《可编程序控制器及外围设备的安装》电子教材运料小车的安装与调.docx
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《可编程序控制器及外围设备的安装》电子教材运料小车的安装与调
任务四运料小车的安装与调试
早期运料小车电气控制系统多为继电器—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，无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作，将PLC应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用，PLC运料小车电气控制系统具有连线简单，控制速度快，可靠性和可维护性好，易于安装、维修和改造等优点。
随着经济的发展，运料小车不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。
PLC在运料小车控制系统中的应用，已经在国内外工程、工厂中得到实际应用，具有巨大的经济和社会价值，其智能化和自动化的思路值得以后继续深入研究和推广。
现有某化工厂糖精车间由于产品包装需求，需设计一套运料小车自动往返传输线，用户要求在3个工作日内完成该项工作，安装公司同意接收该项工作任务，开出任务单并委派维修电工人员前往该企业作业，并按客户要求完成任务，把客户验收单交付公司。
图4-1-1运料小车工作示意图
运料小车通常采用三相异步电动机驱动，电动机正转小车前进，电动机反转小车后退。
上图是一个运料小车工作示意图。
系统的设计要求为：
小车由电动机驱动，启动后，小车先返回A地限位开关ST1处。
装料门打开，同时停车20s装料；然后自动驶往B点，到达限位开关ST2处后停车，底门电磁阀动作，卸料30s，然后返回A点，再次停车20s装料；如此反复3趟，自动停止。
1．学生通过阅读工作任务书能独立进行工艺流程分析，明确控制对象的操作要求及功能。
2.通过分析任务，结合现场实物勘察，选定合理的自动化解决方案，完成控制系统结构设计。
3.根据工艺要求绘制电气回路图及PLC接线图，编制I/O分配表。
4．能根据工艺流程及控制功能进行程序设计，并根据梯形图编写语句指令表。
5．进行设备接线并能完成PLC程序的调试工作，且调试过程中能独立完成软件与硬件的修改。
学习情境一控制系统的设计
1．通过实际项目任务加深对自动控制原理已有知识的理解。
2．能对具体项目任务中的被控对象、被控量、给定值、扰动值等概念有更加清晰的认识。
3．能分析系统内的信号类型，统计控制点数，制作工艺点位统计表。
4．根据控制原理与实际工艺，进行电气控制设备的选型和电气控制线路的设计。
知识准备
一、自动控制系统设计基本原则
自动控制系统是在人工控制系统的基础上发展起来的。
这里利用控制装置代替人的眼睛、大脑和手，来完成控制的功能要求。
自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置对生产过程或设备的某个参数进行控制，使之按照预定的规律运行。
在进行自动控制系统设计时，首先，要求最大限度的满足工业生产需要；其次，妥善处理好电气与机械的关系，机电一体化方案力求简洁、高效、安全；再次，保证系统安全可靠，后期维护便利。
二、系统内具体信号及类型的统计
对任务所要求的控制功能做进一步分析，梳理输入与输出环节。
同时，对与外界进行作用的各个输入输出点进行统计，并整理核实。
根据每个输入输出点的工艺编号制作相应的点位统计表，便于下一步输入/输出分配表的制作。
三、基本电气控制回路设计
熟练掌握常见的电力拖动基本控制回路，能通过电路本身对电动机进行相应保护，初步具备复杂电气控制回路的设计和调试能力。
四、主要电气设备选型
深刻理解PLC的工作原理和硬件组成，能根据外围设备进行合理的PLC设备选型。
PLC设备的主要性能体现在CPU的运算处理速度、存储器容量、输入/输出点位数量、输入/输出类型、软件控制功能、硬件诊断功能、电源系统、冗余性能等。
运料小车在当今工业领域已应用十分广泛，而传统运料小车大都是继电器控制系统，电路复杂、维修难度大、不能灵活升级。
为提高工业自动化水平，提升企业生产效率，目前大多采用PLC来改造运料小车控制系统。
特别是对于多站点、高精度、大负荷的运料小车，必须采用PLC配合变频器来完成。
为适合各个工业现场实际情况，运料小车在控制功能上的要求也日益复杂。
从传统的两地自动往返，到多地自由呼叫；从工频恒速运行，到快、稳、准的高精度定位变频运行；从单一工序流程，到复杂的智能判断路线。
无论是电气控制方式的改进，还是机械生产设备工序的优化，无不体现着现代工业自动化技术的强大力量。
以PLC为核心的工业自动控制系统早已成为工业自动化的三大支柱之一。
PLC的选择无论对于系统使用方，还是系统集成商而言都是首要的问题。
这其中不仅仅是生产成本问题，更是生产质量与生产安全问题
对于目前我国市场上主流的PLC品牌，大致为欧系、美系、日系及国产PLC。
欧洲作为老牌工业基地，每个工业国家都有自己优秀的PLC生产商。
在这里我们不得不提及德国西门子S7系列PLC。
西门子系列PLC较早进入中国，已经有了最广大的学习群体和使用者。
从大型的系统控制到一个小小的控制站都有着西门子系列PLC的身影。
此外还有许多优秀的PLC生产厂商，比如LG、施耐德（莫迪康）、ABB等，它们都在各自的领域有着不同的建树。
美国PLC技术的形成与欧洲PLC技术的形成是在相互隔离的情况下，独自研究开发获得的，因此美国的PLC产品与欧洲的PLC产品常表现出来明显的差异性。
首先要说的就是美国罗克韦尔自动化公司旗下Allen-Bradley品牌。
AB系列PLC被认为的最具人性化设计，使用最为灵活，功能最为强大，当然也是最贵的PLC品牌。
其在北美市场占有半壁江山，全球销售额也处于前列。
由于其价格昂贵，在中国早期市场上业绩较差。
只有一些大型国有企业才使用AB品牌，这些企业在使用过程中也体会到了AB系列PLC的优势以及上乘的质量。
1969年美国的数字公司研制成功了世界第一台PLC。
随后日本从美国引进了PLC技术加以消化，1971年由日本公司研制成功了日本的第一台PLC。
自70年代初开始，不到三十年时间里，在日本PLC生产发展成了一个巨大的产业，据不完全统计，现在世界上生产PLC及其网络的厂家有二百多家，生产大约有400多个品种的PLC产品。
日本有60~70家PLC厂商，也生产200多个品种的PLC产品。
日本的PLC以较高的性价比，特别是小型PLC在中国机械设备制造领域中占有巨大市场。
任务实施
控制系统的设计
一、实训目的
1．根据任务书及现场勘察，分析控制对象，明确任务功能。
2．通过小组形式能合理分配各项工作任务，增强沟通交流，提高团体协作能力。
3．进行PLC设备及外围电气仪表的选型，熟悉PLC工作原理及软、硬件工作环境。
二、主要实训器材
PLC控制器、外围电气设备、工具、仪表、材料、设备等常见学习准备
三、实训内容
（一）控制对象分析
仔细阅读作业任务书，可以查找相关资料文献或通过实际现场勘察等手段，进一步了解控制对象，明确任务内容，掌握控制量的特性。
合理分配小组人员的工作任务并进行组内讨论，制定小组工作计划和前期方案。
通过书本介绍、网络信息等多种途径查找相关资料，了解运料小车的自动控制一般实现方式。
具体分析本次项目任务的各功能要求，结合原继电器控制回路，拟定运料小车的自动化改造方案。
本任务中的运料小车被控制对象为三相异步电动机，工作期间我们只要按照任务要求有效控制电动机的启停和正反转，即可实现小车有规律的运动，从而完成相应的工作任务。
同时，本系统通过运动过程中的行程开关进行位置反馈，有效的调节电动机的启停变化和运动方向。
图4-1-2运料小车三相异步电机正反转电路图
（二）工艺点位表制作
作为一个控制系统，我们要求能对其的输入输出环节中参与控制的变量进行数量和类型的统计，搞清系统内各个变量。
输入信号
输出信号
名称
符号
作用
名称
符号
作用
总停按钮
SB1
停止
正转接触器
KM1
小车右行
正转启动按钮
SB2
启动
反转接触器
KM2
小车左行
行程开关
ST1
左限位
装料电磁阀
KM3
装料门
行程开关
ST2
右限位
卸料电磁铁
KM4
卸料门
热继电器
FR
过流保护
表4-1-1运料小车工艺点位统计表
通过填写系统点位表，我们可以看到输入部分包括：
人机操作的启停按钮、过流保护的热继电器。
输出部分包括：
小车右行接触器、小车左行接触器、装料门控制、卸料门控制。
（三）主要设备选型
分析以上的系统点位统计表，输入部分共5个信号，且都为干接点输入，故适合PLC自带电源方式直接输入。
输出部分共4个控制点，且需要外接至少220VAC电源，故考虑使用PLC继电器输出方式。
通过以上分析，即可结合实际设备进行合理选型。
四、注意事项
这里要求把热继电器作为输入信号给入PLC，可以使用常开或常闭触点接入输入端。
旨在当发生过热情况时，PLC得到保护信号主动切断输出，从而停止各KM的继续工作。
否则，当过热保护启动时，即使断开接触器线圈回路，PLC也无法得到输入信号，造成PLC输出点继续工作。
五、知识连接
在工业自动化控制领域中我们常常碰到DCS系统，即集散控制系统。
关于PLC与DCS的区别要求从业人员能正确理解。
应该说PLC和DCS的出现是来自于不同专业方向，最主要的区别有以下几点：
一、响应速度不同：
PLC最早出现的目的是代替继电器逻辑，因为继电器逻辑的响应速度一般都在几个毫秒以下，因此要求PLC的响应速度要快；而DCS最早出现的目的是代替二次仪表，一般仪表都是测量压力、流量、温度、液位等，响应速度都在几百个毫秒到几秒不等，要求响应速度不高，但控制的计算方法一般都比继电器逻辑复杂，因此DCS牺牲了速度去完成复杂的计算。
二、两者的扫描方式不同：
PLC是从程序的开始一直扫描到程序结束，然后不断循环扫描，可以说是一根肠子通到底的方式；DCS是按控制环扫面，可以说是一个多任务同时工作的方式。
三、I/O冗余：
DCS和PLC都能做到CPU冗余、电源冗余、底板冗余、网络冗余，但目前无论哪个品牌的PLC都很难做到在线I/O冗余，而DCS能做到I/O冗余。
随着计算机的发展，DCS和PLC两者都互相靠拢，功能越来越接近，就有人鼓吹两者能相互代替，实际上对于DCS来说，快速响应的控制（比如运动控制）就不能胜任，而对于PLC来说，大量的PID等高级运算的控制，CPU也承受不了。
因此，当开关量控制较多时、控制响应速度要求较快时，建议用PLC，模拟量控制较多时，建议用DCS。
发展到现在，DCS和PLC之间没有一个严格的界线，在大多数人看来，大的系统就是DCS，小的系统用PLC。
当然，这么说也不是不可以，但是还不对。
现在我们来重新建立这个观念。
首先，DCS和PLC之间有什么不同？
1、从发展的方面来说
DCS从传统的仪表盘监控系统发展而来。
因此，DCS从先天性来说较为侧重仪表的控制，比如我们使用的ABBFreelance2000DCS系统甚至没有PID数量的限制。
比例微分积分算法是调节阀、变频器闭环控制的标准算法，通常PID的数量决定了可以使用的调节阀数量。
PLC从传统的继电器回路发展而来，最初的PLC甚至没有模拟量的处理能力，因此，PLC从开始就强调的是逻辑运算能力。
2、从系统的可扩展性和兼容性的方面来说
市场上控制类产品繁多，无论DCS还是PLC，均有很多厂商在生产和销售。
对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，因为PLC系统一般针对于设备来使用。
一般来讲，PLC也很少有兼容性的要求，比如两个或以上的系统要求资源共享，对PLC来讲也是很困难的事。
而且PLC一般都采用专用的网络结构，比如西门子的MPI总线性网络，甚至增加一台操作员站都不容易或成本很高。
DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系，但大部分的DCS系统，比如西门子、ABB、霍尼维尔、GE、施耐德等等，虽说系统内部过程级的通讯协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选择了工业以太网，采用标准或变形的TCP/IP协议。
这样就提供了很方便的可扩展能力。
在这种网络中，控制器、计算机均作为一个节点存在，只要网络到达的地方，就可以随意增减节点数量和布置节点位置。
另外，基于windows系统的OPC、DDE等开放协议，各系统之间也可很方便的通讯，以实现资源共享。
3、从数据库来说
DCS一般都提供统一的数据库。
换句话说，在DCS系统中一旦一个数据存在于数据库中，就可在任何情况下引用，比如在组态软件中，在监控软件中，在趋势图中，在报表中……而PLC系统的数据库通常都不是统一的，组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据库。
为什么常说西门子的S7400要到了414以上才称为DCS？
因为西门子的PCS7系统才使用统一的数据库，而PCS7要求控制器起码到S7414-3以上的型号。
4、从时间调度上来说
PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行。
PLC程序是从头到尾执行一次后又从头开始执行。
（现在一些新型PLC有所改进，不过对任务周期的数量还是有限制）而DCS可以设定任务周期。
比如，快速任务等。
同样是传感器的采样，压力传感器的变化时间很短，我们可以用200ms的任务周期采样，而温度传感器的滞后时间很大，我们可以用2s的任务周期采样。
这样，DCS可以合理的调度控制器的资源。
5、从网络结构的方面来说
一般来讲，DCS惯常使用两层网络结构，一层为过程级网络，大部分DCS使用自己的总线协议，比如西门子的Profibus、ABB的CANbus、施耐德的Modbus等，这些协议均建立在标准串口传输协议RS232或RS485协议的基础上。
现场IO模块，特别是模拟量的采样数据十分庞大，同时现场干扰因素较多，因此应该采用数据吞吐量大、抗干扰能力强的网络标准。
基于RS485串口异步通讯方式的总线结构，符合现场通讯的要求。
I/O的采样数据经CPU转换后变为整形数据或实形数据，在操作级网络（第二层网络）上传输。
因此操作级网络可以采用数据吞吐量适中、传输速度快、连接方便的网络标准，同时因操作级网络一般布置在控制室内，对抗干扰的要求相对较低。
因此采用标准以太网是最佳选择。
TCP/IP协议是一种标准以太网协议，一般我们采用100Mbit/s的通讯速度。
PLC系统的工作任务相对简单，因此需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一层网络结构。
过程级网络和操作级网络要么合并在一起，要么过程级网络简化成模件之间的内部连接。
在现场设备层级中，PLC不会或很少使用以太网。
6、从应用对象的规模上来说
PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁，而大型的应用一般都是DCS。
当然，这个概念不太准确，但很直观。
说了这么多PLC与DCS的区别，但我们应该认识到，PLC与DCS发展到今天，事实上都在向彼此靠拢，严格的说，现在的PLC与DCS已经不能一刀切开，很多时候之间的概念已经模糊了。
学习情境二电气回路与PLC接线图
1．熟悉电力拖动基本电路，结合工艺设备合理分析并制定主回路控制方案。
2.能设计安全、合理、经济的电气回路，完成对电动机的多重保护功能。
3.能根据工艺点位统计表，结合控制要求完成PLC输入/输出分配表。
4.能设计、绘制规范的电气图纸与PLC接线图。
一、熟悉低压电器的基本知识
了解低压电气的分类和常用术语，熟悉常见电气元件，如低压熔断器、断路器、主令电气元件、接触器、热继电器等。
二、熟练掌握三相异步电机正反转控制回路
回顾三相异步电动机的正反转动作原理，理解交换任一相序接入电动机定子绕组的操作方法。
熟练掌握接触器正反转控制电路和按钮接触器双重联锁正反转控制电路，深刻理解接触器互锁方式的实现方法和意义。
三、了解电气设计的一般原则与要求
由于电气控制线路是为整个系统或机械设备服务的，所以在设计前就要深入现场收集有关资料，进行必要的调查研究。
一般应遵循以下原则：
1、应最大限度地满足机械设备对电气控制线路的控制要求和保护要求。
2、在满足生产工艺的要求下，应力求控制线路简单、合理、经济。
3、保证控制的可靠性和安全性。
4、要充分考虑工作人员操作方便，后期维护便利。
在PLC改造正反转电路过程中，虽然许多学生在编程过程中已经在程序中编写了输出点Y的互锁，但实际中却还是出现短路现象。
所以，我们要求PLC的输出端必须对正反转线圈进行硬件互锁。
分析其中的原因，我们发现由于PLC的扫描速度很快，当正转输出Y关闭切换到反转输出Y时，正转接触器还没来得及完全断开而反转接触器就已经开始吸合，故造成主电路两相短路。
关于PLC工作速度，即程序扫描周期。
它作为PLC的基本性能指标 ，是衡量一个PLC性能优劣的重要标志。
工作速度是指PLC的CPU执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度。
工作速度是PLC工作的基础。
速度高了，才可能通过运行程序实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能发挥PLC的多种多样的作用。
不同的PLC，指令的条数也不同，少的几十条，多的几百条。
指令不同，执行的时间也不同。
但各种PLC总有一些基本指令，而且各种的PLC都有这些基本指令，故常以执行一条基本指令的时间来衡量这个速度。
这个时间当然越短越好，已从微秒级缩短到零点微秒级。
并随着微处理器技术的进步，这个时间还在缩短。
为了处理急需响应的输入信号，PLC有种种措施。
不同的PLC措施也不完全相同，提高响应速度的效果也不同。
一般的作法是采用输入中断，然后再输出即时刷新，即中断程序运行后，有关的输出点立即刷新，而不等到整个程序运行结束后再刷新。
这个效果可从两个方面来衡量：
一是能否对几个输入信号作快速响应；二是快速响应的速度有多快。
多数PLC都可对一个或多个输入点作快速响应，快速响应时间仅几个毫秒。
性能高的大型PLC响应中断功能的点数更多。
工作速度关系到PLC对输入信号的响应速度，是PLC对系统控制是否及时的前提。
控制不及时就不可能准确与可靠，特别是对一些需作快速响应的系统，这就是一般把工作速度作为PLC第一指标的原因。
电气回路与PLC接线图
一、实训目的
1．能根据任务需要合理设计电气主回路，并对电动机进行多重保护措施。
2．能根据工艺点位统计表，结合控制要求完成PLC输入/输出分配表。
3．能设计、绘制规范的电气图纸与PLC接线图。
二、主要实训器材
PLC控制器、外围电气设备、工具、仪表、材料、设备等常见学习准备
三、实训内容
（一）电气回路的设计
通过前面部分任务分析，结合控制对象的特点，我们已经明确运料小车通过接触器正反转即可完成左右运动过程。
而继电器输出型PLC可以承受220VAC交流电压，通过把原有的接触器380VAC线圈更换为220VAC线圈即可现实PLC直接控制接触器。
下图是原主电路图：
图4-2-1运料小车三相异步电机正反转主电路
从上图可以看出，三相异步电动机通过接触器实现正反转，并且具备短路过流保护及过热保护功能，符合我们的任务改造要求。
下面我们对原运料小车控制系统进行分析，电气回路图如下：
图4-2-2运料小车正反转继电器控制回路
通过分析以上电路，我们可看到传统的继电器控制回路，包含了接触器、按钮、时间继电器等多个元件与设备，通过各元件的常开常闭相互组合构成控制回路。
这种方式组成的的电路，系统复杂、不易维修与检测。
而且继电器控制系统存在设计周期长、体积大、人力成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。
通过对整个电路系统的分析，我们发现主回路部分适合三相异步电动机的控制要求，但控制回路过于烦琐，不利于后期设备维护和系统升级。
至此，明确本次任务为对小车运料系统的控制回路部分进行PLC的自动化改造。
（二）设计控制系统框架
作为系统设计者，要求把握方案的可行性、合理性、高效性。
这就要求我们用整体的眼光去描述系统，并用简单清晰的框架呈现。
这有助于我们进一步排除干扰，优化系统。
通过以上几步的分析，确定本次改造任务的控制系统结构如下：
图4-2-3运料小车PLC改造系统设计
从系统结构设计图可以看出，通过PLC控制改造的物料小车的输入侧由按钮、开关、热保进行控制和监视；输出端连接着接触器和中间继电器；所有的控制程序由PLC内部程序实现。
系统结构得到了明显简化，有助于后期的系统维护与检修。
同时，由于PLC可编程性的特点，给后期的参数修改、系统升级留了空间，提高了生产的自动化，节约了后期设备成本。
（三）制作输入输出分配表
根据上面分析的系统结构图，输入有1个启动按钮开关、1个停止按钮开关、1个热继电器及2个行程开关共5输入点。
这个控制系统最终完成一个三相异步电动机的正反转动作及两个电动阀开关动作，故需要四个输出点。
对应的地址分配表如表所示：
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
总停按钮
SB1
X000
正转接触器
KM1
Y000
启动按钮
SB2
X001
反转接触器
KM2
Y001
行程开关
ST1
X002
装料电磁阀
KM3
Y002
行程开关
ST2
X003
卸料电磁铁
KM4
Y003
热继电器
FR
X004
表4-2-1运料小车PLC改造I/O分配表
从以上的I/O分配表可以看到PLC控制系统内全部的硬件接口设备，输入设备包括按钮、热保、行程开关，输出设备为接触器。
（四）绘制PLC接线图
根据以上分析，小车的运行方式仍由三相异步电动机提供动力，且接触器正反转电路完成电机正反转，故运料小车的主电气回路图保留原设计。
本次任务只需对控制部分进行改造，把原继电器控制系统改为PLC控制系统实现。
结合系统结构图及I/O分配表，绘制控制部分的PLC接线图如下：
图4-2-4运料小车PLC安装接线图
在进行绘制输入部分接线图时，要对每一个输入设备都充分了解。
一般要求输入干接点，即输入电源24V由PLC自身电源提供。
同时，对输入触点选择常开，还是常闭必须事先明确。
因为程序编写时必须配合硬件输入情况进行调节，要求尽量按照常规去操作。
这里我们开关、按钮都采用了常开，热继电器采用了常闭触点。
输出部分的接线要根据PLC的类型和设备所需电源进行选择。
对使用伺服等高速场合要求使用晶体管型的PLC，即输出由PLC内部晶体管直接驱动。
但在一般情况下，我们都使用继电器类输出。
这里我们采用串电源的继电器输出方式，输出端控制220VAC线圈的接触器。
通过接触器的吸合与断开，实现主电路的通断。
四、注意事项
在运料小车接触器实现正反转电路中确保两个接触器不同时闭合，一般采用方法即接触器互锁。
因为PLC程序扫描速度较快，当输出正转接触器换到反转接触器的过程中，正转接触器还未完全断开而反转接触器就已闭合，故十分容易引起两相短路。
用软件方法也可以消除这种故障，即增加延时。
在切换过程中加入足够的延时间隔，保证没有两个接触器同时吸合的瞬间。
五、知识连接
随着技术不断革新，PLC的硬件组成从开始的单一数字量模块逐步向多种模块化发展。
PLC模块的组合方式有箱体式和模块式之分，但从质上看，箱体也是模块，只是它集成了更多的功能。
在此，不妨把PLC的模块组成当作所有PLC的结构方式。
这个性能含义是指某型号PLC具有多少种模块，各种模块都有什么规格，并各具什么特点。
一般讲，规模大的PLC，档次高的PLC模块的种类也多、规格也多，反映它的特点的性能指标也高。
但模块的功能则单一些。
相反，小型PLC、档次低的PLC模块种类也少，规格也少，指标也低。
但功能则多样些，甚至于集成为一体化模块。
组成PLC的模块是PLC的硬件基础，只有弄清所选用的PLC都具有那些模块及其特点，才能正确选用模块，完成PLC系统的硬件设计和选型，以满足控制系
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