PLC运料小车电气控制课程设计.docx

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PLC运料小车电气控制课程设计

单片机应用实训（论文）说明书

课题：

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专业：

学生姓名：

学号：

指导老师：

职称：

√√

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

2010年7月10日

PLC运料小车课程设计

引言

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。

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FX1N在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。

PLC在运料小车控制系统中的应用，具有巨大的经济和社会价值。

本文以PLC控制技术为核心,采用日本三菱FX1s-20MR的PLC,论述了运料小车控制系统的软硬件设计方案及其控制原理,实现了运料小车装料、卸料过程的自动控制.通过实际应用,说明所设计的控制系运行可靠,满足了实际需要。

这正是本课题研究的重点。

1、PLC技术概述

1.1PLC的发展历史与趋势

可编程序控制器的英文为Programmable Controller，在二十实际七十至八十年代一直简称为PC。

由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。

有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。

　　PLC的发展和市场情况

　　1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。

　　在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的——离散量的数据采集监视。

由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。

在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，如表1，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。

　　在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

由于 PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。

目前全世界有200多厂家生产 300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

　　国内PLC生产厂约三十家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。

作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。

　　在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。

但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。

我国市场上流行的有如下几家PLC产品：

　　施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；

　　罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品；

　　西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；

　　GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。

　　PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。

所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。

　　从技术创新的角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS，在机械制造厂要形成FMS柔性制造系统，PLC是基础，所以PLC市场是广阔的。

1.2PLC的主要特点

1.21高可靠性

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

（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构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

1.22、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。

1.23、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。

1.24、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。

1.25、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。

1.26PLC的功能

1、逻辑控制2、定时控制3、计数控制4、步进（顺序）控制5、PID控制6、数据控制：

PLC具有数据处理能力。

7、通信和联网8、其它：

PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：

定位控制模块，数字、模拟量转换模块、高速计数模块等

1.3、PLC的应用领域

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：

1.31开关量逻辑控制

取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，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。

1.32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。

1.33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。

1.34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。

1.35通信及联网

PLC通信含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。

2、实训课题剖析

控制要求：

某车间有4个工作台，送料车往返于工作台之间送料，如图，每个工作台设有一个到位开关（SQ）和一个呼叫按钮（SB）。

具体控制如下：

送料车开始应能停留在4个工作台中任一个到位开关的位置上。

设送料车现暂停于m号工作台（SQm位ON），这时n号工作台呼叫（SBn为ON），若：

（1）.m>n，送料车左行，直至SQn动作，到位停车。

即送料车所停位置SQ的编号大于呼叫按钮SB的编号时，送料车往左运行至呼叫位置后停止。

（2）.m

即送料车所停位置SQ的编号小于呼叫按钮SB的编号时，送料车往右运行至呼叫位置后停止。

（3）.m=n，送料车原位不动，即送料车所停位置SQ的编号与呼叫按钮SB的编号相同时，送料车不动。

2.2设计原理

PLC相当于一个微型计算机，内部有CPU可以用来处理一些普通指令和更多的特殊功能指令。

还有许多的存储器可以存放数据，在作为工业控制的情况下我们

图1-1

图1-1所示为送料小车的模型，根据图中所表达的意思，SQ为行程开关，当小车到达相应的位置时小车就将这个位置的行程开关的常开点闭合、常闭点断开。

PB为呼叫信号，由人工控制。

SW1、SW2分别为起动按钮和停止按钮。

各个器件和PLC软元件及简单说明见图1-2。

图1-2

可以把PLC当成是一个集成了许多继电器的盒子，可以单纯的把PLC当成是一个开关。

因为此次的小车所需的输入、输出比较少，所以使用了三菱的FX2N-48MR型号的PLC。

这个型号的PLC提供了24个输入和24个输出口。

根据图2所列出来的PLC软元件输入只需要10个，输出需要只2个满足设计要求。

在硬件上需要实现电机的正反转，这利用了继电器线圈通电常开点闭合、常点断开的特点来改变电机的旋转方向。

与过程

设计分为硬件和软件2个方面。

首先讲软件，因为在此次实训小组里我主要负责这一块的设计与调试工作。

首先让我们来分析下整个运料小车的控制系统。

如图1所示

图1

我们送料小车的任务主要由两大部分，其中最主要的就是送料小车的PLC梯形图设计，也就是程序设计；其次是步进电机的驱动电路设计。

由于实训指导老师要求，我们只需做出一个电路就行。

因此针对组员的优缺点，我们经过详细而认真的讨论，做出了最优的分配计划。

我跟其他是两个同学主要做程序设计，另外三人则主要负责步进电机的电路设计以及制版工作。

由于明确了分工工作，我们的工作效率大大加快。

我是负责软件部分的，如何处理好呼叫按钮和限位开关的位置关系，成为我们完成设计的主要步骤。

为此我们采用了PLC控制系统。

由于PLC控制系统具有简便的编程性，我们小组将程序一边又一边在模拟软件中进行模拟，去掉了多余的部分，用最少的程序完成实训的要求。

除了PLC控制程序外，还有个问题就是要如何驱动电机正反转呢？

在这个问题上我们小组设计了很多种方案，最后在大家都同意的情况下，我们选择了用L298M来驱动整个电机的正反转。

下面是简单的程序设计介绍。

初始状态如图2所示：

图2

⑤按下启动按钮SB0→②输入继电器X0得电→③#X0[1]闭合→④辅助继电器M0[1]得电。

⑤#M0[2]闭合→⑥辅助继电器M1[2]得电，执行主控指令→⑦主

控触点

#M1[3]闭合，母线移至主控触点#M1【2】后

⑧#M0[1]闭合，自锁

原位不动功能的实现：

若小车停在3位，而3号工作台呼叫，则小车原位不动。

由于小车停在3位，SQ3受压，X13得电，其动断触点X13[4]断开，因此即使SB3闭合，X3得电，#X3[4]闭合，也不能使M3得电，进而使Y0得电，因此小车停在3位不动。

而此时，虽然#X13[5、6、7]闭合，但由于SB4、SB6、SB5未按下，#X4[5]、#X5[6]、#X6[7]断开，因此辅助继电器M4、M5、M6未得电，其动合触点#M4[8]、M5[8]、M6[8]断开，也不能使Y0得电。

至于硬件部分不是我负责，只了解了一部分。

在硬件部分，我们运用了L298M（如图3）来驱动电机正反转。

L298M特点：

1、可实现电机正反转及调速。

2、启动性能好，启动转矩大。

3、工作电压可达到36V，4A。

4、可同时驱动两台直流电机。

5、适合应用于机器人设计及智能小车的设计中。

工作电压方式：

直流

工作电压：

信号端4~6V、控制端5~36V

控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

图3

2．4电路检测与调试

当全部的硬件都焊接到电路板上后，我们对电路板进行了检测。

接上电源后，发现电路板不通电，经过一番检查以后，才发现是在腐蚀电路板的时候将一些线路给腐蚀掉了。

发现原因后，我们用焊锡将断路的部分连接了起来。

再次检测，电流过大。

仔细寻找了错误，才发现是因为粗心，将二极管的正负极接反了。

最后，把所有的错误都找出来以后，再次检测电路，成功。

结论

此次实训主要其实是对PLC的编程过程和操作过程进行熟悉、强化。

相对于实训指导书上的要求，我们所设计的程序已经完全满足了。

虽然将实训要求完成了，但是还有很多方面欠缺考虑，在实际生活中的许多运用问题，我们都忽略掉了。

这是我们的经验跟思维都不够完善的地方。

还有一个比较严重的问题是电路板在制作时松香涂得太多导致在焊接时存在很多的虚焊，造成了电路的不稳定。

在今后的设计中我们应该更多地去考虑一些面向现场和实际使用的问题。

谢辞

这次实训非常感谢给我指导的郭振军老师，没有老师的在上课时候的耐心教导，没有老师在实训期间的耐心指导我们是不能完成整个实训的。

在此还要感谢和我一起制作实训的各位同学。

你们让我明白了，一个人的能力是有限的，大家的力量才是强大的，我们是一个强大的集体，没有你们，我也不能完成这次实训。

参考文献

[1]贺哲荣石帅军.流行PLC实用程序及设计[M].西安电子科技大学出版社，2006：

11~12，222~224.

[2]宋伯生.PLC编程实用指南[M].北京群众出版社，2007

[3]陈苏波.三菱PLC快速入门与实例提高[M].北京人民邮电出版社，2008：

69~70

附录1

附录2

附录3

附录4