小车的PLC应用.docx
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小车的PLC应用
引言
在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定的时间停留，以满足生产工艺要求。
现代生产企业为提高生产车间物流自动化水平，实现生产环节间的运输自动化，常会使用无人小车在工作台或生产线之间自动往返装料卸料。
控制系统分很多种：
可编程序控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）、工业PC机：
工控机、嵌入式计算机及OEM产品，包括PID调节器及控制器、机电设备数控系统（CNC，FMS，CAM）、现场总线控制系统（FCS）。
本设计采用PLC系统，因为小车自动往返需要很高的可靠性，PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
用PLC程序实现运料小车自动往返顺序控制，不仅具有程序设计简易、方便、可靠性高等特点，而且程序设计方法多样，便于不同层次设计人员的理解和掌握。
关键字：
自动控制、PLC、伺服电动机、传感器
第一章小车控制系统要求
系统控制要求：
在本系统采用可编程控制器（PLC）作为控制机构元器件，它负责整个系统输入、输出信息的处理和储存、控制。
并且验证不同的系统控制信息（启动/停止、手动/自动等）从而使系统以不同的孔制模式运行；另外，它还接受传感检测装置的信息，并将不同的信息送到显示电路中使其显示等。
1.1小车的运动控制要求
1.在系统启动时，小车运行至复位位置处。
小车控制系统有两种运行状态，即“手动运行”和“自动运行”；
2.当选则“手动运行”时，系统调用“手动子程序”，进入手动运行状态,小车按手方式运行；即点动“1、2、3、4”定位按钮时，小车能运动至指定位置，并且能准确地显示出小车的当前所处位置。
如：
当小车停止在3号位置右侧时，点动“3”号定位按钮，小车左行至且3号位置；当小车停止在3号位置左侧时，点动“3”号定位按钮，小车右行至3号位置；
3.当选择“自动运行”时，系统调用“自动子程序”，进入自动运行状态，按以下方式运行：
图1-1
4.无论是处于哪种运行方式中，传感器能准确的检测出小车的位置并在数码管中显示出；
5.小车在运动控制系统中，要有行程保护装置能对小车保护以便在系统出错时能及时切断电路实现保护；
1.2小车自动控制系统构成图
图1-2
（一）安装底板：
用于安装各种执行器及控制器的支撑体；
（二）导轨：
用于固定同步带/轮，牵曳滑块小车运动及定义滑块小车的运行轨迹；
（三）滑块小车：
整套系统的被控对象；
图1-3
（四）直流减速电机：
整套系统的执行机构，用于带动被控对象小车；
（五）操作盒：
安装有各种控制输入及输出显示机构；如下图所示：
图1-4
（六）传感器机构：
安装有各种传感器，例如电感式、电容式、光电式等，用于检测控制对象的位置信息。
第二章可编程控制PLC
2.1PLC的定义与发展
PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。
用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
”以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但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
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：
一.早的PLC（60年代末—70年代中期）
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。
它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。
因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
二.中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）
在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。
这样，使PLC得功能大大增强。
在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。
三.近期的PLC（80年代中、后期至今）
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
2.1.2世界PLC产品三大流派的分类
世界上PLC产品可按地域分成三大流派：
一个流派的是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。
美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。
而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上，美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。
下面以欧洲PLC产品为例做一下简单的介绍：
德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。
德国的西门的电子以性能精良而久负盛名。
在中大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。
西门子PLC主要产品是S5、S7系列。
在S5系列中，S5-90U、S-95U属于微型整体式PLC；S5-100U是小型模块式PLC，最多可配置到256个I/O点；S5-115U是中型PLC，最多可配置到1024个I/O点；S5-115UH是中型机，它是由两台SS－115U组成的双机冗余系统；S5-155U为大型机，最多可配置到4096个I/O点，模拟量可达300多路；SS－155H是大型机，它是由两台S5-155U组成的双机冗余系统。
而S7系列是西门子公司在S5系列PLC基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中S7-200系列属于微型PLC、S7-300系列属于于中小型PLC、S7-400系列属于于中高性能的大型PLC。
2.1.3可编程序控制器（PLC）的选购：
目前市场上的PLC产品众多，不同的项目设计所选用的PIC产品也不相同，那么，到底该如何正确的选购PLC产品呢？
1.系统首先应确定系统用PLC单机控制还是用PLC形成网络，由此计算输入、输出（I/O）点数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上预留10%的余量。
2.确定负载类型根据PLC输出端所带负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出还是晶体管输出，或是晶闸管输出。
不同的负载选用不同的输出方式对系统的稳定运行是很重要的。
3.存储容量与指令的执行速度是PLC选型的重要指标，一般存储量越大、速度越快的PLC价格就越高，尽管国外各厂家产品大体相同，但也有一定区别。
4."COM"点的选择，
不同的PLC产品，其"COM"点的数量是不一样的，有的一个"COM"点带8个输出点，有的带4个输出点，也有带1个或2个输出点。
当负载的种类多且电流大时，采用一个"COM"点带1-2个输出点的产品，当负载种类少数量多时，采用一个"COM"点带4-8个输出点产品。
5.因为各生产厂家的开发软件不同，系统地兼容性也是选购时的重点，目前还没有发现完全兼容的产品，应根据系统合理选用PLC产品。
本次设计我们所用到的是德国西门子公司S7-200系列小型PLC，其控制功能强、性能价格比高，运行速率快，可以较好地实现集中控制和就地分散控制，在国内市场广泛采用。
参照S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为S7-200产品CPU226（8入/6继电器输出）模块，运算速度高，程序存储区和数据存储区大，具有扩展功能，可以在线编辑程序。
2.1.4PLC的硬件结构与工作原理
图2-1
PLC的工作原理
一.扫描技术
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（一）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（二）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（三）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
序号
西门子
面板端子
功能说明
1.
I0.0
1
“１”号键值信号输出
2.
I0.1
2
“２”号键值信号输出
3.
I0.2
3
“３”号键值信号输出
4.
I0.3
4
“４”号键值信号输出
5.
I0.4
A（传感器信号）
左侧电感式传感器信号输出
6.
I0.5
B（传感器信号）
电容式传感器信号输出
7.
I0.6
C（传感器信号）
光电式传感器信号输出
8.
I0.7
D（传感器信号）
右侧电感式传感器信号输出
9.
I1.0
手/自动
手动／自动模式选择开关
10.
I1.1
启动/停止
启动/停止选择开关
11.
Q0.0
A（位置显示）
数码显示控制端子A
12.
Q0.1
B（位置显示）
数码显示控制端子B
13.
Q0.2
C（位置显示）
数码显示控制端子C
14.
Q0.3
电机正转
电机电源端附加正向电压
15.
Q0.4
电机反转
电机电源端附加反向电压
16.
Q0.5
快速
电机电源端附加＋24V电压
17.
Q0.6
慢速
电机电源端附加＋12V电压
18.
Q0.7
报警
系统报警信号输出
2.2控制系统的I/O点数的分配及接线图
图2-2
图2-3
第三章硬件系统的设计
3.1电机的选择
3.1.1直流电机
本设计中我们用到的是+24V直流电机，实现将直流电能转换为机械能的电机被称为直流电动机。
由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。
其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。
直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。
其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。
直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。
其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。
电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。
换向器是一种机械整流部件。
由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。
各换向片间互相绝缘。
图3-1
上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。
定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。
3.1.2直流齿轮减速电机
直流齿轮减速电机是一般直流微型电机安装上齿轮减速箱组合而成。
其具有以下特性：
1.转矩大
一般直流微型电机的转矩非常小，带有大负载时，很容易堵转，从而不适合带动工业控制中的负载。
由于加上齿轮减速箱之后，将力矩放大为减速比的大小倍数，从而可以达到0.5～54Kg.cm的转矩（0.05～5.4N.m）。
2.速度低
直流微型电机的转速一般为1500～23000转/min，转速在工业控制中的应用领域不大，在工业控制中转速在1～300转/min的速度应用比较多。
3.简化设计和节约空间
由于减速箱和电机结合在一起，所以体积很小，使用安装空间很小，而且不用再设计减速机构。
3.1.3直流伺服电机
输入或输出为直流电能的旋转电机。
它的模拟调速系统一般是由2个闭环构成的，既速度闭环和电流闭环，为使二者能够相互协调、发挥作用，在系统中设置了2个调节器，分别调节转速和电流。
2个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构，这就是所谓的双闭环调速系统，它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，因而得到广泛地应用。
通常是由模拟运放构成PI或PID电路；信号调理主要是对反馈信号进行滤波、放大。
考虑到直流电机的数学模型，模拟调速系统动态传递函数关系在模拟调速系统的调试过程中，因电机的参数或负载的机械特性与理论值有较大差异，往往需要频繁更换R，C等元件来改变电路参数，以获得预期的动态性能指标，这样做起来非常麻烦，如果采用可编程模拟器件构成调节器电路，系统参数如增益、带宽甚至电路结构都可以通过软件进行修改，调试起来就非常方便了。
3.2传感器的选择
3.2.1传感器定义
传感器是指能感受被测量的信息，并将检测的信息按一定的规则转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
它包含了一下几个方面的含义；能感受（或响应）表示传感器要对被测量敏感，灵敏地反映被测量的变化。
传感器的输出与输入之间满足一定的规律，具有一定的精度。
可用输出信号通常是指便于传输、转换、处理和显示的信号。
目前主要是电信号，如电流、电容、电阻、频率等，随着科学的发展，输出信号将来也可能是光信号或其他的信号，被测量物可以是物理量，也可以是化学量、生物量或其他的量。
传感器是当今控制系统中实现自动化、系统化、智能化的首要环节。
3.2.2传感器的组成及分类
传感器一般有由敏感元件、转换元件、调节电路和其他辅助元件组成。
敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；信号调节与转换电路一般是指能把传感元件输出的电信号转换成为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。
由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有转换电路对其进行放大、运算调制等。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。
此外，信号转换电路、调节电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此，信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。
本设计中所运用到的传感器有电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等；下面分别介绍下各种传感器的组成及工作原理：
电感式传感器：
电感式传感器由三大部分组成：
LC高频振荡器、开关电路及放大输出电路。
振荡器产生一个交变磁场。
当金属目标物体接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致电感式传感器振荡衰减，以至停振。
振荡器振荡及停振的参数变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，进而控制开关的通或断。
这种传感器所能检测的物体必须是金属物体。
其工作流程框图如下：
图3-2-1
电容式传感器：
电容式传感器的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，两者构成一个电容器，该电容接入后级RC振荡器中；当被测物体靠近电容式传感器时，该电容器的容量增加，使振荡器开始振荡，通过后级电路的处理，将停振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。
图3-2-2
光电式传感器：
光电传感器由光源、光学通路、光电元件构成。
光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：
发送器、接收器和检测电路
光电式传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现检测物体有无的接近开关；其集发射器和接收器于一体，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。
图3-2-3
3.3行程开关的选择
3.3.1行程开关的定义与符号
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。
行程开关的图形和文字符号如图3-3所示。
图3-3
3.3.2行程开关的分类
行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。
（一）直动式行程开关：
其结构原理如图所示，其动作原理与按钮开关相同，但其触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。
（二）滚轮式行程开关：
其结构原理如图2所示，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。
1-滚轮2-上转臂3、5、11-弹簧4-套架6-滑轮7-压板8、9-触点10-横板
（三）微动开关式行程开关：
其结构如图3所示。
常用的有LXW-11系列产品
3.4电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
电源模块选择仅对于模块式结构的PLC而言,对于整体式PLC不存在电源的选择。
电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。
电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和,同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。
电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。
电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I／O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和，同时还应考虑今后I／O模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。
对于小型控制系统或不需要在线编程的系统，一般选用价格便宜的简易编程器。
对于由中、高档PLC构成的复杂系统或需要在线编程的PLC系统，可以选配功能强、编程方便的智能编程器，但智能编程器价格较贵。
如果有现成的个人计算机，也可以选用PLC的编程软件，在个人计算机上实现编程器的功能。
为了防止由于干扰或锂电池电压不足等原因破坏RAM中的用户程序，可选用EPROM写入器，通过它将用户程序固化在EPROM中。
有些PLC或其编程器本身就具有EPROM写入的功能。
第四章显示电路与驱动电路
4.1七段数码管显示
七段数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
它是由发光二极管构成的,亦称半导体数码管.将条状发光二极管按照共阴极（负极）或共阳极（正极）的方法连接,组成"8"字,再把发光二极管另一电极作段码口使用,就构成了LED数码管.每个数码管就可以显示0～9十个数字。
七段数码管是目前数字电路中最常用的显示器件。
它是以发光二极管作段码口并按共阴极方式或共阳极方式连接后封装而成的。
如下图所示是两种LED数码管的外形与内部结构，＋、－分别表示公共阳极和公共阴极，a～g是7个段码口，DP为小数点。
LED数码管型号较多，规格尺寸也各异，显示颜色有红、绿、橙等；常见的LED数码管如下图所示：
图4-1
4.2LED数码管的主要性能特点：
（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。
（2）发光响应时间极短（<0．1µs），高频特性好，单色性好，亮度高。
（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。
（4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。
成本低。
因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。
4.3发光二极管
发光二
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