PLC硬件控制电路设计

1、目录绪论 2第1章PLC控制系统设计 31.1 PLC 控制系统设计概要 31.2 PLC机型和容量的选择步骤和原则 6第2章 十字路口交通信号灯的PLC电气控制系统 82.1 十字路口交通信号灯电气控制系统设计任务书 82.2 十字路口交通信号灯控制系统电路图 102.3 十字路口交通信号灯PLC硬件控制电路设计 102.4 十字路口交通信号灯PLC控制程序设计 122.5 PLC系统电气工艺设计 162.6 梯形图程序调试 17第3章课程设计总结 18参考文献 19- 1 -绪论可编程序控制器(Programmable Logic Controller ),简称 PLC,是在继电顺序控制基

2、础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。它是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置,是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术。进入二十世纪八十年代以来，随着微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了PLC 在世界范围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动 控制中。 20 世纪 60 年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司(GM首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：a。它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单成本低。bo它能把计算机的功能和继电

3、器控制系统结合起来。但编程要比计算机简单易学、操作方便。c。系统通用性强。1969年美国数字设备公司(DEC根据上述要求，研制出世界上第一台PLC,并在GM公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来， 但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLG其定义：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。可编程控制器及其

4、有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 我国在七十年代末期开始对PLC 进行研究、生产和应用。在近十年来，取得了非常好的成绩。特别是在应用方面，随着国力的增强和生产力的提高，PLC 已经渗透到了各个领域。在生产方面，为了提高生产效率和工业的自动化，我们引进了许多在世界上都处于领先技术的成套设备，大量地使用PLC 等先进技术。还有三峡工程、秦川电站、天津开发区的康师傅方便面生产线等都用了PLC 控制。现在PLC 不但应用于冶金、矿业、机械、轻工等工业自动控制中，在其他领域它也有着广泛地应用。例如，市政建设中的水处理；日常生活中的电梯、车库的自 动化管理等；商

5、业中的自动售货机，啤酒罐装及酿酒等；另外还在环保、娱乐业中也有应用。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC 的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称 PC ( PROGRAMMABLE CONTROLLERS为了不和 PERSONAL COMPUTER, 仍习惯称为 PLG目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现 SOFTPLC更是PLC领域无限的发展前景。第一章 PLC 控制系统设计1.1 控制系统设计概要我们在学习了 PLC的大量的相关知识后， 要能够把其运用在实际训练当中。在这章学习PLC控制系统设计的基本规则、基本内容和步骤以及全书内容的相关

6、习题。当然要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统，需要丰富的专业知识和实际的工作经验。1、 PLC控制系统设计的基本原则1) 最大限度地满足被控对象的控制要求。2) 保证控制系统的高可靠、安全。3) 满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便。4) 选才P PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。2、 PLC控制系统设计的基本内容1) 选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象。2) 分配I/O ，设计电气接线图，考虑安全措施。3) 选择适合系统的PLC.4) 设计程序5) 调试程序, 一个是模拟调试，一个是联机调试。6) 设计控制柜，编写系统交付使用的技

7、术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。7) 验收、交付使用。3、 PLC控制系统设计的一般步骤1) 流程图功能说明2) 分析生产工艺过程。3) 根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，分配I/O 。4) 选择PLC。5) 设计PLC接线图以及电气施工图。6) 程序设计和控制柜接线施工。2. PLC程序设计的步骤1) 对于复杂的控制系统，最好绘制编程流程图，相当于设计思路。2) 设计梯形图。3) 程序输入PLC模拟调试，修改，直到满足要求为止。- 3 -4) 现场施工完毕后进行联机调试，直至可靠地满足控制要求。5) 编写技术文件6) 交付使用。3. 设计步骤框图如下：四、控制系统执行程序的过

8、程及特点PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。1 .输入采样阶段在输入采木¥阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或 其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有 在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。2 .程序执行阶段在程序执彳T阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。

9、当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。3 .输出刷新阶段程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采木¥只在输入采样阶段进行。当 PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时

10、间对输入状态进行采样。在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。这种方式称为集中输出。对于小型PLC其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入 /输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。而对于大中型PLC,其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以

11、及采用智能 I/O接口等多种方式。从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。- 5 -1.2 PLC机型和容量的选择步骤与原则随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。 不同型号的PLC,其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式

12、、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC, 对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从 PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能 力等方面加以综合考虑。一、PLC机型的选择步骤与原则PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的 性能价格比。选择时主要考虑以下几点：1）合理的结构型式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在I/O点数、输

13、入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控 制系统。2）安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程I /O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型 PLG但必须要附加通讯模块。3）相应的功能要求一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都 可满足。对

14、于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A/ D和D/A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLG对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLG但是中、高档 PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速 I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中 断输入模块的PLC等。5）系统可

15、靠性的要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系 统或热备用系统。6）机型尽量统一一个企业，应尽量做到 PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：1）机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。2 ）机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。3）机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一 个多级分布式控制系统。二、PLC容量的选择步骤与原则PLC的容量包括I /。点数和用户存储容量两个方面。1）I /O点数的选择PLC平均的I/O点的价格还比较高，因此应该合理选用 PLC的I/O

16、点的数量，在满足控 制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定的裕量。通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的裕量来确定。2）存储容量的选择用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能 相差25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。PLC的I/O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在 I/O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%30%的裕量。存储容量（字节）=开关量I/O点数X 10

17、+ 模拟量I/O通道数X 100另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。第二章 十字路口交通信号灯的PLC电气控制系统2.1 十字路口交通信号灯电气控制系统设计任务书2.1.1 十字路口交通信号灯的控制要求随着城市和经济的发展，交通信号灯发挥的作用越来越大，正因为有了交通信号灯，才使车流、人流有了规范，同时，减少了交通事故发生的概率。然而，交通信号灯不合理使用或设 置，也会影响交通的顺畅。交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向 指示信号灯、闪光警告信号灯、道路

18、与铁路平面交叉道口信号灯。交通信号灯用于道路平面交 叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令，使各同时到达的人、车交通流尽可能减少 相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口畅通和安全。十字路口交通信号灯现场示意图如图2-1所示，南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯，为确保交通安全，要求如下。1）采用PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个 3位转换开关 SA1控制。SA1手柄指向左 45。时，接点 SA1-1接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图3-2所示工作时序周而复始，循环往复工作。SA1手柄指向中间0&#

19、176;时，接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，。SA1手柄指向右 45°时，接点 SA1-3接通, 交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮。2）正常控制时图2-1交通信号灯现场示意图当东西方向允许通行（绿灯）时，南北方向应禁止通行（红灯）；同样，当南北方向允许通行（绿灯）时，东西方向应禁止通行（红灯） 。在绿灯信号要切换为红灯信号之前，为提醒司机提前减速并刹车，应有明显的提示信号:绿灯闪烁同时黄灯亮。信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。信号灯动作的日序图如图 2-2所示，它是按信号灯置 1与置。两种状态绘制的，置 1表示信号灯点亮。南北绿灯 南北黄

20、灯 南北红灯东西绿灯 东西黄灯 东西红灯11 n1 1 nnn1 U LJ LJ L. III1II111 Th Q$ 11 CL 3JS 1J1:9水-一一CO： 5ftT4：次T5= O.jf 曰拆13； ET6, O Jf图2-3 十字路口交通灯正常工作时序3）输入/输出信号分配输入/输出信号分配如表 2-1所示。表2-1十字路口交通灯控制信号说明输入输出文字符号信号地址说明文字符号信号地址说明SA1-1X0交通灯正常工作控制开关H1Y0南北向绿灯指示SA1-2X1南北1可父通灯常绿控制开关H2Y1南北向黄灯指示SA1-3X2东西向交通灯常绿控制开关H3Y2南北向红灯指示H4Y3东西向绿

21、灯指示H5Y4东西向黄灯指示H6Y5东西向红灯指示2.2 十字路口交通信号灯控制系统电路图开关合上后，东西绿灯亮 25s后闪3s灭；黄灯亮2s灭；红灯亮30s；绿灯亮循环,对应东西绿黄灯亮时南北红灯亮30s,接着绿灯亮25斫IZJ 3s灭；黄灯亮2s后，红灯又亮循环,D6874LS273Rl5VCCTD63BMLS321城由17:JAD7 栗4 7KELKCLRmwKL2J图2-4 十字路口交通信号灯控制系统电路图根据交通灯系统的控制要求，如图2-4所示十字路口交通信号灯控制系统电路图,预定的交通灯系统的控制功能。2.3 PLC硬件控制电路设计1）硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：

22、驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入 /输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。2）根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，编制I/O接口功能表。据信号控制要求，I/O分配及其接线如图 7-11所示。北红灯 北黄灯 北绿灯 西红灯 西黄灯 西绿灯- 11 -图2-5十字路口交通信号灯 PLC外部I/O分配及其接线图中用一个输出点驱动两个信号灯，如果PLC输出点的输出电流不够，可以用一个输出点驱动一个信号灯，也可以在PLC输出端增设中间继电器

23、，由中间继器再去驱动信号灯2.4 PLC控制程序设计2.4.1 PLC的状态转移在设计较为复杂的程序时， 仅仅采用简单的逻辑处理已经很难保证程序的正确性和易读性，所以就需要采用别的方法来编制程序。为了保证程序逻辑的正确以及程序的易读性，我们可以将一个控制过程分为若干个阶段，在每一个阶段均设立一个控制标志，当每一个阶段执行完毕，就启动下一个阶段的控制标志，将本阶段的控制标志清除。所谓“状态”是指特定的功能，因此状态转移实际上就是控制系统的功能转移。机电自控系统中机械的自动工作循环过程就是电气控制系统的状态自动、有序、逐步转移的过程。这种功能流程图完整地表现了控制系统的控制过程，各状态的功能、状态

24、转移顺序和条件，它是PLC 应用控制程序设计的极好工具。2.4.2 PLC的状态转移图（如图 2-6所示）启动一一 X0=S0 卜 -nCYD南北红灯一一Y6 CY0Z）东西绿灯K250K5T1图2-6 十字路口交通信号灯PLC的状态转移图2.4.3 十字路口交通信号灯 PLC的程序设计说明据图2-6所示的状态转移，说明 十字路口交通信号灯 PLC的程序设计。1） PLC开始运行时，M8002产生一初始脉冲，使初始状态S0置1。2）当SA1 手柄指向中间0 °时，触点X1 接通，交通指挥系统南北向绿灯Y1 常亮，东西向红灯常亮。3） 当 SA1 手柄指向右45°时，触点X2

25、 接通，交通指挥系统东西向绿灯Y1 常亮，南北向红灯常亮。4）当SA1手柄指向左45°时，触点X0接通，状态转移到S20和S30,使S20和S30置1, 同时S0在下一扫描周期自动复位，Y1线圈得电南北绿火T亮与此同时Y6线圈得电，东西红灯亮。5）延时25S后，转移条件 T0闭合，状态从 S20转移到S21,使S21置1,同时驱动T1记 时，而S20在下一扫描周期自动复位。6）延时5s后，转移条件 T1闭合，状态从 S21转移S22,使S22置1产生0.5S接通和断开的时针脉冲信号，从而使南北绿灯闪烁，同时驱动计数器C0 记数，若记数次数未到三次，C0的常闭触点接通，状态转移到S21

26、,继续循环共计三次。7）次数到三，C0常开触点闭合，状态由 S22转移到S23,使S23置1同时S22在下一扫描周期自动复位，Y2 线圈得电南北黄灯亮。8）延时2s后，转移条件 T3闭合，一方面状态从 S23转移到S24,使S24置1, S23在下 一扫描周期自动复位，Y3线圈得电南北红灯亮， 计数器C0复位。另一方面状态S30转移到S31, 使S31置1同时S30在下一扫描周期自动复位，线圈 Y4得电东西绿灯亮。9）延时25S后，转移条件 T4闭合，状态从 S31转移到S32,使S32置1,同时驱动T5记时，而 s31 在下一扫描周期自动复位。10）延时5s后，转移条件T5闭合，状态从 S3

27、2转移S33,使S33置1产生0.5S接通和断开的时针脉冲信号，从而使东西绿灯闪烁，同时驱动计数器C1 记数，若记数次数未到三次，C1的常闭触点接通，状态转移到S32,继续循环共计三次。- 13 -11）次数到三，C1常开触点闭合，状态由 S33转移到S34,使S34置1同时S33在下一扫描周期自动复位，Y5 线圈得电东西黄灯亮，计数器C1 复位。12）延时2s后，回到初始状态 S0进行循环执行。2.4.4 十字路口交通信号灯 PLC控制程序（如图2-6所示）。- 14 -图2-7 十字路口交通信号灯 PLC控制梯形图（续2）图2-7 十字路口交通信号灯 PLC控制梯形图（续3）2.5 十字路

28、口交通信号灯系统电气工艺设计按设计要求设计绘制电气装置总体配置图、电器板电器元器件平面图、控制面板电器平面图及相关电气接线图。1）先根据控制系统要求和电气设备的结构，确定电器元器件的总体布局以及电控箱内装配板与控制面板上应安装的电器元件。2）依据用户要求满足操作方便、美观大方、布局均匀对称等设计原则，绘制电控箱电器板元件布置图、电器面板元件布置图、电气接线图等，如图 2-8所示。进出引线采用接线端子板连接，接线图略。十字路口交通灯控制3）依据电器元件布置图及电器元器件 的外形尺寸、安装尺寸，绘制电器板、控制 面板、垫板等零部件加工图。图中应注明外 形尺寸、安装孔径、定位尺寸与公差、板材 厚度以

29、及加工要求等。本设计所涉及的钺金 加工技术图从略。4) 依据电器安装板、控制面板尺寸设计电控箱，绘制电控箱安装图。本设计从略。2-7 十字路口交通信号灯PLC2.6 十字路口交通信号灯梯形图程序调试在调试系统控制程序时，所有的输入信号均用开关信号来代替，所有的输出均用指示灯来 表示。调试时，首先按控制系统PLC接线图完成硬件接线，并仔细检查接线是否有误，特别要注意接线时不能出现短路、断路及反接等情况，否则会造成硬件损坏及人身意外。首先电源开关打开，将指令输入PLC,程序监控状态，打开 PLC,手动开电动阀旋钮开关,观察输出指示灯是否按预计效果闪灭，并通过监控状态观察程序的运行过程及输入输出信号、 内部元件状态的变化，从中可以发现硬件接线是否有误及程序实现方案、结构是否正确。进行手动切换看是否满足十字路口交通信号灯的控制要求，要分析并描述实际出现的问题，最后解决问题。- 19 -第 3 章 课程设计总结PLC 是一门侧重应用方向的学科。所以要多一点实践。不要看不起小的项目，在其中你能总结出设计程序的逻辑思维方法，总结中不断进步。在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以