PLC课程设计.doc

摘 要二十世纪九十年代以来，计算机的不断发展引发了各个领域的革命性变革。随着微处理器，计算机技术和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到几乎所有的工业领域 。现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量多，品种，多规格，低成本和高质量的产品。为满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵敏性。可编程序控制器正是顺应这一要求出现的，它是已微处理器为基础的通用控制装置。工厂自动化及传送系统也深受其影响，使得现代工厂自动化程度和信息集成程度的要求也越来越高。为了适应现代自动化传送的要求，PLC控制逐渐取代继电接触器控制成为传送控制的主要环节，使控制系统更加安全、迅速、可靠。PLC的推广应用在我国得到迅猛的发展，它已经广泛应用在各种机械设备和生产过程的电气控制装置中。了解PLC的工作原理，具备设计，调试和维护PLC控制系统的能力，已成为现代工业对电气技术人员的基本要求。关键词： 计算机、PLC、自动化、电气控制 目 录第一章 PLC简介11.1 PLC定义11.2 PLC应用领域11.3 PLC控制系统特点2第二章 控制系统分析52.1 设计要求52.2 需求分析62.3 设计条件6第三章 PLC控制系统硬件设计83.1 PLC选型83.2 I/O资源分配表103.3 PLC外部接线图11第四章 PLC控制系统软件设计124.1 顺序功能流程图124.2 梯形图15第五章 心得与体会36参考文献37 分组情况表38第一章 PLC简介1.1 PLC定义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1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。“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。”1.2 PLC应用领域目前，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，使用情况主要分为如下几类：1.开关量逻辑控制取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多2的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3.运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.数据处理PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5.通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。1.3 PLC控制系统特点为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：1. 可靠性高，抗干扰能力强工业生产对控制设备的可靠性要求：平均故障间隔时间长故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种：偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。 硬件措施：主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。屏蔽对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。电源调整与保护对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。隔离在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。软件措施：有极强的自检及保护功能。故障检测软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。信息保护与恢复当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。设置警戒时钟WDT（看门狗）如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。加强对程序的检查和校验一旦程序有错，立即报警，并停止执行。对程序及动态数据进行电池后备停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。PLC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1S的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万上千万小时；制成系统亦可达45万小时甚至更长时间。2 .通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。3.功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4.编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24128点。第二章 控制系统分析2.1 设计要求启动按钮闭合，按以下规律显示1、2编程：1、 L1、L2、L9L1、L5、L8L1、L4、L7L1、L3、L6L1L2、L3、L4、L5L6、L7、L8、L9L1、L2、L6L1、L3、L7L1、L4、L8L1、L5、L9L1L2、L3、L4、L5L6、L7、L8、L9L1、L2、L9如此不断反复。2、L1（2秒）L2、L3、L4、L5（2秒）L6、L7、L8、L9（2秒）全亮（3秒）全闪亮（亮0.5秒灭0.5秒,共5秒）全亮（3秒）从L9开始每1秒钟熄灭一个直到全部熄灭如此不断反复。当选择开关SW0位于”0”时按显示规律1显示,当选择开关SW0位于”1”时按显示规律2显示。图2.1天塔之光2.2 需求分析天塔之光控制系统主要应用在闪光灯或花样灯饰中，目前我国灯具市场的发展空间十分广阔。近年来，伴随我国人民生活水平逐年提高，城镇住宅建设以及室内装饰装修热度不减，人均住房面积的扩大，在促使一室一灯为一室多灯、增加局部照明的同时，所用灯具正逐步由低档产品向中高档产品发展，民用照明需求旺盛。按照城市小康家庭的消费标准，客厅、饭厅、卧室、厨房、浴室都应安装不同类别的灯饰，如台灯、落地灯、壁灯、天花灯、吊灯、壁柜灯、油烟机照明灯、镜前灯、夜间照明灯等等。从发展趋势上看，今后灯具 除了其外观及内在质量要求越来越优秀、时尚、体现个性等，对其功能细化、科技含量、节能环保等方面的要求也越来越高。作为与人们日常生活密切相关的灯饰市场需求，更是以每年15左右的幅度增长。今年我国灯饰市场的需求量已经预期达到6000万台左右，在国际上已经名列前茅。2.3 设计条件天塔之光控制系统是利用可编程控制器输出的信号来控制的，通过对程序的编制，进而实现对天塔之光闪烁模式的改变。（如同2.1所示）天塔之光控制面板图硬件介绍L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9 九个指示灯，因不同颜色，闪烁的时间不同，进而达到不同的效果。2.2天塔之光控制面板图第三章 PLC控制系统硬件设计3.1 PLC选型表3-1 S7-200 CN CPU技术规范表技术规范CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226存储器特性存储器用户程序大小运行模式下编辑非运行模式下编辑4096字节4096字节4096字节4096字节8192字节12288字节12288字节16384字节16384字节24576字节用户数据2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节掉电保持（超级电容）50小时/典型值（40C时最少8小时）50小时/典型值（40C时最少8小时）100小时/典型值（40C时最少70小时）100小时/典型值（40C时最少70小时）100小时/典型值（40C时最少70小时）(可选电池)200天/典型值200天/典型值200天/典型值200天/典型值典型值200天本机I/O特性本机数字量I/O6输入/4输出8输入/6输出14输入/10输出14输入/10输出24输入/16输出本机模拟量I/O无无无2输入/1输出无数字I/O映象区256(128输入/128输出)模拟I/O映象区无32(16 输入/16 输出)64(32 输入/32 输出)允许最大的扩展I/O模块无2 个模块7个模块7个模块7个模块允许最大的智能模块无2 个模块7个模块7个模块7个模块脉冲捕捉输入68141424高速计数器总数单相计数器两相计数器总共4个计数器4个30kHz2个20kHz总共4个计数器4个30kHz2个20kHz总共6个计数器6个30kHz4个20kHz总共6个计数器4个30kHz2个200kHz3个20kHz1个100kHz总共6个计数器6个30kHz4个20kHz脉冲输出2个20kHz（仅限于DC输出）2个20kHz（仅限于DC输出）2个20kHz（仅限于DC输出）2个100kHz（仅限于DC输出）2个20kHz（仅限于DC输出）常规特性定时器总数256定时器；4个定时器（1ms）；16定时器（10 ms）；236定时器（100 ms）计数器总数256（由超级电容或电池备份）内部存储器位掉电保存256（由超级电容或电池备份）112（存储在EEPROM）时间中断2个1ms分辨率边沿中断4个上升沿和/或4个下降沿模拟电位器模拟电位器1个8位分辨率1个8位分辨率1个8位分辨率2个8位分辨率2个8位分辨率2个8位分辨率布尔量运算执行时间0.22s每条指令实时时钟可选卡件可选卡件内置内置内置卡件选项存储器、电池和实时时钟存储器、电池和实时时钟存储卡和电池卡存储卡和电池卡存储卡和电池卡集成的通信功能接口1个RS-485接口1个RS-485接口1个RS-485接口2个RS-485口2个RS-485口PPI,DP/T波特率9.6、19.2、187.5Kps自由口波特率1.2115.2Kps每段最大电缆长度使用隔离的中继器：187.5Kps可达1000米，38.4Kps可达1200米未使用隔离中继器：50米最大站点数每段32个站，每个网络126个站最大主站数32点到点(PPI主站模式)是（NETR/NETW）MPI连接共4个，2个保留（1个给PG，1个给OP）根据 S7-200 CN CPU技术规范表，可知选CPU 224就满足要求。3.2 I/O资源分配表表3-2 I/O分配表PLC地址（PLC端子）电气符号（面板端子）功能说明I0.0SD启动模式1（SD）I0.1SD启动模式2（SD）I0.2SD常闭触点1I0.3SD常闭触点2I0.4SD常闭触点3Q0.0L1指示灯L1Q0.1L2指示灯L2Q0.2L3指示灯L3Q0.3L4指示灯L4Q0.4L5指示灯L5Q0.5L6指示灯L6