PLC保龄球控制系统设计.docx

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PLC保龄球控制系统设计

基于PLC的保龄球自动控制系统的设计

目录

摘要……………………………………………………………………………………2

1.可编程控制器的概论……………………………………………………………3

1.1可编程控制器的产生…………………………………………………3

1.2可编程控制器的定义…………………………………………………3

1.3可编程控制器的特点…………………………………………………4

1.4可编程控制器的工作原理……………………………………………4

1.5可编程控制器的应用领域……………………………………………6

1.6可编程控制器的发展趋势……………………………………………6

2.总体设计方案……………………………………………………………………7

2.1设计题目……………………………………………………………………7

2.2保龄球设备控制要求及特点…………………………………………7

2.3保龄球机械设备运行流程………………………………………………7

2.4PLC控制流程………………………………………………………………8

2.5输入输出信号…………………………………………………………………8

3.硬件电路设计………………………………………………………………………9

3.1PLC硬件配置………………………………………………………………9

3.1.1PLC机型、I/O模块选择……………………………………………9

4.设计的相关图表…………………………………………………………………9

5.设计小结………………………………………………………………………………15

6.参考文献…………………………………………………………………………………16

基于PLC的保龄球自动控制系统的设计

摘要:

可编程控制器由于其在工业控制方面的应用意义日趋明显，并在发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用。

它具有功能强大、使用可靠、维修简单等许多优点，并且在很多地方已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。

与此同时,智能化中央空调也正被广泛地应用,在将其俩双双结合的情况下,不仅促进了科技的发展,也提高了人民生活水平。

本文以OMRON、CPM1A、PLC（40点）为例，结合保龄球设备运行过程控制及其要求，经PLC处理后控制机械进行相应动作，使电气部分与机械配合动作，既满足了设备控制的各项控制要求，又具有结构简单，体积小，可靠性高，开发周期短，成本低等优点，促进了保龄球设备的推广和保龄球运动的普及。

关键词：

保龄球设计PLC控制系统编程

前言:

基于PLC控制的保龄球综合控制系统是保龄球设备的核心部分，包括机械部分和电气部分。

传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。

目前保龄球设备设计使用的可编程控制器（PLC），要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低，维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。

基于PLC控制的电气部分负责与机械配合动作，其机械状态信息和打球信息，经PLC处理后控制机械进行相应动作。

对设备的要求是按照一定的规则把被打到的不规则保龄球瓶按规则要求排列好。

为了完成这项基本功能，机械和电气有分工也有合作。

好的方案标准是：

完成同样的功能，越简单越好。

在此，机电一体化思想体现越充分越好。

1可编程控制器的概论

可编程控制器（ProgrannnableController,PC）是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置，其控制核心是微处理器。

因为开始可编程控制器只能应用于定时、计数及开关量的逻辑控制领域，所以也称为PLC（ProgrannnableLogicController），即可编程逻辑控制器。

它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，备受用户的青睐。

多年来，可编程控制器（以下简称PLC）从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。

今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用，成为现代工业生产自动化控制的三大支柱之一。

1.1可编程控制器的产生

可编程控制器简称PC（英文全称：

ProgrammableController），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：

ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。

 １９６９年美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制 器，并成功地应用在美国通用汽车公司（GM）的生产线上。

但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC。

 70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmablecontroller）。

为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。

1.2可编程控制器的定义

　　1980年，NEMA将可编程控制器定义为：

“可编程控制器是一种带有指令存储器，数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、计数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。

”为加以区别，国内外很多杂志以及在工业现场的工程技术人员，仍然把可编程控制器称为PLC。

为了照顾这种习惯，在以后的介绍中，我们仍称可编程控制器为PLC

1.3可编程控制器的特点

（1）可靠性高、抗干扰能力强

（2）编程简单，使用方便

（3）功能完善，扩充方便

（4）易于安装，便于维护

（5）硬件配套齐全，功能完善，适用性强

（6）采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便

（7）易学易用，深受工程技术人员欢迎

（8）系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造

（9）对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产

（10）体积小，重量轻，能耗低

1.4可编程控制器的工作原理

可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。

目前已被广泛地应用于工业控制中。

可编程控制器（Pro—grammableController）简称PC，为了与个人计算机的PC（PersonalComputer）相区别，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC（ProgrammablelogicController）。

PLC是一种存储程序控制器。

用户根据某一具体的控制要求，编制好程序后，用编程器键入到PLC的用户程序存储器中寄存。

PLC的控制作用就是通过用户程序来实现的。

1．4.1扫描工作方式

　　当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。

由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结果看起来似乎是同时完成的。

这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。

扫描是一种形象化的术语，用作描述CPU是如何完成分配给它的各种任务的方式。

　　扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。

每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。

　　顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了非常有用的保证。

一方面，扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。

另一方面，还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成故障的影响。

1．4．2程序执行过程

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（开或关、即ON或OFF、“1”或“0”）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样，或称输入刷新，然后转入程序执行阶段。

在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。

输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读人。

（2）程序执行阶段

　　在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。

如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序进行扫描。

每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其他元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，然后将执行结果写入到元素映像寄存器中。

这就是说，对于每个元素来说，元素映像寄存器中寄存的内容，会随程序执行的进程而变化。

（3）输出刷新阶段

　　当程序执行完后，进入输出刷新阶段。

此时，将元素映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备（负载），这就是PLC的实际输出。

　　PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。

工作周期的长短与程序的长短（即组成程序的语句多少）有关。

1.5可编程控制器的应用领域

　目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、冶金、机械、石油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力、交通、电信、采矿、建材、食品、造纸、军工、家电交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，并取得了相当可观的技术经济效益。

使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制

（2）模拟量控制　

（3）运动控制　

（4）过程控制　

（5）数据处理

（6）通信及联网

1.6可编程控制器的发展趋势

21世纪，PLC会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。

伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

2.总体设计方案

2.1设计题目是：

基于PLC的保龄球自动控制系统

根据保龄球自动控制系统设计工艺和电气控制目标，可以看出保龄球自动控制系统属于典型的小型开关量输入/输出控制系统，控制要求和连锁要求较多，在调试中需要不断对其改进和扩充。

若采用继电接触器控制，则只能接成固定线路，灵活性太差，也不满足保龄球设备的方便作用，故采用PLC为核心的电气控制方案。

2.2保龄球设备控制要求及特点

保龄球设备由提瓶机、分瓶器、储瓶网、置瓶机、扫瓶机、回球机等六个主要部件组成，各部件的运动不仅必须与其它部件的运动互相协调，满足一定的顺序逻辑关系，而且在控制设备运行的过程中，还要随时检测设备的运行状态，保证设备的准确，这一任务由相应的控制系统来承担，即在控制系统的控制下实现各部件运动的协调。

2.3保龄球机械设备运行流程

（1）保龄球运行流程

保龄球从打球区打出，经滚球区落到输送带上，此时回球电机运行，使之回到提升处，经提升电机传动，来到放球架上，供打球人下一次打球。

（2）保龄球瓶运行流程

保龄球瓶被保龄球打倒后，重新排瓶的运动流程是：

由扫瓶机运行把保龄球瓶扫到输送带上，通过输送带把保龄球瓶从球道板的尾部送到提瓶机，提瓶机检测到有瓶后，把保龄球瓶从提瓶机下方输送到提瓶机上方分瓶机的入口，分瓶机构按顺序把保龄球瓶送到置瓶机构的储球网中，置瓶机构把储瓶网中的瓶放回到球板上。

这样就为下一次打球做好了准备。

提瓶机是连续运行的。

只有当储瓶网中瓶满时，提瓶机动作才停下来。

如果一检测到瓶未满时，提瓶机又重新开始工作。

2.4PLC控制流程

得到开机信号后，进入开机处理程序，首先回球点击开始运行，提瓶点击运行，分瓶电机启动。

当处于可击打状态后（即保龄球瓶已置好，一切正常），发出指示信号。

当检测器检测到有球打击到保龄球瓶时，首先运行当板电动机下降挡板，防止再有球误击球瓶。

球经滚球区落到输送带上，此时回球电机运行，使之回到前提升处，经提升电机传动，来到放球架上。

同时检测保龄球瓶是否被全部击倒，如果被全部击倒，执行保龄球瓶运行流程：

如果没有全部击倒，首先置瓶机构夹起没被击倒的球瓶，然后扫瓶机运行到输送带上进行提瓶处理，最后置瓶机构放下没被击倒的球瓶，等待下一次击打。

准备完成后，运行挡板机电动机上升挡板进入可击打状态。

一轮置瓶最多只能击打两次，第二次后如果球瓶依然没被打到完，直接执行保龄球瓶运行流程。

2.5输入输出信号

（1）主要输入信号

启动信号、停止信号、入球检测信号、回球检测信号、保龄瓶检测信号、提瓶机检测信号、扫瓶机原位检测信号、扫瓶机返回检测信号、夹瓶检测信号、储瓶网检测信号。

（2）主要输出信号

回球电动机、提升保龄球电动机、挡板电动机（正反转）、扫瓶电动机（正反转）、传输带电动机、提瓶电动机、分瓶机构臂电动机（正反转）、分瓶机构夹瓶电磁阀、置瓶机构电动机（上下运行）、置瓶机构电磁阀、指示灯信号。

3.硬件电路设计

3.1PLC硬件配置

在做PLC硬件配置时，应先预估I/O的类型的总数，列出输入/输出表。

在此的基础上，选择PLC型号和各种接口摸板，最后按输入/输出摸板的要求，将输入、输出信号正确连接。

3.1.1PLC机型、I/O模块选择

根据保龄球自动控制系统的要求，可以得出该系统输入、输出数总和为38点，并且全为数字量输入/输出，属于小型的控制系统，。

这种系统用一般的PLC均可满足要求，选型时应将性价比作为重点考虑因素。

因OMRON公司的SYSMAC系列的CPM1A40点型可编程控制器体积小、价格便宜、易于操作、可靠性高等特点，故最终选择了该公司的编程器。

保龄球自动控制系统CPM1A的输入/输出继电器（I/O）地址的分配见表1。

表1CPM1A40点型的输入/输出继电器（I/O）地址的分配

输入继电器号

输出继电器号

00000—00011

00100—00111

01000—01007

01100—01107

4.设计的相关图表

（1）I/O通道分配表。

见表2

表2I/O通道分配表

输入

输出

00000

开机按钮SB1

01000

回球电动机KM1

00001

关机按钮SB2

01001

提瓶电动机KM2

00002

储瓶网检测信号SB3

01002

分瓶机构臂电动机反转KM3

00003

检测信号SB4

01003

置瓶机构电磁阀KM4

00004

置瓶机构电磁阀下限位开关SQ1

01004

置瓶机构电动机反转KM5

00005

置瓶机构电动机正转上限位开关SQ2

01005

置瓶机构电动机正转KM6

00006

保龄球击打保龄瓶信号SB5

01006

信号灯

00007

检测信号SB6

01007

挡板电动机反转（下降）KM7

00008

挡板电动机下降下限位开关SQ3

01101

提球电动机KM8

00009

回球电动机限位开关SQ4

01102

扫瓶电动机正转KM9

00010

保龄瓶未全倒检测信号SB7

01103

扫瓶电动机反转KM10

00011

置瓶电动机正转上限位开关SQ5

01104

挡板电动机正转（上升）KM11

00100

扫瓶电动机正转限位开关SQ6

01105

传输带电动机KM12

00101

扫瓶电动机反转限位开关SQ7

01106

分瓶机构臂电动机正转KM13

00102

挡板电动机上升上限位开关SQ8

01107

分瓶机构夹瓶电磁阀KM14

00103

检测信号SB8

00104

检测信号SB9

00105

分瓶机构臂电动机正转限位开关SQ9

00106

分瓶机构夹瓶电磁阀限位开关SQ10

00107

分瓶机构臂电动机反转限位开关SQ11

00108

检测信号SB10

00109

保龄瓶全倒检测信号SB11

00110

提球电动机限位开关SQ12

（2）I/O接线图。

见图1

图1PLC的I/O接线图

（1）梯形图。

见图2，图3，图4，图5

保龄球自动控制系统梯形图2

保龄球自动控制系统梯形图3

保龄球自动控制系统梯形图4

保龄球自动控制系统梯形图5

5.设计小结

前面各节就是基于PLC的保龄球自动控制系统各环节设计要点作了较为详细6.参考文献

【1】李伟申凤琴机床电器与PLC．西安电子科技大学出版社．2006．

【2】金龙国陈萌可编程控制器原理及应用．中国水利水电出版社．2006．

【3】胡学林编,可编程控制器应用技术.北京:

高等教育出版社.2001.

【4】董锦凤主编，毕业设计指导.西安.西安电子科技大学出版社．2005.

【5】高安邦徐建波新编机床电气与PLC控制技术．机械工业出版社．2006．