毕业设计（论文）-PLC控制运料小车.doc

大庆石油学院应用技术学院毕业论文摘要早期运料小车电气控制系统多为继电器接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎数据处理和通信功能，必须有专人负责操作，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，可靠性和可维护性好，易于安装、维修和改造等优点。随着经济的发展，运料小车不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。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。它功能强大，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。plc在运料小车控制系统中的应用，具有巨大的经济和社会价值。本文主要是对plc进行系统介绍后，进入具体的介绍，最后写出运料小车对应plc的接口图及其对应的程序。由于个人因素，还不能将这篇论文写的完美，所以有错误的地方还请各位老师不吝指教。关键词：plc，运料小车，控制系统，程序设计目 录摘要i第1章 可编程控制器（plc）的概述11.1 plc简介11.2 plc的特点11.3 plc构成21.4 plc的应用领域3第2章 运料小车系统的硬件介绍及方案论证52.1 硬件介绍52.2 控制系统介绍72.3 方案论证8第3章 基于plc的运料小车接线图及梯形图113.1 送料小车plc的i/0分配表113.2 plc端子接线图123.3 梯形图分段设计133.4 程序运行原理说明调试与完善173.5 系统总梯形图设计183.6 小车程序设计23总结27参考文献28致谢2927大庆石油学院应用技术学院毕业论文第1章 可编程控制器（plc）的概述1.1 plc简介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，早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller,plc)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制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(personal computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称plc,plc自1966年美国数据设备公司（dec）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。1.2 plc的特点1、可靠性高，抗干扰能力强高可靠性的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设计，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。例如三菱公司生产的f系列plc平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余cpu的plc的平均无故障工作时间则更长。从plc的机外电路来说，使用plc构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点意减少到数千分之一，故障也就大大降低。此处，plc带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以输入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除plc以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。2、配套齐全，功能完善，适用性强plc发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。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，现代plc大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来plc的功能单元大量涌现，使plc渗透到了位置控制、温度控制、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，深受工程技术人员欢迎plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。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，同时维护也便得容易起来。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。1.3 plc构成1、cpu运算和控制中心起“心脏”作用当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后cpu根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成plc内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，cpu将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由cpu把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：cpu由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。cpu通过地址总线、数据总线与i/o接口电路相连接。2、存储器具有记忆功能的半导体电路分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、rom组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（ram）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为35年。3、输入/输出接口输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成plc内部所能接受的数字信号。输出接口plc的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载4、编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过plc的rs232口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过nstp-gr软件（或windows下软件）向plc内部输入程序。1.4 plc的应用领域目前，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，使用情况大致可归纳为如下几类。1、开关量的逻辑控制这是plc最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，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、模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（analog）和数字量（digital）之间的a/d转换及d/a转换。plc厂家都生产配套的a/d和d/a转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3、运动控制plc可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量i/o模块连接位置传感器和执行机构，现在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。世界上各主要plc厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4、过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，plc能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型plc都有pid模块，目前许多小型plc也具有此功能模块。pid处理一般是运行专用的pid子程序。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。 5、数据处理现代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。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6、通信及联网plc通信含plc间的通信及plc与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各plc厂商都十分重视plc的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的plc都具有通信接口，通信非常方便。第2章 运料小车系统的硬件介绍及方案论证2.1 硬件介绍运料小车是工业逗料的主要设备之一。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2-1本系统的结构工作原理图如图2-1，包括带导轨的运行工作台，dc24v电机，行程开关，起停按钮，twido可编程控制器，dc24v继电器，dc12v直流电源等。图1-1是一个运料小车工作示意图，每个工作台设有一个到位开关(sq)和一个呼叫按钮(sb)。系统的设计要求为：（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）、当小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮的编码时，小车向右运行，运行到呼叫按钮所对应的停靠站时停止；（3）、当小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮的编码时，小车向左行，运行到呼叫按钮hj所对应的停靠站时停止；（4）、当小车当前所处停靠站的编码等于呼叫按钮的编码时，小车保持不动；（5）、呼叫按钮开关应具有互锁功能，先按下者优先。图2-2 plc输出的电压转换电路图2-2中采用2个dc24v继电器和1个12v直流电源来实现直流电机的正反转，2个继电器线圈直接接到可编程控制器的输出端。当继电器线圈1得电时。继电器1的触点由k1转换到k2，而继电器线圈2的触点状态不变，电流流向如i1所示，驱使dci2v电机按一定方向运转：当继电器线圈2得电时，继电器线圈i触点状态不变，而继电器线圈2的触点由k3转换到k4，电流流向如i2所示。驱使dc12v电机按相反的方向运转。2.2 控制系统介绍图2-3本控制系统只要是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不能达到或很难到达的预定位置。如图2-3，推车机可以沿轨道上下移动，到达预定位置。推车机上是一个小型泵站，通过控制电磁阀换向，使两油缸伸出、缩回，顶出送料小车，再由各个仓位控制要料。用plc对送料小车实现控制，其具体要求如下：（1）送料小车动作要求：送料小车1动作要求：送料小车负责向四个料仓送料，送料路上从左向右共有四个料仓（位置开关sq1，sq2，sq3，sq4）分别受plc的i0.0，i0.1，i0.2，i0.3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，q0.4驱动小车左行，q0.5驱动小车右行。料仓要料由4个手动按钮（sb1，sb2，sb3，sb4）发车（对应于plc为i0.4，i0.5，i0.6，i0.7）按钮发车信号其相应指示灯就亮（hl1hl4），指示灯受plc的q0.0q0.3控制。送料小车2动作要求：送料小车负责向四个料仓送料，送料路上从左向右共有4个料仓（位置开关sq11，sq12，sq13，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。料仓要料由4个手动按钮（sb11，sb12，sb13，sb14）发出（对应于plc为i1.4，i1.5，i1.6，i1.7）按钮发出信号其相应指示灯就亮（hl11hl14），指示灯受plc的q1.0q1.3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号仓位，4号仓要料；小车在1，2号仓位，3号仓要料；小车在1号仓位，2号仓要料。运料小车左行条件：小车在4，3，2，0号仓位，1号仓要料；小车在4，3，0号仓位，2号仓要料；小车在4，0号仓位，3号仓要料；小车在0位，4号仓位要料。运料小车停止条件：要料仓位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，同样小车左行也不允许右行启动。2.3 方案论证早期运料小车电气控制系统多为继电器-接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。后来，单片机应用到运料小车控制系统中。单片机有优异的性能价格比、集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制功能强、低功耗、低电压，便于生产便携式产品，外部总线增加了ic及spi，单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。单片机编程方法复杂，不容易上手，使用于简单应用。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2-4所示：停止按钮5个行程按钮4个呼叫按钮三相异步电动机启动按钮plc图2-4 运料小车控制系统图运料小车控制系统流程图如图2-5所示否是否是否是否是小车装料按下呼叫按钮小车右行到达呼叫停靠点小车停止卸料小车左行到达装料停靠点小车停止按下停止按钮结束开始按下启动按钮图2-5 控制系统流程图第3章 基于plc的运料小车接线图及梯形图3.1 送料小车plc的i/0分配表表3-1根据控制要求，plc控制送料小车的输入输出（i0）地址编排如下表所示，其中sb5为启动开关，sb6为停止开关，sa6、sa7为手动连续选择开关，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。q0.0q0.3和q1.0q1.3控制8个要料指示灯，q0.4q0.5和q1.4q1.5控制小车1、2左行右行，q0.6q0.7和q1.6q1.7。如表3-1所示。3.2 plc端子接线图plc型号的选择：由于该系统是在原来cpu226的基础上改进的设备，而现在共用了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，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ac100240v 50/60hz。 em223的主要技术参数：输入24vdc，8点；输出220vac，8点；电源电压为ac100240v 50/60hz。如图3-1所示：图3-1 端子接线图3.3 梯形图分段设计本次设计的自动化送料小车梯形图，是分开来画的。由总程序结构图、自动操作程序图、手动操作程序图、小车1左右自动送料运行程序图、小车2左右自动送料运行程序图组成。（1）程序的总结构图如图3-2所示：因为在手动操作方式下，各种动作都是用按钮控制来实现的，其程序可独立于自动操作程序而另行设计。因此，总程序可分为两段独立的部分：手动操作程序和自动操作程序。当选择手动操作时，则输入点i3.0接通，其常闭触电断开，执行手动程序，并由于i3.1的常闭触电为闭合，则跳过自动程序。若选择自动操作方式，将跳过手动程序段而执行自动程序。（2）自动程序设计，自动操作控制主要是由行程开关控制推车机的上行、下行，两缸的伸出、缩回。通过行程开关的上限、下限、左限、右限准确的控制推车机到达预定位置。自动程序时，手动自动转换开关拔到连续档sa7，按下启动按钮sb6，推车机上行，碰到上位行车开关sq6，上行停止；同时两个油缸动作，推动两小车向左移动，小车1、2碰到左位行程开关sq10、sq5，说明两小车到位，这时各个仓位可向小车要料；而且两油缸缩回，碰到行程右位开关sq8、sq9停止收缩，推车机下行到行程开关位sq7时停止。如图3-3所示：（3）手动操作程序的设计，手动操作控制简单，可按照一般继电器控制系统的逻辑设计法莱设计。手动程序时，手动自动转换开关拔到手动档sa6，上下、左右转换开关拔到上/下行档时，按启动按钮sb5推车机上行，按停止按钮sb6推车机下行；上下、左右转换开关拔到左/右档时，拨动单动联动转换开关sa3（缸1动作），按启动按钮sb5，缸1伸出推动小车1左行；按停止按钮sb6，缸1缩回；拨动转换开关到sa5（缸2动作），按启动按钮sb5，缸2伸出推动小车2左行，按停止按钮sb6，缸2缩回；拔动单栋联动转换开关到sa4（两缸同时动作）按启动按钮sb5，两缸伸出推动两车左行；按停止按钮sb6，两缸缩回。如图3-4所示：（4）小车1自动送料运行程序，把小车1送到指定位置后，四个仓位就可以像小车要料了，m0.0m0.3分别代表下车1的1号料仓到4号料仓的要料状态，运料小车1当前所处位置由i0.0i0.3，运料小车1的右行，左行，停止控制由q0.4、q0.5。小车到位后，用上微分操作（p）来清除料仓要料状态信号及控制小车停车。（上微分操作的注意事项，上微分脉冲只存在在一个扫描周期，接受这一脉冲控制的元件应写在这一脉冲出现的语句之后）。小车1自动送料图如下图3-5所示：（5）小车2自动送料运行程序，把小车2送到指定位置后，四个仓位就可以像小车要料了，m1.0m1.3分别代表下车2的1号料仓到4号料仓的要料状态，运料小车2当前所处位置由i1.0i1.3，运料小车2的右行，左行，停止控制由q1.4、q1.5。小车到位后，用上微分操作（p）来清除料仓要料状态信号及控制小车停车。小车2自动送料图如下图3-6所示：3.4 程序运行原理说明调试与完善本程序是用梯形图所写的。在运行前，先选择工作方式，手动/自动。选择手动sa6时，把上/下、左/右转换开关旋转到上/下档sa1，按下sb5起动点动按钮，推车机上行，按下sb6停止点动按钮，推车机下行；把上/下、左/右转换开关旋转到左/右档sa2，再选择小车的单动、联动控制，小车1单动时把单动/联动转换开关旋转到单动档sa3，两下车联动时旋转到联动档sa4，小车2单动时旋转到单动档sa5，这时按下起动按钮sb5，油缸推动小车左行，按下停止按钮sb6，油缸缩回。选择自动sa7时，按下起动按钮sb5，推车机开始上行，碰到上限行程开关sq6时停车，两缸自动退出小车，小车碰到左限行程开光sq5、sq10时，说明小车到位，各个仓位可以向小车要料，这时两缸自动缩回，碰到右限行程开关sq8、sq9时，推车机自动下行，下行到位后（碰到sq7）停车。只有再次按下起动按钮sb5，才能在次运行。手动程序中设置了连锁和保护电路。如推车机的上行、下行常闭触点的连锁，推车机上下行行程有行程开关sq6、sq7控制保护。自动程序是根据推车机的位置、油缸的位置来控制电路执行下一条指令的。油缸把小车推到位后，小车处于准备送料的初始位置，这时1-4号仓位都可以向小车要料。本设计中要料时刻不同时，先要料者优先，但是要料时刻相同时，却不知道小车向哪个仓位送料，需要改进。3.5 系统总梯形图设计由以上，我们画出送料小车系统的总梯形图，其中包括推车机的手动控