S7-200PLC控制的料车行走系统设计
附录 ................................................................. 22 致谢 ................................................................. 32
III
S7-200PLC控制的料车行走系统设计
1 引言
运料车是工业和制造业送料的主要实施者，广泛应用在煤碳开采、冶炼金属、港口运货、设备材料运输等。随着自动化水平的发展工人手动操作送料已不再满足自动化的需求，提高运料车的自动化水平，建立性能可靠、技术先进、操作便捷的控制系统已成为工业企业的目标。运料车使用范围主要为粒、粉末和片状料等相关材料的运输，还可以对所运送的货物进行相关的操作诸如载料过程中的风干、搅拌混合等。运料车是国民轻、重工业运料必不可少的设备，因此有必要研究物料车自动行走系统。
近两年将是自动运料车产业发展的关键的年份。由PM2.5导致的环境问题会很大程度上影响采矿，水泥等行业发展，同时国家环境保护新政策新法规要求企业转变经济增长模式，相关的节能减排政策都将对自动运料车行业的发展产生影响。还有来自全球通货膨胀、人力资源成本上升因素对企业的影响。如何降低生产成本以及提高生产的自动化水平已成为企业工厂提高自身竞争力的最佳选择，这也是决策者们所必须面对和亟待解决的。因此在这种情况下尤其能体现自动运料车物料运输的价值与意义。
本设计基于饲料厂的自动运料车系统，通过分析物料系统的整体要求和控制任务，设计相应的控制系统。在运料车运料过程中，控制工作人员可以很方便的根据生产工艺类型，需要加工的原料类型对运料车结构进行适当的调整。运料车的运行模式根据系统配置的旋转编码器，主令控制器和编写PLC程序的不同进行设置来实现，运料车的速度切换的位置可以通过旋转编码器预设值和行程开关的设置来改变，运料车运行速度可通过所设置变频器的相关频率参数来调节。
1.1料车行走系统国内外发展状况和趋势
运料车发展过程中的各个阶段简述。
手动控制系统：手动控制系统由继电-接触器组成，对线路的安装，保护，动作速度要求很高，由于摩擦、震动，老化等导致系统故障率高。继电-接触器系统需要较长的时间设计同时对设计者经验的要求也比较高，安装占地面积大，数据运算和通信处理能力比较弱，控制的效果比较差。
送料车半自动控制阶段：PLC智能模块、自动控制理论的突破使得微机和检测设备的成本变得很低，成本的降低促使很多企业尝试运用微机和PLC控制系统。
本世纪开始以来，以PLC为控制核心的运料车使工厂运料变得自动化和智能化，大大降低了企业运行时的费用。在工业现场控制中PLC控制系统使得一些控制参数可以根据现场实际情况进行修改、调整使设备处于最佳状态。
制造业在现代经济中有很重要的地位，其发展主导着经济发展的前景。我国很多工业企业特别是东南沿海大部分乡镇和私营企业，特别是南方发达的饲料加工企业、制鞋
1
S7-200PLC控制的料车行走系统设计
业、电子制造业等，他们由于公司规模有限，资金有限不能够投入很多来提高工厂的自动化水平在加上管理方面欠缺的限制，很多送料还是采用人工，缺少必要的保护设施，导致工人的劳动强度大效率低，造成工人人身事故的现象普遍存在。国内有很多科研单位都在研究运料车的自动行走控制系统。例如PLC在多点控制系统中的应用，基于PLC的自动运料车的设计等都通过不同的控制方式来进行运料车的设计。设计中有些采用的是主令电气控制，有些采用旋转编码器进行控制。本设计采用程序控制的方式，利用主令电器和旋转编码器来进行系统的设计，本饲料厂运料车系统可以根据工艺随时调整，节约了投资并且提高工厂对生产不同商品的灵活性。
近年来随着源于欧洲的经济和债务危机，越来越多的工厂企业开始投入巨资升级工厂的自动化水平，提高工人的劳动生产率，精简员工从而提高企业效益。工厂物料运送车是最需要使用自动化的控制环节，运料车将原料从料场开始，经过自动上料、按照控制任务的要求对物料进行必要地加工、风干等动作后、自动运行到指定地点开始卸料等一系列生产动作完成。随着智能化检测设备诸如传感器技术的不断发展促使运料车能够完全摆脱人工的控制。
在路线固定并且环境复杂诸如煤炭运输，矿山开采，港口集装箱货物的运输的场合，国外自动化巨头已经研制出无人自动驾驶设备，用来适用那些环境恶劣、人工操纵危险的特殊作业环境。美国自动化企业卡特彼勒（CAT）公司早在一九八零年代末期就已经研制了无人驾驶自动化产品矿山自卸矿卡，并且已经进入市场得到了市场的认可。
网络和宽带通信技术、自动检测变送技术、可编程控制技术、现场总线技术的迅速发展使得PLC技术朝着集成度高、高速化处理、大容量存储、网络化通信和智能化检测与变送的方向发展[3]。国外先进的以自动化、可视化为基础的自动无人驾驶控制开始被国内工程运料企业关注，很多工业企业开始引进和使用西方先进的自动运料和无人自动驾驶技术与设备，同时我国很多有财力和技术积累的企业和高校、科研院所已经开始着手研制相关的理论和技术。未来制造业以智能化、自动化、可视化为主要制造方式进行柔性大工业生产的理念已经清晰并且处在快速发展之中。
1.2课题研究任务及意义
本设计的主要内容是设计一个基于PLC控制的料车行走控制系统。系统以PLC为主控制单元，通过编码器读取小车的位置信息，通过对编写程序实现对变频器的控制实现运料车行走电机的速度的切换，通过PLC输出控制继电器、交流接触器来控制下料电机、风机、旋刀电机和下料电机的动作和相关指示灯的显示，通过行程开关读取初始位置和返回点的信息。
主要任务要求如下：当运料车到达初始位置后关闭风机、下料电机、行走电机、旋刀电机同时打开上料电机；当上料电机结束后，打开行走电机，小车开始行走，打开挡板正向开关，当挡板正向打开完毕以后，打开下料电机，开始下料动作；运料车达到返
2
S7-200PLC控制的料车行走系统设计
回点后挡板电机换向。根据课题任务要求进行相关接线端子设计、PLC梯形图和程序指令设计，最后进行仿真调试。
运料车正常工作运行中，料场技术人员可以监控到料车的实时运行和工作状态。可以根据不同的生产工艺要求设置变频器对小车的运行速度进行设置，能够根据现场生产要求对小车停靠的不同位置点进行设置，企业能够根据不同的生产需要方便进行调整和改造，提高企业对于生产多样性的要求。
结合本校学习掌握了电动机的原理结构、电机及其拖动、电气控制与PLC应用技术、电气测试技术、变频调速技术和运动控制等知识使我有能力设计PLC控制的运料车行走系统。运料车的自动行走控制系统设计可帮助企业提高生产效率，减少物料搬运费用，例如饲料厂运料车需要进行物料运送和混合、搅拌和风干。运料车可以随时根据饲料的配比来进行调节，如调节下料电机何时出料、出料量大小、粉碎的程度、风干的程度等。自动运料车还特别适用于矿山开采、港口运输、水泥生产、金属冶炼等危险性比较大、粉尘危害大的场合。物料自动运输还具有以下优势：可大量减少人员的工作量，提高劳动生产效率；节约企业生产成本，提高企业效益和企业在同行业之中的竞争力；促进工厂的现代化生产水平，减少事故的发生率。
2 运料小车控制系统设计方案
2.1 控制系统流程
本设计运料车控制流程如下：当运料车在初始地时经物料传感器I1.0判定有料，打开系统启动按钮此时Q0.2接通继电器线圈动作，继电器接通接触器线圈通过主触点接通上料电机动作，同时关闭行走电机Q0.0、风机Q0.4、和旋刀电机Q0.5。上料电机Q0.2将已经称量好的物料倒入料车车斗内，上料过程所用的时间用定时器T37进行定时。当定时器定时时间到后，启动料车行走正向电机带动料车前行，同时打开风机继电器输出、旋刀电机继电器输出和挡板正向电机继电器运行。在运料车系统中风机的作用是将料车上的物料干燥。旋刀电机的作用是将物料通过搅拌、粉碎和混合均匀，以便于物料的充分混合。运料车挡板电机正反转有接入电机的三相电压的相序来进行控制。在运料车正向行走过程中当正向挡板完全打开以后，挡板正向电机碰到挡板正向限位开关时停掉同时打开下料电机，下料电机开始下料动作。通过编码器读取运料车的实时位置，根据E6B2-CWZ6C的预设值范围来控制PLC什么时间对数字量信号进行输出，输出信号作为MM440变频器多段速的输入控制运料车行走电机的速度，使其按照既定慢-快-慢的规律运行；当运料小车到达折返点时，关闭行走正向电机、风机、旋刀电机和下料电机同时打开挡板反向电机并使用定时器T38进行延时，当挡板反向电机碰到挡板反向限位开关时挡板反向电机停止；当定时器延时时间到后，定时器接通反向行走电机Q0.1和变频器反向快速输入Q1.1 PLC数字量输出点来控制变频器输入
3
S7-200PLC控制的料车行走系统设计
使运料车行走电机反向运行且按照既定快速-慢速的方式到达初始点进行上料动作，并开始下一个运料和下料周期过程的循环。控制系统整体布局如下图1所示。
图1 控制系统整体布局图
2.2 控制方式的对比和选择实现
运料车控制方案有多种方式可供选择。可以采用以继电-接触器为核心的继电-接触器控制系统；也可以单片机（MCU）为主控制核心，使用单片机外围接口设备和驱动电机模块来实现；还可以使用PLC为控制核心的设计。在这三种常用运料车控制方案之中，继电-接触器作为早期运料车的控制系统其控制线路硬件电路复杂，控制功能是实现用户的特定功能，当用户控制功能发生改变时，控制硬件线路必须重新接线，这种控制方式不符合现代柔性制造工艺，对其不易进行改造且维护成本较高。单片机系统虽然能够采用修改软件提高系统通用性，但是维护起来还是比较困难，单片机的软硬件对干扰的措施要求很高，需要附加很强的抗干扰技术和措施。PLC专为工业控制而设计，其本身已采取很强的抗干扰措施，一般工业环境完全可以正常的工作。运料车控制目前主流采用的是以小型PLC为控制核心。PLC控制系统具有很强的抗干扰特性，广泛使用与工业控制系统之中。PLC控制系统可实现工业现场模拟量、数字量等多种信息的逻辑、数学、通信等。运用PLC为核心的运料车控制系统编程简单、维修起来方便、高性价比，广泛使用于各种物料运输领域中[4]。
2.3 控制系统方案选择
控制系统要求旋转编码器和行程开关直接向PLC送请求信号。料车在达到旋转编码器预设值范围和初始地、折返点行程开关时，向PLC发送一个信号。料车的行走和故障可以通过指示灯来判断。料车的正反转互锁通过软件和硬件相结合的方法来解决。S7-200PLC的料车行走系统设计控制方案如图2所示。其中S7-200PLC作为控制系统的核心，用于接收来自采集旋转编码器和行程开关的信号，然后由S7-200PLC对所采集信号的进行逻辑运算和判断进而输出控制信号驱动各个电机或者部分指示灯[5]。
?????????PLC???????????
图2 料车行走系统设计控制方案
4