运料小车的PLC自动控制

1 PLC的结构、工作原理及系统设计1.1 PLC的结构PLC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。

根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。

整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。

其基本结构框图如图1-1所示。

图1-1 整体式结构模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。

模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，基本结构框图如图1-2所示。

图1-2 模块式结构1.2 PLC的工作原理PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。

而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。

也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。

PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。

扫描过程如图1-3所示。

图1-3 循环扫描在输入阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。

在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。

从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。

在输出阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。

1.3 PLC的编程语言可编程控制器的编程语言主要有梯形图语言、助记符语言及功能块图。

1.3.1梯形图语言梯形图语言是在继电器控制电路图的基础上发展而来的。

最大的优点就是直观易懂，使用简单方便。

对来自电气方面的用语，通过梯形图很容易就能掌握，同时它也是PLC的主要编程语言。

例如，一个简单PLC控制系统，当常开按钮SBFl动作时，水泵开启，当常闭按钮SBSl动作时，水泵停止运行。

用继电器控制和用PLC控制的梯形图如图1-4和图1-5所示。

图1-4 继电气控制电路图1-5 PLC控制梯形图1.3.2助记符语言助记符语言与汇编语言类似，它使用字符来代表可编程控制器的某种操作，这就要求用户要有一定的计算机编程基础。

用助记符语言编写上一个例子的程序如下：LD X0OR Y0ANI X1OUT Y01.4 PLC控制系统的构成、设计原则及步骤PLC控制系统由硬件部分和软件部分组成。

对于整个PLC控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC 机型、存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模块和特殊功能模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接口，如输入设备（控制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等）和由执行装置控制的现场设备（水泵、鼓风机、阀门等）。

软件部分主要包括对PLC进行I/O点地址、内部继电器、定时器、计数器等的分配，PLC控制程序的设计（梯形图、语句表、流程图等），还有一些技术文件等。

PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要求。

PLC控制系统的设计应遵循以下原则。

（1）根据工艺流程进行设计，力求控制系统能最大限度地满足控制要求。

（2）在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用。

（3）考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑PLC的可扩展性。

（3）控制系统使用和维护方便、安全可靠。

一般PLC控制系统的设计步骤如图1-6所示，具体操作如下。

（1）控制要求分析在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控制系统。

（2）确定输入/输出设备根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等），根据所选用的输入/输出设备的类型和数量确定PLC 的I/0点数。

（3）选择合适PLC确定PLC的I/0点数后，就根据I/0点数、控制要求等来进行PLC的选择。

选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。

（4）I/0点数分配点数分配就是规定PLC的I/0端子和输入/输出设备。

（5）PLC程序设计首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。

（6）模拟调试程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。

（7）现场联机调试现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试。

在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。

（8）整理技术文件这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单和使用说明书等。

1.5 PLC的应用领域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，同时日常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而改变生产过程成为可能。

这特别适合多品种、小批量的生产场合。

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，使用情况主要分为如下几类:(1)开关量逻辑控制取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，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)工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

(3)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

(4)数据处理PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

(5)通信及联网PLC通信包括PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

1.6 PLC的特点PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的:1)功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；2)应用灵活，其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合；3)操作方便，维修容易，稳定可靠。

尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几万小时。

2 运料小车介绍2.1 运料小车介绍与控制要求图2-1为运料小车模拟图图2-1运料小车是工业送料的主要设备之一。

广泛应用于自动生产线、冶金、有色盒属、煤矿、港口、码头等行业，各工序之间的物品常用有轨小车来转运。

小车通常采用电动机驱动，电动机正转小车前进，电动机反转小车后退。

图2-1是一个运料小车工作示图。

系统的设计要求为：小车由电机驱动，可在A、B两地分别启动，A地启动后，小车先返回限位开关ST1处，停车20s装料；然后自动驶往B点，到达限位开关ST2处后停车，底门电磁铁动作，卸料30s，然后返回A点，停车20s装料，如此反复。

3运料小车控制系统的方案论证3.1运料小车控制系统的控制内容与要求3.1.1运料小车的控制系统主回路运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转，小向右行。

电动机正反转主回路如图3-1所示：图3-1 三相异步电动机正反转电路图在生产线上装料点A、卸料点B分别装有行程开关，以判别小车是否到达位置。

另外对小车还需要一个总停按钮，两个启动按钮。

3.1.2设备控制要求运料小车在自动化生产线上运动的控制要求如下：（1）按下启动按钮，系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作（2）可在A、B两地分别启动（3） A地启动后，小车先返回限位开关ST1处，停车20s装料（4）然后自动驶往B点，到达限位开关ST2处后停车，底门电磁铁动作，卸料30s（5）然后返回A点，停车20s装料，如此反复。

3.1.3运料小车控制系统控制回路根据3.1.2设备控制的要求，运料小车控制系统的控制回路如图3-2：图3-2 运料小车控制回路3.2 方案论证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。

后来，单片机应用到运料小车控制系统中。

单片机有优异的性能价格比、集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制功能强、低功耗、低电压，便于生产便携式产品，外部总线增加了I C及SPI，单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

单片机编程方法复杂，不容易上手，使用于简单应用。

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、维修和改造方便等优点。

运料小车控制系统的控制系统构成图如3-3所示：运料小车控制流程图如3-4：4 运料小车控制系统总体设计4.1 PLC的选用根据运料小车输入输出设备的分配，在I/O方面只需要6个输入口和3个输出口，同时考虑适当的余量，选用FX2N-16MR的PLC即可。