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毕业论文:小车装卸料运行PLC控制系统设计

〖来源:www.246ent.com〗
〖时间:2016年10月26日〗〖

篇一:毕业论文:小车装卸料运行PLC控制系统设计

毕业论文:小车装卸料运行PLC控制系统设计

李秋俊

摘要
基于可编程序控制器(PLC)具有功能强大、环境适应性好、编程简单、使用方便等优点,近年来PLC在工业自动控制、机电一体化、传统继电控制系统改造产业方面得到广泛地应用。本文运料小车控制系统以西门子公司的S7-200系列PLC作为载体,详细分析运料小车的工作特点,与控制要求给出恰当的系统设计方案,实现了小车装卸料PLC为载体的控制系统设计。相比于传统的继电控制的层次该控制系统价格低廉,体积小、效率高,而且能够安全可靠地进行生产,运行速度快,灵活性强,能很好的适应变化和管理。
关键词:PLC;运料小车;控制系统

一.可编程序控制器
1.1可编程控制器PLC的特点
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业工业控制计算机,在结构、性能、功能及编程手段等方面有独到的特点:
1.在结构上,具有模块结构特点。其基本的控制输入、输出和特殊功能处理模块等均可按积木式组合,有利于维护,并且使功能方便。体积小,重量轻,结构紧凑,便于安装。
2.在性能上,可靠性高。PLC的平均无故障时间一般可达3-5万小时,通过良好的整机结构设计、元器件选择、抗干扰技术的使用、先进电源技术的采用,以及监控、故障诊断等技术的采用,同时配以严格的制造工艺,使PLC在工业环境中能够可靠地工作。
3.在功能上,可进行开关逻辑控制、闭环过程控制、位置控制、数据采集及监控、多PLC分布式控制等功能。适用于机械、化工、轻工、汽车、服务等行业的工程领域,通用性强。
4.在编程手段上,直观、简单、方便、易于各行业工程人员掌握。编程语言可有多种形式,可针对不同的应用场合,供不同的开发和应用人员选择使用。其中最常用的是从继电器原理图引用出来的梯形语言。另一种是顺序功能图语言,特别适合于描述顺序控制问题。第三种是模仿过程流程的功能块语言。每一种都适合一定的应用领域。语言编辑及编译处理由PLC专用编程器或基于通用个人计算机的PC编程系统完成。编程语言的多样化使PLC得使用更方便。
1.2PLC的组成
PLC主要由中央处理单元、输入/输出接口、I/O扩展接口、编程器接口、编程器和电源等几个部分组成,如图1-1所示。

图1-1PLC的一般结构
(1)中央处理单元
PLC的中央处理单元主要用微处理器CPU,存储器ROM/RAM和微处理I/O接口组成,对整个PLC的核心起着总指挥的作用,是PLC的运算和控制中心。它的主要任务是:
1.诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。
2.用扫描方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。
3.在运行状态时,按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令,经编译解释后,按指令规定的任务完成各种运算和操作,根据运算结果存储相应数据,并更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容。
4.将存于数据存储器中的的数据处理结果和输出映像寄存器的内容送至输出电路。
5.按照PLC中系统程序所赋予的功能接收并存储从编程器输入的用户程序和数据,响应各种外部设备的工作请求。
(2)输入、输出接口
这是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备需输入PLC的各种控制信号,通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理单元能够接受和处理的信号,输出接口电路将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出。
(3)I/O扩展接口
小型的PLC输入输出接口都是与中央处理单元CPU制造在一起的,为了满足被控设备输入输出点数较多的要求,常需要扩展数字量输入输出模块,为了满足模拟量控制的需要,常需要扩展模拟量输入输出模块,I/O扩展接口就是为了各种扩展模块而设计的。
(4)通信接口
用于PLC与计算机、PLC、变频器和触摸屏等智能设备之间的连接,以实现PLC与智能设备之间的数据传送。
(5)编程器
编程器用作用户程序的编制、编辑、调制和监视,还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数,它经过编程器接口与中央处理单元联系,完成人机对话操作。
(6)电源
电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电工作所需要的直流电源,使PLC能正常工作,PLC内部电路使用的电源是整机的能源供给中心,它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性,因此目前大部分PLC均采用开关式稳压电源供电,同时还向各种扩展模块供给24V直流电源。
1.3小车送料系统方案的选择
实现小车送料系统控制有很多方法来实现,可以要单片机,可编程控制器PLC等器件来实现。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具有很高的可靠性和模块结构特点,平均无故障时间一般可达3-5万小时,安装,操作和维护也较容易;编程简单、直观,易于掌握,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,通用性强,具有很好的经济效益,此外PLC内部定时、技术资源丰富,可以方便的对送料小车的控制。
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。

二.PLC系统选择
2.1选型分析
在工程中主要根据工艺要求、控制对象、用户需要等方面选择合适的PLC,保证运行可靠,维护使用方便,以获得最佳的性能价格比,就一个控制系统而言,具体应考虑以下几方面:
(1)结构合理
对于工艺过程比较固定、环境条件较好的场合,选用整体式结构PLC,其他情况则选用模块式结构PLC。
(2)功能合理
对于开关量控制的工程项目,对其控制速度无须考虑,一般的小型机就能满足要求;对于开关量为主、带少量模拟量控制的工程目,可选用A/D、D/A转换、加减运算、数据传送功能的小型机;对于控制比较复杂、控制功能要求高的工程项目,例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网可视控制规模及复杂的程度,选用中型或大型机。
(3)机型统一
同一机型的PLC,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理;其功能及编程方法统一,有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发,其外部设备通用,资源可共享,配以上位计算机后,可把控制各独立系统的多台PLC连成多级分布式控制系统,相互通信、集中管理。
(4)是否在线编程
PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。离线编程的PLC,其特点是主机和编程器共用一个CPU,节省了大量的硬件和软件,编程器的价格也比较便宜,中、小型多采用离线编程。在线编程的PLC,其特点是主机和编程器各有一个CPU,增加了硬件和软件,故价格高,领域较宽,大型PLC多采用在线编程。是否在线编程,应根据被控制设备工艺要求的不同来选择。对于产品定型的设备和工艺不常变动的设备,应选用离线编程的PLC,反之,可考虑选用在线编程的PLC。
综合以上的参考和计算需要,最终选择欧姆龙S7-200系列的PLC,此PLC在各方面都能达到要求而且性价比比较高。
2.2系统的安装
无远程功能的PLC用在单机或控制范围不大的系统,有远程功能的PLC则用于大范围的控制系统。远程系统中,本地站一般设在集中控制室,远程站一般设在低压配电室或仪表室,这样可使PLC的外部接线最短,PLC忌装在高温、结凝、特别是有振动冲击的场所。
2.3输入/输出模块的选择
输入模块的类型分直流5V、12V、24V、48V和60V几种,交流115V和220V两种。由现场设备与模块之间的远近程度选择电压的大小。一般5V、12V、24V属低电平,传输距离不宜太远,如5V的输入模块最远不能超过10m,也就是说,距离较远的设备选用较高电压的模块比较可靠。另外,高密度的输入模块如32点、64点,同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般而言,接通点数不得超过60%。为了提高系统的稳定性,必须考虑门槛(接通电平与关断电平之差)电平的大小,门槛电平值越大,抗干扰能力越强,传输距离也就越远。
对于开关频率高、电感性、低功率因数的负载,推荐使用晶闸管输出模块,缺点是模块价格高,过载能力稍差。继电器输出模块的优点是适用电压围宽,导通压降损失小,价格低;其缺点是寿命较短,响应速度较慢。
2.4抗干扰措施
由于产生干扰的因素是复杂而多样的,因此采取的抗干扰措施要根据情况而定。PLC供电电源一般为AC85—240V,适应电源范围较宽,但为了抗干扰,应加装电源净化元件(如电源滤波器、1:1隔离变压器等):隔离变压器也可以采用双隔离技术,即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地,次级线圈屏蔽层接PLC输入电路的地,以减少高低频脉冲干扰。设置一个PLC信号专用接地装置。该装置不能和防雷接地装置、电气设备接地装置有金属连接,接地电阻可参见使用说明书,一般小于100Ω即可,接地线进入PLC控制柜中的信号接地端子排。当出现干扰时将PLC地接线端子与信号接地端子排相连。

三.控制系统设计
3.1运料小车的运动流程
某自动生产线上运料小车的运动,SQ0至SQ5是行程开关,SQ6、SQ7是左右的限位开关,小车到达SQ6、SQ7不可以继续。SB0至SB5相对于是行程开关的呼叫按钮,当按下呼叫按钮时,到达相应的行程开关地点小车停止装料,然后按下SB0小车自动左行至SQ0进行卸料,如图3-1所示:

图3-1运料小车的运动
3.2小车装卸料系统控制的操作方法
1.小车的起动
按下启动按钮,小车会在没有选择呼叫的情况下自动向右运动,此时及时按下需要的按钮;在小车位置与呼叫位置不相同的情况下,程序使小车自动选择方向。小车在电动机M1的拖动下,电动机M1正转时小车右行,电动机M1反转时小车左行;电动M2正转时装料,电机M2反转时卸料。
2.小车的停止
工作过程中,当选择按钮号与小车位置压下的行程开关号相同时,按下启动按钮,小车停止不动;当选择按钮号大于小车位置压下的行程开关号时,按下启动按钮,小车向右运行直至两者相等时,小车停止;当选择按钮号小于小车位置压下的行程开关号时,按下启动按钮,小车向左运行直至两者相等时,小车停止;按下急停按钮,小车能自动停车。
3.小车的装卸料过程
当小车装料时,定时器开始计时,5S后,定时器定时时间到,下一个信号才能响应;装料完毕,按下选择按钮SB0,小车向左运行直至SQ0时,小车停止并卸料;小车装卸料时,定时器开始计时,5S后,定时器定时时间到,下一个信号才能响应。
3.3运料小车控制系统流程图
控制系统流程通过比较小车当前位置与呼叫位置决定小车运行,当小车当前位置与呼叫位置信号位置相同时,则小车停止;每次只允许出现一个呼叫信号,其实现方法可以采用竞争电路实现,具体实现方法见下文控制程序部分,如图3-2所示:

图3-2运料小车控制系统流程

四.程序设计
4.1主电路电器原理图的设计
KM1和KM2分别是控制电动机正转运行(小车前进)和反转运行(小车后退)的交流接触器并组成了硬件互锁电路,可以避免导致原来接触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电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,如图4-1所示:

图4-1主电路电器原理图
4.2PLC框架配置图设计
运料小车PLC框架配置图,主要由启动、停止、8个行程开关和6个呼叫按钮,S7-200系列CPU226的PLC,三相异步电动机组成,运料小车PLC框架配置如图4-2所示:

图4-2PLC框架配置
4.3PLC运料小车I/O分配表
PLC运料小车I/O分配表序号1~16为输入端,I0.0~I0.5为0~5号站到位行程开关,I0.6为停止按钮,I0.7为启动按钮,I1.0~I1.5为0~5号站呼叫行程开关,I2.0为6号站限位行程开关I2.1为7号站限位行程开关,序号17~26为输出端,Q0.0~Q0.7为0~7号站行程开关指示,Q1.0为电动机KM2,Q1.1为电动机KM1具体的I/O分配表,如下表4-3所示:
表4-3运料小车I/O分配表
序号 PLC地址 说明
1 I0.0 0号站到位行程开关SQ1
2 I0.1 1号站到位行程开关SQ2
3 I0.2 2号站到位行程开关SQ3
4 I0.3 3号站到位行程开关SQ4
5 I0.4 4号站到位行程开关SQ5
6 I0.5 5号站到位行程开关SQ6
7 I0.6 停止按钮
8 I0.7 启动按钮
9 I1.0 0号站呼叫行程开关SB0
10 I1.1 1号站呼叫行程开关SB1
11 I1.2 2号站呼叫行程开关SB2
12 I1.3 3号站呼叫行程开关SB3
13 I1.4 4号站呼叫行程开关SB4
14 I1.5 5号站呼叫行程开关SB5
15 I2.0 6号站限位行程开关SQ6
16 I2.1 7号站限位行程开关SQ7
17 Q0.0 0号站行程开关指示
18 Q0.1 1号站行程开关指示
19 Q0.2 2号站行程开关指示
20 Q0.3 3号站行程开关指示
21 Q0.4 4号站行程开关指示
22 Q0.5 5号站行程开关指示
23 Q0.6 6号站行程开关指示
24 Q0.7 7号站行程开关指示
25 Q1.0 电动机KM2
26 Q1.1 电动机KM1
4.4PLC运料小车I/O接线图
S7-200系列CPU226,CPU226的主要的技术参数:输入24VDC,24点;输出220VAC,16点;电源电压为220V50Hz,运料小车I/O接线图,如图4-4所示:

图4-4运料小车I/O接线图
4.5梯形图设计

五.控制系统的调试
5.1编程软件
编程软件采用西门子S7-200系列的226PLC,CPU226集成24输入/24输出共48个数字量I/O点。可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间,6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MP1通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器,适用于各行各业。
5.2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S7-200系列的PLC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5-1所示:
图5-1仿真

总结
本文主要介绍了运料小车的特点及系统方案的选择,可编程控制器PLC的概述,PLC的选型及该PLC所连接的控制系统的设计过程。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,在老师的开导下以及同学的帮助下,我在本文中解决了如下问题:了解了一些关于S7-200系列PLC的控制系统知识;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6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S7-200系列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。
对于PLC的学习,从S7-200系列编程软件的摸索,到认识,当然由于自己所编的程序相对比较简单,所以对这个软件的认识也不是十分的深入,但是通过这次的自我学习,也学到了许多的知识。论文我尽我的能力做好了,我想肯定有很多不恰当不完善的地方,希望指导老师能够指正!

致谢
本设计的完成是在我的导师刘国华老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中,花费了刘老师很多宝贵的时间和精力,在此向导师表示衷心地感谢!导师严谨的治学态度,开拓进取的精神和高度的责任心都将使我受益终生!是我三年学习生活的最大收获,使我受益非浅。
还要感谢和我同一设计小组的几位同学,是你们在我平时设计中和我一起探讨问题,并指出我设计上的误区,使我能及时的发现问题并把设计顺利的进行下去,没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿,在此表示深深的谢意。
在论文的写作过程中,遇到了挫折,但听了刘老师的教导,慢慢地就摆正了心态,坚持到了最后。从中学到了做任何事情要有态度和心态,明白了做学问要一丝不苟,对于发现其过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视,要通过正确的途径去解决,在做事情的过程中要有耐心和毅力,不要一遇到困难就打退堂鼓,只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的,而且还要学会与人合作,这样做起事来就可以起到事半功倍的效果。
谨以此结束全文,感谢所有关心和帮助我的人。

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