PLC控制的运料小车论文

基于PLC控制的运料车

摘要

随着当代科技的高速发展，人们的生活越来越智能化。人们为了提高劳动效力，在许多的工厂都将运料小车、机械手运用于现代化生产。

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在运料小车、机械手控制系统中的应用，已经在国内外工程、工厂中得到实际应用，具有巨大的经济和社会价值，其智能化和自动化的思路值得以后继续深入研究和推广。

本课主要研究PLC控制的运料小车和机械手，实现机械手向运料小车上自动搬运物和运料小车的定点呼叫。机械手可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。

关键字：PLC；运料小车控制系统；机械手

Abstract

With the rapid development of modern science and technology, the life of people more and more intelligent. Many people in order to improve the labor force, the factory will ship the cart, the manipulator used in modern production.

Applying PLC to haul the car electric control system, which can realize automatic control of the material car, reduce the operation cost of the system. PLC application in the transport cart, manipulator control system, has practical application in the engineering, factories at home and abroad, has tremendous economic and social value, the intelligent and automation concept after the further research and promotion.

This course mainly study material handling vehicles and manipulator PLC control, to realize automatic manipulator to haul the car on the fixed-point call handling and delivery the car. Robots can replace artificial to operate at high temperatures and dangerous areas, and can according to the requirement of the change and movement of the work piece process at any time change the related parameters.

.Key words ：PLC ; control system for transporter cart ；manipulator

目录

1.绪论 .............................................................. 4

1.1控制系统在运料小车和机械手中的作用与地位 ..................... 4 1.2 控制系统的介绍 .............................................. 4

1.2.1 整体法案的选择 ........................................ 4 1.2.2可编程器PLC的特点 ..................................... 5 1.2.3运料小车在国内外研究的现状和发展前景 ................... 6 1.2.4课题的主要内容 ......................................... 6

2 PLC的简介 ........................................................ 7

2.1 PLC的由来 ................................................... 7 2.2 PLC的定义 ................................................... 7 2.3 PLC的基本组成及各部分作用 ................................... 8 2.4 PLC的工作原理 .............................................. 10 2.5 PLC的特点和应用 ............................................ 12 3 基于PLC控制的运料小车及其机械手 ................................. 15

3.1 控制对象的介绍 ............................................. 15

3.1.1机械手 ................................................ 16 3.1.2 运料小车 ............................................. 16 3.2 运作示意图及其控制要求 ..................................... 17

3.2.1机械手在运料小车中的自动控制 .......................... 17 3.2.2运料小车的自动控制 .................................... 18 3.3 控制程序设计 ............................................... 19

3.3.1 机械手在运料小车中的自动控制 ......................... 19 3.3.2 运料小车的自动控制 ................................... 23

4 设计总结 ......................................................... 31

4.1小车的优缺点分析 ............................................ 31 4.2设计的改进及推广 ............................................ 31 4.3 常见故障及排除方法 ........................................ 31 致谢 ............................................................... 33 附录 ............................................................... 34 参考文献 ........................................................... 39

1.绪论

1.1控制系统在运料小车和机械手中的作用与地位

在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个工艺生产过程全盘自动化，这就离不开控制系统。

控制系统是整个生产线的灵魂，对整个生产线起着指挥的作用。一旦控制系统出现故障，轻者影响生产线的继续进行，重者甚至发生人身安全事故，这样将给企业造成重大损失。

运料小车是工业运料的主要设备之一，属于机器人的一种。目前在国内外都得到了广泛的使用。应用于自动冶金、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。本系统通过定时系统对进料漏斗、进料开关以及传送电动机、车辆指示灯进行控制，从而达到自动送料装车的目的。机械手是工业机器人系统中传动任务执行机构，是机械人的关键部件之一。机械手的机械结构采用赶住丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化。同时，器件集成度提高。从而，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维护性。

送料小车、机械手都是基于PLC控制系统来设计的，控制系统的每一步动作都直接作用于送料小车的运行，因此，送料小车性能的好坏与控制系统性能的好坏有着直接的关系。送料小车能否正常运行、工作效率的高低都与控制系统密不可分。

1.2 控制系统的介绍

1.2.1 整体法案的选择

方案1：采用可编程逻辑PLC作为控制器。PLC可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合为大规模控制系统的控制核心。

方案2：采用51单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。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。但本设计不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度要求也不是非常高。单片机产生PWM波，控制小车速度。利用红外对管对路面黑色轨迹和铁片进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断,及时控制驱动直流电机以调整小车转向,从而使小车能够避开铁片沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动循迹的目的。

两种方案的比较：充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，PLC就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，PLC就可以充分发挥其资源丰富、价格低廉等优点。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。因此，这种方案是一种较为理想的方案。

1.2.2可编程器PLC的特点 1）可靠性高、抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。PLC由于采用大规模集成电路技术、严格的生产工艺，内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。

2）功能完善、应用领域广

到现在为止PLC已经形成各种规模、系列化的产品。可以用于各种规模的工业控制场合，并能完成决大多数的工业控制任务。PLC所具有的完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，PLC通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变的非常容易。

3）编程简单，易学易用

PLC采用和继电器电路图接近的梯形图语言，只用少量的开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制提供了方便。

4）系统安装简单、体积小、价格低

PLC在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。现代集成电路技术的广泛应用，功耗

仅数瓦。由于PLC体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。使得PLC的重量越来越轻、功耗也越来越少。在集成电路技术和生产厂家越来越多的情况下，PLC的价格也越来越低。

1.2.3运料小车在国内外研究的现状和发展前景 国内发展

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

国外发展

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。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控制器，使PLC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[5]。

发展前景

从技术上看，随着计算机技术的新成果更多地应用达PLC的设计和制造上，PLC会向运算速度更快、存储容量更大、功能更广、性能更稳定、性价比更高的方向发展。

从规模上看，随着PLC应用领域的不断扩大，为适应市场的需求，PLC会进一步向超小型和超大型两个方向发展。

从配套性上看，随着PLC功能的不断扩大，PLC产品会向品种更丰富、规格更齐备的方向发展。

1.2.4课题的主要内容

通过PLC控制运料小车在工作台上各呼叫站间运动，以及机械手在其中的运用，

以达到生产实际之用。分析被控对象和明确系统控制要求；确定系统的I/O设备的数量及种类；控制流程设计；控制程序设计。

2 PLC的简介

2.1 PLC的由来

20世纪60年代末，由于市场的需要，工业生产从大批量、少品种的生产方式转化为小批量、多品种的生产方式。但是，但是这种大规模生产系的控制大多是继电器控制系统，体积大，消耗多，改变生产程序非常的困难。为了改变这种状况，满足用户对产品多样性的要求，1968年美国通用汽车公司对外公开招标，要求用心的电器控制装置，以适应改变生产程序的需要。该公司提出下体处下面几项要求：

（1）编程方便，现场可修改程序 （2）维修方便，采用插件式结构结构 （3）可靠性高于继电器控制装置 （4）输入电源可为市电 （5）用户可存储容量大于4KB （6）体积小于继电器的控制装置 （7）扩展时原装系统变更最少

1969年，美国数字设备公司（DEF）制成了世界上第一台可编程逻辑控制器（PLC），在美国通用汽车公司生产线上使用并取得了成功，从此开创了可编程程序逻辑控制器的时代。

2.2 PLC的定义

国际电工委员会(International Electrical Committee- IEC),1987年的第三版对PLC作了如下的定义: PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU(中央处理单元)存储器(RAM和EPROM),

输入/输出模块(简称为I/O模块)、编程器和电源五大部分组成。近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。

2.3 PLC的基本组成及各部分作用

中央处理单元(CPU)：

CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:

(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

(2) 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误; (3) 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;

(4) PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;

(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。 现代PLC使用的CPU主要有以下几种:

通用微处理器，如8080, 8088, Z80A, 8085等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。

(2) 单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。

(3) 位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。

2、存储器

根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:

系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.

用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程

序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。

工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。

3、 I/O单元

I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.

4、电源部分

PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V, +12V, +24V的直流电源，使PLC能正常工作。

电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。

5、扩展接口

扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。

6．通信接口

为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连

时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。

7、编程器

编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。

2.4 PLC的工作原理

PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，PLC通过反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出能及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。

小型PLC的工作过程有两个显著特点：一个是周期性顺序扫描，一个是集中批处理。 周期性顺序扫描是可编程控制器特有的工作方式，PLC在运行过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中。由于PLC的I/O点数较多，采用集中批处理的方法，可以简化操作过程，便于控制，提高系统的可靠性，因此可编程控制器的另一个主要特点就是对输入采样、执行用户程序、输出刷新实施集中批处理。这同样是为了提高系统的可靠性。

当PLC启动后，先进行初始化操作，包括对工作内存的初始化、复位所有的定时器、将输入/输出继电器清零，检查I/O单元连接是否完好，如有异常则发出报警信号。初始化后，PLC就进入周期扫描过程。[6]

在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

在通信服务阶段，可编程序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。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作。

在可编程序控制器的存储器中，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寄存器。可编程序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，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。

外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。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。

可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。

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。体型图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。

若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为OFF。

PLC扫描分为三个阶段： (1)输入采样扫描阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O映象区

的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它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)执行用户程序扫描阶段

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。

(3)输出刷新扫描阶段

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

2.5 PLC的特点和应用

（1）PLC的主要特点 1）可靠性高、抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。PLC由于采用大规模集成电路技术、严格的生产工艺，内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。PLC的平均无故障时间可高达5~10万小时以上。从PLC的机外电路来说，PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障率也就大大降低。

硬件主面采取的主要措施有：

隔离----PLC的输入、输出接口电路一般都采用光电耦合器来传递信号，这种措施使外部电路与PLC内部之间完全避免了电的联系，有效的抑制了外部的干扰源对PLC的影响，还可防止外部强电窜入内部CPU。

滤波----在PLC电路电源和输入、输出(I/O)电路中设置多种滤波电路，可有效抑制高频干扰信号。

在PLC内部对CPU供电电源采取屏蔽、稳压、保护等措施，防止干扰信号通过供电电源进入PLC内部，另外各个输入、输出（I/O）接口电路的电源彼此独立，以避免电源之间的互相干扰。

内部设置连锁、环璄检测与诊断等电路，一旦发生故障，立即报警。 外部采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构，以适应恶劣的工作环璄。 在软件方面采取的主要措施有：

设置故障检测与诊断程序，每次扫描都对系统状态、用户程序、工作环璄和故障进行检测与诊断，发现出错后，立即自动做出相应的处理，以适应恶劣的工作环璄。

对用户程序及动态数据进行电池后备,以保障停电后有相关状态及信息人不会因此而丢失。

采用以上抗干扰措施后，一般PLC的抗电平干扰强度可达峰值1000V，脉宽10US，其平均无故障时间可高达30-50万小时以上。

2）功能完善、应用领域广

到现在为止PLC已经形成各种规模、系列化的产品。可以用于各种规模的工业控制场合，并能完成决大多数的工业控制任务。PLC所具有的完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，PLC通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变的非常容易。

目前PLC产品已经标准化、系列化和模块化，不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有A/D、D/A转换、算术运算及数据处理、通信联网和生产过程监控等功能。它能根椐实际需要，方便灵活地组装成大小各异、功能不一的控制系统：既可控制一台单机、一条生产线、以可以控制一个机群、多条生产线；既可以现场控制，以可以远程控制。

针对不同的工业现场信号，如交流或直流、开关量或模拟量、电流或电压、脉冲或电位、强电或弱电等，PLC都有相应的I/O接口模块与工业现场控制器件和设备直接连接，用户可以根据需要方便地进行配置，组成实用、紧凑的控制系统。

3）编程简单，易学易用

PLC采用和继电器电路图接近的梯形图语言，只用少量的开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。在工业现场，可以使用笔记本对PLC进行编程。当PLC联网后，可以在网络的任一位置对PLC编程。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制提供了方便。

PLC的故障率很低，并且有完善的自诊断功能和运行故障指示装置。一旦发生故障，可以通过PLC机上各种发光二极管的亮灭状态迅速查明原因，排除故障。

4）系统安装简单、体积小、价格低

PLC在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。现代集成电路技术的广泛应用，功耗仅数瓦。由于PLC体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。使得PLC的重量越来越轻、功耗也越来越少。在集成电路技术和生产厂家越来越多的情况下，PLC的价格也越来越低。

（2）可编程控制器的应用领域

PLC在钢铁、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的应用也越来越广泛。近年来，随着微处理器芯片及其有关元器件的价格大幅度下降，PLC的成本也随之下降。与此同时，PLC的性能却在不断完善，功能也在增多增强，使得PLC的应用已由早期的开关逻辑发展到现在工业控制的各个领域。根据PLC的特点，可以将其应用形式归纳为如下几类[4]

1）开关量的逻辑控制

可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。

2）模拟量控制

在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的A/D转换及D/A转换。

3）运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

4）过程控制

过程控制是指对连续变化的量进行控制。如对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。

5）数据处理

现代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、监测、分析和处理。这些数据

可以与参考值比较，完成一定的控制操作。也可以利用通讯功能传送到其他的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型过程控制系统，如冶金、造纸、食品工业中的一些大型控制系统。

6）通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着现代社会计算机技术的提高，网络通讯技术的不断发展，它也将和其他的工业控制计算机组网构成大型的控制系统，在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

3 基于PLC控制的运料小车及其机械手

3.1 控制对象的介绍

电气控制技术是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而得到迅速

发展的。从最早的手动控制到自动控制，从简单的控制设备到复杂的控制设备，从有触电的迎接现继电控制系统发展到以计算机系统为中心的软件控制系统。现代电器控制技术综合应用了计算机，自动控制，电子技术，精密测量第二年许多现金的科学技术成果。

作为生产机械动力的电机拖动，已经有最早的采用成组拖动方式，单独拖动方式，生产机械的不同运动不见分别由不同的点击拖动的方式，发展成今天无论是自动化功能还是生产安全性方面都相当完善的电气自动化系统。

继电器接触式控制系统主要有继电器，接触器，按钮，行程开关等组成，其控制方式是断续的，所以有称为断续控制系统。由于这种系统具有结构简单，价格低廉，维护容易，抗干扰能力强等优点，至今仍热是机床和其他许多机械设备广泛采用的基本电器控制形式，也是学习更先进电器控制系统的基础。这种控制系统的缺点是采用固定连接方式，灵活性差，工作频率低，触电已损坏，可靠性差。

3.1.1机械手

工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成， 是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

3.1.2 运料小车

自动运料小车系统是用于物料运输的流水线设备，只要用于粉煤，细沙等材料的运输。自动运料小车系统一般是由给料器，传送带，小车等单体设备组合完成特定的过

程。这类系统的控制血药动作稳定，具备连接可靠工作的能力。松辽小车控制系统采用了PLC控制。从送料小车的工艺流程来看，其控制系统属于自动控制和手动控制相结合的系统，因此，此送料小车电气控制系统设计具有手动和自动两种工作方式。在程序设计上采用了模块化的设计方法，这样就省去了工作方式程序之间复杂的连锁关系，从而实在设计和修改任何一种工作方式的程序时，不会对其他工作方式的程序照成任何影响，是的程序的设计，修改和故障查找工作大卫简化。

3.2 运作示意图及其控制要求

3.2.1机械手在运料小车中的自动控制

在我们生活中有很多机械手的例子，如机械人的手，高温下自动取物体，全自动工厂中对物品进行检查。同时这些物体中共有块状的，粉末状的，液体的等，再者机械手所夹取的物体的量也是根据各个岗位的要求而定。

在此为了更为具体的演示机械手在PLC中的用途，下面我的设计是以块状物体为例，同时机械手每次都只夹起一个块状零件的自动系统 控制要求

当机械臂处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。

在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。

图3-1

3.2.2运料小车的自动控制

运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向高位行，电机反转，小车向低位行。电动机正反转主电路图如图3-2所示：

三项异步电动机正反转主电路图3-2

在生产线上有8个编号为l～8的站点供小车停靠，在每一个停靠站安装一个行程开关以监测小车是否到达该站点。对小车的控制除了启动按钮和停止按钮之外，还设有8个呼叫按钮开关(SB1～SB8）分别与8个停靠站点相对应。

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，系统等待30秒开始工作，按下停止按钮，系统停止工作； （2 ）若某工位呼车(按本位的呼车按钮)时，则呼车指示灯熄灭，表示此后呼车无效。

（3 ）系统停止时，呼车无效。系统启动后，当呼车位号大于停车位号时，小车自动向高位行驶；当呼车位号小于停车位号时，小车自动向低位行驶；当小车到达呼车位时，自动停车。

（4） 在小车到达呼车位的30s时间内(仅供本车位使用)，呼车操作无效。只有当30s延时时间到以后，小车才能重新响应呼车信号。

（5）临时停电后再复电，小车不会自行起动。

图3-3

3.3 控制程序设计

3.3.1 机械手在运料小车的自动控制 （1）I/O的分配

根据控制要求，PLC控制运输小车的输入\\输出(I\\0)地址编排如下表所示:

表3-3-1

名 称 启动 代号 SB1 输入 X0 名 称 夹紧 代号 SB5 输入 X10 名 称 电磁阀下降 代号 YV1 输出 Y0

下限行程 上限行程 右限行程 左限行程 停止 手动操作 连续操作 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SB2 SB3 SB4 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 放松 单步上升 单步下降 单步左移 单步右移 回原点 工件检测 SB6 SB7 SB8 SB9 B10 SB11 SQ5 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 电磁阀夹紧 电磁阀上升 电磁阀右行 电磁阀左行 原点指示 YV2 YV3 YV4 YV5 EL Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 PLC

型号的选择：由于该系统是在原来CPU226的基础上改进的设备，而现在共用了18个输入，用直流24V；11个输出，用交流电220V，所以我选择用S7-200系列CPU226。CPU226的主要的技术参数：输入24VDC，24点；输出220VAC，16点；电源电压为220V 50Hz。

图3-4

（2）程序流程图

图3-5 自动操作状态转移图

当机械臂处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。

移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。

在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。 （3）梯形图

图3-7

3.3.2 运料小车的自动控制 （1）I/O口的分配

根据控制要求，PLC控制运输小车的输入\\输出(I\\0)地址编排如下表所示:

表3-2

输入 I2.0 I2.1 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0

输出 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 电动机正传KM1 电动机反传KM2 呼车指示灯HL 1号工位成功呼车指示灯 2号工位成功呼车指示灯 3号工位成功呼车指示灯 4号工位成功呼车指示灯 5号工位成功呼车指示灯 6号工位成功呼车指示灯 7号工位成功呼车指示灯 8号工位成功呼车指示灯 起始按钮SB9 停止按钮SB10 1号工位呼车SB1 2号工位呼车SB2 3号工位呼车SB3 4号工位呼车SB4 5号工位呼车SB5 6号工位呼车SB6 7号工位呼车SB6 8号工位呼车SB7 1号工位限位开关SQ1

I1.1 I1.2 I1.3 I0.4 I1.5 I1.6 I1.7 2号工位限位开关SQ2 3号工位限位开关SQ3 4号工位限位开关SQ4 5号工位限位开关SQ5 6号工位限位开关SQ6 7号工位限位开关SQ7 8号工位限位开关SQ8 PLC型号的选择：由于该系统是在原来CPU226的基础上改进的设备，而现在共用了18个输入，用直流24V；11个输出，用交流电220V，所以我选择用S7-200系列CPU226。CPU226的主要的技术参数：输入24VDC，24点；输出220VAC，16点；电源电压为220V 50Hz。

图3-8

（2）程序流程图

解除呼叫信号封锁 有 无有呼车 小车到达呼车位停30s 传送呼车位信号 小车驶向高位 小车驶向低位 传送停车位信号 高位何处呼车车 低位呼车信号封锁 系统启动

图3-9

按下启动按钮SB9则输入点I2.0接通，M0.0保持得电系统运行。

M0.0得电常开闭合定时器T37开始计时，计时器定时设置30秒，三十秒后T37的常开触点闭合。

三十秒后T37的常开触点闭合工作指示灯Q0.2点亮,可以呼车。

中间继电器M1.0-M1.7各代表1号工位到8号工位呼车状态，而Q1.0-Q1.7各代表呼车成功的状态，如果此工位呼车成功，本工位小灯就点亮直到小车运动至本工位熄灭。

系统的呼车反转控制

当呼车位号小于停车位号时，电动机反转，小车自动向低位行驶；中间继电器M4.0-M4.6各代表1号工位到7号工位反转向低位行驶的状况 。 由于工位较多，仅举出2例

系统的呼车正转控制

呼车位号大于停车位号时，电动机正传，小车自动向高位行车；中间继电器M3.0-M3.6各代表8号工位到2号工位反转向低位行驶的状况 。 同样由于工位较多，仅举出2例

图3-10

4 设计总结

4.1小车的优缺点分析

本设计运用的可编程控制器实现的自动运料小车控制器，避开了以往继电器接触不良、开关易损坏等缺点，可靠性和稳定性都有所提高。在检测小车是否到达呼叫停靠点的时候，运用了行程开关，这样的检验系统让小车的停靠位置更加准确。

与此同时，由于输入输出很明显，不需要好多额外的外接电路，让设计更简洁。这也是采用了成熟的可编程控制器带来的好处。即使在出现故障、紧急停止等环节中都能快捷操作。但设计过程中，只是基本实现了设计的要求，没有功能扩展，让系统显得比较简单。

4.2设计的改进及推广

在实际的运用过程中，为了便于智能化、无人化、远程化的操作，该设计控制器还应该联网，让多台控制器组成局域网，构成一套网路系统，便于通讯和控制操作。如修改软件设计中的一些参数，能适合在不同的场合都能适合。在具体的设计中，应该还可以设计显示功能，显示运料小车到达指定的停靠站时所需时间；还可以在小车底部安装一个传感器，用来检测小车中的料是否卸完。这样就可更好地控制小车的运行，更加便于人们工作。此外，该运料小车控制器可以运用于大型的养殖行业，便于送料和喂养。这样就可以节约时间，提高效率。

4.3 常见故障及排除方法

基于我在开泰集团实习两个多月来，对抛丸机常见电气故障方面的了解。知道了运

料小车可能出现的常见故障。

（1） 行程开关的损坏及撞击变形。优点是可以选用接近开关代替行程开关 （2） PLC的输入 输出口接触不良。 （3） 电器柜内热保护器出现过载现象。 （4） 控制回路的线路故障。

4.4 小结

毕业设计是在教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。通过毕业设计，能使我们综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。

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。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。

随着经济的不断发展，运料小车，机械手的应用也不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形成了机械化、自动化。但是，传统的继电器接触器控制在工作中已经暴露出种种弊端，因此，新的控制设计已成为社会发展的必然趋势。本设计运用的可编程控制器实现的自动运料小车控制器，避开了以往继电器接触不良、开关易损坏等缺点，可靠性和稳定性都有所提高。在检测小车是否到达呼叫停靠点的时候，运用了行程开关使小车的停靠位置更加准确。同时，由于输入输出很明显，不需要好多额外的外接电路，让设计更简洁。这也是采用了成熟的可编程控制器带来的好处。即使在出现故障、紧急停止等环节中都能快捷操作。

致谢

大学时期是90后的不可或缺的一段，我们在青春的校园内热情的挥洒，尽情拼搏，创造自己想要的未来，在这里我们有着我们的同学，老师，朋友,有着我们的喜怒哀乐，有着我们拼搏的汗水，有着我们受挫后的悲伤，有着我们成功的喜悦！

本论文是在张莹老师亲自指导下完成的。老师在学业上给了我很大的帮助，使我在设计过程中避免了许多无为的工作。老师一丝不苟、严谨认真的治学态度，精益求精、诲人不倦的学者风范，以及正直无私、磊落大度的高尚品格，更让我明白许多做人的道理，在此我对导、老师表示衷心的感谢！

感谢我的指导老师——张莹老师，没有您的悉心指导就没有这篇论文的顺利完成。感谢所有教授过我课程的老师们，是你们诲人不倦才有了现在的我。

在本文结束之际，特向我敬爱的老师和机电学部所有老师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！

附录1

PLC在生产线送料小车控制系统中的应用

0 LDI Y001 1 OUT Y002 2 LD X002 3 MPS

4 ANI M3 5 ANI Y007 6 SET Y001 7 OUT Y006 8 MPP

9 OUT Y010 10 LD X001 11 OR M2 12 ANI M3 13 OUT M2 14 SET Y005 15 OUT T0 K20 18 OUT T1 K40 21 OUT T2 K60 24 SET Y007 25 RST Y006 26 LD T1 27 SET Y004 28 LD T1 29 SET Y003

30 LD T1 31 OR M3 32 AND X002 33 OUT M3 35 OUT Y000 36 RST Y007 37 LDF Y000 39 OR M4 40 ANI M5 41 OUT M4 42 LD M4

43 OUT T3 K20 46 OUT T4 K40 49 OUT T5 K60 52 LD T3 53 RST Y003 54 LD T4 55 RST Y004 56 LD T5 57 RST Y005 58 ZRST M3 63 RST Y001 64 END

附录2

ORGANIZATION_BLOCK 主程序:OB1 TITLE=程序注释 BEGIN

Network 1 // 网络标题 // 启动，停止，赋初值 LD I0.0 O M0.0 AN I0.1 LPS = M0.0 AN M0.1 MOVB 9, VB100 LPP AN M0.1 MOVB 0, VB110 Network 2

// 停车工位1号送VB110 LD M0.0 A I0.2 MOVB 1, VB110 Network 3

// 停车工位2号送VB110 LD M0.0 A I0.3 MOVB 2, VB110 Network 4

// 停车工位3号送VB110 LD M0.0 A I0.4

MOVB 3, VB110 Network 5

// 停车工位4号送VB110

LD M0.0 A I0.5 MOVB 4, VB110 Network 6

// 停车工位5号送VB110 LD M0.0 A I0.6 MOVB 5, VB110 Network 7

// 停车工位6号送VB110 LD M0.0 A I0.7 MOVB 6, VB110 Network 8

// 停车工位7号送VB110 LD M0.0 A I1.0 MOVB 7, VB110 Network 9

// 停车工位8号送VB110 LD M0.0 A I1.1 MOVB 8, VB110 Network 10 // 可呼车标志

LD M0.0 AN M0.1 A I2.2 Network 11

// 呼车工位1号送VB100 LD I1.2

= Q0.2 AN M0.1 A M0.0 MOVB 1, VB100 Network 12

// 呼车工位2号送VB100 LD I1.3 AN M0.1 A M0.0 MOVB 2, VB100 Network 13

// 呼车工位3号送VB100 LD I1.4 AN M0.1 A M0.0 MOVB 3, VB100 Network 14

// 呼车工位4号送VB100 LD I1.5 AN M0.1 A M0.0 MOVB 4, VB100 Network 15

// 呼车工位5号送VB100 LD I1.6 AN M0.1 A M0.0 MOVB 5, VB100 Network 16

// 呼车工位6号送VB100 LD I1.7

AN M0.1 A M0.0

MOVB 6, VB100 Network 17

// 呼车工位7号送VB100 LD I2.0 AN M0.1 A M0.0 MOVB 7, VB100 Network 18

// 呼车工位8号送VB100 LD I2.1 AN M0.1 A M0.0 MOVB 8, VB100 Network 19

// 呼车号与停车号可比较标志 LD I1.2 O I1.3 O I1.4 O I1.5 O I1.6 O I1.7 O I2.0 O I2.1 A M0.0 = M0.2 Network 20

// 呼车位大于停车位电

动机正转 LD M0.2 O Q0.0 AB> VB100, VB110 AN Q0.1 A I2.2 A M0.0 = Q0.0 Network 21

// 呼车位小于停车位电动机反转 LD M0.2 O Q0.1 AB< VB100, VB110 AN Q0.0 A I2.2 A M0.0 = Q0.1 Network 22

// 停车计时30s后，可再次呼车

LDB= VB100, VB110 A M0.0 TON T37, 300 Network 23 // 可呼车标志 LD I1.2 O I1.3 O I1.4 O I1.5

O I1.6 O I1.7 O I2.0 O I2.1 O M0.1 AN T37 A M0.0 = M0.1

END_ORGANIZATION_BLOCK INTERRUPT_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK INT_0:INT0 SBR_0:SBR0 TITLE=中断程序注释 TITLE=子程序注释 BEGIN

BEGIN

Network 1 // 网络标题 Network 1 // 网络标题 // 网络注释 // 网络注释

END_INTERRUPT_BLOCK

END_SUBROUTINE_BLOCK

参考文献

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[7].余雷声主编 电气控制与PLC应用[M] 北京航空航天大学出版社 2001 [8].张凤珊．电气控制及可编程序控制器．2版 [M]．北京: 中国轻工业出

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6ljo.html