电气控制技术课程设计-小车多方式运行的PLC控制系统设计.docx

2012级课程设计说明书小车多方式运行的PLC控制系统设计院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 教授 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 1201 完成时间： 2015年12月 湖南工学院电气控制技术课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化指导教师学生姓名课题名称小车多方式运行的PLC控制系统设计内容及任务一、目标 设计一个基于PLC的多方式运行的小车控制系统。二、任务根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行小车多方式运行的控制原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。主要内容包括：1. 设计该系统电气控制硬件系统；2PLC选择及I/O及其它PLC元器件分配。3选择电器元件，编制元件目录表。4设计该系统PLC控制梯形图。5用计算机绘制PLC控制电路图。6进行系统仿真测试，实现小车多方式运行的控制要求。7. 编写设计说明书。三、要求小车系统由直流电机、继电器、小车和4个站台等组成，每个站台有检测传感器、指示灯和按钮。采用S7-200PLC进行控制，控制要求如下：1. 小车起始位置停在x（x=14）号站台，SYx传感器为ON;2. 假如y(y=14)号站台呼叫，如果： xy，小车左行到呼叫站台停车； xy，小车右行到呼叫站台停车； x=y，小车停止；3. 小车在SY1和SY4处要有可靠的保护功能，自动往返或准确停车，不能向外撞；4. 小车路过每个站台要有指示灯显示；但LB1和LB4灯要闪3次；图1 小车运行示意图主要参考资料1史国生主编，电气控制与可编程控制器技术M。北京：化学工业出版社，2012。2于广庆主编，可编程控制器原理及系统设计M。北京：清华大学出版社，2004。3 吴启红主编，变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书（第二版）M。北京：机械工业出版社，2010。4 史国生，鞠勇。电气控制与可编程控制器技术实训教程M。北京：化学工业出版社，2010。5 于晓云，许连阁。可编程控制技术应用项目化教程M。北京：化学工业出版社，2011。6 廖常初。PLC编程及应用M。北京：机械工业出版社，2005年。7 胡学林。可编程控制器应用技术M。北京：高等教育出版社，2001年。8 三菱FX系列可编程序控制器编程手册M。三菱公司编，2001年。9 三菱可编程序控制器应用101例M。三菱公司编, 1994年。10 史宜巧，孙业明，景绍学。PLC技术及应用项目教程M。北京：机械工业出版社，2009。教研室意见教研室主任：（签字）年月日摘 要现代工业生产中，有许多场合需要自动控制车辆在指定道路上行驶，如柔性制造系统中物料小车的自动控制、自动化仓库中物件存取小车的自动控制等。小车多方式运行系统选用的是三菱FX2N作为系统的控制器，结合硬件原理图使用相应编程软件对小车的运行进行控制。系统通过按键输入呼叫小车。小车多方式运行的硬件系统包括：三菱FX2N实验系统、小车工位检测系统、按键和LED灯模块等。利用Auto CAD完成电路原理图的绘制，并完成系统的模拟运行，通过硬件、软件的联调、测试。小车多方式运行的功能和性能指标完全符合设计任务书的要求。系统具有成本低廉、应用范围广等优点。关键字：小车运行；可编程控制器；硬件设计；软件设计目录1绪论11.1 课题的背景及意义11.2 设计的主要工作12设计方案23硬件系统的设计33.1PLC的选型33.2 系统I/O分配43.3 系统硬件电路43.4系统元器件选型54 小车控制系统软件设计84.1 PLC小车控制系统的介绍84.2系统程序设计85系统调试运行及结果分析115.1 系统的使用说明115.2系统运行结果115.3设计结论错误！未定义书签。5.4设计体会12结束语13参考文献14致谢15附录A 元器件表16附录B 程序清单171 绪论1.1 课题的背景及意义在现代化工业生产中，为了提高生产效率，降低成本，减轻工人劳动负担，要求整个工艺生产过程全盘自动化，这就离不开控制系统，自动控制系统已被广泛应用于人类社会各个领域，在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到各个物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度等，有相应的控制系统，再次基础上通过数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。小车广泛应用于自动生产线冶金、有色金属、煤矿、港口、码头等行业，各工序之间的物品常用与有轨小车来运转。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。1.2 设计的主要工作小车多方式运行设计采用三菱FX2N为核心控制器，由电源、按键模块、三菱FX2N实验系统等模块组成。通过设计电路原理图，将PLC（Programmable Logic Controller）和各个模块连接。利用GX Developer开发软件设计小车运行系统程序，并把程序下载到PLC系统中进行调试。测试其运行结果。2 设计方案按照设计要求小车的运行传动选择直流电机，每个站台都设置行程开关、LED指示灯、呼叫按钮等器件。系统的运行框图如图1所示。图1 系统框图小车多方式运行的PLC控制系统尽可能地考虑了设计的简单、方便、容易实现、便于设计等方面。系统中共有10个输入，6个输出继电器。根据输入输出继电器的点数，和系统中软元件使用情况可大致确定可编程控制器即PLC为FX2N-32MR。控制器选用三菱PLC相对于其他MCU（Microcontroller Unit）等控制器有较多的优势。三菱PLC的驱动能力强，可输出24V的电压，其他的MCU如51系列最多输出5V电压，想要驱动电机这样的大功率设备需要外加驱动电路；三菱PLC易学易用，其他MCU至少需要熟悉C语言；三菱PLC体积小，维护方便，易于扩展实现网络化，其他的MCU要实现网络化则需要外加网络通信芯片，并需要编写驱动程序加大了编程难度，不易维护。综上系统方案总控制器选用三菱小型PLC。小车多方式运行的PLC控制系统根据硬件电路设计程序梯形图，在梯形图程序设计时，考虑提高人机交互，方便用户操作等因素。系统不断检测小车的位置和呼叫按键的状态，保证小车的正常运行。同时小车在工位1和工位4时，程序会保证小车准确停车，不会向外撞相应的指示灯会闪3次作为提示。3 硬件系统的设计3.1 PLC的选型小车多方式运行PLC控制系统是比较简单的顺序控制，则需选择具有逻辑运算、定时器、计数器等基本功能的小型PLC，在选用PLC时主要考虑一下几个方面。1. 规模适当小车多方式运行的PLC控制系统的输入、输出点数以及软件对PLC功能指令的要求是选择PLC的机型规模的重要依据。小车多方式运行的PLC控制系统一共包括有输入继电器10个、输出继电器6个。并要留有一定的余地，即10%的备用量。则可选择小型PLC即可满足要求。同时还应确定用户程序的存储器的容量。一般的粗略估算的方法是：（输入+输出）*（1012）= 指令步数。系统中大概的步数为160192。2. 功能相当，结构合理对于以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能满足要求。对于以开关量为主，带少量的模拟量控制系统，可选带A/D、D/A转换的低档机。对于有模拟量控制的系统，特别是闭环系统可根据控制的实时性要求选择高速PLC。小车多方式运行系统中都是开关量控制，则选用一般的低档机即可。3. 输入、输出功能及负载能力的选择为了提高抗干扰能力，输入、输出均应选用具有光电隔离的模块，输出形式可分为无触点和有触点。无触点输出大多使用大功率三极管或双向可控硅电路，其优点是可靠性高、寿命长，缺点是价格高、过载能力差。有触点输出是使用继电器触点输出，其优点是使用电压范围宽、导通压降损失小、价格便宜，缺点是寿命短、响应速度慢。负载能力则要注意所承受的电压、电流值。由输入、输出设备确定。综上所述，PLC可选用三菱FX2N-32MR。三菱FX2N-32MR一共有32个输入、输出点数。其中输入有16个、输出有16个满足设计要求并留有一定余量。带有输入、输出隔离，继电器输出的电压范围广，带负载能力强。在电子电路、机械结构及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路：在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。三菱FX2N系列有如下特点：（1） 抗干扰能力强，可靠性好。（2） 控制系统结构简单，通用性强。（3） 编程方便，易于使用。（4） 功能较为完善，设计施工调试周期短。（5） 体积小，维护操作方便，易于实现网络化。（6） 扩展功能和监视功能等。3.2 系统I/O分配小车多方式运行的PLC控制系统中，一共使用了10个输入继电器、6个输出继电器。系统的I/O分配表如表1所示。表1 I/O分配表输入 功能说明 输出 功能说明X0 SB0启动按钮 Y0 电机向左运行KA1X1 SB1停止按钮 Y1 电机向右运行KA2X2 SY1工位1传感器 Y2 LB1工位1指示灯X3 SY2工位2传感器 Y3 LB2工位2指示灯X4 SY3工位3传感器 Y4 LB3工位3指示灯X5 SY4工位4传感器 Y5 LB4工位4指示灯X6 SB2工位1呼叫按钮X7 SB3工位2呼叫按钮X10 SB4工位3呼叫按钮X11 SB5工位4呼叫按钮3.3系统硬件电路小车多方式控制系统的启动按钮接在X0输入上、X1接上停止按钮、X2至X5依次接入工位1至4传感器、X6至X11依次接入工位1至4呼叫按钮。系统控制电机的向左运行时输出Y0、向右运行则是Y1、Y2至Y5依次接入工位1至4指示灯。直流电机驱动电路图如图2所示，PLC的接线图如图3所示。图2 直流电机驱动电路图图3PLC接线图3.4 系统元器件选型1. 直流电机的选择直流电机是驱动小车运行的主要器件，为了系统硬件电路的简单选择24V的直流电机驱动小车。伟盛的WS-50ZYT78-R系列电机常用于割草机等机械设备中且功率较小为25W，可选择它作为小车的电机，WS-50ZYT78-R额定电压有12V和24V，转速范围从2000rpm到6000rpm，输出扭矩范围从480g.cm到885g.cm。在设计中选择额定电压为24V，空载转速为2000rpm，输出扭矩为528g.cm即可满足小车的驱动要求。直流电机如图4所示。图4 直流电机2. 继电器的选择小车多方式运行的PLC控制系统中继电器通过改变直流电源的极性来使得电机改变转动方向，系统中选择24V的直流继电器，额定电流则要2A以上。可选择欧姆龙MY2N-J，欧姆龙MY2N-J额定电流有5A，一共有8个引脚2组常开触点和2组常闭触点且转换带电源指示灯。继电器如图5所示。图5 继电器3. 低压断路器的选择系统电路图中断路器起着保护电机等设备的作用。在设计中应选择额定电流为要保护的设备的电流的1.52倍左右。可选择正泰交直流断路器NB1Z-2，其额定电流为2A，可作为断开线路进行线路及设备维护的隔离开关使用。还具有红绿安全指示，安全性更高等特点。断路器如图6所示。图6断路器4. 按钮的选择小车多方式运行控制系统中是由按钮操作系统的启动和停止，小车的呼叫等工作。按钮可选择展越LA38-11小型工业自复位按钮。按钮采用复合触点保证电路安全，滑动式接触设计，确保通路可靠。外壳是优质阻燃材料保证安全。按钮如图7所示。图7 按钮5. 行程开关的选择行程开关在系统中通过小车的运行碰撞到行程开关来检测小车的工位。按设计要求则需要常开行程开关。可选择欧姆龙WLCA2-Q，其结构为滚轮式，额定电流达10A，为常开触点。工作行程有2个。行程开关如图8所示。图8 行程开关小车多方式控制系统元器件表详见附录A。4 小车控制系统软件设计4.1PLC控制系统的介绍小车多方式控制系统主要使用了10个输入继电器、6个输出继电器。PLC内部资源使用了辅助继电器和4个定时器、2个计数器。定时器和计数器组合使用组成了闪灯3次的效果。系统中主要使用了CMP比较命令来判断小车的运行方式。4.2 系统程序设计小车多方式控制系统是通过不断采集工位是否呼叫按键，与小车当前位置的工位号做比较来判断小车如何动作。小车在相应的工位时，其相应的指示灯会亮起，若是在1号位和4号位，则指示灯会闪3次后常亮。并会准确停车在1和4号位。系统程序流程图如图9所示。图9 系统程序流程图 系统的启动和停止有SB0和SB1按钮分别控制，按下SB0按钮通过辅助继电器M0的自锁实现系统的启动。停止则是用SB1断开M0使系统停止运行。启动和停止梯形图如图10所示。图10 启保停梯形图系统不断检测小车的工位，当哪个工位为ON时，就将那个常数送入M1辅助继电器中。从而判断小车的在哪个工位。检测工位梯形图如图11所示。图11 检测工位梯形图系统也不断检测呼叫按钮的状态，一旦当有工位呼叫时，系统就将将相应的工位号常数送入M20中，同时置位M110，标志着系统开始比较小车目前所在的工位和呼叫的工位是否匹配。按钮检测梯形图如图12所示。图12 按钮检测梯形图系统开始比较小车工位和呼叫工位是否匹配，则使用CMP比较指令比较M1和M20中的常数是否相同来完成。若是小车当前工位号小于呼叫工位号，则系统控制小车向右运行。若是小车当前工位号大于呼叫工位号，则系统控制小车向左运行。若是两者的工位号相等，则小车停止运行。比较工位号梯形图如图13所示。图13 比较工位号梯形图当小车运行到工位1或工位4时，小车准确停车并相应的指示灯闪烁3次。指示灯闪烁3次则是由定时器和计数器的组合实现每秒的震荡来完成指示灯每秒的亮灭3次。震荡梯形图如图14所示。图14 震荡梯形图5 系统调试运行及结果分析5.1 系统的使用说明首先将硬件电路按照电路原理图接线，组成小车多方式运行系统，在为系统提供电源。在由下载线把变换编译无误的程序写入PLC中。对系统进行按键等操作检测系统功能是否正常运行。系统上电后，按下启动按钮SB0系统开始运行，系统开始检测小车的状态，小车在哪个工位则相应的指示灯会亮起。系统不断检测按键和小车的位置，当有按键呼叫小车时，系统判断小车如何运行，当工位1呼叫小车时，若小车不在工位1，则马上启动向工位1处运行，中途经过其他工位时，相应的指示灯会亮起，到达工位1时，小车会准确停车，指示灯闪3次后常亮。若小车在工位1，则不启动。当工位2呼叫小车时，若小车不在工位2，则马上启动小车向工位2处运行，中途经过其他工位相应的指示灯会亮起，到达工位2时，小车会准确停车，指示灯亮起，若小车在工位2，则不启动。其他工位呼叫同理。当按下停止按钮SB1时，系统则停止运行。5.2 系统运行结果小车多方式控制系统的时序图如图15和图16所示。图15为系统运行中，小车起始位置在工位4，当按下工位1呼叫按钮SB2时，小车开始向左运行，离开工位4后，进入工位3，指示灯亮起，离开工位3后，进入工位2，指示灯亮起，离开工位2后，进入工位1，小车停车运行，工位1指示灯闪烁3次后常亮。图15 小车多方式控制系统时序图图16为系统运行中，小车起始位置在工位1，当按下工位2呼叫按钮SB3时，小车开始向右运行，离开工位1后，进入工位2，指示灯亮起，小车停止运行。其他情况同理。图16 小车多方式控制系统时序图5.3 设计结论小车多方式控制系统经软件逻辑测试、实验箱验证后，完成了小车多方式运行控制系统的设计，由上述运行结果分析得出，各项指标均到达设计任务书的要求。5.4 设计体会小车多方式控制系统的设计是对课堂学习效果的检验，同时也是对自学能力的一种检验。PLC课程设计是PLC课程一个重要的教学环节，通过课程设计使我们了解到一些实际与理论之间的差异。通过课程设计不仅可以巩固专业知识，为以后的工作打下了坚实的基础，而其还可以培养和熟练使用资料，运用工具书的能力，把我们所学的课本知识与实践结合起来，起到温故而知新的作用。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门设计课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。结束语课题设计为小车多方式运行控制系统，从选题开始，构思如何去实现小车运行的控制方式，尝试过几种实现方式。不断调试，对程序的不断修改、改进，一一完成了小车多方式运行控制系统的设计。设计主要其实是对PLC的编程过程和操作过程进行熟悉、强化。相对于课程设计任务书上的要求，我所设计的程序已经完全满足了。虽然将课程设计要求完成了，但是还有很多方面欠缺考虑，在实际生活中的许多运用问题，我们都忽略掉了。比如接触触点的多选，这样会给企业带来额外的费用，这是我们的经验跟思维都不够完善的地方。在今后的设计中我们应该更多地去考虑一些面向现场和实际使用的问题。在小车多方式运行中应用PLC的优越性 ：大大提高了操作速度，且能准确安全的控制小车，利用PLC控制的小车多方式运行误差率很低，小车多方式运行基本实现了无人化。13参考文献1史国生主编.电气控制与可编程控制器技术M.北京：化学工