工业铲车控制系统设计西门子S7200.docx

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工业铲车控制系统设计西门子S7200

目录

工业铲车控制系统设计（西门子S7-200）3

1PLC4

1.1绪论4

1.2PLC的基本结构5

1.3PLC的功能5

1.4PLC的特点6

1.5限位开关6

1.6PLC的选型6

1.6.1提供的几本容量特色6

1.6.2外围之可扩充能力6

1.6.3PLC的电源规格7

1.6.4PLC的输出规格注意事项7

1.6.5环境条件7

2控制系统设计8

2.1控制要求8

2.2主电路图8

2.3工业铲车操作控制系统示意图9

2.4I/O分配表9

2.5所用原件介绍10

2.6外部接线图12

2.7顺序功能图13

2.9指令表16

3课程设计目的18

4设计总结19

5自我总结20

6期刊21

参考文献22

工业铲车控制系统设计（西门子S7-200）

罗敏

【摘要】

工业铲车作为一种高效多功能的工程机械，在国家建设的各个方面发挥着巨大的作用。

但是铲车自动化及智能化程度低，是在动力机械的基础上，采用液压控制铲斗的升降和翻转，从而实现对土壤、沙石、石灰、煤炭等散装物料的铲装，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业，本文提出了对其进行自动化设计的技术路线和具体思路，采用了西门子PLC编程器对工业铲车控制部分进行线路控制，可以很容易的实现完成逻辑、顺序、定时、技术、数字运算、数据处理功能，实现生产过程的自动控制，提高了生产效率，对其他的生产机械有一定的借鉴意义。

【关键词】西门子PLC控制工业铲车设计

1PLC

1.1绪论

PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，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。

它是随着时代发展和技术应用而发展起来的，相比传统的继电器控制系统，PLC可以使电气控制工作更可靠，更容易维修，更能适应经常变换的生产工艺要求。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数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。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

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，PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

1969年，美国研制出世界第一台PDP-14，1974年，中国研制出第一台PLC，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。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

PLC具有的网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

工业铲车自动化智能低，铲车又叫装载机，是往车辆或其他设备装载散状物料的自行式装卸机械。

装载机也可以进行轻度的铲掘工作，通过换装相应的工作装置，还可进行推土、起重、装卸木料及钢管等作业。

装卸机的动力强，灵活性好，操作简单。

因此广泛应用于建筑、铁路、公路、水电、巷口、矿山、农田基本建设及国防等工程中。

装载机，一般由发动机，变矩器，变速箱，前后驱动桥几个部件组成，装载机被使用在铲，装，卸，运石料和土，挖掘硬土岩石，起重物料等工地。

铲车种类很多。

有徐工15、30、50装载机，常林15、30、50装载机，柳工30、50、852装载机，厦工50，95装载机1，成工30、50装载机，常见的作业方式有I形作业法、V形作业法和L形作业法等。

根据行走系结构可分为轮胎式和履带式两种。

其中轮胎式装载机按其车架结构型式和转向方式又可分为铰接车架折腰转向、整体车架偏转车轮和差速转向装载机3种。

根据作业过程的特点可分为间歇作业式（如单斗装载机）和连续动作式（如螺旋式、圆盘式、转筒式等）装载机。

1.2PLC的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入/输出（I/O）模块、编程器和电源四大部分组成（图1.1）。

可编程序控制器

编程器

接触器

电磁阀

电源

接触器

电源

限位开关

选择开关

按钮

输入模块

PLC

模块

输出模块

图1.1PLC的基本结构

1.3PLC的功能

1、数据采集与输出。

2、控制功能。

包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。

3、数据处理功能。

包括数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。

4、输入/输出接口调理功能。

具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。

5、通信、联网功能。

现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换。

6、支持人机界面功能。

提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。

允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。

7、编程、调试等，并且大部分支持在线编程。

1.4PLC的特点

1）、可靠性高，抗干扰能力强。

2）、配套齐全，适应性强，应用灵活。

3）、编程方便，易于使用。

4）、功能强、扩展能力强、性价比高。

5）、PLC控制系统设计、安装、调试方便。

6）、维修方便、维修量小。

7）、PLC体积小、能耗低、易于实现机电一体化。

1.5限位开关

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。

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。

1.6PLC的选型

1.6.1提供的几本容量特色

（1）输入信号之电压范围。

（2）提供之指令功能：

基本的操作指令、可延伸之应用指令、数据处理指令、算数指令、PID指令等等。

（3）PLC之指令处理速度（即执行速度）通常以usec计。

（4）内含之内存容量,通常以Kbytes计。

（5）定时器、计数器功能。

（6）资料缓存器的容量。

（7）I/O点数的扩充量。

（8）其它特殊功能：

如浮点数运算、万年历与系统时钟、高速计算能力等等。

1.6.2外围之可扩充能力

（l）与个人计算机联机的方便性。

（2）使用个人计算机编译软件之容易性。

（3）D/A或A/D转换模块之供应。

（4）PLC网络功能。

（5）控制运动装置功能，如步进马达、伺服马达、定位控制器。

1.6.3PLC的电源规格

绝大多数是以交流（AC）为电源，应注意如下事项：

（1）电压之范围。

（2）电源断电的可允许瞬问时间为多长，PLC仍不受影响且继续动作。

（3）电源的保护措施，和所能容忍的最大使用电压及电流。

（4）整个机台的功率消耗量为多少V、A或W。

1.6.4PLC的输出规格注意事项

（l）外部电压的型态及值。

（2）是电阻性负载或电感性负载。

（3）当输出开路时的最大泄露电流值。

（4）输出端在0N时及0FF时的反应时间。

（5）输出回路所采用的回路绝缘方式。

1.6.5环境条件

（1）PLC使用的温度范围。

（2）耐震性。

（3）耐撞击性。

（4）耐噪声。

（5）耐电击之能力。

（6）系统的整个绝缘抗阻。

（7）接地的设置。

（8）工作环境的限制，主要是IP防护等级。

2控制系统设计

2.1控制要求

开启系统后，小车应停于初始位置，SQ1压合。

利用开关SM0.1打开电源，然后依次按SB1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5完成以下动作（铲起→向前0.5米→左转90度后，向前0.5米→右转90度后，向前0.5米→右转90度后，后退0.5米→放下）。

2.2主电路图

图2.1主电路图

本图继电器KM1控制M1电动机的正转，继电器KM4控制M1电动机反转，起到控制铲车的铲起与放下的作用；继电器KM3控制M2电动机的正转，KM2控制M2电动机反转，起到控制铲车前进与后退的作用；继电器KM5控制M3电动机反转，KM6控制M3电动机的正转，起到控制铲车左转与右转的作用。

系统设定限位开关压合则做相应的90度旋转，旋转时间为五秒。

2.3工业铲车操作控制系统示意图

图2.2工业铲车操作控制系统示意图

控制要求：

小车有电机驱动，电机正转前进，反转后退。

初始时，小车停于初始位置，限位开关SQ1压合。

（1）按下开始按钮，小车开始铲起物品。

10秒后产物结束，小车按规定路线经过压合SQ2,SQ3,SQ4,前往目的地，压合SQ5放下物品。

（2）10秒后放物结束，按图路线经压合SQ6,SQ7返回原地，压合SQ1再次开始铲起物品······如此循环。

（3）设置预停按钮，小车在工作中若按下预停按钮，则小车在完成一次循环后停止于初始位置。

（4）设置停止按钮，若工作中需立刻停止，则可按下按钮，小车立刻停止。

2.4I/O分配表

输入

输出

符号

作用

输入点

符号

作用

输入点

SB1

开始按钮

I0.0

KM1

铲起

Q0.0

SB2

停止按钮

I1.4

KM2

前进

Q0.1

SQ1

限位开关1

I0.1

KM3

左转90度

Q0.2

SQ2

限位开关2

I0.2

KM4

右转90度

Q0.3

SQ3

限位开关3

I0.3

KM5

后退

Q0.4

SQ4

限位开关4

I0.4

KM6

放下

Q0.5

SQ5

限位开关5

I0.5

SQ6

限位开关6

I0.6

SQ7

限位开关7

I0.7

2.5所用原件介绍

（1）控制按钮开关

控制按钮简称按钮，是广泛应用的一种主令电器.在工作人员没有按压按钮帽时，动触头在复位弹簧作用下与常闭触头接触，将按钮帽按下，动触头就向下移动，先脱离常闭静触头，然后同常开静触头接触。

当操作人员的手指离开按钮帽以后，在复位弹簧作用下，动触头又向上运动，恢复原来的状态，在复位过程中，先是常开触头分断，然后是常闭触头闭合。

按钮采用积木式拼接装配结构，触头数量可根据需要任意拼接，最多可达6常开和6常闭。

工业铲车操作控制设计中铲车的启动和停止按钮以及电机的正反转选择1常开和1常闭类型，其中启动按钮选择钥匙式，停止按钮选择紧急式。

型号为LA18，在操作频率1200次/h的情况下，其电气寿命不少于交流50万次，直流20万次。

（2）左右转90度限位开关

系统设计中铲车的方向的改变通过行程限位开关来控制。

行程开关的主要技术参数有额定电压、额定电流、触点的接触时间、动作力、动作角度或工作行程、触点数量、结构形式和操作频率等。

结构型式中的复位方式有自动复位和非自动复位两种。

铲车的左右转向90度采用自动复位式，统一选用行程开关型号为LX32，额定电压不能超过220V，额定电流不能超过2A，输入输出延迟滞后时间10ms,触点数量1个，操作频率不低于1200次/h，电气寿命不少于交流20万次，不少直流于10万次。

（3）铲车载货压力开关

压力开关采用高精度、高稳定性能的压力传感器和变送电路，再经专用CPU模块化信号处理技术，实现对介质压力信号的检测、显示、报警和控制信号输出。

此次课程设计铲车载货压力开关选用机械压力开关，为纯机械形变导致微动开关动作。

当压力增加时，作用在不同的传感压力元器件产生形变，将向上移动，通过栏杆弹簧等机械结构，最终启动最上端的微动开关，使电信号输出。

压力开关的承受范围下限为10N，上限为200N。

（4）继电器

①输出继电器主要用在控制输出电路的控制上用来控制通断，选用有触点型。

当线圈通电时，使输出触点的常开触点闭合，常闭触点断开。

当线圈断电时使输出触点的常开触点断开，常闭触点闭合。

②热继电器，元件符号用RJ表示，用来对控制电路进行过热保护，操作主要通过人为动作。

最大电流和电压应低于控制装置的最大耐压和最大耐流值。

（4）接触器

接触器的主要技术指标：

吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级一致；额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。

根据负载额定电流，接触器安装条件及电流流经触头的持续情况来选定接触器的额定电流。

根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型。

一般直流电路用直流接触器控制，当直流电动机和直流负载容量较小时，由于PLC电源能够向内部相关模块提供+24V直流电源，所以接触器选用直流型。

（4）熔断器

电气符号为FU。

熔断器核心部件是熔体，在正常情况下，熔体中通过额定电流时熔体不应该熔断，当电流增大至某值时，熔体经过一段时间后熔断并且熄弧，通过熔断来切断电路保护控制装置，这段时间称为熔断时间。

熔断器额定电压不能高于电路的极限电压，额定电流不能高于电路的最高耐压值，极限分段能力应该保证设备安全运行。

（4）电源

电源是有一定的带负载能力的。

当负载超过了电源的容量，电源的输出电压会降低甚至会烧损，PLC的内部电源也一样，此次设计由PLC控制操作的工业铲车的系统时，PLC的输入端口接7个开关，如：

压力开关，按扭等。

此时负载就很大，也许就超过了PLC内部24V电源的负载能力。

考虑到因为短路而使电源烧坏在经济方面因为过载而烧坏PLC给符合经济性原则，此时就需要外接24V供电。

（4）电机

工业铲车操作控制中用电机的正反转来实现铲车前进与后退，考虑到系统规模和所提供的动力系统仅有24V直流电源，鉴于上述因素电机选择型号为小型电动三轮车直流电机，技术指标为额定电压为24V,额定功率为180W。

2.6外部接线图

图2.3外部接线图

2.7顺序功能图

图2.4顺序功能图

2.8梯形图

图2.5梯形图

（一）

图2.6梯形图

（二）

2.9指令表

图2.7指令表

（一）

图2.8指令表

（二）

3课程设计目的

PLC原理及应用课程设计是电气工程及其自动化专业领域重要的实践环节之一，主要以小型实用性PLC控制系统的软、硬件设计为主。

课程设计的目的和任务：

全面熟练掌握PLC的硬件组成以及各种指令的应用，使学生掌握小型PLC应用系统设计的步骤，熟悉和掌握PLC开发系统的应用和软件调试过程，通过设计过程中对故障的分析、判断、检修进一步锻炼和培养学生的动手能力。

4设计总结

在大学阶段学习的过程中，课程设计是一个重要的环节是我们步入社会参与实际工程建设的一次极好的演示，这次课程设计让我更加熟悉了从理论到实践的跨越。

。

从当初的查阅图书，网上搜索，询问他人，到现在的成功调试，这中间有很多值得回味的地方。

它让我对学过的PLC知识进行了巩固，同时也让我了解简单的工业机器控制。

本设计涉及到《可编程控制技器应用技术》、《数字电子技术》等学科。

西门子PLC一开始不懂，经过查阅资料和同学讨论，不断的学习，不断的努力，当克服了这些问题之后，我会感觉到自己的知识在一点一滴地积累，不知不觉中增加。

硬件设计是这个阶段的主要任务：

虽然查阅了很多资料，自己也进行了认真的分析，但因为自己对基本知识掌握的不够牢固，而且有些知识因为学习时间太长而导致遗忘，所以相关的PLC设计进行的不是很顺利，但是在多次翻阅书籍并虚心想同学或学长讨教的情况下将这些问题一一的解决了。

但是自己还有许多地方需要进一步加强学习。

我相信，只要肯钻研，只要挤时间，一切自己想要的知识都可以掌握。

5自我总结

通过本次PLC课程设计的制作，特别是写程序、仿真、修改、继续仿真的过程，我对PLC的运用得到更进一步了解与学习。

特别是对PLC的编程及其文件格式转换有了深入掌握，对PLC的的逻辑功能理解有了加强。

PLC的运用在我们的生活中无处不在，学好PLC我们可以与实际相结合，仿真一些实际操作工具（如本次的工业铲车）。

初次制作PLC课程设计或多或少会出现一些问题，但最终都得以解决，达到了预期效果，理论联系实际的能力得以体现，为以后学习其它知识打下了基础。

6期刊

《西门子S7-200系列PLC对卧式镗床的改造》：

镗床是冷加工中使用比较普遍的设备，主要用于加工精度、粗糙度要求比较高的孔以及各孔之间距离要求较为精确的零件。

如一些箱体零件，他属于精密机床。

它控制电路为继电器控制，接触触点多，线路复杂，故障多，操作人员维修任务比较大。

针对以上各种情况，采用西门子S7－200系列PLC对其进行改进，用PLC软件控制改进其继电器控制电路，克服了继电器控制的缺点，降低了设备故障率，提高设备的使用效率。

改进之后，由于使用故障率下降，运行效率增高，人工劳动强度降低······

大大降低了维护成本，虽然花了经费购PLC，但经改进后的设备的使用运行，效果明显非常好，最大的优势，此改进可避免出现失误操作而引起的事故。

此举改进收到了非常满意并成功的社会效益和经济效益。

参考文献

1、肖清,王忠锋.《西门子PLC课程设计指导书》

2、张万忠,刘明芹.《电气与PLC控制技术》

3、西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.《深入浅出——西门子LOGO!

》

4、知网空间

5、工控论坛

6、中国自控网