基于PLC的自动运料小车控制系统.docx

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基于PLC的自动运料小车控制系统

郑州轻工业学院

本科毕业设计（论文）

题目基于PLC的自动送料小车

控制系统设计

学生姓名陌小春

专业班级测控技术与仪器09-1班

学号540902030123

院系机电工程学院

指导老师（职称）王辉（讲师）

完成时间2013年5月30日

目录

摘要I

ABSTRACTII

1绪论1

1.1课题研究背景1

1.2研究目的和意义2

1.3运料小车发展概述3

1.4本课题研究的主要内容3

2可编程控制器的概述5

2.1PLC的基本概念5

2.2PLC的基本结构5

2.3PLC的工作原理6

2.3PLC的特点7

2.4PLC的应用领域8

3自动运料小车控制系统系统设计10

3.1概述10

3.2控制系统设计10

3.2.1运料小车系统控制分析10

3.2.2顺序功能图13

3.2.3控制系统I/O点及系统分配15

3.3硬件结构设计15

3.3.1PLC的选型分析15

3.3.4压力传感器的选取20

3.3.5电机的选取.23

3.3.6电气元件的介绍23

3.4电气控制系统25

3.4.1电机正反转控制电路的动作原理图25

3.4.2PLC外部接线图设计25

3.4.3安全回路设计26

4组态监控设计27

4.1设计功能27

4.2组态王与PLC的通信27

4.3组态设计建立应用28

4.3.1定义画面28

4.3.2定义变量29

4.3.3动画连接30

5系统程序设计与仿真32

5.1PLC编程语言的国际标准32

5.2STEP7-Micro/WIN的功能介绍34

5.3运料小车程序系统设计34

5.4PLC程序的调试方法39

5.4.1程序的模拟调试39

5.4.2采用仿真软件进行程序测试39

结束语44

致谢45

参考文献46

附录47

附录自动运料小车控制系统PLC外部接线图47

基于PLC的自动运料小车控制系统设计

摘要

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。

随着社会经济的发展，经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。

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。

它功能强大，可扩展到多达128I/O点，且能增加特殊功能模块或扩展板。

通信和数据连接功能选项使得PLC在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。

本课题主要包括：

分析被控对象和明确系统控制要求；PLC选型；确定系统的I/O设备的数量及种类；控制流程设计；控制程序设计。

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。

关键词PLC/运料小车控制系统/自动化

DESIGNOFTHEMATERIALCARCONTROL

SYSTEMBASEDONPLC

ABSTRACT

Earlyelectriccarcontrolsystemofthetransporterovertherelay-contactorcomplexsystemcomposedofThesystemdesigncycle,thereisalong,bulky,highcost,defects,nodataprocessingandcommunicationsfunctions,mustbehandoperated,willbeappliedtotransportmaterialscarPLCelectricalcontrolsystemandcanrealizeautomaticcontroloperationofthecar,reducingtherunningcostsofthesystem,PLCcontrolsystemforelectriccartransporterwithasimpleconnectiontocontrolspeed,reliabilityandmaintainabilityisgood,easytoinstall,repairandimprovementandsoon.Witheconomicdevelopment,transportmaterialstovariousareasofgrowingcar,frommanualtoautomatic,andgraduallyformedthemechanizationandautomation.

PLCappliedtotransportmaterialstocarelectricalcontrolsystemandcanrealizeautomaticcontroloperationofthecarandreducesystemoperatingcosts.Itispowerful,canbeexpandedtoasmanyas128I/Opoints,andcanincreasethespecialfunctionmodulesorexpansionboards.CommunicationsanddataconnectivityoptionsmakeFX1Ninvolume,communicationsandspecialfunctionmodulessuchimportantapplicationsperfectly.Thetopicsinclude:

analysisofplantandaclearsystemcontrolrequirements;PLCselection;determinethesystem'sI/Odevicenumberandtype;controlprocessdesign;controlprogramming.

PLCcontrolsysteminthecartransporterintheapplication,hasbeenindomesticandinternationalprojectshasbeenappliedinthefactory,withhugeeconomicandsocialvalue,theintelligenceandautomationbeyondtheideaworthyoffurtherresearchandextension.

KEYWORDSPLC,Controlsystemfortransportercart,Automation

1绪论

1.1课题研究背景

随着我国社会经济的迅猛发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大。

为了改变落后的生产状态，缓解日趋紧张的供求关系，我们研究了多功能天车。

新中国成立特别是改革开放以来，我国社会主义现代化建设取得了举世瞩目的伟大成就。

同时，必须清醒地看到，我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。

全面建设小康社会，既面临难得的历史机遇，又面临一系列严峻的挑战。

经济增长过度依赖能源资源消耗，环境污染严重；经济结构不合理，农业基础薄弱，高技术产业和现代服务业发展滞后；自主创新能力较弱，企业核心竞争力不强，经济效益有待提高。

在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面，有诸多困难和问题亟待解决。

从国际上看，我国也将长期面临发达国家在经济、科技等方面占有优势的巨大压力。

为了抓住机遇、迎接挑战，我们需要进行多方面的努力，包括统筹全局发展，深化体制改革，健全民主法制，加强社会管理等。

与此同时，我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新，带动生产力质的飞跃，推动经济社会的全面、协调、可持续发展。

进入21世纪，我国作为一个发展中大国，加快科学技术发展、缩小与发达国家的差距，还需要较长时期的艰苦努力，同时也有着诸多有利条件。

中华民族拥有5000年的文明史，中华文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成独特的创新文化。

只要我们增强民族自信心，贯彻落实科学发展观，深入实施科教兴国战略和人才强国战略，奋起直追、迎头赶上，经过15年乃至更长时间坚韧不拔的艰苦奋斗，就一定能够创造出无愧于时代的辉煌科技成就[1]。

科技工作的指导方针是：

自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。

自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。

重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。

支撑发展，就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。

引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。

这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。

要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。

在对外开放条件下推进社会主义现代化建设，必须认真学习和充分借鉴人类一切优秀文明成果。

改革开放20多年来，我国引进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。

但是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化吸收和再创新，势必削弱自主研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。

总之，必须把提高自主创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个方面，贯彻到各个产业、行业和地区，大幅度提高国家竞争力。

我国科学技术发展的总体目标是：

自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑；基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础，形成比较完善的中国特色国家创新体系。

企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得生产物的输送成为生产物流系统中的一个重要环节。

运料小车自动控制正是用来实现输送生产物的控制系统，随着PLC的发展，国外生产线上的运输控制系统非常广泛的采用该控制系统，而且有些制造厂还开发研制了出了专用的逻辑处理控制芯片，我国的大部分工控企业的运料小车自动控制系统都是从国外引进的，成本高，为了满足现代化生产流通的需要，让PLC技术与自动化技术相结合，充分的利用到我国的工控企业生产线上，让该系统在各种环境下都能够工作，而且成本低，易控制，安全可靠，效率高。

1.2研究目的和意义

能够运用以前学到的电子电工学、电气控制、PLC技术等有关基础知识，根据实际进行电控系统设计及PLC程序的编制；通过设计过程，熟悉电气控制系统设计的一般步骤和顺序；学会使用电控器产品（如PLC）产品手册、说明书及相关参考资料的方法；能够根据设计要求，利用有关资料来正确选择产品的型号和模块配置；进一步将课堂中学到的理论知识与实践结合起来。

本设计将PLC应用到工业送料小车的电气控制系统中，实现了运料小车的自动化控制，使运料小车不再需要人工控制，降低了系统的运行费用，提高了系统的自动化程度。

PLC运料小车电气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，安装、维修和改造方便等优点。

1.3运料小车发展概述

由于PLC的不断发展和革新，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[2]。

1.4本课题研究的主要内容

鉴于所学知识跟课题的具体要求，本设计主要目的是实现小车的自动装料与卸料过程，小车驶向A处装料，料满后到达B处卸料，然后返回A处，以此循环，直到按下停止按钮。

设计的主要内容有：

（1）运料小车的控制系统设计；

（2）运料小车系统的硬件结构设计；

（3）PLC外部接线图设计；

（4）进行系统电机以及电气元件的选择；

（5）进行运料小车控制系统的PLC功能分析和设计，并进行PLC选型、I/O口的分配；

（6）编写小车PLC控制程序并进行仿真。

2可编程控制器的概述

2.1PLC的基本概念

国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee-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，控制各种类型的机械或生产过程[3]。

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。

2.2PLC的基本结构

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。

典型的西门子S7-200CPU224PLC结构如图2.1所示：

图2.1S7-200CPU模块外形结构图

2.3PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中相应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图），在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

（3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出[4]。

2.3PLC的特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

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改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

（5）体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小所以很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备[5]。

2.4PLC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、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[6]。

3自动运料小车控制系统系统设计

3.1概述

工业的发展，运料小车不断扩大到各个领域，而自动化的运料小车却并不多见，大多数的工厂仍然使用传统的车运料，这样浪费了大量的人力物力，降低了生产效率。

而如今随着科学技术的发展，运料小车从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。

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，降低了劳动力，提高了生产效率[7]。

本系统主要由小车、装料阀、轨道、控制设备组成。

小车要求能够实现自动运料的生产自动化，同时支持手动操作，紧急情况下要能急停以防止事故发生。

3.2控制系统设计

3.2.1运料小车系统控制分析

运料小车的自动装料、卸料控制要求小车启动后能能实现自动手动的装车控制。

自动模式下，小车启动后会自动回A处等待装料，装料电磁阀打开开始装料，待力传感器检测到达到一定压力值时，装料电磁阀关闭，装料完毕，小车开始向B处行驶。

到达B处后，小车停止，开始卸料动作。

卸料时间持续10秒，然后卸料动作完成，小车开始往A处行驶，以此循环，直到按下停止键。

手动模式下，小车要根据操作者的按钮指示来进行右行，左行，装料，卸料的动作。

此外，小车在左行，右行，装料，卸料的过程