工业铲车操作控制PLC控制毕业设计论文.docx
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工业铲车操作控制PLC控制毕业设计论文
《机电传动控制课程设计》报告
题目
工业铲车操作控制
专业
机电一体化
班级
姓名
学号
指导教师
职称
2008年10月2日
摘要
工业铲车自动化及智能化程度低，本文提出了对其进行自动化改造的技术路线和具体思路，论述了应用PLC进行自动化控制的方案；采用三菱PLC编程器对工业铲车控制部分进行线路控制，可以很容易实现完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，通过输入输出接口建立与工业铲车数字量和模拟量的联系，实现生产过程的自动控制，提高了生产效率，对其它的生产机械有一定的借鉴意义。
关键词：
PLC控制、工业铲车、线路保护
目录
第一章前言1
1.1工业铲车简介1
1.2工业铲车控制系统进行PLC改造的目的及意义1
第二章PLC及工业铲车的PLC控制2
2.1PLC的由来及定义2
2.2PLC的发展历程2
2.3PLC的特点3
2.4PLC的抗干扰措施..........................................................................................................5
2.5PLC的原理......................................................................................................................6
2.6PLC的编程语言..............................................................................................................7
第三章工业铲车仿真模型的设计与组装9
3.1驱动部分设计12
3.2传动部分设计12
3.3组装模型（实物模型）12
3.4控制器及接线盒13
第四章PLC控制程序的设计15
4.1I/O分析15
4.2PLC的选择15
4.3FX2N系列编程器介绍15
4.4确定各元件的编号，分配I/O地址16
4.5程序设计说明（各逻辑行的作用见图1-3）17
第五章总结22
第六章致谢..................................................................................................................................23
参考文献：
......................................................................................................................................24
第一章前言
1.1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。
1.2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。
第二章PLC及工业铲车的PLC控制
2.1PLC的由来及定义
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
PLC的定义有许多种。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
2.2PLC的发展历程
第一代：
1969年~1972年，代表产品有
·美国DEC公司的PDP-14/L
·日本立石电机公司的SCY-022
·日本北辰电机公司的HOSC-20
第二代：
1973年~1975年，代表产品有
·美国GE公司的LOGISTROT
·德国SIEMENS公司的SIMATICS3、S4系列
·日本富士电机公司的SC系列
第三代：
1976~1983年，代表产品有
·美国GOULD公司的M84、484、584、684、884
·德国SIEMENS公司的SIMATICS5系列
·日本三菱公司的MELPLAC-50、550
第四代：
1983年~现在，代表产品有
·美国GOULD公司的A5900
·德国西门子公司的S7系列
2.3PLC的特点
1）高可靠性，抗干扰能力强
这是用户关心的首要问题。
为了满足PLC“专为在工业环境下应用设计”是要求，PLC采用了如下硬件和软件措施：
（1）光电耦合隔离和R-C滤波器，有效的防止了干扰信号的进入。
（2）内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。
（3）具有良好的自诊断功能。
可以归CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。
（4）对程序及有关数据用电池供电进行后备。
一旦断电或进行停止，有关状态及信息不会丢失。
（5）采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。
（6）对采用的器件都进行了严格的筛选，排除了因器件问题造成的故障。
（7）采用了余技术进一步的增强了可靠性。
对于某些大型的PLC，还采用了双CPU构成的余系统，或三CPU构成的表决式系统。
随着构成PLC的元件性能上的提高，PLC的可靠性也在相应的提高。
一般PLC的平均无故障时间可达到几万小时以上。
某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后它生产的PLC不在标明可靠性这一指标，因为对PLC这一指标已毫无意义了，经过大量实践，人们发现PLC系统在使用中发生的故障，大多是由于PLC的外部开关，传感器，执行机构引起的，而不是PLC本身发生的。
2）通用性强，使用方便
现在的PLC产品都已经系列化和模块化了，PLC配备有各种各样品种齐全的I/O模块和配套部件供用户使用，可以很方便的搭成满足不同控制要求的控制系统。
用户不在需要自己设计和制作硬件装置。
在确定了PLC的硬件配置和I/O外部接线后，用户所做的工作只是设计而已。
3）程序设计简单，易学易懂
PLC是一种新型的工业自动化控制装置，其主要的使用对象的广大的电气技术人员。
PLC生产厂家考虑到这中实际情况，一般不采用微机所用的编程语言，而采用与继电器控制原理图非常相似的梯形图语言，工程人员学习使用这种编程语言十分方便。
这也是为什么PLC能迅速普及和推广的原因之一。
4）采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，有机架和电缆将各模块连接起来。
系统的功能和规模可根据用户的实际需要自行组合，这样就可实现用户要求的合理的性能价格比。
5）系统设计周期短
由于系统硬件的设计任务仅仅是依据对象的要求配置适当的模块，如同电菜一样方便，这样就大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程的进度。
6）安装简单，调试方便，维护工作量小
PLC一般不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接进行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连，系统就可以投入运行，安装接线工作量比继电器控制系统小的多。
PLC软件设计和调试大都可以在实验室里进行，用模拟实验室开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上的响应发光的二极管，也可以另接输出模拟实验室板。
模拟调试好后，在将PLC控制系统安装到现场，进行联机调试，这样既节省时间又方便。
由于PLC本身故障率很低，又有完善的自诊断功能和显示功能，一旦发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器上提供的信息，迅速查明原因。
如果是PLC本身发生故障，则可以更换模块的方法排除故障。
这样提高了维护的工作效率，保证了生产的正常进行。
7）对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产
PLC实质上就是一种工业控制计算机，其控制操作的功能的通过软件编程来确定的。
当生产工艺发生变化时，不必改变PLC硬件设备，只需改变PLC中的程序，这对现代化的小批量，多品种产品的生产特别合适。
2.4PLC的抗干扰措施
PLC与普通的计算机不同，它直接连接被控设备，因此周围存在很大的干扰。
混入输入电路的干扰或感应电压容易引起错误的输如信号，从而运算出错误的结果，引起错误的输出信号。
因此，为了使控制器可靠地工作，在控制系统设计时需要采取一些有效的抗干扰措施。
1）抑制电源系统引入的干扰
可以使用隔离变压器来抑制电网中的干扰信号，没有隔离变压器时，也可使用普通的变压器，为了改善隔离变压器的抗干扰效果，应注意两点：
（1）屏蔽层要良好的接地。
（2）次级连接线应使用双绞线，以减少电源线间干扰。
使用滤波器在一定的频率内有较好的抗电网干扰的作用。
但是要选择好滤波器的频率范围常常是困难的，为此，常用的方法的既使用滤波器，同时使用隔离变压器。
2）抑制接地系统引入的干扰
在控制系统中，良好的接地可以起到很好的作用：
（1）一般情况下，控制器和控制柜与大地之间存在电位差，良好的接地可以减少由与电位差引起的干扰电流。
（2）混入电源和输入输出信号线的干扰可通过接地引入大地，从而减少了干扰的影响。
（3）良好的接地可以防止漏电流产生的感应电压。
可见，良好的接地可以有效的防止干扰引起的误动作。
3）抑制输入输出电路的引入的干扰
（1）从抗干扰的角度选择I/O模块
1.输入输出信号与内容回路隔离的模块比非隔离的模块抗干扰性能好；
2.晶体管型等无触点输出的模块比有触点输出的模块在控制器侧产生的干扰下；
3.输入模块的输入信号ON-OFF电压差大，抗干扰性能好；OFF电压高，对抗感应电压有利。
4.输入信号响应时间满的输入模块抗干扰性能好。
（2）防输入信号干扰的措施
输入设备的输入信号中的线间干扰，可适应输入模块的滤波使其衰减。
然而，输入信号线与大地见的共模干扰在控制器内容回路产生大的电位差，是引起控制器误动作的主要原因，为了抗共模干扰，控制器要良好的接地。
3）防输出信号干扰的措施
输出信号干扰的产生：
感性负载场合输出信号由“OFF”变为“ON”时，产生突变电流，从“ON”变为“OFF”时是产生反方向感应电势。
另外，电磁接触器等触点回产生电弧，所有这些都有可能产生干扰。
（1）交流感性负载的场合：
在负载两端并接RC流涌吸收器，RC越靠近负载，其抗干扰效果越好。
（2）直流感性负载的场合：
在负载两端并接续流二极管D。
二极管也要靠近负载，其反向耐压应是负载电压的4倍。
（3）在开关时干扰较大的场合对于交流负载可使用双向晶闸管输出模块。
（4）从防止输出干扰的角度来考虑控制器输出模块的选择：
在有干扰的场合要选用有浪涌吸收器的模块，没有浪涌吸收器的模块，仅限于电子式或电动机的定时，小型继电器，指示灯的场合。
4）防止外部接线干扰的措施
控制器外部输入输出的接线不当，很容易造成信号间的干扰，为了防止外部接线产生的干扰，可以采用以下措施：
（1）交流输入输出信号与直流输入输出信号分别使用各自的电缆。
（2）集成电路或晶体管设备的输入信号线，需要使用屏蔽电缆。
屏蔽电缆中屏蔽线处理在输入/输出设备侧悬空，而在控制器侧接地。
（3）控制器的接地线与电源线或动力线分开。
（4）输入输出信号线与高电压，大电流的动力线分开。
（5）30m以下的短距离时，直流和交流输入/输出信号线不要使用一条电缆，必须使用同一条电缆时，直流输入/输出信号线要使用屏蔽电缆。
（6）30--300m中距离的场合，不关直流还是交流信号，输入/输出线都不能使用同一条电缆，输入信号线一定要屏蔽线。
（7）300m以上的长距离场合，可考虑使用中间继电器转换信号，或使用远程I/O通道。
2.5PLC的工作原理
PLC作为一种特殊形式的计算机控制系统，是利用计算机技术对传统的硬件逻辑控制系统“继电器控制”进行"硬件软化"的结果。
但在运行方式上，PLC的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的区别。
继电器控制系统的硬件逻辑采用的是并行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通电或者放电，该继电器的所有触点（不论是常开还是常闭、也不论其处于继电器线路的哪个位置上）都会立即同时动作；而PLC的软件逻辑是通过CPU逐行扫描执行用户程序来实现的，即如果一个逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点并不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异，PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模板等方面作了特别的考虑。
1、循环扫描：
PLC采用了一种不同于普通微型计算机的运行方式---循环扫描方式。
因为继电器控制中各类触点的动作时间一般超过100ms，因此只要PLC运行整个用户程序的时间“扫描周期”小于100ms，其运行结果与继电器控制就没有什么差别。
2、建立I/O映像区：
PLC在输入输出操作上采用定时采样、定时输出的方式。
即在一个扫描周期的固定时刻（一般在扫描周期的开始或结束）采样所有的输入点，采样结果存入RAM中一个区域（输入映像区）。
这样在执行程序时，所需的现场讯息全部从输入映像区中取用，不直接从现场取样。
同样控制讯息输出也不是采取生成一个就输出一个的方法，而是先将它们存放在RAM中的一个区域（输出映像区），扫描周期结束时再将输出映像区中控制讯息集中输出。
通过建立I/O映像区，使PLC成为一个真正的数字采样控制系统；虽然PLC不可能像继电器控制那样随时根据现场输入实时控制现场输出状态，但只要采样周期足够短，即采样频率足够高，这样的采样系统应该完全符合实际系统的需要。
3、特殊功能模板：
由于PLC在扫描周期方面限制了用户程序的长度，这对于一般的数字量控制应该不成问题。
但实际的生产过程对PLC提出了更多得要求：
仿真量处理、死循环控制、网络通讯、高速I/O等。
对于模拟量输入输出以及简单的控制，一般是利用PLC的主CPU和一定的硬件支持，通过相应的软件来实现；其它情况由于牵涉到比较的计算量和CPU运算时间，以及PLC扫描周期的限制，一般采用自带CPU的专用模板，由模板系统软件完成相应的控制任务。
这样，这些模板与PLC主CPU并行工作，两者之间通过总线接口进行联系，主CPU定期向模板发送命令，模板也定期将自身的状态讯息发送给主CPU。
综合以上所述，在完成系统自身初始化以后，PLC系统执行用户程序的循环扫描方式可分为三个阶段：
输入扫描、程序扫描、输出扫描。
而计算量比较大或者响应实时性比较高的应用则由自带CPU的专用模板和专用软件来实现。
PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式。
PLC则采用循环扫描工作方式。
在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。
如此周而不断循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。
所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。
这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为"I（输入）/O（输出）刷新"。
由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。
反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。
由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。
扫描周期的长短主要取决于这几个因数：
一是CPU执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。
对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。
因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。
但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。
应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。
2.6PLC的编程语言
引言
在PLC中有多种程序设计语言,如梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。
梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等。
通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。
功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。
功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用。
由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。
2常用的程序设计语言分类
根据PLC应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言有以下几种:
（1）梯形图（LadderDiagram）程序设计语言
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。
采用梯形图程序设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。
在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。
在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。
因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。
梯形图程序设计语言的特点是:
与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;
与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习;
与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是:
梯形图中的能流（PowerFLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待;
与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互转换和程序检查。
（2）布尔助记符（BooleanMnemonic）程序设计语言
布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。
布尔助记符程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。
布尔助记符程序设计语言具有下列特点:
采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于撑握的特点;
在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计;
与梯形图有一一对应关系,其特点与梯形图语言基本类同。
（3）功能表图（SepuentialFunctionChart）程序设计语言
功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。
它是近年来发展起来的一种程序设计语言。
采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，使系统的操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。
功能表图程序设计语言的特点是:
以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通;
对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计、调试时间;
常用于系统规模校大、程序关系较复杂的场合;
只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的转换进行扫描，因此整个程序的扫描时间较其他程序编制的程序扫描时间要短得多。
功能表图来源于佩特利（Petri）网，由于它具有图形表达方式，能比较简单清楚地描述并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统中存在的象死锁、不安全等反常现象进行分析和建模，在模型的基础上可以直接编程，因此得到了广泛的应用。
近几年推出的可编程控制器和小型集散控制系统中也已提供了采用功能表图描述语言进行编程的软件。
（4）功能模块图（FunctionBlock）程序设计语言
功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。
它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的控制运算或控制功能。
功能模块可以分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的
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