PLC运料小车的设计

1、 毕毕 业业 设设 计计 题目题目 plc 运料小车的设计 姓姓 名名 李宁 学学 号号 0802210232 系（院）系（院） 电子电气工程系电子电气工程系 班班 级级 d08 电气自动化二班电气自动化二班 指导教师指导教师 张德迪张德迪 职职 称称 讲师讲师 二 o 一 一年 五 月 十五 日 摘摘 要要 运料小车是现代工厂中普遍存在的，而自动化的智能小车却并不多见，大 多说的工厂仍然靠人力手动控制小车装卸物料的，这不仅效率低而且耗费人力 物力，降低生产率，对企业的生产发展起到限制的作用。本文基于运料小车自 动往返顺序控制的 plc 程序设计，提出 plc 程序设计的思路和方法，并作了全

2、面的阐述和归纳总结，使其达到自动化，节省人力，提高效率 关键词：plc、顺序功能图、梯形图 abstract the car is the modern plant material generally exists in the car, and automation intelligent but does not see more, most of the factory by human manual control still car loading and unloading of raw materials, this not only low efficiency and co

3、st manpower material resources, reduce productivity, of the production of the enterprise development which limit role. this paper based on the material of sequence control and automatic car plc program design, puts forward plc program design train of thought and method, and makes the comprehensive p

4、aper and sum-up, achieve the automation, save manpower, improve efficiency keywords: plc, order function diagram, ladder diagram 目目 录录 摘摘 要要. abstractabstract. 目目 录录. 绪论绪论. 第第 1 1 章章 plcplc 的结构、工作原理及系统设计的结构、工作原理及系统设计.1 1.1 plc 的结构.1 1.2 plc 的工作原理.2 1.3 循环扫描技术.2 1.4 plc 的编程语言.2 1.4.1 梯形图语言.3 1.4.2 助记

5、符语言.3 1.4.3 功能块图语言.3 1.5 plc 控制系统的构成，设计原则及步骤.4 第第 2 2 章章 运料小车控制系统的方案论证运料小车控制系统的方案论证.6 2.1 运料小车控制系统的控制内容与要求 .6 2.1.1 运料小车的运动流程.6 2.1.2 设备控制要求.6 2.2 方案论证 .7 第第 3 3 章章 运料小车控制系统的总体设计运料小车控制系统的总体设计.9 3.1 硬件设计.9 3.1.1 plc 外部接线图.9 3.2 软件设计 .9 3.2.1 plc 状态流程.10 3.2.2 系统梯形图.11 3.3 程序的运行调试与仿真 .14 第第 4 4 章章 设计小

6、结设计小结.15 4.1 小车的优缺点分析 .15 4.2 设计的改进及推广 .15 总总 结结.16 致致 谢谢.17 参考文献参考文献.18 附附 录录.19 绪论绪论 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

7、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。 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

8、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。 毫无疑问，plc 将在今

9、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 第第 1 章章 plc 的结构、的结构、工作原理及系统设计工作原理及系统设计 1.1 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（又称箱体式）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

10、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。其基本结构框图如图 1-1 所示。 图 1-1 整体式结构 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。 图 2-2 模块

11、式结构 图 1-2 模块式结构 机 架 编程器现场设备 其他 plc 或上位机 电源 模块 cpu 模块 通信 模块 输入 模块 输出 模块 特殊 功能 模块 电源 中央 处理器 （cpu） 输入/输出单元 存储器 系 统 总 线 编程器 1.2 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

12、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。 1.3 循环扫描技术循环扫描技术 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。 一个扫描周期 程 序 执 行 阶 段 输 出 阶 段 输 入 阶 段 程 序 执 行 阶 段 输 出 阶 段 输 入 阶 段 程 序

13、执 行 阶 段 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。 1.4 plc 的编程语言 可编程控

14、制器的编程语言主要有梯形图语言、助记符语言及功能块图。 1.4.1 梯形图语言 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。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。 sbf1 km1 km1sbfs 图 1-4 继电器控制电气图 x0x1q0 q0 图 1-5 plc 控制梯形图 1.4.2 助记符语言 助记符语

15、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 i0 or q0 andn i1 out q0 1.4.3 功能块图语言 西门子公司的 s7 系列 plc 除了可以用梯形图和助记符语言进行编程外，还可 以用功能块图语言进行编程。功能块图语言与数字电子技术的逻辑电路图类似， 不同的功能块实现不同的功能，从而实现所需控制要求。如图 1-6 所示： 图 1-6 plc 功能块图 10.1 q0.0 10.0 q0.0 or and 1.5 plc 控制系统的构成，设计原则及步骤 plc 控制系统由硬件部

16、分和软件部分组成。对于整个 plc 控制系统来说， 其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。 plc 控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好地

17、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 1-7 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

18、/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

19、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 1-7 设计步骤示意图 控制要求分析 开始设计 设计结束 确定输入输出设备 现场模拟调试 选择合适的 plc i/o 点数分配 plc 程序设计 模拟调试 整理技术文件 第第 2 2 章章 运料小

20、车控制系统的方案论证运料小车控制系统的方案论证 2.1 运料小车控制系统的控制内容与要求 2.1.1 运料小车的运动流程 某自动生产线上运料小车的运动如图 2-1 所示： 自动化生产 线 运料小车运料小车 1 号站 _ 2 号站4 号站3 号站5 号站 图 2-1 运料小车示意图 运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向右行，电机反转， 小向左行。电动机正反转图如图 2-2 所示： 图 2-2 三项异步电动机正反转主电路图 在生产线上有 5 个编号为 l5 的站点供小车停靠，在每一个停靠站安装一 个行程开关以监测小车是否到达该站点。对小车的控制除了启动按钮和停止按 钮之外，还设有 4

21、 个呼叫按钮开关(sk2sk5）分别与 4 个停靠站点相对应。 2.1.2 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） 按下启动按钮后，小车在 1 号站停 20s 装料，结束后若有呼叫按钮 运料小车 按下，小车右行，到达呼叫按钮对应的停靠站时小车停止并卸料，15s 后卸料 完毕小车右行，到达装料停靠点时小车停止。 （3）呼叫按钮开关 sk2sk5 应具有互锁功能，先按下者优先。 2.2 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

22、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 i c 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 系统的控制系统构成图如 2-3

23、所示： 停止按钮 5 个行程按钮 4 个呼叫按钮 三相异步电动机 启动按钮 p l c 图 2-3 运料小车控制系统图 运料小车控制系统流程图如图 2-4 所示 否 是 否 是 否 是 否 是 小车装料 按下呼叫按钮 小车右行 到达呼叫停靠点 小车停止卸料 小车左行 到达装料停靠点 小车停止 按下停止按钮 结束 开始 按下启动按钮 图 2-4 控制系统流程图 第 3 章 运料小车控制系统的总体设计 3.1 硬件设计 3.1.1 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，小车向右行，电机反转， 小向左行。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

24、 如 3-1 所示： 图 3-1 plc 外部接线图 3.2 软件设计 这个控制系统的输入有启动按钮开关、停止按钮开关、4 个呼叫按钮开关、 5 个行程开关共 11 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。但是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，所以输出点应该有 2 个。对应的地址分配表如表 3-1 所示： 地址 对应的外部设备 i0.0 启动按钮开关 i0.1 停止按钮开关 i0.2 2 号站点呼叫按钮开关 i0.3 3 号站点呼叫按钮开关 i0.4 4 号站点呼叫按钮开关 i0.5 5 号站点呼叫按钮开关 i1.1 1 号站点行程开

25、关 i1.2 2 号站点行程开关 i1.3 3 号站点行程开关 i1.4 4 号站点行程开关 i1.5 5 号站点行程开关 q0.0 电动机正转（左行） q0.1 电动机反转（右行） 表 3-1 地址分配表 3.2.1 plc 状态流程 根据运料小车运动控制的要求， 按下启动按钮 i0.0 后，运料小车系统开始 工作，并开始进行装料，20s 装料结束后若有呼叫按钮按下，小车右行。碰到 呼叫按钮对应的行程开关后下车停止并卸料，15s 后卸料完毕小车左行，碰到 装料点的行程开关时，小车停止并装料。根据整个运动过程，工作期间分为 8 步，分别用 m0.1,m0.2,m0.3,m0.4,m0.5,m0

26、.6,m0.7,m0.8 来代表这 8 步，用 m0.0 来代表等待启动的初始步。启动按钮 i0.0,停止按钮 i0.1 的常开触点，呼叫 按钮的常开触点，行程开关的常开触点，定时器延时接通的常开触点是各步之 间的转换条件。顺序功能图如 3-2 所示： 图 3-2 顺序功能图 3.2.2 系统梯形图 根据系统顺序功能图画出运料小车控制系统的梯形图如 3-3 所示： 图 3-3 系统梯形图 3.3 程序的运行调试与仿真 将系统梯形图导入西门子仿真软件进行仿真。选择 cpu 型号为 224 后装载 程序。检查程序无误后将仿真软件切换到运行状态。按下输入继电器 i0.0 所对 应的按钮，i0.0 所

27、对应的指示灯亮，计时器 t37 开始计时，20s 后按下输入继 电器 i0.2 所对应的按钮，i0.2 所对应的指示灯亮，输出继电器 q0.0 对应的指 示灯也同时亮。按下输入继电器 i1.2 所对应的按钮，i1.2 所对应的指示灯亮， ，计时器 t38 开始计时，输出继电器 q0.0 对应指示灯同时也熄灭。15s 后输出 继电器 q0.1 所对应的指示灯亮，按下输入继电器 i0.1 或 i1.1 所对应的按钮， i0.1 或 i1.1 所对应的指示灯亮，输出继电器 q0.1 所对应的指示灯灭。满足控 制要求。反复运行此程序也均能达到控制要求。仿真如图 3-4 所示： 图 3-4 软件仿真图

28、将程序载入 plc 中，调试程序并运行，均能达到控制要求。 第第 4 4 章章 设计小结设计小结 4.1 小车的优缺点分析 本设计运用的可编程控制器实现的自动运料小车控制器，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 否到达呼叫停靠点的时候，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。 4.2 设计的改

29、进及推广 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停靠站 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车的运行，更加便于人们工作。此外，该运料小车 控制器可以运用于大型的养殖行业，便于送料和喂养。这样就可以节约时间， 提高效率。 总总 结结 毕业设计是在教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。通过 毕业设计，能

30、使我们综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、 严格的技术及基本能力的训练。 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。 随着经济的不断发展，运料小车的应用也不断扩大到各个领域，从手动到 自动，逐渐形成了机械化、自动化。但是，传统的继电器接触器控制在工作中 已经暴露出种种弊端

31、，因此，新的控制设计已成为社会发展的必然趋势。本设 计运用的可编程控制器实现的自动运料小车控制器，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呼 叫停靠点的时候，运用了行程开关使小车的停靠位置更加准确。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。 致致 谢谢 经过四个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声。作为一个专科毕 业生，由于经验的匮乏，在许多地方考虑不周全，如果没有指导老师的帮助和 指导，想要完成这个设计是非常困难的。 在这里首先向治学严谨，诲人不倦的张师表示我最衷心的感谢！本次设计 从最初的选题到任务的制定，系统的设计与开发及在论文的撰写过程中都得到 了张师的悉心指导与帮助。正是张师的谆谆教导和帮助使我较快的熟悉了用编 程语言来实现项目的过程，并最终顺利完成本文。除了敬佩张师的专业水平外， 他治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，他的教导将积极影响我 今后的学习和工作。 其次要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下了电气专业知识的基础； 同时还要感谢我所有的同学，