基于PLC控制的运料小车控制系统.docx
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基于PLC控制的运料小车控制系统
目录1
摘要关键词2
第一章概述3
1.1可编程序控制器定义3
1.2可编程控制器的特点3
1.3PLC的应用领域5
1.4PLC的基本结构6
第二章 运料小车控制系统的方案论证及设计任务书8
2.1方案论证8
2.2控制要求8
第三章运料小车PLC控制系统设计9
3.1输入输出点分配9
3.2根据控制要求绘制功能图9
3.2.1模拟图9
3.2.2状态示意图10
3.2.3顺序功能图10
3.3步与动作11
3.3.1步11
3.3.2初始步12
3.3.3活动步12
3.3.4与步对应的动作或命令12
3.4使用起保停电路的方法编程13
3.4.1工步状态的逻辑表达式13
3.4.2PLC硬件I/O连接图14
3.4.3梯形图14
3.4.4生成指令语句表15
3.4.5电气控制主电路图16
3.5使用过程中英文说明17
3.6PLC型号的选择17
第四掌对毕业设计的认识18
第五章致谢19
参考文献20
ABSTRACT＆Keyword22
基于PLC控制的运料小车控制系统
摘 要：
近年来，随着科学技术的进步和微电子技术的迅猛发展，可编程序控制器技术已广泛应用于自动化控制领域。
可编程序控制器以其高可靠性和操作简便等特点，已经形成了一种工业趋势。
目前，可编程序控制器（PLC）、计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）、机器人（Rob）和数控（NC）技术已发展成为工业自动化的四大支柱技术。
可编程序控制器是一种新型的通用自动控制装置，它将传统的继电器-接触器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，专门为工业控制而设计。
这一新型的通用自动控制装置以其高可靠性、较强的工作环境适应性和极为方便的使用性能，深受自动化领域技术人员的普遍欢迎。
运料小车在现代化的工厂中普遍存在，而自动化的运料小车却并不多见，大多数的工厂仍然靠人力推车运料，这样浪费了大量的人力物力，降低了生产效率。
基于PLC的应用及系统设计原理。
本人设计了用PLC控制的运料小车控制系统，使其达到自动化，节省人力，提高效率。
本文详细地阐述了系统组成、系统硬件接线和系统软件设计，并详细介绍了系统工作原理。
关键词:
运料小车控制PLCI/O接线电气控制主电路
第一章概述
1.1可编程序控制器定义
可编程序控制器（ProgrammableController）简称PLC，在办公自动化和工业自动化中广泛使用的个人计算机（PersonalComputer）也简称PC，为了避免混淆，现在一般将可编程序控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）。
现代的可编程序控制器是以微处理器为基础的新型工业控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的崭新产品。
1985年国家电工委员会（IEC）的可编程序控制器标准草案第三稿对可编程序控制器作了如下定义：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械活生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充去功能的原则设计。
”
可编程序控制器从诞生至今，在短短的30年来里，得到了异常迅猛的发展，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
1.2可编程序控制器的特点
1.2.1编程方法简单易学
考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯，可编程序控制器配备了他们易于接受和掌握的梯形图语言。
梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图相当接近，只用可编程序控制器的二十几条开关量逻辑控制指令就可以实现继电器电路的功能。
通过阅读可编程序控制器的使用手册活接受短期培训，电气技术人员或技术工人只需要几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
简易编程器的操作和使用也很简单。
上述特点是可编程序控制器近年来获得迅速普及的原因之一。
这种编程语言的出现，促进了一次新的社会分工，即由计算机专业人员研制可编程序控制器的硬件和编程语言，并用汇编语言设计可编程序控制器的系统程序，使可编程序控制器成为一种通用的控制装置；工厂的自控和电气人员根据被控设备的具体情况，用他们最容易掌握的梯形图语言编制用户程序。
因此，即使不熟悉电子线路、不懂计算机原理和汇编语言的人，在自动化领域也大有用武之地，在计算机时代也可大显身手。
梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器在执行梯形图程序时，用解释程序将它“编译”成汇编语言后再去执行。
与直接用汇编语言编写的用户程序相比，执行时间要长一些，但是对于大多数控制设备来说，这是微不足道的。
1.2.2硬件配套齐全，用户使用方便
可编程序控制器配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。
用户在硬件方面的设计工作，只是确实可编程序控制器的硬件配置和设计外部接线图而已。
可编程序控制器的安装接线也很方便，各种外部接线都有相应的接线端子。
可编程序控制器的输入/输出端可以直接与AC200V或DC24V的强电信号相接，它还具有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器的线圈。
1.2.3通用性强，适应性强
由于可编程序控制器的系列化和模块化，硬件配置相当灵活，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。
硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
1.2.4可靠性高，抗干扰能力强
绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。
可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。
例如FX系列可编程序控制器在幅度为1000V、宽度1µs的脉冲干扰下能可靠地工作。
从实际的使用情况来看，用户对可编程序控制器的可靠性都相当满意。
可以说，可编程序控制器是可靠性最高的工业控制设备，可编程序控制器的平均无故障时间可达30万小时。
如果使用冗余控制系统，可靠性还可以进一步提高。
事实上，在可编程序控制器控制系统中发生的故障，绝大部分都是由可编程序控制器外部的开关、传感器和执行元件引起的。
可编程序控制器用软件取代了继电器系统中容易出现故障的大量触点和接线，这是可编程序控制器具有高可靠性的主要原因之一。
除此之外，可编程序控制器还采取了一系列抗干扰、提高可靠性的措施。
可编程序控制器的故障分为永久性故障和可以恢复的故障。
由于外部或内部的原因，系统的某些元器件损坏或失效引起的不可恢复的故障称为永久性故障。
可编程序控制器周期性地检测系统的硬件，发现永久性故障时，查明故障的种类，自动地采取相应的措施，尽可能减轻故障对系统的影响，同时通知操作人员。
可编程序控制器还有检查用于保持存储器中的信息的锂电池电压是否过低，交流电源是否掉电，输入、输出电路的电源电压是否超过允许的范围等。
在写入、编辑程序时，还要检查正在写入的用户程序的语法错误，发现问题后，可编程序控制器自动做出相应的反应，如报警、封锁输出等。
可以恢复的故障有电磁干扰引起，干扰往往以窄脉冲的形式从电源线或I/O引线进入可编程序控制器内部。
瞬时出现的干扰脉冲可能使可编程序控制器偏离正常的程序执行路线，将内存空间中某一随机的区域中的内容当作程序来执行，一般不能自动返回正常的程序执行路线。
从外部看，系统处于瘫痪状态。
为了削弱和消除干扰对系统的影响，可编程序控制器采取了很多硬件措施，以切断干扰进入可编程序控制器的途径。
滤波是最主要的措施之一，在电源电路和I/O模块中设置了大量的滤波电路，如RC,RL和π形滤波电路，它们对高频干扰信号有良好的抑制作用。
电源是干扰进入可编程序控制器的主要途径之一，对于微处理器用的直流5V电源，采取了多级滤波和稳压的措施。
隔离是抗干扰的另一主要措施，可编程序控制器的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号，继电器型输出模块则用继电器实现隔离。
采用以上隔离措施后，使外部电路与CPU模块之间完全没有电路上的联系，有效抑制了外部干扰源对可编程序控制器的影响，还可以避免外部电路的高电压窜如CPU模块。
在工业环境下，往往存在着强烈的空间电磁干扰，为了消除其影响，用导电导磁材料屏蔽可编程序控制器的电源变压源，并用良好的导电材料屏蔽易受空间电磁波干扰影响的CPU模块。
即使采取了以上措施，强干扰仍然可能进入可编程序控制器的CPU模块，是可编程序控制器偏离正常的程序运行路线。
作为一种补救措施，用监控定时器（WatchDog，俗称看门狗）使可编程序控制器自动恢复正常的工作状况。
监控定时器是一种硬件定时器，它的定时时间大于可编程序控制器的最大扫描周期。
可编程序控制器在正常工作时，每一次扫描都将它复位，使它重新开始定时，它不会因为定时时间到而动作。
如果干扰使可编程序控制器不再执行正常的扫描程序，监控定时器不再被周期性的复位，当它的定时时间到时，它产生的输出脉冲重新启动系统，使可编程序控制器恢复正常工作。
这一自恢复过程所用的时间是很短的（小于1s），对系统的正常工作不会有什么影响。
干扰有可能使可编程序控制器中的用户程序遭到破坏，求和检查（SumCheck）可以诊断这种故障。
在可编程序控制器运行时，CPU周期性地将用户存储器各字节中的数相加，并与运行开始时的值相比较，如果总数变化，可以断定用户程序遭到破坏，CPU自动做出相应的处理。
由于采取了以上抗干扰措施，可编程序控制器具有用户完全可以信赖的极高的可靠性。
1.2.5系统的设计、安装、调试工作量少
可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，容易掌握。
对于复杂的控制系统，设计梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少很多。
可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，输出信号的状态可以观察可编程序控制器上有关的发光二极管，调试好后再将可编程序控制器安装在现场统调。
调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，调试花费的时间比继电器系统少很多。
1.2.6维修工作量小，维修方便
可编程序控制器的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。
可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除可编程序控制器的故障。
1.2.7体积小，能耗低
以OMRON的CPM1A型超小型可编程序控制器（10个I/O）点为例，其底部尺寸仅为90mm×67mm，功耗≤30VA。
由于体积小，可编程序控制器很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。
1.3可编程序控制器的应用领域
在发达的工业国家，可编程序控制器已经广泛地应用在所有的工业部门，随着可编程序控制器的性能价格比的不断提高，过去许多使用专用计算机的场合也可以使用可编程序控制器。
可编程序控制器的应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：
1.3.1开关量逻辑控制
这是可编程序控制器最基本最广泛的应用，可编程序控制器的输入信号和输出信号都是只有通/断状态的开关量信号，这种控制与继电器控制最为接近，可以用价格较低，仅有开关量控制功能的可编程序控制器作为继电器控制系统的替代物。
开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动化生成线，如机床电气控制、冲压、铸造机械、运输带、包装机械的控制，电梯的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金系统的高炉上料系统、轧机、连铸机、飞剪的控制，电镀生产线、啤酒罐装生产线、汽车装配生产线、电视机和收音机生产线的控制等。
1.3.2运动控制
可编程序控制器可用于对直线运动或圆周运动的控制。
早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块，世界上各主要可编程序控制器厂家生产的可编程序控制器几乎都有运动控制功能。
可编程序控制器的运动控制功能广泛地用于各种机械，如金属切割机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等。
1.3.3闭环过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
可编程序控制器通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换和D/A转换，并对模拟量实行闭环PID控制。
现代的大中型可编程序控制器一般都有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID子程序来实现，更多的是使用专用的智能PID模块。
可编程序控制器的模拟量PID控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。
1.3.4数据处理
现代的可编程序控制器具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。
这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，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、食品工业中的一些大型控制系统。
1.3.5通信
可编程序控制器的通信包括可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器汉人其他智能控制设备之间的通信。
随着计算机控制的发展，近年来国外工厂自动化通信网络发展得很快，各著名的可编程序控制器生产厂商都推出了自己的网络系统。
并不是所有的可编程序控制器都具有上述全部功能，有些小型可编程序控制器只具有上述的部分功能，但是价格较低。
1.4可编程序控制器的基本结构
可编程序控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。
可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O）模块、编程器和电源五大部分组成。
1.4.1CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。
CPU的作用类似于人的大脑和心脏。
它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：
（1）输入处理：
将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。
（2）程序执行：
逐句读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。
（3）输出处理：
将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。
可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使可编程序控制器具有基本的智能，能够完成可编程序控制器设计者规定的各项工作。
系统程序由可编程序控制器生产厂家设计并固化在ROM内，用户不能直接存取。
可编程序控制器的用户程序由用户设计，他决定了可编程序控制器的输入信号和输出信号之间的具体关系。
用户程序存储器的容量一般以字（每个字由16位二进制数组成）为单位，日本的可编程序控制器一般以步为单位，每一步存储一条指令。
1.4.2I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。
输入信号有两类：
一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。
从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。
I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。
1.4.3编程器
编程器除了用来输入和编辑用户程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行是梯形图中各种编程元件的工作状态。
编程器可以永久地连接在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运行。
一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。
1.4.4电源
可编程序控制器一般使用220V交流电源。
可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提高直流电压。
某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源。
驱动现场执行机构的直流电源一般由用户提供。
第二章 运料小车控制系统的方案论证及控制要求
2.1方案论证
工业的发展，运料小车不断扩大到各个领域，而自动化的运料小车却并不多见，大多数的工厂仍然使用传统的车运料，这样浪费了大量的人力物力，降低了生产效率。
而如今随着科学技术的发展，运料小车从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。
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，降低了劳动力，提高了生产效率。
2.2控制要求
设计控制要求：
设计一个运料小车的PLC控制装置，电机功率M为3KW，运料小车的功能及控制要求如下：
1、小车可在A、B两地分别启动；
2、小车在A、B两地的停留等待装料、卸料时间均为2分钟；
3、小车在A地启动时停车等待装料；
4、装料完毕自动驶向B地，到达B地后停车等待装料；
5、卸料完毕后自动驶向A地，如此循环；
第三章运料小车PLC控制系统设计
3.1输入输出点分配
运料小车PLC输入输出点分配表见下表3-1
分类
输入信号
输出信号
步序继电器
其它
信
号
名
称
起动按钮
停止按钮
左限位开关
右限位开关
右行接触器
左行接触器
装料电磁铁
卸料电磁铁
预备状态
一工步
二工步
三工步
四工步
激
活
初
始
步
装料卸料时间
现场信号
SB1
SB2
SQ1
SQ2
KM1
KM2
YV1
YV2
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
L
t0t1
PLC地址
X0
X3
X1
X2
Y0
Y1
Y2
Y3
M0
M1
M2
M3
M4
M8002
T0T1
表3-1
3.2根据控制要求绘制功能图
首先把工作循环分成预备、装料、右行、卸料和左行共5步，它们的转换条件分别为SB（X0）、T0、SQ2（X2）、T1和SQ1（X1）。
画出了功能图，并且填写了各步对应的动作及执行电器的工作情况。
3.2.1模拟图
根据设计要求，画出运料小车运行模拟图
图3-1
3.2.2状态示意图
分析其运料控制过程，可得出以下状态
图3-2
3.2.3顺序功能图
图3-3
用经验设计法设计梯形图时，没有一套固定的方法和步骤可以循环，具有很大的试探性和随意性，对于不同的控制系统，没有一种通用的容易掌握的设计方法。
在设计较为复杂系统的梯形图时，用大量的中间单元来完成记忆、联锁和互锁等功能，由于需要考虑的因素很多，它们往往又交织在一起，分析起来非常困难，并且很容易遗漏一些应该考虑的问题。
修改某一局部电路时，可能对系统的其他部分产生意想不到的影响，因此梯形图的修改也很麻烦，花了很长的时间还得不到一个满意的结果。
用经验法设计出的梯形图往往很难阅读，给系统的修改和改进带来了很大的困难。
所谓顺序控制，就是按照生产预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有序地进行操作。
使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图。
有的PLC编程软件为用户提供了顺序功能图（SFC）语言，在编程软件中生成顺序功能图后便完成了编程工作。
顺序控制设计法是一种先进的设计方法，很容易被初学者接受，对于有经验的设计者也会提高设计的效率，程序的阅读和测试修改也很方便。
某厂有经验的电气工程师用经验设计法设计某控制系统的梯形图，花了两周的时间，同一系统改用顺序控制设计法，只用了不到半天的时间，就完成了梯形图的设计和模拟调试，现场试车一次成功。
顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让他们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制PLC的各输出继电器。
转换条件为当前步进入下一步的信号，可以是外部的输入信号，如按扭、指令开关、限位开关的接通和断开等，也可以是PLC内部产生的信号，如定时器、记数器常开触点的接通等，还可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合。
顺序功能图（Sequentialfunctionchart,简称为SFC）是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC的顺序控制程序的有力工具。
顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言，可以供进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流之用。
3.3步与动作
3.3.1步
顺序控制设计法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步（Step），可以用编程元件（例如内部辅助继电器M和状态继电器S）来代表各步。
步是根据输出量的状态变化来划分的。
在任何一步之内，各输出量的ON/OFF状态不变，但是相邻两步输出量总的状态是不同的，步的这种划分方法使代表各步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着极为简单的逻辑关系。
送料小车开始停在左侧限位开关X1处（见图3-1），按下起动按扭X0，Y2变为ON，打开贮料斗的闸门，开始装料，同时用定时器T0定时，2分钟后关闭贮料斗的闸门，Y0变为ON，开始右行，碰到限位开关X2后停下来卸料（Y3为ON），同时用定时器T1定时；2分钟后Y1变为ON，开始左行，碰到限位开关X1后返回初始状态，停止运行。
根据Y0~Y3的ON/OFF状态的变化。
显然一个周期可以分为装料、右行、卸料和左行这4步，另外还应设置等待起动的初始步，分别用M0~M4来代表这5步。
图3-1）是运料小车运行的空间示意图，图3-2）是描述该系统的顺序功能图，图中用矩形方框表示步，方框中可以用数字表示该步的编号，一般用代表该步的编程元件的元件号作为步的编号，如M0等，这样在根据顺序图设计梯形图时较为方便。
3.3.2初始步
与系统的初始状态相对应的步称为初始步，初始状态一般是系统等待起动命令的相对静止的状态。
初始步用双线方框表示，每一个顺序功能图至少应该有一个初始步。
3.3.3活动步
当系统正处于某一步所在的阶段时，该步处于活动状态，称该步为“活动步”。
步处于活动状态时，相应的动作被执行；处于不活动状态时，相应的非存储型动作被停止执行。
3.3.4与步对应的动作或命令
可以将一个控制系统划分为被控系统和施控系统，例如在数控车床系统中，数控装置是施控系统，而车床是被控系统。
对于被控系统，在某一步中要完成某些“动作”（action）；对于施控系统，在某一步中则要向被控系统发出某些“命令”（command）。
为了叙述方便，下面
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