PLC在运料小车控制系统中应用

1、一. 课程设计的性质与目的 本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现 理论与实践相结合的重要手段。它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识 和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌 握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综 合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。 二. 课程设计的内容 1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求， 确定控制方案。 2.绘制运料小车控制系统的 PLC I/O 接线图和梯形图，写出指令程序清单。 3.选择电器元件，列出电

2、器元件明细表。 4.上机调试程序。 5.编写设计说明书。 三. 课程设计的要求 1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并 且技术先进，安全可靠，操作方便。 2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的 GB472884电气图用图形符号 、 GB698887电气制图和 GB715987电气技术中的文字符号制定通则的有 关规定。 3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出， 篇幅不少于 7000 字。 主要设计条件 1.PLC 实验设备若干。 2.参考文献若干。 设计说明书装订顺序 1.课程设计说明书封面。 2.课程设计任务书。 3.说明书

3、目录。 4.正文（按设计内容逐项书写） 。 5.参考文献。 6.附录。 7.课程设计评分表。 计进度安排 1. 第一周星期一上午：课题内容介绍。 2. 第一周星期一下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计 资料，准备设计工具。 3. 第一周星期二第一周星期五：确定控制方案。绘制运料小车控制系统电气 控制系统的电气原理图、控制系统的 PLC I/O 接线图和梯形图，写出指令程序清单。 选择电器元件，列出电器元件明细表。 4. 第二周星期一：试验调试 5. 第二周星期二第二周星期五：编写设计说明书,答辩。 参考文献 1廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用M.重庆：重庆大学出版社

4、 2万太福.可编程序控制器及其应用M. 重庆：重庆大学出版社 3刘祖润.毕业设计指导.北京：机械工业出版社 4谢桂林.电力拖动与控制. 北京：中国矿业大学出版社 5工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册.北京：水利电力出版社 课题课题 PlC 在运料小车控制系统中应用在运料小车控制系统中应用 1.任务描述任务描述 某自动生产线上运料小车的运动如图所示，运料小车由一台三相异步电动机 拖动电动机正转，小车右行，电机反转，小车左行。在生产线上有 5 个编码为 15 的站点供小车停靠，在每一个停靠站安装一个行程开关以监测小车是否到 达该站点。对小车的控制除了启动按钮和停止按钮之外，还设有 5

5、 个呼叫开关 （HJ1HJ5）分别与 5 个停靠点相对应。 2.设备控制要求设备控制要求 运料小车在自动化生产线上的控制要求如下； （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）当小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮 HJ 的编码时，小车向右运 行，运行到呼叫按钮 HJ 所对应的停靠站时停止； （3）当小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮 HJ 的编码时，小车向左运 行，运行到呼叫按钮 HJ 所对应的停靠站时停止； （4）当小车当前所处停靠站的编码等于呼叫按钮 HJ 的编码时，小车保持不 动； （5）呼叫按钮开关 HJIHJ5 应具有互锁功能，先按下者优先。 目录 第第

6、 1 章章 可编程控制器（可编程控制器（PLC）概况）概况.1 1.1 PLC 的定义 .1 1.2 PLC 的发展 .1 1.3 PLC 的特点 .2 1.4 PLC 的基本组成.2 1.5 PLC 的应用领域 .2 第第 2 章章 运料小车的发展概况运料小车的发展概况.4 第第 3 章章 控制系统设计控制系统设计.5 3.1 运料小车的运动分析.5 3.2 设备控制要求.5 3.3 整体方案论证.6 3.4 系统资源分配.7 3.5 系统硬件设计.8 3.6 程序控制梯形图与指令表.9 第第 4 章章 上机调试程序上机调试程序.13 4.1 呼叫按钮.13 4.2 行程开关.13 4.3

7、比较.13 4.4 向左运动.13 4.5 向右运动.13 4.6 调试操作.14 第第 5 章章 心得与体会心得与体会.16 参考文献参考文献.17 第第 1 章章 可编程控制器（可编程控制器（PLC）概况）概况 1.1 PLC 的定义的定义 国际电工委员会(International Electrical Committee- IEC),1987年的第三版对 PLC作了如下的定义: PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操 作的电子装置。它采用可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序运算、计时、计算和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的 输入和输出，控

8、制各种类型的机械或生产过程。 可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控 制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU(中央处理单元)存储 器(RAM和EPROM),输入/输出模块(简称为I/O模块)、编程器和电源五大部分组 成。近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它按照成熟而有效的 继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成 了具有特色的各种系列产品。 1.2 PLC 的发展的发展 1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公 开招标提出十项标准: (1)编程方便，现场可修改程序； (2)维修方便，采用

9、模块化结构； (3)可靠性高于继电器控制装置； (4)体积小于继电器控制装置； (5)数据可直接送入管理计算机； (6)成本可与继电器控制装置竞争； (7)输入可以是交流115V； (8)输出为交流115V, 2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； (9)在扩展时，原系统只要很小变更； (10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K。 1969年，美国数字公司(DEC)研制出了第一台可编程序控制器，满足了GM 公司装配线的要求。这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、 通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。随着集 成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代P

10、LC产品。 1.3 PLC 的特点的特点 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)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。 1.4 PLC 的基本组成的基本组成 PLC 是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按 结构形式的不

11、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 1/0 扩展单元与主机 配合使用。主机中，CPU 是 PLC 的核心，1/0 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 1/0 单元、通信单元 等分别做成相应的电路板或模块，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，其它称为扩展底板。 CPU 底板与扩

12、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。 1.5 PLC 的应用领域的应用领域 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，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

13、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

14、、 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、食品工业中的一些大型控制系统。 (5)通信及联网 PLC通信包括PLC间的通信及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 第第 2 章章 运料小车的发展概况运料小车的发展概况 由于 PLC 的不

15、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 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

16、 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。 第第 3 章章 控制系统设计控制系统设计 3.1 运料小车的运动分析运料小车的运动分析 某自动生产线上运料小车的运动如图所示，运料小车由一台三相异步电动机 拖动电动机正转，小车右行，电机反转，小车左行。在

17、生产线上有 5 个编码为 15 的站点供小车停靠，在每一个停靠站安装一个行程开关以监测小车是否到 达该站点。对小车的控制除了启动按钮和停止按钮之外，还设有 5 个呼叫开关 （HJ1HJ5）分别与 5 个停靠点相对应。 图 3-1 运料小车示意图 3.2 设备控制要求设备控制要求 运料小车在自动化生产线上的控制要求如下； （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）当小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮 HJ 的编码时，小车向右运 行，运行到呼叫按钮 HJ 所对应的停靠站时停止； （3）当小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮 HJ 的编码时，小车向左运 行，运行到呼叫按

18、钮 HJ 所对应的停靠站时停止； （4）当小车当前所处停靠站的编码等于呼叫按钮 HJ 的编码时，小车保持不 动； （5）呼叫按钮开关 HJIHJ5 应具有互锁功能，先按下者优先。 3.3 整体方案论证整体方案论证 按照设计要求，只是控制小车正转和反正，所以采用经验设计法。控制系 统图如图 3-2 所示： 图 3-2 运料小车控制系统图 根据系统控制要求，分析出如下系统控制流程图： 图 3-3 控制系统流程图 3.4 系统资源分配系统资源分配 3.4.1 I O 地址分配 由于 CPU 模块有 14 点数字量输入，10 点数字量输出，所以不再需要输入 输出模块。采用 IO 自动分配方式，模块上的

19、输入端子对应的输入地址是 I0.0I1.3，输出端子对应的输出地址是 Q0.0Q0.9 3.4.2 数字量输入部分 这个控制系统的输入有启动按钮开关、停止按钮开关、5 个呼叫按钮开关、 5 个行程开关共 12 点输入。具体的输入分配如表 3-4 所示： 输入地址输入地址对应的外部设备对应的外部设备 I0.0启动按钮开关 I0.1停止按钮开关 I0.21 号站呼叫按钮开关 I0.32 号站呼叫按钮开关 I0.43 号站呼叫按钮开关 I0.54 号站呼叫按钮开关 I0.65 号站呼叫按钮开关 I0.71 号站行程开关 I1.02 号站行程开关 I1.13 号站行程开关 I1.24 号站行程开关 I

20、1.35 号站行程开关 表 3-4 输入地址分配 3.4.3 数字量输出部分 这个控制系统需要控制的外部设备只有控制小车运动的三相电动机。但是 电机有正转和反转两种状态，分别对应正转继电器和反转继电器，所以输出点 有 2 个。具体的输出分配表如表 3-5 所示： 输出地址输出地址对应外部设备对应外部设备 Q0.0电机反转继电器 Q0.1电机正转继电器 表 3-5 输出地址分配 3.5 系统硬件设计系统硬件设计 系统硬件接线图如图 3-6、3-7 所示： M KM2 KM1 FR L1L2L3 QF 图3-6 主电路 I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.

21、1I1.2I1.3M SB1 L1 L+M+ N1L KM1 SB7SB2 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SB3 SB4 SB5SB6 KM2HL Q0.0 Q0.2Q0.1 I1.4 FR LN AC220 S7-200 DC12V 图 3-6 系统接线图 图中KM1 和KM2 分别是控制电机正转运行（小车前进）和反转运行（小 车后退）的交流接触器。用KM1 和KM2 的主触点改变进入电动机的三相电源 的相序, 即可以改变电动机的旋转方向。图中KM1 的线圈串联了KM2 的辅助 常闭触点,KM2 的线圈串联了KM1的辅助常闭触点,组成了硬件互锁电路。可以 避免由于正反转（小车前进、

22、后退）切换过程中电感的延时作用,导致原来接通 的接触器的主触点还未断弧时, 另一个接触器的主触点已经合上而造成交流电 源瞬间短路的故障。通过主电路与PLC 的控制电路的接线, 才能实现PLC 对系 统的控制。 3.6 程序控制梯形图与指令表程序控制梯形图与指令表 3.6.1 梯形图 写出送料小车的梯形图，如下图所示： 3.6.2 指令表指令表 由系统总梯形图，我们写出送料小车的程序指令，如下图所示： 第第 4 章章 上机调试程序上机调试程序 4.1 呼叫按钮呼叫按钮 在该程序中，5个站的呼叫按钮分别用数字1-5来表示。当按下1号站呼叫按 钮开关时，行程开关I0.2得电，数字1传送到VB0；当按

23、下2号站呼叫按钮开关时， 行程开关I0.3得电，数字2传送到VB0；依次类推，当按下5号站呼叫按钮开关时， 行程开关I0.6得电，数字5传送到VB0。 4.2 行程开关行程开关 在该程序中，5个站的行程开关分别用数字1-5来表示。当小车在1号站时， 行程开关I0.7得电，将数字1传送到VB0；当小车在2号站时，行程开关I1.0得电， 将数字2传送到VB0。依次类推，当小车在5号站时，行程开关I1.3得电，将数字 5传送到VB1。 4.3 比较比较 按下启动按钮和呼叫按钮后，开始对行程开关VB0和呼叫按钮VB1中的数 据进行比较。当VB1VB0时，即小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮的编 码时

24、，小车向左运行；当VB1=VB0时，即小车当前所处停靠站的编码等于呼叫 按钮的编码时，小车不动；当VB1VB0时，即小车当前所处停靠站的编码小于 呼叫按钮的编码时,小车向右运行。 4.4 向左运动向左运动 小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮的编码时，小车向左运行，运行 到呼叫按钮所对应的停靠站时停止。 4.5 向右运动向右运动 小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮的编码时，小车向右运行，运行 呼叫按钮所对应的停靠站时停止。 4.6 调试操作调试操作 先按接线图接好线，打开电脑中的“PLC 在运料小车控制系统中应用”的程 序，在下载到 S7-200 中。开始调试： 按下启动按钮 I0.0，假定

25、小车初始位置在 1 号位置，按下行程开关 I0.7。 现在开始呼叫： 1 号位置呼叫，按下 I0.2，Q0.0 和 Q0.1 都不亮，说明电机不转小车停止， 拨回 I0.2； 2 号位置呼叫，按下 I0.3，Q0.1 亮，说明电机正转小车右行，拨回 I0.3； 3 号位置呼叫，按下 I0.4，Q0.1 亮，说明电机正转小车右行，拨回 I0.4； 4 号位置呼叫，按下 I0.5，Q0.1 亮，说明电机正转小车右行，拨回 I0.5； 5 号位置呼叫，按下 I0.6，Q0.1 亮，说明电机正转小车右行，拨回 I0.6； 拨回 I0.7。 假定小车初始位置在 2 号位置，按下行程开关 I1.0。现在开

26、始呼叫： 1 号位置呼叫，按下 I0.2，Q0.0 亮，说明电机反转小车左行，拨回 I0.2； 2 号位置呼叫，按下 I0.3，Q0.0 和 Q0.1 都不亮，说明电机不转小车停止， 拨回 I0.3； 3 号位置呼叫，按下 I0.4，Q0.1 亮，说明电机正转小车右行，拨回 I0.4； 4 号位置呼叫，按下 I0.5，Q0.1 亮，说明电机正转小车右行，拨回 I0.5； 5 号位置呼叫，按下 I0.6，Q0.1 亮，说明电机正转小车右行，拨回 I0.6； 拨回 I1.0。 假定小车初始位置在 3 号位置，按下行程开关 I1.1。现在开始呼叫： 1 号位置呼叫，按下 I0.2，Q0.0 亮，说明

27、电机反转小车左行，拨回 I0.2； 2 号位置呼叫，按下 I0.3，Q0.0 亮，说明电机反转小车左行，拨回 I0.3； 3 号位置呼叫，按下 I0.4，Q0.0 和 Q0.1 都不亮，说明电机不转小车停止， 拨回 I0.4； 4 号位置呼叫，按下 I0.5，Q0.1 亮，说明电机正转小车右行，拨回 I0.5； 5 号位置呼叫，按下 I0.6，Q0.1 亮，说明电机正转小车右行，拨回 I0.6； 拨回 I1.1。 假定小车初始位置在 4 号位置，按下行程开关 I1.2。现在开始呼叫： 1 号位置呼叫，按下 I0.2，Q0.0 亮，说明电机反转小车左行，拨回 I0.2； 2 号位置呼叫，按下 I

28、0.3，Q0.0 亮，说明电机反转小车左行，拨回 I0.3； 3 号位置呼叫，按下 I0.4，Q0.0 亮，说明电机反转小车左行，拨回 I0.4； 4 号位置呼叫，按下 I0.5，Q0.0 和 Q0.1 都不亮，说明电机不转小车停止， 拨回 I0.5； 5 号位置呼叫，按下 I0.6，Q0.1 亮，说明电机正转小车右行，拨回 I0.6； 拨回 I1.2。 假定小车初始位置在 5 号位置，按下行程开关 I1.3。现在开始呼叫： 1 号位置呼叫，按下 I0.2，Q0.0 亮，说明电机反转小车左行，拨回 I0.2； 2 号位置呼叫，按下 I0.3，Q0.0 亮，说明电机反转小车左行，拨回 I0.3； 3 号位置呼叫，按下 I0.4，Q0.0 亮，说明电机反转小车左行，拨回 I0.4； 4 号位置呼叫，按下 I0.5，Q0.0 亮，说明电机反转小车左行，拨回 I0.5； 5 号位置呼叫，按下 I0.6，Q0.0 和 Q0.1 都不亮，说明电机不转小车停止， 拨回 I0.6； 拨回 I1.2。 按下停止按钮 I0.1，拨回 I0.1，I0.0，调试结束。 备注:由于实