基于PLC控制的運料小車設(shè)計

常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 作 者： 學(xué) 號： 系 部： 專 業(yè)： 題 目： 基于 PLC 控制的運料小車設(shè)計 指導(dǎo)者： XXX 評閱者： 2012 年 5 月 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 中 文 摘 要 可編程序控制器（Programmable controller）簡稱 PLC，由于 PLC 的可靠 性高、環(huán)境適應(yīng)性強、靈活通用、使用方便、維護簡單，所以 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域在 迅速擴大。對早期的 PLC，凡是有繼電器的地方，都可采用。而對當(dāng)今的 PLC 幾 乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要 PLC。尤其是近幾年來，PLC 的成 本下降，功能又不段增強，所以，目前 PLC 在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。 本設(shè)計是為了實現(xiàn)運料小車的手動和自動化的轉(zhuǎn)化，改變以往小車的單純手 動運料，減少了勞動力，提高了生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)！而且本運料小車 的設(shè)計是由于工作環(huán)境惡劣，不允許人進入工作環(huán)境的情況下孕育而成的。 本文從第一二章運料小車的系統(tǒng)方案的確定為切入點，介紹了為什么選用 PLC 控制小車；第三章介紹了運料小車的應(yīng)達(dá)到的控制要求；第四章根據(jù)控制要 求進行了小車系統(tǒng)的具體設(shè)計，包括端子接線圖、梯形圖(分段設(shè)計說明和系統(tǒng) 總梯形圖)和程序指令設(shè)計；最后得出結(jié)論。 關(guān)鍵詞： PLC，運料小車，控制，程序設(shè)計 目錄 引 言 .1 第 1 章 可編程控制器（PLC）概況 .2 1.1 PLC 的定義 .2 1.2 PLC 的發(fā)展 .2 1.3 PLC 的特點 .3 1.4 PLC 的基本組成及各部分作用 .3 1.5 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 .6 第 2 章 控制系統(tǒng)介紹和控制過程要求 .8 2.1 控制系統(tǒng)的作用與地位 .8 2.2 控制系統(tǒng)介紹 .8 第 3 章 運料小車系統(tǒng)方案的選擇 .10 3.1 可編程控制器 PLC 的優(yōu)點 .10 3.2 小車運料系統(tǒng)方案的選擇 .11 第 4 章 硬件介紹 .12 第 5 章 基于 PLC 的運料小車接線圖及梯形圖 .14 5.1 運料小車 PLC 的 I/O 分配表 .14 5.2 PLC 端子接線圖 .14 5.3 梯形圖分段設(shè)計 .16 5.4 程序運行原理說明調(diào)試與完善 .20 5.5 系統(tǒng)總梯形圖設(shè)計 .21 結(jié)論 .26 致謝 .27 參考文獻 .28 引 言 隨著社會迅速的發(fā)展，各機械產(chǎn)品層出不窮?？刂葡到y(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)很成熟， 應(yīng)用范圍涉及各個領(lǐng)域，例如：機械、汽車制造、化工、交通、軍事、民用等。 PLC 專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計，其顯著的特點之一就是可靠性高，抗干擾能力 強。PLC 的應(yīng)用不但大大地提高了電氣控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，而且 大大地簡化和減少了維修維護的工作量。PLC 以其可靠性高、抗干擾能力強、 編程簡單、使用方便、控制程序可變、體積小、質(zhì)量輕、功能強和價格低廉等 特點 ，在機械制造、冶金等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 運料小車控制系統(tǒng)采用了 PLC 控制。從運料小車的工藝流程來看，其控制 系統(tǒng)屬于自動控制與手動控制相結(jié)合的系統(tǒng)，因此，此運料小車電氣控制系統(tǒng) 設(shè)計具有手動和自動兩種工作方式。我在程序設(shè)計上采用了模塊化的設(shè)計方法， 這樣就省去了工作方式程序之間復(fù)雜的聯(lián)鎖關(guān)系，從而在設(shè)計和修改任何一種 工作方式的程序時，不會對其它工作方式的程序造成影響，使得程序的設(shè)計、 修改和故障查找工作大為簡化。 在設(shè)計該 PLC 運料小車設(shè)計程序的同時總結(jié)了以往 PLC 運料小車設(shè)計程序 的一般方法、步驟，并且把以前學(xué)過的基礎(chǔ)課程融匯到本次設(shè)計當(dāng)中來，更加 深入的了解了更多的 PLC 知識。 第 1章 可編程控制器（PLC）概況 1.1 PLC的定義 國際電工委員會(International Electrical Committee- IEC),1987年的 第三版對PLC作了如下的定義: PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù) 字運算操作的電子裝置。它采用可以編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行 邏輯運算、順序運算、計時、計算和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式 或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 可編程控制器實際上是一種工業(yè)控制計算機，它的硬件結(jié)構(gòu)與一般微機控 制系統(tǒng)相似，甚至與之無異?？删幊绦蚩刂破髦饕蒀PU(中央處理單元)存儲器 (RAM和EPROM),輸入/輸出模塊(簡稱為I/O模塊)、編程器和電源五大部分組成。 近年來發(fā)展極為迅速、應(yīng)用面極廣的工業(yè)控制裝置。它按照成熟而有效的繼電 器控制概念和設(shè)計思想，利用不斷發(fā)展的新技術(shù)、新電子器件，逐步形成了具 有特色的各種系列產(chǎn)品。 1.2 PLC的發(fā)展 1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，并公開 招標(biāo)提出十項標(biāo)準(zhǔn): (1)編程方便，現(xiàn)場可修改程序； (2)維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)； (3)可靠性高于繼電器控制裝置； (4)體積小于繼電器控制裝置； (5)數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機； (6)成本可與繼電器控制裝置競爭； (7)輸入可以是交流115V； (8)輸出為交流115V, 2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥，接觸器等； (9)在擴展時，原系統(tǒng)只要很小變更； (10)用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。 1969年，美國數(shù)字公司(DEC)研制出了第一臺可編程序控制器，滿足了GM公 司裝配線的要求。這種新型的工業(yè)控制裝置簡單易懂、操作方便、可靠性高、 通用靈活、體積小、使用壽命長，很快在美國其它工業(yè)領(lǐng)域推廣使用。隨著集 成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有了第五代PLC產(chǎn)品。 1.3 PLC的特點 PLC之所以越來越受到控制界人士的重視，是和它的優(yōu)點分不開的: 1)功能齊全，它的適用性極強，幾乎所有的控制要求，它均能滿足； 2)應(yīng)用靈活， 其標(biāo)準(zhǔn)的積木式硬件結(jié)構(gòu)，以及模塊化的軟件設(shè)計，使得它 不僅可以適應(yīng)大小不同、功能繁復(fù)的控制要求，而且可以適應(yīng)各種工藝流程變 更較多的場合； 3)操作方便，維修容易，穩(wěn)定可靠。盡管PLC有各種型號，但都可以適應(yīng)惡 劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，耐熱、防潮、抗震等性能也很好，一般平均無故障率可達(dá) 幾萬小時。 1.4 PLC的基本組成及各部分作用 PLC 是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)基本相同。按 結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 可分為整體式和組合式兩類。 整體式 PLC 是將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、 通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機。另外還有獨立的 1/0 擴展單元與主機配合 使用。主機中，CPU 是 PLC 的核心，1/0 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口 電路，通信接口用于 PLC 與編程器和上位機等外部設(shè)備的連接。 組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 1/0 單元、通信單元 等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的 總線相互聯(lián)系。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴展底板。CPU 底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 10m.無論哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可以根據(jù)需要進行配置與組合。 1.中央處理單元(CPU)： CPU 在 PLC 中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是 PLC 的運算、控制中心。 它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務(wù): (1)接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)； (2)診斷電源、PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤; (3)用掃描的方式接收輸入信號，送入 PLC 的數(shù)據(jù)寄存器保存起來; (4)PLC 進入運行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解 釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作; (5)將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。 現(xiàn)代 PLC 使用的 CPU 主要有以下幾種: (1)通用微處理器，如 8080, 8088, Z80A, 8085 等。通用微處理器的價格 便宜，通用性強，還可以借用微機成熟的實時操作系統(tǒng)、豐富的軟硬件資源。 (2)單片機，如 8051 等。單片機由于集成度高、體積小、價格低和可擴充 性好，很適合在小型 PLC 上使用，也廣泛地用于 PLC 的智能 UO 模塊。 (3)位片式微處理器，如 AMD2900 系列等。位片式微處理器是獨立于微型機 的另一分支。它主要追求運算速度快，它以 4 位為一片。用幾個位片級聯(lián)，可 以組成任意字長的微處理器。改變微程序存儲器的內(nèi)容，可以改變計算機的指 令系統(tǒng)。位片式結(jié)構(gòu)可以使用多個微處理器，將控制任務(wù)劃分為若干個可以并 行處理的部分，幾個微處理器同時進行處理。這種高運算速度與可以適應(yīng)用戶 需要的指令系統(tǒng)相結(jié)合，很適合于以順序掃描方式工作的 PLC 使用。 2.存儲器 根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下 3 種: (1)系統(tǒng)程序存儲器:和各種計算機一樣，PLC 也有其固定的監(jiān)控程序、解 釋程序，它們決定了 PLC 的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存 放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存 儲器 ROM 或 EPROM (2)用戶程序存儲器:用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程 序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試， 故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的 RAM。由于 RAM 掉電會丟失數(shù)據(jù)，因此使 用 RAM 作用戶程序存儲器的 PLC，都有后備電池(鏗電池)保護 RAM，以免電源掉 電時，丟失用戶程序。當(dāng)用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將 用戶程序?qū)懭?EPROM.目前較先進的 PLC(如歐姆龍公司的 CPMIA 型 PLC)采用快 閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨時讀寫，掉電時數(shù)據(jù)不會丟失， 不需用后備電池保護。 (3)工作數(shù)據(jù)存儲器:工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分 數(shù)據(jù)存儲在 RAM 中，以適應(yīng)隨機存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟 有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映象寄存器用來存儲 PLC 的開關(guān)量輸入/輸出 和定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的 ON/OFF 狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放 各種數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)格式是每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)行時的某 些可變參數(shù)值，如定時器和計數(shù)器的當(dāng)前值和設(shè)定值。它還用來存放 A/0 轉(zhuǎn)換 得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在停電時用后備電池維 持其當(dāng)前值，在停電時可保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。 3. I/0 單元 I/0 單元也稱為 I/0 模塊。PLC 通過 I/0 單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。 輸入單元接收用戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、 行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處 理器能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時 CPU 從輸入映像 寄存器讀取輸入信息并進行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像 寄存器由輸出點對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成 現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行元 件. 4.電源部分 PLC 一般使用 220V 的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為 PLC 的中央處理器、存 儲器等電路提供 5V, +12V, +24V 的直流電源，使 PLC 能正常工作。 電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的 CPU，通常電源封裝到 機殼內(nèi)部;對于模塊式 PLC，有的采用單獨電源模塊，有的將電源與 CPU 封裝到 一個模塊中。 5.擴展接口 擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更 加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 6通信接口 為了實現(xiàn)“人一機”或“機一機”之間的對話，PLC 配有多種通信接口。 PLC 通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機和其他的 PLC 或計算機相連。當(dāng) PLC 與打印機相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印;當(dāng)與監(jiān)視器相連時.可 將過程圖像顯示出來;當(dāng)與其他 PLC 相連時，可以組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實 現(xiàn)更大規(guī)模的控制;當(dāng)與計算機相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管 理相結(jié)合的綜合性控制。 7.編程器 編程器的作用是提供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。 編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需 要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二 級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機編 程，也可以脫機編程，具有 LCD 或 CRL 圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和 通過屏幕對話。還可以利用 PC 作為編程器，PLC 生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的編程軟件， 使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序 功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到 PLC，也可 以將 PLC 中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實 現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送?，F(xiàn)在很多 PLC 已不再提供編程器，而是提供微機編程軟件 了，并且配有相應(yīng)的通信連接電纜。 1.5 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系 統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時日常維護也變得容易起來，更重要的是使 同一設(shè)備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量 的生產(chǎn)場合。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、 機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主 要分為如下幾類: (1)開關(guān)量邏輯控制 取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于控制單 臺設(shè)備，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、 組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 (2)工業(yè)過程控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù) 變化的量(即模擬量)，PLC采用相應(yīng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法 程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的 一種調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛 的應(yīng)用。 (3)運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊， 如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、 機床、機器人、電梯等場合。 (4)數(shù)據(jù)處理 PLC具有數(shù)學(xué)運算(含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處 理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 (5)通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信包括PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠自動化 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 但是，可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其 硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。 第 2章 控制系統(tǒng)介紹和控制過程要求 2.1 控制系統(tǒng)的作用與地位 在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，減輕工人的勞動 負(fù)擔(dān)，要求整個工藝生產(chǎn)過程全盤自動化，這就離不開控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)是整個生產(chǎn)線的靈魂，對整個生產(chǎn)線起著指揮的作用。一旦控制 系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕者影響生產(chǎn)線的繼續(xù)進行，重者甚至發(fā)生人身安全事故，這 樣將給企業(yè)造成重大損失。 運料小車是基于 PLC 控制系統(tǒng)來設(shè)計的，控制系統(tǒng)的每一步動作都直接作 用于運料小車的運行，因此，運料小車性能的好壞與控制系統(tǒng)性能的好壞有著 直接的關(guān)系。運料小車能否正常運行、工作效率的高低都與控制系統(tǒng)密不可分。 2.2 控制系統(tǒng)介紹 圖 2-1 運料小車控制圖 本控制系統(tǒng)主要是用于控制運料小車的自動運料。它既能減輕人的勞動強 推 車 機 兩油缸推動 度又能自動準(zhǔn)確到達(dá)人不能達(dá)到或很難到達(dá)的預(yù)定位置。(如圖 2-1 運料小車控 制圖） ，推車機可以沿軌道上下移動，到達(dá)預(yù)定位置。推車機上是一個小型泵站， 通過控制電磁閥換向，使兩油缸伸出、縮回，頂出運料小車，再由各個倉位控 制要料。 用 PLC 對運料小車實現(xiàn)控制，其具體要求如下： (1) 運料小車 1 動作要求：運料小車負(fù)責(zé)向四個料倉運料，運料路上從左 向右共有 4 個料倉（位置開關(guān) SQ1，SQ2，SQ3，SQ4）分別受 PLC 的 I0.0，I0.1，I0.2，I0.3 檢測，當(dāng)信號狀態(tài)為 1 是，說明運料小車到達(dá)該位置。 小車行走受兩個信號的驅(qū)動，Q0.4 驅(qū)動小車左行，Q0.5 驅(qū)動小車右行。料倉要 料由 4 個手動按鈕（SB1，SB2，SB3，SB4）發(fā)出(對應(yīng)于 PLC 為 I0.4，I0.5，I0.6，I0.7)按鈕發(fā)出信號其相應(yīng)指示燈就亮（HL1-HL4） ，指示燈 受 PLC 的 Q0.0-Q0.3 控制。 運料小車 2 動作要求：運料小車負(fù)責(zé)向四個料倉運料，運料路上從左向右 共有 4 個料倉（位置開關(guān) SQ11，SQ12，SQ13，SQ14）分別受 PLC 的 I1.0，I1.1，I1.2，I1.3 檢測，當(dāng)信號狀態(tài)為 1 是，說明運料小車到達(dá)該位置。 小車行走受兩個信號的驅(qū)動，Q1.5 驅(qū)動小車左行，Q1.4 驅(qū)動小車右行。料倉要 料由 4 個手動按鈕（SB11，SB12，SB13，SB14）發(fā)出(對應(yīng)于 PLC 為 I1.4，I1.5，I1.6，I1.7)按鈕發(fā)出信號其相應(yīng)指示燈就亮（HL11-HL14） ，指示 燈受 PLC 的 Q1.0-Q1.3 控制。 (2)運料小車行走條件： 運料小車右行條件：小車在 1，2，3 號倉位，4 號倉要料；小車在 1，2 號 倉位，3 號倉要料；小車在 1 號倉位，2 號倉要料。 運料小車左行條件：小車在 4，3，2，0 號倉位，1 號倉要料；小車在 4，3，0 號倉位，2 號倉要料；小車在 4，0 號倉位，3 號倉要料；小車在 0 位， 4 號倉位要料。 運料小車停止條件：要料倉位與小車的車位相同時，應(yīng)該是小車的停止條 件。 運料小車的互鎖條件：小車右行時不允許左行啟動，同樣小車左行時也不 允許右行啟動。 第 3章 運料小車系統(tǒng)方案的選擇 3.1 可編程控制器 PLC 的優(yōu)點 可編程控制器 PLC 對用戶來說，是一種無觸點設(shè)備，改變程序即可改變生 產(chǎn)工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的 推廣應(yīng)用?？删幊炭刂破魇敲嫦蛴脩舻膶Ｓ霉I(yè)控制計算機，具有許多明顯的 特點。 1.可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路 技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很 高的可靠性。例如西門子公司生產(chǎn)的 S7 系列 PLC 平均無故障時間高達(dá) 30 萬小 時。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。從 PLC 的機外電 路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電器系統(tǒng)相比，電氣接線及 開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 帶有 硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng) 用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè) 備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 2.配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂?于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善 的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)， 使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信 能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易， 編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電 器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼 電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計 算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4.系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制 系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同 一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn) 場合。 5.體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100 mm，重量小于 150 g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小，很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想 控制設(shè)備。 3.2 小車運料系統(tǒng)方案的選擇 實現(xiàn)小車運料系統(tǒng)控制有很多方法來實現(xiàn)，可以用單片機、可編程控制器 PLC 等元器件來實現(xiàn)。 但在單片機控制系統(tǒng)電路中需要加入 A/D，D/A 轉(zhuǎn)換器，線路復(fù)雜，還要分 配大量的中斷口地址。而且單片機控制電路易受外界環(huán)境的干擾，也具有不穩(wěn) 定性。另外控制程序需要具有一定編程能力的人才能編譯出，在維修時也需要 高技術(shù)的人員才能修復(fù)，所以在此也不易用單片機來實現(xiàn)。 而從上述第一節(jié)對 PLC 的特點了解可知，PLC 具有很多優(yōu)點，因此我們歸納 出：可編程控制器 PLC 具有很高的可靠性，通常的平均無故障時間都在 30 萬小 時以上；安裝，操作和維護也較容易；編程簡單，PLC 的基本指令不多，編程 器使用比較方便，程序設(shè)計和產(chǎn)品調(diào)試周期短，具有很好的經(jīng)濟效益。此外 PLC 內(nèi)部定時、計數(shù)資源豐富，可以方便地實現(xiàn)對運料小車的控制。 因此，最終我選擇了用可編程控制器 PLC 來實現(xiàn)運料小車系統(tǒng)的控制，完 成本次的設(shè)計題目。 第 4章 硬件介紹 圖 4-1 為運料小車的模擬圖 圖 4-1 運料小車的模擬圖 運料小車是工業(yè)運料的主要設(shè)備之一。廣泛應(yīng)用于自動生產(chǎn)線 冶金、有色 盒屬、煤礦、港口、碼頭等行業(yè)，各工序之間的物品常用有軌小車來轉(zhuǎn)運。小 車通常采用電動機驅(qū)動，電動機正轉(zhuǎn)小車前進，電動機反轉(zhuǎn)小車后退。 本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工作原理圖如圖 4-1，包括帶導(dǎo)軌的運行工作臺，DC24V 電機， 行程開關(guān)，起停按鈕，Twido 可編程控制器，DC24V 繼電器，DC12V 直流電源等。 圖 4-1 是一個運料小車工作示意圖，每個工作臺設(shè)有一個到位開關(guān)(SQ)和一個 呼 叫按鈕(SB)。系統(tǒng)的設(shè)計要求為： （1）按下啟動按鈕,系統(tǒng)開始工作，按下停止按鈕，系統(tǒng)停止工作； （2）當(dāng)小車當(dāng)前所處?？空镜木幋a小于呼叫按鈕的編碼時，小車向右運行， 運行到呼叫按鈕所對應(yīng)的?？空緯r停止； （3）當(dāng)小車當(dāng)前所處?？空镜木幋a大于呼叫按鈕的編碼時，小車向左行， 運行到呼叫按鈕 HJ 所對應(yīng)的?？空緯r停止； （4）當(dāng)小車當(dāng)前所處?？空镜木幋a等于呼叫按鈕的編碼時，小車保持不動； （5）呼叫按鈕開關(guān)應(yīng)具有互鎖功能，先按下者優(yōu)先。 圖 4-2 為 PLC 輸出的電壓轉(zhuǎn)換電路 圖4-2中采用2個DC24V繼電器和1個12V直流電源來實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)， 2個繼電器線圈直接接到可編程控制器的輸出端。當(dāng)繼電器線圈1得電時繼電 器1的觸點由k1轉(zhuǎn)換到k2，而繼電器線圈2的觸點狀態(tài)不變，電流流向如I1所示， 驅(qū)使DCI2V電機按一定方向運轉(zhuǎn)：當(dāng)繼電器線圈2得電時，繼電器線圈I觸點狀態(tài) 不變，而繼電器線圈2的觸點由k3轉(zhuǎn)換到k4，電流流向如I2所示驅(qū)使DC12V電 機按相反的方向運轉(zhuǎn)。 圖 4-2 PLC 輸出的電壓轉(zhuǎn)換電路 第 5章 基于 PLC的運料小車接線圖及梯形圖 5.1 運料小車 PLC的 I/O 分配表 根據(jù)控制要求，PLC 控制運料小車的輸入輸出(I0)地址編排如下表所示， 其中 SB5 為啟動開關(guān)，為 SB6 停止開關(guān)，SA6、SA7 為手動連續(xù)選擇開關(guān)， SA1、SA2 為上下、左右轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA3、SA4、SA5 為油缸單動聯(lián)動轉(zhuǎn)換開關(guān)。 Q0.0-Q0.3 和 Q1.0-Q1.3 控制 8 個要料指示燈，Q0.4-Q0.5 和 Q1.4-Q1.5 控制小 車 1、2 左行右行，Q0.6-Q0.7 和 Q1.6-Q1.7。如表 5-1 所示： 輸入點分配 輸出點分配 輸入接點 輸入開關(guān)名稱 輸出接口 驅(qū)動設(shè)備 I0.0-I0.3 小車 1 行程開關(guān)(SQ1-SQ4) Q0.0-Q0.3 小車 1 要料指示燈(HL1-HL4) I0.4-I0.7 小車 1 控制按鈕(SB1-SB4) Q0.4-Q0.5 小車 1 左右行線圈 I1.0-I1.3 小車 2 行程開關(guān)(SQ11-SQ14) Q0.6-Q0.7 油缸 1 伸出縮回線圈 I1.4-1.7 小車 2 控制按鈕(SB11-SB14) Q1.0-Q1.0 小車 2 要料指示燈(HL11-HL14) I2.0-I2.5 推車機行程開關(guān) (SQ5-SQ10) Q1.4-Q1.5 小車 2 左右行線圈 I2.6-I2.7 起動，停止按鈕 (SB5，SB6) Q1.6-Q1.7 油缸 2 伸出縮回線圈 5-1 I/O 分配表 5.2 PLC端子接線圖 PLC 型號的選擇：由于該系統(tǒng)是在原來 CPU226 的基礎(chǔ)上改進的設(shè)備，而現(xiàn) 在共用了 31 個輸入，用直流 24V；18 個輸出，用交流電 220V，所以我選擇用 S7-200 系列 CPU226，加一個 EM223 的擴展模塊。CPU226 的主要的技術(shù)參數(shù)： 輸入 24VDC，24 點；輸出 220VAC，16 點；電源電壓為 AC100240V 50/60Hz。 EM223 的主要技術(shù)參數(shù)：輸入 24VDC，8 點；輸出 220VAC，8 點；電源電壓 為 AC100240V 50/60Hz。如圖 5-2 所示： I3.0-I3.1 手動，連續(xù)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SA6，SA7) Q2.0-Q2.1 推車機上下行線圈 I3.2-I3.3 推車機上下，左右轉(zhuǎn)換開關(guān) (SA1，SA2) I3.4-I3.6 油缸單動聯(lián)動轉(zhuǎn)換開關(guān)(SA3-SA5) 圖 5-2 端子接線圖 5.3 梯形圖分段設(shè)計 本次設(shè)計的自動運料小車梯形圖，是分開來畫的。由總程序結(jié)構(gòu)圖、自動 操作程序圖、手動操作程序圖、小車 1 左右自動運料運行程序圖、小車 2 左右 自動運料運行程序圖組成。 圖 5-3 總系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 （1）程序的總結(jié)構(gòu)圖如圖 5-3 所示：因為在手動操作方式下，各種動作都 是用按鈕控制來實現(xiàn)的，其程序可獨立于自動操作程序而另行設(shè)計。因此，總 程序可分為兩段獨立的部分：手動操作程序和自動操作程序。當(dāng)選擇手動操作 ( )M10 ( )M9 ( )M10 ( )M9 時，則輸入點 I3.0 接通，其常閉觸點斷開，執(zhí)行手動程序，并由于 I3.1 的常 閉觸點為閉合，則跳過自動程序。若選擇自動操作方式，將跳過手動程序段而 執(zhí)行自動程序。 （2）自動程序設(shè)計，自動操作控制主要是由行程開關(guān)來控制推車機的上行、 下行，兩缸的伸出、縮回。通過行程開關(guān)的上限、下限、左限、右限準(zhǔn)確的控 制推車機到達(dá)預(yù)定位置。自動程序時，手動自動轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到連續(xù)檔 SA7，按 下啟動按鈕 SB6，推車機上行，碰到上位行車開關(guān) SQ6，上行停止；同時兩個油 缸動作，推動兩小車向左移動，小車 1、2 碰到左位行程開關(guān) SQ10、SQ5，說明 兩小車到位，這時各個倉位可向小車要料；而且兩油缸縮回，碰到行程右位開 關(guān) SQ8、SQ9 停止收縮，推車機下行到行程開關(guān)位 SQ7 時停止。如圖 5-4 所示： 圖 5-4 自動操作程序圖 （3）手動操作程序的設(shè)計，手動操作控制簡單，可按照一般繼電器控制系 統(tǒng)的邏輯設(shè)計法來設(shè)計。手動程序時，手動自動轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到手動檔 SA6，上 下、左右轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到上/下行檔時，按啟動按鈕 SB5 推車機上行，按停止按鈕 SB6 推車機下行；上下、左右轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到左/右檔時，撥動單動聯(lián)動轉(zhuǎn)換開關(guān) SA3（缸 1 動作） ，按啟動按鈕 SB5，缸 1 伸出推動小車 1 左行；按停止按鈕 SB6，缸 1 縮回；撥動轉(zhuǎn)換開關(guān)到 SA5（缸 2 動作） ，按啟動按鈕 SB5，缸 2 伸出 推動小車 2 左行，按停止按鈕 SB6，缸 2 縮回；撥動單動聯(lián)動轉(zhuǎn)換開關(guān)到 SA4（兩缸同時動作）按啟動按鈕 SB5，兩缸伸出推動兩小車左行；按停止按鈕 SB6，兩缸縮回。如圖 5-5 所示： 圖 5-5 手動操作程序圖 （4）小車 1 自動運料運行程序，把小車 1 送到指定位置后，四個倉位就可 以向小車要料了，M0.0-M0.3 分別代表小車 1 的 1 號料倉到 4 號料倉的要料狀 態(tài)，運料小車 1 當(dāng)前所處位置由 I0.0-I0.3，運料小車 1 的右行，左行，停止 控制由 Q0.4、Q0.5。小車到位后，用上微分操作（P）來清除料倉要料狀態(tài)信 號及控制小車停車。 （上微分操作的注意事項，上微分脈沖只存在在一個掃描周 期，接受這一脈沖控制的元件應(yīng)寫在這一脈沖出現(xiàn)的語句之后） 。小車 1 自動運 料圖如下圖 5-6 所示： 圖 5-6 小車 1 左右自動運料運行程序圖 （5）小車 2 自動運料運行程序，把小車 2 送到指定位置后，四個倉位就可 以向小車要料了，M1.0-M1.3 分別代表小車 2 的 1 號料倉到 4 號料倉的要料狀 態(tài)。運料小車 2 當(dāng)前所處位置由 I1.0-I1.3，運料小車 2 的右行，左行，停止 控制由 Q1.4、Q1.5。小車到位后，用上微分操作（P）來清除料倉要料狀態(tài)信 號及控制小車停車。 小車 2 自動運料圖 5-7 所示： 圖 5-7 小車 2 左右自動運料運行程序圖 5.4 程序運行原理說明調(diào)試與完善 本程序是用梯形圖所寫的。在運行前，先選擇工作方式，手動/自動。選擇 手動 SA6 時，把上/下、左/右轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)到上/下檔 SA1，按下 SB5 起動點動 按鈕，推車機上行，按下 SB6 停止點動按鈕，推車機下行；把上/下、左/右轉(zhuǎn) 換開關(guān)旋轉(zhuǎn)到左/右檔 SA2，再選擇小車的單動、聯(lián)動控制，小車 1 單動時把單 動/聯(lián)動轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)到單動檔 SA3，兩小車聯(lián)動時旋轉(zhuǎn)到聯(lián)動檔 SA4，小車 2 單動時旋轉(zhuǎn)到單動檔 SA5，這時按下起動按鈕 SB5，油缸推動小車左行，按下停 止按鈕 SB6，油缸縮回。選擇自動 SA7 時，按下起動按鈕 SB5，推車機開始上行， 碰到上限行程開關(guān) SQ6 時停車，兩缸自動推出小車，小車碰到左限行程開關(guān) SQ5、SQ10 時，說明小車到位，各個倉位可以向小車要料，這時兩缸自動縮回， 碰到右限行程開關(guān) SQ8、SQ9 時，推車機自動下行，下行到位后（碰到 SQ7）停 車。只有再次按下起動按鈕 SB5，才能再次運行。 手動程序中設(shè)置了聯(lián)鎖和保護電路。如推車機的上行、下行常閉觸點的聯(lián) 鎖，推車機上下行行程有行程開關(guān) SQ6、SQ7 控制保護。自動程序是根據(jù)推車機 的位置、油缸的位置來控制電路執(zhí)行下一條指令的。 油缸把小車推到位后，小車處于準(zhǔn)備運料的初始位置，這時 1-4 號倉位都 可以向小車要料。本設(shè)計中要料時刻不同時，先要料者優(yōu)先，但是要料時刻相 同時，卻不知道小車向哪個倉位運料，需要改進。 5.5 系統(tǒng)總梯形圖設(shè)計 由以上，我們畫出運料小車系統(tǒng)的總梯形圖，其中包括推車機的手動控制 程序、自動控制程序、運料小車 1 控制程序、運料小車 2 控制程序。 如下圖 5-8 所示： M9 M9 M10 M10 圖 5-8 運料小車系統(tǒng)總梯形圖 結(jié)論 在做這個設(shè)計中，我學(xué)會了很多以前沒學(xué)過的知識，也鞏固了很多以前沒 學(xué)好的知識，使我的專業(yè)理論知識更加扎實，軟件操作更加熟練了。做完這個 設(shè)計后，我得出幾個結(jié)論如下： 1.送料小車在硬件設(shè)計中，加入了擴展模塊，可以在觸點不夠的情況下方 便地實現(xiàn)該小車的系統(tǒng)控制；然后軟件設(shè)計中，運用了上微分指令，簡化了程 序，還運用了互鎖和聯(lián)鎖，確保了系統(tǒng)的正常運行，減少了系統(tǒng)的故障點。在 送料小車的系統(tǒng)中加入了手動操作程序，便于設(shè)備的維修，方便操作人員操作。 2.該小車系統(tǒng)在實施的情況下，其成本價格比較高。 3.該小車控制系統(tǒng)的研究方向：由于本小車系統(tǒng)并不完善，只做了送料， 沒有設(shè)計小車怎么裝料和小車到料倉后送料的多少。這兩方面是該系統(tǒng)設(shè)計的 完善，是將來的研究方向。 最后，經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)了我們的設(shè)計能力以及全面的考慮問題能力。 學(xué)習(xí)的過程是痛苦的但是收獲成功的喜悅更是讓人激動的。相信通過這次畢業(yè) 設(shè)計它對我以后的學(xué)習(xí)及工作都會產(chǎn)生積極的影響。 致謝 在本次設(shè)計中，我要真誠的感謝徐老師給予我的指導(dǎo)，在設(shè)計過程中徐老 師嚴(yán)格督促我的畢業(yè)設(shè)計，及時的幫我解決我在設(shè)計中遇到的各種問題和困難， 在設(shè)計中一直對我嚴(yán)格要求，在整個畢業(yè)設(shè)計過程中都給我耐心的指導(dǎo)和講解， 在徐老師的幫助和指導(dǎo)下我順利完成了本次畢業(yè)設(shè)計，也讓我在這次畢業(yè)設(shè)計 中受益匪淺，在此謹(jǐn)向徐老師致以深切的謝意！ 在此還要感謝機電學(xué)院的全體老師，感謝他們對我的培養(yǎng)。 感謝家人的關(guān)心與支持！ 感謝評閱和閱讀本文的老師為此付出的辛勤勞動！ 參考文獻 1 廖常初.PLC 基礎(chǔ)及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2003 2 儲云峰西門子電氣可編程序控制器原理及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版 社，2006 3 常斗南，王健琪，李全力.可編程控制原理.應(yīng)用及通信基礎(chǔ) .北京：機 械工業(yè)出版社，1997 4王本軼機電設(shè)備控制基礎(chǔ).北京：機械工業(yè)出版社，2005 5王永華現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應(yīng)用技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版 社，2003 6陳立定.電器控制于可編程控制器.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001 7張林國，王淑英.可編程控制器技術(shù).北京：高等教育出版社，2002 8周萬珍，高鴻賓.PLC 分析與設(shè)計應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2004