PLC控制自动送料系统设计.doc
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摘要
泰山学院
本科毕业论文（设计）
PLC控制自动送料系统设计
所在学院机械与工程学院
专业名称机械设计制造及其自动化
申请学士学位所属学科工科
年级二〇一〇级
学生姓名、学号
指导教师姓名、职称
完成日期二〇一二年五月三十日
I
摘要
可编程序控制器（PLC）以其高可靠性和操作简便等特点，目前已广泛应用于自动化控制的各个领域。
运料小车在现代化的工业生产中普遍存在。
运用PLC控制运料小车，可以实现生产自动化，智能化，提高生产效率，降低劳动成本。
此次设计的任务是利用PLC实现对两个小车对四个仓送料的控制。
首先对PLC的工作原理和构成进行了简要分析，然后分析了送料控制系统的原理和结构，完成了系统方案选择。
在此基础上重点对送料小车的接线图和梯形图进行了设计，对送料控制系统系统节点进行了分配，完成了系统程序的分段设计和调试。
本控制系统具有编程简单、控制灵活，调试和维护简便的特点。
关键词：
可编程控制器，送料系统，控制
II
Abstract
ABSTRAC
Programmablecontroller（PLC）foritshighreliabilityandeasytooperate,hasbeenwidelyusedinautomaticcontrolfield.Materialtransporttrolleyinthemodernindustrialproductionexists.TheuseofPLCcontrolofmaterialtransporttrolley,canrealizeproductionautomation,intelligent,improveproductionefficiency,reducethelaborcost
ThedesignofthetaskistheuseofPLCtoachievethetwocaronafourbarnfeedingcontrol.FirstlytheworkingprincipleofPLCandformundertookbriefanalysis,thenanalyzedthefeedingcontrolsystemprincipleandstructure,completedasystemoptions.Onthebasisofthisfocusonthefeedingtrolleywiringdiagramandladderdiagramwasdesigned,thefeedingcontrolsystemnodeallocated,completedasystemprogramdesignanddebugging.Thecontrolsystemhassimpleprogramming,flexiblecontrol,convenientdebuggingandmaintenancecharacteristics.
Keywords:
Programmablecontroller,afeedingsystem,control；
泰山学院本科毕业论文（设计）
目录
1可编程控制器的概述 2
1.1PLC的定义 2
1.2PLC的发展 2
1.3PLC的特点 3
1.4PLC的基本组成及各部分作用 4
1.5 PLC的应用领域 6
2送料控制系统控制要求与方案选择 8
2.1控制系统在送料小车中的作用与地位 8
2.2控制系统介绍 8
3基于PLC的送料小车控制系统设计 11
3.1送料小车PLC的I/O分配表 11
3.3梯形图分段设计 15
3.4程序运行调试与完善 20
4结论 25
参考文献 26
致谢 27
1可编程控制器的概述
1.1PLC的定义
国际电工委员会1987年对PLC作了如下定义:
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。
它采用可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计算和算术运算等操作指令，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非常相似。
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、逐渐成为应用面极广的工业控制装置。
它按照成熟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，逐步形成了具有鲜明特色的各种系列产品。
1.2PLC的发展
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们根据微处理器的工作原理很快把它引入了可编程逻辑控制器，增加了运算、数据传送及处理等的功能，第一次完成了具有计算机特性的工业控制装置。
这时的可编程逻辑控制器就是微机技术和继电器控制概念结合的产物。
自从个人计算机开始发展，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，可编程控制器在计算机技术全面应用，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、PID功能、模拟量运算及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛的应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为百分之三十左右。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、产生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。
1968年美国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。
1.3PLC的特点
可编程控制器PLC对用户来说，是一种无触点的设备，改变程序即可改变生产工艺。
目前，可编程控制器已经成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。
可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。
1、可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
从PLC的外电路来说，使用PLC构成控制系统和同等规模的继电器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百分之一甚至数千分之一，故障也就大大降低。
除此之外，PLC还带有硬件故障自我检测得功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序。
这样，整个系统具有极高的可靠性。
2、配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品。
现代PLC大多都具有完善的数据运算能力，可用于数字控制得领域。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了温度控制、位置控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3、易学易用，工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
PLC接口容易，编程语言易于被工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
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改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5、体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅为数瓦。
由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
1.4PLC的基本组成及各部分作用
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。
如下图1所示。
图1PLC硬件系统的基本组成图
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大脑神经中枢，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各种用户程序和数据；
（2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;
（3）用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器并保存起来;
2、存储器
根据存储器在系统中的作用，可以把它们分以下3种:
（1）序存储器:
和各种计算机一样，PLC也有其固定的解释程序、监控程序，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。
（2）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调试、改动，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。
（3）据存储器:
工作数据是经常存取、经常变化的一些数据。
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。
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/0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、1/0单元
I/0单元也称为I/0模块。
PLC通过I/0单元模块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、选择开关、行程开关及其他一些传感器的信号。
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能够正常工作。
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。
5、.编程器
编程器的作用是提供用户进行程序的编辑、编制、监视和调试。
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编辑梯形图和直接生成、顺序功能图程序、语句表、功能块图等，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。
现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。
1.5 PLC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建材、化工、石油、机械制造、机械制造、轻纺、交通运输及文化娱乐等各个行业。
28
2送料控制系统控制要求与方案选择
2.1控制系统在送料小车中的作用与地位
在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个工艺生产过程全部实现自动化，这就离不开控制系统。
控制系统是整个生产线的重中之重，对整个生产线起着指挥的作用。
一旦控制系统出现故障就会影响生产线的继续进行，重者甚至发生人身安全事故，这样将给企业造成巨大损失。
送料小车是基于PLC控制系统设计的，控制系统的每一步动作都直接作用于送料小车的运行，因此，送料小车性能的好坏与控制系统性能的好坏有着直接的关系。
送料小车能否正常运行、工作效率的高低都与控制系统密不可分。
2.2控制系统介绍
图2送料小车
本控制系统用于控制送料小车的自动送料。
它既能减轻人的劳动强度又能自动准确到达人很难到达的预定位置。
如图2所示，推车机可以沿轨道上下移动，到达预定位置。
推车机上就是一个小型泵站，通过控制电磁阀的换向，使两油缸伸出、缩回，顶出送料小车，再由各仓的位置控制要料。
用PLC对送料小车实现控制，其具体要求如下：
（1）送料小车1动作要求：
送料小车负责向四个仓进行送料，送料路上从左向右共有4个料仓（位置开关SQ1——SQ4）分别受PLC的I0.0——I0.3检测，当信号的状态为1时，说明运料小车到达该位置。
小车行走受两个信号的驱动，Q0.4驱动小车左行，Q0.5驱动小车右行。
各仓要料分别由4个手动按钮（SB1——SB4）发出（对应于PLC为I0.4，I0.5，I0.6，I0.7）按钮发出信号其相应指示灯就亮（HL1-HL4），指示灯受PLC的Q0.0-Q0.3控制。
送料小车2动作要求：
送料小车负责向四个仓送料，送料路上从左向右共有4个料仓（位置开关SQ11——SQ14）分别受PLC的I1.0，I1.1，I1.2，I1.3检测，当信号状态为1是，说明运料小车到达该位置。
小车行走受两个信号的驱动，Q1.5驱动小车左行，Q1.4驱动小车右行。
仓要料分别由4个手动按钮（SB11——SB14）发出（对应于PLC为I1.4——I1.7）按钮发出信号其相应指示灯就亮（HL11-HL14），指示灯受PLC的Q1.0-Q1.3控制。
（2）运料小车行走条件：
运料小车右行条件：
小车在1，2，3号位置，表明4号仓要料；小车在1，2号位置时，表明3号仓要料；小车在1号位置时，表明2号仓要料。
运料小车左行条件：
小车在4，3，2，0号位置时，表明1号仓要料；小车在4，3，0号位置时，表明2号仓要料；小车在4，0号位置时，表明3号仓要料；小车在0位，表明4号仓要料。
运料小车停止条件：
要料仓号与小车的车位相同时，应该是小车的停止条件。
运料小车的互锁条件：
小车右行时不允许左行启动，同样小车左行时也不允许右行启动。
2.3送料小车控制系统方案的选择
实现小车送料系统控制有很多方法，比如可以用单片机、可编程控制器等。
但在单片机控制系统电路中需要加入A/D，D/A转换器，线路很复杂，还要分配大量的中断口地址。
单片机控制电路易受外界环境干扰，具有很大的不稳定性。
控制程序还需要具有一定编程能力的人才能进行编译，在维修时也需要高技术人员才能维修，这样就对以后工作带来不变，所以不宜用单片机来实现。
从PLC的结构特点可知，PLC具有很多优点，可靠性很高，通常平均无故障时间都在401万小时左右；安装、操作和维护也较容易；编程简单，PLC的基本指令不多，编程器使用比较方便，程序设计和产品调试周期短；此外PLC内部定时、计数资源丰富，可方便地实现对送料小车的控制。
因此，最终我选择用PLC来实现送料小车系统的控制，完成本次的设计题目。
3基于PLC的送料小车控制系统设计
3.1送料小车PLC的I/O分配表
表1PLC送料小车控制系统的I/O分配表
序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
1
小车1到达一号仓
I0.0
1
1车一号仓的灯灭
Q0.0
2
小车1到达二号仓
I0.1
2
1车二号仓的灯灭
Q0.1
3
小车1到达三号仓
I0.2
3
1车三号仓的灯灭
Q0.2
4
小车1到达四号仓
I0.3
4
1车四号仓的灯灭
Q0.3
5
一号仓指示灯亮要料
I0.4
5
小车1左行
Q0.4
6
二号仓指示灯亮要料
I0.5
6
小车1右行
Q0.5
7
三号仓指示灯亮要料
I0.6
7
油缸1伸出
Q0.6
8
四号仓指示灯亮要料
I0.7
8
油缸1缩回
Q0.7
9
小车2到达一号仓
I1.0
9
2车一号仓的灯灭
Q1.0
10
小车2到达二号仓
I1.1
10
2车二号仓的灯灭
Q1.1
11
小车2到达三号仓
I1.2
11
2车三号仓的灯灭
Q1.2
12
小车2到达四号仓
I1.3
12
2车四号仓的灯灭
Q1.3
13
一号仓指示灯亮要料
I1.4
13
小车2右行
Q1.4
14
二号仓指示灯亮要料
I1.5
14
小车2左行
Q1.5
15
三号仓指示灯亮要料
I1.6
15
油缸2伸出
Q1.6
16
四号仓指示灯亮要料
I1.7
16
油缸2缩回
Q1.7
17
车1传送料行程开关
I2.0
17
推车机向上运行
Q2.0
18
推车机上行行程开关
I2.1
18
推车机行下运行
Q2.1
19
推车机下行行程开关
I2.2
20
车1装料处行程开关
I2.3
21
车2装料处行程开关
I2.4
22
车2传送料行程开关
I2.5
23
启动
I2.6
24
停止
I2.7
25
手动开关
I3.0
26
连续开关
I3.1
27
推车机上下行开关
I3.2
28
推车机左右行开关
I3.3
29
油缸单动
I3.4
30
中间位置
I3.5
31
油缸联动
I3.6
根据控制要求，PLC控制送料小车的输入\输出地址编排如表1所示。
SB5键为启动开关，SB6为停止开关，SA6、SA7为手动\连续的选择开关，SA1、SA2为上下、左右转换开关，SA3、SA4、SA5为油缸单动联动转换开关。
Q0.0-Q0.3和Q1.0-Q1.3控制8个要料指示灯，Q0.4-Q0.5和Q1.4-Q1.5控制小车1号、2号左行和右行，Q0.6-Q0.7和Q1.6-Q1.7。
送料小车1负责向四个仓进行送料，送料路上从左向右共有4个料仓（位置开关SQ1——SQ4）分别受PLC的I0.0——I0.3检测，当信号的状态为1时，说明运料小车到达该位置。
小车行走受两个信号的驱动，Q0.4驱动小车左行，Q0.5驱动小车右行。
各仓要料分别由4个手动按钮（SB1——SB4）发出（对应于PLC为I0.4，I0.5，I0.6，I0.7）按钮发出信号其相应指示灯就亮（HL1-HL4），指示灯受PLC的Q0.0-Q0.3控制。
送料小车2负责向四个仓送料，送料路上从左向右共有4个料仓（位置开关SQ11——SQ14）分别受PLC的I1.0，I1.1，I1.2，I1.3检测，当信号状态为1是，说明运料小车到达该位置。
小车行走受两个信号的驱动，Q1.5驱动小车左行，Q1.4驱动小车右行。
仓要料分别由4个手动按钮（SB11——SB14）发出（对应于PLC为I1.4——I1.7）按钮发出信号其相应指示灯就亮（HL11-HL14），指示灯受PLC的Q1.0-Q1.3控制。
3.2PLC端子接线图
PLC型号的选择：
因为西门子系列的产品在同类产品中具有极高的可靠性、便捷的操作性和具有较高的性价比等特点。
S7-200具有高集成度的设计，低廉的成本，是各种小型控制系统理想的解决方案。
它强大的浮点运算能力更是它在需要复杂运算的机械控制系统上的应用更加得心应手。
并且在西门子系列S7-300、S7-400和S7-200的功能相近，但是在价格上有很大的差别，都比S7-200要贵。
在本次设计中S7-200完全可以满足设计要求，为了节省成本我选择了S7-200系列CPU226，加一个EM223的扩展模块。
因为现在控制系统中共用了31个输入，用直流24V；18个输出，用交流电220V，所以我选择用S7-200系列CPU226，由于借口不够所以我加一个EM223的扩展模块。
CPU226的主要的技术参数：
输入24VDC，24点；输出220VAC，16点；电源电压为AC100—240V50/60Hz。
S7-200CPU226简单介绍：
CPU的工作方式为CPU面板上分别用两个发光二极管显示当前工作方式，绿色指示灯亮时表示为运行状态，红色指示灯亮时表示为停止状态，在标有SF指示灯亮时表示系统故障，PLC将会停止工作。
CPU在停止工作方式时，不执行程序，此时可以通过编程装置向PLC装载程序或进行系统设置，在程序编辑、上下载等处理过程中，必须让CPU处于STOP方式。
CPU在RUN工作方式下，PLC按照自己的工作方式运行用户程序。
把指令切换到STOP位，可以停止程序的执行。
操作指令切换到RUN位，可以起动程序的执行。
操作指令切换到TERM或RUN位，允许STEP7-Micro/WIN32软件设置CPU工作状态。
设置为RUN时，电源上电时，CPU自动进入RUN工作状态。
在程序中插入一个STOP指令，CPU可由RUN方式进入STOP工作方式。
S7-200CPU226处理的数据可以是布尔型、字符串、布尔型、整数型和实数型（浮点数）。
布尔型数据指字节型无符号整数；整数型数包括16位符号整数（INT）和32位符号整数（DINT）。
实数型数据采用32位单精度数来表示
EM223的扩展模块介绍：
数字量输入、数字量输出模块。
通过数字量输入端口，CPU通过此模块可以采集连接在此模块上现场的开关信号，比如：
按钮、触点等。
通过数字量输入端口，通过此模块还可以把控制程序运算的控制结果通过此模块制连接的开关设备，比如：
灯、电磁阀灯等模拟量输入模块。
可接受电流、电压信号，也可连接两线制变送器。
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