PLC控制皮带运输机的设计要点

毕业论文设计题目：PLC控制皮带运输机的设计姓名：所在系部：班级名称：学号：指导老师：2013年2月25日目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 II第1章PLC概述 11.1PLC的发展11.2PLC的定义11.3PLC的特点121.3.2应用灵活、使用方便221.4PLC组成31.5PLC的工作原理41.6PLC的分类55551.7PLC的主要技术指标51.8PLC控制系统设计的基本内容及原则 61.8.1PLC控制系统设计的基本内容 61.8.2在设计PLC控制系统时．应遵循以下基本原则 7第2章皮带传输机集中控制系统的结构及工作过程 81.1皮带传输机的结构 81.2皮带运输机的电气控制要求 91.3皮带运输机的总体方案确定 9第3章控制系统的硬件电路设计 113.1PLC选型 11113.1.2PLC型号确定 113.2I/O点分配 133.3PLC外围硬件电路的设计与硬件电路图 133.3.1PLC外围硬件电路图 133.3.2硬件电路主电路图及说明 1415第4章控制系统的软件设计 163.1软件设计思路 16程序流程图与梯形图及说明 16第5章抗干扰的设计 19194.2综合抗干扰设计19第5章系统调试20总结21致谢22参考文献 23摘要随着新技术的不断发展与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控制参数。传统的控制方式以不能满足高精度、高速度的控制要求，而使用以单片机为核心的数字式温度测试仪表，因其性能好、体积小、耗能低、抗干扰能力强和使用方便等优点，正得到越来越广的应用。针对中小型皮带运输机的控制系统采用继电器控制，存在可靠性差、劳动强度大、生产效率低的问题，开发一种基于PLC的皮带运输机控制装置。本控制系统选用CPM2A系列PLC作为控制器。在硬件电路设计中，完成PLC选型及外部低压电器的选用，设计了硬件接线图，提出了接线要求，使之具有控制和保护作用。在软件设计中，给出了程序流程图，并设计出梯形图程序。将硬件和软件有机结合，使控制系统运行可靠，达到了预期的设计目的。关键词:皮带运输机；PLC；集中控制第1章PLC概述PLC的发展1969年美国数字设备公司（DEC），研制出了世界上第一台可编程控制（ProgrammableLogicController,简称PLC），在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意效果，可编程控制器由此诞生。早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，只具有逻辑运算功能。20世纪70年代中期，微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件，是其具有自我诊断功能，可靠性、性价比有很大突破。到20世纪80年代，可编程控制器采用微处理器（CPU）、只读存储器、随机存储器或是单片机作为其核心，处理速度大大提高，功能更强体积又小。90年代末，PLC几乎完全计算机化，各种智能模块不断开发出来，使其不断扩展着它在各类工业控制过程中的作用。1.2PLC的定义PLC自问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC标准的草案第一、二、三稿，并在1987年作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程控制器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及基有关外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充基其功能的原则设计的。”总之，可编程控制器是一台专为工业环境而设计的计算机，它是将传统的计算机技术、继电器技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置。在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体的工业应用，因此它的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。1.3PLC的特点PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以要工业控制方面，它具有继电器或通用计算机所无法比拟的特点。1.3.1高可靠性PLC的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面：（1）在硬件方面由于采用性能优良的开关电源，并且对选用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强硬的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；所有的输入/输出接口都采用光电隔离措施，使外部电路和PLC内部电路能有效的进行隔离；PLC模块式的结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量的缩短系统的维修时间。（2）在软件方面PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运行处理器的延迟，保证在程序出现错误和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池、I/O口、通信等出现异常时，PLC的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失。1.3.2应用灵活、使用方便模块化的PLC设计，使用户能根据自己系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需要的PLC模块并进行资源配置和PLC编程。这样，控制系统就不需要大量的硬件装置，用户只需根据控制需要设计PLC的硬件配置和I/O的外部接线即可。1.3.3控制过程的编程语言简单PLC的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言，清晰直观。虽然PLC 是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户有很强的程序设计能力，只在用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。1.4PLC组成（1）中央处理器PLC的CPU与通用微机的CPU一样，它是PLC的核心部分，相当于PLC的“大脑”。它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、检验用户程序、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等。（2）存储器根据存储器存储内容的不同，我们把存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。系统程序存储器：用来存入软件的存储器。系统程序相当于计算机操作系统，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。用户程序存储器：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的PLC，其存储容量也不一样。数据存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。（3）输入/输出单元输入/输出单元是PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备的。（4）电源部分不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC电源的输入电压既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。（5）编程器几乎每个PLC厂家都有自己的编程器，用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC。它还可以在线检测程序的运行情况。在出现故障时，通过编程器可能很方便的找出错误。（6）特殊功能单元主要包括模拟量输入/输出单元、远程I/O模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和PID调解模块等。随着PLC的进一步发展，特殊功能单元的应用也越来越多。1.5PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。1.6PLC的分类1.6.1小型PLC连接开关量I/O模块、模拟量I/O模块以及其它各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数输入/输出点数在128点以下的PLC称为小型PLC。其特点是体积小、结构紧凑，它可以据处理和传送、通信联网以及各种应用指令。1.6.2中型PLC输入/输出点数在128-512点之间的 PLC称为中型PLC。它除了具有小型机所能实现在功能外，还具有强在的网络通信功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。1.6.3大型PLC输入/输出点数大于512的PLC称为大型PLC。它具有强大的软件硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。另外大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。1.7PLC的主要技术指标（1）存储器容量存储器用来存储程序和系统参数等，其容量是由用户程序存储器和数据存储器组成的。程序存储器容量大小决定了用户所能编写程序的长度。一般中小型PLC的存储器容量在16KB以下，大型的PLC可达到2MB左右。（2）输入/输出点数输入/输出点数是指根据工业系统控制要求所得到的对应于PLC的输入/输出端的个数。I/O点数越多，说明需要控制的器件和设备就越多。（3）扫描时间扫描时间是指CPU内部根据用户程序，按逻辑顺序，从开始到结束扫描一次所需的时间。PLC用户手册一般给出执行指令所用的时间。（4）指令种类和数量指令的种类和数量决定了用户编制程序的方式和PLC的处理能力和控制能力。（5）内部寄存的种类和数量内部寄存器主要包括定时器、计数器、中间继电器、数据寄存器和特殊寄存器等。它们主要用来完成计时、技术、中间数据存储、数据存储还有其他一些功能。种类和数量越多，PLC的功能就越强大。（6）扩展能力PLC扩展能力是指PLC是否能具有I/O点数扩展、功能扩展、联网等一些功能。（7）智能模块的种类和数量智能模块是指能完成模拟量控制、远程控制以及通信等功能模块。智能模块种类和数量越多，说明PLC功能越强大。1.8PLC控制系统设计的基本内容及原则1.8.1PLC控制系统设计的基本内容

（1）选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)。这些设备属于一般的电器元件，其选择的方法在其他有关书籍中已有介绍。

（2）PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择PLC，应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。

（3）分配I/O点，绘制I/O连接图。

（4）设计控制程序。包括设计梯形图、语句表(即程序清单)或控制系统流程图。控制程序是控制整个系统工作的条件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。

（5）必要时还需设计控制台(柜)。

（6）编制控制系统的技术文件。包括说明书、电器固件及电器元件明细表等。在设计PLC控制系统时．应遵循以下基本原则（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电器控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。（3）保证控制系统的安全、可靠。（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择容量时，应适当留有裕量。第2章皮带传输机集中控制系统的结构及工作过程皮带运输机由皮带、机架、驱动滚筒、改向滚筒、承载托辊、回程托辊、张紧装置、清扫器等零部件组成。组成结构的示意图如图2-1所示：321皮带；2-托棍；3-传动轮图2-1皮带运输机的组成图原材料运输机输送示意图如图2-2所示：图2-2原材料皮带运输机的输送示意图1.2皮带运输机的电气控制要求（1）启动时先启动最后一台皮带机，然后每隔15S，依次从后向前启动各台皮带机。（2）停车时首先停止最前面一台皮带机，待料运送完毕后，每隔30S依次从前向后停止各台皮带机。（3）当某台皮带机发生故障时，该皮带机和前面的皮带机立即停止，而该皮带机以后的皮带机待料运送完后停止。例如，电机M2发生故障，M1、M2立即停止，经过30S延时后M3停止，再过30S，M4停止。1.3皮带运输机的总体方案确定皮带运输机控制可采用PLC控制与传统采用继电器控制两种控制方法，两种控制方法的比较如下：（1）方式：继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。（2）速度：继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。（3）控制：继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。通过对两种控制方式的比较，PLC控制方式控制效果比较好，可实现皮带运输机的自动化；而采用继电器控制方式，这种控制方式还停留在人工操作，效果也就不是很明显。为此采用PLC控制皮带运输机是一个很好的选择。而PLC控制方式又分集中控制和分散控制两块。集中控制就是一台多个I/O点PLC控制多台设备，实行的是一对多的控制方式；分散控制是多台PLC，而每台的PLC的I/O点相对来说就比较少，实现的是多对多的控制方式。两者的优缺点比较如表2-1所示:表2-1方案比较方案优点缺点集中控制控制集中、紧凑、易于安装、占地少、费用少。一旦故障影响全装置、运行时难于维护。分散控制控制分散、互不影响、便于维护。占地较大、费用略高。考虑到控制成本，占地等综合因数还是采用PLC集中控制方式较为合理。结合PLC控制与集中控制，本篇论文对皮带运输机就采用PLC集中控制方案。第3章控制系统的硬件电路设计3.1PLC选型（1）输入信号如表3-1所示：表3-1输入点信号类型所需输入端个数启动开关需要1个输入端停车开关需要1个输入端故障开关需要4个输入端以上共需6个输入信号点，考虑到以后对系统的调整与扩充，留有15%的备用点，共需7个输入点。（2）输出信号如表3-2所示表3-2输入点信号类型所需输出端个数电动机需要4个输出端报警灯需要1个输出端停车需要1个输出端故障需要4个输出端以上共需10个输入信号点，考虑到以后对系统的调整与扩充，留有15%的备用点，共需要12个输出点。3.1.2PLC型号确定根据信号类型的确定，可以知道一共需要7个输入点12个输出点，所以我们选用日本OMRON公司CPM2A系列30点I/O（输入为18点输出为12点）的可编程控制器。如图3-1所示：图OMRON欧姆龙PLCCPM2A-30CDR-A它具有以下几个特点：（1）同步控制CPM2A/2C的高速计数功能可以和脉冲输出功能结合起来，依照输入脉冲频率按比例产生一个特定的输出脉冲。

（2）高速处理高速处理包括50ms的快速响应输入，更短的扫描周期（0.64ms/LD）和1ms的定时器，高速处理可以在很大程度上提高生产效率，以包装机械为例，这可以显著缩短检测标签记号和检测产品之间的时间间隔。

（3）高速计数器CPM2A/2C支持单轴高速计数20kHz单相或5kHz双相，线形计数方式（加/减）从-8388608到388607四轴高速计算（中断计数方式）2kHz单相加或减从0000到FFFF

（4）脉冲输出位置控制CPM2A/2C支持4种脉冲方式2点：10-10kHz脉冲输出1点：10-10kHz(加/减速定位)脉冲输出2点：PWM输出0.1-999.9Hz0-100%1点：同步控制功能

（5）RS232端口

CPM2A/2C提供一个内置的RS232C端口能方便地连接可编程终端，确认操作环境和调试时能实现可视化。(6)价格低廉在价格方面PLC也是比较便宜的，因为1个PLC就可以控制整个控制系统。3.2I/O点分配一般情况下输入点与输入信号，输出点与输出控制一一对应。分配好后，按系统配置的通道与接点号分配给每一个输入信号和输出信号。在本系统中报警器是几个信号共用一个输出点，各报警因素按逻辑关系并联后接到报警输出点。I/O分配表如表3-3所示。表3-3I/0分配表输入信号输出信号信号类型输入点信号类型输出点启动按扭SB100000电机M401000停车按扭SB200001电机M301001故障按扭SB300002电机M201002故障按扭SB400003电机M101003故障按扭SB500004报警灯01004故障按扭SB600005停车01005故障101006故障201007故障301008故障4010093.3PLC外围硬件电路的设计与硬件电路图3.3.1PLC外围硬件电路图SB1为启动按扭（00000）。SB2为停止按扭（00001）。SB3-SB6为四台电机所对应的故障信号（电机正常时为常开信号，有故障信号时为常闭信号）。经SB3-SB6（00002-00005）输入PLC处理。01004为故障报警输出。当任何一台电机发生故障，HA便开始报警。电机的故障信号（过流、断相、短路、过载）可由热继电器，交流接触器来检测。PLC外围硬件电路图如图3-2所示图3.2PLC与外设之间的接线图3.3.2硬件电路主电路图及说明在图3-3所示中，通过QF1的闭合，电流经过接触器的线圈，使主电路吸合，使四台电机启动，控制皮带机运作。线圈KM1控制电机M1、线圈KM2控制电机M2、线圈KM3控制M3、线圈KM4控制M4。在主电路中，如果某一台电机发生故障，都可由对应的低压电器来切断电路，进行保护。刀开关QF起电源隔离作用。熔断器FU作为电路后备短路保护。热继电器FR具有对电机过载保护作用，与电动机的反时限特性配。图4主电路图3.4硬件电路的接线要求在硬件电路图的基础上（如图3、图4），对一些相关的控制接线做一些要求：（1）采用“远程集中”控制，完全由PLC按照工艺要求来启动生产线上各个设备。（2）电动机容量小于10KW或其容量不超过电源变压器容量15%~20%，可实行直接启动（3）交流接触器的容量根据电机功率来选取，所有接触器线圈电压均为AC220V。（4）所有电机都配有相应的低压电器保护；具有短路、过载、过电流、断相等保护功能。（5）电控系统采用三相四线制供电系统。（6）PLC的故障输出端直接接到AC220V报警器。第4章控制系统的软件设计根据加工工艺要求和用户使用需要，同时考虑到各设备的安全性、故障保护与报警运行状态显示的要求，以及实现系统各设备协调工作功能，用梯形图语言编制整个控制程序。在考虑皮带机发生故障时，每台皮带机运行相隔的时间用定时器控制。在集控方式下，系统启动后，通过定时器控制，依次启动各台电机。3.2程序流程图与梯形图及说明图5流程图首先PLC上电初始化，然后按下启动按扭(00000)，M4电机先启动，然后每隔15S启动M3、M2、M1电机。当需要电机停止工作时，只需要按下按扭（00001），第一台电机立即停止工作，以免继续送料，接着通过每隔30S停止M2、M3、M4电机。当电机出现故障时，按下故障按扭（每台电机都有个故障按扭），这台电机以及此电机之前的电机马上停止工作，在通过30S定时器停止后面的电机。系统动作过程的流程图如图5所示。根据控制要求及流程图，做出梯形图,如图6所示，在程序中，01000、01001、01002、01003控制电机M4、M3、M2、M1；01004作为故障报警灯,01006、01007、01008、01009故障输出，01005为停车输出。每个电动机启动的时间用定时器控制。当按下启动按扭00000时，使线圈KM4的通电，使KM4主电路通电，接触器闭合，电机M4启动，然后每隔15S（由定时器TIM000、TIM001、TIM002控制）KM3、KM2、KM1线圈通电，主电路闭合，相应的电动机开始工作。接下来是停车过程，按下停车按扭（00001），使M1电机停止，然后每隔30S按M2、M3、M4顺序停止。通过低压电器的保护（短路、过载，过电流等）切断电路，保证安全。在出现故障时是用手动来控制的。当M2电机发生故障时，可按下00004按扭，M2与M1电机立即停止，然后通过T004的定时30S，切断M3；通过T003定时30S，切断M4。图6梯形图程序第5章抗干扰的设计在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作；另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。在选择国外进口产品要注意：我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高，在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准（GB/T13926）合理选择。4.2综合抗干扰设计主要考虑来自系统外部的几种如果抑制措施。主要内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是原理动力电缆，分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。第5章系统调试用CX-P编程的基本操作有：建立一个新工程，创建一个程序，编译程序，将PC机上的程序传送到PLC，将PLC中的程序