运料小车控制系统设计

运料小车控制系统设计运料小车控制系统设计 设计要求 运料小车原位在左 SQ1 当按下启动按钮 SB1 后 小车前进 当运行至料斗下方 SQ2 时 料斗打开给小车加料 延时 8S 后料斗关闭 小 车后退返回至 SQ1 处 打开小车底开始卸料 6S 后卸料完毕 如此循环下去 用 PLC 实现自动控制 一 引言 可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机 其硬件结构基本 上与微型计算机相同 基本构成为 1 电源 可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用 如果没有一 个良好的 可靠的电源系统是无法正常工作的 因此 可编程逻辑控制器的制 造商对电源的设计和制造也十分重视 一般交流电压波动在 10 15 范围 内 可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去 2 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 是可编程逻辑控制器的控制中枢 它按照可编程逻辑 控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据 检查 电源 存储器 I O 以及警戒定时器的状态 并能诊断用户程序中的语法错误 当可编程逻辑控制器投入运行时 首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的 状态和数据 并分别存入 I O 映象区 然后从用户程序存储器中逐条读取用户 程序 经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I O 映象 区或数据寄存器内 等所有的用户程序执行完毕之后 最后将 I O 映象区的各 输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置 如此循环运行 直到 停止运行 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性 对大型可编程逻辑控制器还 采用双 CPU 构成冗余系统 或采用三 CPU 的表决式系统 这样 即使某个 CPU 出现故障 整个系统仍能正常运行 3 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器 4 输入输出接口电路 1 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路 作用是可编程 逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道 2 现场输出接口电路由输出数据寄存器 选通电路和中断请求电路集成 作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控 制信号 5 功能模块 如计数 定位等功能模块 6 通信模块 2工作原理 当可编程逻辑控制器投入运行后 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户程序执行和输出刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作 一个扫描周期 在整个运行期间 可编程逻辑控制器的 CPU 以一定的扫描速 度重复执行上述三个阶段 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态 和数据 并将它们存入 I O 映象区中的相应的单元内 输入采样结束后 转入 用户程序执行和输出刷新阶段 在这两个阶段中 即使输入状态和数据发生变 化 I O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变 因此 如果输入是脉冲 信号 则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期 才能保证在任何情况下 该输入均能被读入 2 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫 描用户程序 梯形图 在扫描每一条梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由 各触点构成的控制线路 并按先左后右 先上后下的顺序对由触点构成的控制 线路进行逻辑运算 然后根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态 或者刷新该输出线圈在 I O 映象区中对应位的状态 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令 即 在用户程序执行过程中 只有输入点在 I O 映象区内的状态和数据不会 发生变化 而其他输出点和软设备在 I O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和 数据都有可能发生变化 而且排在上面的梯形图 其程序执行结果会对排在下 面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用 相反 排在下面的梯形图 其 被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程 序起作用 在程序执行的过程中如果使用立即 I O 指令则可以直接存取 I O 点 即使用 I O 指令的话 输入过程影像寄存器的值不会被更新 程序直接从 I O 模块取值 输出过程影像寄存器会被立即更新 这跟立即输入有些区别 3 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段 在此期 间 CPU 按照 I O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经 输出电路驱动相应的外设 这时 才是可编程逻辑控制器的真正输出 3功能特点 可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点 1 使用方便 编程简单 采用简明的梯形图 逻辑图或语句表等编程语言 而无需计算机知识 因 此系统开发周期短 现场调试容易 另外 可在线修改程序 改变控制方案而 不拆动硬件 2 功能强 性能价格比高 一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件 有很强的功能 可以实现非常复杂的控制功能 它与相同功能的继电器系统相比 具有很高的 性能价格比 PLC 可以通过通信联网 实现分散控制 集中管理 3 硬件配套齐全 用户使用方便 适应性强 PLC 产品已经标准化 系列化 模块化 配备有品种齐全的各种硬件装置 供用户选用 用户能灵活方便地进行系统配置 组成不同功能 不同规模的系 统 PLC 的安装接线也很方便 一般用接线端子连接外部接线 PLC 有较强的 带负载能力 可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器 硬件配置确定后 可以通过修改用户程序 方便快速地适应工艺条件的变 化 4 可靠性高 抗干扰能力强 传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器 时间继电器 由于触点 接触不良 容易出现故障 PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器 仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件 接线可减少到继电器控制系统的 1 10 1 100 因触点接触不良造成的故障大为减少 PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施 具有很强的抗干扰能力 平均 无故障时间达到数万小时以上 可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场 PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一 5 系统的设计 安装 调试工作量少 PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器 时间继电器 计数器等器件 使控制柜的设计 安装 接线工作量大大减少 PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计 这种编程方法很有规 律 很容易掌握 对于复杂的控制系统 设计梯形图的时间比设计相同功能的 继电器系统电路图的时间要少得多 PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试 输入信号用小开关来模拟 通过 PLC 上的发光二极管可观察输出信号的状态 完成了系统的安装和接线后 在 现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决 系统的调试时间 比继电器系统少得多 6 维修工作量小 维修方便 PLC 的故障率很低 且有完善的自诊断和显示功能 PLC 或外部的输入装 置和执行机构发生故障时 可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的信息 迅速地查明故障的原因 用更换模块的方法可以迅速地排除故 4发展历史 1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求 1969 年 美国 数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器 PDP 14 在美国通用汽车公司的生产线上试用成功 首次采用程序化的手段应用于电 气控制 这是第一代可编程逻辑控制器 称 Programmable Logic Controller 简称 PLC 是世界上公认的第一台 PLC 1969年 美国研制出世界第一台 PDP 14 1971年 日本研制出第一台 DCS 8 1973年 德国西门子公司 SIEMENS 研制出欧洲第一台 PLC 型号为 SIMATIC S4 1974年 中国研制出第一台 PLC 1977年开始工业应用 发展 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逻辑控制器 使可编程逻辑控制器增加了运算 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 此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规 控制概念相结合的产物 个人计算机发展起来后 为了方便和反映可编程控制 器的功能特点 可编程逻辑控制器定名为 Programmable Logic Controller PLC 20世纪70年代中末期 可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段 计算机技 术已全面引入可编程控制器中 使其功能发生了飞跃 更高的运算速度 超小 型体积 更可靠的工业抗干扰设计 模拟量运算 PID 功能及极高的性价比奠 定了它在现代工业中的地位 20世纪80年代初 可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用 世界上生产可编程控制器的国家日益增多 产量日益上升 这标志着可编程控 制器已步入成熟阶段 20世纪80年代至90年代中期 是可编程逻辑控制器发展最快的时期 年增 长率一直保持为30 40 在这时期 PLC 在处理模拟量能力 数字运算能力 人机接口能力和网络能力得到大幅度提高 可编程逻辑控制器逐渐进入过程控 制领域 在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统 20世纪末期 可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要 这个时期发展了大型机和超小型机 诞生了各种各样的特殊功能单元 生产了 各种人机界面单元 通信单元 使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配 套更加容易 二 方案确定 1 初始状态 此时各开关是关闭的 料斗是空的 KM1 KM2 OFF YV1 YV2 OFF 启动按钮 按下启动按钮 进行下列操作 小车前进 当小车到达 SQ2 时 Y0 ON Y2 ON 1 装料 8s 后 Y2 OFF Y0 OFF 小车后退 2 到达 SQ1 时 Y1 ON Y4 ON 3 卸料 6s 后 Y1 OFF Y4 OFF 完成一个操作周期 4 只要没按停止按钮 则自动进入下一操作周期 5 3 工艺流程图 启动 8s 6s 三 输入输出选择及编号 I O 分配表 前进按钮开关 X0 右行接触器 YO 后退按钮开关 X1 左行接触器 Y1 停止按钮开关 X2 装料电磁阀 Y2 1 2 3 4 0 起始状态 前进 加料 后退 卸料 右端限位开关 X3 卸料电磁阀 Y3 左端限位开关 X4 四 PLC 器件选择及实际连接图 PLC 产品种类繁多 其规格和性能也各不相同 对 PLC 的分类 通常根据其结构形式的不同 功能的差异和 I O 点数的多少等进行 大致分类 1 按结构形式分类 根据 PLC 的结构形式 可将 PLC 分为整体式和模块式两类 1 整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源 CPU I O 接口等部件都 集中装在一个机箱内 具有结构紧凑 体积小 价格低的特点 小 型 PLC 一般采用这种整体式结构 整体式 PLC 由不同 I O 点数的基 本单元 又称主机 和扩展单元组成 基本单元内有 CPU I O 接口 与 I O 扩展单元相连的扩展口 以及与编程器或 EPROM 写入器相连 的接口等 扩展单元内只有 I O 和电源等 没有 CPU 基本单元和 扩展单元之间一般用扁平电缆连接 整体式 PLC 一般还可配备特殊 功能单元 如模拟量单元 位置控制单元等 使其功能得以扩展 2 模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分 分别作成若 干个单独的模块 如 CPU 模块 I O 模块 电源模块 有的含在 CPU 模块中 以及各种功能模块 模块式 PLC 由框架或基板和各种模块 组成 模块装在框架或基板的插座上 这种模块式 PLC 的特点是配 置灵活 可根据需要选配不同规模的系统 而且装配方便 便于扩 展和维修 大 中型 PLC 一般采用模块式结构 还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来 构成所谓叠装 式 PLC 叠装式 PLC 其 CPU 电源 I O 接口等也是各自独立的模块 但它们之间是靠电缆进行联接 并且各模块可以一层层地叠装 这 样 不但系统可以灵活配置 还可做得体积小巧 2 按功能分类 根据 PLC 所具有的功能不同 可将 PLC 分为低档 中档 高档三类 1 低档 PLC 具有逻辑运算 定时 计数 移位以及自诊断 监控等基本功能 还可有少量模拟量输入 输出 算术运算 数据 传送和比较 通信等功能 主要用于逻辑控制 顺序控制或少量模 拟量控制的单机控制系统 2 中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外 还具有较强的模拟量 输入 输出 算术运算 数据传送和比较 数制转换 远程 I O 子程序 通信联网等功能 有些还可增设中断控制 PID 控制等功 能 适用于复杂控制系统 3 高档 PLC 除具有中档机的功能外 还增加了带符号算术 运算 矩阵运算 位逻辑运算 平方根运算及其它特殊功能函数的 运算 制表及表格传送功能等 高档 PLC 机具有更强的通信联网功 能 可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统 实现工厂 自动化 3 按 I O 点数分类 根据 PLC 的 I O 点数的多少 可将 PLC 分为小型 中型和大型三类 1 小型 PLC I O 点数 2048 点 多 CPU 16 位 32 位处理 器 用户存储器容量 8 16K 如 S7 400 德国西门子公司 GE GE 公司 C 2000 立石公司 K3 三菱公司等 SB1 KM1 SB2 KM2 SB3 YV1 ST1 ST2 YV2 四 梯形图 PL3 X0 Y0 X1 Y1 X2 Y2 X3 X4 Y3 COM COM 电源 梯形图的设计方法一般有经验设计法和顺序功能图法两种 经验设 计法要求设计者具有较丰富的实践经验 掌握较多的典型应用程序 的基本环节 根据被控对象对控制系统的具体要求 凭经验选择基 本环节 并把它们有机地组合起来 其设计过程是逐步完善的 一 般不易获得最佳方案 程序初步设计后 还需反复调试 修改和完 善 直至满足被控对象的控制要求 顺序功能图法就是依据顺序功 能图设计 PLC 顺序控制程序的方法 顺序功能图中的各 步 实现 转换时 使前级步的活动结束而使后续步的活动开始 步之间没有 重叠 这使系统中大量复杂的联锁关系在 步 的转换中得以解决 对于每一步的程序段 只需处理极其简单的逻辑关系 编程方法简 单 易学 规律性强 程序结构清晰 可读性好 调试方便 工作 效率高 经验设计法的设计方法不规范 没有一个普遍的规律可遵 循 具有一定的试探性和随意性 由于联锁关系复杂 用经验设计 法进行设计一般难于掌握 且设计周期较长 设计出的程序可读性 差 即使有经验的工程师阅读它也很费时 同时 给日后产品的使 用 维护带来诸多不便 每一步的程序段 右行支路 X0X2X3X4Y1 Y0 Y0 TIM1 左行支路 装料支路 卸料支路 总梯形图 TIM1 0080 X1X2X4X0Y0 Y1 Y1 X3 TIM2 Y2 X4 Y3 TIM2 0060 X0X2X3X4Y1 Y0 Y0 TIM1 X1X2X4X0Y0 Y1 Y1 五 指令语句 1 LD X0 2 OR Y0 3 OR TIM1 4 AND NOT X2 5 AND NOT X3 6 AND NOT X1 7 AND NOT Y1 8 OUT Y0 9 LD X1 10 OR Y1 11 OR TIM2 TIM2 TIM1 0080 X3 Y2 X4 Y3 TIM2 0060 12 AND NOT X2 13 AND NOT X4 14 AND NOT X0 15 AND NOT Y0 16 OUT Y1 17 LD X3 18 OUT Y2 19 TIM1 0080 20 LD X4 21 OUT Y3 22 TIM2 0060 23 END 6 电气图 7 结论 通过本次的课程设计 我对可编程序控制器有了一个全新的认 识 了解了可编程序控制器的基础知识 以及怎样根据实际要求来 设计一套程序等 可编程序控制器是为工业控制应用而设计的 早期的可编程序 控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制 今天 这种装置的功能 已经大大超出了逻辑的控制范围 其硬件结构主要中央处理单元 CPU 存储器 输入 输出 I O 接口 电