PLC运料小车控制系统设计doc.docx
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PLC运料小车控制系统设计doc
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毕业论文
课题PLC运料小车控制系统设计
学生姓名王坤
系别机械工程学院
专业班级09机械设计制造及其自动化2班
指导教师方新燕
二零一三年六月
PLC运料小车控制系统设计
摘要
近年来，随着科技的进步和微电子行业的迅速发展，可编程序控制技术在自动化控制领域中得到广泛的运用，可编程序控制器（PLC）因其可靠性和操作简便等特点，已经成为工业控制领域的主体。
运料小车在现代化工业生产中普遍存在。
传统的运料小车大多是继电器控制，而继电器控制有着接线复杂、易出故障、维护维修不易等缺点。
PLC作为目前国际控制市场上的主流控制器，在市场、技术等方面有重大优势，利用PLC控制来代替继电器控制已是大势所趋。
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功能强大，可扩展到多达128I/O点，且能增加特殊功能模块或扩展板，通信和数据连接功能选项使得FX1N在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。
本课题主要内容包括：
分析被控对象和明确系统控制要求；PLC选型；确定系统的I/O设备的数量及种类；控制流程设计；控制程序设计。
关键词：
PLC；运料小车；控制系统
DesignofPLCtransportdollycontrolsystem
Astract
Inrecentyears,withthescientificandtechnologicalprogressandrapiddevelopmentofmicroelectronictechnology,programmablecontroltechnologyhasbeenwidelyusedinautomationandcontrol,programmablelogiccontroller（PLC）foritshighreliabilityandsimpleoperation,hasbeenformationofanindustrytrend.
Thecarusedfortransportmaterialsiscommoninmodernfactories.Traditionaltransportmaterialsaremostlycarrelaycontrol,relaycontrolwiringhasnumerousshortcomingsofthehighfailurerate,andtherepairisnoteasytomaintaintheshortcoming.PLCappliedtotransportmaterialstocarelectricalcontrolsystemandcanrealizeautomaticcontroloperationofthecarandreducesystemoperatingcosts.Itispowerful,canbeexpandedtoasmanyas128I/Opoints,andcanincreasethespecialfunctionmodulesorexpansionboards.CommunicationsanddataconnectivityoptionsmakeFX1Ninvolume,communicationsandspecialfunctionmodulessuchimportantapplicationsperfectly.Thetopicsinclude:
analysisofplantandaclearsystemcontrolrequirements;PLCselection;determinethesystem'sI/Odevicenumberandtype;controlprocessdesign;controlprogramming.
Keywords：
PLC;Materialtransporttrolley；controlsystem
目录
摘要
Abstract
第一章绪论…………………………………………………………………………………1
1.1研究背景…………………………………………………………………………………1
1.2运料小车控制系统的发展过程……………………………………………………………1
1.3本论文主要研究的内容…………………………………………………………………1
第二章可编程控制器（PLC）概述…………………………………………………………2
2.1PLC的定义…………………………………………………………………………………2
2.2PLC的结构组成……………………………………………………………………２
2.3PLC的工作原理……………………………………………………………………………３
2.4PLC的编程语言……………………………………………………………………………３
2.5PLC控制系统设计的方法…………………………………………………………………４
第三章运料小车控制系统方案设计………………………………………………………５
3.1控制内容与要求…………………………………………………………………………５
3.2方案设计…………………………………………………………………………………５
第四章控制系统硬件设计…………………………………………………………………７
4.1PLC选型…………………………………………………………………………………７
4.2三相异步电动机选型……………………………………………………………………８
4.3行程开关的选择…………………………………………………………………………８
4.4继电器的选择……………………………………………………………………………８
4.5PLC外部接线图……………………………………………………………………………８
第五章控制系统软件设计…………………………………………………………………10
5.1I/O地址分配………………………………………………………………………………10
5.2软件流程图………………………………………………………………………………11
5.3系统软件设计……………………………………………………………………………12
5.4程序的调试………………………………………………………………………………30
总结…………………………………………………………………………………31
参考文献…………………………………………………………………………………32
致谢…………………………………………………………………………………33
插图清单
图2-1PLC组成框图……………………………………………………………………………2
图3-1小车示意图……………………………………………………………………………5
图3-2运料小车速度变化图…………………………………………………………………5
图3-3运料小车控制系统图…………………………………………………………………6
图4-1主电路图……………………………………………………………………………9
图4-2PLC接线图……………………………………………………………………………9
图5-1软件流程图……………………………………………………………………………12
图5-2小车启动梯形图………………………………………………………………………13
图5-3作业点1呼叫梯形图程序……………………………………………………………13
图5-4作业点2呼叫梯形图程序……………………………………………………………14
图5-5作业点3呼叫梯形图程序……………………………………………………………14
图5-6作业点4呼叫梯形图程序……………………………………………………………15
图5-7作业点5呼叫梯形图程序……………………………………………………………15
图5-8作业点6呼叫梯形图程序……………………………………………………………16
图5-9作业点7呼叫梯形图程序……………………………………………………………17
图5-10作业点8呼叫梯形图程序……………………………………………………………17
图5-11作业点9呼叫梯形图程序……………………………………………………………18
图5-12作业点10呼叫梯形图程序…………………………………………………………18
图5-13行程开关梯形图程序………………………………………………………………19
图5-14小车向左运行梯形图程序…………………………………………………………21
图5-15小车向右运行梯形图程序…………………………………………………………23
图5-16故障判断及处理梯形图程序………………………………………………………28
图5-17系统调试图…………………………………………………………………………30
表格清单
表4-1行程开关参数表………………………………………………………………………8
表5-1输出地址分配表………………………………………………………………………10
表5-2输入地址分配表………………………………………………………………………10
表5-3继电器分配表…………………………………………………………………………11
第一章绪论
1.1研究背景
PLC（可编程控制器）是20世纪60年代开始发展起来的用于取代继电器控制系统的一种新型工业装置。
它以微处理器为核心，并将计算机技术、通信技术以及自动化技术结合为一体。
由于其编程简单、可靠、体积小、功能完善，被广泛应用于各行各业。
运料小车在煤矿、仓库、港口车站、矿井等行业中被广泛应用，而其控制系统就是一种典型的PLC系统。
传统的运料小车大多是继电器控制，而继电器控制有着接线复杂、易出故障、维护维修不易等缺点。
为了降低运料小车的运行成本,实现自动化控制，应用可编程控制技术作为小车的控制系统。
本课题主要介绍一种基于三菱FX1N系列的运料小车PLC控制方案。
1.2运料小车控制系统的发展过程
随着可编程控制技术的发展，小车的控制系统越来越完善，生产率不断提高。
运料小车控制经历了以下三个阶段：
（1）手动控制
20世纪60、70年代，PLC技术便被一些企业运用到运料小车的控制中。
由于可编程控制技术还处于起步阶段，发展不够成熟，机器的控制只能通过手动完成。
而且早期的控制系统大多比较复杂，都是由接触器和继电器组成的系统。
这种系统成本高、体积大、设计周期长，基本上没有数据处理功能和通信功能，而且操作复杂，必须有专人负责操作。
（2）自动控制
20世纪80年代，计算机技术迅速发展，计算机的价格有了一定下降。
部分工控企业为了减少成本、实现自动化控制。
通过机器人技术和自动化设备，将PLC与计算机充分地结合在一起。
将PLC技术充分运用到运料小车的控制系统当中。
（3）全自动控制
现阶段，随着PLC技术的发展，运料小车控制系统不断完善，大型PLC不断向高性能、高速度和大容量等方向全面发展。
PLC运料小车自动控制系统的完善给工业生产带来了诸多便宜。
例如新的控制系统价格低，为大型工控企业节约生产成本。
由于新的系统具有连线简单，控制速度快，精度高，维修、改造方便等优点深受厂家欢迎。
1.3本论文主要研究的内容
本论文在介绍运料小车控制系统相关背景的基础上，提出了运料小车控制系统设计方案。
通过分析运料小车的控制要求确定来设计硬件部分和软件部分，并对软件进行调试，得到满足具体控制要求的系统。
第二章可编程控制器（PLC）概述
2.1PLC的定义
国际电工委员会（
）对PLC作了如下的定义:
PLC是一种为了满足工业环境而设计的电子工作系统。
它运用了可编程的存储器，用在内部存储执行顺序运算、计算、逻辑运算、算术运算和计时等操作的指令，并且能够通过模拟式或者数字式的输入和输出，控制各类的生产过程或者各种机械。
是近年来高速发展、运用面宽广的工业控制装置。
可编程控制器根据成熟、有效的继电器控制理念和设计思路，运用不断发展更新的高新技术以及电子器件，逐渐发展成了各具特色的产品。
2.2PLC的结构组成
PLC的品种繁多，按其结构型式可分为整体箱式和模块组合式两种。
整体箱式PLC包括CPU主板、I/O主板、显示面主板、内存块、电源等，这些结构组成了不可拆卸的整体。
模块组合式PLC包括CPU模块（含存储器）、输入/输出模块、电源模块等几种类型的模块，组装在一个机架内，构成一个PLC系统。
图2-1PLC的组成框图
（1）CPU
CPU即微处理器，实际就是一台单片机。
上面除了CPU、还有存储器、并行接口、串行接口、时钟。
它是PLC的核心部件，其作用是对整个PLC的工作进行控制。
它是PLC的运算中心和控制中心，实现逻辑运算、算术运算并对整机进行协调、控制，按系统城区赋予的功能工作：
1）对系统进行管理，如自诊断、查错、信息传送、时钟、计数、刷新等；
2）进行程序解释，根据用户程序执行输入、输出操作等。
（2）存储器
PLC的存储器有两种：
一是单片机上带的存储器，主要用于存储系统程序。
二是用户程序存储器，通常都是CMOS型的RAM，存储用户程序及参数，用锂电池做后备，调试起来也方便。
还有EPROM或EEPROM。
（3）输入/输出接口电路
输入/输出接口电路是PLC与被控对象（机械设备或生产过程）联系的桥梁。
现场信息输入接口传送给CPU，CPU的运算结果、发出的命令经输出接口送到有关设备或现场。
输入输出信号分为开关量、模拟量、数字量三种类型。
（4）电源
电源是PLC整机的能源供给中心。
PLC系统中有两种电源：
一种是内部电源，是PLC主机内部电路的工作电源。
要求性能稳定、工作可靠，一般使用开关稳压电源。
另一种是外部电源（或称用户电源），用于传送现场信息或驱动现场执行机构，通常由用户另备。
（5）扩展接口
用于系统扩展输入、输出点数。
这种扩展接口实际为总线形式，可配接开关量的I/O单元，也可配置如模拟量、高速脉冲等单元以及通信适配器等。
如I/O点离主机较远，可设置一个I/O子系统将这些I/O点归纳在一起，通过远程I/O接口与主机相连。
（6）存储器接口
可根据使用需要扩展存储器，内部与总线相连，可扩展用户程序存储区、数据参数存储区。
（7）外设接口
外设接口实际上是PLC的通信口，可与手持式编程器、计算机或其它外围设备相连，以实现编程、调试、运行、监视、打印和数据传送等功能。
2.3PLC的工作原理
PLC的工作方式是周期循环扫描.所谓扫描就是CPU依次对各种规定的操作项目进行访问和处理。
PLC的工作过程基本上就是用户程序的执行过程。
是在系统软件控制下，依次扫描个输入点状态（输入采样），按用户程序解算控制逻辑（程序执行），然后顺序向各输出点发出相应的控制信号（输出刷新）。
2.4PLC的编程语言
2.4.1梯形图语言
梯形图语言是在继电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图的基础上演变而来的，它与继电器控制原理图相呼应。
其特点是使用方便、修改灵巧，这是传统的继电器控制系统梯形图的硬件接线无法比拟的。
2.4.2指令表语言
指令表语言类似于计算机的助记符语言，它是PLC最基础的编程语言。
所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能。
下面介绍几个常用的指令。
（1）LD/LDI指令
LD/LDI指令表示一个与输入母线相连接的开始点。
LD表示常开触点逻辑运算开始，LDI表示常闭触点逻辑运算开始。
（2）OUT指令
OUT指令是线圈驱动指令，它是一个多程序步指令，且视具体目标元件而定。
（3）AND/ANI指令
AND/ANI指令是串联连接触点指令。
AND表示常开触点的串联，ANI表示常闭触点的串联。
它们串联的触点数目不受限制，可以多次使用。
（4）OR/ORI指令
OR/ORI指令是并联连接触点指令。
OR表示常开触点的并联，ORI表示常闭触点的并联。
需多次使用时，要使用ORB指令。
（5）ANB指令
两个或两个以上的触点并联的电路成为并联电路块。
分支电路并联电路块与前面的电路串联时，使用ANB指令。
（6）ORB指令
两个或两个以上的触点串联的电路成为并联电路块，使用ANB指令。
（7）传送指令MOV
传送指令MOV的功能是将源操作数的内容传送道目标操作数
（8）比较指令CMP
比较指令CMP是用来实现两个数据的大小比较。
当输入条件满足时，执行比较指令，比较结果送到目标操作数为首地址的软件中。
2.5PLC控制系统设计的方法
（1）分析工艺流程和控制要求
（2）确定输入输出（I/O）设备
（3）PLC型号的选择
（4）I/O地址分配
（5）空隙系统程序设计
（6）系统调试
第三章运料小车系统方案设计
3.1控制内容与要求
3.1.1运料小车的运动流程
某生产线上用运料小车将生产原料运送至10个作业点上，供设备与生产人员使用，要求小车能够响应生产作业点的呼叫，并迅速准确地停靠各个生产作业点，使生产过程顺利进行。
小车的控制机构有启动按钮和停止按钮。
每个作业点分别编号、配备呼叫按钮和用于监视小车是否准确停靠的行程开关。
运料小车工作示意图如图3-1所示。
_
3.1.2设备控制要求
运料小车能满足下面的控制要求：
按下启动按钮，系统开始工作；按下停止按钮，小车立即停止动作；呼叫按钮有互锁功能，当一个或多个呼叫按钮被按下后，系统能准确识别出按钮位置，响应最先按下的按钮。
若小车停靠的位置编号小于呼叫按钮的编码值，电动机正转，小车向右运动到作业点停靠；反之，则向左运动到作业点停靠。
若小车停靠的位置编号等于呼叫按钮的编码值，小车保持不动。
若行程开关和电动机正反继电器出现故障，小车能及时停机，防止事故发生。
3.2方案设计
3.2.1运料小车运动分析
根据生产工艺要求，设计出小车在运料过程中的速度变化情况如图3-2所示。
图3-2运料小车速度变化图
3.2.2控制方案
3.2.2.1控制系统图
整个系统控制点数比较多，有数据处理、运料车位置显示、故障停止等。
控制系统图如图3-3所示：
图3-3运料小车控制系统框图
3.2.2.2PLC框架配置
运料小车控制采用三菱的FX1N系列整体式PLC，它控制着整个系统按照控制要求有条不紊地运行。
第四章控制系统的硬件设计
4.1PLC的选型
4.1.1选型分析
在PLC控制系统硬件设计时，首先要确定控制方案，然后根据具体要求进行PLC选型。
设计选型的主要依据就是工艺特点和应用要求。
所选择的PLC硬件配置、软件配置及功能应该和装置规模及控制要求相适应。
熟悉可编控制器、相关程序语言及功能表图可以缩短编程的时间。
所以PLC选型时，应该先分析工艺特点和要求、明确任务和范围、确定操作和动作，然后根据控制要求，估算I/O点数、存储器容量、确定PLC功能以及外部设备的型号等。
4.1.2PLC机型选择
根据系统I/O信号的性质和数量,本论文选用FX1N-40MR主机。
该型号的主机由AC24V供电，自带24点数字量输入，16点数字量输出，可满足系统I/O信号要求，完成运料小车的控制任务。
（1）输入/输出模块的选择
对输入模块，应考虑信号传递距离、信号电平、信号供电方式、信号隔离等应用要求。
模块电源:
在选择交流输入、输出模块时，供电电源为隔离变压器，可防止外部电路故障对模块电源造成一定的损伤。
电源采用双绞线，绞距为1～2CM。
隔离变压器的容量为电源组件容量的1.5～2倍。
选择直流模块时，其外接电源的波纹值应该满足模块的要求。
若选择模拟量模块，应该备用一个电源它的作用就是稳定电压。
电压等级:
电压等级在选择时是一个重要的参考数据，选择电压等级的主要依据是模块与现场设备的距离。
距离较长时，可选用220V模块；距离短并且控制集中时可选择优24V模块。
对输出模块，应考虑输出模块类型。
通常继电器输出模块价格便宜使用的范围也比较广泛，但是寿命很短而且响应时间长。
可控硅输出模块价格贵，过载能力差但能适应开关频繁的场合。
输出模块还有直流输出、交流输出、模拟量输出等。
（2）存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降。
为保证应用项目的正常投资，一般要求存储器的容量，256个I/O点至少选用8k存储器。
本系统I/O点数少于256个，因此8k存储器足够使用。
（3）冗余功能的选择
控制单元冗余：
CPU（包括存储器）及电源均应1：
1冗余。
I/O接口冗余：
控制回路的多点I/O卡应冗余配置、重点监测点的多点I/O卡应冗余配置、根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化接口单元。
（4）抗干扰措施
由于产生干扰的因素复杂多样，因此采用的抗干扰要根据情况而定。
PLC的供电电源一般为85V～220V左右，它的适应电源范围较宽。
为了防止干扰，在电源引入端安装一个隔离变压器，可以减少设备与地面的干扰。
该隔离变压器带有一个变比为1:
1的屏蔽层。
还可以在电源输入端串接一个LC滤波电路。
4.2三相异步电动机选型
使用电压：
AC24～380V；输出功率：
2～100W；转速等级：
500～6000r/min；连续可输出转矩10～600N·m；用于运料小车。
4.3行程开关选择
LX2-121单臂式行程开关主要参数如表4-1。
表4-1行程开关参数
额定电压
V
额定控制容量
额定发热电流
A
触点对数
额定操作频率
交流
直流
交流
（伏安）
直流
（瓦）
常开
常闭
380
220
300
60
5
1
1
600/小时
4.4继电器
在电动机的正反转继电器中所运用的微处理器智能控制技术为SMT工艺。
它不仅可以在输入端设置硬件、软件正反互锁，还可以在强电输出端也设置互锁。
当撤销A路控制信号而A路晶闸管该断开却未断开时，B路晶闸管即使有信号也不会立即接通。
在380V强电未接入情况下，即使输入端有控制信号也不会触发晶闸管导通。
控制电压DC12～24V，工作电流25～45mA。
4.5PLC外部接线图
4.5.1主电路
主电路包括开始按钮开关、停止按钮开关和三相异步电动机。
他的工作原理是当继电器接受到当前位置编码与呼叫站台编码比较结果后；可以通过控制继电器控制三相异步电动机的正反转，来控制运料小车向左运行或者向右运行。
图4-1主电路图
4.5.2电气接线图
图4-2电气接线图
第五章控制系统软件设计
5.1I/O地址分配
由于CPU模块有24点数字输入，16点数字输出，所以不需要输入输出模块。
I/O地址分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是X000－X031，输出端子对应的输出地址是Y000-Y017。
5.1.1数字量输出部分
本控制系统所要控制的外部设备只有控制小车运动
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