1、基于 PLC 和变频器运料小车的控制系统第 1 页 共 28 页摘 要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，无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作，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，可靠性和可维护性好，易于安装、维修和改造等优点。随着经济的发展，运料小车不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。运料小车是焦化厂及其它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
2、“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。本文将介绍一种先进控制系统来对焦化厂运料小车进行自动控制。此系统把 PLC 控制技术与变频器调速相结合，利用 PLC 控制变频器，再通过变频器优良的调速性能，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。此运料小车自动控制系统以可编程序控制器为核心。其中 PLC 在现场对变频调速系统进行控制，变频器按 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，精度高，稳定性、可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。【关键词】：运料小车控制系统；
3、PLC；变频器基于 PLC 和变频器运料小车的控制系统第 2 页 共 28 页第一章 绪论1.1 课题的提出背景随着我国社会经济的迅猛发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。为了改变落后的生产状态,缓解日趋紧张的供求关系,我们研究了多功能天车。新中国成立特别是改革开放以来，我国社会主义现代化建设取得了举世瞩目的伟大成就。同时，必须清醒地看到，我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。全面建设小康社会，既面临难得的历史机遇，又面临一系列严峻的挑战。经济增长过度依赖能源资源消耗，环境污染严重；经济结构不合理，农业基础薄弱，高技术产业和现代服务业发展滞后
4、；自主创新能力较弱，企业核心竞争力不强，经济效益有待提高。在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面，有诸多困难和问题亟待解决。从国际上看，我国也将长期面临发达国家在经济、科技等方面占有优势的巨大压力。为了抓住机遇、迎接挑战，我们需要进行多方面的努力，包括统筹全局发展，深化体制改革，健全民主法制，加强社会管理等。与此同时，我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新，带动生产力质的飞跃，推动经济社会的全面、协调、可持续发展。进入 21 世纪，我国作为一个发展中大国，加快科学技术发展、缩小与发达国家的差距，还需要较长时期的艰苦努力，同时也有着诸多有利条件。中华民族拥有
5、5000 年的文明史，中华文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成独特的创新文化。只要我们增强民族自信心，贯彻落实科学发展观，深入实施科教兴国战略和人才强国战略，奋起直追、迎头赶上，经过 15 年乃至更长时间坚韧不拔的艰苦奋斗，就一定能够创造出无愧于时代的辉煌科技成就。科技工作的指导方针是：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展，就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技
6、术，支撑经济社会的持续协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。在对外开放条件下推进社会主义现代化建设，必须认真学习和充分借鉴人类一切优秀文明成果。改革开放 20 多年来，我国引进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。但是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化吸收和再创新，势必削弱自主研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。总之，必须把提高自主
7、创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个方面，贯彻到各个产业、行业和地区，大幅度提高国家竞争力。我国科学技术发展的总体目标是：自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑；基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础，形成比较完善的中国特色国家创新体系。基于 PLC 和变频器运料小车的控制系统第 3 页 共 28 页企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得生产物的输送成为生产物流系统中的一个重要环节。运料小车自动控制正是用来实现输送生
8、产物的控制系统，随着 PLC 的发展，国外生产线上的运输控制系统非常广泛的采用该控制系统，而且有些制造厂还开发研制了出了专用的逻辑处理控制芯片，我国的大部分工控企业的运料小车自动控制系统都是从国外引进的，成本高，为了满足现代化生产流通的需要，让 PLC 技术与自动化技术相结合，充分的利用到我国的工控企业生产线上，让该系统在各种环境下都能够工作，而且成本低，易控制，安全可靠，效率高。1.2 运料小车的发展概况由于 PLC 的不断发展和革新，使得生产线的运输控制也将得到不断的改善和生产率的不断提高，运料小车控制经历了以下几个阶段：（1）手动控制：在 20 世纪 60 年代末 70 年代初期，便有一
9、些工业生产采用 PLC 来实现运料小车的控制，但是由于当时的技术还不够成熟，只能够用手动的方式来控制机器，而且早期运料小车控制系统多为继电器一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。（2）自动控制：在 20 世纪 80 年代，由于计算机的价格下降，这时的大型工控企业将 PLC充分的与计算机相结合，通过机器人技术，自动化设备终于实现了 PLC 在运料小车控制系统在自动方面的应用。（3）全自动控制：现阶段，由于 PLC 技术的向高性能 高速度、大容量发展大型 PLC 大多采用多 CPU 结构，不断向高性能、高速度和大容量方向
10、发展。将 PLC 运用到运料小车控制系统，可实现运料小车的全自动控制，降低系统的运行费用。PLC 运料小车自动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，维修和改造方便等优点。基于 PLC 和变频器运料小车的控制系统第 4 页 共 28 页第二章 可编程控制器（PLC）概况2.1 PLC 的定义PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：“PLC
11、 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。” 2.2 PLC 的发展1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公开招标提出十项标准:(1)编程方便，现场可修改程序；(2)维修方便，采用模块化结构；(3)可靠性高于继电器控制装置；(4)体积小于继电器控制装置；(5)数据可直接送入管理计算机；(6
12、)成本可与继电器控制装置竞争；(7)输入可以是交流115V；(8)输出为交流115V, 2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；(9)在扩展时，原系统只要很小变更；(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K。1969年，美国数字公司(DEC)研制出了第一台可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。基于 PLC 和变频器运料小车的控制系统第 5 页 共 28 页2.3 PLC 的特点(1)可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是
13、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。例如三菱公司生产的 F 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，和同等规模的继电接触器系统相比，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
14、断保护。(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
15、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 100mm，重量小于 150g，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
16、想控制设备。2.4 PLC 的基本组成及各部分作用PLC 实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一的。如图下图所示， PLC 硬件的基本结构图所示：基于 PLC 和变频器运料小车的控制系统第 6 页 共 28 页编 程 器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区 用户程序存储区电源1、中央处理单元(CPU)：CPU 在 PLC 中的作用类似于人体的神经中枢，它是 PLC 的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；(2) 诊断电源、PLC 内部电路的工作状态和编程的语法错误;(3) 用扫描的方式接
17、收输入信号，送入 PLC 的数据寄存器保存起来;(4) PLC 进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。现代 PLC 使用的 CPU 主要有以下几种:(1)通用微处理器，如 8080, 8088, Z80A, 8085 等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。(2) 单片机，如 8051 等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型 PLC 上使用，也广泛地用于 PLC 的智能 UO 模块。(3) 位片式微处理器，如 AMD29
18、00 系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以 4 位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的 PLC 使用。2、存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下 3 种:(1)系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC 也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了 PLC 的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部
19、分程序的。系统程序基于 PLC 和变频器运料小车的控制系统第 7 页 共 28 页是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器 ROM 或 EPROM.(2)用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的 RAM。由于 RAM 掉电会丢失数据，因此使用 RAM 作用户程序存储器的 PLC，都有后备电池(铿电池)保护 RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入 EPROM.目前较先进的 PLC(如欧姆龙公司的 CPMIA
20、型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。(3)工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM 中，以适应随机存取的要求。在 PLC 的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储 PLC 的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的 ON/OFF 状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放 A/0 转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电
21、时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。3、1/0 单元I/0 单元也称为 I/0 模块。PLC 通过 I/0 单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时 CPU 从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.4、电源
22、部分PLC 一般使用 220V 的交流电源，内部的开关电源为 PLC 的中央处理器、存储器等电路提供 5V, +12V, +24V 的直流电源，使 PLC 能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的 CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式 PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与 CPU 封装到一个模块中。5、扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使 PLC 的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。6、编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记
23、符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有 LCD 或 CRL 图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用 PC 作为编程器，PLC 生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到 PLC，也可以将 PLC 中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和基于 PLC 和变频器运料小车的控制系统第 8 页 共 28 页传送。现在很多 PLC 已不再提供编程器，
24、而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。2.5 系统 PLC 的选型PLC 与工业生产过程的联系是通过 I/O 接口模块来实现的。PLC 有许多 I/O 接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。I/O 点数选择的内容如下：定义 PLC 的 I/O 点数，包括开关量的 I/O 点数、数字量的 I/O 点数、模拟量的 I/O 点数以及特殊功能模块。根据系统的需要，确定系统输入输出设备的数量。1、输入点（设备）的数量 小车自动控制系统的运行，需要设置启动开关、手/自动转换开关以及停车开关，手动开关是
25、便于对系统的检测与维修，当手动有效时，小车应可以在低速度下行驶。小车速度改变信号的输入点(SQ3SQ6 点)，本系统采用行程开关向 PLC 发出信号以此来控制变频器的频率变化。监控机对小车的位置监控是通过接收旋转编码器的输出信号来实现的。旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。因此可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给 PLC，利用 PLC 的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。变频器的异常输出端子 Y2、Y3、Y4 和 Y5 是额定值为 DC24V/50mA 的集电极开路输出，符合 FX2N 可编程控制器对输入信号的要求，因此可以将
26、它们与可编程控制器的输入端直接相连，作为变频器的异常信号输入到 PLC，经过 PLC 故障处理子程序进行异常处理。因此，由 PLC 组成的控制系统共有 17 个输入信号。其中有 2 个位置检测输入信号，11开关输入信号，4 个变频器异常输入信号。2、输出点（设备）的数量控制变频器的抱闸工作、正反向运行、复位、停止及高低速选择，需要 6 点开关量输出，为了指示电机的运行状态，如左行、右行、报警等，设置 8 个输出指示信号，此外，还需要给变频器一个故障信号输入，PLC 检测到系统有故障时让变频器停止工作。PLC 的选型主要依据控制所需输入/输出点数和用户程序的长度来确定。考虑到系统今后的功能扩展，
27、留有一定余量，本系统选用了功能齐全而且可靠性高的三菱 FX2N48MR，这样共有 24 输入点，输出点 24 点。可以满足输入、输出的要求，并且还有一定的余量。2.6 PLC 的应用领域目前，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，使用情况大致可归纳为如下几类。(1)开关量的逻辑控制基于 PLC 和变频器运料小车的控制系统第 9 页 共 28 页这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，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
28、机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。(3)运动控制PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在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。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎
29、都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4)过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(5)数据处理现代 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。这些数据可以
30、与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(6)通信及联网PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。2.7 PLC 使用注意事项虽然 PLC 具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰能力，但在过于恶劣的环境或安装使用不当等
31、情况下，都有可能引起 PLC 内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件损坏。为了提高 PLC 系统运行的可靠性，使用时应注意以下几个方面的问题。I/O 设备及电动设备的电源线应分开连接，以避免过强的噪声和过大的电源波动引起PLC 的 CPU 工作异常。输入（出）线尽可能的远离输出（入）线、高压线及电机等干扰。信号线应该尽量使用屏蔽电缆。基于 PLC 和变频器运料小车的控制系统第 10 页 共 28 页PLC 的各单元的地线相连，接地线应用专用的，其直径应在 2mm 以上，且不能和其他设备共用，更不能接到建筑物的大型金属结构上。PLC 要求环境温度应该在 055。安装时不能把发热量大的元件放在 PLC 下面，并且周围应该有足够的通风散热空间。安装 PLC 的控制柜应当远离有强烈振动和冲击场所，尤其是连续、频繁的振动。必要时可以采取相应措施来减轻振动和冲击的影响，以免造成接线或插件的松动。不宜把 PLC 安装在有大量污染物（如灰尘、油烟、铁粉等）、腐蚀性气体和可燃性气体的场所，尤其是有腐蚀性气体的地方，易造成元件及印刷线路板的腐蚀。
