基于三菱plc的二级传动带控制系统设计说明书

PAGEPAGE15目录摘要 1第一章概述 21.1PLC的基本概念与基本结构 21.1.1PLC的的基本概念 21.1.2PLC的基本结构 21.2PLC的特点与应用领域 41.2.1PLC的特点 41.2.2PLC的应用领域 4第二章PLC的硬件与工作原理 42.1PLC的硬件 42.1.1PLC的物理结构 42.1.2CPU模块中的存储器 52.2PLC的工作原理 5第三章PLC程序设计基础 63.1PLC编程语言与编程结构 63.1.1顺序功能图（SFC） 73.1.2梯形图(LD) 73.1.3功能块图(FBD) 83.1.4指令表(IL) 83.2顺序控制梯形图的设计方法 83.2.1起保停电路的编程方式 83.2.2以转换为中心的编程方式 8第四章三菱公司F1—40MR型PLC的使用 94.1三菱公司的PLC产品及F1—40MR 94.1.1F1系列PLC的指令系统简介： 94.1.2F1—40MR的编程元件： 104.1.3某些编程元件使用特性及含义： 104.2F1-20P简易编程器的使用 104.2.1编程操作 10第五章十字路口交通信号灯控制系统设计 145.1设计选题及PLC控制过程 145.2顺序功能图 155.3 以转换为中心的梯形图的设计 175.4 交通灯控制系统的编程指令 185.5程序调试 195.5.1在系统设计中注意的问题 195.5.2程序调试中遇到的问题及解决方法 195.5.3心得体会 19致谢 20参考文献 20目录摘要 2第一章概述 31.1PLC的基本概念与基本结构 31.1.1PLC的的基本概念 31.1.2PLC的基本结构 31.2PLC的特点与应用领域 51.2.1PLC的特点 51.2.2PLC的应用领域 5第二章PLC的硬件与工作原理 52.1PLC的硬件 52.1.1PLC的物理结构 52.1.2CPU模块中的存储器 62.2PLC的工作原理 6第三章PLC程序设计基础 73.1PLC编程语言与编程结构 73.1.1顺序功能图（SFC） 83.1.2梯形图(LD) 83.1.3功能块图(FBD) 93.1.4指令表(IL) 93.2顺序控制梯形图的设计方法 93.2.1起保停电路的编程方式 93.2.2以转换为中心的编程方式 9第四章三菱公司F1—40MR型PLC的使用 104.1三菱公司的PLC产品及F1—40MR 104.1.1F1系列PLC的指令系统简介： 104.1.2F1—40MR的编程元件： 114.1.3某些编程元件使用特性及含义： 114.2F1-20P简易编程器的使用 114.2.1编程操作 11第五章十字路口交通信号灯控制系统设计 155.1设计选题及PLC控制过程 155.2顺序功能图 165.3 以转换为中心的梯形图的设计 185.4 交通灯控制系统的编程指令 195.5程序调试 205.5.1在系统设计中注意的问题 205.5.2程序调试中遇到的问题及解决方法 205.5.3心得体会 20致谢 21参考文献 21

摘要本文介绍了PLC的特点，主要从其基本结构组成、类型类别、性能特点、应用领域等入手说明，文章还分析PLC的工作原理，编程语言特点和指令的使用方法，通过对三菱F1系列的PLC举例说明，还对PLC的梯形图设计和分析、功能转换等特点进行说明，强调了起保停电路设计方法和转换为中心的设计方法。本设计以十字路口交通灯为研究对象，通过运用时序控制方法、并行系列的方法设计状态功能图，按照设计的时系转换状态图设计控制程序，按照转换为中心，将顺序功能图转化为梯形图，最终通过对系统进行仿真调试，结果表明，系统各项功能模块运行正常，满足预期设计目标。关键词：交通灯设计PLC自动控制

第一章概述1.1PLC的基本概念与基本结构1.1.1PLC的的基本概念随着商品经济的发展，市场对多品种、小批量的、供货时间快、低成本的产品有很大的需求，为了满足市场的要求，需要不断提高生自动化的生产设备的加工多样性，灵活性。可控制编程器的出现能够满足这些要求，在工业自动化控制中有很的的应用。PLC在工业中得到了广泛的应用，提高了工业自动化水平，可以搭建起大型的工业控制网络，实现远程的控制，由于PLC的运行稳定性较好，价格比较合理，在工业控制方面上，是其他的控制器无法比拟的。PLC是一种可编程的控制器，数字化运算操的电子操作系统，适用于工业控制中，它主要有可编程的存储器，可以执行逻辑运算、顺序执行程序、计数与定时功能，具有较多I/O端口，可以控制较多的点位，并且PLC可以组态成一个系统，通过触屏或者计算机终端可以向PLC传输指令和网络变量，PLC还可以与其他软件进行通讯，只要在同一个局域网内，就可以实现远程控制，PLC还具有丰富的扩展模块，例如通信模块、I/O模块等，可以搭建一个较大的智能控制系统，PLC的通信功能比较强大，可以和机械手臂以及伺服电机设备进行稳定可靠地通信。此实验是以三菱公司的PLC为基础而进行实验的。1.1.2PLC的基本结构PLC的模块较多，但是主要有电源模块、CPU模块，输入输出模块组成，针对于不同的控制要求选用不同的控制模块。1.CPU模块PLC的CPU模块和其他控制结构相似，处理器的芯片，和存储器构成，是整个系统的控制核心，通过检测输入点位的信号来执行用户编写的逻辑程序，并给出输出端口的信号，控制其他执行部件进行动作。存储器的作用是存储程序和存储程序计算过程产生的中间变量。在PLC启动时，PLC并开始循环检测并读取存储器中的指令进行顺序执行，当检测到外部有输入信号，程序会对此做出响应，控制外部输出。PLC与计算机的结构相似，硬件图如下图所示，有输入单元、输出单元、编程器、用户程序存储器、系统程序存储器、中央处理单元、电源等硬件。CPU控制器主要是读取指令，逻辑分析指令与执行指令。PLC的工作速度有晶振频率控制。运算器主要是进行数字和逻辑运算，存储器主要是把运算器的结果存储在寄存器里，方便存储。CPU的组成部分如上述所示，至于他们的具体结构组成没必要分析，对于用户来说，只需能够正常使用即可。PLC的CPU模块上有信号显示灯，有电源指示灯、运行指示灯、故障指示灯。除了这些指示灯意外，还具有以太网接口，RS485通信接口，可以扩展I/O模块，一个PLC可以扩展到八个I/O模块。有模拟量输入、输出模块，数字量输入、输出模块。PLC还可以扩展通信模块，可以实现与变频器进行PROFIBUS进行通信。能够通过指令进行控制伺服电机进行传动。2.I/O模块PLC能够提供较多的I/O端口资源，其他类型的控制器输出单口资源较少，一般只有20多个端口，但是PLC可以进行扩展，能够扩展到200多个端口，行程一个较大控制系统，实现较为复杂的工业控制系统。由于随着输入输出端的点位增多，可以控制的外部执行单元就比较多，在一般的工程可能几十的I/O端口的就可以满足控制要求，在大型的项目中需要上百个的I/O端口资源。3.编程器编程器主要是用来存储、编辑、检测、监控PLC设备的平台。4.电源PLC采用220V交流电源和24V直流电源。其内部的开关电源为其外部接口提供了不同的电压，一般来说，PLC的外部直流电压为用户提供。1.2PLC的特点与应用领域1.2.1PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰强。（2）功能强大，性价比高。（3）编程简易，现场可修改。（4）配套齐全，使用方便（5）耐用、功耗低、方便携带。（6）系统的使用方便简单、便于维护。1.2.2PLC的应用领域PLC具有很多优点，比如性价比高，目前应用各个行业得到广泛认同，根本在于以下几个方面：（1）数字量逻辑控制（2）运动控制（3）闭环过程控制（4）数据处理（5）联网通信第二章PLC的硬件与工作原理2.1PLC的硬件2.1.1PLC的物理结构PLC的硬件分类主要有：模块、整体、混合等3个模式。1.整体式PLC本模式的特点在于体积小、低廉，箱体式主要包括CPU、I/O、内存条、显示器等部件，其规格和型号可以根据CPU类别、I/O接口类型进行区分。任何一种结构的PLC系统，都是开放式结构，即是开发人员可以通过其I/O接口扩展系统功能。2.模块式PLC大中型PLC常用模块式结构，这种结构由机架以及各个模块构成，用户可以选择不同设备的CPU类型、I/O接口。2.1.2CPU模块中的存储器一般的，储存器有用户程序存储器和系统程序存储器，系统程序功能时让PLC能够智能的执行PLC控制程序的各种命令功能，系统程序是不可访问的，它固化在ROM中，一般的用户设计的程序代码是根据用户需求来说实现某种特定的功能，以字节的形式存储在程序存储器。只读存储器（ROM）ROM的内容为只读属性。2.随机存取存储器（RAM）RAM中的内容可以使用用户程序访问，其内容可以进行读写。其优点是性能强、性价比高。3.EEPROM只读存储器主要是用于存储用户程序和一些关键的数据信息。2.1.3I/O接口用LED灯显示I/O端口的通断电状态，PLC通过接线端子与外部接口选通。输入模块:主要是采集输入信号，可以是控制器、或者是外部负载等。一般为了消除外部输入抖动或者是受外部脉冲干扰，采用RC平滑电路结构。输出模块：由各种放大元器件构成，主要是放大各种信号，传输给外部接口使用。使用继电器驱动供电，负载电源由外设部件提供。2.2PLC的工作原理PLC是由继电器控制系统演变而来的，它的程序梯形图还有命名方式、功能上，都与继电器有着相似之处。运行和停止是PLC系统的2个基本状态。在运行状态，PLC执行用户控制程序。在此区间，用户程序不断地重复执行，主要是让PLC系统响应各种实时变化的输入信号，直到切换到停止状态。同时，每次循环的过程，PLC还要完成读取输入、执行用户程序、自诊断检查、改写输出等（如图2）。这种周而复始过程就是PLC系统的扫描过程。PLC的停止状态，需要执行读取输入、处理通信请求、自诊断检查、改写输出等操作。PLC的存储器包括映象寄存器和输出映象寄存器，分别保存输入信号和输出信号的状态。其中PLC梯形图元件映射存储器中。PLC程序是由一系列的编号顺序排列的，CPU按照编号的顺序执行。程序执行时通过映像存储器或者元件存储器中读取元件状态，根据相应的指令执行相应的动作。输出阶段为，CPU传送映象寄存器的0、1状态到输出锁存器，信号通过放大电路放大之后驱动相关负载。第三章PLC程序设计基础3.1PLC编程语言与编程结构PLC有多种编程语言。但是这些语言之间有着很多不同之处，用户需要针对各种语言进行相应的学习，但是这些给开发人员带来不必要的麻烦，而且兼容性差。可编程序控制器标准（IEC1131）的发布，就是针对这个实际问题而制定的。该标准由以下5部分组成（见图4）。该标准采用两种图形语言：功能块图（FBD）、梯形图（LD），采用两种文字语言：指令表、顺序功能图、结构文本是结构块控制程序流程图。3.1.1顺序功能图（SFC）SFC是状态转换图，采用IEC61131-3标准编程，可以用别的语言嵌套编程。SFC3个元件包括：步、转换、动作，如图5所示。步的本质是一种逻辑块，就是一种控制动作的编程逻辑；动作本质是控制任务的具体内容；转换是一个任务切换到下一个任务的条件因素。顺序结构就是CPU反复执行1中的动作；分支选择中，选中活动分支，处理器执行活动分支；并行支路中同时执行所有。3.1.2梯形图(LD)梯形图（简称LAD），在PLC使用得最多的编程语言。是一种软件的逻辑结构，和硬件的电路图的有着本质区别。但是其特点是形象直观，简单易学，使用方便，为广大开发人员的首选。1、梯形图的主要特点命名方式跟继电器的命名方式类似，其两侧的垂直公共线称为公共母线，逻辑运算从梯形图的上到下、左到右执行，梯形图中线圈应放在最右边，各编程元件的常开触点和常闭触点没有次数的限制。2、梯形图经验设计方法：（1）在原来的继电器逻辑控制原理图上进行设计；（2）没有什么方式或顺序，探究性和灵活性很强；（3）中间参数记忆完成相互关联，考虑因素较多；（4）设计耗时长，且修改麻烦；3、梯形图编规则：（1）每个线圈和继电器使用相同编号，元件触点没有使用限制。（2）SBF图每行有左向右，最右边以线圈结束，如图(a)错，图(b)正确。（3）在一个控制程序中，2个线圈使用1编号就是双线圈，这种方式不推荐使用。（4）梯形图引入虚假电流，主要用于分析PLC系统的扫描逻辑的因果关系，但是只能从左至右流动。3.1.3功能块图(FBD)和数字逻辑电路比较相似，比较容易掌握，简单易用，采用与、非、或等表示逻辑运算，I/O口上面的小圆圈为“非”运算，FBD可以兼容其他的编程语言（比如指令表、梯形图、结构文本）。3.1.4指令表(IL)指令有时叫做语句，指令表是许多指令集合，指令采用汇编语言的指令符号，由于指令表很难快速的表示逻辑关系，引入梯形图作为辅助，采用梯形图变换为逻辑指令，输入PLC系统。3.2顺序控制梯形图的设计方法3.2.1起保停电路的编程方式梯形图采用逻辑顺序功能图实现，用M代表步，活动步所在的储存器状态为“1”，若是当前的活动步完成后，后续步自动变为活动步。起保停电电路设计关键在于确定启动和停止条件，起保停电路仅跟触电和线圈的指令相关。并行系列前面有M个转换，就是有M个分支输入该步，辅助继电器有N条支路构成启动电路。3.2.2以转换为中心的编程方式顺序功能图活动步启动的条件是：该步的前一级所有的步都是活动的，并且满足相应的转换条件，那么该步立即转换为活动步。转换是编程的中心思想，将前级步所对应的储存器常开触电与转换触点电路串联起来，构成所谓的“起保停”电路。图3-3为图3-1的转换梯形图。第四章三菱公司F1—40MR型PLC的使用4.1三菱公司的PLC产品及F1—40MR4.1.1F1系列PLC的指令系统简介：(1)F1系列PLC的指令可分为两大类：基本逻辑指令：是PLC编程的基础，有20条指令，采用I/O控制的逻辑梯形图设计。能够使用20条指令基本上能够采用PLC进行开关量的逻辑控制系统编程。特殊功能指令：主要用于针对特殊程序的编写，指令总结87条，可以实现数据传输、计数器、I/O流控制等功能。(2)PLC的F1系列指令4类：作用于触点的指令：LD/LDI、AND/ANI、OR/ORI等；作用于线圈的指令：OUT；数据处理指令：如S/R、RST、SFT、MC/MCR、PLS、SFT、CJP/EJP等；独立使用的指令：如ANB、ORB、END等。4.1.2F1—40MR的编程元件：F1—40MR元件采用字母、数字等标识，名称中可以表示出元件的编号以及器件类型，元件编号使用8进制数，编号取值范围有标准规定，编号不能重复：4.1.3某些编程元件使用特性及含义：（1）F1-40MR由以下辅助继电器构成（12个移位寄存器）：M100—M117M120—M137M140—M157M160—M177M200—M217M220—M237M240—M257M260—M277M300—M317M320—M337M340—M357M360—M377（2）部分特殊辅助继电器的含义：M70：当运行开关闭合时，M70接通，主要用于系统运行状态监视。M71：在PLC运行开关闭合后，在第一个扫描周期内连通，目的是脉冲的初始化工作。(3)定时器：F1系列PLC有24个0.1-999s的定时器，编号为：T50-T57，T450-T457，T550-T557。F1系列PLC有8个0.01-99.9秒的定时器，编号为：T650-T657。计数器：PLC中，F1系列有32个3位减法计数器，他们分别是：60—67，460—467，560—567，660—667。在F2类型的PLC中，6位的BCD码加减计数器是C660和C661组成，C660为低3位，C661为高3位，其工作方式和功能由特殊辅助寄存器决定，可以对高速脉冲以及普通计数器使用。4.2F1-20P简易编程器的使用4.2.1编程操作PLC程序的写入、调试、修改流程如下图所示，编程时，编程器需要插入基本单元上，并且设置为PRGRAM模式，进入PLC编程工作模式，此时可以对程序进行写入、检查、修改等操作。(1)清除用户程序存贮器的全部内容：新程序写入之前，需要进行程序清空操作，具体操作步骤如下：CLEARSTEP0STEP999DELF1系列的程序存储空间大小为1K，每一步占用一个字节，若最后的DEL按键按下之后，用户程序存储器内容全部变为NOP指令，同时M300-M377辅助继电器处于断电模式，移位寄存器和计数器全部复位清0。在上述过程中设定有待清理的起始步序号和结束步序号，可以清理用户程序存存储器的代码片段。使用CLARE键可以取消之前的键操作，该按键不是用于清理存储器内容，而是用于等待和接收操作指令。(2)程序的写入用户使用按键将写好的用户程序加载到PLC内存中。每条指令写入的时候，显示器都会显示步的编号、指令以及数据。在清理之后的储存器中，新的用户程序从第000步开始，按CLARE按键，显示第0步序号，然后按插入键INSERT，进入指令显示状态，开始加载程序。按键操作流程如下图所示：若程序的加载紧接RAM中原有的程序继续进行，那么需要从某个步序号开始写入，按下STEP按键之后，传输至起始步序号，通过INSERT按键，指定步序号后开始加载用户程序。输入过程会显示每条指令的步序号、指令和数据等信息，若是按下“WRITE”按键之后，显示的是下一步的步序号，说明该条指令完成写入，可以执行下一条指令的写操作。若是需要改变指令或是与元器件编号信息，使用“INSERT”按键即可，然后编辑新的指令或是元件编号。而后，按“STEP”键，输入新的指令。当按下的是涉及元件编号的指令后，必须输入元件编号，考虑到，各种元件编号是唯一的，写入时，不用输入元件好类别。（3）程序清除清除用户程序存贮器的全部内容：先要清理0操作，在写入新的用户程序之前，操作步骤具体如下所示：CLEARSTEP0STEP999DEL（4）程序的读出：程序加载完成之后，需要对程序写入过程进行检测，确定程序写入是否正确。其操作过程为：CLEARSTEP步序号INSTRSTEP(+)或STEP(-)程序从第0步开始读取的时候，可以直接跳过2/3两个步骤，直接按“step-”按键，读取前一步的指令(5)指令的修改：若是修改程序中某条指令，需要先检索定位到该指令的位置，按下“WRITE”按键，旧指令消失，新指令产生。修改某一常数的时候，需要寻找出前面一条OUT指令，而后按下步键，此时序号增加1，找到原来的常数，编辑后输入新的常数。(6)指令的删除：删除特定的指令时，找出待删除指令，而后按下“DEL”键，该指令即可被删除，后续指令的编号自动减1，紧接前面的指令编号。(7)指令的插入：插入指令时，首先需要读取等待插入的指令（即是原来指令），键入需要插入的指令和元件编号对应的数值键后，按下“insert”按键，插入到原来指令之前，其中步的编号就是读取指令的编号，后续指令的编号自动加1。(8)程序的寻找（搜索）：无法获取指令步编号的情况之下，若是要检索某条指令，其操作过程如下：CLEAR指令元件号SEARCH但值得注意的是，本操作无法用于定时器、计数器常数的检索。若需要检索这些常数，需要找出相应的OUT指令，而后按step功能键，使得步的序号增加1，此时可以找到所需常数当写入指令的时候，若是遇到编程元器件的序号出现错误，例如，超过正常范围，选中WRITE功能键，元件编号会闪烁，选中INSERT按键会停止闪烁，显示出该步的序号原来指令，此时，可以输入正确的指令以及元器件编号到PLC的只读存储器中（RAM）。

第五章PLC的交通灯控制系统设计5.1设计选题及PLC控制过程本设计方式具体如下：在十字路口的东西、南北主干道安装红、绿、黄灯控制左右转、直行等，操控机动车辆和非机动车辆、行人等。其控制过程具体如下：在东西、南北方向主干道上，若是红灯一直点亮，那么此时可以左转通行，但是禁止直行以及通行，直行通行时，左转禁止通行，当且仅当红灯点亮时，该方向属于禁止通行，主干道上车辆通行的规则是：左转时绿灯亮，闪烁3次，持续15秒钟，黄灯亮，持续2秒，然后直行灯亮（同时东西方向人行道绿灯亮），持续15秒钟，闪烁3次，黄灯持续2次，而后全部灯熄灭。本设计的十字路口交通灯控制系统是依靠循环工作实现的，系统中需要设置2个输入脉冲信号，分别用于控制系统的启动和停止，这样可以方便的实现系统启动后，能够周期性的循环工作。从上述本系统的设计控制模型可以得出：人行道绿灯和直行道绿灯信号是同步的，即是可以使用一个信号量来控制系统，整个系统需要2个输入接口，X400为输入启动开关SB1，X401为输入停止开关SB2，各路信号灯设置9个控制输出端口控制，如下图2所示，绘制各个输出信号的时序图需要根据系统的控制模型和控制要求来，如下图3所示。5.2顺序功能图本系统的顺序控制功能图需要在选题的控制过程和输出时序图的基础上设计。顺序功能图的3个要素分别是：转换条件、步、动作，初始步采用双线框描述，步采用矩形描述、在长方形框中采用数字描述步的序号，采用短划线来描述转换条件，旁边采用文字形式备注。一般的，一个顺序控制图需要分为许多的阶段，也就是有许多步或状态，例如采用辅助继电器M和状态继电器S描述，其中，每个状态都有其各自的动作。在相连的2步之间，若是转换条件都满足时候，就能够实现步和步之间的转换控制，也就是将上一步的动作传递到下一步。但是，转换之前必须满足：前级为活动步，并且他们之间的转换条件已经满足。本设计的顺序控制设计，采用并行系列的顺序功能图方式，也就是把东西、南北2个方向的合并控制，控制功能图如下图所示。以转换为中心的梯形图的设计PLC编程是以转换为核心的，转换时，总是将前级步对应的储存器常开触电和转换对应的触电采用串联的方式，所得串联电路即是启动电路，他主要用于对后续步的储存器状态进行置位。下图是一个标识转换为核心的梯形图。交通灯控制系统的编程指令PLC编程指令采用以汇编语言类似的助记符号，但是其特点是容易理解，备受广大开发人员接受，目前，PLC系统指令有20条左右，其中这些指令表具体内容入下所示：LDX401ANDC460LDM213SM221LDM213ORM100SM204ANDT552RM220ORM215ANIX401RM203SM214LDM221OUTY531OUTM100LDM204RM213ANDT50LDM217LDM71ANDT453LDM215ANDC463ORM221SM200SM205ANDT554SM222OUTY532LDM211RM204ANIC462RM221LDM216ANDM222LDM205SM214LDM201ORM222ANDT550ANDT454RM215ORM202OUTY533ANDT51SM206LDM214ORM203LDM212SM200RM205ANDT553ORM204ORM213RM211LDM207SM215ORM205ORM214RM222ANDT456RM214ORM206ORM215LDM200ANIC461LDM215ORM207ORM216ANDM100SM206ANDT554ORM210ORM222SM201RM207ANDC462ORM211OUTY434SM212LDM206SM216OUTY430LDM201RM200ANDT455RM215LDM201OUTT450LDM201SM207LDM216ORM203K15ANDT450RM206ANDT555OUTY431LDM202SM202LDM207SM217LDM205OUTT451RM201ANDT456RM216ORM207K0.5LDM203ANDC461LDM217OUTY432LDM203ANDT452SM210ANDT556LDM204OUTT452ANIC460RM207SM220ORM210K0.5SM202LDM210RM217OUTY433LDM204RM203ANDT457LDM221LDM201OUTT453LDM202SM211ANDT550ORM202K2ANDT451RM210ANIC463ORM203LDM205SM203LDM212SM220ORM204OUTT454RM202ANDT551RM221ORM210K15LDM203SM213LDM220ORM211LDM206ANDT452RM212ANDT557OUTY434OUTT455K0.5LDM213OUTT556RSTC460K3LDM207OUTT552K15LDM203LDM222OUTT456K15LDM220OUTC460ORM71K0.5LDM214OUTT557K3RSTC463LDM210OUTT553K0.5LDM210LDM221OUTT457K0.5LDM221ORM71OUTC463K2LDM215OUTT50RSTC461K3LDM211OUTT454K0.5LDM207END