小車自動往返控制課程設(shè)計

1、<p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器不斷更新、發(fā)展，可編程控制器在中低頻電器開關(guān)控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。這是因為, 它與傳統(tǒng)的繼電器控制相比具有不可比擬的優(yōu)點: 它結(jié)構(gòu)緊湊, 編程容易, 強弱電并用, 控制速度快, 抗干憂性能強, 故障率低, 與外圍電路的連接簡單等。PLC控制是自動控制中最常見控制方式之一，小車自動往返與定位控制

2、就是控制應(yīng)用的一個典型例子，由于可編程控制器具有很好的處理小車自動往返與定位控制以及良好的穩(wěn)定性，而且可以很簡單的改變控制的方式，因此運用PLC來設(shè)計小車自動往返與定位運動越來越普遍。</p><p>　　本設(shè)計是基于PLC的小車運動控制系統(tǒng)的設(shè)計，在設(shè)計中是利用西門子S7-200系列PLC編程語言來設(shè)計的，系統(tǒng)中運用繼電器、位置傳感器相互作用來完成控制，并且PLC根據(jù)開關(guān)信號來控制電機的啟停、左行和右行的轉(zhuǎn)換，

3、再由傳動裝置帶動小車運動，最后運用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進行仿真調(diào)試，進而來滿足設(shè)計的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：小車循環(huán)往返運動　　PLC　　CPU226CN</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p>　　1　　選題背景及意義1</p><p><b>　　2

4、　　系統(tǒng)簡介2</b></p><p>　　3　　PLC簡介4</p><p>　　3.1　PLC的定義4</p><p>　　3.2　PLC的發(fā)展4</p><p>　　3.3　PLC的特點5</p><p>　　3.4　PLC的基本組成及各部分作用5</p><p>

5、　　4　　直線自動往返控制11</p><p>　　4.1　I/O地址分配11</p><p>　　4.2　PLC外部接線圖11</p><p>　　4.3　程序梯形圖12</p><p>　　5　　小車定位控制14</p><p>　　5.1　I/O地址分配14</p><p>　

6、　5.2　PLC外部接線圖14</p><p>　　5.3　程序梯形圖14</p><p><b>　　結(jié)　　論17</b></p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p>　　1　　選題背景及意義</p><p>　　編程控制器是一種為工業(yè)機械控制

7、所設(shè)計的專用計算機，在各種自動控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，它是在繼電器控制和計算機控制基礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)，通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。早期的可編程控制器在功能上只能進行邏輯控制，因而稱為可編程程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)簡稱PLC。</p><p>　　隨著技術(shù)的發(fā)展，其控制功能不斷增強，可編程程序控制

8、器還可以進行算術(shù)運算，模擬量控制、順序控制、定時、計數(shù)等，并通過數(shù)字，模擬的輸入、輸出控制各種類型的機械生產(chǎn)過程。長期以來，PLC及其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)始終戰(zhàn)斗在工業(yè)自動化控制行業(yè)的主戰(zhàn)場，其提供的安全和完善的解決方案，為各種各樣的自動化設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用，在電力、冶金、化工、機械等行業(yè)發(fā)揮了重大作用，被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱之一。</p><p>　　本設(shè)計針對現(xiàn)代自動配貨，配料運輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)和商業(yè)運

9、營的社會需求，設(shè)計一種小車直線定位控制系統(tǒng)。通過本次設(shè)計使學(xué)生掌握PLC控制的小車直線定位系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計方法；掌握PLC控制程序設(shè)計，調(diào)試方法；培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計能力，創(chuàng)新能力，分析問題與解決問題的能力。</p><p><b>　　2　　系統(tǒng)簡介</b></p><p>　　小車直線運動系統(tǒng)圖如圖2-1所示：</p><p>　　圖2.1　　

10、小車直線系統(tǒng)圖</p><p>　　直流電機主接線圖如圖2-2所示：</p><p>　　圖2.2　　直流電機主接線圖</p><p>　　如圖所示在小車運動系統(tǒng)中所用到的有如下的元件：</p><p>　　SB1：第一站開關(guān)按鈕 SY1: 第一站電磁感應(yīng)器</p><p>　　LB1：第一站指示燈</p

11、><p>　　SB2：第二站開關(guān)按鈕 SY2：第二站電磁感應(yīng)器</p><p>　　LB2：第二站指示燈</p><p>　　SB3：第三站開關(guān)按鈕 SY3: 第三站電磁感應(yīng)器</p><p>　　LB3：第三站指示燈</p><p>　　SB4: 第四站開關(guān)按鈕 SY4: 第四站電磁感應(yīng)器<

12、/p><p>　　LB4: 第四站指示燈</p><p>　　MZ: 電機右行繼電器 LZ: 右行指示燈</p><p>　　MF: 電機左行繼電器 LF: 左行指示燈</p><p>　　圖中電機繼電器有信號時小車開始運動，并且所對應(yīng)的方向指示燈（左行指示燈，右行指示燈）亮，在通過任何一站時電池感應(yīng)器會得到一個脈沖信號，使所

13、對應(yīng)的站臺燈亮起來，圖中的開關(guān)按鈕用于控制小車的啟動和停止或者是運動方向。</p><p>　　PLC:S7-200 CPU226CN DC\DC\DC</p><p>　　位置傳感器：OMCH KJN5002A</p><p>　　繼電器：JZX-18FF 24VDC</p><p>　　電機：ZGA37F104i DC24V

14、30rpm </p><p><b>　　3　　PLC簡介</b></p><p>　　3.1　PLC的定義</p><p>　　委員會(International Electrical Committee- IEC),1987年的第三版對PLC作了如下的定義: PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編程序

15、的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計算和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。</p><p>　　可編程控制器實際上是一種工業(yè)控制計算機，它的硬件結(jié)構(gòu)與一般微機控制系統(tǒng)相似，甚至與之無異?？删幊绦蚩刂破髦饕蒀PU(中央處理單元)存儲器(RAM和EPROM),輸入/輸出模塊(簡稱為I/O模塊)、編程器和電源五大部分組成。近年來發(fā)展極為迅速、

16、應(yīng)用面極廣的工業(yè)控制裝置。它按照成熟而有效的繼電器控制概念和設(shè)計思想，利用不斷發(fā)展的新技術(shù)、新電子器件，逐步形成了具有特色的各種系列產(chǎn)品。</p><p>　　3.2　PLC的發(fā)展</p><p>　　1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，并公開招標提出十項標準:</p><p>　　(1)編程方便，現(xiàn)場可修改程序；</p>

17、<p>　　(2)維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)；</p><p>　　(3)可靠性高于繼電器控制裝置；</p><p>　　(4)體積小于繼電器控制裝置；</p><p>　　(5)數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機；</p><p>　　(6)成本可與繼電器控制裝置競爭；</p><p>　　(7)輸入可以是交流115V

18、；</p><p>　　(8)輸出為交流115V, 2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥，接觸器等；</p><p>　　(9)在擴展時，原系統(tǒng)只要很小變更；</p><p>　　(10)用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。</p><p>　　1969年，美國數(shù)字公司(DEC)研制出了第一臺可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。這種新型的工業(yè)控

19、制裝置簡單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長，很快在美國其它工業(yè)領(lǐng)域推廣使用。隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有了第五代PLC產(chǎn)品。</p><p>　　3.3　PLC的特點</p><p>　　PLC之所以越來越受到控制界人士的重視，是和它的優(yōu)點分不開的:</p><p>　　（1)功能齊全，它的適用性極強，幾乎所有的控制要求，它均能

20、滿足；</p><p>　?。?)應(yīng)用靈活， 其標準的積木式硬件結(jié)構(gòu)，以及模塊化的軟件設(shè)計，使得它不僅可以適應(yīng)大小不同、功能繁復(fù)的控制要求，而且可以適應(yīng)各種工藝流程變更較多的場合；</p><p>　?。?)操作方便，維修容易，穩(wěn)定可靠。盡管PLC有各種型號，但都可以適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，耐熱、防潮、抗震等性能也很好，一般平均無故障率可達幾萬小時。</p><p>

21、;　　3.4　PLC的基本組成及各部分作用</p><p>　　PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。整體式PLC是將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機。另外還有獨立的1/0擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是PLC的核心，1/0單元是連接CPU與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口

22、用于PLC與編程器和上位機等外部設(shè)備的連接。</p><p>　　組合式PLC將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能1/0單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m.無論哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可以根據(jù)需要進行配置與組合。</p>&l

23、t;p>　?。ㄒ唬┲醒胩幚韱卧?CPU)：</p><p>　　CPU在PLC中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是PLC的運算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務(wù):</p><p>　　(1) 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；</p><p>　　(2) 診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤;</p><

24、p>　　(3) 用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數(shù)據(jù)寄存器保存起來;</p><p>　　(4) PLC進入運行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作;</p><p>　　(5) 將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。</p><p><b>　　（二）存儲器</b></p>

25、<p>　　根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下3種:：</p><p>　?。?）系統(tǒng)程序存儲器:和各種計算機一樣，PLC也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了PLC的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器ROM或EPROM.</p><p>　?。?）用戶程序存儲器:用戶根據(jù)控制功能

26、要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的RAM。由于RAM掉電會丟失數(shù)據(jù)，因此使用RAM作用戶程序存儲器的PLC，都有后備電池(鏗電池)保護RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序?qū)懭隕PROM.目前較先進的PLC(如歐姆龍公司的CPMIA型PLC)采用快閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨

27、時讀寫，掉電時數(shù)據(jù)不會丟失，不需用后備電池保護。</p><p>　?。?）工作數(shù)據(jù)存儲器:工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分數(shù)據(jù)存儲在RAM中，以適應(yīng)隨機存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映象寄存器用來存儲PLC的開關(guān)量輸入/輸出和定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的ON/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標準格式是每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)

28、行時的某些可變參數(shù)值，如定時器和計數(shù)器的當前值和設(shè)定值。它還用來存放A/0轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可保持數(shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。</p><p><b>　?。ㄈ?1/0單元</b></p><p>　　I/0單元也稱為I/0模塊。PLC通過I/0單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用

29、戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能</p><p>　　夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行

30、元件.</p><p><b>　?。ㄋ模╇娫床糠?lt;/b></p><p>　　PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V, +12V, +24V的直流電源，使PLC能正常工作。</p><p>　　電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的CPU，通常電源封裝到機殼內(nèi)部;對于模塊式PLC，有的

31、采用單獨電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個模塊中。</p><p><b>　?。ㄎ澹U展接口</b></p><p>　　擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。</p><p><b>　?。┩ㄐ沤涌?lt;/b></p><p>　　

32、為了實現(xiàn)“人一機”或“機一機”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機和其他的PLC或計算機相連。當PLC與打印機相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印;當與監(jiān)視器相連時.可將過程圖像顯示出來;當與其他PLC相連時，可以組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實現(xiàn)更大規(guī)模的控制;當與計算機相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。</p><p><b>　

33、?。ㄆ撸┚幊唐?lt;/b></p><p>　　編程器的作用是提供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。</p><p>　　編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機編程，也可以脫機編程，具有LCD或CRL圖形顯示功能，可以直

34、接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用PC作為編程器，PLC生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳送?，F(xiàn)在很多PLC已不再提供編程器，而是提供微機編程軟件了，并且配有相應(yīng)的通信連接電纜。</p><p>

35、　　3.5PLC的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時日常維護也變得容易起來，更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類:&l

36、t;/p><p>　　(1)開關(guān)量邏輯控制</p><p>　　取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于控制單臺設(shè)備，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。</p><p><b>　　(2)工業(yè)過程控制</b></p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)

37、過程當中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量(即模擬量)，PLC采用相應(yīng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　(3)運動控制</b></p><p>　　PLC可以用于

38、圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。</p><p><b>　　(4)數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　PLC具有數(shù)學(xué)運算(含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用

39、于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　(5)通信及聯(lián)網(wǎng)</b></p><p>　　PLC通信包括PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。</p><p>　　但是，可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)

40、實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。</p><p>　　4　　直線自動往返控制</p><p>　　4.1　I/O地址分配</p><p>　　I/O地址分配如表4-1所示：</p><p>　　表4-1　　I/O地址分配表</p><p>　　4.2　PLC外部接線圖</p>&l

41、t;p>　　PLC外部接線如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1　　PLC接線圖</p><p><b>　　4.3　程序梯形圖</b></p><p>　　利用西門子S7-200進行編程 ，編寫的梯形圖如圖4-2到4-3所示：</p><p>　　圖4-2　　程序梯形圖1</p><p

42、>　　圖4-3　　程序梯形圖2</p><p><b>　　5　　小車定位控制</b></p><p>　　5.1　I/O地址分配</p><p>　　I/O地址分配如表5-1所示：</p><p>　　表5-1　　I/O地址分配表</p><p>　　5.2　PLC外部接線圖</p&

43、gt;<p>　　PLC外部接線如圖5-1所示：</p><p>　　圖5-1　　PLC接線圖</p><p><b>　　5.3　程序梯形圖</b></p><p>　　利用西門子S7-200進行編程 ，編寫的梯形圖如圖5-2到5-3所示：</p><p>　　圖5-2　　程序梯形圖1</p>

44、<p>　　圖5-3　　程序梯形圖2</p><p><b>　　結(jié)　　論</b></p><p>　　本次課程設(shè)計主要任務(wù)是設(shè)計小車往返運動控制及定位控制，通過幾周的設(shè)計實踐，實現(xiàn)了往返運動控制及定位控制，其中小車往返控制，按下啟動按鈕SB1及SB4，小車可以啟動并且按照相對應(yīng)的運行方式運行，所經(jīng)的各站指示燈亮，并且可以緊急停止；而小車定位控制，按下啟

45、動按鈕SB1，小車可以在SB2和SB3之間往返五次之后回到起點，并且可以緊急停止。經(jīng)過本次的實踐，通過理論與實踐相結(jié)合，進一步加深我們的理論知識。要想在短暫的實訓(xùn)時間內(nèi)，盡可能能多的學(xué)一些東西，這就需要我們跟老師有很好的溝通，加深彼此的了解。剛到實驗室，老師并不了解我們的工作和學(xué)習(xí)能力，不清楚我們會做那些工作，所以跟老師進行溝通是很必要的。通過溝通了解，老師對我們有了大體了解，便有針對性的教我們一些PLC的知識。“紙上得來終覺淺，絕知此

46、事要躬行！”在短暫的實驗設(shè)計過程中，讓我深深的感覺到自己在實際運用中的專業(yè)知識的匱乏。讓我們真正領(lǐng)悟到“學(xué)無止境”的含義。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]　齊占慶等.電氣控制技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2002.</p><p>　　[2]　余雷聲等.電氣控制與PLC應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2001