河南机电高等专科学校毕业设计论文
第1章 绪论
1.1 课题来源、目的和意义
1.1.1 课题来源
随着科学技术的日新月异，对自动化程度要求越来越高，原有的生产线已不能满足要求。在工业生产中运料是一个非常重要的环节，但是其岗位对人体伤害较大或者是劳动负荷较大。所以运料小车在工业生产中发挥了重要作用，为企业节省了人力、物力等，节约了生产成本提高了经济效益。但是，相比传统接触器、继电器控制的运料小车电气控制线路比较复杂，不容易检修及维护。基于PLC的自动运料小车控制系统可以解决上述问题，因此对它的设计具有了现实可能性。
运料小车是工厂工业运料的主要设备之一，广泛应用于冶金、有色金属、煤矿等行业。早期运料小车电气控制系统多为“继电器一接触器”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。现代的运料小车基本将控制系统更改为基于PLC核心的计算机控制，并且为了更方便的对运输现场实施监控，传统的指示灯报警和提示已不能满足要求。人们需要掌握小车的实时运行路径、了解小车的工作状态、记录小车的运行历史并能够随时修改小车的运行参数和调用历史数据，还需要按照可视和可控的格式，实时传输、管理和显示这些信息。因此，采用组态软件进行实时的数据管理和监控显得尤为重要。 1.1.2课题目的和意义
随着社会的飞速发展，人们的物质需求日益增长。因此，为了满足人们需求，就要加快物质生产。控制系统的出现及发展，是现代工业向自动化方向发展的必然产物。送料小车是基于可编程控制器（PLC,Programmable logic Controller）控制的智能系统，经过了40多年的发展应用，已经由手动到自动再到全自动控制。现已进入人们的生产生活，为改善人们生活带来了许多帮助。
企业现代化生产规模的不断扩大，使得生产资料的输送成为生产物流系统中的一个重要环节。运料小车自动控制正是用来实现输送生产资物的系统。在国外，随着PLC技术的发展，生产线上的运输控制系统已广泛地采用基于PLC控制系统，有些制造厂甚至还开发研制出了专用的逻辑处理控制芯片。目前，国内大部分工控企业的运料小车自动控制系统都是从国外引进的，成本高。为了满足现代化生产的需要，让PLC技术与自动化技术相结合，充分的应用到我国的工控企业生产线上，并且在各种环境下都能够正常工作，本文应用PLC实现对运料小车工作过程的自动控制，并仿真实现，从而实现成本低，易控制，安全可靠，效率高
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自动往返运料小车控制系统设计
的设计目标。 1.2 课题内容及要求
本设计的主要内容有：确定运料小车控制系统的总体设计方案；设计运料小车拖动电机的电气控制线路原理图；确定运料小心控制系统PLC的型号规格；确定PLC I/O元件，列出 I/O 元件分配表；设计运料小车控制系统PLC I/O 接线图；PLC程序的总体结构图和梯形图（包括主程序和中断程序）等。
设计目的：
（1）熟练掌握PLC的指令系统，学会一些特殊设备在生产实际中的应用。 （2）能使用西门子PLC编程软件及MCGS组态软件。
（3）通过设计牢固掌握功能表梯形图的方法、步骤及绘制梯形图所遵循的规则和技巧。学会时序控制程序的设计和调试方法。 （4）能够绘制传动系统的电气图。
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第2章控制方案的选择
2.1自动往返运料小车设计思路
本系统采用西门子SIMATIC系列PLC进行控制，伺服器与交流电机构成传动装置，驱动小车来回往返，用北京昆仑通态公司MCGS(英文说明)作为组态监控界面，实现实验环境下运料小车系统的运行。
2.2 可编程控制器的介绍
2.2.1 可编程控制器（PLC）的分类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。 1．按结构形式分类
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
（2）模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。
2．按功能分类
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。 （1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
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自动往返运料小车控制系统设计
（2）中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
（3）高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 3．按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。 (1).小型PLC——I/O点数< 256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。 如：GE-I型
美国通用电气（GE）公司
TI100 美国德洲仪器公司 F、F1、F2 日本三菱电气公司 C20 C40 日本立石公司（欧姆龙） S7-200 德国西门子公司 EX20 EX40 日本东芝公司
SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司
(2). 中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K 如：S7-300 德国西门子公司
SR-400 中外合资无锡华光电子工业有限公司 SU-5、SU-6 德国西门子公司 C-500 日本立石公司 GE-Ⅲ GE公司
(3). 大型PLC——I/O点数> 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K
如：S7-400 德国西门子公司 GE-Ⅳ GE公司 C-2000 立石公司 K3 三菱公司等
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2.2.2 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的不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出先前通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，自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。也就是说，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分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送的PLC）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。
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，并把他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，并通过模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。
2.3 自动运料小车控制系统
小车运料示意图如图2所示，为小车一处装料，另一处卸料。小车由电动机拖动，电机正转，小车前进，电机反转，小车后退。料斗底门和小车底门均由电磁阀控制，得电打开，断电闭合。小车前、后终端位置均由限位开关控制。按下右启动按钮小车右行(前述至限位开关SQ1处停下来装料，20 S后结束，开始左行。当碰到SQ2后停下来第一次卸料，15 S后右行，碰到SQ1又停下来装料，20S后结束，又开始左行，经过SQ2不停，当碰到SQ3后停下来第二次卸料，15 S后右行，碰到SQ1后又停下来装料。完成一个工作周期动。
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