S7-200PLC控制的料车行走系统设计+装订

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计 (论文)

学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化

学 生： 赵 新 生 指导教师： 刘 峰

完成日期 2014 年 5 月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

S7-PLC控制的智能料车行走系统设计

S7-200 PLC Control of the Skip Walking Control System

总 计： 32页 表 格： 03个 插 图： 27幅

南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）

S7-200PLC控制的料车行走系统设计

S7-200 PLC Control of the Skip Walking Control System

学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 赵 新 生 学 号： 1209614015 指 导 教 师（职称）： 刘峰（讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期：

南阳理工学院

Nanyang Institute of Technology

S7-200PLC控制的料车行走系统设计

S7-200PLC控制的料车行走系统设计

电气工程及其自动化专业 赵新生

[摘 要]本设计的主要内容是设计一个基于S7-200PLC控制的料车行走系统。设计主要包括PLC外部接线端子和梯形图设计，变频器接线端子设计和相关参数设定和旋转编码器相关参数的设定。其中，以S7-200PLC为控制核心，通过编写程序实现对继电器和接触器的控制来控制运料车上料电机，旋刀电机，风机和下料电机的动作，采用高速计数器采集旋转编码器的脉冲信息读取小车的位置信息，通过程序来控制变频器多段速的输入控制运料车行走电机不同速度的切换，使用定时器设置上料和折返点停留的时间，使用行程开关记录初始点和返回点的位置。实现了初始地智能检测物料、初始地上料定时、多段速正向行进和下料、在返回点定时后多段速返回初始地上料的自动循环控制。经仿真表明该方案能够实现切实可行、具备自动控制功能、连线简单、维修改造方便、可靠性高。

[关键词] S7-200可编程逻辑控制器;变频器MM440;旋转编码器

S7-200 PLC Control of the Skip Walking Control System

Electrical Engineering and Automation Specialty Zhao Xin-sheng

Abstract：The main content of this design is to design a S7-200 PLC control of the skip walking system. Design mainly includes the PLC ladder diagram design and terminals, inverter parameter setting and terminals, the setting of the rotary encoder parameters. Among them, the S7-200 PLC as control core, through the program control relay and contactor control feeding motor, rotary motor, fan motor and cutting action, and high-speed counter collection and rotary encoder pulse information read the location of the car, lorry was achieved by program control frequency converter input and then walks the motor speed switch, use a timer setting time, feeding and return trip switch used to record the location of the initial point and return point. Initial ground is implemented on test materials, when deeming, multistage speed marching forward and blanking, after return point timing multistage speed to return to the initial automatic cycle of the ground material. The simulation shows that the scheme can realize renovation of practical, the attachment is simple,convenient,

key words：S7-200 programmable logic controller; micromaster 440 frequency converter; rotary encoder

I

high reliability.

S7-200PLC控制的料车行走系统设计

目 录

1 引言 ................................................................ 1

1.1料车行走系统国内外发展状况和趋势 .............................. 1 1.2课题研究任务及意义 ............................................ 2 2 运料小车控制系统设计方案 ............................................ 3

2.1 控制系统流程 .................................................. 3 2.2 控制方式的对比和选择实现 ...................................... 4 2.3 控制系统方案选择 .............................................. 4 3 控制系统硬件设计 .................................................... 5

3.1 PLC概述 ...................................................... 5

3.1.1 PLC的组成和工作原理 .................................... 5 3.1.2 PLC控制系统设计的原则和步骤 ............................ 6 3.1.3 PLC的型号选择和I/O分配 ................................ 6 3.1.4 提高PLC控制系统可靠性的措施 ............................ 8 3.2 变频器选型 .................................................... 9

3.2.1 通用变频器概述和选型 .................................... 9 3.2.2 电动机的调速方式选择和相关参数设置 ...................... 9 3.3 旋转编码器选型 ............................................... 11

3.3.1 旋转编码器概述 ......................................... 11 3.3.2 旋转编码器选型 ......................................... 12

4 PLC程序设计 ....................................................... 13

4.1 S7-200编程环境介绍 .......................................... 13 4.2 控制系统中部分PLC程序开发 ................................... 13

4.2.1 系统初始化程序 ......................................... 13 4.2.2 系统主程序 ............................................. 15 4.2.3 故障处理程序 ........................................... 17

5 控制系统仿真与调试 ................................................. 17

5.1 调试手段 ..................................................... 17 5.2 运料车动作的调试和仿真分析 ................................... 18 结束语 ............................................................... 20 参考文献 ............................................................. 21

II

S7-200PLC控制的料车行走系统设计

附录 ................................................................. 22 致谢 ................................................................. 32

III

S7-200PLC控制的料车行走系统设计

1 引言

运料车是工业和制造业送料的主要实施者，广泛应用在煤碳开采、冶炼金属、港口运货、设备材料运输等。随着自动化水平的发展工人手动操作送料已不再满足自动化的需求，提高运料车的自动化水平，建立性能可靠、技术先进、操作便捷的控制系统已成为工业企业的目标。运料车使用范围主要为粒、粉末和片状料等相关材料的运输，还可以对所运送的货物进行相关的操作诸如载料过程中的风干、搅拌混合等。运料车是国民轻、重工业运料必不可少的设备，因此有必要研究物料车自动行走系统。

近两年将是自动运料车产业发展的关键的年份。由PM2.5导致的环境问题会很大程度上影响采矿，水泥等行业发展，同时国家环境保护新政策新法规要求企业转变经济增长模式，相关的节能减排政策都将对自动运料车行业的发展产生影响。还有来自全球通货膨胀、人力资源成本上升因素对企业的影响。如何降低生产成本以及提高生产的自动化水平已成为企业工厂提高自身竞争力的最佳选择，这也是决策者们所必须面对和亟待解决的。因此在这种情况下尤其能体现自动运料车物料运输的价值与意义。

本设计基于饲料厂的自动运料车系统，通过分析物料系统的整体要求和控制任务，设计相应的控制系统。在运料车运料过程中，控制工作人员可以很方便的根据生产工艺类型，需要加工的原料类型对运料车结构进行适当的调整。运料车的运行模式根据系统配置的旋转编码器，主令控制器和编写PLC程序的不同进行设置来实现，运料车的速度切换的位置可以通过旋转编码器预设值和行程开关的设置来改变，运料车运行速度可通过所设置变频器的相关频率参数来调节。

1.1料车行走系统国内外发展状况和趋势

运料车发展过程中的各个阶段简述。

手动控制系统：手动控制系统由继电-接触器组成，对线路的安装，保护，动作速度要求很高，由于摩擦、震动，老化等导致系统故障率高。继电-接触器系统需要较长的时间设计同时对设计者经验的要求也比较高，安装占地面积大，数据运算和通信处理能力比较弱，控制的效果比较差。

送料车半自动控制阶段：PLC智能模块、自动控制理论的突破使得微机和检测设备的成本变得很低，成本的降低促使很多企业尝试运用微机和PLC控制系统。

本世纪开始以来，以PLC为控制核心的运料车使工厂运料变得自动化和智能化，大大降低了企业运行时的费用。在工业现场控制中PLC控制系统使得一些控制参数可以根据现场实际情况进行修改、调整使设备处于最佳状态。

制造业在现代经济中有很重要的地位，其发展主导着经济发展的前景。我国很多工业企业特别是东南沿海大部分乡镇和私营企业，特别是南方发达的饲料加工企业、制鞋

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S7-200PLC控制的料车行走系统设计

业、电子制造业等，他们由于公司规模有限，资金有限不能够投入很多来提高工厂的自动化水平在加上管理方面欠缺的限制，很多送料还是采用人工，缺少必要的保护设施，导致工人的劳动强度大效率低，造成工人人身事故的现象普遍存在。国内有很多科研单位都在研究运料车的自动行走控制系统。例如PLC在多点控制系统中的应用，基于PLC的自动运料车的设计等都通过不同的控制方式来进行运料车的设计。设计中有些采用的是主令电气控制，有些采用旋转编码器进行控制。本设计采用程序控制的方式，利用主令电器和旋转编码器来进行系统的设计，本饲料厂运料车系统可以根据工艺随时调整，节约了投资并且提高工厂对生产不同商品的灵活性。

近年来随着源于欧洲的经济和债务危机，越来越多的工厂企业开始投入巨资升级工厂的自动化水平，提高工人的劳动生产率，精简员工从而提高企业效益。工厂物料运送车是最需要使用自动化的控制环节，运料车将原料从料场开始，经过自动上料、按照控制任务的要求对物料进行必要地加工、风干等动作后、自动运行到指定地点开始卸料等一系列生产动作完成。随着智能化检测设备诸如传感器技术的不断发展促使运料车能够完全摆脱人工的控制。

在路线固定并且环境复杂诸如煤炭运输，矿山开采，港口集装箱货物的运输的场合，国外自动化巨头已经研制出无人自动驾驶设备，用来适用那些环境恶劣、人工操纵危险的特殊作业环境。美国自动化企业卡特彼勒（CAT）公司早在一九八零年代末期就已经研制了无人驾驶自动化产品矿山自卸矿卡，并且已经进入市场得到了市场的认可。

网络和宽带通信技术、自动检测变送技术、可编程控制技术、现场总线技术的迅速发展使得PLC技术朝着集成度高、高速化处理、大容量存储、网络化通信和智能化检测与变送的方向发展[3]。国外先进的以自动化、可视化为基础的自动无人驾驶控制开始被国内工程运料企业关注，很多工业企业开始引进和使用西方先进的自动运料和无人自动驾驶技术与设备，同时我国很多有财力和技术积累的企业和高校、科研院所已经开始着手研制相关的理论和技术。未来制造业以智能化、自动化、可视化为主要制造方式进行柔性大工业生产的理念已经清晰并且处在快速发展之中。

1.2课题研究任务及意义

本设计的主要内容是设计一个基于PLC控制的料车行走控制系统。系统以PLC为主控制单元，通过编码器读取小车的位置信息，通过对编写程序实现对变频器的控制实现运料车行走电机的速度的切换，通过PLC输出控制继电器、交流接触器来控制下料电机、风机、旋刀电机和下料电机的动作和相关指示灯的显示，通过行程开关读取初始位置和返回点的信息。

主要任务要求如下：当运料车到达初始位置后关闭风机、下料电机、行走电机、旋刀电机同时打开上料电机；当上料电机结束后，打开行走电机，小车开始行走，打开挡板正向开关，当挡板正向打开完毕以后，打开下料电机，开始下料动作；运料车达到返

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S7-200PLC控制的料车行走系统设计

回点后挡板电机换向。根据课题任务要求进行相关接线端子设计、PLC梯形图和程序指令设计，最后进行仿真调试。

运料车正常工作运行中，料场技术人员可以监控到料车的实时运行和工作状态。可以根据不同的生产工艺要求设置变频器对小车的运行速度进行设置，能够根据现场生产要求对小车停靠的不同位置点进行设置，企业能够根据不同的生产需要方便进行调整和改造，提高企业对于生产多样性的要求。

结合本校学习掌握了电动机的原理结构、电机及其拖动、电气控制与PLC应用技术、电气测试技术、变频调速技术和运动控制等知识使我有能力设计PLC控制的运料车行走系统。运料车的自动行走控制系统设计可帮助企业提高生产效率，减少物料搬运费用，例如饲料厂运料车需要进行物料运送和混合、搅拌和风干。运料车可以随时根据饲料的配比来进行调节，如调节下料电机何时出料、出料量大小、粉碎的程度、风干的程度等。自动运料车还特别适用于矿山开采、港口运输、水泥生产、金属冶炼等危险性比较大、粉尘危害大的场合。物料自动运输还具有以下优势：可大量减少人员的工作量，提高劳动生产效率；节约企业生产成本，提高企业效益和企业在同行业之中的竞争力；促进工厂的现代化生产水平，减少事故的发生率。

2 运料小车控制系统设计方案

2.1 控制系统流程

本设计运料车控制流程如下：当运料车在初始地时经物料传感器I1.0判定有料，打开系统启动按钮此时Q0.2接通继电器线圈动作，继电器接通接触器线圈通过主触点接通上料电机动作，同时关闭行走电机Q0.0、风机Q0.4、和旋刀电机Q0.5。上料电机Q0.2将已经称量好的物料倒入料车车斗内，上料过程所用的时间用定时器T37进行定时。当定时器定时时间到后，启动料车行走正向电机带动料车前行，同时打开风机继电器输出、旋刀电机继电器输出和挡板正向电机继电器运行。在运料车系统中风机的作用是将料车上的物料干燥。旋刀电机的作用是将物料通过搅拌、粉碎和混合均匀，以便于物料的充分混合。运料车挡板电机正反转有接入电机的三相电压的相序来进行控制。在运料车正向行走过程中当正向挡板完全打开以后，挡板正向电机碰到挡板正向限位开关时停掉同时打开下料电机，下料电机开始下料动作。通过编码器读取运料车的实时位置，根据E6B2-CWZ6C的预设值范围来控制PLC什么时间对数字量信号进行输出，输出信号作为MM440变频器多段速的输入控制运料车行走电机的速度，使其按照既定慢-快-慢的规律运行；当运料小车到达折返点时，关闭行走正向电机、风机、旋刀电机和下料电机同时打开挡板反向电机并使用定时器T38进行延时，当挡板反向电机碰到挡板反向限位开关时挡板反向电机停止；当定时器延时时间到后，定时器接通反向行走电机Q0.1和变频器反向快速输入Q1.1 PLC数字量输出点来控制变频器输入

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S7-200PLC控制的料车行走系统设计

使运料车行走电机反向运行且按照既定快速-慢速的方式到达初始点进行上料动作，并开始下一个运料和下料周期过程的循环。控制系统整体布局如下图1所示。

图1 控制系统整体布局图

2.2 控制方式的对比和选择实现

运料车控制方案有多种方式可供选择。可以采用以继电-接触器为核心的继电-接触器控制系统；也可以单片机（MCU）为主控制核心，使用单片机外围接口设备和驱动电机模块来实现；还可以使用PLC为控制核心的设计。在这三种常用运料车控制方案之中，继电-接触器作为早期运料车的控制系统其控制线路硬件电路复杂，控制功能是实现用户的特定功能，当用户控制功能发生改变时，控制硬件线路必须重新接线，这种控制方式不符合现代柔性制造工艺，对其不易进行改造且维护成本较高。单片机系统虽然能够采用修改软件提高系统通用性，但是维护起来还是比较困难，单片机的软硬件对干扰的措施要求很高，需要附加很强的抗干扰技术和措施。PLC专为工业控制而设计，其本身已采取很强的抗干扰措施，一般工业环境完全可以正常的工作。运料车控制目前主流采用的是以小型PLC为控制核心。PLC控制系统具有很强的抗干扰特性，广泛使用与工业控制系统之中。PLC控制系统可实现工业现场模拟量、数字量等多种信息的逻辑、数学、通信等。运用PLC为核心的运料车控制系统编程简单、维修起来方便、高性价比，广泛使用于各种物料运输领域中[4]。

2.3 控制系统方案选择

控制系统要求旋转编码器和行程开关直接向PLC送请求信号。料车在达到旋转编码器预设值范围和初始地、折返点行程开关时，向PLC发送一个信号。料车的行走和故障可以通过指示灯来判断。料车的正反转互锁通过软件和硬件相结合的方法来解决。S7-200PLC的料车行走系统设计控制方案如图2所示。其中S7-200PLC作为控制系统的核心，用于接收来自采集旋转编码器和行程开关的信号，然后由S7-200PLC对所采集信号的进行逻辑运算和判断进而输出控制信号驱动各个电机或者部分指示灯[5]。

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图2 料车行走系统设计控制方案

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3 控制系统硬件设计

3.1 PLC概述

美国DEC公司根据通用汽车公司提出的十项指标研发的控制器PDP-14是全世界公认的第一台可编程控制器。它第一次以程序化的方式运用于电气控制项目中，并且在通用汽车生产线上成功运用。它的独创性意义在于引入了程序控制功能，加速促进了计算机控制技术在工控领域的控制地位[5]。

随着网络技术的发展使得PLC在大数据处理、人机接口(HMI)和现场总线等方面的性能得到很大提升，PLC控制还增加了许多特殊功能（如高速计数、PID控制单元、脉冲宽度调制等）使其在以模拟量过程控制领域也占有重要地位。 3.1.1 PLC的组成和工作原理

PLC的控制过程采用程序存储的方式将系统程序和用户程序存储起来，通过外部接口设备将现场实时采集数据送进PLC，然后根据用户控制程序执行相关的逻辑运算，数学运算、通信连接、定时器定时和计数器计数，通过PLC自身CPU强大的运算功能执行相关的逻辑、比较、PID等的运算操作，并将运算结果通过数字或模拟输出的控制口传送给外部设备。PLC逻辑电路采用软件设计，由用户编写的控制程序体现了用户需要控制的特定的输入和输出的关系。PLC基本组成部件如图2示。

存存存存ROM/RAM存存存存存+存存存存扩展单元扩展接口存存存存存CPU外部设备接口PLC存存存存存存存存存存存存存存存存存存存PLC按串行扫描的方式执行用户程序来实现系统的控制要求。执行用户程序时从第一行指令开始执行，按照从左向右从上到下逐条执行直到程序结束为止。用户程序每被PLC执行一次PLC就扫描一遍所有元件的状态并按控制程序的要求进行相应的操作和动

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I/O存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存

图2 PLC基本组成部件

S7-200PLC控制的料车行走系统设计

作，我们把程序执行一遍所需要的时间叫PLC的扫描周期。理论上PLC扫描时间越短，其性能越好。PLC正常工作时将以循环扫描的方式扫描程序。PLC运行过程主要分为三个阶段即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。理解这三阶段是掌握PLC的基础工作，只有深入了解其过程才能对PLC系统有深刻的认识。 3.1.2 PLC控制系统设计的原则和步骤

工业控制系统必须满足工厂生产工艺要求、效率和质量等的相关方面要求。PLC控制系统设计需要遵循以下原则:一是必须满足生产工艺要求；二是力求系统简单、经济、维护方便；三是必须保证系统安全性可靠性；四是选型上要留有适当的余量。PLC控制系统的一般步骤如图3所示。

分析评估控制对象PLC机器选型和I/O设备选择I/O口地址分配程序编制电气系统安装联机调试现场安装调试用户使用

图3 PLC控制系统的一般步骤

3.1.3 PLC的型号选择和I/O分配

控制系统选用PLC机型应从系统I/O点数、是否需要特殊功能、ID功能、通信功能等方面。基本原则必须在满足基本功能的情况下，保证可靠、维护方便。PLC品牌的种类很多，比较知名的品牌有西门子、三菱、泰达、欧姆龙等。

首先根据控制系统的需要明确设计系统所占用I/O点数，对PLC I/O点数给出合理估计，最后在这个统计的数量上增加30%的余量计算出所需要的I/O的总数。经计算系统共需要数字量输入点15个没有模拟量输入点，数字量输出点14个没有模拟量输出点，再给出30%的余量需要的点数为39个，不需要其它的特殊用模块。S7-200系列CPU226满足条件，由于实验设备条件的局限本次设计使用实验室的CPU224作为控制系统核心，S7-200PLC的CPU224具有14入10出的数字量I/O口设计，S7-200PLC的CPU224外观如下图4所示。用户还需要考虑所选用PLC的相关技术支持，采购同一型号能够为以后维护带来方便同时还有利于系统改造升级等。

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S7-200PLC控制的料车行走系统设计

图4 S7-200PLC CPU224外观

本料车系统的工艺过程比较简单且固定，使用过程中维修量比较小，因此选用整体式PLC。控制系统对速度没有过于严格的要求而且过程中采集的输入和输出均是开关量信号所以小型机就能满足要求。工作环境也是PLC选型时需要考虑的重要因素。例如现场温度、湿度、粉尘、信号屏蔽、高压电压和高压电流信号的干扰等。因此需要选择适合实际工作环境的PLC产品。PLC输出方式有继电器方式、晶体管方式、晶闸管方式三种。通过分析系统输入和输出特点，本系统要求输出开关动作不频繁而且速度也不高因此采用继电器输出模式。继电器输出模式相对价格比较便宜，可以带交、直流两种负载。

PLC选型确定之后，需为控制系统定义分配I/O口，我们最好把各个I/O口的名称和地址以表格的形式列出，做好这一步可为以后的程序设计和修改带来诸多便利。

系统I/O配置如下表1示。

表1系统I/O配置

输入信号 编码器A相输入 编码器B相输入 编码器Z相输入 初始地启动 系统急停 系统故障启动 初始地行程开关 折返点行程开关 判料传感器 挡板正向限位开关 挡板反向限位开关 初始点保护限位开关 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 输出信号 继电器K1 继电器K2 接触器KM3 接触器KM4 接触器KM5 接触器KM6 接触器KM7 接触器KM8 变速1（继电器K3） 变速2（继电器K4） 故障1指示灯 故障2指示灯 7

Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 S7-200PLC控制的料车行走系统设计

折返点保护限位开关 消铃按钮 试灯和试铃按钮 I1.4 I1.5 I1.6 故障3指示灯 报警电铃 Q1.4 Q1.5 控制系统I/O接线包括有欧姆龙旋转编码器的电源和输出，S7-200PLC数字量输入和数字量输出，西门子MM440变频器的输入需接到交流380V电源上和输出需要与行走电机相连，还包括系统中的相关指示灯、接触器、继电器和电动机的接线，线路不能接错和接反。其中需要的电压等级有交流380V、交流220V、直流24V。 控制系统I/O接线图如下图5示。

24V+24V1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.41LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.32LQ0.4Q0.5Q0.6Q0.73LQ1.0Q1.1KM8KM7220V~K4K3K3K4K2K1K1K2A存存存存存存E6B2-CWZ6CB存存存Z存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存24V存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存GNDKM3 KM4+24VKM5KM6KM7KM85678存存存MM440存存存928R S TS7-200 CPU224I/O接口I0.5I0.6I0.72MI1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6U V WM3~

图5控制系统I/O接线图

3.1.4 提高PLC控制系统可靠性的措施

硬件设计上PLC本身就采取了诸如电磁隔离,光电耦合器等抗干扰措施，一般工厂里工作完全可以没有故障的运行。但在一些场合如强电干扰，过失电压会导致PLC内

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S7-200PLC控制的料车行走系统设计

部信息紊乱，引起控制系统异常。因此引入必要的抗干扰措施对于现场控制来说是必需的[7]。干扰源源于电压和电流产生大的剧烈变化的地方，剧变将将带来强大磁场，对设备产生电磁辐射，由于PLC元件为半导体材料容易受到干扰，即使PLC已经有很好的抗干扰措施依然要根据实际情况采取相应的抗干扰措施。变频器为高压设备需要抑制变频

器对PLC的干扰。抑制变频器干扰的措施可以采用无源滤波器也可以使用输出电抗器。

3.2 变频器选型

3.2.1 通用变频器概述和选型

变频调速是一种以改变交流电机供电频率来来调节电动机速度的。他是把电压与频率固定的交流电转换成电压和频率频率可以调节的交流电的变换器。变频器有五部分组成：整流与逆变、驱动控制、中央处理、保护与报警、参数设定和监视。变频器的输出为电动机。通用变频器主要运用于交流电动机转速的调节，是被公认的异步电动机理想的调速方案。变频器除具有调速特性外，还具有较为可观的节能效果[8]。

变频器品牌种类很多，其中国外著名品牌有西门子，罗克韦尔，ABB等，国内的主要品牌有四方、海利普等。他们的质量都很过硬，且能够保证控制系统长期运行稳定。变频器的容量除要与异步电机的功率匹配外，还需要考虑电动机的启动转矩，加减速时间和负载大小等的情况。根据控制系统对运料车行走工艺的要求需要采用变频器的多段速功能。本设计选用的是实验室具有的西门子MM440变频器。 3.2.2 电动机的调速方式选择和相关参数设置

操作者可以通过基本操作面板（BOP）设置变频器参数。BOP是具有五位数字显示的七段数码管，用他可以进行相应参数的显示和设置，提示相关的报警和故障信息，还能够显示一个参数的当前设定值和实际值，只能用来进行变频器参数的设置而不能存储相关的参数。MM440基本操作面板外观如下图6所示[9]。

图6 MM440的操作面板(BOP)外观图

运料车异步电机的调速方式可以选择采用S7-200PLC与MM440通过USS（通用串行接口协议）的方式进行，也可以采用变频器的多段速功能的方式进行。USS协议是西门子公司专为S7-200PLC与MicroMaster系列变频器之间进行通信而开发的。USS协议是主从机构的基于串行总线来进行数据通信的协议，通过使用USS协议指令可以方便的控制变频器。一般在使用USS协议之前是需要在STEP 7-MicroWIN编程软件指令树中安装指令库。使用USS指令需要完成以下步骤

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S7-200PLC控制的料车行走系统设计

（1）在用户程序中插入USS_INIT(初始化指令)。

（2）激活USS_CTRL指令，通过USS_RPM_x和USS_WPM_x来读取和改写变频

器指令参数。

（3）为USS指令指定V存储区的起始地址。 （4）组态变频器的站地址和波特率。 （5）通信电缆将S7-200与变频器的连接。

由于CPU226以下只有一个RS-485接口，根据本设计选用的CPU使用USS指令操作起来不方便，因此本设计采用MM440变频器多段速。

MM440多段速功能与参数设置。多段速功能也叫做固定频率，设置P1000=3允许开关量输入端子选择固定频率的组合实现电动机的多速段。在设计的控制系统中选用的行走电机是三相异步电机，在使用变频器对其进行调速时，首先需要根据所选用的异步电机进行变频器的快速调试，使变频器和电动机参数匹配使变频器能够正常的驱动电机工作。

本设计中的多段调速需要用到MM440五个数字量输入端子。需要设置P0700，P0701-P0705、P1000等相关参数，若多段速调速时设置P0701-P0705=17可以扩展多段速的段数，最大可以达到15段速。本设计采用的设置P0701-P0705=16直接选择+ON。 采用选择固定频率值设置P1000=3，由P1001-P1004参数设置选择每一段的运行频率值，所设置频率的正负表示电机的旋转方向（“+”表示参考的正方向“-”表示参考的的反方向）

[10]

。当某一数字量输入端口的控制功能一旦确定，其参数设置值必须和所确定的端口控

制功能相匹配。变频器的接线端子如图7所示[11]。

MM440变频器的减速停车功能由OFF1实现，电动机减速停车时按照预先定义的斜坡下降时间来进行停车，在给定信号斜坡下降到停止以后MM440输出断电。OFF3 是快速减速停车。OFF1和OFF3的优先级相同因此不能同时给出这两个停车信号给变频器而只能任选其一。基于本设计系统的要求运料车的电机可能会具有比较的负载，因此其惯性会比较大故采用变频器的减速停车功能。

图7 MM440变频器的接线端子

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S7-200PLC控制的料车行走系统设计

本控制系统多段速参数MM440变频器参数设置。MM440多段速参数设置如下表2所示。

表2 MM440多段速参数设置

参数号 P0003 P0004 P0700 P0003 P0004 P0701 P0702 P0703 P0704 P0003 P0004 P1000 P0003 P0004 P1001 P1002 P1003 P1004 出厂值 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 3 1 1 3 0 0 0 0 设置值 1 7 2 2 7 16 16 16 16 1 10 3 2 10 10 -10 20 -30 说明 用户访问为标准级 命令和数字I/O 命令源选择通过端子排输入 用户访问为拓展级 命令和数字I/O 固定频率选择 固定频率选择 固定频率选择 固定频率选择 用户访问为标准级 设定值通道，斜坡函数发生器 固定频率设定值 用户访问为拓展级 设定值通道，斜坡函数发生器 固定频率设置（HZ） 固定频率设置（HZ） 固定频率设置（HZ） 固定频率设置（HZ） 3.3 旋转编码器选型

3.3.1 旋转编码器概述

旋转编码器采用光电效应原理做成的能够将旋转位移转化成电信号的传感器。主要 组成有输入轴、输出电缆、外壳、码盘和电子电路。旋转编码器通过输入轴将电动机旋转时所产生的角位移角速度转换成电脉冲形式输出。可以用来测量速度、角度、位移、长度等。在数控机床、机器人、测角仪等需要检测角度的装置和设备中广泛使用。

普通增量式旋转编码器的编码盘上都开有三条码通道而且按照A、B、C的顺序从

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内向外依次排列如图8所示，在A、B码道的码盘上等距离开有透光的缝隙，在2条码道相邻的缝隙间错开半个长度的缝宽用以产生脉冲信号其展开图如下图9所示[12]。码盘两侧装有光源和光敏元件，当电动机轴旋转带动码盘转动时，光源会不断经过透光和不透光区域，码道就会产生脉冲信号，这些脉冲信号经整形放大后由光敏元件输出。

图8 编码盘 图9 增量式旋转编码器原理图

3.3.2 旋转编码器选型

增量式旋转编码器能够将电机轴上的机械物理量采用双路输出的方式输出A，B两组脉冲相位相差90度的脉冲，当产生的A相脉冲比B相脉冲超前，说明旋转编码器此时为正转,否则将视为反转。

欧姆龙E6B2-CWZ6C外观如下图10所示，输入/输出控制回路如下图11所示[13]。

图10 E6B2-CWZ6C外观图 图11 E6B2-CWZ6C的输入/输出控制回路

旋转编码器输出信号采用的是脉冲信号，高速计数器采集旋转编码器送来的高速脉冲序列信号。输出电路采用NPN集电极开路输出型。旋转编码器一般会有五根不同颜色的电线用于连接电源并输出相应的高速脉冲信号，E6B2-CWZ6C接线方式如下表3所[14]。

表3 E6B2-CWZ6C接线方式

线色 端子名称 褐色 +24V 黑色 A相输出 白色 B相输出 1 2

橙色 Z相输出 蓝色 0V S7-200PLC控制的料车行走系统设计

A相B相Z相需要接到PLC输入端，主要是把要检测的高频脉冲信号接入PLC的高速计数器信号通道，然后由PLC读取该信号并根据相应要求做出处理。E6B2-CWZ6C与S7-200PLC可以方便连线。只要设置好高速计数器和对应输入点接线即可。E6B2-CWZ6C技术手册1000P/R经测试行走电机旋转一周产生的位移为8厘米共发送1000个脉冲。我们据此来计算编码器的相关预设值。假设料车正向行走到32m，将编码器的值设置为40000，其它根据类似的方法设计。

4 PLC程序设计

4.1 S7-200编程环境介绍

本设计采用STEP 7-MicroWIN32 SP6编程软件。西门子S7-200编程软件为用户研制开发监控自己所编写的控制程序提供了必要的环境，提供梯形图、指令表、功能块图三种编程语言可供用户选择使用，本程序设计时选择梯形图语言进行编写[15]。

STEP 7 MicroWIN SP6编程界面如下图12所示：可以创建、修改、编辑、上传和下载程序。计算机通过PC/PPI电缆连接到PLC的RS-485端口将用户程序下载至CPU224中运行，下载时界面如下图13。软件的大部分功能能够在离线工作方式下进行。

图12 STEP 7 MicroWIN SP6 编程界面图

图13 下载程序时界面

4.2 控制系统中部分PLC程序开发

4.2.1 系统初始化程序

上文提及到的旋转编码器输出的是高速脉冲信号序列。若采用普通计数器累加会导致很多脉冲信号的丢失。CPU224提供6个高速计数器响应快速的脉冲输入信号。使用高速计数器功能时必须先设置好高速计数器的号数和模式，然后我们需要编写控制程序，编写程序时除软件方面要有相应的初始化设置外，PLC的前几个数字量输入还必须

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与产生高速脉冲信号的旋转编码器按照既定的号数和模式用导线连接起来[16]。

高速计数器(HSC0)通过测量高速脉冲的个数，检测运料车行走的位移。旋转编码器的输出线必须接在PLC的输入点I0.0、I0.1、I0.2连接，当使用PLC的前几个输入点是其作用就是唯一的。要将每个输入点的用途分配合理，不能对其中任何一个输入点分配多个用途。高速计数器用A/B相正交计数器模式9。它的两路脉冲的相位相差九十度，如果正转时A相超前于B相，反转时B相超前于A相。根据相位能够实现能够实现旋转编码器正转时加计数反转时减计数。

高速计数器指令：

（1） HDEF指令：设定高速计数器使用的工作模式，高速计数器使用前都需要用HDEF指令定义工作模式且只能定义一次。本设计中使用SM0.0初始化HDEF指令在主程序中采用一个上升沿指令来调用子程序。HDEF梯形图符号如图14所示[17]。

EN` HSC MODE HDEFENO

图14 HDEF梯形图符号

（2）HSC指令：通过设置使高速计数器使用生效。设置相关的特殊继电器确定的控制方式和工作状态使高速计数器按照给定模式进行计数操作。HSC梯形图符号如图15所示。

ENHSCENO

N

图15 HSC梯形图符号

高速计数器控制字节SMB37，SMB37指令控制字节确定高速计数器的工作方式。 通过多次修改高速计数器的预设值来实现控制PLC点数的输出，进而控制变频器的输出来改变运料车行走电机的速度。HDEF初始化程序SBR_0图16所示。

图16 HDEF初始化程序

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4.2.2 系统主程序

根据控制系统的设计要求，主程序主要完成正常程序的处理。执行的顺序运料小车正常的上料，延时，正向行走，下料，风机和旋刀电机的运行，下料等的动作等。以下选择几个主要程序进行说明。控制系统程序流程图如17所示：

开始初始地上料时间到YN小车正向行走、旋刀电机风机，挡板正向电机挡板正向限位开关下料折返点行关YN小车正向行走电机，风机、旋刀电机，下料电机停止，挡板反向电机打开NY计时时间到Y小车反向行走挡板反向限位挡板反向电机停止N运料结束Y结束

图17 控制系统程序流程

运料车处于正向行走时，当高数计数器的的当前值达到旋转编码器的预设值+40000（+32m）时，电路产生一个上升沿P，置位变速Q1.0。此时运料车正向行走电机MM440变频器所设(f1+f2)的频率之和运行所以此时料车处于正向加速阶段。程序中采用了Q0.1（行走电机反向）Q1.1（行走电机反向加速）的常闭触点来互锁行走电机的正向行走，正向加速的程序段实现如图18所示。当高速计数器的当前值达到旋转编码器的预设值+80000（64m）时，电路产生一个上升沿P,复位变速Q1.0此时正向电机已Q0.0(f1)所在的频率运行所以运料车此时处于正向减速的阶段，互锁的设置同正向加速阶段，运料车

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正向减速程序段如图19所示：

SB2急停：I0.4HC0>=D+40000HC0<=D+80000SM36.5KM2行走反：Q0.1Q0.1P变速1:Q1.0S1MOV_DWENENOVD20INOUTSMD42EN0NHSCENO

图18 正向加速的程序段实现

SB2急停：I0.4HC0>=D+80000SM36.5HC0<=D+100000KM2行走反：Q1.1Q0.1P变速1:Q1.0R1MOV_DWENENOVD30INOUTSMD42ENHSCENO0N

图19 正向减速的程序段实现

当小车折返时在达到初始地之前需要将运料车的速度降下来这样做有利于车的停止。防止由于料车速度过快、惯性过大而冲出限位，保证运料正常有序的进行。当高速计数器的当前值减少到+12000（距初始点+9.6m）时，复位变频器的输入Q1.1（f4）此时反向行走电机以Q0.1（f2）所在的频率运行到初始地。通过正向行走电机（Q0.0）和正向行走电机加速（Q1.0）进行互锁机制的实现。反向行走减速的程序段实现如下图20所示。

SB2急停：I0.4HC0>=D+8000HC0<=D+12000SM36.5定时器：KM2行走反：T38Q1.0Q0.0P变速1:Q1.1R1MOV_DWENENOVD40INOUTSMD420ENNHSCENO

图20 反向行走减速的程序段实现

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4.2.3 故障处理程序

运料车在正常运行过程中会由于各种各样的原因使运料车发生故障影响生产工作的正常进行。例如运料车由于本身车身惯性冲出规定限位，初始地点缺料等，因此需要在控制程序中设置故障显示和故障处理程序，当运料车产生故障时会有闪烁和电铃报警，当故障消除时需要有故障的启动。本程序也设计了相应的保护程序，当运料车故障时产生报警，通知值班人员迅速的拉下系统停止按钮停止系统的运行，当按下系统急停按钮时会发出一个下降沿的指令N，此指令的作用是将所有的运行设备全部置位此时系统动作就会停止，系统急停的程序段实现如图21所示[18]。当工作人员通过排除故障后可按下故障启动按钮使系统再次运行，需要按下故障启动按钮小车能够按照正向的方向进行行走，直至到达折返点行程开关处，然后按照正常的运行方式进行运行系统故障启动程序段如图22所示。

SB2急停：I0.4NQ0.0R8Q1.0R2M1.0R6

图21 系统急停的程序段实现

SB2急停：I0.4I0.5KM2行走反：Q0.1Q0.0PS1Q0.4S2Q0.6S1SBR_0ENQ1.1

图22 故障启动的程序段实现

控制系统具体程序和详细说明见附录一。

5 控制系统仿真与调试

经过了以上的硬件和软件设计，本设计已经完成了运料车系统控制的基本结构，还需要进一步测试软硬件的功能以便是系统的各项参数达到最优化。下面将对系统调试进行分析。 5.1 调试手段

为检验硬件电路PLC的输入和输出，旋转编码器，接触器和继电器是否正常工作，

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需要借助万用表来进行测量。旋转编码器的输出A、B、Z相需要选用万用表的频率挡检测其能够正确的输出电压。通过检测来完成各个器件的状态，为整个系统的调试工作完成必要的准备工作。

当硬件电路完成之后，我们使用S7-200仿真工具进行软件的仿真，由于仿真软件不能仿真旋转编码器，以此设计先用行程开关代替旋转编码器的功能。PLC输出采用置位和复位指令，PLC检测到条件满足时电路产生一个上升沿接通置位和复位指令。STEP 7MicroWIN的仿真软件界面如下图23所示。当使用仿真软件测试所编写程序能够按照要求执行相应的动作时，然后将所编写的程序通过PC/PPI电缆下载到CPU224中，接线使其驱动相关的等动作，待其工作正常时接入电动机进行调试，通过观察各个电机的运转状况及投入运行的顺序来测试软件的功能。通过行走电机行走的距离来对编码器中的预设值来进行修改。

图23 STEP 7MicroWIN的仿真软件界面

5.2 运料车动作的调试和仿真分析

通过在线调试运料车的动作开始出现了很多问题。例如旋转编码器Z相得接入问题，刚开始由于未接旋转编码器的Z相，导致高速计数器不能够正常的计数，当接到Z相后这个问题的到解决。当将旋转编码器的预设值设置为一个整数时，高速计数器有时间捕捉不到这个值导致行走电机的速度不能准确的切换，通过老师的指导将设定值改变成一个范围从而解决了这个问题。在软件中当输入条件满足时要采用带上升沿的置位和复位指令，在程序中输出也可以采用立即指令以加快电机对输出的响应速度。对于运料车的制动方式的选择，本设计刚开始选择了OFF3的快速制动方式，当经过认真的考虑之后因为料车的质量大惯性大导致因此采用快速制动是不恰当的，综上所述

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料车的制动最后选择了OFF1的减速制动方式。还有当小车发生某种故障后在小车的故障处理完后小车的运行方向问题，本设计的解决方法是当小车无论在正向行走还是折返行走过程中，当小车发生故障且故障解除之后，小车都按照正向行走的路线走到折返点，然后再正常进入下一个正常的循环。在运料车的行走命令中，使用了置位和复位指令和上升沿和下降沿指令，提高了程序的可读性。

控制系统需要对行走电机的正反转进行控制，因此需要用到电气互锁。本设计不仅在用户程序中编制了软件互锁同时还对硬件电路进行了连锁装置。外部机械互锁装置采用继电器互锁，使控制系统能够可靠稳定的工作减少故障率。鉴于篇幅的限制下面给出部分仿真结果。当运料车处于初始位置时打开启动按钮下料电机正常工作，仿真结果如图24所示，当料车上料结束后打开正向行走电机、风机、旋刀电机和挡板正向电机如图25所示

图24 打开上料电机图 图25 正向低速运行

当挡板正向电机完全打开后打开下料电机，在此过程中如果高速计数器当前值达到旋转编码器的预设值时接通变频器的高速输入（频率f2）料车进入高速运行阶段。仿真结果如下图26所示，当达到折返点时，关闭行走电机、风机、旋刀电机、下料电机、打开挡板反向电机如下图27所示。

图26 正向高速运行图 图27 折返点挡板反向电机打开

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致谢

在毕业论文即将完成之际，我首先要向我的毕业设计指导老师刘峰老师表示衷心的感谢。正是在刘老师的悉心关怀下，我的毕业设计从刚开始的毫无头绪到现在的基本掌握设计原理，能够顺利完成毕业论文的写作。在控制系统的设计的过程中，每当我遇见比较困难的地方向刘老师请教时，他都能够,不耐其烦对我进行引导和启发，教我如何将复杂问题分解，然后再各个击破。鼓励我独立查寻资料，提出自己的解决方案。并尝试用不同的方法解决问题然后从中筛选、比较、选择最优的解决方法。由于有正确的引导使我在设计中树立了解决实际问题的决心这使我在系统设计中少走了很多弯路。从导师那里我不仅仅学到的是专业知识，还学会了实事求是的态度和高度的责任感，这些良好的品质将激励我要不断克服困难，奋勇向前。

感谢各位任课教师的耐心教导使我能够很好的掌握所学专业知识并在设计中得以体现。在此向南阳理工学院电子与电气工程学院的全体老师表示由衷的感谢，感谢他们两年来的辛勤栽培。同学情深两年的岁月我们并肩走过，其中充满了胜利、失败、欢笑和悲伤，在我的人生中留下了色彩斑斓的一面。

我最要感谢的是养育我成人并寄予我希望的父母，感谢我的家人和朋友。他们用自己的辛勤劳动为我创造了良好的学习条件使我能够安心学习，感激他们一直以来对我的抚养与培育。

由于我所掌握的知识水平有限，本设计还不够贴切，考虑的也不够细致周到，并且难免有不当之处，敬请批评指正。

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