基于PLC控制的运料小车设计

常州机电职业技术学院 毕业设计（论文） 作 者： 学 号： 系 部： 专 业： 题 目： 基于 PLC 控制的运料小车设计 指导者： XXX 评阅者： 2012 年 5 月 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 可编程序控制器（Programmable controller）简称 PLC，由于 PLC 的可靠 性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单，所以 PLC 的应用领域在 迅速扩大。对早期的 PLC，凡是有继电器的地方，都可采用。而对当今的 PLC 几 乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要 PLC。尤其是近几年来，PLC 的成 本下降，功能又不段增强，所以，目前 PLC 在国内外已被广泛应用于各个行业。 本设计是为了实现运料小车的手动和自动化的转化，改变以往小车的单纯手 动运料，减少了劳动力，提高了生产效率，实现了自动化生产！而且本运料小车 的设计是由于工作环境恶劣，不允许人进入工作环境的情况下孕育而成的。 本文从第一二章运料小车的系统方案的确定为切入点，介绍了为什么选用 PLC 控制小车；第三章介绍了运料小车的应达到的控制要求；第四章根据控制要 求进行了小车系统的具体设计，包括端子接线图、梯形图(分段设计说明和系统 总梯形图)和程序指令设计；最后得出结论。 关键词： PLC，运料小车，控制，程序设计 目录 引 言 .1 第 1 章 可编程控制器（PLC）概况 .2 1.1 PLC 的定义 .2 1.2 PLC 的发展 .2 1.3 PLC 的特点 .3 1.4 PLC 的基本组成及各部分作用 .3 1.5 PLC 的应用领域 .6 第 2 章 控制系统介绍和控制过程要求 .8 2.1 控制系统的作用与地位 .8 2.2 控制系统介绍 .8 第 3 章 运料小车系统方案的选择 .10 3.1 可编程控制器 PLC 的优点 .10 3.2 小车运料系统方案的选择 .11 第 4 章 硬件介绍 .12 第 5 章 基于 PLC 的运料小车接线图及梯形图 .14 5.1 运料小车 PLC 的 I/O 分配表 .14 5.2 PLC 端子接线图 .14 5.3 梯形图分段设计 .16 5.4 程序运行原理说明调试与完善 .20 5.5 系统总梯形图设计 .21 结论 .26 致谢 .27 参考文献 .28 引 言 随着社会迅速的发展，各机械产品层出不穷。控制系统的发展已经很成熟， 应用范围涉及各个领域，例如：机械、汽车制造、化工、交通、军事、民用等。 PLC 专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力 强。PLC 的应用不但大大地提高了电气控制系统的可靠性和抗干扰能力，而且 大大地简化和减少了维修维护的工作量。PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强、 编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等 特点 ，在机械制造、冶金等领域得到了广泛的应用。 运料小车控制系统采用了 PLC 控制。从运料小车的工艺流程来看，其控制 系统属于自动控制与手动控制相结合的系统，因此，此运料小车电气控制系统 设计具有手动和自动两种工作方式。我在程序设计上采用了模块化的设计方法， 这样就省去了工作方式程序之间复杂的联锁关系，从而在设计和修改任何一种 工作方式的程序时，不会对其它工作方式的程序造成影响，使得程序的设计、 修改和故障查找工作大为简化。 在设计该 PLC 运料小车设计程序的同时总结了以往 PLC 运料小车设计程序 的一般方法、步骤，并且把以前学过的基础课程融汇到本次设计当中来，更加 深入的了解了更多的 PLC 知识。 第 1章 可编程控制器（PLC）概况 1.1 PLC的定义 国际电工委员会(International Electrical Committee- IEC),1987年的 第三版对PLC作了如下的定义: 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。它采用可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行 逻辑运算、顺序运算、计时、计算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。 可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控 制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU(中央处理单元)存储器 (RAM和EPROM),输入/输出模块(简称为I/O模块)、编程器和电源五大部分组成。 近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它按照成熟而有效的继电 器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具 有特色的各种系列产品。 1.2 PLC的发展 1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公开 招标提出十项标准: (1)编程方便，现场可修改程序； (2)维修方便，采用模块化结构； (3)可靠性高于继电器控制装置； (4)体积小于继电器控制装置； (5)数据可直接送入管理计算机； (6)成本可与继电器控制装置竞争； (7)输入可以是交流115V； (8)输出为交流115V, 2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； (9)在扩展时，原系统只要很小变更； (10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K。 1969年，美国数字公司(DEC)研制出了第一台可编程序控制器，满足了GM公 司装配线的要求。这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、 通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。随着集 成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。 1.3 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。 1.4 PLC的基本组成及各部分作用 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 PLC 是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、 通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的 1/0 扩展单元与主机配合 使用。主机中，CPU 是 PLC 的核心，1/0 单元是连接 CPU 与现场设备之间的接口 电路，通信接口用于 PLC 与编程器和上位机等外部设备的连接。 组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、智能 1/0 单元、通信单元 等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的 总线相互联系。装有 CPU 单元的底板称为 CPU 底板，其它称为扩展底板。CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10m.无论哪种结构类型的 PLC，都可以根据需要进行配置与组合。 1.中央处理单元(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。 现代 PLC 使用的 CPU 主要有以下几种: (1)通用微处理器，如 8080, 8088, Z80A, 8085 等。通用微处理器的价格 便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。 (2)单片机，如 8051 等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充 性好，很适合在小型 PLC 上使用，也广泛地用于 PLC 的智能 UO 模块。 (3)位片式微处理器，如 AMD2900 系列等。位片式微处理器是独立于微型机 的另一分支。它主要追求运算速度快，它以 4 位为一片。用几个位片级联，可 以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指 令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并 行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户 需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的 PLC 使用。 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 得到的数字和数学运算的结果等。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. I/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中央处 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. 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 的中央处理器、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。 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，实现控制与管 理相结合的综合性控制。 7.编程器 编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。 编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需 要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二 级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编 程，也可以脱机编程，具有 LCD 或 CRL 图形显示功能，可以直接输入梯形图和 通过屏幕对话。还可以利用 PC 作为编程器，PLC 生产厂家配有相应的编程软件， 使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序 功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到 PLC，也可 以将 PLC 中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实 现远程编程和传送。现在很多 PLC 已不再提供编程器，而是提供微机编程软件 了，并且配有相应的通信连接电缆。 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。 第 2章 控制系统介绍和控制过程要求 2.1 控制系统的作用与地位 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。 运料小车是基于 PLC 控制系统来设计的，控制系统的每一步动作都直接作 用于运料小车的运行，因此，运料小车性能的好坏与控制系统性能的好坏有着 直接的关系。运料小车能否正常运行、工作效率的高低都与控制系统密不可分。 2.2 控制系统介绍 图 2-1 运料小车控制图 本控制系统主要是用于控制运料小车的自动运料。它既能减轻人的劳动强 推 车 机 两油缸推动 度又能自动准确到达人不能达到或很难到达的预定位置。(如图 2-1 运料小车控 制图） ，推车机可以沿轨道上下移动，到达预定位置。推车机上是一个小型泵站， 通过控制电磁阀换向，使两油缸伸出、缩回，顶出运料小车，再由各个仓位控 制要料。 用 PLC 对运料小车实现控制，其具体要求如下： (1) 运料小车 1 动作要求：运料小车负责向四个料仓运料，运料路上从左 向右共有 4 个料仓（位置开关 SQ1，SQ2，SQ3，SQ4）分别受 PLC 的 I0.0，I0.1，I0.2，I0.3 检测，当信号状态为 1 是，说明运料小车到达该位置。 小车行走受两个信号的驱动，Q0.4 驱动小车左行，Q0.5 驱动小车右行。料仓要 料由 4 个手动按钮（SB1，SB2，SB3，SB4）发出(对应于 PLC 为 I0.4，I0.5，I0.6，I0.7)按钮发出信号其相应指示灯就亮（HL1-HL4） ，指示灯 受 PLC 的 Q0.0-Q0.3 控制。 运料小车 2 动作要求：运料小车负责向四个料仓运料，运料路上从左向右 共有 4 个料仓（位置开关 SQ11，SQ12，SQ13，SQ14）分别受 PLC 的 I1.0，I1.1，I1.2，I1.3 检测，当信号状态为 1 是，说明运料小车到达该位置。 小车行走受两个信号的驱动，Q1.5 驱动小车左行，Q1.4 驱动小车右行。料仓要 料由 4 个手动按钮（SB11，SB12，SB13，SB14）发出(对应于 PLC 为 I1.4，I1.5，I1.6，I1.7)按钮发出信号其相应指示灯就亮（HL11-HL14） ，指示 灯受 PLC 的 Q1.0-Q1.3 控制。 (2)运料小车行走条件： 运料小车右行条件：小车在 1，2，3 号仓位，4 号仓要料；小车在 1，2 号 仓位，3 号仓要料；小车在 1 号仓位，2 号仓要料。 运料小车左行条件：小车在 4，3，2，0 号仓位，1 号仓要料；小车在 4，3，0 号仓位，2 号仓要料；小车在 4，0 号仓位，3 号仓要料；小车在 0 位， 4 号仓位要料。 运料小车停止条件：要料仓位与小车的车位相同时，应该是小车的停止条 件。 运料小车的互锁条件：小车右行时不允许左行启动，同样小车左行时也不 允许右行启动。 第 3章 运料小车系统方案的选择 3.1 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。 3.2 小车运料系统方案的选择 实现小车运料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。 而从上述第一节对 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料小车的控制。 因此，最终我选择了用可编程控制器 PLC 来实现运料小车系统的控制，完 成本次的设计题目。 第 4章 硬件介绍 图 4-1 为运料小车的模拟图 图 4-1 运料小车的模拟图 运料小车是工业运料的主要设备之一。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。 本系统的结构工作原理图如图 4-1，包括带导轨的运行工作台，DC24V 电机， 行程开关，起停按钮，Twido 可编程控制器，DC24V 继电器，DC12V 直流电源等。 图 4-1 是一个运料小车工作示意图，每个工作台设有一个到位开关(SQ)和一个 呼 叫按钮(SB)。系统的设计要求为： （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）当小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按钮的编码时，小车向右运行， 运行到呼叫按钮所对应的停靠站时停止； （3）当小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮的编码时，小车向左行， 运行到呼叫按钮 HJ 所对应的停靠站时停止； （4）当小车当前所处停靠站的编码等于呼叫按钮的编码时，小车保持不动； （5）呼叫按钮开关应具有互锁功能，先按下者优先。 图 4-2 为 PLC 输出的电压转换电路 图4-2中采用2个DC24V继电器和1个12V直流电源来实现直流电机的正反转， 2个继电器线圈直接接到可编程控制器的输出端。当继电器线圈1得电时继电 器1的触点由k1转换到k2，而继电器线圈2的触点状态不变，电流流向如I1所示， 驱使DCI2V电机按一定方向运转：当继电器线圈2得电时，继电器线圈I触点状态 不变，而继电器线圈2的触点由k3转换到k4，电流流向如I2所示驱使DC12V电 机按相反的方向运转。 图 4-2 PLC 输出的电压转换电路 第 5章 基于 PLC的运料小车接线图及梯形图 5.1 运料小车 PLC的 I/O 分配表 根据控制要求，PLC 控制运料小车的输入输出(I0)地址编排如下表所示， 其中 SB5 为启动开关，为 SB6 停止开关，SA6、SA7 为手动连续选择开关， SA1、SA2 为上下、左右转换开关，SA3、SA4、SA5 为油缸单动联动转换开关。 Q0.0-Q0.3 和 Q1.0-Q1.3 控制 8 个要料指示灯，Q0.4-Q0.5 和 Q1.4-Q1.5 控制小 车 1、2 左行右行，Q0.6-Q0.7 和 Q1.6-Q1.7。如表 5-1 所示： 输入点分配 输出点分配 输入接点 输入开关名称 输出接口 驱动设备 I0.0-I0.3 小车 1 行程开关(SQ1-SQ4) Q0.0-Q0.3 小车 1 要料指示灯(HL1-HL4) I0.4-I0.7 小车 1 控制按钮(SB1-SB4) Q0.4-Q0.5 小车 1 左右行线圈 I1.0-I1.3 小车 2 行程开关(SQ11-SQ14) Q0.6-Q0.7 油缸 1 伸出缩回线圈 I1.4-1.7 小车 2 控制按钮(SB11-SB14) Q1.0-Q1.0 小车 2 要料指示灯(HL11-HL14) I2.0-I2.5 推车机行程开关 (SQ5-SQ10) Q1.4-Q1.5 小车 2 左右行线圈 I2.6-I2.7 起动，停止按钮 (SB5，SB6) Q1.6-Q1.7 油缸 2 伸出缩回线圈 5-1 I/O 分配表 5.2 PLC端子接线图 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 31 个输入，用直流 24V；18 个输出，用交流电 220V，所以我选择用 S7-200 系列 CPU226，加一个 EM223 的扩展模块。CPU226 的主要的技术参数： 输入 24VDC，24 点；输出 220VAC，16 点；电源电压为 AC100240V 50/60Hz。 EM223 的主要技术参数：输入 24VDC，8 点；输出 220VAC，8 点；电源电压 为 AC100240V 50/60Hz。如图 5-2 所示： I3.0-I3.1 手动，连续转换开关(SA6，SA7) Q2.0-Q2.1 推车机上下行线圈 I3.2-I3.3 推车机上下，左右转换开关 (SA1，SA2) I3.4-I3.6 油缸单动联动转换开关(SA3-SA5) 图 5-2 端子接线图 5.3 梯形图分段设计 本次设计的自动运料小车梯形图，是分开来画的。由总程序结构图、自动 操作程序图、手动操作程序图、小车 1 左右自动运料运行程序图、小车 2 左右 自动运料运行程序图组成。 图 5-3 总系统结构图 （1）程序的总结构图如图 5-3 所示：因为在手动操作方式下，各种动作都 是用按钮控制来实现的，其程序可独立于自动操作程序而另行设计。因此，总 程序可分为两段独立的部分：手动操作程序和自动操作程序。当选择手动操作 ( )M10 ( )M9 ( )M10 ( )M9 时，则输入点 I3.0 接通，其常闭触点断开，执行手动程序，并由于 I3.1 的常 闭触点为闭合，则跳过自动程序。若选择自动操作方式，将跳过手动程序段而 执行自动程序。 （2）自动程序设计，自动操作控制主要是由行程开关来控制推车机的上行、 下行，两缸的伸出、缩回。通过行程开关的上限、下限、左限、右限准确的控 制推车机到达预定位置。自动程序时，手动自动转换开关拨到连续档 SA7，按 下启动按钮 SB6，推车机上行，碰到上位行车开关 SQ6，上行停止；同时两个油 缸动作，推动两小车向左移动，小车 1、2 碰到左位行程开关 SQ10、SQ5，说明 两小车到位，这时各个仓位可向小车要料；而且两油缸缩回，碰到行程右位开 关 SQ8、SQ9 停止收缩，推车机下行到行程开关位 SQ7 时停止。如图 5-4 所示： 图 5-4 自动操作程序图 （3）手动操作程序的设计，手动操作控制简单，可按照一般继电器控制系 统的逻辑设计法来设计。手动程序时，手动自动转换开关拨到手动档 SA6，上 下、左右转换开关拨到上/下行档时，按启动按钮 SB5 推车机上行，按停止按钮 SB6 推车机下行；上下、左右转换开关拨到左/右档时，拨动单动联动转换开关 SA3（缸 1 动作） ，按启动按钮 SB5，缸 1 伸出推动小车 1 左行；按停止按钮 SB6，缸 1 缩回；拨动转换开关到 SA5（缸 2 动作） ，按启动按钮 SB5，缸 2 伸出 推动小车 2 左行，按停止按钮 SB6，缸 2 缩回；拨动单动联动转换开关到 SA4（两缸同时动作）按启动按钮 SB5，两缸伸出推动两小车左行；按停止按钮 SB6，两缸缩回。如图 5-5 所示： 图 5-5 手动操作程序图 （4）小车 1 自动运料运行程序，把小车 1 送到指定位置后，四个仓位就可 以向小车要料了，M0.0-M0.3 分别代表小车 1 的 1 号料仓到 4 号料仓的要料状 态，运料小车 1 当前所处位置由 I0.0-I0.3，运料小车 1 的右行，左行，停止 控制由 Q0.4、Q0.5。小车到位后，用上微分操作（P）来清除料仓要料状态信 号及控制小车停车。 （上微分操作的注意事项，上微分脉冲只存在在一个扫描周 期，接受这一脉冲控制的元件应写在这一脉冲出现的语句之后） 。小车 1 自动运 料图如下图 5-6 所示： 图 5-6 小车 1 左右自动运料运行程序图 （5）小车 2 自动运料运行程序，把小车 2 送到指定位置后，四个仓位就可 以向小车要料了，M1.0-M1.3 分别代表小车 2 的 1 号料仓到 4 号料仓的要料状 态。运料小车 2 当前所处位置由 I1.0-I1.3，运料小车 2 的右行，左行，停止 控制由 Q1.4、Q1.5。小车到位后，用上微分操作（P）来清除料仓要料状态信 号及控制小车停车。 小车 2 自动运料图 5-7 所示： 图 5-7 小车 2 左右自动运料运行程序图 5.4 程序运行原理说明调试与完善 本程序是用梯形图所写的。在运行前，先选择工作方式，手动/自动。选择 手动 SA6 时，把上/下、左/右转换开关旋转到上/下档 SA1，按下 SB5 起动点动 按钮，推车机上行，按下 SB6 停止点动按钮，推车机下行；把上/下、左/右转 换开关旋转到左/右档 SA2，再选择小车的单动、联动控制，小车 1 单动时把单 动/联动转换开关旋转到单动档 SA3，两小车联动时旋转到联动档 SA4，小车 2 单动时旋转到单动档 SA5，这时按下起动按钮 SB5，油缸推动小车左行，按下停 止按钮 SB6，油缸缩回。选择自动 SA7 时，按下起动按钮 SB5，推车机开始上行， 碰到上限行程开关 SQ6 时停车，两缸自动推出小车，小车碰到左限行程开关 SQ5、SQ10 时，说明小车到位，各个仓位可以向小车要料，这时两缸自动缩回， 碰到右限行程开关 SQ8、SQ9 时，推车机自动下行，下行到位后（碰到 SQ7）停 车。只有再次按下起动按钮 SB5，才能再次运行。 手动程序中设置了联锁和保护电路。如推车机的上行、下行常闭触点的联 锁，推车机上下行行程有行程开关 SQ6、SQ7 控制保护。自动程序是根据推车机 的位置、油缸的位置来控制电路执行下一条指令的。 油缸把小车推到位后，小车处于准备运料的初始位置，这时 1-4 号仓位都 可以向小车要料。本设计中要料时刻不同时，先要料者优先，但是要料时刻相 同时，却不知道小车向哪个仓位运料，需要改进。 5.5 系统总梯形图设计 由以上，我们画出运料小车系统的总梯形图，其中包括推车机的手动控制 程序、自动控制程序、运料小车 1 控制程序、运料小车 2 控制程序。 如下图 5-8 所示： M9 M9 M10 M10 图 5-8 运料小车系统总梯形图 结论 在做这个设计中，我学会了很多以前没学过的知识，也巩固了很多以前没 学好的知识，使我的专业理论知识更加扎实，软件操作更加熟练了。做完这个 设计后，我得出几个结论如下： 1.送料小车在硬件设计中，加入了扩展模块，可以在触点不够的情况下方 便地实现该小车的系统控制；然后软件设计中，运用了上微分指令，简化了程 序，还运用了互锁和联锁，确保了系统的正常运行，减少了系统的故障点。在 送料小车的系统中加入了手动操作程序，便于设备的维修，方便操作人员操作。 2.该小车系统在实施的情况下，其成本价格比较高。 3.该小车控制系统的研究方向：由于本小车系统并不完善，只做了送料， 没有设计小车怎么装料和小车到料仓后送料的多少。这两方面是该系统设计的 完善，是将来的研究方向。 最后，经过这次毕业设计培养了我们的设计能力以及全面的考虑问题能力。 学习的过程是痛苦的但是收获成功的喜悦更是让人激动的。相信通过这次毕业 设计它对我以后的学习及工作都会产生积极的影响。 致谢 在本次设计中，我要真诚的感谢徐老师给予我的指导，在设计过程中徐老 师严格督促我的毕业设计，及时的帮我解决我在设计中遇到的各种问题和困难， 在设计中一直对我严格要求，在整个毕业设计过程中都给我耐心的指导和讲解， 在徐老师的帮助和指导下我顺利完成了本次毕业设计，也让我在这次毕业设计 中受益匪浅，在此谨向徐老师致以深切的谢意！ 在此还要感谢机电学院的全体老师，感谢他们对我的培养。 感谢家人的关心与支持！ 感谢评阅和阅读本文的老师为此付出的辛勤劳动！ 参考文献 1 廖常初.PLC 基础及应用.北京：机械工业出版社，2003 2 储云峰西门子电气可编程序控制器原理及应用.北京：机械工业出版 社，2006 3 常斗南，王健琪，李全力.可编程控制原理.应用及通信基础 .北京：机 械工业出版社，1997 4王本轶机电设备控制基础.北京：机械工业出版社，2005 5王永华现代电气控制及 PLC 应用技术.北京：北京航空航天大学出版 社，2003 6陈立定.电器控制于可编程控制器.广州：华南理工大学出版社，2001 7张林国，王淑英.可编程控制器技术.北京：高等教育出版社，2002 8周万珍，高鸿宾.PLC 分析与设计应用.北京：电子工业出版社，2004