小车多方式运行的PLC控制系统设计(共20页)

1、摘   要   随着科技的发展，技术的不断更新，出现了可编程逻辑控制器，简称PLC，是一种工业控制微型计算机。它的编程方便、操作简单尤其是高通用性等优点，使它在工业生产过程中得到了广泛的应用。在中国，小车半自动化控制前景美好，在许多公司的装配车间得到广泛的运用。使得工业生产趋向于半自动化、自动化、无人工厂的方向发展，其中PLC技术的运用成为自动化技术的主流之一。 小车多方式运行的PLC控制系统设计首先分析了小车多方式运行的工作原理、控制要求，根据工艺要求，统计了小车多方式运行所需要的输入和输出端子，其中输入点为9个，输出点为6个，共计

2、15个输入输出点。根据PLC的I/O点数和内存容量选型原则，选择了三菱FX2N-32MR继电器型PLC作为小车多方式运行的控制器，同时选择了其它电器元件，设计了PLC的外部接线图。然后利用SFC（Sequential Function Chart，顺序功能图）图法设计了自动喷泉的程序梯形图。为了验证设计的正确性，运用三菱GX Developer仿真软件进行程序仿真。仿真结果证明，设计能够有效的保证小车多方式运行的准确性、快速性、安全性，满足工艺要求，具有一定的应用价值。 关键词：多方式；硬件设计；软件设计；PLC目 录1 绪论11.1 小车多方式运行控制的现状和背景意义11.2 电气控制与可编

3、程控制器技术的发展史11.3 主要的内容22 小车多方式运行的PLC控制系统硬件设计32.1 工作原理及控制要求32.2 I/O点统计及PLC选型32.2.1 输入点统计32.2.2 输出点统计42.2.3 PLC选型42.2.4 元器件选择52.3 I/O分配及PLC外部接线图设计52.3.1 I/O分配表52.3.2 内部辅助继电器62.3.2 PLC外部接线图设计63 小车多方式运行的PLC控制系统的软件设计73.1 控制程序设计思路73.2 控制程序流程图73.3 控制程序状态转移图84 仿真调试104.1 三菱可编程控制器软件介绍104.2 控制程序梯形图104.3 控制程序仿真图1

4、2结束语14参考文献15致 谢16附 录17附录A 梯形图171 绪论1.1 小车多方式运行控制的现状和背景意义 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。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

5、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

6、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。 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。1.2 电气控制与可编程控制器技术的发展史1968年美国GM（通

7、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、通用灵活、体积小、使用

8、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。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、

9、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

10、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应用。 1.3 主要的内容设计的内容主要包括了小车多方式运行的发展情况及PLC现状；小车多方式运行控制系统的组成；I/O点的统计；小车多方式运行的软件设计；仿真与调式等。设计说明书共分4章。 第1章 绪论，主要介绍了小车多方式运行控制的现状和背景意义。 第2章 小车多方式运行的硬件设计，主要介绍了小车多方式运行控制系统的硬件设计，主要写了小车多方式运行的工作原理、I/O点统计及PLC选型、I/O口分配和PLC的外部接线图设计。 第3章 小车多方式运行的软件设计，主要介绍了小车多方式运行的流程图、单独

11、的花样设计。 第4章 仿真与调式，主要介绍了仿真软件的使用方法与仿真结果。2 小车多方式运行的PLC控制系统硬件设计2.1 工作原理及控制要求小车系统由直流电机、继电器、小车和 4 个站台等组成，每个站台有检测传感器、指示灯和按钮。小车由直流电机拖动，电动机正转，小车右行，电动机左转，小车左行，在生产线上有4个编码为1-4个站点供小车停靠，在每个停靠站安装一个行程开关以检测小车是否到达该站，如果小车到站，该站的指示灯会亮，另外还设有4个呼叫按钮（SB1SB4）分别与4个停靠站点对应。电路图如下所示： 图1 主电路图图1中KM1和KM2分别是控制电机正转运行和反转运行的交流接触器。用KM1和KM

12、2的主触点改变进入电动机的三相电源的相序，既可以改变电动机的旋转方向。图中KM1的线圈串联了KM2的辅助常闭触点，KM2的线圈串联了KM1的辅助常闭触点，组成了硬件互锁电路。可以避免由于正反转（小车右行、左行）切换过程中电感的延时作用，导致原来接通的接触器的主触点还未断弧时，另一个接触器的主触点已经合上而造成电源瞬间短路的故障。通过主电路与PLC的控制电路接线，才能实现PLC对系统的控制。2.2 I/O点统计及PLC选型2.2.1 输入点统计小车多方式运行PLC控制系统共需要9个输入信号，其中启动/停止按钮占用1个输入接口，用以控制整个电路的开始和结束；每个站台处的呼叫开关SB1SB4共占用4

13、输入个接口，有小车的呼叫需要时只需按下相应的开关即可；每个站台处的传感器SY1SY4共占用4个输入接口，用来发出小车的位置信号和到达相应站台时自动停止的信号。表1 输入统计序号输入点数量1启动/停止开关12呼叫站台1开关13呼叫站台2开关14呼叫站台3开关15呼叫站台4开关16限位1行程开关17限位2行程开关18限位3行程开关19限位4行程开关1共计92.2.2 输出点统计 控制系统输出信号共有6个。其中控制电动机的正反转（即小车的左右移动）需要2个输出信号，另外4个用于控制指示灯LB1LB4的亮灭。表2 输出统计序号输出点数量1左行12右行13第一个站台的指示灯14第二个站台的指示灯15第三

14、个站台的指示灯16第四个站台的指示灯1共计62.2.3 PLC选型 现在应用最广泛的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、松下等等。三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、适用面广但是数据处理比西门子弱。 西门子PLC性能强大、可操作性强、有相配套的伺服系统和组态软件但是价钱太高。 欧姆龙PLC欧姆龙编程软件对符号地址的格式有要求，东欧的老机床器件符号输进去好多都不认，按它的标准老图的标示都要变很不方便。 松下PLC超小型尺寸，轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何电缆。从I/O10点到最大I/O128点的选择空间。根据其输入输出点数，综合考虑选择三菱FX2N系列

15、的FX2N-32MR型的PLC。2.2.4 元器件选择 根据设计中小车的运行要求及主电路和控制电路对元器件的性能要求，选取原件清单如表3所示。表3 元器件选择清单序号符号名称型号数量1KM1-KM2接触器CJ20-1022FU1-FU2熔断器XRNP1-1023QF1-QF2自动空气开关HUM18-63C32/124M直流电机Z4-100-115SB5启动/停止按钮ZB2-BE101C16SB1-SB4呼叫站台按钮ZB2-BE101C47SY1-SY4传感器FM-T02N-P31P248LB1-LB4指示灯WDM-JD125-142.3 I/O分配及PLC外部接线图设计2.3.1 I/O分配表

16、 （1）小车起始位置停在 x（x=14）号站台，SYx 传感器为 ON; （2）假如 y(y=14)号站台呼叫，如果： xy，小车左行到呼叫站台停车； xy，小车右行到呼叫站台停车； x=y，小车停止； （3）小车在SY1和SY4处要有可靠的保护功能，自动往返或准确停车，不能向外撞； （4）小车路过每个站台要有指示灯显示；但 LB1 和 LB4 灯要闪 3 次；表4 I/O分配表序号名称输入接口功能说明序号名称输出接口功能说明1SB1X001呼叫站台11KM1Y001左行2SB2X002呼叫站台22KM2Y002右行3SB3X003呼叫站台33LB1Y003第一个站台的指示灯4SB4X004呼

17、叫站台44LB2Y004第二个站台的指示灯5SB5X005启动/停止5LB3Y005第三个站台的指示灯6SY1X011限位16LB4Y006第四个站台的指示灯7SY2X012限位28SY3X013限位39SY4X014限位42.3.2 内部辅助继电器本设计使用9个输入继电器，6个输出继电器，8个辅助继电器。内部继电器功能如表5所示。表5 功能说明表序号内部继电器地址名称功能说明1M0小车运行停止2M11号站台呼叫3M22号站台呼叫4M33号站台呼叫5M44号站台呼叫6M5小车所在站台编号>呼叫站台编号7M6小车所在站台编号=呼叫站台编号8M7小车所在站台编号<呼叫站台编号2.3.2

18、 PLC外部接线图设计 图2 系统接线图3 小车多方式运行的PLC控制系统的软件设计3.1 控制程序设计思路程序控制算法实现主要可归纳为以下三种方案。方案一:采取按钮呼叫信号互锁的方式。保证只有1个按钮呼叫信号被记忆，只有待系统记忆信号被处理后，方能再次响应其他信号。该方法优点是程序简单，容易实现，且该算法有较好的移植性能快速移植到工台数量较多的系统上，不足是该算法灵活性差，效率低下，不能满足工业生产的高效性需求，例如在极短时间间隔内，先最左边工台呼叫，其次最右边工台呼叫，紧接着左边第二个工台呼叫，则小车要先从右往左响应第一个呼叫，又从最左边运行到最右边响应第二次呼叫，最后又要运行至最左边第二

19、个工台响应第三次呼叫，走的路程极长，响应时间长，故不采用该算法。方案二：采取信号记录排序方式。即首先对工台发出的信号按照位置顺序进行编码，在数据寄存器区开辟一片区域按时间顺序存储呼叫信号，小车先从数据寄存器获取一个信号信息往一个方向运动，并在每次接触到位置开关时，删除一个呼叫信号，并根据小车位置信号与呼叫位置信号比较，看该方向呼叫信号是否都被响应，如果仍存在未被响应信号则继续保持运动方向不变，若无该方向信号，则检测是否有反方向信号，有则反向运行，没有则停止。该算法有较高的效率，能满足工业生产的高效性需求。但该算法比较复杂，需要PLC有较快的运算速度和较大的内存存储空间，在工台较多且工台呼叫频繁

20、的场合可能会因为超出存储区而产生信号遗失。故不采用该算法。方案三：采取小车位置编码及呼叫信号保持的方法。由于小车每次只能在接触到一个位置开关时，使一个位置开关变为高电平，故可以在每次小车接触到位置开关时进行执行一次编码指令，将位置开关高电平信号进行编码从而确定小车的位置信号；用指示灯输出来保持每次呼叫信号，通过判断输出给指示灯信号来判断对应位置是否有呼叫信号输出，并根据小车位置来判断小车的运动方向，同时做一互锁，小车一个方向运动时，若仍有比较信号为高电平则小车运动方向被保持。直至响应完此方向信号为止，这种方案算法代码量与方案一相差不多，而实现效果又能实现方案二的最优路径效果，故采用此方案。故控

21、制程序大体方案按方案三思路。即保证小车先响应完一个方向上所有需要响应信号后再响应反方向信号。这样能使小车效率达到最高，运行路径最短。3.2 控制程序流程图 小车多方式运行设计主要用了跳转指令完成循环的过程，用定时器定时实现小车多方式运行，通过互锁实现单独的方向运行不会出现短路故障情况。通电后，进入工作状态。如按下启动按钮，小车开始进入准备工作状态，若不按，则回到初始状态。如按下启动开关，小车按照设定的程序开始运行。如果按下停止按钮，系统则停止运行，如果不按停止按钮，系统则按照选择的方式继续运行下去直到按下停止按钮。流程图如图3所示。图3 流程图3.3 控制程序状态转移图 如图所示小车一个周期内

22、的运动路线由4段组成，它们分别对应于S31S34所代表的4步，S0代表初始步。假设小车位于原点（最左端），系统处于初始步，S0为“1”状态。按下起动按钮X5，系统由初始步S0转换到步S31。S31的STL触点接通，Y0的线圈“通电”，小车右行，行至最右端时，限位开关X14接通，使S32置位，S31被系统程序自动置为“0”状态，小车变为左行，小车将这样一步一步地顺序工作下去，最后返回起始点，并停留在初始步。 图4 小车控制系统功能表图与梯形图 4 仿真调试4.1 三菱可编程控制器软件介绍GX Developer是三菱PLC的编程软件。其具有软件的共通化、程序的标准化等特点，能够利用Wi

23、ndows的优越性，使操作性能更加优越。其操作方法简便，易学易懂，能够让操作人员在复杂的系统情况下也能够通过简单的设定与可编程控制器CPU连接，通过调试功能实现程序的仿真，从而达到相应的目的。 本设计采用的编程软件GX Developer为编程软件，具体的操作方法如下：双击软件打开GX Developer，然后点击工程选择新建工程，依次选择FX CPU、FX2N（C）和梯形图，显示页面如图5所示，最后点击确定后就可以开始编程梯形图。编程完后进行程序转换。然后利用GX Simulator进行程序的仿真。图5 创建新工程页面4.2 控制程序梯形图 （1）图6梯形图为小车启停辅助继电器的程

24、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6 启停梯形图 （2）呼叫位置的确定可通过指示灯的亮灭来加以判断。即采用自锁电路，当总开关X5按下，且呼叫按钮Xn按下时，输出继电器Ym线圈高电平并保持，只有当小车离开该工作台并触碰到其他工作台的限位开关时，指示灯熄灭，即呼叫位置转移。程序如下图所示：   图7 呼叫按钮梯形图（3）图8梯形图为四个行程开关程序，采用图示指令，当总开关X5按下，系统会通过行程开关的设置自动判断小车的位置。例如，当小车处于1号工作台时，此时行程开关X11会被置以高电平，同时系统自动将K1写入D0，即记录小车此时的位置。如下图所示：图8

25、 小车位置确定梯形图（4）小车的运动方向控制可以通过触点比较指令来实现，即通过比较小车所在位置与呼叫站台的位置大小从而决定小车的运动方向，同时实现两个方向运动互锁，即当小车往一个方向运行时，另外一个不得导通，保证不发生程序干涉。当小车所处位置大于呼叫按钮的编码时，M5得电，小于时M7得电，等于时M6得电。当M5得电时，小车向左行，当M7得电时，小车向右行。图9 小车运动方向控制梯形图4.3 控制程序仿真图按要求输入梯形图，检查并编译。本次设计实验里，正确输入梯形图，编译成功。同时通过在线工作后把程序写入可编程序控制器的程序存储区，然后进行运行调试，在前面正确操作和正常进行的基础上，使PLC进入

26、运行状态，观察运行情况，结果是本PLC设计运行正常，没有未知错误，对于多组不同站台呼叫的检测数据，小车均能够以预想的行动路线运动，即能够实现循环工作。根据以上调试情况，该小车多方式运行的PLC控制设计符合要求。仿真结果如下图所示。图10 仿真图结束语本次课程设计中，小车多方式运行的plc控制系统，它的控制过程属于双向控制，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，在每一个停靠点安装一个检测传感器以监视小车是否到达该站点。该课程的小车控制系统利用三菱公司生产的FX系列20点的可编程序控制器运行主要的控制装置，编写软件指令来实现其具体的控制要求，在设计程序部分利用了

27、PLC的辅助继电器来实现控制具有互锁的功能，在工作台上的工人通过请示按钮达到实现控制小车的运行方向。 该控制系统用于柔性制造系统中物料小车的自动控制、自动化仓库中物件存取小车的自动控制等，该控制系统价格低廉，体积小，能够安全可靠的进行生产，而且效率高，灵活性强，能够很好的适应变化和纠正错误，运行速度快，易管理。 通过此次课程设计，让我对PLC梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，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。 PLC课程都是极理论的东西，所做过的几个实验也都是在已知程序图的情况下学习使用编程器，这并不能提高PLC的设计水平，而这次的课程设计是从根本上让我们理论联系实际，在这种根据实际状况进行系统设计的情况下能够让我们对PLC有更深刻的认识。不积跬步何以至千里，课