基于PLC的自动送料装车控制系统设计本科毕业设计.docx
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基于PLC的自动送料装车控制系统设计本科毕业设计
基于PLC的自动送料装车控制系统设计
摘要
传统的运料小车大都是继电器控制，而继电器控制有着接线繁多，故障率高的缺点，且维护维修不易等缺点。
作为目前国内控制市场上的主流控制器，PLC在市场、技术、行业影响等方面有重要作用，利用PLC控制来代替继电器控制已是大势所趋。
送料装车控制系统的工作环境通常比较恶劣，所以对送料装车控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。
采用可靠性较高的S7-200PLC软件来控制该系统，实现送料装车系统的自动控制过程，可满足系统可靠性、稳定性和实时性的要求。
本设计是为了实现送料小车的手动和自动化的转化，改变以往小车的单纯手动送料，减少了劳动力，提高了生产效率，实现了自动化生产！
而且本送料小车的设计是由于工作环境恶劣，不允许人进入工作环境的情况下孕育而成的。
关键词：
PLC，送料小车，控制，程序设计，组态王
DesignofAutomaticSendMaterialsandLoadControlSystemBasedonPLC
ABSTRACT
Traditionaltransportmaterialsaremostlycarrelaycontrol,relaycontrolwiringhasnumerousshortcomingsofthehighfailurerate,andtherepairisnoteasytomaintaintheshortcoming.Asacontrolofthecurrentdomesticmarket,themainstreamcontroller,plcinthemarket,technology,industryhasanimportantroleintheimpactoftheuseofPLCcontroltoreplacetherelaycontrolhasbecomeatrend.
Theworkingenvironmentofthefeedingandloadingcontrolsystemwasusuallymoresevere.Therefore,therequirementsforthesecurity,reliabilityandeasymaintenancearemoredemanding.WithamorereliableS7-200PLCsoftwaretocontrolthesystemsoastoachievetheprocessofautomaticallycontrolledfeedingandloadingcanmeettherequirementsofreliability,stabilityandreal-timeforthesystem.
Inordertoachievethedesignofthecarfeedthetransformationofmanualandautomated，simpletochangethepast，carmanualfeed，areductionoftheworkforce，increasedproductivity，automatedproduction!
Feedingandthecarisdesignedtobeasaresultofbadworkingconditionsarenotallowedtoentertheworkingenvironmentofthecircumstancesformed.
KEYWORDS:
PLC,Feedingcar,Control,Programdesign,monitoring
目 录
前 言
送料小车控制系统采用了PLC控制，从自动装车送料小车的工艺流程来看，它的控制系统属于自动和手动控制相结合的系统。
传统的运料小车大都是继电器控制，而继电器控制有着接线繁多，故障率高的缺点，且维护维修不易等缺点。
作为目前国内控制市场上的主流控制器，PLC在市场、技术、行业影响等方面有重要作用，利用PLC控制来代替继电器控制已是大势所趋。
在国际上PLC迅速发展的形势下，我国多数PLC厂家还没有拥有自主知识产权，能够参与国际竞争的PLC产品，其中之一就是研发实力不够。
虽然资金投入、生产和质量管理等因素也占有非常大的比重，但对产品的质量起着决定性作用的是研发投入、研发成果产品化以及生产工艺等。
而技术则是贯穿着其中每一个环节，PLC核心技术的开发、产品的后续开发、生产工艺的技术水平是决定产品质量的前提，如何在技术上进一步增强自己的实力，将是国产品牌取得市场竞争优势的关键。
依据得到的样本分析，初步得出正在使用的众多PLC的品牌中，西门子、三菱及omron占据绝对的优势，60%左右的用户使用了这些品牌的PLC产品，而rockwell/ab、ge-fanuc和富士等品牌也占有相当的市场份额。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
本设计的任务设计一个PLC控制的自动送料装车系统，系统控制要求如下：
初始状态：
绿灯（L1）亮，红灯（L2）灭，表示允许汽车开进装料，此时，进料阀门（K1），料斗阀门（K2），电动机（M1，M2，M3）皆为OFF状态。
当汽车到来时，检测开关S3接通（负载板上未设，可从通用器件板选取），红色信号灯L2亮，绿色L1灭，传送带驱动电动机M3运行；2s后，电动机M2运行；再经过2s，M1运行，依次顺序起动送料系统。
电动机M3运行后，进料阀门K1打开料斗进料，料斗装满时，检测开关S1=1，进料阀门K1关闭（设1料斗物料足够装满1车）；料斗出料阀门K2在M1运行及料满（S1=1）后，打开放料，物料通过传送带的传送，装入汽车。
当装满汽车后，称重开关S2动作，料斗出料阀门K2关闭，同时电动机断电停止，2s后M2停止，再过2s，M1停止，L1亮，L2灭，表示汽车可以开走。
第1章绪论
1.1方案论证
方案一：
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。
方案二：
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。
方案三：
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。
小车自动装车送料控制系统图如图1-1所示：
图1-1小车自动装车送料控制系统图
1.2可编程控制器概况
1.2.1PLC的定义
国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee-IEC），1987年的第三版对PLC作了如下的定义：
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、计算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。
可编程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（简称为I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。
近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。
它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。
1.2.2PLC的发展
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公开招标提出十项标准。
（1）编程方便，现场可修改程序；
（2）维修方便，采用模块化结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制装置；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制装置竞争；
（7）输入可以是交流115V；
（8）输出为交流115V,2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
（9）在扩展时，原系统只要很小变更；
（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
1969年，美国数字公司（DEC）研制出了第一台可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。
这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。
1.2.3PLC的基本组成及各部分作用
PLC采用了典型的计算机结构，主要由CPU、存储器、采用扫描方式工作的I/O接口电路和电源等组成，如图1-2所示。
图1-2PLC硬件系统结构框图
PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。
按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。
1．中央处理单元（CPU）
CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。
它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：
（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
（2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；
（3）用扫描方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；
（4）PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；
（5）将用户程序的执行结果送至输出端。
现代PLC使用的CPU主要有以下几种：
（1）通用微处理器，如8080，8088，Z80A，8085等。
通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。
（2）单片机，如8051等。
单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。
（3）位片式微处理器，如AMD2900系列等。
位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。
它主要追求运算速度快，它以4位为一片。
用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。
改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。
位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。
这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。
2.存储器
根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种：
（1）系统程序存储器
和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。
系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。
（2）用户程序存储器
用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。
由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。
由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池（锂电池）保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。
当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC（如欧姆龙公司的CPMIA型PLC）采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需要后备电池保护。
（3）数据存储器
这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。
在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。
元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。
数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。
它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。
它还用来存放A/D转换得到的数字和数学运算的结果等。
根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。
3.I/O单元
I/O单元也称为I/O模块。
PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。
输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。
通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。
运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。
输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。
4.电源部分
PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V，+12V，+24V的直流电源，使PLC能正常工作。
电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部；对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。
5.扩展接口
扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。
6.通信接口
为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。
PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。
当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器相连时可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。
7.编程器
编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
编程器有简易型和智能型两类。
简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。
它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。
智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。
还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。
程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。
1.2.4送料装车控制系统PLC的选择
目前市场上的PLC产品众多，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。
除国产品牌外，国外有：
日本的OMRON、MITSUB、ISHI、FUJI、ANASONIC，德国的SIEMENS，韩国的LG等。
一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。
机型的选择具体可以从一下12个方面来考虑：
1.选择合适的机种和机型
若已有设备（或产品）上已经用了某一种型号的PLC，再要选用PLC开发新的产品，在满足工艺条件的前提下，建议还是选用已经用过的PLC为好，这样就可以做到资源共享。
2.不要大材小用
什么样的规模设计任务就选用什么样的规模的PLC，避免造成太多的硬件资源浪费。
3.具体的控制对象具体选择
根据不同的设计任务，来选择PLC的机型。
4.选用易采购的机型
5.经常了解PLC产品的发展动态
6.对I/O点的选择
要先弄清控制系统的I/O点的总点数，再按实际所需要的总点数的15%～20%留出备用量后确定所需PLC的点数。
7.对存储容量的选择
对用户存储容量只能做粗略的估算。
在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘10字/点+输出总点数×5字/点来估算；计数器/定时器按（3～5）字/个估算：
有运算处理时按（5～10）字/个估算：
在有模拟量I/O出的系统中，可以按每输入（或输出）一路模拟量约需（80～100）字左右的存储量来估算：
有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。
8.对I/O响应时间的选择
PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。
9.根据输出负载的特点选型
根据PLC输出所带的负载是直流型还是交流型、是大电流还是小电流以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出还是晶体管输出。
10.对PLC结构形式的选择
在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式比模块式价格低。
11.选择性能相当的机型
PLC选型中还有一个重要问题就是性能要相当。
12.选择新机型
由于PLC产品更新换代很快，所以选用相应的新机型很有必要。
1.2.5PLC的应用领域
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
这特别适合多品种、小批量的生产场合。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
1.3组态王概况
1.3.1组态王软件
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
1.3.2组态王在本设计中的应用
小车运行的现场监控时采用基于组态王的上位机来实现的。
利用上位机的数据通信手段，数据处理能力和图形显示、多媒体技术，可以通过现场总线，实时接收和处理下位机PLC从现场采集的各种状态、控制、报警信号，并利用这些信号驱动PC控制界面中的各种图形，实时显示现场的各种状况，在操作员和停车库之间构造出形象、直观的界面，对操作运行和故障给出提示、报警等。
1.4基于PLC的自动送料装车控制系统的概括
送料装车控制系统的工作环境通常比较恶劣，设备所处环境一般粉尘较大、空气相对湿度高且操作分散，所以对送料装车控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。
以前，电器控制系统中大多使用分立的继电器、接触器等电器元件作为控制元件，其控制系统复杂、操作难度大，并且安装接线工作量大、修改控制策略难、维护量大，严重影响了正常生产。
而采用可靠性较高的S7-200PLC软件来控制该系统，实现送料装车系统的自动控制过程，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求。
该自动送料装车系统的操作过程是：
在允许汽车开进后，汽车到达指定位置（由传感器进行相应的位置检测），此时可以起动控制系统。
首先送料皮带最上层的电动机动作，经过等时间间隔，下层送料皮带的各电动机依次动作。
当最后一台送料皮带的电动机动作一定的时间后，装满料的料斗打开进行自动装料。
当汽车装满料后，料斗关闭，各电动机由下至上经过等间隔依次停止，汽车开走，完成一次装车。
控制系统返回初始状态，等待下一次装料。
第2章硬件设计
系统控制要求：
在本系统采用可编程控制器（PLC）作为控制机构元器件，它负责整个系统输入、输出信息的处理和储存、控制。
并且验证不同的系统控制信息（启动/停止、手动/自动等）从而使系统以不同的控制模式运行；另外，它还接受传感检测装置的信息，并将不同的信息送到显示电路中使其显示等。
2.1系统结构的组成
2.1.1小车自动控制系统构成图
基于PLC控制的自动送料装车系统的控制要求如下：
初始状态：
红灯L2灭，绿灯L1亮，表示允许汽车进来装料。
此时，进料阀门（K1），送料阀门（K2），电动机（M1、M2、M3）皆为OFF状态。
当汽车到来时，车辆检测开关S2接通，红灯L2亮，绿灯L1灭，电动机M3运行，电动机M2在M3接通2秒后运行，电动机M1在M2启动2秒后运行，依次顺序起动整个送料系统。
当电动机M3运行后，进料阀门K1打开给料斗进料。
当料斗中物料装满时，料斗检测开关S1接通，此时进料阀门K1关闭。
料斗出料阀门K2在电动机M1运行2秒及料斗装满后，打开放料，物料通过传送带PD1、PD2和PD3的传送，装入汽车。
当运料小车装满后，称重开关S3动作，送料阀门K2关闭，同时电动机M1延时2秒后停止，电动机M2在M1停止2秒后停止，电动机M3在M2停止2秒后停止。
此时绿灯L1亮，红灯L2灭，表示汽车可以开走。
故障操作：
在带式传输机传送物料过程中，若传送带PD1超载，则送料阀门K2立即关闭，同时停止电动机M1，电动机M2和M3在电动机M1停止4秒后停止。
在带式传输机传送物料过程中，若传送带PD2超载，则同时停止电动机M1、M2和M3并关闭送料阀门K2，图2-1所示为小车自动送料装车系统结构图。
图2-1小车自动送料装车系统结构图
2.1.2硬件选型
1.PLC的选型
可编程控制器PLC对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变工艺。
可编程控制器是面向用户的专用的工业控制计算机，具有许多明显的特点。
可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计，建造的工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低。
PLC型号的选择；该系统选用西门子S7—200系
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