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基于PLC控制的小车自动送料的设计
摘要
本设计是为了实现送料小车的手动和自动化的转化，改变以往小车的单纯手动送料，减少了劳动力，提高了生产效率，实现了自动化生产！
而且本送料小车的设计是由于工作环境恶劣，不允许人进入工作环境的情况下孕育而成的。
本文从第一章送料小车的系统方案的确定为切入点，介绍了为什么选用PLC控制小车；第二章介绍了送料小车的应达到的控制要求；第三章根据控制要求进行了小车系统的具体设计，包括端子接线图、梯形图（分段设计说明和系统总梯形图）和程序指令设计；最后得出结论。
关键词：
运料小车，三菱PLC，线圈，行程开关
第一章绪论
1.1问题的提出及研究意义
传统的运料小车大都是继电器控制，而继电器控制有着接线繁多，故障率高的缺点，且维护维修不易等缺点。
作为目前国内控制市场上的主流控制器，plc在市场、技术、行业影响等方面有重要作用，利用PLC控制来代替继电器控制已是大势所趋。
1.2国内外研究现状
1．2.1国内现状
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.2.2国外现状
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，美国数字设备公司（DEC）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Programmable,是世界上公认的第一台PLC.
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
1.3本文研究的内容
本论文的任务设计一个运料小车往返运动PLC控制系统。
系统控制要求如下：
压下行程开关SQ3，SQ3为小车的原位开关。
按下启动按钮SB2，装料电磁阀YC1得电，延时20s，小车装料结束。
接着控制器KM3、KM5得电，向右快行；碰到限位开关SQ2后，KM5失电，小车慢行；碰到SQ3时，KM3失电，小车停止。
此后，电磁阀YC2得电，卸料开始，延时15s后，卸料结束；接触器KM4、KM5得电，小车向左快行；碰到限位开关SQ1，KM5失电，小车慢行；碰到SQ4时，KM4失电，小车停止，回到原位，完成一个循环工作过程。
整个过程分为装料、右快行、右慢行、卸料、左快行、左慢行六个状态，如此周而复始的循环。
对于突然停电应对小车进行复位，有以下过程完成一个循环，复位---装料---右快行---右慢行---卸料---左快行---左慢行——停止。
图1.1运料小车往返运动示意图
第二章运料小车的设计分析
2.1电机正反转的特点
自动控制是生产机械电气化自动中应用最多和作用原理最简单的一种形式，在位置控制的电气自动装置线路中，由行程开关或终端开关的动作发出信号来控制电动机的工作状态。
若在预定的位置电动机需要停止，则将行程开关的常闭触点串接在相应的控制电路中，这样在机械装置运动到预定位置时行程开关动作，常闭触点断开相应的控制电路，电动机停转，机械运动也停止。
若需停止后立即反向运动，则应将此行程开关的常开触点并接在另一控制回路中的启动按钮处，这样在行程开关动作时，常闭触点断开了正向运动控制的电路，同时常开触点又接通了反向运动的控制电路（如图2.1）。
图2.1控制图
图2.2电动机正反转控制图
为了达到延时应该线圈KT，这时经过一段时间的延时（左右各一个），KT延时常开触点闭合，使KM2通电，达到电机反转向右移动，反之相同。
2.2行程开关的特点
行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。
在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。
因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。
行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。
在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。
行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。
（1）直动式行程开关其结构原理，其动作原理与按钮开关相同，但其触点的分合速度取决于生产机械的运行速度，不宜用于速度低于0．4m／min的场所。
直动式行程开关组成:
推杆、弹簧、动断触点、动合触点。
（2）滚轮式行程开关其结构原理，当被控机械上的撞块撞击带有滚轮的撞杆时，撞杆转向右边，带动凸轮转动，顶下推杆，使微动开关中的触点迅速动作。
当运动机械返回时，在复位弹簧的作用下，各部分动作部件复位。
滚轮式行程开关组成：
滚轮、上转臂、弹簧、套架、滑轮、压板、触点、横板滚轮式行程开关又分为单滚轮自动复位和双滚轮（羊角式）非自动复位式，双滚轮行移开关具有两个稳态位置，有“记忆”作用，在某些情况下可以简化线路。
（3）微动开关式行程开关的组成：
常用的有ZXL系列产品：
推杆、弹簧、压缩弹簧、动断触点、动合触点。
2.3梯形图编程
在使用梯形图编程因遵循自左至右，自上而下的原则，
（1）梯形阶梯都是始于左母线，终于右母线（通常可以省掉不画，仅画左母线）。
每行的左边是接点组合，表示驱动逻辑线圈的条件，而表示结果的逻辑线圈只能接在右边的母线上。
接点不能出现在线圈右边。
（2）接点应画在水平线上，不应画在垂直线上，对此类桥式电路，应按从左到右，从上到下的单向性原则，单独画出所有的去路。
（3）并联块串联时，应将接点多的去路放在梯形图左方（左重右轻原则）；串联块并联时，应将接点多的并联去路放在梯形图的上方（上重下轻的原则）。
这样做，程序简洁，从而减少指令的扫描时间，这对于一些大型的程序尤为重要。
（4）不宜使用双线圈输出。
若在同一梯形图中，同一组件的线圈使用两次或两次以上，则称为双线圈输出或线圈的重复利用。
双线圈输出一般梯形图初学者容易犯的毛病之一。
在双线圈输出时，只有最后一次的线圈才有效，而前面的线圈是无效的。
这是由PLC的扫描特性所决定的。
PLC的CPU采用循环扫描的工作方式。
一般包括五个阶段（如图所示）：
内部诊断与处理，与外设进行通讯，输入采样，用户程序执行和输出刷新。
当方式开关处于STOP时，只执行前两个阶段：
内部诊断与处理，与外设进行通讯。
2.3.1输入采样阶段
PLC顺序读取每个输入端的状态，并将其存入到我们称之为输入映像寄存器的内在单元中。
当进入程序执行阶段,如输入端状态发生改变.输入映象区相应的单元信息并不会跟着改变,只有在下一个扫描周期的输入采样阶段,输入映象区相应的单元信息才会改变。
因此，PLC会忽视掉小于扫描周期的输入端的开关量的脉冲变化。
2.3.2程序执行阶段
PLC从程序0步开始，按先上后下，先左后右的顺序扫描用户程序并进行逻辑运算。
PLC按输入映象区的内容进行逻辑运算，并把运算结果写入到输出映象区，而不是直接输出到端子。
2.3.3输出刷新阶段
PLC根据输出映象区的内容改变输出端子的状态。
这才是PLC的实际输出。
以上简单说明了PLC的工作原理，下面我们再以实例说明为什么编写梯形图程序，不宜重复使用线圈。
如下图所示，设输入采样时，输入映象区中X001=ON，X002=OFF，Y003-ON，Y004=ON被实际写入到输出映象区。
但继续往下执行时，因X002=OFF，使Y003=OFF，这个后入为的结果又被写入输出映象区，改变原Y003的状态。
所以在输出刷新阶段，实际外部输出Y003=OFF，Y004=ON。
许多新手就碰到过这样的问题，为什么X001已经闭合了，而Y003没有输出呢？
逻辑关系不对。
其实就是因为双线圈使用造成的。
注意：
我们所说的是不宜（最好不要）使用双线圈，双线圈使用并不是绝对禁止的，在一些特殊的场合也可以使用双线圈，这时就需要你有较丰富的编程经验和技巧了。
下面我们会谈到这一点。
但对于初学者还是不要冒这个险。
其实，从以上的例子可以看出，重复利用线圈之所以会造成Y003的输出混乱，是由于程序是从上到下顺序执行的缘故造成的。
但如果我们可以改变程序执行的顺序，保证在任何时刻两个线圈只有一个驱动逻辑发生，就可以使用双线圈。
其中，最常用的方法就是使用跳转指令。
2.4功能指令
功能转移图与步进梯形图表达的都是同一个程序，其优点是让用户每次考虑一个状态，而不必考虑其它的状态，从而使编程更容易，而且还可以减少指令的程序步数。
功能转移图中的一个状态表示顺序控制过程中的一个工步，因此步进梯形图也特别适用于时间和位移等顺序的控制过程，也能形象、直观的表示顺序控制。
功能编程开始时，必须用STL使STL接点接通，从而使主母线与子母线接通，连在子母线上的状态电路才能执行，这时状态就被激活。
状态的三个功能是在子母线上实现的，所以只有STL接点接通该状态的负载驱动和状态转移才能被扫描执行。
反之，STL接点断开，对应状态就为被激活，前一状态就自动关闭。
状态编程的这一特点，使各状态之间的关系就像是一环扣一环的链表，变得十分清晰单纯，不相邻状态间的繁杂连锁关系将不复存在，只需集中考虑实现本状态的三大功能既可。
另外，这也使程序的可读性更好，便于理解，也使程序的调试、故障的排除变得相对简单。
（1）初始状态的编程
初始状态一般是指一个顺控工艺最开始的状态，对应于状态转移图初始位置是状态就是初始状态。
S0~S9共10个状态组件专用作初始状态，用了几个初始状态，就可以有几个相对独立的状态系列。
初始状态编程必须在其它状态前，如图2.3中将S2作为初始状态。
开始运行后，初始状态可以有其它状态来驱动，如图7-3中将状态S22来驱动初始状态S2的。
但是首次开始运行时，初始状态必须用其它方法预先驱动，使它处于工作状态，否则状态流程就不可能进行，一般利用系统的初始条件。
2.3动力头1状态转移图
如可由PLC从STOP-RUN切换瞬间的初始脉冲使特殊辅助继电器M8002接通来驱动初始状态。
图2.4中就是用这一方法来使S2置1的。
更好的初始状态编程可用后面介绍的IST指令来编制。
每一个初始状态下面的分支数总和不能超过16个，这是对总分支数的限制，而对总状态数则没有限制。
从每一个分支点上引出的不能超过8个，所以超过8个的分支不能集中在一个分支点上引出。
图2.4初始状态S2的驱动梯形图
（2）一般状态的编程：
先负载驱动，后转移处理。
除了初始状态外，一般状态组件必须在其它状态后加入STL指令来进行驱动，也就是说不能用除状态组件之外的其他方式驱动。
一般状态编程时，必须先负载驱动，后转移处理。
所以，都要使用步进接点STL指令，以保证负载驱动和状态转移都是在子母线上进行。
如图2.5中，拿状态S20的STL来看，当S20的STL接点被接通后，先是用OUT驱动输出线圈Y000，然后才是用啊“SETS21”指令决定转移方向，转向下一相邻状态S21。
状态组建不可重复使用。
图2.5步进梯形图
（3）相邻两个状态中不能使用同一个定时器，否则会导致定时器没有复位机会，而引起混乱；子啊非相邻的状态中可以使用同一个定时器。
如图2.6所示。
2.6相邻状态不能使用同一个定时器
（4）连续转移时用SET，非连续转移时用OUT.
若某个状态向相邻的下一个状态连续转移时应使用SET指令，但若向非相邻状态转移时改用OUT.如图7-5中S26向S2转换时，就不能用OUT，而要用SET。
（5）在STL指令后面不能紧接着使用MPS。
STL和RET指令之间不能使用MC、MCR指令。
在中断服务程序或者子程序中不能使用STL指令；在状态内部最好不要使用跳转指令CJ，以免引起混乱。
2.5功能图的构成要素
功能图通常由初始状态、一系列一般状态、转移状态和转移条件组成。
每个状态提供3个功能：
驱动有关负载、指定转移条件和转移目标。
图2.7单流程SFC
如图2.6所示，S2是初始状态，S20、S21、S22便是一般状态，X000~X004是转移条件，Y001~Y004是转移负载。
初始状态S2的转移条件是X000,S2的驱动负载是Y001,S2的目标是S20。
表2-1状态组件S的分类表
分类
点数
组件
初始状态
10点
S0~S9
回零状态
10点
S10~S19
通用状态
480点
S20~S499
保持状态
400点
S500~S899
报警状态
100点
S900~S999
2.6SET/RST指令
SET为置位指令，RST为复位指令，占一个程序步。
SET/RST指令用于线圈（Y、S、M）的自保持功能，相当于一个R、S触发器，其中S为置位端，使线圈接通，R为复位端，使线圈断电，指令使用方法及波形如图2.9所示。
图2.8梯形图图2.9波形图
（1）编写如下程序，观察结果是否和输入输出波形一致。
①X0一旦接通后，即使它再次为OFF，Y0依然被驱动（Y0为ON）
②X1一旦接通后，即使它再次为OFF，Y0则将关断。
第三章运料小车运行的功能图设计
3.1控制要求
小车处于最左端时，压下行程开关SQ4，SQ4为小车的原位开关。
按下启动按钮SB2，装料电磁阀YC1得电，延时20s，小车装料结束。
接着控制器KM3、KM5得电，向右快行；碰到限位开关SQ1后，KM5失电，小车慢行；碰到SQ4时，KM3失电，小车停止。
此后，电磁阀YC2得电，卸料开始，延时15s后，卸料结束；接触器KM4、KM5得电，小车向左快行；碰到限位开关SQ2，KM5失电，小车慢行；碰到SQ3时，KM4失电，小车停止，回到原位，完成一个循环工作过程。
整个过程分为装料——右快行——右慢行——卸料——左快行——左慢行六个状态，如此周而复始的循环。
图3.1轨迹图
3.2输入/输出端口设置
运料小车往返运动PLC控制系统的输入/输出端口设置如下所示。
输入:
SB2——X0
SQ1——X1
SQ2——X2
SQ3——X3
SQ4——X4
输出:
装料电磁阀YC1——Y1
卸料YC2——Y2
KM3————Y3
KM4————Y4
KM5————Y5
3.3状态图
运料小车往返运动PLC控制系统的状态表如表3-1所示。
表3-1状态表
工步号
状态号
状态输出/状态功能
状态转移
原位
S0
PLC初始化：
S0
第一工步
S20
YC1得电，装料KM4失电，回到原位（或起点），计时20s
S0----S20
第二工步
S21
KM3、KM5得电，右快行
S20----S21
第三工步
S22
KM5失电，右慢行
S21----S22
第四工步
S23
KM3失电，卸料，计时15s
S22----S23
第五工步
S24
KM4、KM5得电，左快行
S23----S24
第六工步
S25
KM5失电，右慢行
S24----S25
3.4状态转移图
运料小车往返运动PLC控制系统的状态转移图如图3.2所示。
如图3.2所示，在由停止转入运行时，通过M8002使初始状态S0动作，。
按下启动按钮SB2时状态由S0转移到S20，电磁阀YC1得电，同时接触器KM4复位，定时器计时20s，此状态为装料，在这期间小车装料。
计时20后，小车装料结束，状态从S20转移到S21，接触器KM3、KM5得电，小车向右快行。
小车向右运动碰到右限位开关SQ1后，接触器KM5失电，状态从S21转移到S22,小车慢行。
小车向右运动压下右行程开关SQ3后，接触器KM3失电，小车停止，电磁阀YC2得电，状态从S22转移到S23,计时卸料15s。
卸料结束后，接触器KM4,KM5得电，状态从S23转移到S24,小车向右快行。
小车向左运动碰到右限位开关SQ2后，接触器KM5失电，状态从S24转移到S25,小车慢行。
小车向左运动压下右行程开关SQ4后，接触器KM4失电，小车停止，电磁阀YC1得电，状态从S22转移到状态S20,第二次计时装料20s，如此循环。
图3.2运料小车的状态示意图
3.5梯形图
3.6指令表
表3-2指令表
0
LD
M8002
25
SET
S23
1
SET
S0
27
SET
S23
3
STL
S0
28
OUT
Y002
4
LD
X000
29
RST
Y003
5
SET
S20
30
OUT
T2K150
7
STL
S20
33
LD
T2
8
OUT
Y001
34
SET
S24
9
RST
Y004
36
STL
S24
10
OUT
T1K200
37
SET
Y004
13
LD
T1
38
SET
Y005
14
SET
S21
39
LD
X001
16
STL
S21
40
SET
S25
17
SET
Y003
42
STL
S25
18
SET
Y005
43
RST
Y005
19
LD
X002
44
LD
X003
20
SET
S22
45
OUT
S20
21
STL
S22
47
RET
22
RST
Y005
48
END
23
LD
X004
3.7接线图
运料小车往返运动PLC控制系统的接线图如图3.6所示。
图3.6运料小车往返运动PLC控制系统的接线图
总结
毕业设计是在教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。
通过毕业设计，能使我们综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。
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，几乎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，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。
随着经济的不断发展，运料小车的应用也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。
但是，传统的继电器接触器控制在工作中已经暴露出种种弊端，因此，新的控制设计已成为社会发展的必然趋势。
本设计运用的可编程控制器实现的自动运料小车控制器，避开了以往继电器接触不良、开关易损坏等缺点，可靠性和稳定性都有所提高。
在检测小车是否到达呼叫停靠点的时候，运用了行程开关使小车的停靠位置更加准确。
同时，由于输入输出很明显，不需要好多额外的外接电路，让设计更简洁。
这也是采用了成熟的可编程控制器带来的好处。
即使在出现故障、紧急停止等环节中都能快捷操作。
致谢
本文的研究工作是在我的指导教师赵翔老师的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师辛勤的汗水和心血。
老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。
从尊敬的老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。
在此我要向我的老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。
在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！
衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师！
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