PLC控制运料小车的设计

1、前 言可编程控制器是一种为工业机械控制所设计的专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用，它是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品，逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC1。 随着技术的发展，其控制功能不断增强，可编程程序控制器还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并通过数字，模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。长期以来，PLC及其网络控制系统始终战斗在工业自动

2、化控制行业的主战场，其提供的安全和完善的解决方案，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，在电力、冶金、化工、机械等行业发挥了重大作用，被公认为现代工业自动化三大支柱之一。 近20年来计算机和信息技术的飞速发展，不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格，使PLC、通信联网技术、过程控制软件都获得了长足进步，也使PLC的广泛应用成为可能。从1968年开始至今，PLC已经经历了四次更新换代,现阶段的PLC产品不但全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能片位式微处理器，RISC(ReduCedInstruCtionSetComputer)精简指令系统CPU等高级CPU，而且，在一台PLC中配置

3、多个微处理器，进行多道处理。同时，生产了大量内含微处理器的智能模板，使得最新的PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的名副其实的多功能处理器。 随着生产自动化程度的增加，单一的逻辑控制功能显然不能满足现代生产的要求，而PLC新增加的这些功能正好适应了生产发展的需求。相信在未来的自动化生产控制中，PLC及其网络必将得到更加广泛的.第1章可编程控制器（PLC）概况1.1PLC的定义国际电工委员会(International Electrical Committee- IEC),1987年的第三版对PLC作了如下的定义: PLC是一种专门为在工业环境下

4、应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算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。可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU(中央处理单元)存储器(RAM和EPROM),输入/输出模块(简称为I/O模块)、编程器和电源五大部分组成。近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。1.2PLC的发

5、展1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公开招标提出十项标准:(1)编程方便，现场可修改程序；(2)维修方便，采用模块化结构；(3)可靠性高于继电器控制装置；(4)体积小于继电器控制装置；(5)数据可直接送入管理计算机；(6)成本可与继电器控制装置竞争；(7)输入可以是交流115V；(8)输出为交流115V, 2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；(9)在扩展时，原系统只要很小变更；(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K。1969年，美国数字公司(DEC)研制出了第一台可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高

6、、通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。1.3 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。1.4 PLC的基本组成及各部

7、分作用PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展

8、底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。1、中央处理单元(CPU)：CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；(2) 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;(3) 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;(4) PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。现代PLC

9、使用的CPU主要有以下几种:(1) 通用微处理器，如8080, 8088, Z80A, 8085等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。(2) 单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。(3) 位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可

10、以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。2、存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:(1) 系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.(2) 用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的R

11、AM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。(3) 工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等

12、内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。3、 1/0单元I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入

13、映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.4、电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V, +12V, +24V的直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。5、扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更

14、加灵活以满足不同控制系统的需要。6、通信接口为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。7、编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一

15、般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。1.5PLC的应用领域PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大

16、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

17、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

18、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。第2章 硬件介绍图2-1 送料小车的模拟图运料小车是工业逗料的主要设备之一。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。本系统的结构工作原理图如图2-1，包括带导轨的运行工作台，DC24V电机

19、，行程开关，起停按钮，可编程控制器，DC24V继电器，DC12V直流电源等。图2-1是一个运料小车工作示意图，每个工作台设有一个到位开关(SQ)和一个呼 叫按钮(SB)。系统的设计要求为：（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）当小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮的编码时，小车向右运行，运行到呼叫按钮所对应的停靠站时停止；（3）当小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮的编码时，小车向左行，运行到呼叫按钮HJ所对应的停靠站时停止；（4）当小车当前所处停靠站的编码等于呼叫按钮的编码时，小车保持不动；（5）呼叫按钮开关应具有互锁功能，先按下者优先。图2-2中采用2个DC2

20、4V继电器和1个12V直流电源来实现直流电机的正反转，2个继电器线圈直接接到可编程控制器的输出端。当继电器线圈1得电时继电器1的触点由k1转换到k2，而继电器线圈2的触点状态不变，电流流向如I1所示，驱使DCI2V电机按一定方向运转：当继电器线圈2得电时，继电器线圈I触点状态不变，而继电器线圈2的触点由k3转换到k4，电流流向如I2所示驱使DC12V电机按相反的方向运转。图2-2为PLC输出的电压转换电路第3章 三菱FX2N系列 PLC3.1 可编程控制器(PLC)的选型PLC概述可编程控制器，英文称Programmable Controller，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PL

21、C是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制

22、装置多的多、强的多。PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：逻辑处理功能；数据运算功能；准确定时功能；高速计数功能；中断处理（可以实现各种内外中断）功能；程序与数据存储功能；联网通信功能；自检测、自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。像PLC这样。集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。3.2 PLC的选型在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一

23、步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。1、输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，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40点，输出2

24、1点。2、存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。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1015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

25、以后的改造过程中有足够的空间。3、控制功能的选择该选择包括运算功能、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。根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。（1）控制功能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。（2）编程功能离线编程方式：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

26、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。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。（3）诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。

27、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。4、机型的选择（1）PLC的类型FX2系列可编程控制器主机分为16、24、32、64、80、128点六档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。本课题设计的立体仓库控制系统有输入信号40个，输出信号21个。其中，外部输入元件包括：检测元件、按钮、取、送、

28、急停、限位开关、超限位保护等等；输出有三个步进电机的正反向、动作指示、错误显示等等。按照上述配置，所选I/O点不得低于61点，结合实际情况，所选I/O点为80点。因此我所选型号为FX2N-80MR。（2）经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的立体仓库属于小型控制

29、系统，结合经济性的考虑因此选择整体型PLC。第4章 运料小车的程序设计4.1 I/O地址分配表表1 系统I/O资源配置表序号元件名设备名作用1X0SB0启动按钮开关2X1SB11号站呼叫按钮开关3X2SB22号站呼叫按钮开关4X3SB33号站呼叫按钮开关5X4SB44号站呼叫按钮开关6X5SB55号站呼叫按钮开关7X6SB66号站呼叫按钮开关8X11SB111号站呼叫按钮开关9X12SB122号站呼叫按钮开关10X13SB133号站呼叫按钮开关11X14SB144号站呼叫按钮开关12X15SB155号站呼叫按钮开关13X16SB166号站呼叫按钮开关14Y0KMO电机正转继电器15Y1KM1电

30、机反转继电器4.2 运料小车控制系统流程图图4-14.3 PLC电气连接图图4-24.4 三菱可编程控制器软件介绍梯形图指令梯形图视图转换元件名查找图4-34.5 控制程序梯形图（1） 图4-4梯形图为小车起停的程序，按下启动按钮小车运动，M0得电并且保持，按下停止按钮，M0失电。图4-4(2) 图4-5梯形图为五个行程开关梯形图，5个行程开关用数字04表示，当小车到达1号时，I0.2得电，将数字0传入MW0(用R0表示)中；以此类推。 图4-5(3) 图4-6梯形图为五个呼叫按钮梯形图，5个呼叫用数字04表示，当一号按钮被按下时，I0.7得电，将数字0传入MW1（用R1表示）中，以此类推，M

31、4是实现自锁功能的作用，将在下面的梯形图中讲到。图4-6（4） 图4-7梯形图用于实现自锁功能，当按下某个呼叫按钮时，同时触发M4，并保持，使获得优先权，按下别的按钮将无效，M2是当小车位置和按钮编码相同时触发，使M4失电，恢复到最初的情况。 图4-7(5) 图4-8梯形图为比较梯形图，当小车所处位置大于呼叫按钮的编码时，M1得电，小于时M3得电，等于时M 2得电，同时失M4失电。图4-8(6) 图4-9梯形图为小车控制运动梯形图，当M1得电时，Q0.0输出，小车左行，当M2得电时，Q0.1输出，小车向右行。图4-94.6 梯形图对应的指令语句(* 小车起停 *)(* 按下启动按钮小车运动，M0得电并且保持，按下停止按钮，I0.1得电，M0失电 *)LD X0000OR M0ANI X1OUT M0(* 五个行程开关梯形图 *)(* 5个行程开关用数字04表示，当小车到达1号时，I0.2得电，将数字0传入MW0中；以此类推 *)LD M0MPSAND X2 MOV K0 K4M1MEDAND X003MOV K1 K1M1MRDAND X004MOV K3 K4M1MRDAND X005MOV K2 K4M1MPPAND X006MOV K5 K4M1(* 五个呼叫按钮梯形图 *)