生产流水线运料小车的控制系统设计

生产流水线运料小车的控制系统设计 课题名称:生产流水线运料小车的控制系统设计 摘要 可编程序控制器是近年来一种发展极为迅速，应用极为广泛的工业控制装置。可编程控制器(PLC)具有编程软件采用易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，现在的工业自动化生产控制多采用可编程控制器来实现。 将组态软件应用到PLC实验中，在计算机上虚拟仿真PLC的控制对象，解决了可编程序控制器实验无控制对象、不直观、难以理解等问题。针对目前常用可编程控制器监控的不足，提出了以组态软件为开发平台，实现可编程控制器工作状态计算机图形监控的方法。应用实例明，该方法有利于及时确定并排除故障;且简单便利，能在保证系统性能的前提下，缩短开发周期。 关键词 可编程序控制器;梯形图语言 I Abstract Programmable controller is a special digital running electrician system which design for industry circumstances.Because PLC has outstanding function,also has perfect function competence,plus flexibility better current use of computer’s Form electronic control equipment which core on microcomputer PLC control technology. Because PLC has so many merits,now industry product mostly adopt PLC to bring about . To apply Configuration software to the experiment of PLC. With the control object of PLC simulated on computer,problems which often arise in the experiment of PLC such as having no control object,process and results unperceivable,hard to comprehend etc are avoided. Considering the shortcoming of PLC monitor method commonly used at present,the computer diagram PLC monitor method for working condition is proposed,which is based on MCGS configuration software as development platform. The application example shows that the method proposed is facilitate to determinate and remove troubles in time. In addition,the method is easy to use and can shorten the period of development with the guarantee of the system performance. Keywords Programmable controller, electronic control equipment II 目 录 第一章 绪论 ............................................................... 2 第二章 可编程控制器简介 ................................................... 3 2.1 PLC的结构及各部分的作用 ............................................ 4 .1.1 主机 .......................................................... 4 2 2.1.2 输入/输出(I/O)接口 .......................................... 4 2.1.3 电源 .......................................................... 5 2.1.4 编程 .......................................................... 5 2.1.5 输入/输出扩展单元 ............................................. 5 2.1.6 外部设备接口 .................................................. 5 2.2 PLC的工作原理 ...................................................... 5 2.3 PLC的程序编制 ...................................................... 6 2.3.1 编程元件 ...................................................... 6 2.3.2 编程语言 ...................................................... 6 2.3.3 触点指令 .................................................. 7 2.3.4 可编程控制器梯形图编程的几个步骤 .............................. 8 运料小车控制系统的论证 ........................................... 9 第三章 3.1 运料小车控制系统的控制内容与要求 ................................... 9 3.2 运料小车的控制系统主回路 .......................................... 10 3.3 方案论证 ......................................................... 11 第四章 运料小车控制系统的总体设计 ......................................... 12 4.1 PLC 选型 .......................................................... 12 4.2 控制程序设计 ...................................................... 13 4.3 程序设计 .......................................................... 14 4.4 程序说明 .......................................................... 14 总 结 ..................................................................... 15 参考文献 ................................................................... 16 1 基于PLC的运料小车控制系统设计 第一章 绪论 运料小车是工业运料的主要设备之一，广泛用于自动生产线、冶金、有色金属、煤矿、港口、马头等行业。各工序之间的物品常用有轨小车来转运，小车通常采用电动机驱动，电动机正转小车前进，电动机反转小车后退。 随着现代工业设备的自动化越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面自动 化器件来控制，因此自动化程度越来越高。电器控制技术是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展的。可编程序控制器的起源可以追溯到60年代，1969年美国DEC公司研制出第一台可编程序控制器。70年代初期出现了为处理器和微型计算机，微机技术被用到PLC不仅具有逻辑控制的功能,而且还增加了运算、数据传送和处理等功能，成为具有计算机功能的工业控制装置。80年代以后，工业过程控制得到了一个飞跃的发展，一方面现代控制理论从本质上解决了一般多变量系统的控制问题，包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分积分系统等，从而大大促进了过程控制的发展;另一方面，过程控制的结构已从包括许多手动控制的分散局部控制站改变为具有高度自动化的集中运动控制中心，使得过程控制的概念有了很大的发展，它不仅包括数据采集与管理、基于过程控制，而且包括先进的管理系统、调度和优化等。专家系统、神经网络、模糊控 [1]制、过程监督和在线诊断等理论已经大大地促进了过程控制的发展。 当今PLC具有采集与处理大量数据、完成数学运算与其它智能器件通信的能力，以及 具有先进的人—机对话手段，还大量应用于开关逻辑控制、运动控制、闭环过程控 制等领域。近年来由于现场总线理念的出现和相关标准的建立，以及产品的迅速发展，PLC成为现场总线的一个重要组成部分，进一步扩大了PLC的应用领域。 运料小车控制系统采用了PLC控制。从运料小车的工艺流程来看，其控制系统属于自动控制与手动控制相结合的系统，因此，此运料小车电气控制系统设计具有手动和自动两种工作方式。在程序设计上采用了模块化的设计方法，这样就省去了工作方式程序之间复 杂的联锁关系，从而在设计和修改任何一种工作方式的程序时，不会对其它工 作方式的程序造成任何影响，使得程序的设计、修改和故障查找工作大为简化。 运料小车控制系统的软件部分的公用程序、手动程序、信号显示和故障报警程序采用经验法设计，自动程序则采用顺序控制法设计。运料小车是基于PLC控制系统来设计的，控制系统的每一步动作都直接作用于运料小车的运行，因此，运料小车性能的好坏与控制系统性能的好坏有着直接的关系。运料小车能否正常运行、工作效率的高低都与控制系统 2 基于PLC的运料小车控制系统设计 密不可分。所以，对运料小车控制系统的设计要予以重视。 作为当代大学一名自动化学生，一定要具有善于解决生产中的实际问题的能力。通过对本 课题的研究与设计将使我更进一步加深对理论知识的理解，教会我怎样查阅相关资料及有效地利用网络资源，也让我学会CAD等绘图软件，教会我怎样去选择、计算设计过程中所需元件的主要技术参数，也让我懂得了面对不懂的问题只有一步一步循序渐进地进行探究才不会感到迷茫与无助。因此对本课题的研究设计是一次很具实际意义的锻炼机会，是我们走向社会必不可少的一步。 第二章 可编程控制器简介 随着微处理器，计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制技术已经渗透到所有工业领域。当前用于工业控制的计算机可分为:可编程控制器，基于PC总线的工业控制计算机，基与单片机的测控装置，用于模拟量闭环控制的可编程调节器，集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。可编程控制器是应用广泛，功能强大，使用方便的通用工业控制装置，已成为当代工业自动化的重要支柱.近几年来，在国内已得到迅速推广普及。正改变着工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。 可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容写入控制器的用户程序内，控制器和被控对象连接也很方便。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。 3 基于PLC的运料小车控制系统设计 可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易和个人计算机(Personal Computer)混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学;调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。 2.1 PLC的结构及各部分的作用 PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。 2.1.1 主机 主机部分包括中央处理器(CPU)、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备(如电脑、打印机等)的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改;另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。 2.1.2 输入/输出(I/O)接口 I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备(如按钮、传感器、触点、行程开关等)的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备(如接触器、电磁阀、指示灯等)。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。 4 基于PLC的运料小车控制系统设计 2.1.3 电源 电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。 2.1.4 编程 编程是PLC利用外部设备，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。通过专用的PC/PPI电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的编程软件进行电脑编程和监控。 2.1.5 输入/输出扩展单元 I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元(即主机)连接在一起。 2.1.6 外部设备接口 此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。 2.2 PLC的工作原理 PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 PLC在输入采样阶段:首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。 PLC在程序执行阶段:按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。 输出刷新阶段:当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶闸管)输出，驱动相应输出设备工作。 5 基于PLC的运料小车控制系统设计 2.3 PLC的程序编制 2.3.1 编程元件 PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。编程时要使用到各种编程元件，它们可 提供无数个动合和动断触点。编程元件是指输入映像寄存器、输出映像寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。PLC内部这些存储器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则是 表示相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开。所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器。 2.3.2 编程语言 所谓程序编制，就是用户根据控制对象的要求，利用PLC厂家提供的程序编制语言，将一个控制要求描述出来的过程。PLC最常用的编程语言是梯形图语言和指令语句表语言，且两者常常联合使用。 1、梯形图(语言) 梯形图是一种从继电接触控制电路图演变而来的图形语言。它是借助类似于继电器的动合、动断触点、线圈以及串、并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形，直观易懂。 梯形图中常用图形符号分别表示PLC编程元件的动断和动合接点;用( )表示它们的线圈。梯形图中编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数加以区别。触点和线圈等组成的独立电路称为网络，用编程软件生成的梯形图和语句表程序中有网络编号，允许以网络为单位给梯形图加注释。 梯形图的设计应注意到以下三点: (1)梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行(或称梯级)起始于左母线，然后是触点的串、并联接，最后是线圈，与能流的方向一致。 (2)梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是用来形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。 (3)输入寄存器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入寄存器的触点，而不出现其线圈。输出寄存器则输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出寄存器线圈得电时，就有信号输出，但不是 6 基于PLC的运料小车控制系统设计 直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出寄存器的触点也可供内部编程使用。 2、指令语句表 指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言，它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言易懂易学，若干条指令组成的程序就是指令语句表。一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。 2.3.3 标准触点指令 LE常开触点指令，表示一个与输入母线相连的动合接点指令，即动合接点逻辑运算起始。 LDN常闭触点指令，表示一个与输入母线相连的动断接点指令，即动断接点逻辑运算起始。 A 与带开触点指令，用于单个动合接点的串联。 AX 与非常闭触点指令，用于单个动断开接点的串联。 O 或常开触点指令，用于单个动合接点的接点的并联。 ON 或非常闭触点指令，用于单个动断接点的并联。 LD、LDN、A、AN、O、ON触点指令中变量的数据类型为布尔(BOOC)型。LD、LDN O、ON指令均多次重复使用，但当需要对两两条指令用于将接点接到母线上，A、AN、 个以上接点串联连接电路块的并联连接时，要用后述的OLDB指。 1、串联电路块的并联连接指令OLD 两个或两个以上的接点串联连接的电路叫串联电路块。串联电路块并联连接时，分支开始用LD、LDN指令，分支结束用OLD指令。OLD指令与后述的ALD指令均为无目标元件指令，而两条无目标元件指令的步长都为一个程序步。OLD有时也简称或块指令。 2、并联电路的串联连接指令ALD 两个或两个以上接点并联电路称为并联电路块，分支电路并联电路块与前面电路串联连接时，使用ALD指令。分支的起点用LD、LDN指令，并联电路结束后，使用ALD指令与前面电路串联。ALD指令也简称与块指令，ALD也是无操作目标元件，是一个程序步指令。 3、输出指令 输出指令与线圈相对应，驱动线圈的触点电路接通时，线圈流过“能流”，输出类指令应放在梯形图的最右边，变量为Bool型。 4、置位与复位指令S、R S为置位指令，使动作保持;R为复位指令，使操作保持复位。从指定的位置开始的 7 基于PLC的运料小车控制系统设计 N个点的映像寄存器都被置位或复位，N=1,255如果被指定复位的是定时器位或计数器位，将清除定时器或计数器的当前值。 5、跳变触点EU，ED 正跳变触点检测到一次正跳变(触点得输入信号由0到1)时，或负跳变触点检测到一次 ，触点接通到一个扫描周期.正/负跳变的符号为EU和负跳变(触点得输入信号由1到0)时 ED，他们没有操作数，触点符号中间的“P”和“N”分别表示正跳变和负跳变 6、空操作指令NOP NOP指令是一条无动作、无目标元件的1程序步指令。空操作指令使该步序为空操作。用NOP指令替代已写入指令，可以改变电路。在程序中加入NOP指令，在改动或追加程序时可以减少步序号的改变。 7、程序结束指令END END是一条无目标元件的1程序步指令。PLC反复进行输入处理、程序运算、输出处理，若在程序最后写入END指令，则END以后的程序就不再执行，直接进行输出处理。在程序调试过程中，按段插入END指令，可以按顺序扩大对各程序段动作的检查。采用END指令将程序划分为若干段，在确认处于前面电路块的动作正确无误之后，依次删去END指令。要注意的是在执行END指令时，也刷新监视时钟。 2.3.4 可编程控制器梯形图编程的几个步骤 1、决定系统所需的动作及次序 当使用可编程控制器时，最重要的一环是决定系统所需的输入及输出，这主要取决于系统所需的输入及输出接口分立元件。 输入及输出要求: (1) 第一步是设定系统输入及输出数目，可由系统的输入及输出分立元件数目直接取得。 (2)第二步是决定控制先后、各器件相应关系以及作出何种反应。 2、将输入及输出器件编号 每一输入和输出，包括定时器、计数器、内置寄存器等都有一个唯一的对应编号，不能混用。 3、画出梯形图 梯形图设计规则: (1)触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。应根据自左至右、自上而下的原则和对输出线圈的几种可能控制路径来画。 8 基于PLC的运料小车控制系统设计 (2)不包含触点的分支应放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。 (3)在有几个串联回路相并联时，应将触头多的那个串联回路放在梯形图的最上面。在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。这种安排，所编制的程序简洁明了，语句较少。 (4)不能将触点画在线圈的右边，只能在触点的右边接线圈。 4、将梯形图转化为程序 把继电器梯形图转变为可编程控制器的编码，当完成梯形图以后，下一步是把它编码成可编程控制器能识别的程序。这种程序语言是由地址、控制语句、数据组成。地址是控制语句及数据所存储或摆放的位置，控制语句告诉可编程控制器怎样利用数据作出相应的动作。 5、在编程方式下用键盘输入程序。 6、编程及设计控制程序。 7、测试控制程序的错误并修改。 8、保存完整的控制程序。 第三章 运料小车控制系统的方案论证 3.1 运料小车控制系统的控制内容与要求 某生产流水线有1号、2号和3号三个加工点，每个加工点均设置有一个行程开关ST和一个呼叫开关SB。各加工点之间有一个运料车，对运料车的控制要求如下: 1、运料车应响应呼叫位发出的信号而运行，运行到呼叫位后，触及该位置的形成开关，停止运行。 2、运料车的运行方向由呼叫位的位置号与运料车当前停留的位置号决定，若呼叫位置号大于运料车停留位置号时，运料车右行;反之左行。 3、若两处先后呼叫运料车，先呼叫者优先，后呼叫者无效。 运料车示意图如下所示: 9 基于PLC的运料小车控制系统设计 运料车示意图 3.2 运料小车的控制系统主回路 运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转，小向右行。电动机正反转主回路如图所示: 三相异步电动机正反转电路图 在生产线上装料点A、卸料点B分别装有行程开关，以判别小车是否到达位置。另外对小 10 基于PLC的运料小车控制系统设计 车还需要一个总停按钮，两个启动按钮。 3.3 方案论证 早期运料小车电气控制系统多为继电器-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。 后来，单片机应用到运料小车控制系统中。单片机有优异的性能价格比、集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制功能强、低功耗、低电压，便于生产便携式产品，外部总线增加了I C及SPI，单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。单片机编程方法复杂，不容易上手，使用于简单应用。 将PLC应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。PLC运料小车电气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，安装、维修和改造方便等优点。 运料小车控制系统的控制系统构成图下所示: 运料小车控制系统图 11 基于PLC的运料小车控制系统设计 第四章 运料小车控制系统的总体设计 4.1 PLC 选型 根据控制要求，系统的输入量有:启、停按钮信号，1号位,3号位的限位开关ST1,ST3信号，1号位,3号位的呼叫开关SB1,SB3信号;系统的输出信号有:前进、后退控制电机接触器驱动信号，电机运行的声光信号。共需实际输入点数11个，输出点数4个。本文选用日本松下公司的FP-SIGMA产品。小车行驶控制系统PLC的I/O资源配置表如下表所示: 序号 元件名 设备名 作用 1 X0 SB0 启动按钮开关 2 X1 SB1 1号站呼叫按钮 3 X2 SB2 2号站呼叫按钮 4 X3 SB3 3号站呼叫按钮 5 X11 ST1 1号站到位行程开关 6 X12 ST2 2号站到位行程开关 7 X13 ST3 3号站到位行程开关 8 Y0 KM0 电机正转继电器 9 Y1 KM1 电机反转继电器 12 基于PLC的运料小车控制系统设计 4.2 控制程序设计 本程序设计的关键是处理好呼叫按钮和到位开关的位置关系，为此我们采用了将每个位置的行程开关与每个位置的按钮记录到数据寄存器中去，如将运料小车当前位置送到数据寄存器DT0中，将呼叫工作台号送到数据寄存器DT1中，然后通过比较DT0与DT1中的数据，决定运料小车运行方向和达到的目标位置。 流程图 控制系统流程图如下图所示，通过比较小车当前位置和呼叫信号位置决定小车运行方向，当小车当前位置与呼叫信号位置相同是，则小车停止运行;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。 13 基于PLC的运料小车控制系统设计 4.3 程序设计 4.4 程序说明 程序解释如下; 第1段:按下启动按钮后 ，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D1>D0时，即小车当前所处停站的编码小于呼叫按钮的编码是，M0得电，Y0有输出，接通基础器KM0，小车向右运行;当D0=D1时，小车不动，当D1