摘 要
20世纪60年代以来，随着科学技术的进步和微电子行业的快速发展，可编程控制技术也处于快速发展阶段，在工业自动化控制领域中得到了广泛的运用。可编程控制器（PLC）拥有可靠性高和操作简便等特点，已经成为了工控领域重要的，也是不可或缺的一部分。运料小车系统作为具有代表性的PLC控制系统，普遍存在于现代化的工业生产中。传统的运料小车系统非常落后，大多都是运用继电器来进行控制，众所周知，继电器控制有着很多的缺点，如故障率高、接线复杂、维护维修难度大等。PLC已经成为目前国际控制市场上的主流产品，并且在市场、技术等方面较继电器有很大的优势，继电器控制逐渐被PLC控制所替代已是一种趋势。
运料小车的电气控制系统若与PLC控制技术相结合，可以很容易地实现运料小车的全自动运行，不仅降低了系统的运行成本，更重要的是工业生产效率得到了显著的提高。现阶段，PLC的功能不仅仅局限于能实现继电器的逻辑控制功能，还具有数字量和模拟量的采集和转化、以太网通信、PID算法调节、DCS生产监控及故障自诊断等功能。本文以信捷电气股份有限公司生产的信捷XC系列PLC为基础，通过两周的自学，按照控制要求设计出了一套完整的运料小车控制方案，具体内容如下：
首先，介绍了运料小车控制系统的研究背景，发展状况，概括了它的发展趋势和应用前景。并初步分析了控制思路，明确实验的目的。
其次，对实验中所要用到的PLC、触摸屏、变频器等硬件进行进一步的研究，了解其硬件结构、参数设置和软件编程。详细分析了控制要求，并能根据控制需要选择合适的硬件。成功构建了运料小车模拟系统，为接下来的编程调试阶段打下基础。
最后，根据构建的模拟系统进行相应主程序的编写，主程序大致无误之后，适当加入一些监控程序，包括速度监控、位置监控和状态监控。由于需要配合触摸屏的使用，一些中间标志位也是必不可少的。考虑到实际工程项目中可能会出现的问题，对程序进行了进一步的完善，提高了系统稳定性和安全性。
关键词：PLC；运料小车；控制系统
第三章 运料小车控制系统方案设计
3.1 控制内容与要求
设备的结构简图如下：
3.1 实验设备结构简图
异步电机旋转一周，滚珠丝杠也旋转一周，装在滚珠丝杠另一端的旋转编码器也旋转一周，输出一周的脉冲信号，同时，工作台水平移动一个丝距的距离。当工作台上的定位铁片靠近接近开关时，接近开关输出信号。
控制方案要求：
- 将接近开关2作为原点，1和5分别为左右极限；无论设备处于何种工作状态，遇到左右极限时都必须停止且不可向超限的方向运行；
- 当工作台不在原点时(无论在原点左边还是右边)，按下复位按钮，工作台回到原点；若在原点，则复位按钮无效；
- 设手动、单步和自动模式，原点时自动、单步模式方可自由切换，手动模式任意模式可切换。
- 假定滚珠丝杠的丝距为5mm，工作台处于原点时，在自动模式下，按下启动按钮，工作台以段速1向前(接近开关5的方向)运行40mm，然后再以段速2向前运行40mm，以此类推，走完160mm之后，停止3秒，然后快速返回原点；各段速度可通过触摸屏更改，单位为mm/s；
- 在单步模式下，每按一下启动按钮，工作台完成一步，第一步必须是在原点时才可以启动；上一步完成之后，触发信号才有效，走完第四段之后，再按一次启动，工作台就回到原点；
- 手动模式下，无需设备处于原点就可以启动，可控制工作台的前进和后退，注意左右极限即可；
- 无论设备处于何种工作模式，按下停止按钮时，设备都停止在当前位置，并且必须要复位至原点，才能以自动或者单步模式再次启动；
触摸屏设计要求: - 显示设备当前的工作模式、状态，如前进、暂停、前进的段号、返回、停顿定时等等，工作台的移动速度，单位为mm/s，精确到0.1mm/s；
- 各个模式下，实时显示工作台当前相对原点的位置，单位为mm，精确到0.1mm；
- 工作模式可通过触摸屏修改；
- 所有的触发信号要可以通过外部按钮输入，也可以通过触摸屏输入；如：启动按钮，可用PLC的输入端子输入，也可以由触摸屏上的某一个按钮来输入；
- 各段速度、返回速度、手动速度可设，设定值的单位为mm/s，精确到0.1mm/s。
3.2 方案设计
3.2.1运料小车运动分析
根据生产工艺的要求，可以得出运料小车按控制要求动作的简单时序如下：
3.2 时序图
四个段速没有固定值，四段速及各个时期的速度均可通过触摸屏调节。在自动模式下，按下启动按钮会自动运行一个循环，然后停止在原点，等待下次启动命令，单步模式下每按下一次启动，运行一个步骤，第四段速运行完毕后再次按启动会执行原点回归操作，手动模式下可手动控制小车前进后退，遇到极限会停止。复位时，小车触碰左右极限后会向相反方向运行，正常运行过程中触碰左右极限后会停在原地，此时，只能进行复位操作或者是切入手动模式操作。
3.2.2控制系统框图
异步电机的调速有三种方式：变频调速、改变磁极对数调速和改变转差率调速。由于变频调速范围大，平滑性较好，机械特性较硬，故采用变频调速的方法调速，此时PLC的作用是通过通讯(Modbus协议或者自由格式协议)的方式将频率和运行状态给到变频器内部，通过变频器控制异步电机的运动，而异步电机连接的丝杆可以将电机轴旋转运动变成小车水平方向的运动，即可控制运料小车的前进和后退。
3.3 控制系统框图
通过控制系统框图，可以很清楚的知道硬件之间的控制关系，方便理清思路，为下一步硬件及软件的设计打下基础。
3.3 本章小结
本章节是在仔细阅读了控制要求之后，对运料小车的运动进行分析。画出了简单的时序图，让控制要求更加直观。并且画出了控制系统框图，对整个模拟系统有了大致的了解，为以后硬件的接线理清了思路。
第四章 控制系统硬件设计
4.1 PLC选型
依据对运料小车的控制要求、实际控制需要、输入输出变量的特点以及实验室设备的限制，我选用信捷电气股份有限公司生产的信捷XC3-24RT-E (24点输入输出，继电器晶体管混合输出)PLC，其中输入点数为14，输出点数为10，完全能够满足该系统的控制需求。输入点用来实现小车控制方式的选择、启动、复位、限位、停止及接近开关信号输入，输出点主要用到AB相的通讯，与变频器AB相相连，用来传输运动信号。PLC单元配有数据通讯口，实现PC机和PLC的数据通讯，触摸屏与PLC的通讯。
变频器基本运行配线如下:
图4.1 VB5N系列变频器基本运行配线图
4.6 PLC外部接线图及硬件清单
图4.2 外部接线图
图4.3 多功能实验台
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