基于PLC的装卸料小车控制系统设计.docx
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基于PLC的装卸料小车控制系统设计
河南工业职业技术学院
HenanPolytechnicInstitute
毕业设计（论文）
题目基于PLC的装卸料小车控制系统设计
班级机电1403
姓名
指导教师张XX
摘要
早期装卸料小车电气控制系统多为继电器—接触器组成的复杂系统,随着经济的发展,运料小车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.将PLC应用到装卸料小车电气控制系统以其可靠性高、逻辑性能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通讯联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速计数与控制等高性能模块等的优异性能，正在日益取代大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电器－接触器控制系统,在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。
PLC应用的深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一，只要经过精心的布置安排,PLC能够实现几乎所有目前实际生产中的动作。
本课题要求两台正反转电动机分别控制小车的加料、卸料的动作.自动装卸线通过PLC控制能够按规定顺序自动完成所要求的所有动作。
本设计课题仅较浅层次的讨论了PLC控制自动装卸线的动作控制过程。
关键词：
PLC，控制系统，组态
目 录
前 言
随着我国社会经济的迅速发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大，为了改变落后的生产状态，缓解日趋紧张的供求关系，我们研究了多功能小车.
新中国成立特别是改革开放以来，我国社会主义现代建设取得了举世瞩目的伟大成就,同时，必须清醒地看到，我国处于并将长期处于社会主义初级阶段,全面建设小康社会，既面临难得的历史机遇，又面临一系列严峻的挑战，经济增长过度依赖能源、资源消耗，环境污染严重;经济结构不合理，农业基础薄弱，高科技产业和现代服务发展滞后;自主创新能力较弱，企业核心竞争力不强，经济效益有待提高。
在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面，有诸多困难和问题亟待解决.从国际上看，我国也将长期面临发达国家在经济、科技等方面占有优势的巨大压力。
为了抓住机遇、迎接挑战，我们需要进行多方面努力,包括统筹全局发展，深化体系改革，健全民主法制,加强社会管理等。
与此同时，我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新,带动生产力质的飞跃，推动经济社会的全面、协调、可持续发展。
科技工作的指导方针是:
自主创新，重点跨越，,支撑发展,引领未来，自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收而创新.重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优越、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。
支撑发展，就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。
引领未来,就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。
这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。
要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。
在对为开放条件下推进社会主义现代化建设，必须认真学习和这充分借鉴人类一切优秀文明成果。
改革开放30多年来，我国引进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。
但是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化和再创新，势必削弱自主研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。
总之，必须把提高自主创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个发面，贯彻到各个产业、行业和地区，大幅度提高国家竞争力。
我国科学技术发展的总体目标是：
自主创新能力显著增强,科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强,为全面建设小康社会提供强有力的支撑；基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础,形成比较完善的中国特设国家创新体系.
企业现代化规模的不断扩大和深化,使得生产物的输送成为生产物流系统中的一个重要环节，运料小车自动控制正是用来实现输送生产物的控制系统,随着PLC的发展,国外生产线上的运输控制系统非常广泛的采用该控制系统，而且有些制造厂还开发研制出了专用的逻辑处理控制芯片，我国的大部分工控企业的运料小车自动控制系统都是从国外引进的，成本高，为了满足现代生产流通的需要,让PLC技术与自动化技术相结合，充分的利用到我国的工控企业生产线上，让该系统在各种环境下都能够工作,而且成本低，易控制，安全可靠，效率高。
第1章绪论
1.1课题背景
随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程控制器的功能已远远超出了顺序控制的范围。
被称为可编程控制器（ProgrammableControllerPC简称PLC）。
而可编程控制器是以微处理器为核心，综合了计算机控制、自动化、通讯网络等技术的一种通用的工业控制装置。
它采用可以编程序的储存器,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。
在生产现场中,尤其是在一些自动化生产线上，经常会遇到一台送料车在生产线上根据要求，多地点随机卸料;或是装料车多地点搜集成品。
实现小车装卸料系统控制有很多方法来实现,可以用单片机、可编程控制器PLC等器件来实现。
但在单片机控制系统电路中需要加入A/D,D/A转换器，线路复杂，还要分配大量的中断地址。
而且单片机控制电路易受外界环境的干扰，也具有不稳定性。
另外控制程序需要具有一定编程能力的人才能编译出，在维修时也需要高技术的人员才能修复,所以在此也不易用单片机来实现.所以我们采用可编程器PLC对装卸料小车进行控制，而PLC具有很多优点，因此我们归纳出:
可编程控制器PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；安装，操作和维护也较容易;编程简单，PLC的基本指令不多，编程器使用比较方便，程序设计和产品调试周期短，具有很好的经济效益，此外PLC内部定时、技术资源丰富，可以方便的对装卸料小车的控制。
1。
2运料小车控制发展的历程
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，只能够用手动方式来控制机器，而且早期运料小车控制系统多为继电器与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载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的技术向高性能、高速度、大容量方向发展，大型PLC大多采用多CPU结构。
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
1.3PLC的循环扫描工作
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令,则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环,每一个循环称为一个扫描周期.
1。
输入刷新阶段
在输入刷新阶段,PLC逐个扫描每个输入端口，将所有输入设置当前状态保存到相应的存储区，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成后关闭输入端口,转入程序执行阶段。
2。
程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行,并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器.当用户程序被完全扫描一遍后，所有的输出映像都被依次刷新，系统进入下一输出刷新阶段。
3.输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路,并通过一定输出方式输出,驱动外部相应执行元件工作,这才形成PLC的实际输出.
显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。
扫描周期越长，响应速度越慢.由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。
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会相应地发生变化。
反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化,则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。
这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的,不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力.这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的.而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次,而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。
但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序,必要时采用一些特殊功能,以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。
第2章设计要求
2.1控制系统工作原理
在生产现场中，尤其是在一些自动化生产线上，经常会遇到一台送料车在生产线上根据要求，多地点随机卸料；或是装料车多地点搜集成品。
在如图2-1所示的卸料小车，可根据要求在五个位置卸料,因此，它有三个状态:
左行（电动机正转）、右行（电动机反转）、及停车。
SQ1～SQ5为五个停车位置的行程开关，小车压上时为ON，SB1～SB5为选择小车停车位置的按钮。
图2-1运料小车示意图
2.2控制要求
1.如果所按选择小车停车位置的按钮号与小车所压下的行程开关号相等时，按下起动按钮SB，小车仍停车。
2.如果所按选择小车停车位置的按钮号大于小车所压下的行程开关号时，按下起动按钮SB，小车右行，直到两者相等时停车。
3.如果所按选择小车停车位置的按钮号小于小车所压下的行程开关号时，按下起动按钮SB，小车左行,直到两者相等时停车。
2。
3设计步骤
1.详细分析被控对象并提出控制要求。
详细分析被控制对象的工艺过程及工作特点，链接被控对象机，点,液等等之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求,确定方案.
2.确定输入及输出设备。
根据控制要求，确定系统所需的各种输入和输出的设备，从而进一步确定设备,和I/O点数。
3。
分配I/O点并设计外围硬件线路。
应选合理的选用PLC的I/O点的数量以免浪费,但也必须留有余量。
分析硬件线路图以保证设计的合理化。
4.程序设计.
根据程序需要，采用合理的程序,完成制定功能。
5。
整理技术文件.
技术文件包括设计说明书、各种功能安装图、电气原件明细表等。
第3章控制系统硬件设计
3。
1主电路图
主电路：
是电气控制线路中大电流通过的部分，包括从电源到电机之间相连的电器元件；一般由组合开关、主熔断器、接触器主触点、热继电器的热元件和电动机等组成，其电路标号由文字标号和数字组成。
三相交流电源引入线采用L1、L2、L3标号,下图为本设计的主电路原理图,如图所示3-1。
该电路图有KM1和KM2两个开关，通过分别接通KM1和KM2来控制小车的正反转.假设接通KM1为正转,接通KM2为反转。
图3—1主电路图
3.2主要硬件设备
3。
2。
1PLC的选型
在此次的运料小车的设计中主要根据工艺要求、控制对象、设备控制要求等方面选择合适的PLC,以获得最佳的性能价格比，就一个控制系统而言，PLC的选型原则和考虑因素如下：
1.PLC一般用于开关量控制为主兼有模拟量控制的系统,尤其适合与动作频繁、逻辑关系复杂、程序多变的系统。
应用于这样的系统，将会最大限度发挥技术经济效果.
2。
是否与计算机连接，是否要求构成网络信息系统,以及对远程站的设置要求，是否需要中断输入、双机设备、位置控制、高速计数器等特殊模块和智能模块。
3。
开关量I/O点数、模拟量I/O点数、电压等级及输出功率、内存容量，I/O点数直接关系到PLC输入/输出模块的选择，I/O点数一般要考虑1-2G的余量,特别是开关量输入更应考虑多些余量;适合的电压等级可提高PLC的抗干扰能力；主机用户内存容量的大小对设备费用的影响不大，故建议内存容量可选大一些。
4。
其他考虑因素选择PLC还要对其外型、结构、系统组成、设置条件、价格、技术服务、应用业绩等多项指标综合分析比较，然后才能确定理想的PLC产品.
5.综合以上的参考和计算需要,最终选择西门子S7-200系列的PLC，此PLC在各方面都能达到要求而且性价比比较高。
3。
2。
1电动机的选择
电动机按转子结构形式分类：
三相笼型异步电动机和三相绕线型异步电动机。
电动机型号根据以下几个方面选择：
1.功率的选择
要为某一生产机械选配一台电动机,首先考虑电动机的功率需要选择多大，合理选择电动机的功率具有重大的经济意义。
在本次设计中运料小车装满料重500kg,小车的车轮半径0.2m,小车与轨道之间的摩擦系数μ=0。
1，假设在启动阶段加速时的加速度为0.3m/s
，则匀速行驶的滚动摩擦力矩T=500kg×9。
8×0。
1/100=441Nm
2.电动机结构的选择
因为用的是三相交流电源，在交流电动机中，三相笼型异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、工作可靠、价格低廉；主要的弊端是调速困难，功率因数比较低，启动性能比较差，由于送料小车要求的机械特性比较硬而且没有特殊的调速要求，所以可以采用笼型电动机。
3.结构形式的选择
生产机械的种类繁多,它们的工作环境也不尽相同。
因此,有必要要保证在不同环境中能安全的可靠运行.电动机常有下列几种结构型式：
（1）开启式在构造上无特殊防护装置，运用于干燥、无尘场所。
通风好。
（2）防护式在机壳或端盖下面有通风罩，以防止杂物掉进去。
（3）封闭式封闭式电动机外壳严密封闭,电动机靠风扇冷却，并且在外壳带有散热片。
使用在灰尘多、潮湿、盐碱、腐蚀性强的场所。
（4）防暴式整个电机严密的封闭，多用于矿井中。
综上所述，运料小车所处的环境而选择封闭式的电动机。
4。
电动机电压的选择
Y系列的电动机的额定电压只有380V一个等级。
5。
电动机转速的选择
电动机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的.通常情况下转速不低于500r/min，异步电动机通常采用4个极的，则同步转速n
=1500r/min的。
见表2—1所示。
表2-1运料小车电动机的参数
符号
名称
型号
规格
台数
M
三相异步电动机
Y160M1-2
功率 7.5kw
额定电流21.8A
转速2930r/min
重量 68kg
1
3.3I/O接线图
S7—200PLC系列CPU提供一定数量的主机数量I/O点，当主机点不够或者处理的信息是模拟时，就必须使用宽展的接口块。
S7-200PLC的接口模块有数量模块、模拟量模块和智能模块等。
CPU模块采用整体式结构，它的体积小、价格低，CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱形机壳内,前盖下面有模式选择开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。
I/O模块中输入8点，输出10点,可实现高速输入输出响应,内部具有高速计数和中断处理功能。
PLC的输入输出端子均接到相应的接线端子排,输入输出信号通过这些接线端子排可由其它地方直接引入,这些接线端子排的布置与PLC的输入输出端子以及电源端、接地端和公共端的实际位置一一对应.I/O模块接口将输入输出信号引入到控制台上.
PLC外部硬件接线图如图3—2所示。
图3—2I/O接线图
3。
4I/O地址分配
数字量输入模块的每一个输入点可接一个来自用户设备的离散信号（ON/OFF），典型的输入设备有：
按钮、限位开关、选择开关、继电器接触点等.每个输入点与一个且仅一个输入相连，通过输入接口电路现场开关信号变成CPU能接受的标准信号。
数字量输出模块的每一个输出点能控制一个用户的离散（ON/OFF）负载。
典型的负载包括:
继电器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯等.每一个输出点与一个且仅与一个输出电路相连，通过输出电路把CPU运算处理的结果转换成驱动现场执行机构的各种大功率开关信号.
输入和输出设备I/O点设计见表3-2所示.
表3—2PLC的I/0分配表
输入信号
输出信号
启动按钮SB6
I0。
0
接触器线圈KM1
Q0。
0
停止按钮SB7
I0。
1
1号站呼叫按钮SB1
I0。
5
接触器线圈KM2
Q0。
1
2号站呼叫按钮SB2
I0.6
3号站呼叫按钮SB3
I0.7
4号站呼叫按钮SB4
I1.0
5号站呼叫按钮SB5
I1.1
行程开关SQ1
I1.2
行程开关SQ2
I1.3
行程开关SQ3
I1.4
行程开关SQ4
I1.5
行程开关SQ5
I1。
6
第4章PLC程序设计
4。
1程序设计
PLC控制系统是为工艺流程服务的,所以它首先要能很好的实现工艺提出的控制要求。
PLC控制系统的设计应遵循以下原则：
1。
根据工艺流程进行设计，力求设计出来的控制系统能最大限度满足控制要求。
2.在满足控制要求的前提下,尽量减少PLC系统硬件费用。
3。
考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑到PLC的可扩展性.
3.控制系统使用和维护方便、安全可靠.
4。
1.1程序梯形图
梯形图是用的最多的PLC图形编程语言。
梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。
它与电器控制线路图相似。
继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式,具有形象、直观、实用的特点.因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。
在梯形图中，有两根竖直的直线，被称为母线，现在很多PLC只保留了左边的母线，而把右边的母线略去不写。
在梯形图中引入了“能流”的概念.左边的母线就如电源的“正极"，而右边的母线就如电源的“负极"。
如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励.如果没有能流，则线圈未被激励，“能流”在任何时刻都不会通过接点自右向左流。
本次设计的梯形图如图4—1所示。
图4-1程序梯形图
4。
1。
2程序指令语句
LDSM0。
0
LPS
AI0。
0
SM0.0，1
LPP
AI0。
1
RM0.0，1
RM10。
0，5
RQ0.0,2
LDM0。
0
LPS
AI0.5
ANM10.1
ANM10。
2
ANM10。
3
ANM10。
4
SM10。
0，1
LRD
AI0.6
ANM10。
0
ANM10。
2
ANM10。
3
ANM10。
4
SM10.1,1
LRD
AI0。
7
ANM10。
0
ANM10。
1
ANM10.3
ANM10.4
SM10。
2,1
LRD
AI1.0
ANM10。
0
ANM10.1
ANM10。
2
ANM10。
4
SM10。
3,1
LPP
AI1.1
ANM10。
0
ANM10.1
ANM10.2
ANM10。
3
SM10。
4,1
LDM0。
0
LDM10.0
AI1。
2
LDM10.1
AI1.3
OLD
LDM10。
2
AI1.4
OLD
LDM10.3
AI1。
5
OLD
LDM10。
4
AI1。
6
OLD
ALD
RM10.0,5
RQ0。
0,2
LDM0.0
LDM10.0
LDI1.3
OI1.4
OI1。
5
OI1。
6
ALD
LDM10.1
LDI1.4
OI1.5
OI1.6
ALD
OLD
LDM10。
2
LDI1.5
OI1.6
ALD
OLD
LDM10.3
AI1.6
OLD
ALD
ANQ0.1
SQ0.0,1
LDM0.0
LDM10.1
AI1。
2
LDM10.2
LDI1.2
OI1.3
ALD
OLD
LDM10。
3
LDI1。
2
OI1。
3
OI1.4
ALD
OLD
LDM10。
4
LDI1。
2
OI1。
3
OI1。
4
OI1.5
ALD
OLD
ALD
ANQ0。
0
SQ0.1，1
第5章系统调试及组态设计
5。
1PLC程序功能调试
双击桌面上的STEP7-Micro/WIN图标，打开编程软件,在程序区编辑4。
1.1节的梯形图。
5。
1。
1PLC与计算机通信设置
双击指令树的“通信”文件夹中的“设置PG/PC接口”图标,进入“设置PG/PC接口”对话框设置编程计算机的通信参数，具体如下:
1。
选择通信硬件
打开“设置PG/PC接口"对话框后，在“已使用的接口参数分配”列表框中，选择通信协议，本设计使用PPI多主站电缆,选择“PC/PPIcable（PPI）”,在“应用程序访问点”列表框中，将出现“Micro/WIN-＞PC/PPIcable（PPI）”。
2.设置PC/PPI电缆的PPI参数
在“设置PG/PC接口”对话框中单击“属性”按钮,将会出现“属性-PC/PPIcable（PPI）"对话框，对“站参数”设置：
地址（A）设为0；超时（T）设为1S;对“网络参数”设置：
传输率设为9.6kbps；最高站地址设为31。
单击“本地连接"选项卡，选择连接PC/PPI电缆的计算机的RS-223C通信接口（COM口）。
设置完成后点击“确定”按钮。
3。
设置S7-200的波特率和站地址
双击指令树中“系统块"文件下的“通信端口"图标，将打开设置S7-200的通信参数的选项卡。
5。
1.2计算机与PLC在线连接的建立
在STEP7-Micro/WIN中双击指令树中的“通讯”，将出现“通讯”对话框。
双击对话框中“双击刷新”旁边的蓝色箭头组成的图标，编程软件将自动搜索连接在网络上的S7-200地址，本设计中该地址为：
2。
点击“确定”完成连接.
5.1。
3下载程序
计算机与PLC建立起通信连接后，可以将程序下载到PLC中去。
执行菜单命令“文件”中的“下载”,将会出现下载对话框，在确定远程地址为:
2时，点击“下载”按钮，开始下载数据。
注意：
下载应在STOP模式进行，下载时可以将CPU自动切换到STOP模式,下载结束后可以自动切换带RUN模式.
5.1.4运行和调试程序
下载程序后,将PLC的工作模式开关拨到RUN位置，“RUN”LED亮，此刻将启动开关拨到开启状态，程序开始运行，按照程序设定要求进行运行。
5.2组态系统设计
5.2。
1安装组态王软件
1。
进入安装组态王程序单击按钮安装组态王程序.
2。
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