自动往返运料小车控制系统设计
图2-2送料小车工作示意图
2.4系统硬件配置
系统硬件配置结构框图如图3所示，包括PLC及I/O扩展单元、传感器元件（行程开关和接近开关等）、控制面板（按钮开关和指示灯）、控制元件（中间继电器，交流接触器和电磁阀）以及执行元件（电机）等几部分。控制面板作为设备控制的主要器件，接收来自操作人员的操作指示：传感器元件检测运转小车进信号、后退信号，以及各部分的动作完成情况：PLC自动循环扫描各个输入输出点的当前状态，并根据梯形图程序所确定的逻辑关系更新输出点的状态，通过通断交流接触器和换向电磁阀来控制电机的启停和油缸的动作，从而完成转料小车运转任务的过程的自动控制。
图2-3 系统总体框架图 6
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第3章 控制系统的硬件选型
3.1 系统硬件的选型
本课题涉及的硬件包括步进电机、驱动器、传感器、三相异步电机、气动系统、PLC控制器等。以下为各部件详细介绍：
1.步进电机：步进电机有步角距、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精度要求选择步角的大小，根据负载的大小确定静力矩，静力矩一经确定给我悲剧电机矩频特性曲线来判断电机的电流。一旦三大要素确定，步进电机的型号变确定下来了。
2.驱动器：遵循先选电机后选驱动的原则，电机的相数、电流大小是驱动器选择的决定因素：在选型中，还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或者共阴极。未来改善电机的运行性能和提高控制精度，通常通过选择带细分功能的驱动器来实现，目的驱动器的细分等级有8倍、16倍、32倍、64倍等，最高可达256倍细分。在实际应运中，应根据控制要求和步进电机的特性选择合适的细分倍数，以达到更高的速度和更大的高速转矩。使电机运转精度更高。振动更小。
3.三相异步电动机：1）电动机的机械特性、启动、制动、调速及其他控制性能应满足机械特性和生产工艺过程的要求。电动机工作过程中对电源供电质量的影响（入电压波动、谐波干扰等），应在容许的范围内；
（1）按预定的工作制、冷却放大基础在情况所需的电动机功率，电动机的温升应在限定的范围内；
（2）根据环境条件、运行条件、安装方式、传动方式，选定电动机的结构、安装、防护形式，保证电动机可靠工作；
（3）综合考虑一次投资几运行费用，整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。
4.传感器：传感器的选型原则可以从以下六个方面来叙述： （1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型； （2）灵敏度的选择； （3）频率响应特性； （4）线性范围； （5）稳定性； （6）测量精度。
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根据具体的测量工作，从以上六个方面综合考虑，以选择最合适的传感器。 5.气动系统：
（1）确定气动执行元件的形式；
（2）进行工况分析，确定系统的主要参数； （3）制定基本方案，拟定气动系统原理图； （4）选择气动元件； （5）气动系统的性能验算； （6）绘制工作图，编制技术文件。
3.2 PLC选型
在设计控制系统中，PLC用到了8个输入点、6个输出点、 1个模拟量输入点以及1个模拟量输出点控制运料小车的运动。因此，依据运料小车控制系统的工艺流程、实际控制需求以及输入输出变量特点，选用了西门子S7-2PLC CPU224 XPCN控制的运料小车控制系统设计方案。该PLC不仅用有14个输入点和10个输出点，还有1个模拟量输入点和1个模拟量输出点，利用PLC控制技术，实现运料小车两处装料、两处卸料的运动控制，完全能满足设计需求。
在运料小车控制系统设计过程中，需要PLC具有抗干扰能力出众、可靠性高、控制功能强、编程方便等优点，因此采用可编程控制器作为主控制器。同时考虑到该控制系统不是很复杂，从经济角度考虑后决定：该控制系统采用德国西门子公司声场的S7-200系列可编程控制器，具体型号为CPU224 CN AC/DC/继电器，现有 AC 220V电源，DC24V 电源输入，继电器输出。该PLC结构紧凑小巧。执行速度快、功能强大及性价比高等特点，符合本系统各方面要求。 （1） PLC的I/O分配表
表3.1PLC的I/O分配表
输入信号 名称 启动按钮 停止按钮 前限位开关1 前限位开关2 代号 SB1 SB2 SQ1 SQ2 输入编号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 名称 正转接触器 反转接触器 装料指示灯 卸料指示灯 输出信号 代号 KM1 KM2 L1 L2 输出编号 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 8
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后限位开关1 后限位开关2 急停按钮1 报警信号 SQ3 SQ4 SB3 SB4 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 运行指示灯 报警指示灯 L3 L4 Q0.4 Q0.5 （2） PLC输入输出地址分配
本次所采用的是S7-200系列中的CPU 224，系统中的运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转，小车向右行。SB1是系统启动按钮，SB2是系统停止按钮，SQ1-SQ4位行程开关，KM1、KM2分别为电动机正反转，L1-L4位小车状态指示灯。小车控制系统的输入，输出设备与PLC的I/0段对应的外部接线如图3-1所示：
图3-2 PLC外部接线
3.3 传感器的选型
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国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
本课题中需要各种传感器来完成各种操作流程，比如需要传感器来检测小车是否运动到位，需要传感器来检测小车是否装卸货物完成到位，所以我们需要对传感器进行型号选定。
在检测小车是否运动到位时，需要位置传感器，位置传感器可用来检测位置，反映某种状态的开关，和位移传感器不同，位置传感器有接触式和接近式两种。接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，常见的有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。当某个物体在运动过程中，碰到行程开关时，其内部触头会动作，从而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z轴方向两端分别装有行程开关，则可以控制移动范围。二维矩阵式位置传感器安装于机械手掌内侧，用于检测自身与某个物体的接触位置。由于行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。所以本课题选择行程开关来完成这项检测。
当检测货物是否装卸完成时，需要红外传感器，红外线传感器依动作可分为： (1) 将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型，但是误差偏大，不能精确判断。
(2) 利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN 接合之光电动势效果的量子型。热释电型的现象俗称为焦热效应。
热释电型的优点有：可常温动作下操作，本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。
综上所述，本课题选择热释电型红外传感器。具体型号如下：
表3.2传感器型号与参数
实验温度：T = 22°C NEP：100 °C 黑体, 1Hz 电子带宽
敏感度：100 °C 黑体 噪音：0.4到10Hz 带宽隐蔽性好。价格低廉。
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