(完整word版)运料小车plc控制(课程设计)130001

1、 =oy：-m 3 目录 第1章绪论1 1.1可控编程的含义1 1.2可控编程的发展1 第2章PLC的结构、工作原理及系统设计 3 2.1 PLC的结构及工作原理3 2.2 PLC的编程语言4 2.3 PLC控制系统的构成、设计原则及步骤5 2.4 PLC的应用领域及特点7 第3章运料小车介绍9 3.1运料小车介绍与控制要求 10 第4章运料小车控制系统的方案论11 4.1运料小车控制系统的控制内容与要求 11 4.2方案论证13 4.3 PLC的选用14 4.4 PLC外部接线图 15 4.5 I/O 分配15 4.6 PLC状态流程15 4.7运料小车控制系统梯形图16 第5章小车的性能分

2、析及结构进 18 5.1小车优缺点分析18 5.2设计的改进及推广 18 致谢19 参考文献20 附录21 : _ -umno-：: 第一章绪论 1.1可控编程的含义 可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来 的，最初叫做可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，即PLC，现已 广泛应用于工业控制的各个领域。 它以微处理器为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时、计数和 算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。20世纪 60年代以前，汽车流水线的自动控制系统基本上都采用传统的继电器控

3、制。在60年代 初，美国汽车制造业竞争越发激烈，而汽车的每一次更新的周期越来越短，这样对汽车 流水线的自动控制系统更新就越来越频繁，原来的继电器控制就需要经常地重新设计和 安装，从而延缓了汽车的更新间。所以人们就想能有一种通用性和灵活性较强的控制系 统来替代原有的继电器控制系统。 1.2可编程控制器的发展 1968年，美国通用汽车公司首先提出可编程控制器的概念。在1969年，美国数字设 备公司(DEC终于研制出世界上第一台PLC这是由一种新的控制系统代替继电器的控 制系统，它要求尽可能地缩短汽车流水线控制系统的时间，其核心采用编程方式代替继 电器方式来实现生产线的控制。这种控制系统首先在美国通

4、用汽车的生产线上使用，并 获得了令人满意的效果。 PLC在制造和冶金等其他工业部门相继得到了应用。1971 年,日本引进了这项技术， 并开始生产自己的PLC 1973年，欧洲一些国家也研制出了自己的 PLC 1974年，我国 也开始仿照美国的PLC技术研制自己的PLC，终于在1977年研制出第一台具有实用价值 的PLC 大规模集成电路和超大规模集成电路的出现使得PLC在问世后的发展极为迅速。现在， PLC不仅能实现继电器的逻辑控制功能，同时还具有数字量和模拟量的采集和控制、PID 调节、通信联网、故障自诊断及 DCS生产监控等功能。 毫无疑问，PLC将在今后的工业生产中起到非常重要的作用。在2

5、0世纪80年代， 美国的工业市场调查报告和1989年美国的一份分散控制系统(DCS的调研报告中，都 - 常熟理工学院课程设计（说明书） 能看出PLC在工业控制中的重要作用。 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留，以满足生产工艺要求。用PLC程序实现 运料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。简要介绍PLC在运料小车自动。 第2章PLC的结构、工作原理及系统设计 2.1 PLC的结构及工作原理 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，

6、其硬件结构基本上与微型计算机相同。 根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。 整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU、存储器、输入/输出（I/O） 单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点 是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但 灵活性较低。其基本结构框图如图 2-1所示。 图2-1整体式结构 9 模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU、存储器、输入/输出（I/O ） 单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插 在机架上，各模块间通过机架

7、上的总线相互联系。模块式的PLC安装完成后，需进行登 记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，其特点是系统构成的灵活性较高， 可以构成不同控制规模和功能的 PLC，但同时价格也较高。基本结构框图如图2-2所示。 编程器 其他PLC 或上位机 现场设备 电源 模块 CPU 模块 通信 模块 输入 模块 输出 模块 特殊 功能 模块 机架 图2-2模块式结构 PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并 行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路， 就有可能有几个电器同时动作。而 PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈

8、通电 或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行 一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制 的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构 就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出 3个阶段才能 完成控制过程。 PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送 到PLC、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。扫描过程如图2-3所示。 在输入阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理 器扫描各个输入端并读取输

9、入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。 在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单 元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器 的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元 在输出阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过 输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。 2.2 PLC的编程语言 可编程控制器的编程语言主要有梯形图语言、助记符语言及功能块图。 2.2.1梯形图语言 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

10、，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。例如，一个简单 PLC控制系统，当常开按钮SBFI动作时，水泵开 启，当常闭按钮SBSI动作时，水泵停止运行。用继电器控制和用 PLC控制的梯形图如 图2-4和图2-5所示。 SB1SB2KM1 丄 O Oc Q 11 KM1 图2-4继电气控制电路 X1Y0 1/1O 图2-5 PLC控制梯形图 2.2.2助记符语言 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。用助记符语言编写上一个例子的程序如下： LD X0 OR Y0 ANI X

11、1 OUT Y0 2.3 PLC控制系统的构成、设计原则及步骤 PLC控制系统由硬件部分和软件部分组成。 对于整个PLC控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC机型、 存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模块和特殊功能 模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接口，如输入设备（控 制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等）和由执行装置控制的现场 设备（水泵、鼓风机、阀门等）。 软件部分主要包括对PLC进行I/O点地址、内部继电器、定时器、计数器等的分配, PLC控制程序的设计（梯形图、语句表、流程图等），还有一些技术文件等

12、。 - 一-常熟理工学院课程设计（说明书） PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要 求。PLC控制系统的设计应遵循以下原则。 （1）根据工艺流程进行设计，力求控制系统能最大限度地满足控制要求。 （2）在满足控制要求的前提下，尽量减少 PLC系统硬件费用。 （3） 考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑PLC的可扩展性。 （3）控制系统使用和维护方便、安全可靠。 一般PLC控制系统的设计步骤如图2-6所示，具体操作如下。 （1）控制要求分析 在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和 控制要求，这样才 能真正明白自己

13、所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控制系统。 （2）确定输入/输出设备 根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接 触器、继电器等），根据所选用的输入/输出设备的类型和数量确定 PLC的I/O点数。 （3）选择合适PLC 确定PLC的I/O点数后，就根据I/O点数、控制要求等来进行PLC的选择。选择包 括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。 （4）I/O点数分配 点数分配就是规定PLC的I/O端子和输入/输出设备。 （5）PLC程序设计 首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还 有不同阶段之间的联

14、系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。 （6）模拟调试 程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行 模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。 （7）现场联机调试 现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存在的实 际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。 （8）整理技术文件 这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、程序 # - 一-常熟理工学院课程设计（说明书） 清单和使用说明书等。 图2-6设计步骤示意图 # 2.4 PLC的应用领域及特点 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

15、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

16、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。 （4）数据处理 PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排 序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造 纸、冶金

17、、食品工业中的一些大型控制系统。 （5）通信及联网 PLC1信包括PLC可的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的 发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编程控制器产品并不针对 某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根 据控制要求进行设计编制。 PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的： 1）功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足； 2）应用灵活，其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可 以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合； 3

18、）操作方便，维修容易，稳定可靠。尽管 PLC有各种型号，但都可以适应恶劣的工 业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几万小时。 第3章运料小车介绍 3.1运料小车介绍与控制要求 图3-1为运料小车模拟图 后退Y2) HSQ1 I(X1) 1 o AB C 图3-1某运料小车自动往返运行的示意图 运料小车是工业送料的主要设备之一。广泛应用于自动生产线、冶金、有色盒属、 煤矿、港口、码头等行业，各工序之间的物品常用有轨小车来转运。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。 图3-1是一个运料小车工作示图。系统的设计要求为：小车由电机驱动，可在A B、

19、 C两地分别启动，A地启动后，小车先返回限位开关SQ处，停车10s装料；然后自动驶往 B、C点，到达限位开关SQ1 SQ处后停车8s，卸料，然后返回A点，如此反复。 第4章 运料小车控制系统的方案论证 4.1运料小车控制系统的控制内容与要求 4.1.1运料小车的控制系统主回路 运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转，小向右 行。电动机正反转主回路如图4-1所示： 1 3 图4-1三相异步电动机正反转电路图 在生产线上装料点A、卸料点B、C分别装有行程开关，以判别小车是否到达位置 另外对小车还需要一个总停按钮，两个启动按钮。 4.1.2设备控制要求 运料小车在自动化生产

20、线上运动的控制要求如下： （1）按下启动按钮，系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作。 （2）可在A、B、C两地分别启动。 （3）A地启动后，小车先返回限位开关SQ处，停车10s装料。 （4） 然后自动驶往B点，到达限位开关SQ处后停车8s卸料。 （5） 然后返回A点，停车10s装料。再驶往C到达限位开关SQ处停车8s卸料。 4.1.3运料小车控制系统控制回路 根据4.1.2设备控制的要求，运料小车控制系统的控制回路如图4-2 : ilMJ 图4-2运料小车控制回路 4.2 方案论证 方案一： 采用反接制动的方式，当电动机快速转动而需停转时，改变电源相序，使转子受一 个与原转动方向相反的转矩

21、而迅速停转。（注意，当转子转速接近零时，应及时切断电 源，以免电机反转）为了限制电流，对功率较大的电动机进行制动时必须在定子电路（鼠 笼式）或转子电路（绕线式）中接入电阻。这种方法比较简单，制动力强，效果较好，但 制动过程中的冲击也强烈，易损坏传动器件，且能量消耗较大，频繁反接制动会使电机 过热。对有些中型车床和铣床的主轴的制动采用这种方法生产设备常常要求具有上下、 左右、前后等正反方向的运动，这就要求电动机能正反向工作，对于交流感应电动机， 一般借助接触器改变定子绕组相序来实现。常规继电控制线路如下图所示。 在该控制线路中，按下正向启动按钮 SF2,中间继电器KF3线圈接通并自锁，其常 闭触

22、点打开，互锁中间继电器 KF线圈电路，KF3常开触点闭合，使接触器 QA 1线圈通 电，QA1主触点闭合使定子绕阻经3个电阻接通正序三相电源，电动机M开始降压启动： 当电动机转速上升到一定值时，速度继电器的正转使常开触点BS1闭合，使中间继电器 KF1通电并自锁，这时由于 KF1, KF3的常开触点闭合，接触器 QA3线圈通电，于是3 个电阻被短接，定子绕阻直接加以额定电压，电机转速上升到稳定工作转速。在电机正 常运转过程中，若按下停止按钮 SF1，则KF3, QA1, QA3三只线圈相继断电。由于此时 电机转子的惯性转速仍然很高，使速度继电器的正转常开触点BSI尚未复原，中间继电 器KF1仍

23、处于工作状态，所以在接触器 QA1常闭触点复位后，接触器 QA2线圈便通电， - 常熟理工学院课程设计（说明书） 其常开触点闭合，使定子绕组经 3个电阻获得反相序三相电源，对电机进行反接制动， 电动机转速迅速下降。当电动机转速低于速度继电器动作值时，速度继电器常开触点复 位，仆1线圈断电，接触器QAZ释放，反接制动过程结束.反之，电机反向启动和制动 停车与正转时相同。 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，精度高，可靠性和 可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。 运料小车控制系统的控制系统构成

24、图如 4-3所示： 图4-3运料小车控制系统图 1 7 运料小车控制流程图如4-4: 图4-4运料小车控制流程图 4.3 PLC的选择 FX1S系列:三菱PLC是一种集成型小型单元式 PLC。且具有完整的性能和通讯功能等 扩展性。如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。FX1N系列:是三菱电机推 出的功能强大的普及型PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展 性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC o FX2N系列:是三菱PLC是FX 家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特 点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。FX3U:是三

25、菱电机公司新近 推出的新型第三代三菱PLC,可能称得上是小型至尊产品。基本性能大幅提升，晶体管 输出型的基本单元内置了 3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令， 从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。FX1NCFX2NCFX3UC三菱PLC: 在保持了原有强大功能的基础上实现了极为可观的规模缩小I/O型接线接口降低了接线 成本，并大大节省了时间。Q系列三菱PLC:三菱机公司推出的大型PLC,CPU类 型有基本型CPU，高性能型CPU，过程控制CPU,运动控制CPU,冗余CPU等。可以满 足各种复杂的控制需求。三菱电机中国事业的快速发展，为了更好地满足国内用户对三 菱P

26、LC，Q系列产品高性能、低成本的要求，三菱电机自动化特推出经济型QUTESET 型三菱PLC，即一款以自带64点高密度混合单元的5槽Q00JCOUSET；另一款自带2 块16点开关量输入及2块16点开关量输出的8槽Q00JCPU-S8SET,其性能指标与QOOJ 完全兼容，也完全支持 GX-Developer等软件，故具有极佳的性价比。A系列三菱 PLC:使用三菱专用顺控芯片（MSP），速度/指令可媲美大型三菱PLC;A2ASCPU支持 32个PID回路。而QnASCPU的回路数目无限制，可随内存容量的大小而改变；程序 容量由8K步至124K步，如使用存储器卡，QnASCPU则内存量可扩充到2

27、M字节；有 多种特殊模块可选择，包括网络，定位控制，高速计数，温度控制等模块。 根据运料小车输入输出设备的分配， 在I/O方面只需要6个输入口和2个输出口， 同时考虑适当的余量，选用 FX2N-16MR勺PLC即可。 4.4 PLC外部接线图 运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向右行，电机反转，小向左行。 小车控制系统的输入，输出设备与 PLC的I/O端对应的外部接线图如4-5所示： 图 PLC 4-1 图4.5外部接线图 4.5 I/O 分配 这个控制系统的输入有2个启动按钮开关、停止按钮开关、2个行程开关、热继电 器共6输入点。这个控制系统需要控制的外部设备只有控制小车运动的

28、三相电动机一个。 电机有正转和反转两个状态，分别都应正转继电器和反转继电器，另外还有一个输出控 制卸料电磁铁开关，所以输出点应该有 3个。对应的地址分配表如表4-1所示： 输入信号 输出信号 名称 代号 输入点编号 名称 代号 输出点编号 总停按钮 SB1 X000 正转接触器 KM1 Y000 正转启动按钮 SB2 X001 反转接触器 KM2 Y001 反转启动按钮 SQ2 X002 行程开关 SQ1 X003 行程开关 SQ3 X004 表4-1 PLC I/O分配 4.6 PLC状态流程 根据运料小车运动控制的要求， （1） 按启动按钮SBI，小车电动机正转，从原位装料，10秒后小车第

29、一次前进； 碰到限位开关SQI后停8秒卸料，电动机反转，小车后退。 （2）小车后退碰到限位开关 SQ2后，电动机M停转，装料，停10s后，第二次前 进，碰到限位开关SQ3停8秒卸料，再次后退。 （3）小车第二次后退碰到限位开关 SQ2时停止。 4.7运料小车控制系统梯形图 根据小车运动的控制要求，画出小车控制系统的梯形图如图4-6 : 1 9 常熟理工学院课程设计（说明书） 21 .?： 00 - 弦 ETS25 26 ：T10 、 S0 3： ICd 15 Sn 52 j 4 ?. MOCQ 將 KT S4C K： ?O :T20 ；- SE7 射2 YC-00 - SET S35 130 卜 嶠厂 S1O YC01 - (SEI SO KET tiJ 图4-6梯形图 1 11 - 一-常熟理工学院课程设计（说明书） 1 # 第5章小车的性能分析及设计改进 5.1小车的优缺点分析 本设计运用的可编程控制器实现的运料小车自动控制，避开了以往继电器接触不 良、开关易损坏等缺点，可靠性和稳定性都有所提咼。在检测小车是否到达装料、卸料 点的时候，运用了行程开关，这样的检验系统让小车的停靠位置更加准确。 与此同时，由于输入输出很明显，不需要好多额外的外接电路，让设计更简洁。这 也是采用了成熟的可编程控制器带来的好处。即使在出现故障、紧急停止等环节中都能 快捷操作。但设计过程