题目   可编程控制器在带式传送机自动控制中的应用设计 摘  要可编程控制器（Programmable Logic Controller）是从原来具有逻辑控制，顺序控制等功能，发展到现在已具有模拟量输入/输出，定位控制，旋转角检测，高速记数，数据处理，联网通信等功能。可编程控制器一种数字运算与控制操作作为一体的电子控制系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入或输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按照易于与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。带式输送机在许多企业中以成为不可缺少的，但其控制单元种类繁多，都存在着性能和功能的差异。本课题就是应用可编程控制器来实现对带式输送机的自动控制，来实现多功能和稳定性。能够更好更快的自诊断故障。  由于传统继电器控制的带式输送机存在电路复杂、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点，提出了用PLC对带式输送机控制系统进行设计。介绍了三菱公司的FX2N系列可编程控制器在传输控制系统中的应用，给出了PLC控制带式输送机系统的硬件组成和软件设计，其中包括PLC选型、I/O地址分配、I/O端子接线、程序设计和控制原理。关键词：PLC；梯形图；带式输送机；FX2N Abstract: Becaue of traditional relay control of  transmission belt, there are lots of disadvantages which  include device complexity, inferior reiability ,malfunction analysis and trouble obviation. The paper shows PLC to design the electrical control of transmission belt.The application of FX2N series PLC of the corporation of MITSUBISHI in the control system for transmission belt is introuduced in this paper .The paper gives the design of hardware and software abou the electrical control of transmission belt,which include selecting a model of PLC ,distributing address of I/O,wriring diagram of I/O,designing of programmable trapezium and theory of control.Keywords: Programmable Logic Controller; trapezium diagram;  transmission belt;   FX2N.                   前   言带式输送机是一种连续、快速、高效的物料传输设备，广泛应用于煤炭、电力、建材、化工、机械、轻工业等行业的物料传输传输系统。一般带式输送机的电气控制系统采用硬接线的方式的继电器控制系统，设备故障率高、可靠性低、体积大、维修和改造不方便。本文介绍一种带式输送机的PLC控制系统。PLC（Programmable Logic Controler）是可编程逻辑控制器，是微型电子计算机与常规控制元件、如继电器等互相结合形成的新型工业自动化控制装置。它是在一位机、顺序控制器和计算机控制的基础上发展起来的；把继电器控制简单易行、成本低、通用性好等特点结合起来；抛弃了传统的计算机编程语言和表达形式，而是以计算机软件技术构成人们习惯的继电器模型，进而得到以继电器电路梯形图为基础的形象汇编语言和模块化软件；对于继电器、计时器、定时器和输入信号等内部资源，它可以自如地使用软件构成的逻辑功能多次进行调用。PLC不但能代替继电器控制简单的开、关顺序，而且能够控制模拟量，还具有通讯及联网功能，可形成分布式控制系统，监视其他的控制器。并能与上位机进行通讯联系，收集生产中的数据，向各主管部门传送重要信息。自60年代末PLC产生至今，PLC控制技术已在工业控制领域占领主导地位，国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的3大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）中跃居首位。 以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块 等优异功能、PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志。                 选题背景  近20年来，可编程控制器在我国已获得了极其重要和广泛的应用，，他不仅可作为单一的机电控制设备，而且它作为通用的自动控制设备，也被大量的用语过程工业的自动控制。可编程控制器与其他计算机控制装置，如集散控制系统、现场总线控制系统、计算机基础过程系统、信息管理系统等，一起已成为工业控制领域的主流控制装置。我选择了三菱公司的最新并具有代表性的FX2N系列中、小型可编程控制器作为样机。三菱FX2N系列产品及程序通俗易懂、操作方便、实用性强：PLC简单易学。它用梯形图（LADDER  DIAGRAM）编程语言编程，类似于继电器控制线路图。只要具有继电器控制线路图这方面的知识，就可以很快学会编程和操作，不存在计算机技术和传统电器技术之间的专业“鸿沟”，系统扩展灵活，它采用积木式结构具有各种I/O模块和A/D、D/A模块等，便于各种需要配置成各种不同模块的分布式或集中式的控制系统。PLC的输入口可与触电式开关直接相连，输出口与执行元件（接触器、电磁铁）相连，即在PLC的端子上接相应的输入、输出信号线即可，使用非常方便。当控制要求改变时，要变更控制系统的功能，可用编程器修改程序。它还可以用于不同的受控对象只要输入、输出组件和应用的软件不同而已，可与强电相连，并有较强的带负载能力；体积小，重量轻便于安装，有自检和监控功能，能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试提供方便，由于接线少，维护方时只需更换插入式模块，维护方便。            用可编程序控制器来控制一台带式传送机，需要考虑到电动机正反转控制、与带之间启动的时间差、传送带的速度控制、传感器的输入、整个过程每一步输入输出的逻辑关系等一些问题，较以往的要求相比较是存在一些不同点，相对提高了少，为了实现任务要求的各项功能，还需在这个基础上进行部分功能扩展，使得整个统的功能更加完善。当然，选择这个课题并非只运用可编程控制器的知识，还要结合电路基础和电子技术、电动机传动原理、继电器-接触器控制系统课程的知识，运用它们来将该课题设计完成。   方 案 论 证 对于该课题设计，基本上存在三种方案，但是针对设计的要求，对各个方案进行比较、选择，大致分析过程如下：方案一   利用强电电路，虽然强电电路也可以控制整个系统的运行，但是其电路连接复杂，不便直接操作且不能实现自动化，同时存在一个稳定性、可靠性的问题，而且很难制动继电器，不能够很好的完成所给定的任务。方案二  只利用PLC可编程控制器，若只利用PLC可编程控制器，其高可靠性是绝对可以保证系统的稳定性的，存在强电容易损坏PLC的问题。而且程序复杂，控制器的运算时间变长。方案三  利用PLC可编程控制器来控制，再加上强电电路组成的控制部分。这个方案是利用了PLC的高可靠性和强电电路的简单化，整个系统的动作均由可编程控制器控制，控制部分的信号通道由PLC和按钮开关来控制，这是为了保证电机动作的准确性。这个方案包含了方案三的优点，从而保证了整个系统的可靠性之外，还可以简化程序。与上面的三个方案相比较，方案三的可行性最高，也是最简单，可靠的。综合上面的简单分析，本设计采用方案三进行设计。        第一章    概述 可编程控制器一种数字运算与控制操作作为一体的电子控制系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入或输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按照易于与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。 1.1可 编 程 控 制 器 简 介自1969年第一台可编程控制器面世以来，经历了30多年的发展，可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器可以说只有可编程控制器才是真正的工业控制器初期可编程控制器只是用于逻辑控制场合，用于代替继电器逻辑控制盘，但现在可编程控制器以进入包括过程控制、位置控制等场合所有控制领域（如过程仪表、计算机、集散系统、分散系统）的优点在许多场合只需可编程控制器既可构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集及控制和图形工作站的经济合算、体积小巧、设计调试方便的综合控制系统。“ 可编程控制器”是一种数字运算电子操作系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入或输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按照易与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。 由上述定义可以看到，可编程控制器是：“数字运算操作的电子系统”即为计算机产品。“专为工业环境下而设计” ，即为工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”。因此编程方便，它能完成“逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作”，它还具有“数字量、模拟量的输入输出控制”的能力。并且非常容易与工业与“工业控制系统联成一体”，易于扩充。这就是新一代的、现场工人易于接受的“蓝领计算机”，是真正的工业控制计算的工业控制器。 1.2  PLC的特点1．            可靠性好：由于PLC采用输入和输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等技术，所以PLC可以在工业控制现场的恶劣环境中可靠地工作。平均无故障时间可高达5万~10万小时以上。2．            功能完善：PLC的种类多、模块丰富和指令功能强大，使目前的PLC几乎可以完成所有的工作控制任务。3．            编程简单：类似继电器控制系统图的梯形图语言易学易懂，非常容易被技术人员掌握。4．            在线编程：在工业现场，可以使用手持编程器或笔记本电脑对PLC进行编程。当PLC联网后，可以在网络的任一位置对PLC进行编程。5．            安装容易：由于采用模块化的结构，现场安装非常简单。6．            体积小、重量轻、功耗低：在现场集成电路技术的支持下，PLC的体积越来越小，且功耗也越来越低。7．            价格越来越便宜：在生产厂家增多、集成电路技术进步等因素的影响下，PLC的价格越来越低。1.3  PLC的用途1．            取代继电器控制：在灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、生产流水线等方面进行逻辑控制。2．            过程控制：对温度、压力、流量、物位高度等连续变化的物理量进行控制。3．            位置、速度控制：在机器人、机床、电机调速等领域进行位置、速度控制。4．            数据监控：在电力、自来水处理、化工、炼油、轧钢等方面进行数据采集、监控和控制。5．            组成分散控制系统：把PLC作为下位机，与上位机的计算机共同组成分散控制系统。可以说PLC几乎应用到了工业控制的每一个领域，小到家庭的灯光照明，大到冶金、石化企业的生产过程都有PLC的应用。1.4      PLC的发展1．            小型、微型化：PLC的一个发展方向是越来越小，一些PLC只有手掌大小，使用起来灵活方便。2．            大型、超大型化：PLC的另一个发展方向是大型和超大型，这些PLC具有上万个输入输出量，用于石化、冶金、汽车制造等领域。 3．            智能化：PLC中的输入输出单元越来越智能化，这些单元具有模糊控制、PID控制、位置控制、温度控制、远程通信等功能，并根据生产要求，正在不断推出新的智能单元。4．            CPU能力更强：选用时钟更快、功能更强的CPU是PLC发展的趋势。5．            支持更多的工业线路：支持多种工业标准总线，使联网更加容易和简单，更易于组成工程控制网。6．            编程软件标准化：采用国际标准化的IEC1131-3编程语言，可以大大缩短开发周期。7．            人机交流功能更强：在为PLC配置了操作面板、触摸屏等人机对话手段后，其应用领域进一步扩展，应用更加方便。8．            数据处理能力大大增强：PLC与个人计算机技术结合后，使得PLC的数据处理、存储功能大大增强。                  第二章  PLC的结构、工作原理及特性2.1  PLC的基本结构PLC的型号、规格繁多，它主要由中央处理单元CPU、存储器、输入、输出等部分组成中央处理单元CPU       CPU是PLC的核心，其主要作用上：（1）   接收从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中；（2）   用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入程序存储中；（3）   执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐条执行，完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作；（4）    通过故障自诊断程序，诊断PLC的整机性能有着决定性的影响。因此，CPU的性能对PLC的整机性能有着决定性的影响。存储器 PLC的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。（1） 系统程序存储器（区）该存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序是PLC研制者所编的程序，它是决定PLC性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序库及其他各种管理程序等。系统程序由制造厂提供，一般都固化在ROM或EPROM中，用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调PLC各部分的工作，翻译用户程序，进行故障诊断等。（2） 用户程序存储器（区）该存储器存放用户程序（应用软件）。用户程序是用户为解决实际问题并根据PLC的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经CPU存放入用户程序存储器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器使用RAM。（3） 变量（数据）存储器（区）变量存储器存放PLC的内部逻辑变量，如内部继电器、I/O寄存器、定时器/计数器中逻辑变量的现行值等，这些现行值在CPU进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内容，所以，变量存储器也采用RAM。现今用户程序存储器和变量存储器常采用低功耗的CMOS-RAM及锂电池供电的掉电保持技术，以提高运行可靠性。通常PLC产品资料中所指的内存储容量，是指用户程序存储器而言，且以字（16/字）为单位来表示存储器的容量。 输入、输出接口（I/O） 输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部件，是PLC的重要组成部分。与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同，PLC的I/O接口是按强电要求设计的，即其输入接口可以接受强电信号，其口（简称I/O）输出接口可以直接和强电设备相连接。对于小型PLC，厂家通常将I/O部分就装在PLC的本体部分，而对于中、大型PLC，各厂家通常都将I/O部分做成可供选取、扩充的模块组件，用户可根据自己的需要选取不同功能、不同点数（1点相当于微机I/O接口的1位）的I/O组件来组成自己的控制系统。为便于检查，每个I/O点都接有指示灯，某点接通时，相应的指示灯发光指示。用户可以方便地检查各点的通断状态。（1）     输入接口（2）     输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其转换成标准的逻辑电平，送给CPU处理。  一般的输入信号多为开关量信号，各种开关量输入接口的基本结构大同小异，常有直流和交流开关量输入接口电路两种。下图所示电路是一种直流开关量的输入接口电路，图中所示为一8点输入接口电路，0~7为8个输入接线端子，COM为输入公共高大，24V直流电源为PLC内部专供输入接口用的电源，K0~K7为现场外接的开关。内部电路中，发光二极管LED为输入状态指示灯；R为限流电阻，它为LED和光电耦合器件提供合适的工作电流。以0输入点为例说明输入电路的工作原理。当开关K0合上时，24V电源经R、LED、V、K0形成回路，LED发光，指示该路接通，同时光电耦合器的V发光，VT受光照饱和导通，X0输出高电平。K0未合上时，电路不通，LED不亮，光电耦合器不导通，X0=0，无信号输入到CPU。电路中光电耦合器件的作用有三：（1）实现现场与PLC主机的电气隔离，以提高抗干扰性，因为该器件的发光二极管V与光电三极管VT之间是靠光线耦合传递信息的，在电气上彼此绝缘，一些干扰电信号不易串入。（2）避免外电路出故障时，外部强电侵入主机而损坏主机。（3）电平变换，现场开关信号可能有各种电平，光电耦合器将它们变成PLC主机要砂的标准逻辑电平，如图所示，当K0未合上时，VT不导通，X0点为零电平；当K0合上时，VT饱和导通，忽略VT的饱和压降，X0点为近似5V的高电平，它与外电路的输入电平无关。交流开关量输入接口电路与直流开关量输入接口电路的主要区别是，前者要由现场提供交流电源，输入的交流信号经整流后得到直流，再去驱动光电耦合器。在机械设备中，除开关量外，还常遇到一些模拟量如温度、压力、位移和速度等。对这些模拟量进行采集时，必须经模数转换器（ADC）将模拟量转换成数字量，才能为PLC的CPU所接受。输出接口