基于PLC的自动送料装车控制系统的设计.docx
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基于PLC的自动送料装车控制系统的设计
1绪论
1.1题目来源及课题意义
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。
减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。
基于PLC的自动送料装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。
自动运料车工作原理及技术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。
根据实际系统的操作过程，设计了以下的模拟过程：
初始状态：
红灯L1灭，绿灯L2亮，表示允许汽车开进装车。
汽车开进到位后（用S2接通表示），L1亮，L2灭。
按下起动按钮，电动机M3运行，电动机M2在电动机M3运行2s后开始运行电动机M1在电动机M2运行2s后开始运行，料斗K2在电动机M1运行2s后打开出料。
当汽车上的料装满后（用S2断表示），料斗K2关闭。
电动机M1在料斗K2关闭2s后停止运行，电动机M2在电动机M1停止运行2s后停止运行，电动机M3在电动机M2停止运行2s后停止运行。
电动机M3停止后，绿灯L2亮，红灯L1灭，表示汽车可以开走[4]。
1.2系统的主要技术参数
（1）用一台电机控制两条生产线
（2）要能检测到满料状态，并显示出输送、排料、满料时间
（3）时间误差：
0.1秒
（4）具有抗干扰能力
2器件选择
2.1PLC的定义
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC
2.2PLC的分类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。
对PLC的分类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类。
2.2.1.按I/O点数分类
PLC按其I/O点数多少一般可分为以下4类：
（1）微型PLC：
I/O点数小于64点的PLC为超小型或微型PLC。
（2）小型PLC：
I/O点数为256点以下，用户程序存储容量小于8KB的为小型PLC。
它可以连接开关量和模拟量I/O模块以及其他各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网等功能。
如西门子公司的S7-200PLC，三菱公司的F1、F2和FX0系列PLC都属于小型机。
（3）中型PLC：
I/O点数在512～2048点之间的为中型PLC。
它除了具有小型机所能实现的功能外，还具有更强大的通信联网功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。
如西门子公司的S7-300PLC、三菱公司的A1S系列PLC都属于中型机.
（4）大型PLC：
I/O点数为2048点以上的为大型PLC。
它具有极强的软件和硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。
另外大型PLC还可以采用三个CPU构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。
如西门子公司的S7-400系列PLC、三菱公司的A3M、A3N系列PLC都属于大型机。
2.2.2按结构分类
PLC按其结构可分为整体式、模块式及叠装式3种：
（1）整体式PLC
将CPU、I/O单元、电源、通信等部件集成到一个机壳内的称为整体式PLC。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口以及与编程器相连的接口。
扩展单元内只有I/O接口和电源等，没有CPU。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
它还配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
整体式PLC一般都是小型机。
（2）模块式PLC
模块式PLC是将PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。
模块式PLC由母板（或框架）以及各种模块组成。
把这些模块按控制系统需要选取后，安插到母板上，就构成了一个完整的PLC系统。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
例如，西门子公司的S7-300系列、S7-400系列PLC都采用模块式结构形式。
（3）叠装式PLC
将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC将CPU模块、电源模块、通信模块和一定数量的I/O单元集成到一个机壳内，如果集成的I/O模块不够使用，可以进行模块扩展。
其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间要靠电缆进行连接，并且各模块可以一层层地叠装。
叠装式PLC集整体式PLC与模块式PLC优点于一身，它不但系统配置灵活，而且体积较小，安装方便。
西门子公司的S7-200系列PLC就是叠装式的结构形式[1]。
2.2.3按功能分类
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档3类：
（1）低档PLC
具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（2）中档PLC
除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID（比例、积分、微分控制）控制等功能，以适用于复杂控制系统。
（3）高档PLC
除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT可编程控制器原理与应用显示、打印和更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。
一般低档机多为小型PLC，采用整体式结构；中档机可为大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整体式结构，中型和大型采用模块式结构。
目前的主流PLC有美国GOULD公司的M84、484、584、684、884，德国SIEMENS公司的SIMATICS5系列，日本三菱公司的MELPLAC-50、550，GOULD公司的A5900德国西门子公司的S7系列。
该模拟控制模板选用西门子公司（Simens）的S7-200可编程序控制器来实现[8]。
2.3物位传感器的选择
物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒壮固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不等而形成的界面位置。
根据具体用途分为液位、料位、界位传感器或变送器。
物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。
特别是在现代工业中，生产规模大，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。
物位测量可用于计算物料储量。
对于粉粒体，必须考虑到颗粒间有空隙，应区分密度和容重。
密度是指不含空隙的物料每单位体积的质量，即通常的质量密度
，如果乘以重力加速度g，就成为重力密度r，简称为重度。
容重是包含空隙在内的每单位体积的重量
v，也就是视在重度或宏观重度，它总要比颗粒物质本身的重度小，其差额决定于空隙率。
而空隙率又取决与许多因素。
例如颗粒形状、尺寸的一致程度、是否受外力压实、是否经受过振动、有无黏结性等，所以粉粒体物料的体积储量和质量储量之间不易精确换算，这是需要注意的。
2.3.1电容式物位传感器
利用物料介电常数恒定时极间电容正比与物位的原理，可构成电容式物位传感器。
根据电机的结构可将电容式物位传感器分为三中：
（1）适用与导电容器中的绝缘性物料，且容器为立式圆筒形，器壁为一极，沿轴线插入金属棒为另一极，其间构成的电容C与物位成比例。
也可悬挂带重锤的软导线作为电机。
（2）适用与非金属容器，或虽为金属容器但非立式圆筒形，物料为绝缘性的。
这时在棒壮电极周围用绝缘支架套装金属筒，筒上下开口，或整体上均匀分布多个孔，使内外物位相同。
中央圆棒和与之同轴的套筒构成两个电极，其间电容和容器形状无关，只取决于物位。
所以这种电极只用于液位，粉粒体容易滞留在极间。
（3）用于导电性物料，起外形和
（1）一样，但中央圆棒电极上包有绝缘材料，电容是由绝缘材料的介电常数和物位决定的，与物料的介电常数无关，导电物料使筒壁与中央电极间的距离缩短为绝缘层的厚度，物位升降相当于电极面积改变。
电容式物位传感器无可动部件，与物料密度无关，但应注意物料中含水分时将对测量结果影响很大，并且要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，需用高频电路。
所以不予采用。
2.3.2阻力式料位传感器
阻力式料位传感器是指物料对机械运动所呈现的阻挡力。
粉末颗粒状物料比液态物质流动性差，对运动物体有明显的阻力，利用这一特点可构成各种料位传感器：
（1）重锤探索法：
在容器顶部安装由脉冲分配器控制的步进电机，此电机正转时缓缓释放悬有重锤的钢索。
重锤下降到与料面接触后，钢索受到的合力突然减小，促使力传感器发出脉冲。
此脉冲改变门电路的状态，使步进电机改变转向重锤提升，同时开始脉冲计数。
待重锤升至顶部触及行程开关，步进电机停止转动，同时计数器也停止计数并显示料位（料位值即容器全高减去重锤行程之差）。
显示值一直保持到下次探索后刷新为另一值。
开始探索的触发信号可由定时电路周期性地供给，也可以人为地启动。
不进行探索时，重锤保持在容器顶部，以免物料将重锤淹埋。
万一重锤被物位埋没，排放物料时产生的强大拉力就可能拉断钢索报警措施及出料过滤栅。
但这种方法运用了逻辑电路和数字技术，可连续测量料位值并输出数字量，是数字传感器，但其采样是周期性的，对时间而言不连续，此设计不予采用。
（2）旋桨或推板法：
这是一种位式传感器，或称料位开关。
在容器壁的某一高度处装小功率电动机，其轴伸入容器内，末端带有桨状叶片。
叶片不接触物料时，自由旋转的空载状态下电动机的电流很小，一旦料位上升到与叶片接触，转动阻力增加，甚至成堵转状态，电流显著加大。
根据电流的大小使继电器的接点动作，发出料位报警或位式控制信号。
如电机轴经过曲柄连杆机构变为往复运动，则可带动活塞或平板在容器中做推拉动作，即成推板法。
旋桨法或推板法不一定都是靠电机电流的大小时继电器接点动作，也可以利用离合器或连杆上的传动机构，在叶片或推板负载增大时改变电接点的通断状态。
所用电动机应能在长时间堵转状态下，或离合器打滑状态下，不致过热而损坏。
这类原理构成的料位开关，只能安装在容器壁上，安装高度取决于动作所对应的料位值。
应用不那么广泛，所以次设计也不予采用。
（3）音叉法：
根据物料对振动中的音叉有无阻力探知料位是否到达或超过某高度，并发出通断信号，这种原理不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。
音叉由弹性良好的金属制成，本身具有确定的固有频率，如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉体处于共振状态。
由于周围空气对振动的阻尼微弱，金属内部的能量损耗又很少，所以只需微小的驱动功率就能维持较强的振动。
当粉粒体物料触及叉体之后，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急剧衰减，音叉停振。
为了给音叉提供交变的驱动力，利用放大电路对压电元件施加交变电场，靠逆压电效应产生机械力作用在叉体上。
用另外一组压电元件的正压电效应检测振动，它把振动力为微弱的交变电信号。
再由电子放大器和移相电路，把检振元件的信号放大。
经过移相，施加到驱动元件上去，构成闭环振荡器。
在这个闭环中，既有机械能也有电能，叉体是其中的一个环节，倘若受到物料阻尼难以振动，正反馈的幅值和相位都将明显的改变，破坏了振荡条件，就会停振。
只要在放大电路的输出端接以适当的器件，不难得到开关信号。
为了保护压电元件免受物料损坏和粉尘污染，将驱动和检振元件装在叉体内部，经过金属膜片传递振动。
如果在容器的上下方都装叉体，可以实现自动进料或自动出料的逻辑控制，或者把料位越限信号远传到控制室。
在控制室里的控制电路判断料位是否越限，并按要求使被控的进出料设备启停。
并且叉体的制造和装配良好时，音叉也可用于液体测量和控制。
在测量时不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。
此设计选择音叉法阻力式料位传感器。
2.4LED显示电路选择
LED显示器是由N个LED显示块拼接成N位LED显示器。
N个LED显示块有N跟位选线，根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮、暗。
LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。
2.4.1LED静态显示方式
LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或+5V）；每位的段选线分别与一个8位的锁存器输出相连。
所以称为静态显示。
各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。
也正因此如此，静态显示器的亮度都较高。
这种显示方式接口编程容易。
付出的代价是占用口线较多，若用I/O接口，则要占用4个8位I/O口，若用锁存器接口，则要用4片74LS373芯片。
如果显示器位数增多，则静态显示方式更是无法适应，因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。
2.4.2LED动态显示方式
在多位LED显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，有一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。
而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。
其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口。
由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。
若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字节的段码。
在确定LED不同位显示的时间间隔，不能太短，因为发光二极管从导通到发光有一定的延时，导通时间太短，发光太弱人眼无法看清。
但也不能太长，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多，另外，显示位增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态显示实质是一牺牲CPU时间来换取元件的减少。
所以，由于本系统只涉及到2位显示输出，就采用了和2片8位移位寄存器串级使用的LED静态显示方式[2]。
2.5键盘输入电路
2.5.1矩阵式键盘接口
矩阵式键盘（也称行列式键盘）适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交点上。
一个3×3的行列结构可以构成一个有9个按键的键盘。
同理，一个4×4的行列结构可以构成一个16键的键盘，很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。
按键设置在行列线交点上，行列线分别接到按键开关两端。
行线通过上拉电阻接到+5V上。
平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。
列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平，列线电平如果为高电平，则行线电平为高电平。
这是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在
。
由于矩阵键盘中行列线为多键公用，各按键均影响该键所在行列的电平。
因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来比做适当的处理，才能确定闭合键的位置。
2.5.2独立式按键接口
独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。
因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。
独立式按键电路配置灵活，软件简单。
但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。
由于此系统中共有启动两条生产线的“启动1”键和“启动2”键、分秒选择键、时间设置加、时间设置减、显示生产线状态的切换键，时间设置键、时间切换键。
只有这8个键，比较简单。
所以就采用独立式按键接口电路[6]。
3控制系统的实现
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。
3.1控制要求
根据实际系统的操作过程，设计了以下的模拟过程：
初始状态：
红灯L1灭，绿灯L2亮，表示允许汽车开进装车。
汽车开进到位后（用S2接通表示），L1亮，L2灭。
按下起动按钮，电动机M3运行，电动机M2在电动机M3运行2s后开始运行，电动机M1在电动机M2运行2s后开始运行，料斗K2在电动机M1运行2s后打开出料。
当汽车上的料装满后（用S2断表示），料斗K2关闭。
电动机M1在料斗K2关闭2s后停止运行，电动机M2在电动机M1停止运行2s后停止运行，电动机M3在电动机M2停止运行2s后停止运行。
电动机M3停止后，绿灯L2亮，红灯L1灭，表示汽车可以开走。
3.2流程图
控制系统流程图如3-1所示,通过比较小车当前位置和呼叫信号位置决定小车运行方向,当小车当前位置与呼叫信号位置相同,则小车停止运行;每次只允许出现一个呼叫信号,其实现方法可以采用竞争电路实现,具体实现方法见下文控制程序部分。
3-1控制系统流程图
3.3系统的I/O连接图
根据系统的控制要求，系统的输入点数为2点，输出点数为6点，相应的I/O分配图如图3-2所示。
3-2I/O分配图
3.4控制系统的梯形图
图3-3系统梯形图
程序梯形图如图3-3所示。
程序解释如下。
第1段到第6段:
6个站的行程开关分别用常数1～6来表示,当小车在1号站时,行程开关X11得电,将数字1传送到数据寄存器D0;当小车在2号站时,行程开关X12得电,将数字2传送到数据寄存器D0。
依此类推,当小车在6站时,行程开关X16得电,将数字6传送到数据寄存器D0。
第7段到第12段:
6个站的呼叫按钮分别用数字1～6表示,而且由于6个按钮开关SB1～SB6通过M2实现互锁功能,先按下者优先。
当按下1号站呼叫按钮开关SB1时,X1得电,数字1传送到数据寄存器D1,同时将M3触发,从而获得优先权,在完成SB1呼叫任务之前再按下其他呼叫信号都无效。
依此类推,当按下6号站呼叫按钮开关SB6时,行程开关X6得电,数字6传送到数据寄存器D1,在执行完SB6呼叫任务之前,再按下其他呼叫信号无效[2]。
第13段:
按下启动按钮后,开始对行程开关数据寄存器D0和呼叫按钮数据寄存器D1中的数据进行比较。
当（D1）>（D0）时,即小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮的编码时,M0得电,Y0有输出,接通接触器KM0,小车向右运行;当（D1）=（D0）时,即小车当前所处停靠站的编码等于呼叫按钮的编码时,小车不动,当（D1）<（D0）时,即小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮的编码时,M2得电,Y1有输出,接通接触器KM1,小车向左运行。
4结语
自动生产线上使用的转运小车,是常用的生产设备,它运行正常与否,对生产影响很大。
该系统自运行以来，稳定可靠,操作简便,设备维护量小,而且程序控制具有可扩展性,对自动仓库等工业生产中物料小车的控制有一定的借鉴意义和参考价值。
自动送料装车系统在很多领域得到应用，因此利用模拟控制模板来模拟实际的系统运行，不仅可以缩短软件的开发周期，而且可以避免采用实际系统时可能带来的硬件设备的耗费，避免了盲目性，具有较高的应用价值。
如果采用多台PLC及仿真控制模板进行组网，还可以实现全厂多道工序多套自动送料装车系统的联机模拟运行，提高全厂物流自动化程度，使前后系统有机衔接，整个物流系统的全面优化控制。
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