基于PLC的运料小车的控制系统设计.doc

 电气自动化技术专业毕业设计

设计课题：基于PLC的运料小车控制系统设计

学生姓名： 陈博
学 号： 0220110201
指导老师： 吴丽丽
专 业： 电气自动化技术
年 级： 11级

2014年6月3日

第 19 页 共 22 页
浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书

摘要：随着科学技术的日新月异，对自动化程度要求越来越高，原有的生产线已不能满足要求。在工业生产中运料是一个非常重要的环节，但是其岗位对人体伤害较大或者是劳动负荷较大。所以运料小车在工业生产中发挥了重要作用，为企业节省了人力、物力等，节约了生产成本提高了经济效益。但是，相比传统接触器、继电器控制的运料小车电气控制线路比较复杂，不容易检修及维护。基于PLC的自动运料小车控制系统可以解决上述问题，因此对它的设计具有了现实可能性。

关键词：可编程控制器；三相异步电动机；运料小车

目 录
引言 1
1运料小车需求分析 2
2运料小车控制系统的方案论证 4
2.1运料小车控制系统的控制内容与要求 4
2.1.1运料小车的运动流程 4
2.2 方案论证 4
3运料小车控制系统的硬件配置 6
4运料小车控制系统的软件设计 8
4.1PLC I/O分配表 8
5程序的运行调试与仿真 13
6设计小结 14
6.1小车的优缺点分析 14
6.2设计的改进及推广 14
总 结 15
致谢 16
参考文献 17
附 录 一 18

引言
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。
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。
毫无疑问，PLC将在今后的工业生产中起到非常重要的作用。在20世纪80年代，美国的工业市场调查报告和1989年美国的一份分散控制系统（DCS）的调研报告中，都能看出PLC在工业控制中的重要作用。

1运料小车需求分析
运料小车专门用于粒料、粉料、片状料、带状材料等产品的输送。在各行业应用都十分广泛。当今社会，越来越多的厂家采用机械化输送，这种方式 代替人力劳动将成为必然，其具有较高的精确度，而且省时，省力还大大减少了劳动强度，降低劳动成本节约人力资源。真正的做到了低成本，高回报。在今飞速发展的年代这种自动化产品会受到越来越多行业的青睐与喜欢。
制造业是现代经济发展中占有关键地位，它的发展状况主导着经济发展的前景，但是，在我国，大部分乡镇企业、私营企业，由于受资金管理等方面的限制，一般来说，送料绝大多数是采用人工手动送料，严重缺乏保护装置，这造成“效率低，劳动强度大，事故发生率大”等特点。
随着信息科技迅猛、市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，近年来，由于PLC控制技术的发展，送料机构自动化水平也需越来越高。提高自动化的水平不仅可以提高生产效率，同时也能保证工人的人身安全。传统的手工送料已经不再满足要求，这时运料小车应运而生。运料小车专门用于粒料、粉料、片状料、带状等材料的输送，这无疑是轻、重工行业不可缺少的设备。
从世界第一台PLC被设计出来到现在，PLC历经几次更新换代，各方面的性能得到了很大完善，技术已经完全成熟。其中运料小车控制系统随着PLC的发展过程经历一下几个发展阶段:
①手动控制：上世界六十年代末七十年代初，是PLC发展的早期阶段，那个时候便有一些工业过程运用了PLC控制系统控制运料小车，但是由于那是技术并不成熟，只能采用人工手动控制机器，初期的运料小车控制系统多采用继电器和接触器组成的复杂控制系统，这种系统不仅体积庞大，系统稳定性也不高，故障率高，也没有通信模块，操作控制极为不便，控制效果也不佳。
②自动控制：至上世纪八十年代，电子科学技术飞速发展，计算机的成本及价格变得越来越低，这种情况下，很多大型企业开始采用PC机与PLC通信控制方式，这种控制方式在控制方面更加灵活。
③全自动控制：本世纪开始科技迅猛发展，电子计算机的更新周期越来越短，电子设备的向着高性能，低成本发展。运用今天高性能PLC控制运料小车可以实现完全自动化，并且能满足工业过程的各种要求，另外在设备维护也极为方便，维护成本大大降低。
随着科学技术的发展，自动化的实现水平在国民经济的发展中起着越来越重要的作用，尤其是对机械行业的生产效率、制造精度、以及可靠性和安全性提出了更高的要求。对于自动运料装置，目前的企业中多采用以下几种运料方式：
①机械手加穿梭小车式自动化输送方案：该自动化输送系统也是自动冲压生产线中最常用的系统，它主要是由自动上料，和取料机械手以及穿梭下车组成。目前冲压车间里由不同厂商提供的各式自动化输送系统的都是基于该机构和原理进行设计制造的。一个取料机械手，带有中置并按工件形状排部的真空吸盘式端拾器：负责将工件从上一压机取出安放在穿梭下车上。一个穿梭小车：它负责将工件由取料机械手的放置位置移送到上料机械手的取料位置。一个带有中置端拾器的上料机械手：负责将工件由穿梭下车拾起送入到下一台压机。采用此种输送方案工件将通过机械手简单的“拾取和“摆放”动作由前一台压机输送到下一台轧机，其穿梭下车的主要功用是通过它的穿梭运动缩短取料和上料机械手的输送行程，从而提高整线的生产效率。其是优点可使用于多数大中小型企业。缺点是装置较复杂，物料的运送步骤繁多，增加了加工时间，操作不便。
②运用机械手进行送料方式：机械手与小车相连，然后通过钢索与滑块相连，滑块再连接重物，重物的上升和下降控制着小车的前进与后退。保证了操作人的安全，同时提高了生产效率。优点是可以进行连续生产，缺点是全部操作都需机械手，导致机械结构过多，机械故障多。
③新型的多机连线自动搬运送料：这种方案是由四台开式双电2500KN压力机驱动，生产线绝大多数零部件都已国产化，其送料精度及生产效率达到国外生产线的同等水平，成本较国外生产线低廉，占用空间少。优点是工作稳定高，步进电机控制，精度高，布矩一样大，消耗功耗低，所需电压也低。
④气缸传动，生产效率以及送料准确性都比较低，无法满足具体的生产需要，已经面临淘汰。
综上所述，本着保障人身安全、提高生产效率、节约资金的科学人性化管理的方针下对运料小车进行自动化设计。此设计中运料小车控制系统是采用以PLC为核心的自动控制技术来实现的，这不仅大大提高了工作的效率，使整个过程安全可靠。

2运料小车控制系统的方案论证
2.1运料小车控制系统的控制内容与要求
2.1.1运料小车的运动流程
某自动生产线上运料小车的运动如图2.1所示：
运料小车
自动化生产线
运料小车
1号站

_____

2号站
4号站
3号站
5号站
图2.1运料小车示意图
在生产线上有5个编号为l～5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4个呼叫按钮开关(SK2～SK5）分别与4个停靠站点相对应。
2.1.2设备控制要求
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，系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作；
②按下启动按钮后，小车在1号站停20S装料，结束后若有呼叫按钮按下，小车右行，到达呼叫按钮对应的停靠站时小车停止并卸料，15S后卸料完毕小车右行，到达装料停靠点时小车停止。
③呼叫按钮开关SK2～SK5应具有互锁功能，先按下者优先。
2.2 方案论证
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I C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2.3所示：

停止按钮
5个行程按钮
4个呼叫按钮

三相异步电动机
启动按钮

P
L
C

图2.3运料小车控制系统图、

3运料小车控制系统的硬件配置
3.1小车的硬件选择
小车采用的是载重量1吨的小车，实用性高，运输量大。
3.2电机的选择
运料小车由一台三相异步电动机拖动，与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。所以本小车采用三相异步电动机电机正转，小车向右行，电机反转，小车向左行。电机采用Y100L-2。电动机正反转图如图2.2所示：

图2.2三项异步电动机正反转主电路图
3.3 PLC的选择
西门子小型机有S7-200：处理速度0.8~1.2ms ；存贮器2k ；数字量248点；模拟量35路 。CPU采用CPU 226。S7-200系列出色表现在以下几个方面：
①极高的可靠性。
②极丰富的指令集。
③易于掌握。
④便捷的操作。
⑤丰富的内置集成功能。
⑥实时特性。
⑦强劲的通讯能力。
⑧丰富的扩展模块。
3.4行程开关
采用常规行程开关中LX19系列中的LX19-001/111，该产品有结构简单、功能实用、价格低廉，能降低成本的优势深受广大使用者的青睐。

4运料小车控制系统的软件设计
4.1PLC I/O分配表
这个控制系统的输入有启动按钮开关、停止按钮开关、4个呼叫按钮开关、5个行程开关共11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一个。但是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，所以输出点应该有2个。对应的地址分配表如表4.1所示：

地址

对应的外部设备
I0.0
启动按钮开关
I0.1
停止按钮开关
I0.2
2号站点呼叫按钮开关
I0.3
3号站点呼叫按钮开关
I0.4
4号站点呼叫按钮开关
I0.5
5号站点呼叫按钮开关
I1.1
1号站点行程开关
I1.2
2号站点行程开关
I1.3
3号站点行程开关
I1.4
4号站点行程开关
I1.5
5号站点行程开关
Q0.0
电动机正转（左行）
Q0.1
电动机反转（右行）

表4.1地址分配表
4.2外围连接图
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4.2所示：

图4.2PLC外部接线图
4.3 PLC程序流程图
根据运料小车运动控制的要求， 按下启动按钮I0.0后，运料小车系统开始工作，并开始进行装料，20S装料结束后若有呼叫按钮按下，小车右行。碰到呼叫按钮对应的行程开关后下车停止并卸料，15S后卸料完毕小车左行，碰到装料点的行程开关时，小车停止并装料。根据整个运动过程，工作期间分为8步，分别用M0.1,M0.2,M0.3,M0.4,M0.5,M0.6,M0.7,M0.8来代表这8步，用M0.0来代表等待启动的初始步。启动按钮I0.0,停止按钮I0.1的常开触点，呼叫按钮的常开触点，行程开关的常开触点，定时器延时接通的常开触点是各步之间的转换条件。顺序功能图如4.3所示：

图4.3程序流程图
4.4系统梯形图

根据系统顺序功能图画出运料小车控制系统的梯形图如下图所示：

5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224后装载程序。检查程序无误后将仿真软件切换到运行状态。按下输入继电器I0.0所对应的按钮，I0.0所对应的指示灯亮，计时器T37开始计时，20S后按下输入继电器I0.2所对应的按钮，I0.2所对应的指示灯亮，输出继电器Q0.0对应的指示灯也同时亮。按下输入继电器I1.2所对应的按钮，I1.2所对应的指示灯亮，，计时器T38开始计时，输出继电器Q0.0对应指示灯同时也熄灭。15S后输出继电器Q0.1所对应的指示灯亮，按下输入继电器I0.1或I1.1所对应的按钮，I0.1或I1.1所对应的指示灯亮，输出继电器Q0.1所对应的指示灯灭。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5.1所示：

图5.1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。

6设计小结
6.1小车的优缺点分析
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呼叫停靠点的时候，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。
6.2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。

6.3 常见故障及排除方法

基于我实习多月来，对抛丸机常见电气故障方面的了解。知道了运料小车可能出现的常见故障。
（1） 行程开关的损坏及撞击变形。优点是可以选用接近开关代替行程开关
（2） PLC的输入 输出口接触不良。
（3） 电器柜内热保护器出现过载现象。
（4） 控制回路的线路故障。

总 结

毕业设计是在教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。通过毕业设计，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。

致谢
一路走来，两年多的职院的生活，弹指之间，时光飞逝。
带着和梦想一样多的依恋，就要离开广厦，离开熟悉的学校、老师、同学和朋友。在这里，有过欢笑有过痛苦，有过快乐也有过伤心，所有的都会成为我记忆中的曳影，但将终生不能忘怀，一切的一切，都是心灵的归宿。
感谢指导过我的吴丽丽老师。在老师们的指导和帮助下，让我顺利的完成了毕业论文的制作。
感谢室友们在我制作论文的过程提供的无微不至的帮助。
在大学生活即将结束的时候，我相信自己是幸运的，我相信自己会过得更好，也相信老师们、同学们会过的更好。我坚信我们每个人曾经的努力都会得到回报。
最后，再一次感谢含辛茹苦把养我的父母，我的老师，我的同学。祝你们生活幸福。

参考文献

（1） 贺哲荣. 流行PLC实用程序及设计[M]. 西安电子科技大学出版社,2006年.
（2） 胡学林. 可编程控制器应用技术[M]. 高等教育出版社, 2003年.
（3） 洪志育. 例说PLC[M]. 人民邮电出版社,2006年.
（4） 求是科技. PLC应用开发技术与工程实践[J]. 人民邮电出版社,2005年.
（5） 刘柏生. PLC编程实用指南[M]. 机械工业出版社.,2007年.
（6） 贾德生. PLC应用开发实用子程序[M]. 人民邮电出版社, 2006年.
（7） 廖常初.PLC应用技术问答[M]. 机械工业出版社,2006年.
（8） 郑凤翼.图解PLC控制系统梯形图和语句表[M]. 人民邮电出版社,2006年.
（9） 戴冠秀.PLC在运料小车自动控制系统中的应用[J]. 工矿自动化. 2005年,6期:57～59.

附 录 一

运料小车系统对应的指令程序如下：
Network1
LD M1.0
A I0.1
O SM0.1
O M0.0
AN M0.1
= M0.0
Network2
LD M0.0
A I0.0
LD M0.0
A I1.1
OLD
O M0.1
AN M0.2
= M0.1
TON T37,200
Network3
LD M0.1
A T37
O M0.2
AN M0.3
AN M0.4
AN M0.5
AN M0.6
= M0.2
Network4
LD M0.1
A I0.1
O M0.3
AN M0.7
= M0.3
Network5
LD M0.2
A I0.3
O M0.4
AN M0.7
= M0.4
Network6
LD M0.2
A I0.4
O M0.5
AN M0.7
= M0.5
Network7
LD M0.2
A I0.5
O M0.6
AN M0.7
= M0.6
Network8
LD M0.3
A I1.2
LD M0.4
A I1.3
OLD
LD M0.5
A I1.4
OLD
LD M0.6
A I1.5
OLD
O M0.7
AN M1.0
= M0.7
TON T38,150
Network9
LD M0.7
A T38
O M1.0
AN M0.0
AN M0.1
= M1.0
= Q0.1
Network10
LD M0.3
O M0.4
O M0.5
O M0.6
= Q0.0