基于PLC的自控成型控制系统设计.docx
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基于PLC的自控成型控制系统设计
课程设计说明书
题目:
基于PLC的自控成型控制系统设计
系别：
机械工程学院
专业班级：
机设10-12班
学号：
**********
学生姓名：
**************
指导教师：
*************
2014年01月12日
安徽理工大学课程设计（论文）任务书
机械工程学院测控教研室
学号
2010302618
学生姓名
李文龙
专业（班级）
机设10-12班
设计题目
基于PLC的自控成型控制系统设计
设
计
技
术
参
数
（1）按下启动键，上面油缸的活塞B向下运动。
（2）当B活塞下降到终点时,A的活塞向右运动，C的活塞向左运行。
（3）当A、C活塞运动到终点后，首先A、C油缸返回然后B油缸返回。
设
计
要
求
（1）按下启动按钮后,B液压缸向下运动。
（2）当B向下运动到终点后，A、C开始运动当运动到终点时原料成型。
（3）A、C液压缸先返回，当A、C返回到初态时，B液压缸开始返回。
（4）B返回到初态时，取出成品，加工下一工件。
工
作
量
课程设计说明书一份，要求附录中包含软件主界面、控制主程序以及硬件接线图。
工
作
计
划
第一周：
查阅相关资料和书籍，了解PLC技术、设计方法及液压缸和电磁阀的知识；掌握自控成型系统的工艺过程和设计要求。
第二周：
进行程序的设计及电磁阀的选用等等。
第三周：
控制程序的模拟运行调试，找出缺点并加以改进。
第四周：
整理设计内容及相关数据，编写课程设计说明书。
参
考
资
料
[1]方程远.电气控制原理与设计.宁夏人民出版社,
[2]秦春斌,张继伟.PLC基础及应用教程.北京:
机械工业出版社,2002.
[3]廖常初.可编程序控制器应用技术（第四版）.重庆大学出版社,2002.
[4]李开慧.电工电子技术基础.人民邮电出版社
[5]张利平主编．液压气压系统设计手册．北京：
机械工业出版社，1997.
[6]许贤良，王传礼.液压传动.北京：
国防工业出版社（第二版），2011.
[7]冯清秀.机电传动控制.武汉：
华中科技大学出版社（第五版），2011.
指导教师签字
教研室主任签字
2014年01月12日
学生姓名：
李文龙学号：
2010302618专业班级：
机设10—12班
课程设计题目：
基于PLC的自控成型控制系统设计
指导教师评语：
成绩：
指导教师：
年月日
安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表
摘要
随着技术的发展，其控制功能不断增强，可编程程序控制器还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并通过数字，模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。
长期以来，PLC及其网络控制系统始终战斗在工业自动化控制行业的主战场，其提供的安全和完善的解决方案，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，在电力、冶金、化工、机械等行业发挥了重大作用，被公认为现代工业自动化三大支柱之一。
在成型机的生产线中应用PLC控制具有结构简单，编程方便，操作灵活，使用安全，工作稳定，性能可靠和抗干扰能力强等特点，是一种很有效的自动控制方式，是材料成型生产实现高效、低成本、高质量自动化生产的发展方向。
不但能使成型的产品的质量和品质得到了严格的保证；而且还大大提高了生产效率和减轻工人的劳动强度，有非常好的经济效益和社会效益。
本文就是利用PLC控制的方法设计的一种即安全又实用的自控成型系统。
自控成型系统主要由工作台、液压缸A、B、C以及相应的电磁阀和信号灯等几部分组成。
该自动成型系统是利用油的压力来传递能量，以实现材料（如：
钢筋）加工工艺的要求。
该自动成型系统是利用PLC控制液压缸A、B、C的三个电磁阀有序的打开和关闭，以便使油进入或流出液压缸，从而控制各油缸中活塞有序运动，活塞带动连杆运动，给相应的挡块一个压力，这样就可以使材料成型。
关键词：
可编程程序控制器；PLC；液压缸
第一章绪论
1.1课程设计的背景
目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。
从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：
开关量逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信联网等等。
PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。
为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：
可靠性高，抗干扰能力强；通用性强，控制程序可变，使用方便；功能强，适应面广；编程简单，容易掌握；减少了控制系统的设计及施工的工作量；体积小、重量轻、功耗低、维护方便等。
因此我们基于PLC自控成型控制系统的设计，来满足生产上的需要，从而大大提高了生产效率和减轻工人的劳动强度，有非常好的经济效益和社会效益。
1.2课程设计任务
一、控制要求
利用PLC构成一个自控成型系统,用LED发光管来演示系统工作状态。
其中S1，S6用于指示油缸到位开关；K1至K4用于指示电磁阀的工作状态。
（1）初始状态,当原料放入成型机时，各油缸为初始状态:
K1=K2=K4=OFF,K3=ON，S1=S3=S5=OFF,S2=S4=S6=ON。
（2）按下启动键S0,则K2=ON,上面油缸的活塞B向下运动,使S4=OFF。
（3）当该油缸活塞下降到终点时,S3=ON,此时启动左液压缸,A的活塞向右运动,C的活塞向左运行,K1=K4=ON，K3=OFF,使S2=S6=OFF。
（4）当A缸活塞运行到终点时，S1=ON，并且C缸活塞也到终点，S5=ON时，原料已成型，各油缸开始返回原位。
首先，A、C油缸返回，K1=K4=OFF，K3=ON，使S1=S5=OFF。
（5）当A、C油缸返回到初始位置，S2=S6=ON时，B油缸返回，K2=OFF，使S3=OFF。
（6）当B油缸返回到初始状态，S4=ON时，系统回到初始状态，取出成品；放入原料后，按下启动按钮，重新启动，开始下一工件的加工。
二、课题要求
（1）按题意要求，画出PLC端子接线图及控制梯形图。
（2）完成PLC端子接线工作,并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。
（3）完成课程设计说明书。
1.3课程设计的意义
通过课程设计的实践，使学生巩固和深化对PLC理论知识的理解；培养学生运用所学PLC知识和技能，配合相关技术资料的查询，独立分析和解决生产实际中有关工业控制实际问题的能力；进一步提高学生对PLC控制系统分析、设计的能力。
通过对PLC自控成型控制系统的设计，使材料成型生产实现高效、低成本、高质量自动化生产的发展方向。
不但能使成型的产品的质量和品质得到了严格的保证；而且还大大提高了生产效率和减轻工人的劳动强度，有非常好的经济效益和社会效益。
本文就是利用PLC控制的方法设计的一种即安全又实用的自控成型系统。
第二章PLC简介
2.1PLC的由来
在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。
继电器控制系统有着十分明显的缺点：
体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。
为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求，即：
（1）编程简单方便，可在现场修改程序；
（2）硬件维护方便，最好是插件式结构；
（3）可靠性要高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制装置；
（5）可将数据直接送入管理计算机；
（6）成本上可与继电器柜竞争；
（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；
（9）扩展时，原有系统只需做很小的改动；
（10）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。
根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC（PDP—14型 ），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。
从此，可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来，而且，在工业发达国家发展很快。
2.2PLC的定义
在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），英文缩写为PC，并作如下定义：
“可编程序控制器是一种数字式电子装置。
它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
”
国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程序控制器标准的草案第一稿，1985年1月又发表了草案第二稿，1987年2月颁布了草案第三稿。
该草案中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，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。
这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。
2.3PLC的构成
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。
2.4PLC的各组成元素的构成及功能
CPU.
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
对使用者来说，不必详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令，但工作节奏由震荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
I/O模块.
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
内存.
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。
电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
底板或机架.
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
PLC系统的其它设备.
（1）编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编写程序、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
（2）人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面也非常普及。
（3）输入输出设备：
用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
PLC的通信联网.
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。
首先,网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。
2.5PLC工作原理
I/O刷新：
在PLC（可编程控制器）中，客户所设计的用户程序通过一边读写PLC内的存储器区域（欧姆龙称I/O存储器）的信息一边将指令从开始到最后逐个执行的方式来进行处理。
另一方面，对于与PLC或I/O单元直接相连的感应器/开关等PLC外的数据，按照一定时序，会与PLC内的「I/O存储器」的数据一并更新。
这种PLC外的数据与PLC内的I/O存储器的数据的一并更新，即称为「I/O刷新动作」。
周期时间.
在PLC处理周期中，从I/O刷新执行（开始）到下一次的I/O刷新执行（处理）之间的时间，即周期时间。
周期时间包含共通处理（自我诊断）、用户程序执行处理、I/O刷新处理、外围服务处理等所需要的时间。
（1）如周期时间过长，则与PLC外部进行数据更新的周期变长，输入输出的响应时间变长，导致无法获取比周期时间短的输入的变化。
（2）如周期时间短，则输入输出的响应时间变短，可进行高速处理。
（3）如更改周期时间，则命令的执行间隔及输入输出的响应时间也会改变。
中断任务.
通常，在PLC的处理周期内，用户程序包括I/O刷新等其他处理，将按顺序执行。
在这个处理周期中能够优先执行的处理，即中断任务。
如事先指定的中断条件成立，则中断处理周期，优先执行该处理。
I/O分配：
在用户程序中，为了对PLC内装载的输入输出单元的输入、输出信号进行处理，有必要事先为其分配PLC内的I/O存储器的地址。
将PLC内装载的单元的输入、输出信号分配到I/O存储器上，即为I/O分配。
CPU单元即根据该I/O分配信息执行装载单元及I/O刷新动作。
将PLC内装载的单元的输入、输出信号分配到I/O存储器上，即为I/O分配。
CPU单元即根据该I/O分配信息执行装载单元及I/O刷新动作。
CPU单元的存储区域：
在PLC内，进行用户程序、I/O存储器的数据及注释信息、CPU单元及高功能单元的设定信息、登录I/O表信息等各类的数据的处理。
保存这些PLC所处理的全部数据的地方，即CPU单元内的存储区域。
用户程序区域：
记录客户所设计的用户程序。
I/O存储器区域：
通过指令的操作码，可以访问该区域。
记录通道I/O（CIO）、内部辅助继电器、保持继电器、特殊辅助继电器、数据存储器、扩展数据存储器、计时完成标志?
当前值、计数完成标志?
当前值、任务标志、变址寄存器、数据寄存器、条件寄存器、时钟脉冲等的信息。
l/O存储器区域的数据中包括：
断电后恢复时，内容会被清除的区域，以及可保持以前的信息的区域。
参数区域：
PLC所处理的各种初始设定信息。
记录PLC系统设定、登录I/O表、路由表、CPU高功能单元系统设定等的信息。
第三章液压传动系统
液压传动系统简称液压系统，是由液压能源、执行元件、控制元件和辅助元件等组成，以完成一定动作的系统。
在各种机械设备上，液压传动技术得到了广泛应用。
这些液压传动
系统可能很复杂，但它们都是由一些基本回路组成。
通常阅读和分析一个较复杂的液压
系统，大致可按以下步骤进行：
（1）了解设备的工艺对液压系统的动作要求；
（2）初步浏览整个系统，了解系统中包含哪些元件，并以各个执行元件为中心，将系统
分解为若干子系统；
（3）对每一子系统进行分析，搞清楚其中含有哪些基本回路，然后根据执行元件的动作要求，参照动作循环表读懂这一子系统；
（4）根据液压设备中各执行元件间互锁、同步、防干扰等要求，分析各子系统之间的联系；
（5）在全面读懂系统的基础上，归纳总结整个系统有哪些特点，以加深对系统的理解。
3.1液压系统基本回路
任何机械设备的液压传动系统，都是由一些液压基本回路组成的。
所谓基本回路，就是由有关的液压元件组成，用来完成特定功能的典型油路。
下面对一些常用的基本回路分别予以介绍。
3.2压力控制回路
压力控制回路是利用压力控制阀来控制系统中油液的压力，以满足执行元件对力或力矩的要求，包括调压、减压、增压、卸荷、保压、平衡等多种回路。
调压回路的功用是使液压系统整体或某一部分的压力保持恒定或不超过某个数值。
（1）单级调压回路：
在泵1的出口处设置并联的溢流阀2，使泵的出口压力基本维持恒定。
（2）多级调压回路：
先导式溢流阀3的遥控口串接二位二通换向阀5和远程调压阀4。
这里要求远程调压阀4的调整压力必须小于先导式溢流阀3的调整压力，即p2如果在溢流阀的遥控口处通过多位换向阀的不同通口，并联多个调压阀，即可实现多级调压。
（3）无级调压回路：
通过改变比例溢流阀6的输入电流来实现无级调压。
为了使减压回路工作可靠，减压阀的最低调整压力不应小于0．5MP9，最高调整压力至少比系统压力小0．5MPa。
当减压回路中的执行元件需要调速时，调速元件应放在减压阀的下游，以避免减压阀泄漏（指由减压阀泄油口流回油箱的油液）对执行元件速度产生影响。
3.3液压缸
液压缸是液压系统中的液压执行元件，它是将液压能转变为机械能做直线往复运动的能量转换装置。
液压缸结构简单，工作可靠，在液压系统中得到了广泛的应用。
液压缸的种类繁多，分类方法各异。
可按运动方式、作用方式、结构形式的不同进行分类。
可分为活塞液压缸、伸缩液压缸、组合液压缸等等。
第四章程序设计
4.1设计思想、程序框图、梯形图
自动成型系统工作示意图如下图所示。
PLC程序包括一个初始化程序。
在系统开始工作时，先要对整个系统进行初始化，记载开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，并对各个存储器进行清零，保证系统在运行时的可靠性。
程序框图如下图所示：
图4-1程序框图
梯形图如下：
图4-2梯形图
4.2程序设计与说明
（1）．当原料放入成型机时，各油缸为初始状态。
当按下启动按钮S0，K2接通，上面的油缸,即油缸B的活塞开始向下运动，梯形图如图3-3。
图4-3油缸的活塞开始向下运动
（2）当该B油缸活塞下降到终点时，S3=ON，此时启动左液压缸，A的活塞向右运动，C的活塞向左运行，K1=K4=ON，K3=OFF，使S2=S6=OFF，梯形图如图3-4。
图4-4A和C油缸的活塞开始运动
（3）当A缸活塞运行到终点时，S1=ON，并且C缸活塞也到终点，S5=ON时，原料已成型，各油缸开始返回原位。
首先，A、C油缸返回，K1=K4=OFF，K3=ON，使S1=S5=OFF，梯形图如图3-5。
图4-5A和C油缸的活塞开始返回
（4）当A、C油缸返回到初始位置，S2=S6=ON时，B油缸返回，K2=OFF，使S3=OFF。
当B油缸返回到初始状态，S4=ON时，系统回到初始状态，取出成品；放入原料后，按下启动按钮，重新启动，开始下一工件的加工，梯形图如图3-6。
图4-6B油缸的活塞开始返回
4.3I/O地址表分配：
根据自动成型系统的控制要求，开关1、开关2为启动、停止开关，S1—S6为6个行程开关，分别接PLC的X0—X7八个输入，输出分别接电磁阀K1—K4和指示灯。
PLC的输入、输出地址表如下表所示。
表4-1输入、输出地址表如下表所示
输入信号
输出信号
名称
功能
编号
名称
功能
编号
S0
启动
X0
K1
控制A的电磁阀
Y1
S1
A油缸的关限位
X1
K2
控制B的电磁阀
Y2
S2
A油缸的开限位
X2
K3
控制C的开电磁阀
Y3
S3
B油缸的关限位
X3
K4
控制C的关电磁阀
Y4
S4
B油缸的开限位
X4
S5
C油缸的关限位
X5
S6
C油缸的开限位
X6
4.4指令表
0LDIM101
1OUTY003
2LDX000
3ANDX004
4SETY002
5SETM100
6SETY003
7LDX003
8SETY001
9SETY004
10RSTY002
11RSTY003
12LDX001
13ANDX005
14RSTY001
15RSTY004
16SETY003
17RSTM100
18LDX002
19ANDX006
20ANIM100
21ANIX000
22RSTY001
23RSTY004
24RSTY002
25END
4.5GXSimulator仿真模拟
（1）点击菜单“工具”按钮，并点击“梯形图逻辑测试启动”选项。
等待程序写入仿真器并运行，可以看到运行成功画面，RUN指示灯亮。
图4-7软件运行界面
（2）对自控成型系统进行测试。
初始状态下Y3=ON，S1=S3=S5=OFF，S2=
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