运料小车的PLC自动控制

1、1 PLC的结构、工作原理及系统设计1.1 PLC 的结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机 相同。根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输 出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。其 基本结构框图如图 1-1所示。图 1-1 整体式结构模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/ 输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些 模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。模块式的 PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认, 基本结构框图如图 1-2所示。$户壬口沖 编程器其他PLC或上位机现场设备电源 模块CPU模块通信 模块输入 模块输出 模块特殊 功能 模块机架图 1-2 模块式结构1.2 PLC 的工作原理PLC 与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器 控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或

2、断电，该线圈的触点立即动作，只 要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫 描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点 才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作 的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说， 继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则 需要输入传送、执行程序指令、输出 3 个阶段才能完成控制过程。输 入 阶 段PLC 采用循环扫描技术可以分为 3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状 态传送到PLC）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。扫描过程 如图 1-3 所示。程 序 执 行 阶 段图 1-3 循环扫描在输入阶段中， PLC 先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输 入存储单元。在执行阶段中， PLC 按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入 存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数 器数据寄存

3、器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相 应的输出存储器单元。在输出阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上， 并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。1.3 PLC 的编程语言可编程控制器的编程语言主要有梯形图语言、助记符语言及功能块图。1.3.1 梯形图语言梯形图语言是在继电器控制电路图的基础上发展而来的。最大的优点就是直 观易懂，使用简单方便。对来自电气方面的用语，通过梯形图很容易就能掌握， 同时它也是PLC的主要编程语言。例如，一个简单PLC控制系统，当常开按钮 SBFl动作时，水泵开启，当常闭按钮SBSl动作时，水泵停止运行。用继电器控 制和用PLC控制的梯形图如图1-4和图1-5所示。SB1SB2KM1图 1-4 继电气控制电路X0X1Y04 1/IOY0图1-5 PLC控制梯形图1.3.2 助记符语言助记符语言与汇编语言类似，它使用字符来代表可编程控制器的某种操作， 这就要求用户要有一定的计算机编程基础。用助记符语言编写上一个例子的程序 如下：LDX0ORY0ANIX1OUTY01.4 PLC控制系统的构成、设计原则

4、及步骤PLC 控制系统由硬件部分和软件部分组成。对于整个PLC控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC 机型、存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模 块和特殊功能模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接 口，如输入设备（控制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等） 和由执行装置控制的现场设备（水泵、鼓风机、阀门等）。软件部分主要包括对 PLC 进行 I/O 点地址、内部继电器、定时器、计数器 等的分配， PLC 控制程序的设计（梯形图、语句表、流程图等），还有一些技术 文件等。PLC 控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好地实现工艺提出的 控制要求。PLC控制系统的设计应遵循以下原则。（1）根据工艺流程进行设计，力求控制系统能最大限度地满足控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用。（3）考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑 PLC 的可扩 展性。（3）控制系统使用和维护方便、安全可靠。一般PLC控制系统的设计步骤如图1-6所示，具体操作如下。（1）控制要求分析在设计

5、PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制 对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控 制系统。（ 2）确定输入/输出设备根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设 备（接触器、继电器等），根据所选用的输入/输出设备的类型和数量确定 PLC 的 I/0 点数。（3）选择合适 PLC确定PLC的I/O点数后，就根据I/O点数、控制要求等来进行PLC的选择。 选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。（4）I/O 点数分配点数分配就是规定plc的I/O端子和输入/输出设备。（5）PLC 程序设计 首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。（6）模拟调试 程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。（7）现场联机调试现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存 在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要

6、求。（8）整理技术文件这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、 程序清单和使用说明书等。1.5 PLC 的应用领域PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系 统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同 一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生 产场合。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，使用情况主要分 为如下几类:(1) 开关量逻辑控制取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台 设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合 机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2) 工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程 序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一 种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理

7、、锅炉控制等场合有非常广泛的应 用。(3) 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块， 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、 机床、机器人、电梯等场合。(4) 数据处理PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转 换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理 一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5) 通信及联网PLC通信包括PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化 网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬 件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。1.6 PLC的特点PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的：1）功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；2）应用灵活， 其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它 不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更 较

8、多的场合；3）操作方便，维修容易，稳定可靠。尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶 劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几 万小时。2 运料小车介绍2.1 运料小车介绍与控制要求运料小车是工业送料的主要设备之一。广泛应用于自动生产线、 冶金、有 色盒属、煤矿、港口、码头等行业，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。图2-1是一个运料小车工作示图。系统的设计要求为：小车由电机驱动，可 在A、B两地分别启动，A地启动后，小车先返回限位开关ST 1处，停车20s装料； 然后自动驶往B点，到达限位开关ST2处后停车，底门电磁铁动作，卸料30s，然 后返回A点，停车20s装料，如此反复。3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3.1.1 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，电机反转图 3-1 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。另外对小车还需要一个总停按钮，两个启动按钮。3

9、.1.2 设备控制要求运料小车在自动化生产线上运动的控制要求如下：（1） 按下启动按钮，系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作（2）可在A、B两地分别启动（3）A地启动后，小车先返回限位开关ST 1处，停车20s装料（4）然后自动驶往B点，到达限位开关ST2处后停车，底门电磁铁动作，卸 料30s（5）然后返回A点，停车20s装料，如此反复。3.1.3 运料小车控制系统控制回路根据3.1.2设备控制的要求，运料小车控制系统的控制回路如图 3-2：图 3-2 运料小车控制回路3.2 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如 3-3所示：图 3-3 运料小车控制系统图运料小车控制流程图如 3-4：4 运料小车控制系统总体设计4.1 PLC 的选用根据运料小车输入输出设备的分配，在I/O方面只需要6个输入口和3个输

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