基于PLC的运料小车控制系统设计.docx
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基于PLC的运料小车控制系统设计
基于PLC的运料小车控制系统设计
摘要
早期运料小车电气控制系统多为继电器—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,无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。
随着社会发展，可编程逻辑控制器（PLC,ProgrammablelogicController）的出现，它是一种工业控制微型计算机。
它的编程方便、操作简单尤其是高通用性等优点，使它在工业生产过程中得到了广泛的应用。
本设计是通过PLC控制电机转速、传感器检测,实现小车多处装料、卸料自动行驶的控制系统。
关键词：
可编程控制器；传感器；自动行驶
Abstract
Earlymaterialtransportcarelectriccontrolsystemforrelay-contactorconsistingofcomplexsystem，thissystemhaslongdesigncycle，largevolume，costishigh，nodataprocessingandcommunicationsfunctions，musthaveapersonresponsibleforoperation.Withthedevelopmentofsociety,theprogrammablelogiccontroller,itisakindofindustrialcontrolcomputer。
Itsprogrammingconvenient，simpleoperationandinparticularhighadvantages,makeitintheindustryproductionprocesshasbeenwidelyused.ThisdesignthroughthePLCcontrolofmotorspeed,sensordetection,realizemultiplecharging，dischargingautomaticdrivecontrolsystem.
Keywords：
ProgrammablelogicController;sensor;automaticdriving
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1引言
随着社会的飞速发展，人们的物质需求日益增长。
因此,为了满足人们需求，就要加快物质生产。
控制系统的出现及发展，是现代工业向自动化方向发展的必然产物.送料小车是基于可编程控制器（PLC，ProgrammablelogicController）控制的智能系统，经过了40多年的发展应用,已经由手动到自动再到全自动控制.现已进入人们的生产生活，为改善人们生活带来了许多帮助。
企业现代化生产规模的不断扩大，使得生产资料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资物的系统。
在国外，随着PLC技术的发展，生产线上的运输控制系统已广泛地采用基于PLC控制系统，有些制造厂甚至还开发研制出了专用的逻辑处理控制芯片.目前，国内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。
为了满足现代化生产的需要,让PLC技术与自动化技术相结合，充分的应用到我国的工控企业生产线上，并且在各种环境下都能够正常工作，本文应用PLC实现对运料小车工作过程的自动控制，并仿真实现，从而实现成本低，易控制，安全可靠，效率高的设计目标。
2运料小车概述
2。
1PLC运料小车的发展及应用
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.
自动控制运料小车的主要机构由PLC、传感器、电机构成，由多种零件、电路连接组合而成。
图2—1小车的框架图
PLC运料小车,可实现自动化生产，满足工厂生产需要，提高生产效率，节约劳动力成本。
而且，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.其缺点需要经常维护、保养、检修，一有损坏,将影响生产线的生产,工作不能正常进行。
2。
2PLC运料小车行驶要求
图2—2小车行径图
在设计中，运料小车在特定的轨迹中（如图2-2所示）行驶，由PLC编程控制，灰度传感器检测，伺服电机传动等实现小车的自动控制，完成运料小车多处装料、卸料的工作。
运料小车可以实现沿轨迹行走，并在指定的位置停止装料和卸料。
将运料小车放在带有黑色轨迹的白色实验台上，它就会沿着黑色的轨迹移动。
运料小车前方有四个传感器，用来检测地面的灰度，并根据检测结果实时纠正运料小车行走路线，让运料小车始终沿着轨迹行走。
同时运料小车检测停车装料点和停车卸料点，在这些指定位置停止，并通过PLC控制小车在装料站和卸料站进行装卸料，达到运送物料的目的。
3硬件简介
3.1PLC的选择
3。
1。
1PLC概述
PLC即可编程控制器是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置.在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
“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。
通过表3—1我们可以清楚的了解到关于PLC的基本情况。
表3-1S7—200CN概述
型号
技术规范
CPU222CN
CPU224CN
CPU224XPCN
CPU226CN
集成数字量输入/输出
8入/6出
14入/10出
14入/10出
24入/16出
可连接的扩展模块数量（最大）
2个
7个
7个
7个
最大可扩展的数字量输入/输出范围
78点
168点
168点
248点
最大可扩展的模拟量输入/输出范围
10点
35点
38点
35点
用户程序区
4K
8K
12K
16K
数据存储区
2K
8K
10K
10K
数据后备时间（电容）
50小时
100小时
100小时
100小时
后备电池（选件）
200天
200天
200天
200天
编程软件
Step7—Micro/WIN4。
0SP3及以上版本
Step7-Micro/WIN4.0SP3及以上版本
Step7—Micro/WIN4。
0SP3及以上版本
Step7-Micro/WIN4。
0SP3及以上版本
每条二进制语句执行时间
0。
22μs
0.22μs
0.22μs
0。
22μs
标志寄存器/计数器/定时器
256/256/256
256/256/256
256/256/256
256/256/256
高速计数器单相
4个30KHz
6个30KHz
4路30KHz
6个30KHz
2路200KHz
高速计数器双相
2路20KHz
4路20KHz
3路20KHz
4路20KHz
1路100KHz
高速脉冲输出
2路20KHz
（仅限于DC输出）
2路20KHz
（仅限于DC输出）
2路100KHz
（仅限于DC输出）
2路20KHz
（仅限于DC输出）
通讯接口
1＊RS485
1*RS485
2＊RS485
2*RS485
外部硬件中断
4
4
4
4
支持的通讯协议
PPI，MPI，自由口，ProfibusDP
PPI，MPI，自由口,ProfibusDP
PPI，MPI，自由口，ProfibusDP
PPI，MPI，自由口，ProfibusDP
模拟电位器
1个8位
分辨率
2个8位
分辨率
2个8位
分辨率
2个8位
分辨率
实时时钟
可选卡件
内置时钟卡
内置时钟卡
内置时钟卡
外形尺寸/mm（W×H×D）
90×80×62
120.5×80×62
140×80×62
196×80×62
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置组成,这些模块可以按照一定规则组合配置.
图3—1PLC的组成框图
PLC对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。
目前，PLC已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的推广应用。
PLC是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。
1。
可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能.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，当出现故障时可及时发出警报信息。
例如西门子公司生产的S7系列PLC平均无故障时间高达30万小时.一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长.此外，在应用软件中,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，从而提高了整个系统的可靠性。
2。
配套齐全，功能完善，适用性强
PLC不仅可以用于各种规模的工业控制场合，如位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中,因其具有完善的数据运算能力，还可用于各种数字控制领域.加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3。
易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
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改变生产过程成为可能.这很适合多品种、小批量的生产场合.
5。
体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小,很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
3.1。
2PLC选择
在设计控制系统中，PLC用到了8个输入点、6个输出点、1个模拟量输入点以及1个模拟量输出点控制运料小车的运动。
因此，依据运料小车控制系统的工艺流程、实际控制需求以及输入输出变量特点,选用了西门子S7-200系列PLCCPU224XPCN控制的运料小车控制系统设计方案。
该PLC不仅用有14个输入点和10个输出点，还有1个模拟量输入点和1个模拟量输出点，利用PLC控制技术，实现运料小车两处装料、两处卸料的运动控制，完全能满足设计需求.
3.2传感器的选择
国家标准GB7665—87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。
通常由敏感元件和转换元件组成"。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求.它是实现自动检测和自动控制的首要环节.
依据运料小车控制系统的工艺流程、实际控制需求，本设计选用的是灰度传感器,又称机器人传感器，它是模拟传感器。
有一只发光二极管和一只光敏电阻，安装在同一面上。
灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同,光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测。
在有效的检测距离内,发光二极管发出白光，照射在检测面上，检测面反射部分光线，光敏电阻检测此光线的强度并将其转换为PLC可以识别的信号。
选用的型号GS100的灰度传感器,其工作电压5V,色差越大识别效果越好，具有8路灰度检测组元。
表3—2GS100灰度传感器主要参数
主体外形尺寸
10×16mm（高×外直径）
重量
10g
额定电压
直流电源5。
0V
线长
8.4cm±0.2cm（有效距离）
检测范围（反射面为白纸）
0.3~0。
8cm（检测面为白纸时检测高为0。
5mm时为最佳）
调节方式
多圈电阻式调节,逆时针方向旋转功率变大,顺时针方向旋转功率变小
返回值
13~190（检测面为白色检测高度为0。
5cm；高度和检测面都一样的情况下颜色越浅,返回值越小）
安装方法
单颗3螺丝安装
连接方式
单条3芯排线，2510型3脚插头
3。
3电机的选择
伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件动机,是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可以使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩转速以驱动控制对象。
在自动控制系统中,用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
表3—3电机参数表
参数
型号
转矩（不小于）/（N。
m）
电流/A
电压/V
功率/W
最大空载转速/（r/min）
重量/kg
36LY54
9。
8
1。
6
27
13
3500
0.1
55LY53
2.45
3。
8
12
45。
4
1500
0.25
160LY51
4。
9
3.8
27
102
160
1。
8
2K-12F
0。
16
4.5
220
0。
76
1000
90
110SZ01
0.784
0.9
220
123
1500
701YX
1.8
7.52
27
194.4
900
依据运料小车控制系统的工艺流程、实际控制需求,本设计是利用西门子PLC输出的模拟量、伺服控制器完成了对伺服电机转速精准的控制。
提高了系统控制的可靠性和精确度。
表3—3为部分电机参数表，通过参数对比，选用的电机型号是LY系列55LY53直流力矩电动机。
4功能分析
4.1传感器原理及算法
传感器是机器的检测元件，相当于人的眼睛、鼻子等感觉器官,能及时的机器周围的情形反映到中央处理器中，使机器根据不同信息作出相应动作。
比如，在运料小车中，灰度传感器是检测小车路径的主要元件，它能检测出路径的变化,并及时反馈信息，做出相应的措施。
因此，不同传感器所处理的信息也不相同。
在本设计中,根据小车行驶路径图，为满足小车的工作能正常运行，图4—1是传感器的位置分布图。
图4—1传感器分布位置
4.1。
1寻迹传感器组成及原理
运料小车上装有寻迹传感器，该传感器由6个红外反射式开关构成，位于车体的前端。
在寻迹传感器的前端用2个传感器用来检测各个站点的“停止线"，在寻迹传感器的后端有4个传感器，用来检测场地的轨迹,调整运料小车行走路线和姿态，实现沿着轨迹行走.其原理：
它是模拟传感器，由一只发光二极管和一只光敏电阻,安装在同一面上。
利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测.在有效的检测距离内，发光二极管发出白光,照射在检测面上，检测面反射部分光线,光敏电阻检测此光线的强度并将其转换为PLC可以识别的信号。
其工作电压5V，色差越大识别效果越。
较普通红外传感器抗干扰能力更强.下列表格是传感器GS100的在调节传感器与地面高度,并改变地面颜色，记录传感器返回值的参考数据.
表4-1传感器GS100检测数据
高度
障碍颜色
4mm
6mm
白色
8
15
红色
94
162
蓝色
132
186
黑色
172
207
4.1.2寻迹传感器寻迹算法
当运料小车沿着黑色的标志线直线向前运动时，这个过程,后面的4个灰度传感器起主要作用，用来检测轨迹的位置，调整运料小车运动的轨迹，达到沿着轨迹行走的目的。
具体的调节方式是：
当左边的2个传感器检测到黑色轨迹时，表示小车偏向了右边，PLC将左轮的速度调慢，此时小车行走方向向左偏转，一直到左边的传感器检测不到黑色轨迹，说明小车行走到了正常的轨迹上，其中靠近右边的传感器调整程度小，而左边上传感器调整程序大.同理,当右边的传感器检测到黑色轨迹时，将右轮调慢，使小车行走在正常的轨道上，达到寻迹的目的.在此同时小车前方的2个灰度传感器也在检测站点的标志线，当检测到这标志线时,小车停止运动，进行装料和取料工作。
为了使小车检测减少误判断，我们将前面的两个传感器的距离拉大，且要求两个传感器同时检测到标志线时，才是到达标志位置。
图4-1所示是传感器位置示意图。
4.1.3运料小车寻迹功能实现
运料小车行径路示意图如图4-2所示，小车可以两处处上料和两处卸料,小车由两个电机带动，当左右电机转速一样时，小车直线行驶：
当左边电机转速大于右边电机转速时,小车偏右行驶;当左边电机转速小于右边电机转速时,小车偏左行驶。
小车上装有寻迹传感器，该传感器由6个红外反射式开关构成，位于车体的前端。
在寻迹传感器的前端用2个传感器用来检测各个站点的“停止线”，检测拐弯处标志线.在寻迹传感器的后端有4个传感器，用来检测场地的轨迹,调整运料小车行走路线和姿态，实现沿着轨迹行走。
图4-2运料小车运行路径图
运料小车放在初始位置，按动启动按钮，PLC系统进入初始状态，初始状态完毕后,小车沿轨迹行驶，至站1停止线处停止下来装料。
5秒后小车沿轨迹行驶，至站2停止线处停止下来卸料。
5秒后小车沿轨迹行驶，至站3停止线处停止下来装料。
5秒后小车沿轨迹行驶,至站4停止线处停止下来卸料。
5秒后小车沿轨迹行驶。
完成一个工作周期动。
按动停止开关，小车回到起始位置停放。
4。
2直流伺服电机原理及算法
4.2.1伺服电机控制原理
控制装置选用西门子S7—200系列PLCCPU224XPCN，这种型号的PLC除了带有输入输出点外，还有1个模拟量输入点和1个模拟量输出点，能够满足控制伺服电机的需要。
触摸屏选用西门子触摸屏，型号为TP177B.
伺服电机在自动控制系统中用作执行元件，它将接收到的控制信号转换为轴的角位移或角速度输出。
触摸屏是人机对话接口，最初的指令信息要从这里输入.输入的信息通过通讯端口传送到PLC。
经运算后，PLC输出模拟量,并连接到伺服控制器的模拟量输入端口。
伺服控制器对接收到的模拟量进行内部运算，而后驱动伺服电机达到相应的转速。
伺服电机通过测速元件将转速信息反馈到伺服控制器，形成闭环系统,实现转速稳定的效果。
图4—3伺服电机控制原理图
4.2.2伺服电机算法
由表4—1可看出，输入值和实际转速相差甚远，而唯一的办法是通过运算将输入值转换成能对应上实际转速的整形数值。
但是还要首先找到最高转速和最低转速对应的数值。
通过实验发现，对应关系如表4—2所示
可以根据表4-2的数据列出直线方程组，计算出输入值和整形数值之间的关系.
解得：
；
设实际转速为x，整形数值为y；那么关系方程为：
（4-1）
通过PLC运算将数据直接传送到模拟量输出口就完成了转换工作。
这样就基本上完成了从对话框输入速度值，经过PLC运算后输出模拟量。
伺服控制器接收到模拟量驱动伺服电机，伺服电机的转速等于输入速度值的过程。
通过经过实际检验，测得输入值、整形数值、实际转速如表4-3所示.
表4-2直接实测数值表
输入值
整形数值
实际转速（r/min）
500
500
70
2000
2000
360
4000
4000
750
6000
6000
1145
表4—3 实测对应数值表
整形数值
实际转速（r/min）
500
70
6000
1145
表4—4运算后的实测数值表
输入值
运算后数值
实际转速（r/min）
70
500
70
500
2711
500
1000
5269
999
1145
6000
1145
4。
2。
3电机速度计算
小车可以根据轨迹的不同，进行不同轨迹行驶。
其中包括了直线行驶、弯道行驶.小车依据两个伺服电机的转速差来实现直线、弯道的行驶.即小车左右电机转速一样时，小车进行直线行驶:
在左边电机转速大于右边电机转速时，小车偏右行驶；在左边电机转速小于右边电机转速时,小车偏左行驶。
小车在走一个上圆弧时，其圆弧弧长πd/4,时间为t，则小车在圆弧的上的角速度和线速度为：
（4-2）
（4-3）
而转速与线速度和角速度的关系：
（4-4）
（4—5）
根据运料小车设计轨迹和运输时间要求与所选电机，我们设定小车重3kg，其滚子半径是1.5cm，两个轮子之间的距离18cm，所载货物重0.8kg。
轨迹直线距离有1300cm、300cm，轨迹圆弧半径为200cm,小车启动1s后加速,空载时,长短直线上用时分别是23s、5s，弧线上运行时间是6s；满载时，长短直线上用时分别是25s、7s；弧线上运行时间是8s通过转速与角速度和线速度关系可得表4-5、表4—6.
表4-5电机直线时转速表
参数
运行方式（直线）
初始速度/（r/s）
最大速度/（r/s）
停止/（r/s）
电机转速（空载）
长直线
1
30
0
短直线
1。
1
6
0
电机速度（满载）
长直线
0。
8
3
0
短直线
0.8
3
0
表4-6电机弯道时转速表
参数
运行方式（弯道）
初始速度/（r/s）
最大速度/（r/s）
停止/（r/s）
电机转速（空载）
左轮
1。
4
8.1
0
右轮
1。
4
7.3
0
电机速度（满载）
左轮
1.2
7。
9
0
右轮
1.2
7.1
0
通过表4—5、4—6，我们知道了小车的速度,在依据公式（4—1）
可以算出小车实际速度在触摸屏中的整形值，和时间速度相对应的输入值。
这样就可以达到从触摸屏到PLC到电机速度，从而达到在PLC程序中实现小车速度控制.
5PLC控制系统的设计
5。
1PLC地址分配
PLC的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.其中，输入点用来控制运料小车启动、停止、检测
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