1、 1 摘 要 近年来，随着科学技术的进步和微电子技术的迅速发展，可编程序控制技术已广泛应用于自动化控制领域，可编程序控制器（ PLC）以其高可靠性和操作简便等特点，已经形成了一种工业趋势。 可编程控制器是一种新型的通用控制装置，它将传统的继电器 -接触器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，专门为工业控制而设计，这一新型的通用自动控制装置以其高可靠性、较强的工作环境适应性和极为方便的使用性能，深受自动化领域技术人员的普遍欢迎。 运料小车在现代化的工厂中普遍存在。传统的工厂依靠人力推车运料 ，这样浪费了大量的人力物力，降低了生产效率。而现代工业生产中大量运用 PLC 控制运料小车，并结合组态王
2、软件完成数据通信、网络管理、人机界面 (HMI)和数据处理，使生产自动化，智能化，大大提高了生产效率，降低了劳动成本。 关键词： 可编程控制器（ PLC） 组态王 自动化 控制 2 第一章 引 言 1.1 课题的研究背景及意义 随着我国工业自动化的不断发展，运料小车成为了工业运料的主要设备之一。由于其工作效率高、运行稳定、大大降低了工人的劳动强度、减少了工人的体力劳动，在冶金、有色金属、 煤矿、港口、码头、工业自动化生产线等领域得到了广泛的应用。 早期运料小车电气控制系统多为“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
3、操作。 20 世纪以来随着人类科技的迅猛发展，各种工业化自动控制产品都在向着控制可靠，操作简单，通用性强，价格低廉等方向发展，使自动控制的实现越来越容易。 PLC应运而生。 PLC 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计， PLC 及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充 其功能的原则设计。因而可以说 PLC 是近乎理想的工业控制计算机。 PLC 的输入 / 输出接口是已经按不同需求做好的，可直接与控制现场的设备相连接。同时， PLC 具有很强的监控功能，利用编程器、监视器或触摸屏等人机界面可对 PLC 的运行状态进行监控。随着 PLC 技术的成熟、性价
4、比的不断提高，其应用范围不断扩大，在工业自动化中发挥着越来越重要的作用。 本设计将 PLC 应用到工业送料小车的电气控制系统中，实现了运料小车的自动化控制，使运料小车不再需要人工控制，降低了系统的运行费用，提高了系统的自动化程度。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。 1.2 设计要求及主要内容 1.2.1 设备的结构简图如下图所示 图中异步电机旋转一周，滚珠丝杆也旋转一周，装在滚珠丝杆另一端的旋转编码器也旋转一周，输出一周的脉冲信号，同时，运料小车移动一个丝距的距离。当工作台上的定位贴片靠近接近开关时，接近开关输出信号
5、。 3 1.2.2 控制方案要求 a，将接近开关 2作为原点， 1和 5分别为左右极限； 无论设备处于何种工作状态，遇到左右极限时都必须停止且不可向超限的方向运行； b， 当工作台不在原点时，按下复位按钮，工作台回到原点；若在原点，则复位按钮无效； c， 设手动，单步和自动模式。 d， 假定滚珠丝杆的丝距为 5mm,工作台处于原点时，在自动模式下，按下启动按钮，工作台以段速 1 向前（接近开关 5 的方向）运行 40mm 然后再以段速 2向前运行 40mm，以此类推，走完 160mm 之后，停止 3s，然后快速返回原点；各段速度可以通过触摸屏更改，单位为 mm/s； e， 在单步模式下， 每按
6、一下启动按钮，工作台完成一步，第一步必须在原点时才可以启动；上一步完成之后，触发信号才有效，走完第四段之后，再按一次 启动按钮，工作台就回到原点； f， 手动模式下，无需设备处于原点就可以启动，可控制工作台的前进和后退，注意左右极限； g， 无论设备处于何种工作模式，按下停止按钮时，设备都停止在当前位置，并且要复位至原点，才能以自动或单步模式再次启动 ； 动作的简单时序图如下： 1.2.3 触摸屏设计要求 a， 显示设备当前的工作模式，状态，如前进，前进的断号，返回，停顿定时等等，工作台的移动速度，单位为 mm/s，精确到 0.1mm/s； b， 在单步和自动模式下，实时显示工作台当前相对原点
7、的位置，单位为 mm，精确到 0.1mm； c， 工作模式可通过触摸屏修改； d， 所有的触发信号可以通过外部按钮输入，也可以通过触摸屏输入；如启动按钮，可以用 plc 的输入端子输入，也可以由触摸屏上的某一按钮来输入； e， 各段速度，返回速度，手动速度可设，设定值的单位为 mm/s，精确到 0.1mm/s； 4 第二章 可编程控制器（ PLC）概况 2.1 PLC的定义 国际电工委员会 (International Electrical Committee- IEC),1987年的第三版对PLC作了如下的定义 : PLC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
8、以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算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。 可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由 CPU(中央处理单元 )存储器 (RAM和 EPROM),输入 /输出模块 (简称为 I/O模块 )、编程器和电源五大部分组成。近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技 术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。 2.2 PLC的发展 1968年美国
9、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)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、
10、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。 2.3 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5 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
11、几万小时。 2.4 PLC的基本组成及各部分作用 PLC 是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同， PLC 可分为整体式和组合式两类。 整体式 PLC 是将中央处理单元 (CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体 ，构成主机。另外还有独立的 1/0 扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU 是 PLC 的核心， 1/0 单元是连接 CPU 与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC 与编程器和上位机等外部设备的连接。 组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、智能 1/0 单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块
12、插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有 CPU 单元的底板称为 CPU 底板，其它称为扩展底板。 CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10m.无论哪种结构类型的 PLC，都可以根据需要进行配置与组合。 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) 用扫描的方式接收输入信号，送入 PLC 的数据寄存器保存起来 ; (4) P
13、LC 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 AMD2900 系列等。位片式微处理器是
14、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 : 6 (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分程
15、序的。系统程序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 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
16、，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，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据 的存
17、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、 电源部分 PLC 一般使用 220
18、V 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7 以满足不同控制系统的需要。 6通信接口 为了实现“人一机”或“机一机”之 间的对话， PLC 配有多种通信接口。 PLC 通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的 PLC 或计算机相连。当 PL
19、C 与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印 ;当与监视器相连时 .可将过程图像显示出来 ;当与其他 PLC 相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制 ;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。 7、 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 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
20、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传送。现在很多 PLC 已不再提供编程器， 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 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
21、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
22、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、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8 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
23、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。 9 第三章 硬件系统设计 设计的硬件控制系统主要包括 PLC、变频器、电机、行程开关、接近开关、旋转编码器、电源等。这些都是为了能够更好满足运料小车运行需求，需要对它们进行一一的选型和分析设计。 3.1 PLC的选型 目前国内国外的 PLC 产品有几百种型号，而且功能也日趋完善。 PLC 的结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法及价格等各不相同，使用场合也各有侧重。因此 ，应
24、该合理的选择 PLC，提高 PLC 在控制系统中的作用。 PLC 的选型可以从以下几个方面考虑。 a 机型的选择 选择机型主要以满足系统功能要求为宗旨，不要盲目的贪大求全而造成不必要的投资以及设备资源的浪费。机型的选择可以从以下几个方面考虑：在工艺过程比较固定，环境比较好的场合可以选用整体式结构的 PLC；给予其他情况则最好选用模块式结构的PLC。因为模块式结构的 PLC 配置灵活，装配和维修方便，也便于系统的扩展。对于以开关量控制为主的以及带少量模拟量控制的工程项目可以选用带有 A/D,D/A转换的低档机；而在应用 PID 运算、闭环控制、通信联网等控制比较复杂、控制功能要求比较全的工程项目
25、则应该选用高档机。另外，对于大型的控制系统，应该尽量做到机型统一。 b 硬件选择与配置 1）输入 /输出的选择与配置 确定 I/O 点数，即确定 PLC 的控制规模。根据控制系统的要求确定所需的 I/O 点数，应考虑到以后工艺和设备的改动或 I/O 点的损坏、故障等，一般应预留 10% 20%的备用量， 实际订货时，还需根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行 调 整 。同时应考虑 PLC 提供的内部继电器和寄存器的数量，以节省 I/O 资源。 I/O 模块有开关量、模 拟量，还有特殊功能输入 /输出模块，如定位、高速计数器输入，脉冲捕捉等功能。输入输出模块的选择应考虑与应用要求的
26、统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水 平和降低应用成本。 2）存储器类选择 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用
27、程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 10 15 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数10 （ 16 位为一个 字），另外再按此数的 25%考虑余量。由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求 PLC 的存储器容量，按 256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器
28、。 3） 电源的选择 PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应 用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 如果电源的干扰特别严重，可以选择安装一个变比为 1:1 的隔离变压器来减少干扰。 4）处理速度 PLC 采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好
29、，如果信号持续时间小于扫描时间，则 PLC 将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、 CPU 处理速度、软件质量等有关。目前， PLC 接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约 0.2 0.4Ls，因此 能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型 PLC 的扫描时间不大于 0.5ms/K；大中型 PLC的扫描时间不大于 0.2ms/K。 5） 经济性的考虑 选择 PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出 的 卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对 CPU选用、存储器容量、控制功能范 围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比 。 综合以上 要求和原则，考虑到本系统属于小型的控制系统 ，所以我选择国产信捷PLC，型号为 XC3-32RT-E。 3.1.1 信捷 XCXC3-32RT-E介绍 XC3-32R/T/RT-E/C
