基于PLC控制的运料小车.docx
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基于PLC控制的运料小车
4.3常见故障及排除方法.........................................................................................................16
绪论
1题目来源及课题意义
随着科学技术的日新月异，对自动化程度要求越来越高，原有的生产线已不能满足要求。
在工业生产中运料是一个非常重要的环节，但是其岗位对人体伤害较大或者是劳动负荷较大。
所以运料小车在工业生产中发挥了重要作用，为企业节省了人力、物力等，节约了生产成本提高了经济效益。
但是，相比传统接触器、继电器控制的运料小车电气控制线路比较复杂，不容易检修及维护。
基于PLC的自动松辽小车控制系统可以解决上述问题，因此对它的设计具有了现实可能性。
2可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）
可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，最初叫做可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），即PLC，现已广泛应用于工业控制的各个领域。
大规模集成电路和超大规模集成电路的出现使得PLC在问世后的发展极为迅速。
现在，PLC不仅能实现继电器的逻辑控制功能，同时还具有数字量和模拟量的采集和控制、PID调节、通信联网、故障自诊断及DCS生产监控等功能。
毫无疑问，PLC将在今后的工业生产中起到非常重要的作用。
在20世纪80年代，美国的工业市场调查报告和1989年美国的一份分散控制系统（DCS）的调研报告中，都能看出PLC在工业控制中的重要作用。
关键词：
可编程控制器三相异步电动机运料小车
1.PLC的结构、工作原理及系统设计
1.1PLC的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。
整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。
这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。
其基本结构框图如图1-1所示。
图1-1整体式结构
模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。
模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，其特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也较高。
基本结构框图如图1-2所示。
图2-2模块式结构
图1-2模块式结构
1.2PLC的工作原理
PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。
而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。
也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。
1.2.1循环扫描技术
PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：
输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。
扫描过程如图1-3所示。
图1-3循环扫描
在输入阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。
在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。
从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。
在输出阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。
1.3PLC的编程语言
可编程控制器的编程语言主要有梯形图语言、助记符语言及功能块图。
1.3.1梯形图语言
梯形图语言是在继电器控制电路图的基础上发展而来的。
最大的优点就是直观易懂，使用简单方便。
对来自电气方面的用语，通过梯形图很容易就能掌握，同时它也是PLC的主要编程语言。
例如，一个简单PLC控制系统，当常开按钮SBFl动作时，水泵开启，当常闭按钮SBSl动作时，水泵停止运行。
用继电器控制和用PLC控制的梯形图如图1-4和图1-5所示。
图1-4继电器控制电气图
图1-5PLC控制梯形图
1.3.2助记符语言
助记符语言与汇编语言类似，它使用字符来代表可编程控制器的某种操作，这就要求用户要有一定的计算机编程基础。
用助记符语言编写上一个例子的程序如下：
LDI0
ORQ0
ANDNI1
OUTQ0
1.3.3功能块图语言
西门子公司的S7系列PLC除了可以用梯形图和助记符语言进行编程外，还可以用功能块图语言进行编程。
功能块图语言与数字电子技术的逻辑电路图类似，不同的功能块实现不同的功能，从而实现所需控制要求。
如图1-6所示：
图1-6PLC功能块图
1.4PLC控制系统的构成、设计原则及步骤
PLC控制系统由硬件部分和软件部分组成。
对于整个PLC控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC机型、存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模块和特殊功能模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接口，如输入设备（控制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等）和由执行装置控制的现场设备（水泵、鼓风机、阀门等）。
软件部分主要包括对PLC进行I/O点地址、内部继电器、定时器、计数器等的分配，PLC控制程序的设计（梯形图、语句表、流程图等），还有一些技术文件等。
PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要求。
PLC控制系统的设计应遵循以下原则。
（1）根据工艺流程进行设计，力求控制系统能最大限度地满足控制要求。
（2）在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用。
（3）考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑PLC的可扩展性。
（3）控制系统使用和维护方便、安全可靠。
一般PLC控制系统的设计步骤如图1-7所示，具体操作如下。
（1）控制要求分析
在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才
能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控制系统。
（2）确定输入/输出设备
根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等），根据所选用的输入/输出设备的类型和数量确定PLC的I/0点数。
（3）选择合适PLC
确定PLC的I/0点数后，就根据I/0点数、控制要求等来进行PLC的选择。
选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。
（4）I/0点数分配
点数分配就是规定PLC的I/0端子和输入/输出设备。
（5）PLC程序设计
首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。
（6）模拟调试
程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。
（7）现场联机调试
现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试。
在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。
（8）整理技术文件
这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单和使用说明书等。
图1-7设计步骤示意图
2运料小车控制系统的方案论证
2.1运料小车控制系统的控制内容与要求
2.1.1运料小车的运动流程
某自动生产线上运料小车的运动如图2-1所示：
运料小车
图2-1运料小车示意图
运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向右行，电机反转，小向左行。
电动机正反转图如图2-2所示：
图2-2三项异步电动机正反转主电路图
在生产线上有5个编号为l～5的站点供小车停靠，在每一个停靠站安装一个行程开关以监测小车是否到达该站点。
对小车的控制除了启动按钮和停止按钮之外，还设有4个呼叫按钮开关（SK2～SK5）分别与4个停靠站点相对应。
2.1.2设备控制要求
运料小车在自动化生产线上运动的控制要求如下：
（1）按下启动按钮，系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作；
（2）按下启动按钮后，小车在1号站停20S装料，结束后若有呼叫按钮按下，小车右行，到达呼叫按钮对应的停靠站时小车停止并卸料，15S后卸料完毕小车右行，到达装料停靠点时小车停止。
（3）呼叫按钮开关SK2～SK5应具有互锁功能，先按下者优先。
2.2方案论证
早期运料小车电气控制系统多为继电器-接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。
后来，单片机应用到运料小车控制系统中。
单片机有优异的性能价格比、集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制功能强、低功耗、低电压，便于生产便携式产品，外部总线增加了I C及SPI，单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
单片机编程方法复杂，不容易上手，使用于简单应用。
将PLC应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。
PLC运料小车电气控制系统具有连线简单，控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。
运料小车控制系统的控制系统构成图如2-3所示：
图2-3运料小车控制系统图
运料小车控制系统流程图如图2-4所示
图2-4控制系统流程图
3运料小车控制系统的总体设计
3.1硬件设计
3.1.1PLC外部接线图
运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向右行，电机反转，小向左行。
小车控制系统的输入，输出设备与PLC的I/O端对应的外部接线图如3-1所示：
图3-1PLC外部接线图
3.2软件设计
这个控制系统的输入有启动按钮开关、停止按钮开关、4个呼叫按钮开关、5个行程开关共11输入点。
这个控制系统需要控制的外部设备只有控制小车运动的三相电动机一个。
但是电机有正转和反转两个状态，分别都应正转继电器和反转继电器，所以输出点应该有2个。
对应的地址分配表如表3-1所示：
地址对应的外部设备
I0.0启动按钮开关
I0.1停止按钮开关
I0.22号站点呼叫按钮开关
I0.33号站点呼叫按钮开关
I0.44号站点呼叫按钮开关
I0.55号站点呼叫按钮开关
I1.11号站点行程开关
I1.22号站点行程开关
I1.33号站点行程开关
I1.44号站点行程开关
I1.55号站点行程开关
Q0.0电动机正转（左行）
Q0.1电动机反转（右行）
表3-1地址分配表
3.2.1PLC状态流程
根据运料小车运动控制的要求，按下启动按钮I0.0后，运料小车系统开始工作，并开始进行装料，20S装料结束后若有呼叫按钮按下，小车右行。
碰到呼叫按钮对应的行程开关后下车停止并卸料，15S后卸料完毕小车左行，碰到装料点的行程开关时，小车停止并装料。
根据整个运动过程，工作期间分为8步，分别用M0.1,M0.2,M0.3,M0.4,M0.5,M0.6,M0.7,M0.8来代表这8步，用M0.0来代表等待启动的初始步。
启动按钮I0.0,停止按钮I0.1的常开触点，呼叫按钮的常开触点，行程开关的常开触点，定时器延时接通的常开触点是各步之间的转换条件。
顺序功能图如3-2所示：
图3-2顺序功能图
3.2.2系统梯形图
根据系统顺序功能图画出运料小车控制系统的梯形图如3-3所示：
图3-3系统梯形图
3.3程序的运行调试与仿真
将系统梯形图导入西门子仿真软件进行仿真。
选择CPU型号为224后装载程序。
检查程序无误后将仿真软件切换到运行状态。
按下输入继电器I0.0所对应的按钮，I0.0所对应的指示灯亮，计时器T37开始计时，20S后按下输入继电器I0.2所对应的按钮，I0.2所对应的指示灯亮，输出继电器Q0.0对应的指示灯也同时亮。
按下输入继电器I1.2所对应的按钮，I1.2所对应的指示灯亮，，计时器T38开始计时，输出继电器Q0.0对应指示灯同时也熄灭。
15S后输出继电器Q0.1所对应的指示灯亮，按下输入继电器I0.1或I1.1所对应的按钮，I0.1或I1.1所对应的指示灯亮，输出继电器Q0.1所对应的指示灯灭。
满足控制要求。
反复运行此程序也均能达到控制要求。
仿真如图3-4所示：
图3-4软件仿真图
将程序载入PLC中，调试程序并运行，均能达到控制要求。
4设计小结
4.1小车的优缺点分析
本设计运用的可编程控制器实现的自动运料小车控制器，避开了以往继电器接触不良、开关易损坏等缺点，可靠性和稳定性都有所提高。
在检测小车是否到达呼叫停靠点的时候，运用了行程开关，这样的检验系统让小车的停靠位置更加准确。
与此同时，由于输入输出很明显，不需要好多额外的外接电路，让设计更简洁。
这也是采用了成熟的可编程控制器带来的好处。
即使在出现故障、紧急停止等环节中都能快捷操作。
但设计过程中，只是基本实现了设计的要求，没有功能扩展，让系统显得比较简单。
4.2设计的改进及推广
在实际的运用过程中，为了便于智能化、无人化、远程化的操作，该设计控制器还应该联网，让多台控制器组成局域网，构成一套网路系统，便于通讯和控制操作。
如修改软件设计中的一些参数，能适合在不同的场合都能适合。
在具体的设计中，应该还可以设计显示功能，显示运料小车到达指定的停靠站时所需时间；还可以在小车底部安装一个传感器，用来检测小车中的料是否卸完。
这样就可更好地控制小车的运行，更加便于人们工作。
此外，该运料小车控制器可以运用于大型的养殖行业，便于送料和喂养。
这样就可以节约时间，提高效率。
4.3常见故障及排除方法
基于我在开泰集团实习两个多月来，对抛丸机常见电气故障方面的了解。
知道了运料小车可能出现的常见故障。
（1）行程开关的损坏及撞击变形。
优点是可以选用接近开关代替行程开关
（2）PLC的输入输出口接触不良。
（3）电器柜内热保护器出现过载现象。
（4）控制回路的线路故障。
总结
毕业设计是在教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。
通过毕业设计，能使我们综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。
早期运料小车电气控制系统多为继电器-接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。
将PLC应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。
PLC运料小车电气控制系统具有连线简单，控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。
随着经济的不断发展，运料小车的应用也不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。
但是，传统的继电器接触器控制在工作中已经暴露出种种弊端，因此，新的控制设计已成为社会发展的必然趋势。
本设计运用的可编程控制器实现的自动运料小车控制器，避开了以往继电器接触不良、开关易损坏等缺点，可靠性和稳定性都有所提高。
在检测小车是否到达呼叫停靠点的时候，运用了行程开关使小车的停靠位置更加准确。
同时，由于输入输出很明显，不需要好多额外的外接电路，让设计更简洁。
这也是采用了成熟的可编程控制器带来的好处。
即使在出现故障、紧急停止等环节中都能快捷操作。
参考文献
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57～59.
附录
运料小车系统对应的指令程序如下：
Network1
LDM1.0
AI0.1
OSM0.1
OM0.0
ANM0.1
=M0.0
Network2
LDM0.0
AI0.0
LDM0.0
AI1.1
OLD
OM0.1
ANM0.2
=M0.1
TONT37,200
Network3
LDM0.1
AT37
OM0.2
ANM0.3
ANM0.4
ANM0.5
ANM0.6
=M0.2
Network4
LDM0.1
AI0.1
OM0.3
ANM0.7
=M0.3
Network5
LDM0.2
AI0.3
OM0.4
ANM0.7
=M0.4
Network6
LDM0.2
AI0.4
OM0.5
ANM0.7
=M0.5
Network7
LDM0.2
AI0.5
OM0.6
ANM0.7
=M0.6
Network8
LDM0.3
AI1.2
LDM0.4
AI1.3
OLD
LDM0.5
AI1.4
OLD
LDM0.6
AI1.5
OLD
OM0.7
ANM1.0
=M0.7
TONT38,150
Network9
LDM0.7
AT38
OM1.0
ANM0.0
ANM0.1
=M1.0
=Q0.1
Network10
LDM0.3
OM0.4
OM0.5
OM0.6
=Q0.0
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