三菱PLC运料小车控制课程设计

运 料 小 车 课 程 设 计 专 业-XXX 班 级-XXX 姓 名-XXX 指导老师-XXX 年 月 日 摘要:可编程逻辑控制器，简称 PLC，是一种工业控制微型计算机。它的编程方便、操作 简单尤其是高通用性等优点，使它在工业生产过程中得到了广泛的应用。其中的一个应 用便是运料小车的控制，主要用到的便是他的逻辑控制功能。本论文介绍的是 PLC 产品 以及其对应的软件，并且用它来进行五个控制台作业的运料小车的控制编程。 目 录 1. 运料小车的发展概况 .1 2.可编程控制器（P LC）概述 .1 2.1 PLC 概述及特点 .2 2.2 PLC 的构 成 .2 3 控制系 统设计 .4 3.1 小 车运 动分析 .7 3.2 运料小车控制系统的 PLC 选型和资源配置 .7 3.3 系统资源分配 .8 3.4 系统硬件设计 .9 3.5 系统软件源程 序设计 .10 4 控制系统的调试 .13 4.1 编 程软件 .13 4.2 程序 的构成 .13 4.3 程序的下载、安装和 调试 .15 总 结 .16 致谢 .16 参考 文献 .17 1 运料小车的发展概况 由 于 PLC的 不 断 发 展 和 革 新 ， 使 得 生 产 线 的 运 输 控 制 也 将 得 到 不 断 的 改 善 和 生 产 率 的 不 断 提 高 ， 运 料 小 车 控 制 经 历 了 以 下 几 个 阶 段 ： （ 1） 手 动 控 制 ： 在 20世 纪 60年 代 末 70年 代 初 期 ， 便 有 一 些 工 业 生 产 采 用 PLC来 实 现 运 料 小 车 的 控 制 ， 但 是 由 于 当 时 的 技 术 还 不 够 成 熟 ， 只 能 够 用 手 动 的 方 式 来 控 制 机 器 ， 而 且 早 期 运 料 小 车 控 制 系 统 多 为 继 电 器 一 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 。 （ 2） 自 动 控 制 ： 在 20世 纪 80年 代 ， 由 于 计 算 机 的 价 格 下 降 ， 这 时 的 大 型 工 控 企 业 将 PLC充 分 的 与 计 算 机 相 结 合 ， 通 过 机 器 人 技 术 ， 自 动 化 设 备 终 于 实 现 了 PLC在 运 料 小 车 控 制 系 统 在 自 动 方 面 的 应 用 。 （ 3） 全 自 动 控 制 ： 现 阶 段 ， 由 于 PLC技 术 的 向 高 性 能 高 速 度 、 大 容 量 发 展 大 型 PLC大 多 采 用 多 CPU 结 构 ， 不 断 向 高 性 能 、 高 速 度 和 大 容 量 方 向发 展 。 将 PLC运 用 到 运 料 小 车 控 制 系 统 ， 可 实 现 运 料 小 车 的 全 自 动 控 制 ， 降 低 系 统 的 运 行 费 用 。 PLC运 料 小 车 自 动 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 ， 维 修 和 改 造 方 便 等 优 点 。 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 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。” 图 2-1 PLC 三菱 FX 系列 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。 2.3.2 PLC 系统的其它设备 (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. 运料小车的运动分析 某自动生产线上运料小车的运动如图 3-1 所示，运料小车由一台三相异步电动机拖 动，电机正转，小车向右行，电机反转，小车向左行。在生产线上有 5 个编码为 15 的 站点供小车停靠，在每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 5 个呼叫按钮开关（HJ1- HJ5）分别与 5 个停靠站点相对应。 1 号站 2 号站 3 号站 4 号站 5 号站 运料小车 自动化生产线 图 3-1 运料小车示意图 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）当小车当前所处停靠站的编码小于呼叫按扭 HJ 的编码时，小车向右运行运行 到按钮 HJ 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扭 HJ 的编码时，小车向左运行，运 行到按钮 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扭 HJ 的编码时，小车保持不动；呼 叫按钮开关 HJ1-HJ5 应具有互锁功能，先按下者优先。 31.2 小车运动分析 小车在呼叫按钮之间的运动如图3-2所示， 图3-2 小车在呼叫按钮之间的运动 根据生产工艺要求设计出小车在运料过程中的速度变化情况如图3-3所示， 图 3-3 小车在两呼叫按钮之间运料过程中速度变化情况 根据料车运料过程中速度曲线图确定变频器的频率变化情况如图3-4所示， 图 3-4 变频器的频率变化情况 根据系统控制要求，分析出如下系统控制流程图， 图 3-5 控制系统流程图 3.2 运料小车控制系统的 PLC 选型和资源配置 3.3.1 控制系统图 控制系统如图 3-5 所示 （a） 启动按钮 停止按钮 5 个呼叫按钮 5 个行程开关 三菱 P L C 三相异步电动机变频器 (b) 3-6 运料小车控制系统图 3-7PLC 框架配置图 3.3 系统资源分配 3.5.1 I O 地址分配 由于 CPU 模块有 14 点数字量输入，10 点数字量输出，所以不再需要输入输出模块。 采用 IO 自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是 X000X015，输出端子对 应的输出地址是 Y000Y011。 3.5.2 数字量输入部分 这个控制系统的输入有启动按钮开关、停止按钮开关、5 个呼叫按钮开关、5 个行程 开关共 12 点输入。具体的输入分配如表 3-1 所示。 输入地址 对应的外部设备 X000 启动按钮开关 X001 停止按钮开关 X002 1 号站呼叫按钮开关 X003 2 号站呼叫按钮开关 X004 3 号站呼叫按钮开关 X005 4 号站呼叫按钮开关 X006 5 号站呼叫按钮开关 X007 1 号站行程开关 X010 2 号站行程开关 X011 3 号站行程开关 X012 4 号站行程开关 X013 5 号站行程开关 表 3-1 输入地址分配 3.5.3 数字量输出部分 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。但是电机有正 转和反转两种状态，分别对应正转继电器和反转继电器，所以输出点有 2 个。具体的输出 分配表如表 3-2 所示。 输出地址 对应外部设备 Y000 电机反转继电器 Y001 电机正转继电器 表 3-2 输出地址分配 3.5.4 内部继电器部分 内部继电器地址分配如表 3-3 所示。 内部继电器地址 功能说明 M0 小车运行停止 M1 1 号站呼叫 M2 号站呼叫 M3 号站呼叫 M4 号站呼叫 M5 号站呼叫 M6 小车所在站编号呼叫编号 M7 小车所在站编号呼叫编号 M8 小车所在站编号呼叫编号 表 3-3 内部继电器地址分配 3.4 系统硬件设计 系统硬件接线图如图 3-7、3-8 所示， 图3-8 主电路 图3-9 辅助电路 图中KM1 和KM2 分别是控制电机正转运行（小车前进）和反转运行（小车后退）的 交流接触器。用KM1 和KM2 的主触点改变进入电动机的三相电源的相序, 即可以改变电 动机的旋转方向。图3 中KM1 的线圈串联了KM2 的辅助常闭触点,KM2 的线圈串联了KM1 的辅助常闭触点,组成了硬件互锁电路。可以避免由于正反转（小车前进、后退）切换过 程中电感的延时作用,导致原来接通的接触器的主触点还未断弧时, 另一个接触器的主触 点已经合上而造成交流电源瞬间短路的故障。通过主电路与PLC 的控制电路的接线, 才 能实现PLC 对系统的控制。 3.5 系统软件源程序设计 3.7.1 行程开关 在该程序中，5个站的行程开关分别用数字0-4来表示，当小车在1号站时，行程开关 X007得电，将数字0传送到数据寄存器D0；当小车在2号站时，行程开关X010得电，将数 字1传送到数据寄存器D0。依次类推，当小车在5号站时，行程开关X013得电，将数字4传 送到数据寄存器D0。它的助记符程序为： LD X007 MOV K0 D0 ；小车在 1 号站 LD X010 MOV K1 D0 ；小车在 2 号站 LD X011 MOV K2 D0 ；小车在 3 号站 LD X012 MOV K3 D0 ；小车在 4 号站 LD X013 MOV K4 D0 ；小车在 5 号站 3.7.2 小车启停辅助继电器 当按下启动按钮时，小车开始运动，该辅助继电器M0得电；当按下停止按钮时，小 车停止运动，该辅助继电器M0失电。它的助记符程序为： LD X000 OR M0 ANI X001 OUT M0 ；小车启停辅助继电器 3.7.3 呼叫按钮 在该程序中，5个站的呼叫按钮分别用数字0-4来表示，而且由于5个呼叫按钮开关 HJ1HJ5具有互锁功能，先按下者优先，所以需5个辅助继电器M1-M5。当按下1号站呼叫 按钮开关时，行程开关X002得电，数字0传送到数据寄存器D1，同时1号按钮开关辅助继 电器得电；当按下2号站呼叫按钮开关时，行程开关X003得电，数字1传送到数据寄存器 D1，同时2号按钮开关辅助继电器得电；依次类推，当按下5号站呼叫按钮开关时，行程 开关X006得电，数字4传送到数据寄存器D1，同时5号按钮开关辅助继电器得电；它的助 记符程序为： LDI M2 ANI M3 ANI M4 ANI M5 ANI X007 AND M0 LD X002 OR M1 ANB MOV K0 D1 ；1 号站呼叫按钮开关 OUT M1 ；1 号站呼叫按钮开关辅助继电器 LDI M1 ANI M3 ANI M4 ANI M5 ANI X010 AND M0 LD X003 OR M2 ANB MOV K1 D1 ；2 号站呼叫按钮开关 OUT M2 ；2 号站呼叫按钮开关辅助继电器 LDI M1 ANI M2 ANI M4 ANI M5 ANI X011 AND M0 LD X004 OR M3 ANB MOV K2 D1 ；3 号站呼叫按钮开关 OUT M3 ；3 号站呼叫按钮开关辅助继电器 LDI M1 ANI M2 ANI M3 ANI M5 ANI X012 AND M0 LD X005 OR M4 ANB MOV K3 D1 ；4 号站呼叫按钮开关 OUT M4 ；4 号站呼叫按钮开关辅助继电器 LDI M1 ANI M2 ANI M3 ANI M4 ANI X013 AND M0 LD X006 OR M5 ANB MOV K4 D1 ；5 号站呼叫按钮开关 OUT M5 ；5 号站呼叫按钮开关辅助继电器 3.7.4 比较 按下启动按钮和呼叫按钮后，开始对行程开关数据寄存器D0和呼叫按钮数据寄存器 D1中的数据进行比较。当（D0）（D1）时，即小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按 钮的编码时，M6得电，小车向左运行；当（D0）=（D1）时，即小车当前所处停靠站的编 码等于呼叫按钮的编码时，M7得电，小车不动；当（D0）（D1）时，即小车当前所处 停靠站的编码小于呼叫按钮的编码时，M8得电，小车向右运行。它的助记符程序为： LD M0 CMP D0 D1 M6 3.7.5 向左运动 小车当前所处停靠站的编码大于呼叫按钮的编码时，小车向左运行，运行到呼叫按 钮所对应的停靠站时停止。它的助记符程序为： LD M6 LD M1 ANI X007 LD M2 ANI X010 ORB LD M3 ANI X011 ORB LD M4 ANI X012 ORB LD M5 ANI X013 ORB ANB OUT Y000 ；小车向左运动 3.7.6 向右运动 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，运行呼叫按钮 所对应的停靠站时停止。它的助记符程序为： LD M8 LD M1 ANI X007 LD M2 ANI X010 ORB LD M3 ANI X011 ORB LD M4 ANI X012 ORB LD M5 ANI X013 ORB ANB OUT Y001 ；小车向右运动 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 程序的构成 将对应程序转换成相应梯形图输入编程软件中，如下所示： 开始运行程序，PLC将运行已经设置好的程序和参数，按下启动按钮和呼叫按钮后， 小车到达呼叫的那个站点。 4.3 程序的下载、安装和调试 将各个输入和输出端子和实际控制中的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件的 安装。打开GX-Developer编程软件，打开运料小车程序，即可在线调试,最终调试结果符 合设计要求，如图4-1所示 图4-1 程序调试 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。在指导老师的精心指导下，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；实现了生产工作台5个呼叫站的呼叫要求， 小车能正确无误的应答各呼叫站的呼叫；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。 致谢 雪莱说“世间走得最快的永远是最美好的东西” 。这段青春的经历将永远充溢在我的 心中” ，光阴似箭，两年充实而愉快的研究生时光即将过去，接到录取通知，满怀欣喜， 背上行囊，走进铜陵，仿佛这些画面就在昨天。 本文是在指导老师的悉心指导下完成的。指导老师渊博的学识、严谨的治学态度、 深厚的科研功底和敏锐的学术前瞻性对我学术研究影响很大；杨老师对工作的敬业精神 和忘我热情，深深地感动着我，并将激励我今后在工作上不断进取，以优异的成绩回报 老师的培养。在完成毕业设计这段时间里，导师对我的学习、工作等方面都给予了真诚 的关怀和帮助，这段美好时光，我将永铭于心。正是导师的关怀才使得我能够顺利完成 学业。在这里请允许我向导师致以最真诚的谢意 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