编号
课程设计
《电气控制与PLC应用》
（2012届本科）
题目：基于S7-200PLC的工业铲车控制系统设计 学院：物理与机电工程学院 专业：电气工程及其自动化 作者姓名：
指导教师：职称：助教
完成日期：2015年 6 月 16 日
二〇一五年六月
摘 要
可编程控制器（PLC）是一种数字运算与操作的控制装置。PLC作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。由于PLC可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。
铲车是用来装零散坚固的货物的，一般以建筑材料为主，如碎石、砂土等，铲车一般用在建筑工地、建筑材料集散地，用于装车，有时也用于铲土和铲雪及地面平整等用途；工业铲车一般是在小四轮拖拉机上进行改装的小型装载机械。利用拖拉机自身动力，采用液压控制，通过多路液压阀上的操作手柄可使铲斗升降和翻转，从而达到铲车平稳工作。在搬运物料方面起了很大的作用，节省了大量人力和物力，它搬运东西速度快，操作也比较简单，所需的人员少，就能完成大量的搬运工作。应用PLC对铲车进行自动化控制，使得铲车的智能化和自动化程度得到很大的提升。
关键词：PLC控制、工业铲车、自动化
目录
1.概述 ..................................................................................................................................... 1 2.系统总体方案设计 ............................................................................................................. 2
2.1 系统硬件配置及组成原理 ..................................................................................... 2 2.1.1控制要求分析 .................................................................................................. 2 2.1.2工业铲车操作控制系统示意图 ...................................................................... 3 2.2 系统接线图设计 ................................................................................................. 4 2.2.1驱动部分设计 .................................................................................................. 4 2.2.2传动部分设计 .................................................................................................. 4 2.2.3主电路图 .......................................................................................................... 5
3.控制系统设计 ..................................................................................................................... 6
3.1程序流程图 .............................................................................................................. 6 3.2 控制程序时序图 ..................................................................................................... 7 3.3 控制电路图 ............................................................................................................. 8 3.4 I/O分配表 .............................................................................................................. 9 3.5 外部接线图 ........................................................................................................... 10 3.6 梯形图 ................................................................................................................... 11 4.程序调试及仿真 ............................................................................................................... 15 5.总结 ................................................................................................................................... 22
1.概述
PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它是随着时代发展和技术应用而发展起来的，相比传统的继电器控制系统，PLC可以使电气控制工作更可靠，更容易维修，更能适应经常变换的生产工艺要求。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。1969年，美国研制出世界第一台PDP-14，1974年，中国研制出第一台PLC，20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。PLC具有的网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
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2.系统总体方案设计
2.1 系统硬件配置及组成原理
2.1.1控制要求分析
工业铲车能把货物从一点移到另一点，工业铲车的结构示意图如图2-1所示。该机构的上升和下降是由双线圈两位电磁阀推动气缸来实现的。当某一线圈得电，机构便单方向移动，直至线圈断电才停在当前位置。设备上装有上限、下限限位和左转 90 度、右转 90 度限位开关。
图2-1：工业铲车结构示意图
工作过程：工业铲车工作循环过程主要有 13 个动作，即为：铲起→上升→前进→左转→前进→右转→前进→右转→后退→下降→放下。
开启系统后，小车应停于初始位置，SQ1压合。然后依次按SB1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5完成以下动作（铲起→ 向前0.5米 → 左转90度后，向前0.5米 → 右转90度后，向前0.5米 →右转90度后，后退0.5米 → 放下）。最后返回初始位置。系统设定限位开关压合则做相应的90度旋转，旋转时间为五秒。预停按钮的设计，可在按下预停按钮后，是小车完成一个循环后，不再进入下一次循环。
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2.1.2工业铲车操作控制系统示意图
SQ5 目的地 0.5m SQ4 0.5m 0.5m SQ3 SQ2 初始位置SQ1 图2-2：工业铲车操作控制示意图
控制要求：小车有电机驱动，电机正转前进，反转后退。初始时，小车停于初始位置，限位开关SQ1压合。
（1）按下开始按钮，小车开始铲起物品。8秒后铲物结束，小车按规定路线经过压合SQ2,SQ3,SQ4,前往目的地，压合SQ5放下物品。
（2）5秒后放物结束，按图路线经过压合SQ6、SQ7返回原地，压合SQ1再次开始铲起物品……如此循环。
（3）设置预停按钮，小车在工作中若按下预停按钮，则小车完成一次循环后，停于初始位置。
0.5m 3
2.2 系统接线图设计
2.2.1驱动部分设计
工业铲车的主要动作是铲起、放下，并能作前进、后退、左转、右转的操作。铲起和放下属于纵向移动，行走和左右转属于横向移动，所以应使用纵向和横向两种电动机。本设计共需要3台电动机。其中货物的铲起或放下可由纵向电动机的正反转实现，铲车的前进和后退由一台电动机正反转实现，铲车的左转和右转由另一台电动机的正反转实现。 2.2.2传动部分设计
纵向传动是通过纵向电动机的正向旋转带动栓着电磁铁的钢丝，使得铲头上下移动，便于货物的铲起和放下。前进可以是控制铲车前后运动的电动机正向转动，后退则是反向转动，左转控制转向的电动机正向转动；右转是控制转向的电动机反向转动。
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2.2.3主电路图
如图2-3所示为电控系统主电路。三台电机分别为M1、M2、M3。M1控制铲爪上下，M2控制铲车前后运动，M3控制铲车左右转。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的正转运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的反转转运行。FR1 、FR2、FR3分别为三台电机的热继电器；FU为主电路的熔断器，QS为电路主开关。
图2-3：铲车系统主电路图
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3.控制系统设计
3.1程序流程图
经过对控制过程和要求的详细分析，明确了具体的控制任务就是铲起、放下、行走、左转和右转等主要任务。确定了铲车这些必须完成的动作后，再确定动作的顺序：纵向电机正转，电磁铁由上向下移动，铲爪铲物体，纵向电机反转，由下向上移动，左右轮电机同时正转，实现向前，左轮电机停止右轮电机正转，实现向左转，左轮电机正转右轮电机停止，实现向右转，左右轮电机同时反转，实现后退。其工艺流程图如下：
开始M1电机正转铲爪将货物铲起M2电机正转向前行0.5米M3电机正转向左转M2电机正转向前0.5米M3电机反转向右转M2电机正转向前0.5米M3电机反转向右转M2电机反转后退0.5米M1电机反转铲爪将货物放下结束 图3-1： 工业铲车工艺流程图
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3.2 控制程序时序图
图3-2：控制程序时序图
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3.3 控制电路图
如图3-3所示为控制电路图。图中SB1、SB2、SB分别控制三台电机正转的启/停；SB1'、SB2'、SB3'分别控制三台电机反转的启/停。
图3-3：系统控制电路
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3.4 I/O分配表
表3-1：I/O分配表
输入 符号 SB1 SB2 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 SQ7
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输出 输入点 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 符号 KM1 KM4 KM3 KM2 KM5 KM6 作用 铲起 前进 后退 放下 左转90度 右转90度 输出点 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 作用 开始按钮 预停按钮 限位开关1 限位开关2 限位开关3 限位开关4 限位开关5 限位开关6 限位开关7 3.5 外部接线图
图3-4：PLC外部接线图
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3.6 梯形图
图3-5：梯形图
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图3-5：梯形图（续）
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图3-5：梯形图（续）
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图3-5：梯形图（续）
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4.程序调试及仿真
1.开始运行
2.小车开始铲物并延时后前进0.5米。
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3.小车左转90度并延时。
4.现车前进0.5米。
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5.铲车右转并延时。
6.铲车前进0.5米
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7.铲车右转并延时
8.铲车后退0.5米
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9.铲车放下物体
10.铲车前进1米。
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11.铲车左转并延时。
12铲车前进1米
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13.铲车左转并延时，回到初始位置。
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5.总 结
可编程控制器(PLC)技术是一门实践性很强的专业课，可编程控制器技术在当今社会发展异常迅速，各生产厂家也推出了许多强大的新型PLC、各种特殊模块和通信联网器件，使可编程控制器成为集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置，成为实现工业自动化的一种强有力的工具。用PLC控制工业铲车使其工作更加稳定，更具有智能化，自动化。
本系统结构简单、操作方便，可实现自动控制。本系统结构简单、操作方便，可实现自动控制。通过PLC与线圈的连接共同来控制铲车的动作，从而可以锻炼我们对软件的编程能力的提高以及对硬件连接熟知能力的提高。
通过这一次课程设计我不仅熟悉和掌握了PLC和铲车的结构和工作原理。同时也加深了对PLC的理解，通过硬件设计和动手操作，逐步掌握硬件设计的基本方法和产品安装技术。在这次课程设计中我觉得最重要的就是研究设计以及对设计的反思观察能力；查阅和综合分析各种文献资料，掌握使用工程技术规范和手册、图表等技术资料的能力；准确理解包括技术经济在内的各种以及法律的能力；阅读专业外语资料的能力；绘图、计算和设计能力；试验或测试、装配调试、加工制作以及数据处理能力；计算机应用能力等。
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参考文献
[1]林小峰.可编程控制器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，1994. [2] 田瑞庭.可编程控制器应用技术[M].北京：机械工业出版社，1994. [3] 张万忠.可编程控制器应用技术[M].北京：化学工业出版社，2001.12. [4] 于庆广.可编程控制器原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社.2004. [5] 张连华.电器-PLC控制技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
[6] 张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术（第二版）[M]. 北京：化学工业出版社,2009.05. [7] 西门子公司 SIMATIC S7-200 系统手册[M].2002.
[8] 肖清，王忠锋.西门子PLC课程设计指导书[M].江西理工大学应用科学学院，2010.
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电气控制与PLC技术课程设计成绩评定表
姓名 专业班级 学号 课程设计题目：基于S7-200PLC的工业铲车控制系统设计 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 评定项目 1.设计方案可行性及其选优（20分） 2.设计过程及结果（40分） 3.平时成绩（态度认真、遵守纪律）（10分） 4.设计报告的规范性、参考文献（不少于5篇）（10分） 5.答辩（20分） 总分 评分成绩 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
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指导教师签字：
年月日
