基于运料小车自动往返顺序控制的PLC程序设计.doc

基于运料小车自动往返顺序控制系统
6.22.2015

1.运料小车的发展概况
工厂运输现大多采用地面运输，地面运输主要采用叉车及手推运料小车，叉车需专人驾驶且无固定轨道，在车间内运行极不安全，手推运料小车需人为动力，劳动强度大，运输效率低。随着经济的发展，运料小车不断扩大到工业运输的各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。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。但是单片机开发周期长，使用难，开发成本高，批量成本低，对人要求高，而且其稳定性不够高。由于PLC 开发周期短，使用容易，开发成本低，批量成本高，对操作人员技术要求要求不高，并且稳定性好,抗干扰能力强，使得对基于PLC的运料小车控制系统的开发研究逐步加强。 
PLC(Programmable Logical Controller)是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，使其在自动化控制的各个领域中得到了广泛的应用。 
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。降并且，控制系统具有连线简单，自动控制，控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便可以降低系统的运行费用等优点，低系统的运行费用。

2.可编程控制器（PLC）概述
2.1 PLC的概述
PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其
图2-1 PLC三菱FX系列
内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数
字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”
2.2.1 PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
（5）体积小，重量轻，能耗低
2.2 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。

图2-2 PLC 的组成框图
（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。
其它设备
(1)编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。
(2) 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
(3) PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。

3.控制系统设计
3.1 小车运动分析
1）按下开始按钮SB1，运货小车电动机反转，运货小车自动后退，到达仓库A装料，停留5秒后，运货小车电动机正转，运货小车自动前进，向仓库B运动，到达仓库B后停4秒卸料并后退，向仓库A运动，到达仓库A后，开始下一轮循环工作；
2）若按下停止按钮SB2，运货小车电动机停止转动，运货小车停止运动；
3）在2）的条件下，按下手动后退按钮SB3,运货小车后退，向仓库A的方向运动；
4）在2）的条件下，按下手动前进按钮SB4，运货小车前进,向仓库B的方向运动。
3.2 流程图
基于运料小车自动往返顺序控制的PLC程序设计的流程图如图（一）所示

图（一）运料小车自动往返顺序控制的PLC程序设计的流程图

3.3 输入输出分配表
输入地址分配表如下表（一）所示
PLC X元件
对应外部设备
X000
开始按钮
X001
停止按钮
X002
手动后退按钮
X003
手动前进按钮
输出地址分配表如下表（二）所示
PLC Y元件
对应外部设备
Y001
电动机反转
Y002
电动机正转
3.4 编程逻辑框图
基于运料小车自动往返顺序控制的PLC程序设计的编程逻辑框图如图（二）所示

3.5 梯形图
基于运料小车自动往返顺序控制的PLC程序设计的梯形图如图（三）所示：

图（四）运料小车自动往返顺序控制的PLC程序设计的梯形
3.6 指令语句
基于运料小车自动往返顺序控制的PLC程序设计的编程如下所示：
1. LD M8002 ；取指令开始
2. SET S0 ；置位指令
3. STL S0 ；激活状态
4. LD X000 ；取小车运行开始指令
5. ANI X001 ；串联常闭的停止按钮
6. SET S20 ；置位S20转移条件
7. LD X002 ；取小车手动后退指令
8. ANI X003 ；串联常闭的小车手动前进按钮
9. AND X001 ；串联常开的停止按钮
10. SET S23 ；置位S23转移条件
11. LD X003 ；取手动前进指令
12. ANI X002 ；串联常闭的手动后退按钮
13. AND X001 ；串联常开的停止按钮
14. SET S24 ；置位S24转移指令
15. STL S20 ；激活S20转移条件
16. OUT T0 K50 ；延时5S
17. LDI Y002 ；对电动机正转取非
18. ANI X001 ；对停止指令取非
19. OUT Y001 ；输出电动机反转指令
20. LD T0 ；取延时5S，小车自动后退
21. SET S21 ；置位S21转移指令
22. STL S23 ；激活S23转移指令
23. LD X001 ；取停止指令
24. ANI Y002 ；对电动机正转取非
25. OUT Y001 ；输出电动机反转指令
26. LDI X001 ；对停止指令取反
27. OR X003 ；并联常开手动前进按钮
28. OUT S0 ；输出S0
29. STL S24 ；激活S24转移指令
30. LD X001 ；取停止指令
31. ANI Y001 ；对电动机反转取非
32. OUT Y002 ；输出电动机正转
33. LDI X001 ；对小车停止指令取非
34. OR X002 ；并联常开的手动后退按钮
35. OUT S0 ；输出S0
36. STL S21 ；激活S21转移指令
37. OUT T1 K40 ；输出T1，延时4S
38. LDI Y001 ；对电动机反转取非
39. ANI X001 ；对停止指令取非
40. OUT Y002 ；输出电动机正转
41. LD T1 ；取T1
42. SET S22 ；置位S22转移条件
43. STL S22 ；激活S22转移条件
44. LDI Y002 ；对电动机正转取反
45. ANI X001 ；对停止指令取非
46. OUT Y001 ；输出电动机反转
47. LDI X001 ；对停止指令取反
48. OUT S0 ；输出S0
49. RET ；步进结束
50. END ；结束指令
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基于运料小车自动往返顺序控制系统
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4.控制系统的调试 
4.1 编程软件
编程软件采用三菱公司的编程软件GX-Developer,它适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label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。
4.2硬件调试 
接通电源，检查可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。 
4.3软件调试 
按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM，进行下一步的调试。 
4.4运行调试 
在硬件与软件调试正确的基础上，打开可编程控制器的“RUN”开关进行调试；观察运行的情况是否正确，以确定PLC的控制系统设计符合要求。

5.小车的性能分析及设计改进
5.1小车的优缺点分析 
  本设计运用的可编程控制器实现的运料小车自动控制，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装料、卸料点的时候，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。 
5.2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装料、卸料点时所需时间；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。

总 结
本文主要介绍了运料小车的发展过程及现代社会对运料小车的功能要求，以及运料小车以后的发展趋势。随着现代工业的发展，工业自动化程度越来越高，运料小车应用前景可观。在经过认真学习与总结后，我在本文中解决了如下问题：控制系统硬件电路的正确设计及连接，节约了成本，优化了配置；实现了生产工作过程中，小车能正确无误的往返循环运输；软件编程调试方面，通过三菱编程软件已经正确调试了设计程序，并在设计调试中收获很多宝贵经验。
结  论 
本次课程设计主要任务是设计小车往返运动控制，通过一周的设计实践，实现了往返运动控制，其中小车往返控制，按下启动按钮，小车可以启动并且按照相对应的运行方式运行。经过本次的实践，通过理论与实践相结合，进一步加深我们的理论知识。要想在短暂的课程设计时间内，尽可能能多的学一些东西，这就需要我们跟老师有很好的沟通，加深彼此的了解。刚开始时，老师并不了解我们的工作和学习能力，不清楚我们会做那些工作，所以跟老师进行沟通是很必要的。通过沟通了解，老师对我们有了大体了解，便有针对性的教我们一些PLC的知识。在短暂的课程设计过程中，让我深深的感觉到自己在实际运用中的专业知识的匮乏。

参 考 文 献
[1]谢剑英.微型计算机控制技术[M].国防工业出版社.2001.6
[2]史国生，赵阳等.电气控制与可编程控制器技术[M].北京:化学工业出版社.2004.1
[3]胡学林.可编程控制器教程[M].北京:电子工业出版社.2003.7
[4]刘美俊.通用变频器应用技术[M].福建:福建科学技术出版社.2001.6
[5]幻刘国光.提高PLC控制系统可靠性的软件设计.机床电器[J].2004.11.
[6]秦虹.PLC控制系统的编程方法简述.机床电气[J].2002.7

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