自动仓库运料小车的PLC控制系统课程设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电气控制与电气控制与PLCPLC技术技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 自动仓库运料小车的自动仓库运料小车的PLCPLC控制系统控制系统 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2014.06.30-2014.07.11 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动 化 本科生课程设计（论文） II 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计 （论文）题 目 自动仓库运料小车的PLC控制系统 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能实现功能 设计自动仓库的 PLC 控制系统。控制要求： 1、系统构成有 10 个仓库，每个仓库有一个呼叫指示灯，运料小车停在任 意位置； 2、当呼叫指示灯亮时允许呼叫，当呼叫指示灯灭时呼叫无效； 3、当呼叫仓库小于小车位置，小车后退，当呼叫仓库大于小车位置，小车 前行。 4、运料小车在被呼叫仓库位置时，要停留 30 分钟后允许呼叫。 设计任务及要求设计任务及要求 1、根据系统功能，确定输入输出点数，选择 PLC 的型号和外部设备； 2、设计电机主电路； 3、建立 I/O 分配表，完成 PLC 与输入/输出信号的的外部接线； 4、按系统的控制要求，用梯形图设计程序； 5、上机调试、完善程序； 6、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。 技术参数技术参数 电动机的相关参数为：额定功率 1Kw，额定电压 380V，额定转速 1450rpm 进度计划 1、 布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1 天） 2、 设计电机主电路（1 天） 3、 建立 I/O 分配，完成外部接线设计（1 天） 4、 按系统的控制要求，完成梯形图设计（2 天） 5、 上机调试、修改程序。 （2 天） 6、撰写、打印设计说明书（2 天） 7、答辩（1天 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） III 摘 要 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。 本次课程设计为基于 PLC 的自动仓库运料小车控制系统的设计。系统构成有 10 个仓 库，每个仓库有一个呼叫指示灯，运料小车停在任意位置。当呼叫指示灯亮时允许呼叫， 当呼叫指示灯灭时呼叫无效。当呼叫仓库小于小车位置，小车后退，当呼叫仓库大于小 车位置，小车前行。运料小车在被呼叫仓库位置时，要停留 30 分钟后允许呼叫。 本次课程设计中通过各仓库行程开关的通断情况判断小车当前位置，以便了解呼叫 位置和小车当前位置的相对情况，从而控制电动机的正转、反转和停止，达到了对运料 小车自动控制的设计要求。 关键词：行程开关；PLC；指示灯 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2.1 概述 2 2.2 系统组成总体结构 2 第 3 章 硬件设计 4 3.1 模块选择 4 3.2 模块连接 5 3.3 行程开关的选择 5 3.4 系统功能及 I/O 分配表 6 3.5 PLC 外部接线 6 3.6 电动机正反转控制设计及其选型 7 第 4 章 软件设计 9 4.1 程序设计流程图 9 4.2 梯形图程序设计 .10 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 15 第 6 章 课程设计总结 .16 参考文献 17 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 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。后期系统通常把 PLC 控制技术与变频器调速相结合，利用 PLC 控制变频器，再通过变频器优良的调速性能，可实现运料小车的自动化控制。在 工业快速发展，科技日新月异的今天，运料小车应该逐渐向智能化发展。 运料小车在现代化的工厂中普遍存在。传统的工厂依靠人力推车运料，这样 浪费了大量的人力物力，降低了生产效率，不满足社会发展趋势。利用 PLC 控制 小车大大降低人力成本，提高了生产效率。 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作， 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上， 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公 司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出 了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制， 这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable ,是世界上公认的第一台 PLC. 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规 模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代 初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据 传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。 可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制 系统相似，甚至与之无异。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、应用面极广的工业控制装置。它按照成熟而有效的继电器 控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特 色的各种系列产品。可编程控制器是一种新型的通用控制装置，它将传统的继电 器-接触器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，专门为工业控制而设计， 这一新型的通用自动控制装置以其高可靠性、较强的工作环境适应性和极为方便 的使用性能，深受自动化领域技术人员的普遍欢迎。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 运料小车是工业运料的主要设备之一。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。 在自动仓库运料小车控制系统中以 PLC 为核心，通过各种输入端接收各种输 入信号，处理后经输出端输出控制信号，通过控制器里的继电器等电器开关的开 通与闭合来控制运料小车的左行、右行和停止。本次设计选用西门子公司的 S7- 200 系列 PLC，SIMATIC S7-200 系列 PLC 适用于各行各业，各种场合中的检测、 监测及控制的自动化。S7-200 系列的功能强大，可实现复杂控制功能。S7-200 系 列具有极高的性价比，可靠性，指令集丰富，易于掌握，操作便捷，内置集成功 能丰富，具有实时特性，通讯能力强。 2.2 系统组成总体结构 本次设计主要是综合应用所学知识，设计自动仓库运料小车控制系统，并在 实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“PLC”课程 中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握运料小车设计的基本方法。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，小车向左运行， 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，小车向右行， 运行到呼叫按钮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； 根据控制任务和要求所设计的方案总体结构图如图 2.1 所示： 本科生课程设计（论文） 3 PLC 电动机正转 电动机反转 小车前进 小车后退 行程开关 小车停止 图 2.1 系统结构框图 通过 PLC 控制电动机的正转和反转实现小车的前进和后退，并在一定条件下 停止运行。实现了仓库对小车的自动控制，满足了本次课程设计的要求。 本科生课程设计（论文） 4 第 3 章 硬件设计 3.1 模块选择 1. CPU 模块分类 CPU22*系列 PLC 主机模块按照 I/O 点数多少不同和效能不同而有五种不同 结构配置的品种，即 CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226，下面 分别加以介绍。 CPU221：本机集成 6 输入/4 输出，无扩展能力，程序和数据存储容量较 小，有一定的高速计数能力和通信功能，非常适合于少点数的或者特定的控制系 统使用。 CPU222：本机集成 8 输入/6 输出，和 CPU221 相比，它最多可扩展 2 个模 块，因此是应用更广泛的全功能控制器。 CPU224：本机集成 14 输入/10 输出，和前两者相比，程序存储器扩大了 一倍，数字存储器扩大了四倍，它做多可以有 7 个扩展模块，有内置时钟，有更 强的模拟量和高速计数能力，是使用最多的 S7-200 产品。 CPU224XP：这是最新推出的一种使用机型，其大部分功能和 CPU224 相 同，但和 CPU224 相比，它的程序存储器容量和数据存储器容量都增加了不少， 处理高速计数的能力也有提高；其最大的区别是在主机上增加了 2 输入/1 输出的 模拟量单元和一个通信口，非常适合在有少量模拟量的信号的系统中使用，在有 复杂通信要求的场合也非常适用。 CPU226：本机集成 24 输入/16 输出，I/O 总点数共 40 点，和 CPU224 相 比，程序存储器扩大了一倍，数据存储器容量增加了 10KB，它具有 2 个通信口， 通信能力大大增强，它可用于点数较多的小型或中型控制系统。 2.I/O 扩展模块分类 S7-200 系列 PLC 的主机提供一定数量的数字量 I/O 和模拟量 I/O，但在 I/O 点数不够的情况下，就需要对 I/O 口进行扩展，S7-200 PLC 提供了 6 种 I/O 扩展 模块，如下所示。 EM221:输入扩展模块，共有三种产品，即 8 点和 16 点 DC、8 点 AC。 EM222: 输出扩展模块，共有 5 种产品，即 8 点 DC 和 4 点 DC（5A） 、8 点 AC、8 点继电器和 4 点继电器（10A） 。 本科生课程设计（论文） 5 EM223：输入/输出混合扩展模块，共有 6 种产品，其中 DC 输入/DC 输出 的有三种，DC 输入/继电器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为 4 点、 8 点、16 点。 EM231：模拟量输入扩展模块，共有三种产品，4AI、2 路热电阻输入和 4 路热电偶输入。 EM232：模拟量输出扩展模块，只有一种 2 路模拟量输出扩展模块。 EM235: 模拟量输入/输出混合扩展模块，只有一种 4 路 AI/1 路 AO（占两 路输出地址）的产品。 根据自动仓库运料小车的设计要求，本次设计需要 33 点数字量输入，12 点 数字量输出。所以需要选择的模块为：CPU224 一个、EM221 模块 2 个、EM223 模块 1 个。总点数为：数字量输入 38 点、数字量输出 18 点，既满足了设计的点 数要求，又降低了模块成本，性价比颇佳。 3.2 模块连接 各模块的连接需要进行优化排序，本次设计的模块连接情况如图 3.1 所示: 图 3.1 模块连接方式 3.3 行程开关的选择 行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。 利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定 的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一 定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。 在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的 检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组 成。 本次课程设计选用 LX22-1 型行程开关，适用于行程不甚大的平移机构。其具 模块1 EM221 DI8 模块3 EM223 DI8/DO8 模块2 EM221 DI8 主机 CPU224 本科生课程设计（论文） 6 有价格便宜，市场占有率高，购买容易等优点。 3.4 系统功能及 I/O 分配表 1. PLC 系统功能实现对输入信号开关量进行采集，通过程序控制和相应的算 法 CPU 模块对输入信号进行处理，再将结果经输出模块输出到线圈或者继电器， 整个过程周期性循环进行。 2.根据本课程设计的实际情况，对系统 I/O 点进行分配，具体分配情况见表 3.1。 表 3.1 I/O 分配表 输入 信号名称符号地址编号 停止按钮SB1I0.0 启动按钮SB2I0.1 仓库 1 指示灯启动按钮SB3I0.2 仓库 2-10 指示灯启动按钮SB4-SB12I0.3-I1.3 仓库 1 行程开关SQ1I1.4 仓库 2-10 行程开关SQ2-SQ10I1.5,I2.0-I2.7 电动机启动按钮SB13I3.0 仓库 1 呼叫按钮SB14I3.1 仓库 2-10 呼叫按钮SB15-SB23I3.2-I4.2 输出 仓库 1 指示灯HL1Q0.0 仓库 2-10 指示灯HL2-HL10Q0.1-Q1.1 行车前进控制接触器KM1Q2.0 行车后退控制接触器KM2Q2.1 3.5 PLC 外部接线 本设计中的 PLC 控制单元由图 3.1 各基本个模块组成，通过与外部设备连接， 本科生课程设计（论文） 7 构成一个完整的控制系统。根据 I/O 地址分配表，进行 PLC 与输入/输出信号的外 部接线，PLC 与外设连接示意图如图 3.2 所示： 图 3.2 PLC 控制外部接线图 在图 3.2 中，KM1 和 KM2 接触器之间仍然采用硬件互锁，以提高系统的稳定 性。 3.6 电动机正反转控制设计及其选型 本设计中的重点内容之一是设计电动机的正反转控制逻辑，电动机的正反转 决定运料小车的前进和后退，因此合理的设计电动机正反转逻辑是一项必要并且 非常重要的任务，本文设计的电动机正反转的思想是把三相异步电动机的三相中 本科生课程设计（论文） 8 的任意两相调换，电机即可又正转变成反转，为了保证两个接触器不能同时得电， 提高可靠性，还要加入互锁电路，集合以上要求，电动机正反转电气原理图如图 3.3 所示： 图 3.3 电动机正反转原理图 图中用 KM1、KM2 两个接触器控制电动机正、反向运行。由图 3.3 主电路可 以看出，这两个接触器主触点所接通的电源相序不同，KM1 主触点闭合按 L1、L2、L3 相序。KM2 主触点闭合则按 L3、L2、L1 相序接线，所以能改变电动 机的转向。相应的设置了两条控制电路：由按钮 SB2 和线圈 KM1 组成的控制电路； 由按钮 SB3 和线圈 KM2 等组成反转控制电路。两条电路运行原理相同，都是长动 控制。 本次课程设计选择 Y180M-4，其具有效率水平较高、起动性能较好、噪声低、 振动小、防护性能较好、运行可靠、使用寿命长和外形美观大方等优点。而且其价 格相对便宜也满足本次课程设计的要求。 本科生课程设计（论文） 9 第 4 章 软件设计 4.1 程序设计流程图 程序流程图如图4.1所示： 图 4.1 程序流程图 开始 按动启动按钮 停靠站码呼叫按钮编码停靠站码呼叫按钮编码 小车左行小车右行 到达呼叫按钮停靠站到达呼叫按钮停靠站 小车停止小车停止 按动停止按钮 结束 停靠站码=呼叫按钮编码 小车停止 是 否 否 是 是 否 是 否 本科生课程设计（论文） 10 运料小车是工业运料的主要设备之一。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。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，小车向左运行， 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，小车向右行， 运行到呼叫按钮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； 4.2 梯形图程序设计 由于本次课程设计要求设计 10 个仓库的运料小车自动控制系统,系统 I/O 点数 较多,程序设计较为复杂繁琐,故只节选两个自动仓库的运料小车控制. 梯形图程序如下所示： 本科生课程设计（论文） 11 本科生课程设计（论文） 12 本科生课程设计（论文） 13 本科生课程设计（论文） 14 本科生课程设计（论文） 15 本科生课程设计（论文） 16 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 经过了以上的设计后，接下来进行系统测试与分析，通过这个环节观察实验 现象是否正确，并调试，最终完成整个课程设计。 图中开关代表呼叫按钮，利用小灯模拟小车的运动，当开关按下，小灯移动， 到开关处停下。现场实验效果如图 5.1 所示。 图 5.1 现场调试图 本科生课程设计（论文） 17 第 6 章 课程设计总结 本次课程设计为基于 PLC 的自动仓库运料小车控制系统的设计。系统构成有 10 个仓库，每个仓库有一个呼叫指示灯，运料小车停在任意位置。当呼叫指示灯 亮时允许呼叫，当呼叫指示灯灭时呼叫无效。当呼叫仓库小于小车位置，小车后 退，当呼叫仓库大于小车位置，小车前行。运料小车在被呼叫仓库位置时，要停 留 30 分钟后允许呼叫。 运用可编程控制器实现了运料小车的自动控制，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停靠点 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