工业铲车PLC课程设计.docx

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工业铲车PLC课程设计

第一章引言

1.1PLC的基本结构

1、中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC的控制核心。

它按照PLC系统程序赋予的功能：

a.接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

2、存储器可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。

存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。

3．输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实际涉及到的信号当中，开关量最普遍。

4．输出接口电路：

可编程序控制器的输出有：

继电器输出（M）、晶体管输出（T）、晶闸管输出（SSR）三种输出形式。

5．电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。

如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压允许范围在AC85V—264V之间。

允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。

一般小型PLC的电源输出分为两部分：

一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。

1.2PLC的工作原理

PLC则是采用循环扫描的工作方式。

一个扫描周期主要可分为3个阶段。

1．输入刷新阶段

在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。

完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。

在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。

2．程序执行阶段

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。

当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。

3．输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。

显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。

扫描周期越长，响应速度越慢。

由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。

但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。

这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。

但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。

总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应注意。

第二章设计任务书

2.1课题内容

用PLC对工业铲车（实物模型）操作进行控制，设铲车可将货物铲起或放下，并能作前进、后退、左转、右转的操作，要求动作过程如下：

铲起→向前0.5米→左转90度后向前0.5米→右转90度后向前0.5米→右转90度后后退0.5米→放下。

2.2课题要求

1．根据题意，画出实物模型与PLC的硬件连接图，按图接线，编制控制程序，并画出梯形逻辑图。

2．完成系统调试，实现控制要求。

3．完成课程设计说明书。

1.3答辩问题

单片机和PLC可互相替换吗？

各自的应用特点？

第三章生产工艺及控制任务

3.1工业铲车简介

铲车是用来装零散坚固的货物的，一般以建筑材料为主，如碎石、砂土等，铲车一般用在建筑工地、建筑材料集散地，用于装车，有时也用于铲土和铲雪及地面平整等用途；工业铲车一般是在小四轮拖拉机上进行改装的小型装载机械。

利用拖拉机自身动力，采用液压控制，通过多路液压阀上的操作手柄可使铲斗升降和翻转，从而达到铲车平稳工作。

在搬运物料方面起了很大的作用，节省了大量人力和物力，它搬运东西速度快，操作也比较简单，所需的人员少，就能完成大量的搬运工作。

铲车又叫装载机，是在动力机械的基础上，采用液压控制铲斗升降和翻转，从而实现对砂石、水泥、粮食、土、煤等散装物料的铲运及装载。

铲车也可进行轻度的铲掘工作，通过换装相应的工作装置，还可进行推土、起重、装卸木料及钢管等作业。

广泛应用于建筑工程、筑路工程、农田水利工程、环卫垃圾、砖窑厂、煤厂、砂石厂，用于砂石、水泥、粮食、土、煤等散装物料的铲运及装载。

3.2工业铲车控制系统进行PLC改造的目的及意义

20世纪40年代末50年代初，我国的流程工业规模很小，设备陈旧，必要的调节主要靠最简单的测量仪表由人工操作运行。

50年代末60年代初，我国研制生产的传感器、变送器、调节器、执行器等，基本上能显示过程状态，实现调节意图，最终命令执行器完成对工艺流程的调节要求。

70年代初，我国自行研制的工控机开始应用于工业过程控制，它部分地取代了原来控制室内的仪表。

但由于受当时电子器件性能的限制，工控机本身的可靠性远不如现在，工控机带来的控制集中引起“危险”集中。

70年代末，分散型控制系统（dcs）进入工控领域，解决了“危险”集中的问题，还解决了一些复杂的控制。

dcs可建立通信网络，为大工厂生产带来许多方便，但其价格一直居高不下。

80年代初，适应性较强的总线型工控机（std）应运而生，std总线技术的推广和应用，使工控机的功能更加强化。

PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。

它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。

据统计，当今世界plc生产厂家约150家，生产300多个品种。

2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50%，PLC将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。

　　PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。

新一代的plc具有pid调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。

在工业铲车中运用PLC，提高了其工作智能化，增强了其本身的竞争能力，对我国的PLC产品的研发和生产PLC的能力有一定的帮助。

第四章工业铲车仿真模型的设计与组装

4.1驱动部分设计

工业铲车的主要动作是铲起、放下，并能作前进、后退、左转、右转的操作。

铲起和放下属于纵向移动，行走和左右转属于横向移动，所以应使用纵向和横向两种电动机。

本设计共需要3台电动机。

其中货物的铲起或放下可由纵向电动机的正反转实现，左轮的前进和后退由一台电动机正反转实现，右轮的前进和后退由另一台电动机的正反转实现，当要实现左转的时候，可让左轮的电动机不动，右轮的电动机正转前进，反之，则右转也是同样的原理。

4.2传动部分设计

纵向传动是通过纵向电动机的正向旋转带动栓着电磁铁的钢丝，使得铲头上下移动，便于货物的铲起和放下。

前进可以是左右轮的两个电动机同时正向转动，后退则是同时反向转动，左转是左轮上的电动机不动，右轮电动机正向转动；右转是右轮上的电动机不动，左轮上的电动机正向转动。

4.3组装模型（实物模型）

图4-1工业铲车（实物模型）

第五章控制系统的PLC选型和I/0选择

5.1I/O分析

经过对控制过程和要求的详细分析，明确了具体的控制任务就是铲起、放下、行走、左转和右转等主要任务。

确定了铲车这些必须完成的动作后，再确定动作的顺序：

纵向电机正转，电磁铁由上向下移动，铲爪抓物体，纵向电机反转，由下向上移动，左右轮电机同时正转，实现向前，左轮电机停止右轮电机正转，实现向左转，左轮电机正转右轮电机停止，实现向右转，左右轮电机同时反转，实现后退。

其工艺流程图如下（图4-1）：

图5-1工业铲车工艺流程图

5.2I/O点及地址分配

控制系统的输入、输出信号的名称、地址分配。

如表5-1

表5-1输入、输出信号的名称、地址编号

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

M1正启动按扭

1SB

I0.0

M1正转接触器

1KM

Q0.0

M1反启动按扭

1SB′

I0.1

M1反转接触器

1KM’

Q0.1

停止按扭

SB

I0.2

M2正转接触器

2KM

Q0.2

热继电器1

KR1

I0.3

M2反转接触器

2KM’

Q0.3

行程开关1

1ST

I0.4

M3正转接触器

3KM

Q0.4

M2正启动按扭

2SB

I0.5

M3反转接触器

3KM’

Q0.5

M2反启动按扭

2SB′

I0.6

热继电器2

KR2

I0.7

行程开关2

2ST

I1.0

M2正启动按扭

3SB

I1.1

M2反启动按扭

3SB′

I1.2

热继电器3

KR2

I1.3

停止按扭

SB4

I1.4

行程开关3

3ST

I1.5

行程开关4

4ST

I1.6

行程开关5

5ST

I1.7

总停按钮

5SB

I2.0

5.3PLC的选型

本设计采用西门子公司的S7-200系列整体式PLC实现工业铲车（模型）的自动控制。

由上面分析可以知道，系统共有开关量输入点17个、开关输出点6个；故CPU模块采用CPU226（AC/DC/继电器）模块，该模块采用交流220V供电。

CPU226简介：

集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

第六章程序设计

6.1控制程序的梯形图

第七章电气控制系统原理图

7.1主电路图

如图7-1所示为电控系统主电路。

三台电机分别为M1、M2、M3。

接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的正转运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的反转转运行。

FR1、FR2、FR3分别为三台电机的热继电器；FU为主电路的熔断器，QS为电路主开关。

图7-1电控系统主电路图

7.2电控系统控制电路

如图7-2所示为电控系统控制电路图。

图中SB1、SB2、SB3分别控制三台电机正转的启/停；SB1'、SB2'、SB3'分别控制三台电机反转的启/停。

图7-2电控系统控制电路

7.3PLC接线

图7-3PLC外围接线图

第八章设计总结

我通过这次课程设计，我对PLC有了更深入的了解，初步掌握了PLC的简单功能。

在这次课程设计过程中，遇到不懂的问题，老师们耐心地给我们指导讲解，使我们将所学理论知识与实际联系起来，提高了我们实际操作能力和加深理论知识。

为期二周的这次PLC课程设计使我进一步巩固所学的专业理论，掌握PLC设计的基本技能和方法，真正做到了学有所获。

对此特别感谢老师们这么多天来对我们的指导和帮助，还有同学们的团结互助！

这是我第三次做课程设计，所以做起来不会像前几次那么生疏，不会觉得不知所措。

我们依然坚持来实验楼做课程设计。

十多天的PLC课程设计让我学到很多，让我对PLC又有新的理解。

其实自己动手真的很有用，亲自接触了掌握的更深刻。

在做课程设计期间老师们都非常热心的帮助我们解决所遇到的问题，他们天天都来指导我们，对此特别感谢老师们这么多天来对我们的指导和帮助，还有同学们的团结互助！

二周的时间说长不长，说短也不短，在这二周里让我学会了PLC在实际生活中的用途，学会了小组之间的互助，学会了小组成员之间的团结，学会了怎样克服困难。

在此再次感谢我们组的指导老师。

感谢每个老师细心耐心的指导，谢谢你们，没有你们的帮助我可能完成不了这是课程设计。

参考文献

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西安电子科技大学出版社，2006.3

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【5】林小峰，可编程控制器原理及应用.北京：

高等教育出版社，1994

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机械工业出版社，1994

【7】张万，可编程控制器应用技术.北京：

化学工业出版社，2001.12

【8】于庆广，可编程控制器原理及系统设计.北京：

清华大学出版社.2004

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