1、 . . . 1 / 40 本本 科科 畢畢 業業 設設 計（論文）計（論文）題目題目基于基于 PLCPLC 的機械小車運料自動控制系統的機械小車運料自動控制系統 院（系部）院（系部）專業名稱專業名稱 年級班級年級班級 學生學生 指導教師指導教師 20132013 年年 5 5 月月 1414 日日 年 . . . I / 40摘要早期的機械運料小車電氣控制系統大多為繼電器-接觸器組成的復雜系統，這種系統存在設計周期長、體積大、成本高等缺點，幾乎無數據處理和通信功能，還必須有專人負責操作。將PLC應用到機械運料小車電氣控制系統，可實現機械運料小車的自動化控制，降低系統的運行費用，節省勞力。PL

2、C機械運料小車電氣控制系統具有連線簡單、控制速度快，精度高，可靠性和可維護性好，安裝、維修和改造方便等優點。 本設計以PLC控制技術為核心，采用德國西門子S7-200的PLC,論述了機械運料小車控制系統的軟硬件設計方案與其控制原理，實現了機械運料小車的自動控制。通過實際應用，說明所設計的控制系統運行可靠，滿足了實際需要。關鍵詞：PLC 機械運料小車 自動化控制 . . . II / 40AbstractAbstractMost of the early mechanical the car transporter electrical control system relay - contac

3、tor complex system composed of, such a system design cycle, bulky, cost disadvantages, almost no data processing and communications functions, there must also be the person responsible for the operation. PLC application to mechanical car transporter electrical control system can achieve the mechanic

4、al car transporter automation control, reduce system operating costs, labor-saving. PLC mechanical car transporter electrical control system has a simple connection, control speed, high precision, reliability and maintainability, easy installation, maintenance and renovation. The design of PLC contr

5、ol technology as the core, with Germanys Siemens S7-200 PLC, discusses the mechanical car transporter control system hardware and software design and its control principle, to achieve a mechanical automatic control of the car transporter. Through the practical application of the design of the contro

6、l system is reliable, meet the actual needs.KeyKey words:words:PLCmechanical car transporterautomation control . . . i / 40目錄前言 11.1 設計背景與意義 11.2 設計取得的成果 32 PLC 概述 42.1 PLC 的產生與定義 42.1.1 PLC 的產生 42.1.2 PLC 的定義 42.2 PLC 的發展與趨勢 52.3 PLC 的特點與其功能 72.3.1 PLC 的基本特點 72.3.2 PLC 的功能 82.3.3 PLC 與 DCS、工業 PC82.

7、4 PLC 的基本組成與其各部分作用 92.5 PLC 的工作原理 112.6 PLC 的工作過程 123 方案設計 13 . . . ii / 403.1 方案的比較 133.2 系統描述 143.3 控制要求 143.4 主要電氣元件的配置 153.5 PLC 機型的選擇 174 PLC 控制系統硬件設計 1941 系統主回路與控制回路的設計 194.1.1 硬件設計概述 194.1.2 系統主回路設計 19總體電路圖見附錄 1204.2 機械運料小車控制系統的實現原理 204.2 PLC 的外部接線圖 22根據機械運料小車的工作原理和 I/O 地址分配表畫出 PLC的外部接線圖，如下:2

8、25 PLC 控制系統的軟件設計 245.1 S7 程序設計的基本步驟 245.1 控制系統的順序功能圖 245.2 控制系統的梯形圖 25 . . . iii / 407 STEP7-MICRO/WIN 編程軟件的應用 27結束語 30致 32參考文獻 34附錄：35外文資料與中文翻譯 35 . . . 1 / 40前前 言言1.11.1 設計背景與意義設計背景與意義PLC 控制系統的應用幾乎涵蓋了工農業生產和人類生活的各個領域。在各種應用領域中， 尤其在生產過程和科學研究產業領域中，電氣控制技術應用更為廣泛。在機械設備的控制中，電氣控制也比其他的控制方法使用的更為普遍。 長期以來，PLC

9、始終處于工業自動化控制領域的主戰場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用。它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業企業對自動化設備的要求。由于計算機技術和微電子技術的迅速發展，極大的推動了 PLC 的發展，使得 PLC 的功能日益增強。如 PLC 可進行模擬量控制、位置控制和 PID 控制等，易于實現化的需要。柔性制造系統。遠程通信功能的實現更使 PLC 如虎添翼。目前， PLC 已成為工業控制的標準設備，應用面幾乎覆蓋了所有工業企業。PLC 是一種固態電子裝置，它利用已存入的程序來控制機器的運行或工藝的工序。PLC 通過輸入/輸出（I/O）裝置發出

10、控制信號和接受輸入信號。由于 PLC 綜合了計算機和自動化技術，所以它發展日新月異，大大超過其出現時的技術水平。它不但可以很容易地完成邏輯、順序、定時、計數、數字運算、數據處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產機械數字量和模擬量的聯系，從而實現生產過程的自動控制。特別是超大規模集成電路的迅速發展以與信息、網絡時代的到來，擴展了 PLC 的功能，使它具有很強的聯網通訊能力，從而更廣泛地應用于眾多行業。 . . . 2 / 40進入 21 世紀，中國是一個發展國，要加快科學技術發展、縮小與發達國家的差距，仍需要較長時期的艱苦努力，同時也有著諸多有利條件。我國企業現代化生產規模的不斷擴大

11、和深化，使得生產物的輸送成為生產物流系統中的一個重要環節。運料小車自動控制正是用來實現輸送生產物的控制系統，隨著 PLC 的發展，國外生產線上的運輸控制系統非常廣泛的采用該控制系統，而且有些制造廠還開發研制出了專用的邏輯處理控制芯片，我國的大部分工控企業的運料小車自動控制系統都是從國外引進的，成本高，為了滿足現代化生產流通的需要，讓 PLC 技術與自動化技術相結合，充分的利用到我國的工控企業生產線上，讓該系統能夠在各種環境下工作，可以達到成本低、維護方便、易控制，安全可靠，效率高等目的。傳統的運料小車大都是繼電器控制，而繼電器控制有著接線繁多、故障率高且維修不易等缺點。例如：整個運行過程中，運

12、料小車的速度很難設定，如果太快，啟動和制動時由于存在運料小車慣性難以控制的缺陷易造成物料的掉落、拋灑，這樣就不能實現安全的啟動停止。PLC 作為目前國市場的主流控制器，在技術、行業影響等方面有重要作用。利用 PLC 控制代替繼電器控制已經是大勢所趨。隨著 PLC 的不斷發展和革新，生產線的運輸控制也得到了不斷的改善和生產率的不斷提高，運料小車自動控制系統經歷了以下幾個階段 ： （1）手動控制：但是由于當時的技術還不夠成熟，這種系統存在設計周期長、體積大、成本高等缺陷，幾乎無數據處理和通信功能，必須有專人負責操作。（2）自動控制：通過機器人技術，自動化設備終于實現了 PLC 在小車自動控制系統在

13、自動方面的應用。（3）全自動控制：PLC 大多采用 CPU 結構，不斷向高性能、高速度 . . . 3 / 40和大容量方向發展。現代企業為提高生產車間物流自動化水平,實現生產環節間的運輸自動化,使廠房的物料搬運全自動化,許多企業在生產車間廣泛使用無人小車,運料小車在車間工作臺或生產線之間自動往返裝料卸料。由于運料小車自動往返的實際意義, 可實現運料小車的全自動控制，降低系統的運行費用。1.21.2 設計取得的成果設計取得的成果本文介紹了一種基于西門子 S7-200 PLC 控制的自動控制運料小車系統設計方案。將 PLC 運用到運料小車自動控制系統，可實現小車的全自動控制，降低系統的運行費用。

14、PLC 運料小車自動控制系統具有連線簡單控制速度快，精度高，可靠性和可維護性好，維修和改造方便等優點。利用 PLC 控制技術，可實現運料小車的相關運動，運料小車在一個周期的運動由 4 段組成。設小車最初在左端，當按下啟動按鈕，則小車自動循環地工作，若按下停止按鈕，則小車完成本次循環工作后，停止在最初位置。本設計的控制系統是采用 PLC 的編程語言梯形圖，梯形圖是在可編程控制器中的應用最廣的語言，因為它在繼電器的基礎上加進了許多功能、使用靈活的指令，使得邏輯關系清晰直觀，編程容易，可讀性強，所實現的功能也大大超過傳統的繼電器控制電路。可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，它是專為在惡劣工業環

15、境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在部存儲執行邏輯運算、順序控制，定時、計數和算術等操作的指令，并采用模擬式的輸入和輸出，控制各種的機械或生產過程。 . . . 4 / 402 2 PLCPLC 概述概述2.12.1 PLCPLC 的產生與定義的產生與定義2.1.12.1.1 PLCPLC 的產生的產生最初的電氣自動控制裝置是繼電-接觸器控制系統，它是一種以繼電器、接觸器、按鈕、開關等為主要器件組成的邏輯控制系統，它具有結構簡單、生產成本低、抗干擾能力強、故障檢修直觀方便、適用圍廣的特點。它不僅可以實現生產設備、生產過程的自動控制，而且還可以滿足大容量、遠距離、集中控制的要求。因此，

16、直至今日“繼電-接觸器控制系統”仍是工業自動控制領域最基本的控制系統之一。但是，由于“繼電-接觸器控制系統”的控制元件均為獨立元件，它決定了系統的“邏輯控制”與“順序控制”功能只能通過控制元件間的不同連接實現，因此，不可避免地存在以下不足：通用性、靈活性差；運行費用高、噪聲大；體積大，材料消耗多；功能局限性大；可靠性低，使用壽命短；不具備現代工業控制所需要的數據通信、網絡控制功能。為了解決“繼電-接觸器控制系統”存在的通用性、靈活性差、功能局限性大與通信、網絡方面欠缺的問題。1968 年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司（GM 公司）提出了一種新穎控制器的十大技術要求，并面向社會進行招標。由此

17、，PLC 應運而生。2.1.22.1.2 PLCPLC 的定義的定義1969 年美國 GOULD 公司首先將 PLC 技術進行商品化并推向市場；1971 年，在引進美國技術后，日本研制出了自己的第一臺 PLC；1973 . . . 5 / 40年德國 SIEMENS 公司研制出歐洲第一臺 PLC；1974 年，法國隨之研制出了 PLC。到了 20 世紀 70 年代中期，PLC 開始采用微處理器。1980 年，美國電氣制造商協會（National Electronic Manufacture Assciation,簡稱 NEMA）將其可編程控制器進行如下定義：可編程控制器（Progranmmab

18、le Logic Controller,簡稱 PLC）是一種帶有指令存儲器，數字或模擬輸入/輸出接口；以位運算為主；能完成邏輯、順序、定時、計時和算術運算功能；面向機器或生產過程的自動控制裝置。2.22.2 PLCPLC 的發展與趨勢的發展與趨勢PLC 自從產生至今，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、性能價格比高等優點，使其在機械、冶金、化工、輕工、紡織等部門得到廣泛的應用。同時，微電子技術、信息技術的高速發展，為 PLC 的發展提供了技術保證，從而使得 PLC 的結構、性能等都與傳統意義上的 PLC 具有較大的區別。PLC 的發展過程可分為四個階段。（1）19

19、70-1980 年：PLC 的結構定型階段。 在這一階段，由于 PLC 誕生，各種類型的順序控制器不斷產生，但被迅速淘汰。最終以微處理器為核心的現有 PLC 結構形式取得市場的認可，并迅速得到發展和推廣。本階段為 PLC 原理、結構、軟件、硬件趨向成熟的階段，PLC 的應用領域也開始向機床、生產線領域拓展。（2）1980-1990 年：PLC 普與與系列化階段。在這一階段，PLC 生產規模日益擴大、價格不斷下降，PLC 被迅速普與。各 PLC 生產廠家產品的規格，并且形成了固定 I/O 點型、基本單元加擴展模塊型、模塊化結構型的基本結構模式。 . . . 6 / 40本階段，SIEMENS 公

20、司以最早的 S3 系列 PLC 產品為主；1978 年后逐步被 S5 系列替代。（3）1990-2000 年：PLC 高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術的發展，PLC 的功能日益增強，PLC的 CPU 運算速度上升、位數不斷增加，使得使用各種特殊控制的功能的模塊不斷開發，PLC 由單一的順序控制向現場控制發展。本階段，性能被提高的同時，PLC 的體積被大幅度縮小，出現各種小型化、微型化 PLC。SIEMENS 公司的 PLC 產品開始從 S5 系列向 S7 系列過渡，1995 年后推出 S7-200/300/400 等小、中、大型 PLC 系列產品。（4）2000 年至今：PLC

21、功能開發與網絡化階段。在本階段，為了適應信息技術的發展與工業自動化的需要，PLC 的各種功能不斷開發和完善。一方面，PLC 在不斷提高速度、位數的同時，開發了適用于過程控制、運動控制的特殊功能與模塊，使得 PLC 的應用圍涉與工業自動化的全部領域。與此同時，PLC 的網絡與通信功能得到迅速發展，PLC 不僅可以連接傳統的編程與通用輸入/輸出設備，還可以通過各種總線構成網絡系統，為工廠自動化奠定了基礎。本階段，SIEMENS 公司的 PLC 產品仍然以 S7-200、S7-300、S7-400為主要產品，只是性能不斷完善和提高，也陸續有新的 CPU 模塊型號推出。作為 PLC 發展趨勢，仍然主要

22、體現在體積的縮小與性能的提高兩個方面。（1）體積的小型化電子產品體積的小型化是微電子技術發展的必然結果。與早期的PLC 相比，現代的 PLC 的部組成元件有很大的不同，PLC 的體積被大幅 . . . 7 / 40度縮小。例如，SIEMENS 公司的 S5-115 與 S7-300PLC 在寬度、高度、厚度都有縮小。（2）性能的提高PLC 的性能主要包括 CPU 性能和 I/O 性能。隨著微處理器性能的日益提高，PLC 的 CPU 的基本性能得到同步發展，具體體現在運算速度、數據處理能力、存儲容量等方面。與 S5 系列相比，S7-300 的運算速度提高 16 倍，基本存儲容量提高 12 倍，最

23、大存儲容量更是提高近 200 倍，并且可以使用多種編程方式。在 I/O 性能方面，最主要是體現在可通過 PLC 控制與連接特殊 PLC模塊與系統通信口上，反映了 PLC 的集中控制與網絡連接能力。網絡連接能力是當代 PLC 的發展趨勢，它是信息技術發展對自動化設備提出的新要求，是實現工廠自動化與進行現代化管理的需要，是計算機集成化制造的基礎。而被通過現場總線等形式可以進行現場間的通信與連接，以實現集中、統一控制與管理；通過網絡連接，可以工廠自動化與現代化管理奠定基礎。除此之外，可靠性的提高，價格的不斷下降，使得 PLC 的性能價格比得到提高。2.32.3 PLCPLC 的特點與其功能的特點與其

24、功能2.3.12.3.1 PLCPLC的基本特點的基本特點（1）可靠性高PLC 作為一種通用的工業控制器，它必須在各種不同的工業環境中正常工作。對工作環境的要求較低，抗干擾能力強，平均無故障工作時間長，是 PLC 在各工業得到廣泛應用的重要原因之一。PLC 的可靠性與硬件的設計制造以與軟件設計密切相關。 . . . 8 / 40硬件設計PLC 在硬件設計上采用了光電隔離、使用開關電源、選用高可靠性器件、有效的抗干擾與電磁屏蔽等措施來提高 PLC 的可靠性。軟件設計在軟件設計上采用了特殊的“循環掃描”方式與專用的編程語言，并采用了系統程序與用戶程序相對獨立的軟件結構。（2）使用方便由于大多數 P

25、LC 都采用了基本單元加擴展或模塊化結構形式，因此，輸入/輸出信號的數量、形式、驅動能力等可以根據實際控制需要進行選擇與確定且需要，時還可以隨時更換或增減 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；可以通過個人計算機在現場隨時對 PLC 程序進行調整與修改，還可以對系統的信號與工作狀態進行動態監控，調整、維修方面等。（3） 功能完善，應用靈活。（4） 環境要求低，適應性強。（5） 體積小，重量輕，能耗低。（6） 維修工作量小，維修方便。（7）系統的設計，安裝，調試工作量少。2.3.22.3.2 PLCPLC 的功能的功能（1）基本控制功能。它可以對開關量

26、進行邏輯運算與處理，并實現定時、計數、代碼轉換、數據化比較等功能；（2）特殊控制功能。通過 PLC 的特殊功能模塊，PLC 可以用于溫度、電壓、速度、位置等控制的場合，對模擬量與數字量進行處理與控制。（3）通信與網絡功能，PLC 可以與外圍設備進行數據通信，并組成PLC 網絡系統與工廠自動化系統。 . . . 9 / 402.3.32.3.3 PLCPLC與與DCSDCS、工業、工業PCPC自從微型計算機問世以來，工業控制一直是其重要的應用領域。在工業控制上，除 PLC 之外，工業控制計算機（簡稱 PC）與集散控制系統（簡稱 DCS）也是其中代表性產品。PLC 與工業 PC、DCS 的主要區別

27、為：在硬件上，工業 PC 機采用了通用計算機的結構形式，具有兼容性強、通信方便的特點；DCS 注重于對模擬量的輸入/輸出的控制與回路調節功能的設計；而 PLC 側重于對開關量的邏輯控制。在軟件上，工業 PC 機可以使用多種應用程序，適應算法復雜，實時性強的控制要求；DCS 在模擬量處理與 PID 調節運算方面有其優勢；PLC 采用面向基層應用人員的簡單編程語言與特殊的程序執行方式（循環掃描） ，工業 PC 與 DCS 在編程方便、直觀以與運行可靠性方面不與PLC。2.42.4 PLCPLC的基本組成與其各部分作用的基本組成與其各部分作用PLC 的硬件主要由中央處理器（CPU） 、存儲器、輸入接

28、口電路、輸出接口電路、通信接口、部電源等部分組成。PLC 的軟件主要是系統程序和應用程序。PLC 的系統程序一般由管理程序、指令譯碼程序、標準程序塊三部分組成；PLC 的用戶程序是指PLC 的使用者根據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” 。（1）中央處理器（CPU）PLC 的 CPU 在系統程序的控制下工作，主要功能進行 PLC 的循環掃描處理，容包括執行輸入采樣、執行 PLC 用戶程序、部診斷、通信處理和輸出刷新五個方面。 . . . 10 / 40（2）存儲器PLC 部所使用的存儲器，按用途分為：系統程序存儲器、用戶程序存儲器、部數據存儲器。在 S7-200

29、 中，系統存儲器采用 ROM 單獨存儲。用戶存儲器采用 EEPROM，部劃分為“用戶程序存儲區域” 、 “參數存儲區域” 、 “保持數據存儲區域”三個區域。 “用戶程序存儲區”用于 PLC用戶程序；“參數存儲區”用于存儲 PLC 硬件、軟件配置參數；“保持數據存儲區”用于存儲需要斷電保持的部分數據存儲器容。數據存儲器在 S7-200 中稱“數據存儲區域” ，采用動態 RAM 進行存儲。（3）輸入接口電路輸入接口的作用是完成外部信號到 PLC 部信號的轉換。通常情況下，來自生產設備或控制現場的各種輸入信號，通過輸入接口電路可以講開關量信號轉換成 PLC 控制所需要的、CPU 能夠直接處理的 TT

30、L 電平，將模擬量信號轉換成 PLC 部所需要的數字量等。輸入接口電路一般由信號連接器件（如接線端子、插頭等） 、輸入電路（RC 濾波器、限流電路、整流電路、穩壓電路等） 、信號隔離/電平轉換電路（如光電耦合器件、模擬開關等） 、輸入信號寄存電路等環節組成。（4）輸出接口電路輸出接口的主要作用是完成 PLC 部信號到外部信號的轉換。通過輸出接口電路，可以將 CPU 處理完成的邏輯運算結果轉換到外部執行元件所需要的控制信號，將處理完成的數字量信號轉換成外部控制、顯示所需要的模擬量等。輸出接口電路一般由信號連接器件（如接線端子、插頭等） 、輸出驅動電路（如中間繼電器、大功率晶體管、雙向晶體管等）

31、、信號隔離/電平轉換電路（如光電耦合器件、模擬開關等） 、輸出信號寄存電路等 . . . 11 / 40環節組成。（5）通信接口通信接口的主要作用是實現 PLC 與外部設備之間的數據交換。最基本的通信接口有 RS-232、RS-422、RS-485 等標準的串行接口。（6）部電源PLC 的外部輸入電源有交流輸入和直流輸入兩種。由于 PLC 部一般采用開關電源，因此大部分 PLC 對輸入電壓的要求不高，交流輸入時，一般為單相 AC85-260V,50/60HZ；直流輸入時要求 DC15.6-31.3V,但部分 PLC 對“紋波”有一定的要求。PLC 部電源的作用主要是提供 PLC 部的 TTL

32、集成運算放大器等組件的工作電源，因此，需要將外部輸入轉換為 DC5V、DC24V 等不同的電壓。2.52.5 PLCPLC 的工作原理的工作原理在 PLC 電路中，PLC 可以分為輸入電路、部控制、輸出電路三部分。其中輸入電路代表了實際 PLC 的輸入接口電路板、輸入采樣、輸入緩沖等部分；部控制電路代表了實際 PLC 的控制程序執行過程；輸出電路代表了實際 PLC 的輸出接口電路、輸出刷新、輸出緩沖等部分。（1）輸入電路由外部輸入信號、PLC 輸入接線端、等效輸入繼電器三部分。外部輸入信號經 PLC 的輸入接線端與輸入繼電器接入。每個輸入繼電器與輸入信號一一對應，當外部輸入“1”時，輸入繼電器

33、“線圈”得電，部控制電路中對應的輸入接點“吸合” 。（2）輸出電路由部輸出接點、PLC 輸出接線端、輸出執行元件三部分組成。部輸 . . . 12 / 40出接點經 PLC 的輸出接線端與輸出執行元件連接，每個輸出接點與部控制電路中的輸出線圈一一對應，當輸出線圈為“1”時，輸出接點接通，且每一個輸出線圈只能有一個用于驅動外部執行元件的接點。（3）部控制電路由 PLC 用戶程序轉化而來，它將 PLC 程序中的順序控制邏輯轉化成普通的繼電器控制線路。在部控制電路中，PLC 的定時器、計數器可以用繼電器控制線路的時間繼電器、計數繼電器進行等效。2.62.6 PLCPLC的工作過程的工作過程當 PLC

34、 投入運行后，主要的工作過程可以分為輸入采樣、執行程序、通信處理、CPU 診斷、輸出刷新五個基本步驟，并且不斷循環執行。如果不考慮 PLC 的公共處理過程，PLC 的正常執行用戶程序的工作過程分為 3 步：PLC 一次性將全部輸入端的狀態(輸入信號)讀入輸入緩沖寄存器，生成“輸入映像” ；執行 PLC 用戶程序，進行邏輯運算處理，運算結果立即寫入指定的標志寄存器、數據寄存器、輸出緩沖寄存器中；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。 . . . 13 / 403 3 方案設計方案設計3.13.1 方案的比較方案的比較方案 1：運料小車在最初位置時，按下啟動按鈕

35、，電機正轉，小車開始前進，到達右限位開關，電機停轉，小車停止；按下電機反轉啟動按鈕，小車后退，到達左限位開關，電機停轉，小車停止，按下停止按鈕，小車完成一個工作周期。方案 2：運料小車在最初位置時，按下正轉啟動按鈕，如果運料小車處于停止狀態，則立即正轉運行，到達右限位開關后停止；等待裝料10s 后，電機自動切換到反轉，小車開始后退，直至到達左限位開關處停止，等待卸料 5s 后，運料小車回到最初位置，按下停止按鈕，運料小車完成一個工作周期。針對這兩個方案，做出一些分析并得出方案 3：在 KM1 的線圈串聯了 KM2 的輔助常閉觸點,KM2 的線圈串聯了 KM1 的輔助常閉觸點,組成了硬件互鎖電路

36、，以此避免由于正反轉(運料小車前進,后退)切換過程中電感的延時作用,導致原來接通的接觸器的主觸點還未斷弧時, 另一個接觸器的主觸點已經合上而造成交流電源瞬間短路的故障。在運料小車裝料、卸料的過程中，用指示燈 L1，L2 來顯示當前的運料小車所處的狀態，也方便工作人員的監管。限位開關的作用是為保證運料小車能 . . . 14 / 40夠在準確的位置停車。3.23.2 系統描述系統描述本設計的控制對象是機械運料小車的電動機，其目的是通過控制電機的正反轉來控制機械運料小車在 A、B 兩地自動往復運動，從而實現在 B 地卸料、在 A 地裝料這一過程。機械運料小車的控制示意圖和動作循環圖如下：圖3-1

37、運料小車的控制示意圖和動作循環圖3.33.3 控制要求控制要求控制系統各部分的工作過程如下：（1）機械運料小車在初始位置處，按下啟動按鈕 SB1，電機正轉，則機械運料小車前行， ；（2）機械運料小車運行至右限位開關 ST1，電機停轉，運料小車停止，等待裝料，裝料指示 L1 燈亮；（3）延時 10s 后，指示燈滅，裝料完成，電機反轉，運料小車后退， . . . 15 / 40直至運行至左限位開關 ST2 處，電機停轉，運料小車停止，等待卸料，卸料指示 L2 燈亮；（4）延時 8s，指示燈滅，卸料完成,到此完成一個工作周期，若不按停止按鈕，此過程可以循環。3.43.4 主要電氣元件的配置主要電氣元

38、件的配置根據系統的控制要求，選擇設計所需要的電氣元件：（1）三相異步電動機的選擇通過對控制要求的分析，控制系統需要一臺三相異步電動機 M,為滿足工藝要求，電動機的功率選定為 1KW,型號： J02-22-4,1.5kw 1410 轉/分，380V，3.49 安。（2）開關的選擇在該系統的主電路中，采用三級的組合開關。電動機的最大容量為 1KW，則三級組合開關的額定電流為 10A，型號為 HZ10-10。（3）熔斷器的選擇在本系統中，需要熔斷器保護一臺三相異步電動機，啟動電流為額定電流四至七倍，為了防止啟動時燒斷熔體，熔體的額定電流一般去電動機額定電流的 1.5 至 2.5 倍，則額定電流為：，

39、其中： ，所以熔體的最大額定電流為 11.375A。AIINN55. 42201000max熔斷器的額定電壓為 AC380V，則可選擇型號為 RT14-20 的熔斷器。（4）時間繼電器（KT）本系統中需要延時 10S，并考慮到價格費用方面，可選用空氣阻尼式時間繼電器，可選用 JS7-2A 型號的空氣阻尼式時間繼電器，其觸點 . . . 16 / 40額定電壓為 380V，觸點額定電流為 5A 均能符合要求。（5）熱繼電器的選擇（FR）熱繼電器的額定電流應大于電動機額定電流。然后根據該額定電流來選擇熱繼電器的型號。熱繼電器的熱元件的額定電流應略大于電動機額定電流。當電動機啟動電流為其額定電流的

40、6 倍與啟動時間不超過5S 時熱無件的整定電流調節到等于電動機的額定電流當電動機的啟動時間較長、拖動沖擊性負載或不允許停車時，熱元件整定電流調節到電動機額定電流的 1.1-1.15 倍。一臺電動機的額定電流為 4.55A，可以用整定電流圍為 3.6A4.5A5.4A,熱元件整定電流的中間值要等于或稍大于電動機的額定電流值，則熱繼電器的型號為 R20-16，此額定電流為 16A。（6）接觸器的選擇（KM）額定電流為AKUPINNC8 . 32202 . 11000采用的接觸器要與繼電器相配合，則選擇 CJ20 型號的交流接觸器。元件列表如下：表3-2序號代號名稱型號數量1M三相異步電動機J02-

41、22-412QS空氣開關DZ47-3P33FR熱繼電器R20-1614CPUPLC處理器CPU22415KM交流接觸器CJ2026SB按鈕LAY83 . . . 17 / 407ST限位開關LXK228FU熔斷器RT14-2019L導線若干3.53.5 PLCPLC 機型的選擇機型的選擇（1）CPU 性能PLC 的 CPU 性能主要涉與處理器的“位數” 、運算速度、用戶存儲器的容量、編程能力、軟件開發能力、通信能力等方面。在 CPU 性能滿足控制要求的前提下，CPU 的價格也在考慮的圍之。（2）I/O 點數PLC 的輸入/輸出點數是 PLC 的基本參數之一。在正常情況下，PLC的 I/O 點可

42、以適當的留有余量，同時也必須考慮生產成本。（3）開關量輸入模塊的選擇選擇三相交流輸入電源 AC380V，采用直流匯點輸入接線方式。（4）開關量輸出模塊的選擇該系統中有用到繼電器，一般開關輸出模塊的輸出方式常為繼電器輸出。（6）I/O 地址分配方式采用 I/O 自動分配方式，地址連續、有序。根據設計的控制要求和確定的硬件設備的分析得出：控制系統需要的外部設備只有控制機械運料小車運動的三相異步電動機，電動機有正轉和反轉兩種狀態,分別對應正轉 KM1 和反轉 KM2,電動機 M 的正轉啟動按鈕 SB1,反轉啟動按鈕 SB2，電動機的停止按鈕 SB3，熱繼電器的常閉觸點 FR，兩個限位開關 ST1 和

43、 ST2。裝料指示燈 L1，卸料指示燈 L2，其中輸入為：SB1、SB2、SB3、ST1、ST2；輸出為：KM1、KM2、L1、L2、 . . . 18 / 40將以上 PLC 的輸入、輸出匯總，可以統計如下：PLC 的輸點總計：5 個。全部的輸入點均為觸點輸入信號。PLC 輸出點總計：4 個。列出 I/O 地址分配匯總表如下：表3-3輸入輸出地址符號功能地址符號功能I0.0SB1前進啟動Q0.0KM1前進接觸器I0.1SB2后退啟動Q0.1KM2后退接觸器I0.2ST1A點限位開關Q0.2L1裝料指示燈I0.3ST2B點限位開關Q0.3L2卸料指示燈I0.4SB3停止按鈕綜合以上，本設計選擇

44、 S7-200PLC 的 CPU224，它的 PLC 結構類型是基本元+擴展型，基本單元集成的 I/O 數量是 24（14 個輸入點、10個輸出點） ，AC100-230V 電源，DC24V 輸入,繼電器輸出，不需要輸入輸出擴展模塊，且滿足一定的余量要求。 . . . 19 / 404 4 PLCPLC控制系統硬件設計控制系統硬件設計4 41 1 系統主回路系統主回路與控制回路的設計與控制回路的設計4.1.14.1.1硬件設計概述硬件設計概述PLC控制系統的設計包括硬件設計和軟件設計兩部分，PLC具有靈活 、通用的特點，幾乎全部的控制都是通過軟件來控制的，雖然如此硬件設計也并不是PLC與I/O

45、信號間簡單的連線，它直接關系到控制系統的安全性、可靠性與生產成本等諸多問題，而且硬件設計一旦完成，不可以隨時隨地進行修改，因此，它是決定控制系統設計成敗的關鍵問題，在硬件設計階段應高度重視。4.1.24.1.2 系統主回路設計系統主回路設計（1）主回路設計的容在PLC控制系統中，主回路采用的是電機主回路，主要由一臺三相鼠籠式異步電機M、熱繼電器FR、電機保護的熔斷器FU、正轉控制交流接觸器KM1與反轉交流接觸器KM2的兩組主觸點構成電動機的正反轉接線，還有空氣隔離開關QS將380V三相電源引入。 （2）電源總開關根據EN60204-1標注規定，為了使正的控制系統與電網隔離，機械設備的電氣控制裝

46、置必須安裝電源總開關，在本次設計的控制系統中， . . . 20 / 40設有空氣開關作為電源總開關，可斷開回路中的所有用電設備電源。（3）保護裝置的設計在主回路的設計中，為了對設備進行可靠、有效的保護，必須含有具有足夠分斷能力的保護裝置，在回路出現故障時，能夠可靠分斷被保護的電機。所以，在主回路中裝設有熔斷器，它的主要用做短路保護和嚴重過載保護；熱繼電器FR，是一類實現自動斷電功能的裝置，主要用做過電流、漏電、欠壓、過熱等故障的保護。（4）接地與抗干擾 從安全角度考慮，在控制系統中裝有總接地母線，用于電位平衡與接地，主回路用的是三相四線制，以防止干擾，提高線路的可靠性。 控制主回路見附錄24

47、.1.34.1.3 系統控制回路設計系統控制回路設計在機械運料小車的控制回路主要由通電延時時間繼電器KT1、KT2；接觸器KM1、KM2；停止按鈕，啟動按鈕，限位開關等構成。本次控制回路是采用時間繼電器，可以按時間繼電器的延時閉合常開觸點來實現電動機從正轉運行到反轉運行的自動切換。在電動機正反轉控制接觸器同時動作時，可能引起電源短路、機械部件損壞，為保證控制系統工作可靠性，在繼電器-接觸器控制系統中，通過觸點進行電氣“互鎖” ，互鎖環節具有禁止功能，在線路中起安全保護作用。實現互鎖的具體做法：KM1 線圈回路串入 KM2 的常閉輔助觸點，KM2 線圈回路串入 KM1 的常閉觸點。當正轉接觸器

48、KM1 線圈通電動作后，KM1 的輔助常閉觸點斷開 KM2 線圈回路，若使 KM1 得電吸合，必須先使KM2 斷電釋放，其輔助常閉觸頭復位，這就防止了 KM1、KM2 同時吸合造成相間短路，這一線路環節稱為互鎖環節。 . . . 21 / 40實現自鎖的具體做法：在正轉（反轉）的控制電路中并聯有正轉（反轉）接觸器的常開觸點。總體電路圖見附錄 14.24.2 機械運料小車控制系統的實現原理機械運料小車控制系統的實現原理根據設計的總體電路圖和機械運料小車的控制要求可知，控制運料小車的電動機有正轉和反轉兩種工作方式，需要兩個線圈KM1和KM2，通過改變相序來改變電動機的工作方式，接觸器KM1和KM2

49、的主觸點對應主電路圖中的KM1和KM2。機械運料小車的實現原理如下:首先合上空氣開關 QS,接通三相電源。（1）按下電動機正轉啟動按鈕 SB1，接觸器線圈 KM1 通電，與 SB1并聯的 KM1 的輔助常開觸點閉合，形成自鎖，以保證 KM1 線圈持續通電，同時串聯在電機主回路中的 KM1 的主觸點閉合，接通電動機 M，電動機正轉，機械運料小車前進；（2）當行駛至限位開關 ST1 處，ST1 的常開觸點閉合，常閉觸點斷開，使 KM1 線圈失電，電機停轉，機械運料小車停止，同時通電延時繼電器 KT1 的線圈接通，其輔助常開觸點閉合，裝料指示燈 L1 變亮；（3）延時 10S 后,時間繼電器的延時閉

50、合常開觸點 KT1 閉合，接觸器KM2 線圈通電并自鎖，兩個常閉觸點 KM2 斷開，指示燈 L1 熄滅，同時使 KM1 線圈失電，然后電機反轉運行，機械運料小車后退；（4）當行駛至 ST2 處，其常開觸點閉合，時間繼電器 KT2 線圈帶電，KT2 常開觸點閉合，卸料指示燈 L2 變亮；（5）延時 8S 后，線圈 KT2 的常開觸點閉合，回到電動機的正轉運行狀態。電機反轉啟動原理同正轉啟動，若按下停止按鈕 SB3，機械小車停 . . . 22 / 40止工作。4.24.2 PLCPLC的外部接線圖的外部接線圖根據機械運料小車的工作原理和I/O地址分配表畫出PLC的外部接線圖，如下:圖4-2 PL

51、C的外部接線圖圖中，正反轉啟動按鈕 SB1、SB2，分配輸入信號地址I0.0、I0.1，停止按鈕 SB3:I0.2，,兩個限位開關 ST1、ST2 的輸入信號地址為 I0.3、I0.4。線圈 KM1 和 KM2，指示燈 L1、L2，輸出信號地 . . . 23 / 40址依次為：Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3。繼電器電路中的時間繼電器的功能用 PLC 部的定時器來完成，它們與 PLC 的輸入位、輸出位無關，KTI 和 KT2 分別用 T37 和 T38 來完成相應的延時功能，FR 熱繼電器的動斷觸點具有鎖存功能，在繼電器電路中只出現一次，并且與 PLC 的負載串聯，不必將其作為 PLC

52、 的輸入信號，將它放在 PLC 的輸出回路中，與相應的外部負載串聯。為了防止正反轉的兩個接觸器同時動作造成三相電源的短路，在可編程成外部設置硬件連鎖電路，如圖所示，KM1 和 KM2 不可以同時通電，在梯形圖中也要設置與 KM1 和 KM2 對應的輸出位線圈串聯動斷觸點組成的互鎖電路。 . . . 24 / 405 5 PLCPLC控制系統的軟件設計控制系統的軟件設計5.15.1 S7S7程序設計的基本步驟程序設計的基本步驟首先根據控制對象與選擇的S7-200PLC的型號CPU224，選擇PLC程序的框架進行程序設計，程序設計與控制系統硬件設計、調試密切相關；而程序的輸入與編輯、程序檢查，程序

53、的調試等工作都在此階段完成。機械運料小車的控制系統的程序設計在STEP7-Micro/WIN32的編程軟件上完成。 。STEP7-Micro/WIN32編程軟件主要以S7-200 PLC的用戶程序編輯功能為主（包括符號表編輯） ，可以用于PLC用戶程序開發、 編輯、監控，其使用與操作相對較簡單，功能也較單一。（1）選擇程序結構由于控制系統選用的是S7-200系列的PLC,接運料小車的控制要求較簡單，所以程序用線性化結構進行編寫，可以省略程序塊、數據塊的編寫。（2）建立程序文件 通過編程軟件的“符號編輯器”對“符號地址表”進行編寫定義的符號地址如圖5-1，5.15.1 控制系統的順序功能圖控制系

54、統的順序功能圖 . . . 25 / 40圖6-1 順序功能圖由于初始步狀態實在 PLC 從 STOP 向 RUN 切換瞬間由特殊繼電器SM0.0 產生初始脈沖啟動的，因此在編程時首先應加入由 SM0.0 對初始步 S0.0 置位的程序。當系統處于初始步時，S0.0 為“1” ，步 S0.0 到 S0.1 的轉換條件I0.0 滿足，系統由初始步到 S0.1，S0.1 成為活動步。由于 Q0.1 常閉觸點，因此繼電器 Q0.0“通電” ，運料小車前進，行駛到裝料處時，ST1 限位開關閉合，即 I0.4 為“1” ，轉換條件滿足，S0.2 成為活動步，S0.1 為系統程序復位“0” 。運料小車停止

55、，同時繼電器 T37 開始計時，裝料指示的亮，控制程序這樣一步一步工作。為避免同時接通 Q0.0 和Q0.1，除在 PLC 外部接線設置互鎖外，在相應的程序中設置互鎖。5.25.2 控制系統的梯形圖控制系統的梯形圖 . . . 26 / 40運料小車的流程圖如 5-2 所示， 開始按下電機正轉按鈕SB1行駛至ST1處，裝料指示燈L1亮，延時10S時間到電機反轉，機械運料小車后退行駛至ST2處，卸料指示燈L2亮，延時8S時間到按下停止按鈕SB3結束運料小車前進否否否是是是圖5-2 流程圖根據控制系統的順序功能圖和運料小車的流程圖編寫梯形圖 . . . 27 / 407 7 STEP7-Micro

56、/WINSTEP7-Micro/WIN編程軟件的應用編程軟件的應用7.17.1 軟件的功能簡介軟件的功能簡介 STEP7 編程軟件是用于 SIEMENS 公司 S7 系列 PLC 的工具軟件，它包括了用于 S7-200 PLC 的 STEP7-Micro/WIN 與用于 S7-300/400 PLC的 SIEP7 兩種基本工具軟件。STEP7-Micro/WIN 編程軟件主要以 S7-200 PLC 的用戶程序編輯功能為主（包括符號表編輯） ，可以用于 PLC 用戶程序開發、 編輯、監控，其使用與操作相對較簡單，功能也較單一。 STEP7-Micro/WIN 編程軟件有多種版本，目前常用的為

57、STEP7- . . . 28 / 40Micro/WIN3.2 版(STEP7-Micro/ WIN32)，可以使用中文、英文、德文等多種文字。 STEP7-Micro/WIN 軟件具有參數設置、編程、調試、運行和在線診斷等功能。編程軟件可以用于帶有集成式 S7-200 的數控系統，如SIEMENS SINUMERIK 802 等。 S7-200 的用戶程序中所包括的邏輯運算指令，計數器、定時器、數學運算、智能模塊通信等方面的指令，以與用來實現各種功能的所需的程序編輯工具，都集成在 STEP7-Micro/WIN 編程軟件中。 通過軟件可以進行程序編輯、狀態監視以與強制改變輸入、輸出狀態等操

58、作，以滿足 PLC 控制系統在編程、調試、運行和在線診斷等方面的需要。 STEP7-Micro/WIN 軟件可以使用 SIMATIC 與 IEC 61131-3 兩種指令系統。其中，SIMATIC 指令系統的功能較豐富，可以使用非 IEC 61131-3 標準指令，以實現特殊的 PLC 功能。 當采用 SIMATIC 指令系統時，STEP7-Micro/WIN 軟件可以采用梯形圖（軟件中簡稱 Ladder） 、指令表（軟件中簡稱 STL） 、邏輯功能塊圖（軟件中簡稱 FBD）三種方式進行編程與顯示，三種方式可以進行相互間的轉換。 當采用 IEC 61131-3 指令系統時，STEP7-Micr

59、o/WIN 軟件只能采用梯形圖、邏輯功能塊圖進行 編程，但無法轉換成指令表，同時，某些特殊的功能指令在采用 IEC 61131-3 指令系統時也無常使用。 即便采用 SIMATIC 指令系統，STEP7-Micro/WIN 軟件中所包括的全部指令，并非可以用于 S7-200 系列的全部 PLC，它與 PLC 的 CPU 模塊的型號選擇有關，某些功能指令只能在特定的 CPU 模塊中使用。 對于以上兩種情況，STEP7-Micro/WIN 軟件可以根據所選擇的指令 . . . 29 / 40系統與 CPU 模塊的型號進行自動識別。對于無法使用的功能與指令，將在顯示時以帶有紅色的+進行標記。 2安裝

60、與啟動 （1）軟件配置要求 STEP7-Micro/WIN 編程軟件可以在個人計算機(PC)或西門子專用編程器(PG)上使用，軟件運行的硬件要求如下： CPU: PII 處理器，運算速度在 400MHz 以上； 存要求：不低于 32MB; 硬盤空間要求：不低于 100MB； 操作系統：Windows95、Windows98、Windows ME、Windows2000、Win XP 等系統。 （2）軟件安裝步驟 將 STEP7 MICRO WIN 安裝光盤插入 CD/DVD ROM。 打開光盤，雙擊 Setup 圖標，即可進行自動安裝。 在安裝過程中，會彈出相應的安裝指示信息，可以選擇安裝目錄