自动送料装车系统PLC控制系统设计.docx

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自动送料装车系统PLC控制系统设计

摘要：

利用可编程序控制器（PLC）适应性强、可靠性高、维护方便等特点，采用PLC实现送料装车系统，使物料能够自动传送和装车，减少劳动力，提高生产效率。

本设计以系统的控制要求为出发点，进行了系统的硬件设计和软件设计（如梯形图和指令表等）。

并且采用PLC编程软件GXDeveloper,对梯形图进行编写，仿真和调试，测试结果表明采用PLC控制器能够达到设计要求。

关键词：

PLC；自动送料；硬件设计；软件设计

ABSTRACT:

Programmablelogiccontrollerreferred toPLC,Itischaracterizedbyhighadaptability,highreliability,easymaintenance,etc.ThisdesignusesthePLCtorealizefeedloadingsystemcontrolrequirements.Anditmakesmaterialsautomaticallytransmitandloading,reducethelaborforce,improveproductionefficiency.Thisdesignistocontroldemandasthestartingpointofthesystem,introducingthehardwaredesignandsoftwareofthesystem,suchasladderdiagramandinstructionlist.AlsothisdesignusesPLCprogrammingsoftwareGXDevelopertowriteladderdiagram,simulateanddebug.ThetestresultsshowthatadoptingPLCcanmeetthedesignrequirements

KEYWORDS:

PLC;Automaticfeed;HardwareDesign;SoftwareDesign

1.前言

1.1系统设计的意义

自动送料装车系统是基于PLC控制而设计的系统，该PLC控制系统实现了物料的自动传送和装车功能，代替了过去采用的人力运送物料。

自动送料装车系统广泛应用于工厂物料传输的流水线设备中，可以传输煤粒、细砂等材料。

该系统是由电动机、传送带、给料器、传送带、小车、开关、按钮等设备组成；它通过控制三台电动机控制物料传送皮带的移动使物料传送。

而且由于PLC体积小、维修方便、操作安全、编程简单、能适应工厂恶劣的工作环境，利用PLC控制送料传送系统将会大大降低劳动力，提高生产效率，为工厂带来更多的利润。

1.2PLC的应用现状及发展趋势

可编程控制器（即PLC）是在19世纪60年代末在美国首先出现的，它用来取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制，顺序控制，定时，计数等功能。

随着PLC技术的不断完善和成熟，PLC的处理速度有了大大提高，功能也日趋完善，具有通用性高、可靠性高、编程简单、抗干扰性强、适应性强、维修方便等特点。

广泛应用于化工、电力、石油、采矿、冶金、机械等领域。

在可编程控制器产生之前，工业生产过程和机械的控制只要是通过继电器来实现。

继电器一方面具有操作简单、实用、价格便宜，抗干扰性强的优点，另一方面具有可靠性不高、灵活性差，只具有逻辑、定时的特点。

因此，在现代化工厂生产过程中，为了降低劳动成本，减轻工人的工作负担，提高生产效率，同时也为了保障工人的生命安全，要求工业生产过程实现自动化，这就需要PLC控制系统。

随着科学技术的不断发展到今天，PLC的CPU处理速度有了很大的提高，功能也在日趋完善，现在的PLC不仅能实现开关量控制，还能实现模拟量控制、位置控制、联网通信等。

PLC未来的发展将在以下几个方面：

1.体积小、速度快、高性能、价格低廉；

2.大型化、多功能、网络化；

3.与其他智能控制系统相互渗透和结合。

使用PLC控制，具有以下优点:

1.编程简单，使用方便

PLC的编程语言指令少，采用简明的梯形图、逻辑图和指令表等编程语言，编程简单易学，而且当改变控制方案而不需改变硬件接线，只需修改用户程序，不必须改变硬件接线。

2.抗干扰性强，适应性强

PLC能够适应工业化生产现场，采取了隔离、屏蔽、联锁、滤波等安全措施，使之能抵抗外部干扰，

适应恶劣的生产环境。

3.可靠性高，维护方便

PLC使用软件代替继电器，仅需要少量的输入和输出硬件，可以因触点的接触不良产生故障大为减少，出现故障时只需将PLC的输入、输出模块拔掉，大大缩短了故障修复时间。

1.3设计的主要内容

实现小车的送料装车系统控制要求的方法有多种，比如采用继电器、单片机、可编程控制器等。

在上文已经讲述了采用继电器的特点，一方面具有操作简单、实用、价格便宜，抗干扰性强的优点，另一方面但由于可靠性不高、灵活性差，只具有逻辑、定时的特点，难以达到适应复杂和程序可变控制要求，无法适应激烈的市场竞争，因此在本设计中不采用继电器。

另外如果采用单片机控制小车自动送料和装车，需要加入A/D、D/A转换器，线路接线复杂，且编程显得复杂和困难；而且单片机控制电路容易受外界环境的干扰，适应性不高且不稳定。

而由于本人的能力有限，因此也不采用单片机。

此外PLC内部具有定时和计数功能，因此我采用PLC来实现小车的自动送料装车的控制。

本设计以系统的控制要求为出发点，介绍了系统的硬件设计和软件设计（如梯形图和指令表等）。

并且采用PLC编程软件GXDeveloper,对梯形图进行编写，仿真和调试，最后得出结论。

要达到设计的控制要求，其过程分为两个部分:

一是系统的硬件设计，二是系统的软件设计。

系统的硬件设计内容包括PLC机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、输入和输出设备的选择等；系统的软件设计的内容有分配输入和输出的点数、画出系统流程图、设计梯形图和指令表程序。

另外我采用三菱PLC编程软件GXDeveloper对梯形图进行编写，经检查无误后再仿真与调试，最终得出结论。

预期的结果是:

采用PLC编程软件进行系统的调试与仿真，通过控制输入触点的通与断，得出对应的输出。

即实现了控制输入开关的通断控制三台电动机的启动与停止，来控制物料传送皮带的移动使物料传送。

2.PLC控制系统的硬件设计

2.1系统的控制要求

初始状态，红灯L1灭，绿灯L2亮，小车可以开进装料，料斗K2关闭，电动机M1、M2、M3都关闭。

当料不满时K1导通，K2关闭不出料。

当小车开到称重开关S2处，S2接通，红灯L1亮，绿灯L2灭；按下启动按钮S3,电动机M3运行，电动机M2在M3启动后延迟2秒运行，电动机M1在M2转动后延迟2秒运行；K2在M1运行2秒后导通出料。

当料满后，断开称重开关S2，料斗K2关闭；启动按钮S3关闭，电动机M1延时2秒关闭，电动机M2在M1关闭后延时2秒停止，电动机M3在M2关闭后延迟2秒停止，此时红灯L1灭，绿灯L2亮，小车可以开走。

当系统发生故障时，黄灯L3亮，正常情况灭如图2-1所示：

图2-1自动送料装车系统

2.2系统的主电路图

系统主电路原理图如图2-2所示：

图2-2自动送料装车系统主电路原理图

图中，电动机的正反转控制送料开关K1和料斗K2的打开和关闭；交流接触器KM1、KM2、KM3的作用是控制电动机M1、M2、M3的运行来控制物料传送皮带送料；FR1、FR2、FR3是热继电器，对三台电动机起短路保护和过载保护作用。

2.3PLC机型的选择

PLC机型选择的原则是：

在满足控制要求的条件下，应保证工作正常运行，维护方便，以获得最佳的性价比。

在选用PLC应考虑以下几个问题：

（1）PLC的性能与控制要求相适应。

对于开关量控制的系统，当它对于控制要求不高时，可以选择小型PLC（如MITSUB-ISHI公司FX2NX系列的FX2N—16MR、FX2N—32MR等）。

（2）PLC的机型系列应统一

（3）PLC的CPU处理速度应满足控制要求，具体方法有：

选择CPU处理速度快的PLC；优化应用软件；采用高速响应模块；考虑是否在线编程。

2.4PLC容量的估算

PLC容量的估算，包括两个方面：

一是输入/输出点数估算，二是用户存储器的估算。

（1）输入/输出点的估算

通常输入点与输入信号，输出点与输出信号是一一对应的，特殊情况下会出现两个信号公用一个输入点。

（2）用户存储器的估算

在本设计中，输入信号有3个，输出信号有7个，则需要3个输入点和7个输出点，因此，可选择FX2N-16MR型PLC,它有8个输入点和8个输出点。

2.5PLC输入、输出模块的选择

1.开关量输入模块的选择

开关量输入模块的作用是检测、转换来自现场设备（如按钮、行程开关、转换开关等）的高电平信号转为PLC内部电平信号。

输入接口电路按PLC输入模块与外部用户设备的接线，可分为汇点输入接线和独立接线。

本设计中选择三相交流输入电源AC380V，三个电动机采用汇点式输入接线方式共用一个电源。

2.开关量输出模块的选择

开关量输出模块的作用是将PLC内部低电平转换为外部所需电平的输出信号。

开关量输出模块有三种输出方式：

继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。

2.6按钮、开关类电器的选择

在本设计系统中，采用组合开关，用于电源的引入。

根据电动机的容量、电流的种类、电压的等级选择。

2.7熔断器的选择

熔断器的选择方法是：

首先确定熔体的额定电流；再根据熔体的规格，选择熔断器的规格；最后根据被保护电流的性质，选择熔断器的类型。

1.熔体额定电流的选择

熔体额定电流的选择需要满足一定的条件：

（1）IFUN≥I（2-1）

其中IFUN————熔体的额定电流；

I——负载的额定电流。

（2）在本设计中，有三台电动机共用熔断器，则：

IFUN≥Im/2.5（2-2）

式中：

Im-------电路最大电流；

当三台电动机不同时启动时，系统的最大电流为：

Im=7Iemax+

（2-3）

其中

———其余电动机的额定电流之和；

Iemax———最大容量的一台电动机的额定电流。

2.熔断器规格的选择

熔断器的额定电压要大于系统电路的工作电压，额定电流也要大于或等于熔体的额定电流。

3.熔断器类型的选择

熔断器必须要根据负载保护特性、短路电流大小和安装条件选择。

2.8继电器的选择

在本设计中选用具有带电保护功能的继电器，防止在运行中因电源断电而导致数据的丢失。

1.时间继电器

由于本设计中要延时2秒，并且从经济角度考虑，可选择空气阻尼式时间继电器，它的延时范围有0.4S--80S和0.4--180s两种，触点的额定电压为380V，额定电流为5A。

2.热继电器

热继电器的选择可按下列公式选择：

IFRN=（0.95~1.05）Ied（2-4）

其中：

IFRN———热元件整定电流。

2.9接触器的选择

本设计采用交流接触器。

接触器应参照其主要技术参数选择。

它的主要技术参数有：

级数、额定工作电压、额定工作电流、额定功率、线圈额定电压、允许操作频率、机械寿命等。

系统设计中主要考虑交流接触器主触头的额定电流和额定电压。

UKMN≥UCN（2-5）

IKMN≥IN=PMNx10³/KUMN（2-6）

式中UKMN———接触器的额定电压；

UCN———接触器的额定线电压；

IKMN———接触器的额定电流；

PMN———电动机的功率；

UMN———电动机的额定线功率；

K———经验系数，K取值1~1.4。

3.PLC控制系统的软件设计

3.1自动送料装车系统流程图

自动送料装车系统流程图如图3-1所示：

图3-1自动送料装车系统流程图

3.2统计输入、输出点数和选择PLC的型号

1.输入、输出点的统计

输入信号有三个开关按钮S1、S2、S3，需要有3个输入点。

输出信号有8个，3个输出线圈,3个指示灯输出和K1、K2，,总共要8个输出点。

2.PLC型号的选择

由于输入点有3个，输出点有8个，可选择FX2N-18MR型PLC，它有8个输入点，8个输出点，能够满足设计要求。

字母R表示PLC为继电器输出。

3.3PLC输入、输出端子的分配

PLC输入、输出端子的分配如表3-1所示：

三个热继电器的常闭触头不作为输入点，而是放到输出电路中，分别与三个输出线圈连接，同样能起到过载和短路保护作用。

表3-1PLC输入、输出端子的分配

输入设备

输入端子

输出设备

输出端子

检测开关S1

X000

进料开关K1

Y000

料斗K2

Y001

称重开关S2

X001

允许汽车开走L2

Y002

允许汽车开进L1

Y003

启动开关S3

X002

电动机M1

Y004

电动机M2

Y005

电动机M3

Y006

故障报警信号灯L3

Y007

3.4PLC输入、输出端子接线图

PLC输入、输出端子接线图如图3-2所示：

图3-2PLC输入、输出端子接线图

3.5三菱PLC编程软件GXDeveloper

3.5.1GXDeveloper简介及功能

GXDeveloper是MELSOFT可编程控制器MELSOFT编程软件。

它有两种型号：

一是SW8D5C-GPPW-E（英文版），二是SW7D5C-GPPW-C（中文版）。

在本设计中使用SW7D5C-GPPW（中文版）可编程控制器编程软件。

GXDeveloper具有以下功能：

1）支持所有三菱PLC系列编程；

2）支持梯形图、指令表、ST、SFC、FB、Label编程；

3）网络参数的设定，进行程序的线上更改、监控和调试。

另外可以使用三菱PLC仿真软件GXSimulator6-C对编程好的程序在电脑中进行虚拟运行。

在安装GXSimulator6-C之前，必须先安装GXDeveloper，并且版本要互相兼容。

当安装完它们之后，在桌面或者开始菜单中并没有仿真软件的图标。

因为仿真软件被集成到编程软件GXDeveloper中了，这个仿真软件相当于编程软件的一个插件。

3.5.2使用GXDeveloper编写梯形图

具体方法如下：

1.当安装完GXDeveloper和选GXSimulator6-C之后，点选“开始”菜单栏，顺序点选“所有程序”→“MELSOFT应用程序”→“GXDeveloper”，双击图标打开GXDeveloper软件。

2.在菜单栏中单击“工程”→“创建新工程”，出现如图所示画面：

在“PLC系列”中选择“FXCPU”,在“PLC类型”中选择“FX2N（C）”,程序类型选择“梯形图”，设定工程名后，再按确定。

3.按确定之后，之后出现下图所示画面：

4.下面列举一个简单的程序，如下图所示：

写完PLC程序后，形成如下图画面：

5.在写完梯形图后，再进行程序转换，将编辑的程序梯形图变换为PLC可识别的内部语言指令。

可按F4键或选择菜单“变换”再点“变换”。

如下图所示：

6.选择主菜单栏中“工具”→“程序检查”，进行程序检查。

出现下图画面：

程序检查（MAIN）”提示框内，检查内容默认为全部选择，检查对象默认为选择“当前的程序作为对象”，点选“执行”，如有出错，则于文本框内会显示出错的软元件名称、出错步数、出错原因说明。

7.用GXSimulator6C对PLC程序仿真

1）点击菜单栏“工具”→“梯形图逻辑测试起动”，显示“LADDERLOGICTESTTOOL”提示框，如下图所示：

2）仿真软件会自动运行，同时显示“PLC写入”提示框，软件启动完成，“LADDERLOGICTESTTOOL”提示框内变化“RUN”变色为黄色，“运行状态”栏选为“RUN”。

如下图所示。

3）软件启动完成后，软件运行模式为“监视模式”，“监视状态”提示栏显示PLC处于“RUN”状态及程序单循环执行周期时间。

8.PLC程序软元件测试

1）单击主菜单栏中“在线”→“调试”→“软元件测试”，出现“软元件测试”提示框画面，如下图所示：

“位软元件”——指输入X\Y\M\C\S等位软元件，点击“强制ON”接通软元件触点或线圈，点击“强制OFF”断开软元件触点或线圈。

“字软元件”——指输入T/D等字软元件，在“设置值”框内输入设置值，点击“设置”则开始T/D继电器仿真运算。

“执行结果”——显示软元件仿真运行的结果。

2）不同类型的软元件触点的测试中仿真、复位、触点块颜色变化列表如表3-2所示：

表3-2仿真、复位、触点块颜色变化

触点类型

仿真动作启动按键

模拟状态

仿真复位按键

触点块颜色

常开

强制ON

接通

强制ON/OFF取反

白色→蓝色

常闭

强制ON

断开

强制ON/OFF取反

蓝色→白色

上升沿脉冲

强制ON

短促接通

强制ON/OFF取反

白→蓝→白

下降沿脉冲

强制OFF

短促接通

强制ON/OFF取反

白→蓝→白

3）点击“软元件测试”提示框内“关闭”，则退出PLC程序软元件测试模式。

4）点击主菜单栏“工具”→“梯形图逻辑测试旧结束”，则退出仿真测试。

5）退出仿真测试后，软件状态为“读出状态”，如果要继续编辑或修改，可点击“工具条”第3个按键，转为“写入模式。

3.6PLC控制程序的设计

3.6.1软件设计方法

在软件设计中，常用的方法有经验法、解析法、图解法和计算机辅助设计。

（1）经验法，顾名思义就是运用自己或别人的经验设计。

（2）解析法，是指利用组合逻辑和时序逻辑的理论，并采用它们对应的解析方法进行逻辑求解，从而得到程序。

（3）图解法，常用的方法有：

梯形图法、波形图法、状态转移图法。

（4）计算机辅助设计，是指利用应用软件在计算机上设计梯形图，然后传到PLC中。

在本设计中，我采用的软件设计方法是梯形图法和指令表，并且使用三菱PLC编程软件GXDeveloper编写梯形图。

3.6.2PLC控制程序的分步设计过程

1.小车到达S2处停止，此时红灯L1亮，绿灯L2灭。

其梯形图如图3-3所示：

图3-3梯形图①

当小车到达S2处停止，小车被允许装料。

当按下启动按钮S3（X002得电），Y003得电，红灯L1亮；Y003常闭触头断开，Y002断电，绿灯L2灭。

2.当S3接通后，电动机M3运行，延时2秒后M2运行。

此时对应的梯形图如图3-4所示：

图3-4梯形图②

按下启动按钮S3（Y002得电），Y006得电（电动机M3运行），延时继电器T0得电，延时2S后，Y005得电（电动机M2运行）。

3.电动机M2运行后延时2秒电动机M1运行，电动机M1运行后延时2秒料斗K2打开出料。

此时对应的梯形图如图3-5所示：

图3-5梯形图③

当Y005（电动机M2）得电，延时继电器T1得电，延时2秒后，Y004（电动机M1）得电，延时继电器T2得电，延时2秒后，Y001得电，料斗K2打开出料。

4.小车被装满料后，称重开关S2断开，料斗K2关闭，电动机M1延时2秒关断。

此时对应的梯形图如图3-6所示：

图3-6梯形图④

当称重开关S2断开（梯形图中点动X001），Y001断电，即料斗K2关闭，则Y001为常闭触点，则辅助继电器M3得电，延时继电器T3也得电，延时2S后Y004断电（电动机M1停止）。

5.电动机M2延时M1，2秒后停止；电动机M3延时M2，2S后停止，并且绿灯L2灯亮，红灯L1灯灭，此时表示汽车可以开走。

此时对应的梯形图如图3-7所示：

图3-7梯形图⑤

电动机M1停止后（Y004断电），辅助继电器M4得电，延时继电器T4开始计时，2S后，Y005断电（电动机M2停止运行）；辅助继电器M5得电，Y006断电，传送电动机M3停止运行。

X002断电（S3启动按钮断开），Y004断电即电动机M1停止，致使Y003断电（红灯L1灭）；X002常闭触点、Y002常闭触点接通，Y002得电（绿灯L2亮）。

6.若在运行过程中出现故障，PLC系统将发出故障报警信号，故障报警信号灯L3亮。

此时对应的梯形图如图3-8所示：

图3-8梯形图⑥

上图中X002为通电状态，并联连接的常开触点若有一个接通，则Y007得电。

电动机M3、M2、M1，料斗K2，进料开关K1中任意一个出现故障Y007得电，就会导致故障灯L3亮。

则应该对它们检查确保无误。

结论

在此次设计中，增强了自己研究设计方案的实践能力，使用编程软件设计程序方法的运用能力，锻炼我独立思考，动手实践的能力，同时进一步加深对知识的理解和理论知识与实践的结合。

同时我也得出以下几个结论:

1.本设计基本实现了使用PLC控制自动自动送料装车系统设计的控制要求，最后经PLC编程软件的仿真与调试，通过对输入软元件触点强制ON/OFF,输出触点产生相应的颜色变化（白色表示OFF，蓝色表示ON）,因此能够达到通过控制输入触点的通与断，得到相应的输出。

2.另外我的设计的一个亮点是在系统中增加了一个故障指示灯（即黄灯L3）。

当系统某个部分发生故障时，系统则无法正常运行，若不增加一个故障检测部分则无法查出到底是那部分出现故障。

因此在增加一个检测部分后，当系统出现故障，故障指示灯会亮，然后再查看故障检测部分的梯形图，在PLC处于调试状态模式下，输出触点颜色变蓝，某些输入触点会变成白色，则出现故障；在系统正常运行的情况下，输出触点为白色，输入触点全为蓝色，故障指示灯不亮。

3.本设计也存在一些不足之处，比如称重开关S2只起到了检测小车到来的情况，无法起到物料重量的称量的作用。

4.该系统可以改进的方向是在称重开关S2处增设两个七段数码管，用来显示每日装车的数量，可以采用脉冲计数的方法。

谢辞

本设计是在唐勇波老师的指导下完成的，唐勇波老师不仅是我的毕业设计导师，也是我班授课老师，他与我们之间亦师亦友，在大学四年中建立了非常深厚的友谊，我要衷心地感谢唐勇波老师。

我也要感谢物理科学与工程技术学院的所有老师们，是他们付出辛勤的汗水教会了我们专业的知识，也让我们明白做人的道理。

我的导师在大学中不仅教授了许多知识，也在这次毕业设计中给我提供专业知识的指导，设计方面的修改意见，让我在设计中不断提高。

我的PLC老师也教会了我们这门课程的知识。

在此我要向所有的老师致于真诚的感谢和由衷的敬意。

我也要感谢在大学四年度过风风雨雨的同学们，感谢他们在大学四年对我默默的支持，感谢他们在学习和生活中的帮助，感谢他们在这次毕业设计中给予我的帮助，友谊万岁！

在本文结束之前，我再次向我的指导老师和物理科学与工程技术学院所有的老师和同学致于最崇高的敬意和深深的感谢！

参考文献

[1]熊幸明，陈艳，等.电气控制与PLC[M].北京:

机械工业出版社,2011.

[2]廖常初等.PLC基础及应用[M].北京：

机械工业出版社，2003.

[3]曹辉等.可编程序控制器系统原理及应用[M].北京