PLC技術(shù)及應用 課程設(shè)計 論文 題目 自動倉庫運料小車的PLC控制系統(tǒng) 院 系 專業(yè)班級 學 號 學生姓名 指導教師 起止時間 課程設(shè)計 論文 任務及評語 院 系 電氣工程學院 教研室 自動化 學 號 070302020 學生姓名 趙 為 專業(yè) 班級 自動化 071 設(shè)計題目 自動倉庫運料小車的 PLC 控制系統(tǒng) 設(shè) 計 內(nèi) 容 及 參 數(shù) 設(shè)計自動倉庫的 PLC 控制系統(tǒng) 控制要求 1 系統(tǒng)構(gòu)成有 10 個倉庫 每個倉庫有一個呼叫指示燈 運料小車停在任意 位置 2 當呼叫指示燈亮時允許呼叫 當呼叫指示燈滅時呼叫無效 3 當呼叫倉庫小于小車位置 小車后退 當呼叫倉庫大于小車位置 小車前 行 4 運料小車在被呼叫倉庫位置時 要停留 30 分鐘后允許呼叫 設(shè) 計 要 求 1 完整的程序及程序設(shè)計說明 2 控制程序的功能說明 3 電氣原理圖 4 接線圖 工 作 量 1 分析系統(tǒng)功能 確定系統(tǒng)的輸入 輸出信號和類型 選擇 PLC 主機 擴展模 塊 組成系統(tǒng) 2 進行 PLC 與輸入 輸出信號的的外部接線 3 進行系統(tǒng)的梯形圖設(shè)計 4 撰寫 打印設(shè)計說明書 工 作 計 劃 1 熟悉課程設(shè)計題目 查找及收集相關(guān)書籍 資料 1 天 2 設(shè)計系統(tǒng)的電氣原理圖 2 天 3 開發(fā)程序 2 天 4 上機調(diào)試 修改程序 2 天 5 撰寫設(shè)計說明書 2 天 6 答辯 1 天 參 考 資 料 1 何衍慶 常用 PLC 應用手冊 M 電子工業(yè)出版社 2 顧繩谷 電機及電力拖動基礎(chǔ) M 機械工業(yè)出版社 3 王永華 現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應用技術(shù) M 北京航空航天大學出版社 4 賈德勝 PLC 應用開放實用子程序 M 人民郵電出版社 5 中國期刊網(wǎng)上的各種相關(guān)資料 指導教師簽字 教研室主任簽字 說明 此表一式四份 學生 指導教師 教研室 系部各一份 可加附頁 摘 要 近年來 隨著科學技術(shù)的進步和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展 可編程邏輯控制器 技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于自動化控制領(lǐng)域 可編程邏輯控制器以其高可靠性和操作簡 單等特點 已經(jīng)形成了一種工業(yè)趨勢 目前 在自動化生產(chǎn)線上 有些生產(chǎn)機械的工作臺需要按一定的順序?qū)崿F(xiàn)自 動往返運動 并且有的還要求在某些位置有一定的時間停留 以滿足生產(chǎn)工藝要 求 用 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)運料小車自動往返順序控制 不僅具有程序設(shè)計簡易 方便 可靠性高等特點 而且程序設(shè)計方法多樣 便于不同層次設(shè)計人員的理解和掌握 本文以西門子公司的 S7 200 系列 PLC 為例 簡單設(shè)計自動倉庫運料小車控制系 統(tǒng) 本次課程設(shè)計中通過各倉庫行程開關(guān)的通斷情況判斷小車當前位置 以便了 解呼叫位置和小車當前位置的相對情況 從而控制電動機的正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)和停止 達到了對運料小車自動控制的設(shè)計要求 關(guān)鍵詞 S7 200 運料小車 電動機 行程開關(guān) 目 錄 第 1 章 緒論 1 第 2 章 課程設(shè)計的方案 2 2 1 概述 2 2 2 方案設(shè)計 2 第 3 章 硬件設(shè)計 3 3 1 系統(tǒng)功能及 I O 點配置 3 3 2 模塊選型 3 3 3 模塊連接 5 第 4 章 軟件設(shè)計 7 4 1 程序設(shè)計流程 7 4 2 程序設(shè)計內(nèi)容 8 第 5 章 系統(tǒng)測試與分析 9 第 6 章 課程設(shè)計總結(jié) 10 參考文獻 11 附錄 12 第 1 章 緒論 由于單片機 PLC 等控制器的不斷發(fā)展和革新 使得生產(chǎn)線的運輸控制也將 得到不斷的改善和生產(chǎn)率的不斷提高 運料小車控制經(jīng)歷了以下幾個階段 手動控制 在 20 世紀 60 年代末 70 年代初期 便有一些工業(yè)生產(chǎn)采用單片 機 PLC 等控制器來實現(xiàn)運料小車的控制 但是由于當時的技術(shù)還不夠成熟 只 能夠用手動的方式來控制機器 而且早期運料小車控制系統(tǒng)多為繼電器一接觸器 組成的復雜系統(tǒng) 這種系統(tǒng)存在設(shè)計周期長 體積大 成本高等缺陷 幾乎無數(shù) 據(jù)處理和通信功能 必須有專人負責操作 自動控制 在 20 世紀 80 年代 由于計算機的價格下降 這時的大型工控企 業(yè)將單片機 PLC 充分的與計算機相結(jié)合 通過機器人技術(shù) 自動化設(shè)備終于實 現(xiàn)了單片機 PLC 在運料小車控制系統(tǒng)在自動方面的應用 全自動控制 現(xiàn)階段由于單片機 PLC 技術(shù)的向高性能 高速度 大容量發(fā) 展大型單片機 PLC 等大多采用多 CPU 結(jié)構(gòu) 不斷向高性能 高速度和大容量方 向發(fā)展 將單片機 PLC 運用到運料小車控制系統(tǒng) 可實現(xiàn)運料小車的全自動控 制 降低系統(tǒng)的運行費 用同時系統(tǒng)具有連線簡單控制速度快 精度高 可靠性 和可維護性好 維修和改造方便等優(yōu)點 企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和深化 使得生產(chǎn)物的輸送成為生產(chǎn)物流系 統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié) 運料小車自動控制正是用來實現(xiàn)輸送生產(chǎn)物的控制系統(tǒng) 本文用可編程邏輯控制器 PLC 來做控制器設(shè)計運料小車自動控制系統(tǒng) 讓 PLC 技術(shù)與自動化技術(shù)相結(jié)合 具有連線簡單控制速度快 精度高 可靠性和可 維護性好 維修和改造方便 降低使生產(chǎn)成本 易控制 安全可靠 效率高等優(yōu) 點 運料小車模型如圖 1 1 所示 圖 1 1 運料小車圖 第 2 章 課程設(shè)計的方案 2 1 概述 本次設(shè)計主要是綜合應用所學知識 設(shè)計自動倉庫運料小車控制系統(tǒng) 并在 實踐的基本技能方面進行一次系統(tǒng)的訓練 能夠較全面地鞏固和應用 PLC 課 程中所學的基本理論和基本方法 并初步掌握運料小車設(shè)計的基本方法 系統(tǒng)功能介紹 系統(tǒng)有 10 各倉庫 每個倉庫有一個指示燈 燈亮允許呼叫 小車 燈滅呼叫無效 呼叫位置小于小車當前位置時 小車后退 呼叫位置大于 小車當前位置時小車前進 當小車當前位置與呼叫位置重合 小車停止 并在 30 分鐘內(nèi)任何呼叫無效 30 分鐘后允許呼叫 2 2 方案設(shè)計 在自動倉庫運料小車控制系統(tǒng)中以 PLC 為核心 通過各種輸入端接收各種輸 入信號 處理后經(jīng)輸出端輸出控制信號 通過控制器里的繼電器等電器開關(guān)的開 通與閉合來控制運料小車的左行 右行和停止 本次設(shè)計選用西門子公司的 S7 200 系列 PLC SIMATIC S7 200 系列 PLC 適用于各行各業(yè) 各種場合中的檢測 監(jiān)測及控制的自動化 S7 200 系列的功能強大 可實現(xiàn)復雜控制功能 S7 200 系列具有極高的性價比 可靠性 指令集豐富 易于掌握 操作便捷 內(nèi)置集成 功能豐富 具有實時特性 通訊能力強 擴展模塊 根據(jù)控制任務和要求所設(shè)計的方案流程如圖 2 1 所示 圖 2 1 控制方案流程圖 在圖 2 1 中 可以看到 本次設(shè)計的核心思想是 通過 PLC 控制電動機的 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車的前進和后退 并在一定條件下停止運行 實現(xiàn)了倉庫對小 車的自動控制 滿足了工業(yè)生產(chǎn)的要求 PLC 電動機正轉(zhuǎn) 電動機反轉(zhuǎn) 小車前進 小車后退 小車停止 第 3 章 硬件設(shè)計 3 1 系統(tǒng)功能及 I O 點配置 1 PLC 系統(tǒng)功能實現(xiàn)對輸入信號開關(guān)量進行采集 通過程序控制和相應的算 法 CPU 模塊對輸入信號進行處理 再將結(jié)果經(jīng)輸出模塊輸出到線圈或者繼電器 整個過程周期性循環(huán)進行 2 根據(jù)本課程設(shè)計的實際情況 對系統(tǒng) I O 點進行分配 具體分配情況見表 3 1 表 3 1 數(shù)字量輸入信號分配表 倉庫 1 指示燈啟動按鈕 I0 1 倉庫 2 指示燈啟動按鈕 I0 2 倉庫 3 倉庫 10 指示燈啟動按鈕 10 3 I1 2 倉庫 1 行程開關(guān) I1 3 倉庫 2 行程開關(guān) I1 4 倉庫 3 倉庫 10 行程開關(guān) I1 5 I2 4 倉庫 1 呼叫按鈕 I2 6 倉庫 2 呼叫按鈕 I2 7 倉庫 3 倉庫 10 呼叫按鈕 I3 0 I3 7 電動機啟動按鈕 I2 5 倉庫 1 指示燈 Q0 0 倉庫 2 指示燈 Q0 1 倉庫 3 倉庫 10 指示燈 Q0 2 Q1 1 電動機 KM1 線圈 Q1 2 電動機 KM2 線圈 Q1 3 3 2 模塊選型 1 CPU 模塊分類 CPU22 系列 PLC 主機模塊按照 I O 點數(shù)多少不同和效能不同而有五種不同 結(jié)構(gòu)配置的品種 即 CPU221 CPU 222 CPU224 CPU224XP CPU226 下面 分別加以介紹 CPU221 本機集成 6 輸入 4 輸出 無擴展能力 程序和數(shù)據(jù)存儲容量較 小 有一定的高速計數(shù)能力和通信功能 非常適合于少點數(shù)的或者特定的控制系 統(tǒng)使用 CPU222 本機集成 8 輸入 6 輸出 和 CPU221 相比 它最多可擴展 2 個 模塊 因此是應用更廣泛的全功能控制器 CPU224 本機集成 14 輸入 10 輸出 和前兩者相比 程序存儲器擴大了 一倍 數(shù)字存儲器擴大了四倍 它做多可以有 7 個擴展模塊 有內(nèi)置時鐘 有更 強的模擬量和高速計數(shù)能力 是使用最多的 S7 200 產(chǎn)品 CPU224XP 這是最新推出的一種使用機型 其大部分功能和 CPU224 相 同 但和 CPU224 相比 它的程序存儲器容量和數(shù)據(jù)存儲器容量都增加了不少 處理高速計數(shù)的能力也有提高 其最大的區(qū)別是在主機上增加了 2 輸入 1 輸出的 模擬量單元和一個通信口 非常適合在有少量模擬量的信號的系統(tǒng)中使用 在有 復雜通信要求的場合也非常適用 CPU226 本機集成 24 輸入 16 輸出 I O 總點數(shù)共 40 點 和 CPU224 相 比 程序存儲器擴大了一倍 數(shù)據(jù)存儲器容量增加了 10KB 它具有 2 個通信口 通信能力大大增強 它可用于點數(shù)較多的小型或中型控制系統(tǒng) 2 I O 擴展模塊分類 S7 200 系列 PLC 的主機提供一定數(shù)量的數(shù)字量 I O 和模擬量 I O 但在 I O 點數(shù)不夠的情況下 就需要對 I O 口進行擴展 S7 200 PLC 提供了 6 種 I O 擴 展模塊 如下所示 EM221 輸入擴展模塊 共有三種產(chǎn)品 即 8 點和 16 點 DC 8 點 AC EM222 輸出擴展模塊 共有 5 種產(chǎn)品 即 8 點 DC 和 4 點 DC 5A 8 點 AC 8 點繼電器和 4 點繼電器 10A EM223 輸入 輸出混合擴展模塊 共有 6 種產(chǎn)品 其中 DC 輸入 DC 輸出 的有三種 DC 輸入 繼電器輸出的有三種 它們對應的輸入 輸出點數(shù)分別為 4 點 8 點 16 點 EM231 模擬量輸入擴展模塊 共有三種產(chǎn)品 4AI 2 路熱電阻輸入和 4 路熱電偶輸入 EM232 模擬量輸出擴展模塊 只有一種 2 路模擬量輸出擴展模塊 EM235 模擬量輸入 輸出混合擴展模塊 只有一種 4 路 AI 1 路 AO 占 兩路輸出地址 的產(chǎn)品 3 模塊選擇 根據(jù)自動倉庫運料小車的設(shè)計要求 本次設(shè)計需要 40 點數(shù)字量輸入 16 點 數(shù)字量輸出 所以需要選擇的模塊為 CPU224 一個 EM221 模塊 1 個 EM223 模塊 1 個 總點數(shù)為 數(shù)字量輸入 46 點 數(shù)字量輸出 26 點 既滿足了設(shè)計的點 KM1 KM2 圖 3 2 PLC 與外設(shè)連接圖 I0 1 PLC Q0 0 I0 2 Q0 1 I1 2 Q1 1 I1 3 Q1 2 I1 4 Q1 3 I2 4 L I2 5 I2 6 I3 7 M 指示燈 數(shù)要求 又降低了模塊成本 性價比頗佳 3 3 模塊連接 各模塊的連接需要進行優(yōu)化排序 本次設(shè)計的模塊連接情況如圖 3 1 所示 圖 3 1 模塊連接方式 本設(shè)計中的 PLC 控制單元由圖 3 1 各基本個模塊組成 通過與外部設(shè)備連接 構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng) PLC 與外設(shè)連接示意圖如圖 3 2 所示 本設(shè)計中的重點內(nèi)容之一是設(shè)計電動機的正反轉(zhuǎn)控制邏輯 電動機的正反轉(zhuǎn) CPU224 DC24V EM221 DC24V 16DI EM223 DC24V 16DI DO 決定運料小車的前進和后退 因此合理的設(shè)計電動機正反轉(zhuǎn)邏輯是一項必要并且 非常重要的任務 本文設(shè)計的電動機正反轉(zhuǎn)的思想是把三相異步電動機的三相中 的任意兩相調(diào)換 電機即可又正轉(zhuǎn)變成反轉(zhuǎn) 為了保證兩個接觸器不能同時得電 提高可靠性 還要加入互鎖電路 集合以上要求 電動機正反轉(zhuǎn)電氣原理圖如圖 3 3 所示 圖 3 5 電動機正反轉(zhuǎn)電氣原理圖 第 4 章 軟件設(shè)計 4 1 程序設(shè)計流程 本次設(shè)計采用的程序設(shè)計方法是簡單設(shè)計法 簡單設(shè)計法適合初學者使用 設(shè)計思路邏輯清晰 便于理解 設(shè)計的思路流程如圖 4 1 所示 起 始 呼叫允許 呼叫位置 小 車當前位置 0 0 0 小車前進 小車后退 小車停止 30 分鐘 Y N 圖 4 1 程序設(shè)計流程圖 4 2 程序設(shè)計內(nèi)容 由于本次課程設(shè)計要求設(shè)計 10 個倉庫的運料小車自動控制系統(tǒng) 系統(tǒng) I O 點數(shù)較多 程序設(shè)計較為復雜繁瑣 故只節(jié)選兩個自動倉庫的運料小車控制 作為 典型控制系統(tǒng) 既具有代表性 又節(jié)約空間和讀者的查閱時間 具體的梯形圖見附錄 第 5 章 系統(tǒng)測試與分析 經(jīng)過了以上的設(shè)計后 接下來進行系統(tǒng)測試與分析 通過這個環(huán)節(jié)觀察實驗 現(xiàn)象是否正確 并調(diào)試 最終完成整個課程設(shè)計 具體的測試過程如下所示 1 打開 STEP7 MicroWIN 軟件 進行通信測試 確定 PLC 地址 2 將編制好的梯形圖程序經(jīng)檢查無誤后下載到 PLC 中 此時 PLC 置于 STOP 模式 3 點擊監(jiān)控 并將 PLC 設(shè)置成 RUN 模式 4 撥動倉庫指示燈啟動按鈕 再按下相應的呼叫按鈕 觀察燈是否亮 由于實驗設(shè)備原因 本次課程設(shè)計只能采用小燈模擬自動倉庫運料小車的部 分功能 現(xiàn)場實驗效果如圖 5 1 所示 圖 5 1 現(xiàn)場硬件連接及效果圖 經(jīng)實驗結(jié)果可知 本次設(shè)計的效果和控制任務基本一致 達到了自動倉庫運 料小車的控制要求 基本完成了設(shè)計目標 第 6 章 課程設(shè)計總結(jié) 運料小車的 PLC 控制系統(tǒng) 使運料小車具有自動啟停 裝卸料的功能 設(shè) 計中我采用了簡單設(shè)計法 使得設(shè)計的程序不但簡單易懂且清晰直觀 通過這次 課程設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺 明白學習是一個長期積累的過程 在以后的工作 生活中都應該不斷的學習 努力提高自己的綜合素質(zhì) 整個設(shè)計的過程 同時也是專業(yè)知識的學習過程 而且是更生動 更切實 更深入的專業(yè)知識的學習 首先 一個設(shè)計是結(jié)合科研課題 把學過的專業(yè)知識 運用于實際 在理論和實際結(jié)合過程中進一步消化 加深和鞏固所學的專業(yè)知識 并把所學的專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為分析和解決問題的能力 其次 在搜集材料 調(diào)查研 究 接觸實際的過程中 既可以印證學過的書本知識 又可以學到許多課堂和書 本里學不到的活生生的新知識 此外 我們在這種自己動手的設(shè)計中 對所學專 業(yè)的某一側(cè)面和專題作了較為深入的分析 總之 這次的課程設(shè)計對我來說說是 一個很好鍛煉自己的機會 參考文獻 1 康梅 朱莉 陳山 變頻器使用指南 北京 化學工業(yè)出版社 2008 1 96 2 張燕賓 變頻器的安裝 使用與維護 北京 中國電力出版社 2009 154 177 178 195 3 李華德 交流調(diào)速控制系統(tǒng) 北京 電子工業(yè)出版社 2003 3 61 64 4 錢小龍 李曉理 循序漸進變頻器 北京 機械工業(yè)出版社 2007 6 33 107 5 James A Rehg Glenn Sartori 可編程邏輯控制器 北京 電子工業(yè)出版社 2008 8 196 298 6 原魁等 變頻器基礎(chǔ)及應用 北京 冶金工業(yè)出版社 2005 10 30 7 彭樂無 基于 PLC 的變頻器與工頻切換控制 職業(yè) 1994 19 2 1 60 8 張松林 籠型異步電動機與變頻器 實驗技術(shù)與管理 2010 20 2 1 40 附錄 梯形圖程序