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

基于PLC的装卸料小车控制系统设计

摘要

近年来，随着科学技术的进步和微电子技术的迅速发展，可编程序控制技术已广泛应用于自动化控制领域，可编程序控制器（PLC）以其高可靠性和操作简便等特点，已经形成了一种工业趋势。

该系统在各种环境下都能够工作，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。

文中详细介绍了运料小车的各硬件组成并完成了PLC外部接线图。

在PLC梯形图的编写时，文中采用了三菱PLC梯形图专用编译软件GX来进行编写。

现代工业生产中大量运用PLC控制运料小车，并结合组态王软件完成数据通信、网络管理、数据处理，使生产自动化，智能化，大大提高了生产效率，降低了劳动成本。

关键词：

PLC，运料小车，控制系统

前　言

随着社会迅速的发展，各机械产品层出不穷。

控制系统的发展已经很成熟，应用范围涉及各个领域，例如：

机械、汽车制造、化工、交通、军事、民用等。

PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力器。

PLC的应用不但大大地提高了电气控制系统的可靠性和抗干扰能力，而且大大地简化和减少了维修维护的工作量。

它的接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受，梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用ＰＬＣ的少量开关量逻辑控制指令就可以方便的实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门，使它很受工程技术人员的欢迎。

PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点，在机械制造、冶金等领域得到了广泛的应用。

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，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电气系统相比，电气接线及开关接点以减少到数百甚至千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障检测功能，出现故障时可及时发现警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障子诊断程序，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。

本课题研究的主要内容是通过PLC控制运料小车在工作台上各呼叫站间运动，以达到生产实际之用。

分析被控对象和明确系统控制要求；确定系统的I/O设备的数量及种类；控制流程设计；控制程序设计。

在设计该PLC送料小车设计程序的同时总结了以往ＰＬＣ送料小车设计程序的一般方法、步骤，并且把以前学过的基础课程融汇到本次设计当中来，更加深入的了解了更多的ＰＬＣ知识。

第1章概述

可编程逻辑控制器简介

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,简称PLC）根据国际电工委员会（IEC）在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：

“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。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。

第2章PLC系统选择

2.1选型分析

在工程中主要根据工艺要求、控制对象、用户需要等方面选择合适的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。

2.2系统的安装

2.3输入/输出模块的选择

模块电源：

在选择交流I/O模块时，应采用隔离变压器为其供电，这样可防止外部电路故障冲击模块。

电源线采用双绞线，绞距1-2cm。

隔离变压器的容量按PLC电源组件容量的1.5-2倍选择，直接模块的外接电源，其波纹值应满足模块要求；若是模块量直流模块，尚需用稳压电源。

电压等级：

在选择1角模块时，电压等级是一个比较重要的参数，它要根据现场设备与模块之间的距离来选。

当外部线路较长时，可选用AC220V模块；当外线短且控制相对集中时可选择24v模块。

输出电路：

PLC的模块输出方式一般有3种：

晶体管输出、继电器输出、双向可控硅输出。

确定负载类型根据PLC输出端所带的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，或晶体管输出。

不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行很重要，每个输出点、每个输出模块的负载电源不得超过额定电流，其中继电器输出模块的负载电流以不能太接进额定电流，当接近额定电流时，最好先带动一个小型中间继电器，在通过中间继电器扩展输出模块的输出容量，采用双向可控硅输出模块，其负载电流必须大于双向可控硅的维持电流，否则应在负载上并联电阻。

对于动作频繁、电感性或功率因素低的负载，不宜选用继电器输出模块，而应该采用晶体管输出模块，如果PLC输出带感性负载，负载接续流二极管，对交流感性负载应接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。

当频率为10次/min一下时，即可采用继电器输出方式，也可采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR）在驱动负载；对于两个重要输出量不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。

输出电路：

PLC输出电路电源一般应采用DC24v，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，同时其带负载（接近开关等）时要注意容量，同时做好防短路措施（因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行），建议该电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜熔丝，防止短路，以直流输入模版例。

2.4抗干扰措施

由于产生干扰的因素是复杂而多样的，因此采取的抗干扰措施要根据情况而定。

PLC供电电源一般为AC85-240v，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化原件（如电源滤波器、1:

1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，及变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC输入电路的地，以减少高低频脉冲干扰。

设置一个PLC信号专用接地装置。

该装置不能和防雷接地装置、电气设备接地装置有金属连接，接地电阻可参见使用说明书，一般小于100欧姆即可，接地线进入PLC控制柜中的信号接地端子排。

当出现干扰时将PLC地接线端子与信号接地端子排。

2.5PLC的选型

输入输出（I/O）点数的估算应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展。

余量后，作为输入输出点数估算数据。

实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入18点，输出12点。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

因此本课题的PLC内存容量选择应能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。

控制功能的选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择，根据本课题所设计控制的需要，PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。

离线编程方式：

PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。

完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。

离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。

在线编程方式：

CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。

这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。

硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。

通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。

PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间，因此PLC的选择对整个设计来说十分重要。

2.6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点。

2.7运料小车系统方案的确定

实现小车运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。

而从上述一节对PLC的特点了解可知，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，可以方便的对送料小车的控制。

因此，最终我选择了用可编程控制器PLC来实现运料小车系统的控制，完成本次的设计。

第3章系统硬件设计

3.1运料小车的运动流程

随着社会迅速的发展，控制系统的发展已经很成熟，在现代化得工厂中普遍存在。

尤其是在一些自动化生产线上，通过PLC控制运料小车在工作台上各呼叫站间运动，以达到生产实际之用。

如图3-1中所示的卸料小车，可根据要求在五个位置卸料，因此，它有三个工作状态：

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3-1装卸料小车运行的模拟

本系统包括带导轨的运行工作台，电机，行程开关，启停按钮，可编程控制器，继电器，直流电源等。

每个工作台设有一个行程开关（SQ）和一个小车停车位置按钮（SB）。

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。

根据系统的控制要求分析出如图3-2所示系统的控制流程图。

图3-2系统的流程图

PLC框架配置图

运料小车控制采用三菱的FX2N系列整体式PLC。

PLC框架配置如图所示。

3.2系统的硬件设计

系统的硬件接线图如图3-3所示主电路是有组合开关、熔断器、接触器、主触头、热继电器的热元件和电动机组成。

控制电机正传运行和反转运行的交流接触器分别是KM1和KM2，用KM1和KM2的主触点改变进入电动机的三相电源的相序，既可以改变电动机的旋转方向。

由于正反转切换过程中电感的延时作用，容易造成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。

因此为了避免该故障的产生，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。

图3-3主电路

3.3主要参数计算

1）断路器QF脱扣电流。

断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。

IQF＝1.7IN=1.7×6A＝10.2A≈10A，选用IQF＝10A的断路器。

2）熔断器FU熔体额定电流IFU。

以曝气风机为例，IFU≥2IN

3）热继电器的选择请参考有关技术手册，自行计算参数

4）电动机M1：

Y系列，AC380V，1.5kW，6极

3.4I/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X000—X013，输出端子对应的输出地址是Y000—Y001.

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所示。

表输入地址分配

输入地址

对应的外部设备

X000

启动按钮开关

X001

停止按钮开关

X002

1号站呼叫按钮开关

X003

2号站呼叫按钮开关

X004

3号站呼叫按钮开关

X005

4号站呼叫按钮开关

X006

5号站呼叫按钮开关

X007

1号站行程开关

X010

2号站行程开关

X011

3号站行程开关

X012

4号站行程开关

X013

5号站行程开关

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所示。

表输出地址分配

输出地址

对应的外部设备

Y000

电机反转继电器

Y001

电机正转继电器

内部继电器部分

内部继电气地址分配如表所示。

表内部继电气地址分配

内部继电器地址

功能说明

M0

小车运行停止

M1

1号站呼叫

M2

2号站呼叫

M3

3号站呼叫

M4

4号站呼叫

M5

5号站呼叫

M6

小车所在站编号>呼叫编号

M7

小车所在站编号<呼叫编号

M8

小车所在站编号=呼叫编号

3.5I/O接线图

图3-4PLC外部接线图

第4章PLC程序设计

4.1梯形图的概述

梯形图是使用的最多的图形编程语言，被称为为PLC的第一编程语言。

梯形图与电气控制的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。

梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。

PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元，（软继电器），每一个软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。

该存储单元为“1”状态。

则表示梯形图中对应软继电器线圈“通电”，通常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态时软继电器的“1”或“ON”状态。

如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态，使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。

梯形图两侧的公共线称为母线（Busbar），在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”，从左向右流动。

右母线可以不画出。

4.2语句表的概述

结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。

它是一种类似于高级语言的程序设计语言。

在大中型的可编程序控制器系统中，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。

它也被用于集散控制系统的编程和组态。

结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的运算关系，完成所需的功能或操作。

大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。

结构化程序设计语言具有下列特点：

1.采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算。

2.需要有一定的计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，普通电气人员难以完成。

3.直观性和易操作性较差。

4.常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制功能的实施。

部分PLC的制造厂商为用户提供了简单的结构化程序设计语言，它与助记符程序语言相似，对程序的步数有一定的限制。

同时，提供了与PLC间的接口或通信连接程序的编制方式，为用户的应用程序提供了扩展余地。

4.3小车运行条件

运料小车右行条件：

当5号站呼叫时，而小车停在l、2、3、4号任意一站；当4号站呼叫时，而小车停在在l、2、3号任意一站；当3号站呼叫，小车在l号或2号站；2号站呼叫时，小车在l号站；为小车右行条件。

运料小车左行条件：

当1号站呼叫时，而小车停在5、4、3、2号任意一站；当2号站呼叫，而小车停在5、4、3、号任意一站；3号站呼叫时，小车在5号或4号；4号站呼叫时，小车在5号站；为小车左行条件。

运料小车停止条件：

呼叫站号与小车的当前站号相同时，是小车的停止条件。

运料小车的互锁条件：

小车右行时不允许左行启动，同样小车左行时也不允许右行启动。

4.4梯形图

行程开关

在该程序中，5个站的行程开关分别用数字0-4来表示，当小车在1号站时，行程开关X007得电，将数字0传送到数据寄存器D0；当小车在2号站时，行程开关X010得电，将数字1传送到数据寄存器D0.它的助记符程序为：

LDX007

MOVK0D0；小车在1号站

LDX010

MOVK1D0；小车在2号站

LDX011

MOVK2D0；小车在3号站

LDX012

MOVK3D0；小车在4号站

LDX013

MOVK4D0；小车在5号站

小车启停辅助继电器

当按下启动按钮时，小车开始运动，该辅助继电器M0得电；当按下停按钮时，小车停止运动，该辅助继电器M0失电。

它的助记符程序为：

LDX000

ORM0

ANIX001

OUTM0；小车启停辅助继电器

呼叫按钮

在该程序中，5个站的呼叫按钮分别用数字0-4来表示，而且由于5个呼叫按钮开关HJ1—HJ5具有互锁功能，先按下者优先，所以需5个辅助继电器M1-M5。

当按下1号站呼叫按钮开关时，行程开关X002得电，数字0传送到数据寄存器D1，同时1号按钮开关辅助继电器得电；当按下2号站呼叫按钮开关时，行程开关X003得电，数字1传送到数据寄存器D1,同时2号按钮开关辅助继电器得电；依次类推，当按下5号站呼叫按钮开关时，行程开关X005得电，数字4传送到数据寄存器D1，同时5号按钮开关辅助继电器得电；它的助记符程序为：

LDM2

ANIM3

AMIM4

ANIM5

ANIX007

ANDM0

LDX002

ORM1

ANB

MOVK0D1；1号站呼叫按钮开关

OUTM1；1号站呼叫按钮开关辅助继电器

LDM1

ANIM3

ANIM4

ANIM5

ANIX010

ANDM0

LDX003

ORM2

ANB

MOVK1D1；2号站呼叫按钮开关

OUTM2；2号站呼叫按钮开关辅助继电器

LDM1

ANIM2

ANIM4

ANIM5

ANIX011

ANDM0

LDX004

ORM3

ANB

MOVK2D1；3号站呼叫按钮开关

OUTM3；3号站呼叫按钮开关辅助继电器

LDIM1

ANIM2

ANIM4

ANIM5

ANIX012

ANDM0

LDX005

ORM4

ANB

MOVK3D1；4号站呼叫按钮开关

OUTM4；4号站呼叫按钮开关辅助继电器

LDM1

ANIM2

ANIM3

ANIM4

ANIX013

ANDM0

LDX006

ORM5

ANB

MOVK4D1；5号站呼叫按钮开关

OUTM5；5号站呼叫按钮开关辅助继电器

比较

按下启动按钮和呼叫按钮后，开始对行程开关数据寄存器D0和呼叫按钮数据寄存器D1中的数据进行比较。

当（D0）>（D1）时，即小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮的编码时，M6得电，小车向左运行；当（D0）=（D1）时，即小车当前所处停靠站的编码等于呼叫按钮的编码时，M7得电，小车不动；当（D0）<（D1）时，即小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮的编码时，M8得电，小车向右运行。

它的助记符程序为：

LDM0

CMPD0D1M6

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。

它的助记符程序为：

LDM6

LDM1

ANIX007

LDM2

ANIX010

ORB

LDM3

ANIX011

ORB

LDM4

ANIX012

ORB

LDM5