小车多方式运行的PLC课程设计.docx
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小车多方式运行的PLC课程设计
小车多方式运行的PLC控制
一、设计目的和意义……………………………………………….3
二、设计原理……………………………………………………….4
三、详细设计……………………………………………………….6
四、系统调试……………………………………………………….13
五、设计总结……………………………………………………….13
六、参考文献……………………………………………………….14
设计目的和意义
1进一步巩固电气与PLC控制的基本知识。
可编程序控制器是一种数字运算的电子系统,专为工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和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。
了解PLC的特点。
其可靠性高、逻辑功能强、体积小。
在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合,PLC无需增加硬设备。
随着要求的变更PLC对程序修改方便。
继电器线路要想改变控制功能,必须变更硬接线,灵活性差。
具有网络通讯功能,可附加高性能模块对模拟量进行处理,实现各种复杂控制功能。
2掌握设备电气控制系统的原理设计、施工设计的方法。
电气控制系统设计包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。
电气原理图设计是为满足生产机械及其工艺要求而进行的电气控制电路的设计;电气工艺设计是为电气控制装置的制造、使用、运行及维修的需要而进行的生产施工设计。
在电气控制设计中,应最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求,因为这些要求是电气控制设计的依据。
3掌握PLC程序的设计及调试方法。
根据系统的控制要求,采用合适的设计方法来设计PLC程序。
程序要以满足系统控制要求为主线,逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序,逐步完善系统指定的功能。
除此之外,程序通常还应包括初始化程序、检测、故障诊断和显示等程序。
这些程序相对独立,一般在程序设计基本完成时再添加。
另外,注意程序的模拟调试,其基本思想是,以方便的形式模拟产生现场实际状态,为程序的运行创造必要的环境条件。
主要有硬件模拟法和软件模拟法,模拟提供现场信号,简单易行。
模拟调试过程中,可采用分段调试的方法,并利用编程器的监控功能。
4学会查阅有关专业资料及设计手册。
设计原理
一、扫描工作原理
当PLC运行时,是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的,需要执行众多的操作,但CPU不可能同时去执行多个操作,它只能按分时操作(串行工作)方式,每一次执行一个操作,按顺序逐个执行。
由于CPU的运算处理速度很快,所以从宏观上来看,PLC外部出现的结果似乎是同时(并行)完成的。
这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。
用扫描工作方式执行用户程序时,扫描是从第一条程序开始,在无中断或跳转控制的情况下,按程序存储顺序的先后,逐条执行用户程序,直到程序结束。
然后再从头开始扫描执行,周而复始重复运行。
PLC的扫描工作方式与电器控制的工作原理明显不同。
电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式,如果某个继电器的线圈通电或断电,那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上,都会立即同时动作;而PLC采用扫描工作方式(串行工作方式),如果某个软继电器的线圈被接通或断开,其所有的触点不会立即动作,必须等扫描到该时才会动作。
但由于PLC的扫描速度快,通常PLC与电器控制装置在I/O的处理结果上并没有什么差别。
二、PLC扫描工作过程
PLC的扫描工作过程除了执行用户程序外,在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。
PLC的整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。
整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。
扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关,典型值为1~100ms。
在内部处理阶段,进行PLC自检,检查内部硬件是否正常,对监视定时器(WDT)复位以及完成其它一些内部处理工作。
在通信服务阶段,PLC与其它智能装置实现通信,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容等。
当PLC处于停止(STOP)状态时,只完成内部处理和通信服务工作。
当PLC处于运行(RUN)状态时,除完成内部处理和通信服务工作外,还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。
PLC的扫描工作方式简单直观,便于程序的设计,并为可靠运行提供了保障。
当PLC扫描到的指令被执行后,其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用,而且还可通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间,避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。
三、PLC执行程序的过程及特点
PLC执行程序的过程分为三个阶段,即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
1、输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样,并存入输入映象寄存器中,此时输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序处理阶段,在程序执行阶段或其它阶段,即使输入状态发生变化,输入映象寄存器的内容也不会改变,输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。
2、程序执行阶段
在程序执行阶段,PLC对程序按顺序进行扫描执行。
若程序用梯形图来表示,则总是按先上后下,先左后右的顺序进行。
当遇到程序跳转指令时,则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。
当指令中涉及到输入、输出状态时,PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出,根据用户程序进行运算,运算的结果再存入元件映象寄存器中。
对于元件映象寄存器来说,其内容会随程序执行的过程而变化。
3、输出刷新阶段
当所有程序执行完毕后,进入输出处理阶段。
在这一阶段里,PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态(输出继电器状态)转存到输出锁存器中,并通过一定方式输出,驱动外部负载。
因此,PLC在一个扫描周期内,对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。
当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁,直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。
这方式称为集中采样,即在一个扫描周期内,集中一段时间对输入状态进行采样。
在用户程序中如果对输出结果多次赋值,则最后一次有效。
在一个扫描周期内,只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出,对输出接口进行刷新。
在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。
这种方式称为集中输出。
当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应,需要一段时间,这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。
对一般的工业控制,这种滞后是完全允许的。
应该注意的是,这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成,更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟,以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟,同时还与程序设计有关。
滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。
详细设计
一总体设计思路
本课程设计主要是设计两个模块:
小车对站台呼叫的反应电路以及小车路过站台时指示灯的显示。
出于简化设计方案的考虑,本文在设计之前做出这样的假设:
小车停止前仅有一个呼叫的站台起作用。
比如当小车从2号站台向三号前进的过程中,1、2、4三个站台不会呼叫,除非小车到达3号站台停止。
在这种假设的基础下,采用模块化的设计思想,对两个模块的电路分别设计,最后将两者整合到一起,即可。
二硬件的设计
1、I/O的分配
本设计使用9个输入继电器,6个输出继电器,6个辅助继电器(各辅助继电器的功能在程序程序对应部分会有说明)。
输入输出继电器的选择与对应关系如下表一所示:
输入
功能说明
输出
功能说明
SB0
X0
启动/停止
KM1
Y1
左行
SB1
X1
呼叫站台1
KM2
Y2
右行
SB2
X2
呼叫站台2
R1
Y10
第一个站台的指示灯
SB3
X3
呼叫站台3
R2
Y20
第二个站台的指示灯
SB4
X4
呼叫站台4
R3
Y30
第三个站台的指示灯
SQ1
X11
限位1
R4
Y40
第四个站台的指示灯
SQ2
X12
限位2
SQ3
X13
限位3
SQ4
X14
限位4
表一I/O分配表
2、I/O的外部接线
根据下节软件的设计,选择适合的输入、输出,即可得到外部硬件连接电路图如下图一:
图一I/O外部接线图
三软件的设计
1、小车对站台呼叫的反应电路
取两个寄存器,分别存放呼叫的站台以及小车停靠的站台(本文的设计中这两个寄存器分别为D0和D1),显然,我们可以通过cmp指令进行x,y的大小判断,当x>y时,执行左行命令(即本文设计程序中的SETY1指令);当x 在这样的思路下,我们不可避免的将遇到三个问题: 如何在D0中存放所呼叫的站台? 如何准确获取并在D1中存放小车停靠的位置? 执行左行或右行命令后,如何使得小车在指定站台停止,并同时记录下新的停靠位置,即更新D1寄存器的内容? 对于第一个问题,直接运用mov指令即可。 方法是设置四个输入继电器x1,x2,x3,x4分别表示第i个站台呼叫,当xi接通时,执行movkiD0,(i取1、2、3,4)。 对于第二个问题,解决方法是当小车停止时,即相应的到位开关SQ1、SQ2、SQ3或SQ4接通时,执行movKiD1,(i取1、2、3,4)。 第三个问题,判断小车停止的条件是使用到位开关SQ,本文的程序里使用四个继电器x11,x12,x13,x14来表示,相见后文的设计图。 至此,第一个模块的设计思路基本清晰。 由此可得到梯形图和指令如下。 图二模块一的PLC控制系统设计梯形图 这个梯形图中,引入了5个辅助继电器M100,M101,M102,M103,M104,其对应的功能如下表二(模块一的设计引入各特殊元件的原因及功能)所示: 继电器 引入原因及功能 M100 本设计有启动、停止按钮,启动开始后,可以随时停止系统的运行,所以利用主控指令MC,引入M100。 M101、M102、M103、M104 四个输入X1—X4均为按钮控制,因此当其接通后,必须能够实现自锁。 其次,考虑到需要根据呼叫的站台不同对D1寄存器赋不同的值,因此需采用不同的自锁条件,进而引入四个不同的继电器。 表二: 模块一的设计引入各特殊元件的原因及功能 梯形图对应的程序指令: LDX0 MCN0 M100 LDX1 MOVK1D0 LDX1 ORM101 MPS ANIX11 SETM101 MPP ANDX11 MOVK1D1 LDX2 MOVK2D0 LDX2 ORM102 MPS ANIX12 SETM102 MPP ANDX12 MOVK2D1 LDX3 MOVK3D0 LDX3 ORM103 MPS ANIX13 SETM103 MPP ANDX13 MOVK3D1 LDX4 MOVK4D0 LDX4 ORM104 MPS ANIX14 SETM104 MPP ANDX14 MOVK4D1 LDM101 ORM102 ORM103 ORM104 MPS CMPD0D1M0 MRD ANDM0 SETY1 MRD ANDM1 RSTY1 RSTY2 MPP ANDM2 RSTY2 2、第二个模块: 小车路过站台时指示灯的显示 本文的程序里用Y10,Y20,Y30,Y40分别表示第1、2、3、4站台的指示灯。 根据题目要求,当小车路过站台时,对应的站台的指示灯要亮,对于第2,3站台指示灯,这个效果直接用指令LDX12,OUTY20;LDX13,OUTY30即可控制。 但是对于第1、4号站台,要求指示灯闪烁三次,则像上面这样简单的指令是不能满足要求的,需要引入定时器(用以控制“闪烁”的间隔时间)和计数器(用以控制闪烁“3次”)。 详细控制图和程序见后文。 另外,考虑到这两个站台指示灯的功能相同,因此程序里可以使用子程序,以减少定时器、计数器和继电器的个数,同时亦能提高程序运行的效率和可靠性。 根据这样的思路,得到第二个模块的设计图及指令如下: 在这个梯形图中,引入了两个辅助继电器,三个定时器和一个计数器,各元件引入的原因及功能如下表三: 元件 引入的原因及功能 辅助继电器M105 为使提高程序的效率和可靠性,在程序的编写里,使用了子程序的方法,即1、4站台指示灯的闪烁由子程序实现。 因此这里引入M105就使X11和X14的接通或断开得到了统一,即输入归一化。 辅助继电器M106 由上,因1、4站台对应着不同的指示灯,所以若采用子程序,则不仅要将输入统一,还要将输出统一。 M106的作用就是统一了Y10和Y40,即输出归一化。 定时器T1,T2,T3 要实现指示灯的“闪烁”,必须要设定一个合理的“间隔时间”,本文的设计里将这个时间设为0.5秒,三个计数器的作用都是为了实现这一目的,初始值设定K5。 计数器C1 根据设计要求,1、4站台指示灯需要闪烁三次,因此引入计数器,设定值为K3。 表三: 模块二的设计引入各特殊元件的原因及功能 梯形图对应的程序指令如下: LDX12 OUTY20 LDX13 OUTY30 LDX11 OUTM105 ANDM106 OUTY10 LDX14 OUTM105 ANDM106 OUTY40 LDM105 CALLP0 FEND P0: LDM105 RSTC1 OUTT1 K5 LDT1 ANIT3 ORC1 OUTT2 K5 LDT2 OUTT3 K5 LDT3 OUTC1 K3 SRET MCRN0 END 系统调试 1硬件调试 硬件调试的方法是接通电源,检查可编程序控制器能否正常工作,接头是否接触良好。 本实验里,全部接头接触良好,程序控制器可以正常工作。 2软件调试 方法是按要求输入梯形图,检查并编译。 本次设计实验里,正确输入梯形图,编译成功。 同时通过在线工作后把程序写入可编程序控制器的程序存储区,然后进行运行调试,在前面正确操作和正常进行的基础上,使PLC进入运行状态,观察运行情况,结果是本PLC设计运行正常,没有未知错误,对于多组不同站台呼叫的检测数据,小车均能够以预想的行动路线运动,即能够实现循环工作。 根据以上调试情况,该小车多方式运行的PLC控制设计符合要求。 设计总结 一设计后记与再思考 前面详细说明了本文控制系统的设计过程、步骤及结果分析,总的来说,结果还是比较令人满意的,但是在实际应用中效果并不理想,原因在于本文开头所提出的假设: 小车停止前仅有一个呼叫的站台起作用。 下面对这个问题进行详细的说明和总结。 在实际情况中,小车的运行并不是一个以小车为中心的的单向过程,而是以呼叫台为中心的小车被动的行驶过程,小车必须能够随时接收指令,随时根据新的指令更改自己的行动路线。 这有三种情况,这里举例说明。 若初始时小车停靠2号台,3号台呼叫。 ①当小车从2号站台向3号前进的过程中,因为某种原因,3号呼叫台的呼叫取消,改为1号呼叫,这样小车必须要首先停止右行,然后开始左行到1号台。 然而在本文的设计里,这种情形下控制系统会发生错误;②当小车从2号站台向3号前进的过程中,4号台也发生呼叫请求,则小车到达3号台停下一段时间后,要能自发的向4号台前进,而不用再等待4号台的呼叫。 本文中,这种情形可以得到实现。 ③在小车运动前或运动进行的状态中,若有两个或两个以上的站台同时呼叫,则小车应该要自发的计算并选择最优的路线,逐个到达指定站台。 比如,小车初始停靠2号台,当1号台和4号台同时呼叫时,若1、2两台之间的距离小于2、4两台之间的距离时,小车应该先左行到1号台,再右行到4号台;若1、2两台之间的距离大于2、4两台之间的距离时,小车应该先右行到4号台,再左行到1号台。 这一点本文的设计不能实现。 综上论述,本文的设计虽然能够满足设计要求,但仍然具有局限性,不能满足上面叙述的几种特殊状态,暂不能投入实际应用中。 二心得体会 PLC技术是三年级的课程,长时间没有接触,拿到课题时感觉很生疏,第一天花了一个晚上去重新温习三菱 系列PLC的各种功能指令,慢慢就找到了当初学习PLC编程时的浓厚激情。 25号晚用了三个小时设计出此控制系统的软件部分,即程序与梯形图。 26号写出此设计报告。 通过此次课程设计,让我对PLC梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解,也让我了解了关于PLC设计原理。 有很多设计理念来源于实际,从中找出最适合的设计方法。 三年级学习的PLC都是极理论的东西,所做过的几个实验也都是在已知程序图的情况下学习使用编程器,这并不能提高PLC的设计水平,而这次的课程设计是从根本上让我们理论联系实际,在这种根据实际状况进行系统设计的情况下能够让我们对PLC有更深刻的认识。 当然,上一节说明过,本文的设计具有局限性,设计程序里不能将所有的边缘问题都考虑的周到,这是需要我再以后的学习中认识并改正的。 参考文献 1、王兆义,杨新志.小型可编程序控制器实用技术。 北京: 机械工业出版社,2010 2、李建兴.可编程序控制器应用技术.北京: 机械工业出版社,2004 3、方承远.电气控制原理与设计.北京: 机械工业出版社,2000 4、刘光源.电工实用手册、简明电气安装手册,2001 5、吕砚山.常用电工电子技术手册,2000
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