自动送料装车系统PLC控制设计

摘要

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。我们为各个装料生产领域所生产的可编程控制器装料系统。它集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。

关键词:pl c 可编程控制器自动装料

目录

摘要 (1)

目录 (2)

设计任务书 (3)

一、控制要求 (5)

1．1 控制对象介绍 (5)

1．2 控制原理 (6)

1．3 自动送料装车系统的启停过程示意图 (7)

1．4 控制要求 (7)

二、整体设计 (8)

2.1 PLC的特点 (8)

2.2 PLC的结构和工作原理 (9)

2.3 PLC与其他工业控制的比较 (10)

2.4 FX 系列PLC的特点 (11)

2.5 PLC机型的选择 (12)

2．6 开关量输入/输出模块的选择 (13)

2.7开关的选择 (13)

2.8熔断器的选择 (13)

2.9继电器的选择 (13)

三、系统分配 (15)

3.1 I/O地址表 (15)

3.2 PLC外部接线图 (15)

四、软件编程 (16)

4.1 GPP软件简介 (16)

4.2 用GPP编写梯形图 (17)

4.3 传输、调试 (19)

4．4 系统的控制框图 (21)

4．5 控制源程序介绍 (22)

五、与调试结果分析 (28)

心得体会 (29)

致谢 (30)

参考文献 (31)

附录 (32)

自动送料装车系统的总体梯形图 (32)

系统的主电路 (33)

元器件清单 (34)

设计任务书

一、控制要求

1．1 控制对象介绍

自动送料装车系统是用于物料输送的流水线设备，主要是用于煤粉、细砂等材料的运输。

自动送料装车系统一般是由给料器、传送带、小车等单体设备组合来完成特定的过程。这类系统的控制需要动作稳定，具备连续可靠工作的能力。通过三台电机和三个传送带、料斗、小车等的配合，才能稳定、有效率地进行自动送料装车过程。如下图所示：

1．2 控制原理

自动送料装车系统是通过电机和限位开关来控制的。称重开关S2控制汽车开来或开走。三台电机控制三个传送带。进料开关K1控制控制进料与否。检测开关S1控制料斗中物料的空满。

另外，在S2处增设两个七段数码管，用来统计每日的装车数。装车数的统计采用脉冲计数的方法进行。脉冲计数方法是当装料车装满时S2断开后，开始定时放送脉冲；当S2闭合时停止发送脉冲。一个脉冲的宽度即为一辆汽车。用两个数码管计数，所计的数即为装车数。

当S2接通时，红灯L1亮，绿灯L2灭，传送电动机M3运行，传送电动机M2延迟M3电动机2S运行，送料电动机M1延迟M2电动机2S运行，料斗K2延

迟M2电动机2S打开出料。当料满后（S2断开后），料斗K2关闭，电动机M1延时2S后关断，M2在M1停后2S后停止，M3在M2停止后2S后停止，L2灯亮，L1灯灭，此时汽车可以开走。

1．3 自动送料装车系统的启停过程示意图

该图中从上到下是启动顺序，从下到上是停止顺序。

1．4 控制要求

初始状态：红灯L1灭，绿灯L2亮，表示允许汽车开进装料，料斗K2，电动机M1，M2，M3皆为OFF。当汽车到来时（S2接通表示），L1亮，L2灭，M3运行，电动机M2在M3通2S后运行，M1在M2通2S后运行，K2在M1通2S后打开出料。当物料满后（用S2断开表示），料斗K2关闭，电动机M1延时2S后关断，M2在M1停2S后停止，M3在M2停2S后停止，L2亮，L1灭，表示汽车可以开走。

设计要求：当料不满（S1为OFF，灯灭），料斗开关K2关闭（OFF），灯灭，不出料，进料开关K1打开（K1为ON）进料，否则不进料。当汽车到来时M3运行，电机M2在M3运行2S后运行，M1在M2运行2S后运行，K2在M1运行2S 后打开出料，当料满后（用S2断开表示），电动机M1延迟2S后关断，M2在M1

停2S后停止，M3在M2停2S后停止，而且具有每日装车数的统计功能。

二、整体设计

可编程控制器（Programmable Controller）是以微处理器为基础的新型工业控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的崭新产品。1985年国际电工委员会（IEC）对可编程控制器做了如下定义：可编程控制器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。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

可编程控制器采用易为工厂电气人员掌握的梯形图编程语言，能够实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数据处理、运动控制、模拟量PID控制，联网通信等功能。尤其是微处理器应用与可编程控制器后，因其体积小、功能强、价格便宜，使可编程控制器的功能增强、工作速度加快、体积减小、可靠性提高、成本下降。

2.1 PLC的特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强

（2）编程方法简单易学，使用方便

（3）功能完善，应用灵活

（4）环境要求低，适应性强，

（5）体积小，重量轻，能耗低

（6）维修工作量小，维修方便

（7）系统的设计，安装，调试工作量少

2.2 PLC的结构和工作原理

可编程控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块、编程器、电源组成。

CPU模块又叫中央处理单元或者控制器，它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。

输入输出模块（I/0）模块是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，可编程控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀，电磁铁等执行器和其他的外部负载。

可编程控制器有运行（RUN）和停止（STOP）两种基本的工作状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程控制器停机或者切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段，可编程控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入输出关系来看，处理过程几乎是同时完成的。

在内部处理阶段，可编程控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。处于运行状态时，还要执行输入处理、程序执行、输出处理等阶段。在可编程控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄

存器和输出映像积存器。可编程控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，可编程控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。

2.3 PLC与其他工业控制的比较

1. DCS是一种“分散式控制系统”，而PLC (可编程控制器) 只是一种控制“装置”，两者是“系统”与“装置”的区别。系统可以实现任何装置的功能与协调,PLC装置只实现本单元所具备的功能。

2. 在网络方面,DCS网络是整个系统的中枢神经，它是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好.而PLC因为基本上都为个体工作，其在与别的PLC或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符。在网络安全上，PLC没有很好的保护措施。我们采用电源,CPU,网络双冗余。

3. DCS整体考虑方案,操作员站都具备工程师站功能,站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置间都是相互连锁控制, 协调控制;而单用PLC互相连接构成的系统，其站与站（PLC与PLC）之间的联系则是一种松散连接方式，是做不出协调控制的功能。

4. DCS在整个设计上就留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便，PLC所搭接的整个系统完成后，想随意的增加或减少操作员站都是很难实现的。

5. DCS安全性：为保证DCS控制的设备的安全可靠，DCS采用了双冗余的控制单元，当重要控制单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰的切换为

工作单元，保证整个系统的安全可靠。PLC所搭接的系统基本没有冗余的概念，就更谈不上冗余控制策略。特别是当其某个PLC单元发生故障时，不得不将整个系统停下来，才能进行更换维护并需重新编程。所以DCS系统要比其安全可靠性上高一个等级。

6. 系统软件，对各种工艺控制方案更新是DCS的一项最基本的功能，当某个方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后，执行下装命令就可以了，下装过程是由系统自动完成的，不影响原控制方案运行。系统各种控制软件与算法可以将工艺要求控制对象控制精度提高。而对于PLC构成的系统来说，工作量极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，最后再用专用的机器（读写器）专门一对一的将程序传送给这个PLC，在系统调试期间，大量增加调试时间和调试成本，而且极其不利于日后的维护。在控制精度上相差甚远。这就决定了为什么在大中型控制项目中（500点以上），基本不采用全部由PLC所连接而成的系统的原因。

7. 模块：DCS系统所有I/O模块都带有CPU，可以实现对采集及输出信号品质判断与标量变换，故障带电插拔，随机更换。而PLC模块只是简单电气转换单元，没有智能芯片，故障后相应单元全部瘫痪。

8.现在高端的PLC与DCS的功能已经差不多，DCS对网络和分布式数据库还要定时扫描有较强的功能，同时对运算和模拟量的处量比较拿手。

9.PLC还分大、中、小、微PLC，其中微型的只卖几百块到2000块，点数也好少，大型的可以带数千点，运算能力与DCS差不多，但对多机联网功能较弱。现在两个技术平台都差不多，只是重点不一样。

2.4 FX 系列PLC的特点

（1）体积极小的PLC

（2）先进美观的外部结构

（3）提供多种子系列供用户选用

（4）灵活多变的系统配置

（5）功能强,使用方便.

FX系列PLC的命名

FX 系列可编程控制器型号命名的基本格式如上:

① 系列名称:如 0 , 2 , ON , OS , 2C , 2NC , 1N , 1S ,即 FX 0 , FX 2 , FX 0N , FX 0S , FX 2C , FX 2N , FX 2NC , FX 1N 和 FX 1S .

② 输入输出的总点数: 4 ～ 128 点

③ 单元类型:

M-基本单元;E-输入输出混合扩展单元及扩展模块;EX-输入专用扩展模块; EY-输出专用扩展模块.

④ 输出形式(其中输入专用无记号):

R-继电器输出;T-晶体管输出;S-晶闸管输出

⑤ 特殊物品的区别

D:DC 电源,DC 输入 A1:AC 电源,AC 输入(AC100-120V)或AC 输入模块 H:大电流输出扩展模块 V:立式端子排的扩展模式 C:接插口输入输出方式 F:输入滤波器1ms 的扩展模块 L:TTL 输入型模块 S:独立端子(无公共端)扩展模块

电动机的功率选定为1KW

根据设备及工艺要求，包装输送系统采用上位机和下位机组成，上位机使用两台PLC 机：一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测；另一台作为组态软件的设计与开发，PLC 程序的开发以及将软件通过总线传送到PLC 的CPU 单元。下位机采用功能强大，可能性高，维护方便且抗干扰能力强的可编程器001162--MR FX N 系列PLC 完成对设备的控制功能。其具体组成如下：

（1） 中央控制单元

中央控制单元选用CPU 315-2DP<3>作为PLC 的核心部件，进行逻辑和数字运算，协调整个控制系统各部件的工作。

（2） 电源单元

电源单元采用1：1隔离变压器进行时PLC 的380V 交流开关量输入卡件进行供电，采用24V 对开关量输出卡进行供电。自带的PS-307/5A 直流电源对CPU 和部分卡件进行供电。

2.5 PLC 机型的选择

在PLC 控制系统设计时，应遵循以下基本原则：

（1）最大限度地满足被控对象或生产过程的控制要求。设计前，应深入现场

进行调查研究，搜索资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。

（3）保证控制系统的安全可靠。

（4）考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC 容量时，应适当留有余量。 在该系统中，输入点数为3，输出点数为8，为继电器输出，则我可以选择001162--MR FX N 机型，由于此设计的系统要求不复杂，则可以选用小型控制系统中采用整体式PLC 。

2．6 开关量输入/输出模块的选择

2．6．1 开关量输入模块的选择

选择三相交流输入电源AC380V ，采用共点式输入接线方式，即三个电动机共用一个电源。

2．6．2 开关量输出模块的选择

该系统中开关输出模块的输出方式为继电器输出。

2.7开关的选择

在该系统的主电路中，采用三级的组合开关。

电动机的最大容量为1KW ，则三台电动机的最大容量为3KW ，则三级组合开关的额定电流为10A ，型号为HZ10-10。

2.8熔断器的选择

在本系统中，熔断器保护三台异步电动机，且此三台电动机不同时启动，则继电器的额定电流为N

N fN I I I ∑+≥max )5.2~5.1(，其中：A I I N N 55.4220

1000max === ，则55.455.455.45.2++?≥fN I ，所以A I fN 475.20≥ 熔断器的额定电压为AC380V ，则可选择型号为RT14-32的熔断器。

2.9继电器的选择

采用具有掉电保持功能的继电器，防止因电源故障造成数据的丢失。

2.9.1时间继电器（KT ）

本系统中只需延时2S ，并考虑到价格费用方面，可选用空气阻尼式时间继电器，可选用JS7-2A 型号的空气阻尼式时间继电器，其触点额定电压为380V ，触点额定电流为5A 均能符合要求。

2.9.2热继电器的选择（FR ）

一台电动机的额定电流为4.55A ，由于是3台电动机总额定电流为13.65A ，可以用电流调节范围为10.0A —16A,则热继电器的型号为JR16-20/3，此额定电流为20A 。

2．9．3 接触器的选择（KM ）

额定电流为A KU P I N N C 8.3220

2.11000=?== 则可以选择CJ10-5型号的交流接触器。

式中：

N P ——电动机的额定功率

K ——经验系数，一般取1—1.4

N U ——电动机的额定电压

三.系统分配

3.1 I/O地址表

3.2 PLC外部接线图

四、软件编程

4.1 GPP软件简介

SW3D5-GPPW-E是三菱电气公司开发的用于可编程控制器的编程软件,可在Windows 3.1及Windows 95下运行，适用于IBM PC/AT (兼容)其CPU为i486SX或更高，内存需 8兆或更高(推荐16兆以上)。该程序可在串行系统中可与可编程控制器进行通讯,文件传送,操作监控以及各种测试功能。

在GPP软件中,你可通过线路符号,助记符来创建顺控指令程序,建立注释数据及设置寄存器数据，并可将其存储为文件,用打印机打印。

在PLC与PC之间必须有接口单元及缆线。

接口单元：

FX-232AWC型RS-232C/RS-422转换器(便携式).

FX-232AW型RS-232C/RS-422转换器(内置式)

缆线： FX-422CAB型RS-422 缆线 [用于 FX1, FX2, FX2C型可编程控制器, 0.3米]； FX-422CAB-150 型 RS-422 缆线 [用于 FX1, FX2, FX2C 型可编程控制器, 1.5米。

4.2用GPP编写梯形图

GPP软件使用起来灵活、简单、方便，我们把它安装在程序中，使用时只要进入程序，选中MELSEC Applications →在WINDOWS下运行的GPP ,打开工程，选中新建，出现如下图4-1画面，先在PLC系列中选出你所使用的程控器的CPU系列，如在我们的实验中，选用的是FX系列，所以选FXCPU，PLC类型是指选机器的型号，我们实验用FX2N系列，所以选中FX2N（C），确定后出现如图4-2画面，在画面上我们清楚地看到，最左边是根母线，兰色框表示现在可写入区域，上方有菜单，你只要任意点击其中的元件，就可得到你所要的线圈、触点等。

图 4-1

图 4-2

如你要在某处输入X000，只要把兰色光标移动到你所需要写的地方，

然后在菜单上选中┫┣触点，出现如下图4-3画面：

图 4-3

再输入X000，即可完成写入X000。

如要输入一个定时器,先选中线圈，再输入一些数据，数据的输入标准

在第三章中已提过，图4-4显示了其操作过程。

图 4-4

对于计数器，因为它有时要用到两个输入端，所以在操作上既要输入线

圈部分，又要输入复位部分，其操作过程如图5-5、5-6所示。

图 4-5

注意，在图4-5中的箭头所示部分，它选中的是应用指令，而不是线圈。

图 4-6

计数器的使用方法及计数范围在第三章中已讲过，同学们可自己查阅。图4-7是一个简单的计数器显示形式。

图 4-7

通过上面的举例，同学们就明白了，如果你需要画梯形图中的其他一些线、输出触点、定时器、计时器、辅助继电器等，在菜单上都能方便地找到，再输入元件编号即可。在图4-6的上方还有其它的一些功能菜单,如果你把光标指向菜单上的某处，在屏幕的左下角就会显示其功能，或者打开菜单上的“帮助”，你可找到一些快捷键列表、特殊继电器/寄存器等信息，同学们可自己边学习边练习。

4.3传输、调试

当你写完梯形图，最后写上END语句后，必须进行程序转换，转换功能键有两种，在下图4-8的箭头所示位置。

图 4-8

在程序的转换过程中，如果程序有错，它会显示，也可通过菜单“工具”，查询程序的正确性。

只有当梯形图转换完毕后，才能进行程序的传送,传送前，必须将FX2N 面板上的开关拨向STOP状态，再打开“在线”菜单，进行传送设置，如下图4-9所示：

图 4-9

根据图示，你必须确定你的PLC与计算机的连接是通过COM1口还是COM2口连接，在实验中我们已统一将RS-232线连在了计算机的COM1口，你在操作上只要进行设置选择。

写完梯形图后，在菜单上还是选择“在线”，选中“写入PLC（W）”，就出现如图4-9