基于PLC的运料小车设计

作者简介:韩刚(1987-)，男，山东省潍坊市，大学本科，助理工程师，从事火电厂热控保护，
仪表检测及自动化控制工作；崔婷(1991-)，女，山东省青岛市，大学本科，助理工程师，设备维护部热控专业，
从事火电厂热控保护，仪表检测及自动化控制工作。

基于PLC 的运料小车设计
The Design of Material Transport Car Based on PLC
韩刚1,崔婷2(1.国家能源蓬莱发电有限公司设备维护部热控班,山东烟台265600;2.国家能源蓬莱发电有限公司,山东蓬莱265600)
Han Gang 1,Cui Ting 2(1.thermal control team of equipment maintenance department of national energy Penglai Power Generation Co.,Ltd.,Shandong Yantai 265600;2.state energy Penglai Power Generation Co.,Ltd.,Shandong Penglai 265600)
摘要：该论文以西门子公司的S7-300系列PLC 为例，简单设计自动运料小车控制系统。

设计中通过各行程开关的通断情况判断小车当前位置，实现运料小车的前进、后退、卸料、装料等内容，达到了对运料小车自动控制的设计要求。

在编程方面，该设计采用SETP 7工控编程软件，通过硬件配置、参数设置、测试、诊断等一系列功能，构筑运料小车的运行界面，并通过PLCSIM Simulating Modules 仿真软件，模拟SETP7的运行情况，将运料小车的一系列动作展示出来。

关键词：自动运料系统；PLC；S7-300；工控组态软件WinCC 中图分类号：TP273
文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2020)06-0053-07
Abstract:This paper takes S7-300series PLC of Siemens company as an example to simply design the control system of the automatic material transport car.In the design,the current position of the trolley is judged by the on-off condition of each travel switch,so as to realize the forward,backward,unloading,loading and other contents of the trolley,so as to meet the design requirements for the automatic control of the trolley.In the aspect of pro-gramming,setp7industrial control programming software is used in this design.Through a series of functions such as hardware configuration,parameter setting,testing,diagnosis,etc.,the operation interface of the material transporting trolley is constructed.Through plcsim simulating modules simulation software,the operation of setp7is simulated,and a series of actions of the material transporting trolley are displayed.
Key words:automatic conveying system;PLC;S7-300;industrial control configuration software WinCC CLC number:TP273
Document code:A
Article ID ：1003-0107(2020)06-0053-07
0引言
实际工业生产中，部分设备的控制使用了大量的中间继电器和时间继电器，长时间运行后触点易接触不良且搭设的硬接线回路较为复杂，
出现的故障不易发现排除。

针对运行时间较长且控制回路故障率较高的设备，可以选择以PLC 为基础进行控制回路的升级改造。

1运料小车系统分析
1.1运料小车系统分析
本文以西门子公司的S7-300系列PLC 为例，简单设计现场工业运输中运料小车控制系统。

本次课程设计中通过各行程开关的通断情况判断小车当前位置，
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了解小车当前位置的相对情况，从而控制电动机的正转、反转和停止，达到了对运料小车自动控制的设计要求，运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车前进，电机反转，小车后退。

运料小车PLC控制系统的由可编程逻辑控制器( PLC)、启动按钮、停止按钮、行程开关、三相异步电动机及状态显示组成，其总体结构如图1所示。

图1方案流程
本设计的核心思想是：通过PLC控制电机的正反转，实现小车的正反转，并在一定条件下停止运行。

实现了物料运输车的自动控制，满足了工业生产的要求。

1.2系统的整体框图及方案确定
本次设计选用西门子公司的S7-300系列PLC，SIMATIC S7-300系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-300系列的功能强大，可实现复杂控制功能。

S7-300系列具有极高的性价比，可靠性，指令集丰富，易于掌握，操作便捷，内置集成功能丰富，具有实时特性，通讯能力强，扩展模块，其中启动按钮SB1用来开启运料小车，停止按钮SB2用来手动停止运料小车[1]。

按SB1小车从原点起动，KM1接触器吸合使小车向前运行直到碰SQ2开关停，KM2接触器吸合使甲料斗装料5秒，然后小车继续向前运行直到碰SQ3开关停，此时KM3接触器吸合使乙料斗装料3秒，随后KM4接触器吸合小车返回原点直到碰SQ1开关停止，KM5接触器吸合使小车卸料5秒后完成一次循环。

其中按动启动按钮后小车连续作3次循环后自动停止，中途按停止按钮SB2则小车完成一次循环后才能停止[2]。

2系统的硬件设计
2.1PLC的原理介绍
图2所示为SETP7组成结构。

图2SETP7组成结构
(1)CPU中央处理单元，起"心脏"作用。

纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能(系统程序存储器的解释编译程序)，把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。

横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。

然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。

把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。

组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成[3]。

这些电路集成在一个芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接[4]。

(2)存储器
具有存储功能的半导体电路分为系统程序存储器和用户存储器。

系统程序存储器用于存储系统程序，包括用于编译用户程序的管理程序、监视程序和解释编译器。

它由只读存储器和只读存储器组成，由制造商使用，内容不可更改，电源不消失。

用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。

它由随机存取存储器(RAM)组成。

由用户使用。

关机内容消失。

锂电池常用作备用电源，使用寿命3-5年。

(3)输入/输出电路
输入电路：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。

发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。

光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关[5]。

在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。

输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。

当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。

向内部电路输入信号。

也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC
内部所能接受的数字信号。

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输出电路：PLC 的继电器输出接口电路
工作过程：当内部电路输出数字信号1时，有电流流过继电器线圈，然后闭合常开触点，提供负载传导的电流和电压。

当内部电路输出数字信号0时，没有电流流过继电器线圈，然后常开触点断开以断开负载的电流或电压。

换言之，通过输出接口电路，将内部数字电路转换成信号，
使负载动作或不动作。

还有特别用来输入/输出模拟电流信号和高速脉冲信号的特殊结构，例如：模数/数模转换模块、高速计数模块等。

(4)编程器
有两种程序员。

一种是手持式编程，方便。

我们实验室使用的是手持程序员。

另一种是通过PLC 的RS232接口与计算机连接，然后轻触键盘，通过nstp-gr 软件(或Windows 下的软件)将程序输入PLC。

2.2分配I/O 地址表
输入输出信号规定如表1所示。

根据输入输出信号规定，
在Symbol Editor 中编辑符号变量在块Blocks 中完成程序的设计，根据要求在CF1完成梯形图的设计。

图3所示为梯形图窗口。

表1输入输出信号规定
2.3PLC 外部接线图
运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向右行，电机反转，小向左行。

小车控制系统的输入，输出设备与PLC 的I/O 端对应的外部接线图如4所示。

3运料小车软件设计
3.1运料小车流程
运料小车流程图如图5所示。

图3梯形图窗口
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图6S7PLCSIM
仿真窗口
3.2SETP7程序调试及仿真
调试是通过视图对象(View Objects)来进行的。

S7PLCSIM 这个仿真软件提供了多种视图对象，用它可以实现对仿真PLC 内的各种变量、计数器和定时器的监视与修改。

下面是PLCSIM 调试及仿真程序的步骤：
(1)在SETP 7编程软件中生成项目，
编写用户程序。

(2)打开S7PLCSIM 窗口，在SIMAITIC MANAGER(管理器)的工具栏点
击仿真器
图标，或执行菜单
"Options"中的"Simulate Modules"命令，自动建立SETP 7与仿真CPU 的连接。

仿真PLC 的电源处于接通状态，CPU 处于STOP 模式，扫描方式为连续扫描，
如图6所示。

图4PLC 外部接线图
图5
运料小车流程图
(3)在管理器中打开要模拟的项目，选择"SIMATIC 300(1)"工作站，并将所有块下载到模拟plc。

(4)生成视图对象。

单击S7plcsim 窗口中的工具图标以生成如上所示的视图对象。

(5)使S7plcsim 处于运行状态，
用view 对象模拟实际PLC 的输入输出信号，监视程序，检查下载的用户程序是否正确。

图7所示为S7PLCSIM 仿真运行情况，图8所示为SETP7程序运行情况。

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图7S7PLCSIM
仿真运行情况
图8SETP7程序运行情况
4监控界面的设计4.1WinCC 软件的介绍
WinCC(Windows 控制中心)是一个集成的人机界面(HMI)系统和监控(SCADA)系统。

它结合了西门子在过程自动化领域的先进技术和微软强大的软件功能。

WinCC 是Windows 环境下面向对象的32位工业监控组态软件，适用于任何自动控制系统。

WinCC 软件适用于监控应用。

它是一个"开放"的人机界面软件，可以在任何一台标准PC 机上运行，
每个系统集成商都可以使用WinCC 作为其系统扩展的基础，通过开放的接口开发自己的应用软件。

WinCC 完全支持分布式系统结构。

它的设计适用于广泛的应用。

它可以连接到现有的自动化环境中，具有大量的通信接口、综合的过程信息和数据处理。

4.2创建供料系统的过程画
在"图形编辑器"中新建一个画面，根据控制要求，可以在画面中画图。

本控制系统的整体画面如图9所示。

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完成动态连接后对画面进行全部保存，
为此就完成了画面的创建。

若想通过画面检测过程的运行情况，则直接将画面激活即可。

4.3程序调试
本系统采用S7-PLCSIM 仿真软件调试程序。

(1)在调试程序之前，首先点击setp7的SIMATIC manager 工具栏中的"simulation on/of"按钮，CPU view 对象将自动出现在窗口中。

同时，自动建立setp7与仿真CPU
的连接。

图9
整体画面
为了方便观察生产现场的运行和参数变化情况，通常需要在监控画面连接相应的过程控制量，将现场信号送入画面显示，让画面模拟现场的运行情况动起来。

为此，需要对被观测变量进行动画连接。

动画连接属性分
为"属性"和"事件"。

属性可设置画面的表态属性和动态属性。

对象的事件由系统或操作员发送到对象。

如果对象的事件中有操作，则在事件发生时将执行相应的操作。

动态连接的对话框如图10所示。

图10动态连接的对话框
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(2)下载硬件配置。

在SIMATIC manager中，选择"项目和PLC"→"清除/重置"以清除原始配置信息。

把开关拨到ST，再转到RUN位置。

则CPU开始运行。

在HW-CONFIG窗口中，选择save and compile，选择PLC→DownLoad。

(3)将程序下载到PLC中。

在SIMATIC Manager中，选中工程，选择PLC→Clear/Reset，可以清除原来的配置信息，之后选择PLC→Download，就可以将整个程序下载到PLC中了。

(4)监控程序的运行。

在把程序下载到PLC之后，为检查程序运行是否正确，看WinCC中的S7地址是否连接正确，具体如图11所示。

5结语
利用S7-300的编程方法，及仿真器对程序进行调试；利用上位机WinCC组态画面，使WinCC与下位机程序通讯；在以上这几方面进行了学习，并完成了本次设计的仿真设计。

通过画面中按钮来实现对系统的起、停、故障处理等控制，从而实现远程控制。

参考文献：
[1]廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,
2013:57-64.
[2]储云峰.西门子电气可编程序控制器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2006:75-84.
[3]王巍,汪玉凤.基于PLC的气动机械手研究[J].辽宁工程技术大学学报,2005,24(S1):135-136.
[4]丁筱玲,赵立新.PLC在机械手控制系统上的应用[J].山东农业大学学报(自然科学版),2006,37(1):105-108. [5]周万珍,高鸿宾.PLC分析与设计应用[M].北京:电子工
业出版社,2004:21-45.
图11连接参数MPI
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