PLC运料小车控制

课程设计

说  明  书

                专业名称：电气工程及其自动化             

                班    级： 2011级专升本1班              

                学    号： 20110272026       

                姓    名： 郑标              

                指导教师： 赵凤英                  

                日期： 2011年12月30日            

 可编程控制器 课程设计评阅书

近年来，随着科学技术的进步和微电子技术的迅速发展，可编程序控制技术已广泛应用于自动化控制领域，可编程序控制器（PLC）以其高可靠性和操作简便等特点，已经形成了一种工业趋势。　　　　　　　　　　　　  

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。而现代工业生产中大量运用PLC控制运料小车，并结合组态王软件完成数据通信、网络管理、人机界面(HMI)和数据处理，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） 自动化  控制

                             目录

1、运料小车控制的概述    3

2、运料小车控制的总体设计    4

2.1 PLC简介    4

1、PLC分类    4

2、PLC的工作原理    5

3、循环扫描技术    5

1、处理单元(CPU)：    6

2、 存储器    6

3、 1/0单元    7

4、电源部分    7

5、扩展接口    7

6、通信接口    7

2.2 I/O分配    8

2.3硬件组态    8

2.4画图    9

1、运料小车电机接线图    9

2、运料小车控制流程图如下：    9

3、 PLC外部接线图    11

2.5运料小车控制的梯形图    11

3、程序的运行调试与仿真    14

4、设计总结    15

一、小车优缺点分析    15

二、设计的改进及推广    15

三、心得    15

5、参考文献    17

1、运料小车控制的概述

运料小车是工业逗料的主要设备之一。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。小车通常采用电动机驱动，电动机正转小车前进，电动机反转小车后退。图1-1是一个运料小车工作示意图，A点和B点都设有一个行程开关(SQ)和一个启动按钮。

设计要求：

（1）、按下启动按钮,小车自动返回A点，停车6s，等待装料，然后自动向B点运行，到达B点后，停车6s，等待卸料，然后自动返回A点，如此往复。

（2）、当小车运行到任意位置时，均可用手动开关令其停车。再次启动后，小车重复要求1）中的内容。

（3）、在小车前进后退的过程中分别由指示灯指示行进的方向。

（4）、设有模拟电路短路的反馈信号，发生短路立即停车。

（5）、小车在AB两点间运行时间不得超过15s。否则认为出故障，即超过15s应立即停车。

                              图1-1

在生产线上装料点A、卸料点B分别装有行程开关，以判别小车是否到达位置。另外对小车还需要一个总停按钮，一个启动按钮。

2、运料小车控制的总体设计

2.1 PLC简介

1、PLC分类

PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。

整体式（又称箱体式）结构的PLC由处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。其基本结构框图如图2-1所示。

图2-1 整体式结构

模块式（又称组合式）结构的PLC是将处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，其特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也较高。基本结构框图如图2-2所示。 

2、PLC的工作原理

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。   

3、循环扫描技术

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2-3所示。

图2-3  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。

2.2硬件的选择

PLC的基本组成及各部分作用

1、处理单元(CPU)：

CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:

(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

(2) 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;

(3) 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;

(4) PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执  行，完成用户程序中规定的各种操作;

(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。

S7-300PLC使用的CPU主要有以下几种:

(1)标准型，如CPU312, CPU314,CPU315等7种。且都不可以扩展支架，没有集成I/O点。

(2)紧凑型，如CPU312C,CPU313C等六种规格。不可以扩展支架。但本身带有数量不等的集成数字I/O点和模拟通道。

(3)故障安全性，如CPU315F-DP,CPU317F-2DP两种。他可以在系统出现故障时立即进入安全状态或安全模式，以确保人身与设备的安全。 

(4)技术功能型，如CPU317T-2DP。

(5)户外型，如CPU312 IFM,CPU314,CPU314IFM。

所以经过分析CPU应选用314型。

2、 存储器

根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:

（1）系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.

（2）用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。

（3）工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。

3、 1/0单元

I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。

所以，一般输入接口选SM300-DI3OO,输出接口选SM300-DO300。

4、电源部分

PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的处理器、存储器等电路提供5V, +12V, +24V的直流电源，使PLC能正常工作。

电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与 CPU封装到一个模块中。

所以经过分析电源选用PS307,5A。

5、扩展接口

扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。

6、通信接口

为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时，可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统。

2.2 I/O分配

这个控制系统的输入有1个启动按钮开关、停止按钮开关、2个行程开关、热继电器共3输入点。这个控制系统需要控制的外部设备只有控制小车运动的三相电动机二个。两个电机有正转和反转两个状态，分别都应正转继电器和反转继电器，另外还有一个模拟电路短路的反馈信号，利用电流继电器KA。则对应的地址分配表如表2-4所示。

2.3硬件组态

根据硬件选择，电源选用PS307,5A。CPU应选用314型。一般输入接口选SM300-DI3OO,输出接口选SM300-DO300。

2.4画图

1、运料小车电机接线图

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，小向右行。电动机正反转主回路如图2-6所示。

图2-6

2、运料小车控制流程图如下：

3、 PLC外部接线图

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，小向右行。小车控制系统的输入，输出设备与PLC的I/O端对应的外部接线图如图2-7所示。

图2-7

2.5运料小车控制的梯形图

根据小车运动的控制要求，画出小车控制系统的梯形图以及每程序段的作用，如图2-8所示。

按下启动按钮，或T2定时时间到，若小车不在A点，左行继电器M0.1通电，小车向左运动，同时启动定时器T3。若行至A点的时间多于15秒，通过T3的辅助触点使小车自动停车。

小车行至A点，或按下启动按钮时小车已在A点，则小车在A点停止，通过行程开关的辅助触点启动定时器T1，使小车在A点停止6秒。

6秒延时时间到，右行继电器M0.2通电，小车向右运行，同时启动定时器T4。若行至B点的时间多于15秒，通过T4的辅助触点使小车自动停车。

小车行至B点，小车停止，通过行程开关的辅助触点启动定时器T2，使小车在B点停止6秒。通过电气连锁，使M0.1和M0.2不可同时通电。

小车左行时，左行指示灯亮。

小车右行时，右行指示灯亮，且任一时刻按下停止按钮，小车停止。发生短路时，小车也自动停车。

3、程序的运行调试与仿真

将系统梯形图导入西门子仿真软件进行仿真。选择CPU型号为314后装载程序。检查程序无误后将仿真软件切换到运行状态。按下启动按钮I0.0所对应的按钮，Q4.1和Q4.3所对应的指示灯亮，表示小车向左运行。当按下I0.2左限位开关时，说明小车到达A点，开始卸货，此时计时器T1开始计时，6S后小车自动向右运行，Q4.2和Q4.4所对应的指示灯亮，表示小车向右运行。当按下I0.3右限位开关时，说明小车到达B点，开始卸货，此时计时器T2开始计时，6S后小车再次自动向左运行，Q4.1和Q4.3所对应的指示灯亮，表示小车向右运行。依次循环。在主电路中串联电流继电器，当按下模拟电路短路的反馈信号I0.4，将会发生短路立即停车。用定时器T3、T4监视小车在AB两点间运行时间不得超过15s。否则认为出故障，即超过15s应立即停车。

满足控制要求。反复运行此程序也均能达到控制要求。仿真如图3-1所示：

图3-1软件仿真图

      将程序载入PLC中，调试程序并运行，均能达到控制要求。  

4、设计总结

一、小车优缺点分析

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。在检测小车是否到达停靠点的时候，运用了行程开关，这样的检验系统让小车的停靠位置更加准确。

    与此同时，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。但设计过程中，只是基本实现了设计的要求，没有功能扩展，让系统显得比较简单。

二、设计的改进及推广

在实际的运用过程中，为了便于智能化、无人化、远程化的操作，该设计控制器还应该联网，让多台控制器组成局域网，构成一套网路系统，便于通讯和控制操作。如修改软件设计中的一些参数，能适合在不同的场合都能适合。在具体的设计中，应该还可以设计显示功能，显示运料小车到达指定的停靠站时所需时间；还可以在小车底部安装一个传感器，用来检测小车中的料是否卸完。这样就可更好地控制小车的运行，更加便于人们工作。此外，该运料小车控制器可以运用于大型的养殖行业，便于送料和喂养。这样就可以节约时间，提高效率。

三、心得

通过这次课程设计，让我了解了plc梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，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。 

本次课程设计是要求小组完成遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。

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。在检测小车是否到达呼叫停靠点的时候，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。

我不敢说以后一定要学得怎么样，至少现在懂得一定要善于观察，积极思考，态度认真，坚持到底做好每一件事，同样对待身边的每个人。

5、参考文献

[1] 殷兴光.PLC应用与实践.【M】.西北大学出版社，2009.P58-P70

[2] 孙晖.可编程序控制器原理与实践【M】.中国轻工业出版社，2007.P48-P

[3] 许孟烈. PLC技术基础与编程实训【M】.北京：科学出版社，2008.P107-P117

[4]柳春生.西门子PLC应用与设计教程【M】.北京：机械工业出版社，2011.

P105-P152