基于PLC的小车循环运动控制系统的设计说明

./摘要随着电子技术的发展,可编程控制器不断更新、发展,可编程控制器在中低频电器开关控制领域应用十分广泛。这是因为,它与传统的继电器控制相比具有不可比拟的优点:它结构紧凑,编程容易,强弱电并用,控制速度快,抗干忧性能强,故障率低,与外围电路的连接简单等。PLC控制是自动控制中最常见控制方式之一,小车往返就是控制应用的一个典型例子,由于可编程控制器具有很好的处理的小车往返控制以及良好的稳定性,而且可以很简单的改变控制的方式,因此运用PLC来设计小车循环往返运动越来越普遍。本设计是基于PLC的小车循环运动控制系统的设计,在设计中是利用西门子S7-200系列PLC编程语言来设计的,系统中运用中间继电器、接触器的相互作用来完成控制,并且PLC根据开关信号来控制电动机的开停、正转和反转的转换,在由传动装置带动小车来运动。最后运用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行仿真调试,进而来满足设计的要求。关键词：小车循环往返运动、西门子S7-200、STEP7-Micro/WIN32编程软件继电器、接触器、PLC目录摘要1第1章概述31.1设计背景31.2设计意义4第2章硬件设计52.1设计容52.2设计思路52.3电气元件选择62.4I/O地址分配62.5I/O接线图62.6主电路设计7第3章软件设计93.1编程软件介绍93.2软件设计93.3系统流程图103.4程序梯形图103.5程序指令表123.6程序分析14第4章软件调试16设计心得17参考文献18第1章概述1.1设计背景随着社会迅速的发展,各机械产品层出不穷,控制系统的发展已经很熟,使用围涉及各个领域,例如：机械、汽车制造、化工、冶金、交通、军事、民用等。在现代工业车间生产中企业为提高生产车间物流自动化水平在许多场合中需要自动控制小车在指定位置道路上行驶,如柔性制造系统中物料小车的自动控制、自动仓库中物件存取小车的自动控制、货物的自动出入等,为了实现生产环节间的运输自动化,常会使用无人小车在工作台或生产线之间自动往返装料卸载,以及在自动化生产线上,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,以满足生产工艺要求,减轻劳动量,提高生产效率,增加资本收入。虽然有很多用来设计小车运行的方法,但是很多都过于繁琐,不利于操作人员的掌握和执行,如今随着电子技术的发展和可编程控制器〔Progammablecontroller简称PLC的不断更新、发展,可编程控制器在中低频电器开关控制领域应用十分广泛使,加上PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,日常维护也变得容易起来,更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合,因此在设计中越来越得人们的认可。目前,PLC在国外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。在设计顺序控制程序中可编程控制器的控制程序与一般计算机程序是有区别的。一般计算机程序的执行过程是:从起点开始顺序执行,直到程序结束。因此程序的执行过程是有始有终的,已经执行过的指令一般不会再度执行。可是可编程控制器程序是一个循环扫描程序,已经执行过的指令还要反复执行,因此它是没有始末之分的。如果把控制程序的正向行驶、反向行驶、数据显示三个阶段编排在一起而不进行分时控制的话,由于程序的反复执行,必然会导致分不清这三个阶段而乱成一团的局面。因为,正向行驶有正向行驶的任务,逆向行驶有逆向行驶的安排,两者不仅功能各异,而且执行时间也不同。为这三个阶段建立不同的状态标志即可。开始建立正向行驶状态标记,使程序只执行与正向行驶有关的功能；然后建立逆向行驶状态标记且撤销正向行驶状态标记,使程序只执行与逆向行驶有关的功能；最后建立数据显示状态标记且撤销逆向行驶状态标记,使程序只执行与数据显示有关的功能。同时PLC的可靠性高、环境适应性强、灵活运用、使用方便、抗干扰性强、编程简单、维护简单控制程序可变、体积小、质量轻、功能强、适用围较广、成本价格越来越低,还有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。因此在我们的设计小车循环运动控制系统中都采用PLC设计。1.2设计意义通过PLC在小车循环运动控制系统中的应用,使我们更加方便的做到在工厂生产中得自动化控制操作,提高了生产的效率,降低了劳动的利用率和成本,同时也对PLC的更新换代起了加快作用,促进了社会工业化的发展,为了我们以后的工作、学习、生活带来了很大的方便第2章硬件设计2.1设计容某生产流水线上的一辆自动控小车的运动示意图如图2-1所示,小车在一个周期的运动由4段组成。设小车最初在端,当按下起动按钮,则小车自动循环地工作,若按下停止按钮,则小车完成本次循环工作后停止在初始位置三相异步电动机Y90L-2,2.2KW,2840转／分,380V4.8A图2-1小车循环运动示意图2.2设计思路由于小车分四段不同的往返运动,现设定行程开关SQ1在最左端即为初始位置,行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4的分布和小车的运动轨迹都如图2-1所示。按下起动按钮,小车就有最左端的初始位置向右运动,运动过程中经过SQ2,但SQ2不能改变小车的停止和转向,小车继续向右运动；当碰到SQ3时,小车结束向右运动改向向左运动；当碰到SQ2时,小车结束向左运动改向向右运动；在向右运动的过程中碰到SQ3,但SQ3不会影响小车的运行方向和状态,小车会继续向右动；当碰到SQ4时,小车结束向右运动改向向左做运动,在向左运动的过程中小车会依次碰到SQ3、SQ2,但SQ3、SQ2都不会影响小车的运动方向和运动状态,直到小车碰到SQ1,小车会结束向左运动即这一次的循环运动结束开始新的循环运动。在小车的运动过程中无论在哪一时刻,按下停止按钮都不能使小车立即结束运动而停止。在按下停止按钮后小车会继续运动直到完成本次循环碰到初始位置的行程开关SQ1,才能够结束循环,小车停止运动最后停在初始位置上。2.3电气元件选择对于每一个设计来说在选择方法之后最重要的就是要能够正确的选择所使用的器件及器件型号,才能够正确的完成设计要求。在这里列出本设计所要使用的电器元件,如表2-1所示表2-1小车循环运动电器元件选择表序号文字符号名称型号数量1M三相异步电动机Y90L-2,2.2KW,380V,4.8A,2840转／分12QF低压断路器DZ15-6P13FR热继电器JR16-2014FU熔断器RT10-5045KM交流接触器CJ20-1026CPUPLC处理器CPU22617SB按钮LA25-1128SQ行程开关JLXK1-1149L导线若干2.4I/O地址分配由于本设计是采用西门子S7-200系列PLC编程语言来设计的,所以在设计过程中要对I/O口进行地址分配,进而顺利的完成程序设计。I/O地址分配如表2-2所示表2-2小车循环运动I/O地址分配表输入输出I0.0起动按钮SB1Q0.0接触器KM1电机正转小车右行I0.1停止按钮SB2Q0.1接触器KM2电机反转小车左行I0.2行程开关SQ1I0.3行程开关SQ2I0.4行程开关SQ3I0.5行程开关SQ4I0.6热继电器2.5I/O接线图在设计小车循环运动控制系统中采用了西门子S7-200系列,所以对于I/O端口的连线是非常重要的,是控制小车循环运动的关键环节。在本设计中采用PLC处理器型号为CPU226,有输入和输出显示端口,把开关信号转换成控制信号,进而完成控制要求。这就是体现了用PLC设计的简单和运用方便之处,也是人们为什么选择利用PLC来设计的主要原因,因此做好I/O接线是非常重要的。I/O接线图如图2-2所示：图2-2小车循环运动I/O接线图2.6主电路设计对于小车的循环运动控制系统上的设计,我们通常都是通过采用控制电机的正反转再又经过设备与小车的连接,来控制小车的左右运动。在本设计中就是通过控制三相异步电动机的正反转来控制小车的左右循环运动。当三相异步电机正传时,小车向右运动；当三相异步电动机反转时,小车向左运动。在主电路中采用两个接触器的动作来控制三相异步电动机的正反转进而来控制小车的循环作用运动。主电路图的设计如图2-3所示：图2-3小车循环运动主电路图如图2-3所示,闭合低压断路器QF,由于控制器件的作用当使KM1闭合时,三相异步电动机正转,通过器件连接带动小车向右运动；当KM2闭合时,三相异步电动机反转,通过器件连接带动小车向左运动。通过可编程控制器件的控制,最后来完成设计的要求。第3章软件设计3.1编程软件介绍编程软件采用西门子S7-200软件可编程控制器。支持梯形图、指令表等语言程序设计,网络参数设定,可进行程序的线上更改、监控及调试,具有异地读写PLC程序功能。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。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。在我们编程之前要非常熟悉西门子S7-200软件可编程控制器的指令语言,这样我们才能够设计出真确的控制程序。将PLC应用到小车循环运动控制系统,可实现小车的自动化控制,降低系统的运行费用。PLC小车循环运动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。3.2软件设计在设计小车循环运动控制程序之前要先非常熟悉整个运动的经过,然后要熟悉指令语句。在本设计中所要运用指令及功能如表3-1表3-1程序运用指令说明指令功能说明LD装入常开指令LDN装入常闭指令A与常开指令AN与常闭指令O或常开指令ON或常闭指令=输出指令LPS逻辑推入栈指令LPP逻辑弹出栈指令3.3系统流程图在设计之前了解整个工作过程后,要先写出整个运动过程系统流程图,以便更好的编程和理解。系统流程图如3-1所示：图3-1程序流程图3.4程序梯形图利用西门子S7-200进行编程,编写的梯形图如下所示：3.5程序指令表在STEP7-Micro/WIN32编程软件中输入梯形图,进而生成相应的指令表,如下所示：3.6程序分析有上述的I/O分配可以知道在该程序中,起始开关用I0.0表示,停止开关用I0.1表示,在4个位置的行程开关分别用I0.2-I0.5来表示。在这里对程序进行分析：按下I0.0,由于中间继电器的自锁作用,会使M0.0一直带电,及小车会一直处于带电状态,当按下I0.2时〔行程开关SQ1得电,M0.6,M0.7得电,接触器KM1线圈带电,由于M0.1的自锁作用,Q0.0一直处于输出状态,使电机一直正转,小车向右运动；按下I0.3〔行程开关SQ2得电不影响小车运动方向和状态；按下I0.4〔行程开关SQ3得电M0.3常闭断开,M0.1失电电机停止向右运动,M0.3常开闭合,由于M0.2的自锁作用,使电机一直反转,Q0.1一直处于输出状态,小车向左运动,M0.6失电；按下I0.3〔行程开关SQ2得电M0.5常闭断开,M0.2失电小车停止向左运动,M0.5常开闭合,由于M0.1的自锁作用,Q0.0一直处于输出状态,使电机一直正转,小车向右运动；按下I0.4〔行程开关SQ3得电由于M0.6失电,不影响小车运动方向和状态；按下I0.5〔行程开关SQ4得电由于M1.2自锁作用,M1.2一直得电,M1.2常闭断开,M0.1失电电机停止向右运动,M0.4得电,M0.4常开闭合及传送到中间继电器M0.0,依次类推,当小车在I0.5站时,行程开关SQ4得电,及传送到中间继电器M0.1。小车从开始到停止到初始位置是由于M0.2的自锁作用,使电机一直反转,Q0.1一直处于输出状态,小车向左运动,M1.2常闭一直断开,按下I0.4、I0.3不影响小车运动方向和状态；当正在按下I0.2时又进行下一个新的循环。在运动过程中按下I0.1时,不能够是小车停止运动,由于M1.3自锁作用,M1.3一直带电,M1.3常开闭合,只有再按下I0.2〔碰到SQ1回到初始位置M1.0得电,M1.0常闭断开,M0.0失电,小车停止运动,结束循环。第4章软件调试在理论构思设计完成以后,为了确保设计实践的准确无误性,去实验室里面进行验证和调试,按一下步骤进行调试：1、按电气接线图接好线。2、在STEP7-Micro/WIN32下输入程序并编译。3、将编译好的程序从PC机〔STEP7-Micro/WIN32编程软件下载到PLC主机。4、PC机在监控状态下调试程序。5、观察运行程序并进行修改直到满足要求,保存程序。在调试过程中所遇到的问题及解决方法如以下所示：1、小车不能一直处于起动状态时,要用线圈的互锁来使小车一直处于起动状态2、Q0.0和Q0.1输出状态出现排斥时,要用Q0.0和Q0.1互锁来解决3、按下I0.1时小车马上停止时,要添加M1.0来进行调节经过反复的改正和调试最终满足了设计的要求。设计心得通过这次基于PLC的小车循环运动控制设计,不仅考验并加强了我的实际动手能力同时还考验了我们将理论知识转化为实际应用的能力。它使得我了解到PLC这门课之所以重要并不仅仅因为它的理论知识重要,而重在实践,它与我们现实生活中许多应用息息相关。除此之外也加深了对西门子S7-200软件可编程控制器和STEP7-Micro/WIN32编程软件的学习、理解和运用。通过这次课程设计,我体会到解决问题是一个循序渐进的过程,一个好的方案往往是经过多次修改与完善,才最终确定下来的：一个方案设计的好坏也只有拿到