK3、LX32和LX33等系列

根据控制要求选择如下型号：

型号：LX32 额定电压：380V

额定电流：5A 工作频率：50Hz

3.5 转换开关

转换开关是一种多档式、多触点以及能够控制多回路的主令电器。其主要用于各种控制线路的转换、电压表、电流表的换相测量控制、配电装置线路的转换和遥控等。也可以用于直接控制小容量电动机的起动、调速和换向。

转换开关的主要参数有型式、手柄类型、触点通断状态表、工作电压、触头数量及其电流容量。常用的有LW2、LW5、LW6、LW8、LW9、LW12、LW16、VK、3LB 和HZ系列，其中LW2系列用于高压断路器操作回路的控制，LW5、LW6系列多用于电力拖动系统中对线路或电动机实行控制。

转换开关的选择可以根据以下几个方面进行：

（1）额定电压和工作电流；

（2）手柄型式和定位特征；

（3）触点数量和接线图编号；

（4）面板型式及标志。

根据控制要求，选择LW6系列型号，具体参数如下：

型号：LW6-2 绝缘电压:500V 频率：50Hz

额定电压:380V 额定电流:5A 极数:2

3.6电源开关选择

电源开关主要用于供电气设备中电源的通断使用，电源开关是整个电路系统的安全保障所在，在这里选用KAD4－102型号的电源安全性开关。其主要技术参

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数为：额定电压级及电流220V，6A，接触电阻0.01～0.05，绝缘电阻500～100M Ω，工作压力1～6N，寿命50000次。

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4传动系统设计

本次设计主要由三相异步电动机YZ型驱动，电动机M1驱动装料机加料，电动机M2驱动装料车升降，电动机M3驱动卸料机卸料。

4.1电动机

电动机有交流电动机和直流电动机之分，一般工厂采用三相交流电，因而采用交流电动机。交流电动机有异步电动机和同步电动机两类。异步电动机分为笼形和绕线型两种，其中以普通笼型电动机应用最多，因所设计送料小车的场合需经常启动，工作环境条件差，以及频繁制动及正反转，则要求电动机转动惯量小，过载能力大。由此我们可知应该选用起重及冶金用三相异步电动机YZ型，同时根据用户要求可知道我们选用两台电动机应型号Y100L1—4—2.2型N=1430r/min，它表示电动机型号为Y100L1-4，额定功率为2.2kw，满载转速为1430r/min，额定转矩和最大转矩都为2.2，级数为4级。载荷平稳，对起动无特殊要求，选YR型异步电动机封闭式结构。具体传动如图：

图4-1 传动图

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5控制系统设计

5.1系统总体控制方案

系统总体控制图

5.2控制器选型设计

5.2.1 选型分析

在工程中主要根据工艺要求、控制对象、用户需要等方面选择合适的PLC，以获得最佳的性能价格比。就一个控制系统而言，PLC的选型原则和考虑因素如下:

(1)PLC一般用于开关量控制为主兼有模拟量控制的系统，尤其适合于动作频繁、逻辑关系复杂、程序多变的系统。应用于这样的系统，将会最大限度发挥技术经济效果。

(2)是否与计算机连接，是否要求构成网络信息系统，以及对远程站的设置要求。是否需要中断输入、双机热备、位置控制、高速计数器等特殊模块和智能模块。

(3)开关量I/O点数、模拟量1/0路数、电压等级及输出功率、内存容量。1/0点数直接关系到PLC输入/输出模块的选择，I/0点数一般要考虑1件一2既的余量，特别是开关量输入更应考虑多些余量;合适的电压等级可提高PLC的抗干扰能力:主机用户内存容量的大小对设备费的影响不大，故建议内存容量可选大一些。

(4)其他考虑因素选择PLC还要对其外型、结构、系统组成、设置条件、价格、技术服务、应用业绩等多项指标综合分析比较，然后才能确定理想的PLC 产品。

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5.2.2系统的安装

无远程功能的PLC用在单机或控制范围不大的系统，有远程功能的PLC则用于大范围的控制系统。远程系统中，本地站一般设在集中控制室，远程站一般设在低压配电室或仪表室，这样可使PLC的外部接线最短。PLC忌安装在高温、结凝、特别是有振动冲击的场所。

5.2.3输入/输出模块的选择

模块电源:在选择交流1/0模块时，宜采用隔离变压器为其供电，这样可防止外部电路故障冲击模块。电源线采用双绞线，绞距1~ZcM。隔离变压器的容量按PLC电源组件容量的1.5一2倍选择。直流模块的外接电源，其波纹值应满足模块要求;若是模拟量直流模块，尚需用稳压电源。

电压等级:在选择I角模块时，电压等级是一个比较重要的参数，它要根据现场设备与模块之间的距离来选。当外部线路较长时，可选用AC220V模块;当外线短且控制相对集中时可选择优24V模块。

输出电路:PLC的模块输出方式一般有3种:晶体管输出、继电器输出、双向可控硅输出。

确定负载类型根据PLC输出端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，或晶闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行很重要。每个输出点、每组输出点、每个输出模块的负载电源不得超过额定电流。其中继电器输出模块的负载电流以不能太接近额定电流，当接近额定电流时，最好先带动一个小型中继，再通过中继扩展输出模块的输出容量。采用双向可控硅输出模块，其负载电流必须大于双向可控硅的维持电流，否则应在负载上并联电阻。对于动作频繁、电感性或功率因素低的负载，不宜选用继电器输出模块，而应该采用晶体管输出模块。如果PLC输出带感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。当频率为10次/min以下时，既可采用继电器输出方式;也可采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器(SSR)，再驱动负载;对于两个重要输出量不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。输入电路:PLC输入电路电源一般应采用DC24V，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，同时其带负载(接近开关等)时要注意容量，同时作好防短路措施(因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行)，建议该电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜熔丝，防止短路，以直流输入模板为例。

5.2.4开关量I/0点的节省和模拟量1/0模块的代用

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相同控制作用且每个接点在编程中仅使用一次的若干个输入接点，可在外部电路进行串、并联后作为一个输入点处理，编程时用常开编程接点。如某个设备的多个故障信号接点可在外部电路串联后接在一个输入点上，而不必占用多个输入点。相同控制逻辑的输出，如集中联锁控制系统发往各现场的启动预告信号，可只用一个输出点，再用接线端子扩展至各现场设备。

5.2.5 抗干扰措施

由于产生干扰的因素是复杂而多样的，因此采取的抗干扰措施要根据情况而定。PLC供电电源一般为AC85一240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件(如电源滤波器、1:l隔离变压器等);隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。设置一个PLC信号专用接地装置。该装置不能和防雷接地装置、电器设备接地装置有金属连接。接地电阻可参见使用说明书，一般小于100。即可。接地线进入PLC控制柜中的信号接地端子排。当出现干扰时将PLC的接线端子与信号接地端子排连。

综合以上分析，装卸料小车选用三菱FX2N型PLC。

5.3传感器选型及安装

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

此次设计采用的是红外传感器，光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器。它的敏感波长在可见光波长附近。包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多，应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非

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常重要的地位。

5-3红外传感器的原理图

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5.4 硬件电路设计

图5-41 主电路

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图5-42 辅助电路

图中KM1 和KM2 分别是控制电机正转运行（小车前进）和反转运行（小车后退）的交流接触器。用KM1 和KM2 的主触点改变进入电动机的三相电源的相序, 即可以改变电动机的旋转方向。图3 中KM1 的线圈串联了KM2 的辅助常闭触点,KM2 的线圈串联了KM1的辅助常闭触点,组成了硬件互锁电路。可以避免由于正反转（小车前进、后退）切换过程中电感的延时作用,导致原来接通的接触器的主触点还未断弧时, 另一个接触器的主触点已经合上而造成交流电源瞬间短路的故障。通过主电路与PLC 的控制电路的接线, 才能实现PLC 对系统的控制。

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5.5系统控制流程图设计

5.5.1总体控制流程图

图 5-51 控制系统流程图

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5.5.2 子程序控制流程图

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5.2.3子程序控制流程图

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6系统编程

6.1程序开发硬件配置

FX-2N型PLC

6.2程序开发软件配置

编程软件采用三菱公司的编程软件GX-Developer,它适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST 及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。

6.3…..子程序

6.3.1子程序程序功能介绍

行程开关

在该程序中，5个站的行程开关分别用数字0-4来表示，当小车在1号站时，行程开关X007得电，将数字0传送到数据寄存器D0；当小车在2号站时，行程开关X010得电，将数字1传送到数据寄存器D0。依次类推，当小车在5号站时，行程开关X013得电，将数字4传送到数据寄存器D0。

6.3.2子程序源代码

LD X007

MOV K0 D0 ；小车在1号站

LD X010

MOV K1 D0 ；小车在2号站

LD X011

MOV K2 D0 ；小车在3号站

LD X012

MOV K3 D0 ；小车在4号站

LD X013

MOV K4 D0 ；小车在5号站

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