运料小车PLC控制系统设计-毕业作品网站

可编程逻辑控制器，简称PLC，是一种工业控制微型计算机。它的编程方便、操作简单尤其是高通用性等优点，使它在工业生产过程中得到了广泛的应用。其中的一个应用便是运料小车的控制，主要用到的便是他的逻辑控制功能。

运料小车是工业运料的主要设备之一，广泛应用于冶金、有色金属、煤矿、等行业。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。本文将介绍一种的先进控制系统来对运料小车进行自动控制。

此系统把PLC控制技术与变送器调速相结合，利用PLC控制变频器，再通过PLC优良的调速性能，可实现小车的自动化控制，降低系统的运行费用。此运料小车自动控制系统以可编程控制器为核心。其中PLC在现场对变送器调速系统进行控制，变送器按PLC的命令对小车电机进行变频调速控制，整个系统具有连线简单，控制速度快，稳定性、可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。

第1章绪论

1.1 PLC的发展及其应用

PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC 。

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。在PLC中，用户程序的存储容量有的是用编程的步数来表示，每编一条语句为一步；有的是以字为单位来计算，16位二进制数为一个字节，每1024个字节为1KB；有的是以编程的地址来表示，每编一条语句为一地址。目前大型PLC的存储容量是几百KB，最高可达几MB。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。目前大中型PLC的扫描速度可达0．2ms／KB左右。如欧姆龙公司的C1000H为0．4ms／KB，三菱公司的A3N为0．2ms／KB。

PLC主要有超大型和超小型两个发展趋势。超小型PLC向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低方向发展，以真正完全取代最小的继电器系统。超大型PLC向大容量、高速度、多功能方向发展，能与计算机组成分布式控制系统，实现对工厂生产全过程的集中管理。

在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高，除了大多数PLC使用的梯形图语言外，还有些PLC采用BASIC、C语言等高级语言编程。美国生产的PLC在基本控制方面编程语言已标准化，均采用梯形图编程，日本、英国也进入了标准化阶段，法国还采用专用编程语言GRAFCET，德国采用DIN40719标准编程语言。

为了满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I／O模块、通信和人机接口模块等，扩大了PLC应用范围。目前加强PLC联网与通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网和通信可分为两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC制造厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有通信模块用于与计算机通信。

1.2 PLC的特点

考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，PLC配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图非常接近。而且某些仅有开关量逻辑控制功能的PLC只有十几条指令。通过阅读PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

PLC的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。组成系统后，如果工艺变化，可以通过修改用户程序，方便快速地适应变化。

绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC的平均无故障间隔时间高，如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障间隔时间长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序很容易掌握，设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。

PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。用更换模块的方法可以迅速地排除PLC的故障。

2.1 运料小车时序流程思想分析

操作面板上有起动(ON)按钮、停止(OFF)按钮、复位(RESET)按钮和自动／手动(AUTO／MAN)按钮。此外，还有手动控制按钮工作的按钮，它们是前进、后退、装载和卸载。手动控制按钮在手动模式下有效。初始状态为空载并位于左端，复位后，回到初始状态。

运料小车在左端装载货物，位于左端的压力传感器1检测小车车厢货物是否装满，检测到装满后做前进运行，系统PLC控制变频器，运行速度为v1，运至右端；到达右端的限位开关2，此时小车停止运行，然后卸载货物；位于右端的压力传感器2检测是否卸载结束，卸载结束后做后退运行，系统PLC控制变频器变速，其运行速度为v2，退回左端。运料小车在左右两端的位置时，限位开关提供信号。小车的料仓卸空或装满时，传感器提供信号。

首先，按下操作面板上的装载按钮，开始装载货物，当压力传感器检测到装载完毕后，自动停止装载；按下前进按钮，系统PLC控制变频器，以速度v1向右端前进，到达右端的限位开关后，停止前进；按下卸载按钮，开始卸载货物，当压力传感器检测到货物卸载完毕后，自动停止卸载；按下后退按钮，系统plc控制变频器，以速度v2快速向左端后退，到达左端的限位开关后，自动停止后退。此时可以开始下一轮的运行。

供料站为生产线上的后续站点提供工件。工件在料仓内排列，通过伸缩杆将工件推到指定位置，伸缩杆退回，然后由摆动杆气动装置将工件吸在吸盘上，并转送到指定位置。伸缩缸和摆动缸上有位置传感器，料仓有传感器判定料仓是否空，吸头上有传感器判定是否吸住工件。如图2-2所示。

2.2 运料小车PLC控制系统流程图分析

第3章系统的硬件设计

3.1 PLC的选择

CPU是PLC的核心，其作用类似于人的大脑。它能够识别用户按特定格式输入的指令，并按照指令完成预定的控制任务。另外，它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统测试与诊断功能。

PLC的存储器有两种：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器主要用于存放系统正常工作所必须的程序，如系统诊断程序、键盘输入处理程序、指令解释程序、监控程序等。这些程序与用户无直接关系，已由厂家直接固化进EPROM中，不能由用户直接存取、修改。用户程序存储器主要存放用户程序（用户利用PLC的编程语言按不同控制要求所编制的控制程序或数据，这相当于设计继电器控制系统硬接线的控制电路图），可通过编程器进行修改。

输入输出（I／O）单元是PLC与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成CPU能接收和处理的数字信号。输出单元接收经过CPU处理过的输出数字信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。

电源部件是把交流电转换成直流电的装置，它向PLC提供所需要的直流电源。电源组件具有很高的抗干扰能力，适合工业现场使用，供电稳定、安全可靠。电源组件内还装有备用锂电池，以保证在断电时保存必要的信息。

每种PLC都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统。PLC扩展模块内不设CPU，仅对I/O通道进行扩展，不能脱离主机独立实现系统的控制要求。

外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、图形监控系统等。其中编程器是PLC必不可少的重要外围设备，由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视PLC的工作状态。

编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且需将梯形图转化为助记符后才能送入。智能型编程器又称图形编程器，它既可联机编程，又可脱机编程，具有图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话，但价格较贵。现在也可在个人计算机上填加适当的硬件接口，利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编程器使用，而且还可以在计算机上实现模拟调试。

PLC与打印机相连可将过程信息，系统参数等输出打印。当与监视器相连时可将控制过程图象显示出来。当PLC与PLC相连时，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。当PLC与计算机相连时，可组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。

① 输入部分——这部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。输入端子外接行程开关、按钮等的触头，内连输入继电器线圈。输入继电器由外部信号通过输入端子驱动，可提供无限多对常开、常闭的软触点供内部使用。

② 内部控制电路——由用户根据控制要求编制的程序所组成，其作用是按用户程序的控制要求对输入信号进行运算处理，判断哪些信号需要输出，并将得到的结果输出给负载。

PLC内部有许多类型的器件，如定时器（T）、计数器（C）、辅助继电器（M）等，它们都有许多对用软件实现的常开、常闭触点。编写的梯形图是将这些软器件进行内部接线，完成被控设备的控制要求。

③ 输出部分——这部分的作用是驱动外部负载，所以输出端子是PLC向外部负载输出信号的端子，其内连输出继电器（Y）的一对常开触点。输出继电器除提供一对常开触点驱动负载以外，还可以提供无数对常开、常闭触点供内部使用。

①输入采样阶段——PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的状态读入到输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内采样结果不会改变，而且将在PLC执行程序时被使用。

②程序执行阶段——PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器和元件映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入元件映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。

功能不同，PLC可分低档、中档、高档机三类。低档机具有逻辑运算、计时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能。还可能增设少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、远程I／O、通信等功能。中档机除具有低档机的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I／O、子程序、通信联网等功能。还可以增设中断控制、PID控制等功能。高档机除具有中档机的功能外，还有符号算术运算（32位双精度加、减、乘、除和比较）、矩阵运算、位逻辑运算（置位、清除、右移、左移）、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、表格功能及表格传送等。高档机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制，构成全PLC的分布式控制系统，或整个工厂的自动化网络。

按结构形式可分为整体式和模块式。整体式PLC是将电源、CPU、I／O部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点，一般小型PLC采用这种结构。模块式PLC是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I／O模块、电源模块（有的包含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块插在框架的插座上，有的PLC没有框架，各种模块安装在底板上。这种结构的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型PLC采用模块式结构。

I／O总点数可分为小型、中型和大型三类。小型PLC的I／O点数为256点以下，其中小于64点为超小型或微型PLC。中型PLC的I／O点数为256点到2048点以下。大型PLC的I／O点数为2048点以上，其中I／O点数超过8192点为超大型PLC。

3.2 分配I/O接口

从物理学角度看，任何一个物体上受到的压力都应包括大气压力和被测介质的压力（一般称为表压）两部分。作用在被测物体上这两部分压力总和称为绝对压力。 P绝 = P表 + 大气压。

1、为了保证压力测量精度，最小压力测量值应高于压力表测量量程的1/3；
      2、对需远距离测量或测量精度要求较高的场合，应选择压力传感器或压力变送器；
      3、在测量精度要求不高时，可选择电阻或电感式、霍尔效应式远传压力表；
       4、压力变送器、压力开关应根据安装场所防爆要求合理选择

4.1 软件介绍

PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

4.2 PLC编程语言介绍

在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。

梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。

功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来发展起来的一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，使系统的操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。

功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的控制运算或控制功能。功能模块可以分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同。由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方案的更改、信号连接的替换等操作可以很方便实现。结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。它是一种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的可编程序控制器系统中，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。它也被用于集散控制系统的编程和组态。 

结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。

4.3 程序的分析与设计

PLC的基本技术是扫描技术。当 PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

在输入采样阶段， PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

在用户程序执行阶段， PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

当扫描用户程序结束后， PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

4.4 运料小车PLC控制系统程序

结束语

通过这次对小车自动运料的PLC控制的设计，让我对基本的PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理和工作原理。虽然本次毕业设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做毕业设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己处理问题快一些，少走弯路。多改变自己的设计方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样才能使问题解决得更加完美！

在毕业设计的过程中，有很多困难，无论是在理论学习阶段，还是在实际操作的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。借此机会我向老师表示衷心的感谢！同时我也要感谢我的同学给予我的帮助，他们为我的毕业设计提供了不少建议和帮助。

总之本次毕业设计在几个月的忙碌中完成了，但通过该毕业设计让我收获颇多。虽然觉得很累，最终的成功让我觉得再苦再累也是值得的！付出总会有收获的，用辛勤的劳动得到的东西和知识感觉就是不一样。

目录

摘要

第1章绪论

1.1 PLC的发展及其应用

1.2 PLC的特点

2.1 运料小车时序流程思想分析

2.2 运料小车PLC控制系统流程图分析

第3章系统的硬件设计

3.1 PLC的选择

3.2 分配I/O接口

4.1 软件介绍

4.2 PLC编程语言介绍

4.3 程序的分析与设计

4.4 运料小车PLC控制系统程序

结束语

目 录

摘 要

第1章 绪论

1.1 PLC的发展及其应用

1.2 PLC的特点

2.1 运料小车时序流程思想分析

2.2 运料小车PLC控制系统流程图分析

第3章 系统的硬件设计

3.1 PLC的选择

3.2 分配I/O接口

4.1 软件介绍

4.2 PLC编程语言介绍

4.3 程序的分析与设计

4.4 运料小车PLC控制系统程序

结束语

目录

摘要

第1章绪论

第3章系统的硬件设计