基于plc的機(jī)械小車運(yùn)料自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 積的縮小與性能的提高兩個(gè)方面。（1）體積的小型化電子產(chǎn)品體積的小型化是微電子技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。與早期的PLC相比，現(xiàn)代的 PLC的內(nèi)部組成元件有很大的不同，PLC 的體積被大幅度縮小。例如，SIEMENS 公司的 S5115與 S7300PLC在寬度、高度、厚度都有縮小。（2）性能的提高PLC的性能主要包括 CPU性能和 I/O性能。隨著微處理器性能的日益提高，PLC 的 CPU的基本性能得到同步發(fā)展，具體體現(xiàn)在運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)處理能力、存儲(chǔ)容量等方面。與 S5系列相比，S7300 的運(yùn)算速度提高 16倍，基本存儲(chǔ)容量提高 12倍，最大存儲(chǔ)容量更是提高近 200倍，并且可以使用多種編程方式。在 I/O性能方面，最主要是體現(xiàn)在可通過 PLC控制與連接特殊 PLC模塊與系統(tǒng)通信口上，反映了 PLC的集中控制與網(wǎng)絡(luò)連接能力。網(wǎng)絡(luò)連接能力是當(dāng)代 PLC的發(fā)展趨勢(shì)，它是信息技術(shù)發(fā)展對(duì)自動(dòng)化設(shè)備提出的新要求，是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化與進(jìn)行現(xiàn)代化管理的需要，是計(jì)算機(jī)集成化制造的基礎(chǔ)。而被通過現(xiàn)場(chǎng)總線等形式可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)間的通信與連接，以實(shí)現(xiàn)集中、統(tǒng)一控制與管理；通過網(wǎng)絡(luò)連接，可以工廠自動(dòng)化與現(xiàn)代化管理奠定基礎(chǔ)。除此之外，可靠性的提高，價(jià)格的不斷下降，使得 PLC的性能價(jià)格比得到提高。 PLC的特點(diǎn)及其功能 PLC的基本特點(diǎn)（1）可靠性高PLC作為一種通用的工業(yè)控制器，它必須在各種不同的工業(yè)環(huán)境中正常工作。對(duì)工作環(huán)境的要求較低，抗干擾能力強(qiáng)，平均無故障工作時(shí)間長(zhǎng)，是 PLC在各工業(yè)得到廣泛應(yīng)用的重要原因之一。PLC 的可靠性與硬件的設(shè)計(jì)制造以及軟件設(shè)計(jì)密切相關(guān)。硬件設(shè)計(jì)PLC在硬件設(shè)計(jì)上采用了光電隔離、使用開關(guān)電源、選用高可靠性器件、有效的抗干擾與電磁屏蔽等措施來提高 PLC的可靠性。軟件設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)上采用了特殊的“循環(huán)掃描”方式與專用的編程語言，并采用了系統(tǒng)程序與用戶程序相對(duì)獨(dú)立的軟件結(jié)構(gòu)。（2）使用方便由于大多數(shù) PLC都采用了基本單元加擴(kuò)展或模塊化結(jié)構(gòu)形式，因此，輸入/輸出信號(hào)的數(shù)量、形式、驅(qū)動(dòng)能力等可以根據(jù)實(shí)際控制需要進(jìn)行選擇與確定且需要，時(shí)還可以隨時(shí)更換或增減 I/O模塊；PLC 具有可以滿足不同控制要求的特殊功能模塊，使得使用靈活與多變；可以通過個(gè)人計(jì)算機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)對(duì) PLC程序進(jìn)行調(diào)整與修改，還可以對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)與工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，調(diào)整、維修方面等。（3） 功能完善，應(yīng)用靈活。（4） 環(huán)境要求低，適應(yīng)性強(qiáng)。（5） 體積小，重量輕，能耗低。（6） 維修工作量小，維修方便。（7）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，安裝，調(diào)試工作量少。 PLC的功能（1）基本控制功能。它可以對(duì)開關(guān)量進(jìn)行邏輯運(yùn)算與處理，并實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)、代碼轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)化比較等功能；（2）特殊控制功能。通過 PLC的特殊功能模塊，PLC 可以用于溫度、電壓、速度、位置等控制的場(chǎng)合，對(duì)模擬量與數(shù)字量進(jìn)行處理與控制。（3）通信與網(wǎng)絡(luò)功能，PLC 可以與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并組成PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與工廠自動(dòng)化系統(tǒng)。 PLC與DCS、工業(yè)PC自從微型計(jì)算機(jī)問世以來，工業(yè)控制一直是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)控制上，除 PLC之外，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱 PC）與集散控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 DCS）也是其中代表性產(chǎn)品。PLC與工業(yè) PC、DCS 的主要區(qū)別為：在硬件上，工業(yè) PC機(jī)采用了通用計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，具有兼容性強(qiáng)、通信方便的特點(diǎn)；DCS 注重于對(duì)模擬量的輸入/輸出的控制與回路調(diào)節(jié)功能的設(shè)計(jì)；而 PLC側(cè)重于對(duì)開關(guān)量的邏輯控制。在軟件上，工業(yè) PC機(jī)可以使用多種應(yīng)用程序，適應(yīng)算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性強(qiáng)的控制要求；DCS 在模擬量處理與 PID調(diào)節(jié)運(yùn)算方面有其優(yōu)勢(shì)；PLC采用面向基層應(yīng)用人員的簡(jiǎn)單編程語言與特殊的程序執(zhí)行方式（循環(huán)掃描） ，工業(yè) PC與 DCS在編程方便、直觀以及運(yùn)行可靠性方面不及PLC。 PLC的基本組成及其各部分作用PLC的硬件主要由中央處理器（CPU） 、存儲(chǔ)器、輸入接口電路、輸出接口電路、通信接口、內(nèi)部電源等部分組成。PLC的軟件主要是系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。PLC 的系統(tǒng)程序一般由管理程序、指令譯碼程序、標(biāo)準(zhǔn)程序塊三部分組成；PLC 的用戶程序是指PLC的使用者根據(jù)各種控制要求與控制條件編制的 PLC用戶程序，常稱為“用戶程序” 。（1）中央處理器（CPU）PLC的 CPU在系統(tǒng)程序的控制下工作，主要功能進(jìn)行 PLC的循環(huán)掃描處理，內(nèi)容包括執(zhí)行輸入采樣、執(zhí)行 PLC用戶程序、內(nèi)部診斷、通信處理和輸出刷新五個(gè)方面。（2）存儲(chǔ)器PLC內(nèi)部所使用的存儲(chǔ)器，按用途分為：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在 S7200中，系統(tǒng)存儲(chǔ)器采用 ROM單獨(dú)存儲(chǔ)。用戶存儲(chǔ)器采用 EEPROM，內(nèi)部劃分為“用戶程序存儲(chǔ)區(qū)域” 、“參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)域” 、 “保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域”三個(gè)區(qū)域。 “用戶程序存儲(chǔ)區(qū)”用于 PLC用戶程序；“參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)”用于存儲(chǔ) PLC硬件、軟件配置參數(shù)；“保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)”用于存儲(chǔ)需要斷電保持的部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)容。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在 S7200中稱“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域” ，采用動(dòng)態(tài) RAM進(jìn)行存儲(chǔ)。（3）輸入接口電路輸入接口的作用是完成外部信號(hào)到 PLC內(nèi)部信號(hào)的轉(zhuǎn)換。通常情況下，來自生產(chǎn)設(shè)備或控制現(xiàn)場(chǎng)的各種輸入信號(hào)，通過輸入接口電路可以講開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成 PLC內(nèi)控制所需要的、CPU 能夠直接處理的 TTL電平，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成 PLC內(nèi)部所需要的數(shù)字量等。輸入接口電路一般由信號(hào)連接器件（如接線端子、插頭等） 、輸入電路（RC 濾波器、限流電路、整流電路、穩(wěn)壓電路等） 、信號(hào)隔離/電平轉(zhuǎn)換電路（如光電耦合器件、模擬開關(guān)等） 、輸入信號(hào)寄存電路等環(huán)節(jié)組成。（4）輸出接口電路輸出接口的主要作用是完成 PLC內(nèi)部信號(hào)到外部信號(hào)的轉(zhuǎn)換。通過輸出接口電路，可以將 CPU處理完成的邏輯運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換到外部執(zhí)行元件所需要的控制信號(hào)，將處理完成的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成外部控制、顯示所需要的模擬量等。輸出接口電路一般由信號(hào)連接器件（如接線端子、插頭等） 、輸出驅(qū)動(dòng)電路（如中間繼電器、大功率晶體管、雙向晶體管等） 、信號(hào)隔離/電平轉(zhuǎn)換電路（如光電耦合器件、模擬開關(guān)等） 、輸出信號(hào)寄存電路等環(huán)節(jié)組成。（5）通信接口通信接口的主要作用是實(shí)現(xiàn) PLC與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。最基本的通信接口有 RS23RS42RS485 等標(biāo)準(zhǔn)的串行接口。（6）內(nèi)部電源PLC的外部輸入電源有交流輸入和直流輸入兩種。由于 PLC內(nèi)部一般采用開關(guān)電源，因此大部分 PLC對(duì)輸入電壓的要求不高，交流輸入時(shí)，一般為單相 AC85260V,50/60HZ；直流輸入時(shí)要求 ,但部分 PLC對(duì)“紋波”有一定的要求。PLC內(nèi)部電源的作用主要是提供 PLC內(nèi)部的 TTL集成運(yùn)算放大器等組件的工作電源，因此，需要將外部輸入轉(zhuǎn)換為 DC5V、DC24V 等不同的電壓。 PLC的工作原理在 PLC電路中，PLC 可以分為輸入電路、內(nèi)部控制、輸出電路三部分。其中輸入電路代表了實(shí)際 PLC的輸入接口電路板、輸入采樣、輸入緩沖等部分；內(nèi)部控制電路代表了實(shí)際 PLC的控制程序執(zhí)行過程；輸出電路代表了實(shí)際 PLC的輸出接口電路、輸出刷新、輸出緩沖等部分。（1）輸入電路由外部輸入信號(hào)、PLC 輸入接線端、等效輸入繼電器三部分。外部輸入信號(hào)經(jīng) PLC的輸入接線端與輸入繼電器接入。每個(gè)輸入繼電器與輸入信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)外部輸入“1”時(shí)，輸入繼電器“線圈”得電，內(nèi)部控制電路中對(duì)應(yīng)的輸入接點(diǎn)“吸合” 。（2）輸出電路由內(nèi)部輸出接點(diǎn)、PLC 輸出接線端、輸出執(zhí)行元件三部分組成。內(nèi)部輸出接點(diǎn)經(jīng) PLC的輸出接線端與輸出執(zhí)行元件連接，每個(gè)輸出接點(diǎn)與內(nèi)部控制電路中的輸出線圈一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)輸出線圈為“1”時(shí)，輸出接點(diǎn)接通，且每一個(gè)輸出線圈只能有一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行元件的接點(diǎn)。（3）內(nèi)部控制電路由 PLC用戶程序轉(zhuǎn)化而來，它將 PLC程序中的順序控制邏輯轉(zhuǎn)化成普通的繼電器控制線路。在內(nèi)部控制電路中，PLC 的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器可以用繼電器控制線路的時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)繼電器進(jìn)行等效。 PLC的工作過程當(dāng) PLC投入運(yùn)行后，主要的工作過程可以分為輸入采樣、執(zhí)行程序、通信處理、CPU 診斷、輸出刷新五個(gè)基本步驟，并且不斷循環(huán)執(zhí)行。如果不考慮 PLC的公共處理過程，PLC 的正常執(zhí)行用戶程序的工作過程分為 3步：①PLC 一次性將全部輸入端的狀態(tài)(輸入信號(hào))讀入輸入緩沖寄存器，生成“輸入映像” ；②執(zhí)行 PLC用戶程序，進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果立即寫入指定的標(biāo)志寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、輸出緩沖寄存器中；③用戶程序處理完成，PLC 一次性將全部“輸出映像”輸出到PLC的輸出端。3 方案設(shè)計(jì) 方案的比較方案 1：運(yùn)料小車在最初位置時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車開始前進(jìn)，到達(dá)右限位開關(guān)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，小車停止；按下電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕，小車后退，到達(dá)左限位開關(guān)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，小車停止，按下停止按鈕，小車完成一個(gè)工作周期。方案 2：運(yùn)料小車在最初位置時(shí)，按下正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕，如果運(yùn)料小車處于停止?fàn)顟B(tài)，則立即正轉(zhuǎn)運(yùn)行，到達(dá)右限位開關(guān)后停止；等待裝料10s后，電機(jī)自動(dòng)切換到反轉(zhuǎn)，小車開始后退，直至到達(dá)左限位開關(guān)處停止，等待卸料 5s后，運(yùn)料小車回到最初位置，按下停止按鈕，運(yùn)料小車完成一個(gè)工作周期。針對(duì)這兩個(gè)方案，做出一些分析并得出方案 3：在 KM1的線圈串聯(lián)了 KM2 的輔助常閉觸點(diǎn) ,KM2 的線圈串聯(lián)了 KM1的輔助常閉觸點(diǎn),組成了硬件互鎖電路，以此避免由于正反轉(zhuǎn)(運(yùn)料小車前進(jìn),后退)切換過程中電感的延時(shí)作用,導(dǎo)致原來接通的接觸器的主觸點(diǎn)還未斷弧時(shí), 另一個(gè)接觸器的主觸點(diǎn)已經(jīng)合上而造成交流電源瞬間短路的故障。在運(yùn)料小車裝料、卸料的過程中，用指示燈 L1，L2 來顯示當(dāng)前的運(yùn)料小車所處的狀態(tài)，也方便工作人員的監(jiān)管。限位開關(guān)的作用是為保證運(yùn)料小車能夠在準(zhǔn)確的位置停車。 系統(tǒng)描述本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象是機(jī)械運(yùn)料小車的電動(dòng)機(jī)，其目的是通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)械運(yùn)料小車在 A、B 兩地自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在 B地卸料、在 A地裝料這一過程。機(jī)械運(yùn)料小車的控制示意圖和動(dòng)作循環(huán)圖如下：圖31 運(yùn)料小車的控制示意圖和動(dòng)作循環(huán)圖