仓库运料小车的PLC控制自动系统设计

摘 要

近年来，随着科学技术的进步和微电子技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器技术已经广泛应用于自动化控制领域，可编程逻辑控制器以其高可靠性和操作简单等特点，已经形成了一种工业趋势。

目前，在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定的时间停留，以满足生产工艺要求。用PLC程序实现运料小车自动往返顺序控制，不仅具有程序设计简易、方便、可靠性高等特点，而且程序设计方法多样，便于不同层次设计人员的理解和掌握。本文以西门子公司的S7-200系列PLC为例，简单设计自动仓库运料小车控制系统。本次课程设计中通过各仓库行程开关的通断情况判断小车当前位置，以便了解呼叫位置和小车当前位置的相对情况，从而控制电动机的正转、反转和停止，达到了对运料小车自动控制的设计要求

关键词：S7-200；运料小车；电动机；行程开关

目 录

第1章 绪论 ........................................................ 1 第2章 课程设计的方案 ............................................ 2

2.1 概述 ......................................................... 2 2.2 方案设计 ..................................................... 2

第3章 硬件设计 ................................................... 3

3.1 系统功能及I/O点配置 ......................................... 3

3.2 模块选型 ................................................................................................... 3 3.3 模块连接 ................................................................................................... 5

第4章 软件设计 ................................................... 7

4.1 程序设计流程 ................................................. 7 4.2 程序设计内容 ................................................. 8

第5章 系统测试与分析 ............................................ 9 第6章 课程设计总结 .............................................. 10 参考文献 ........................................... 错误！未定义书签。 附录 ............................................................... 11

第1章 绪论

由于单片机、PLC等控制器的不断发展和革新，使得生产线的运输控制也将得到不断的改善和生产率的不断提高，运料小车控制经历了以下几个阶段：

手动控制：在20世纪60年代末70年代初期，便有一些工业生产采用单片机、PLC等控制器来实现运料小车的控制，但是由于当时的技术还不够成熟，只能够用手动的方式来控制机器，而且早期运料小车控制系统多为继电器一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。

自动控制：在20世纪80年代，由于计算机的价格下降，这时的大型工控企业将单片机、PLC充分的与计算机相结合，通过机器人技术，自动化设备终于实现了单片机、PLC在运料小车控制系统在自动方面的应用。

全自动控制：现阶段由于单片机、PLC技术的向高性能 高速度、大容量发展大型单片机、PLC等大多采用多CPU结构，不断向高性能、高速度和大容量方向发展。将单片机、PLC运用到运料小车控制系统，可实现运料小车的全自动控制，降低系统的运行费，用同时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。

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是用来实现输送生产物的控制系统，本文用可编程逻辑控制器（PLC）来做控制器设计运料小车自动控制系统，让PLC技术与自动化技术相结合，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，降低使生产成本，易控制，安全可靠，效率高等优点。运料小车模型如图1.1所示。

图1.1 运料小车图

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第2章 课程设计的方案

2.1 概述

本次设计主要是综合应用所学知识，设计自动仓库运料小车控制系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“PLC”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握运料小车设计的基本方法。

系统功能介绍: 系统有10各仓库，每个仓库有一个指示灯，灯亮允许呼叫小车，灯灭呼叫无效；呼叫位置小于小车当前位置时，小车后退。呼叫位置大于小车当前位置时小车前进；当小车当前位置与呼叫位置重合，小车停止，并在30分钟内任何呼叫无效，30分钟后允许呼叫。

2.2 方案设计

在自动仓库运料小车控制系统中以PLC为核心，通过各种输入端接收各种输入信号，处理后经输出端输出控制信号，通过控制器里的继电器等电器开关的开通与闭合来控制运料小车的左行、右行和停止。本次设计选用西门子公司的S7-200系列PLC，SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的功能强大，可实现复杂控制功能。S7-200系列具有极高的性价比，可靠性，指令集丰富，易于掌握，操作便捷，内置集成功能丰富，具有实时特性，通讯能力强，扩展模块。

根据控制任务和要求所设计的方案流程如图2.1所示 图2.1 控制方案流程图

在图2.1中，可以看到，本次设计的核心思想是：通过PLC控制电动机的正转和反转实现小车的前进和后退，并在一定条件下停止运行。实现了仓库对小车的自动控制，满足了工业生产的要求。

PLC 电动机反转 小车后退 电动机正转 小车前进 小车停止 2

第3章 硬件设计

3.1 系统功能及I/O点配置

1. PLC系统功能实现对输入信号开关量进行采集，通过程序控制和相应的算法CPU模块对输入信号进行处理，再将结果经输出模块输出到线圈或者继电器，整个过程周期性循环进行。

2.根据本课程设计的实际情况，对系统I/O点进行分配，具体分配情况见表3.1。

表3.1 数字量输入信号分配表

仓库1指示灯启动按钮 仓库2指示灯启动按钮 仓库3—仓库10指示灯启动按钮 仓库1行程开关 仓库2行程开关 仓库3—仓库10行程开关 仓库1呼叫按钮 仓库2呼叫按钮 仓库3—仓库10呼叫按钮 电动机启动按钮 仓库1指示灯 仓库2指示灯 仓库3—仓库10指示灯 电动机KM1线圈 电动机KM2线圈 I0.1 I0.2 10.3—I1.2 I1.3 I1.4 I1.5—I2.4 I2.6 I2.7 I3.0—I3.7 I2.5 Q0.0 Q0.1 Q0.2—Q1.1 Q1.2 Q1.3 3.2 模块选型

1. CPU模块分类

CPU22*系列PLC主机模块按照I/O点数多少不同和效能不同而有五种不同结构配置的品种，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226，下面分别加以介绍。

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⑴.CPU221：本机集成6输入/4输出，无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数能力和通信功能，非常适合于少点数的或者特定的控制系统使用。

⑵.CPU222：本机集成8输入/6输出，和CPU221相比，它最多可扩展2个模块，因此是应用更广泛的全功能控制器。

⑶.CPU224：本机集成14输入/10输出，和前两者相比，程序存储器扩大了一倍，数字存储器扩大了四倍，它做多可以有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数能力，是使用最多的S7-200产品。

⑷.CPU224XP：这是最新推出的一种使用机型，其大部分功能和CPU224相同，但和CPU224相比，它的程序存储器容量和数据存储器容量都增加了不少，处理高速计数的能力也有提高；其最大的区别是在主机上增加了2输入/1输出的模拟量单元和一个通信口，非常适合在有少量模拟量的信号的系统中使用，在有复杂通信要求的场合也非常适用。

⑸.CPU226：本机集成24输入/16输出，I/O总点数共40点，和CPU224相比，程序存储器扩大了一倍，数据存储器容量增加了10KB，它具有2个通信口，通信能力大大增强，它可用于点数较多的小型或中型控制系统。

2.I/O扩展模块分类

S7-200系列PLC的主机提供一定数量的数字量I/O和模拟量I/O，但在I/O点数不够的情况下，就需要对I/O口进行扩展，S7-200 PLC提供了6种I/O扩展模块，如下所示。

⑴.EM221:输入扩展模块，共有三种产品，即8点和16点DC、8点AC。 ⑵.EM222: 输出扩展模块，共有5种产品，即8点DC和4点DC（5A）、8点AC、8点继电器和4点继电器（10A）。

⑶.EM223：输入/输出混合扩展模块，共有6种产品，其中DC输入/DC输出的有三种，DC输入/继电器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为4点、8点、16点。

⑷.EM231：模拟量输入扩展模块，共有三种产品，4AI、2路热电阻输入和4路热电偶输入。

⑸.EM232：模拟量输出扩展模块，只有一种2路模拟量输出扩展模块。 ⑹.EM235: 模拟量输入/输出混合扩展模块，只有一种4路AI/1路AO（占两路输出地址）的产品。

3.模块选择

根据自动仓库运料小车的设计要求，本次设计需要40点数字量输入，16点数字量输出。所以需要选择的模块为：CPU224一个、EM221模块1个、EM223模块1个。总点数为：数字量输入46点、数字量输出26点，既满足了设计的点

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数要求，又降低了模块成本，性价比颇佳。

3.3 模块连接

各模块的连接需要进行优化排序，本次设计的模块连接情况如图3.1所示

CPU224 DC24V EM221 16DI EM223 16DI/DO DC24V DC24V 图3.1 模块连接方式

本设计中的PLC控制单元由图3.1各基本个模块组成，通过与外部设备连接，构成一个完整的控制系统。PLC与外设连接示意图如图3.2所示。

I0.1 PLC Q0.0 I0.2 Q0.1 ∣ ∣ I1.2 Q1.1 I1.3 Q1.2 I1.4 Q1.3 ∣ I2.4 L I2.5 I2.6 ∣ I3.7 M 图3.2 PLC与外设连接图

本设计中的重点内容之一是设计电动机的正反转控制逻辑，电动机的正反转

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指示灯 ~ KM1 KM2

决定运料小车的前进和后退，因此合理的设计电动机正反转逻辑是一项必要并且非常重要的任务，本文设计的电动机正反转的思想是把三相异步电动机的三相中的任意两相调换，电机即可又正转变成反转，为了保证两个接触器不能同时得电，提高可靠性，还要加入互锁电路，集合以上要求，电动机正反转电气原理图如图3.3所示。

图3.5 电动机正反转电气原理图

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第4章 软件设计

4.1 程序设计流程

本次设计采用的程序设计方法是简单设计法，简单设计法适合初学者使用，设计思路逻辑清晰，便于理解。设计的思路流程如图4.1所示。

起 始 呼叫允许？ N Y 呼叫位置— 小车当前位置 >0 =0 <0 小车前进 小车后退 小车停止 30分钟 图4.1 程序设计流程图

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4.2 程序设计内容

由于本次课程设计要求设计10个仓库的运料小车自动控制系统,系统I/O

点数较多,程序设计较为复杂繁琐,故只节选两个自动仓库的运料小车控制,作为典型控制系统,既具有代表性,又节约空间和读者的查阅时间。

具体的梯形图见附录。

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第5章 系统测试与分析

经过了以上的设计后，接下来进行系统测试与分析，通过这个环节观察实验现象是否正确，并调试，最终完成整个课程设计。具体的测试过程如下所示：

1．打开STEP7-MicroWIN软件，进行通信测试，确定PLC地址。 2. 将编制好的梯形图程序经检查无误后下载到PLC中，此时PLC置于STOP模式。

3. 点击监控，并将PLC设置成RUN模式。

4. 拨动仓库指示灯启动按钮，再按下相应的呼叫按钮，观察灯是否亮。 由于实验设备原因，本次课程设计只能采用小灯模拟自动仓库运料小车的部分功能，现场实验效果如图5.1所示。

图5.1 现场硬件连接及效果图

经实验结果可知，本次设计的效果和控制任务基本一致，达到了自动仓库运料小车的控制要求，基本完成了设计目标。

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第6章 课程设计总结

运料小车的PLC控制系统，使运料小车具有自动启停、装卸料的功能。设计中我采用了简单设计法，使得设计的程序不但简单易懂且清晰直观。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的综合素质。

整个设计的过程，同时也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。首先，一个设计是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。其次，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。此外，我们在这种自己动手的设计中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的分析。总之，这次的课程设计对我来说说是一个很好锻炼自己的机会。

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附录：梯形图程序

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