摘要
对于小车运料装卸控制系统来说，该工艺设计主要为对装卸料小车进行 A 地装 料、B 地卸料和 C 地卸料，对小车按照规定的流程进行装料、运输、卸料等，系 统通过可编程控制器作为控制单元，采用上位机软件作为监控单元，对装卸料小 车控制系统进行自动化控制设计。按照系统设计的要求，采用三菱 FX3U 系列 PLC 作为主控单元，通过传感器、按钮等对外部的信号进行采集和输入，存储在输入 映像寄存器。在梯形图设计中，按照小车运料装卸控制系统的流程设计，分为手动 控制和自动控制两种方式，对小车运料装卸控制系统的功能要求通过梯形图进行逻 辑实现，将运算的结果寄存在输出映像寄存器中，输出信号控制外部的电动机、 指示灯、电磁阀等设备。按照以上的系统设计思路原理，实现了装卸料小车控制 系统的自动化控制。
关键词：装卸料 PLC 仿真 顺序控制
Abstract
For the control system of the loading and unloading trolley, the process design is mainly to load the loading and unloading trolley at a, B and C, and load, transport and unload the trolley according to the specified process. The system uses PLC as the control unit and upper computer software as the monitoring unit to design the automatic control system of the loading and unloading trolley. According to the requirements of the system design, Mitsubishi FX3U series programmable controller is used as the main control unit. The external signals are collected and input through sensors, buttons, etc., and stored in the input image register. In the ladder diagram design, according to the flow design of the loading and unloading trolley control system, it is divided into manual control and automatic control. The function requirements of the loading and unloading trolley control system are realized by ladder diagram logic. The calculation results are sent to the output image register, and the output signal controls the external motor, indicator light, solenoid valve and other equipment. According to the above system design ideas, the automatic control of the loading and unloading trolley control system is realized.
Key words: Loading and unloading car PLC Simulation Sequence control
目录
摘要 3
Abstract 4
目录 5
第一章 绪论 6
1.1 课题的研究意义和目的 6
1.2 系统的设计内容 6
1.3 系统的设计思路 7
第二章 小车运料装卸控制系统的总体设计 8
2.1 系统的动作设计要求 8
2.2 系统的设计方案 9
第三章 小车运料装卸控制系统的硬件设计 11
3.1 PLC 的选型 11
3.2 限位开关的选型 12
3.3 电动机的选型 12
3.4 电磁阀的选型 13
3.5 主电路设计 14
3.6 PLC 电路设计 14
第四章 小车运料装卸控制系统的软件设计 17
4.1 编程软件的应用 17
4.2 小车运料装卸控制系统系统的功能流程设计 18
4.3 系统的程序设计 19
4.3.1 手动控制程序 19
4.3.2 自动控制程序 20
4.3.3 外部输出控制程序 24
4.4 系统的模拟运行 25
第五章 小车运料装卸控制系统的组态仿真 29
5.1 组态仿真设计的思路 29
5.2 组态仿真设计的过程 29
5.3 系统的仿真调试 33
第六章 总结 36
致谢 37
参考文献 38
附录 39
附录 1：梯形图 39
第一章 绪论
1.1 课题的研究意义和目的
PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技 术为基础的新型工业控制装置。在工业现场，PLC 对于装卸料小车的应用比较广 泛，主要实现对配料的运输功能。按照装卸料小车的设计需求，实现配料的装料、 运输、卸料、返回归位等功能。装卸料小车的设计具有很强的顺序思路，按照规 定的控制顺序来进行装卸料小车控制的设计。对于装卸料小车的设计，以往的设 计采用继电器-接触器控制，对于继电器-接触器的系统，按照功能设计的要求， 图纸设计和接线设计比较复杂，并且功能比较固定，无法适应产品的适应性要求。 在现场应用中，往往故障率比较高，而且故障的查询维修比较费时费力。特别遇 到产品升级或系统改造升级时，继电器-接触器控制系统面对升级需求，往往适 应性差，导致系统拆除，为了解决该问题，需要通过 PLC 系统来进行装卸料小车 的自动控制设计。PLC 专门为现场特定的工业环境而设计，具有很强的抗干扰性 能和适应性能，并且 PLC 的功能模块类型较多，体积较小，对现场各种工况的工 艺需求都能适应，并且具有强大的通讯设计功能，常见的有 PROFINET、PROFIBUS 等现场总线功能，能够将现场各种设备连接在一起，组成强大的现场控制系统。
1.2 系统的设计内容
本设计针对系统装卸料 运输小车主要往返于 A 地、B 地、C 地之间，A 地为装料位、B 地和 C 地为卸料位， 通过限位开关进行位置检测。装卸料控制系统主要由电动机、电磁阀、位置监测 开关、控制单元等组成。按照规定的流程进行物料输送，通过控制单元实现手自 动切换和外部行程开关的监测，按照设定的流程进行控制。具体设计内容如下：
（1）对装卸料小车采用异步电动机实现来回往复运动，通过限位开关进行位 置保护。
（2）系统运行首先进行回位控制，当装卸料小车回位到装料位置后，通过电 磁阀控制进行装料，延时 200 秒后，装料完毕。装卸料小车开始右行，当装卸料 小车右行到 B 地，碰触 B 地的限位开关后停止，车厢开始翻转，当翻转到位后， 开始卸料，卸料延时 250 秒后，车厢开始返回原位。当返回原位后，装卸料小车 开始左行，当左行到装料位置后，继续开始装料，重复以上步骤，将料运往 C
地进行卸料，卸料完毕后回到原位。
（3）对系统进行保护设计，包括装卸料小车的热过载保护、极限限位保护等。 如果出现以上故障，将立即停止运行。
1.3 系统的设计思路
按照小车运料装卸控制系统的设计基本内容，以及基于 PLC 的系统设计方法， 对于装卸料小车系统的设计，具体设计思路主要包括总体方案设计、系统的硬件 选型设计、系统的 I/O 分配设计、硬件接线图纸设计、功能流程图设计以及系统 的软件程序设计、以及系统的仿真调试设计等。按照该设计思路，对每个章节的 设计要求如下：
（1）在第二章中，对小车运料装卸控制系统的总体控制要求进行阐述，对系统 的要求提出具体的控制策略和方案选择，明确系统的外部输入部分功能和控制的 对象功能等。绘制系统的总体设计方案框图，阐述小车运料装卸控制系统的控制架 构。
（2）在第三章中，对小车运料装卸控制系统的设备进行选型，主要包含了可编 程控制器选型、输入部分电器元件选型和输出执行元件的选型。对系统的外部输 入和输出进行地址分配，按照输入输出地址的分配，对小车运料装卸控制系统的接 线图进行设计，并对接线图进行详细阐述。
（3）在第四章中，对小车运料装卸控制系统的功能流程图进行设计，按照功能 流程图的功能设计，对系统的程序梯形图进行设计。按照功能和控制方式的要求， 对梯形图进行详细描述。
（4）对系统进行总结，主要从功能设计的完整性、系统的优点以及设计的不 足进行总结，并且对系统后期的改进设计提出建议。
第二章 小车运料装卸控制系统的总体设计
2.1 系统的动作设计要求
根据装卸料小车的设计基本要求，装卸料小车往返于三地之间，分别为 A 地、B 地和 C 地。系统主要在 A 地的装料处将配好的料进行装车，通过电动机正 转，将装卸料小车运往 B 地或 C 地的卸料处，再进行卸料，当卸完料后，再通过 电动机反转，将装卸料小车返回到装料处，进行下一步循环。通过往复运动，来 实现装卸料小车的自动控制功能。如图所示。
图 2-1 系统设计示意图
根据装卸料小车的控制示意图，主要实现装卸料小车在一地装料处和两地卸 料处之间的往复运动，设计的思路为顺序控制，具体设计要求如下：
（1）系统分为手动和自动两种控制方式，手动时，通过外部按钮来控制装卸 料小车的右行和左行，当碰触相应限位开关的时候，就要停止。
（2）在自动控制时，首先进行回位控制，当装卸料小车回位到装料位置后， 通过电磁阀控制进行装料，延时 200 秒后，装料完毕。装卸料小车开始右行，当 装卸料小车右行到 B 地，碰触 B 地的限位开关后停止，车厢开始翻转，当翻转到 位后，开始卸料，卸料延时 250 秒后，车厢开始返回原位。
（3）当返回原位后，装卸料小车开始左行，当左行到装料位置后，继续开始 装料，重复以上步骤，将料运往 C 地进行卸料，卸料完毕后回到原位。
（4）卸料完毕后，翻转电磁阀停止动作，归位电磁阀开始动作，车厢开始缓 慢归位。当归位到位后，装卸料小车开始左行返回。
（5）对装卸料小车的限位进行保护，这样有利于小车安全运行。对装卸料小 车往返电动机进行热继电器保护设计。
（6）当上料电磁阀、翻转电磁阀和归位电磁阀动作时，液压泵自动运行动作。
图 2-2 小车运料装卸控制系统流程图
2.2 系统的设计方案
对于小车运料装卸控制系统的设计功能描述，系统的设计主要实现该系统的小 车 A 地装料，B 地和 C 地卸料的控制功能，依据该系统的控制功能和系统控制策 略，进行系统的控制方式比较和选择。针对目前市场上的自动控制方案，主要应 用方式包括继电器-接触器控制方式、基于单片机的控制方式以及基于 PLC 的控 制方式，每个控制方式都应用在特定的工业场合。
PLC 应用的范围比较广，重点应用在工业环境下的自动化控制系统。特别是 近年来计算机应用技术的发展、通信技术的发展、传感器技术的发展等，为可编 程控制器的功能丰富全面提供了条件。PLC 应用在各种工业领域，解决现场复杂 的工艺功能，将现场所有需要控制的执行单元连接在一起，可以实现高精度和高 智能的控制。PLC 对现场适应性比较强，具有很强的抗干扰性能，并且可靠性高， 稳定性好，能够解决各种复杂的控制功能，PLC 的设计，往往根据现场各种各样 的需求，通过模块化设计，来更好的适应现场需求。比如现场的数字量或模拟量 I/O 点数较多，就可以在 PLC 中扩展更多的数字量模块或模拟量模块。如果现场 中需要实现精度比较高的控制，需要将编码器信号或位置传感器信号输入到 PLC， 就可以在 PLC 中扩展专用的高速计数模块，用来检测现场的脉冲，达到更高的控 制精度。
按照以上的分析，系统设计选择可 PLC 作为控制单元进行装卸料小车的手动 控制和自动控制，具体的控制方案如下：
（1）系统选用电动机作为小车的驱动单元，电动机实现正反转控制功能，正 转时小车右行、反转时小车左行，通过各地的限位开关进行小车的位置检测和控 制，对电动机设计采用热继保护功能，保护电动机的稳定运行。
（2）选用电磁阀实现小车翻转和归位，并通过 PLC 输出动作来控制电磁阀的 得电和失电。
（3）系统设计分为手动控制和自动控制两种方式，手动控制时，通过外部按 钮实现小车和电磁阀的点动运行；自动控制时，按照规定的设计流程对小车的运 动进行顺序自动控制，对系统进行运行显示、自动显示和故障显示。
（4）系统设计采用置位和复位的功能，采用定时器或限位开关进行动作的切 换，实现小车的顺序控制动作。
按照以上的方案分析，具体设计的方案如下图 2-2 所示。
图 2-3 系统设计方案框图
按照此系统设计的方案框图，完成系统的硬件选型设计、接线图设计、功能 图设计以及梯形图设计。对系统进行程序仿真调试，达到设计要求。
第三章 小车运料装卸控制系统的硬件设计
3.1 PLC 的选型
PLC 在开发之初，是为了解决工业现场的控制问题，取得很好的控制效果。 PLC 是基于工业现场开发的智能控制器，可以解决工业现场的各种工况问题，对 于现场的工况，主要包含了现场执行机构的逻辑控制和联锁控制问题、对现场模 拟量数据进行检测和控制问题、对现场数据进行远程通讯和数据交互问题、对现 场的各种复杂问题进行计算和过程控制问题等。面对这些工况问题，通过 PLC 来 实现，PLC 是基于现场环境开发，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、扩 展性能比较好等优点，在硬件和软件的开发设计过程中，周期可以预算，后期升 级方便，成为当前工业社会发展的可信赖的工控产品，也是现代工业智能化、自 动化的发展方向。
对于小车运料装卸控制系统的控制，按照课题设计的基本要求和功能点，系统设 计需要预留 15%-20%点数，所以按照设计的统计要求，需要输入部分不少于 20 个，输出部分不少于 16 个。按照此要求进行 PLC 的选型设计，三菱公司生产的 小型 PLC 主要为 FX 系列。对于 FX 系列 PLC，使用的场合比较多，根据使用场合 的复杂程度和具体要求进行选择。FX 系列 PLC 的功能比较多，采用 GX-Developer
或 GX-WORKS 软件进行程序设计和编译。在硬件中，该 PLC 可以扩展 7 个模块， 通讯方式为自由口通讯，可以组态 MODBUS 通讯。通过编程电缆可以实现程序 的下载和上传。本设计按照系统控制的要求，选择的 PLC 为 FX3U-48MR,该 PLC 具有 24 个 DI 端子，24 个 DO 端子，使用的电源为交流 AC220V。可以实现系统 的逻辑控制和数据计算，可以实现上位机和 PLC 之间的通讯和数据交互。系统设 计采用该 PLC 可以满足设计的要求。
图 3-1 FX3U---48MR 可编程控制器外观图
3.2 限位开关的选型
小车左行和右行过程中，需要对小车的位置进行判断，对翻转动作和归位 动作进行检测，这就需要用到限位开关的电器元件来完成判断检测。 限位开关 的型号比较多，一般分为接触式限位开关和非接触式限位开关，接触式限位开关 由连杆机构、滑轮、电气盒等组成，当机械机构到达限位位置，将碰触限位开关 的滑轮，此时连杆机构发生位移变化，将电器盒内的常开触点接通为常闭，常闭 触点断开为常开，从而输出信号给 PLC。对于非接触式限位开关，主要包括感应 器、接线盒等。当机械机构到达限位位置，将非接触式限位开关可以感应到当前
机械机构的位置，此时将电器盒内的常开触点接通为常闭，常闭触点断开为常开， 输出信号给 PLC。对于接触式和非接触式的限位开关选择，主要依据感应对象的 特性和要求。如果感应对象为机械机构，就选用接触式限位开关，如果感应对象 为不可接触的物体，选用非接触式限位开关。
限位开关作为位置检测的主令元件，主要分为两部分，检测部分和电路部分。 检测部分负责感应或识别感应对象的当前位置，如果感应到对象达到规定的位 置，就通过电路部分的触点实现信号的状态变化，将常开触点变为常闭，将常闭 触点变为常开。电路元件都安装在电路小盒子内，小盒子与外部的检测部分连接。 本设计按照要求，以及设备安装限位开关的位置和方式，选择的限位开关型号为
YBLX-K1/411,该限位开关属于活塞式的限位开关，可以接触感应对象的表面，通 过感应对象表面的接触碰触，实现位置的检测。该限位开关的触点电压可以达到 AC380V 以上，完全满足系统设计的要求。
3.3 电动机的选型
图 3-2 YBLX-K1/411 型限位开关
小车的左行和右行，采用正反转控制，按照小车容量的大小，设计的电动机 功率需求不小于 3kW。电动机在选型过程中，往往需要考虑负载的类型和供电电 压等参数，对于电动机的启动运行，当采用直接启动方式，就是通过接触器吸合，
电动机瞬时开始运转，这种启动方式的启动电流比较大，一般为额定电流的 6 倍以上，所以对于直接启动方式的电动机，其电动机功率一般小于 15kW.而对于 15kW 以上的负载，需要考虑星三角启动或软启动方式拖动电动机运行。该启动 方式的启动电流有所限制，不会对电网造成很大的冲击和影响。如果要实现电动 机的调速功能、转矩控制功能等，这就要考虑采用变频器实现电动机的启动和运 行。变频器可以实现异步电动机的速度调节，加减速时间调节以及电流转矩控制 调节等。
图 3-3 异步电动机示意图
本设计使用的电动机，主要用于对装卸料小车进行拖动，负载为一般负载， 轻载运行。所以选择采用 Y 系列异步电动机实现负载拖动。电动机容量为 3kW， 额定转速为 1440r/min。Y 系列的异步电动机使用性能比较好，可靠稳定，使用 寿命好，维修方便可靠。
3.4 电磁阀的选型
按照小车运料装卸控制系统的设计要求，需要选择电磁阀作为执行元件，对小 车翻转和归位进行控制。通过电磁阀动作油缸，来完成小车的翻转动作和归位动 作，实现系统的动作输出。介质为常用的介质，接口尺寸为 3/8PT，电压等级按 照系统要求为 DC24V。根据以上的选择数据要求，选择国产电磁阀，具体型号为 3V210-80-NC。该电磁阀为两位三通电磁阀，可以直接导通介质或截止介质。该 电磁阀一共三个接口，分别为 S 进油口、P 出油口、N 排油口，当线圈得电时， S 进油口和 P 出油口之间通路，介质可以流动；当线圈失电时，介质停止流动，
并且 P 出油口的介质可以通过 N 排油口排出。电磁阀的具体示意图如下图所示。
图 3-4 3V210-80-NC 电磁阀示意图
3.5 主电路设计
根据小车运料装卸控制系统的设计内容和方案,对系统的主电路进行设计,系统 主电路主要为装卸料小车电动机的设计,该电动机设计需要实现电机正反转控制, 对于该电动机的主电路设计,需要电器元件包含了断路器、接触器、热继电器等。
断路器的主要作用是通断电动机的主回路，并且实现电动机的过流、短路保 护。断路器的额定电流为电动机额定电流的 1.5 倍到 2.5 倍。按照 1.5 倍系数进 行计算。按照电动机的容量，选择的断路器型号为 DZ47-60 3P 系列断路器。接 触器的主要作用是实现主电路触点接通或断开，电动机的启动和停止操作，需要 控制系统发出执行命令来控制电动机的启停操作，所以必须要有吸合线圈的动作 才能控制交流接触器的主触点接通或断开。选择的交流接触器型号为 CJX2-0910 AC220V 系列。热继电器的主要作用保护电动机过载，由于外部的负载不稳定， 电动机拖动负载是变化的。如果外部的负载超过了电动机的承受能力，电动机将 很快发热，当电动机温度到达一定临界值时，电动机将会烧坏。选择的热继电器 产品型号为 JRS1-D09316 系列。在主电路设计中，QF 为断路器的电气符号、KM 为接触器的电气符号，FR 为热继电器的电气符号。
图 3-5 系统主电路接线图
3.6 PLC 电路设计
在小车运料装卸控制系统的硬件设计中，PLC 的硬件设计为重要部分的设计， 也是决定系统是否正常运行的关键部分。根据设备的选型，选用的 PLC 型号为
FX3U-48MR，电源输入电压等级为 AC220V，输入输出端子为继电器型端子。PLC 包含了编程电缆接口接口，以及各种 PLC 状态指示灯。根据系统的 I/O 分配可知， 需要设计输入部分包含了外部按钮启停和方式转换、传感器信号输入、系统保护 输入等，输出部分包含了执行元件线圈输出、指示灯输出等。对于 PLC 的接线， 要严格按照系统的 I/O 分配进行接线设计，这样做的目的是对每个端子的功能进
行确定，以便于后期程序设计方便查询，后期调试方便。具体的接线图如下所示。
图 3-6 系统的 PLC 接线设计图
在设计控制电路之前我们将对 PLC 的 I/O 口进行分析和分配。在设计方案 中，我们将使用到向左和向右的两个手动启动按钮，分别对应的输入口为 X3 和 X4，系统停止按钮对应输入口为 X1，在 A、B、C、限位点对应的分别 X12、 X10、X11、热继电器为 X5，车厢手动翻转为和手动归位分别为 X6 和 X7，Y0 和 Y1 对应着小车的右行和左行，翻转电磁阀和归位电磁阀分别为 Y2 和 Y3，运 行指示、自动指示和故障指示分别为 Y4、Y5 和 Y6，装料电磁阀为 Y7，具体 I/O 分配如下图所示：