畢業(yè)設(shè)計66襄樊學(xué)工業(yè)鏟車操作控制院

襄 樊 學(xué) 院 機(jī)電傳動控制課程 設(shè)計 報告 題 目 工業(yè)鏟車操作控制 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級 機(jī)制 0411 姓 名 學(xué) 號 04116105 指導(dǎo)教師 職 稱 講師 2007年 7 月 2日 摘 要 工業(yè)鏟車自動化及智能化程度低，本文提出了對其進(jìn)行自動化改造的技術(shù)路線和具體思路，論述了應(yīng)用 PLC 進(jìn)行自動化控制的方案； 采用三菱 PLC 編程器對工業(yè)鏟車控制部分進(jìn)行線路控制 ，可以很容易實現(xiàn)完成邏輯、順序、定時、 計數(shù)、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能，通過輸入輸出接口建立與工業(yè)鏟車數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制 ，提高了生產(chǎn)效率，對其它的生產(chǎn)機(jī)械有一定的借鑒意義。 關(guān)鍵詞： PLC控制、工業(yè)鏟車、線路保護(hù) 目 錄 第一章 前言 . 1 1.1工業(yè)鏟車簡介 . 1 1.2 工業(yè)鏟車控制系統(tǒng)進(jìn)行 PLC改造的目的及意義 . 1 第二章 PLC及工業(yè)鏟車的 PLC 控制 . 2 2.1 PLC的由來及定義 . 2 2.2 PLC的發(fā)展歷程 . 2 2.3 PLC的特點 . 2 第三章 工業(yè)鏟車仿真模型的設(shè)計與組裝 . 4 3.1 驅(qū)動部分設(shè)計 . 4 3.2 傳動部分設(shè)計 . 4 3.3 組裝模型 （實物模型） . 4 3.4 控制器及接線盒 . 4 第四章 PLC控制程序的設(shè)計 . 7 4.1 I/O分析 . 7 4.2 PLC的選擇 . 7 4.3 FX2N系列編程器介紹 . 7 4.4 確定各元件的編號，分配 I/O地址 . 8 4.5 程序設(shè)計說明（各邏輯行的作用見圖 1-3） . 9 第五章 總結(jié) . 12 參考文獻(xiàn)： . 13 附 錄 . 13 襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 1 頁 裝 訂 線 第一章 前言 1.1工業(yè)鏟車簡介 鏟車是用來裝零散堅固的貨物的，一般以建筑材料為主，如碎石、砂土等 ， 鏟車一般用在建筑工地、建筑材料集散地，用于裝車，有時也用于鏟土和鏟雪及地面平整等用途； 工業(yè)鏟車一般 是在小四輪拖拉機(jī)上進(jìn)行改裝的小型裝載機(jī)械。 利用拖拉機(jī)自身動力，采用液壓控制，通過多路液壓閥上的操作手柄可使鏟斗升降和翻轉(zhuǎn)，從而達(dá)到鏟車平穩(wěn)工作。 在搬運(yùn)物料方面起了很大的作用，節(jié)省了大量人力和物力，它搬運(yùn)東西速度快，操作也比較簡單，所需的人員少，就能完成大量的 搬運(yùn)工作。 1.2 工業(yè)鏟車控制系統(tǒng)進(jìn)行 PLC改造的目的及意義 20 世紀(jì) 40 年代末 50 年代初，我國的流程工業(yè)規(guī)模很小，設(shè)備陳舊，必要的調(diào)節(jié)主要靠最簡單的測量儀表由人工操作運(yùn)行。 50 年代末 60 年代初，我國研制生產(chǎn)的傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等，基本上能顯示過程狀態(tài)，實現(xiàn)調(diào)節(jié)意圖，最終命令執(zhí)行器完成對工藝流程的調(diào)節(jié)要求。 70 年代初，我國自行研制的工控機(jī)開始應(yīng)用于工業(yè)過程控制，它部分地取代了原來控制室內(nèi)的儀表。但由于受當(dāng)時電子器件性能的限制，工控機(jī)本身的可靠性遠(yuǎn)不如現(xiàn)在，工控機(jī)帶來的控制集中引起 “危險 ”集中。70 年代末，分散型控制系統(tǒng) (dcs)進(jìn)入工控領(lǐng)域，解決了 “危險 ”集中的問題，還解決了一些復(fù)雜的控制。 dcs 可建立通信網(wǎng)絡(luò)，為大工廠生產(chǎn)帶來許多方便，但其價格一直居高不下。 80 年代初，適應(yīng)性較強(qiáng)的總線型工控機(jī) (std)應(yīng)運(yùn)而生， std 總線技術(shù)的推廣和應(yīng)用，使工控機(jī)的功能更加強(qiáng)化。 PLC 作為工控機(jī)的一員，在主要工業(yè)國家中成為自動化系統(tǒng)的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價格適宜等特點。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)今世界plc 生產(chǎn)廠家約 150 家，生產(chǎn) 300 多個品種。 2000 年銷售額約 為 86 億美元，占工控機(jī)市場份額的 50%， PLC 將在工控機(jī)市場中占有主要地位，并保持繼續(xù)上升的勢頭。 PLC 在 60 年代末引入我國時，只用作離散量的控制，其功能只是將操作接到離散量輸出的接觸器等，最早只能完成以繼電器梯形邏輯的操作。新一代的 plc 具有 pid調(diào)節(jié)功能，它的應(yīng)用已從開關(guān)量控制擴(kuò)大到模擬量控制領(lǐng)域，廣泛地應(yīng)用于航天、冶金、輕工、建材等行業(yè)。 在工業(yè)鏟車中運(yùn)用 PLC，提高了其工作智能化，增強(qiáng)了其本身的競爭能力，對我國的 PLC 產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn) PLC 的能力有一定的幫助。 襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 2 頁 裝 訂 線 第二章 PLC及工業(yè)鏟車的 PLC控制 2.1 PLC的由來及定義 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱 Programmable Controller（ PC）。 個人計算機(jī)（簡稱 PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（ PLC），現(xiàn)在，仍常常將 PLC簡稱 PC。 PLC 的定義有許多種。國際電工委員會（ IEC）對 PLC 的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破?及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。 2.2 PLC的發(fā)展歷程 第一代： 1969 年 1972 年，代表產(chǎn)品有 美國 DEC 公 司的 PDP-14/L 日本立石電機(jī)公司的 SCY-022 日本北辰電機(jī)公司的 HOSC-20 第二代： 1973 年 1975 年，代表產(chǎn)品有 美國 GE 公司的 LOGISTROT 德國 SIEMENS 公司的 SIMATIC S3、 S4 系列 日本富士電機(jī)公司的 SC 系列 第三代： 19761983 年，代表產(chǎn)品有 美國 GOULD 公司的 M84、 484、 584、 684、 884 德國 SIEMENS 公司的 SIMATIC S5 系列 日本三菱公司的 MELPLAC-50、 550 第四代： 1983 年 現(xiàn)在，代表產(chǎn)品有 美 國 GOULD 公司的 A5900 德國西門子公司的 S7 系列 2.3 PLC的特點 1 ) 高可靠性 PLC是專門為工業(yè)控制設(shè)計的，在設(shè)計和制造過程中采取了多層次抗干擾、精選元件的措施，可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強(qiáng)電設(shè)備一起工作，運(yùn)行的襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 3 頁 裝 訂 線 穩(wěn)定性和可靠性較高。 PLC是以集成電路為基本單元的電子設(shè)備，內(nèi)部處理不依賴于接點，元件的壽命長，平均無故障工作時間高。 2)編程簡單易學(xué) PLC的最大特點之一，就是采用易學(xué)易懂的梯形圖語言，它是以計算機(jī)軟件技術(shù)構(gòu)成人們慣用的繼電器模型，形成一套獨具風(fēng)格的 以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的形象編程語言。方便電氣人員在了解 PLC工作原理和它的編程技術(shù)后，就可迅速地結(jié)合實際需要進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計，進(jìn)而將 PLC用于實際控制系統(tǒng)中。 3)安裝簡單、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小 PLC控制系統(tǒng)的安裝接線工作量比繼電器控制系統(tǒng)少得多，只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC相應(yīng)的 I/O口相連。 PLC軟件設(shè)計和調(diào)試大部分可以在實驗室模擬進(jìn)行，模擬調(diào)試好后再將 PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試，方便省時。其本身可靠性高，有完善的自診斷能力和系統(tǒng)監(jiān)控能力，方便迅速故障查明和排除，維護(hù)的工作效率高。 襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 4 頁 裝 訂 線 第三章 工業(yè)鏟車仿真模型的設(shè)計與組裝 3.1 驅(qū)動部分設(shè)計 工業(yè)鏟車的主要動作是鏟起、放下，并能作前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的操作。鏟起和放下屬于縱向移動，行走和左右轉(zhuǎn)屬于橫向移動，所以應(yīng)使用縱向和橫向兩種電動機(jī)。本設(shè)計共需要 3臺電動機(jī)。其中貨物的鏟起或放下可由縱向電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)，左輪的前進(jìn)和后退由一臺電動機(jī)正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)，右輪的前進(jìn)和后退由另一臺電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)，當(dāng)要實現(xiàn)左轉(zhuǎn)的時候，可讓左輪的電動機(jī)不動，右輪的電動機(jī)正轉(zhuǎn)前進(jìn)，反之，則右轉(zhuǎn)也是同樣的原理。 3.2 傳動部分設(shè)計 縱向 傳動是通過縱向電動機(jī)的正向旋轉(zhuǎn)帶動栓著電磁鐵的鋼絲，使得鏟頭上下移動，便于貨物的鏟起和放下。 前進(jìn)可以是左右輪的兩個電動機(jī)同時正向轉(zhuǎn)動，后退則是同時反向轉(zhuǎn)動，左轉(zhuǎn)是左輪上的電動機(jī)不動，右輪電動機(jī)正向轉(zhuǎn)動；右轉(zhuǎn)是右輪上的電動機(jī)不動，左輪上的電動機(jī)正向轉(zhuǎn)動。 3.3 組裝模型 （實物模型） 3.4 控制器及接線盒 控制器采用的是日本三菱公司（ MITSUBISHI）的（ MELSEC FX2N 32MR）型號。有一個 PLC電纜接口，通過 PLC電纜的另一端與計算機(jī)的 COM口相連，通電后，使用襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 5 頁 裝 訂 線 PLC編程軟件 就可以將程序通過 COM口輸入此控制器，此控制器共有 INPUT和 OUTPUT各 17個指示燈，電源（ POWER）指示燈一個，運(yùn)行（ RUN）指示燈一個， BATT.V指示燈一個，程序指示燈（ PROG E）指示燈一個。 接線盒有 OUTPUT00 19和 INPUT00 19各 20個接口，中間還有公共端 COM接口，公共接地端 GND 接口，一個 24 伏電壓接口，當(dāng)然這些接口都通過電線與控制器相連接，這樣才能在控制器運(yùn)行時，通過導(dǎo)線與起重機(jī)模型的連接，對 PLC程序做出相應(yīng)反應(yīng)。 將控制器與天車模型按照以下方法連接的： OUTPUT 00 接左輪電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制插孔 ZF1 OUTPUT 01 接左輪電機(jī)通斷控制插孔 TD1 OUTPUT 02 接右輪電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制插孔 ZF2 OUTPUT 03 接右輪電機(jī)通斷控制插孔 TD2 OUTPUT 04 接縱向電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制插孔 ZF3 OUTPUT 05 接縱向電機(jī)通斷控制插孔 TD3 COM： 公共端使用時接地或 24，與 S、 S2、 G1 、 G2共同使用 GND： 公共接地端 操作原理為： 1、 ZF1、 ZF2、 ZF3端是各電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制端。接 PLC的輸出端 當(dāng) ZF1=1時 左輪電機(jī)由左向右移動 當(dāng) ZF1=0時 左輪電機(jī)由右向左移動 當(dāng) ZF2=1時 右輪電機(jī)由左向右移動 當(dāng) ZF2=0時 右輪電機(jī)由右向左移動 當(dāng) ZF3=1時 縱向電機(jī)由上向下移動 當(dāng) ZF3=0時 縱向 電機(jī)由下向上移動 2、 TD1、 TD2、 TD3為電機(jī)運(yùn)行控制端，接 PLC的輸出端 當(dāng) TD 1時，左輪電機(jī)轉(zhuǎn)動。 當(dāng) TD 2時，右輪電機(jī)轉(zhuǎn)動。 當(dāng) TD=3時，縱向電機(jī)轉(zhuǎn)動。 3、 S1端為上限位到位信號。 接 PLC 的輸出端。 當(dāng) S1 1時，縱向移動到上極限。 襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 6 頁 裝 訂 線 4、 S2端為下限位到位信號。接 PLC的輸入端。 當(dāng) S2=1時，縱向移動到下極限。 襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 7 頁 裝 訂 線 第四章 PLC控制程序的設(shè)計 4.1 I/O分析 經(jīng)過對控制過程和要求的詳細(xì)分析，明確了具體的控制任務(wù)就是鏟起、放下、行走、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等主要任務(wù)。確定了鏟車這些必須完成的動作后，再確定動作的順序：縱向電機(jī)正轉(zhuǎn)，電磁鐵由上向下移動，鏟爪抓物體，縱向電機(jī)反轉(zhuǎn)，由下向上移動，左右輪電機(jī)同時正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)向前，左輪電機(jī)停止右輪電機(jī)正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)向左轉(zhuǎn)，左輪電機(jī)正轉(zhuǎn)右輪電機(jī)停止，實現(xiàn)向右轉(zhuǎn)，左右輪電機(jī)同時反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)后退。其工藝流程圖如下： 縱 向 電 機(jī) 正 轉(zhuǎn)鏟 爪 將 貨 物 鏟起左 右 輪 電 機(jī) 同時 正 轉(zhuǎn) 向 前 行走左 輪 電 機(jī) 停 止右 輪 電 機(jī) 正 轉(zhuǎn)向 左 轉(zhuǎn)左 輪 電 機(jī) 正 轉(zhuǎn)右 輪 電 機(jī) 停 止向 右 轉(zhuǎn)左 轉(zhuǎn) 后 左 右 輪電 機(jī) 同 時 正 轉(zhuǎn)向 前右 轉(zhuǎn) 后 左 右 輪電 機(jī) 同 時 正 轉(zhuǎn)向 前左 輪 電 機(jī) 正 轉(zhuǎn)右 輪 電 機(jī) 停 止向 右 轉(zhuǎn)右 轉(zhuǎn) 后 左 右 輪電 機(jī) 同 時 反 轉(zhuǎn)向 后縱 向 電 機(jī) 反 轉(zhuǎn)鏟 爪 將 貨 物 放下圖 1-1程序主流程圖 4.2 PLC的選擇 FX2N-48M 技術(shù)參數(shù)： 24 點輸入， 8 點按鍵開關(guān)， 16 點撥動開關(guān)， 20 點輸出，其中后 4 點帶繼電器控制（做外接用，不能轉(zhuǎn)接輸入接點）， 16 點不帶繼電器控制，另外還有一個七段數(shù)碼管，輸出電壓： DC 24V， I2A,電流過載保護(hù)，電源輸入： AC 220V， 50HZ 4.3 FX2N系列編程器介紹 1）輸入繼電器 （ X） 2） 輸出繼電器 （ Y） 3） 輔助繼電器 （ M） 4） 定時器 （ T） 5）計數(shù)器（ C） 基本邏輯指令包括： 1）輸入輸出指令（ LD/LDI/OUT） 襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 8 頁 裝 訂 線 2）觸點串連指令（ AND/ANDI）、并聯(lián)指令（ OR/ORI） 3) 程序結(jié)束指令（ END） 4.4 確定各元件的編號，分配 I/O地址 先確定所使用的編程元件編號， PLC 是按編號來區(qū)別操作元件的。一般講，配置好的 PLC，其輸入點數(shù)與控制對象的輸入信號數(shù)總是相應(yīng)的，輸出點數(shù)與輸出的控制回路數(shù)也是相應(yīng)的（如果有模擬量，則模擬量的路數(shù)與實際的也要相當(dāng)），故 I/O 的分配實際上是把 PLC 的入、出點號分給實際的 I/O 電路，編程時按點號建立邏輯或控制關(guān)系，接線時按點號“對號入坐”進(jìn)行接線。 安裝接線圖 以及現(xiàn)場器件及 PLC 輸入輸出對照表如下： X 0 0 1X 0 0 2X 0 0 3X 0 0 4X 0 0 5X 0 0 6X 0 0 7X 0 1 0X 0 1 1X 0 1 2X 0 1 3X 0 1 4X 0 1 5X 0 1 6X 0 1 71 S B1 S BS BX 0 0 01 S T2 S B2 S B2 S T3 S B3 S B 3 S T4 S T5 S TY 0Y 2Y 1Y 3Y 4Y 5C O M 2 2 0 VC O MX 0 2 05 S B4 S B圖 1-2 外部接線圖 襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 9 頁 裝 訂 線 輸入信號 輸出信號 名稱 代號 輸入點編號 名稱 代號 輸出點編號 M1 正啟動按扭 1SB X000 M1正轉(zhuǎn)接觸器 1KM Y0 M1 反啟動按扭 1SB X001 M1反轉(zhuǎn)接觸器 1KM Y1 停止按扭 SB X002 M2正轉(zhuǎn)接觸器 2KM Y2 熱繼電器 KR1 X003 M2反轉(zhuǎn)接觸器 2KM Y3 行程開關(guān) 1ST X004 M3正轉(zhuǎn)接觸器 3KM Y4 M2 正啟動按扭 2SB X005 M3反轉(zhuǎn)接觸器 3KM Y5 M2 反啟動按扭 2SB X006 熱繼電器 KR2 X007 行程開關(guān) 2ST X010 M2 正啟動按扭 3SB X011 M2 反啟動按扭 3SB X012 熱繼電器 KR2 X013 停止按扭 SB4 X014 行程開關(guān) 3ST X015 行程開關(guān) 4ST X016 行程開關(guān) 5ST X017 總停按鈕 5SB X020 4.5 程序設(shè)計說明（各邏 輯行的作用見圖 1-3） 1）、 按下啟動按鈕 5SB， X020 閉合， M0 接通閉合并自鎖。第 3 邏輯中 M0 常開觸點閉合 。按下 1SB，縱向電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，第 4 邏輯行自鎖，第 7 邏輯行斷開，實現(xiàn)互鎖，避免電機(jī)反轉(zhuǎn)，鏟爪開始工作，同時第 8 邏輯行時間繼電器得電開始工作，等貨物上升一定的高度停止，完成貨物鏟起的動作。 2）、經(jīng)過一段時間后，貨物在鏟爪上，繼電器失電，按下 X005 和 X011， 左右輪的電機(jī)同時正轉(zhuǎn)，第 14、 17 邏輯行中的 Y3、 Y4 同時自鎖，保證鏟車向前行走 。 3）、向前行走一段距離，碰到行程開關(guān) X010，左輪電機(jī)停止 轉(zhuǎn)動，右輪電機(jī)保持正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)左轉(zhuǎn)動作，完成后，左輪電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)， 鏟車?yán)^續(xù)向前行走。 4）、行走一段距離，碰到行程開關(guān) X015，右輪電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，左輪電機(jī)保持正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)右轉(zhuǎn)動作，完成后，右輪電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，鏟車?yán)^續(xù)向前行走。 5）、行走一段距離碰到形成開關(guān) X016，右輪電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，左輪電機(jī)保持正轉(zhuǎn)，實襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 10 頁 裝 訂 線 現(xiàn)右轉(zhuǎn)動作，完成后，第 22 邏輯行 X016 閉合，時間繼電器 M2 開始工作， 第 15、21 邏輯行中的 M2 接通，左右輪電機(jī)同時反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)后退動作。 6）、按下第 5 邏輯行中的 X005，縱向電機(jī)反轉(zhuǎn)，第 6 邏輯行的 Y1 自鎖，第 7 邏輯行的 Y0 斷開，實現(xiàn)互鎖，保證電機(jī)只做反轉(zhuǎn)的動作，放下貨物。 襄樊學(xué)院 課程設(shè)計報告紙 第 11 頁 裝 訂 線 .X 0 0 0 X 0 0 2 Y 1 X 0 0 3X 0 0 4Y 0Y 0X 0 0 1 X 0 0 2Y 0 X 0 0 3Y 1Y 1Y 0Y 0TTM 1M 1X 0 0 5 X 0 0 7 Y 3X 0 1 0X 0 1 1Y 2Y 2X 0 0 6Y 2 X 0 1 0Y 3Y 3M 2X 0 1 1X 0 1 3 Y 5 X 0 1 2 X 0 1 5 X 0 1 6Y 4Y 4X 0 1 2X 0 1 3 Y 4 X 0 1 4Y 5Y 5M 2X 0 1 6M 2E N DX 0 0 7M 1縱 向 電 機(jī) 正轉(zhuǎn)鏟 起 貨 物縱 向 電