[毕业论文]运料小车控制与交通信号灯控制系统

1、职业技术学院电气控制与plc课程设计 题 目： 运料小车控制与交通信号灯控制系统 指 导 教 师： 姓 名： 2010 年 12 月14日课程设计成绩评定专 业应用电子技术班 级电子08班姓 名 学 号 教研室主任指导教师 指导教师评语： 签字： 年 月 日 设计成绩： 签字： 年 月 日 前 言plc是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于plc内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。plc基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普遍计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机

2、界面好就可以了。而plc则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。随着电子技术的飞速发展， 人们对于生产过程提出了更高的要求，然而由于控制过程与对象越加复杂，因此要实现生产加工过程的理想控制就更加困难。可编程控制器（programmable logic controller），简称plc。它是20世纪70年代以来，随着社会生产的发展和技术进步，工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展， plc的功能和性能已经有了很大的提高，从当初用于逻辑控制和顺序控制领域，扩展到运动控制和过程控制领域。现在的可编程控制器（plc

3、）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它以其功能强大、可靠性高、编程简单、使用方便以及体积小、功耗低等突出的优越性，迅速普及并成为当代工业自动化的支柱设备之一。 这次课程设计服从于电气控制与plc课程设计指导书及任务书的要求，编写时力求结合编程及调试实际过程、突出plc应用及特点。其中可编程控制器为松下fp1系列，包括plc硬件组成、工作原理、基本指令，plc实例两项，并通过在网上和图书馆查阅相关文献以及对老师进行咨询，并且亲自进行编程调试达到控制的要求和目的。由于现代化工行业的发展都离不开物料的混合和加

4、热处理，且严格要求精度和时间；交通等的出现不仅减少了交通事故，使人们的出行安全有了一定的保障，而且现代化社会建设也已经少不了交通等的的支持，因此这次课程设计以这两项为主题进行编写。设计的第一部分主要对plc的定义与产生、特点及应用、工作原理、结构组成、主要性能和指标技术、编程语言进行简要介绍。本次课程设计在编写过程中参考了有关文献资料，在此，对文献资料的编写者表示衷心谢意。由于学生水平有限，难免有错误和疏漏，恳请老师提出宝贵意见。目 录第一部分 plc的基本知识11.1plc的概述11.2.plc的产生与定义11.3.plc的特点及应用21.3.1.plc的特点21.3.2.plc的应用21.

5、4.plc的工作原理2第二部分 小车运送物料的总体设计32.1控制要求：32.2系统硬件设备配置42.2.1运料小车控制的主回路设计42.2.2、分析控制要求，确定输入、输出设备52.2.3 分配i/o接口62.2.4i/o外围接线图62.2.5 plc的选型7第三部分 控制系统设计83.1控制功能图以及逻辑表达式83.1.1功能图表达式83.1.2逻辑表达式103.1.3根据逻辑表达式画出梯形图10第四部分 系统调试结果分析114.1 结果分析114.2系统调试与解决的问题114.2.1调试114.2.2检查电路11第五部分 交通信号灯系统控制125.1.设计目的125.2.设计要求125.

6、3.i/o分配表135.4.梯形图135.5时序图145.6.i/o硬件连接图143.7.指令表15心得体会16参考文献17第一部分 plc的基本知识1.1plc的概述 可编程控制器（programmable logical controller）是一种将计算机技术用于自动控制领域的新型工业控制装置。它以微处理器为核心，通过数字量或模拟量的输入、输出来控制机械设备和生产过程。它把计算机的编程灵活、功能齐全的优点与继电器系统的控制简单、使用方便、价格便宜等优点结合起来，已成为21世纪工业自动化的主流控制系统。1.2.plc的产生与定义 早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制

7、系统，简称继电器控制系统，但这种系统体积大、耗电多、可靠性差。随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，在1968年美国通用汽车公司（gm公司）为适应生茶需要，提出要用新型控制装置取代继电器-接触器控制，要求新一代控制系统应具备10项技术指标，即： 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、

8、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4kb。 根据这些需要，美国设备公司（dec公司）于1969年研制成了第一名可编程序控制器，型号为pdp-14，并成功地应用于gm公司的汽车生产线控制，取得满意得效果。随后，日本、德国等也相继研发出自己的plc。从此开创了plc开发和应用的新纪元。plc自问世以来，发展迅速，在工业控制领域得到十分广泛的应用。为了规范plc的 生产和发展，统一plc的标准，国际电工委员会（iec）在1987年2月颁布的第三稿中给plc做了如下定义：“plc是

9、一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算操作等面向用户的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。plc及其有关设备都应该按易于与工业控制系统联成一体、易于扩充其功能的原则设计。 1.3.plc的特点及应用1.3.1.plc的特点1.可靠性高、抗干扰能力强2.功能完善、扩展方便、组合灵活、实用性强3.编程简单、使用方便4.体积小、质量轻，是实现“机电一体化“的理想产品5.性价比高1.3.2.plc的应用根据plc在工业控制中的特点，可将其应用形式归纳为以下几个类型：1. 开

10、关量逻辑控制2. 机械运动控制3. 过程控制及构成集散控制系统（dcs）4. 数据处理5. 通信和联网1.4.plc的工作原理plc采用循环扫描的工作方式。从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序，直至遇到结束符，完成一次扫描，然后再返回第一条指令，开始心意乱扫描，这样周而复始地反复进行。在plc的一个扫描周期中主要有输入采样、程序执行和输出处理三个阶段：1. 输入采样阶段（输入刷新阶段）plc在系统程序控制下以扫描方式顺序读取输入端口的状态（如开关的接通或断开），并写入输入状态寄存器（输入映像寄存器）内，此时输入状态寄存器被刷新。然后转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入状态发生变化，

11、输入状态寄存器的内容也不会改变，只能等到下一扫描周期输入采样到来时，才能从新读入。2. 程序执行阶段plc按照“先左后右，先上后下“的顺序扫描执行每一条用户程序。执行程序时所用的输入输出变量，从相应的输入输出状态寄存器中取用，并将运算结果写入输出状态寄存器（输出映像寄存器）。3. 输出处理阶段（输出刷新阶段）cpu在执行完所有的指令后，把输出状态寄存器中的内容转存到输出锁存器中，并通过输出接口电路将其输出，来驱动plc的外部负载，控制设备的相应动作，形成plc的实际输出。第二部分 小车运送物料的总体设计小车自动运料系统，由于其控制简单，成本低，因此广泛应用与车站、码头、仓库、矿井等生产场所。但

12、传统的接触继电器控制系统，有着其自身的缺点。例如：整个运行过程中，小车的速度很难设定，如果太快，启动和制动时由于存在小车惯性很容易造成物料的掉落、抛洒，这样就不能实现安全的启动。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。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。现将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、设计施工调试周期短等优点。在

13、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。本文以松下电工fp0系列plc为例，提出基于运料小车自动往返顺序控制的五种plc程序设计方法。松下电工可编程控制器-fpo有以下特点：1. 富的指令操作2. 快速的cpu处理速度3. 大程序容量4. 功能强大的编程工具5. 强大的网络通信功能这些都使松下系列的plc得到了市场的认可，即使其电工产品进入中国市场较晚，但由于其强

14、大的功能还有不少独到之处所以一经推出就备受用户关注。2.1控制要求：运料小车自动往返顺序控制系统示意图，如图1所示，小车在启动前位于原位后限位开关sq1处，一个工作周期的流程控制要求如下：1） 按下启动按钮sb1时，按下启动按钮sb，小车从原位出发当到达前限位开关sq2处，停止。2） 小车在sq2处停留8秒装料，8秒后小车后退前进驶向后限位开关sq1处，到达后停6秒卸料并再次前进，然后开始下一轮循环工作。3） 若按下停止按钮sb，则小车运动过程中顺时停止工作。4） 如此循环往复。 运料小车自动往返顺序控制系统示意图2.2系统硬件设备配置程序的经验设计法是根据被控对象的要求，在典型单元程序的基础

15、上，做一定的修改和完善。适用于简单梯形图程序的设计。主要的特点是：程序的设计质量和耗费的时间与设计者的经验有很大关系，同时梯形图的可读性差。2.2.1运料小车控制的主回路设计小车从sq1处出发，然后开始右行；小车在sq2处装料（8s），然后开始左行；到达sq1后卸料（6s），然后继续开始右行；这样不停往复工作，直到按下停止按钮。 硬件设计小车正反转的主回路上图中各个符号所代表的意义l1、l2、l3为三相交流电源；qs为隔离开关；fu1为熔断器，广泛用于供电线路和电器设备的短路保护；km为接触器不仅能接通和切断电路而且对电路起欠压和零压保护；fr为热继电器对电路起过载保护和断相保护的作用，以防止

16、电动机过热而烧毁的保护电路；电动机接地保护。2.2.2、分析控制要求，确定输入、输出设备1系统的起动（右sb1、左sb2）、停止（sb3）需要三个按钮，起点和终点处的两个行程开关是用来自动控制小车的往复运动的，也应作为输入设备。即： sb1小车右行起动按钮 sb2小车左行起动按钮sb3小车停止按钮 sq1左限为行程开关 sq2右限为行程开关2要实现小车的左右往复运动，只要对小车的拖动电动机实现正反转控制即可。这里用两个接触器分别控制小车右行（km1）左行（km2）。2.2.3 分配i/o接口根据控制要求画出分配i/o接口输入电器输入点输出电器输出口小车前进x0小车前进y0小车急停x3小车后退y

17、1后限位开关x1装料y3前限位开关x2卸料y2上图中：输入： 停车按钮 x3 小车开始运行按钮 x0 后限位开关 sq1 前限位开关 sq2 输出： 前进 km1 后退 km2 装料 y3 卸料 y22.2.4i/o外围接线图根据以上要求可画出小车运送物料的i/o外围接线图2.2.5 plc的选型松下 fpoc16 plcfpoc16 输入：4 输出：4plc的选择：日本松下生产的fp0系列plc具有：fp0拥有c10、c32等多种规格，扩展模块也拥有e8、e32等多种规格。型可实现轻松扩展，扩展单元不需任何电缆可直接链接到主控单元上。其运行速度非常快，的运行速度是同类产品中最快的。fp0具有

18、5000步的大容量内存及大容量的数据寄存器，可用于复杂的控制及大数据量处理。4 fp0具有两路脉冲输出功能，可单独进行运动位置控制，互不干扰。5 fp0维护简单，程序内存使用eeprom，无需备用电池;此外fp0还增加了程序运行过程中的重写功能。因为松下系列的plc拥有以上优点，因此选择松下的plc，综合你的i/o点数，建议选松下fp0系列c14的cpu（24vdc）,因为该型号的输入点与输出点已经满足该程序的使用，若没有其他通讯接口方面要求，选c16也可以，但是考虑到经济与实用问题选择点数满足要求的就可以了，这样做经济又可以满足程序的运行，所以在日常运用中plc的选择也是一个很重要的问题，选

19、择适合的plc不仅可以使程序能够最大速度的运行而且能够充分利用该plc。第三部分 控制系统设计3.1控制功能图以及逻辑表达式功能图表法：按步序工作，工作中只要一部为1，其余为0。图中含有时间继电器与中间继电器。时间继电器感受外部分在感受外界信号后，经过一段时间才能使执行部分动作的继电器。即当吸引线圈通电或断电后，其触头经过一定延时后再动作，以控制电路的接通或分断。它的编号为：t0t99。3.1.1功能图表达式根据小车运送物料的控制要求可以画出其控制功能图3.1.2逻辑表达式根据i/o口的分配以及其控制要求可得出其逻辑表达式：3.1.3根据逻辑表达式画出梯形图根据前面分析出来的逻辑表达式，画出小

20、车装运物料的梯形图叙述上图中的梯形图控制工作过程如下：按下启动按钮sb1后小车从后限位开关sq1开始运动，当小车触碰到前限位开关sq2时，小车停止定时器t1开始计数8秒进行装料，当8秒计数结束后小车开始后退向后限位开关sq1处运动，当运动到后限位开关处时小车停止并开始计数6秒，小车再此开始卸料。此是一个运动过程，如此循环。其工作过程中要熟悉plc的基本结构，工作原理。根据plc的工作原理，将其运用于都将集中，以实现上述豆浆机的工作流程的自动化。第四部分 系统调试结果分析4.1 结果分析经过系统调试并解决系统中出现的问题，该送料小车控制系统可靠性高、自动化程度高、使用方便、操作简单、功能丰富、控

21、制灵活，满足用户的控制要求，运行正常稳定。让我对plc形图、功能图、外部接线图有了更好的了解，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。本次课程设计是自己独立完成有很大的收获。这次小车运送物料的控制项目设计，使我更加了解了plc的用途及特点：1 plc体积小、重量轻、易于实现机电一体化,由于plc内部电路主要采用半导体集成电路;更由于它具有很强的抗干扰能力,能适应各种恶劣的环境,因而它已成为实现机电一体化十分理想的控制装置。2 plc与外部设备的连接简单、使用方便 其输入/输出接口已经镶嵌与机体内，只需接很少的线路而已。3 抗干扰能力强、可靠性高 大量

22、开关动作是有无触点的半导体电路来完成的，避免了继电器控制中的电器老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象的发生，大大提高了系统的可靠性，被誉为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。4.2系统调试与解决的问题4.2.1调试硬件调试：接通电源，检查可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。软件调试：按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器中，进行下一步的调试。4.2.2检查电路1）要查接线、核对地址，要逐点进行，要确保正确无误。可不带电核对，那就是查线，较麻烦。也可带电查，加上信号后，看电控系统的

23、动作情况是否符合设计的目的。2）检查模拟量输入、输出。看输入输出模块是否正确，工作是否正常。必要时，还可用标准仪器检查输入输出的精度。3）检查与测试指示灯。控制面板上如有指示灯，应先对应指示灯的显示进行检查。一方面，查看灯坏了没有，另一方面检查逻辑关系是否正确。指示灯是反映系统工作的一面镜子，先调好它，将对进一步调试提供方便。4）检查手动动作及手动控制逻辑关系。完成了以上调试，继而可进行手动动作及手动控制逻辑关系调试。要查看各个手动控制的输出点，是否有相应的输出以及与输出对应的动作，然后再看，各个手动控制是否能够实现。如有问题，立即解决。5）异常条件检查完成上述所有调试，整个调试基本也就完成了

24、。但是好再进行一些异常条件检查。看看出现异常情况或一些难以避免的非法操作，是否会停机保护或是报警提示。6）解决接图出现的问题前进与后退的同时出现需要我们加一个互锁的常闭开第五部分 交通信号灯系统控制5.1.设计目的利用plc设计交通灯控制系统，来掌握单片机系统设计的一般方法和处理问题的思路， 特别是一些常用的技术手段。使我们能在实践教学环节中，积累设计经验，开阔思维空间，全面提高个人的综合能力。5.2.设计要求 （1）.系统工作后，首先南北红灯亮并维持30s；与此同时，东西绿灯亮并维持28s，到25s时，东西绿灯闪烁三次，3s后熄灭。（2）.在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持2s，然后东西黄灯

25、熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。 （3）.东西红灯亮并维持30s；与此同时，南北绿灯亮并维持28s，到25s时南北绿灯闪烁三次，3s后熄灭。 （4）.南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮维持2s后熄灭；同时南北红灯亮，东西绿灯亮。至此，结束一个工作循环。5.3.i/o分配表输入： 输出： x0:启动按钮 y0: 东西绿灯y0 x1:停止按钮 y1: 东西黄灯y1 y2: 东西红灯y2 y3: 南北绿灯y3 y4: 南北黄灯y4 y5: 南北红灯y55.4.梯形图图5-1.交通信号灯控制梯形图图5-2.交通信号灯控制时序图55时序图5.6.i/o硬件连接图x1x2comsb1sb2dc24

26、vy0y1y2y3y4y5comac220vkm0km1km2km3km4km3km5plcfu 图5-3.交通信号灯控制i/o硬件连接图 3.7.指令表图5-4.交通信号灯控制指令表图 心得体会通过这次对plc小车自动运料控制的设计，让我对基本的plc梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于plc设计原理和工作原理 。课程设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的培养学生的全面素质。我经过这次系统的课程设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计和实验的详细过程。这些在我将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。 学会了怎样查阅资料和利用工具书。平时课堂上所学习的知识大多比较陈旧，作为应用电子专业的学生，由于专业特点自己更要积极查阅当前的最新电子信息资料。一个人不可能什么都学过，什么都懂，因此，当你在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，补充最新的专业知识。实践