可编程控制器应用课程设计报告

青岛农业大学可编程控制器应用课程设计报告2013——2014学年第1学期题目：塔吊的PLC控制系统设计姓名：学号：专业班级：指导老师：2013年12月6日

塔吊的PLC控制系统设计一、可编程控制器（PLC）概述1、PLC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。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。图1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。2、PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。（1）、CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。（2）、I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （3）、电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。（4）、底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。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。二、设计任务1、基本要求（1）、启动按钮：它是一个双功能按钮，即启动和电笛功能。无论何时，只要按下该按钮，都可以控制电笛的鸣响。此外，仅当空气开关闭合时，按下次按钮，系统才可以启动。（2）、急停按钮：红色自锁式蘑菇头按钮，与启动按钮相反，急停按钮的作用是切断主回路的总接触器，从而是各机构紧急停车。（3）、升降操作：升降操作通过右联动台上的手柄控制。上升时往上拉，下降时往里推。上升和下降各分为四个档位。其中一档电机工作在低速状态，其他工作在高速状态。（4）、变幅操作：变幅操作通过左联动台上的手柄控制。外变幅时将手柄竖直的往前推，内变幅各分两档。对应于低高两种速度。（5）、回转操作：回转操作通过左联动台的手柄进行控制。左转时将手柄横着往右扳。手柄左右方向各分三档，对用于从低到高三种回转速度。（6）、回转制动：设回转制动按钮，当此按钮按下，回转动作立即停止。2、系统提示与警报信号（1）、超力矩信号当起重力矩超过最大允许值时电控系统做如下反应：右联动台上的红色：“超力矩”报警灯亮；主钩的上升运动被禁止。（2）、超重量信号当起重重量超过最大允许值时电控系统做如下反应：右联动台上的红色：“超重量”报警灯亮；主钩的上升运动被禁止。（3）、高度限位信号 当高度达到限位值时，主钩的上升运动被禁止。（3）、变幅、超重、高度减慢信号 当力矩、重量和高度超过一定范围是电控系统做如下反应：升降速度如果在四档减速为三档，变幅速度如果在二档减速至二档。（4）、风速报警信号 当风速超过最大工作风速时，停止提升动作。（5）、变幅限位信号 变幅限位信号分为内限位信号和外限位信号，当小车向外运动时，若开到臂头碰到外限位开关，小车的向外运动被禁止，如正在向外变幅会突然停止。类似，当小车向内运动时，若开到内侧碰到内限位开关，小车的向内运动被禁止，如正在向内变幅会突然停止。（6）、操作台零位保护为了防止起重机操作台主令手柄在非零位置（即工作档位）上工作时突然停电，操作人员离开操作台时忘了将手柄拉回零位，当起重机恢复供电时，可能造起重机自行起动的事故，程序需要添加零位保护功能。有了零位保护，当起重机意外断电后再送电，操作手柄不在零位起重机也不会自行起动了。三、设计方案1、I/O口分配输入功能输出功能X0回转制动Y0总启动X1电笛、总启动Y1力矩X2力矩Y2重量限制X3急停Y3电笛X4变幅、超重、高度减慢Y4上升X5高度限位、重量限位、风速仪Y5下降X6操作台零位Y6低速X7变幅外限位Y7高速X10变幅内限位Y10托阻X11欠电流继电器Y11二档X12上升、低速、托阻开关Y12三档X13下降、低速、托阻开关Y13四档X14高速、二档Y14提升制动X15高速、三档Y15提升涡流X16高速、四档Y16回转左X17提升制动、涡流Y17回转右X20回转左Y20二档X21回转右Y21三档X22二档Y22变幅前X23三档Y23变幅后X24变幅前、一档Y24一档X25变幅后、一档Y25二档X26二档Y27回转制动 如上图所示，因为本设计所控制的机构比较多，而且大部分的动作都是由一个独立按钮控制，所以本设计用到的输入输出较多，由于输入有限，对于某些动作，我们进行了相应的组合，比如控制上升、低速和托阻的输出，我们采用一个输入控制，这样控制，即减少了输入口的使用，同时也简化了操作流程，并且这种方式也满足了设计的要求。2、程序设计 该设计中，多为某个开关控制某个输出或多个输出，未涉及到顺序控制程序跳转等，因此用一般的输入输出指令便可实现，但是在程序设计中，有两个方面的问题需要特别注意：（1）、开关互锁问题 在该设计中，有些动作是不能同时进行的，比如上升和下降、变幅前和变幅后以及回转左和回转右，因此，在程序设计中，一定要注意动作的互锁，比如在上升操作控制中添加一个控制下降输入的常闭开关，这样，在下降操作时，上升操作被禁止。（2）、双线圈问题 在程序中，有些输出不止有一个输入控制，比如上升时的高速输出，因此不可避免会产生双线圈的问题，一旦出现双线圈，只有最后一个输出有效，之前的输出全部不能使用。为了解决双线圈的问题，我们采用置位和复位指令代替输出指令，但是在采用置位指令后，一定要正确的复位，防止输出一直为高电平。四、心得体会自动控制系统课程设计结束，通过自己的努力和团队之间的合作，我们圆满的完成了课程设计的各项要求，当看到自己的成果，心里的成就感让自己感到喜悦。但这次实习带给我们的不仅仅是这些，还有就是从中学到的其他的东西。在自己没有进行实习前，自认为自己的相关知识学得还不错，但当自己真正开始做一个实际的东西时，发现自己所学的知识还是远远不够的，毕竟理论和实践之间还是存在很大的差距的。刚发下题目的时候，觉得有些无从下手，根本就找不到一个合理的方案。于是开始从请教老师，从网上找资料。经过半天的研究，自己才算是有一些思路，在这里