PLC控制定位小车.docx

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PLC控制定位小车

PLC控制定位小车

摘要：

在现代大型程控系统中，运输小车要完成皮带运输部分和指定地点的对接。

因此，要求其定位控制系统既具备精确性和高可靠性，又具有良好的动态性，能满足实际操作所要求的灵敏性。

在本系统中利用PLC的编程简单、可靠性高、抗干扰能力强及环境适应性好的特点，实现了对有轨小车定位控制系统的开闭环相结合的控制策略。

关键词：

定位小车定位系统PLC

ABSTRACT：

Thepositioncontrolsystemoftransportationinthemodernthermal-electricplant,whichcontrolsthepulleytofulfilltheconnectionstraptransportationtotheappointedsilo,needsnotonlythesystem’saccuracyandhighreliability,butalsothesystem’sdynamic-performanceandthesensitivitythatbetimesrespondstotheoperation.Inthepaper,weusePLCtofulfillthepulley’sopen-circuitandclose-circuitcontroltactic,becauseitsprogrammingsimply,highdependability、highabilityofanti-disturbingandgoodenvironmentadaptability.

KEYWORDS：

PositionSystemPLC

一、概述

二、可编程控制器的发展

三、可编程控制器的基本结构

四、可编程控制器的工作原理

五、可编程控制器控制定位小车的系统组成

六、控制策略的实现

七、系统的实现

八、I/O地址分配、选型及松下FP1——C24简介

九、控制时序图

十、硬件连线

十一、步骤及注意事项

十二、软件编程

十三、结束语

十四、参考资料

十五、附图

一、概述

在现代大型程控运输系统中，定位小车有着关键作用，小车根据接收到的中央控制室的装煤指令（即装煤仓口号）在固定导轨上做相应地往复运动。

小车在其驱动电机驱动下遵从预置的控制策略，在传输皮带系统上的原煤到达筒仓顶前，及时、准确地到达指定的位置.由于小车的重量在启动和停止时都存在很大的惯性，而系统的定位精度有一定要求。

对于大惯性被控对象，如果采用常规闭环控制，其控制效果很难达到预期效果，响应时间长、超调量大、振荡激烈，势必会引起小车在停止过程里驱动电机起停频繁，难以达到系统所要求的动态精度。

针对小车在整个过程中所起的作用及其作为具有大惯性特征的被控对象，在其定位控制系统中通过开、闭环控制相结合的策略来实现其复杂的控制、定位功能。

二、可编程控制器的发展

可编程控制器的起源可以追溯到60年代。

美国通用汽车（GM）公司为了适应汽车型号不断翻新的需要，提出希望有这样一种控制设备：

（1）它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单，成本低。

（2）它能把计算机的许多功能和继电控制系统结合起来，但编程又比计算机简单易学、操作方便。

（3）系统通用性强。

1969年美国DEC公司研制出第一台可编程控制器，用在GM公司生产线上获得成功。

其后日本、德国等相继引入，可编程控制器迅速发展起来。

但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但实际只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（ProgrammableLogicController）。

进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，才使得可编程控制器有了突飞猛进的发展。

其功能己远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称为可编程控制器简称PC（ProgrammableController）。

但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。

目前PLC功能日益增强，可进行模拟量控制、位置控制。

特别是远程通信功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统（FMS），使得PLC如虎添翼。

无怪乎有人将PLC称为现代工业控制的三大支柱（即：

PLC、机器人和CAD／CAM）之一。

目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的实现。

三、可编程控制器的基本结构

目前PLC生产厂家很多，产品结构也各不相同，但其基本组成部分大致如图1和图2所示。

由图可以看出，PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入、输出接口电路等。

其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。

如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量→PLC→出数变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输出变量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，他们是PLC的输出变量。

由这些输出变量对外围设备进行各种控制。

这里可以将PLC看作一个中间处理器或变换器，已将输入变量变换为输出变量。

下面结合图1、图2具体介绍各部分的作用。

1、CPU

CPU是中央处理器（CentreProcessingUnit）的英文缩写。

它作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。

它主要完成以下功能：

（1）将输入信号送入PLC中存储起来。

（2）按存放的先后顺序取用户指令，进行编译。

（3）完成用户指令规定的各种操作。

（4）将结果送到输出端。

（5）响应各种外围没备（如编程器、打印机等）的请求。

目前PLC中所用的CPU多为单片机，在高档机中现已采用16位甚至32位CPU，功能极强。

2、存储器

PLC内部存储器有两类：

一类是RAM（即随机存取存储器），可以随时由CPU对它进行读出、写入；另一类是ROM（即只读存储器），CPU只能从中渎取而不能写入。

RAM主要用来存放各种暂行的数据、中间结果及用户正在调试的程序，ROM主要存放监控程序及用户已凋试好的程序，这些程序都事先烧在ROM芯片中，开机后便可运行其中程序。

3、输入、输出接口电路

它起着PLC和外围段备之间传递信息的作用。

为了保证PLC可靠工作，

设计者在PLC的接口电路上采取了不少措施。

常用接口电路的结构如图3、图4所示。

由图可见，这些接口电路有以下特点：

（1）输入采用光电耦合电路，可大大减少电磁干扰。

（2）输出也采用光电耦合隔离并有三种方式，即继电器、晶体管和晶闸管。

这使得PLC可以适合各种用户的不同要求。

如低速、大功率负载一般采用继电器输出；高速大功率则采用晶闸管输出；高速大功率则采用晶闸管输出；高速小功率可用晶体管输出等等。

而且有些输出电路做成模块式，可插拔，更换起来十分方便。

除了上面介绍的这几个主要部分外，PLC上还配有何各种外围设备的接口，均用插座引出到外壳上，可配接编程器、打印机、录音机以及A/D、D/A串行通信模块等，可以十分方便地用电缆进行连接。

四、可编程控制器的工作原理

PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机行很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I／0扫描方式，有键按下或I／0动作，则转入相应的子程序,无键按下则继续扫描。

PLC则采用循环扫描工作方式。

在PLC中，用户程序按先后顺序存放，如图5所示：

CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。

如此周而复始不断循环。

第一个循环成为一个扫描周期。

一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段：

所谓I／0刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新渎入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。

这实际是将存放输入、输山状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）／O（输出）刷新”。

由此可见，若输入变量在I／0刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应地发生变化，或者说输出对输入产生了响应。

反之，若在本次I／0刷新之后，输入变量才会发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会响应。

由于PLC采用循环扫描的工作放式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。

扫描周期的长短主要取决于这几个因素：

一是CPU执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。

对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种工作方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。

因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才相应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误工作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。

但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就须慎重考虑。

应对响应时间做出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的响应延时等不良影响。

总之，采用循环扫描的工作方式，是PLC区别于微机和其它控制设备的最大特点，适用者应充分注意。

关于PLC的内存分配及I/O点数

1、PLC内部寄存器分配：

每个区分配一定数量的寄存器单元，并按不同的区进行编号。

下面分别介绍各个区：

2、I/O区

I/O区的寄存器可直接和外部输入、输出端子传递信息。

在PLC中这个区的寄存器有特殊编号，如输入寄存器编号为In，输出寄存器编号Qn.n可以是任意十进制，n的范围主要受CPU的I/O寻址能力限制。

I/O寄存器一般是一个16位寄存器，它的每一位对应PLC的一个外部端子。

I/O寄存器的的个数乘16即PLC最大可扩展的I/O点数。

如I/O寄存器有10个，则10×16=160，即该PLC最大可扩展到160个I/O点。

不同机型的PLC配备不同的I/O点，一般小型PLC其主机有几十个I/O点。

一台PLC若I/O点数不够还可以接扩展I/O模块（如图6），扩展I/O模块也有不同点数的产品可供选用。

一般扩展模块内只有I/O接口电路、驱动电路而没有CPU，它只能经总线电缆与主机相连，有主机内CPU进行寻址，故最大扩展能力受主机最大扩展点数限制。

如一个120点的PLC小型机系统，可以由一个40点的主机加两个40点的I/O扩展模块构成。

3、内部辅助寄存器区

这个区的寄存器可供用户存放中间变量使用。

在PLC中常习惯称它们为“辅助继电器”或“软继电器”。

它们的作用和传统继电器控制系统中的中间继电器十分相似。

虽然他们是一些逻辑单元电路，但我们可以把它们做为继电器看待，它们有自己的“线圈”也有自己的“触点”，可以实现继电器的功能。

用“软继电器”代替“硬继电器”，这可以说是继电控制系统设计上的一个革命，是PLC日益取代传统机电控制的很重要的原因之一。

这使得整个控制系统大为简单，减少了很多外部接线，使调试和更改”电路”容易,只要修改程序即可:

大大增加了系统的灵活性,便于实现柔性加工;而且同一个软继电器可提供无数个常开和常闭触点.

4、特殊寄存器区

这个寄存器区一般是有特殊用途的，不能由用户任意占用。

如有的存放特殊标志，有的产生定时时钟，有的存放系统内部各种命令等等。

5、数据区

存放有外围设备采集进来的各种数据，或运算、处理的中间结果。

6、数据区

存放由外围设备采集进来的各种数据，或运算、处理的中间结果。

五、可编程控制器控制定位小车系统组成

由图1的系统示意图可知，系统的组成主要有PLC、传统及电器、行程开关及驱动电机等。

其整个控制系统是通过对PLC、继电器、行程开关的编程来实现的。

如定位小车示意图，由单相交流电动机拖动，其主回路与传统机电控制相同，而控制回路可用PLC取代。

如小车前进（对应电机正转），则由PLC通过程序接通某输出触点，再通过该点接通正转接触器线圈，使电机正转。

反之，若小车后退，则PLC将通过另一输出触点接通反转接触器线圈，使电机反转。

若要小车停止，责PLC将输出触点均断开。

同理，行车方向指示灯也如此控制，整个控制系统所需开关，如行程开关、起动、停车开关及电路短路反馈信号等均可用“输入开关扳”实现。

可以通过在模拟的开发软件平台上绘制逻辑梯形图，来实现对PLC的编程和调试。

六、控制策略的实现

由于有轨小车在其启动和停止阶段都具有很大的惯性。

对于这种大惯性被控制对象，采用常规的闭环控制，很难达到预期效果，势必会出现响应时间长、超调量大、振荡激烈等现象。

而且在实现过程中，需要安装大量的传感器，该工艺不但复杂，而且运行和维修成本都很高。

本控制系统设计的出发点是：

基于对停止精度要求较高的场合，广泛采用闭环控制，而在该系统中针对大惯性被控对象，采用开、闭环相结合的控制策略。

为了提高停止控制精度，注意到以下几点：

①启动速度要低，即速度控制范围要广，②从启动到停止的速度模式相同。

七、系统的实现

在该系统软件中，可以完成梯形编辑、故障预排除、拖放编辑、I/O模块布局和配置、数据库编辑和程序出错诊断等功能。

在该系统中，当PLC收到由中央控制室来的装载信号（即装煤仓口号）时，该仓口号与小车现停仓口号进行比较，即可得到一个符号数。

该数的符号，可以用来判断小车的运动方向，从而PLC给驱动电机和卷缆筒力矩电机正反转信号。

符号数与两个筒仓间距离常数相乘的绝对值，即小车需运行的距离。

由于小车的导轨膨胀率和筒仓间的距离常数随气候变化而变化。

所以为了减轻外界因素的影响，减小其运行环境对整个系统控制精度的影响，特别是对小车定位控制精度的影响，达到系统所要求的定位控制精度及系统动态灵敏度，在小车整个控制系统中，通过PLC动态调整运行参数来动态适应运行环境的改变。

系统根据最大误差极限能动态进行参数调整，即筒仓间的仓间距离所对应的脉冲数。

根据在运行中数据的动态采集、参数的动态微调及运行数据的动态调整，使其能动态地满足系统在环境因素影响下的控制要求。

八、I/O地址分配、选型及松下FP1——C24简介

1、I/O地址分配表

输入

输出

X0:

起动开关

Y0反转控制（后退）

X1：

A点到位程开关

Y1正转控制（前进）

X2：

B点到位行程开关

Y2后退指示

X3：

短路反馈信号

Y3前进指示

X4：

停车开关

2、I/O选型

3、FP1——C24简介

FP1是日本松下电工公司生产的小型PLC产品.有C14,C16，C24,C40,C56.C后阿拉伯数字是输入,输出点之和.

FP1是近代功能非常强的小型机.主机控制单元内有高速计数器.可输入频率高达10KHZ的脉冲.并可同时输入两路脉冲.另外输出频率可调的脉冲信号.该机有8个中断源的中断优先权管理.主机控制单元还配有RS232口,可实现PLC与PC机之间的通讯.

除了主机控制单元以外,与之配套的还有扩展单元,智能单元和链接单元.

扩展单元为I/O扩展点数的模块,由E8~E40系列组成.利用此模块可以将I/O点数扩展至152点.

智能单元主要为A/D,D/A模块.当需要对模拟量进行测量和控制时,可以连接智能单元.

链接单元,通过远程I/O可实现主FP系统进行I/O数据通讯,从而实现一台主控制单元的控制.

九、控制时序图

十、硬件连线

硬件是执行编程者思想（即软件编程）的工具，没有硬件，程序编的再好也无尽于事。

在该设计中我们采用了电线把交通灯模块和PLC的输出端子相连，将我们的控制输出。

十一、步骤及注意事项

1、步骤

（1）起动上位机，将小车程序下载到PLC，起动组态王，按运行进入组态王监控画面。

用主机显示灯监视程序运行情况，进行模拟调试，直至正确为止。

（2）断电后，将PLC输出端子与电机正反转控制接触线圈和运行方向指示灯相连，再将主回路连接好。

（3）经检查接线正确无误后，起动程序，观察电机和指示灯的状态。

2、注意事项

（1）程序中必须保证正反转间实现互锁。

（2）严格按步骤进行，做完步骤一方可进行步骤二。

（3）外部接线连接完毕后，必须经过检查，方可启动运行。

十二、软件编程

1、软件说明

软件编程在本设计中尤其重要，控制功能基本上是由软件完成的，发挥功能的关键控制部分同样需要软件的密切配合才能顺利实现。

我们采用了FPWIN－ＧＲ编程软件，采用梯形图编程方法自上而下分别运用了时间控制、自锁互锁控制，控制输出等几个部分。

FP1有两种编程手段.一种使用手持编程器进行程序编辑,另一种是使用软件在个人计算机上进行编辑.我们使用后者。

2、程序梯形图见附图

十三、结束语

由于定位控制系统的灵敏性、稳定性和精确性在很大程度上影响着整个定位小车的运行过程。

因此对系统中的保护环节，运行参数的动态采集、动态调整等需要加以协调，进行综合考虑。

本文所论述的是采用开、闭环相结合的控制策略来实现有轨小车的定位控制。

其中为了达到较高的动态灵敏度和较高的控制精度，运用系统的动态采集、动态微调运行参数和动态实时的监测系统的运行参数来保证系统运行在稳定的工作状态。

深深地感谢几位辛勤指导我们工作、学习的老师！

通过这次毕业设计，也深深的体会到理论联系实际的重要性。

这次毕业设计锻炼了我们的动手能力，增强了我们的实践意识，还激发了我们的创新思维；不仅提高了我们的团队合作精神，还培养了我们克服困难和吃苦耐劳的精神；所有这些都无不激发着我们去不断追求、不断创新。

最后再次感谢我们辛勤的老师！

十四、参考资料

电器智能试验指导书--------------济南行客经贸有限公司

中华工控网----------------------

万方数据库----------------------

可编程控制器原理及实验----------国防工业出版社

RSLogic500PLCUserManual,RockwellInternationalCorporation1998

requencyConverterUserManual,RockwellInternationalCorporation1998

十五、附图