运料小车的PLC自动控制

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1、1 PLC的结构、工作原理及系统设计1.1 PLC 的结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机 相同。根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（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。其 基本结构框图如图 1-1所示。图 1-1 整体式结构模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（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

2、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, 基本结构框图如图 1-2所示。$户壬口沖 编程器其他PLC或上位机现场设备电源 模块CPU模块通信 模块输入 模块输出 模块特殊 功能 模块机架图 1-2 模块式结构1.2 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

3、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。输 入 阶 段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 1-3 所示。程 序 执 行 阶 段图 1-3 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，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状

4、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。1.3 PLC 的编程语言可编程控制器的编程语言主要有梯形图语言、助记符语言及功能块图。1.3.1 梯形图语言梯形图语言是在继电器控制电路图的基础上发展而来的。最大的优点就是直 观易懂，使用简

5、单方便。对来自电气方面的用语，通过梯形图很容易就能掌握， 同时它也是PLC的主要编程语言。例如，一个简单PLC控制系统，当常开按钮 SBFl动作时，水泵开启，当常闭按钮SBSl动作时，水泵停止运行。用继电器控 制和用PLC控制的梯形图如图1-4和图1-5所示。SB1SB2KM1图 1-4 继电气控制电路X0X1Y04 1/IOY0图1-5 PLC控制梯形图1.3.2 助记符语言助记符语言与汇编语言类似，它使用字符来代表可编程控制器的某种操作， 这就要求用户要有一定的计算机编程基础。用助记符语言编写上一个例子的程序 如下：LDX0ORY0ANIX1OUTY01.4 PLC控制系统的构成、设计原则

6、及步骤PLC 控制系统由硬件部分和软件部分组成。对于整个PLC控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC 机型、存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模 块和特殊功能模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接 口，如输入设备(控制按钮、开关、传感器等)、执行装置(接触器、继电器等) 和由执行装置控制的现场设备(水泵、鼓风机、阀门等)。软件部分主要包括对 PLC 进行 I/O 点地址、内部继电器、定时器、计数器 等的分配， PLC 控制程序的设计(梯形图、语句表、流程图等)，还有一些技术 文件等。PLC 控制系统是为工艺流程服务的，所以它首

7、先要能很好地实现工艺提出的 控制要求。PLC控制系统的设计应遵循以下原则。(1) 根据工艺流程进行设计，力求控制系统能最大限度地满足控制要求。(2) 在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用。(3) 考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑PLC的可扩 展性。(3) 控制系统使用和维护方便、安全可靠。一般PLC控制系统的设计步骤如图1-6所示，具体操作如下。(1) 控制要求分析在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制 对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控 制系统。( 2)确定输入/输出设备根据控

8、制要求选择合适的输入设备(控制按钮、开关、传感器等)和输出设 备(接触器、继电器等)，根据所选用的输入/输出设备的类型和数量确定 PLC 的 I/0 点数。(3) 选择合适 PLC确定PLC的I/O点数后，就根据I/O点数、控制要求等来进行PLC的选择。 选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。(4) I/O 点数分配点数分配就是规定PLC的I/O端子和输入/输出设备。（5）PLC 程序设计 首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。（6）模拟调试 程序编制好后，可以用按钮和开关

9、模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。（7）现场联机调试现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存 在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。（8）整理技术文件这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、 程序清单和使用说明书等。1.5 PLC 的应用领域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，同时日常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而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生 产场合。目前，PLC在国内外已广

10、泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机 械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分 为如下几类:(1) 开关量逻辑控制取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台 设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合 机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2) 工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程 序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一 种调节方法。过程控制在冶金、化

11、工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应 用。(3) 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块， 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、 机床、机器人、电梯等场合。(4) 数据处理PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转 换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理 一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5) 通信及联网PLC通信包括PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化 网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编

12、程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬 件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。1.6 PLC的特点PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的：1）功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；2）应用灵活， 其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它 不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更 较多的场合；3）操作方便，维修容易，稳定可靠。尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶 劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几 万小时。2 运料小车介绍2.1 运料

13、小车介绍与控制要求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。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2-1是一个运料小车工作示图。系统的设计要求为：小车由电机驱动，可 在A、B两地分别启动，A地启动后，小车先返回限位开关ST 1处，停车20s装料； 然后自动驶往B点，到达限位开关ST2处后停车，底门电磁铁动作，卸料30s，然 后返回A点，停车20s装料，如此反复。3运料小车控制系统的方案论证3.1 运料小车控制系统的控制内容与要求3.1.1 运料小车的控制系统主回路运料小车

14、由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转图 3-1 三相异步电动机正反转电路图在生产线上装料点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，两个启动按钮。3.1.2 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）可在A、B两地分别启动（3）A地启动后，小车先返回限位开关ST 1处，停车20s装料（4）然后自动驶往B点，到达限位开关ST2处后停车，底门电磁铁动作，卸 料30s（5）然后返回A点，停车20s装料，如此反复。3.1.3 运料小车控制系统控制回路根据3.1

15、.2设备控制的要求，运料小车控制系统的控制回路如图 3-2：图 3-2 运料小车控制回路3.2 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，

16、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 3-3所示：图 3-3 运料小车控制系统图运料小车控制流程图如 3-4：4 运料小车控制系统总体设计4.1 PLC 的选用根据运料小车输入输出设备的分配，在I/O方面只需要6个输入口和3个输 出口，同时考虑适当的余量，选用FX2N-16MR的PLC即可。4.2 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

17、应的外部接线图 如 4-1 所示：图4-1运料小车PLC外部接线图4.3 I/O 分配这个控制系统的输入有2个启动按钮开关、停止按钮开关、2个行程开关、热继电器共6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。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，另外还有一个输出控制卸料电磁铁开关，所以输出点应该有3 个。对应的地址分配表如表 4-2 所示：输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号总停按钮SB1X000正转接触器KM1Y000正转启动按钮SB2X001反转接触器KM2Y001反转启动按钮SB3X002卸料电磁铁KM3Y002行程开关ST

18、1X003行程开关ST2X004热继电器KRX005表 4-2 PLC I/O 分配4.4 PLC 状态流程根据运料小车运动控制的要求，按下启动按钮SB1后，运料小车系统开始 工作，碰到装料点A的行程开关并开始进行装料，20S装料结束后小车自动右行。 碰到卸料点B的行程开关后停车并卸料，30S后卸料完毕小车左行，碰到装料点 A 的行程开关时，小车停止并装料，如此反复。在整个过程中，可按下总停按钮 来停止小车的运动。4.5 运料小车控制系统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如图 4-3K200YOOHdHD图 4-3 运料小车控制系统梯形图4.6 运料小车控制系统语句表根据图

19、 4-3 梯形图 写出与之相对应的语句表如下：0LDX0011ORY0002ORT13ANIX0004ANIM15ANIX0036ANIY0017OUTY0008LDIX0009ANDX00310OUTT011LDX00212ORY00113ORT014ANIX00015ANIM116ANIX00417ANIY00018OUTY00119LDIX00020ANDX00421OUTT122OUTY00223LDIX00024ANDX00525OUTM126ENDK200K3005 设计小结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

20、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。

21、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。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

22、。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

23、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。参考文献1 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：5759.2 齐占庆.机床电气控制技术第四版M.机械工业出版社.2010年.3 何友华.可编程控制器及常用控制电路M.冶金工业出版社.2008年.4 熊幸明.工厂电气控制技术.清华大学出版社M. 2005年.5 胡学林.可编程控制器应用技术M.高等教育出版社.2003年.6 刘柏生.PLC编程实用指南M.机械工业出版社.2007年.附录1.运料小车电气控制回路如图：2.电器元件信息表：名称代号功能数量开关Q接通、切断电路1熔断器FU1电路保护1按钮SB1总停按钮1按钮SB2、 SB3启动按钮2时间继电器KT1、 KT2定时作用2接触器KM1电机正转1接触器KM2电机反转1行程开关STI、 ST2小车位置判定2电磁铁KM3卸料开关1热继电器KR电路保护1