装卸料小车多方式运行的PLC控制系统设计

2021年1月27日发(作者：林里)

装卸料小车多方式运行的
PLC
控制系统设计

【摘要】

早期运料小车电气控制系统多为继电器—接触器组成的复杂系统，这种系< br>统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，无数据处理和通信功能，必须有
专人负责操作，将< br>PLC
应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动
化控制，降低系统的运行费 用，
PLC
运料小车电气控制系统具有连线简单，控
制速度快，可靠性和可维护性好， 易于安装、维修和改造等优点。随着经济的
发展，运料小车不断扩大到各个领域，从手动到自动，逐渐形 成了机械化、自
动化。

将
PLC
应用到运料小车电气控制系统 ，可实现运料小车的自动化控制，降
低系统的运行费用。通信和数据连接功能选项使得
PLC< br>在体积、通信和特殊功
能模块等重要的应用方面非常完美。本课题主要包括：分析被控对象和明确 系
统控制要求、
PLC
选型、确定系统的
I/O
设备的数量及种类、 控制流程设计、
控制程序设计。

PLC
在运料小车控制系统中的应用，已 经在国内外工程、工厂中得到实际
应用，具有巨大的经济和社会价值，其智能化和自动化的思路值得以后 继续深
入研究和推广。

关键词：

PLC
运料小车

控制系统
I/O
点






















1 / 1


Abstract
：

Early
electric
car
control
system
of
the
transporter
over
the
relay
-
contactor
complex
system
composed
of
The
system
design
cycle,there is a long,bulky,high cost,defects,no data processing and
communications
functions,must
be
hand
operated,will
be
applied
to
transport
materials
car
PLC
electrical
control
system
and
can
realize automatic control operation of the car,reducing the running
costs of the system,PLC control system for electric car transporter
with
a
simple
connection
to
control
speed,reliability
and
maintainability
is
good,easy
to
install,repair
and
improvement
and
so economic development,transport materials to various areas
of
growing
car,from
manual
to
automatic,and
gradually
formed
the
mechanization and automation.
PLC
applied
to
transport
materials
to
car
electrical
control
system
and
can
realize
automatic
control
operation
of
the
car
and
reduce
system
operating
ications
and
data
connectivity
options
make
PLC
in
volume,communications
and
special
function
modules
such
important
applications
perfectly.
The
topics
include:analysis
of
plant
and
a
clear
system
control
requirements;PLC
selection;determine
the
system's
I
/
O
device
number and type;control process design;control programming.
PLC
control
system
in
the
car
transporter
in
the
application,has been in domestic and international projects has been
applied
in
the
factory,with
huge
economic
and
social
value,the
intelligence
and
automation
beyond
the
idea
worthy
of
further
research and extension.
Key words
：

PLC transporter cart control system I/O points





1 / 1




目

录

1
控制系统介绍

...... .................................................. .................................................. .............................
1

1.1
控制系统在运输小车中的作用与地位
......................................... 1

1.2
控制系统介绍

........................ ..................................... 1

2
运输小车系统方案的选择
......................... .................................................. ........................................
3

2.1
可编程控制器

PLC
的优点

..... .............................................. 3

2.2
小车运输系统方案的选择

............. ...................................... 4

3
运料小车控制系统的方案论证
....................... .................................................. ..................................
5

3.1
运料小车控制系统的控制内容与要求
......................................... 5

3.1.1
运料小车的运动流程

.
.............. .................................................. ..........................................
5

3.1.2
设备控制要求

.
....... .................................................. .................................................. ...........
6

3.2
方案论证

.... .................................................. ........... 6

4
硬件的选择和程序设计

.... .................................................. .................................................. ...............
7

4.1
系统硬件设计
................................................ ............. 7

4.1.1 PLC
的选型

.
.............................................. .................................................. ..........................
7

4.1.2 S7-200 CPU 226
简介

.
................ .................................................. ......................................
7

4.2
系统变量定义及分配表

.................... ................................. 7

4.3
系统接线图设计

....................... .................................... 8

4.4
控制系统程序设计

...................... ................................... 9

4.4.1
系统的起停控制

.
................ .................................................. ................................................
9

4.4.2
系统的呼车控制

.
...... .................................................. .................................................. ......
10

4.4.3
系统的呼车反转控制

.
.............................................. .................................................. ........
12

4.4.4
系统的呼车正转控制

.
............................................ .................................................. ..........
15

5
系统调试及结果分析

. .................................................. .................................................. ....................
19

5.1
系统调试及解决的问题

.................... ................................ 19

5.2
结果分析

.......................... ...................................... 19

5.3
小车的优缺点分析

...................... .................................. 19

5.4
设计的改进及推广

...................... .................................. 20

结束语

.
............................. .................................................. .................................................. ..................
21

谢

辞

.
......................................... .................................................. .................................................. ........
22

文

献

.
. .................................................. .................................................. ................................................
23

1 / 1

1
控制系统介绍

1.1
控制系统在运输小车中的作用与地位

在现代化工业生产中，为了提高 劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动
负担，要求整个工艺生产过程全盘自动化，这就离不开控制系统 。

控制系统是整个生产线的灵魂，对整个生产线起着指挥的作用。一旦控制
系统出现 故障，轻者影响生产线的继续进行，重者甚至发生人身安全事故，这
样将给企业造成重大损失。

运输小车是基于
PLC
控制系统来设计的，控制系统的每一步动作都直接作
用 于运输小车的运行，因此，运输小车性能的好坏与控制系统性能的好坏有着
直接的关系。运输小车能否正 常运行、工作效率的高低都与控制系统密不可
分。

1.2
控制系统介绍

本控制系统主要是用于控制运输小车的自动运输。它既 能减轻人的劳动强
度又能自动准确到达人不能达到或很难到达的预定位置。











图
1-1
各工位的限位开关和呼车按钮的布置

确定输入、输出电 器。每个工位应设置一个限位开关和一个呼车按钮，系
统要有用于启动
SB1
和停止< br>SB2
的按钮，这些是
PLC
的输入元件
(I2.0
，
I2.1)
；小车要用一台电动机拖动，电动机正转时小车驶向高位，反转时小车驶
向低位， 电动机正转反转各需要一个接触器，是
PLC
的执行元件。另外各工位
还要有指示灯作 呼车显示。因为小车到达每个工位要停止，所以每个工位要装
有限位开关，当小车到达各个工位碰撞限位 开关，限位开关给
PLC
一个信号使
电机停止转动，小车失去动力停在这个呼车工位。 电动机和指示灯是
PLC
的控
制对象。

各工位的限位开关和呼车按 钮的布置如图
1-1
所示，图中
ST
和
SB
的编号
也是各工位的编号。
ST
为滚轮式，可自动复位。

1 / 1


用
PLC
对运输小车实现控制，其具体要求如下：

(1) PLC
得电后，车停在
1
到
8
某个加工点
(
称为工位
)
，若没有用车呼叫
（称为呼车
)
时，则呼车指 示灯亮，表示
1
到
8
各工位可以呼车。

(2)
若某工位呼车
(
按本位的呼车按钮
)
时，则呼车指示灯熄灭，表示此后
呼车无效。

(3)
系统停止时，呼车无效。系统启动后，当呼车位号大于停车位 号时，
小车自动向高位行驶；当呼车位号小于停车位号时，小车自动向低位行驶；当
小车到达呼 车位时，自动停车。

(4)
在小车到达呼车位的
30s
时间内< br>(
仅供本车位使用
)
，呼车操作无效。
只有当
30s
延
时时间到以后，小车才能重新响应呼车信号。

(5)
临时停电后再复电，小车不会自行起动。






















1 / 1

2
运输小车系统方案的选择

2.1
可编程控制器
PLC
的优点

可编程控制器
PLC
对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生
产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的
推广应用。可编程控制器是 面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的
特点。

（
1
）

可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电 气控制设备的关键性能。
PLC
由于采用现代大规模集成电路
技术，采用严格的生产工 艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很
高的可靠性。例如西门子公司生产的
S7< br>系列
PLC
平均无故障时间高达
30
万小
时。一些使用冗余< br>CPU
的
PLC
的平均无故障工作时间则更长。从
PLC
的机 外电
路来说，使用
PLC
构成控制系统，和同等规模的继电器系统相比，电气接线及< br>开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，
PLC
带有
硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应
用者还可以编入外围器件的 故障自诊断程序，使系统中除
PLC
以外的电路及设
备也获得故障自诊断保护。这样， 整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

（
2
）

配套齐全，功能完善，适用性强

PLC
发展到今天，已经形成了大、中、小 各种规模的系列化产品。可以用
于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代
PL C
大多具有完善
的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来
PLC
的 功能单元大量涌
现，使
PLC
渗透到了位置控制、温度控制、
CNC
等各种工业控制中。加上
PLC
通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用
PLC< br>组成各种控制系统变得非常
容易。

（
3
）

易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC
作为通用工业控制计算机，是面向 工矿企业的工控设备。它接口容
易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方 式和
继电器电路图相当接近，只用
PLC
的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实< br>现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使
用计算机从事工业控 制打开了方便之门。

（
4
）

系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC
用存储逻辑代替接 线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制
系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易 起来。更重要的是使同
1 / 1

一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产
场合。

（
5
）

体积小，重量轻，能耗低

以超小型
PLC
为例，新近出产的品种底部尺寸小于
100 mm
，重量小于
150
g
，功耗仅数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部 ，是实现机电一体化的理想
控制设备。

2.2
小车运输系统方案的选择

实现小车运输系统控制有很多方法来实现， 可以用单片机、可编程控制器
PLC
等元器件来实现。

但在单片机控制系统 电路中需要加入
A/D
，
D/A
转换器，线路复杂，还要分
配大量的 中断口地址。而且单片机控制电路易受外界环境的干扰，也具有不稳
定性。另外控制程序需要具有一定编 程能力的人才能编译出，在维修时也需要
高技术的人员才能修复，所以在此也不易用单片机来实现。
而从
PLC
的特点了解可知，
PLC
具有很多优点，因此我们 归纳出：可编程
控制器
PLC
具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在
30
万小时以上；安
装，操作和维护也较容易；编程简单，
PLC
的基本指令 不多，编程器使用比较
方便，程序设计和产品调试周期短，具有很好的经济效益。此外
PLC< br>内部定
时、计数资源丰富，可以方便地实现对运输小车的控制。

因此，最终我 选择了用可编程控制器
PLC
来实现运输小车系统的控制，完
成本次的设计题目。









1 / 1



3
运料小车控制系统的方案论证

3.1
运料小车控制系统的控制内容与要求

3.1.1
运料小车的运动流程

某自动生产线上运料小车的运动如图
3-1
所示：


低位

高位









图
3-1
运输小车示意图

运料小车由一台三相异步电动机拖动，电 机正转，小车向高位行，电机反
转，小车向低位行。电动机正反转主电路图如图
3-2
所示：





图
3-2
三项异步电动机正反转主电路图


1 / 1

在生产线上有
8
个编号为
l
～
8
的站点供小车停靠，在每一个停靠站安装一
个行程开关以监测小车是否到达该站点。对小车的控制除了 启动按钮和停止按
钮之外，还设有
8
个呼叫按钮开关
(SB1
～SB8
）分别与
8
个停靠站点相对应。

3.1.2
设备控制要求

运料小车在自动化生产线上运动的控制要求如下：

（
1
）

按下启动按钮，系统等待
30
秒开始工作，按下停止按钮，系统停止
工作；< br>
（
2
）若某工位呼车
(
按本位的呼车按钮
)时，则呼车指示灯熄灭，表示此
后呼车无效。

（
3
）系统停 止时，呼车无效。系统启动后，当呼车位号大于停车位号
时，小车自动向高位行驶；当呼车位号小于停车 位号时，小车自动向低位行
驶；当小车到达呼车位时，自动停车。

（
4
）

在小车到达呼车位的
30s
时间内
(
仅供本车位使用
)
，呼车操作无
效。只有当
30s
延< br>时时间到以后，小车才能重新响应呼车信号。

（
5
）临时停电后再复电，小车不会自行起动。

3.2
方案论证


早期运输小车电气控制系统多为继电器
-
接触器组成的复杂系统，这种系统
存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理 和通信功能，必须
有专人负责操作。

后来，单片机应用到运料小车控制系统中。单片 机有优异的性能价格比、
集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制功能强、低功耗、低电压，便于生< br>产便携式产品，外部总线增加了
IC
及
SPI
，单片机的系统扩展和系 统配置较典
型、规范，容易构成各种规模的应用系统。单片机编程方法复杂，不容易上
手，使用 于简单应用。

将
PLC
应用到运料小车电气控制系统，可实现运料小车的自 动化控制，降
低系统的运行费用。
PLC
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。运料小车控制
系统的控制 系统构成图如
3-3
所示
:
1 / 1

启动按钮

P
停止按钮

L
8
个呼叫按钮

8
个行程按钮

三相异步电动机

C

图
3-3
运料小车控制系统图


4
硬件的选择和程序设计

4.1
系统硬件设计

4.1.1 PLC
的选型

在
PLC
日益成为工厂自动化 基本技术平台的时代，如何选用一部适合的
PLC
即满足技术要求，又能实现经济效益，是一项 重要课题。
PLC
本身强调的特
色为：体积小、功能强、操作简便、程序设计简易、模 块扩充性好、通信方便
等，针对上述要求选择
PLC
控制系统。西门子公司的
S7-200
系列
PLC
以其功能
强、功能强大、性价比高等特点受到广泛青 睐。因为该设计需要
18
个输入和
11
个输出故需要
CPU
有至少
18
个数字量输入
PLC
，故满足这一技术要求的
S7-200
系列
PLC
的
CPU
类型有
224
、< br>224XP
、
226
等。
PLC
的选型不但要满足技术要求，还要考虑到经济性，因此这里选用
S7-200
系列的
226PLC
。

4.1.2 S7-200 CPU 226
简介

CPU22 6
集成
24
输入
/24
输出共
48
个数字量
I/O
点。可连接
7
个扩展模
块，最大扩展至
168
路数 字量
I/O
点或
35
路模拟量
I/O
点。
16K< br>字节程序和数
据存储空间。
6
个独立的
30kHz
高速计数器 ，
2
路独立的
20kHz
高速脉冲输出，
具有
PID 控制器。
1
个
RS485
通讯
/
编程口，具有
PPI
通讯协议、
MPI
通讯协议
和自由方式通讯能力。
I/O端子可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的
控制器。

4.2
系统变量定义及分配表

根据控制要求，
PLC
控制 运输小车的输入

输出
(I0)
地址编排如下表所示
:

表
4-1 I/O
地址分配

输入

I2.0
起始按钮
SB9
Q0.0
1 / 1
输出

电动机正传
KM1

I2.1
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
I1.0
I1.1
I1.2
I1.3
I0.4
I1.5
I1.6
I1.7
停止按钮
SB10
1
号工位呼车
SB1
2
号工位呼车
SB2
3
号工位呼车
SB3
4
号工位呼车
SB4
5
号工位呼车
SB5
6
号工位呼车
SB6
7
号工位呼车
SB6
8
号工位呼车
SB7
1
号工位限位开关
SQ1
2
号工位限位开关
SQ2
3
号工位限位开关
SQ3
4
号工位限位开关
SQ4
5
号工位限位开关
SQ5
6
号工位限位开关
SQ6
7
号工位限位开关
SQ7
8
号工位限位开关
SQ8
Q0.1
Q0.2
Q1.0
Q1.1
Q1.2
Q1.3
Q1.4
Q1.5
Q1.6
Q1.7







电动机反传
KM2
呼车指示灯
HL
1
号工位成功呼车指示灯

2
号工位成功呼车指示灯

3
号工位成功呼车指示灯

4
号工位成功呼车指示灯

5
号工位成功呼车指示灯

6
号工位成功呼车指示灯

7
号工位成功呼车指示灯

8
号工位成功呼车指示灯








4.3
系统接线图设计

PLC
型号的选择：由于该系统是在原来< br>CPU226
的基础上改进的设备，而现
在共用了
18
个输入，用直流
24V
；
11
个输出，用交流电
220V
，所以我选择用< br>S7-200
系列
CPU226
。
CPU226
的主要的技术 参数：输入
24VDC
，
24
点；输出
220VAC
，16
点；电源电压为
220V 50Hz
。

1 / 1


图
4-1
系统接线图

4.4
控制系统程序设计

运料小车控制系统流程图如图
4-2
所示
:











1 / 1








系统启动

图
4-2
运料小车控制系统流程图

根 据运料小车控制系统流程图，可以确定本次设计的自动运输小车梯形图
分别如下所示。

传送停车位信号

高位呼

何处呼车
车

低位呼

呼车信号封锁

4.4.1
系统的起停控制

传送呼车位信号

小车驶向高位

按下启动按钮
SB9
则输入点
I2.0接通，
M0.0
保持得电系统运行。

小车驶向低位

无

有呼车

小车到达呼车位停
30s


M0.0
得电常开闭合定时器
T37
开始计时，计时器定时设置
30
秒，三十秒
后
T37
的常开触点闭合。

有

解除呼叫信号封锁


三十秒后
T37
的常开触点闭合工作指示灯
Q0.2
点亮
,
可以呼车。

4.4.2
系统的呼车控制

中间继电器
M1.0-M1.7
各代表
1
号工位到
8
号工位呼车状态，而
Q1.0-
Q1 .7
各代表呼车成功的状态，如果此工位呼车成功，本工位小灯就点亮直到小
1 / 1