基于PLC技術(shù)的送料小車控制系統(tǒng)設(shè)計與制作

1、基于PLC技術(shù)的送料小車控制系統(tǒng)設(shè)計與制作 王震隨著現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的自動化越來越多的工廠設(shè)備采用PLC，因此自動化程度越來越高。電器控制技術(shù)是隨著科學技術(shù)不斷的發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求而得到迅速發(fā)展的。PLC專為工業(yè)環(huán)境應用而設(shè)計，其顯著的特點之一就是可靠性高，抗干擾能力強。PLC的應用不但大大地提高了電氣控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，而且大大地簡化和減少了維修維護的工作量。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，減輕工人的勞動負擔，要求整個工藝生產(chǎn)過程全盤自動化，就離不開控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是整個工藝生產(chǎn)線的靈魂，對整個生產(chǎn)線起著指揮的作用。一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕者影響生產(chǎn)線的繼

2、續(xù)進行，重著甚至發(fā)生人身安全事故，這將給企業(yè)造成重大的損失。PLC以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、使用方便、控制程序可變、體積小、質(zhì)量輕、功能強和價格低廉等特點 ，在機械制造、冶金等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。送料小車控制系統(tǒng)采用了PLC控制。從送料小車的工藝流程看來，其控制系統(tǒng)屬于自動控制與手動控制相結(jié)合的系統(tǒng)，因此，在送料小車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計具有手動和自動兩種工作方式。我在程序設(shè)計上采用了模塊化的設(shè)計方法，這樣就省去了工作方式程序之間復雜的聯(lián)鎖關(guān)系，從而在設(shè)計和修改任何一種工作方式的程序時，不會對其它工作方式的程序造成影響，使得程序的設(shè)計、修改和故障找工作大為簡單。采用基于PLC的控制系統(tǒng)

3、來取代原來由單片機、繼電器等構(gòu)成的控制系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的可移植性和可維護性。對提高企業(yè)生產(chǎn)和管理自動水平有很大的幫助，同時又提高了生產(chǎn)線的效率、使用壽命和質(zhì)量，減少了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的波動，因此具有廣闊的市場前景。在設(shè)計該PLC送料小車設(shè)計程序的同時總結(jié)了以往PLC送料小車設(shè)計程序的一般方法、步驟，并且把以前學過的基礎(chǔ)課程融匯到本次設(shè)計當中來，更加深入的了解了更多的PLC知識。一、送料小車控制系統(tǒng)介紹和設(shè)計（一）控制系統(tǒng)在送料小車中的地位與作用在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，減輕工人的勞動負擔，要求整個工藝生產(chǎn)過程全盤自動化，這就離不開控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是整個生產(chǎn)線

4、的靈魂，對整個生產(chǎn)線起著指揮的作用。一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕者影響生產(chǎn)線的繼續(xù)進行，重者甚至發(fā)生人身安全事故，這樣將給企業(yè)造成重大損失。送料小車是基于PLC控制系統(tǒng)來設(shè)計的，控制系統(tǒng)的每一步動作都直接作用于送料小車的運行，因此，送料小車性能的好壞與控制系統(tǒng)性能的好壞有著直接的關(guān)系。送料小車能否正常運行、工作效率的高低都與控制系統(tǒng)密不可分。（二）方案設(shè)計設(shè)計原則主要包括：工程對電氣控制線路提供的具體資料。系統(tǒng)在保證安全、可靠、穩(wěn)定、快速的前提下，盡量做到經(jīng)濟、合理、合用，減小設(shè)備成本。在方案的選擇、元器件的選型時更多的考慮新技術(shù)、新產(chǎn)品。控制由人工控制到自動控制，由模擬控制到微機控制，使功能的實

5、現(xiàn)由一到多而且更加趨于完善。對于本課題來說，如果送料小車系統(tǒng)部分是一個較大規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)的改造升級，新控制裝置需要根據(jù)企業(yè)設(shè)備和工藝現(xiàn)況來構(gòu)成并需盡可能的利用舊系統(tǒng)中的元器件。對于人機交互方式改造后系統(tǒng)的操作模式應盡量和改造前的相類似，以便于操作人員迅速掌握。從企業(yè)的改造要求可以看出在新控制系統(tǒng)中既需要處理模擬量也需要處理大量的開關(guān)量。要實現(xiàn)整個送料小車系統(tǒng)的設(shè)計，需要從怎樣實現(xiàn)各繼電器的吸合斷開以及電動機正反轉(zhuǎn)的控制這個角度去考慮，現(xiàn)在就這個問題的如何實現(xiàn)以及選擇怎樣的方法來確定系統(tǒng)方案。(三)方案的介紹就目前的現(xiàn)狀有以下幾種控制方式滿足系統(tǒng)的要求：繼電器控制系統(tǒng)，可編程序控制器控制。1.

6、繼電器控制系統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)，其邏輯功能由傳統(tǒng)的繼電器來完成的，比如控制時間，就有相應的時間繼電器。繼電器的動作一般與電磁有關(guān)繼電器的控制是采用硬件接線實現(xiàn)的，是利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)極延時繼電器的滯后動作等組合形成控制邏輯，只能完成既定的邏輯控制。繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，毫秒級，機械觸點有抖動現(xiàn)象。繼電器控制系統(tǒng)是靠時間繼電器的滯后動作實現(xiàn)延時控制，而時間繼電器定時精度不高，受環(huán)境影響大，調(diào)整時間困難。2.可編程序控制器控制可編程序控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇，用戶不用自己設(shè)計和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器的硬繭配制和設(shè)計外部接線圖，同時采

7、用梯形圖語言編程，用軟件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸點和接線，通過修改程序適應工藝條件的變化?？删幊绦蚩刂破魉煽啃愿?采用固態(tài)器件，輸入和輸出均經(jīng)光電耦合與繼電器隔離,有較高的抗干擾能力,能在環(huán)境惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場使用，并有停電保護和自診斷等功能；輸入輸出模塊化，具有多種輸入和輸出類型，可直接驅(qū)動近百瓦交直流負載；有獨立的編程器，大多數(shù)可編程序控制器沿用了過去繼電器順序控制的設(shè)計方法，采用繼電器梯形圖符編程，且有字符或圖形顯示。只要修改程序，即可對不同的控制對象進行控制；有較強的控制功能和較大的控制規(guī)模。綜上兩個控制系統(tǒng)的比較我選擇了可編程控制系統(tǒng)。二、軟件電路的設(shè)計（一）程序流程圖根據(jù)設(shè)計方案，為

8、了分析問題方便，我們首先作出了系統(tǒng)的動作過程流程圖。流程圖說明：啟動系統(tǒng)并判斷目前小車停車位，確定小車的停車位之后看是否現(xiàn)在能進行呼車，若能呼車，則呼車等待30S，接著呼車信號開始封鎖，判斷何處呼車是高于停車位還是低于停車位，小車到達呼車位，停留30S，并且開始清除呼車信號。流程圖如圖1所示。圖1 送料小車控制系統(tǒng)流程圖(二）程序梯形圖分段設(shè)計1.選擇PLC指令并編寫程序根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，一般會想用到MOV傳送指令和CMP比較指令，即先把小車所在的工位號傳送到一個通道中，再把呼車的工作位號傳送到另一個通道中，然后將這兩個通道的內(nèi)容進行比較。若呼車的位號大于停車的位號，則小車向高位行駛；若呼車

9、的位號小于停車的位號，則小車向低位行駛。對小車的這種控制，是送料小車系統(tǒng)程序設(shè)計的主線。2.編寫其他控制要求的程序PLC上電后，車停在某加工點，若沒有用車呼叫時，則各工位的指示燈亮，表示各工位可以呼車。若某工位呼車時，各位的指示燈均滅，表示此后再呼車無效。停車位呼車則小車不動。當呼車位號大于停車位號時，小車自動向高位行駛，當呼車位號小于停車位時，小車自動向低位行駛。當小車到達呼車位時自動停車。給位號高的加工位以優(yōu)先用車的機會，6號位優(yōu)先權(quán)最高，小車呼叫等待30s,就是到達某位時應停留30s供該工位使用，不會立即被其他工位呼走。臨時停電后再復電，小車不會自行啟動。啟動與停止按鈕的PLC梯形圖如圖

10、2所示。 圖2 啟動與停止按鈕的PLC梯形圖傳送停車工位編號 ，小車運行到停車位時自動停止，PLC梯形圖表示小車當前停車的位置如圖3所示。 圖3 傳送停車工位編號的PLC梯形圖呼車位指示燈，當有呼車的時候燈滅，當車到達送料點后燈開啟，PLC梯形圖如圖4所示。圖4 呼車指示的PLC梯形圖傳送呼車工位編號 ，按鈕控制呼車，按下指定呼車位，小車自動運行到相應的停車位，PLC梯形圖表示當前呼車的位置如圖5所示。 圖5 傳送呼車工位編號的PLC梯形圖當X011-X016任意一個位接通時，SET指令接通并保持其常閉M1斷開。即將X011-X016封鎖，此時無法再傳送數(shù)據(jù)到M1。當M0定時時間到SET指令置

11、位的PLC梯形圖如圖6所示。圖6 復位的PLC梯形圖復位指令的PLC梯形圖如圖7所示。 圖7復位指令的PLC梯形圖當有呼車信號傳送過來時，比較呼車位號與停車位號，當呼車位號大于停車位號時，小車自動向高位行駛，當呼車位號小于停車位時，小車自動向低位行駛。當小車到達呼車位時自動停車，并且進行呼叫等待30s。當其開始工作時比較器的PLC梯形圖將如下圖8所示。圖8 比較器與定時器的PLC的梯形圖(三）程序功能分析用置位指令進行呼車封鎖和解除封鎖的控制。SET指令稱為置位指令。其功能是：驅(qū)動線圈，使其具有自鎖功能，維持接通狀態(tài)。RST指令稱為復位指令。其功能是使線圈復位。用MOV指令分別向M0通道傳送車

12、位信號，向M1通道傳送各位的呼車信號。當無呼車信號時，指示燈亮，示意可以呼車。執(zhí)行CMP可以判別呼車位號比停車位號大還是小，從而決定小車的行駛方向。若呼車位號比停車位號大，則Y000為ON，小車向高位行駛。在途中經(jīng)由各位時必然要壓動每一個呼車位置的限位開關(guān)，即在途中000通道的內(nèi)容隨時改變，但由于其位號都比呼車位號?。?01中的呼車位號不變），故可繼續(xù)行駛直至到達呼車位。若呼車位號比停車位號小，則小車向低位行駛。在行車途中要壓動各位的限位開關(guān)，但其位號都比呼車位號大，故可繼續(xù)行駛直至到達呼車位。當小車到達呼車位時，使Y000或Y001為OFF，小車停在呼車位；立即啟動T開始定時，使小車在呼車位

13、停留30s。30s后，使按鈕復位，呼車指示燈亮并解除呼車封鎖，此后各工作位又可以開始呼車。若系統(tǒng)運行過程中掉電再復電時，不按下啟動按鈕程序是不會執(zhí)行的。另外，在PLC外部設(shè)置失壓保措施，所以掉電再復電時，小車不會自行啟動。 三、硬件電路的設(shè)計（一）總體結(jié)構(gòu)每個工位應該設(shè)置一個限位開關(guān)和一個呼車按鈕，系統(tǒng)要有用于啟動和停止的按鈕，這些是PLC的輸入元件。小車要用一臺電動機拖動，電動機正轉(zhuǎn)時小車駛向高位，反轉(zhuǎn)時小車駛向低位，電動機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各需要一個接觸器，是PLC的執(zhí)行元件。另外，各工作位還要有指示燈作呼車顯示。電動機和指示燈是PLC的控制對象。各工位的限位開關(guān)和呼車按鈕如圖 9所示，圖中SQ和

14、SB的編號也是各工作位的編號，SQ可以自動復位。 圖9 各工作位的限位開關(guān)和呼出按鈕的布置圖 1.初始狀態(tài)小車是靜止的，其中限位開關(guān)SQ2為ON其余為OFF，呼車按鈕SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、均為OFF，電動機M為OFF。2.啟動停止操作按下啟動按扭，系統(tǒng)上電。各工位可呼車，高于當前工位呼車小車駛向高位，低于當前位呼車小車駛向低位，無呼車小車原地不動。按下停止按鈕，系統(tǒng)斷電，各工位無法呼車，小車不在運行。（二）硬件各類設(shè)備的選擇1.限位傳感器的選擇選用LJC12A3-4-Z/BX傳感器，其中LJ表示公司設(shè)計代號，C表示感應方式（電容式），12表示感應頭大?。ㄍ庑沃睆剑?，A

15、表示結(jié)構(gòu)形式（圓柱形），3表示材質(zhì)（金屬外殼），4表示動作距離（檢測距離為4mm），Z表示工作電壓（DC6-36V），B表示輸出形式（三線制常開），X表示輸出電流（NPN200MA）。集成電路接近開關(guān),也叫做無觸點接近開關(guān),它是由振蕩器和整形放大器組成，振蕩器起振后在開關(guān)的感應頭上產(chǎn)生一個交變的磁場,當金屬體接近感應區(qū)的時候，在金屬體內(nèi)產(chǎn)生了渦流,從而吸收了振蕩的能量,使振蕩幅度減弱以至于停振使接近開關(guān)達到反轉(zhuǎn)的目的,由整形放大器換成二進制的開關(guān)電信號,從而達到檢測目的。本系列接近開關(guān)為高頻振蕩型,它以無接觸、無壓力、無火花，迅速地發(fā)出檢測信號，用以驅(qū)動繼電器或邏輯門，它具有靈敏度高，頻率響應

16、快，重復定位精度高，舜變過程短，輸出功率大，抗干擾性能好，工作穩(wěn)定性可靠，使用壽命長等優(yōu)點，開關(guān)內(nèi)充以樹脂，使其全封閉，具有耐振、耐腐蝕及防水等特點。1.電動機的選擇選用R775型電動機，相關(guān)參數(shù)如下：型號：R775；額定電壓：DC12V；空載轉(zhuǎn)速：4600r/min；額定電流：3A；空載電流：0.5A；重量：0.35KG；外形尺寸：外徑44mm,長66.5mm。2.繼電器的選擇選用G2R-1-DC12V，其參數(shù)如下：類型：功率繼電器；系列：G2R系列；型號：G2R-1-DC12V；重量：17g；外形尺寸（mm）：29.0×13.0×22.5mm（L×W×

17、;H）；吸合電壓：DC 9V；額定電流：10A；額定電壓：DC 12V；工作溫度：-40+70。3.PLC的選擇輸入和輸出來控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破鱌LC對用戶來說，是一種無觸點設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的推廣應用?？删幊炭刂破魇敲嫦蛴脩舻膶Ｓ霉I(yè)控制計算機，具有許多明顯的特點?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。傳統(tǒng)的控制方法是采用繼電器接觸器控制。這種控制系統(tǒng)較復雜，并且大量的硬件接線使系統(tǒng)可靠性降低，也間接地降低了設(shè)備的工作效率。采用可編程控制器較好地

18、解決了這一問題，可編程控制器是一種將計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合在一起的新型工業(yè)自動控制設(shè)備，不僅能實現(xiàn)對開關(guān)量信號的邏輯控制。還能實現(xiàn)與上位計算機等智能設(shè)備之間的通信。因此，將可編程控制器應用于小車送料控制，完全能滿足控制要求。且具有操作簡單、運行可靠、工藝參數(shù)修改方便、自動化程度高等優(yōu)點。在本控制系統(tǒng)中，所需的開關(guān)量輸入為14點，開關(guān)量輸出為3點，考慮到系統(tǒng)的可擴展性和維修的方便性，選擇模塊式PLC。由于本系統(tǒng)的控制是順序控制，選用歐姆龍生產(chǎn)的CPM2* PLC作控制單元來控制整個系統(tǒng)。（三）PLC輸入，輸出口的分配主要程序可用歐姆龍的CPM2A-40CDR-A來編寫，如表1所示

19、。表1 送料小車控制系統(tǒng)的I/O地址分配表輸入控制輸出控制啟動按鈕SB0X000正轉(zhuǎn)Y000停止按鈕SB10X010反轉(zhuǎn)Y0011號位行程開關(guān)ST1X001呼車指示燈Y0022號位行程開關(guān)ST2X0023號位行程開關(guān)ST3X0034號位行程開關(guān)ST4X0045號位行程開關(guān)ST5X0056號位行程開關(guān)ST6X0061號位呼車按鈕SB1X0112號位呼車按鈕SB2X0123號位呼車按鈕SB3X0134號位呼車按鈕SB4X0145號位呼車按鈕SB5X0156號位呼車按鈕SB6X016（四）送料小車控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容目的及要求課題的主要設(shè)計內(nèi)容有：確定送料小車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案；確定送料小車控制PL

20、C的型號規(guī)格，確定PLC I/O元件分配表；設(shè)計送料小車控制系統(tǒng)PLC I/O接線圖；PLC程序的總體結(jié)構(gòu)圖和梯形圖。設(shè)計目的：能使用三菱FX-2N軟件編程；熟練掌握PLC的指令系統(tǒng)，學會一些特殊設(shè)備在生產(chǎn)實際中的應用；通過設(shè)計牢固掌握用功能標圖設(shè)計梯形圖的方法、步驟及繪制梯形圖所遵循的規(guī)則和設(shè)計技巧。學會控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試方法；學會PLC輸入/輸出點的分配、接線。對PLC有系統(tǒng)的了解。輸入/輸出接線圖如圖10所示。圖10 送料小車控制系統(tǒng)的I/O接線圖設(shè)計要求： 送料小車由電動機拖動，電動機正轉(zhuǎn)，小車前進；電動機反轉(zhuǎn)，小車后退，對送料小車的控制要求為： PLC上電后，車停在某加工點，若沒有

21、用車呼叫時，則各工位的指示燈亮，表示各工位可以呼車。 停車位呼車則小車不動。當呼車位號大于停車位號時，小車自動向高位行駛，當呼車位號小于停車位時，小車自動向低位行駛。當小車到達呼車位時自動停車。 給位號高的加工位以優(yōu)先用車的機會，6號位優(yōu)先權(quán)最高，小車呼叫等待30s,就是到達某位時應停留30s供該工位使用，不會立即被其他工位呼走。當停止30s后即可被呼走。四、PLC的故障分析和維修為了延長PLC控制系統(tǒng)的壽命，在系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)使用中要對該系統(tǒng)的設(shè)備消耗、元器件設(shè)備故障發(fā)生點有較明白的估計，也就是說，要知道整個系統(tǒng)哪些部件最容易出故障，以便采取措施，希望能對PLC過程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計和維護有所

22、幫助。能更好的使用PLC。（一）系統(tǒng)故障分析與處理1.PLC主機系統(tǒng)PLC主機系統(tǒng)最容易發(fā)生故障的地方一般在電源系統(tǒng)，電源在連續(xù)工作、散熱中，電壓和電流的波動沖擊是不可避免的。系統(tǒng)總線的損壞主要由于現(xiàn)在PLC多為插件結(jié)構(gòu)，長期使用插拔模塊會造成局部印刷板或底板、接插件接口等處的總線損壞，在空氣溫度變化、濕度變化的影響下，總線的塑料老化、印刷線路的老化、接觸點的氧化等都是系統(tǒng)總線損耗的原因。所以在系統(tǒng)設(shè)計和處理系統(tǒng)故障的時候要考慮到空氣、塵埃、紫外線等因素對設(shè)備的破壞。2.PLC的IO端口PLC最大的薄弱環(huán)節(jié)在IO端口。要減少IO模塊的故障就要減少外部各種干擾對其影響，首先要按照其使用的要求進行

23、使用，不可隨意減少其外部保護設(shè)備，其次分析主要的干擾因素，對主要干擾源要進行隔離或處理。3.現(xiàn)場控制設(shè)備在整個過程控制系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障地點在現(xiàn)場，現(xiàn)場中最容易出故障的有以下幾個方面。 第1類故障點是在繼電器、接觸器。PLC控制系統(tǒng)的日常維護中，電氣備件消耗量最大的為各類繼電器或空氣開關(guān)。 第2類故障多發(fā)點在閥門等設(shè)備上。因為這類設(shè)備的關(guān)鍵執(zhí)行部位，利用電動執(zhí)行機構(gòu)推拉閥門或閘板的位置轉(zhuǎn)換，機械、電氣、液壓等各環(huán)節(jié)稍有不到位就會產(chǎn)生誤差或故障。（二）系統(tǒng)抗干擾性的分析與維修由于可編程控制器是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計的裝置，因此一般不需要再采取特殊措施就能直接用于工業(yè)環(huán)境中。但如果工作環(huán)境過于惡劣，就不能保證控制系統(tǒng)正常、安全運行。因此為提高控制系統(tǒng)的可靠性，采取相應有效的抗干擾措施是非常重要的。外界干擾的主要來源有： 電源的干擾供電電源的波動以及電源電壓中高次諧波產(chǎn)生的干擾。 感應電壓的干擾PLC周圍鄰近的大容量設(shè)備啟動和停止時，因電磁感應引起的干擾;其它設(shè)備或空中強電場通過分布電容串入PLC引起的干擾。 輸入輸出信號的干擾輸入設(shè)備的輸入信號線間寄生電容引起的差 模干擾和輸入信號線與大地間的共模干擾;在感性負載的場合，輸出信號由斷開一閉合時產(chǎn)生的突變電流和由閉合一斷開的反向感應電勢以