基于PLC的小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明

./摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展,可編程控制器不斷更新、發(fā)展,可編程控制器在中低頻電器開關(guān)控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。這是因?yàn)?它與傳統(tǒng)的繼電器控制相比具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn):它結(jié)構(gòu)緊湊,編程容易,強(qiáng)弱電并用,控制速度快,抗干憂性能強(qiáng),故障率低,與外圍電路的連接簡(jiǎn)單等。PLC控制是自動(dòng)控制中最常見控制方式之一,小車往返就是控制應(yīng)用的一個(gè)典型例子,由于可編程控制器具有很好的處理的小車往返控制以及良好的穩(wěn)定性,而且可以很簡(jiǎn)單的改變控制的方式,因此運(yùn)用PLC來設(shè)計(jì)小車循環(huán)往返運(yùn)動(dòng)越來越普遍。本設(shè)計(jì)是基于PLC的小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中是利用西門子S7-200系列PLC編程語言來設(shè)計(jì)的,系統(tǒng)中運(yùn)用中間繼電器、接觸器的相互作用來完成控制,并且PLC根據(jù)開關(guān)信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)的開停、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換,在由傳動(dòng)裝置帶動(dòng)小車來運(yùn)動(dòng)。最后運(yùn)用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進(jìn)行仿真調(diào)試,進(jìn)而來滿足設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞：小車循環(huán)往返運(yùn)動(dòng)、西門子S7-200、STEP7-Micro/WIN32編程軟件繼電器、接觸器、PLC目錄摘要1第1章概述31.1設(shè)計(jì)背景31.2設(shè)計(jì)意義4第2章硬件設(shè)計(jì)52.1設(shè)計(jì)容52.2設(shè)計(jì)思路52.3電氣元件選擇62.4I/O地址分配62.5I/O接線圖62.6主電路設(shè)計(jì)7第3章軟件設(shè)計(jì)93.1編程軟件介紹93.2軟件設(shè)計(jì)93.3系統(tǒng)流程圖103.4程序梯形圖103.5程序指令表123.6程序分析14第4章軟件調(diào)試16設(shè)計(jì)心得17參考文獻(xiàn)18第1章概述1.1設(shè)計(jì)背景隨著社會(huì)迅速的發(fā)展,各機(jī)械產(chǎn)品層出不窮,控制系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)很熟,使用圍涉及各個(gè)領(lǐng)域,例如：機(jī)械、汽車制造、化工、冶金、交通、軍事、民用等。在現(xiàn)代工業(yè)車間生產(chǎn)中企業(yè)為提高生產(chǎn)車間物流自動(dòng)化水平在許多場(chǎng)合中需要自動(dòng)控制小車在指定位置道路上行駛,如柔性制造系統(tǒng)中物料小車的自動(dòng)控制、自動(dòng)倉庫中物件存取小車的自動(dòng)控制、貨物的自動(dòng)出入等,為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)間的運(yùn)輸自動(dòng)化,常會(huì)使用無人小車在工作臺(tái)或生產(chǎn)線之間自動(dòng)往返裝料卸載,以及在自動(dòng)化生產(chǎn)線上,有些生產(chǎn)機(jī)械的工作臺(tái)需要按一定的順序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng),并且有的還要求在某些位置有一定的時(shí)間停,以滿足生產(chǎn)工藝要求,減輕勞動(dòng)量,提高生產(chǎn)效率,增加資本收入。雖然有很多用來設(shè)計(jì)小車運(yùn)行的方法,但是很多都過于繁瑣,不利于操作人員的掌握和執(zhí)行,如今隨著電子技術(shù)的發(fā)展和可編程控制器〔Progammablecontroller簡(jiǎn)稱PLC的不斷更新、發(fā)展,可編程控制器在中低頻電器開關(guān)控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛使,加上PLC用存儲(chǔ)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(jì)及建造的周期大為縮短,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(chǎng)合,因此在設(shè)計(jì)中越來越得人們的認(rèn)可。目前,PLC在國(guó)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(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。在設(shè)計(jì)順序控制程序中可編程控制器的控制程序與一般計(jì)算機(jī)程序是有區(qū)別的。一般計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行過程是:從起點(diǎn)開始順序執(zhí)行,直到程序結(jié)束。因此程序的執(zhí)行過程是有始有終的,已經(jīng)執(zhí)行過的指令一般不會(huì)再度執(zhí)行?？墒强删幊炭刂破鞒绦蚴且粋€(gè)循環(huán)掃描程序,已經(jīng)執(zhí)行過的指令還要反復(fù)執(zhí)行,因此它是沒有始末之分的。如果把控制程序的正向行駛、反向行駛、數(shù)據(jù)顯示三個(gè)階段編排在一起而不進(jìn)行分時(shí)控制的話,由于程序的反復(fù)執(zhí)行,必然會(huì)導(dǎo)致分不清這三個(gè)階段而亂成一團(tuán)的局面。因?yàn)?正向行駛有正向行駛的任務(wù),逆向行駛有逆向行駛的安排,兩者不僅功能各異,而且執(zhí)行時(shí)間也不同。為這三個(gè)階段建立不同的狀態(tài)標(biāo)志即可。開始建立正向行駛狀態(tài)標(biāo)記,使程序只執(zhí)行與正向行駛有關(guān)的功能；然后建立逆向行駛狀態(tài)標(biāo)記且撤銷正向行駛狀態(tài)標(biāo)記,使程序只執(zhí)行與逆向行駛有關(guān)的功能；最后建立數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)標(biāo)記且撤銷逆向行駛狀態(tài)標(biāo)記,使程序只執(zhí)行與數(shù)據(jù)顯示有關(guān)的功能。同時(shí)PLC的可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、靈活運(yùn)用、使用方便、抗干擾性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單控制程序可變、體積小、質(zhì)量輕、功能強(qiáng)、適用圍較廣、成本價(jià)格越來越低,還有PLC程序?qū)崿F(xiàn)小車自動(dòng)往返順序控制,不僅具有程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易、方便、可靠性高等特點(diǎn),而且程序設(shè)計(jì)方法多樣,便于不同層次設(shè)計(jì)人員的理解和掌握。因此在我們的設(shè)計(jì)小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中都采用PLC設(shè)計(jì)。1.2設(shè)計(jì)意義通過PLC在小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,使我們更加方便的做到在工廠生產(chǎn)中得自動(dòng)化控制操作,提高了生產(chǎn)的效率,降低了勞動(dòng)的利用率和成本,同時(shí)也對(duì)PLC的更新?lián)Q代起了加快作用,促進(jìn)了社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展,為了我們以后的工作、學(xué)習(xí)、生活帶來了很大的方便第2章硬件設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)容某生產(chǎn)流水線上的一輛自動(dòng)控小車的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖2-1所示,小車在一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)由4段組成。設(shè)小車最初在端,當(dāng)按下起動(dòng)按鈕,則小車自動(dòng)循環(huán)地工作,若按下停止按鈕,則小車完成本次循環(huán)工作后停止在初始位置三相異步電動(dòng)機(jī)Y90L-2,2.2KW,2840轉(zhuǎn)／分,380V4.8A圖2-1小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)示意圖2.2設(shè)計(jì)思路由于小車分四段不同的往返運(yùn)動(dòng),現(xiàn)設(shè)定行程開關(guān)SQ1在最左端即為初始位置,行程開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4的分布和小車的運(yùn)動(dòng)軌跡都如圖2-1所示。按下起動(dòng)按鈕,小車就有最左端的初始位置向右運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)過SQ2,但SQ2不能改變小車的停止和轉(zhuǎn)向,小車?yán)^續(xù)向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)碰到SQ3時(shí),小車結(jié)束向右運(yùn)動(dòng)改向向左運(yùn)動(dòng)；當(dāng)碰到SQ2時(shí),小車結(jié)束向左運(yùn)動(dòng)改向向右運(yùn)動(dòng)；在向右運(yùn)動(dòng)的過程中碰到SQ3,但SQ3不會(huì)影響小車的運(yùn)行方向和狀態(tài),小車會(huì)繼續(xù)向右動(dòng)；當(dāng)碰到SQ4時(shí),小車結(jié)束向右運(yùn)動(dòng)改向向左做運(yùn)動(dòng),在向左運(yùn)動(dòng)的過程中小車會(huì)依次碰到SQ3、SQ2,但SQ3、SQ2都不會(huì)影響小車的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),直到小車碰到SQ1,小車會(huì)結(jié)束向左運(yùn)動(dòng)即這一次的循環(huán)運(yùn)動(dòng)結(jié)束開始新的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。在小車的運(yùn)動(dòng)過程中無論在哪一時(shí)刻,按下停止按鈕都不能使小車立即結(jié)束運(yùn)動(dòng)而停止。在按下停止按鈕后小車會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到完成本次循環(huán)碰到初始位置的行程開關(guān)SQ1,才能夠結(jié)束循環(huán),小車停止運(yùn)動(dòng)最后停在初始位置上。2.3電氣元件選擇對(duì)于每一個(gè)設(shè)計(jì)來說在選擇方法之后最重要的就是要能夠正確的選擇所使用的器件及器件型號(hào),才能夠正確的完成設(shè)計(jì)要求。在這里列出本設(shè)計(jì)所要使用的電器元件,如表2-1所示表2-1小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)電器元件選擇表序號(hào)文字符號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量1M三相異步電動(dòng)機(jī)Y90L-2,2.2KW,380V,4.8A,2840轉(zhuǎn)／分12QF低壓斷路器DZ15-6P13FR熱繼電器JR16-2014FU熔斷器RT10-5045KM交流接觸器CJ20-1026CPUPLC處理器CPU22617SB按鈕LA25-1128SQ行程開關(guān)JLXK1-1149L導(dǎo)線若干2.4I/O地址分配由于本設(shè)計(jì)是采用西門子S7-200系列PLC編程語言來設(shè)計(jì)的,所以在設(shè)計(jì)過程中要對(duì)I/O口進(jìn)行地址分配,進(jìn)而順利的完成程序設(shè)計(jì)。I/O地址分配如表2-2所示表2-2小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)I/O地址分配表輸入輸出I0.0起動(dòng)按鈕SB1Q0.0接觸器KM1電機(jī)正轉(zhuǎn)小車右行I0.1停止按鈕SB2Q0.1接觸器KM2電機(jī)反轉(zhuǎn)小車左行I0.2行程開關(guān)SQ1I0.3行程開關(guān)SQ2I0.4行程開關(guān)SQ3I0.5行程開關(guān)SQ4I0.6熱繼電器2.5I/O接線圖在設(shè)計(jì)小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中采用了西門子S7-200系列,所以對(duì)于I/O端口的連線是非常重要的,是控制小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在本設(shè)計(jì)中采用PLC處理器型號(hào)為CPU226,有輸入和輸出顯示端口,把開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制信號(hào),進(jìn)而完成控制要求。這就是體現(xiàn)了用PLC設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單和運(yùn)用方便之處,也是人們?yōu)槭裁催x擇利用PLC來設(shè)計(jì)的主要原因,因此做好I/O接線是非常重要的。I/O接線圖如圖2-2所示：圖2-2小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)I/O接線圖2.6主電路設(shè)計(jì)對(duì)于小車的循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上的設(shè)計(jì),我們通常都是通過采用控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)再又經(jīng)過設(shè)備與小車的連接,來控制小車的左右運(yùn)動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中就是通過控制三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制小車的左右循環(huán)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)三相異步電機(jī)正傳時(shí),小車向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí),小車向左運(yùn)動(dòng)。在主電路中采用兩個(gè)接觸器的動(dòng)作來控制三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)而來控制小車的循環(huán)作用運(yùn)動(dòng)。主電路圖的設(shè)計(jì)如圖2-3所示：圖2-3小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)主電路圖如圖2-3所示,閉合低壓斷路器QF,由于控制器件的作用當(dāng)使KM1閉合時(shí),三相異步電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),通過器件連接帶動(dòng)小車向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)KM2閉合時(shí),三相異步電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn),通過器件連接帶動(dòng)小車向左運(yùn)動(dòng)。通過可編程控制器件的控制,最后來完成設(shè)計(jì)的要求。第3章軟件設(shè)計(jì)3.1編程軟件介紹編程軟件采用西門子S7-200軟件可編程控制器。支持梯形圖、指令表等語言程序設(shè)計(jì),網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定,可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試,具有異地讀寫PLC程序功能。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(diǎn)就是直觀易懂,使用簡(jiǎn)單方便。對(duì)來自電氣方面的用語,通過梯形圖很容易就能掌握,同時(shí)它也是PLC的主要編程語言。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(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)。在我們編程之前要非常熟悉西門子S7-200軟件可編程控制器的指令語言,這樣我們才能夠設(shè)計(jì)出真確的控制程序。將PLC應(yīng)用到小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)化控制,降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。PLC小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有連線簡(jiǎn)單,控制速度快,精度高,可靠性和可維護(hù)性好,安裝、維修和改造方便等優(yōu)點(diǎn)。3.2軟件設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制程序之前要先非常熟悉整個(gè)運(yùn)動(dòng)的經(jīng)過,然后要熟悉指令語句。在本設(shè)計(jì)中所要運(yùn)用指令及功能如表3-1表3-1程序運(yùn)用指令說明指令功能說明LD裝入常開指令LDN裝入常閉指令A(yù)與常開指令A(yù)N與常閉指令O或常開指令ON或常閉指令=輸出指令LPS邏輯推入棧指令LPP邏輯彈出棧指令3.3系統(tǒng)流程圖在設(shè)計(jì)之前了解整個(gè)工作過程后,要先寫出整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程系統(tǒng)流程圖,以便更好的編程和理解。系統(tǒng)流程圖如3-1所示：圖3-1程序流程圖3.4程序梯形圖利用西門子S7-200進(jìn)行編程,編寫的梯形圖如下所示：3.5程序指令表在STEP7-Micro/WIN32編程軟件中輸入梯形圖,進(jìn)而生成相應(yīng)的指令表,如下所示：3.6程序分析有上述的I/O分配可以知道在該程序中,起始開關(guān)用I0.0表示,停止開關(guān)用I0.1表示,在4個(gè)位置的行程開關(guān)分別用I0.2-I0.5來表示。在這里對(duì)程序進(jìn)行分析：按下I0.0,由于中間繼電器的自鎖作用,會(huì)使M0.0一直帶電,及小車會(huì)一直處于帶電狀態(tài),當(dāng)按下I0.2時(shí)〔行程開關(guān)SQ1得電,M0.6,M0.7得電,接觸器KM1線圈帶電,由于M0.1的自鎖作用,Q0.0一直處于輸出狀態(tài),使電機(jī)一直正轉(zhuǎn),小車向右運(yùn)動(dòng)；按下I0.3〔行程開關(guān)SQ2得電不影響小車運(yùn)動(dòng)方向和狀態(tài)；按下I0.4〔行程開關(guān)SQ3得電M0.3常閉斷開,M0.1失電電機(jī)停止向右運(yùn)動(dòng),M0.3常開閉合,由于M0.2的自鎖作用,使電機(jī)一直反轉(zhuǎn),Q0.1一直處于輸出狀態(tài),小車向左運(yùn)動(dòng),M0.6失電；按下I0.3〔行程開關(guān)SQ2得電M0.5常閉斷開,M0.2失電小車停止向左運(yùn)動(dòng),M0.5常開閉合,由于M0.1的自鎖作用,Q0.0一直處于輸出狀態(tài),使電機(jī)一直正轉(zhuǎn),小車向右運(yùn)動(dòng)；按下I0.4〔行程開關(guān)SQ3得電由于M0.6失電,不影響小車運(yùn)動(dòng)方向和狀態(tài)；按下I0.5〔行程開關(guān)SQ4得電由于M1.2自鎖作用,M1.2一直得電,M1.2常閉斷開,M0.1失電電機(jī)停止向右運(yùn)動(dòng),M0.4得電,M0.4常開閉合及傳送到中間繼電器M0.0,依次類推,當(dāng)小車在I0.5站時(shí),行程開關(guān)SQ4得電,及傳送到中間繼電器M0.1。小車從開始到停止到初始位置是由于M0.2的自鎖作用,使電機(jī)一直反轉(zhuǎn),Q0.1一直處于輸出狀態(tài),小車向左運(yùn)動(dòng),M1.2常閉一直斷開,按下I0.4、I0.3不影響小車運(yùn)動(dòng)方向和狀態(tài)；當(dāng)正在按下I0.2時(shí)又進(jìn)行下一個(gè)新的循環(huán)。在運(yùn)動(dòng)過程中按下I0.1時(shí),不能夠是小車停止運(yùn)動(dòng),由于M1.3自鎖作用,M1.3一直帶電,M1.3常開閉合,只有再按下I0.2〔碰到SQ1回到初始位置M1.0得電,M1.0常閉斷開,M0.0失電,小車停止運(yùn)動(dòng),結(jié)束循環(huán)。第4章軟件調(diào)試在理論構(gòu)思設(shè)計(jì)完成以后,為了確保設(shè)計(jì)實(shí)踐的準(zhǔn)確無誤性,去實(shí)驗(yàn)室里面進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試,按一下步驟進(jìn)行調(diào)試：1、按電氣接線圖接好線。2、在STEP7-Micro/WIN32下輸入程序并編譯。3、將編譯好的程序從PC機(jī)〔STEP7-Micro/WIN32編程軟件下載到PLC主機(jī)。4、PC機(jī)在監(jiān)控狀態(tài)下調(diào)試程序。5、觀察運(yùn)行程序并進(jìn)行修改直到滿足要求,保存程序。在調(diào)試過程中所遇到的問題及解決方法如以下所示：1、小車不能一直處于起動(dòng)狀態(tài)時(shí),要用線圈的互鎖來使小車一直處于起動(dòng)狀態(tài)2、Q0.0和Q0.1輸出狀態(tài)出現(xiàn)排斥時(shí),要用Q0.0和Q0.1互鎖來解決3、按下I0.1時(shí)小車馬上停止時(shí),要添加M1.0來進(jìn)行調(diào)節(jié)經(jīng)過反復(fù)的改正和調(diào)試最終滿足了設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)心得通過這次基于PLC的小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì),不僅考驗(yàn)并加強(qiáng)了我的實(shí)際動(dòng)手能力同時(shí)還考驗(yàn)了我們將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的能力。它使得我了解到PLC這門課之所以重要并不僅僅因?yàn)樗睦碚撝R(shí)重要,而重在實(shí)踐,它與我們現(xiàn)實(shí)生活中許多應(yīng)用息息相關(guān)。除此之外也加深了對(duì)西門子S7-200軟件可編程控制器和STEP7-Micro/WIN32編程軟件的學(xué)習(xí)、理解和運(yùn)用。通過這次課程設(shè)計(jì),我體會(huì)到解決問題是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程,一個(gè)好的方案往往是經(jīng)過多次修改與完善,才最終確定下來的：一個(gè)方案設(shè)計(jì)的好壞也只有拿到