運料小車的PLC自動控制

PLC的結(jié)構(gòu)、工作原理及系統(tǒng)設(shè)計1.1PLC的結(jié)構(gòu)PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC的基本結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)兩類。整體式（又稱箱體式）結(jié)構(gòu)的PLC由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在同一機(jī)體內(nèi)。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。圖1-1整體式結(jié)構(gòu)模塊式（又稱組合式）結(jié)構(gòu)的PLC是將中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等分別做成相應(yīng)的模塊，應(yīng)用時將這些模塊根據(jù)控制要求插在機(jī)架上，各模塊間通過機(jī)架上的總線相互聯(lián)系。模塊式的PLC安裝完成后，需進(jìn)行登記，以便PLC對安裝在總線上的各模塊進(jìn)行地址確認(rèn)，基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示。圖1-2模塊式結(jié)構(gòu)1.2PLC的工作原理PLC與繼電器構(gòu)成的控制裝置的重要區(qū)別之一就是工作方式不同，繼電器控制是并行運行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點立即動作，只要形成電流通路，就有可能有幾個電器同時動作。而PLC則不同，它采用循環(huán)掃描技術(shù)，只有該線圈通電或斷電，并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時，該線圈觸點才會動作，而且每次它只能執(zhí)行一條指令，這也就是說PLC以“串行”方式工作的，這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點競爭和時序失配等問題。也可以說，繼電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)就可以直接得到輸出，而PLC控制則需要輸入傳送、執(zhí)行程序指令、輸出3個階段才能完成控制過程。PLC采用循環(huán)掃描技術(shù)可以分為3個階段：輸入階段（將外部輸入信號的狀態(tài)傳送到PLC）、執(zhí)行程序和輸出階段（將輸出信號傳送到外部設(shè)備）。掃描過程如圖1-3所示。圖1-3循環(huán)掃描在輸入階段中，PLC先進(jìn)行自我診斷，然后與編程器或計算機(jī)通信，同時中央處理器掃描各個輸入端并讀取輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并把它們存入相應(yīng)的輸入存儲單元。在執(zhí)行階段中，PLC按照由上到下的次序逐步執(zhí)行程序指令。從相應(yīng)的輸入存儲單元讀入輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運算，得到運算結(jié)果，并將這些結(jié)果存入相應(yīng)的輸出存儲器單元。在輸出階段中，PLC將相應(yīng)的輸出存儲單元的運算結(jié)果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊向外部沒備傳送輸出信號，開始控制外部設(shè)備。1.3PLC的編程語言可編程控制器的編程語言主要有梯形圖語言、助記符語言及功能塊圖。1.3.1梯形圖語言梯形圖語言是在繼電器控制電路圖的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。最大的優(yōu)點就是直觀易懂，使用簡單方便。對來自電氣方面的用語，通過梯形圖很容易就能掌握，同時它也是PLC的主要編程語言。例如，一個簡單PLC控制系統(tǒng)，當(dāng)常開按鈕SBFl動作時，水泵開啟，當(dāng)常閉按鈕SBSl動作時，水泵停止運行。用繼電器控制和用PLC控制的梯形圖如圖1-4和圖1-5所示。SB1SB2KM1I——ocKM1SB1SB2KM1I——ocKM1圖1-4繼電氣控制電路圖1-5PLC控制梯形圖1.3.2助記符語言助記符語言與匯編語言類似，它使用字符來代表可編程控制器的某種操作，這就要求用戶要有一定的計算機(jī)編程基礎(chǔ)。用助記符語言編寫上一個例子的程序如下：TOC\o"1-5"\h\zLDX0ORY0ANIX1OUTY01.4PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成、設(shè)計原則及步驟PLC控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。對于整個PLC控制系統(tǒng)來說，其硬件部分不僅包括選擇符合控制要求的PLC機(jī)型、存儲器容量、電源模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊、模擬量輸入/輸出模塊和特殊功能模塊等，還應(yīng)當(dāng)包括選擇合適的可編程控制器外圍裝置、設(shè)備與接口，如輸入設(shè)備（控制按鈕、開關(guān)、傳感器等X執(zhí)行裝置（接觸器、繼電器等）和由執(zhí)行裝置控制的現(xiàn)場設(shè)備（水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門等）。軟件部分主要包括對PLC進(jìn)行I/O點地址、內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器等的分配，PLC控制程序的設(shè)計（梯形圖、語句表、流程圖等），還有一些技術(shù)文件等。PLC控制系統(tǒng)是為工藝流程服務(wù)的，所以它首先要能很好地實現(xiàn)工藝提出的控制要求。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則。（1）根據(jù)工藝流程進(jìn)行設(shè)計，力求控制系統(tǒng)能最大限度地滿足控制要求。（2）在滿足控制要求的前提下，盡量減少PLC系統(tǒng)硬件費用。（3）考慮到以后控制要求的變化，所以控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮PLC的可擴(kuò)展性。（3）控制系統(tǒng)使用和維護(hù)方便、安全可靠。一般PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟如圖1-6所示，具體操作如下。（1）控制要求分析在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)之前，必須對工藝過程進(jìn)行細(xì)致的分析，詳細(xì)了解控制對象和控制要求，這樣才能真正明白自己所要完成的任務(wù)，并更好地完成任務(wù)，設(shè)計出令人滿意的控制系統(tǒng)。（2）確定輸入/輸出設(shè)備根據(jù)控制要求選擇合適的輸入設(shè)備（控制按鈕、開關(guān)、傳感器等）和輸出設(shè)備（接觸器、繼電器等），根據(jù)所選用的輸入/輸出設(shè)備的類型和數(shù)量確定PLC的I/0點數(shù)。（3）選擇合適PLC確定PLC的I/0點數(shù)后，就根據(jù)I/0點數(shù)、控制要求等來進(jìn)行PLC的選擇。選擇包括機(jī)型、存儲器容量、輸入/輸出模塊、電源模塊和智能模塊等。（4）I/0點數(shù)分配點數(shù)分配就是規(guī)定PLC的I/0端子和輸入/輸出設(shè)備。（5）PLC程序設(shè)計首先把工藝流程分為若干階段，確定每一階段的輸入信號和輸出要控制的設(shè)備，還有不同階段之間的聯(lián)系，然后畫出程序流程圖，最后再進(jìn)行程序編制。（6）模擬調(diào)試程序編制好后，可以用按鈕和開關(guān)模擬數(shù)字量，電壓源和電流源代替模擬量，進(jìn)行模擬調(diào)試，使控制程序基本滿足控制要求。（7）現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試就是將PLC與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。在這一步中可以發(fā)現(xiàn)程序存在的實際問題，然后經(jīng)過修正后使其滿足控制要求。（8）整理技術(shù)文件這一步主要包括整理與設(shè)計有關(guān)的文檔，包括設(shè)計說明書、I/O接線原理圖、程序清單和使用說明書等。1.5PLC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時日常維護(hù)也變得容易起來，更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類：開關(guān)量邏輯控制取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于控制單臺設(shè)備，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。工業(yè)過程控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量(即模擬量)，PLC采用相應(yīng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。(4)數(shù)據(jù)處理PLC具有數(shù)學(xué)運算(含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。(5)通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信包括PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。但是，可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計編制。1.6PLC的特點PLC之所以越來越受到控制界人士的重視，是和它的優(yōu)點分不開的：1）功能齊全，它的適用性極強(qiáng)，幾乎所有的控制要求，它均能滿足；2）應(yīng)用靈活，其標(biāo)準(zhǔn)的積木式硬件結(jié)構(gòu)，以及模塊化的軟件設(shè)計，使得它不僅可以適應(yīng)大小不同、功能繁復(fù)的控制要求，而且可以適應(yīng)各種工藝流程變更較多的場合；3）操作方便，維修容易，穩(wěn)定可靠。盡管PLC有各種型號，但都可以適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，耐熱、防潮、抗震等性能也很好，一般平均無故障率可達(dá)幾萬小時。2運料小車介紹2.1運料小車介紹與控制要求圖2-1為運料小車模擬圖a點七HB月環(huán)片限3升.X.艱在開美圖2-1圖2-1為運料小車模擬圖a點七HB月環(huán)片限3升.X.艱在開美運料小車是工業(yè)送料的主要設(shè)備之一。廣泛應(yīng)用于自動生產(chǎn)線、冶金、有色盒屬、煤礦、港口、碼頭等行業(yè)，各工序之間的物品常用有軌小車來轉(zhuǎn)運。小車通常采用電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)正轉(zhuǎn)小車前進(jìn)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)小車后退。圖2-1是一個運料小車工作示圖。系統(tǒng)的設(shè)計要求為：小車由電機(jī)驅(qū)動，可在A、B兩地分別啟動，A地啟動后，小車先返回限位開關(guān)ST1處，停車20s裝料；然后自動駛往B點，到達(dá)限位開關(guān)ST2處后停車，底門電磁鐵動作，卸料30s，然后返回A點，停車20s裝料，如此反復(fù)。3運料小車控制系統(tǒng)的方案論證3.1運料小車控制系統(tǒng)的控制內(nèi)容與要求3.1.1運料小車的控制系統(tǒng)主回路運料小車由一臺三相異步電動機(jī)拖動，電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車向左行，電機(jī)反轉(zhuǎn)，小向右行。電動機(jī)正反轉(zhuǎn)主回路如圖3-1所示：圖3-1三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)電路圖在生產(chǎn)線上裝料點A、卸料點B分別裝有行程開關(guān)，以判別小車是否到達(dá)位置。另外對小車還需要一個總停按鈕，兩個啟動按鈕。3.1.2設(shè)備控制要求運料小車在自動化生產(chǎn)線上運動的控制要求如下：（1）按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始工作，按下停止按鈕，系統(tǒng)停止工作（2）可在A、B兩地分別啟動（3）A地啟動后，小車先返回限位開關(guān)ST1處，停車20s裝料（4）然后自動駛往B點，到達(dá)限位開關(guān)ST2處后停車，底門電磁鐵動作，卸料30s（5）然后返回A點，停車20s裝料，如此反復(fù)。

3.1.3運料小車控制系統(tǒng)控制回路根據(jù)3.1.2設(shè)備控制的要求，運料小車控制系統(tǒng)的控制回路如圖3-2：KM3圖3-2運料小車控制回路3.2方案論證早期運料小車電氣控制系統(tǒng)多為繼電器-接觸器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在設(shè)計周期長、體積大、成本高等缺陷，幾乎無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負(fù)責(zé)操作。后來，單片機(jī)應(yīng)用到運料小車控制系統(tǒng)中。單片機(jī)有優(yōu)異的性能價格比、集成度高、體積小、有很高的可靠性、控制功能強(qiáng)、低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品，外部總線增加了IC及SPI，單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)編程方法復(fù)雜，不容易上手，使用于簡單應(yīng)用。

降低精度運料小車控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成圖如3-3所示:圖3-3運料小車控制系統(tǒng)圖運料小車控制流程圖如3-4：將PLC應(yīng)用到運料小車電氣控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)運料小車的自動化控制，系統(tǒng)的運行費用。降低精度運料小車控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成圖如3-3所示:圖3-3運料小車控制系統(tǒng)圖運料小車控制流程圖如3-4：4運料小車控制系統(tǒng)總體設(shè)計PLC的選用根據(jù)運料小車輸入輸出設(shè)備的分配，在I/O方面只需要6個輸入口和3個輸出口，同時考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚x用FX2N-16MR的PLC即可。PLC外部接線圖運料小車由一臺三相異步電動機(jī)拖動，電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車向左行，電機(jī)反轉(zhuǎn)，小向右行。小車控制系統(tǒng)的輸入，輸出設(shè)備與PLC的I/O端對應(yīng)的外部接線圖如4-1所示：X000Y000X001X002Y001X003X004Y002X005C0M1COM2KM1X000Y000X001X002Y001X003X004Y002X005C0M1COM2KM1這個控制系統(tǒng)的輸入有2個啟動按鈕開關(guān)、停止按鈕開關(guān)、2個行程開關(guān)、熱繼電器共6輸入點。這個控制系統(tǒng)需要控制的外部設(shè)備只有控制小車運動的三相電動機(jī)一個。電機(jī)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個狀態(tài)，分別都應(yīng)正轉(zhuǎn)繼電器和反轉(zhuǎn)繼電器，

另外還有一個輸出控制卸料電磁鐵開關(guān)，所以輸出點應(yīng)該有3個。對應(yīng)的地址分配表如表4-2所示：輸入信號輸出信號名稱代號輸入點編號名稱代號輸出點編號總停按鈕SB1X000正轉(zhuǎn)接觸器KM1Y000正轉(zhuǎn)啟動按鈕SB2X001反轉(zhuǎn)接觸器KM2Y001反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB3X002卸料電磁鐵KM3Y002行程開關(guān)ST1X003行程開關(guān)ST2X004熱繼電器KRX005表4-2PLCI/O分配4.4PLC狀態(tài)流程根據(jù)運料小車運動控制的要求，按下啟動按鈕SB1后，運料小車系統(tǒng)開始工作，碰到裝料點A的行程開關(guān)并開始進(jìn)行裝料，20S裝料結(jié)束后小車自動右行。碰到卸料點B的行程開關(guān)后停車并卸料，30S后卸料完畢小車左行，碰到裝料點A的行程開關(guān)時，小車停止并裝料，如此反復(fù)。在整個過程中，可按下總停按鈕來停止小車的運動。

4.5運料小車控制系統(tǒng)梯形圖根據(jù)小車運動的控制要求，畫出小車控制系統(tǒng)的梯形圖如圖4-3：K200YOOK200YOO圖4-3運料小車控制系統(tǒng)梯形圖4.6運料小車控制系統(tǒng)語句表根據(jù)圖4-3梯形圖寫出與之相對應(yīng)的語句表如下：0LDX001ORY000ORT1ANIX000ANIM1ANIX003ANIY001OUTY000LDIX000ANDX003OUTT0K200LDX002ORY001ORT0ANIX000ANIM1ANIX004ANIY000OUTY001LDIX000ANDX004OUTT1K300OUTY002LDIX000ANDX005OUTM1END5設(shè)計小結(jié)5.1小車的優(yōu)缺點分析本設(shè)計運用的可編程控制器實現(xiàn)的運料小車自動控制，避開了以往繼電器接觸不良、開關(guān)易損壞等缺點，可靠性和穩(wěn)定性都有所提高。在檢測小車是否到達(dá)裝料、卸料點的時候，運用了行程開關(guān)，這樣的檢驗系統(tǒng)讓小車的?？课恢酶訙?zhǔn)確。與此同時，由于輸入輸出很明顯，不需要好多額外的外接電路，讓設(shè)計更簡潔。這也是采用了成熟的可編程控制器帶來的好處。即使在出現(xiàn)故障、緊急停止等環(huán)節(jié)中都能快捷操作。但設(shè)計過程中，只是基本實現(xiàn)了設(shè)計的要求，沒有功能擴(kuò)展，讓系統(tǒng)顯得比較簡單。5.2設(shè)計的改進(jìn)及推廣在實際的運用過程中，為了便于智能化、無人化、遠(yuǎn)程化的操作，該設(shè)計控制器還應(yīng)該聯(lián)網(wǎng)，讓多臺控制器組成局域網(wǎng)，構(gòu)成一套網(wǎng)路系統(tǒng)，便于通訊和控制操作。如修改軟件設(shè)計中的一些參數(shù)，能適合在不同的場合都能適合。在具體的設(shè)計中，應(yīng)該還可以設(shè)計顯示功能，顯示運料小車到達(dá)指定的裝料、卸料點時所需時間；還可以在小車底部安裝一個傳感器，用來檢測小車中的料是否卸完。這樣就可更好地控制小車的運行，更加便于人們工作。此外，該運料小車控制器可以運用于大型的養(yǎng)殖行業(yè)，便于送料和喂養(yǎng)。這樣就可以節(jié)約時間，提高效率?？偨Y(jié)課程設(shè)計是在教學(xué)過程的一種總結(jié)性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過課程設(shè)計，能使我們綜合應(yīng)用所學(xué)的各種理論知識和技能，進(jìn)行全面、系統(tǒng)、嚴(yán)格的技術(shù)及基本能力的訓(xùn)練。早期運料小車電氣控制系統(tǒng)多為繼電器-接觸器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在設(shè)計周期長、體積大、成本高等缺陷，幾乎無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負(fù)責(zé)操作。將PLC應(yīng)用到運料小車電氣控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)運料小車的自動化控制，降低系統(tǒng)的運行費用°PLC運料小車電氣控制