三菱plc双料斗皮带传输机控制.docx
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三菱plc双料斗皮带传输机控制
题目：
双料斗皮带传输机控制
摘要
皮带输送机在许多企业中占有很重要的地位，但其控制单元种类繁多，都存在着性能和功能的差异。
传统继电器控制的皮带传输机存在电路复杂、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点，为了取得企业的良好的经济效益和社会经济效益，提出了采用实用性强、操作方便的PLC梯形图（LADDER DIAGRAM）编程语言对皮带输送机控制系统进行设计。
全文采用了三菱公司的C系列可编程控制器在四段皮带输送机控制系统中的应用，给出了PLC控制皮带输送机系统的硬件组成和软件设计，其中包括PLC选型、I/O地址分配、I/O端子接线、程序设计和控制原理。
该设计大大提高了设备的可靠性，减少了故障率，取得了成功。
关键词：
PLC（FX2N）；梯形图；皮带输送机；CX-Programmer
目录
第一章概 述1
1.1选题的背景1
1.2课题的研究目的和内容2
1.3课题研究的方案论证3
第二章可编程控制器理论基础4
2.1PLC的由来及定义4
2.1.1PLC的由来4
2.2PLC的特点及分类5
2.2.1PLC的特点5
2.2.2PLC的分类6
2.3PLC的应用及发展阶段8
2.3.1PLC的应用8
2.3.2PLC的发展阶段8
2.4PLC的结构及工作原理9
2.4.1PLC的结构9
2.4.2PLC的工作原理11
2.5本章小结13
第三章PLC控制系统及程序的设计方法14
3.1系统设计的主要内容及基本要求14
3.1.1系统设计的主要内容14
3.1.2PLC程序设计的基本要求14
3.2系统设计的基本步骤15
3.3PLC硬件系统设计17
3.3.1PLC型号的选择17
3.3.2分配输入输出点18
3.4程序设计方法18
3.4.1逻辑设计法19
3.4.2顺序控制设计法19
3.4.3继电器控制电路图转换设计法19
3.5本章小结20
第四章双料斗皮带传输机的PLC设计21
4.1皮带输送机的电控原理21
4.2PLC控制系统硬件设计22
4.3PLC控制系统软件设计23
4.3.1PLC控制程序流程图23
4.3.2PLC控制梯形图24
4.3.3PLC控制指令语句表24
4.3.4皮带输送机控制仿真详解25
4.4PLC的调试与安装25
4.5本章小结31
结论32
参考文献33
致谢34
附录1①
附录2③
第一章概 述
1.1选题的背景
近20年来，可编程控制器在我国已获得了极其重要和广泛的应用，它不仅可作为单一的机电控制设备，而且它作为通用的自动控制设备，也被大量的用于过程工业的自动控制。
可编程控制器与其他计算机控制装置，如集散控制系统、现场总线控制系统、计算机基础过程系统、信息管理系统等，一起已成为工业控制领域的主流控制装置。
本设计选择了三菱公司的最新并具有代表性的FX系列中、小型可编程控制器FX1N-40MR作为样机。
三菱FX系列系列产品及程序通俗易懂、操作方便、实用性强，PLC简单易学。
它用梯形图（LADDER DIAGRAM）编程语言编程，类似于继电器控制线路图。
只要具有继电器控制线路图这方面的知识，就可以很快学会编程和操作，不存在计算机技术和传统电器技术之间的专业“鸿沟”，系统扩展灵活，它采用积木式结构具有各种I/O模块和A/D、D/A模块等，便于各种需要配置成各种不同模块的分布式或集中式的控制系统。
PLC的输入口可与触电式开关直接相连，输出口与执行元件（接触器、电磁铁）相连，即在PLC的端子上接相应的输入、输出信号线即可，使用非常方便。
当控制要求改变时，要变更控制系统的功能，可用编程器修改程序。
它还可以用于不同的受控对象只要输入、输出组件和应用的软件不同而已，可与强电相连，并有较强的带负载能力；体积小，重量轻便于安装，有自检和监控功能，能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试提供方便，由于接线少，维护方时只需更换插入式模块，维护方便[1]。
用可编程序控制器来控制一台带式传送机，需要考虑到电动机正反转控制、与带之间启动的时间差、传送带的速度控制、传感器的输入、整个过程每一步输入输出的逻辑关系等一些问题，较以往的要求相比较是存在一些不同点，相对提高了少，为了实现任务要求的各项功能，还需在这个基础上进行部分功能扩展，使得整个统的功能更加完善。
当然，选择这个课题并非只运用可编程控制器的知识，还要结合电路基础和电子技术、电动机传动原理、继电器－接触器控制系统课程的知识，运用它们来将该课题设计完成。
1.2课题的研究目的和内容
皮带输送机控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，皮带输送机控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美，各种参考文献也数不胜数。
皮带输送机是在输送设备中是最常用的一种传输机构。
该机种具有结构简单，经济方便，使用可靠，传输平稳，输送量大，效率高，低噪音等优点。
其形式多样，适用范围广，特别适合一些散碎原料与不规则物品的输送。
广泛应用于轻工，电子，食品，化工，木业，机械等行业。
它具有输送平稳，物料与输送带没有相对运动，能够避免对输送物的损坏。
噪音较小，适合于工作环境要求比较安静的场合等特点。
结构简单，便于维护。
能耗较小，使用成本低。
由于可编程控制器（简称PLC）将其系统的继电器技术，计算机技术和通信技术融为一体，以其可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、以及编程简单、维护方便、通讯灵活等众多优点，广泛应用于工业生产过程和装置的自动控制中[2]。
PLC不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成定时、计算和各种闭环控制功能。
设置性能完善、质量可靠、技术先进的可编程控制器PLC控制皮带运输机监控系统，可以实现高自动化的皮带机群的集中控制（包括遥控）及保护。
此次期末设计的课题内容即为PLC在双料斗皮带输送机控制系统中的应用。
其设计内容和要求是：
（1）工作方式。
根据配料比例的要求，KM2间断工作。
启动后，KM2打开5s，关闭5s，间断工作。
KM1、KM2、KM3、KM4、KM5为不间断工作，通过外部开关可以选择设置KM2的间断工作时间分别为5s、10s、15s。
（2）启动操作方式。
该设备遵循下面的顺序启动：
KM5首先工作，延时5s后，KM3和KM4投入工作；再延时5s，KM1和KM2开始工作。
（3）停止操作方式。
该设备遵循下面的顺序停止：
首先KM1和KM2停止工作，延时5s后，KM3和KM4停止工作，再延时5s，KM5停止工作。
（4）故障停车方式
①若KM1或KM2出现故障，KM1、KM2立即关闭，延时5s，KM3、KM4停止运行，再延时5s，KM5停止运行。
②若KM3或KM4出现故障，KM1、KM2和KM3、KM4立即停止工作，KM5延时5s后停止工作。
③若KM5出现故障，KM1、KM2、KM3、KM4、KM5立即停止工作。
1.3课题研究的方案论证
对于该课题设计，基本上存在三种方案，但是针对设计的要求，对各个方案进行比较、选择，大致分析过程如下：
方案一：
利用强电电路，虽然强电电路也可以控制整个系统的运行，但是其电路连接复杂，不便直接操作且不能实现自动化，同时存在一个稳定性、可靠性的问题，而且很难制动继电器，不能够很好的完成所给定的任务。
方案二：
只利用PLC可编程控制器，若只利用PLC可编程控制器，其高可靠性是绝对可以保证系统的稳定性的，存在强电容易损坏PLC的问题。
而且程序复杂，控制器的运算时间变长。
方案三：
利用PLC可编程控制器来控制，再加上强电电路组成的控制部分。
这个方案是利用了PLC的高可靠性和强电电路的简单化，整个系统的动作均由可编程控制器控制，控制部分的信号通道由PLC和按钮开关来控制，这是为了保证电机动作的准确性。
这个方案包含了方案三的优点，从而保证了整个系统的可靠性之外，还可以简化程序。
与上面的三个方案相比较，方案三的可行性最高，也是最简单，可靠的。
综合上面的简单分析，本设计采用方案三进行设计。
第二章可编程控制器理论基础
2.1PLC的由来及定义
2.1.1PLC的由来
在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。
当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。
随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。
为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：
（1）编程方便，现场可修改程序；
（2）维修方便，采用模块化结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制装置；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制装置竞争；
（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，接触器等；
（9）在扩展时，原系统只要很小变更；
（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。
这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。
1971年日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。
1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。
我国从1974年开始研制，于1977年开始工业应用[3]。
2.1.2PLC的定义
PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。
用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入／输出模块，以控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
”
以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义[4]：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入／输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但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。
2.2PLC的特点及分类
2.2.1PLC的特点
根据IEC标准草案给PLC下的定义[5]：
它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，它使用可编程存储器内部储存的用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算以及通过数字或模拟输入，输出来控制各种类型的机械或过程。
不论是PLC还是与它有关的外部设备，都设计成容易集成在一个工业控制系统内，并且容易应用所有计划中的功能。
从上述PLC的定义，我们可以看到PLC的许多特点，概括起来有以下几点：
（1）高可靠性
①所有的I/O接口电路均采用光电隔离；
②各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms；
③各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；
④采用性能优良的开关电源；
⑤对采用的器件进行严格的筛选；
⑥良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；
⑦大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或由三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。
（2）丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人－机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。
（3）采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
（4）编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
（5）安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
2.2.2PLC的分类
PLC生产厂家及产品很多，为便于用户对一个已知应用来讲选择最合适的PLC，厂商通常通过杂志或其他途径，定期地将不同功能与特性的PLC列表进行比较，表中的内容[6]大体有：
总的I/O点数，最多开关量I/O点数，最多模拟量I/O点数，继电器梯形逻辑图，高级语言（编程），PID功能，远动控制，文件编制功能，数据总线，接口类型，扫描速度，存储器类型与容量，以及CPU类型与工艺等。
为适应用户的不同应用要求，很多厂家均开发生产了相互有关联的系列产品，为区别PLC的综合特性，通常以下述两种办法分类：
（1）按I/O点数及存储器容量分类
①小型：
最多I/O为40/40，用户存储器IKB；
②中型：
最多I/O为128/128，用户存储器4KB；
③大型：
I/O>128/128，用户存储器>4KB。
上述分类法是1985年PLC国际会议[7]上所介绍的，在此基础上，对大、中、小规模的PLC还要考察下列特点：
①结构和布线技术；
②处理机／功能存储器；
③编程技术。
（2）按I/O点总数分类
随着微型PLC技术的发展日趋成熟，售价也趋向合理，每台约（200~400）美元。
1986年国外亦提出按照I/O点总数、价格和尺寸，将PLC分类。
①微型：
I/O总点数（20~64）点，后上移到128点。
PLC的一个发展方向是越来越小，一些PLC只有手掌大小，使用起来灵活方便；
②小型：
I/O总点数为（65～128）点，后上移到5l2点。
其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。
它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令；
③中型：
I/O总点数为（129~512）点，后上移到2048点。
I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。
它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快；
④大型：
I/O总点数为（513~1024）点，后上移到8192点。
大型PLC的软、硬件功能极强。
具有极强的自诊断功能。
通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。
大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高；
⑤超大型：
I/O总点数>l02l4点。
PLC的另一个发展方向是大型和超大型，这些PLC具有上万个输入输出量，用于石化、冶金、汽车制造等领域。
下述两个方面应注意：
一是微型PLC的产量增长迅速，占领了整个PLC市场的
25％。
主要使用于不连续I/O状况，不需在通信与其它先进功能，如应用于单台机床控制等场所；二是随着PLC技术的不断发展，划分PLC规模的I/O点数的界限不断向上增移。
这是由于PLC的结构没计是为了适应各种用户需要，通常是设计成可扩展性的，并且随着微电子技术与通信技术的发展，处理机的性能及其通信能力也在不断扩大所造成的。
2.3PLC的应用及发展阶段
2.3.1PLC的应用
随着PLC技术的飞跃发展，PLC系统已成为一种综合的控制系统，特别是PLC己经深入到智能控制领域中，如在机械手控制、机器人控制[8]、实现离散数学模型等方面都获得广泛应用，使PLC技术已大大超出了过去仅代替继电器电路的范畴。
PLC的输入输出功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量信号的输入和输出，从而使得PLC具备许多控制功能。
（1）取代继电器控制：
在灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、生产流水线等方面进行逻辑控制。
（2）过程控制：
对温度、压力、流量、物位高度等连续变化的物理量进行控制。
（3）位置、速度控制：
在机器人、机床、电机调速等领域进行位置、速度控制。
（4）数据监控：
在电力、自来水处理、化工、炼油、轧钢等方面进行数据采集、监控和控制。
（5）组成分散控制系统：
把PLC作为下位机，与上位机的计算机共同组成分散控制系统。
可以说PLC几乎应用到了工业控制的每一个领域，小到家庭的灯光照明，大到冶金、石化企业的生产过程都有PLC的应用。
2.3.2PLC的发展阶段
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：
（1）早期的PLC（60年代末－70年代中期）
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义［9］，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。
它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式——梯形图。
因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言——梯形图一直沿用至今。
（2）中期的PLC（70年代中期－80年代中，后期）
在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。
这样，使PLC的功能大大增强。
在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。
（3）近期的PLC（80年代中、后期至今）
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
2.4PLC的结构及工作原理
2.4.1PLC的结构
PLC采用了典型的计算机结构，主要由CPU、RAM、ROM和输入输出接口电路等组成，如图2-1所示。
如果将PLC看作一个系统，该系统由输入变量和输出变量组成。
外部的各种开关信号、模拟量信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入到内部寄存器中，经PLC运算处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量。
PLC系统各部分的作用说明如下：
图2-1PLC结构简化框图
（1）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；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。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
（2）存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息，PLC使用两种存储器：
ROM和RAM。
ROM中存放系统程序，包括检查档字、翻译程序和监控程序。
RAM中存放用户程序、逻辑变量和供内部程序使用的工作单元。
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
①系统程序存储器
该存储器存放系统程序（系统软件）。
系统程序是PLC研制者所编的程序，它是决定PLC性能的关键。
系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序库及其他各种管理程序等。
系统程序由制造厂家提供，一般都固化在ROM或EPROM中，用户不能直接存取。
系统程序用来管理、协调PLC各部分的工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等。
②用户程序存储器
该存储器存放用户程序（应用软件）。
用户程序是用户为解决实际问题并根据PLC的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经CPU存放入用户存储器。
为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器使用RAM。
③变量（数据）存储器
变量存储器存放PLC的内部逻辑变量，如内部继电器、I/O寄存器、定时器/计数器中逻辑变量的现行值等，这些现行值在CPU进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内容，所以，变量存储器也采用RAM。
现今用户程序存储器和变量存储器常采用低功耗的CMOS-RAM及锂电池供电的掉电保持技术，以提高运行可靠性。
通常PLC产品资料中所指的内存储器容量，是针对用户程序存储器而言的，且以字（16位／字）为单位来表示存储器的容量。
（3）输入输出单元
输入单元是PLC与工业生产现场的被控设备相连的输入接口，是现场信号进入PLC的桥梁。
输入接口的主要作用是接收指令元件，检测元件传来的信号。
输入接口采用光电耦合电路，目的是把PLC与现场电路隔离，提高PLC的抗干扰能力。
接口电路内部有滤波，电平转移及信号锁存电路。
各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块供用户选用。
输出单元也是PLC与现场设备之间的连接部件，负责把输出信号送给控制对象的输出接口。
输出接口电路一般由微电脑输出接口和功率放大电路组成，其作用将中央处理器送出的
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