系统硬件电路设计(PLC)

1、第1章 系统硬件电路的设计1.1 PLC 的简介可编程控制器的概念可编程控制器(Programmable Logical Controller) 简称 PLC 。国际电工委员会（ IEC）在 1985 年的 PLC 标准草案第 3 稿中，对 PLC 作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统， 专为在工业环境下应用而设计。 它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。 并通过数字式、 模拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程。 可编程控制器及其有关设备， 都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计

2、。 ”现代工业生产过程是复杂多样的， 它们对控制的要求也各不相同。 PLC 一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。 PLC 具有如下特点：1、编程方法简单易学。2、功能强，性能价格比高。3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。4、可靠性高，抗干扰能力强。5、系统的设计、安装、调试工作量少。6、维修工作量小，维修方便。7、体积小，能耗低。的应用领域PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置， 使得其应用受到限制。 但最近十年来，PLC 的应用面越来越广， 其主要原因是： 一方面由于处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得 PLC 的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增加，能解决复杂的计算

3、和通信问题。目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。 PLC 的应用范围通常分成以下 5 种类型：1、顺序控制这是 PLC 应用最广泛的领域，也是最适合PLC 使用的领域，它用来取代传统的继电器顺序控制。 PLC 应用于单机控制、 多机控制、生产自动线控制等。 例如：注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制。2、运动控制PLC 制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下， PLC 把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数1/

4、17轴到目标位置， 每个轴移动时， 位置控制模块保持适当的速度和加速度，保持运动平滑。相对来说，位置控制模块比CNC 装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便，3、过程控制PLC 还能控制大量的过程参数， 例如：温度、流量、压力、液位和速度等。 PID 模块提供了使 PLC 具有了闭环控制的功能， 即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制。 当过程控制中某个变量出现偏差时， PID 控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。4、数据控制在机械加工中， PLC 作为主要的控制和管理系统用于CNC 和 NC 系统中，可以完成大量的数据控制。5、通信控制PLC 的通信包括主

5、机与远程I/O 的通信、多台PLC 之间的通信、 PLC 和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC 与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。的系统组成PLC 种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。用 PLC 实施控制，其实质是按一定算法进行输入 /输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。PLC 专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。 PLC 的结构框图如图3.1所示。1、中央处理单元（ CPU）中央处理单元（ CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组

6、成，这些电路都集成在一个芯片内。 CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路连接。2、存储器PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器包括用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序， 并固化在 ROM 内，用户不能直接更改。它使 PLC 具有基本的功能，能够完成 PLC 设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC 的性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序。 第二部分为用户指令解释程序。 第三部分为标准程序与系统调用。2/17图 3.1 PLC 的结构框图用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两

7、部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC 编程语言编写的各种用户程序。用户数据存储器可以用来存放（记忆）用户程序中所使用器件ON/OFF 状态和数值、数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映 PLC 性能的重要指标之一。PLC 使用的存储器类型有三种。第一种是随机存取存储器（RAM ）；第二种是只读存储器（ROM ）；第三种是可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM 或EPROM）。3、输入 /输出模块输入（ Input）模块和输出（ Output）模块简称为 I/O 模块。 PLC 的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入 / 输出模块从广

8、义上分包含两部分：一是与控制设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入模块用于处理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到 PLC 内部。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到 PLC 外部，输出模块具有隔离 PLC 内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。4、电源模块PLC 一般使用 220V 的交流电源， 内部的开关电源为PLC 的中央处理器、 存储3/17器等电路提供 5V 、± 12V、24V 等直流电源，使PLC 能正常工作。5、接口模块接口模块用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC 的

9、配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。6、通信接口为了实现“人机”或“机机”之间的对话，PLC 配有多种通信接口。 PLC通过接口可以与监视器、打印机和其他的PLC 或计算机相连。7、编程器编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转换为机器语言助记符（语句表）后，才能输入。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有 LCD 或 CRT 图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话8、其他部分有些 PLC 还可配有 EPROM 写入器、存储器等其他外部设备。的工作原理PLC 是一种工

10、业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但是 CPU 是以分时操作方式来处理各项任务的， 计算机在每一瞬间只能做一件事， 所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作， 所以它属于串行工作方式。 PLC 工作的全过程可用图 2.2 所示的运行框图来表示。概括而言，PLC 是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。扫描周期是控制过程中一个比较重要的技术指标。 一般来说，扫描周期越大， 表明扫描所需要的时间就越长， 要求输入信号的宽度就越大， 控制周期就越长， 控制速度就要降低。PLC 的过程可分为三部分。第一部分为上电

11、处理，第二部分是扫描过程，第三部分是出错处理。4/17图 3.2 PLC 运行框图5/171.2 输入 / 输出信号本控制系统有27 个输入开关量，分别为：系统启动按钮1 个负责整个系统的启动；系统停止按钮1 个负责整个系统的停止；选择按钮 1 个负责机械手自动控制和检测的切换；机械手的启动按钮3 个负责检测时每个机械手的启动；机械手的停止按钮3 个负责检测时每个机械手的停止；物品检测开关3 个负责检测工作台上是否有物品；下降限位开关3 个负责检测机械手到达最低位置；夹放检测开关3 个负责机械手夹放物品的检测；上升限位开关3 个负责检测机械手到达最高位置；右旋限位开关3 个负责检测机械手是否右

12、旋转180°；左旋限位开关3 个负责检测机械手是否左旋转180°；建立输入信号名称与电气符号表3.1。表 3. 1 输入信号名称与电气符号表序号名称电气符号1总启动按钮SB12总停止按钮SB23自动 /手动选择按钮SB34机械手 1 启动按钮SB45机械手 1 停止按钮SB56机械手 2 启动按钮SB67机械手 2 停止按钮SB78机械手 3 启动按钮SB89机械手 3 停止按钮SB910工作台 A 物品检测开关SQ111工作台 B 物品检测开关SQ212工作台 C 物品检测开关SQ3续表 3.16/1713机械手 1 下降限位开关SQ414机械手 1 夹紧检测开关SQ51

13、5机械手 1 上升限位开关SQ616机械手 1 左旋限位开关SQ717机械手 1 右旋限位开关SQ818机械手 2 下降限位开关SQ919机械手 2 夹紧检测开关SQ1020机械手 2 上升限位开关SQ1121机械手 2 左旋限位开关SQ1222机械手 2 右旋限位开关SQ1323机械手 3 下降限位开关SQ1424机械手 3 夹紧检测开关SQ1525机械手 3 上升限位开关SQ1626机械手 3 左旋限位开关SQ1727机械手 3 右旋限位开关SQ18本控制系统由15 个输出电磁阀，分别为：机械手下降电磁阀3 个负责启动机械手的下降；机械手夹放电磁阀3 个负责启动机械手夹放物品；机械手上升电

14、磁阀3 个负责启动机械手的上升；机械手右旋电磁阀3 个负责启动机械手的右旋；机械手左旋电磁阀3 个负责启动机械手的左旋。建立输出信号名称与电气符号表3.2。表3.2输出信号名称与电气符号表序号名称电气符号1机械手1 下降电磁阀YV12机械手1 夹放电磁阀YV 23机械手1 上升电磁阀YV 3续表 3.27/174机械手 1 左旋电磁阀YV 45机械手 1 右旋电磁阀YV 56机械手 2 下降电磁阀YV 67机械手 2 夹放电磁阀YV 78机械手 2 上升电磁阀YV 89机械手 2 左旋电磁阀YV 910机械手 2 右旋电磁阀YV 1011机械手 3 下降电磁阀YV 1112机械手 3 夹放电磁

15、阀YV 1213机械手 3 上升电磁阀YV 1314机械手 3 左旋电磁阀YV 1415机械手 3 右旋电磁阀YV 151.3 PLC 的选型目前，世界上有 200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC 生产厂家主要有美国的AB 、通用（ GE）、日本的三菱（MITSBISHI ）、欧姆龙（ OMRON ）、德国的西门子（ SIMENS）、法国的 TE、韩国的三星（ SUMSUNG ）、 LG 等。本文选择的是德国的西门子公司生产的S7200PLC。S7 200 系列 PLC 是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC 的水平，而价格却和小型PLC 的一样，因此它一

16、经推出，即受到了广泛的关注。特别是S7200CPU22*系列 PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI ）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC 网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，其速度快，具有极强的通信能力，几乎可以完成任何功能的控制任务。CPU22* 系列 PLC 它有如下五种不同结构的配置单元：1、CPU221，它具有 6输入 /4输出， I/O 共计 10点，无扩展能力；2、CPU222，它具有 8输入 /6输出， I/O 共计 14点，并可以进行一定的模拟量控制和 2个模块的扩展；3、CPU224，它具

17、有 14点输入 /10点输出， I/O 点数共计 24点，它有七个扩展模块，有内置时钟；4、CPU226，它具有 24输入 /16输出， I/O 共计 40点，与 CPU224相比，它增加了通信口的数量，通信能力大大增强；8/175、CPU226XM ，这是西门子公司后推出的一种增强型主机，它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和 CPU226 相同。当 CPU 的 I/O 点数不够用或需要进行特殊功能的控制时， 就要进行 I/O 的扩展。 I/O 扩展包括 I/O 点数的扩展和功能模块的扩展。 不同的 CPU 有不同的扩展规范，它主要受 CPU 的功能限制。典型的数字量输入

18、 /输出扩展模块有：输入扩展模块EM221 有两种： 8 点 DC 输入、 8 点 AC 输入。输出扩展模块 EM222 有三种： 8 点 DC 晶体管输出、 8 点 AC 输出、 8 点继电器输出。输入 /输出混合扩展模块 EM223 有六种：分别为 4 点（8 点、 16 点）DC 输入 /4 点（8 点、16 点）DC 输出、 4 点（8 点、 16 点）DC 输入 /4 点（ 8 点、16 点）继电器输出。本次设计中共 27 个输入量，共 15 个输出量，共计 32 点，因此选用了 S7 200 系列 CPU224，CPU224 具有 14 点输入 /10 点输出， I/O 点数共计

19、24 点，它可以有七个扩展模块， 有内置时钟， 它有更强的模拟量和高速计数的处理能力， 是使用最多的 S7 200 产品。由于本系统的具有 27 点输入 /15 点输出， CPU224 不能满足本系统的要求，所以扩展 8 点 DC 输入 EM221 两个，用于数字开关量的输入，扩展 8 点继电器输出 EM222 一个，用于继电器的输出。由 CPU224、两个 EM221 和一个 EM222 组成了 PLC 控制系统框图如图 3.3 所示。图 3.3控制系统框图9/171.4 I/O 地址分配根据机械手的输入信号为27 个，输出信号为 15 个，建立 I/O 地址分配表。建立输入信号地址分配表如

20、表3.3 所示：表 3.3 输入信号地址分配表序号名称地址1SB1I0.02SB2I0.13SB3I0.24SB4I0.35SB5I0.46SB6I0.57SB7I0.38SB8I1.09SB9I1.110SQ1I0.711SQ2I1.212SQ3I1.313SQ4I2.014SQ5I2.115SQ6I2.216SQ7I2.317SQ8I2.418SQ9I2.519SQ10I2.620SQ11I2.721SQ12I3.0序表 3.310/1722SQ1323SQ1424SQ1525SQ1626SQ1727SQ18I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6建立输出信号地址分配表如表3.4

21、所示：表 3.4 输出信号地址分配表序号名称地址1KA1Q0.02KA 2Q0.13KA 3Q0.24KA 4Q0.35KA 5Q0.46KA 6Q0.57KA 7Q0.68KA 8Q0.79KA 9Q1.010KA 10Q1.111KA 11Q2.012KA 12Q2.113KA 13Q2.214KA 14Q2.315KA 15Q2.4建立通用辅助继电器地址分配表如表3.5 所示：表 3.5通用辅助继电器地址分配表11/17序号名称地址1自动方式M0.02手动方式M0.13机械手 1 动作中M0.24机械手 2 动作中M0.35机械手 3 动作中M0.46系统停止M0.51.5 PLC 外部

22、接线本系统的各模块在 I/O 链中的位置排列方式如图3.2 所示。图 3.2 各模块链图表 3.6 所列为其对应的各模块编址情况。表 3.6 各模块编址主机 I/O模块 1I/O模块 2I/O模块 3I/OCPU224EM221EM221EM222I0.0Q0.0I2.0I3.0Q2.0I0.1Q0.1I2.1I3.1Q2.1I0.2Q0.2I2.2I3.2Q2.2I0.3Q0.3I2.3I3.3Q2.3I0.4Q0.4I2.4I3.4Q2.4I0.5Q0.5I2.5I3.5Q2.5序表 3.6I0.6Q0.6I2.6I3.6Q2.612/17I0.7Q0.7I2.7I3.7Q2.7I1.0Q

23、1.0I1.1Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.5EM221（ 1）外部接线如图3.3 所示。图 3.3 EM221 （1）外部接线机械手 1 下降限位开关 SQ4，机械手 1 夹紧检测开关 SQ5，机械手 1 上升限位开关 SQ6，机械手 1 左旋限位开关 SQ7，分别连接扩展模块 EM221(1) 的 I2.0I2.3。机械手 1 右旋限位开关 SQ8，机械手 2 下降限位开关 SQ9，机械手 2 夹紧检测开关 SQ10，机械手 2 上升限位开关 SQ11，分别连接扩展模块 EM221(1)的 I2.4I2.7。EM221（2）外部接线如图3.4 所示。图 3.4 EM221 （ 2）

24、外部接线机械手 2 左旋限位开关 SQ12，机械手 2 右旋限位开关 SQ13，机械手 3 下降限位开关 SQ14，机械手 3 夹紧检测开关 SQ15，分别连接扩展模 EM221(2) 的I3.0I3.3。机械手 3 上升限位开关 SQ16，机械手 3 左旋限位开关 SQ17，机械手 2 右旋限位开关 SQ18，分别连接扩展模块 EM221(2)的 I3.4I3.6。EM222 外部接线如图 3.5 所示。图 3.5 EM221 （ 2）外部接线机械手 3 下降电磁阀的中间继电器 KA11 ，机械手 3 夹放电磁阀的中间继电器 KA12 ，机械手 3 上升电磁阀的中间继电器 KA13 ，机械手 3 左旋电磁阀的中间继电器 KA14 ，分别连接扩展模块 3EM222 的 Q2.0Q2.3。机械手 3 右旋电磁阀的中间继电器 KA15 ，连接扩展模块3EM222 的 Q2.4。14/17CPU224 外部接线如图 3.6 所示。图 3.6 CPU224 外部接线总启动按钮 SB1，总停止按钮 SB2，自动 /手动选择按钮 SB3，机械手 1 启动按钮 SB