PLC在运料小车控制系统中应用.docx
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PLC在运料小车控制系统中应用
一.课程设计的性质与目的
本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。
它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。
通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。
二.课程设计的内容
1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。
2.绘制运料小车控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
3.选择电器元件，列出电器元件明细表。
4.上机调试程序。
5.编写设计说明书。
三.课程设计的要求
1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。
2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。
3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。
主要设计条件
1.PLC实验设备若干。
2.参考文献若干。
设计说明书装订顺序
1.课程设计说明书封面。
2.课程设计任务书。
3.说明书目录。
4.正文（按设计内容逐项书写）。
5.参考文献。
6.附录。
7.课程设计评分表。
计进度安排
1.第一周星期一上午：
课题内容介绍。
2.第一周星期一下午：
仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。
3.第一周星期二～第一周星期五：
确定控制方案。
绘制运料小车控制系统电气控制系统的电气原理图、控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
选择电器元件，列出电器元件明细表。
4.第二周星期一：
试验调试
5.第二周星期二～第二周星期五：
编写设计说明书,答辩。
参考文献
[1]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[2]万太福.可编程序控制器及其应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[3]刘祖润.毕业设计指导.北京：
机械工业出版社
[4]谢桂林.电力拖动与控制.北京：
中国矿业大学出版社
[5]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册.北京：
水利电力出版社
课题PlC在运料小车控制系统中应用
1.任务描述
某自动生产线上运料小车的运动如图所示，运料小车由一台三相异步电动机拖动电动机正转，小车右行，电机反转，小车左行。
在生产线上有5个编码为1～5的站点供小车停靠，在每一个停靠站安装一个行程开关以监测小车是否到达该站点。
对小车的控制除了启动按钮和停止按钮之外，还设有5个呼叫开关（HJ1～HJ5）分别与5个停靠点相对应。
2.设备控制要求
运料小车在自动化生产线上的控制要求如下；
（1）按下启动按钮，系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作；
（2）当小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮HJ的编码时，小车向右运行，运行到呼叫按钮HJ所对应的停靠站时停止；
（3）当小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮HJ的编码时，小车向左运行，运行到呼叫按钮HJ所对应的停靠站时停止；
（4）当小车当前所处停靠站的编码等于呼叫按钮HJ的编码时，小车保持不动；
（5）呼叫按钮开关HJI～HJ5应具有互锁功能，先按下者优先。
第1章可编程控制器（PLC）概况
1.1PLC的定义
国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee-IEC）,1987年的第三版对PLC作了如下的定义:
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。
它采用可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算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。
可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。
可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）存储器（RAM和EPROM）,输入/输出模块（简称为I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。
近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。
它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。
1.2PLC的发展
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，并公开招标提出十项标准:
（1）编程方便，现场可修改程序；
（2）维修方便，采用模块化结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制装置；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制装置竞争；
（7）输入可以是交流115V；
（8）输出为交流115V,2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
（9）在扩展时，原系统只要很小变更；
（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
1969年，美国数字公司（DEC）研制出了第一台可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。
这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。
1.3PLC的特点
PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的:
1）功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；
2）应用灵活，其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合；
3）操作方便，维修容易，稳定可靠。
尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几万小时。
1.4PLC的基本组成
PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。
按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。
整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。
另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。
主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。
组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。
装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。
CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。
1.5PLC的应用领域
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
这特别适合多品种、小批量的生产场合。
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）开关量逻辑控制
取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）通信及联网
PLC通信包括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。
但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制
第2章运料小车的发展概况
由于PLC的不断发展和革新，使得生产线的运输控制也将得到不断的改善和生产率的不断提高，运料小车控制经历了以下几个阶段：
（1）手动控制：
在20世纪60年代末70年代初期，便有一些工业生产采用PLC来实现运料小车的控制，但是由于当时的技术还不够成熟，只能够用手动的方式来控制机器，而且早期运料小车控制系统多为继电器一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。
（2）自动控制：
在20世纪80年代，由于计算机的价格下降，这时的大型工控企业将PLC充分的与计算机相结合，通过机器人技术，自动化设备终于实现了PLC在运料小车控制系统在自动方面的应用。
（3）全自动控制：
现阶段，由于PLC技术的向高性能高速度、大容量发展大型PLC大多采用多CPU结构，不断向高性能、高速度和大容量方向发展。
将PLC运用到运料小车控制系统，可实现运料小车的全自动控制，降低系统的运行费用。
PLC运料小车自动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，维修和改造方便等优点。
第3章控制系统设计
3.1运料小车的运动分析
某自动生产线上运料小车的运动如图所示，运料小车由一台三相异步电动机拖动电动机正转，小车右行，电机反转，小车左行。
在生产线上有5个编码为1～5的站点供小车停靠，在每一个停靠站安装一个行程开关以监测小车是否到达该站点。
对小车的控制除了启动按钮和停止按钮之外，还设有5个呼叫开关（HJ1～HJ5）分别与5个停靠点相对应。
图3-1运料小车示意图
3.2设备控制要求
运料小车在自动化生产线上的控制要求如下；
（1）按下启动按钮，系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作；
（2）当小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮HJ的编码时，小车向右运行，运行到呼叫按钮HJ所对应的停靠站时停止；
（3）当小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮HJ的编码时，小车向左运行，运行到呼叫按钮HJ所对应的停靠站时停止；
（4）当小车当前所处停靠站的编码等于呼叫按钮HJ的编码时，小车保持不动；
（5）呼叫按钮开关HJI～HJ5应具有互锁功能，先按下者优先。
3.3整体方案论证
按照设计要求，只是控制小车正转和反正，所以采用经验设计法。
控制系统图如图3-2所示：
图3-2运料小车控制系统图
根据系统控制要求，分析出如下系统控制流程图：
图3-3控制系统流程图
3.4系统资源分配
3.4.1I\O地址分配
由于CPU模块有14点数字量输入，10点数字量输出，所以不再需要输入＼输出模块。
采用I＼O自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是I0.0~I1.3，输出端子对应的输出地址是Q0.0~Q0.9
3.4.2数字量输入部分
这个控制系统的输入有启动按钮开关、停止按钮开关、5个呼叫按钮开关、5个行程开关共12点输入。
具体的输入分配如表3-4所示：
输入地址
对应的外部设备
I0.0
启动按钮开关
I0.1
停止按钮开关
I0.2
1号站呼叫按钮开关
I0.3
2号站呼叫按钮开关
I0.4
3号站呼叫按钮开关
I0.5
4号站呼叫按钮开关
I0.6
5号站呼叫按钮开关
I0.7
1号站行程开关
I1.0
2号站行程开关
I1.1
3号站行程开关
I1.2
4号站行程开关
I1.3
5号站行程开关
表3-4输入地址分配
3.4.3数字量输出部分
这个控制系统需要控制的外部设备只有控制小车运动的三相电动机。
但是电机有正转和反转两种状态，分别对应正转继电器和反转继电器，所以输出点有2个。
具体的输出分配表如表3-5所示：
输出地址
对应外部设备
Q0.0
电机反转继电器
Q0.1
电机正转继电器
表3-5输出地址分配
3.5系统硬件设计
系统硬件接线图如图3-6、3-7所示：
图3-6主电路
图3-6系统接线图
图中KM1和KM2分别是控制电机正转运行（小车前进）和反转运行（小车后退）的交流接触器。
用KM1和KM2的主触点改变进入电动机的三相电源的相序,即可以改变电动机的旋转方向。
图中KM1的线圈串联了KM2的辅助常闭触点,KM2的线圈串联了KM1的辅助常闭触点,组成了硬件互锁电路。
可以避免由于正反转（小车前进、后退）切换过程中电感的延时作用,导致原来接通的接触器的主触点还未断弧时,另一个接触器的主触点已经合上而造成交流电源瞬间短路的故障。
通过主电路与PLC的控制电路的接线,才能实现PLC对系统的控制。
3.6程序控制梯形图与指令表
3.6.1梯形图
写出送料小车的梯形图，如下图所示：
3.6.2指令表
由系统总梯形图，我们写出送料小车的程序指令，如下图所示：
第4章上机调试程序
4.1呼叫按钮
在该程序中，5个站的呼叫按钮分别用数字1-5来表示。
当按下1号站呼叫按钮开关时，行程开关I0.2得电，数字1传送到VB0；当按下2号站呼叫按钮开关时，行程开关I0.3得电，数字2传送到VB0；依次类推，当按下5号站呼叫按钮开关时，行程开关I0.6得电，数字5传送到VB0。
4.2行程开关
在该程序中，5个站的行程开关分别用数字1-5来表示。
当小车在1号站时，行程开关I0.7得电，将数字1传送到VB0；当小车在2号站时，行程开关I1.0得电，将数字2传送到VB0。
依次类推，当小车在5号站时，行程开关I1.3得电，将数字5传送到VB1。
4.3比较
按下启动按钮和呼叫按钮后，开始对行程开关VB0和呼叫按钮VB1中的数据进行比较。
当VB1>VB0时，即小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮的编码时，小车向左运行；当VB1=VB0时，即小车当前所处停靠站的编码等于呼叫按钮的编码时，小车不动；当VB14.4向左运动
小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮的编码时，小车向左运行，运行到呼叫按钮所对应的停靠站时停止。
4.5向右运动
小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮的编码时，小车向右运行，运行呼叫按钮所对应的停靠站时停止。
4.6调试操作
先按接线图接好线，打开电脑中的“PLC在运料小车控制系统中应用”的程序，在下载到S7-200中。
开始调试：
按下启动按钮I0.0，假定小车初始位置在1号位置，按下行程开关I0.7。
现在开始呼叫：
1号位置呼叫，按下I0.2，Q0.0和Q0.1都不亮，说明电机不转小车停止，拨回I0.2；
2号位置呼叫，按下I0.3，Q0.1亮，说明电机正转小车右行，拨回I0.3；
3号位置呼叫，按下I0.4，Q0.1亮，说明电机正转小车右行，拨回I0.4；
4号位置呼叫，按下I0.5，Q0.1亮，说明电机正转小车右行，拨回I0.5；
5号位置呼叫，按下I0.6，Q0.1亮，说明电机正转小车右行，拨回I0.6；
拨回I0.7。
假定小车初始位置在2号位置，按下行程开关I1.0。
现在开始呼叫：
1号位置呼叫，按下I0.2，Q0.0亮，说明电机反转小车左行，拨回I0.2；
2号位置呼叫，按下I0.3，Q0.0和Q0.1都不亮，说明电机不转小车停止，拨回I0.3；
3号位置呼叫，按下I0.4，Q0.1亮，说明电机正转小车右行，拨回I0.4；
4号位置呼叫，按下I0.5，Q0.1亮，说明电机正转小车右行，拨回I0.5；
5号位置呼叫，按下I0.6，Q0.1亮，说明电机正转小车右行，拨回I0.6；
拨回I1.0。
假定小车初始位置在3号位置，按下行程开关I1.1。
现在开始呼叫：
1号位置呼叫，按下I0.2，Q0.0亮，说明电机反转小车左行，拨回I0.2；
2号位置呼叫，按下I0.3，Q0.0亮，说明电机反转小车左行，拨回I0.3；
3号位置呼叫，按下I0.4，Q0.0和Q0.1都不亮，说明电机不转小车停止，拨回I0.4；
4号位置呼叫，按下I0.5，Q0.1亮，说明电机正转小车右行，拨回I0.5；
5号位置呼叫，按下I0.6，Q0.1亮，说明电机正转小车右行，拨回I0.6；
拨回I1.1。
假定小车初始位置在4号位置，按下行程开关I1.2。
现在开始呼叫：
1号位置呼叫，按下I0.2，Q0.0亮，说明电机反转小车左行，拨回I0.2；
2号位置呼叫，按下I0.3，Q0.0亮，说明电机反转小车左行，拨回I0.3；
3号位置呼叫，按下I0.4，Q0.0亮，说明电机反转小车左行，拨回I0.4；
4号位置呼叫，按下I0.5，Q0.0和Q0.1都不亮，说明电机不转小车停止，拨回I0.5；
5号位置呼叫，按下I0.6，Q0.1亮，说明电机正转小车右行，拨回I0.6；
拨回I1.2。
假定小车初始位置在5号位置，按下行程开关I1.3。
现在开始呼叫：
1号位置呼叫，按下I0.2，Q0.0亮，说明电机反转小车左行，拨回I0.2；
2号位置呼叫，按下I0.3，Q0.0亮，说明电机反转小车左行，拨回I0.3；
3号位置呼叫，按下I0.4，Q0.0亮，说明电机反转小车左行，拨回I0.4；
4号位置呼叫，按下I0.5，Q0.0亮，说明电机反转小车左行，拨回I0.5；
5号位置呼叫，按下I0.6，Q0.0和Q0.1都不亮，说明电机不转小车停止，拨回I0.6；
拨回I1.2。
按下停止按钮I0.1，拨回I0.1，I0.0，调试结束。
备注:
由于实验箱按钮只有I0.0~I0.7，实验中I1.0~I1.3都用接线到I0.0的方式来代替的。
第5章心得与体会
在做这个设计中，我学会了很多以前没学过的知识，也巩固了很多以前没学好的知识，使我的专业理论知识更加扎实，软件操作更加熟练了。
做完这个设计后，我得出几个结论如下：
1、送料小车在硬件设计中，加入了扩展模块，可以在触点不够的情况下方便地实现该小车的系统控制；然后软件设计中，运用了上微分指令，简化了程序，还运用了互锁，确保了系统的正常运行，减少了系统的故障点。
在送料小车的系统中加入了手动操作程序，便于设备的维修，方便操作人员操作。
2、该小车系统在实施的情况下，其成本价格比较高。
3、该小车控制系统的研究方向：
由于本小车系统并不完善，只做了送料，没有设计小车怎么装料和小车到料仓后送料的多少。
这两方面是该系统设计的完善，是将来的研究方向。
最后，经过这次课程设计培养了我们的设计能力以及全面的考虑问题能力。
学习的过程是痛苦的但是收获成功的喜悦更是让人激动的。
相信通过这次课程设计它对我以后的学习及工作都会产生积极的影响。
参考文献
[1]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[2]万太福.可编程序控制器及其应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[3]刘祖润.毕业设计指导.北京：
机械工业出版社
[4]谢桂林.电力拖动与控制.北京：
中国矿业大学出版社
[5]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册.北京：
水利电力出版社
电气与信息工程系课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案的合理性与创造性（10%）
硬件设计或软件编程完成情况（10%）
硬件测试或软件调试结果*（10%）
设计说明书质量（10%）
设计图纸质量（10%）
答辩汇报的条理性和独特见解（10%）
答辩中对所提问题的回答情况（10%）
完成任务情况（10%）
独立工作能力（10%）
出勤情况（10%）
综合评分
指导教师签名：
________________
日期：
________________
注：
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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