基于plc的机械小车运料自动控制系统设计.doc

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1、 摘要 早期的机械运料小车电气控制系统大多为继电器-接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺点，几乎无数据处理和通信功能，还必须有专人负责操作。将PLC应用到机械运料小车电气控制系统，可实现机械运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用，节省劳力。PLC机械运料小车电气控制系统具有连线简单、控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。 本设计以PLC控制技术为核心，采用德国西门子S7-200的PLC,论述了机械运料小车控制系统的软硬件设计方案及其控制原理，实现了机械运料小车的自动控制。通过实际应用，说明所设计的控制系统运行可靠，满足了实际需要。关键

2、词：PLC 机械运料小车 自动化控制 AbstractMost of the early mechanical the car transporter electrical control system relay - contactor 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

3、 for the operation. PLC application to mechanical car transporter electrical control system can achieve the mechanical car transporter automation control, reduce system operating costs, labor-saving. PLC mechanical car transporter electrical control system has a simple connection, control speed, hig

4、h precision, reliability and maintainability, easy installation, maintenance and renovation.The design of PLC control 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

5、 mechanical automatic control of the car transporter. Through the practical application of the design of the control system is reliable, meet the actual needs.Key words: PLC mechanical car transporter automation controlII目 录前 言11.1 设计背景及意义11.2 设计取得的成果32 PLC概述42.1 PLC的产生与定义42.1.1 PLC的产生42.1.2 PLC的定义4

6、2.2 PLC的发展及趋势52.3 PLC的特点及其功能72.3.1 PLC的基本特点72.3.2 PLC的功能82.3.3 PLC与DCS、工业PC82.4 PLC的基本组成及其各部分作用92.5 PLC的工作原理112.6 PLC的工作过程123 方案设计133.1 方案的比较133.2 系统描述143.3 控制要求143.4 主要电气元件的配置153.5 PLC机型的选择174 PLC控制系统硬件设计1941 系统主回路与控制回路的设计194.1.1硬件设计概述194.1.2 系统主回路设计19总体电路图见附录1204.2 机械运料小车控制系统的实现原理204.2 PLC的外部接线图22

7、根据机械运料小车的工作原理和I/O地址分配表画出PLC的外部接线图，如下:225 PLC控制系统的软件设计245.1 S7程序设计的基本步骤245.1 控制系统的顺序功能图245.2 控制系统的梯形图257 STEP7-MICRO/WIN编程软件的应用27结束语30致 谢32参考文献34附录：35外文资料与中文翻译35iii前 言1.1 设计背景及意义PLC控制系统的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域。在各种应用领域中， 尤其在生产过程和科学研究产业领域中，电气控制技术应用更为广泛。在机械设备的控制中，电气控制也比其他的控制方法使用的更为普遍。 长期以来，PLC始终处于工业自动化控制

8、领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化设备的要求。由于计算机技术和微电子技术的迅速发展，极大的推动了PLC的发展，使得PLC的功能日益增强。如 PLC可进行模拟量控制、位置控制和PID控制等，易于实现化的需要。柔性制造系统。远程通信功能的实现更使PLC 如虎添翼。目前， PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业。PLC是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。PLC 通过输入/输出（I/O）装置发出控制信号和接受输入信号。由于PLC综合了计

9、算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。进入21世纪，中国是一个发展中大国，要加快科学技术发展、缩小与发达国家的差距，仍需要较长时期的艰苦努力，同时也有着诸多有利条件。我国企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得生产物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

10、是用来实现输送生产物的控制系统，随着PLC的发展，国外生产线上的运输控制系统非常广泛的采用该控制系统，而且有些制造厂还开发研制出了专用的逻辑处理控制芯片，我国的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流通的需要，让PLC技术与自动化技术相结合，充分的利用到我国的工控企业生产线上，让该系统能够在各种环境下工作，可以达到成本低、维护方便、易控制，安全可靠，效率高等目的。传统的运料小车大都是继电器控制，而继电器控制有着接线繁多、故障率高且维修不易等缺点。例如：整个运行过程中，运料小车的速度很难设定，如果太快，启动和制动时由于存在运料小车惯性难以控制的缺陷易造成

11、物料的掉落、抛洒，这样就不能实现安全的启动停止。PLC作为目前国内市场的主流控制器，在技术、行业影响等方面有重要作用。利用PLC控制代替继电器控制已经是大势所趋。 随着PLC的不断发展和革新，生产线的运输控制也得到了不断的改善和生产率的不断提高，运料小车自动控制系统经历了以下几个阶段 ： （1）手动控制：但是由于当时的技术还不够成熟，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。（2）自动控制：通过机器人技术，自动化设备终于实现了PLC在小车自动控制系统在自动方面的应用。（3）全自动控制：PLC大多采用CPU结构，不断向高性能、高速度和大容量方向发

12、展。 现代企业为提高生产车间物流自动化水平,实现生产环节间的运输自动化,使厂房内的物料搬运全自动化,许多企业在生产车间广泛使用无人小车,运料小车在车间工作台或生产线之间自动往返装料卸料。由于运料小车自动往返的实际意义, 可实现运料小车的全自动控制，降低系统的运行费用。1.2 设计取得的成果本文介绍了一种基于西门子S7-200 PLC控制的自动控制运料小车系统设计方案。将PLC运用到运料小车自动控制系统，可实现小车的全自动控制，降低系统的运行费用。PLC运料小车自动控制系统具有连线简单控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，维修和改造方便等优点。利用PLC 控制技术，可实现运料小车的相关运动，运

13、料小车在一个周期内的运动由4段组成。设小车最初在左端，当按下启动按钮，则小车自动循环地工作，若按下停止按钮，则小车完成本次循环工作后，停止在最初位置。本设计的控制系统是采用PLC的编程语言梯形图，梯形图是在可编程控制器中的应用最广的语言，因为它在继电器的基础上加进了许多功能、使用灵活的指令，使得逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，它是专为在恶劣工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制，定时、计数和算术等操作的指令，并采用模拟式的输入和输出，控制各种的机械或生产过程。

14、 2 PLC概述2.1 PLC的产生与定义2.1.1 PLC的产生最初的电气自动控制装置是继电-接触器控制系统，它是一种以继电器、接触器、按钮、开关等为主要器件组成的逻辑控制系统，它具有结构简单、生产成本低、抗干扰能力强、故障检修直观方便、适用范围广的特点。它不仅可以实现生产设备、生产过程的自动控制，而且还可以满足大容量、远距离、集中控制的要求。因此，直至今日“继电-接触器控制系统”仍是工业自动控制领域最基本的控制系统之一。但是，由于“继电-接触器控制系统”的控制元件均为独立元件，它决定了系统的“逻辑控制”与“顺序控制”功能只能通过控制元件间的不同连接实现，因此，不可避免地存在以下不足：通用性

15、、灵活性差；运行费用高、噪声大；体积大，材料消耗多；功能局限性大；可靠性低，使用寿命短；不具备现代工业控制所需要的数据通信、网络控制功能。为了解决“继电-接触器控制系统”存在的通用性、灵活性差、功能局限性大与通信、网络方面欠缺的问题。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司）提出了一种新颖控制器的十大技术要求，并面向社会进行招标。由此，PLC应运而生。2.1.2 PLC的定义1969年美国GOULD公司首先将PLC技术进行商品化并推向市场；1971年，在引进美国技术后，日本研制出了自己的第一台PLC；1973年德国SIEMENS公司研制出欧洲第一台PLC；1974年，法国随之研制

16、出了PLC。到了20世纪70年代中期，PLC开始采用微处理器。1980年，美国电气制造商协会（National Electronic Manufacture Assciation,简称NEMA）将其可编程控制器进行如下定义：可编程控制器（Progranmmable Logic Controller,简称PLC）是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口；以位运算为主；能完成逻辑、顺序、定时、计时和算术运算功能；面向机器或生产过程的自动控制装置。2.2 PLC的发展及趋势PLC自从产生至今，虽然不到40年，但它具有使用灵活、编程方便、可靠性高、体积小、性能价格比高等优点，使其在机械、冶金、化

17、工、轻工、纺织等部门得到广泛的应用。同时，微电子技术、信息技术的高速发展，为PLC的发展提供了技术保证，从而使得PLC的结构、性能等都与传统意义上的PLC具有较大的区别。PLC的发展过程可分为四个阶段。（1）1970-1980年：PLC的结构定型阶段。 在这一阶段，由于PLC诞生，各种类型的顺序控制器不断产生，但被迅速淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形式取得市场的认可，并迅速得到发展和推广。本阶段为PLC原理、结构、软件、硬件趋向成熟的阶段，PLC的应用领域也开始向机床、生产线领域拓展。（2）1980-1990年：PLC普及及系列化阶段。在这一阶段，PLC生产规模日益扩大、价格不断下

18、降，PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的规格，并且形成了固定I/O点型、基本单元加扩展模块型、模块化结构型的基本结构模式。本阶段，SIEMENS公司以最早的S3系列PLC产品为主；1978年后逐步被S5系列替代。（3）1990-2000年：PLC高性能及小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的发展，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度上升、位数不断增加，使得使用各种特殊控制的功能的模块不断开发，PLC由单一的顺序控制向现场控制发展。本阶段，性能被提高的同时，PLC的体积被大幅度缩小，出现各种小型化、微型化PLC。SIEMENS公司的PLC产品开始从S5系列向S7系列过渡，1995年

19、后推出S7-200/300/400等小、中、大型PLC系列产品。（4）2000年至今：PLC功能开发与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工业自动化的需要，PLC的各种功能不断开发和完善。一方面，PLC在不断提高速度、位数的同时，开发了适用于过程控制、运动控制的特殊功能与模块，使得PLC的应用范围涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通用输入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络系统，为工厂自动化奠定了基础。本阶段，SIEMENS公司的PLC产品仍然以S7-200、S7-300、S7-400为主要产品，只是性能不断完善和

20、提高，也陆续有新的CPU模块型号推出。作为PLC发展趋势，仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两个方面。（1）体积的小型化电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果。与早期的PLC相比，现代的PLC的内部组成元件有很大的不同，PLC的体积被大幅度缩小。例如，SIEMENS公司的S5-115与S7-300PLC在宽度、高度、厚度都有缩小。（2）性能的提高PLC的性能主要包括CPU性能和I/O性能。随着微处理器性能的日益提高，PLC的CPU的基本性能得到同步发展，具体体现在运算速度、数据处理能力、存储容量等方面。与S5系列相比，S7-300的运算速度提高16倍，基本存储容量提高12倍，最大存储

21、容量更是提高近200倍，并且可以使用多种编程方式。在I/O性能方面，最主要是体现在可通过PLC控制与连接特殊PLC模块与系统通信口上，反映了PLC的集中控制与网络连接能力。网络连接能力是当代PLC的发展趋势，它是信息技术发展对自动化设备提出的新要求，是实现工厂自动化与进行现代化管理的需要，是计算机集成化制造的基础。而被通过现场总线等形式可以进行现场间的通信与连接，以实现集中、统一控制与管理；通过网络连接，可以工厂自动化与现代化管理奠定基础。除此之外，可靠性的提高，价格的不断下降，使得PLC的性能价格比得到提高。2.3 PLC的特点及其功能 2.3.1 PLC的基本特点（1）可靠性高PLC作为一

22、种通用的工业控制器，它必须在各种不同的工业环境中正常工作。对工作环境的要求较低，抗干扰能力强，平均无故障工作时间长，是PLC在各工业得到广泛应用的重要原因之一。PLC的可靠性与硬件的设计制造以及软件设计密切相关。硬件设计PLC在硬件设计上采用了光电隔离、使用开关电源、选用高可靠性器件、有效的抗干扰与电磁屏蔽等措施来提高PLC的可靠性。软件设计在软件设计上采用了特殊的“循环扫描”方式与专用的编程语言，并采用了系统程序与用户程序相对独立的软件结构。（2）使用方便由于大多数PLC都采用了基本单元加扩展或模块化结构形式，因此，输入/输出信号的数量、形式、驱动能力等可以根据实际控制需要进行选择与确定且需

23、要，时还可以随时更换或增减I/O模块；PLC具有可以满足不同控制要求的特殊功能模块，使得使用灵活与多变；可以通过个人计算机在现场随时对PLC程序进行调整与修改，还可以对系统的信号与工作状态进行动态监控，调整、维修方面等。（3） 功能完善，应用灵活。（4） 环境要求低，适应性强。（5） 体积小，重量轻，能耗低。（6） 维修工作量小，维修方便。（7）系统的设计，安装，调试工作量少。2.3.2 PLC的功能（1）基本控制功能。它可以对开关量进行逻辑运算与处理，并实现定时、计数、代码转换、数据化比较等功能；（2）特殊控制功能。通过PLC的特殊功能模块，PLC可以用于温度、电压、速度、位置等控制的场合，

24、对模拟量与数字量进行处理与控制。（3）通信与网络功能，PLC可以与外围设备进行数据通信，并组成PLC网络系统与工厂自动化系统。2.3.3 PLC与DCS、工业PC自从微型计算机问世以来，工业控制一直是其重要的应用领域。在工业控制上，除PLC之外，工业控制计算机（简称PC）与集散控制系统（简称DCS）也是其中代表性产品。PLC与工业PC、DCS的主要区别为：在硬件上，工业PC机采用了通用计算机的结构形式，具有兼容性强、通信方便的特点；DCS注重于对模拟量的输入/输出的控制与回路调节功能的设计；而PLC侧重于对开关量的逻辑控制。在软件上，工业PC机可以使用多种应用程序，适应算法复杂，实时性强的控制

25、要求；DCS在模拟量处理与PID调节运算方面有其优势；PLC采用面向基层应用人员的简单编程语言与特殊的程序执行方式（循环扫描），工业PC与DCS在编程方便、直观以及运行可靠性方面不及PLC。2.4 PLC的基本组成及其各部分作用PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入接口电路、输出接口电路、通信接口、内部电源等部分组成。PLC的软件主要是系统程序和应用程序。PLC的系统程序一般由管理程序、指令译码程序、标准程序块三部分组成；PLC的用户程序是指PLC的使用者根据各种控制要求与控制条件编制的PLC用户程序，常称为“用户程序”。（1）中央处理器（CPU）PLC的CPU在系统程序的控制下

26、工作，主要功能进行PLC的循环扫描处理，内容包括执行输入采样、执行PLC用户程序、内部诊断、通信处理和输出刷新五个方面。（2）存储器PLC内部所使用的存储器，按用途分为：系统程序存储器、用户程序存储器、内部数据存储器。在S7-200中，系统存储器采用ROM单独存储。用户存储器采用EEPROM，内部划分为“用户程序存储区域”、“参数存储区域”、“保持数据存储区域”三个区域。“用户程序存储区”用于PLC用户程序；“参数存储区”用于存储PLC硬件、软件配置参数；“保持数据存储区”用于存储需要断电保持的部分数据存储器内容。数据存储器在S7-200中称“数据存储区域”，采用动态RAM进行存储。（3）输入

27、接口电路输入接口的作用是完成外部信号到PLC内部信号的转换。通常情况下，来自生产设备或控制现场的各种输入信号，通过输入接口电路可以讲开关量信号转换成PLC内控制所需要的、CPU能够直接处理的TTL电平，将模拟量信号转换成PLC内部所需要的数字量等。输入接口电路一般由信号连接器件（如接线端子、插头等）、输入电路（RC滤波器、限流电路、整流电路、稳压电路等）、信号隔离/电平转换电路（如光电耦合器件、模拟开关等）、输入信号寄存电路等环节组成。（4）输出接口电路输出接口的主要作用是完成PLC内部信号到外部信号的转换。通过输出接口电路，可以将CPU处理完成的逻辑运算结果转换到外部执行元件所需要的控制信号

28、，将处理完成的数字量信号转换成外部控制、显示所需要的模拟量等。输出接口电路一般由信号连接器件（如接线端子、插头等）、输出驱动电路（如中间继电器、大功率晶体管、双向晶体管等）、信号隔离/电平转换电路（如光电耦合器件、模拟开关等）、输出信号寄存电路等环节组成。（5）通信接口通信接口的主要作用是实现PLC与外部设备之间的数据交换。最基本的通信接口有RS-232、RS-422、RS-485等标准的串行接口。（6）内部电源PLC的外部输入电源有交流输入和直流输入两种。由于PLC内部一般采用开关电源，因此大部分PLC对输入电压的要求不高，交流输入时，一般为单相AC85-260V,50/60HZ；直流输入时

29、要求DC15.6-31.3V,但部分PLC对“纹波”有一定的要求。PLC内部电源的作用主要是提供PLC内部的TTL集成运算放大器等组件的工作电源，因此，需要将外部输入转换为DC5V、DC24V等不同的电压。2.5 PLC的工作原理在PLC电路中，PLC可以分为输入电路、内部控制、输出电路三部分。其中输入电路代表了实际PLC的输入接口电路板、输入采样、输入缓冲等部分；内部控制电路代表了实际PLC的控制程序执行过程；输出电路代表了实际PLC的输出接口电路、输出刷新、输出缓冲等部分。（1）输入电路由外部输入信号、PLC输入接线端、等效输入继电器三部分。外部输入信号经PLC的输入接线端与输入继电器接入

30、。每个输入继电器与输入信号一一对应，当外部输入“1”时，输入继电器“线圈”得电，内部控制电路中对应的输入接点“吸合”。（2）输出电路由内部输出接点、PLC输出接线端、输出执行元件三部分组成。内部输出接点经PLC的输出接线端与输出执行元件连接，每个输出接点与内部控制电路中的输出线圈一一对应，当输出线圈为“1”时，输出接点接通，且每一个输出线圈只能有一个用于驱动外部执行元件的接点。（3）内部控制电路由PLC用户程序转化而来，它将PLC程序中的顺序控制逻辑转化成普通的继电器控制线路。在内部控制电路中，PLC的定时器、计数器可以用继电器控制线路的时间继电器、计数继电器进行等效。2.6 PLC的工作过程

31、当PLC投入运行后，主要的工作过程可以分为输入采样、执行程序、通信处理、CPU诊断、输出刷新五个基本步骤，并且不断循环执行。如果不考虑PLC的公共处理过程，PLC的正常执行用户程序的工作过程分为3步：PLC一次性将全部输入端的状态(输入信号)读入输入缓冲寄存器，生成“输入映像”；执行PLC用户程序，进行逻辑运算处理，运算结果立即写入指定的标志寄存器、数据寄存器、输出缓冲寄存器中；用户程序处理完成，PLC一次性将全部“输出映像”输出到PLC的输出端。3 方案设计3.1 方案的比较方案1：运料小车在最初位置时，按下启动按钮，电机正转，小车开始前进，到达右限位开关，电机停转，小车停止；按下电机反转启

32、动按钮，小车后退，到达左限位开关，电机停转，小车停止，按下停止按钮，小车完成一个工作周期。方案2：运料小车在最初位置时，按下正转启动按钮，如果运料小车处于停止状态，则立即正转运行，到达右限位开关后停止；等待装料10s后，电机自动切换到反转，小车开始后退，直至到达左限位开关处停止，等待卸料5s后，运料小车回到最初位置，按下停止按钮，运料小车完成一个工作周期。针对这两个方案，做出一些分析并得出方案3：在KM1的线圈串联了KM2 的辅助常闭触点,KM2 的线圈串联了KM1的辅助常闭触点,组成了硬件互锁电路，以此避免由于正反转(运料小车前进,后退)切换过程中电感的延时作用,导致原来接通的接触器的主触点

33、还未断弧时, 另一个接触器的主触点已经合上而造成交流电源瞬间短路的故障。在运料小车装料、卸料的过程中，用指示灯L1，L2来显示当前的运料小车所处的状态，也方便工作人员的监管。限位开关的作用是为保证运料小车能够在准确的位置停车。3.2 系统描述本设计的控制对象是机械运料小车的电动机，其目的是通过控制电机的正反转来控制机械运料小车在A、B两地自动往复运动，从而实现在B地卸料、在A地装料这一过程。机械运料小车的控制示意图和动作循环图如下：图3-1 运料小车的控制示意图和动作循环图3.3 控制要求控制系统各部分的工作过程如下：（1）机械运料小车在初始位置处，按下启动按钮SB1，电机正转，则机械运料小车

34、前行，；（2）机械运料小车运行至右限位开关ST1，电机停转，运料小车停止，等待装料，装料指示L1灯亮；（3）延时10s后，指示灯灭，装料完成，电机反转，运料小车后退，直至运行至左限位开关ST2处，电机停转，运料小车停止，等待卸料，卸料指示L2灯亮；（4）延时8s，指示灯灭，卸料完成,到此完成一个工作周期，若不按停止按钮，此过程可以循环。3.4 主要电气元件的配置根据系统的控制要求，选择设计所需要的电气元件：（1）三相异步电动机的选择通过对控制要求的分析，控制系统需要一台三相异步电动机M,为满足工艺要求，电动机的功率选定为1KW,型号： J02-22-4,1.5kw 1410转/分，380V，3

35、.49安 。（2）开关的选择在该系统的主电路中，采用三级的组合开关。电动机的最大容量为1KW，则三级组合开关的额定电流为10A，型号为HZ10-10。（3）熔断器的选择在本系统中，需要熔断器保护一台三相异步电动机，启动电流为额定电流四至七倍，为了防止启动时烧断熔体，熔体的额定电流一般去电动机额定电流的1.5至2.5倍，则额定电流为：，其中： ，所以熔体的最大额定电流为11.375A。熔断器的额定电压为AC380V，则可选择型号为RT14-20的熔断器。（4）时间继电器（KT）本系统中需要延时10S，并考虑到价格费用方面，可选用空气阻尼式时间继电器，可选用JS7-2A型号的空气阻尼式时间继电器，

36、其触点额定电压为380V，触点额定电流为5A均能符合要求。（5）热继电器的选择（FR）热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。热继电器的热元件的额定电流应略大于电动机额定电流。当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过5S时热无件的整定电流调节到等于电动机的额定电流当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电流的1.1-1.15倍。一台电动机的额定电流为4.55A，可以用整定电流范围为3.6A4.5A5.4A,热元件整定电流的中间值要等于或稍大于电动机的额定电流值，则热继电器的型号为R20-16，此额定电

37、流为16A。（6）接触器的选择（KM）额定电流为采用的接触器要与继电器相配合，则选择CJ20型号的交流接触器。元件列表如下：表3-2序号代号名称型号数量1M三相异步电动机J02-22-412QS空气开关DZ47-3P33FR热继电器R20-1614CPUPLC处理器CPU22415KM交流接触器CJ2026SB按钮LAY837ST限位开关LXK228FU熔断器RT14-2019L导线若干3.5 PLC机型的选择 （1）CPU性能PLC的CPU性能主要涉及处理器的“位数”、运算速度、用户存储器的容量、编程能力、软件开发能力、通信能力等方面。在CPU性能满足控制要求的前提下，CPU的价格也在考虑的

38、范围之内。（2）I/O点数PLC的输入/输出点数是PLC的基本参数之一。在正常情况下，PLC的I/O点可以适当的留有余量，同时也必须考虑生产成本。（3）开关量输入模块的选择选择三相交流输入电源AC380V，采用直流汇点输入接线方式。（4）开关量输出模块的选择该系统中有用到继电器，一般开关输出模块的输出方式常为继电器输出。（6）I/O地址分配方式采用 I/O 自动分配方式，地址连续、有序。根据设计的控制要求和确定的硬件设备的分析得出：控制系统需要的外部设备只有控制机械运料小车运动的三相异步电动机，电动机有正转和反转两种状态,分别对应正转KM1和反转KM2,电动机M的正转启动按钮SB1,反转启动按

39、钮SB2，电动机的停止按钮SB3，热继电器的常闭触点FR，两个限位开关ST1和ST2。装料指示灯L1，卸料指示灯L2，其中输入为：SB1、SB2、SB3、ST1、ST2；输出为：KM1、KM2、L1、L2、将以上PLC的输入、输出汇总，可以统计如下：PLC的输点总计：5个。全部的输入点均为触点输入信号。PLC输出点总计：4个。列出I/O地址分配汇总表如下：表3-3输入输出地址符号功能地址符号功能I0.0SB1前进启动Q0.0KM1前进接触器I0.1SB2后退启动Q0.1KM2后退接触器I0.2ST1A点限位开关Q0.2L1装料指示灯I0.3ST2B点限位开关Q0.3L2卸料指示灯I0.4SB3

40、停止按钮综合以上，本设计选择S7-200PLC的CPU224，它的PLC结构类型是基本元+扩展型，基本单元集成的I/O数量是24（14个输入点、10个输出点），AC100-230V电源，DC24V输入,继电器输出，不需要输入输出扩展模块，且满足一定的余量要求。4 PLC控制系统硬件设计41 系统主回路与控制回路的设计 4.1.1硬件设计概述 PLC控制系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分，PLC具有灵活 、通用的特点，几乎全部的控制都是通过软件来控制的，虽然如此硬件设计也并不是PLC与I/O信号间简单的连线，它直接关系到控制系统的安全性、可靠性与生产成本等诸多问题，而且硬件设计一旦完成，不可

41、以随时随地进行修改，因此，它是决定控制系统设计成败的关键问题，在硬件设计阶段应高度重视。4.1.2 系统主回路设计（1）主回路设计的内容在PLC控制系统中，主回路采用的是电机主回路，主要由一台三相鼠笼式异步电机M、热继电器FR、电机保护的熔断器FU、正转控制交流接触器KM1与反转交流接触器KM2的两组主触点构成电动机的正反转接线，还有空气隔离开关QS将380V三相电源引入。 （2）电源总开关根据EN60204-1标注规定，为了使正的控制系统与电网隔离，机械设备的电气控制装置必须安装电源总开关，在本次设计的控制系统中，设有空气开关作为电源总开关，可断开回路中的所有用电设备电源。（3）保护装置的设

42、计在主回路的设计中，为了对设备进行可靠、有效的保护，必须含有具有足够分断能力的保护装置，在回路出现故障时，能够可靠分断被保护的电机。所以，在主回路中装设有熔断器，它的主要用做短路保护和严重过载保护；热继电器FR，是一类实现自动断电功能的装置，主要用做过电流、漏电、欠压、过热等故障的保护。（4）接地与抗干扰 从安全角度考虑，在控制系统中装有总接地母线，用于电位平衡与接地，主回路用的是三相四线制，以防止干扰，提高线路的可靠性。 控制主回路见附录24.1.3 系统控制回路设计在机械运料小车的控制回路主要由通电延时时间继电器KT1、KT2；接触器KM1、KM2；停止按钮，启动按钮，限位开关等构成。本次

43、控制回路是采用时间继电器，可以按时间继电器的延时闭合常开触点来实现电动机从正转运行到反转运行的自动切换。在电动机正反转控制接触器同时动作时，可能引起电源短路、机械部件损坏，为保证控制系统工作可靠性，在继电器-接触器控制系统中，通过触点进行电气“互锁”，互锁环节具有禁止功能，在线路中起安全保护作用。实现互锁的具体做法：KM1线圈回路串入KM2的常闭辅助触点，KM2线圈回路串入KM1的常闭触点。当正转接触器KM1线圈通电动作后，KM1的辅助常闭触点断开KM2线圈回路，若使KM1得电吸合，必须先使KM2断电释放，其辅助常闭触头复位，这就防止了KM1、KM2同时吸合造成相间短路，这一线路环节称为互锁环

44、节。实现自锁的具体做法：在正转（反转）的控制电路中并联有正转（反转）接触器的常开触点。总体电路图见附录1 4.2 机械运料小车控制系统的实现原理根据设计的总体电路图和机械运料小车的控制要求可知，控制运料小车的电动机有正转和反转两种工作方式，需要两个线圈KM1和KM2，通过改变相序来改变电动机的工作方式，接触器KM1和KM2的主触点对应主电路图中的KM1和KM2。机械运料小车的实现原理如下:首先合上空气开关QS,接通三相电源。（1）按下电动机正转启动按钮SB1，接触器线圈KM1通电，与SB1并联的KM1的辅助常开触点闭合，形成自锁，以保证KM1线圈持续通电，同时串联在电机主回路中的KM1的主触点

45、闭合，接通电动机M，电动机正转，机械运料小车前进；（2）当行驶至限位开关ST1处，ST1的常开触点闭合，常闭触点断开，使KM1线圈失电，电机停转，机械运料小车停止，同时通电延时继电器KT1的线圈接通，其辅助常开触点闭合，装料指示灯L1变亮；（3）延时10S后,时间继电器的延时闭合常开触点KT1闭合，接触器KM2线圈通电并自锁，两个常闭触点KM2断开，指示灯L1熄灭，同时使KM1线圈失电，然后电机反转运行，机械运料小车后退；（4）当行驶至ST2处，其常开触点闭合，时间继电器KT2线圈带电，KT2常开触点闭合，卸料指示灯L2变亮；（5）延时8S后，线圈KT2的常开触点闭合，回到电动机的正转运行状态

46、。电机反转启动原理同正转启动，若按下停止按钮SB3，机械小车停止工作。4.2 PLC的外部接线图根据机械运料小车的工作原理和I/O地址分配表画出PLC的外部接线图，如下:图4-2 PLC的外部接线图图中，正反转启动按钮SB1、SB2，分配输入信号地址I0.0、I0.1，停止按钮SB3:I0.2，,两个限位开关ST1、ST2的输入信号地址为I0.3、I0.4。线圈KM1和KM2，指示灯L1、L2，输出信号地址依次为：Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3。继电器电路中的时间继电器的功能用PLC内部的定时器来完成，它们与PLC的输入位、输出位无关，KTI和KT2分别用T37和T38来完成相应的延时功能，FR热继电器的动断触点具有锁存功能，在继电器电路中只出现一次，并且与PLC的负载串联，不必将其作为PLC的输入信号，将它放在PLC的输出回路中，与相应的外部负载串联。为了防止正反转的两个接触器同时动作造成三相电源的短路，在可编程成外部设置硬件连锁电路，如图所示，KM1和KM2不可以同时通电，在梯形图中也要设置与KM1和KM2对应的输出位线圈串联动断触点组成的互锁电路。5 PLC控制系统的软件设计5.1 S7程序设计的基本步骤首先根据控制对象与选择的S7-200PLC的型号CPU224，选择PLC程序的框架进行程序设计，程序设计与控制系统硬件设计、调试密切相关；