基于PLC融化炉装料装置系统设计.docx
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基于PLC融化炉装料装置系统设计.docx
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基于PLC融化炉装料装置系统设计
1引言
传统的融化炉装料都是由人手动完成的,这不仅增加了工人的劳动强度,还降低了企业的生产效率和增加了企业的生产成本。
随着工业技术的飞速发展,自动化程度要求越来越高,融化炉的装料实现自动化也是必然的。
可编程控制器PLC作为工业自动化的三大支柱之一,由于其可靠性高、抗干扰能力强、柔性好、编程简单、功能完善、扩充方便、组合灵活、体积和重量小、减少了控制系统设计及施工的工作量等特点,所以PLC已经成为工业控制的标准设备。
在本次设计中,主要介绍了三菱FX2N系列PLC的详细参数,PLC的继电器-接触器控制系统、三相异步电动机和步进电机角度的计算方法以及步进电机驱动器的介绍。
三菱FX2N系列PLC是小形化,高速度,高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的小程序装置,除输入出16~25点的独立用途外,还可以适用于多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
特点是系统配置即固定又灵活、编程简单、备有可自由选择、丰富的品种、令人放心的高性能、高速运算、使用于多种特殊用途、外部机器通讯简单化、共同的外部设备。
可编程控制器是一种工业计算机,但是在使用时,不把它看成是一种计算机,而是把它看成是一个包含很多开关电器的集合。
可编程控制器中有输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器等软继电器,它们不是真正的继电器,只是用来描述可编程控制器的控制功能的一种等效电路。
在本次设计中,被控对象是电动机,但是可编程控制器一般不能直接控制电动机,可编程控制器的直接控制对象是继电器-接触器,再通过继电器-接触器控制电机的启停。
作电动机运行的三相异步电机。
三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速,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,并与磁场相互作用产生电磁转矩,实现能量变换。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电机是一种作为控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度(称为"步距角")一步一步运行的,其特点是没有积累误差(精度为100%),所以广泛应用于各种开环控制。
步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说:
控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转步距角。
所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
所以,控制步进脉冲信号的频率,可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数,可以对电机精确定位目的;
2系统方案设计
要想将物料准确的装到融化炉中,需要控制的的是带动装料装置运动的各个电机的转动时间。
本次设计共用到5台电动机,通过按钮SB1控制其中两台电动机M1和M2的启动和停止,M1和M2分别控制两条传送带向装料斗中定量的装料。
通过PLC控制电机M3、M4、M5的正反转分别控制升降平台升降、装料小车的进退和翻转。
其模拟过程是:
按下启动按钮SB1,电动机M1和M2分别带动传送带1和2开始向装料料斗装料,经过一段时间,料斗装满后,SB1停止,SB2启动,电机M3控制的升降台向上升起5S后停止,电机M4控制的料斗向前运动4S后停止,步进电机M5控制料斗转过一定的角度,转动的角度是40度,此时料斗中的大部分料已经倒入融化炉中,由于距离和角度的问题,料斗中的料不可能一次就全部倒进融化炉中,所以必须重复以上过程。
电机M3控制的升降台向上升2S后停止,电机M4控制的料斗向前运动2S后停止,步进电机M5控制料斗再次转过一定的角度,转动的角度是45度,然后步进电机M5停止。
此时,融化炉中的料已经全部装进融化炉中。
为了完成下次装料,升降机和料斗必须恢复到起始状态,所以步进电机M5反转85度后停止,电机M4反转6S后停止,电机M3反转7S后停止,升降台和料斗又恢复到起始的位置,完成装料的整个过程。
由上分析得到本系统的设计方案方框图,如图2.1。
图2.1系统方案方框图
3硬件选型和硬件电路设计
3.1三菱FX2n-16MT-001
首先介绍一下三菱FX2n系列PLC,FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。
由于FX2n系列具备如下特点:
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块,它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
FX2n系列PLC开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I/O,高速计数器。
定位控制达到16轴,脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。
对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模块。
在网络和数据通信功能上,三菱FX2n系列PLC连接到世界上最流行的开放式网络CC-Link,ProfibusDp和DeviceNet或者采用传感器层次的网络解决了通信需要。
FX2n-16mt-001的功能有:
①内置24V、400mA直流电源可用于外围设备,如传感器或其它元件;②采用了优良的可维护性快速断开端子块,即使接着电缆也可以更换单元;③所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准,时间设置和比较指令易于操作,小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息;④可以为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期;⑤可以用输入滤波器平整输入信号(在基本单元中x000到x017);⑥元件注解可以记录在程序寄存器中;⑦在线程序编辑,在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转;⑧RUN/STOP开关面板上运行/停止开关易于操作;⑨远程维护,远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据;⑩密码保护,使用一个八位数字密码保护您的程序。
如图3.11FX2N-16mt-001的原理图和3.12FX2N-16mt-001PLC的实物图。
图3.11FX2n-16mt-001内部原理图
图3.12FX2n-16mr-001实物图
由图3.11可以看出FX2n-16mt-001PLC中共有16个I/O点,其中有8个输入和8个输出,输入类型是漏型,输出类型是晶体管输出。
FX2n-16mr-001的工作方式是:
顺序扫描,不断循环。
就是当PLC运行时,中央处理器(CPU)会根据用户按照控制要求并且储存在存储器中的梯形图,按照指令步序号或者是地址好做周期性的循环扫描,如果程序中没有跳转指令,CPU会从程序的第一条指令开始顺序的执行程序直到程序结束。
然后跳转到程序的第一条指令,开始下一轮的扫描。
并且在扫描的过程中完成信号的采样和输出结果的刷新等工作。
PLC的一个工作周期必须经过输入信号采集、用户程序运算和输出刷新三个阶段。
如图3.13
图3.13PLC扫描方式
PLC在输入信号采集阶段:
首先以扫描的方式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。
随即关闭输入端口,进入用户程序运算阶段。
PLC在用户程序运算阶段:
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,其结果再写入输入状态寄存器,输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
PLC在输出刷新阶段:
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。
3.2CJX2-2510
首先介绍一下接触器的定义:
接触器(Contactor)是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场,使触头闭合,以达到控制负载的电器。
接触器由电磁系统(铁心,静铁心,电磁线圈)触头系统(常开触头和常闭触头)和灭弧装置组成。
其原理是当接触器的电磁线圈通电后,会产生很强的磁场,使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁,并带动触头动作:
常闭触头断开;常开触头闭合,两者是联动的。
当线圈断电时,电磁吸力消失,衔铁在释放弹簧的作用下释放,使触头复原:
常闭触头闭合;常开触头断开。
CJX2交流接触器适用范围:
CJX2交流接触器适用于交流50Hz或60Hz,电压至660V,电流至95A的电路中,供远距离接通与分段电路及频繁起动、控制交流电动机,接触器还可加装积木式辅助触头组,空气延时头、机械联锁机构等附件、组成延时接触器、可逆接触器、星三角起动器,并且可以和热继电器直接安装组成电磁启动器。
CJX2交流接触器结构特征:
CJX2交流接触器为模块式结构,功能组合齐全。
在其顶部加装空气延时头,即可成为延时接触器;由2台接触器加装机械联锁功能部件,即可组成可逆接触器;热继电器与接触器组装后可成为磁力起动器;接触器顶部加装专用限流触头组及限流电阻即可成为切换电容接触器;3台接触器及空气延进头、辅助触头组可组合成星三角起动器,加装辅助触头可组成接触器式继电器等。
如图3.2
图3.2CJX2-2510实物图
CJX2-2510的主要性能指标如表3.2
表3.2CJX2-2510性能指标
型号
CJX2-2510
额定工作电流(A)
25
约定发热电流(A)
40
额定绝缘电压(V)
660
可控三相鼠笼220V
电动机功率(KW)380V
660V
5.5
11
15
操作电寿命AC-3
频率AC-4
(次/h)机械寿命
1200
300
3600
电寿命AC-3
(万次)AC-4
100
20
机械寿命(万次)
1000
配用熔断器型号
RT16-40
线圈带冷压端头根
冷压线圈不带冷压端头mm*mm
端头
1
4
10
6
线圈吸和(V/A)
功率50HZ保持(V/A)
功率
110
11
3~4
动作范围
吸和电压为:
85%~110%Us释放电压为:
20%~75%Us
辅助触头基本参数
AC-15:
360VADC-13:
33WIth:
10A
CJX2-2510有1个常开触点,0个常闭触点。
3.3三相鼠笼异步电动机
作电动机运行的三相异步电机。
三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速,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,并与磁场相互作用产生电磁转矩,实现能量变换。
其工作原理是:
当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时,就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。
由于旋转磁场以n1转速旋转,转子导体开始时是静止的,故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势(感应电动势的方向用右手定则判定)。
由于转子导体两端被短路环短接,在感应电动势的作用下,转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。
转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用(力的方向用左手定则判定)。
电磁力对转子轴产生电磁转矩,驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。
通过上述分析可以总结出电动机工作原理为:
当电动机的三相定子绕组(各相差120度电角度),通入三相对称交流电后,将产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路),载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力,从而在电机转轴上形成电磁转矩,驱动电动机旋转,并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。
本设计中选用的是选用的电动机是三相鼠笼异步电动机Y112M-2型,其具体性能如表3.3
表3.3Y112M-2的详细参数
型号
额定功率
额定电流
转速
效率
功率因数
堵转转矩
堵转电流
最大转矩
噪声
震
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