毕业设计（论文）小型运料移栽机设计

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1、徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书目 录第一章 绪论11.1 PLC、变频器概述11.2 选题背景及设计意义41.3设计方案论证4第二章 硬件设计52.1硬件电路的设计52.2各元器件介绍9第三章 系统软件设计223.1各部分流程图223.2 PLC程序22第四章 调 试274.1综合调试27致谢和结束语28参考文献3030第一章 绪论1.1 PLC、变频器概述1.1.1 PLC概述可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已

2、跃居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。PLC的特点：1、高可靠性（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.（3）各模块均采用屏蔽措施，以

3、防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部，它还有多种

4、通讯联网的接口模块，等等。3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便

5、于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。PLC应用：1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/

6、D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。P

7、ID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展

8、得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。1.1.2 变频器概述变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。只要改变频率f即可

9、改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 变频器应用领域：1、节能 ：应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。因此

10、，变动负载的节能潜力巨大。 2、工艺控制（速度控制）：由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。 3、变频家电 ：除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。 1.2 选题背景及设计意义一、选题背景随着生产技术的不断发展，齿轮传动无法实现实时变速，而直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在，直流电机的

11、维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长的时期内，直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。 二、设计意义本设计通过PLC和变频器的配合工作，可以满足运料移栽机的自动化运行。移栽机可以自动识别物料，有可以缓冲的斜坡加速状态和

12、减速状态，消除因突然启动和突然停止时，移栽机因为惯性将物料抛出，损坏物料。在实现斜坡加速和高速运行两种状态间的转换中，满足快速、准确、安稳的将物料送到目的地。终点处有物料识别光电开关，延时后，移栽机自动返回，回到原点，为下次运料做准备。完全满足自动化要求。1.3设计方案论证方案一：为实现移栽机在运行中的速度变换，采用带有多档变速箱来实现。此方案需手动完成变速或另加控制电路来选档，无法实现移栽机的自动化运行，或者外围控制电路变得复杂，控制不便，稳定性差。在两档之间的变换顺间，会产生移栽机的晃动，影响整个装置的使用寿命。方案二：采用直流电机，实现移栽机运行中的速度变换。直流电机调速困难，结构复杂，

13、体积大惯性大，造价高，维修困难，且无法软启动，有火花，环境适用能力差。在工业现场，采用的都是市电，还需要整流电路，投入费用大。方案三：采用变频器调速方式，实现移栽机在自动运行中的速度变换。此设计中，变频器可根据移栽机上行程光电的信号，及时改变频率，实现实时变速的要求。在变速过程中，由于采用频率的变化实现速度的变化，可以使移栽机均匀的提升或降低速度，实现移栽机的平稳运行，不会因惯性影响破损工件。此设计可以完全满足工程要求。综述三个方案，选择第三个方案。设计总体方框图如下：图中，PLC采用三菱FX0-30MR,变频器采用施奈德Vltivar31,电动机用的是YSZ-30转扇电机。第二章 硬件设计2

14、.1硬件电路的设计变频器控制主电路PLC配置图输入分配表移栽机设计系统主要组成如下： 三菱FX0-30MR此PLC为系统控制装置，负责控制信号的接收，逻辑处理和处理结果的输出，实现移栽机按照设计思路运行。 施奈德Vltivar31此变频器为电机控制装置，根据PLC提供的控制信息，控制电动机频率的变换，实现电动机的启动、停止、加速、减速、正转、反转，使移栽机的运行得到精确控制，完成工件的输送过程。 移栽机机体 移栽机完成工件运输的载体，包括动力电动机YSZ-30转扇电机、位置检测光电、传送链条、工件托盘。 控制盒 控制电机的启动、停止，实现自动手动的转换，在手动状态下的移动控制 控制信号转换中心

15、 由中间继电器组成，从PLC获取的正反转和速度的变换信号控制变频器的控制端子，实现的变换，完成输送过程。2.2各元器件介绍1.变频器控制电路施奈德变频器是现今变频器主流产品之一，本系统采用的施奈德Vltivar31变频器集灵巧精致、性能一流、操作便捷和稳定可靠四大优势于一身,是简单工业机械和民用设备的最优选择。1.1 变频器动力端子功能1.2 变频器动力端子布置1.3 变频器控制端子1.4 变频器控制端子的功能和特性1.5 控制端子接线编程设置：1.6 速度设置本设计共使用到三个不同的速度，根据变频器提供的速度设置模式，选择预置4个速度。速度分配是：低速时频率设置为5 Hz,高速设置为15 H

16、z,中速为10 Hz.对应的转速为150 r/min、450 r/min、300 r/min。2. PLC控制电路 2.1 PLC的工作原理 2.1.1 循环扫描PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中可完成5个扫描过程： （1）自诊断测试扫描过程 （2）与网络进行通信的扫描过程 （3）用户程序扫描过程（4）读输入、写输出扫描过程（5）各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟

17、，这是PLC的主要缺点PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。 PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端

18、口，进入程序执行阶段。 PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。 输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。2.1.2 I/O响应时间 从PLC输入端信号发生变化到输出端对输入变化做出反应，需要一断时间，这段时间就称为PLC的响应时间或滞后时间。 响应时间由输入延迟、输出延迟和程序执行时间三部分决定。 在最有利的情况下，输入状态经过一个扫描周期在输出得

19、到响应的时间，称为最小I/O响应时间。在最不利的情况下，输入点的状态恰好错过了输入的锁入时刻，造成在下一个输出锁定才能被响应，这就需要两个扫描周期时间，称为最大I/O响应时间。它们是由PLC 的扫描执行方式决定的，与编程方法无关。2.1.3 PLC中的存储器 PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器。（1）系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的系统程序，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。（2）用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。（3）用来存储工作数据的区域称为工作数据区。工作数据区是经常变化，经常存取的它包括输

20、出映像寄存器和程序执行过程中的参数可变值等。PLC的种类很多，无论用户使用哪一种，要想编制正确的程序，必须对存储器的规划非常清楚。2.2 PLC控制电路详细2.2.1 三菱PLC系列FX0概述 FX系列PLC主要产品的性能比较型号I/0点数基本指令执行时间功能指令模拟模块量通信FX0S10301.63.6s50无无FX0N241281.63.6s55有较强FX1N141280.550.7s177有较强FX2N162560.08s298有强2.2. 2 PLC编程方式三菱比较有优势的小型机FX系列和西门子S7-200系列比较：1、三菱的编程软件从早期的FXGPWIN到近期的GX8.0，和所有的日

21、系品牌一样，该软件的编程思路是自上而下的单一纵向结构，而西门子的MicroWIN则是纵向和横向兼备的结构，而且子程序支持局部变量，相同的功能只需要编一次程序即可，大大减少了开发难度和时间2、S7-200一直以来支持强大的浮点运算，编程软件直接支持小数点输入输出，而三菱直至近年推出的FX3U系列才有此种功能，以前的FX2N系列的浮点功能都是假的3、S7-200的模拟量输入输出程序非常简单方便，AD、DA值可以不需编程直接存取的，三菱的FX2N及其以前的系列都需要非常繁琐的FROM TO指令。FX3U如今倒支持此功能了，但足足晚了五年甚至更多4、CPU226和CPU224XP，标准配置2个485口

22、即PPI口，最大通讯速度187.5K,三菱FX3U之前的所有系列都是一个可怜的422口，而且速度是9.6K。如果需要连个智能仪表什么的则必须另购FX2N0-485BD等特殊模块5、CPU226的程序容量20K,数据容量14K,FX2N总共才8K.后来的3U倒是有所改进但三菱的FX2N系列有两个优势，一是高速计数器指令比S7-200方便二是422口比西门子的PPI口皮实，200系列的PPI口是非光电隔离的，非规范操作和仿制的编程电缆可能会导致串口损坏。FX0编程:2.2. 3 PLC软元件介绍2.2. 4 软元件编号列表2.2. 5 输入输出继电器作用和功能3、 移栽机机体电路X006原点X01

23、1前进减速X007原点物识X012终点X010前进加速X013终点物识本设计系统中均采用自返式光电开关采集信号。3.1 光电开关工作原理 所示是反射式光电开关的工作原理框图。由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管DU。并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。 光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。同时，自

24、诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。3.2 光电开关的特点具有自诊断稳定工作区指示功能，可及时告知工作状态是否可靠； 对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便； 对ES外同步（外诊断）控制端的进行设置可在运行前预检光电开关是否正常工作。并可随时接受计算机或可编程控制器的中断或检测指令，外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化； 响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到0.1ms，每分钟可进行30万次检测操作，能检出高速移动的微小物体； 采用专用集成电路和先进的SMT表面安装工艺，具有很高的可靠性； 体积小（最小仅203112mm）、重量轻

25、，安装调试简单，并具有短路保护功能。3.3专用名词说明 检出距离对射式和镜面反射式光电开关的检出距离是指光轴上无有效遮挡物野战，可稳定检出的最大距离。 反射式光电开关的检出距离则是可稳定检出标准检测物的最大距离。 回差距离回差距离指动作距离与复位距离之差。它用检出距离的比率来表示，一般在检出距离的20%以下。 响应时间把从受光器初始有效受光到输出动作所需的时间称作响应时间。 把从受光器初始有效遮光到输出复位所需的时间称为复位应用时间。 暗动暗动（DARK ON）：即遮光动作。它表示在进入受光器的光速减少到一定程度时或被全遮时，输出晶体管将导通输出。 亮动亮动（LIGHT ON），也称受光动作。

26、它是指进入受光器的光束增加到一定量时，输出晶体管导通且有输出。 外同步输入功能在一般情况下，凡具有外部诊断输入功能的光电开关，一般均具有外同步功能。 也就是说，用接点或晶体管导通等方法使图2中的蓝线与黑线短接（ON）可随时停止投光。可以据此在工作前预检传感器检测是否正常。在工作中，利用此性质也可随时接受控制系统发出的运行或中断指令。如果将前一个输出与后一个外同步输入进行串接，则可实现与门等功能。3.3 外部接线图4、 控制盒分布图第三章 系统软件设计3.1 PLC系统设计流程图流程图3.2 PLC程序3.2.1 PLC梯形图程序说明：准备就绪时，工件托盘位于原点位置，托盘满载工件时，按下启动按

27、钮，移栽机开始工作，自动加速前进，接到前进加速信号时进入高速，接到前进加速时，进入减速状态，直到接到终点信号停止，等待取工件。工件取出后，延时等待自动返回，直到原点时停车。手动状态下，左移到起点停车，右移到终点是停车。3.2.2 程序具体步序列表：第四章 调试4.1综合调试硬件调试：接通电源，检查三菱FX0-30MR可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。施奈德变频器是否可以正常启动、停止、输出要求的频率。 软件调试：按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM中，进行下一步的调试。 运行调试

28、：在硬件调试和软件调试正确的基础上，打开三菱FX0-30MR可编程控制器的“RUN”开关进行调试；观察准备就绪状态下运行的情况，看是否是完整自动的完成移栽机的工件运送过程，是否随时按下停止按钮可以停止系统运行。在非准备就绪状态下，操作手动控制方式，看是否可以让移栽机恢复到准备就绪状态。致谢和结束语首先感谢范学慧对我的毕业设计的支持和指导。设计过程中，老师给予了我很大的支持，才能完成本次实验的设计。论文的完成也离不开老师对我的细心指点，当我迷茫于众多的资料时，她为我提纲挈领，梳理脉络，使我确立了本文的框架。从框架的完善，到内容的扩充；从行文的用语，到格式的规范，老师都严格要求，力求完美。另外，感

29、谢我的同事杨柯柯，感谢他在我硬件制作过程中的帮助。基于PLC和变频器的移栽机控制系统的制作，是最真实的把PLC的理论知识与实践相结合，同时把自学的施奈德变频器加以应用校验成果。虽然当时我毫不犹豫的更改成这个课题，感觉信心满满，更想好好的从设计的过程中，从实战中学习，如果问从PLC这门课学到了什么，说真的不敢说学的怎么样，我感觉对PLC尤其是三菱系列的PLC只知道一些皮毛，完全是自学的一点点东西，根本不知道能不能用的起来。但经历这一段时间后，我对PLC渐渐感上了兴趣，并且对PLC的学习有了一定的信心。在制作过程中，我遇到了许多问题。从选材开始，移栽机是废了的机架，在杨柯柯的帮助下，更换了轴承，将

30、电机固定到机架上，实在是费了好大的周折。经过这次的毕业设计，使得我对三菱PLC和施奈德变频器的掌握进一步的增强，加深了对三菱PLCPLC和施奈德变频器和它们的理解，并对施奈德变频器产生了浓厚的兴趣，但是我也深深的知道自己的不足之处，比如说对应用指令的不熟悉，大大地加深了我的程序复杂程度。多在学习过程中不能想通的问题，在PLC调试过程中，终于得以解决。可以看出它对理论教学起到了必要的补充和额拓宽作用，对培养既具有扎实理论功底又具有相当实践能力的人才必不可少。在这次的课程中，我发现PLC在工业控制中的作用很大，它能使人的控制转变成电脑的控制，大大地降低了产品的成本，很大地提高生产效率。在此过程中我

31、还发现到修改完善程序的重要性。当时编完一个程序后感觉是正确的。就是这样还要仔细检查自己的程序。考虑到各种可能发生的情况。经过这次课程设计培养了我们的设计能力以及全面的考虑问题能力。学习的过程是痛苦的但是收获成功的喜悦更是让人激动的。相信通过这次毕业设计它对我以后的学习及工作都会产生积极的影响。参考文献1.张广明李果朱炜编著机电系统 PLC控制技术 北京：国防工业出版社 20072. 施奈德变频器ATV31安装及编程手册 施奈德电气（中国）有限公司3. 三菱FX0可编程控制器安装及编程手册 三菱株式会社（中国）4.常斗南， 可编程控制器原理 应用 实验 北京：机械工业出版社 20075.张进秋，可编程控制器原理及应用实例 北京：机械工业出版社 2004 6.周万珍， 高鸿斌编著PLC分析与设计应用 北京：电子工业出版社 2004