基于PLC的台车呼叫控制系统的研究设计与实现.docx

1、基于PLC的台车呼叫控制系统的研究设计与实现 设计题目 台车呼叫控制系统的设计学生姓名 窦慧卿 学 号 02030901040 专业班级 机电一体化（1）班 指导老师 刘 泽 法 机电工程系 2012月06日台车呼叫控制系统的设计学生：窦慧卿 指导教师：刘 泽 法 内容摘要：本设计是一个基于可编程控制器（PLC）西门子S7-200的台车呼叫控制系统，它能够指示台车的停车位和呼叫使能，是否可以呼叫及台车是否到位，能够实现电机正转，电机反转，可以紧急停车等功能。设计阐述了可编程控制器西门子S7-200的功能特点以及操作，提出了系统的总体设计方案。本系统具有价格低廉、高可靠性、高性能和智能化的特点。

2、通过该系统的成功研制和应用，生产效率将大幅度提高，工人的劳动强度将大幅度降低，控制精度也将进一步提高。关键字：可编程序控制器 台车 电机目 录前言 11 系统设计方案 11.1 方案的总体框架 11.1.1 PLC硬件安排及软件规划 11.2 控制要求 21.3 外围设备和I/O地址分配 22 可编程序控制器 52.1 可编程序控制器概述 52.2 可编程控制器的特点 52.3 可编程控制器的应用与发展 72.3.1 可编程序控制器的应用 72.3.2 可编程控制器的发展 82.4 PLC型号的选择 82.5 西门子S7-200PLC简介 92.6 PLC控制系统硬件设计思路 103 软件设计

3、 113.1 系统流程图 113.2 系统梯形图 134 设计总结 20参考文献 22台车呼叫控制系统的设计前言随着现代工业设备的自动化越来越多的工厂设备采用PLC，变频器，人机界面自动化器件来控制，因此自动化程度越来越高。电器控制技术是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展的。在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个工艺生产过程全盘自动化，这就离不开控制系统。控制系统是整个生产线的灵魂，对整个生产线起着指挥的作用。一旦控制系统出现故障，轻者影响生产线的继续进行，重者甚至发生人生安全事故，这样将给企业造成重大损失。台车呼叫控制系统是

4、基于PLC控制系统来设计的，控制系统的每一步动作都直接作用于台车的运行，其控制重点转向物资的控制和管理要求实时、协调和一体化，计算机之间、数据采集点之间、机械设备的控制器之间以及它们与计算机之间的通信可以及时地汇总信息。因此，台车性能的好坏与控制系统性能的好坏有着直接的关系。台车能否正常运行、工作效率的高低都与控制系统密不可分。它实现了全自动作业后，满足了人们速度、精度、高度、重量、重复存取和搬运等要求，使总体效益和生产的应变能力大大超过各部分独立效益的总和，自动化技术组建成为仓库自动化技术的核心，既可以节省开支，又减少了浪费，因此建立一个便捷、可行的台车呼叫控制系统是十分迫切和需要的。本产品

5、PLC实现自动化开支，解决了劳动强度大、经济效益差的问题。1 系统设计方案 1.1 方案的总体框架1.1.1 PLC硬件安排及软件规划 为了区别，工位依18编号并各设一个限位开关。每个工位设一呼车按钮，系统设启动按钮和停机按钮各1个，台车设正反转接触器各1个，每工位设呼车指示灯1个，但并联接于各个输出口上。系统布置图如图1.1.1-1所示1。 台车又叫送料车，是一种安装有脚轮的运送与储存物料的单元移动集装设备。它具有自动行走，液压自动定位脱模（可实现上，下，左，右移动）的优点。本设计主要是实现它的左右移动。 图1.1.1-1 系统布置图图1.1.1-2 系统方框图整个系统由电源控制电路、按键呼

6、叫控制电路、工作指示灯显示电路、台车控制电路、可编程控制器PLC五部分组成。由电源控制电路提供整个系统的能源，由可编程控制器PLC来读取按键的状态，再经过处理来控制工作指示灯和台车的运动状态。 1.2 控制要求 一部电动运输车供8个加工点使用。台车的控制要求如下：PLC上电后，车停在某个工位，若无用车呼叫(下称呼车)时，则各工位的指示灯亮，表示各工位可以呼车。工作人员按本工位的呼车按钮呼车时，各工位的指示灯均灭，此时别的工位呼车无效。如停车工位呼车时，台车不动，呼车工位号大于停车位时，台车自动向高位行驶，当呼车位号小于停车位号时，台车自动向低位行驶，当台车到呼车工位时自动停车。停车时间为30s

7、供呼车工位使用，其他工位不能呼车。从安全角度出发，停电再来电时，台车不会自行启动。为了区别，工位依18编号各设一个限位开关。 1.3 外围设备和I/O地址分配根据控制要求，系统的输入量有：启、停按钮信号，1号位-8 号位的限位开关SQlSQ8信号，1号位-8号位的呼叫开关SB1SB8信号;系统的输出信号有：前进、后退控制电机接触器驱动信号，呼叫指示灯信号。共需实际输入点数18个，输出点数2个。配置表如表1.3-1所示： 表1.3-1 系统I/O资源配置表序号元件名设备名作用1I0.0K1启动按钮开关2I0.1K2停止按钮开关3I2.0SB11号站呼叫按钮开关4I2.1SB22号站呼叫按钮开关5

8、I2.2SB33号站呼叫按钮开关6I2.3SB44号站呼叫按钮开关7I2.4SB55号站呼叫按钮开关8I2.5SB66号站呼叫按钮开关9I2.6SB77号站呼叫按钮开关10I2.7SB88号站呼叫按钮开关11I1.0ST11号站限位开关12I1.1ST22号站限位开关13I1.2ST33号站限位开关14I1.3ST44号站限位开关15I1.4ST55号站限位开关16I1.5ST66号站限位开关17I1.6ST77号站限位开关18I1.7ST88号站限位开关19Q1.0Q1.0电机正传继电器20Q1.1Q1.1电机反转继电器台车自动往返控制系统的工作示意图如图1.3-1所示。控制要求如下：A.

9、按下起动按钮SB0，电动机M正转，台车前进；碰到限位开关SQ1后，电动机M反转，台车后退。B. 台车后退碰到限位开关SQ2后，电动机M停转，台车停车5s后，第二次前进，碰到限位开关SQ3，再次后退。C. 当后退再次碰到限位开关SQ2时，台车停止。 图1.3-1 台车自动往返控制系统的工作示意图对上述台车自动往返控制系统的控制要求进行分析可知其一个工作周期有5个工序，每个工序状态继电器的分配、功能与作用以及转换条件如表1.3-22所示。表1.3-2 每个工序状态继电器的分配、功能与作用、转换条件工序分配的状态继电器功能与作用转换条件0初始状态S0PLC上电做好准备M80021第一次前进S20驱动

10、输出线圈Y001，M正转X000（SB0）2第一次后退S21驱动输出线圈Y002，M反转X001（SQ1）3暂停5sS22驱动定时器T0延时5sX002（SQ2）4第二次前进S23驱动输出线圈Y001，M正转T05第二次后退S24驱动输出线圈Y002，M反转X003（SQ3）根据表1.3-2可设计出顺序功能图如图1.3-2所示。 图1.3-2 台车自动往返控制系统顺序功能图2 可编程序控制器 2.1 可编程序控制器概述可编程序控制器(Programmable Controller)通常也可简称为可编程控制器,英文缩写为PC或PLC,是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发

11、展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、 功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便的一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工作环境的能力，更是得到了用户的好评，因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中的到了越来越广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）。 2.2 可编程控制器的特点 可靠性高，抗干扰能力强3现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠程度是使用机械触点的继电器所无法比较的。为了保证PLC能在恶劣的工业环璄下可靠工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件主面的抗干扰措施。硬件

12、主面采取的主要措施有：隔离-PLC的输入、输出接口电路一般都采用光电耦合器来传递信号，这种措施使外部电路与PLC内部之间完全避免了电的联系，有效的抑制了外部的干扰源对PLC的影响，还可防止外部强电窜入内部CPU。滤波-在PLC电路电源和输入、输出(I/O)电路中设置多种滤波电路，可有效抑制高频干扰信号。在PLC内部对CPU供电电源采取屏蔽、稳压、保护等措施，防止干扰信号通过供电电源进入PLC内部，另外各个输入、输出（I/O）接口电路的电源彼此独立，以避免电源之间的互相干扰。 内部设置连锁、环璄检测与诊断等电路，一旦发生故障，立即报警。外部采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构，以适应恶劣的工作环璄

13、。 在软件方面采取的主要措施有：设置故障检测与诊断程序，每次扫描都对系统状态、用户程序、工作环璄和故障进行检测与诊断，发现出错后，立即自动做出相应的处理，以适应恶劣的工作环璄。对用户程序及动态数据进行电池后备,以保障停电后有相关状态及信息人不会因此而丢失。采用以上抗干扰措施后，一般PLC的抗电平干扰强度可达峰值1000V，脉宽10US，其平均无故障时间可高达30-50万小时以上。 功能完善，适应性强目前PLC产品已经标准化、系列化和模块化，不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有A/D、D/A转换、算术运算及数据处理、通信联网和生产过程监控等功能。它能根椐实际需要，方便灵活地组装成

14、大小各异、功能不一的控制系统：既可控制一台单机、一条生产线、以可以控制一个机群、多条生产线；既可以现场控制，以可以远程控制。针对不同的工业现场信号，如交流或直流、开关量或模拟量、电流或电压、脉冲或电位、强电或弱电等，PLC都有相应的I/O接口模块与工业现场控制器件和设备直接连接，用户可以根据需要方便地进行配置，组成实用、紧凑的控制系统。 使用简单，调试维修方便PLC的接线极其方便，只需将产生输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC的输入端子连接，将接收输出信号的被控设备（如接触器、电磁阀等）与的输出端子连接，仅用螺丝刀即可完成全部接线工作。PLC的用户程序可在实验室摸拟调试，输入信号用开关来摸拟

15、，输出信号可以观察PLC的发光二极管。调试后再将PLC在现场安装通调。调试工作量要比继电器控制系统少得多。PLC的故障率很低，并且有完善的自诊断功能和运行故障指示装置。一旦发生故障，可以通过PLC机上各种发光二极管的亮灭状态迅速查明原因，排除故障。 采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便 PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O（其中也包含特殊功能的I/O）的均采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接起来。系统的模块和规模可根据用户的实际需求自行组合，这样便可实现用户要求的合理的性能价格比。 对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产PLC实质上就是一种工业控制计算机，其控制操作的功能是通过软件

16、变成来确定的。当生产工艺发生改变时，不必改变PLC硬件设备，只需改变PLC中的程序。这对现代化的小批量、多品种产品的生产特别适合。 2.3 可编程控制器的应用与发展 2.3.1 可编程序控制器的应用近年来，随着微处理器芯片及其有关元器件的价格大幅度下降，PLC的成本也随之下降。与此同时，PLC的性能却在不断完善，功能也在增多增强，使得PLC的应用已由早期的开关逻辑发展到现在工业控制的各个领域。根据PLC的特点，可以将其应用形式归纳为如下几类4：A. 开关逻辑控制。这是PLC的最基本最广泛的应用领域。PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。B. 模拟量控制。在工业生产过程

17、中，有许多连续变化的量都是模拟量，而PLC中所处理的是数字量，为了能接受模拟量输入和输出模拟量信号，PLC中配制有A/D和D/A转化模块，将现场的模拟量经过转化变为数字量，经微处理器进行处理，数字量又经D/A转换变成模拟量去控制被控制对象，这样就可实现PLC对模拟量的控制。C. 闭环过程控制定时控制。PLC具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个定时器，其定时的时间可以由用户在编写程序时设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时或延时的控制。计数控制。计数控制也是控制系统不可缺少的，PLC同样也为用户提供了几十个甚至上百个定时器，设定方式如同定时一样。若用户需要对频

18、率较高的信号进行计数，则可以选择高速技术模块。顺步控制。在工业控制中，采用PLC实现顺序控制，可以由移位寄存器和步进指令编写程序，也可以采用顺序控制的标准化语言顺序功能图SFC编写程序，使得PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出时更加容易。D. 数据处理。现代PLC都具有数据处理能力，它不仅能进行算术运算和数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示和打印以及数据通信等。对于大、中型PLC还可以进行浮点运算、函数运算等。E. 通信和联网。PLC的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制，实现了工厂自动化。这是由现代的PLC一般通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PL

19、C与PLC、PLC与计算机之间的通信，从而可以方便可靠的搭成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。由此可见PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。 2.3.2 可编程控制器的发展世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司研制的。早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。20世纪80年代初

20、，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。这个时期的可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备中不断扩大了可编程控制器的应用。目前，我国已可以生产中、小型可编程控制器。随

21、着我国四个现代化进程的深入，可编程控制器在我国将有更广阔的应用天地。 2.4 PLC型号的选择综合输入输出点的计算以及要实现的台车呼叫系统功能，使用西门子S7-200PLC（CPU224）5加一个扩展模块，这样就能完全能够满足设计要求。S7-200PLC是一种小型可编程逻辑控制器（Micro PLC），可应用于各种小型自动化控制系统。高集成度的设计、低廉的成本使得S7-200成为各种小型控制任务理想的解决方案，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。并且，西门子S7-200PLC具有：极高的可靠性、丰富的指令集、极快的浮点运算速度、丰富的扩展模块、强大的内部集成功能等几个方面的出

22、色表现。 2.5 西门子S7-200PLC简介 S7-2006的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。它集成6 输入/4 输出共10个数字量I/O 点，无I/O 扩展能力。拥有6K 字节程序和数据存储空间，4个独立的30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz 高速脉冲输出以及1个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。S7-200系

23、列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如： 冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统等。图2.5-1 西门子S7-200PLCSTEP 7-Micro/WIN 32是西门子公司专门为S7-200系列PLC设计在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学，可用梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图三种编程语言编制程序，不同的编程语言编制的

24、程序可以相互转换。STEP 7-Micro/WIN 32提供两套指令集，即SIMATIC指令集（S7-200方式）和国际标准指令集（IEC1131-3方式）。程序编制完成之后，利用PLC与计算机专用的PC/PPI电缆传送程序至PLC。2.6 PLC控制系统硬件设计思路 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7。 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

25、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。 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。 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

26、正输出。本设计以PLC作为工具对台车呼叫控制系统的各种操作进行控制。PLC控制系统设计可以分为以下几个步骤：熟悉被控对象（本次设计的对象是台车呼叫控制系统），制定控制方案确定I/O点数选择PLC机型（本次设计采用西门子S7-200PLC），选择输入、输出设备，分配PLC的I/O地址程序设计（包括梯形图的绘制），系统调试编制相关技术文件。系统总体设计流程如图2.6-1所示：图2.6-1 系统总体设计流程图3 软件设计 3.1 系统流程图流程图主要由过程动作、有向连线、转换条件组成8。过程与动作：顺序控制设计法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个相连的阶段，这些阶段称为过程。过程是根据输

27、出量的状态变化来划分的，在任何一个过程之内，各输出量的ON/OFF状态不变。但是相邻两过程输出量的状态是不同的。过程的这种划分使代表各过程的编程元件的状态与各输出量之间的逻辑关系极为简单。当系统正处于某一过程所在的阶段时，该过程处于活动状态，称该过程为“活动”过程。当处于活动状态时，相应的动作被执行，处于不活动状态时，相应的非存储型动作被停止执行。有向连线：在顺序功能图中，随着时间的推移和转换条件的实现，进展按有向连线规定的路线和方向进行，在画顺序功能图时，将代表各过程的方框按它们成为活动过程的先后次序顺序排列，并用有向连线将它们连接起来。转换添加：使系统由当前过程进入下一过程的信号称为转换条

28、件，顺序控制设计法用转换条件控制代表各过程的编程元件。转换条件可以是外部的输入信号，如按钮、指令开关、限位开关的接通/断开等，也可以是可编程控制器内部产生的信号，如定时器、常开触点的接通等，转换条件也可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合。图3.1-1 系统流程图 3.2 系统梯形图按下启动按钮I0.0后主程序网络1 的M0.0导通并自锁，呼叫指示灯亮，此时可以通过呼叫按钮多对台车进行呼叫。网络2和网络3一直调用子程序SBR_0和SBR_1。网络4和网络5的主要功能是在有呼叫信号M0.1时，调用子程序SBR_2，同时屏蔽呼叫允许信号，关闭呼叫指示灯。正是因为在有呼叫信号M0.1时，调用子程序SB

29、R_2，使得停电再来电时，电机不会自行启动。M0.1时调用子程序SBR_0的主要作用是检测小车位置；子程序SBR_1的主要作用是检测呼叫信号；子程序SBR_2的主要作用是在有呼叫信号时，对呼叫信号做出反应9。主程序：一直调用子程序SBR_0和SBR_1，条件调用SBR_2，并控制呼叫指示灯。图3.2-1子程序SBR_0:台车当前位置数据采集，将台车在行程开关采集的位置信号传送到指定内存区域VB0图3.2-2子程序SBR_1:收集按钮信号，将按下按钮的位置号传送到指定内存区域，并形成呼叫控制信号M0.1图3.2-3子程序SBR_2：比较小车位置号与呼叫位置号，根据比较结果，控制小车左行右行和定时

30、图3.2-4 VBO与VB1中数据进行比较判断小车的运行方向及是否到达呼叫位置4 设计总结此次毕业设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的产品，必须要有足够的理论知识和实践经验。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，我才明白自己眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高

31、自己知识和综合素质。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学，最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜