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论文写作分析-栈板运输车控制系统设计

2021-06-01 11:56:46

  本次课题主要是关于栈板运输车控制系统的设计,它的控制核心是西门子PLC,由PLC完成设备的控制操作。本课题介绍的设备主要运用于自动化生产线,为生产线提供所必须的栈板。设计的主要功能是将栈板从供应点输送到自动化生产线指定位置的一种自动化设备。改变了以往生产线人工输送栈板的现状,减少了劳动力浪费,也加快了生产效率,符合自动化生产线的需要。

  设备在设计之初考虑到生产线其它一些物料的需求,采用了自动和手动两种工作模式。本文介绍了包括栈板运输车系统设计硬件选择,工作原理、流程。选用PLC作为控制的主体,在设备驱动方面选择变频器控制三相异步电机为输出方式,可实现设备在不同阶段加速、减速,并加入触摸屏的控制和监控。自动化设备的可实施性、安全性是重要指标,后期设备的安装、调试显得尤为重要。

  世界上第一台自动运输车是由美国Barrett电子公司于20世纪50年代初开发成功的,它是一种自动导引式小车系统,它能够适应多种工作环境,可以和多种系统连接工作,可以提高生产效率,提高了成品搬运便捷性自动化程度更高。中国自动运输车的发展较短,第一个中国式运输车在1976年北京起重机械研究所研制成功。

  现阶段自动运输车大多采用激光导引这种方式,还有一种电磁导引方式的运输车正在兴起。自动运输车因为它的稳定性和便捷性正在越来越多的被运用到工业生产中。小车速度快并且运行稳定,定位精度高,提高了生产效率,释放劳动力减低了劳动成本,越来越被更多的工厂接受。

  栈板运输车是以激光导引为导引方式,有固定轨道有双向的运行的特性。它专门负责栈板的输送及货物运输,将栈板输送到生产线上,平时也进行一些货物运输。

  栈板运输车由PLC为主要控制中心,有两个动力马达为三相异步电机,一个是移动电机负责小车的位移,二是链条输送电机负责栈板的传送。小车主要靠光通讯和系统PLC进行通讯,加以激光测距仪及光电传感器为位置测量及确定到位。栈板运输车速度快定位精准,在物流仓储方面运用广泛。

  1.2现状概况与发展趋势

  随着经济社会的高速的发展,人们对自动化行业的要求也越来越高。为了适应社会发展的需求,贴合工业化生产的需要,不断有新兴技术的出现。在自动化仓储行业,为了解决生产出来的成品能够方便快捷进入仓库,有了自动化分拨系统而栈板作为中间平台,怎样快速为自动化分拨系统提供栈板,自动化运输车便是在这样的环境下出现的。这次设计改造的栈板运输车,它是双向导轨式,激光导引运输车;在控制方面采用了西门子PLC为主再加上变频器为辅的控制方式。考虑到自动化生产线的其它需求,设计了自动和手动两种工作模式。为了运输车能准确到达指定位置,用了激光测距仪来完成这一工作,并在指定位置加入了光电开光,完整到位才会进行下一动作。两种措施来保证设备财产安全。工作过程的监控和故障解除运用到了触摸屏,是工作流程一目了然,故障点的清除直接明了。

  自动化栈板运输车是为了更好的服务工业化生产,提高生产率。作为自动化生产设备专业的学生,这一课题的研究,能很好的将自己的理论知识运用实践在课题研究过程中,能够更好了解现在自动化行业的现状,提高专业知识为了以后能更好的服务自动化物流仓储行业。

  在实际的运用过程中,应该更趋向于智能化、无人化、远程化发展,可以和主控服务器联网,便于实现无人化,能够远程设备及时发现问题并解决。运料小车的发展将会越来越好,通过简单的修改设计,可以更好的服务更多的行业。比如可以服务于养殖场,进行送料喂养;也可以为大型农场化作业提供方便等等。

  1.3运输车需求分析

  运输车专门用于产品的输送。在各行业应用都十分广泛。当今社会,越来越多的厂家采用机械化输送,这种方式代替人力劳动将成为必然,其具有较高的精确度,而且省时,省力还大大减少了劳动强度,降低劳动成本节约人力资源。真正的做到了低成本,高回报。在今飞速发展的年代这种自动化产品会受到越来越多行业的青睐与喜欢。

  制造业是现代经济发展中占有关键地位,它的发展状况主导着经济发展的前景,但是,在我国,大部分乡镇企业、私营企业,由于受资金管理等方面的限制,一般来说,运输绝大多数是采用人工手动运输,严重缺乏保护装置,这造成“效率低,劳动强度大,事故发生率大”等特点。

  随着信息科技迅猛、市场经济的发展,国内、国际市场竞争日益激烈,产品更新更为迅速,近年来,由于PLC控制技术的发展,送料机构自动化水平也需越来越高。提高自动化的水平不仅可以提高生产效率,同时也能保证工人的人身安全。传统的手工送料已经不再满足要求,这时运输车应运而生。运输带专门用于大的物体等材料的输送,这无疑是轻、重工行业不可缺少的设备。

  从世界第一台PLC被设计出来到现在,PLC历经几次更新换代,各方面的性能得到了很大完善,技术已经完全成熟。其中运料小车控制系统随着PLC的发展过程经历一下几个发展阶段:

  ①手动控制:上世界六十年代末七十年代初,是PLC发展的早期阶段,那个时候便有一些工业过程运用了PLC控制系统控制运料小车,但是由于那是技术并不成熟,只能采用人工手动控制机器,初期的运料小车控制系统多采用继电器和接触器组成的复杂控制系统,这种系统不仅体积庞大,系统稳定性也不高,故障率高,也没有通信模块,操作控制极为不便,控制效果也不佳。

  ②自动控制:至上世纪八十年代,电子科学技术飞速发展,计算机的成本及价格变得越来越低,这种情况下,很多大型企业开始采用PC机与PLC通信控制方式,这种控制方式在控制方面更加灵活。

  ③全自动控制:本世纪开始科技迅猛发展,电子计算机的更新周期越来越短,电子设备的向着高性能,低成本发展。运用今天高性能PLC控制运料小车可以实现完全自动化,并且能满足工业过程的各种要求,另外在设备维护也极为方便,维护成本大大降低。

  随着科学技术的发展,自动化的实现水平在国民经济的发展中起着越来越重要的作用,尤其是对机械行业的生产效率、制造精度、以及可靠性和安全性提出了更高的要求。对于自动运料装置,目前的企业中多采用以下几种运料方式:

  ①机械手加穿梭小车式自动化输送方案:该自动化输送系统也是自动冲压生产线中最常用的系统,它主要是由自动上料,和取料机械手以及穿梭下车组成。目前冲压车间里由不同厂商提供的各式自动化输送系统的都是基于该机构和原理进行设计制造的。一个取料机械手,带有中置并按工件形状排部的真空吸盘式端拾器:负责将工件从上一压机取出安放在穿梭下车上。一个穿梭小车:它负责将工件由取料机械手的放置位置移送到上料机械手的取料位置。一个带有中置端拾器的上料机械手:负责将工件由穿梭下车拾起送入到下一台压机。采用此种输送方案工件将通过机械手简单的“拾取和“摆放”动作由前一台压机输送到下一台轧机,其穿梭下车的主要功用是通过它的穿梭运动缩短取料和上料机械手的输送行程,从而提高整线的生产效率。其是优点可使用于多数大中小型企业。缺点是装置较复杂,物料的运送步骤繁多,增加了加工时间,操作不便。

  ②运用机械手进行送料方式:机械手与小车相连,然后通过钢索与滑块相连,滑块再连接重物,重物的上升和下降控制着小车的前进与后退。保证了操作人的安全,同时提高了生产效率。优点是可以进行连续生产,缺点是全部操作都需机械手,导致机械结构过多,机械故障多。

  ③新型的多机连线自动搬运送料:这种方案是由四台开式双电2500KN压力机驱动,生产线绝大多数零部件都已国产化,其送料精度及生产效率达到国外生产线的同等水平,成本较国外生产线低廉,占用空间少。优点是工作稳定高,步进电机控制,精度高,布矩一样大,消耗功耗低,所需电压也低。

  ④气缸传动,生产效率以及送料准确性都比较低,无法满足具体的生产需要,已经面临淘汰。

  综上所述,本着保障人身安全、提高生产效率、节约资金的科学人性化管理的方针下对运料小车进行自动化设计。此设计中运料小车控制系统是采用以PLC为核心的自动控制技术来实现的,这不仅大大提高了工作的效率,使整个过程安全可靠。

  第二章、栈板运输车控制系统选择

  自动运输车最原始的控制系统大多以继电器-接触器为主,这种系统设计复杂、成本高、体积大、维护难,没有通讯设备与外界信号连接,要有专人来控制操作。慢慢发展到以单片机为控制系统的设计,相比以继电器-接触器组成的系统有了相当大的进步。单片机有着集成度高、性价比高、体积小等优点,但考虑到单片机编程复杂,操作难等缺点,以单片机为控制系统的运输车也没能被广泛运用。

  2.1栈板运输车的运动过程描述

  设计的生产线栈板运输车的运动如图2-1所示:

  图2-2运动简图

  在生产线中共有两个点,一个是栈板运输车的取料点,一个是送料点也是运输车的常驻点空闲时的停靠点。运输车的左右两面各有两个激光测距仪,轨道两头安装有激光反射挡板为小车测距定点,系统给的信号通过激光测距仪来决定小车运行路程。

  2.2控制系统构成

  在运输车的操作面板上有启动开关,急停按钮,还有一个切换旋钮用来切换自动或手动工作模式。如图2-3所示:

  图2-3控制面板

  控制系统构成由各个部分检测的信息汇总给PLC,PLC根据数据做出判断,将信息传递到变频器中,然后由变频器控制三相异步电机运动,最终完成各项工作,如图2-4所示:

  图2-4控制系统构成图

  2.3设备运动控制要求

  控制流程如图2-5所示:

  图2-5控制流程图

  栈板运输车主要运动过程描述及要求:

  (1)按下启动按钮,切换到自动工作模式下,生产线栈板空缺PLC给出信号,小车加速启动,到达取料点。

  (2)等到光电开光接收信号运输车开始取货,取货由三相异步电机带动链条取货。栈板到位正常,小车开始运动返回卸料点。

  (3)卸货点光电传感器接到信号开始卸货,卸货完成小车停在卸货点。

  (4)运输车有手动和自动两种工作方式可以选择。手动模式下可以人为控制它的运行过程,便于完成其它工作

  第三章、栈板运输车控制部分硬件的选择

  控制系统方面有了想法,要有相应的硬件来支持。选择合理的硬件设施,能达到系统需要。栈板运输车的运行要求安全,可持续。硬件合理选择设备才能协调运行,每个设备的正常运行与运输车的安全运行密切相关。

  3.1PLC的选型

  PLC可编程控制器,使用一种可编程的存储器,将编写的程序存储在控制器中通过中央处理器执行内部程序完成指令运算,通过数字或模拟输入输出控制各种电气设备。

  在栈板运输车的控制系统中想到用PLC作为控制系统,考虑到PLC的高效便捷性,编程快捷,按照控制要求进行完成程序编写,系统能够按照写好的程序自动进行运动完成各项任务,而且接线简单易懂,控制高效快捷。PLC作为控制系统的核心,在众多的PLC品牌中在选择一款合适高效的PLC尤为重要。

  选择PLC要根据控制要求来选,大致估算输入输出点、所需存储器容量、确定PLC功能以及外部设备的特性等,最后选择性价比高的PLC和设计相应的控制系统。PLC功能结构图主要由中央处理器、存储器、输入输出单元组成,如图3-1所示:

  图3-1 PLC功能结构图

  西门子相比于其它类型的PLC相比有很多优点。

  (1)指令采用功能块,简单明了!在模拟量的输出和读取上简单快速,传送相应命令就可以了。

  (2)西门子PLC即可以使用NPN的传感器也可以使用PNP的传感器!对于旧设备的改造,更轻松能够适应多种传感器。

  (3)使用西门子博途软件进行程序编写。采用子程序编写方法更主观更通俗易懂,对于编程者的编写顺序,手自动程序的编写、某个独立的部件编写都有独立的区分。

  在西门子PLC众多类型中选择了S7-300比较中端的PLC。满足生产需要,也不会产生性能过剩的情况。其模块化结构、易于实现分布式的配置;以及性价比高、电磁兼容性强、抗震冲击性能好,在中小型工业控制领域中广泛运用,成为一种既经济又切合实际的选择。S7-300的CPU能控制的对象点数达到1024点。能够完成运输车的运行要求,也留有足够的点数为后期的改造做准备。S7-300模块化图如图3-2所示:

  图3-2 S7-300模块图

  3.2动力系统的选择

  三相异步电动机概念: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产生感生电动势和电流,并与磁场相互作用产生电磁转矩,实现能量变换。与单相异步电动机相比,三相异步电动机运行性能好,并可节省各种材料。三相异步电机两个基本组成定子、转子还有其他一些附属部分,如图3-3所示:

  图3-3三相异步电机组成

  按转子结构的不同,三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。

  动力方面选择了R式即绕线式三相异步电机,相比于笼式异步电机。绕线式异步电机增加了转子绕组和滑环具有了调速的功能。

  整个小车系统中要求有两个三相异步电机。一个负责是运输车运行的部分,负责小车的运动。另一个是完成栈板的传送。

  1、动力部分三相异步电机功率要求,栈板运输车设计自重200kg,时速要求2.0m/s。

  参数如下:

  功率2.2KW频率50Hz功率因数0.81

  电压380V电流5.1A接法Y型

  转速234 r/min绝缘等级B制动电压220V AC

  2、卸货部分三相异步电机要求,所运栈板自重110kg,速度0.5m/s

  参数如下:

  功率0.55KW频率50Hz功率因数0.81

  电压380V电流1.63A接法Y型

  转速75r/min绝缘等级B制动电压220V AC

  3.3变频器的选择

  变频器应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器靠内部IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的。变频器结构主要有整流电路和逆变电路组成,如图3-4所示:

  图3-4变频器结构组成

  在变频器类型的选择上,根据系统控制中三相异步电机负载功率要求,变频器选择了西门子V20变频器,因为它的功率覆盖范围在0.37kw-15kw达到了系统要求,变频器选择西门子V20也考虑到设备兼容性的问题,如图3-3所示:

  图3-3西门子变频器V20

  西门子V20变频器它的可靠性强,运行稳定,自带降温风扇避免长时间运行导致发热严重问题;节能环保,内置节能模式能够自动休眠有效延长了变频器的使用寿命。另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。

  整个小车的系统中两个电机控制要求,用了两个变频器。一个完成小车动力电机的控制,另一个完成入出料电机的控制

  在栈板运输车中使用变频器的作用:

  (1)调速,并降低启动电流。利用变频器IGBT调节电压频率模拟正弦波输出。

  (2)控制异步电机正反转。

  (3)过载保护。利用PWM半导体控制信号,检测电机电流。

  变频器参数设置:

  1. 侯先恢复出厂设置:P0010=30 P0970=1

  2.写入电机参数(将上述电机参数输入对应值):

  P0304电机额定电压

  P0305电机额定电流

  P0307电机额定功率

  P0308功率因数

  3.设置数字输入控制参数:

  P700=1选择RS-485作为命令源(PLC)

  P0701=1 ON电机正转、OFF停止

  P0702=1 ON电机反转、OFF停止

  P1080=0电动机运行最低频率0Hz

  P1082=50电动机运行最高频率50Hz

  4.设置调速过程参数:

  P1300=0线性V/f控制(加速度不变)

  P1120=2 2s内从0Hz加速到50Hz

  P1121=2 2s内从50Hz减速到0Hz

  3.4运输车定位测距设备选择

  激光测距仪,是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光,由光电元件接收目标反射的激光束,由计时器检测光束反射时间,计算出目标与测定位的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确,其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。激光测距仪如图3-4所示:

  图3-4激光测距仪

  在小车的定位测距设备的选择选用激光测距仪考虑到它的定位精准的优点,小车的加减速过程就是依靠激光测距仪的作用,在程序编写中将小车的加减速的点写入到程序中,当激光测距仪测量到指定点之后,将信息反馈给PLC,然后PLC做出反应给出信号到变频器。相比于开关量或者变频器设置加减速时间的方式控制小车的运动,激光测距仪给出的信号更加精准快速。

  第四章、栈板运输车电气接线图及梯形图

  4.1电气控制接线图

  栈板运输车通过SB7来切换自动手动模式,SB8是小车的急停按钮,通过SQ1激光测距仪来同步判断小车运行距离,当遇到特殊情况极限保护SB13或SB14任一个开关闭合时M1刹车停运;当SB2和SB3是光电开光同时闭合才能表示栈传送板到位;如果小车运行过程中栈板滑动突出检测开光SB1或者SB4任一个闭合时,PLC就会紧急刹车停止,防止意外发生;当系统认为小车到达取料或者卸料点时,只有当到位检测开光SB5或者SB6闭合时,小车才会进行取料卸料的动作PLC输出点接入到变频器8、9、10、11四个输入点在有变频器设定好的参数控制三相异步电机运行;在小车的输出中,为了方便观察小车运动状态,加入了三个状态指示灯。红灯闪烁表示小车发生异常同时蜂鸣器报警,黄灯亮表示小车正在运动,绿灯常亮表示小车处于自动状态,闪烁表示小车处于手动模式下,具体电气回路图,如4-1所示:

  图4-1电气控制回路

  4.2I/O分配表

  PLC控制的输入表如表4-1所示:

  表4-1 PLC控制的输入表

  I112.0 SB1突出检测1 I113.0 SB9手动前进

  I112.1 SB2定位1 I113.1 SB10手动后退

  I112.2 SB3定位2 I113.2 SB11手动入料

  I112.3 SB4突出检测2 I113.3 SB12手动出料

  I112.4 SB5定位3 I114.6 SB13前进极限

  I112.5 SB6定位4 I114.3 SB14后退极限

  I112.6 SB7手动/自动I114.1 SB15前进减速

  I112.7 SB8 RGV急停I114.2 SB16后退减速

  ID300.0 SQ1激光测距值

  PLC控制输出表如表4-2所示:

  表4-2 PLC控制输出表

  Q100.0红灯警报异常Q100.4 M201左行正转

  Q100.1绿灯自动状态Q100.5 M201右行反转

  Q100.2黄灯动作状态Q100.6 M201小车刹车

  Q100.3蜂鸣器Q100.7 M201运行高速

  Q101.0 M200取货正转Q101.1 M200卸货反转

  Q101.2 M200刹车

  4.3指令梯形图

  (1)手动自动模式切换程序,M800.0系统运行,SB8急停常开,调整SB7切换运行模式,如图4-2所示:

  图4-2手动自动切换程序

  (2)自动状态下接受系统命令及检测预判条件,提升机取料点给出栈板到位信号M305.6常开,如图4-3所示:

  图4-3小车运动前状态检测

  (3)当检测条件达成,小车开始运动M201正转前往取料点,小车运行根据系统参数决定走行距离,如图4-4所示:

  图4-4小车前往取料点

  (4)取料前检测,小车到达定位,M201小车主动电机停止运行,SB1和SB2两个定点检测开光同时闭合,达到取料条件,M200动作取料,当栈板运输到位即SB1、SB2光电开关被遮挡断开栈板到位,M200停止动作取料结束,如图4-5所示:

  图4-5小车取料过程

  (5)取料完成后,当M200取料电机处于停止,M201反转小车回到卸料点如图4-6所示:

  图4-6 M201反转返回程序

  (6)为保障小车上栈板稳定,变频器开始参与调速,M201高速运行,如图4-7所示:

  图4-7高速运行程序

  (7)即将到达卸料点M201刹车开始减速,如图4-8所示:

  图4-8小车刹车减速

  第五章、栈板运输车触摸屏设计

  5.1为什么要用到触摸屏

  对于小车运动情况可以通过简单目视即可判断,但这种方法只能看到大体运动情况。一来也是为了完整反映小车运行状态加入了触摸屏的设计,及时小车运动过程。。二来可以对小车简单故障的监测和维护。

  5.2触摸屏界面

  在触摸屏界面的简单介绍:

  当小车发生异常小车停运,点击异常清除按钮,复位可指示灯亮,然后点击复位按钮,复位完成指示灯亮,小车重新动作自动指示灯动作中指示灯同时亮。具体设计如图5-1所示:

  图5-1触摸屏设计图

  触摸屏显示功能的变量分配表如表5-1所示:

  表5-1触摸屏显示功能的变量分配表

  复位可M2.7复位完成M3.0

  自动M2.6动作中M1.6

  异常清除M11.1复位M3.1

  异常清除的主要作用可以解决变频器过载故障定位异常等;异常清除成功会显示复位可,接下来即可复位,如图5-2所示:

  图5-2变频器异常清除

  定位异常问题的出现大多是激光测距仪光线被遮挡产生干扰,解决方法如图5-3所示:

  图5-3定位异常程序

  当上述异常清除完成后点击复位,在自动状态下复位完成,程序如图5-4所示:

  图5-4触摸屏复位程序

  当复位完成后,小车处于自动状态下,然后判定当前任务目标值,小车继续工作程序如图5-5所示:

  图5-5复位完成自动运行程序

  第六章、栈板运输车安全性措施介绍

  6.1安全措施防范

  (1)、栈板检测开光

  在小车上共有六个光电开关,2号3号两个光电开光负责到位开关检测栈板到位情况,只有同时闭合才算到位;1号4号突出检测开光负责突出保护,当栈板在运输过程中产生偏移,小车会自动减速停止;5号6号目标定位开光负责小车到位,在取料点和送料点都有镜面反射贴到位之后小车才会进行取板送板。如图6-1所示:

  图6-1光电开光图

  6.2极限运动行程开关

  极限运动行程开关如图6-2所示。为防止小车在运动过程中跑偏,在小车底部有极限保护开关,轨道两头都设有极限保护铁片。当小车极限保护开光触碰到铁片是小车会立即断电停止运动。行程开关安装在小车底部。

  图6-2极限行程开关

  轨道防护栏

  在小车运行轨道旁,设有护栏防止非操作人员进入工作区域,并贴有警告标示。