电气自动化毕业设计基于PLC的运料小车控制系统设计

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。

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。

通信和数据连接功能选项使得FX1N在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。

本课题主要包括：分析被控对象和明确系统控制要求、PLC选型、确定系统的I/O设备的数量及种类、控制流程设计、控制程序设计。

PLC在运料小车控制系统中的应用，已经在国内外工程、工厂中得到实际应用，具有巨大的经济和社会价值，其智能化和自动化的思路值得以后继续深入研究和推广。

关键词: PLC,运料小车,控制系统,I/O点
ABSTRACT
Early electric car control system of the transporter over the relay - contactor complex system composed of The system design cycle, there is a long, bulky, high cost, defects, no data processing and communications functions, must be hand operated, will be applied to transport materials car PLC electrical control system and can realize automatic control operation of the car, reducing the running costs of the system, PLC control system for electric car transporter with a simple connection to control speed, reliability and maintainability is good, easy to install, repair and improvement and so on. With economic development, transport materials to various areas of growing car, from manual to automatic, and gradually formed the mechanization and automation.
PLC applied to transport materials to car electrical control system and can realize automatic control operation of the car and reduce system operating costs. Communications and data connectivity options make FX1N in volume, communications and special function modules such important applications perfectly. The topics include: analysis of plant and a clear system control requirements; PLC selection; determine the system's I / O device number and type; control process design; control programming.
PLC control system in the car transporter in the application, has been in domestic and international projects has been applied in the factory, with huge economic and social value, the intelligence and automation beyond the idea worthy of further research and extension.
Key words ：PLC，transporter cart，control system，I/O points
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
目录 .................................................................................................................................................. I II 1 绪论 .. (1)
1.1 课题的提出背景 (1)
1.2 运料小车的发展概况 (2)
1.3 课题的意义及应用 (3)
1.4 本课题的主要工作 (3)
2 可编程控制器(PLC)的概述 (4)
2.1 PLC的定义 (4)
2.2 PLC的发展 (4)
2.3 PLC的特点 (5)
2.4 PLC的基本组成及各部分的作用 (6)
2.5 PLC的应用领域 (8)
2.6 运料小车控制系统图 (9)
2.7 PLC选型 (11)
2.7.1 选型分析 (11)
2.7.2 系统的安装 (11)
2.7.3 输入/输出模块选择 (11)
2.7.4 开关量I/O点的节省和模拟量I/O模块的代用 (12)
2.7.5 抗干扰措施 (12)
2.8 系统资源分配 (13)
2.8.1 I/O地址分配 (13)
2.8.2 数字量输入部分 (13)
2.8.3 数字量输出部分 (13)
2.8.4 内部继电器部分 (14)
3 基于PLC的运料小车控制系统的硬件设计 (15)
3.1 系统工作原理分析 (15)
3.1.1 运料小车的运动流程 (15)
3.1.2设备控制要求 (15)
3.2 系统硬件介绍 (16)
3.3 系统硬件设计 (17)
3.4 小车运动分析 (19)
4 系统软件源程序设计 (22)
4.1 小车行程开关 (22)
4.2 小车启停辅助继电器 (22)
4.3 呼叫按钮 (23)
4.4 比较 (25)
4.5 向左运动 (25)
4.6 向右运动 (26)
5 调试结果及工作小结 (27)
5.1 控制系统的调试 (27)
5.1.1编程软件 (27)
5.1.2 程序的构成 (27)
5.1.3 程序的下载安装和调试 (29)
5.2 本文主要完成的工作及总结 (30)
5.3 工作展望 (31)
参考文献 (32)
致谢 (33)
1 绪论
1.1 课题的提出背景
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；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
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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。

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的运料小车控制系统设计与实现
1.3 课题的意义及应用
小车自动运料系统,由于其控制简单,成本低,因此广泛应用于车站、码头、仓库、矿井等生产场所。

但传统的接触继电器控制系统，有着其自身的缺点。

例如：整个运行过程中，小车的速度很难设定，如果太快，启动和制动时由于存在小车惯性很容易造成物料的掉落、抛洒，这样就不能实现安全的启动。

随着经济的不断发展，运料小车的应用也不断扩大到各个领域。

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，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。

现将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，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便、设计施工调试周期短等优点。

在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定时间的停留，以满足生产工艺要求。

用P LC程序实现运料小车自动往返顺序控制，不仅具有程序设计简易、方便、可靠性高等特点，并且程序设计方法多样，便于不同层次的设计人员的理解和掌握。

1.4 本课题的主要工作
本文所做的工作就是通过PLC控制运料小车在工作台上各呼叫站间运动，以达到生产实际之用。

全文主体思路共分为6节，第一节概述运料小车问题的提出和意义，运料小车控制系统的发展概况，明确论文要解决的问题；第二节介绍了可编程序控制器（PLC）。

第三节详细介绍基于PLC的运料小车的硬件设计，分析被控对象和明确系统控制要求。

第四节详细阐述运料小车系统的软件设计。

第五节是调试结果和小结,分析系统的优缺点及对未来工作的展望。

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2 可编程控制器(PLC)的概述
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。

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，美国通用汽车公司首先提出可编程控制器的理念。

在1969年，美国数字设备公司（DEC）终于研制出世界上第一台PLC。

这是由一种新的控制系统代替继电器的控制系统，它要求尽可能地缩短汽车流水线控制系统的时间，其核心采用编程方式代替继电器方式来实现生产线的控制。

这种控制系统首先在美国通用汽车的生产线上使用，并获得了令人满意的效果。

PLC在冶金和制造等其他工业部门相继得到了应用。

1971年，日本引进了这项技术，并开始生产自己的PLC。

1973年，欧洲一些国家也研制出了自己的PLC。

1974年，我国也开始仿照美国的PLC技术研制自己的PLC，终于在1977年研制出第一台具有实用价值的PLC。

大规模集成电路和超大规模集成电路的出现使得PLC在问世后的发展极为迅速。

现在，PLC不仅能实现继电器的逻辑控制功能，同时还具有数字量和模拟量的采集的控制、PID调节、通信联网、故障自诊断及DCS生产监控等功能。

毫无疑问，PLC将在今后的工业生产中起到非常重要的作用。

在20世纪80年
基于PLC的运料小车控制系统设计与实现
代，美国的工业市场调查报告和1989年美国的一份分散控制系统(DCS)的调研报告中，都能看出PLC在工业控制中的重要作用。

2.3 PLC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想控制设备。

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2.4 PLC的基本组成及各部分的作用
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I/0扩展单元与主机配合使用。

主机中，CPU是PLC的核心，I/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I/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，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) 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AMD2900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分程序的。

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.
(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储器区域称为数据保持区。

3、I/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．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PLC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
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
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）。