基于PLC的物料传送系统解读.docx

1、基于PLC的物料传送系统解读【摘要】本设计采用PLC(可编程控制器）来实现货车进站开启出仓口送出物料，建立一个模拟系统硬件模型，通过传送带将物料从高处传送到低处，最后货车将物料送走。能实现货车进站，启动开仓口；物料出仓，传送带将物料从高处逐层送到低处；物料传送到货车后厢，传送完毕，货车开走。系统不但考虑到几个皮带机之间的时间间隔，还考虑到了当某台皮带机出现故障时的解决办法，达到有效的自动控制，优化运行效果，减少运行费用等目的。 【关键词】PLC; 传送带；物料传送引 言 传输带是一种连续、快速、高效的物料传输设备,广泛应用于煤炭、电力、建材、化工、机械、轻工业等行业的物料传输系统。一般传输带的

2、电气控制系统采用硬接线方式的继电器控制系统,设备故障率高、可靠性低、体积大、维修和改造不方便。本文介绍一种传输带的PLC 控制系统。PLC( Programmable Logical Controller) 即可编程逻辑控制器,是微型电子计算机与常规控制元件,如继电器等互相结合形成的新型工业自动化控制装置。它是在一位机、顺序控制器和计算机控制的基础上发展起来的;把继 电器控制简单易行、成本低、容易掌握等优点和计算机的功能完善、灵活方便、通用性好等特点结合起来;抛弃了传统的计算机编程语言和表达形式,而是以计算机软件技术构成人们习惯的继电器模型,进而得到以继电器电路梯形图为基础的形象编程语言和模块

3、化软件;对于继电器、计时器、定时器输入信号等内部资源,他可以自如地使用软件构成的逻辑功能多次进行调用。PLC 不但能代替继电器控制简单的开、关顺序,而且能够控制模拟量,还具有通讯及联网功能,可形成分布式控制系统,监测其他的控制器;并能与上位机进行通讯联系,收集生产中的数据,向各主管部门传送重要信息。自60 年代末PLC 产生至今,PLC 控制技术已在工业控制领域占领主导地位,国外专家预言,PLC 技术将在工业自动化的3 大支柱( PLC、机器人和CAD/ CAM) 中跃居首位。在生产过程、科学研究和其他产业领域中，电气控制技术的应用都是十分广泛的。在机械设备的控制中，电气控制亦比其他的控制方法

4、使用得更为普遍。随着科学技术的发展，特别是大规模集成电路的问世和微处理机技术的应用，出现了可编程序控制器PLC，它不仅可以取代传统的继电接触器控制系统，还可以进行复杂的过程控制和构成分布式自动化系统，使电气控制技术应用广泛。目前PLC在我国的应用相当广泛，尤其是小型PLC，采用类似继电器逻辑的过程操作语言，使用十分方便。PLC取代了传统的继电器电路，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。在物料传送控制过程中，不但考虑到几个皮带机之间的时间间隔，还考虑到了当某台皮带机出现故障时的解决办

5、法。另外，当某台皮带机上有重物时，还考虑到了其他皮带机的动作过程。引 言 31. 绪论 51.1 物料传送系统的功能及意义 51.2 PLC的基本概念 51.3 PLC的基本结构 51.4 PLC技术特点及主要功能 61.5 PLC控制系统的功能 61.6 PLC的可靠性 71.7 PLC的应用领域 81.8 PLC控制的的优点 82. 物料传送系统的整体设计 92.1 工作原理图 92.2 物料传送系统控制结构及工作情况 92.3 传送带控制原理 92.4 传送带控制原理流程图 103. 物料传送系统硬件设计 113.1系统的硬件部分 113.2 PLC的选型 113.2.1 物料传送系统对

6、PLC装置的要求 113.2.2 PLC I/O地址分配 113.3 直流电机 113.3.1 电机概述 113.3.2电机控制方法 123.4 基于PLC控制的物料传送系统外部接线图 133.5 物料传送系统的硬件实物图 133.6 PLC的调试和安装 144. 物料传送系统的程序设计 154.1 MELSOFT系列GX Developer编程软件的操作方法 154.2 基于PLC控制的物料传送系统梯形图 154.3 基于PLC控制的物料传送系统程序 185. 结束语 20参考文献 21英文翻译 221. 绪论1.1 物料传送系统的功能及意义 物料传送系统对于生产过程中传送质量过大或者传输距

7、离太远的工作的效率提高有很重要的现实意义。在提高传送速度的同时，又能保证对整个传送系统的监控。本设计所使用的物料传送装置是一个模拟自动化工业生产过程的微缩模型。它使用PLC和直流电机等装置，可以实现货车进站开启出仓口送出物料，通过传送带将物料从高处传送到低处，最后货车将物料送走。能实现货车进站，启动开仓口；物料出仓，传送带将物料从高处逐层送到低处；物料传送到货车后厢，传送完毕，货车开走。物料传送系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行。传送工作基本实现无人化建立自动物料传送系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工人的劳动强度，提高工人的使用效率，因此物料传送系统系统能最大限度地减

8、少人员的使用，基本做到无人化。物料传送本身并不需要使用人员，人员的使用仅仅局限于在上位机上对整个控制系统进行控制与操作。利用可编程控制器（PLC），设计成本低，效率高的物料传送系统。1.2 PLC的基本概念PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操

9、作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”1.3 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机

10、，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： （1）电源。PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 （2）中央处理单元(CPU)。中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别

11、存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 （3）存储器。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 （4）输入输出接口电路。1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电

12、路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 （5）功能模块。如计数、定位等功能模块。 （6）通信模块。如以太网、RS485、各种通讯模块等。1.4 PLC技术特点及主要功能 （1）PLC是以微处理器为核心的工业控制器，既擅长于大规模的开关量控制，也可以此组成DCS,其控制的可靠性和可组态的方便性是传统的继电器控制方法所无法比拟的。 （2）PLC使用简单、易于理解的“梯形图”语言编程，消除了计算机技术和传统的电气技术之间的专业鸿沟。 （3）PLC控制功能强，抗

13、干扰能力强。可在一般的工业区现场安装使用。 （4）PLC产品系列化，结构模块化，系统配置灵活方便。 （5) PLC通信网络化。越来越多的厂家把形成开放式的网络作为产品目标。 (6) PLC专用I/O模块智能化使得PLC继电器控制系统的替代物迅速转变为能够在制造测试、质量管理、过程控制和其他领域中应用的多用途控制器。 (7)PLC运算速度不断提高，处理能力不断强化。 (8）PLC与现场总线技术结合，可组成开放的设备网络。 （9）PLC微型化。随着PLC结构上的改善和更新，联网功能的加强，以及大规模集成电路技术和表面贴装技术的发展，已经可以在增强处理能力的同时大大减少PLC的正机所使用的元件数量，

14、从而不仅减小了PLC体积提高可靠性，更重要的是降低了成本。 （10）顺序控制功能。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。 （11）运动控制功能。在机械加工行业，PLC与计算机数控集成在一起，用以完成机床的运动控制。 （12）定时控制功能。PLC为用户提供一定数量的定时器，并设置了定时指令。 （13）计数控制功能。PLC为用户提供的计数器分为普通计数器，可逆计数器、高速计数器等，用来完成不同用途的计术控制。 （14）步进控制功能。PLC为用户提供了一定数量的移位计存器，用移位寄存器可方便的完成步进控制功能，在一道工序完成之后，自动进行下一道工序。 （

15、15）数据处理功能。大部分PLC都具有一定的数据处理功能，能完成加、减、乘、除、乘方、开方等数据运算以及与、或、非、异或，求反等逻辑运算和移位数据比较、数据转换、数据传送等数据操作。 （16）模/数和数模/转换功能。目前，不但大中型PLC具有模拟数量处理功能，而且很多小PLC也具有模拟数量处理功能。17通信机联网功能。目前绝大多数PLC具有了通信能力，能够在PLC与PLC之间、PLC与计算机之间进行同位链接和上位链接。1.5 PLC控制系统的功能 （1）信号采集功能的拓展。除了采集开关量、模拟量和脉冲量外，还应该能够采集如视频信号、声音信号及图像信号等所有现场有的信号； （2）输出控制功能的拓

16、展。除了输出开关量、模拟量和脉冲量外，还应该能够输出如视频信号、声音信号及图像信号等所有现场可以及接收的信号； （3）逻辑处理功能的拓展。充分应用PC的逻辑处理能力和PLC现有的逻辑能力相结合。 （4）数据运算功能的拓展。进行各种类型的整数运算、实数运算、二进制运算、浮点型运算等各种形式的运算。 （5）定时功能的拓展。达到延时控制、定时控制、时间的运算可以精确到毫秒级。 （6)计数功能的拓展。达到计数控制、高速计数频率可以达到数百赫兹。 （7）中断处理功能的拓展。实现内部中断和外部中断。提高对输入输出的响应速度和精度。 （8）存储功能的拓展。存储容量扩大，提高数据掉电不丢失的技术能力。 （9）

17、网络通信功能的拓展。采用开放式的网络通讯模块，实现稳定的远程控制。通过丰富以上功能，为未来工业自动化、远程化、信息化和智能化创造条件。1.6 PLC的可靠性 随着工业自动化的发展，工业生产对电气控制设备的可靠性的要求也越来越高，PLC应当具有很强的抗干扰能力，能够在非常恶劣的环境下长期连续可靠地工作，平均无故障时间增加，故障的修复时间缩短。就PLC而言，我们认为可靠性应该是作为选取的首要条件。其次是性能和维修方便等原因。 就可靠性而言，应该从PLC的硬件和软件两个方面采取有效措施来提高系统的可靠性。具体的方式如下： （1）选用性能优良的开关电源，对选用的电子器件进行严格筛选，对印刷电路板的设计

18、、加工及焊接都采取更为先进的工艺措施。 （2）采用合理的系统结构与制造工艺，加固和简化安装模式，具有较强的抗震动、抗冲击、耐高温、耐低温、防腐蚀、防爆炸等能力。 （3）采用软件代替传统继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，减少与输入和输出有关的硬件，减少接线，降低应触电不良而造成的故障。 （4）对输入信号进行滤波，普通输入端采用RC滤波器，高速输入端采用数字滤波器，实现对高频干扰信号的滤波作用。 （5）输入输出电路与内部CPU电路之间采用光电隔离，使得工业现场的外部电路与PLC的内部电路之间实现电气上光电隔离。其信息依靠光耦合见和电磁器进行传递。同时，CPU还必须有抗电磁干扰的屏蔽措施

19、，保证PLC不受外界的干扰。 （6）内部各模块均采用电磁屏蔽措施，防止外界辐射干扰。例如，原有的计算机采集卡由于干扰大而无法正常工作，改用内部各模块均采用电磁屏蔽的卡件，可以正常工作。 （7）采用逐行扫描和不间断中断的方式工作这样即可保证实现有序和确定的控制作用，又可以处理各种中断请求，从而保证了对应急情况的及时响应，使PLC能够可靠地工作。 （8）设置昔日运行监控程序，一旦程序出现了死循环，使之能够立即跳出、系统启动并发出报警信号。系统运行监控程序可保证PLC的用户程序正常，避免出现死循环二影响其工作的可靠性。 （9）设置故障检测及诊断，用来检测系统硬件或用户程序是否正常工作，健儿能够自动地

20、作出相应的处理，如：报警、封锁输出、保护数据等。 （10）这样可以使系统出现故障的可能性几乎为零，做到万无一失。这样做的相对来说成本是比较高的。要达到以后的PLC使用起来更为方便，在硬件方面，PLC的硬件应该是高度集成化，使得系统集成为系列化与规格化的各种模块，这样就可以达到使用起来非常的方便，在软件方面，PLC应采用程序来建立控制逻辑，用程序来代替硬件接线，编制程序比硬件接线要方便很多。具体体现在以下几个方面： （1）编程组态的简单化。 （2）设计和调试周期缩短。即实现PLC的系列化、标准化和通用化，用软件功能取代继电器控制系统珠海大量的中间继电器、时间继电器和技术器等器件，是控制柜的设计、

21、安装和接线工作量减少，用户程序的大部分可以喜爱实验室模拟进行，调试好后在将PLC控制系统放到生产现场联机调试，即快速由安全方便，大大缩短了设计和调试周期。 （3）接线和安装的简单化。即所有的接线一次性接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，可不必在接线。内部什么线都不要接，只要做些必要的软件设定就可以工作。 （4）增加控制或改进时更为方便。即在控制要求改变需要变更控制系统功能是，不必改变I/O通道外部接线，只要改变存储器中的控制程序即可。 （5）维护方便。 即PLC具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，而且各种模块上大多有运行和故障状态指示装置，便于用户了解和运行情况和查找故障

22、。 （6）模块丰富且灵活性好，采用模块化硬件结构及软件设计，并形成大、中、小系列产品，使PLC不仅适应大小不同、功能繁复的系统控制要求。用户可以根据需要灵活组合成各种规模和要求的控制系统。 （7）易于实现机电一体化。要实现PLC结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强，机器与电气部件被有机地结合在一个设备内，易于制造机电一体化的产品。 （8）经济合理化。1.7 PLC的应用领域 由于PLC的自身特点和优势，在工业控制中得到了广泛的应用，如：机械、冶金、化工、电力、运输和建筑等众多领域，它的应用范围大致介于继电器控制装置与工业过程控制计算机之间，适用于控制功能要求比较复杂和输入、输出点数

23、较多的场合。包括以下几个方面： （1）开关量的逻辑控制，它包括顺序逻辑控制、动作逻辑控制、定时逻辑控制、计数逻辑控制和组合逻辑控制等。它即可以用于单击控制，也可以用于多级控制和自动化生产线控制。 （2）的控制应开发出各种模块和相关软件。我认为PLC用于过程控制是一个发展的新趋势。 （3）脉冲量运动控制，可以是单坐标控制，即控制对象做直线运动。也可以是多坐标控制，即控制对象作平面运动或空间运动。 （4）数据处理和信息控制，具有数学运算、数据传达、转换功能，通过它可以完成数据的采集、分析和处理功能。如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品加工中的一些大型控制系统。它也PLC应

24、用的一个重要的方面。1.8 PLC控制的的优点 （1）采用PLC控制则PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好LC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作。 （2）PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约

25、的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序。PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。 （3）PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。2. 物料传送系统的整体设计2.1 工作原理图 具体工作原

26、理图如下：如图2-1所示图2-1 基于PLC控制的物料传送系统工作原理图2.2 物料传送系统控制结构及工作情况 本物料传送系统由四条皮带运输机组成，分别用四台电动机带动。启动时先启动最末一条皮带机，经过5s延时，再依次启动其他皮带机。停止时应先停止最前一条皮带机，待料运送完毕后再依次停止其他皮带机。当某条皮带机发生故障时，该皮带机及其前面的皮带机立即停止，而该皮带机以后的皮带机待料运完后才停止。 当条皮带机上有重物时，该皮带机前面的皮带机停止，该皮带机运行5s后停，而该皮带机以后的皮带机待料运完后才停止。 2.3 传送带控制原理按下启动按钮SB1，X0输入点通电则Y3通电，外部线圈KM4通电，

27、电机D运行，同时定时器启动开始延时；5秒后，Y2通电，外部线圈KM3通电，电机C运行，同时定时器启动开始延时；5秒后Y1通电，外部线圈KM2通电，电机B运行，并在同时启动定时器；5秒后Y0通电，外部线圈KM1通电，电机Y0运行。按下停止按钮SB2，X5输入点通电则Y0断电，外部线圈KM1断电，电机A运行停止，同时开始计时；5秒后，Y1断电，外部线圈KM2断电，电机B运行停止，同时开始计时；5秒后，Y2断电，外部线圈KM3断电，电机C运行停止，同时启动定时器；5秒后，Y3断电，外部线圈KM4断电，电机D运行停止。当出现A故障时，外部模拟开关SQ1通电，则X1通电，启动定时器。5秒后，Y0断电，外

28、部线圈KM1断电，A电机停止运行，并触发定时器；5秒后，Y1断电，外部线圈KM2断电，电机B停止运行并开始计时；5秒后，Y2断电，外部线圈KM3断电，电机C停止运行并开始计时；5秒后，Y3断电，外部线圈KM4断电，电机D停止运行。当出现B故障时，外部模拟开关SQ2通电，则X2通电，Y0断电，外部线圈KM1断电，A电机运行停止，启动定时器。5秒后，Y1断电，外部线圈KM2断电，B电机停止运行，并触发定时器；5秒后，Y2断电，外部线圈KM3断电，电机C停止运行并开始计时；5秒后， Y3断电，外部线圈KM4断电，电机D停止运行。当加C故障时，外部模拟开关SQ3通电，X3通电则Y0、Y1断电，外部线圈

29、KM1断电，外部线圈KM2断电，电机A、B运行全部停止，与此同时，开始启动定时器；5秒后，Y2断电，外部线圈KM3断电，电机C停止运行并开始计时；5秒后，Y3断电，外部线圈KM4断电，电机D停止运行。当加D故障时，外部模拟开关SQ4通电，X4通电则Y0、Y1、Y2断电外部线圈KM1断电；外部线圈KM2断电；外部线圈KM3断电，电机A、B、C运行全部停止，与此同时开始启动定时器；5秒后，Y3断电，外部线圈KM4断电，电机D停止运行。2.4 传送带控制原理流程图 图2-2 基于PLC控制的物料传送系统原理流程图3. 物料传送系统硬件设计3.1系统的硬件部分（1）主要元件：直流电机，开关、按钮、可编

30、程控制器（PLC)。 （2）数字万用表：测量电路焊接的短路情况，元件能否正常工作，工作电压大小。（3）电脑：调试程序和烧写程序的媒介。 3.2 PLC的选型3.2.1 物料传送系统对PLC装置的要求 （1）从性能要求上考虑，应具有紧凑的设计、良好的扩展性以及强大的指令系统。 （2）从经济角度考虑，要求CPU的性能良好，经济耐用、调试维护方便等特点。FX2N-48MR是日本三菱公司的可编程控制器(PLC),继电器输出及输入24点,输出24点.FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊

31、控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。所以在本次设计中，选用的是三菱的FX2N-48MR。 图3-1 三菱的FX2N-48MR型号PLC3.2.2 PLC I/O地址分配(1)输入信号设有：SB1、SB2、分别为主机的启动和停止输入点.X0、X5；表示负载或故障设定的A、B、C、D四个按钮分别接主机输入点X1、X2、X3、X4。(2)输出信号设有：KM1、KM2、KM3、KM4分别接主机的输出点Y0、Y1 、Y2、Y3。3.3 直流电机3.3.1 电机概述 直流电机（direct current machi

32、ne）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。 定子： （1）主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。 （2) 换向极 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能