自动送料装车系统PLC控制新版系统正文.doc

自动送料装车系统PLC控制系统设计
宜春学院 物理科学和工程技术学院 自动化专业 王强
指导老师： 唐勇波

摘要 ：利用可编程序控制器（PLC）适应性强、可靠性高、维护方便等特点，采取PLC实现送料装车系统，使物料能够自动传送和装车，降低劳动力，提升生产效率。本设计以系统控制要求为出发点，进行了系统硬件设计和软件设计（如梯形图和指令表等）。而且采取PLC编程软件GX Developer,对梯形图进行编写，仿真和调试，测试结果表明采取PLC控制器能够达成设计要求。
关键词：PLC；自动送料；硬件设计；软件设计

ABSTRACT: Programmable logic controller referred to PLC, It is characterized by high adaptability, high reliability, easy maintenance, etc. This design uses the PLC to realize feed loading system control requirements. And it makes materials automatically transmit and loading, reduce the labor force, improve production efficiency. This design is to control demand as the starting point of the system, introducing the hardware design and software of the system, such as ladder diagram and instruction list. Also this design uses PLC programming software GX Developer to write ladder diagram, simulate and debug. The test results show that adopting PLC can meet the design requirements
KEY WORDS: PLC; Automatic feed; Hardware Design; Software Design

目 录

1. 序言 1
1.1 系统设计意义 1
1.2 PLC应用现实状况及发展趋势 1
1.3 设计关键内容 1
2. PLC控制系统硬件设计 3
2.1 系统控制要求 3
2.2 系统主电路图 3
2.3 PLC机型选择 4
2.4 PLC容量估算 4
2.5 PLC输入、输出模块选择 4
2.6 按钮、开关类电器选择 4
2.7 熔断器选择 4
2.8 继电器选择 5
2.9 接触器选择 5
3. PLC控制系统软件设计 6
3.1 自动送料装车系统步骤图 6
3.2 统计输入、输出点数和选择PLC型号 6
3.3 PLC输入、输出端子分配 6
3.4 PLC输入、输出端子接线图 7
3.5 三菱PLC编程软件GX Developer 7
3.5.1 GX Developer介绍及功效 7
3.5.2 使用GX Developer编写梯形图 7
3.6 PLC控制程序设计 10
3.6.1软件设计方法 10
3.6.2 PLC控制程序分步设计过程 10
结 论 13
谢 辞 14
参考文件 15
附 录 16
附录1 自动送料装车系统总梯形图 16
附录2 PLC控制程序总体指令表 18

1. 序言

1.1 系统设计意义

自动送料装车系统是基于PLC控制而设计系统，该PLC控制系统实现了物料自动传送和装车功效，替换了过去采取人力运输物料。自动送料装车系统广泛应用于工厂物料传输流水线设备中，能够传输煤粒、细砂等材料。该系统是由电动机、传送带、给料器、传送带、小车、开关、按钮等设备组成；它经过控制三台电动机控制物料传送皮带移动使物料传送。而且因为PLC体积小、维修方便、操作安全、编程简单、能适应工厂恶劣工作环境，利用PLC控制送料传送系统将会大大降低劳动力，提升生产效率，为工厂带来更多利润。

1.2 PLC应用现实状况及发展趋势

可编程控制器（即PLC）是在19世纪60年代末在美国首先出现，它用来替换传统继电器控制系统，实现逻辑控制，次序控制，定时，计数等功效。伴随PLC技术不停完善和成熟，PLC处理速度有了大大提升，功效也日趋完善，含有通用性高、可靠性高、编程简单、抗干扰性强、适应性强、维修方便等特点。广泛应用于化工、电力、石油、采矿、冶金、机械等领域。
在可编程控制器产生之前，工业生产过程和机械控制只要是经过继电器来实现。继电器首先含有操作简单、实用、价格廉价，抗干扰性强优点，其次含有可靠性不高、灵活性差，只含有逻辑、定时特点。所以，在现代化工厂生产过程中，为了降低劳动成本，减轻工人工作负担，提升生产效率，同时也为了保障工人生命安全，要求工业生产过程实现自动化，这就需要PLC控制系统。
伴随科学技术不停发展到今天，PLCCPU处理速度有了很大提升，功效也在日趋完善，现在PLC不仅能实现开关量控制，还能实现模拟量控制、位置控制、联网通信等。PLC未来发展将在以下多个方面：
1.体积小、速度快、高性能、价格低廉；
2.大型化、多功效、网络化；
3.和其它智能控制系统相互渗透和结合。
使用PLC控制，含有以下优点:
1. 编程简单，使用方便
PLC编程语言指令少，采取简明梯形图、逻辑图和指令表等编程语言，编程简单易学，而且当改变控制方案而不需改变硬件接线，只需修改用户程序，无须须改变硬件接线。
2. 抗干扰性强，适应性强
PLC能够适应工业化生产现场，采取了隔离、屏蔽、联锁、滤波等安全方法，使之能抵御外部干扰，
适应恶劣生产环境。
3. 可靠性高，维护方便
PLC使用软件替换继电器，仅需要少许输入和输出硬件，能够因触点接触不良产生故障大为降低，出现故障时只需将PLC输入、输出模块拔掉，大大缩短了故障修复时间。

1.3 设计关键内容

实现小车送料装车系统控制要求方法有多个，比如采取继电器、单片机、可编程控制器等。
在上文已经讲述了采取继电器特点，首先含有操作简单、实用、价格廉价，抗干扰性强优点，其次但因为可靠性不高、灵活性差，只含有逻辑、定时特点，难以达成适应复杂和程序可变控制要求，无法适应猛烈市场竞争，所以在本设计中不采取继电器。
另外假如采取单片机控制小车自动送料和装车，需要加入A/D、D/A转换器，线路接线复杂，且编程显得复杂和困难；而且单片机控制电路轻易受外界环境干扰，适应性不高且不稳定。而因为本人能力有限，所以也不采取单片机。另外PLC内部含有定时和计数功效，所以我采取PLC来实现小车自动送料装车控制。
本设计以系统控制要求为出发点，介绍了系统硬件设计和软件设计（如梯形图和指令表等）。而且采取PLC编程软件GX Developer,对梯形图进行编写，仿真和调试，最终得出结论。
要达成设计控制要求，其过程分为两个部分:一是系统硬件设计，二是系统软件设计。系统硬件设计内容包含PLC机型选择、容量选择、I/O模块选择、输入和输出设备选择等；系统软件设计内容有分配输入和输出点数、画出系统步骤图、设计梯形图和指令表程序。另外我采取三菱PLC编程软件GX Developer 对梯形图进行编写，经检验无误后再仿真和调试，最终得出结论。
预期结果是:采取PLC编程软件进行系统调试和仿真，经过控制输入触点通和断，得出对应输出。即实现了控制输入开关通断控制三台电动机开启和停止，来控制物料传送皮带移动使物料传送。

2. PLC控制系统硬件设计

2.1 系统控制要求

初始状态，红灯L1灭，绿灯L2亮，小车能够开进装料，料斗K2关闭，电动机M1、M2、M3全部关闭。当料不满时K1导通，K2关闭不出料。当小车开到称重开关S2处，S2接通，红灯L1亮，绿灯L2灭；按下开启按钮S3,电动机M3运行，电动机M2在M3开启后延迟2秒运行，电动机M1在M2转动后延迟2秒运行；K2在M1运行2秒后导通出料。当料满后，断开称重开关S2，料斗K2关闭；开启按钮S3关闭，电动机M1延时2秒关闭，电动机M2在M1关闭后延时2秒停止，电动机M3在M2关闭后延迟2秒停止，此时红灯L1灭，绿灯L2亮，小车能够开走。当系统发生故障时，黄灯L3亮，正常情况灭图2-1所表示：

图2-1 自动送料装车系统

2.2 系统主电路图

系统主电路原理图图2-2所表示：

图2-2 自动送料装车系统主电路原理图

图中，电动机正反转控制送料开关K1和 料斗K2打开和关闭；交流接触器KM1、KM2、KM3作用是控制电动机M1、M2、M3运行来控制物料传送皮带送料；FR1、FR2、FR3是热继电器，对三台电动机起短路保护和过载保护作用。

2.3 PLC机型选择

PLC机型选择标准是：在满足控制要求条件下，应确保工作正常运行，维护方便，以取得最好性价比。在选择PLC应考虑以下多个问题：
（1）PLC性能和控制要求相适应。对于开关量控制系统，当它对于控制要求不高时，能够选择小型PLC（如MITSUB-ISHI企业FX2NX系列FX2N—16MR、FX2N—32MR等）。
（2）PLC机型系列应统一
（3）PLCCPU处理速度应满足控制要求，具体方法有：选择CPU处理速度快PLC；优化应用软件；采取高速响应模块；考虑是否在线编程。

2.4 PLC容量估算

PLC容量估算，包含两个方面：一是输入/输出点数估算，二是用户存放器估算。
（1）输入/输出点估算
通常输入点和输入信号，输出点和输出信号是一一对应，特殊情况下会出现两个信号公用一个输入点。
（2）用户存放器估算
在本设计中，输入信号有3个，输出信号有7个，则需要3个输入点和7个输出点，所以，可选择FX2N-16MR型PLC,它有8个输入点和8个输出点。

2.5 PLC输入、输出模块选择

1.开关量输入模块选择
开关量输入模块作用是检测、转换来自现场设备（如按钮、行程开关、转换开关等）高电平信号转为PLC内部电平信号。
输入接口电路按PLC输入模块和外部用户设备接线，可分为汇点输入接线和独立接线。
本设计中选择三相交流输入电源AC380V，三个电动机采取汇点式输入接线方法共用一个电源。
2.开关量输出模块选择
开关量输出模块作用是将PLC内部低电平转换为外部所需电平输出信号。
开关量输出模块有三种输出方法：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。

2.6 按钮、开关类电器选择

在本设计系统中，采取组合开关，用于电源引入。依据电动机容量、电流种类、电压等级选择。

2.7 熔断器选择

熔断器选择方法是：首先确定熔体额定电流；再依据熔体规格，选择熔断器规格；最终依据被保护电流性质，选择熔断器类型。

1. 熔体额定电流选择

熔体额定电流选择需要满足一定条件：
（1）IFUN ≥ I （2-1）
其中IFUN ————熔体额定电流；
I——负载额定电流。
（2）在本设计中，有三台电动机共用熔断器，则：
IFUN ≥ I m /2.5 （2-2）
式中：I m -------电路最大电流；
当三台电动机不一样时开启时，系统最大电流为：
Im = 7 I emax + （2-3）
其中 ——— 其它电动机额定电流之和；
I emax ———最大容量一台电动机额定电流。
2.熔断器规格选择
熔断器额定电压要大于系统电路工作电压，额定电流也要大于或等于熔体额定电流。
3.熔断器类型选择
熔断器必需要依据负载保护特征、短路电流大小和安装条件选择。

2.8 继电器选择

在本设计中选择含有带电保护功效继电器，预防在运行中因电源断电而造成数据丢失。
1.时间继电器
因为本设计中要延时2秒，而且从经济角度考虑，可选择空气阻尼式时间继电器，它延时范围有0.4S--80S和0.4--180s两种，触点额定电压为380V，额定电流为5A。
2.热继电器
热继电器选择可按下列公式选择：
IFRN = （0.95 ~ 1.05）Ied （2-4）
其中：IFRN ——— 热元件整定电流。

2.9 接触器选择

本设计采取交流接触器。
接触器应参考其关键技术参数选择。它关键技术参数有：级数、额定工作电压、额定工作电流、额定功率、线圈额定电压、许可操作频率、机械寿命等。
系统设计中关键考虑交流接触器主触头额定电流和额定电压。
UKMN ≥ UCN （2-5）
IKMN ≥ IN = PMN x 10³/KUMN （2-6）
式中 UKMN ———接触器额定电压；
UCN ———接触器额定线电压；
IKMN ———接触器额定电流；
PMN ———电动机功率；
UM N ———电动机额定线功率；
K ———经验系数，K取值1 ~ 1. 4。

3. PLC控制系统软件设计

3.1 自动送料装车系统步骤图

自动送料装车系统步骤图图3-1所表示：

图3-1 自动送料装车系统步骤图

3.2 统计输入、输出点数和选择PLC型号

1.输入、输出点统计
输入信号有三个开关按钮S1、S2、S3，需要有3个输入点。
输出信号有8个，3个输出线圈,3个指示灯输出和K1、K2，,总共要8个输出点。
2.PLC型号选择
因为输入点有3个，输出点有8个，可选择FX2N-18MR型PLC，它有8个输入点，8个输出点，能够满足设计要求。字母R表示PLC为继电器输出。

3.3 PLC输入、输出端子分配

PLC输入、输出端子分配如表3-1所表示：
三个热继电器常闭触头不作为输入点，而是放到输出电路中，分别和三个输出线圈连接，一样能起到过载和短路保护作用。
表3-1 PLC输入、输出端子分配
输入设备
输入端子
输出设备
输出端子
检测开关S1
X000
进料开关K1
Y000
料斗K2
Y001
称重开关S2
X001
许可汽车开走L2
Y002
许可汽车开进L1
Y003
开启开关S3
X002
电动机M1
Y004
电动机M2
Y005
电动机M3
Y006

故障报警信号灯L3
Y007

3.4 PLC输入、输出端子接线图

PLC输入、输出端子接线图图3-2所表示：

图3-2 PLC输入、输出端子接线图

3.5 三菱PLC编程软件GX Developer

3.5.1 GX Developer介绍及功效

GX Developer是MELSOFT可编程控制器 MELSOFT编程软件。它有两种型号：
一是SW8D5C-GPPW-E(英文版)，二是SW7D5C-GPPW-C（汉字版）。在本设计中使用SW7D5C-GPPW（汉字版）可编程控制器编程软件。
GX Developer含有以下功效：
1）支持全部三菱PLC系列编程；
2）支持梯形图、指令表、ST、SFC、FB、Label编程；
3）网络参数设定，进行程序线上更改、监控和调试。
另外能够使用三菱PLC仿真软件GX Simulator6-C对编程好程序在电脑中进行虚拟运行。在安装GX Simulator6-C 之前，必需先安装GX Developer，而且版本要相互兼容。当安装完它们以后，在桌面或开始菜单中并没有仿真软件图标。因为仿真软件被集成到编程软件GX Developer中了，这个仿真软件相当于编程软件一个插件。

3.5.2 使用GX Developer编写梯形图

具体方法以下：
1.当安装完GX Developer和选GX Simulator6-C以后，点选“开始”菜单栏，次序点选“全部程序”→“MELSOFT应用程序”→“GX Developer”，双击图标打开GX Developer软件。
2.在菜单栏中单击“工程”→“创建新工程”，出现图所表示画面：

在“PLC系列”中选择“FXCPU”,在“PLC类型”中选择“FX2N(C)”,程序类型选择“梯形图”，设定工程名后，再按确定。
3.按确定以后，以后出现下图所表示画面：

4.下面列举一个简单程序，以下图所表示：

写完PLC程序后，形成以下图画面：

5.在写完梯形图后，再进行程序转换，将编辑程序梯形图变换为PLC可识别内部语言指令。可按F4键或选择菜单“变换”再点“变换”。以下图所表示：

6.选择主菜单栏中“工具”→“程序检验”，进行程序检验。出现下图画面：

程序检验（MAIN）”提醒框内，检验内容默认为全部选择，检验对象默认为选择“目前途序作为对象”，点选“实施”，如有犯错，则于文本框内会显示犯错软元件名称、犯错步数、犯错原因说明。
7.用GX Simulator 6C对PLC程序仿真
1）点击菜单栏“工具”→“梯形图逻辑测试起动”，显示“LADDER LOGIC TEST TOOL”提醒框，以下图所表示：

2）仿真软件会自动运行，同时显示“PLC写入”提醒框，软件开启完成，“LADDER LOGIC TEST TOOL”提醒框内改变“RUN”变色为黄色，“运行状态”栏选为“RUN”。以下图所表示。

3）软件开启完成后，软件运行模式为“监视模式”，“监视状态”提醒栏显示PLC处于“RUN”状态及程序单循环实施周期时间。
8.PLC程序软元件测试
1）单击主菜单栏中“在线”→“调试”→“软元件测试”，出现“软元件测试”提醒框画面，以下图所表示：

“位软元件”——指输入X\Y\M\C\S等位软元件，点击“强制ON”接通软元件触点或线圈，点击“强制OFF”断开软元件触点或线圈。
“字软元件”——指输入T/D等字软元件，在“设置值”框内输入设置值，点击“设置”则开始T/D继电器仿真运算。
“实施结果”——显示软元件仿真运行结果。
2）不一样类型软元件触点测试中仿真、复位、触点块颜色改变列表如表3-2所表示：

表3-2仿真、复位、触点块颜色改变
触点类型
仿真动作开启按键
模拟状态
仿真复位按键
触点块颜色
常开
强制ON
接通
强制ON/OFF取反
白色→蓝色
常闭
强制ON
断开
强制ON/OFF取反
蓝色→白色
上升沿脉冲
强制ON
短促接通
强制ON/OFF取反
白→蓝→白
下降沿脉冲
强制OFF
短促接通
强制ON/OFF取反
白→蓝→白

3）点击“软元件测试”提醒框内“关闭”，则退出PLC程序软元件测试模式。
4）点击主菜单栏“工具”→“梯形图逻辑测试旧结束”，则退出仿真测试。
5）退出仿真测试后，软件状态为“读出状态”，假如要继续编辑或修改，可点击“工具条”第3个按键，转为“写入模式。

3.6 PLC控制程序设计

3.6.1软件设计方法

在软件设计中，常见方法有经验法、解析法、图解法和计算机辅助设计。 （1）经验法，顾名思义就是利用自己或她人经验设计。
（2）解析法，是指利用组合逻辑和时序逻辑理论，并采取它们对应解析方法进行逻辑求解，从而得到程序。
（3）图解法，常见方法有：梯形图法、波形图法、状态转移图法。
(4)计算机辅助设计，是指利用应用软件在计算机上设计梯形图，然后传到PLC中。
在本设计中，我采取软件设计方法是梯形图法和指令表，而且使用三菱PLC编程软件GX Developer编写梯形图。

3.6.2 PLC控制程序分步设计过程

1.小车抵达S2处停止，此时红灯L1亮，绿灯L2灭。其梯形图图3-3所表示：

图3-3 梯形图①
当小车抵达S2处停止，小车被许可装料。当按下开启按钮S3(X002得电)，Y003得电，红灯L1亮；Y003常闭触头断开，Y002断电，绿灯L2灭。
2.当S3接通后，电动机M3运行，延时2秒后M2运行。此时对应梯形图图3-4所表示：

图34梯形图②
按下开启按钮S3（Y002得电），Y006得电（电动机M3运行），延时继电器T0得电，延时2S后，Y005得电（电动机M2运行）。
3.电动机M2运行后延时2秒电动机M1运行，电动机M1运行后延时2秒料斗K2打开出料。此时对应梯形图图3-5所表示：

图3-5 梯形图③
当Y005（电动机M2）得电，延时继电器T1得电，延时2秒后，Y004（电动机M1）得电，延时继电器T2得电，延时2秒后，Y001得电，料斗K2打开出料。
4. 小车被装满料后，称重开关S2断开，料斗K2关闭，电动机M1延时2秒关断。此时对应梯形图图3-6所表示：

图3-6 梯形图④
当称重开关S2断开（梯形图中点动X001），Y001断电，即料斗K2关闭，则Y001为常闭触点，则辅助继电器M3得电，延时继电器T3也得电，延时2S后Y004断电（电动机M1停止）。
5. 电动机M2延时M1，2秒后停止；电动机M3延时M2，2S后 停止，而且绿灯L2灯亮，红灯L1灯灭，此时表示汽车能够开走。此时对应梯形图图3-7所表示：

图3-7 梯形图⑤
电动机M1停止后（Y004断电），辅助继电器M4得电，延时继电器T4开始计时，2S后，Y005断电（电动机M2停止运行）；辅助继电器M5得电，Y006断电，传送电动机M3停止运行。
X002断电（S3开启按钮断开），Y004断电即电动机M1停止，致使Y003断电（红灯L1灭）；X002常闭触点、Y002常闭触点接通，Y002得电（绿灯L2亮）。
6.若在运行过程中出现故障，PLC系统将发出故障报警信号，故障报警信号灯L3亮。此时对应梯形图图3-8所表示：

图3-8 梯形图⑥
上图中X002为通电状态，并联连接常开触点若有一个接通，则Y007得电。电动机M3、M2、M1，料斗K2，进料开关K1中任意一个出现故障Y007得电，就会造成故障灯L3亮。则应该对它们检验确保无误。

结 论

在此次设计中，增强了自己研究设计方案实践能力，使用编程软件设计程序方法利用能力，锻炼我独立思索，动手实践能力，同时深入加深对知识了解和理论知识和实践结合。同时我也得出以下多个结论:
1.本设计基础实现了使用PLC控制自动自动送料装车系统设计控制要求，最终经PLC编程软件仿真和调试，经过对输入软元件触点强制ON/OFF,输出触点产生对应颜色改变（白色表示OFF，蓝色表示ON）,所以能够达成经过控制输入触点通和断，得到对应输出。
2.另外我设计一个亮点是在系统中增加了一个故障指示灯（即黄灯L3）。当系统某个部分发生故障时，系统则无法正常运行，若不增加一个故障检测部分则无法查出到底是那部分出现故障。所以在增加一个检测部分后，当系统出现故障，故障指示灯会亮，然后再查看故障检测部分梯形图，在PLC处于调试状态模式下，输出触点颜色变蓝，一些输入触点会变成白色，则出现故障；在系统正常运行情况下，输出触点为白色，输入触点全为蓝色，故障指示灯不亮。
3.本设计也存在部分不足之处，比如称重开关S2只起到了检测小车到来情况，无法起到物料重量称量作用。
4.该系统能够改善方向是在称重开关S2处增设两个七段数码管，用来显示每日装车数量，能够采取脉冲计数方法。

谢 辞

本设计是在唐勇波老师指导下完成，唐勇波老师不仅是我毕业设计导师，也是我班讲课老师，她和我们之间亦师亦友，在大学四年中建立了很深厚友谊，我要衷心地感谢唐勇波老师。
我也要感谢物理科学和工程技术学院全部老师们，是她们付出辛勤汗水教会了我们专业知识，也让我们明白做人道理。我导师在大学中不仅教授了很多知识，也在这次毕业设计中给我提供专业知识指导，设计方面修改意见，让我在设计中不停提升。我PLC老师也教会了我们这门课程知识。在此我要向全部老师致于真诚感谢和由衷敬意。
我也要感谢在大学四年度过风风雨雨同学们，感谢她们在大学四年对我默默支持，感谢她们在学习和生活中帮助，感谢她们在这次毕业设计中给我帮助，友谊万岁！
在本文结束之前，我再次向我指导老师和物理科学和工程技术学院全部老师和同学致于最高尚敬意和深深感谢！

参考文件

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[11] 刘建明.电气控制和PLC应用[M].北京：电子工业出版社，.

附 录

附录1 自动送料装车系统总梯形图

附录2 PLC控制程序总体指令表

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注：指令表阅读次序为，从上至下，从左至右。