小车多方式运行的PLC控制系统设计

1、电气控制技术课程设计说明书小车多方式运行的PLC控制系统设计学 院：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：职称 高级实验师专 业：自动化班 级：1403学 号：1430740317完成时间：2017 年 06 月学院：电气与信息工程学院指导教师湖南工学院电气控制技术课程设计课题任务书专业： 自动化学生姓名课题名称小车多方式运行的PLC控制系统设计一、目标设计一个基于PLC的多方式运行的小车控制系统。二、任务根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行小车多方式运行的控制原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问

2、题与解决问题的能力。主要内容包括： 1. 设计该系统电气控制硬件系统；2 PLC 及其它电器元件选型及PLC 的 I/O 分配。3设计该系统PLC控制梯形图。4用计算机绘制PLC控制电路图。5进行系统仿真测试，实现小车多方式运行的控制要求。编写设计说明书。三、要求小车系统由直流电机、继电器、 小车和 4 个站台等组成，每个站台有检测传感器、内 容 及 任 务指示灯和按钮。采用S7-200PLC进行控制，控制要求如下：小车起始位置停在x( x=1 4)号站台，SYx传感器为ON;假如 y(y=1 4) 号站台呼叫，如果：x y，小车左行到呼叫站台停车；x y，小车右行到呼叫站台停车；x=y，小车

3、停止；小车在SY1 和SY4处要有可靠的保护功能，自动往返或准确停车，不能向外撞；4. 小车路过每个站台要有指示灯显示；但LB1 和 LB4灯要闪 3 次；1 小车运行示意图主要参考资料史国生主编，电气控制与可编程控制器技术M。北京：化学工业出版社，2012。于广庆主编，可编程控制器原理及系统设计M。北京：清华大学出版社，2004。吴启红主编，变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书（第二版） M。北京：机械工业出版社，2010。史国生，鞠勇。电气控制与可编程控制器技术实训教程M。北京：化学工业出版社，2010。于晓云，许连阁。可编程控制技术应用项目化教程M。北京：化学工业出版社，2

4、011 。廖常初。PLC编程及应用M 。北京：机械工业出版社，2005 年。胡学林。可编程控制器应用技术M 。北京：高等教育出版社，2001 年。三菱FX系列可编程序控制器编程手册M 。三菱公司编，2001 年。三菱可编程序控制器应用101 例 M 。三菱公司编, 1994 年。史宜巧，孙业明，景绍学。PLC技术及应用项目教程M。北京：机械工业出版社，2009。教 研 室 意 见教研室主任：（签字）年月日运料小车普遍被使用于生产生活的各个方面。在工业生产中，各工位、各流水线之间的物料常常使用有轨小车来运送。随着现代化的发展，送料小车也开始自动化。通过使用可编程控制器（简称PLC）、交流接触器、

5、热继电器、限位行程开关、指示灯等来设计自动送料小车电气控制系统。通过限位行程开关将小车的位置信息转换成电信号送入PLC中，PLC实时按不同的优先级呼叫控制送料小车的左右行与装卸料，从而实现送料小车的自动化。自动送料小车电气控制系统不仅改变了以往小车的纯手动送料的历史，减少了劳动力，节约能源，并且具有自动截断和最短运行距离功能，自动化程度比较高。自动送料小车电气控制系统使劳动者的生产效率得到了提高，降低了管理难度，简化了操作要求，提高了生产生活水平, 实现了送料小车自动化的转化。在系统的软件设计方面，采用了GX Developer 软件对程序进行梯形图设计和对程序的调试，共设计了手动模式和自动模

6、式，其中自动模式又由呼叫记忆程序模块、小车左右行程序模块、装卸料延时程序模块、自动装卸料模块等组成。其次使用仿真调试软件GXsimulator 软件对整个系统进行仿真。仿真调试后实现了送料小车的点动及系统要求的小车自动运行及截断等功能。关键词 ： 可编程控制器（PLC）；梯形图设计；自动送料小车；电气控制 II TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark5 o Current Document 绪论 1 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 小车多方式运行控制的现状和背景意义 1 HYPERLINK l bookmark9

7、o Current Document 电气控制与可编程控制器技术的优点 2 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 小车多方式运行的PLC控制系统硬件设计 3 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 工作原理及控制要求 3 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document I/O 点统计及PLC选型 3输入点统计 3输出点统计 4PLC 选型 4元器件选择 5 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document I/O 分配及 PLC外部接线

8、图设计 5I/O分配表 5内部辅助继电器 6PLC外部接线图设计 6小车多方式运行的PLC控制系统的软件设计 7控制程序设计思路 7 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 控制程序流程图 7 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 控制程序状态转移图 8 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 仿真调试 10 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 可编程控制器软件介绍 10 HYPERLINK l bookmark3

9、0 o Current Document 控制程序梯形图 10 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 控制程序仿真图 12 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 结束语 14 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 参考文献 15致谢 16附录 17A 梯形图 17 1 绪论小车多方式运行控制的现状和背景意义由于PLC的不断发展和革新，使得生产线的运输控制也将得到不断的改善和生产率的不断提高，运料小车控制经历了以下几个阶段：（ 1）手动控制：在20 世纪 60

10、 年代末 70 年代初期，便有一些工业生产采用PLC来实现运料小车的控制，但是由于当时的技术还不够成熟，只能够用手动的方式来控制机器，而且早期运料小车控制系统多为继电器一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，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。（ 2）自动控制：在20 世纪 80 年代，由于计算机的价格下降，这时的大型工控企业将PLC充分的与计算机相结合，通过机器人技术，自动化设备终于实现了PLC在运料小车控制系统在自动方面的应用。（ 3）全自动控制：现阶段，由于PLC技术的向高性能高速度、大容量发展大型PLC大多采用多CPU结构，不断向高性能、高速度和

11、大容量方向发展。将PLC运用到运料小车控制系统，可实现运料小车的全自动控制，降低系统的运行费用。PLC运料小车自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，维修和改造方便等优点。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。1968 年， 美国通用汽车公司首先提出可编程控制器的概

12、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

13、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20 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，都能看出PLC在工业控制中的重要作用。电气控制与可编程控制器技术的优点1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F

14、系列PLC平均无故障时间高达30 万小时。一些使用冗余CPU的 PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算

15、能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造P

16、LC 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改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2 小车多方式运行的PLC控制系统硬件设计2.1 工作原理及控制要求自动送料小车电气控制系统的主电路图如图1 所示。其中FU为熔断器和QS空气隔离开关， 当电路中电流过大时自动断开以保护电路。FR为热继电器起到防止电

17、机过载产生高温从而保护电机的作用。M1， M2分别为小车左右行电机、自动装卸料电机。KM1为系统的小车左行交流接触器。KM2为小车右行交流接触器。KM3为装卸料电机装料交流接触器。KM4为装卸料电机卸料交流接触器。由于所使用的电机功率都较小分别为0.75KW 和KW，所以电机均采用Y连接。图 1 自动送料小车电气控制系统主电路图I/O 点统计及PLC选型输入点统计小车多方式运行PLC控制系统共需要9 个输入信号，其中启动/停止按钮占用1 个输入接口，用以控制整个电路的开始和结束；每个站台处的呼叫开关SB1SB4共占用4输入个接口，有小车的呼叫需要时只需按下相应的开关即可；每个站台处的传感器SY

18、1SY4共占用 4 个输入接口，用来发出小车的位置信号和到达相应站台时自动停止的信号。表 1 输入统计序号输入点数量1启动 /停止开关22呼叫站台1 开关13呼叫站台2 开关14呼叫站台3 开关15呼叫站台4 开关16限位1 行程开关17限位2 行程开关18限位3 行程开关19限位4 行程开关1共计10输出点统计控制系统输出信号共有6 个。其中控制电动机的正反转（即小车的左右移动）需要2个输出信号，另外4个用于控制指示灯LB1LB4的亮灭。表 2 输出统计序号输出点数量1左行12右行13第一个站台的指示灯14第二个站台的指示灯15第三个站台的指示灯16第四个站台的指示灯1共计6PLC 选型现在

19、应用最广泛的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、松下等等。三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、适用面广但是数据处理比西门子弱。西门子PLC性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。欧姆龙PLC欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求，东欧的老机床器件符号输进去好多都不认，按它的标准老图的标示都要变很不方便。松下PLC超小型尺寸，轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何电缆。从 I/O10 点到最大I/O128 点的选择空间。2.2.4 元器件选择根据设计中小车的运行要求及主电路和控制电路对元器件的性能要求，选取原件清单如表3所示。表 3 元器

20、件选择清单序号符号名称型号数量1KM1-KM2接触器CJ20-1022FU1-FU2熔断器XRNP1-1023QF1-QF2自动空气开关HUM18-63C32/124M直流电机Z4-100-115SB5启动 / 停止按钮ZB2-BE101C16SB1-SB4呼叫站台按钮ZB2-BE101C47SY1-SY4传感器FM-T02N-P31P248LB1-LB4指示灯WDM-JD125-14I/O 分配及 PLC外部接线图设计I/O 分配表（ 1）小车起始位置停在x （ x=1 4）号站台，SYx 传感器为ON;（ 2）假如 y（y=1 4）号站台呼叫，如果：x y，小车左行到呼叫站台停车；x y，

21、小车右行到呼叫站台停车；x=y ，小车停止；（ 3）小车在SY1 和 SY4处要有可靠的保护功能，自动往返或准确停车，不能向外撞；（ 4）小车路过每个站台要有指示灯显示；但LB1 和 LB4 灯要闪 3 次；表 4 I/O分配表序号名称输入接口功能说明序号名称输出接口功能说明1SB1X001呼叫站台11KM1Y000左行2SB2X002呼叫站台22KM2Y001右行3SB3X003呼叫站台33LB1Y003第一个站台的指示灯4SB4X004呼叫站台44LB2Y004第二个站台的指示灯5SB5X005启动5LB3Y005第三个站台的指示灯6SY1X011限位16LB4Y006第四个站台的指示灯7

22、SY2X012限位28SY3X013限位39SY4X014限位410SB0X006停止2.3.2 内部辅助继电器本设计使用9 个输入继电器，6 个输出继电器，8 个辅助继电器。内部继电器功能如表 5 所示。表 5 功能说明表序号内部继电器地址功能说明1名称 M0小车运行停止2M11 号站台呼叫3M22 号站台呼叫4M33 号站台呼叫5M44 号站台呼叫6M5小车所在站台编号呼叫站台编号7M6小车所在站台编号=呼叫站台编号8M7小车所在站台编号呼叫站台编号2.3.2 PLC 外部接线图设计2 控制系统的外部接线图3 小车多方式运行的PLC控制系统的软件设计控制程序设计思路程序控制算法实现主要可归

23、纳为以下三种方案。方案一 : 采取按钮呼叫信号互锁的方式。保证只有1 个按钮呼叫信号被记忆，只有待系统记忆信号被处理后，方能再次响应其他信号。该方法优点是程序简单，容易实现，且该算法有较好的移植性能快速移植到工台数量较多的系统上，不足是该算法灵活性差，效率低下，不能满足工业生产的高效性需求，例如在极短时间间隔内，先最左边工台呼叫，其次最右边工台呼叫，紧接着左边第二个工台呼叫，则小车要先从右往左响应第一个呼叫，又从最左边运行到最右边响应第二次呼叫，最后又要运行至最左边第二个工台响应第三次呼叫，走的路程极长，响应时间长，故不采用该算法。方案二：采取信号记录排序方式。即首先对工台发出的信号按照位置顺

24、序进行编码，在数据寄存器区开辟一片区域按时间顺序存储呼叫信号，小车先从数据寄存器获取一个信号信息往一个方向运动，并在每次接触到位置开关时，删除一个呼叫信号，并根据小车位置信号与呼叫位置信号比较，看该方向呼叫信号是否都被响应，如果仍存在未被响应信号则继续保持运动方向不变，若无该方向信号，则检测是否有反方向信号，有则反向运行，没有则停止。该算法有较高的效率，能满足工业生产的高效性需求。但该算法比较复杂，需要PLC有较快的运算速度和较大的内存存储空间，在工台较多且工台呼叫频繁的场合可能会因为超出存储区而产生信号遗失。故不采用该算法。方案三：采取小车位置编码及呼叫信号保持的方法。由于小车每次只能在接触

25、到一个位置开关时，使一个位置开关变为高电平，故可以在每次小车接触到位置开关时进行执行一次编码指令，将位置开关高电平信号进行编码从而确定小车的位置信号；用指示灯输出来保持每次呼叫信号，通过判断输出给指示灯信号来判断对应位置是否有呼叫信号输出，并根据小车位置来判断小车的运动方向，同时做一互锁，小车一个方向运动时，若仍有比较信号为高电平则小车运动方向被保持。直至响应完此方向信号为止，这种方案算法代码量与方案一相差不多，而实现效果又能实现方案二的最优路径效果，故采用此方案。故控制程序大体方案按方案三思路。即保证小车先响应完一个方向上所有需要响应信号后再响应反方向信号。这样能使小车效率达到最高，运行路径

26、最短。控制程序流程图小车多方式运行设计主要用了跳转指令完成循环的过程，用定时器定时实现小车多方式运行，通过互锁实现单独的方向运行不会出现短路故障情况。通电后，进入工作状态。如按下启动按钮，小车开始进入准备工作状态，若不按，则回到初始状态。如按下启动开关，小车按照设定的程序开始运行。如果按下停止按钮，系统则停止运行，如果不按停止按钮，系统则按照选择的方式继续运行下去直到按下停止按钮。流程图如图3 所示。图 3 流程图控制程序状态转移图如图所示小车一个周期内的运动路线由4 段组成，它们分别对应于S31 S34所代表的 4步， S0代表初始步。假设小车位于原点（最左端），系统处于初始步，S0为“ 1

27、”状态。按下起动按钮X5，系统由初始步S0转换到步S31。 S31 的 STL触点接通，Y0的线圈“通电”，小车右行，行至最右端时，限位开关 X14接通，使S32置位， S31 被系统程序自动置为“0”状态，小车变为左行，小车将这样一步一步地顺序工作下去，最后返回起始点，并停留在初始步。4 小车控制系统功能表图与梯形图4 仿真调试三菱可编程控制器软件介绍GX Developer 是三菱PLC的编程软件。其具有软件的共通化、程序的标准化等特点，能够利用Windows的优越性，使操作性能更加优越。其操作方法简便，易学易懂，能够让操作人员在复杂的系统情况下也能够通过简单的设定与可编程控制器CPU连接

28、，通过调试功能实现程序的仿真，从而达到相应的目的。本设计采用的编程软件GX Developer 为编程软件，具体的操作方法如下：双击软件打开 GX Developer ， 然后点击工程选择 新建工程， 依次选择 FX CPU 、 FX2N（ C） 和梯形图，显示页面如图 5所示，最后点击确定后就可以开始编程梯形图。编程完后进行程序转换。然后利用GX Simulator 进行程序的仿真。5 创建新工程页面控制程序梯形图（ 1）图6梯形图为小车启停辅助继电器的程序，按下启动按钮小车运动，M0得电并且保持，按下停止按钮，M0失电。图 6 启停梯形图（ 2）呼叫位置的确定可通过指示灯的亮灭来加以判断。

29、即采用自锁电路，当总开关X5按下，且呼叫按钮Xn按下时，输出继电器Ym线圈高电平并保持，只有当小车离开该工作台并触碰到其他工作台的限位开关时，指示灯熄灭，即呼叫位置转移。程序如下图所示：（ 3）图8 梯形图为四个行程开关程序，采用图示指令，当总开关X5 按下，系统会通过行程开关的设置自动判断小车的位置。例如，当小车处于1 号工作台时，此时行程开关X11会被置以高电平，同时系统自动将K1 写入D0，即记录小车此时的位置。如下图所示：图 8 小车位置确定梯形图（ 4）小车的运动方向控制可以通过触点比较指令来实现，即通过比较小车所在位置与呼叫站台的位置大小从而决定小车的运动方向，同时实现两个方向运动

30、互锁，即当小车往一 个方向运行时，另外一个不得导通，保证不发生程序干涉。当小车所处位置大于呼叫按钮M5得电，小于时M7得电，等于时M6得电。当M5得电时，小车向左行，当M79 小车运动方向控制梯形图4.3 控制程序仿真图按要求输入梯形图，检查并编译。本次设计实验里，正确输入梯形图，编译成功。同时通过在线工作后把程序写入可编程序控制器的程序存储区，然后进行运行调试，在前面正确操作和正常进行的基础上，使PLC进入运行状态，观察运行情况，结果是本PLC设计运行正常，没有未知错误，对于多组不同站台呼叫的检测数据，小车均能够以预想的行动路线运动，即能够实现循环工作。根据以上调试情况，该小车多方式运行的P

31、LC控制设计10 仿真图 结束语本次课程设计中，小车多方式运行的plc 控制系统，它的控制过程属于双向控制，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，小车向左行，在每一个停靠点安装一个检测传感器以监视小车是否到达该站点。该课程的小车控制系统利用三菱公司生产的FX系列20 点的可编程序控制器运行主要的控制装置，编写软件指令来实现其具体的控制要求，在设计程序部分利用了PLC的辅助继电器来实现控制具有互锁的功能，在工作台上的工人通过请示按钮达到实现控制小车的运行方向。该控制系统用于柔性制造系统中物料小车的自动控制、自动化仓库中物件存取小车的自动控制等，该控制系统价格低廉，体积小，能够安全可靠的进行生产，而且效率高，灵活性强，能够很好的适应变化和纠正错误，运行速度快，易管理。通过此次课程设计，让我对PLC梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。PLC课程都是极理论的东西，所做过的几个实验也都是在已知程序图的情况下学习使用编程器， 这并不能提高PLC的设计水平，而这次的课程设计是从根本上让我们理论联系实际，在这种根据实际状况进行系统设计的情况