毕业设计（论文）-plc控制运料小车运动的设计1.doc

哈尔滨理工大学专科生毕业论文 目 录第1章 绪 论11.1问题的提出及研究意义11.2国内外研究现状21.2.1国内现状21.2.2国外现状21.3本文研究的目的3第2章 plc的结构、工作原理及系统设计42.1plc的结构42.2 plc的工作原理52.3 plc的编辑语言62.3.1 plc梯形图62.3.2助记符语言62.4 plc控制系统的构成、设计原理及步骤72.5 plc的应用领域92.6 plc的特点9第3章 运料小车的控制系统论证113.1运料小车的介绍与控制要求113.2运料小车控制系统的控制内容与要求113.2.1运料小车的控制系统主回路113.2.2设备控制要求123.2.3运料小车控制系统控制回路133.3方案论证13第4章运料小车控制系统总体设计164.1plc的选用164.2plc外部接线图164.3i/o分配164.4plc状态流程174.5运料小车控制系统梯形图174.6运料小车控制系统语句表18第5章 总结19参考文献20致谢21附录22i哈尔滨理工大学专科生毕业论文 第1章 绪 论 1.1 问题的提出及研究意义可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，最初叫做可编程逻辑控制器（programmable logic controller），即plc，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。20世纪60年代以前，汽车流水线的自动控制系统基本上都采用传统的继电器控制。在60年代初，美国汽车制造业竞争越发激烈，而汽车的每一次更新的周期越来越短，这样对汽车流水线的自动控制系统更新就越来越频繁，原来的继电器控制就需要经常地重新设计和安装，从而延缓了汽车的更新间。所以人们就想能有一种通用性和灵活性较强的控制系统来替代原有的继电器控制系统1。1968年，美国通用汽车公司首先提出可编程控制器的概念。在1969年，美国数字设备公司（dec）终于研制出世界上第一台plc。这是由一种新的控制系统代替继电器的控制系统，它要求尽可能地缩短汽车流水线控制系统的时间，其核心采用编程方式代替继电器方式来实现生产线的控制。这种控制系统首先在美国通用汽车的生产线上使用，并获得了令人满意的效果。plc在制造和冶金等其他工业部门相继得到了应用。1971年，日本引进了这项技术，并开始生产自己的plc。1973年，欧洲一些国家也研制出了自己的plc。1974年，我国也开始仿照美国的plc技术研制自己的plc，终于在1977年研制出第一台具有实用价值的plc。大规模集成电路和超大规模集成电路的出现使得plc在问世后的发展极为迅速。现在，plc不仅能实现继电器的逻辑控制功能，同时还具有数字量和模拟量的采集和控制、pid调节、通信联网、故障自诊断及dcs生产监控等功能2。毫无疑问，plc将在今后的工业生产中起到非常重要的作用。在20世纪80年代，美国的工业市场调查报告和1989年美国的一份分散控制系统（dcs）的调研报告中，都能看出plc在工业控制中的重要作用。传统的运料小车大都是继电器控制，而继电器控制有着接线繁多，故障率高的缺点，且维护维修不易等缺点。作为目前国内控制市场上的主流控制器，plc在市场、技术、行业影响等方面有重要作用，利用plc控制来代替继电器控制已是大势所趋3。在国际上plc迅速发展的形势下，我国多数plc厂家还没有拥有自主知识产权，能够参与国际竞争的plc产品，其中之一就是研发实力不够。虽然资金投入、生产和质量管理等因素也占有非常大的比重，但对产品的质量起着决定性作用的是研发投入、研发成果产品化以及生产工艺等。而技术则是贯穿着其中每一个环节，plc核心技术的开发、产品的后续开发、生产工艺的技术水平是决定产品质量的前提，如何在技术上进一步增强自己的实力，将是国产品牌取得市场竞争优势的关键。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。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。本文以三菱fx系列plc为例，简要介绍plc在运料小车自动控制系统中的应用4。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内现状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及产品中不断扩大了plc的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的cf系列、杭州机床电器厂生产的dkk及d系列、大连组合机床研究所生产的s系列、苏州电子计算机厂生产的yz系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的plc生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，plc在我国将有更广阔的应用天地。1.2.2 国外现状在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国gm（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（dec）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称programmable ,是世界上公认的第一台plc.限于当时的元器件条件及计算机发展水平，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、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置5。1.3 本文研究的目的传统的运料小车大都是继电器控制，而继电器控制有着接线繁多，故障率高的缺点，且维护维修不易等缺点。作为目前国内控制市场上的主流控制器，plc在市场、技术、行业影响等方面有重要作用，利用plc控制来代替继电器控制已是大势所趋。在国际上plc迅速发展的形势下，我国多数plc厂家还没有拥有自主知识产权，能够参与国际竞争的plc产品 ，其中之一就是研发实力不够。虽然资金投入、生产和质量管理等因素也占有非常大的比重，但对产品的质量起着决定性作用的是研发投入、研发成果产品化以及生产工艺等。而技术则是贯穿着其中每一个环节，plc核心技术的开发、产品的后续开发、生产工艺的技术水平是决定产品质量的前提，如何在技术上进一步增强自己的实力，将是国产品牌取得市场竞争优势的关键。依据得到的样本分析，初步得出正在使用的众多plc的品牌中 ，西门子、三菱及omron占据绝对的优势，60%左右的用户使用了这些品牌的plc产品，而rockwell/ab、ge-fanuc和富士等品牌也占有相当的市场份额。第2章 plc的结构、工作原理及系统控制2.1 plc的结构plc实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同，plc的基本结构分为整体式和模块式结构两类。整体式结构的plc由中央处理器（cpu）、存储器、输入/输出（i/o）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。基本结构如图1-1所示。图1-1 整体式结构图1-2 模块式结构模块式（又称组合式）结构的plc是将中央处理器（cpu）、存储器、输入/输出（i/o）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。模块式的plc安装完成后，需进行登记，以便plc对安装在总线上的各模块进行地址确认，其特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的plc，但同时价格也较高。基本结构框图如图1-2所示。2.2 plc的工作原理plc与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而plc则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说plc以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而plc控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程6。plc采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到plc）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。扫描过程如图1-3所示。图1-3 循环扫描在输入阶段中，plc先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。在执行阶段中，plc按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。在输出阶段中，plc将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备7。2.3 plc的编辑语言2.3.1 plc梯形图梯形图语言是在继电器控制电路图的基础上发展而来的。最大的优点就是直观易懂，使用简单方便。对来自电气方面的用语，通过梯形图很容易就能掌握，同时它也是plc的主要编程语言8。例如，一个简单plc控制系统，当常开按钮sbfl动作时，水泵开启，当常闭按钮sbsl动作时，水泵停止运行。用继电器控制和用plc控制的梯形图如图1-4和图1-5所示。图1-4 继电气控制电路图1-5 plc控制梯形图2.3.2 助记符语言助记符语言与汇编语言类似，它使用字符来代表可编程控制器的某种操作，这就要求用户要有一定的计算机编程基础。用助记符语言编写上一个例子的程序如下：ld x0or y0 ani x1out y02.4 plc控制系统的构成、设计原理及步骤plc控制系统由硬件部分和软件部分组成。硬件部分不仅包括选择符合控制要求的plc机型、存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模块和特殊功能模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接口，如输入设备（控制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等）和由执行装置控制的现场设备（水泵、鼓风机、阀门等）。软件部分主要包括对plc进行i/o点地址、内部继电器、定时器、计数器等的分配，plc控制程序的设计（梯形图、语句表、流程图等），还有一些技术文件等9。plc控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要求。plc控制系统的设计应遵循以下原则。（1）根据工艺流程进行设计，力求控制系统能最大限度地满足控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，尽量减少plc系统硬件费用。（3）考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑plc的可扩展性。（3）控制系统使用和维护方便、安全可靠。 一般plc控制系统的设计步骤如图1-6所示，具体操作如下。（1）控制要求分析在设计plc控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控制系统。（2）确定输入/输出设备根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等），根据所选用的输入/输出设备的类型和数量确定plc的i/0点数。（3）选择合适plc确定plc的i/0点数后，就根据i/0点数、控制要求等来进行plc的选择。选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。（4）i/0点数分配点数分配就是规定plc的i/0端子和输入/输出设备。（5）plc程序设计首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。（6）模拟调试程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。（7）现场联机调试现场联机调试就是将plc与现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。（8）整理技术文件这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、i/o接线原理图、程序清单和使用说明书等。图1-6 设计步骤示意图2.5 plc的应用领域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。这特别适合多品种、小批量的生产场合。目前，plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类:(1)开关量逻辑控制取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，plc采用相应的a/d和d/a转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(3)运动控制plc可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4)数据处理plc具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5)通信及联网plc通信包括plc间的通信及plc与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的plc都具有通信接口，通信非常方便。但是，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10。2.6 plc的特点plc之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的:1)功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；2)应用灵活， 其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合。3)操作方便，维修容易，稳定可靠。尽管plc有各种型号，但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几万小时。第3章 运料小车的控制系统论证3.1 运料小车的介绍与控制要求运料小车模拟图如图2-1。图2-1运料小车运料小车是工业送料的主要设备之一。广泛应用于自动生产线、 冶金、有色盒属、煤矿、港口、码头等行业，各工序之间的物品常用有轨小车来转运。小车通常采用电动机驱动，电动机正转小车前进，电动机反转小车后退。图2-1是一个运料小车工作示图。系统的设计要求为：小车由电机驱动，可在a、b两地分别启动，a地启动后，小车先返回限位开关st1处，停车20s装料；然后自动驶往b点，到达限位开关st2处后停车，底门电磁铁动作，卸料30s，然后返回a点，停车20s装料，如此反复。3.2 运料小车控制系统的控制内容与要求3.2.1 运料小车的控制系统主回路运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转，小向右行。电动机正反转主回路如图3-1所示。图3-1 三相异步电动机正反转电路图在生产线上装料点a、卸料点b分别装有行程开关，以判别小车是否到达位置。另外对小车还需要一个总停按钮，两个启动按钮。3.2.2 设备控制要求运料小车在自动化生产线上运动的控制要求如下：(1) 按下启动按钮，系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作(2) 可在a、b两地分别启动(3) a地启动后，小车先返回限位开关st1处，停车20s装料(4) 然后自动驶往b点，到达限位开关st2处后停车，底门电磁铁动作，卸料30s(5) 然后返回a点，停车20s装料，如此反复3.2.3 运料小车控制系统控制回路传统运料小车大都是继电器控制。根据3.2.2设备控制的要求，以继电器为主的运料小车控制系统的控制回路如图3-2所示。图3-2 运料小车的继电器控制回路3.3 方案论证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，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。后来，单片机应用到运料小车控制系统中。单片机有优异的性能价格比、集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制功能强、低功耗、低电压，便于生产便携式产品，外部总线增加了ic及spi，单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。单片机编程方法复杂，不容易上手，使用于简单应用。将plc应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。plc运料小车电气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，安装、维修和改造方便等优点。运料小车控制流程图如图3-4所示。图3-4 运料小车控制流程图运料小车控制系统的控制系统构成图如图3-3所示。图3-3 运料小车控制系统图第4章 运料小车控制系统总体设计4.1 plc的选用根据运料小车输入输出设备的分配，在i/o方面只需要6个输入口和3个输出口，同时考虑适当的余量，选用fx2n-16mr的plc即可。4.2 plc外部接线图运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转，小向右行。小车控制系统的输入，输出设备与plc的i/o端对应的外部接线图如图4-1所示。图4-1 运料小车plc外部接线图4.3 i/o分配这个控制系统的输入有2个启动按钮开关、停止按钮开关、2个行程开关、热继电器共6输入点。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一个。电机有正转和反转两个状态，分别都应正转继电器和反转继电器，另外还有一个输出控制卸料电磁铁开关，所以输出点应该有3个。对应的地址分配表如表4-1所示。表4-1 plc i/o分配输入信号输出信号 名称 代号 输入点编号 名称 代号 输出点编号总停按钮 sb1 x000正转接触器 km1 y000正转启动按钮 sb2 x001反转接触器 km2 y001反转启动按钮 sb3 x002卸料电磁铁 km3 y002行程开关 st1 x003行程开关 st2 x004热继电器 kr x0054.4 plc状态流程根据运料小车运动控制的要求， 按下启动按钮sb1后，运料小车系统开始工作，碰到装料点a的行程开关并开始进行装料，20s装料结束后小车自动右行。碰到卸料点b的行程开关后停车并卸料，30s后卸料完毕小车左行，碰到装料点a的行程开关时，小车停止并装料，如此反复。4.5 运料小车控制系统梯形图图4-3 运料小车控制系统梯形图根据小车运动的控制要求，画出小车控制系统的梯形图如图4-3所示。4.6 运料小车控制系统语句表根据图4-3梯形图 写出与之相对应的语句表如下：0 ld x0011 or y0002 or t13 ani x0004 ani m15 ani x0036 ani y0017 out y0008 ldi x0009 and x00310 out t0 k20011 ld x00212 or y00113 or t014 ani x00015 ani m116 ani x00417 ani y00018 out y00119 ldi x00020 and x00421 out t1 k30022 out y00223 ldi x00024 and x00525 out m126 end第5章 总结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，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。将plc应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。plc运料小车电气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，安装、维修和改造方便等优点。本设计运用的可编程控制器实现的运料小车自动控制，避开了以往继电器接触不良、开关易损坏等缺点，可靠性和稳定性都有所提高。在检测小车是否到达装料、卸料点的时候，运用了行程开关，这样的检验系统让小车的停靠位置更加准确。与此同时，由于输入输出很明显，不需要好多额外的外接电路，让设计更简洁。这也是采用了成熟的可编程控制器带来的好处。即使在出现故障、紧急停止等环节中都能快捷操作。但设计过程中，只是基本实现了设计的要求，没有功能扩展，让系统显得比较简单。在实际的运用过程中，为了便于智能化、无人化、远程化的操作，该设计控制器还应该联网，让多台控制器组成局域网，构成一套网路系统，便于通讯和控制操作。如修改软件设计中的一些参数，能适合在不同的场合都能适合。在具体的设计中，应该还可以设计显示功能，显示运料小车到达指定的装料、卸料点时所需时间；还可以在小车底部安装一个传感器，用来检测小车中的料是否卸完。这样就可更好地控制小