小车定点呼叫PLC控制设计

编号： 毕业设计(论文)说明书题 目： 小车定点呼叫 PLC 控制设计学院： 国防生学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学生姓名：学 号：指导教师单位：姓 名：职 称：题 目 类 型 ： 理 论 研 究 实 验 研 究 工 程 设 计 工 程 技 术 研 究 软 件 开 发2014 年 5 月 4 日 摘 要可编程序控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一门新兴技术，是实现工业生产、科学研究以及其他各个领域自动化的重要手段之一，应用十分广泛，是现代工业控制的三大支柱之一。本课题主要研究的是基于 PLC 的小车定点呼叫系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。通过设计编制 PLC 程序实现小车模型控制系统的自动控制。提供较为直观、清晰、准确的小车运行状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。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，无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作，将 PLC 应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用，PLC 运料小车电气控制系统具有连线简单，控制速度快，可靠性和可维护性好，易于安装、维修和改造等优点。随着经济的发展，运料小车不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。将 PLC 应用到运料小车定点呼叫电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。它功能强大，可扩展到多达 128I/O 点，且能增加特殊功能模块或扩展板。通信和数据连接功能选项使得 FX1N 在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。本课题主要包括：分析被控对象和明确系统控制要求；选定 PLC类型，确定系统 I/O 设备的数量及种类；控制流程设计；控制程序设计。PLC 在运料小车控制系统中的应用，已经在国内外工程、工厂中得到实际应用，具有巨大的经济和社会价值，其智能化和自动化的思路值得以后继续深入研究和推广。【关键词】 PLC；运料小车；定点呼叫；控制系统 AbstractProgrammable logic controller (PLC) is a new technology of computer technology,automatic control technology and communication technology, is one of important means of production, scientific and industrial automation in all other areas, a wide range of applications, is one of the three pillars of modern industrial control.The main research topic is the design of PLC car fixed call system based ondesign, including the design of hardware and software.Automatic control of the car model control system designed by PLC programming.Provide a running car is more intuitive, clear, accurate, provides many possibilitiesfor the repair and fault diagnosis, to improve the efficiency of the system.Early haul car electrical control system for multi-relay - contactor complex system composed of, such a system design cycle is long, bulky, high cost of defects, data processing and communication capabilities, there must be someone responsible for the operation of the PLC application haul car electrical control system, the automated control of the car transporter, reducing the running costs of the system, PLC haul car electrical control system has a simple connection, control speed, reliability and maintainability, easy to install, maintenance and transformation, etc. With economic development, the car transporter expanding to all areas of mechanization and automation, from manual to automatic, and gradually formed.PLC application to the car transporter sentinel call electrical control system can realize the automatic control of the car transporter, reducing the running costs of the system. It is powerful, and can be expanded to up to 128I / O points, and can increase the special function modules or expansion board. Communications and data connectivity options the FX1N in volume, communications and special function modules and other important applications very perfect. The main topics include: analysis of the controlled object and a clear system control requirements; selected PLC type to determine the quantity and type of system I / O devices; control process design; design control procedures.PLC the car transporter control system, has been in the domestic and international engineering, plant their practical application, with huge economic and social value of intelligent and automated ideas worth further research and extension.【Keywords】 PLC; car transporter; fixed-point call; control system 目 录前言 .11 小车定点呼叫方式的选择和可编程序控制器简介 .31.1 小车定点呼叫方式的选择 .31.1.1 控制方式的分类 .31.1.2 控制方式的比较 .31.1.3 小车定点呼叫控制方式的选定 .41.1.4PLC 控制系统设计的一般步骤 .41.2 可编程序控制器简介 .51.2.1PLC 的定义 .51.2.2PLC 的发展 .51.2.3PLC 的特点 .61.2.4PLC 的结构 .61.2.5PLC 的工作原理 .91.2.6PLC 的应用领域 .122 PLC 系统的选择 .132.1 选型分析 .132.1.1PLC 选型原则 .132.2 系统设计的要点 .132.2.1 输入回路的设计 .132.2.2 输出回路的设计 .132.2.3 抗干扰措施 .142.2.4“COM”点的选择 .142.3 PLC 系统的接线 .152.3.1 电源接线 .152.3.2 接地 .152.3.3 控制单元输出端子接线 .153 小车定点呼叫模型控制系统的设计 .163.1 小车定点呼叫控制系统构件概述 .163.2 所用到的元器件简介 .164 小车定点呼叫控制系统设计 .184.1 控制系统工作原理 .184.1.1 运料小车的运动流程 .184.1.2 控制要求 .18 4.2 控制系统的框架 .204.2.1PLC 框架配置图 .204.3 控制系统硬件设计 .204.4 控制系统软件设计 .214.4.1I/O 地址分配 .214.4.2 数字量输入部分 .224.4.3 数字量输出部分 .224.4.4 辅助继电器部分 .234.4.5 小车启停辅助继电器 .234.4.6 行程开关 .234.4.7 呼叫按钮 .244.4.8 比较 .254.4.9 小车呼叫显示智能指令 .284.4.10 小车启动定位 1 号站点指令 .285 控制系统的调试 .295.1 编程软件简介 .295.1.1GX DEVELOPE 的主要功能 .295.1.2GX DEVELOPE 的特点 .295.2 程序的下载、安装和调试 .296 结论 .31谢 辞 .32参考文献 .33附 录 .34附录 1 FX2N 基本指令 .34附录 2 程序流程图 .36附录 3 梯形图 .37附录 4 指令程序 .43附录 5 外部接线图 .47桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 1 页 共 47 页前言在可编程控制器问世之前，继电器-接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。继电器-接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑，如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。另外，大型控制系统采用继电器-接触器控制，使用的继电器数量多，控制系统的体积大，耗电多，且继电器触点为机械触电，工作频率低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差。1968 年，在世界性工业技术改造浪潮的冲击下，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM 公司） ，为了适应汽车型号的不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，提出要用一种新型的控制系统装置取代继电器-接触器控制装置。并且对未来的新型控制装置做出了具体的设想，要把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电器-接触器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点融入于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握他的实用技术。通用公司提出的新一代控制器应具备的条件包括：（1）编程简单，可在现场修改程序。（2）维护方便，最好是插件式结构。（3）可靠性高于继电器控制。（4）体积小于继电器控制柜。（5）可将数据直接送入管理计算机。（6）在成本上可与继电器控制柜竞争。（7）输入可以是交流 115V。（8）输出可以为交流 115V、2A 以上，能直接驱动电磁阀。（9）扩展时，原有系统只要很小变化。（10）用户程序存储器容量至少能扩展到 4KB。美国数字设备公司（DEC）根据 GM 公司招标的技术要求，于 1969 年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在 GM 公司汽车自动装配线上试用，获得成功。其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程控制器由此而迅速发展起来。PLC 的主要特点是：从开关量控制发展到顺序控制、运送处理是自上而下的，连续PID 控制等多功能。PID 在终端站中可用一台 PC 机为主站，多台同型 PLC 为从站。也可一台 PLC 为主站，多台同型 PLC 为从站，构成 PLC 网络。这比用 PC 机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行；PLC 网络主要用于工业过程中的顺序控制，新型 PLC 也有闭环控制功能。PLC 的最大特点在于：电气工程师已不在电气的硬件上花费太多的心计，只要将按钮开关或感应器的输入点连接到PLC 的输入点上就能解决问题，通过输出点连接接触器或继电器来控制大功率的启动设备，而小功率的输出设备直接连接就可以。PLC 可编程序控制器是以微处理器为基础,桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 2 页 共 47 页综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为,可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一,PLC、机器人、CAD/CAM 将成为工业生产的三大支柱。由于 PLC 具有对使用环境适应性强的特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制,特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将 PLC 应用于交通灯系统中。同时,PLC本身还具有通讯联网功能,将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理,可缩短车辆通行等候时间,实现科学化管理。桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 3 页 共 47 页1 小车定点呼叫方式的选择和可编程序控制器简介1.1 小车定点呼叫方式的选择1.1.1 控制方式的分类传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷：（1）仅适合于简单的逻辑控制（2）仅适合特殊的工程项目，而没有通用性（3）没有改动和优化的可能性。伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点：（1）硬件上至少有一个微处理器（2）通过软件实现控制思想。目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：（1）可编程序逻辑控制器（PLC）（2）工业控制计算机（IPC）（3）集散控制系统（DCS） 。1.1.2 控制方式的比较（1）各自技术发展的起源工业控制计算机(IPC)是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。集散系统（DCS）从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。PLC 是由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC 在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和 PID 调节等功能模块；运算速度提高，CPU 的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络(LAN)，因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到 PLC 系统中。PLC 在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。（2）相同点桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 4 页 共 47 页在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，PLC、工业计算机、集散系统(DCS)之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和 I/O 模件组成。编程方面也有很多相同点。（3）不同点由于 PLC 和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。PLC 用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。特别需要提出的是，PLC 与 STD 总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。PLC 更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于 STD 工控机，但是从开关量控制而言，PLC 的性能优于 STD 工控机。1.1.3 小车定点呼叫控制方式的选定PLC 实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用 PLC 厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。PLC 自问世以来，经过 20 多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前，PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用 PLC 设计自动控制系统已成为世界潮流。PLC 之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力。编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC 的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。PLC 具有很多的优点。小车定点呼叫控制系统若采用 PLC 控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。由于 PLC 所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现小车的不同工作要求。机械手采用 PLC 控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，用 PLC 控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。综上所述，小车定点呼叫的控制方式选择 PLC 控制。1.1.4PLC 控制系统设计的一般步骤在PLC控制系统设计时，一般要遵循步骤如下：（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求（2）确定I/O设备桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 5 页 共 47 页（3）选择合适的PLC类型（4） 分配I/O点（5） 设计应用系统梯形图程序（6） 绘制各种电路图（7） 将程序输入PLC（8） 进行软件测试（9） 绘制控制台与控制柜（10）应用系统整体调试（11）编制技术文件1.2 可编程序控制器简介1.2.1PLC 的定义国际电工委员会（IEC）1987 年 2 月颁布的可编程序控制器标准第三稿，对可编程序控制器的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都按易于工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 ”定义中强调了可编程序控制器是“数字运算操作的电子系统” ，它也是一种计算机。它是“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机。1.2.2PLC 的发展（1）国外 PLC 的发展概况PLC 自问世以来，经过 40 多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。PLC 的世界总销售额不断上升、生产商不断涌现、品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格不断下降。目前，世界山有 200 多个厂商生产 PLC，较有名的有美国的 AB、通用电莫迪康公司；日本的三菱、富士、欧姆龙、松下电工公司等；德国的西门子公司；法国的施耐德 TE 公司；韩国的三星、LG 公司等。（2）国内 PLC 的发展概况我国的 PLC 产品的研制和生产经历了三个阶段：顺序控制器（1973-1979 年）阶段、1 位处理器为主的工业控制器（1979-1985 年）阶段和 8 位微处理器为主的 PLC（1895年以后）阶段。今年来我国的 PLC 研制、生产、应用发展也很快。特别是在应用方面，在引进成套设备的同时也配套引进了不少 PLC。在我国自己生产制造的设备上也大量采用了 PLC桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 6 页 共 47 页控制。另外，应用 PLC 对老设备进行改造，使之在投入较少的条件下实现了产品的升级代换。无论是国外还是国内，PLC 的发展其明显特征是，产品的集成度越来越高，速度越来越快，功能越来越强，工作性越来越可靠，使用越来越方便。PLC 现已广泛用于顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信等类型的控制。特别是 PLC 远程通信功能的实现及多种功能的编程语言和先进的指令系统，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程。1.2.3PLC 的特点可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的小车呼叫系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业运料小车系统中应用更为普遍。其主要原因是因为 PLC 具有以下优点：（1）编程方法简单易学。梯形图是使用最广的 PLC 编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，熟悉继电器电路原理图的技术人员很快就可以学会，并用来编程。（2）功能强，性价比高。PLC 内有上千个可供用户使用的编程原件，可实现非常复杂的控制功能，与相同功能的继电器系统相比有很高的性价比。另外，PLC 还可以通过通信联网，实现分散控制、集中管理。（3）硬件配套齐全，用户可以灵活、方便的选择，组成不同功能、不同规模的系统。（4）可靠性高，抗干扰能力强。PLC 是专门为工业控制而设计的，在硬件上采用了屏蔽、滤波、隔离等有效的抗干扰措施；用软件代替了大量的中间继电器、时间继电器和接线，仅剩下与输入/输出相关的少量硬件和接线，大大减少了因接触点接触不良而造成的故障，是公认的最可靠的工业控制设备之一。（5）体积小，重量轻，功耗低，易于实现机电一体化。（6）系统设计、安装、调试工作量小。PLC 用软件编程来取代硬件接线，模块功能齐全程序的编制与调试很方便，因而大大缩短了 PLC 控制系统的设计、施工和投产周期。1.2.4PLC 的结构从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置如图 1.1 所示。桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 7 页 共 47 页图 1.1 PLC 的组成框图PLC 是一种通用的工业控制转置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC 可分为整体式和组合式两类。整体式 PLC 是将中央处理单元（CPU） 、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的 I/O 扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU 是 PLC 的核心，I/O 单元是连接 CPU 与现场设备之间的接口电路，通信接口用于 PLC 与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、智能 I/O 单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模板，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有 CPU 单元的底板称为 CPU 底板，其他称为扩展底板。CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10m，无论哪种结构类型的 PLC，都可以根据需要进行配置与组合。（1）中央处理单元（CPU）CPU 是 PLC 的控制中枢，是实现现场设备的控制，CPU 的主要功能如下：从存储器中读取指令。CPU 从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出读命令，从数据总线上得到读出指令，并存入 CPU 内的指令寄存器中。执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号、取操作数、进行逻辑运算或者算术运算，将结果输出给有关部分。准备取下一条指令。CPU 执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令。在 CPU 的控制下，程序的指令即可以顺序执行，也可以接触器触点位置开关输入接口SB电源中央处理器系统存储器用户存储器手持编程器或计算机输出接口电磁铁YAKM外电源桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书用纸第 8 页 共 47 页分支或者跳转。处理中断。CPU 除顺序执行程序外，还能接收输入、输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理完后再返回原址，继续顺序执行。（2）存储器存储器是 PLC 用来存放系统程序、用户程序和运行数据的器件。PLC 常用的集中存储器如下：只读存储器（ROM） 。ROM 的内容只能读出，不能写入，电源去掉后仍能保存其内容。ROM 一般用来存放 PLC 的系统程序。随机存储器（RAM） 。RAM 是可读写存储器，电源断开后，存储的信息会小时。电可擦可编程只读存储器（EPROM 或 EEPROM）：它是可读写的可以用编程器对它编程，写入信息所需时间比 RAM 长得多。EEPROM 用来存放用户程序，有的 PLC 将EEPROM 作为基本配置。（3）I/O 单元I/O 单元也称为 I/O 模块，PLC 通过 I/O 单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时 CPU 从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放