运料小车的PLC控制系统设计目录版.doc

课 题： 运料小车的PLC控制系统设计
专 业： 电气工程及其自动化
班 级：
姓名学号：
指导教师：
设计日期：
成 绩：

目录
一、设计目的作用 3
二、设计要求 3
三、设计的具体实现 4
3.1系统概述 4
3.2控制系统在运输小车中的作用与地位 4
3.3运输小车系统方案的选择 5
3.4运料小车控制系统的方案论证 6
3.4.1运料小车的运动流程 6
3.4.2方案论证 7
3.4.3 PLC的选型 8
3.4.4 S7-200 CPU 226简介 8
四、系统设计 8
4.1系统变量定义及分配表 8
4.2系统需要的元器件明细表 9
4.3系统接线图设计 10
4.4软件设计 11
4.4.1 系统流程图 11
4.4.2 系统顺序功能图 12
4.4.3系统梯形图 13
4.4.4系统语句表 20
五、 单元电路设计与分析 24
5.1、系统仿真结果如下 24
六、总结 26
七、附录 28
八、参考文献 29

重庆大学城市科技学院电气学院
电气控制技术课程设计报告
一、设计目的作用
（1） 电气控制装置的设计方法、步骤及设计原则。
（2） 学以致用，巩固书本知识，使学生初步具有设计电气控制装置的能力，从而培养和提高学生独立工作的能力和创造能力。
（3） 进行一次工程技术设计的基本训练。培养学生查阅书籍、参考资料、产品手册、工具书的能力；上网查寻信息的能力；运用计算机进行工程绘图的能力；编制技术文件的能力等等。
二、设计要求
2.1控制要求
一部电动运输车供8个加工点使用。台车的控制要求如下：
PLC上电后，车停在某个工位，若无用车呼叫(下称呼车)时，则各工位的指示灯亮，表示各工位可以呼车。工作人员按本工位的呼车按钮呼车时，各工位的指示灯均灭，此时别的工位呼车无效。如停车工位呼车时，台车不动，呼车工位号大于停车位时，台车自动向高位行驶，当呼车位号小于停车位号时，台车自动向低位行驶，当台车到呼车工位时自动停车。停车时间为30s供呼车工位使用，其他工位不能呼车。从安全角度出发，停电再来电时，台车不会自行启动。为了区别，工位依1～8编号各设一个限位开关。
2.2运料小车在自动化生产线上运动的控制要求如下：
（1） 按下启动按钮，系统等待30秒开始工作，按下停止按钮，系统停止工作；
（2 ）若某工位呼车(按本位的呼车按钮)时，则呼车指示灯熄灭，表示此后呼车无效。
（3 ）系统停止时，呼车无效。系统启动后，当呼车位号大于停车位号时，小车自动向高位行驶；当呼车位号小于停车位号时，小车自动向低位行驶；当小车到达呼车位时，自动停车。
（4） 在小车到达呼车位的30s时间内(仅供本车位使用)，呼车操作无效。只有当30s延时时间到以后，小车才能重新响应呼车信号。
（5）临时停电后再复电，小车不会自行起动。
三、设计的具体实现
3.1系统概述
某自动生产线上一部运料小车供8个加工点使用，其运动示意图如下图3-1所示。运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向右（高位）行，电机反转，小车向左（低位）行。在自动生产线上为了区别，工位依1～8编号供小车停靠，并各设一个限位开关以监测小车是否到达该工位。为了便于呼车，每个工位设一呼车按钮，系统设起动及停机按钮各1个，小车设正、反转接触器各1个。每个工位装有呼叫小车的指示灯各1个，但并联接于各个输出口上。
在生产线上有8个编号为l～8的站点供小车停靠，在每一个停靠站安装一个行程开关以监测小车是否到达该站点。对小车的控制除了启动按钮和停止按钮之外，还设有8个呼叫按钮开关(SB1～SB8）分别与8个停靠站点相对应。

图3-1 运料小车的动作示意图

3.2控制系统在运输小车中的作用与地位
在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个工艺生产过程全盘自动化，这就离不开控制系统。
控制系统是整个生产线的灵魂，对整个生产线起着指挥的作用。一旦控制系统出现故障，轻者影响生产线的继续进行，重者甚至发生人身安全事故，这样将给企业造成重大损失。
运输小车是基于PLC控制系统来设计的，控制系统的每一步动作都直接作用于运输小车的运行，因此，运输小车性能的好坏与控制系统性能的好坏有着直接的关系。运输小车能否正常运行、工作效率的高低都与控制系统密不可分。
3.3运输小车系统方案的选择
3.3.1 小车方案分析
实现小车运输系统控制有很多方法来实现，可以用单片机、可编程控制器PLC等元器件来实现。
但在单片机控制系统电路中需要加入A/D，D/A转换器，线路复杂，还要分配大量的中断口地址。而且单片机控制电路易受外界环境的干扰，也具有不稳定性。另外控制程序需要具有一定编程能力的人才能编译出，在维修时也需要高技术的人员才能修复，所以在此也不易用单片机来实现。
而从PLC的特点了解可知，PLC具有很多优点，因此我们归纳出：可编程控制器PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；安装，操作和维护也较容易；编程简单，PLC的基本指令不多，编程器使用比较方便，程序设计和产品调试周期短，具有很好的经济效益。此外PLC内部定时、计数资源丰富，可以方便地实现对运输小车的控制。
3.3.2可编程控制器 PLC的优点
可编程控制器 PLC对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的推广应用。可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。
（1） 可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如西门子公司生产的S7系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2） 配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4） 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
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，同时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改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5） 体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100 mm，重量小于150 g，功耗仅数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
因此，最终我选择了用可编程控制器PLC来实现运输小车系统的控制，完成本次的设计题目。
3.4运料小车控制系统的方案论证
3.4.1运料小车的运动流程
运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向高位行，电机反转，小车向低位行。电动机正反转主电路图如图3-4-1所示：

图3-4-1 电动机正反转主电路图

3.4.2方案论证
早期运输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。运料小车控制系统的控制系统构成图如3-4-2所示:
图3-4-2运料小车控制系统图

启动按钮
停止按钮
8个呼叫按钮
8个行程按钮
P
L
C
三相异步电动机

3.4.3 PLC的选型
在PLC日益成为工厂自动化基本技术平台的时代，如何选用一部适合的PLC即满足技术要求，又能实现经济效益，是一项重要课题。PLC本身强调的特色为：体积小、功能强、操作简便、程序设计简易、模块扩充性好、通信方便等，针对上述要求选择PLC控制系统。西门子公司的S7-200系列PLC以其功能强、功能强大、性价比高等特点受到广泛青睐。因为该设计需要18个输入和11个输出故需要CPU有至少18个数字量输入PLC，故满足这一技术要求的S7-200系列PLC的CPU类型有224、224XP、226等。PLC的选型不但要满足技术要求，还要考虑到经济性，因此这里选用S7-200系列的226PLC。
3.4.4 S7-200 CPU 226简介
CPU226集成24输入/24输出共48个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID 控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
四、系统设计
4.1系统变量定义及分配表
根据控制要求，PLC控制运输小车的输入\输出(I\0)地址编排如下表所示:
表4-1 I/O地址分配
输入
输出
I0.0
起始按钮SB0
Q1.0
电动机正传KM1
I0.1
停止按钮SB10
Q1.1
电动机反传KM2
I2.0
1号工位呼车SB1

I2.1
2号工位呼车SB2
Q0.0
1号工位成功呼车指示灯
I2.2
3号工位呼车SB3
Q0.1
2号工位成功呼车指示灯
I2.3
4号工位呼车SB4
Q0.2
3号工位成功呼车指示灯
I2.4
5号工位呼车SB5
Q0.3
4号工位成功呼车指示灯
I2.5
6号工位呼车SB6
Q0.4
5号工位成功呼车指示灯
I2.6
7号工位呼车SB7
Q0.5
6号工位成功呼车指示灯
I2.7
8号工位呼车SB8
Q0.6
7号工位成功呼车指示灯
I1.0
1号工位限位开关SQ1
Q0.7
8号工位成功呼车指示灯
I1.1
2号工位限位开关SQ2

I1.2
3号工位限位开关SQ3

I1.3
4号工位限位开关SQ4

I0.4
5号工位限位开关SQ5

I1.5
6号工位限位开关SQ6

I1.6
7号工位限位开关SQ7

I1.7
8号工位限位开关SQ8

4.2系统需要的元器件明细表
表4--2 元器件明细表
电气元器件明细表
符号
名称
型号
规格
件数
M
电动机
Y200L1-2
30kw 56.6A
1
QS
电源引入隔离开关
H22-60/3
60A
1
FU
熔断器
RL1-60
60A
1
FR
热继电器
JR16-60/3
60A
1
KM
交流接触器
CJ20-75A
220V
2
L1-L8
指示灯
AD56-22DS
220V
8
SB0-10
按钮
LA2
220V
10
SQ1-SQ8
限位开关
JLXK1
220V
8
PLC
可编程控制器
西门子S7-200
CPU226
1

4.3系统接线图设计
PLC型号的选择：由于该系统是在原来CPU226的基础上改进的设备，而现在共用了18个输入，用直流24V；10个输出，用交流电220V，所以我选择用S7-200系列CPU226。CPU226的主要的技术参数：输入24VDC，24点；输出220VAC，16点；电源电压为220V 50Hz。
4-3 系统接线图

4.4软件设计
4.4.1 系统流程图

开始
8个工作指示灯亮，可以呼车
是否有人呼车
8个工作指示灯灭，其他呼车无效
呼车位是否在高位
电机正传，台车向高位运动
电机反转，台车向低位运动
是否运动到呼车位
开始定时
是否定时30s

图4-4-1系统流程图

图4-4-2顺序功能图

4.4.2 系统顺序功能图
系统顺序功能图主要由过程动作、有向连线、转换条件组成[8]。
过程与动作：顺序控制设计法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个相连的阶段，这些阶段称为过程。过程是根据输出量的状态变化来划分的，在任何一个过程之内，各输出量的ON/OFF状态不变。但是相邻两过程输出量的状态是不同的。过程的这种划分使代表各过程的编程元件的状态与各输出量之间的逻辑关系极为简单。
有向连线：在顺序功能图中，随着时间的推移和转换条件的实现，进展按有向连线规定的路线和方向进行，在画顺序功能图时，将代表各过程的方框按它们成为活动过程的先后次序顺序排列，并用有向连线将它们连接起来。
转换添加：使系统由当前过程进入下一过程的信号称为转换条件，顺序控制
设计法用转换条件控制代表各过程的编程元件。

4.4.3系统梯形图
按下启动按钮I0.0后主程序网络1 的M0.0导通并自锁，呼叫指示灯亮，此时可以通过呼叫按钮多对台车进行呼叫。网络2和网络3一直调用子程序SBR_0和SBR_1。网络4和网络5的主要功能是在有呼叫信号M0.1时，调用子程序SBR_2，同时屏蔽呼叫允许信号，关闭呼叫指示灯。正是因为在有呼叫信号M0.1时，调用子程序SBR_2，使得停电再来电时，电机不会自行启动。M0.1时调用子程序SBR_0的主要作用是检测小车位置；子程序SBR_1的主要作用是检测呼叫信号；子程序SBR_2的主要作用是在有呼叫信号时，对呼叫信号做出反应[9]。
主程序：一直调用子程序SBR_0和SBR_1，条件调用SBR_2，并控制呼叫指示灯。
I0.0
M0.0
M0.0
主程序注释：台车呼叫控制
网络1 PLC上电
PLC通断电
网络2
调用子程序SBR_0:
SBR_0
EN
SM0.0
网络3
调用子程序SBR_1
SBR_1
EN
SM0.0
I0.1
网络4
调用子程序SBR_2
SBR_2
EN
M0.1

网络5
通过8个指示灯的灯亮与灯灭来判断呼叫控制按钮是否可用：
M0.0
M0.1
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.2
Q0.3
Q0.2
Q0.4
Q0.2
Q0.5
Q0.2
Q0.6
Q0.2
Q0.7
Q0.2
T37
R
1

一、设计目的作用 3
二、设计要求 3
2.1控制要求 3
2.2运料小车在自动化生产线上运动的控制要求如下： 3
三、设计的具体实现 4
3.1系统概述 4
3.2控制系统在运输小车中的作用与地位 4
3.3运输小车系统方案的选择 5
3.3.1 小车方案分析 5
3.3.2可编程控制器 PLC的优点 5
3.4运料小车控制系统的方案论证 6
3.4.1运料小车的运动流程 6
3.4.2方案论证 7
3.4.3 PLC的选型 8
3.4.4 S7-200 CPU 226简介 8
四、系统设计 8
4.1系统变量定义及分配表 8
4.2系统需要的元器件明细表 9
4.3系统接线图设计 10
4.4软件设计 11
4.4.1 系统流程图 11
4.4.2 系统顺序功能图 12
4.4.3系统梯形图 13
4.4.4系统语句表 20
五、 单元电路设计与分析 24
5.1、系统仿真结果如下 24
六、总结 26
七、附录 28
八、参考文献 29

子程序SBR_0:台车当前位置数据采集，将台车在行程开关采集的位置信号传送到指定内存区域VB0

子程序SBR_1:收集按钮信号，将按下按钮的位置号传送到指定内存区域，并形成呼叫控制信号M0.1

网络9
判断是否有呼叫按钮按下：

子程序SBR_2：比较小车位置号与呼叫位置号，根据比较结果，控制小车左行右行和定时
子程序注释：VBO与VB1中数据进行比较判断小车的运行方向及是否到达呼叫位置
网络1
判断台车是否到达呼叫位置，到达后T37开始计数且计数到30S后将复位：
VB0
= =B
VB1
IN TON

PT 100ms
300

网络2
反向向低位运行：
VB0
>B
VB1
VB0
<B
VB1
网络3
正向向高位运行：
Q1.0

Q1.1

VBO与VB1中数据进行比较判断小车的运行方向及是否到达呼叫位置
4.4.4系统语句表
主程序注释：台车呼叫控制
网络1 // PLC上电
PLC通断电
LD I0.0
O M0.0
AN I0.1
= M0.0
网络2
LD SM0.0
CALL SBR0
符号 地址 注释
SBR-0 SBR0 子程序注释：台车当前数据采集
网络3
LD SM0.0
CALL SBR1
符号 地址 注释
SBR-1 SBR1 子程序注释：台车当前数据采集
网络4
LD M0.1
CALL SBR2
符号 地址 注释
SBR-2 SBR2 子程序注释：VB0与VB1中数据进行比较判断小车的运动方向及是否达到呼叫位置
网络5
通过8个指示灯的灯亮与灯灭来判断呼叫控制按钮是否可用
LD M0.0
AN M0.1
= Q0.0
= Q0.1
= Q0.2
= Q0.3
= Q0.4
= Q0.5
= Q0.6
= Q0.7
R T37, 1
SBR-0：
子程序注释：台车当前位置数据采集
网络 1
LD I1.0
MOVB 1, VB0
网络2
LD I1.1
MOVB 2, VB0
网络3
LD I1.2
MOVB 3, VB0
网络4
LD I1.3
MOVB 4, VB0
网络5
LD I1.4
MOVB 5, VB0
网络6
LD I1.5
MOVB 6, VB0
网络7
LD I1.6
MOVB 7, VB0
网络8
LD I1.7
MOVB 8, VB0
SBR-1
子程序注释：台车呼叫位置数据采集
网络1
LD I2.0
AN M0.1
MOVB 1, VB1
网络2
LD I2.1
AN M0.1
MOVB 2, VB1
网络3
LD I2.2
AN M0.1
MOVB 3, VB1
网络4
LD I2.3
AN M0.1
MOVB 4, VB1
网络5
LD I2.4
AN M0.1
MOVB 5, VB1
网络6
LD I2.5
AN M0.1
MOVB 6, VB1
网络7
LD I2.6
AN M0.1
MOVB 7, VB1
网络8
LD I2.7
AN M0.1
MOVB 8, VB1
网络9
LD I2.0
O I2.1
O I2.2
O I2.3
O I2.4
O I2.5
O I2.6
O I2.7
O M0.1
AN T37
= M0.1
SBR-2
子程序注释：VBO与VB1中数据进行比较判断小车的运行方向及是否到达呼叫位置
网络 1 网络标题
判断台车是否到达呼叫位置，到达后T37开始计数且计数到30S后将复位
LDB= VB0, VB1
TON T37, 300
网络2
LDB> VB0, VB1
= Q1.1
网络3
LDB< VB0, VB1
= Q1.0

向永松总结：设计过程中，系统地巩固了自己在整个大学阶段所学的专业课知识，在绘制相关图纸的过程中，有进一步加强了自己的AutoCAD 绘图能力以及对整个仿真的学习。可以说，本次设计给自己学习的知识增添了不少。在本次课程设计中我主要是弄了电气元器件明细表以及报告的排版整理。本次设计取得的成果团队合作少不了，大家齐心合力才是最重要的。我们还很清楚地知道，我们自己要不断地完善和改进。所有的这些都需要我们在以后的工作和学习中不断地获得，使自己能更上一层楼。
杨奕宸总结：本次实验是在小组成员积极配合，互相帮助下完成的。期间遇到的各种不同的问题都通过询问同学和查询资料来解决。我的主要任务是根据设计方案选择电气元件，编制顺序功能图以及绘制电控箱电气板元件布置图。通过这次的课程设计让我瑞PLC有了更深入和直观的了解，虽然还有很多不懂的地方，但我相信在晕倒这类问题时会有更多的经验和方法去完成。
张野总结：我做了PLC接线图以及系统流程图，从作图方面我发现了自己理论知识方面的欠缺，不能很好快速的将题目所要求的实物对照画出相应的接口与接线。
相信下次做的话一定会很快的完成作图类的要求，提高整体团队效率。
曾志鹏总结：我在本次课程设计中做了程序编写，系统仿真，设计报告编写和后续工作。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

七、附录
控制柜内和柜门上的电器元件布置图。
图7电器元件布置图

八、参考文献
参考文献的格式如下：
1、吴晓君 同志学编著《电气控制课程设计指导》 中国建材工业出版社
2、吕厚余 邓力主编 《工业电气控制技术》 科学出版社
3、吴明亮 蔡文忠主编 《可编程控制器实训教程》 化学工业出版社
4、贾德胜编 《PLC编程及应用》 机械工业出版社
5、苏保明编《低压电器选用手册》 机械工业出版社
6、西门子公司《S7-200系统手册》
7、施耐德公司低压电器手册
8、西门子公司低压电器手册

29