运料小车plc控制(课程设计)13.doc

常熟理工学院课程设计（说明书）目录第1章绪论11.1可控编程的含义11.2可控编程的发展1第2章PLC的结构、工作原理及系统设计32.1 PLC的结构及工作原理32.2 PLC的编程语言42.3 PLC控制系统的构成、设计原则及步骤52.4 PLC的应用领域及特点7第3章运料小车介绍93.1 运料小车介绍与控制要求10第4章运料小车控制系统的方案论114.1运料小车控制系统的控制内容与要求114.2 方案论证134.3 PLC的选用144.4 PLC外部接线图154.5 I/O分配154.6 PLC状态流程154.7 运料小车控制系统梯形图16第5章小车的性能分析及结构进185.1小车优缺点分析185.2设计的改进及推广18致谢19参考文献20附录21第一章 绪 论1.1可控编程的含义可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，最初叫做可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），即PLC，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。20世纪60年代以前，汽车流水线的自动控制系统基本上都采用传统的继电器控制。在60年代初，美国汽车制造业竞争越发激烈，而汽车的每一次更新的周期越来越短，这样对汽车流水线的自动控制系统更新就越来越频繁，原来的继电器控制就需要经常地重新设计和安装，从而延缓了汽车的更新间。所以人们就想能有一种通用性和灵活性较强的控制系统来替代原有的继电器控制系统。1.2可编程控制器的发展1968年，美国通用汽车公司首先提出可编程控制器的概念。在1969年，美国数字设备公司（DEC）终于研制出世界上第一台PLC。这是由一种新的控制系统代替继电器的控制系统，它要求尽可能地缩短汽车流水线控制系统的时间，其核心采用编程方式代替继电器方式来实现生产线的控制。这种控制系统首先在美国通用汽车的生产线上使用，并获得了令人满意的效果。PLC在制造和冶金等其他工业部门相继得到了应用。1971年，日本引进了这项技术，并开始生产自己的PLC。1973年，欧洲一些国家也研制出了自己的PLC。1974年，我国也开始仿照美国的PLC技术研制自己的PLC，终于在1977年研制出第一台具有实用价值的PLC。大规模集成电路和超大规模集成电路的出现使得PLC在问世后的发展极为迅速。现在，PLC不仅能实现继电器的逻辑控制功能，同时还具有数字量和模拟量的采集和控制、PID调节、通信联网、故障自诊断及DCS生产监控等功能。毫无疑问，PLC将在今后的工业生产中起到非常重要的作用。在20世纪80年代，美国的工业市场调查报告和1989年美国的一份分散控制系统（DCS）的调研报告中，都能看出PLC在工业控制中的重要作用。在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定的时间停留，以满足生产工艺要求。用PLC程序实现运料小车自动往返顺序控制，不仅具有程序设计简易、方便、可靠性高等特点，而且程序设计方法多样，便于不同层次设计人员的理解和掌握。简要介绍PLC在运料小车自动。第2章 PLC的结构、工作原理及系统设计2.1 PLC的结构及工作原理PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。其基本结构框图如图2-1所示。 图2-1 整体式结构模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，其特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也较高。基本结构框图如图2-2所示。图2-2 模块式结构PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。 PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。扫描过程如图2-3所示。图2-3 循环扫描在输入阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。在输出阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。2.2 PLC的编程语言可编程控制器的编程语言主要有梯形图语言、助记符语言及功能块图。2.2.1梯形图语言梯形图语言是在继电器控制电路图的基础上发展而来的。最大的优点就是直观易懂，使用简单方便。对来自电气方面的用语，通过梯形图很容易就能掌握，同时它也是PLC的主要编程语言。例如，一个简单PLC控制系统，当常开按钮SBFl动作时，水泵开启，当常闭按钮SBSl动作时，水泵停止运行。用继电器控制和用PLC控制的梯形图如图2-4和图2-5所示。图2-4 继电气控制电路图2-5 PLC控制梯形图2.2.2助记符语言助记符语言与汇编语言类似，它使用字符来代表可编程控制器的某种操作，这就要求用户要有一定的计算机编程基础。用助记符语言编写上一个例子的程序如下： LD X0 OR Y0 ANI X1 OUT Y02.3 PLC控制系统的构成、设计原则及步骤PLC控制系统由硬件部分和软件部分组成。对于整个PLC控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC机型、存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模块和特殊功能模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接口，如输入设备（控制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等）和由执行装置控制的现场设备（水泵、鼓风机、阀门等）。软件部分主要包括对PLC进行I/O点地址、内部继电器、定时器、计数器等的分配，PLC控制程序的设计（梯形图、语句表、流程图等），还有一些技术文件等。PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要求。PLC控制系统的设计应遵循以下原则。（1）根据工艺流程进行设计，力求控制系统能最大限度地满足控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用。（3）考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑PLC的可扩展性。（3）控制系统使用和维护方便、安全可靠。 一般PLC控制系统的设计步骤如图2-6所示，具体操作如下。（1）控制要求分析在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控制系统。（2）确定输入/输出设备根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等），根据所选用的输入/输出设备的类型和数量确定PLC的I/0点数。（3）选择合适PLC确定PLC的I/0点数后，就根据I/0点数、控制要求等来进行PLC的选择。选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。（4）I/0点数分配点数分配就是规定PLC的I/0端子和输入/输出设备。（5）PLC程序设计首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。（6）模拟调试程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。（7）现场联机调试现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。（8）整理技术文件这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单和使用说明书等。图2-6 设计步骤示意图2.4 PLC的应用领域及特点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，使用情况主要分为如下几类:(1)开关量逻辑控制取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(3)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4)数据处理PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5)通信及联网PLC通信包括PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的:1)功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；2)应用灵活， 其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合；3)操作方便，维修容易，稳定可靠。尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几万小时。第3章 运料小车介绍3.1 运料小车介绍与控制要求图3-1为运料小车模拟图A B C 图3-1 某运料小车自动往返运行的示意图 运料小车是工业送料的主要设备之一。广泛应用于自动生产线、 冶金、有色盒属、煤矿、港口、码头等行业，各工序之间的物品常用有轨小车来转运。小车通常采用电动机驱动，电动机正转小车前进，电动机反转小车后退。图3-1是一个运料小车工作示图。系统的设计要求为：小车由电机驱动，可在A、B、C两地分别启动，A地启动后，小车先返回限位开关SQ2处，停车10s装料；然后自动驶往B、C点，到达限位开关SQ1、SQ3处后停车8s，卸料，然后返回A点，如此反复。第4章 运料小车控制系统的方案论证4.1运料小车控制系统的控制内容与要求4.1.1运料小车的控制系统主回路运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转，小向右行。电动机正反转主回路如图4-1所示： 图4-1 三相异步电动机正反转电路图在生产线上装料点A、卸料点B、C分别装有行程开关，以判别小车是否到达位置。另外对小车还需要一个总停按钮，两个启动按钮。4.1.2设备控制要求运料小车在自动化生产线上运动的控制要求如下：（1） 按下启动按钮，系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作。（2） 可在A、B、C两地分别启动。（3） A地启动后，小车先返回限位开关SQ2处，停车10s装料。（4） 然后自动驶往B点，到达限位开关SQ1处后停车8s卸料。（5） 然后返回A点，停车10s装料。再驶往C到达限位开关SQ3处停车8s卸料。4.1.3运料小车控制系统控制回路 根据4.1.2设备控制的要求，运料小车控制系统的控制回路如图4-2： 图4-2 运料小车控制回路4.2 方案论证方案一：采用反接制动的方式，当电动机快速转动而需停转时，改变电源相序，使转子受一个与原转动方向相反的转矩而迅速停转。(注意，当转子转速接近零时，应及时切断电源，以免电机反转)为了限制电流，对功率较大的电动机进行制动时必须在定子电路(鼠笼式)或转子电路(绕线式)中接入电阻。这种方法比较简单，制动力强，效果较好，但制动过程中的冲击也强烈，易损坏传动器件，且能量消耗较大，频繁反接制动会使电机过热。对有些中型车床和铣床的主轴的制动采用这种方法生产设备常常要求具有上下、左右、前后等正反方向的运动，这就要求电动机能正反向工作，对于交流感应电动机，一般借助接触器改变定子绕组相序来实现。常规继电控制线路如下图所示。在该控制线路中，按下正向启动按钮SF2，中间继电器KF3线圈接通并自锁，其常闭触点打开，互锁中间继电器KF线圈电路，KF3常开触点闭合，使接触器QA 1线圈通电，QA1主触点闭合使定子绕阻经3个电阻接通正序三相电源，电动机M开始降压启动:当电动机转速上升到一定值时，速度继电器的正转使常开触点BS1闭合，使中间继电器KF1通电并自锁，这时由于KF1, KF3的常开触点闭合，接触器QA3线圈通电，于是3个电阻被短接，定子绕阻直接加以额定电压，电机转速上升到稳定工作转速。在电机正常运转过程中，若按下停止按钮SF1，则KF3, QA1, QA3三只线圈相继断电。由于此时电机转子的惯性转速仍然很高，使速度继电器的正转常开触点BSI尚未复原，中间继电器KF1仍处于工作状态，所以在接触器QA1常闭触点复位后，接触器QA2线圈便通电，其常开触点闭合，使定子绕组经3个电阻获得反相序三相电源，对电机进行反接制动，电动机转速迅速下降。当电动机转速低于速度继电器动作值时，速度继电器常开触点复位，仆1线圈断电，接触器QAZ释放，反接制动过程结束.反之，电机反向启动和制动停车与正转时相同。方案二：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。运料小车控制系统的控制系统构成图如4-3所示：图4-3 运料小车控制系统图运料小车控制流程图如4-4： 图4-4 运料小车控制流程图4.3 PLC的选择FX1S系列:三菱PLC是一种集成型小型单元式PLC。且具有完整的性能和通讯功能等扩展性。如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。 FX1N系列:是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC。 FX2N系列:是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 FX3U:是三菱电机公司新近推出的新型第三代三菱PLC,可能称得上是小型至尊产品。基本性能大幅提升，晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令，从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。 FX1NC FX2NCFX3UC三菱PLC:在保持了原有强大功能的基础上实现了极为可观的规模缩小I/O型接线接口降低了接线成本，并大大节省了时间。 Q系列三菱PLC:三菱机公司推出的大型PLC,CPU类型有基本型CPU，高性能型CPU，过程控制CPU,运动控制CPU,冗余CPU等。可以满足各种复杂的控制需求。三菱电机中国事业的快速发展，为了更好地满足国内用户对三菱PLC，Q系列产品高性能、低成本的要求，三菱电机自动化特推出经济型QUTESET型三菱PLC，即一款以自带64点高密度混合单元的5槽Q00JCOUSET；另一款自带2块16点开关量输入及2块16点开关量输出的8槽Q00JCPU-S8SET，其性能指标与Q00J完全兼容，也完全支持GX-Developer等软件，故具有极佳的性价比。 A系列三菱PLC: 使用三菱专用顺控芯片（MSP），速度/指令可媲美大型三菱PLC;A2ASCPU支持32个PID回路。而QnASCPU的回路数目无限制，可随内存容量的大小而改变；程序容量由8K步至124K步，如使用存储器卡，QnASCPU则内存量可扩充到2M字节；有多种特殊模块可选择，包括网络，定位控制，高速计数，温度控制等模块。 根据运料小车输入输出设备的分配，在I/O方面只需要6个输入口和2个输出口，同时考虑适当的余量，选用FX2N-16MR的PLC即可。4.4 PLC外部接线图运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向右行，电机反转，小向左行。小车控制系统的输入，输出设备与PLC的I/O端对应的外部接线图如4-5所示： 图4-1 运料小车PLC外部接线图图4.5外部接线图4.5 I/O分配这个控制系统的输入有2个启动按钮开关、停止按钮开关、2个行程开关、热继电器共6输入点。这个控制系统需要控制的外部设备只有控制小车运动的三相电动机一个。电机有正转和反转两个状态，分别都应正转继电器和反转继电器，另外还有一个输出控制卸料电磁铁开关，所以输出点应该有3个。对应的地址分配表如表4-1所示： 输入信号输出信号 名称 代号 输入点编号 名称 代号 输出点编号总停按钮 SB1 X000正转接触器 KM1 Y000正转启动按钮 SB2 X001反转接触器 KM2 Y001反转启动按钮 SQ2 X002 行程开关 SQ1 X003行程开关 SQ3 X004表4-1 PLC I/O分配4.6 PLC状态流程 根据运料小车运动控制的要求，（1）按启动按钮SBl，小车电动机正转，从原位装料，10秒后小车第一次前进；碰到限位开关SQl后停8秒卸料，电动机反转，小车后退。（2）小车后退碰到限位开关SQ2后，电动机M停转，装料，停10s后，第二次前进，碰到限位开关SQ3停8秒卸料，再次后退。（3）小车第二次后退碰到限位开关SQ2时停止。4.7 运料小车控制系统梯形图 根据小车运动的控制要求，画出小车控制系统的梯形图如图4-6： 图4-6梯形图第5章小车的性能分析及设计改进5.1小车的优缺点分析 本设计运用的可编程控制器实现的运料小车自动控制，避开了以往继电器接触不良、开关易损坏等缺点，可靠性和稳定性都有所提高。在检测小车是否到达装料、卸料点的时候，运用了行程开关，这样的检验系统让小车的停靠位置更加准确。 与此同时，由于输入输出很明显，不需要好多额外的外接电路，让设计更简洁。这也是采用了成熟的可编程控制器带来的好处。即使在出现故障、紧急停止等环节中都能快捷操作。但设计过程中，只是基本实现了设计的要求，没有功能扩展，让系统显得比较简单。5.2设计的改进及推广在实际的运用过程中，为了便于智能化、无人化、远程化的操作，该设计控制器还应该联网，让多台控制器组成局域网，构成一套网路系统，便于通讯和控制操作。如修改软件设计中的一些参数，能适合在不同的场合都能适合。在具体的设计中，应该还可以设计显示功能，显示运料小车到达指定的装料、卸料点时所需时间；还可以在小车底部安装一个传感器，用来检测小车中的料是否卸完。这样就可更好地控制小车的运行，更加便于人们工作。此外，该运料小车控制器可以运用于大型的养殖行业，便于送料和喂养。这样就可以节约时间，提高效率。致 谢在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。先我要感谢封士彩老师和蒋晓梅老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学参考文献（1）PLC在运料小车自动化系统中的运用主编 戴冠英 工矿自动化2005年，6期：57-59（2）机床控制技术第四版 主编 齐占庆 机械工业出版社2010年（3）可编程控制器及常用控制电路主编 何友华 冶金工业出版社2008年（4）工厂电气控制技术 主编 熊幸明 清华大学出版社2005年（5）可编程控制器应用技术 主编 胡学林 高等教育出版社2003年（6）PLC编程应用指南 主编 刘柏生 机械工业出版社2007年附录1.运料小车电气控制回路如图：2. 电器元件信息表：名称代号功能数量开关Q接通、切断电路1熔断器FU1电路保护1按钮SB1总停按钮1按钮SB2、SB3启动按钮2时间继电器KT1、KT2定时作用2接触器KM1电机正转1接触器KM2电机反转1行程开关ST1、ST2小车位置判定2电磁铁KM3卸料开关1热继电器KR电路保护1