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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
ABSTRACT
Since the 1960s, with the rapid development of science and technology and the rapid development of microelectronics industry, programmable control technology is also in a rapid development stage, in the field of industrial automation and control has been widely used. Programmable controller (PLC) has the characteristics of high reliability and easy operation, which has become an important and indispensable part of industrial control field. The transport car system is prevalent in modern industrial production. Most of the traditional transport car system is the use of relays to control, and relay control has a lot of shortcomings, such as high failure rate, wiring complex, maintenance and repair difficult. The PLC as the current international control of the mainstream market controller, in the market, technology and other aspects of a great advantage, relay control is gradually replaced by PLC control is the trend of the times.
The PLC control technology will be applied to the electrical control system of the transport car, which can realize the automatic operation of the freight car. It not only reduces the running cost of the system, but also improves the work efficiency. Now, PLC can not only realize the logic control function of the relay, but also has the digital and analog acquisition and transformation, communication networking, PID regulation, DCS production monitoring and fault self-diagnosis and other functions. Based on the letter XC series PLC produced by Xinjie Electric Co., Ltd., this paper has designed a complete set of control measures for transporting vehicles according to the control requirements. The specific contents are as follows:
Firstly, it introduces the research background and development of the control system, and summarizes its development trend and application prospect. And the initial analysis of the control ideas, clear the purpose of the experiment.
Second, the experiment to use the PLC, touch screen, inverter and other hardware for further study, to understand its hardware structure, parameter settings and software programming. Detailed analysis of the control requirements, and
according to the control needs to select the appropriate hardware. Successfully built a transport car simulation system for the next stage of programming debugging to lay the foundation.
Finally, according to the construction of the simulation system for the preparation of the corresponding main program, the main program is generally correct, the appropriate access to some monitoring procedures, including speed monitoring, location monitoring and status monitoring. Due to the need to cooperate with the use of touch screen, some intermediate signs are also essential. Taking into account the actual project may occur in the problem, the program has been further improved to improve the system stability and security.
Key words：PLC；Material transport trolley；control system
目 录 第一章 绪 论
1.1研究背景
可编程控制器(PLC)，是一种从20世纪60年代开始发展起来的，以微处理器为核心工业控制器。它结合了通信技术、自动化技术以及计算机技术，是现代控制技术的结晶。PLC的目的是作为一种新型的工业装置来取代传统的继电器控制系统。由于其编程简单、可靠性高、体积小、功能完善等特点，得到了大部分企业的青睐。
运料小车控制系统可以看做一种典型的PLC控制系统，在煤矿、港口车站、仓库、矿井等行业中被广泛应用。传统的运料小车大多使用继电器控制，而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。运用可编程控制技术作为小车的控制系统，不仅可以实现系统全自动运行，还可以降低运料小车的运行成本。本论文主要是在学习信捷XC系列PLC的基础上，设计了一套基于该系列PLC的完整的运料小车控制方案，也包括了触摸屏的设计。
1.2运料小车控制系统的发展过程
运料小车的控制系统随着可编程控制技术的发展也越发的完善，生产效率得到不断提高。运料小车的控制经历了以下的三个阶段：
1. 手动控制
20世纪60、70年代，PLC控制技术已经被一些企业运用到运料小车的控制当中。由于可编程控制技术开发的还不成熟，只能通过手动执行来控制机器。早期的控制系统一般都比较复杂，都是由继电器和接触器组成。这种系统存在成本较高、设计周期很长、体积较大等缺陷，不仅操作复杂，还需要有专业人员负责实时操作。 2. 自动控制
20世纪80年代，计算机技术处于飞速发展的阶段，这导致了计算机的价格有了一定下降。部分工控企业为了实现自动化控制、降低成本，使用了机器人技术和自动化设备，充分的将PLC和计算机连接在一起。PLC技术已被广泛运用到运料小车的控制系统当中。 3. 全自动控制
当前阶段，随着PLC技术的发展，对运料小车控制系统进行了不断地完善，PLC不断向高性能、高速度和大容量等方向发展。该系统的完善给工业生产带来了诸多便利。例如新的控制系统价格低，为大型工控企业节约生产成本，新的系统接线简洁，速度快，精度高，维修、改造方便，这些优点的存在导致PLC技术深受各大厂家的欢迎。
1.3本论文主要研究的内容
在本论文中，我首先阅读了一些相关的文献，研究了运料小车控制系统发展的历程和相关背景，并在此基础上加以思考分析，并提出了可行的运料小车控制系统设计方案。其次，我详细阅读并分析了运料小车的控制要求，并按照控制要求分别设计了系统的硬件和软件部分，设计完成之后对程序部分进行了不断地调试，得到满足具体控制要求的系统。最后，在完成控制要求的基础上完善了软件部分，提出了将来的研究方向。
第二章 可编程控制器(PLC)与人机界面(HML)
2.1 PLC与HML的定义
国际电工委员会(IEC)对PLC作了如下的定义：PLC是一种为了满足工业控制需要而设计的电子工作系统。它运用了可编程的存储器，在内部存储用来执行顺序运算、逻辑运算、算术运算和计时等操作的指令，并且能够通过模拟式或者数字式的输入和输出，控制各类的生产过程或者各种机械。由于近年来高速发展，PLC的应用面越发宽广。可编程控制器拥有成熟的继电器控制思路和设计理念，加上高新技术以及电子器件的高速发展，推动了PLC的完善，使其逐渐发展成各具特色的产品。
人机界面(HML)是通过触摸式工业显示器把人和机器连为一体的智能化界面。它作为一种智能化操作显示终端用来替代传统的实体按钮和指示灯。更有很多实用的功能，如设置参数，显示数据，监控设备状态，以曲线/动画等形式描绘自动化控制过程等等。在使用上更加方便、快捷，在使用视觉感受上更具表现力，更重要的是还可以简化PLC的控制程序。触摸屏作为一种特殊的计算机外设，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体崭新的面貌，是极富吸引力的全新的交互设备。
2.2 PLC与HML的结构组成
PLC有很多品种，按结构型式的不同可分为模块式和整体式两种。模块式PLC包括CPU模块、输入/输出模块、电源模块、内存模块等，这些模块组装在同一个机架内，可根据需要选装某些模块。整体式PLC包括CPU主板、内存块、电源、I/O主板等，这些部分组成了一个整体，是不可拆卸的。
1. CPU
将CPU、时钟、并行接口、串行接口、存储器集成在一起，就构成了PLC的核心部件。CPU又叫做微处理器，实际上就是一台单片机，其作用是控制整个PLC的工作。实现逻辑运算、算术运算并对整机进行协调控制，它是整个PLC的运算中心和控制中心。
2. 存储器
PLC的存储器有两种：一种是单片机上自带的存储器，主要用于存储系统程序。另外一种是用户程序存储器，通常都是CMOS型的RAM，用来存储用户程序以及参数，用锂电池作为后备电池，调试起来很方便。
3. 输入/输出接口电路
输入输出的信号可分为开关量、模拟量、数字量这三种类型。输入/输出接口电路连接着PLC与被控对象(机械设备或生产过程)。现场信息通过输入接口传送给CPU，CPU的运算结果以及发出的命令经输出接口送到现场或有关设备。
4. 电源
电源为整个PLC提供能源。在PLC系统中，有两种电源存在：一种是内部电源，是PLC主机内部电路的工作电源。其特点为性能稳定、工作可靠，开关稳压电源使用较多。另一种是外部电源(用户电源)，用于驱动现场执行机构或传送现场信息，需要用户另行配置。
5. 扩展口
扩展口实际为总线形式，可配备开关量的I/O单元，也可配置如模拟量、高速脉冲等单元。用于系统扩展输入、输出点数。如果I/O点离主机较远，可设置一个I/O子系统，用来将这些I/O点归纳在一起，并通过远程I/O接口与主机相连。
6. 存储器接口
存储器接口的内部与总线相连，可根据用户的需求扩展存储器，可扩展的区域为数据参数存储区、用户程序存储区。
7. 外设接口
外设接口可与触摸屏、计算机或其它外设相连，一般作为PLC的通信口使用，以实现编程、调试、运行、监视、数据传送和打印等功能
图2.1 PLC硬件系统
人机界面(俗称触摸屏)由两个部分组成，包括触摸检测装置和控制器(卡)。其中，触摸检测装置一般安装在触摸屏的前部，主要作用是用来检测用户的触摸位置，并传送给触摸屏控制卡。控制器(卡)的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将其转换成触点坐标形式，送给CPU，同时又能接收CPU发出的命令并加以执行，触摸屏从技术原理上来分可分为五个基本种类：电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、表面声波技术触摸屏、红外线技术触摸屏、矢量压力传感技术触摸屏。
2.3 PLC的工作原理
PLC采用周期循环扫描的工作方式进行工作，其工作过程大致可分为如下这几个阶段：
1. 输入采样阶段
当PLC在运行过程中，PLC是以循环扫描的方式按顺序读入所有输入端口的状态信息以及数据，读取后便把这些数据存放到输入映像区所对应单元内，这就是输入采样阶段。输入采样结束以后，PLC转入用户程序执行和输出刷新阶段。当PLC处在这两个阶段中时，输入映像区中各单元的状态和数据不会因为输入的状态和数据发生了变化而发生改变。因此，如果输入的是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，否则该输入信号可能会丢失。
2. 程序执行阶段
PLC在执行用户程序时，梯形图程序通过CPU从上往下依次扫描运行。在扫描每一条支路的过程中，按照从左往右、从上往下的顺序对梯形图进行逻辑运算，得出一个结果，然后用这个结果作为依据刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中所对应位的状态，或者刷新该输出线圈在输出映像区中所对应位的状态。在此阶段，只有输入点在映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软器件则不同，它们在映像区(或系统RAM存储区)内的状态和数据都可能发生变化。
3. 输出刷新阶段
在CPU执行用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照输出映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，此时输出锁存电路不足以驱动被控负载，所以还要再经输出电路驱动相应的被控负载，这才是PLC的实际的输出。
图2.2 信号传递过程
2.4 PLC的编程语言
说一句同样的话，既可以用汉语，也可以用英语，还可以用法语，同样的，编制PLC用户程序也可以使用多种语言。考虑到用户的利益以及PLC制造商的实际要求，国际电工委员会(IEC)通过对种类繁多的概念和编程语言进行了标准化(IEC61131-3)，制订出了工业控制器的标准，这也包括了PLC的标准。其中对PLC定义了5种编程语言，较常见的是梯形图和语句表，而在实际的工程项目中，由于梯形图的高可读性，多使用梯形图编程，在信捷XC编程软件中，可以实现梯形图和语句表的互换，使用非常方便。
2.5 PLC的程序
如何对一个任务或过程进行控制，首先必须使PLC处于运行状态下，然后主机开始循环扫描，通过连续的执行用户程序从而实现控制。所以说程序是决定了一个系统功能的基础，是一个完整控制系统不可或缺的一部分。可以使用相应编程软件在计算机上对程序进行编写。
广义上的PLC程序由3部分构成：用户程序部分、数据块部分和参数块部分。
1. 用户程序：用户程序的结构比较简单，包含主程序，子程序和中断程序三大类。
2. 数据块：数据块主要存放的是程序在运行时所需要用到的数据，在数据块中可以允许布尔型(用来表示元件的状态)、二进制、十进制、十六进制、字符等类型的数据。
3. 参数块：参数块用于存放CPU的组态数据(系统的配置参数)。
2.6 本章小结
PLC的实质其实很容易理解，它其实就是计算机的一种，其硬件结构是与微机基本相同的，但是主要用途是在工业控制上。现阶段PLC已得到广泛使用。在学习PLC的过程中，对PLC有个大致的了解是必不可少的，通过本节，我了解了PLC 的结构与工作原理，对其编程方式也有了一定的了解，为之后的学习打下了基础。
触摸屏通常在实际中与PLC配合使用，能更好的监测实时数据和状态，并能通过触摸屏来控制PLC内部一些寄存器和软元件。通过了解触摸屏，让我能更好的去运用它，在出现了一些未知的问题时也能自行解决。
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：
工作台异步电机滚珠丝杠旋转编码器12345接近开关定位铁片
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：
1. 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；
2. 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；
3. 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。
4. 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；
5. 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；
6. 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；
7. 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:
1. 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；
2. 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；
3. 工作模式可通过触摸屏修改；
4. 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；
5. 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。
4.2 HML选型
触摸屏选择与信捷PLC相配套的信捷TouchWin触摸屏，由于该方案对于触摸屏的要求并不高(可能在实际项目中会有特殊的要求，视情况进行选型)，所以
选用常规款信捷TH765-N的触摸屏，详细参数如下：
电气 特征 接口 环境 属性 结构 参数 输入电压 消耗电流 允许瞬时停电 耐电压 绝缘阻抗 Download口 PLC口 扩展口 操作温度 保存温度 环境湿度 耐振动 屏幕 使用寿命 屏幕分辨率 对比度 文字设定 触摸面板 外部尺寸(mm) 面板开孔尺寸(mm) 注释 DC24V（电压范围：DC22V~DC26V） 250mA 10ms以下（实际失电小于1s） AC1000V，10mA，小于1分钟（信号与地间） DC500V，10MΩ以上（信号与地间） RS232/RS485 RS232/RS485/RS422 RS485，NT3/NU3型号支持 0℃~50℃ -20℃~60℃ 10%RH~90%RH（无凝露） 10~25HZ（X、Y、Z方向各30分钟2G） 7.0〞，65536真彩色 50000小时以上，环境温度25℃，24小时运行 800*480 V1.0以上硬件版本可调（MT/UT除外） 中文简体/繁体、英文、日文、韩文等多种语言 4线电阻式触摸板 204.0*150.5*43.9 192.0*138.5
4.3 三相异步电动机选型
由于实验室中模拟系统所用的异步电机相比实际应用中要求低，对转速和转矩要求也没有那么严格，并且出于实验室器材的有限性，我选用JSCC精研型号为80YS25GY22的自带减速机的三相异步电机，具体参数如下：
型号 产品类型 额定转速 额定电压 额定功率
三相异步电动机 1350（rpm） 220（V） 25（W）
80YS25GY22 额定电流 额定转矩 外形尺寸 效率
0.22（A） 195（N/M） 80*80（mm）
95(%)
4.4 变频器的选型
变频器的选择应遵循如下依据：
1. 选择变频器时应依据实际电机的电流值，电机的额定功率只作为参考。另外，考虑到变频器的输出含有丰富的高次谐波，这会导致电动机的功率因数和效率降低。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10％左右，温升会增加20％左右。所以在选择电动机和变频器时，应适当留有余量，以防止温升过高，从而影响电动机的使用寿命。
2. 变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。
3. 当变频器用于控制并联的几台电机时，一定要把变频器到电动机的电缆的长度总和控制在变频器容许的范围内。如果超过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。另外在此种情况下，变频器只能通过V/F 方式进行控制，并且变频器此时无法实现电动机的过流、过载保护，需在每台电动机侧加熔断器来实现保护。
4. 对于一些特殊的应用场合，如高开关频率、高环境温度、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。
5. 使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗小，会产生较多的高次谐波。而这些高次谐波会使变频器的输出电流值增加。因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。
6. 变频器驱动绕线转子异步电动机时，由于绕线电动机与普通的鼠笼电动机相比，绕线电动机绕组的阻抗小，因此，容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。
综上所述，我选择信捷VB5N-20P7的变频器，VB5N系列是信捷公司生产的具有高性能、低噪音特点的简易型变频器。相比之前的产品提高了稳定性，并且增加了实用的PI调节功能，更有灵活的输入输出端子、参数在线修改、定长控制、摆频控制、RS485控制、现场总线控制等一系列实用先进的运行、控制功能。VB5N系列变频器拥有220V和380V两种电压等级，考虑到实验条件，我选用220V的电压等级。参数如下：
变频器型号 电压等级 额定容量(KVA)
VB5N-20P7 220V 1.5
额定输出电流(A) 适配电机(KW)
变频器基本运行配线如下:
4.7 0.75
图4.1 VB5N系列变频器基本运行配线图
由于使用变频器的通讯功能，所以硬件接线比较简单，除了电源和电机的接线外，只需要将变频器的AB相分别与PLC的AB相相连。在变频器参数设置方面，需要设定的是频率及运行命令实行串口给定和通讯时所需要的一系列配置，包括波特率(19200BPS)、LED数据格式(1-8-1格式，奇校验)。
变频器是通过接收到的运行命令来控制电机的，不同的运行状态对应了不同的运行命令，而运行命令就是由PLC向变频器发出的。对变频器的命令表如下：
参数地址
功能说明
0001H：运行命令（正转） 0002H：正转运行命令
2000H
0003H：反转运行命令 0004H：点动运行命令（正转） 0005H：点动正转运行命令
0006H：点动反转运行命令 0007H：减速停机命令 0008H：紧急停车命令 0008H：紧急停车命令 000AH：故障复位命令
2001H
串口设置频率命令
4.5 编码器的选型
旋转编码器选型有如下注意事项，应注意三方面的参数：
1. 分辨率，又称编码器的线数，即编码器工作时旋转一圈所输出的脉冲数，应满足使用的精度要求。
2. 机械安装尺寸，包括定位口、安装孔位、轴径；出线方式；工作环境防护等级；安装体积。
3. 电气接口，编码器输出方式常见有推拉输出(F型HTL格式)，电压输出(E)，集电极开路输出(C，常见C为NPN型管输出，C2为PNP型管输出)，长线驱动器输出。其输出方式应和其控制系统的接口电路相匹配。
XC系列PLC具有高速计数功能，而且是和PLC扫描周期无关的，可以通过选择不同的计数器来实现针对测量传感器和旋转编码器等高速输入信号的测定。但是XC系列 PLC的高速计数输入只能接受集电极开路信号(OC)，不能接受差分信号，所以必须选择集电极开路信号(OC)的编码器。综合实验室条件及控制要求，我选择分辨率为1024，集电极开路输出的增量型旋转编码器。
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
硬件清单表如下：
PLC 触摸屏 变频器 异步电机 编码器
信捷XC3-24RT-E
TH765-N VB5N-20P7 80YS25GY22 1024线增量型旋转编码器
4.7 本章小结
本章主要对硬件进行了选型，根据控制要求和实际情况选择了相对合理的硬件设备。在选型过程中也对各种所涉及的硬件选型原则有了一定的了解。基本硬件选型完成后，我画了电气接线图，更加直观的展现了各硬件之间的互联，在此过程中也了解了包括PLC、变频器等设备的各个连接端子的作用，还有通讯所涉及到的知识。
第五章 控制系统软件设计
5.1 I/O地址及软元件分配
5.1.1 I/O分配表
输入
名称 X0
注释
高速计数器输入B相
输出
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 A B 高速计数器输入A相
接近开关 启动按钮 停止按钮 复位按钮
左极限模拟行程开关 右极限模拟行程开关 手动模式按钮 单步模式按钮 自动模式按钮 变频器通讯A相 变频器通讯B相
5.1.2 软元件分配表
内部软元件
M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 S0 S1 S2 S3 S4 S5 C2 C630
功能说明 复位继电器 手动模式继电器 单步模式继电器 自动模式继电器 手动前进标志位 手动后退标志位 停止标志位 手动前进 手动后退 未定义功能 段速一减速继电器 段速二减速继电器 段速三减速继电器 段速四减速继电器 段速一运行流程状态 段速二运行流程状态 段速三运行流程状态 段速四运行流程状态 卸料延时3S流程状态 快速返回原点流程状态 单步模式计数器 编码器高速输入计数器
5.2 软件流程图
分析控制要求，上电后判断是否位于原点，若在原点，可设定单步，手动或者自动工作模式，若不在原点，可通过复位按钮进行原点复位，设置好工作模式后按下启动开始运行，若处在自动模式，按下启动，以段速一段速二段速三段速四运行至指定位置之后延时3S卸料，然后快速回归原点，一个循环完成，若要再次启动，需要再次按下启动按钮，若处在单步模式，每次按下启动以一个段速往前运行一段距离，直至到达目标位置，再次按下启动便快速返回原点，若处在手动模式，可以任意控制其前进后退。当运行过程中按下停止按钮，小车立即停车，只能通过复位按钮或者切换至手动模式才能再次运行。
控制流程图如下：
图5.1 软件流程图
5.3 系统软件设计
5.3.1 PLC程序设计
1. 由于用到PLC与变频器的通讯，PLC需要实时把控制异步电机的信号(运行状态和频率)传给变频器，所以我采用信捷PLC特有的顺序功能块功能。可以将顺序功能块(BLOCK)理解为一个特殊的流程，它是为了实现某些功能而存在的
一段程序。在顺序功能块中，所有的程序按照顺序执行原则来执行，这也是BLOCK与一般流程最大的不同之处。
BLOCK开始于SBLOCK、结束于SBLOCKE，中间为编程人员书写指令区。REGW为寄存器写入指令，用来把PLC中某个寄存器里的值写入到变频器内部某个地址，而寄存器里的值就存放着运行状态和频率所对应的命令，我使用D0作为存放运行状态命令的寄存器，D2作为存放频率命令的寄存器。具体程序如下所示：
2. 左右极限的设计，在实际的应用中，通常会在原点左右两端各设置一个行程开关作为左右极限，左极限离原点较近，可作原点回归用，右极限离原点较远，两个极限均可以增加系统的安全性，一旦小车触碰极限，将会立即停车，防止超限引起的事故。后期完善程序时，考虑到一种实际情况，即当在手动模式控制小车前进后退的过程中，极限开关产生了误触碰，如小车前进时人为触碰右极限，后退时人为触碰左极限。此时触碰到极限时小车应立即停止，当误触碰信号解除之后，小车会继续向原来的方向运行，直到松开前进按钮或者真正触碰极限才会停车。具体程序如下：
3. 复位操作，在任何情况下，只要不处于原点，按下复位按钮，小车都会反向运行，进行原点回归操作，若小车在原点左侧，则先反向运行撞击左极限后立刻改变运行方向，到达原点后立即停车。原点信号由接近开关信号接PLC输入端X2获得，即小车到达原点，接近开关灯亮起，X2有输入信号。具体程序如下：
4. 模式选择，根据控制要求，自动模式和单步模式只能在原点才能切换，运行中时按下不起作用，手动模式可以在任何时候切换(包括原点回归时，单步、自动模式运行中时)。在切换一个模式时候，必须保证其他模式不被开启，这个其实很容易实现，只需设置互锁程序即可。由于需要用触摸屏显示当前处于何种模式，所以我使用三个标志位(M1，M2，M3)来表示三种模式。具体程序如下：
5. 流程设计，在自动和单步模式时，我使用了STL流程来编写，使思路更加清晰，因为自动模式和单步模式的动作完全相同，只是控制方式有所差异，所以单步模式不用另外再编写流程程序，只需要在适当的时候开启自动模式的某一部分流程即可，这样就简化了程序。需要注意的是，流程一次只能开启一个，否则会出现程序运行错误。所以在开启一个流程时，一定要复位其他的流程。
在不断调试的过程中，我发现一个问题，异步电机是通过变频器控制的，即使给它紧急停车信号，异步电机也不会马上停止，总会因为惯性往前冲一小段距离，虽然只有几百个脉冲，折合成距离约为几毫米，但是在精度相对较高的实际应用中，这种情况是不被允许的。通过自己的思考和老师的帮助，我确定了两个方案。一是在冲出停下之后执行返回动作，二是在接近目标地点时先执行减速动作，然后以很低的速度接近目标位置，这样就可以比较精确的停车。方案一经测
试虽然可行，但是会使系统稳定度下降，即返回过程中还是可能反向冲出，导致停不到目标位置，而且方案一增加了程序复杂程度，时间一长可能出现未知的问题。所以我选择了方案二，虽然有一定的概率还是会过冲，但是我通过调节减速距离和减速速度，两个参数相互配合，能实现很小概率的过冲。具体程序如下：
6. 单步模式设计，单步模式控制要求需要按一次启动按钮，运行一部分动作，我通过一个计数器对按下启动的次数进行计数，对应不同的次数分别开启对应的流程，执行相应的动作，等计数达到某一数值可以完成一个循环以后，对计数器进行清零操作，下次按下启动又可以重新开始下个循环。并且设置只有当一部分动作运行完成停止之后，按下启动才会作用。既可以保证连续按启动时不会出错，又可以不用单独编写单步模式下的动作程序，从而简化程序，加快扫描时间。具体程序如下：
7. 位置，速度的测量，在实际应用中，实时监控是很重要而且非常有必要的一个环节，他能显示系统的运行状态，当出现事故或者问题的时候能保证及时发现，防止进一步的故障，并且还能通过编写程序达到全自动故障排除的目的。在运料小车的模拟系统中，由于频率是由PLC给变频器的，所以只需要对这个参数进行算数运算，就能得出速度信息。而位置信息可以通过高速计数器中的值运算得出。由于需要相对较高的精度，所以换算时需要用到浮点数计算，整数可以通过指令FLT转换成浮点数，浮点数通过指令INT转换成整数。需要注意的是，运算时要确定数据是16位还是32位的，两者的运算指令稍有不同。具体程序如下：
8. 速度设定，根据控制要求，要求各段速、返回速度、手动速度均可从触摸屏上设置。这个问题的难点在于如何对频率和速度进行转换，从触摸屏中输入的是速度，而变频器接收的只能是频率信息，根据公式n=f/p(1-s)可知，频率与速度呈线性关系，结合丝杆的丝距为5毫米，通过计算可得频率约为实时速度的42倍，然后只需加入数据形式的转换即可完成速度的换算。这一步骤涉及到的寄存器非常多，为了不容易搞错，我对存放重要参数寄存器进行注释。具体程序如下：
5.3.2触摸屏的设计
触摸屏的显示需要与程序中的输入输出，软元件以及各种寄存器相配合，在程序框架完成之后需要加入一些标志位，用来监控实时运行的状态，包括处在什么模式下，运行速度，相对原点距离等等，具体程序如何实现在上文中已经详细说明。触摸屏面板设计如下：
其中，复位、手动、单步、自动、前进、后退均为带灯按钮，段速1、段速2、段速3、段速4为指示灯，左右极限、启动、停止为按钮。将触摸屏程序下载进触摸屏，然后将其和PLC串口1连接即可实现触摸屏与PLC的连接。
5.4 编程软件的应用
PLC编程软件采用信捷公司的XC系列专用编程软件XCPPro，该软件可以进行梯形图编程或语句表编程，并能实现互换。XCPPro可实现PLC的基本功能，包括连接上下位机、程序的上下载、控制PLC的启动与停止、相关参数或者数据的查询、PLC的初始化、程序的加密和打印等功能。还有一些特色的功能如下：1. 保密下载
(1) XC系列PLC具有普通下载与密码下载，还拥有独特的保密下载功能，用户不管通过什么方法都无法上传出PLC程序。
(2) 保密下载用户程序，可以占用更少的PLC内部资源，使PLC的程序容量大大增大。 (3) 保密下载用户程序，能够拥有更高的下载速度。 2. 密码下载 (1) 密码下载后，上传时输入正确密码用户可以上传所需程序。 (2) 但是再次下载不需要密码，且可以将之前的密码取消。 3. 高级密码下载
设置高级密码后，下载时需输入正确密码方可下载。 4. 程序导出下载文件
(1) 导出下载文件，供电脑下载”方便编程人员将程序发给客户使用，但是客户看不到程序，起到保密的作用。 (2) 导出下载文件，供PLC等移动设备下载(PLC需要联机)。 5. 注释添加
(1) 可以将程序分成若干段注释，使每段程序作用一目了然，其优越性在大程序上体现的尤其明显。 (2) 可对每个软元件进行注释，即方便用户阅读和理解别人的程序也方便编程者长时间后阅读自己的程序。 6. I/O点数自由切换
当PLC在使用的过程中需要更换输入输出端子或者输入输出端子损坏时，通过I/O端口自由切换功能无需修改程序，只要通过简单设置即可实现更换的目的，使工作变得更加方便、快捷和高效；通过信捷触摸屏即可轻松实现端子更换的工作，即使是无任何编程及电工基础的操作人员都可以更改。 7. C语言功能块
(1) 支持几乎所有的C语言函数。 (2) 在涉及到复杂的数学运算时C语言的优势更加明显。 (3)增强了程序的保密性(无论何种方式下载，C语言部分都无法上传)。 (4) 可进行多处调用和不同文件的调用，大大提高了编程人员的效率。 8. PID功能块
直接配置功能块免去了通过MOV等指令在PID运算前，将目标温度，采样时间等参数写入指定寄存器，并写出PID指令的麻烦，使参数设定更加简单直观且不易出错。 9. 脉冲配置功能块
直接配置功能块免去了通过MOV等指令将脉冲频率，脉冲个数，加减速时间等参数写入指定寄存器，并写出不同脉冲指令的麻烦，使参数设定更加简单、直观、不易出错。 10. 高速计数功能块
用来24段高速计数中断的配置，避免了通过MOV指令将各个段的预置值写入相应寄存器，简单、直观、不易出错。 11. 顺序功能块BLOCK
由于原 XC 系列脉冲、通讯指令不支持多条指令在同一流程中同时执行，因此在程序的编写上会较为繁琐。引入 BLOCK 后，可支持多条脉冲、通讯等指令的编写，所有指令遵循顺序执行原则。而面板配置法是添加BLOCK功能唯一的方法。 12. SD卡功能
(1) 用于扩充XC本体内部数据容量。 (2) 使用FROM、TO指令可实现本体和SD卡间的数据的读写。 (3) 支持4种数据类型：单字(W)、双字(DW)、浮点(Fm.n)、字符(Sx)。 (4) XC本体的软硬件要求为V3.2及以上。 13. 本体运动控制
(1) 本体集普通PLC 功能及运动控制于一身。 (2) 指令处理速度更快。
(3) 最大支持 10 轴的脉冲输出功能。
(4) 可进行X-Y、X-Z、X-U、Y-Z、Y-U、Z-U等的2 轴联动转换。 (5) 可实现两轴联动，支持常见的运动控制指令如圆弧，直线插补等。 (6) 支持随动，滚切，轨迹控制。
详细编程界面如下：
触摸屏编程软件采用信捷公司的TouchWin编辑工具，在使用之前需要先设置型号与所使用的触摸屏型号保持一致，否则无法进行下载。
详细编程界面如下：
5.5 本章小结
软件设计这一部分是最难完成也是最耗时间的，首先需要对编程软件熟悉，要知道一些常用功能在哪里，如何使用它，并且在编程之前需要了解所用到的一些指令，在编程过程中需要不断地调试，消除BUG。本章对大部分程序做出了相应的详解，包括输入输出的分配，各段程序所实现的功能以及编程过程出现的问题和相应解决方案。在经过了好几天的调试之后，我设计的程序能完成控制要求，使小车正确动作，并考虑了如何应对实际中的突发状况。
第六章 总结与展望
6.1 论文工作总结
将PLC技术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，提高工作生产效率。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：
1. 在查阅有关运料小车的文献基础上，综述了运料小车控制系统的研究背景及发展现状，并介绍了PLC的研究现状，发展趋势及应用领域，为进一步研究提供借鉴。
2. 阐述了可编程控制器(PLC)和人机界面(HML)的相关定义，结构，工作原理及特点，并画出了相关的示意图。并对PLC的编程方式有了一个大致的了解。
3. 在熟悉控制要求的基础上首先设计了一个控制方案。分析控制要求并画出了控制系统框图。
4. 对模拟系统实验所涉及到的硬件进行选型，包括PLC、HML、变频器等。画出了其外部接线图，并根据接线图接线，经调试硬件系统无问题。
5. 进行软件的设计，包括输入输出分配，软元件的定义，触摸屏的设计，画出了控制流程图。并根据以上内容编写了控制程序。对调试程序过程中所遇到的问题也给出了相应的解决方案。确保了程序正确的运行，提高了系统稳定性。
6.2 后续研究工作展望
虽然本论文对运料小车系统的研究取得了阶段性的成果，但是受限于本人水平和时间因素，仍有一些问题需做更深一步的研究：
1. 本论文只考虑了运料及送料的过程，对如何装料，装多少料并没有深入研究。若考虑这些，就会涉及到PLC的称重模块以及气缸的控制，其中会有很多的问题需要解决，对硬件的理解也需要更深，所以很值得研究。
2. 受限于实验室器材因素，三相异步电机在实验中的缺陷非常明显，精度很差。相对精度较高的步进电机，伺服电机能否在实际应用中取代三相异步电动机，两者又该如何取舍，也是研究的一个方向。
致 谢
本学期开始的时候，我便来到了无锡信捷电气股份有限公司，进行为期两个月的实习。我也是在公司的实验室完成了该课题的设计。虽说论文的撰写耗费了我大量的心血，但我内心深处的感激之情也油然而生，首先感谢大学对我四年的培养，其次感谢导师对我的悉心指导，老师提出的“三个基本”要求时刻激励着我，正是有了老师的严格要求，我才能不放松自己，认真完成各项工作，最后感谢大学生涯中所有的任课老师，是你们教给了我理论知识，充实了自我。
通过论文的撰写，我总结了做实验过程中的点点滴滴，这对于我今后的工作无疑是不可多得的宝贵财富。感谢各位老师和专家从百忙之中抽出时间来进行答辩工作，由于本人理论水平比较有限，论文中的有些观点以及对问题解决方案的归纳和阐述难免有疏漏和不足的地方，欢迎老师和专家们指正，我也会尽量修改完善。
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附录：程序（语句表） LD M8000 SBLOCK K1 SBLOCKE GROUP
;左右极限 LDP X6 DMOV K8 D0 DMOV K0 D2 LD X6 RST M5 ZRST S0 S5 ZRST M2 M3 LDP X7 DMOV K8 D0 DMOV K0 D2 LD X7 RST M4 ZRST S0 S5 ZRST M2 M3 GROUPE GROUP
;复位操作 LD X5 OR M0 OUT M0 DMOV D58 D2 ZRST S0 S5 ZRST M1 M3 RST M6 MOV K0 C2 LDP X5 ANI X2 DMOV K3 D0 LD X6 AND M0 DMOV K2 D0 LD X7 AND M0 DMOV K3 D0 LD X2 ANI X6
ANI X7 AND M0 DMOV K8 D0 RST M0 ZRST M1 M3 DMOV K0 D2 LD X2
DMOV K0 C630 GROUPE GROUP
;模式选择 LD X10 SET M1 RST M2 RST M3 RST M0 LD X11 AND X2 ANI M6 SET M2 RST M1 RST M3 LD X12 AND X2 ANI M6 SET M3 RST M1 RST M2 GROUPE GROUP
;自动模式流程 LD M8000
OUT C630 K99999999 HSCR C630 D4 LD M8002
DMOV K120 D60 DMOV K100 D62 DMOV K80 D64 DMOV K60 D66 DMOV K100 D68 DMOV K100 D74 GROUPE
LD X3 AND M3 SET S0 STL S0
;段速1 LD S0
ANI M10 ANI M1 LD M3 OR M2 ANB
DMOV K2 D0 DMOV D50 D2 DLD>= D4 K7600 AND M2
DAND< D4 K8192 OUT M10 LD M10 ANI M1
DMOV K150 D2 DLD>= D4 K8192 AND M2 DMOV K8 D0 DMOV K0 D2 DLD>= D4 K8192 ANI M2 SET S1 STLE
STL S1
;段速2 LD S1
ANI M11
DAND<= D4 K16384 ANI M1 LD M3 OR M2 ANB
DMOV K2 D0 DMOV D52 D2
DLD>= D4 K15800 AND M2
DAND< D4 K16384
OUT M11 LD M11 ANI M1
DMOV K200 D2 DLD>= D4 K16384 AND M2 DMOV K8 D0 DMOV K0 D2
DLD>= D4 K16384 ANI M2 SET S2 STLE
STL S2
;段速3 LD S2
ANI M12 ANI M1 LD M3 OR M2 ANB
DMOV K1 D0 DMOV D54 D2
DLD>= D4 K24000 AND M2
DAND< D4 K24576 OUT M12 LD M12 ANI M1
DMOV K200 D2 DLD>= D4 K24576 AND M2 DMOV K8 D0 DMOV K0 D2
DLD>= D4 K24576 ANI M2 SET S3 STLE
STL S3
;段速4 LD S3
ANI M13 ANI M1
LD M3 OR M2 ANB
DMOV K1 D0 DMOV D56 D2
DLD>= D4 K32250 DAND< D4 K32767 OUT M13 LD M13 ANI M1
DMOV K200 D2 DLD>= D4 K32768 AND M2 DMOV K8 D0 DMOV K0 D2
DLD>= D4 K32768 ANI M2 SET S4 STLE
STL S4
;延时3S LD S4
ANI M1
OUT T0 K30 DMOV K8 D0 DMOV K0 D2 LD T0 SET S5 STLE
STL S5 LD S5
ANI M1 DMOV K3 D0 DMOV D58 D2 LD X2
DMOV K8 D0 DMOV K0 D2 DMOV K0 C630 RST S5 RST M3 STLE GROUPE GROUP
;单步模式 LD X3 AND M2 DAND= D0 K8 OUT C2 K5 DLD= K1 C2 DAND= K0 D4 AND M2 SET S0 DLD= K2 C2 DAND>= C630 AND M2 SET S1 RST S0 DLD= K3 C2 DAND>= C630 AND M2 SET S2 RST S1 DLD= K4 C2 DAND>= C630 AND M2 SET S3 RST S2 DLD= K5 C2 AND M2 RST S3 DMOV K3 D0 DMOV D58 D2 LD X2 ANI X6 ANI X7 AND M2 DAND= K5 C2 DMOV K8 D0 RST M2 DMOV K0 C2 DMOV K0 D2 GROUPE GROUP
;停止操作 LD X4
K8192
K16384
K24576
MCS
DMOV K8 D0 ZRST S0 S5 ZRST M2 M3 DLD<> D32 K0 SET M6 RST M0 MCR GROUPE GROUP
;手动模式 LDP M1 ZRST S0 S5 DMOV K8 D0 DMOV K0 D2 LD M7 AND M1 ANI M8 ANI X7 DMOV K2 D0 DMOV D72 D2 SET M4 RST M6 LDF M7 AND M1 ANI X14 ANI X7 DMOV K8 D0 DMOV D0 D2 RST M4 LD M8 AND M1 ANI M7 ANI X6 DMOV K3 D0 DMOV D72 D2 SET M5 RST M6 LDF M8 AND M1 ANI X13 ANI X6 DMOV K8 D0
DMOV D0 D2 RST M5 GROUPE GROUP
;移动速度，相对位置测量 LD M8000
DMOV D2 D20 DFLT D20 D22 EDIV D22 K42 D24 INT D24 D26 LD M8000
DMOV C630 D28 DFLT D28 D30 EDIV D30 K204.8 D32 GROUPE GROUP
;段速频率设置，返回速度设置 LD M8000 DFLT D60 D40 DFLT D62 D42 DFLT D64 D44 DFLT D66 D46 DFLT D68 D48 DFLT D74 D70 LD M8000 EMUL D40 K42 D10 EMUL D42 K42 D12 EMUL D44 K42 D14 EMUL D46 K42 D16 EMUL D48 K42 D6 EMUL D70 K42 D8 LD M8000 INT D10 D50 INT D12 D52 INT D14 D54 INT D16 D56 INT D6 D58 INT D8 D72 GROUPE
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