基于PLC的小车循环运动控制系统的设计

1 摘要 随着电子技术的发展 可编程控制器不断更新 发展 可编程控制器 在中低频电器开关控制领域应用十分广泛 这是因为 它与传统的继电器控制相比具有不可比拟的优点 它结构紧凑 编程容易 强弱电并用 控制速度快 抗干忧性能强 故障率低 与外围电路的连接简单等 PLC控制是自动控制中最常见控制方式之一 小车往返就是控制应用的一个典型例子 由于可编程控制器具有很好的处 理的小车往返控制以及良好的稳定性 而且可以很简单的改变控制的方式 因此运用PLC来设计小车循环往返运动越来越普遍 本设计是基于PLC的小车循环运动控制系统的设计 在设计中是利用 西门子S7 200系列PLC编程语言来设计的 系统中运用中间继电器 接触器的相互作 用来完成控制 并且PLC根据开关信号来控制电动机的开停 正转和反转 的转换 在由传动装置带动小车来运动 最后运用STEP7 Micro WIN32编程软件进行仿真调试 进而来满足设计的要求 关键词 小车循环往返运动 西门子S7 200 STEP7 Micro WIN32编程软件继电器 接触器 PLC 2 目录 摘要 1 第1章 概述 3 1 1设计背景 3 1 2设计意义 4 第2章 硬件设计 5 2 1 设计内容 5 2 2 设计思路 5 2 3 电气元件选择 6 2 4 I O地址分配 6 2 5I O接线图 6 2 6 主电路设计 7 第3章 软件设计 9 3 1 编程软件介绍 9 3 2 软件设计 9 3 3 系统流程图 10 3 4 程序梯形图 10 3 5 程序指令表 12 3 6程序分析 14 第4章 软件调试 16 设计心得 17 参考文献 18 3 第1章 概述 1 1设计背景设计背景 随着社会迅速的发展 各机械产品层出不穷 控制系统的发展已经很 熟 使用范围涉及各个领域 例如 机械 汽车制造 化工 冶金 交通 军事 民用等 在现代工业车间生产中企业为提高生产车间物流自动化 水平在许多场合中需要自动控制小车在指定位置道路上行驶 如柔性制造 系统中物料小车的自动控制 自动仓库中物件存取小车的自动控制 货物 的自动出入等 为了实现生产环节间的运输自动化 常会使用无人小车在工 作台或生产线之间自动往返装料卸载 以及在自动化生产线上 有些生产 机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动 并且有的还要求在某 些位置有一定的时间停 以满足生产工艺要求 减轻劳动量 提高生产效 率 增加资本收入 虽然有很多用来设计小车运行的方法 但是很多都过 于繁琐 不利于操作人员的掌握和执行 如今随着电子技术的发展和可编 程控制器 Progammable controller 简称PLC的不断更新 发展 可编程控制器在中低频电器开关 控制领域应用十分广泛使 加上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 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 因此在设计中越来越 得人们的认可 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 在设计顺序控制程序中可编程控制器的控制程序与一般计算机程序是 有区别的 一般计算机程序的执行过程是 从起点开始顺序执行 直到程序结束 因此程序的执行过程是有始有终的 已经执行过的指令一般不会再度执行 可是可编程控制器程序是一个循环 扫描程序 已经执行过的指令还要反复执行 因此它是没有始末之分的 如果把控制程序的正向行驶 反向行驶 数据 显示三个阶段编排在一起而不进行分时控制的话 4 由于程序的反复执行 必然会导致分不清这三个阶段而乱成一团的局面 因 为 正向行驶有正向行驶的任务 逆向行驶有逆向行驶的安排 两者不仅功能各异 而且执行时间也不同 为这三个阶段建立不同的状态标志即可 开始建立 正向行驶状态标记 使程序只执行与正向行驶有关的功能 然后建立逆向行驶状态标记且撤销正向行驶状态标记 使程序只执行与逆向行驶有关的功能 最后建立数据显示状态标记且撤销逆向行驶状态标记 使程序只执行与数据显示有关的功能 同时PLC的可靠性高 环境适应性强 灵活运用 使用方便 抗干扰 性强 编程简单 维护简单控制程序可变 体积小 质量轻 功能强 适 用范围较广 成本价格越来越低 还有PLC程序实现小车自动往返顺序控 制 不仅具有程序设计简易 方便 可靠性高等特点 而且程序设计方法 多样 便于不同层次设计人员的理解和掌握 因此在我们的设计小车循环 运动控制系统中都采用PLC设计 1 2设计意义设计意义 通过PLC在小车循环运动控制系统中的应用 使我们更加方便的做到 在工厂生产中得自动化控制操作 提高了生产的效率 降低了劳动的利用 率和成本 同时也对PLC的更新换代起了加快作用 促进了社会工业化的 发展 为了我们以后的工作 学习 生活带来了很大的方便 5 第2章 硬件设计 2 1 设计内容设计内容 某生产流水线上的一辆自动控小车的运动示意图如图2 1所示 小车在一个周期内的运动由4段组成 设小车最初在端 当按下起 动按钮 则小车自动循环地工作 若按下停止按钮 则小车完成本次循环 工作后停止在初始位置 三相异步电动机Y90L 2 2 2KW 2840转 分 380V 4 8A 图2 1 小车循环运动示意图 2 2 设计思路设计思路 由于小车分四段不同的往返运动 现设定行程开关SQ1在最左端即为 初始位置 行程开关SQ1 SQ2 SQ3 SQ4的分布和小车的运动轨迹都如 图2 1所示 按下起动按钮 小车就有最左端的初始位置向右运动 运动过程 中经过SQ2 但SQ2不能改变小车的停止和转向 小车继续向右运动 当碰 到SQ3时 小车结束向右运动改向向左运动 当碰到SQ2时 小车结束向 左运动改向向右运动 在向右运动的过程中碰到SQ3 但SQ3不会影响小 车的运行方向和状态 小车会继续向右动 当碰到SQ4时 小车结束向右 运动改向向左做运动 在向左运动的过程中小车会依次碰到SQ3 SQ2 但SQ3 SQ2都不会影响小车的运动方向和运动状态 直到小车碰到SQ1 小车会结束向左运动即这一次的循环运动结束开始新的循环运动 6 在小车的运动过程中无论在哪一时刻 按下停止按钮都不能使小车立 即结束运动而停止 在按下停止按钮后小车会继续运动直到完成本次循环 碰到初始位置的行程开关SQ1 才能够结束循环 小车停止运动最后停在 初始位置上 2 3 电气元件选择电气元件选择 对于每一个设计来说在选择方法之后最重要的就是要能够正确的选择 所使用的器件及器件型号 才能够正确的完成设计要求 在这里列出本设 计所要使用的电器元件 如表2 1所示 表2 1 小车循环运动电器元件选择表 序 号 文字 符号 名称型号数量 1M三相异步电动机Y90L 2 2 2KW 380V 4 8A 2840转 分 1 2QF低压断路器DZ15 6P1 3FR热继电器JR16 201 4FU熔断器RT10 504 5KM交流接触器CJ20 102 6CPUPLC处理器CPU2261 7SB按钮LA25 112 8SQ行程开关JLXK1 114 9L导线若干 2 4 I O地址分配地址分配 由于本设计是采用西门子S7 200系列PLC编程语言来设计的 所以在设计过程中要对I O口进行地址分 配 进而顺利的完成程序设计 I O地址分配如表2 2所示 表2 2 小车循环运动I O地址分配表 输入输出 I0 0起动按钮SB1Q0 0接触器 KM1 电机正转 小车右行 I0 1停止按钮SB2Q0 1接触器 KM2 电机反转 小车左行 I0 2行程开关SQ1 I0 3行程开关SQ2 I0 4行程开关SQ3 7 I0 5行程开关SQ4 I0 6热继电器 2 5I O接线图接线图 在设计小车循环运动控制系统中采用了西门子S7 200系列 所以对于I O端口的连线是非常重要的 是控制小车循环运动的 关键环节 在本设计中采用PLC处理器型号为CPU226 有输入和输出显示 端口 把开关信号转换成控制信号 进而完成控制要求 这就是体现了用 PLC设计的简单和运用方便之处 也是人们为什么选择利用PLC来设计的 主要原因 因此做好I O接线是非常重要的 I O接线图如图2 2所示 图2 2 小车循环运动I O接线图 2 6 主电路设计主电路设计 对于小车的循环运动控制系统上的设计 我们通常都是通过采用控制 电机的正反转再又经过设备与小车的连接 来控制小车的左右运动 在本 设计中就是通过控制三相异步电动机的正反转来控制小车的左右循环运动 当三相异步电机正传时 小车向右运动 当三相异步电动机反转时 小 车向左运动 在主电路中采用两个接触器的动作来控制三相异步电动机的正反转进 而来控制小车的循环作用运动 主电路图的设计如图2 3所示 8 图2 3 小车循环运动主电路图 如图2 3所示 闭合低压断路器QF 由于控制器件的作用当使KM1闭合时 三相 异步电动机正转 通过器件连接带动小车向右运动 当KM2闭合时 三相 异步电动机反转 通过器件连接带动小车向左运动 通过可编程控制器件 的控制 最后来完成设计的要求 9 第3章 软件设计 3 1 编程软件介绍编程软件介绍 编程软件采用西门子S7 200软件可编程控制器 支持梯形图 指令表等语言程序设计 网络参 数设定 可进行程序的线上更改 监控及调试 具有异地读写PLC程 序功能 梯形图语言是在继电器控制电路图的基础上发展而来的 最大 的优点就是直观易懂 使用简单方便 对来自电气方面的用语 通过梯 形图很容易就能掌握 同时它也是PLC的主要编程语言 助记符语言与 汇编语言类似 它使用字符来代表可编程控制器的某种操作 这就要求 用户要有一定的计算机编程基础 在我们编程之前要非常熟悉西门子S7 200软件可编程控制器的指令语言 这样我们才能够设计出真确的控制 程序 将PLC应用到小车循环运动控制系统 可实现小车的自动化控制 降 低系统的运行费用 PLC小车循环运动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 3 2 软件设计软件设计 在设计小车循环运动控制程序之前要先非常熟悉整个运动的经过 然后要 熟悉指令语句 在本设计中所要运用指令及功能如表3 1 表3 1 程序运用指令说明 指令功能说明 LD装入常开指令 LDN装入常闭指令 A与常开指令 10 AN与常闭指令 O或常开指令 ON或常闭指令 输出指令 LPS逻辑推入栈指令 LPP逻辑弹出栈指令 3 3 系统流程图系统流程图 在设计之前了解整个工作过程后 要先写出整个运动过程系统流程图 以便更好的编程和理解 系统流程图如3 1所示 图3 1 程序流程图 3 4 程序梯形图程序梯形图 利用西门子S7 200进行编程 编写的梯形图如下所示 11 12 3 5 程序指令表程序指令表 在STEP7 Micro WIN32编程软件中输入梯形图 进而生成相应的指令表 如下所示 13 14 3 6程序分析程序分析 有上述的I O分配可以知道在该程序中 起始开关用I0 0表示 停止开关 用I0 1表示 在4个位置的行程开关分别用I0 2 I0 5来表示 在这里对程序进行分析 按下I0 0 由于中间继电器的自锁作用 会使M0 0一直带电 及小车 会一直处于带电状态 当按下I0 2时 行程开关SQ1得电 M0 6 M0 7 得电 接触器KM1线圈带电 由于M0 1的自锁作用 Q0 0一直处于输出状态 使电机一直正转 小车向右运动 按下I0 3 行 程开关SQ2得电 不影响小车运动方向和状态 按下I0 4 行程开关SQ3得 电 M0 3常闭断开 M0 1失电电机停止向右运动 M0 3常开闭合 由于M 0 2的自锁作用 使电机一直反转 Q0 1一直处于输出状态 小车向左运动 M0 6失电 按下I0 3 行程开关SQ2得电 M0 5常闭断开 M0 2失电小 车停止向左运动 M0 5常开闭合 由于M0 1的自锁作用 Q0 0一直处于输出状态 使电机一直正转 小车向右运动 按下I0 4 行程 开关SQ3得电 由于M0 6失电 不影响小车运动方向和状态 按下I0 5 行程开关SQ4得电 由于M1 2自锁作用 M1 2一直得电 M1 2常闭断开 M0 1失电电机停止向右运动 M0 4得电 M0 4常开闭合及传送到中间继 电器M0 0 依次类推 当小车在I0 5站时 行程开关SQ4得电 及传送到 15 中间继电器M0 1 小车从开始到停止到初始位置是由于M0 2的自锁作用 使电机一直反转 Q0 1一直处于输出状态 小车向左运动 M1 2常闭一直断 开 按下I0 4 I0 3不影响小车运动方向和状态 当正在按下I0 2时又进行 下一个新的循环 在运动过程中按下I0 1时 不能够是小车停止运动 由于M1 3自锁作 用 M1 3一直带电 M1 3常开闭合 只有再按下I0 2 碰到SQ1回到初始 位置 M1 0得电 M1 0常闭断开 M0 0失电 小车停止运动 结束循环 16 第4章 软件调试 在理论构思设计完成以后 为了确保设计实践的准确无误性 去实验 室里面进行验证和调试 按一下步骤进行调试 1 按电气接线图接好线 2 在STEP7 Micro WIN32下输入程序并编译 3 将编译好的程序从PC机 STEP7 Micro WIN32编程软件 下载到PLC主机 4 PC机在监控状态下调试程序 5 观察运行程序并进行修改直到满足要求 保存程序 在调试过程中所遇到的问题及解决方法如以下所示 1 小车不能一直处于起动状态时 要用线圈的互锁来使小车一直 处于起动状态 2 Q0 0和Q0 1输出状态出现排斥时 要用Q0 0和Q0 1互锁来解决 3 按下I0 1时小车马上停止时 要添加M1 0 来进行调节 经过反复的改正和调试最终满足了设计的要求 17 设计心得 通过这次基于PLC的小车循环运动控制设计 不仅考验并加强了我的 实际动手能力同时还考验了我们将理论知识转化为实际应用的能力 它使 得我了解到PLC这门课之所以重要并不仅仅因为它的理论知识重要 而重 在实践 它与我们现实生活中许多应用息息相关 除此之外也加深了对西 门子S7 200软件可编程控制器和STEP7 Micro WIN32编程软件的学习 理解和运用 通过这次课程设计 我体会到解决问题是一个循序渐进的过程 一个 好的方案往往是经过多次修改与完善 才最终确定下来的 一个方案设计 的好坏也只有拿到实际中去检验才能判定 我在解决问题的过程中就采用 了循序渐进的过程 先设计出一套程序 输入设备