基于PLC控制的运料小车设计--毕业论文2

1、课程设计报告课程设计报告题 目： 运料小车控制系统 所在院 (系)： 电 气 工 程 学 院 专业班级： 自 1304 班 学生姓名： 姚 旭 东 学 号： 1317114093 指导教师： 王 春 侠 时 间： 2016 年 6 月 2运料小车控制系统设计任务书运料小车控制系统设计任务书控制要求：控制要求：运料小车控制运行示意图如图 3 所示，其控制要求如下：初始状态时，小车停在行程开关 SQ1 的位置，且行程开关 SQ1 被压合。第一次按下按钮 SB1 时，小车行进至行程开关 SQ2 处停止，5mins 后退回到行程开关 SQ1 处停止。图 3 运料小车运动示意图第二次按下按钮 SB1 时

2、，小车前进至行程开关 SQ3 处停止，8mins 后退回到行程开关SQ1 处停止。第三次按下按钮 SB1 时，小车前进至行程开关 SQ4 处停止，10mins 后退回到行程开关 SQ1 处停止。第四次按下按钮 SB1 时，小车前进至行程开关 SQ5 处停止，6mins 后退回到行程开关SQ1 处停止。再次按下按钮 SB1 时，重复以上过程。设计要求：设计要求： （1）PLC 机型及模块选择；（2）内存变量分配表；（3）流程图；（4）梯形图及各模块功能说明；（5）用 step7 软件完成工程的设计。扩展要求扩展要求： 用 wincc 监控软件设计 HMI。3基于基于 PLC 控制的运料小车设计控

3、制的运料小车设计目目 录录摘 要.41.PLC 的结构、工作原理及系统设计.51.1 PLC 的结构 .51.2PLC 的工作原理.61.2.1 循环扫描技术.61.3 PLC 的编程语言 .61.3.1 梯形图语言.61.3.2 助记符语言.61.3.3 功能块图语言.71.4PLC 控制系统的构成，设计原则及步骤.72 运料小车控制系统的方案论证.102.1 运料小车控制系统的控制内容与要求.102.1.1 运料小车的运动流程.102.1.2 设备控制要求.102.2 方案论证.113 运料小车控制系统的总体设计.133.1 硬件设计.133.1.1PLC 外部接线图.133.2 软件设计

4、.133.2.1PLC 状态流程.143.2.2 系统工作原理分析.153.3 程序的运行调试与仿真.164 设计小结.174.1 小车的优缺点分析.174.2 设计的改进及推广.17 4.3 常见故障及排除方法.17总 结.18参考文献.19致 谢.20附 录.214 摘要本次课设是将 PLC 应用到运料小车电气控制系统，这样可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。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

5、，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。 PLC 在运料小车控制系统中的应用，已经在国内外工程、工厂中得到实际应用，具有巨大的经济和社会价值，其智能化和自动化的思路值得以后继续深入研究和推广。 51. PLC 的结构、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。这种结构的特点是结构简单、体积小、价

6、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 模块式结构 图 1-2 模块式结构 机 架

7、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61.2 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

8、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。 1.2.1 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

9、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。1.3 PLC 的编程语言可编程控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。1.3.1 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

10、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。7SBF1KM1KM1SBFS 图 1-4 继电器控制电气图X0X1Q0Q0 图 1-5 PLC 控制梯形图1.3.2 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 I0 OR Q0 ANDN I1 OUT Q01.3.3 功能块图语言西门子公司的 S7 系列 PLC

11、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1.4 PLC 控制系统的构成、设计原则及步骤PLC 控制系统由硬件部分和软件部分组成。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10.1Q0.010.0Q0.0ORAND

12、8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、

13、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/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

14、、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

15、接线原理图、程序清单和使用说明书等。9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 PLCI/O 点数分配PLC 程序设计模拟调试整理技术文件 图 1-7 设计步骤示意图102 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： 启动 运料小车运料小车_原位货位 1货位 2 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 3 个编号为原位

16、，l 和 2 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 3 个控制按钮开关(SQ1SQ2）分别与二个控制要求停靠站点相对应。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）每次送货都按启动按钮，而且装有货才能启动。小车到达指定货位，卸货延时 3 秒自运料小车11动返回原位停车。（2） 可随时使小车返回原位，也可以随时使小车停止远行。（3）小车低速送货，高速返回。（4）有三种工作方式选择： 1 只送货到货位 1。 2 只送货到货位 2。 3 向两个货位轮流送货。 （5）要有电源，送货，返回指

17、示灯。 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，

18、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 所示：停止按钮3 个行程按钮3 个工作方式三相异步电动机启动按钮PLC 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12否是否是否是否是小车装料转换方式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133 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

19、备与 PLC 的 I/O 端对应的外部接线图如 3-1 所示： 图 3-1PLC 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，回开关、2 个转换按钮开关、3 个行程开关共 9 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：14地址 对应的外部设备I3.0 启动按钮开关I3.5 原点行程开关I3.1 货位 1 行程开关I3.2 货位 2 行程开关I3.3 货位 3 行程开关I3.4 货位 4 行程开关Q0.0 电动机正

20、转（前进）Q0.1 电动机反转（后退）M3.0 启动按钮开关中间继电器 M3.5 原点行程开关中间继电器 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,M0.6,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

21、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：15 图 3-2 顺序功能图3.2.23.2.2 系统工作原理分析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，小车向左行。在生产线上有 5 个编码为 1-5 的站点供小车停靠，在每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 5 个呼叫按钮开关分别与 5 个停靠站点相对应。2 2 . .设备控制要求 运

22、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；16（2）当小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按扭 HJ 的编码时，小车向右运行运行到按钮 HJ 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扭 HJ 的编码时，小车向左运行，运行到按钮 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扭 HJ 的编码时，小车保持不动；呼叫按钮开关HJ1-HJ5 应具有互锁功能，先按下者优先。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

23、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

24、制要求。仿真如图 3-4 所示： 图 3-4 软件仿真图 将程序载入 PLC 中，调试程序并运行，均能达到控制要求。 174 4 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

25、较简单。4.2 设计的改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。4.34.3 常见故障及排除方法运料小车可能出现的常见故障。（1） 行程开关的损坏及撞

26、击变形。优点是可以选用接近开关代替行程开关（2） PLC 的输入 输出口接触不良。（3） 交流接触器和热继电器机诫故障。（4） 控制回路的线路故障。18总 结通过此次课程设计，使我学会了综合应用所学的各种理论知识和技能，还进行了全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来自控专业的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了提高。在不断的努力下我们组的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对所学知识的大概总结，但是真的面对课程设计时发现自己的想法基本是错误的。这不仅是对前面

27、所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。从这次课程设计中，我知道了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 很高兴能从这次课程设计中学到了这么多在课堂上学不到的知识，同时也很欣慰在完成课程设计中锻炼了自己的动手能力、与人合作、协调和沟通的能力。总之，在此次课程设计中我的收获很多。 19致谢词在本次课程设计过程中，很感谢王老师非常细心的指导与解释，才使我们组得以最终完成设设计。也很感谢小组各个成员所做出的努力，相互帮助，相互配合，共同努力完成了此次课程设计。最后还要感谢学校能够为我们提供这么好的一个机会，来使我们锻炼自己，在实践中认识自己的不足，拓展自己的视野，让我们从中学到了很