运料小车的PLC控制

题目：   运料小车的PLC控制   

院（系）：    电气工程学院   

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起止时间：2

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院                                     教研室：自动化  

摘 要　　　　　　　　　　　　  

可编程控制器是一种新型的通用控制装置，它将传统的继电器-接触器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，专门为工业控制而设计，这一新型的通用自动控制装置以其高可靠性、较强的工作环境适应性和极为方便的使用性能，深受自动化领域技术人员的普遍欢迎。

运料小车在现代化的工厂中普遍存在。传统的工厂依靠人力推车运料，这样浪费了大量的人力物力，降低了生产效率。本设计采用PLC控制运料小车，驱动设备为电动机，程序设计采用梯形图，小车往返于各个工位，使生产自动化，智能化，大大提高了生产效率，降低了劳动成本。

关键词：可编程控制器（PLC）；自动控制；运料小车；

第1章 绪论

可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，最初叫做可编程逻辑控制器（Programmable  Logic  Controller），即PLC，现已广泛应用于工业控制的各个领域。

它以微处理器为核心，用编写的程序不仅可以进行逻辑控制，还可以定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。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。

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，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。本文以德国西门子公司的S7—200为载体，设计运料小车的PLC控制系统。

第2章 课程设计的方案

 概述

运料小车是工业送料的主要设备之一。广泛应用于自动生产线、 冶金、有色盒属、煤矿、港口、码头等行业，各工序之间的物品常用有轨小车来转运。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IC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，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。

本控制系统的控制要求如下：

1、小车的前进后退是通过电动机的正反转来控制。

2、小车的停止位置由行程开关进行控制。

3、小车能够按照设计顺序进行运行，在设定位置装填或卸载物料。

4、小车的运行、停止、装料、卸料状态，要求有相应的指示灯显示。

系统组成总体结构

运料小车PLC控制系统的由可编程逻辑控制器(PLC)、启动按钮、停止按钮、行程开关、三相异步电动机及状态显示组成，其总体结构如图2.1所示：

                 图2.1 运料小车PLC控制系统的总体结构

运料小车在自动化生产线上运动的控制过程如下：初始状态小车停在初始位置，按启动按钮，小车开始装料；15秒后装料结束，开始左行，碰到行程开关1后开始卸料；5秒后接着左行，碰到行程开关2后又停下来卸料，10秒后结束，右行，碰到初始位置开关后停下来装料，15秒装料结束，左行，如此循环，相应的状态由对应的指示灯显示。

第3章 硬件设计

可编程控制器（PLC）

可编程控制器，英文称Programmable Controller，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。

PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。

PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：

（1）逻辑处理功能；

（2）数据运算功能；

（3）准确定时功能；

（4）高速计数功能；

（5）中断处理（可以实现各种内外中断）功能；

（5）程序与数据存储功能；

（6）联网通信功能；

（7）自检测、自诊断功能。

可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。像PLC这样。集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。

 PLC的选型

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

在选择PLC机型，主要考虑以下几个方面：

（1）功能的选择。I/O点数的确定，统计被控系统的开关量、模拟量的I/O点数，并考虑以后的扩充（一般加上10%-20%的备用量），从而选择PLC的I/O点数和输出规格。

（2）内存的估算：存储容量=开关量输入点x10+开关量输出点x8+模拟通道数x100+定时器/计数器数量x2+通信接口数x300+备用量

（3）经济性的考虑。选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本设计属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选择小型PLC。

在本次设计中，所用到的I/O点数分别都为5个;内存的存储容量=5x10+5x8+0x100+16x2+1x300+2000=2412B

在对上述系统功能进行综合分析后，考虑输入输出端子决定采用西门子S7-200并且采用CPU 224作为主机便能满足设计要求。

CPU 224的主要技术规范如下：

本机数字量I/O：14输入/10输出；允许扩展模块数量/个：7；用户程序区/KB: 8;数据存储区/KB：8；用户数据存储区/B：8192；数据存储区/B：8192；RS-485通信口个数/个：1，等等这些规范都达到了本次设计的要求。

 I/O地址分配表

本控制系统的输入有1个启动按钮开关、1个停止按钮开关、3个行程开关、共5个输入点。控制系统需要控制的外部设备只有控制小车运动的三相异步电动机一个。电机有正转和反转两个状态，分别对应正转继电器和反转继电器，另外还有3个输出状态显示开关，所以输出点应该有5个。对应的地址分配表如表3.1所示：

表3.1 I/O分配表

本次所采用的是S7-200系列中的CPU 224，它的具体技术规范如上介绍。系统、中的运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转，小车向右行。SB1是系统启动按钮，SB2是系统停止按钮，BQ0-BQ2为行程开关，KM1、KM2分别为电动机正反转，L1—L3为小车状态显示灯。小车控制系统的输入，输出设备与PLC的I/O端对应的外部接线如图3.1所示：

图3.1 运料小车的PLC外部接线

第4章  软件设计

 运料小车控制系统流程图

                           图4.1 运料小车控制系统流程图

 运料小车控制系统梯形图

第5章 课程设计总结

课程设计是在教学过程的一种总结性的实践教学环节。通过课程设计，能使我们综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。

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。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，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。

随着经济的不断发展，运料小车的应用也不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。但是，传统的继电器接触器控制在工作中已经暴露出种种弊端，因此，新的控制设计已成为社会发展的必然趋势。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。在检测小车是否到装料、卸料点的时候，运用了行程开关使小车的停靠位置更加准确。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。

在做完这个课设后，我学会了许多以前没有学过的知识，也巩固了以前没学好的东西，使我我的专业理论更加扎实。

参考文献

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