电动运输小车的PLC控制的设计

摘要随着经济的发展，电动运输小车在医药、冶金、建材、饲料加工等行业被广泛地应用，不仅节省了人力和物力，而且也提高了产品的质量，提高了生产率，同时也可以实现现代化科学管理。本设计介绍的是基于可编程控制器西门子 S7-200 的电动运输小车的设计与实现，能够指示小车的停车位和呼车功能、是否可以呼车及小车是否到位、能够实现电机正转、电机反转、可以紧急停车等功能。本文阐述了可编程控制器西门子 S7-200 的功能特点以及操作。提出了系统的总体设计方案。本系统具有价格低廉、高可靠性、高性能和智能化的特点。通过该系统的成功研制和应用，生产效率将大幅提高，工人的劳动强度将大幅度降低，控制精度也将进一步提高。关键词：可编程控制器；呼车；西门子 S7-200；PLC目 录第 1 章 引 言 （1）第 2 章 设计方案 （3）2.1 总体方案说明 （3）2.2 控 制 方 式 选 择 （3）2.3 系 统 可 靠 性 设 计 （3）第 3 章 PLC 控制系统设计 （5）3.1 工艺过程 （5）3.2 主电路的设计 （5）3.3 控制流程图 （6）3.4 I/O 地址分配表 （7）3.5 元器件目录表 （8）3.6 I/O 接线图 （8）3.7 控制程序编制（梯形图） （10）3.8 语句表 （16）3.9 程序调试 （20）结 论 （23）设计总结 （24）谢 辞 （25）参考文献 （26）1第 1 章 引 言这次设计是毕业前最后一次课程设计，也是为做毕业设计做铺垫吧，通过这次设计，将所学的东西融会贯通。这篇论文是以西门子 S7-200 为主要载体，结合他对应的编程软件来对运输小车的控制进行编程，虽然没有具体的见到他的硬件，但是也对这样一个程序对应的接口做了了解。本文主要是在对 PLC 进行系统的介绍后，进入具体西门子，针对 S7-200 这个型号进行硬件及其软件的介绍，最后写出运输小车对应 PLC 的接口图及其对应的程序。PLC 技术代表了当今电气程序控制的世界先进水平。它与数控技术，工业机器人技术已成为机械工业自动化和 CIM 的三大支柱。据预测，在 90 年代，美、日、德等发达国家的控制屏将完全由 PLC 所占据。由于 PLC 吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，发展十分迅速，使它已远远超出单纯取代继电器的应用领域，远远超出逻辑控制的范畴，在从单机自动化到整条生产线自动化，乃至整个工厂的生产自动化；从FMS、工业机器人到大型分散型控制系统中都担当着重要角色。一、PLC 的由来1968 年 美 国 最 大 的 汽 车 制 造 商 通 用 汽 车 公 司 （ GM） ， 为 了 适 应 汽 车 型 号 不 断 更新 的 要 求 ， 以 在 激 烈 的 竞 争 的 汽 车 工 业 中 占 有 优 势 ， 提 出 要 研 制 一 种 新 型 的 工 业 控制 装 置 来 取 代 继 电 器 控 制 装 置 ， 为 此 ， 特 拟 定 了 十 项 公 开 招 标 的 技 术 要 求 ， 即 ：（ 1） 编 程 简 单 方 便 ， 可 在 现 场 修 改 程 序 ；（ 2） 硬 件 维 护 方 便 ， 最 好 是 插 件 式 结 构 ；（ 3） 可 靠 性 要 高 于 继 电 器 控 制 装 置 ；（ 4） 体 积 小 于 继 电 器 控 制 装 置 ；（ 5） 可 将 数 据 直 接 送 入 管 理 计 算 机 ；（ 6） 成 本 上 可 与 继 电 器 柜 竞 争 ；（ 7） 输 入 可 以 是 交 流 115V；（ 8） 输 出 为 交 流 115V， 2A 以 上 ， 能 直 接 驱 动 电 磁 阀 ；（ 9） 扩 展 时 ， 原 有 系 统 只 需 做 很 小 的 改 动 ；（ 10） 用 户 程 序 存 储 器 容 量 至 少 可 以 扩 展 到 4KB。二、 PLC 的发展PLC 问世以来，其发展极为迅速。由最初的 1 位机发展为 8 位机，现在的大型PLC 已采用了 32 位微处理器，可同时进行多任务操作，其技术已经相当成熟。2目前，世界上有 PLC 生产厂 200 多家，比较著名的有美国的 A-B 公司、通用电气公司，日本的三菱、松下电工、欧姆龙，德国的西门子，法国的施耐德等。生产的PLC 品种繁多，产品的更新换代也极快，著名的生产公司几乎每 12 年即可推出一种新产品。PLC 的结构不断改进，功能日益增强，性能价格比越来越高。展望未来，PLC 在规模和功能上正朝着两个方向发展。一方面，大型 PLC 不断向大容量、高速度、多功能的方向发展，能取代工业控制微机对大规模复杂系统进行综合性的自动控制。另一方面，小型 PLC 向超小型、简易、廉价方向发展，能真正完全取代最小的继电接触器系统，适应单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求。另外，不断增强PLC 的联网通信功能，便于分散控制与集中控制的实现；大力开发智能 I/O 模块，极大地增强 PLC 的过程控制能力，提高它的适应性和可靠性；不断使 PLC 的编程语言与编程工具向标准化和高级化方向发展。三、 PLC 的应用领域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。3第 2 章 设 计 方 案2.1 总体方案说明首 先 来 分 析 下 整 个 运 输 小 车 的 控 制 系 统 。（ 1） 按 下 启 动 按 钮 SB 八 盏 指 示 灯 全 亮 某 个 行 程 开 关 STX 闭 合 将 该 工 位号 VB0 传 入 系 统 。（ 2） 按 下 某 个 呼 车 按 钮 系 统 得 电 并 自 锁 ， 八 盏 指 示 灯 全 灭 将 该 呼 车 位 号VB1 传 入 系 统 系 统 对 VB0， VB1 进 行 大 小 比 较 根 据 比 较 结 果 进 行 正 ， 反 转 或 原位 不 动 辅 助 继 电 器 M4 得 电 ， 其 动 断 触 点 M0.3 断 开 其 他 呼 车 按 钮 呼 车 无 效 小 车 到 达 所 呼 车 位 时 ， 定 时 器 T37 启 动 30s 后 其 动 断 触 点 断 开 辅 助 继 电 器 M2失 电 ， 八 盏 指 示 灯 全 亮 ， 其 他 呼 车 按 钮 呼 车 有 效 。（ 3） 假 如 小 车 停 在 3 位 ， 而 3 号 工 作 台 呼 叫 ， 则 小 车 原 位 不 动 。2.2 控 制 方 式 选 择我们电动运输小车的任务主要由两大部分，其中最主要的就是运输小车的 PLC 梯形图设计，也就是程序设计；其次是三相异步电机的驱动主电路设计。为此我们采用了 PLC 控制系统。因为 PLC 控制系统具有简便的编程性。PLC 相 当 于 一 个 微 型 计 算 机 ， 内 部 有 CPU 可 以 用 来 处 理 一 些 普 通 指 令 和 更 多 的特 殊 功 能 指 令 。 还 有 许 多 的 存 储 器 可 以 存 放 数 据 ， 在 作 为 工 业 控 制 的 情 况 下 ， 我 们可 以 把 PLC 当 成 是 一 个 集 成 了 许 多 继 电 器 的 盒 子 ， 可 以 单 纯 的 把 PLC 当 成 是 一 个开 关 。 因 为 此 次 的 小 车 所 需 的 输 入 、 输 出 比 较 少 ， 所 以 使 用 了 西 门 子 的 S7-200-CPU226 型 号 的 PLC。 这 个 型 号 的 PLC 提 供 了 24 个 输 入 和 16 个 输 出 口 。 根 据 任 务书 要 求 输 入 只 需 要 18 个 ， 输 出 需 要 只 10 个 满 足 设 计 要 求 。在 硬 件 上 需 要 实 现 电 机 的 正 反 转 ， 这 利 用 了 继 电 器 线 圈 通 电 常 开 点 闭 合 、 常 闭点 断 开 的 特 点 来 改 变 电 机 的 旋 转 方 向 。2.3 系 统 可 靠 性 设 计由 于 采 用 的 是 PLC 控 制 系 统 ， 它 具 有 以 下 优 点 ， 完 全 满 足 可 靠 性 要 求（ 1） 所 有 的 I/O 接 口 电 路 均 采 用 光 电 隔 离 ， 使 工 业 现 场 的 外 电 路 与 PLC 内 部电 路 之 间 电 气 上 隔 离 。（ 2） 各 输 入 端 均 采 用 R-C 滤 波 器 ， 其 滤 波 时 间 常 数 一 般 为 10-20ms.（ 3） 各 模 块 均 采 用 屏 蔽 措 施 ， 以 防 止 辐 射 干 扰 。（ 4） 采 用 性 能 优 良 的 开 关 电 源 。（ 5） 对 采 用 的 器 件 进 行 严 格 的 筛 选 。4（ 6） 良 好 的 自 诊 断 功 能 ， 一 旦 电 源 或 其 他 软 ， 硬 件 发 生 异 常 情 况 ， CPU 立 即采 用 有 效 措 施 ， 以 防 止 故 障 扩 大 。（ 7） 大 型 PLC 还 可 以 采 用 由 双 CPU 构 成 冗 余 系 统 或 有 三 CPU 构 成 表 决 系 统 ,使 可 靠 性 更 进 一 步 提 高 。5第 3 章 PLC 控制系统设计3.1 工艺过程电动运输小车 PLC 控制系统控制要求：电动运输小车 PLC 控制系统示意图如下图所示。其中电动运输车供 8 个加工点使用，对车的控制要求如下：PLC 上电后，车停在某个加工点（也称工位） 。若无用车呼叫（也称呼车）时，则各工位的批示灯全亮，表示各工位均可以呼车。（1）若某工位呼车，各工位的指示灯均灭，表示此时再呼车无效。（2）停车位呼车则小车不动。当呼车位号大于停车位号时，小车自动向高位行驶，当呼车位号小于停车位号时，小车自动向低位行驶，当小车到达呼车位时自动停车。（3）小车到达某位时应停车 30S 供该工位使用，不应立即被其他工位呼走。（4）临时停电后再复电，小车不会自行启动。 ST1 ST2 ST3 ST4 ST5 ST6 ST7 ST8 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 图 3-1 电动运输小车呼车系统示意图3.2 主电路的设计根据电动运输小车的控制要求，应该选用一个电动机，并且保证电动机能正反转.所设计的主电路图如下：6QFUKM1RKM2M3图 3-2 主电路图3.3 控制流程图根据电动运输小车的控制要求，设计如下流程图：7启 动 系 统输 入 停 车 信 号有 呼 车 ？输 入 呼 车 信 号封 锁 呼 车 信 号何 处 呼 车 ？低 位 高 位小 车 驶 向 低 位 小 车 驶 向 高 位到 达 所 呼 车 位 停 30sNY解 除 呼 车 信 号 封 锁图 3-3 控制流程图3.4 I/O 地址分配表分配表如下表 1 所示：8表 3-1 /地址分配表输入 地址 输出 地址启动按钮SB I0.0 电机正转接触器KM1 Q0.0停止按钮SB0 I0.1 电机反转接触器KM2 Q0.1呼车按钮SB1 I1.0 工位指示灯HL1 Q1.0呼车按钮SB2 I1.1 工位指示灯HL2 Q1.1呼车按钮SB3 I1.2 工位指示灯HL3 Q1.2呼车按钮SB4 I1.3 工位指示灯HL4 Q1.3呼车按钮SB5 I1.4 工位指示灯HL5 Q1.4呼车按钮SB6 I1.5 工位指示灯HL6 Q1.5呼车按钮SB7 I1.6 工位指示灯HL7 Q1.6呼车按钮SB8 I1.7 工位指示灯HL8 Q1.7行程开关ST2 I2.1行程开关ST3 I2.2行程开关ST4 I2.3行程开关ST5 I2.4行程开关ST6 I2.5行程开关ST7 I2.6行程开关ST8 I2.73.5 元器件目录表表 3-2 元器件目录表序号 代号 名称 数量 规格型号 备注1 SB 启动按钮 1 LA19-11 绿色1 SB0 停止按钮 1 LA19-11 红色1 SB1-SB8 呼车按钮 8 NP2-BA211 ST1-ST8 行程开关 8 LXK-1311 KM1,KM2 接触器 2 CJX4-d-1610 线圈电压 22VAC1 HL1-HL8 指示灯 8 NP2-EV164 红色1 FU 熔断器 1 RT18-323.6 I/O 接线图接线图如图 3-4。9图 3-4 I/O 接线图103.7 控制程序编制（梯形图）梯形图如下： A11 A B12 B C13 C D14 D E15 E F16 F3.8 语句表Network 1LD I0.0O M0.0AN I0.1= M0.0Network 2LD I1.0O I1.1O I1.2O I1.3O I1.4O I1.5O I1.6O I1.7O M0.1A M0.0AN T37= M0.1Network 3LD M0.0AN M0.117S Q1.0, 8Network 4LD M0.0A M0.1R Q1.0, 8Network 5LD M0.0A I2.0MOVB 1, VB0Network 6LD M0.0A I2.1MOVB 2, VB0Network 7LD M0.0A I2.2MOVB 3, VB0Network 8LD M0.0A I2.3MOVB 4, VB0Network 9LD M0.0A I2.4MOVB 5, VB0Network 10LD M0.0A I2.5MOVB 6, VB0Network 11LD M0.0A I2.6MOVB 7, VB0Network 1218LD M0.0A I2.7MOVB 8, VB0Network 13LD M0.0A I1.0AN M0.3MOVB 1, VB1Network 14LD M0.0A I1.1AN M0.3MOVB 2, VB1Network 15LD M0.0A I1.2AN M0.3MOVB 3, VB1Network 16LD M0.0A I1.3AN M0.3MOVB 4, VB1Network 17LD M0.0A I1.4AN M0.3MOVB 5, VB1Network 18LD M0.0A I1.5AN M0.3MOVB 6, VB1Network 1919LD M0.0A I1.6AN M0.3MOVB 7, VB1Network 20LD M0.0A I1.7AN M0.3MOVB 8, VB1Network 21LD M0.0AN M0.2LPSAB VB0, VB1AN Q0.0= Q0.1Network 22LD M0.0AB= VB0, VB1AN T37= M0.2TON T37, 300Network 23LD Q0.0O Q0.1O M0.2O M0.3A M0.0A M0.1= M0.3203.9 程序调试程序调试有模拟器调试和现场调试等方法，根据课程设计要求并结合实际情况使用了 STEP7-Micro/WIN32 模拟器进行了本程序的调试。西门子 S7200 的仿真软件Simulation1.2 版是从西班牙原版 1.2 直接汉化过来的，支持 TD200 仿真界面和增减计数器等多种指令。调试方法如下 ：1.将在 STEP7-Micro/WIN32 中编译正确的程序在文件菜单中导出为 AWL 文件；2.打开仿真软件，点“配置”-“CPU 型号” ，然后选择 CPU 226；3.点“程序”-“载入程序” ；4.选择 STEP7-Micro/WIN32 的版本；5.将先前导出的 AWL 文件打开；6.点“PLC”-“运行” ，开始调试程序。手动运行工作台调试程序，部分运行情况如下：1.按下启动按钮开关 SB1(I0.0)，无呼车，各工位指示灯亮。如图 3-5图 3-5 程序调试 a2.按下呼车按钮 SB3,各位指示灯灭。如图 3-621图 3-6 程序调试 b3.按下呼车按钮 SB3，小车驶向该工位。如图 3-7图 3-7 程序调试 c224，按下呼车按钮 SB4，小车驶向高位。如图 3-8图 3-8 程序调试 d 23结论此次课程设计主要其实是对 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。24设计总结通过本次设计，我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。虽然自己所编的程序的相对比较简单，但是通过的这次的自我学习，也学到了许多的知识，至少学