工業(yè)鏟車控制系統(tǒng)plc課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　第一章 引 言</b></p><p>　　1.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　1、中央處理單元(CPU) 中央處理單元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能：a. 接收并存儲(chǔ)從用戶程序和數(shù)據(jù)；b.檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。 </p>

2、<p>　　2、存儲(chǔ)器 可編程序控制器的存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器；存放用戶程序（用戶程序存和數(shù)據(jù)）的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器，所以又分為用戶存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分。 </p><p>　　3．輸入接口電路 輸入輸出信號(hào)有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實(shí)際

3、涉及到的信號(hào)當(dāng)中，開關(guān)量最普遍。</p><p>　　4．輸出接口電路：可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(M)、晶體管輸出(T)、晶閘管輸出(SSR)三種輸出形式。</p><p><b>　　5．電源 </b></p><p>　　PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制

4、造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。如FX1S額定電壓AC100V—240V，而電壓允許范圍在AC85V—264V之間。允許瞬時(shí)停電在10ms以下，能繼續(xù)工作。</p><p>　　一般小型PLC的電源輸出分為兩部分：一部分供PLC內(nèi)部電路工作；一部分向外提供給現(xiàn)場(chǎng)傳感器等的工作電源。 </p><

5、p>　　1.2 PLC的工作原理</p><p>　　PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。一個(gè)掃描周期主要可分為3個(gè)階段。</p><p><b>　　1．輸入刷新階段</b></p><p>　　在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期

6、間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。</p><p><b>　　2．程序執(zhí)行階段</b></p><p>　　在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。&l

7、t;/p><p><b>　　3．輸出刷新階段</b></p><p>　　當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。</p><p>　　由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段構(gòu)成PLC一個(gè)工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此

8、稱為循環(huán)掃描工作方式。 </p><p>　　顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對(duì)輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是由于其對(duì)I/O的變化每個(gè)周期只輸出刷新一次，并且只對(duì)有變化的進(jìn)行刷新，這對(duì)一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會(huì)造成影響，還會(huì)提高

9、抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸与A段僅在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾常常是脈沖、短時(shí)間的，誤動(dòng)作將大大減小。但是在快速響應(yīng)系統(tǒng)中就會(huì)造成響應(yīng)滯后現(xiàn)象，這個(gè)一般PLC都會(huì)采取高速模塊。</p><p>　　總之，PLC采用掃描的工作方式，是區(qū)別于其他設(shè)備的最大特點(diǎn)之一，我們?cè)趯W(xué)習(xí)和使用PLC當(dāng)中都應(yīng)注意。</p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)任

10、務(wù)書</p><p><b>　　2.1 課題內(nèi)容</b></p><p>　　用PLC對(duì)工業(yè)鏟車（實(shí)物模型）操作進(jìn)行控制，設(shè)鏟車可將貨物鏟起或放下，并能作前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的操作，要求動(dòng)作過程如下：</p><p>　　鏟起 → 向前0.5米 → 左轉(zhuǎn)90度后向前0.5米 → 右轉(zhuǎn)90度后向前0.5米 →右轉(zhuǎn)90度后后退0.5米 → 放下

11、。</p><p><b>　　2.2 課題要求</b></p><p>　　1．根據(jù)題意，畫出實(shí)物模型與PLC的硬件連接圖，按圖接線，編制控制程序，并畫出梯形邏輯圖。</p><p>　　2．完成系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)控制要求。</p><p>　　3．完成課程設(shè)計(jì)說明書。</p><p><b&

12、gt;　　1.3 答辯問題</b></p><p>　　單片機(jī)和PLC可互相替換嗎？各自的應(yīng)用特點(diǎn)？</p><p>　　第三章 生產(chǎn)工藝及控制任務(wù)</p><p>　　3.1 工業(yè)鏟車簡(jiǎn)介</p><p>　　鏟車是用來裝零散堅(jiān)固的貨物的，一般以建筑材料為主，如碎石、砂土等，鏟車一般用在建筑工地、建筑材料集散地，用于裝車，有

13、時(shí)也用于鏟土和鏟雪及地面平整等用途；工業(yè)鏟車一般是在小四輪拖拉機(jī)上進(jìn)行改裝的小型裝載機(jī)械。 利用拖拉機(jī)自身動(dòng)力，采用液壓控制，通過多路液壓閥上的操作手柄可使鏟斗升降和翻轉(zhuǎn)，從而達(dá)到鏟車平穩(wěn)工作。在搬運(yùn)物料方面起了很大的作用，節(jié)省了大量人力和物力，它搬運(yùn)東西速度快，操作也比較簡(jiǎn)單，所需的人員少，就能完成大量的搬運(yùn)工作。</p><p>　　鏟車又叫裝載機(jī)，是在動(dòng)力機(jī)械的基礎(chǔ)上，采用液壓控制鏟斗升降和翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)

14、砂石、水泥、糧食、土、煤等散裝物料的鏟運(yùn)及裝載。</p><p>　　鏟車也可進(jìn)行輕度的鏟掘工作，通過換裝相應(yīng)的工作裝置，還可進(jìn)行推土、起重、裝卸木料及鋼管等作業(yè)。廣泛應(yīng)用于建筑工程、筑路工程、農(nóng)田水利工程、環(huán)衛(wèi)垃圾、磚窯廠、煤廠、砂石廠，用于砂石、水泥、糧食、土、煤等散裝物料的鏟運(yùn)及裝載。</p><p>　　3.2 工業(yè)鏟車控制系統(tǒng)進(jìn)行PLC改造的目的及意義</p>&l

15、t;p>　　20世紀(jì)40年代末50年代初，我國的流程工業(yè)規(guī)模很小，設(shè)備陳舊，必要的調(diào)節(jié)主要靠最簡(jiǎn)單的測(cè)量儀表由人工操作運(yùn)行。50年代末60年代初，我國研制生產(chǎn)的傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等，基本上能顯示過程狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)意圖，最終命令執(zhí)行器完成對(duì)工藝流程的調(diào)節(jié)要求。70年代初，我國自行研制的工控機(jī)開始應(yīng)用于工業(yè)過程控制，它部分地取代了原來控制室內(nèi)的儀表。但由于受當(dāng)時(shí)電子器件性能的限制，工控機(jī)本身的可靠性遠(yuǎn)不如現(xiàn)在，工控機(jī)帶來的

16、控制集中引起“危險(xiǎn)”集中。70年代末，分散型控制系統(tǒng)(dcs)進(jìn)入工控領(lǐng)域，解決了“危險(xiǎn)”集中的問題，還解決了一些復(fù)雜的控制。dcs可建立通信網(wǎng)絡(luò)，為大工廠生產(chǎn)帶來許多方便，但其價(jià)格一直居高不下。80年代初，適應(yīng)性較強(qiáng)的總線型工控機(jī)(std)應(yīng)運(yùn)而生，std總線技術(shù)的推廣和應(yīng)用，使工控機(jī)的功能更加強(qiáng)化。 </p><p>　　PLC作為工控機(jī)的一員，在主要工業(yè)國家中成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本電控裝置。它具有控制方便、可

17、靠性高、容易掌握、體積小、價(jià)格適宜等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界plc生產(chǎn)廠家約150家，生產(chǎn)300多個(gè)品種。2000年銷售額約為86億美元，占工控機(jī)市場(chǎng)份額的50%，PLC將在工控機(jī)市場(chǎng)中占有主要地位，并保持繼續(xù)上升的勢(shì)頭。 </p><p>　　PLC在60年代末引入我國時(shí)，只用作離散量的控制，其功能只是將操作接到離散量輸出的接觸器等，最早只能完成以繼電器梯形邏輯的操作。新一代的plc具有pid調(diào)節(jié)功能，它的應(yīng)用已

18、從開關(guān)量控制擴(kuò)大到模擬量控制領(lǐng)域，廣泛地應(yīng)用于航天、冶金、輕工、建材等行業(yè)。</p><p>　　在工業(yè)鏟車中運(yùn)用PLC，提高了其工作智能化，增強(qiáng)了其本身的競(jìng)爭(zhēng)能力，對(duì)我國的PLC產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)PLC的能力有一定的幫助。 </p><p>　　第四章 工業(yè)鏟車仿真模型的設(shè)計(jì)與組裝</p><p>　　4.1 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)</p><p>

19、;　　工業(yè)鏟車的主要?jiǎng)幼魇晴P起、放下，并能作前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的操作。鏟起和放下屬于縱向移動(dòng)，行走和左右轉(zhuǎn)屬于橫向移動(dòng)，所以應(yīng)使用縱向和橫向兩種電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)共需要3臺(tái)電動(dòng)機(jī)。其中貨物的鏟起或放下可由縱向電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，左輪的前進(jìn)和后退由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，右輪的前進(jìn)和后退由另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)的時(shí)候，可讓左輪的電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，右輪的電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)前進(jìn)，反之，則右轉(zhuǎn)也是同樣的原理。</p><p&

20、gt;　　4.2 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)</p><p>　　縱向傳動(dòng)是通過縱向電動(dòng)機(jī)的正向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)栓著電磁鐵的鋼絲，使得鏟頭上下移動(dòng)，便于貨物的鏟起和放下。前進(jìn)可以是左右輪的兩個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，后退則是同時(shí)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，左轉(zhuǎn)是左輪上的電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，右輪電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；右轉(zhuǎn)是右輪上的電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，左輪上的電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　4.3 組裝模型 （實(shí)物模型）</p>&l

21、t;p>　　圖4-1 工業(yè)鏟車（實(shí)物模型）</p><p>　　第五章 控制系統(tǒng)的PLC選型和I/0選擇</p><p>　　5.1 I/O分析</p><p>　　經(jīng)過對(duì)控制過程和要求的詳細(xì)分析，明確了具體的控制任務(wù)就是鏟起、放下、行走、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等主要任務(wù)。確定了鏟車這些必須完成的動(dòng)作后，再確定動(dòng)作的順序：縱向電機(jī)正轉(zhuǎn)，電磁鐵由上向下移動(dòng)，鏟爪抓物體，

22、縱向電機(jī)反轉(zhuǎn)，由下向上移動(dòng)，左右輪電機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)向前，左輪電機(jī)停止右輪電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)向左轉(zhuǎn)，左輪電機(jī)正轉(zhuǎn)右輪電機(jī)停止，實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)，左右輪電機(jī)同時(shí)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)后退。其工藝流程圖如下（圖4-1）：</p><p>　　圖5-1 工業(yè)鏟車工藝流程圖</p><p>　　5.2 I/O點(diǎn)及地址分配</p><p>　　控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)的名稱、地址分配。如表5-1

23、</p><p>　　表5-1 輸入、輸出信號(hào)的名稱、地址編號(hào)</p><p>　　5.3 PLC的選型</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用西門子公司的S7-200系列整體式PLC實(shí)現(xiàn)工業(yè)鏟車（模型）的自動(dòng)控制。由上面分析可以知道，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點(diǎn)17個(gè)、開關(guān)輸出點(diǎn)6個(gè)；故CPU模塊采用CPU226(AC/DC/繼電器）模塊，該模塊采用交流220V供電。<

24、/p><p><b>　　CPU226簡(jiǎn)介：</b></p><p>　　集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊

25、協(xié)議和自由方式通訊能力。</p><p>　　第六章 程序設(shè)計(jì)</p><p>　　6.1 控制程序的梯形圖</p><p>　　第七章 電氣控制系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　7.1 主電路圖</b></p><p>　　如圖7-1所示為電控系統(tǒng)主電路。三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2

26、、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的正轉(zhuǎn)運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)行。FR1 、FR2、FR3分別為三臺(tái)電機(jī)的熱繼電器；FU為主電路的熔斷器，QS為電路主開關(guān)。</p><p>　　圖7-1 電控系統(tǒng)主電路圖</p><p>　　7.2 電控系統(tǒng)控制電路</p><p>　　如圖7-2所示為電控系

27、統(tǒng)控制電路圖。圖中SB1、SB2、SB3分別控制三臺(tái)電機(jī)正轉(zhuǎn)的啟/停；SB1'、SB2'、SB3'分別控制三臺(tái)電機(jī)反轉(zhuǎn)的啟/停。</p><p>　　圖 7-2 電控系統(tǒng)控制電路</p><p>　　7.3 PLC接線</p><p>　　圖7-3 PLC外圍接線圖</p><p><b>　　第八章 設(shè)

28、計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　我通過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)PLC有了更深入的了解，初步掌握了PLC的簡(jiǎn)單功能。在這次課程設(shè)計(jì)過程中，遇到不懂的問題，老師們耐心地給我們指導(dǎo)講解，使我們將所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際聯(lián)系起來，提高了我們實(shí)際操作能力和加深理論知識(shí)。為期二周的這次PLC課程設(shè)計(jì)使我進(jìn)一步鞏固所學(xué)的專業(yè)理論，掌握PLC設(shè)計(jì)的基本技能和方法，真正做到了學(xué)有所獲。對(duì)此特別感謝老師們這么多天來對(duì)我們的指導(dǎo)和

29、幫助，還有同學(xué)們的團(tuán)結(jié)互助！</p><p>　　這是我第三次做課程設(shè)計(jì)，所以做起來不會(huì)像前幾次那么生疏，不會(huì)覺得不知所措。我們依然堅(jiān)持來實(shí)驗(yàn)樓做課程設(shè)計(jì)。十多天的PLC課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到很多，讓我對(duì)PLC又有新的理解。其實(shí)自己動(dòng)手真的很有用，親自接觸了掌握的更深刻。在做課程設(shè)計(jì)期間老師們都非常熱心的幫助我們解決所遇到的問題，他們天天都來指導(dǎo)我們，對(duì)此特別感謝老師們這么多天來對(duì)我們的指導(dǎo)和幫助，還有同學(xué)們的團(tuán)結(jié)互助

30、！</p><p>　　二周的時(shí)間說長不長，說短也不短，在這二周里讓我學(xué)會(huì)了PLC在實(shí)際生活中的用途，學(xué)會(huì)了小組之間的互助，學(xué)會(huì)了小組成員之間的團(tuán)結(jié)，學(xué)會(huì)了怎樣克服困難。</p><p>　　在此 再次感謝 我們組的指導(dǎo)老師 。</p><p>　　感謝每個(gè)老師細(xì)心耐心的指導(dǎo)，謝謝你們，沒有你們的幫助我可能完成不了這是課程設(shè)計(jì)。</p><p&

31、gt;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】賀哲榮，石帥軍.流行PLC實(shí)用程序及設(shè)計(jì).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.3</p><p>　　【2】張萬忠，劉明芊.電器與PLC控制技.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.9</p><p>　　【3】肖清，王忠鋒.西門子PLC課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，200

32、8.12</p><p>　　【4】張揚(yáng)，蔡春偉，孫明健.SP-200 PLC原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.10</p><p>　　【5】林小峰，可編程控制器原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，1994</p><p>　　【6】田瑞庭，可編程控制器應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994</p><p>　　【7】張萬