课程设计---PLC在车镗专机中的应用

本科生课程设计

题目：PLC在车镗专机中的应用

课程：电气控制与可编程序控制应用技术专业：XXXXXXXXXX

班级：XXXX

学号：XXXXX

姓名：XXXXX

指导教师：XXXXX

完成日期： XXXXXXXXXXX

目录

绪论 (3)

第1章 PLC控制系统设计 (4)

1.1 PLC控制系统设计的基本原则 (4)

1.2 PLC机型选择 (5)

第2章锅炉车间输煤机组控制PLC电气控制系统 (8)

2.1 锅炉车间输煤机组控制系统设计任务书 (8)

2.2 锅炉车间输煤机组控制系统总体方案设计 (10)

2.3 锅炉车间输煤机组控制原理图设计 (10)

2.4 PLC硬件控制电路设计 (12)

2.5 PLC控制程序设计 (15)

2.6 梯形图程序调试 (20)

第3章课程设计总结 (21)

参考文献 (21)

绪论

工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS 系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

第1章 PLC控制系统设计

1.1PLC控制系统设计的基本原则

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，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

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2. 保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

3. 力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

4. 适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

1．2 PLC机型选择

随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和型号越来越多，功能日趋完善。从美国，日本、德国等国家引进的PLC产品及国内厂商组装或自行开发的PLC产品已有几十个系列。上百种型号。其结构形式、性能、容量、指令系统，编程方法、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选择PLC产品，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。一般来说，各个厂家生产的产品在可靠性上都是过关的，机型的选择主要是指在功能上如何满足自己需要，而不浪费机器容量。PLC的选择主要包括机型选择，容量选择，输入输出模块选择、电源模块选择等几个方面。

1、可编程控制器控制系统I/O点数估算

I/O点数是衡量可编程控制器规模大小的重要指标。根据被控对象的输入信号与输出信号的总点数，选择相应规模的可编程控制器并留有10%～15%的I/O裕量。估算出被控对象上I/O点数后，就可选择点数相当的可编程控制器。如果是为了单机自动化或机电一体化产品，可选用小型机，如果控制系统较大，输入输出点数较多，被控制设备分散，就可选用大、中型可编程控制器。

2、内存估计

用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数。

（1）内存利用率用户编的程序通过编程器键入主机内，最后是以机器语言的形式存放在内存中，同样的程序，不同厂家的产品，在把程序变成机器语言存放时所需要的内存数不同，我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。高的利用率给用户带来好处。同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。另外同样程序可缩短扫描周期时间，从而提高系统的响应。

（2）开关量输入输出的点数可编程控制器开关量输入输出总点数是计算所需内存储器容量的重要根据。一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6：4。这方面的经验公式是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。

所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10

（3）模拟量输入输出总点数具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算的功能指令，这些功能指令内存利用率较低，因此所占内存数要增加。

在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读入、数字滤波、传送和比较运算。在模拟量输入输出同时存在的情况下，就要进行较复杂的运算，一般是闭环控制，内存要比只有模拟量输入的情况需要量大。在模拟量处理中。常常把模拟量读入、滤波及模拟量输出编成子程序使用，这使所占内存大大减少，特别是在模拟量路数比较多时。每一路模拟量所需的内存数会明显减少。下面给出一般情况下的经验公式：

只有模拟量输入时：

内存字数=模拟量点数*l00

模拟量输入输出同时存在时：

内存字数＝模拟量点数*200

这些经验公式的算法是在10点模拟量左右，当点数小于10时，内存字数要适当加大，点数多时，可适当减小。

综上所述，推荐下面的经验计算公式：

总存储器字数＝（开关量输人点数+开关量输出点数）*l0+模拟量点数*150。然后按计算存储器字数的25%考虑裕量。

3、响应时间

对过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。例如某产品有效检测宽度为5cm，产品传送速度每分钟50m，为了确保不会漏检经过的产品，要求可编程控制器的扫描周期不能大于产品通过检测点的时间间隔60ms（T＝5cm ／50m／60s）。

系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。系统响应时间＝输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期.

4、输入输出模块的选择

可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关；接近开关等）的高电平信号为机器内部电平信号，模块类型分直流5、12、24、48、60V几种；交流115V和220V两种。由现场设备与模块之间的远近程度选择电压的大小。一般5、12、24V属低电平，传输距离不宜太远，例如5V的输入模块最远不能超过10m，也就是说，距离较远的设备选用较高电压的模块比较可靠。另外高密度的输入模块如32点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般讲，同时接通点数不得超过60%。为了提高系统的稳定性，必须考虑门槛（接通电平与关断电平之差）电平的大小。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。

输出模块的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。对于开关频繁、电感性、低功率因数的负载，推荐使用晶闸管输出模块，缺点是模块价格高；过载能力稍差。继电器输出模块优点是适用电压范围宽，导通压降损失小，价格便宜，缺点是寿命短，响应速度慢。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。

6、结构型式的考虑

PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块大印刷电路板上，节省了插接环节，结构紧凑，体积小，每一I/O点的平均价格也比模块式的便宜，所以小型PLC控制系统多采用整体式结构。模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式方便灵活。维修时更换模块，判断与处理故障快速方便。因此，对于较复杂的要求较高的系统，一般选用模块式结构。

7、是否需要通讯联网的功能

大部分小型PLC都是以单机自动化为目的，一般没有和上位计算机通讯的接口。如果用户要求将PLC纳入工厂自动化控制网络，就应选用带有通讯接口的PLC。一般大、中型PLC 都具有通讯功能。近年来，一些高性能的小型机（如FX、C40H、S5-100U等）也带有通讯接口，通过RS-232串行接口，与上位计算机或另一台PLC相连，也可以连接打印机、CRT等外部设备。

以上简要地介绍了PLC选型的依据和应考虑的几个问题，用户应根据生产实际的需要，综合考虑各种因素，选择性能价格比合适的产品，使被控对象的控制要求得到完全满足，也使PLC的功能得到充分发挥。

第2章锅炉车间输煤机组控制PLC电气控制系统

2.1 锅炉车间输煤机组控制系统设计任务

2.1.1 锅炉车间输煤机组控制

输煤机组控制系统示意图如图11-10所示，输煤机组控制信号说明见表11-6。

输煤方向

给料器磁选料器

送煤机P1破碎机提升机

煤回收方向

送煤机P2

输煤方向

煤送至卸煤仓

回收机P2

YA(15kVA)

M1(3kW)M2(3kW)M3(13kW)M4(5kW)

M5(75kW)

M6(3kW)

图11-10 输煤机组控制系统示意图

表11-6 输煤机组控制信号说明

输入输出

文字符

号

说明文字符号说明

SA1-1 输煤机组手动控制开关KM1 给料器和磁选料器接触器SA1-2 输煤机组自动控制开关KM2 1#送煤机接触器

SB1 输煤机组自动开车按钮KM3 破碎机接触器

SB2 输煤机组自动停车按钮KM4 提升机接触器

SB3 输煤机组紧急停车按钮KM5 2#送煤机接触器

SB4 给料器和磁选料器手动按钮KM6 回收机接触器

SB5 1#送煤机手动按钮HL7 手动运行指示灯

SB6 破碎机手动按钮HL8 紧急停车指示灯

SB7 提升机手动按钮HL9 系统正常运行指示灯SB8 2#送煤机手动按钮HL10 系统故障指示灯

SB9 回收机手动按钮HA 报警电铃

KM M1～M6，YA运行正常信号HL1～6 输煤机组单机运行指示FR M1～M6，YA过载保护信号

输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机M1～M6和一台磁选料器YA组成。SA1为手动/自动转换开关，SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4～SB9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。HA为开车/停车时讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员物煤机准备起动请注意安全。HL1～HL6为Ml～M6电动机运行指示，HL7为手动运行指示，HL8为紧急停车指示，HL9为系统运行正常指示，HL10为系统故障指示。

2．1.2 输煤机组控制要求

(1) 手动开车/停车功能SA1手柄指向左45o时，接点SA1-1接通，通过SB4～SB9控制按钮，对输煤机组单台设备独立调试与维护使用，任何一台单机开车/停车时都有音响提示，保证检修和调试时人身和设备安全。

(2) 自动开车/停车功能SA1手柄指向右45o时，接点SA1-2接通，输煤机组自动运行。

1) 正常开车按下自动开车按钮SB1，音响提示5s后，回收电动机M6起动运行并点亮HL6指示灯；10s后，2#送煤电动机M5电动机起动运行并点亮HL5指示灯；10s后，提升电动机M4起动运行并点亮HL4指示灯；10s后，破碎电动机M3起动运行并点亮HL3指示灯；10s后，1#送煤电动机M2起动运行并点亮HL2指示灯；10s后，给料器电动机M1和磁选料器YA起动运行并点亮HL1指示灯；10s后，点亮HL9系统正常运行指示灯，输煤机组正常运行。

2) 正常停车按下自动开车按钮SB2，音响提示5s后，给料器电动机M1和磁选料器YA停车并熄灭HL1指示灯，同时，熄灭HL9系统正常运行指示灯；10s后，1#送煤电动机M2停车并熄灭HL2指示灯；10s后，破碎电动机M3停车并熄灭HL3指示灯；10s后，提升电动机M4停车并熄灭HL4指示灯；10s后，2#送煤电动机M5电动机停车并熄灭HL5指示灯；10s后，回收电动机M6停车并熄灭HL6指示灯；输煤机组全部正常停车。

3) 过载保护输煤机组有三相异步电动机M1～M6和磁选料器YA的过载保护装置热继电器，如果电动机、磁选料器在输煤生产中，发生过载故障需立即全线停车并发出报警指示。系统故障指示灯HL10点亮，HA电铃断续报警20s，HL10一直点亮直到事故处理完毕，继续正常开车，恢复生产。

4) 紧急停车输煤机组正常生产过程中，可能会突发各种事件，因此需要设置紧急停车按钮，实现紧急停车防止事故扩大。紧急停车与正常停车不同，当按下红色蘑菇形紧急停

车按钮SB3时，输煤机组立即全线停车，HA警报声持续10s停止，紧急停车指示灯HL8连续闪亮直到事故处理完毕，回复正常生产。

5) 系统正常运行指示输煤机组中，拖动电动机M1～M6和磁选料器YA按照程序全部正常起动运行后，HL9指示灯点亮。如果有一台电动机或选料器未能正常起动运行，则视为故障，系统故障指示灯HL10点亮，输煤机组停车。

(3) 相关参数

1) M1～M6及磁选料器YA功率如图11-11中所示。

2) 指示灯HL：0.25W，DC24V。

3) 电铃HA：8W，AC220V。

2.2 锅炉车间输煤机组控制系统总体方案设计

为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下要求：

（1）供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控制；（2）各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。启动，停车延时统一设定为10s。启动延时是为保证无煤堆积以发生故障；停车延时是为保证停车时破碎机等为空载状态；

（3）运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其整个输煤设备也立即停车。此外在现场也有控制系统装置运行的按钮；

（4）可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可开启另一套备用设备，由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；

（5）可显示各机电设备运行状况，在集中控制室即可控制系统设备启停。

2.3锅炉车间输煤机组控制原理图设计

1.主电路设计

锅炉车间运煤机组系统主电路图如图2-3所示

图2-3 锅炉车间运煤机组系统主电路图

1) 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM5分别控制三相异步电动机M1～M6

2) 电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6实现过载保护。

3) QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。

4) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护。

2.4 PLC硬件控制电路设计

1)硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级为DC24~V；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；输入端口13个输出端口17个，确定所控制参数的精度及类型，选择适合的PLC机型及外设，PLC选择三菱FX2N-6OMT-D完成PLC 硬件结构配置。

2) 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，编制I/O接口功能表。

3) PLC输入回路中，信号电源由PLC本身的24V直流电源提供，所有输入COM端短接后接入PLC电源DC24V的（＋）端。输入口如果有有源信号装置，需要考虑信号装置的电源等

级和容量，最好不要使用PLC自身的24V直流电源，以防止电源过载损坏或影响其他输入口的信号质量。

表2-1和表2-2分别为输煤机组控制系统PLC输入和输出接口功能表。

表2-1 输煤机组控制系统PLC输入接口功能表

序号工位名称文字符号输入口

1 输煤机组手动控制开关SA1-1 X0

2 输煤机组自动控制开关SA1-2 X1

3 输煤机组自动开车按钮SB1 X2

4 输煤机组自动停车按钮SB2 X3

5 输煤机组紧急停车按钮SB3 X4

SB4 X5

6 给料器和磁选料器手动按

钮

7 1#送煤机手动按钮SB5 X6

8 破碎机手动按钮SB6 X7

9 提升机手动按钮SB7 X10

10 2#送煤机手动按钮SB8 X11

11 回收机手动按钮SB9 X12

KM X13

12 M1～M6，YA运行正常信

号

FR X14

13 M1～M6，YA过载保护信

号

表2-2 输煤机组控制系统PLC输出接口功能表

序工位名称文字输入口

1 给料器和磁选料器接触器KM1 Y0

2 1#送煤机接触器KM2 Y1

3 破碎机接触器KM3 Y2

4 提升机接触器KM4 Y3

5 2#送煤机接触器KM5 Y4

6 回收机接触器KM6 Y5

7 手动运行指示灯HL7 Y15

8 紧急停车指示灯HL8 Y16

9 系统正常运行指示灯HL9 Y17

10 系统故障指示灯HL10 Y20

11 报警电铃HA Y14

12 输煤机组单机运行指示HL1 Y6

13 输煤机组单机运行指示HL2 Y7

14 输煤机组单机运行指示HL3 Y10

15 输煤机组单机运行指示HL4 Y11

16 输煤机组单机运行指示HL5 Y12

17 输煤机组单机运行指示HL6 Y13

2.5 PLC控制程序设计

1) 程序设计。根据控制要求，建立输煤机组控制系统流程图，如图2-5所示，表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制等。

图2-5 车间运煤机组系统控制流程图

锅炉车间运煤机组系统PLC控制程序如图2-6所示

图2-6 车间运煤机组系统PLC控制梯形图程序

图2-6 车间运煤机组系统PLC 控制梯形图程序

2.6 梯形图程序调试

实验室没有相应的实物控制模型，因此，在调试系统控制程序时，所有的输入信号均用开关信号来代替，所有的输出均用指示灯来表示。由于实验室的PLC输出端口过少，不能完全满足我们的要求，所有我们将程序分开调试。调试时，首先按控制系统PLC接线图完成硬件接线，并仔细检查接线是否有误。

首先首先我们进行手动部分的调试，按下X1，下面就可以进行手动控制了。接着按下X3则Y0和Y6灯亮。同样，按下其它手动开关相应的灯会亮。再次按下手动开关即按下停止按钮，相应的灯就熄灭。

下一步我们进行了自动部分的调试。按下X2，选择到程序的自动部分，接着按下X11，自动部分开始运行，5秒后，第一个灯亮，10秒后第二个灯亮，直到最后一个灯亮。当灯全部亮时，正常运行指示灯Y17亮；如果又一个或几个灯不亮，那么系统故障指示灯就会亮。按下手动停止按钮X12，5秒后，第一个灯熄灭，10秒后第二个灯熄灭，按此直到最后一个灯熄灭。

接着我们将手动和自动部分联合起来调试，因为电动机的运动时相似的，所以我们选择6台电动机。调试结果和分开调试一样。