基于PLC的小車循環(huán)運動控制系統(tǒng)的設計說明

./摘要隨著電子技術的發(fā)展,可編程控制器不斷更新、發(fā)展,可編程控制器在中低頻電器開關控制領域應用十分廣泛。這是因為,它與傳統(tǒng)的繼電器控制相比具有不可比擬的優(yōu)點:它結構緊湊,編程容易,強弱電并用,控制速度快,抗干憂性能強,故障率低,與外圍電路的連接簡單等。PLC控制是自動控制中最常見控制方式之一,小車往返就是控制應用的一個典型例子,由于可編程控制器具有很好的處理的小車往返控制以及良好的穩(wěn)定性,而且可以很簡單的改變控制的方式,因此運用PLC來設計小車循環(huán)往返運動越來越普遍。本設計是基于PLC的小車循環(huán)運動控制系統(tǒng)的設計,在設計中是利用西門子S7-200系列PLC編程語言來設計的,系統(tǒng)中運用中間繼電器、接觸器的相互作用來完成控制,并且PLC根據(jù)開關信號來控制電動機的開停、正轉和反轉的轉換,在由傳動裝置帶動小車來運動。最后運用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進行仿真調試,進而來滿足設計的要求。關鍵詞：小車循環(huán)往返運動、西門子S7-200、STEP7-Micro/WIN32編程軟件繼電器、接觸器、PLC目錄摘要1第1章概述31.1設計背景31.2設計意義4第2章硬件設計52.1設計容52.2設計思路52.3電氣元件選擇62.4I/O地址分配62.5I/O接線圖62.6主電路設計7第3章軟件設計93.1編程軟件介紹93.2軟件設計93.3系統(tǒng)流程圖103.4程序梯形圖103.5程序指令表123.6程序分析14第4章軟件調試16設計心得17參考文獻18第1章概述1.1設計背景隨著社會迅速的發(fā)展,各機械產品層出不窮,控制系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)很熟,使用圍涉及各個領域,例如：機械、汽車制造、化工、冶金、交通、軍事、民用等。在現(xiàn)代工業(yè)車間生產中企業(yè)為提高生產車間物流自動化水平在許多場合中需要自動控制小車在指定位置道路上行駛,如柔性制造系統(tǒng)中物料小車的自動控制、自動倉庫中物件存取小車的自動控制、貨物的自動出入等,為了實現(xiàn)生產環(huán)節(jié)間的運輸自動化,常會使用無人小車在工作臺或生產線之間自動往返裝料卸載,以及在自動化生產線上,有些生產機械的工作臺需要按一定的順序實現(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,以滿足生產工藝要求,減輕勞動量,提高生產效率,增加資本收入。雖然有很多用來設計小車運行的方法,但是很多都過于繁瑣,不利于操作人員的掌握和執(zhí)行,如今隨著電子技術的發(fā)展和可編程控制器〔Progammablecontroller簡稱PLC的不斷更新、發(fā)展,可編程控制器在中低頻電器開關控制領域應用十分廣泛使,加上PLC用存儲邏輯代替接線邏輯,大大減少了控制設備外部的接線,使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短,日常維護也變得容易起來,更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序而改變生產過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產場合,因此在設計中越來越得人們的認可。目前,PLC在國外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。在設計順序控制程序中可編程控制器的控制程序與一般計算機程序是有區(qū)別的。一般計算機程序的執(zhí)行過程是:從起點開始順序執(zhí)行,直到程序結束。因此程序的執(zhí)行過程是有始有終的,已經(jīng)執(zhí)行過的指令一般不會再度執(zhí)行?？墒强删幊炭刂破鞒绦蚴且粋€循環(huán)掃描程序,已經(jīng)執(zhí)行過的指令還要反復執(zhí)行,因此它是沒有始末之分的。如果把控制程序的正向行駛、反向行駛、數(shù)據(jù)顯示三個階段編排在一起而不進行分時控制的話,由于程序的反復執(zhí)行,必然會導致分不清這三個階段而亂成一團的局面。因為,正向行駛有正向行駛的任務,逆向行駛有逆向行駛的安排,兩者不僅功能各異,而且執(zhí)行時間也不同。為這三個階段建立不同的狀態(tài)標志即可。開始建立正向行駛狀態(tài)標記,使程序只執(zhí)行與正向行駛有關的功能；然后建立逆向行駛狀態(tài)標記且撤銷正向行駛狀態(tài)標記,使程序只執(zhí)行與逆向行駛有關的功能；最后建立數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)標記且撤銷逆向行駛狀態(tài)標記,使程序只執(zhí)行與數(shù)據(jù)顯示有關的功能。同時PLC的可靠性高、環(huán)境適應性強、靈活運用、使用方便、抗干擾性強、編程簡單、維護簡單控制程序可變、體積小、質量輕、功能強、適用圍較廣、成本價格越來越低,還有PLC程序實現(xiàn)小車自動往返順序控制,不僅具有程序設計簡易、方便、可靠性高等特點,而且程序設計方法多樣,便于不同層次設計人員的理解和掌握。因此在我們的設計小車循環(huán)運動控制系統(tǒng)中都采用PLC設計。1.2設計意義通過PLC在小車循環(huán)運動控制系統(tǒng)中的應用,使我們更加方便的做到在工廠生產中得自動化控制操作,提高了生產的效率,降低了勞動的利用率和成本,同時也對PLC的更新?lián)Q代起了加快作用,促進了社會工業(yè)化的發(fā)展,為了我們以后的工作、學習、生活帶來了很大的方便第2章硬件設計2.1設計容某生產流水線上的一輛自動控小車的運動示意圖如圖2-1所示,小車在一個周期的運動由4段組成。設小車最初在端,當按下起動按鈕,則小車自動循環(huán)地工作,若按下停止按鈕,則小車完成本次循環(huán)工作后停止在初始位置三相異步電動機Y90L-2,2.2KW,2840轉／分,380V4.8A圖2-1小車循環(huán)運動示意圖2.2設計思路由于小車分四段不同的往返運動,現(xiàn)設定行程開關SQ1在最左端即為初始位置,行程開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4的分布和小車的運動軌跡都如圖2-1所示。按下起動按鈕,小車就有最左端的初始位置向右運動,運動過程中經(jīng)過SQ2,但SQ2不能改變小車的停止和轉向,小車繼續(xù)向右運動；當碰到SQ3時,小車結束向右運動改向向左運動；當碰到SQ2時,小車結束向左運動改向向右運動；在向右運動的過程中碰到SQ3,但SQ3不會影響小車的運行方向和狀態(tài),小車會繼續(xù)向右動；當碰到SQ4時,小車結束向右運動改向向左做運動,在向左運動的過程中小車會依次碰到SQ3、SQ2,但SQ3、SQ2都不會影響小車的運動方向和運動狀態(tài),直到小車碰到SQ1,小車會結束向左運動即這一次的循環(huán)運動結束開始新的循環(huán)運動。在小車的運動過程中無論在哪一時刻,按下停止按鈕都不能使小車立即結束運動而停止。在按下停止按鈕后小車會繼續(xù)運動直到完成本次循環(huán)碰到初始位置的行程開關SQ1,才能夠結束循環(huán),小車停止運動最后停在初始位置上。2.3電氣元件選擇對于每一個設計來說在選擇方法之后最重要的就是要能夠正確的選擇所使用的器件及器件型號,才能夠正確的完成設計要求。在這里列出本設計所要使用的電器元件,如表2-1所示表2-1小車循環(huán)運動電器元件選擇表序號文字符號名稱型號數(shù)量1M三相異步電動機Y90L-2,2.2KW,380V,4.8A,2840轉／分12QF低壓斷路器DZ15-6P13FR熱繼電器JR16-2014FU熔斷器RT10-5045KM交流接觸器CJ20-1026CPUPLC處理器CPU22617SB按鈕LA25-1128SQ行程開關JLXK1-1149L導線若干2.4I/O地址分配由于本設計是采用西門子S7-200系列PLC編程語言來設計的,所以在設計過程中要對I/O口進行地址分配,進而順利的完成程序設計。I/O地址分配如表2-2所示表2-2小車循環(huán)運動I/O地址分配表輸入輸出I0.0起動按鈕SB1Q0.0接觸器KM1電機正轉小車右行I0.1停止按鈕SB2Q0.1接觸器KM2電機反轉小車左行I0.2行程開關SQ1I0.3行程開關SQ2I0.4行程開關SQ3I0.5行程開關SQ4I0.6熱繼電器2.5I/O接線圖在設計小車循環(huán)運動控制系統(tǒng)中采用了西門子S7-200系列,所以對于I/O端口的連線是非常重要的,是控制小車循環(huán)運動的關鍵環(huán)節(jié)。在本設計中采用PLC處理器型號為CPU226,有輸入和輸出顯示端口,把開關信號轉換成控制信號,進而完成控制要求。這就是體現(xiàn)了用PLC設計的簡單和運用方便之處,也是人們?yōu)槭裁催x擇利用PLC來設計的主要原因,因此做好I/O接線是非常重要的。I/O接線圖如圖2-2所示：圖2-2小車循環(huán)運動I/O接線圖2.6主電路設計對于小車的循環(huán)運動控制系統(tǒng)上的設計,我們通常都是通過采用控制電機的正反轉再又經(jīng)過設備與小車的連接,來控制小車的左右運動。在本設計中就是通過控制三相異步電動機的正反轉來控制小車的左右循環(huán)運動。當三相異步電機正傳時,小車向右運動；當三相異步電動機反轉時,小車向左運動。在主電路中采用兩個接觸器的動作來控制三相異步電動機的正反轉進而來控制小車的循環(huán)作用運動。主電路圖的設計如圖2-3所示：圖2-3小車循環(huán)運動主電路圖如圖2-3所示,閉合低壓斷路器QF,由于控制器件的作用當使KM1閉合時,三相異步電動機正轉,通過器件連接帶動小車向右運動；當KM2閉合時,三相異步電動機反轉,通過器件連接帶動小車向左運動。通過可編程控制器件的控制,最后來完成設計的要求。第3章軟件設計3.1編程軟件介紹編程軟件采用西門子S7-200軟件可編程控制器。支持梯形圖、指令表等語言程序設計,網(wǎng)絡參數(shù)設定,可進行程序的線上更改、監(jiān)控及調試,具有異地讀寫PLC程序功能。梯形圖語言是在繼電器控制電路圖的基礎上發(fā)展而來的。最大的優(yōu)點就是直觀易懂,使用簡單方便。對來自電氣方面的用語,通過梯形圖很容易就能掌握,同時它也是PLC的主要編程語言。助記符語言與匯編語言類似,它使用字符來代表可編程控制器的某種操作,這就要求用戶要有一定的計算機編程基礎。在我們編程之前要非常熟悉西門子S7-200軟件可編程控制器的指令語言,這樣我們才能夠設計出真確的控制程序。將PLC應用到小車循環(huán)運動控制系統(tǒng),可實現(xiàn)小車的自動化控制,降低系統(tǒng)的運行費用。PLC小車循環(huán)運動控制系統(tǒng)具有連線簡單,控制速度快,精度高,可靠性和可維護性好,安裝、維修和改造方便等優(yōu)點。3.2軟件設計在設計小車循環(huán)運動控制程序之前要先非常熟悉整個運動的經(jīng)過,然后要熟悉指令語句。在本設計中所要運用指令及功能如表3-1表3-1程序運用指令說明指令功能說明LD裝入常開指令LDN裝入常閉指令A與常開指令AN與常閉指令O或常開指令ON或常閉指令=輸出指令LPS邏輯推入棧指令LPP邏輯彈出棧指令3.3系統(tǒng)流程圖在設計之前了解整個工作過程后,要先寫出整個運動過程系統(tǒng)流程圖,以便更好的編程和理解。系統(tǒng)流程圖如3-1所示：圖3-1程序流程圖3.4程序梯形圖利用西門子S7-200進行編程,編寫的梯形圖如下所示：3.5程序指令表在STEP7-Micro/WIN32編程軟件中輸入梯形圖,進而生成相應的指令表,如下所示：3.6程序分析有上述的I/O分配可以知道在該程序中,起始開關用I0.0表示,停止開關用I0.1表示,在4個位置的行程開關分別用I0.2-I0.5來表示。在這里對程序進行分析：按下I0.0,由于中間繼電器的自鎖作用,會使M0.0一直帶電,及小車會一直處于帶電狀態(tài),當按下I0.2時〔行程開關SQ1得電,M0.6,M0.7得電,接觸器KM1線圈帶電,由于M0.1的自鎖作用,Q0.0一直處于輸出狀態(tài),使電機一直正轉,小車向右運動；按下I0.3〔行程開關SQ2得電不影響小車運動方向和狀態(tài)；按下I0.4〔行程開關SQ3得電M0.3常閉斷開,M0.1失電電機停止向右運動,M0.3常開閉合,由于M0.2的自鎖作用,使電機一直反轉,Q0.1一直處于輸出狀態(tài),小車向左運動,M0.6失電；按下I0.3〔行程開關SQ2得電M0.5常閉斷開,M0.2失電小車停止向左運動,M0.5常開閉合,由于M0.1的自鎖作用,Q0.0一直處于輸出狀態(tài),使電機一直正轉,小車向右運動；按下I0.4〔行程開關SQ3得電由于M0.6失電,不影響小車運動方向和狀態(tài)；按下I0.5〔行程開關SQ4得電由于M1.2自鎖作用,M1.2一直得電,M1.2常閉斷開,M0.1失電電機停止向右運動,M0.4得電,M0.4常開閉合及傳送到中間繼電器M0.0,依次類推,當小車在I0.5站時,行程開關SQ4得電,及傳送到中間繼電器M0.1。小車從開始到停止到初始位置是由于M0.2的自鎖作用,使電機一直反轉,Q0.1一直處于輸出狀態(tài),小車向左運動,M1.2常閉一直斷開,按下I0.4、I0.3不影響小車運動方向和狀態(tài)；當正在按下I0.2時又進行下一個新的循環(huán)。在運動過程中按下I0.1時,不能夠是小車停止運動,由于M1.3自鎖作用,M1.3一直帶電,M1.3常開閉合,只有再按下I0.2〔碰到SQ1回到初始位置M1.0得電,M1.0常閉斷開,M0.0失電,小車停止運動,結束循環(huán)。第4章軟件調試在理論構思設計完成以后,為了確保設計實踐的準確無誤性,去實驗室里面進行驗證和調試,按一下步驟進行調試：1、按電氣接線圖接好線。2、在STEP7-Micro/WIN32下輸入程序并編譯。3、將編譯好的程序從PC機〔STEP7-Micro/WIN32編程軟件下載到PLC主機。4、PC機在監(jiān)控狀態(tài)下調試程序。5、觀察運行程序并進行修改直到滿足要求,保存程序。在調試過程中所遇到的問題及解決方法如以下所示：1、小車不能一直處于起動狀態(tài)時,要用線圈的互鎖來使小車一直處于起動狀態(tài)2、Q0.0和Q0.1輸出狀態(tài)出現(xiàn)排斥時,要用Q0.0和Q0.1互鎖來解決3、按下I0.1時小車馬上停止時,要添加M1.0來進行調節(jié)經(jīng)過反復的改正和調試最終滿足了設計的要求。設計心得通過這次基于PLC的小車循環(huán)運動控制設計,不僅考驗并加強了我的實際動手能力同時還考驗了我們將理論知識轉化為實際應用的能力。它使得我了解到PLC這門課之所以重要并不僅僅因為它的理論知識重要,而重在實踐,它與我們現(xiàn)實生活中許多應用息息相關。除此之外也加深了對西門子S7-200軟件可編程控制器和STEP7-Micro/WIN32編程軟件的學習、理解和運用。通過這次課程設計,我體會到解決問題是一個循序漸進的過程,一個好的方案往往是經(jīng)過多次修改與完善,才最終確定下來的：一個方案設計的好壞也只有拿到