【正文】 使用無(wú)人小車 ,運(yùn)料 小車在車間工作臺(tái)或生產(chǎn)線之 間自動(dòng)往返裝料卸料。 設(shè)計(jì)取得的成果 本文介紹了一種基于西門子 S7200 PLC控制的自動(dòng)控制 運(yùn)料 小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。 PLC 運(yùn)料小車自動(dòng)控制系統(tǒng)具有連線簡(jiǎn)單控制速度快，精度高，可靠性和可維護(hù)性好，維修和改造方便等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)小車最初在左端，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，則小 車自動(dòng)循環(huán)地工作，若按下停止按鈕，則小車完成本次循環(huán)工作后，停止在最初位置?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，它是專為在惡劣工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 4 2 PLC 概述 PLC的產(chǎn) 生與定義 PLC的產(chǎn)生 最初的電氣自動(dòng)控制裝置是繼電 接觸器控制系統(tǒng)，它是一種以繼電器、接觸器、按鈕、開(kāi)關(guān)等為主要器件組成的邏輯控制系統(tǒng)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、抗干擾能力強(qiáng)、故障檢修直觀方便、適用范圍廣的特點(diǎn)。因此，直至今日“繼電 接觸器控制系統(tǒng)”仍是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域最基本的控制系統(tǒng)之一。 為了解決“繼電 接觸器控制系統(tǒng)”存在的通用性、靈活性差、功能局限性大與通信、網(wǎng)絡(luò)方面欠缺的問(wèn)題。 由此 ， PLC 應(yīng)運(yùn)而生。到了 20 世紀(jì) 70 年代中期， PLC 開(kāi)始采用微處理器。 PLC 的發(fā)展 及趨勢(shì) PLC 自從產(chǎn)生至今，雖然不到 40 年，但它具有使用靈活、編程方便、可靠性高、體積小、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，使其在機(jī)械、冶金、化工、輕工、紡織等部門得到廣泛的應(yīng)用。 PLC 的發(fā)展過(guò) 程可分為四個(gè)階段。 在這一階段，由于 PLC 誕生，各種類型的順序控制器不斷產(chǎn)生，但被迅速淘汰。 本階段為 PLC 原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向成熟的階段 ， PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域也開(kāi)始向機(jī)床、生產(chǎn)線領(lǐng)域拓展。 在這一階段， PLC 生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大、價(jià)格不斷下降， PLC 被迅速普及。 6 本階段， SIEMENS 公司以最早的 S3 系列 PLC 產(chǎn)品為主； 1978 年后逐步被 S5 系列替代。 在這一階段，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展， PLC 的功能日益增強(qiáng)， PLC 的CPU 運(yùn)算速度上升、位數(shù)不斷增加，使得使用各種特殊控制的功能的模塊不斷開(kāi)發(fā)， PLC 由單一的順序控制向現(xiàn)場(chǎng)控制發(fā)展。 SIEMENS 公司的 PLC 產(chǎn)品開(kāi)始從 S5 系列向 S7 系列過(guò)渡， 1995 年后推出 S7200/300/400 等小、中、大型 PLC 系列產(chǎn)品。 在本階段，為了適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)自動(dòng)化的需要， PLC 的各種功能不斷開(kāi)發(fā)和完善。與此同時(shí)， PLC 的網(wǎng)絡(luò)與通信功能得到迅速發(fā)展， PLC 不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通用輸入 /輸出設(shè)備，還可以通過(guò)各種總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為工廠自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。 作為 PLC 發(fā)展趨勢(shì)，仍然主要體現(xiàn)在體積的縮小與性能的提高兩個(gè)方面。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。 （ 2） 性能的提高 PLC 的性能主要包括 CPU 性能和 I/O 性 能。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。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)。 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。對(duì)工作環(huán)境的要求較低，抗干擾能力強(qiáng)，平均無(wú)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。 硬件設(shè)計(jì) 8 PLC 在硬件設(shè)計(jì)上采用了光電隔離、使用開(kāi)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(lái)提高 PLC 的可靠性。 （ 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(guò)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。 （ 4） 環(huán)境要求低，適應(yīng)性強(qiáng) 。 （ 6） 維修工作量小，維修方便 。 PLC的功能 （ 1） 基本控制功能。通過(guò) 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。 PLC與 DCS、工業(yè) PC 9 自從微型計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，工業(yè)控制一直是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。 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(kāi)關(guān)量的邏輯控制。 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”。 （ 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。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。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)。通常情況下，來(lái)自生產(chǎn)設(shè)備或控制現(xiàn)場(chǎng)的各種輸入信號(hào)，通過(guò)輸入接口電路可以講開(kāi)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。 （ 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。 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(kāi)關(guān)等）、輸出信號(hào)寄存電路等環(huán)節(jié)組成。 最基本的通信接口有 RS23 RS42 RS485 等標(biāo)準(zhǔn)的串行接口。由于 PLC 內(nèi)部一般采用開(kāi)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。 （ 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。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”。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)。 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。 如果不考慮 PLC 的公共處理過(guò)程， PLC 的正常執(zhí)行用戶程序的工作過(guò)程分為 3 步：① PLC 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。 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(kāi)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(kāi)始后退，直至到達(dá)左限位開(kāi)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。在運(yùn)料小車裝料、卸料的過(guò)程中，用指示燈 L1， L2 來(lái)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。 14 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(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)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(guò)程 。 主要 電氣元件的配置 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，選擇設(shè)計(jì)所需要的電氣元件： （ 1） 三 相異步電動(dòng)機(jī)的選擇 通過(guò)對(duì) 控制要求 的分析，控制系統(tǒng)需要一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī) M,為滿足工藝要求，電動(dòng)機(jī)的 功率選定為 1KW,型號(hào)： J02224, 1410 轉(zhuǎn)/分， 380V， 安 。 電動(dòng)機(jī)的最大容量為 1KW，則三級(jí)組合開(kāi)關(guān)的額定電流為 10A，型號(hào)為 HZ1010。 熔斷器的額定電壓為 AC380V，則可選擇型號(hào)為 RT1420 的熔斷器。 （ 5） 熱繼電器的選擇（ FR） 16 熱繼電器的額定電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)額定電流。熱繼電器的熱元件的額定電流應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)額定電流。 一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流為 ， 可以用 整定電流 范圍為 —— ,熱元件整定電流的中間值要等于或稍大于電動(dòng)機(jī)的額定電流值， 則熱繼電器的型號(hào)為 R2016，此額定電流為 16A。 元件列表如下 ： 表 32 序號(hào) 代號(hào) 名稱 型號(hào) 數(shù)量 1 M 三相異步電動(dòng)機(jī) J02224 1 2 QS 空氣開(kāi)關(guān) DZ473P 3 3 FR 熱繼電器 R2016 1 4 CPU PLC處理器 CPU224 1 5 KM 交流接觸器 CJ20 2 6 SB 按鈕 LAY8 3 7 ST 限位開(kāi)關(guān) LXK2 2 8 FU 熔斷器 RT1420 1 9 L 導(dǎo)線 若干 17 PLC機(jī)型的選擇 （ 1） CPU 性能 PLC 的 CPU 性能 主要涉及處理器的“位數(shù)” 、 運(yùn)算速度、用戶存儲(chǔ)器的容量、編程 能力、軟件開(kāi)發(fā)能力、通信能力等方面 。 （ 2） I/O 點(diǎn)數(shù) PLC 的輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)是 PLC 的基本參數(shù)之一。 （ 3） 開(kāi)關(guān)量輸入模塊的選擇 選擇三相交流輸入電源 AC380V，采用直流匯點(diǎn)輸入接線方式。 （ 6） I/O 地址分配方式 采用 I/O 自動(dòng)分配方式 ，地址連續(xù)、有序。裝料指示燈 L1，卸料指示燈 L2，其中輸入為： SB SB SB ST ST2；輸出為： KM KM L L 將以上 PLC 的輸入、輸出匯總，可以統(tǒng)計(jì)如下： PLC 的輸點(diǎn)總計(jì)： 5 個(gè)。 PLC 輸出點(diǎn)總計(jì)： 4 個(gè)。 19 4 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4． 1 系統(tǒng)主回路 與控制回路的設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分， PLC具有靈活 、通用的特點(diǎn)，幾乎全部的控制都是通過(guò)軟件來(lái)控制的， 雖然如此硬件 設(shè)計(jì) 也 并不是 PLC與 I/O信號(hào)間簡(jiǎn)單的連線，它直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的安全性、可靠性與生產(chǎn) 成本等諸多問(wèn)題，而且硬件設(shè)計(jì)一旦完成， 不可以隨時(shí)隨地進(jìn)行修改，因此，它是決定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵問(wèn)題，在硬件設(shè)計(jì)階段應(yīng)高度重視。 （ 2）電源總開(kāi)關(guān) 根據(jù) EN602041標(biāo)注規(guī)定，為了使正的控制系統(tǒng)與電網(wǎng)隔離，機(jī)械設(shè)備的電氣控制裝置必須安裝電源總開(kāi)關(guān) ，在本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，設(shè)有空氣開(kāi)關(guān)作為電源總開(kāi)關(guān)，可斷開(kāi)回路中的所有用電設(shè)備電源。所以，在主回路中裝設(shè)有 熔斷器，它的主要用做短路保護(hù)和嚴(yán)重過(guò)載保護(hù)；熱繼電器 FR，是一類實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電功能的裝置，主要用做過(guò)電流、漏電、欠壓、過(guò)熱等故障的保護(hù)。 控制主回路見(jiàn)附錄 2 系統(tǒng) 控制 回路設(shè)計(jì) 在機(jī)械運(yùn)料小車 的控制回路 主要由 通電延時(shí) 時(shí)間 繼電器 KT KT2；接觸器 KM KM2；停止按鈕，啟動(dòng)按鈕，限位開(kāi)關(guān)等 構(gòu)成 。 在電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制接觸器同時(shí)動(dòng)作時(shí)，可能引起電源 短路、機(jī)械部件損壞，為保證控制系統(tǒng)工作可靠性，在繼電器 接觸器控制系統(tǒng)中，通過(guò)觸點(diǎn)進(jìn)行電氣“互鎖”， 互鎖環(huán)節(jié) 具有禁止功能 ， 在線路中起安全保護(hù) 作用 。當(dāng)正轉(zhuǎn)接觸器 KM1 線圈通電動(dòng)作后， KM1的輔助常閉觸點(diǎn)斷開(kāi) KM2 線圈回路，若使 KM1 得電吸合，必須先使 KM2斷電釋放，其輔助常閉觸頭復(fù)位，這就防止了 KM KM2 同時(shí)吸合造成相間短路，這一線路環(huán)節(jié)稱為互鎖環(huán)節(jié)。 總體電路圖見(jiàn)附錄 1 機(jī)械運(yùn)料小車控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理 21 根據(jù) 設(shè)計(jì)的總體電路圖 和機(jī)械 運(yùn)料小車的控制要求可知， 控制運(yùn)料小車的電動(dòng)機(jī)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種 工作方式， 需要兩個(gè)線圈 KM1和 KM2，通過(guò)改變相序來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的工作方式， 接觸器 KM1和 KM2的主觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)主電路圖中的 KM1和 KM2。 （ 1） 按下電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕 SB1，接觸器線圈 KM1 通 電 ，與 SB1 并聯(lián)的 KM1 的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，形成自鎖，以保證 KM1 線圈持續(xù)通電，同時(shí)串聯(lián)在電機(jī)主回路中的 KM