运料小车控制系统设计

运料小车控制系统设计设计要求：运料小车原位在左（SQ1)，当按下启动按钮SB1后，小车前进。当运行至料斗下方（SQ2）时，料斗打开给小车加料，延时8S后料斗关闭。小车后退返回至SQ1处，打开小车底开始卸料，6S后卸料完毕，如此循环下去。用PLC实现自动控制。

一引言

可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

1.电源

可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去

2.中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

3.存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

4.输入输出接口电路

1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。

2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

5.功能模块

如计数、定位等功能模块。

6.通信模块

工作原理

当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，

即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1.输入采样阶段

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个

阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2.用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

3.输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

功能特点

可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。

1.使用方便，编程简单

采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

2.功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

4.可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

5.系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

6.维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故

发展历史

1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；

1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable Logic Controller，简称PLC，是世界上公认的第一台PLC。

1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；

1971年，日本研制出第一台DCS-8；

1973年，德国西门子公司（SIEMENS）研制出欧洲第一台PLC，型号为SIMATIC S4；

1974年，中国研制出第一台PLC，1977年开始工业应用。

发展

20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。

20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用

可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。 二 方案确定 1初始状态

此时各开关是关闭的，料斗是空的。 KM1=KM2=OFF YV1=YV2=OFF 启动按钮

按下启动按钮，进行下列操作

○

1小车前进，当小车到达SQ2时，Y0=ON,Y2=ON ○

2装料，8s 后，Y2=OFF,Y0=OFF,小车后退 ○

3到达SQ1时，Y1=ON,Y4=ON, ○

4卸料，6s 后，Y1=OFF,Y4=OFF,完成一个操作周期 ○

5只要没按停止按钮，则自动进入下一操作周期。 3 工艺流程图

启动

8s

6s

三、输入输出选择及编号

I/O 分配表

前进按钮开关 X0 右行接触器 YO 后退按钮开关 X1 左行接触器 Y1 停止按钮开关

X2

装料电磁阀

Y2

1

2 3

4 0

起始状态

前进 加料 后退 卸料

右端限位开关X3 卸料电磁阀Y3

左端限位开关X4

四、PLC器件选择及实际连接图

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

1．按结构形式分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM 写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

（2）模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。2．按功能分类

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。

（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

（3）高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

3．按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

(1).小型PLC——I/O点数< 256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。

如： GE-I型美国通用电气（GE）公司

TI100 美国德洲仪器公司

F、F1、F2 日本三菱电气公司

C20 C40 日本立石公司（欧姆龙）

S7-200 德国西门子公司

EX20 EX40 日本东芝公司

SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司

(2). 中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K

如：S7-300 德国西门子公司

SR-400 中外合资无锡华光电子工业有限公司

SU-5、SU-6 德国西门子公司 C-500 日本立石公司 GE-Ⅲ GE 公司

(3). 大型PLC ——I/O 点数> 2048点；多CPU ，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K

如： S7-400 德国西门子公司

GE-Ⅳ GE 公司 C-2000 立石公司 K3 三菱公司等

SB1 KM1 SB2 KM2 SB3 YV1

ST1

ST2 YV2

四、梯形图

梯形图的设计方法一般有经验设计法和顺序功能图法两种：经验设计法要求设计者具有较丰富的实践经验，掌握较多的典型应用程序的基本环节。根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验选择基本环节，并把它们有机地组合起来。其设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳方案，程序初步设计后，还需反复调试、修改和完善，直至满足被控对象的控制要求；顺序功能图法就是依据顺序功能图设计PLC 顺序控制程序的方法。顺序功能图中的各“步”实现转换时，使前级步的活动结束而使后续步的活动开始，步之间没有重叠。这使系统中大量复杂的联锁关系在“步”的转换中得以解决。对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。编程方

PL3 X0 Y0 X1 Y1 X2 Y2

X3 X4 Y3

COM

COM

电源

法简单、易学，规律性强。程序结构清晰、可读性好，调试方便、工作效率高。经验设计法的设计方法不规范，没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性。由于联锁关系复杂，用经验设计法进行设计一般难于掌握，且设计周期较长，设计出的程序可读性差，即使有经验的工程师阅读它也很费时。同时，给日后产品的使用、维护带来诸多不便。

每一步的程序段

右行支路

左行支路

装料支路

卸料支路总梯形图TIM1

X0 X2 X3 X4 Y1

Y0 Y0

TIM1

X1 X2 X4 X0 Y0

Y1 Y1

X3

TIM2

Y2

X4

Y3

TIM2

#0060

X0 X2 X3 X4 Y1

Y0

Y0

TIM1

X1 X2 X4 X0 Y0

五、指令语句

1 LD X0

2 OR Y0

3 OR TIM1

4 AND-NOT X2

5 AND-NOT X3

6 AND-NOT X1

7 AND-NOT Y1

8 OUT Y0

9 LD X1 10 OR Y1 11 OR TIM2 12 AND-NOT X2 13 AND-NOT X4 14 AND-NOT X0 15 AND-NOT Y0

Y1

Y1 TIM2

TIM1

X3

Y2

X4

Y3

TIM2 #0060

16 OUT Y1

17 LD X3

18 OUT Y2

19 TIM1 #0080

20 LD X4

21 OUT Y3

22 TIM2 #0060

23 END

六、电气图

七、结论

通过本次的课程设计，我对可编程序控制器有了一个全新的认识。了解了可编程序控制器的基础知识，以及怎样根据实际要求来设计一套程序等。

可编程序控制器是为工业控制应用而设计的。早期的可编程序控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，今天，这种装置的功能已经大大超出了逻辑的控制范围。其硬件结构主要中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源和编程器几部分。

PLC对用户程序的执行过程是通过CPU的周期循环扫描并采用集中采样，集中输出的工作方式来完成的。PLC投入运行后，其工作过程一般分成三个阶段，即输入采样，用户程序和输出刷新三个阶段。PLC的技术性能包括一般性能、功能特征（基本单元）、输人性能、输出性能及其他性能。由于PLC采用模块化结构，具有编程简单易学，安装维护方便的特点，在顺序控制、位置控制、数据处理和通信联网等方面有广泛的应用。

随着电子技术和计算机的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大。现在，PLC已广泛应用于工业控制的各个领域，PLC、机器人技术、CAD/CAM技术共同构成了工业

区自动化的三大支柱。

在实际生产中，多种液体混合是工业中经常遇到的一个工艺流程。本课题中，我们就两种混合进行了分析。两种液体自动混合是工业中经常遇到的一种工艺流程。液体流向容器的量可以采用液面传感器进行控制。即当某种液体向容器中注入时，容器中的液面会不断上升，当液面接触到液面传感器时，液面传感器时，液面传感器会向PLC提供一个输入，PLC经过程序运算会产生一个使此种液体停止注入的输出。混合液体可能会进行搅拌混合，在对其加热，最后把混合液排到下一道工序。

PLC的应用是基于其以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。根据这些特点，可将其应用形式归纳为以下几种：开关量逻辑控制、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制、数据处理、通信和联网。