PLC控制皮带运输机的设计要点.pdf
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1、南京化工职业技术学院毕业设计(论文) 南京化工职业技术学院 毕业论文设计 题目: PLC 控制皮带运输机的设计 姓名: 所在系部: 班级名称: 学号: 指导老师: 2013年 2 月 25 日 南京化工职业技术学院毕业设计(论文) I 目录 摘要 . III 第 1 章 PLC 概述 . 1 1.1 PLC 的发展 1 1.2 PLC 的定义 1 1.3 PLC 的特点 1 1.3.1 高可靠性 . 2 1.3.2 应用灵活、使用方便. 2 1.3.3 控制过程的编程语言简单. 2 1.4 PLC 组成 3 1.5 PLC 的工作原理 4 1.6 PLC 的分类 5 1.6.1 小型 PLC
2、. 5 1.6.2 中型 PLC . 5 1.6.3 大型 PLC . 5 1.7 PLC 的主要技术指标 5 1.8 PLC 控制系统设计的基本内容及原则 6 1.8.1 PLC 控制系统设计的基本内容. 6 1.8.2 在设计 PLC控制系统时应遵循以下基本原则. 7 第 2 章 皮带传输机集中控制系统的结构及工作过程 8 1.1 皮带传输机的结构 8 1.2 皮带运输机的电气控制要求 9 1.3 皮带运输机的总体方案确定 9 第 3 章 控制系统的硬件电路设计 . 11 3.1 PLC 选型 . 11 3.1.1 信号的确定 11 3.1.2 PLC 型号确定 11 3.2 I/O点分配
3、 . 13 3.3 PLC 外围硬件电路的设计与硬件电路图 . 13 南京化工职业技术学院毕业设计(论文) II 3.3.1 PLC 外围硬件电路图 13 3.3.2 硬件电路主电路图及说明 14 3.4 硬件电路的接线要求 . 15 第 4 章 控制系统的软件设计 . 16 3.1 软件设计思路 . 16 3.2 程序流程图与梯形图及说明 . 16 第 5 章 抗干扰的设计 . 19 4.1 设备选型 . 19 4.2 综合抗干扰设计 . 19 第 5 章 系统调试 . 20 总结 21 致谢 22 参考文献 23 南京化工职业技术学院毕业设计(论文) III 摘要 随着新技术的不断发展与应
4、用,近年来单片机发展十分迅速,一个以微机应用为主 的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起。传统的温度采集方法不仅费时费力,而且精度差,单 片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的 一个重要的被控制参数。传统的控制方式以不能满足高精度、高速度的控制要求,而使 用以单片机为核心的数字式温度测试仪表,因其性能好、体积小、耗能低、抗干扰能力 强和使用方便等优点,正得到越来越广的应用。 针对中小型皮带运输机的控制系统采用继电器控制,存在可靠性差、劳动强度大、 生产效率低的问题,开发一种基于PLC的皮带运输机控制装置。本控制系统选用CPM2A 系列 PLC作为控制器。在硬件电路设
5、计中,完成PLC选型及外部低压电器的选用,设计 了硬件接线图,提出了接线要求,使之具有控制和保护作用。在软件设计中,给出了程 序流程图,并设计出梯形图程序。将硬件和软件有机结合,使控制系统运行可靠,达到 了预期的设计目的。 关键词 : 皮带运输机; PLC ;集中控制 南京化工职业技术学院毕业设计(论文) 1 第 1 章 PLC概述 1.1 PLC 的发展 1969 年美国数字设备公司(DEC ) , 研制出了世界上第一台可编程控制 (Programmable Logic Controller, 简称 PLC ) ,在美国通用汽车公司的生产线上试用成功,并取得了满 意效果,可编程控制器由此诞生
6、。 早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成,只具有逻辑运算功 能。20 世纪 70 年代中期,微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件,是其 具有自我诊断功能,可靠性、性价比有很大突破。到20 世纪 80 年代,可编程控制器采 用微处理器( CPU ) 、只读存储器、随机存储器或是单片机作为其核心,处理速度大大提 高,功能更强体积又小。 90 年代末, PLC几乎完全计算机化,各种智能模块不断开发出 来,使其不断扩展着它在各类工业控制过程中的作用。 1.2 PLC 的定义 PLC自问世以来,尽管时间不长,但发展迅速。为了使其生产和发展标准化,国际 电工委员会( IEC)先
7、后颁布了 PLC标准的草案第一、二、三稿,并在1987 年作了如下 的定义: “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计 的。它采用一类可编程控制器, 用于其内部存储程序、 执行逻辑运算、 顺序控制、 定时、 计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/ 输出控制各种类型的机 械或生产过程。可编程控制器及基有关外部设备,都应按易于与工业控制系统联成一个 整体,易于扩充基其功能的原则设计的。”总之,可编程控制器是一台专为工业环境而 设计的计算机,它是将传统的计算机技术、继电器技术和通信技术相融合而发展起来的 一种新型的控制装置。 在具体的国内工业应用中, 由
8、于它不是针对某一具体的工业应用, 因此它的硬件应根据实际需要来进行配置,其软件则根据控制要求进行编写。 1.3 PLC 的特点 PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物,所以要工业控制方面,它具 南京化工职业技术学院毕业设计(论文) 2 有继电器或通用计算机所无法比拟的特点。 1.3.1 高可靠性 PLC的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面: (1)在硬件方面 由于采用性能优良的开关电源,并且对选用的器件进行严格的筛选,加上合理的系 统结构,最后加固、简化安装,因此PLC具有很强硬的抗振动冲击性能;无触点的半导 体电路来完成大量的开关动作,就不会出现继电器系统中的器件老化、脱焊、触点
9、电弧 等问题;所有的输入 / 输出接口都采用光电隔离措施,使外部电路和PLC内部电路能有 效的进行隔离; PLC模块式的结构,可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障 的模块并进行更换,这样就能尽量的缩短系统的维修时间。 (2)在软件方面 PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运行处理器的延迟,保证在程序 出现错误和程序调试时,避免因程序错误而出现死循环;当CPU 、电池、 I/O 口、通信 等出现异常时, PLC的自诊断功能可以检测到这些错误,并采取相应的措施,以防止故 障扩大;停电时,后电池和正常工作时一样,进行对用户程序及动态数据的保护,确保 信息不丢失。 1.3.2 应用灵
10、活、使用方便 模块化的 PLC设计,使用户能根据自己系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择 自己所需要的 PLC模块并进行资源配置和PLC编程。这样,控制系统就不需要大量的硬 件装置,用户只需根据控制需要设计PLC的硬件配置和 I/O 的外部接线即可。 1.3.3 控制过程的编程语言简单 PLC 的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言,清晰直观。虽然PLC 是以 微处理器为核心的控制装置,但是它不需要用户有很强的程序设计能力,只在用户具备 一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。 南京化工职业技术学院毕业设计(论文) 3 1.4 PLC 组成 (1)中央处理器 PLC 的 CPU
11、与通用微机的 CPU 一样 ,它是 PLC的核心部分,相当于PLC的“大 脑” 。它通过系统总线与用户存储器、输入/ 输出(I/O ) 、通信端口等单元相连。通过制 造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。其主要功能是由编程器写入控 制程序和数据到存储器、检验用户程序、从存储器上读取和执行程序,还可以进行PLC 内部故障的诊断等。 (2)存储器 根据存储器存储内容的不同,我们把存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器 和数据存储器。 系统程序存储器: 用来存入软件的存储器。 系统程序相当于计算机操作系统, 是 PLC 厂家根据选用的 CPU 的指令系统编写的,并固化到ROM 里,用户
12、不能修改其内容。 用户程序存储器:用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的PLC ,其存 储容量也不一样。 数据存储器:用以存放 PLC运行中的各种数据的存储器。 因为运行中数据不断变化, 所以这种存储器必须可读写。 (3)输入 / 输出单元 输入/ 输出单元是 PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向PLC提供 的开关量信号,经过处理后,变成CPU 能够识别的信号。输出单元将CPU 的信号经处理 后来控制外部设备的。 (4)电源部分 不同型号的 PLC有不同的供电方式,所以 PLC电源的输入电压既有12V和 24V直流, 又有 110V和 220V交流。 (5)编程器 几乎每
13、个 PLC厂家都有自己的编程器,用户通过编程器来编写控制程序,并通过编 程器接口将自己的控制程序输入到PLC 。它还可以在线检测程序的运行情况。在出现故 障时,通过编程器可能很方便的找出错误。 (6)特殊功能单元 主要包括模拟量输入 / 输出单元、远程I/O 模块、通信模块、高速计数模块、中断 输入模块和 PID调解模块等。随着 PLC的进一步发展,特殊功能单元的应用也越来越多。 南京化工职业技术学院毕业设计(论文) 4 1.5 PLC 的工作原理 当 PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和 输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间
14、, PLC的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (1)输入采样阶段 在输入采样阶段, PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O 映象区中的相应单元的状态和数 据也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号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)用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段, PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。 在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由
15、各触点构成的控制线路,并按先 左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的 结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O 映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化, 而其他输出点和软设备在I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变 化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据 的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到 下一个扫描周期
16、才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O 指令则可以直接存取I/O 点。即使用 I/O 指 令的话,输入过程影像寄存器的值不会被更新,程序直接从I/O 模块取值,输出过程影 像寄存器会被立即更新,这跟立即输入有些区别。 (3)输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。在此期间,CPU按照 I/O 映象 区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。 这时, 才是 PLC的真正输出。 南京化工职业技术学院毕业设计(论文) 5 1.6 PLC 的分类 1.6.1 小型 PLC 连接开关量 I/O 模块、模拟量 I/O 模块以
17、及其它各种特殊功能模块,能执行包括逻 辑运算、计时、 计数、算术运算、数输入/ 输出点数在 128点以下的 PLC称为小型 PLC 。 其特点是体积小、结构紧凑,它可以据处理和传送、通信联网以及各种应用指令。 1.6.2 中型 PLC 输入/ 输出点数在 128-512 点之间的PLC称为中型 PLC 。它除了具有小型机所能 实现在功能外,还具有强在的网络通信功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更 快的扫描速度。 1.6.3 大型 PLC 输入/ 输出点数大于 512的 PLC称为大型 PLC 。它具有强大的软件硬件功能、 自诊断 功能、通信联网功能, 它可以构成三级通信网, 实现工厂生产
18、管理自动化。 另外大型 PLC 还可以采用三 CPU 构成表决式系统,使机器具有更高的可靠性。 1.7 PLC 的主要技术指标 (1)存储器容量 存储器用来存储程序和系统参数等,其容量是由用户程序存储器和数据存储器组成 的。程序存储器容量大小决定了用户所能编写程序的长度。一般中小型PLC的存储器容 量在 16KB以下,大型的 PLC可达到 2MB左右。 (2)输入 / 输出点数 输入/ 输出点数是指根据工业系统控制要求所得到的对应于PLC的输入 / 输出端的个 数。I/O 点数越多,说明需要控制的器件和设备就越多。 (3)扫描时间 南京化工职业技术学院毕业设计(论文) 6 扫描时间是指 CPU
19、 内部根据用户程序,按逻辑顺序,从开始到结束扫描一次所需的 时间。 PLC用户手册一般给出执行指令所用的时间。 (4)指令种类和数量 指令的种类和数量决定了用户编制程序的方式和PLC的处理能力和控制能力。 (5)内部寄存的种类和数量 内部寄存器主要包括定时器、计数器、中间继电器、数据寄存器和特殊寄存器等。 它们主要用来完成计时、技术、中间数据存储、数据存储还有其他一些功能。种类和数 量越多, PLC的功能就越强大。 (6)扩展能力 PLC扩展能力是指 PLC是否能具有 I/O 点数扩展、功能扩展、联网等一些功能。 (7)智能模块的种类和数量 智能模块是指能完成模拟量控制、远程控制以及通信等功能
20、模块。智能模块种类和 数量越多,说明 PLC功能越强大。 1.8 PLC 控制系统设计的基本内容及原则 1.8.1 PLC 控制系统设计的基本内容 (1)选择用户输入设备 (按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备 (继电 器、接触器、信号灯等执行元件)以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等 )。 这些设备属于一般的电器元件,其选择的方法在其他有关书籍中已有介绍。 (2)PLC 的选择。 PLC 是 PLC 控制系统的核心部件,正确选择PLC 对于保证整 个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择PLC,应包括机型的选择、容量 的选择、 I/O 模块的选择、电源模块的选择等
21、。 (3)分配 I/O 点,绘制 I/O 连接图。 (4)设计控制程序。包括设计梯形图、语句表(即程序清单 )或控制系统流程图。 控制程序是控制整个系统工作的条件,是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。控制 系统的设计必须经过反复调试、修改,直到满足要求为止。 (5)必要时还需设计控制台 (柜)。 (6)编制控制系统的技术文件。包括说明书、电器固件及电器元件明细表等。 南京化工职业技术学院毕业设计(论文) 7 1.8.2 在设计 PLC控制系统时应遵循以下基本原则 (1)最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前,应深入现场进行调查研究, 搜集资料,并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合,
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