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A water pumping control system with a programmable logic controller (PLC) and industrial wireless modules for industrial plants—An experimental setup ISA Transactions, In Press, Corrected Proof, Available online 3 December 2010Ramazan Bayindir, Yucel Cetince

PLC的自动送料小车摘 要可编程序控制器（Programmable controller）简称PLC，由于PLC的可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单，所以PLC的应用领域在迅速扩大。对早期的PLC，凡是有继电器的地方，都可采用。而对当今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC。尤其是近几年来，PLC的成本下降，功能又不段增强，所以，目前PLC在国内外已被广泛应用于各个行业。本设计是为了实现送料小车的手动和自动化的转化，改变以往小车的单纯手动送料，减少了劳动力，提高了生产效率，实现了自动化生产！而且本送料小车的设计是由于工作环境恶劣，不允许人进入工作环境的情况下孕育而成的。本文从第一章送料小车的系统方案的确定为切入点，介绍了为什么选用PLC控制小车；第二章介绍了送料小车的应达到的控制要求；第三章根据控制要求进行了小车系统的具体设计，包括端子接线图、梯形图(分段设计说明和系统总梯形图)和程序指令设计；最后得出结论。关键词：PLC，送料小车，控制，程序设计目 录前 言 1第1章 控制系统介绍和控制过程要求 控制系统在送料小车中的作用与地位 控制系统介绍 2第2章 送料小车系统方案的选择 可编程控制器 PLC的优点 小车送料系统方案的选择 5第3章 基于PLC的送料小车接线图及梯形图 送料小车PLC的 I/O分配表 PLC端子接线图 梯形图分段设计 程序运行原理说明调试与完善 系统总梯形图设计 小车程序设计 18结 论 23谢 辞 24参考文献 25前 言随着社会迅速的发展，各机械产品层出不穷。控制系统的发展已经很成熟，应用范围涉及各个领域，例如：机械、汽车制造、化工、交通、军事、民用等。PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。PLC的应用不但大大地提高了电气控制系统的可靠性和抗干扰能力，而且大大地简化和减少了维修维护的工作量。PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点 ，在机械制造、冶金等领域得到了广泛的应用。送料小车控制系统采用了PLC控制。从送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，此送料小车电气控制系统设计具有手动和自动两种工作方式。我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影响，使得程序的设计、修改和故障查找工作大为简化。在设计该PLC送料小车设计程序的同时总结了以往PLC送料小车设计程序的一般方法、步骤，并且把以前学过的基础课程融汇到本次设计当中来，更加深入的了解了更多的PLC知识。第1章 控制系统介绍和控制过程要求 控制系统在送料小车中的作用与地位在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个工艺生产过程全盘自动化，这就离不开控制系统。控制系统是整个生产线的灵魂，对整个生产线起着指挥的作用。一旦控制系统出现故障，轻者影响生产线的继续进行，重者甚至发生人身安全事故，这样将给企业造成重大损失。送料小车是基于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送料小车的运行，因此，送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。送料小车能否正常运行、工作效率的高低都与控制系统密不可分。 控制系统介绍图1-1 送料小车本控制系统只要是用于控制送料小车的自动送料。它既能减轻人的劳动强度又能自动准确到达人不能达到或很难到达的预定位置。如图1-1，推车机可以沿轨道上下移动，到达预定位置。推车机上是一个小型泵站，通过控制电磁阀换向，使两油缸伸出、缩回，顶出送料小车，再由各个仓位控制要料。用PLC对送料小车实现控制，其具体要求如下：(1) 送料小车1动作要求：送料小车负责向四个料仓送料，送料路上从左向右共有4个料仓（位置开关SQ1，SQ2，SQ3，SQ4）分别受PLC的，，，检测，当信号状态为1是，说明运料小车到达该位置。小车行走受两个信号的驱动，驱动小车左行，驱动小车右行。料仓要料由4个手动按钮（SB1，SB2，SB3，SB4）发出(对应于PLC为，，，)按钮发出信号其相应指示灯就亮（HL1-HL4），指示灯受PLC的控制。送料小车2动作要求：送料小车负责向四个料仓送料，送料路上从左向右共有4个料仓（位置开关SQ11，SQ12，SQ13，SQ14）分别受PLC的，，，检测，当信号状态为1是，说明运料小车到达该位置。小车行走受两个信号的驱动，驱动小车左行，驱动小车右行。料仓要料由4个手动按钮（SB11，SB12，SB13，SB14）发出(对应于PLC为，，，)按钮发出信号其相应指示灯就亮（HL11-HL14），指示灯受PLC的控制。(2)运料小车行走条件：运料小车右行条件：小车在1，2，3号仓位，4号仓要料；小车在1，2号仓位，3号仓要料；小车在1号仓位，2号仓要料。运料小车左行条件：小车在4，3，2，0号仓位，1号仓要料；小车在4，3，0号仓位，2号仓要料；小车在4，0号仓位，3号仓要料；小车在0位，4号仓位要料。运料小车停止条件：要料仓位与小车的车位相同时，应该是小车的停止条件。运料小车的互锁条件：小车右行时不允许左行启动，同样小车左行时也不允许右行启动。第2章 送料小车系统方案的选择 可编程控制器 PLC的优点可编程控制器 PLC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。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的推广应用。可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。1. 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如西门子公司生产的S7系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2. 配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3. 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4. 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造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改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5. 体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100 mm，重量小于150 g，功耗仅数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 小车送料系统方案的选择实现小车送料系统控制有很多方法来实现，可以用单片机、可编程控制器PLC等元器件来实现。但在单片机控制系统电路中需要加入A/D，D/A转换器，线路复杂，还要分配大量的中断口地址。而且单片机控制电路易受外界环境的干扰，也具有不稳定性。另外控制程序需要具有一定编程能力的人才能编译出，在维修时也需要高技术的人员才能修复，所以在此也不易用单片机来实现。而从上述第一节对PLC的特点了解可知，PLC具有很多优点，因此我们归纳出：可编程控制器PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；安装，操作和维护也较容易；编程简单，PLC的基本指令不多，编程器使用比较方便，程序设计和产品调试周期短，具有很好的经济效益。此外PLC内部定时、计数资源丰富，可以方便地实现对送料小车的控制。因此，最终我选择了用可编程控制器PLC来实现送料小车系统的控制，完成本次的设计题目。第3章 基于PLC的送料小车接线图及梯形图 送料小车PLC的 I/O分配表输入点分配 输出点分配输入接点 输入开关名称 输出接口 驱动设备 小车1行程开关(SQ1-SQ4) 小车1要料指示灯(HL1-HL4) 小车1控制按钮(SB1-SB4) 小车1左右行线圈 小车2行程开关(SQ11-SQ14) 油缸1伸出缩回线圈 小车2控制按钮(SB11-SB14) 小车2要料指示灯(HL11-HL14) 推车机行程开关(SQ5-SQ10) 小车2左右行线圈 起动，停止按钮(SB5，SB6) 油缸2伸出缩回线圈 手动，连续转换开关(SA6，SA7) 推车机上下行线圈 推车机上下，左右转换开关 (SA1，SA2) 油缸单动联动转换开关(SA3-SA5) 3-1 I/O分配表根据控制要求，PLC控制送料小车的输入\输出(I\0)地址编排如下表所示，其中SB5为启动开关，为SB6停止开关，SA6、SA7为手动\连续选择开关，SA1、SA2为上下、左右转换开关，SA3、SA4、SA5为油缸单动联动转换开关。和控制8个要料指示灯，和控制小车1、2左行右行，和。如表3-1所示： PLC端子接线图PLC型号的选择：由于该系统是在原来CPU226的基础上改进的设备，而现在共用了31个输入，用直流24V；18个输出，用交流电220V，所以我选择用S7-200系列CPU226，加一个EM223的扩展模块。CPU226的主要的技术参数：输入24VDC，24点；输出220VAC，16点；电源电压为AC100—240V 50/60Hz。EM223的主要技术参数：输入24VDC，8点；输出220VAC，8点；电源电压为AC100—240V 50/60Hz。如图3-1所示：图3-1 端子接线图 梯形图分段设计本次设计的自动送料小车梯形图，是分开来画的。由总程序结构图、自动操作程序图、手动操作程序图、小车1左右自动送料运行程序图、小车2左右自动送料运行程序图组成。图3-2 总系统结构图（1）程序的总结构图如图3-2所示：因为在手动操作方式下，各种动作都是用按钮控制来实现的，其程序可独立于自动操作程序而另行设计。因此，总程序可分为两段独立的部分：手动操作程序和自动操作程序。当选择手动操作时，则输入点接通，其常闭触点断开，执行手动程序，并由于的常闭触点为闭合，则跳过自动程序。若选择自动操作方式，将跳过手动程序段而执行自动程序。（2）自动程序设计，自动操作控制主要是由行程开关来控制推车机的上行、下行，两缸的伸出、缩回。通过行程开关的上限、下限、左限、右限准确的控制推车机到达预定位置。自动程序时，手动自动转换开关拨到连续档SA7，按下启动按钮SB6，推车机上行，碰到上位行车开关SQ6，上行停止；同时两个油缸动作，推动两小车向左移动，小车1、2碰到左位行程开关SQ10、SQ5，说明两小车到位，这时各个仓位可向小车要料；而且两油缸缩回，碰到行程右位开关SQ8、SQ9停止收缩，推车机下行到行程开关位SQ7时停止。如图3-3所示：图3-3 自动操作程序图（3）手动操作程序的设计，手动操作控制简单，可按照一般继电器控制系统的逻辑设计法来设计。手动程序时，手动自动转换开关拨到手动档SA6，上下、左右转换开关拨到上/下行档时，按启动按钮SB5推车机上行，按停止按钮SB6推车机下行；上下、左右转换开关拨到左/右档时，拨动单动联动转换开关SA3（缸1动作），按启动按钮SB5，缸1伸出推动小车1左行；按停止按钮SB6，缸1缩回；拨动转换开关到SA5（缸2动作），按启动按钮SB5，缸2伸出推动小车2左行，按停止按钮SB6，缸2缩回；拨动单动联动转换开关到SA4（两缸同时动作）按启动按钮SB5，两缸伸出推动两小车左行；按停止按钮SB6，两缸缩回。如图3-4所示：图3-4 手动操作程序图（4）小车1自动送料运行程序，把小车1送到指定位置后，四个仓位就可以向小车要料了，分别代表小车1的1号料仓到4号料仓的要料状态，运料小车1当前所处位置由，运料小车1的右行，左行，停止控制由、。小车到位后，用上微分操作（P）来清除料仓要料状态信号及控制小车停车。（上微分操作的注意事项，上微分脉冲只存在在一个扫描周期，接受这一脉冲控制的元件应写在这一脉冲出现的语句之后）。小车1自动送料图如下图3-5所示：图3-5 小车1左右自动送料运行程序图（5）小车2自动送料运行程序，把小车2送到指定位置后，四个仓位就可以向小车要料了，分别代表小车2的1号料仓到4号料仓的要料状态。运料小车2当前所处位置由，运料小车2的右行，左行，停止控制由、。小车到位后，用上微分操作（P）来清除料仓要料状态信号及控制小车停车。小车2自动送料图3-6所示：图3-6 小车2左右自动送料运行程序图 程序运行原理说明调试与完善本程序是用梯形图所写的。在运行前，先选择工作方式，手动/自动。选择手动SA6时，把上/下、左/右转换开关旋转到上/下档SA1，按下SB5起动点动按钮，推车机上行，按下SB6停止点动按钮，推车机下行；把上/下、左/右转换开关旋转到左/右档SA2，再选择小车的单动、联动控制，小车1单动时把单动/联动转换开关旋转到单动档SA3，两小车联动时旋转到联动档SA4，小车2单动时旋转到单动档SA5，这时按下起动按钮SB5，油缸推动小车左行，按下停止按钮SB6，油缸缩回。选择自动SA7时，按下起动按钮SB5，推车机开始上行，碰到上限行程开关SQ6时停车，两缸自动推出小车，小车碰到左限行程开关SQ5、SQ10时，说明小车到位，各个仓位可以向小车要料，这时两缸自动缩回，碰到右限行程开关SQ8、SQ9时，推车机自动下行，下行到位后（碰到SQ7）停车。只有再次按下起动按钮SB5，才能再次运行。手动程序中设置了联锁和保护电路。如推车机的上行、下行常闭触点的联锁，推车机上下行行程有行程开关SQ6、SQ7控制保护。自动程序是根据推车机的位置、油缸的位置来控制电路执行下一条指令的。油缸把小车推到位后，小车处于准备送料的初始位置，这时1-4号仓位都可以向小车要料。本设计中要料时刻不同时，先要料者优先，但是要料时刻相同时，却不知道小车向哪个仓位送料，需要改进。 系统总梯形图设计由以上，我们画出送料小车系统的总梯形图，其中包括推车机的手动控制程序、自动控制程序、送料小车1控制程序、送料小车2控制程序。如下图3-7所示：图3-7送料小车梯形图（a） 图3-7 送料小车梯形图（b） 图3-7 送料小车梯形图（c） 图3-7 送料小车梯形图（d） 小车程序设计由系统总梯形图，我们写出送料小车的程序指令，如下表3-2所示：表3-2 送料小车程序指令表LDN A JMP 0 A LD AN LPS = A LD AN O = AN LPP = A LD AN O = A LD A = AN LD = O LD A O A A A A AN AN = = LD LBL 0 O LDN AN JMP 1 = LD LD O O AN AN O AN AN = AN LD AN O = AN LD AN AN AN O = AN LD AN O AN AN = = LBL 1 LD LD O AN AN AN AN AN AN S 1= S 1LD LD O AN AN AN = AN LD S 1O S 1AN LD AN AN AN AN = AN LD S 1S 1 A LD OLD AN AN AN S AN LD S 1 O S 1 O LD O A A LD LD A O OLD O LD A A OLD OLD LD LD O A A OLD OLD EU LD R 6 A R 4 OLD LD AN O S 1O LD A AN LD AN O AN A S 1OLD S 1LD LD AN LD AN O AN O S 1 A S 1 LD LD O AN A AN OLD AN LD S 1 A S 1 OLD LD AN AN S 1AN LD AN O S 1 O S 1 O LD A A LD LD O A O OLD A LD OLD A LD OLD O LD A A OLD EU LD R 6 A R 4 OLD AN S 1 结 论在做这个设计中，我学会了很多以前没学过的知识，也巩固了很多以前没学好的知识，使我的专业理论知识更加扎实，软件操作更加熟练了。做完这个设计后，我得出几个结论如下：一、送料小车在硬件设计中，加入了扩展模块，可以在触点不够的情况下方便地实现该小车的系统控制；然后软件设计中，运用了上微分指令，简化了程序，还运用了互锁和联锁，确保了系统的正常运行，减少了系统的故障点。在送料小车的系统中加入了手动操作程序，便于设备的维修，方便操作人员操作。二、该小车系统在实施的情况下，其成本价格比较高。三、该小车控制系统的研究方向：由于本小车系统并不完善，只做了送料，没有设计小车怎么装料和小车到料仓后送料的多少。这两方面是该系统设计的完善，是将来的研究方向。 最后，经过这次毕业设计培养了我们的设计能力以及全面的考虑问题能力。学习的过程是痛苦的但是收获成功的喜悦更是让人激动的。相信通过这次毕业设计它对我以后的学习及工作都会产生积极的影响。谢 辞本论文是在余炳辉导师亲自指导下完成的。导师在学业上给了我很大的帮助，使我在设计过程中避免了许多无为的工作。导师一丝不苟、严谨认真的治学态度，精益求精、诲人不倦的学者风范，以及正直无私、磊落大度的高尚品格，更让我明白许多做人的道理，在此我对导师表示衷心的感谢！本论文能够完成，要感谢机电学院的所有老师，是他们在这三年的时间里，教会我的专业知识。在我撰写论文期间，得到了我的指导老师的帮助，在忙碌的工作之余，给予我专业知识上的指导，而且教给我学习的方法和思路，使我在科研工作及论文设计过程中不断有新的认识和提高。导师为论文课题的研究提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。多得他们的指导和帮助才使我能完成本论文。我会在以后的工作中为社会作出贡献去回报他们对我的教导。希望每个人都和我一样，通过做毕业设计，能够学到很多的知识与道理，大家都能用一颗热诚的心去投身未来的工作，报效祖国、父母、老师。 在本文结束之际，特向我敬爱的导师和机电学院所有老师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！参考文献[1] 张结，黄德斌，唐毅.应用标准与IEC61850的引用和兼容关系.电力系统自动化，2004，28(19)：88～91[2] 朱永利，黄歌，刘培培等.基于IEC61850的电力远动信息网络化传愉的研究.继电器，2005，33(11)：45～48[3] 章宏甲，黄谊，王积伟．液压与气压传动.北京：机械工业出版社， 2002：112～118[4] 成大先．机械设计手册(液压控制).单行本.北京：化学工业出版社， 2004：20～21[5] 廖常初.PLC基础及应用.北京：机械工业出版社，2003：57～64[6] 储云峰．西门子电气可编程序控制器原理及应用.北京：机械工业出版社，2006：75～84[7] 汪巍，汪小凤.基于PLC的气动机械手研究.辽宁工程技术大学学报，2005，4(12)：97～98[8] 丁筱玲，赵立新. 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PLC编程语言的国际标准IEC61131是PLC的国际标准，1992~1995年发布了IEC61131标准中的1~4部分，我国在1995年11月发布了GB/T15969-1/2/3/4(等同于IEC61131-1/2/3/4)。IEC61131-3广泛地应用PLC、DCS和工控机、“软件PLC”、数控系统、RTU等产品。定义了5种编程语言:1)指令表IL(Instructionlist):西门子称为语句表STL。功能比梯形图或功能块图强。2)结构文本ST(Structuredtext):西门子称为结构化控制语言(SCL)。STEP7的S7SCL(结构化控制语言)符合EN61131-3标准。SCL适合于复杂的公式计算、复杂的计算任务和最优化算法，或管理大量的数据等。3)梯形图LD(Ladderdiagram):西门子简称为LAD。直观易懂，适合于数字量逻辑控制。“能流”(Powerflow)与程序执行的方向。4)功能块图FBD(Functionblockdiagram):标准中称为功能方框图语言。“LOGO!”系列微型PLC使用功能块图编程。5)顺序功能图SFC(Sequentialfunctionchart):对应于西门子的S7Graph。