电气工程及其自动化毕业论文基于PLC的设计毕业论文.docx
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电气工程及其自动化毕业论文基于PLC的设计毕业论文
电气工程及其自动化毕业论文基于PLC的设计毕业论文
第一章西门子S7-200PLC概述
1.1可编程控制器概述
ProgrammableLogicController，即可编程控制器，是在结合了微型计算机原理和继电器常规控制原理的前提下、充分吸收利用微型处理器控制和继电器顺序控制的优点，并将其运用到数字控制领域的新型控制器[2]。
作为一种新的控制器，可编程控制器有着自身独特的编程方法，不同于一般微型计算机编程语言，而是另辟蹊径，采用梯形图这种象形编程方法。
独特的编程语言，配合其自身的模块化构造，从而形成了清晰明了、直观易懂、便于学习、易于维修的特点[3]。
可编程控制器不仅可以借助其微处理器的优点，来满足工业应用的需求，而且可以方便专业人员的维护与检查[4]。
1.1.1PLC的组成
PLC分为两类。
其中，单元式也可称作整体式，模块式也可称作组合式[5]。
单元式PLC的机箱内不仅装有其各个部件，也可加装扩展模块。
模块式PLC则将单元式PLC的每一个部件分别做成与之对应的电路模块，并用总线连接起来，组成一个完整的PLC。
单元式PLC的外观较小，多用于小型机。
而模块式PLC的体积较大，配置也相对灵活，可以根据不同用户的不同需求，配置不同的模块，以满足广大用户[6]。
图1-1单元式PLC构造示意图
图1-2模块式PLC构造示意图
1.1.2PLC的功能
PLC自1969年问世以来，40余年间，获得了极大的发展，已经成为一个独立的行业，成为自动控制装置的主导。
这与其强大的功能是分不开的[7]。
PLC的主要功能如下：
1）多种控制功能。
2）数据处理功能。
3）通信联网功能。
1.1.3PLC的特点
作为一种新的控制器，可编程控制器有着自身独特的一些优点，这些优点不仅促进了PLC的开发和利用，也给用户提供了良好的用户体验[8]。
1）可靠性强，抗干扰。
2）功能相对较多、适用性强。
3）简单易学、便于使用。
4）功耗低、性价比高。
5）易于安装、调试、维护。
1.1.4PLC的发展状况和前景
在PLC诞生之前，工业上借助于继电器电路和接触器电路构成的控制系统来满足工业电器生产的需要。
由于受到自身缺点的限制，继电器控制系统在对顺序、时序等动作进行控制和对开关量、模拟量等信号量进行处理时，有着明显的不足[9]。
在1969年，美国DEC公司研发了第一台PLC，开辟了计算机技术在工业控制领域应用的新局面。
在随后的七十年代，PLC技术逐渐发展并走向成熟。
到了九十年代，PLC的运算速度有了更进一步的提高，功能有了更加全面的开发，在工业控制领域的应用也越来越广泛[10]。
近年来，随着技术发展，PLC的运行速度也越来越快。
在未来，PLC的发展方向将沿着其规模和功能大致分为两个方向。
其中，大型PLC将沿着运行速度更快、运行容量更大的方向发展[11]。
与之对应，小型PLC将会衍生出一种体积更小、成本更低、功效却得到提高的系列，以适应小型控制系统自动化的需要。
1.2西门子S7-200系列PLC概述
西门子S7-200系列PLC，属于单元式，主要用于中小型系统[12]。
其基本组成包括五大部分。
图1-3西门子S7-200系列PLC的系统结构
基本模块也称作CPU模块。
主要包括CPU、电源、输入输出单元等部件。
这些单元都安装在一个集成模块内，构成了PLC的核心控制装置[12]。
其CPU模块技术指标如下：
表1-1S7-200PLC的CPU模块技术指标
第二章主控制器的选择
在考虑到花式喷泉的控制要求和控制元件的性能体现之后，本设计选定西门子S7-200系列PLC为控制元件。
2.1喷泉控制系统的设计要求
本设计的重点在于控制系统的开发设计。
接下来就具体的参数和设计标准做一个探讨。
2.1.1花式喷泉系统整体设计概况
花式喷泉系统主要有五种不同大小的喷头组成，五个喷头分布在一个圆心和四个同心圆上，由内而外分别标定为ABCDE。
从喷头A到喷头E，喷水的高度和强度依次递减，而每一种型号的喷头数目依次递增。
花式喷泉系统的喷水花式由不同的喷头组合喷水而成。
比如：
花式一由喷头A单独喷水，花式三由花式喷头ACE组合喷水，花式六由喷头BCD组合喷水，由而花式八则由所有喷头一齐喷水。
表2-1花式喷泉系统喷水花样表
喷泉系统中，各种不同的喷水花式组合成了喷泉系统的喷水模式。
喷泉系统的喷水模式暂设定为四种，每一种都有八种喷水花式按特定的顺寻排列组合而成。
其中，模式一为从花式一到花式八依次喷射；模式二只是将模式一中的花式三和花式七的喷射顺序对调；模式三则是将模式一中的花式四和花式五的顺序对调；模式四中对调的则是花式六和花式七。
2.1.2花式喷泉的具体控制要求
设计的具体控制要求大致如下。
首先按下开关按钮，电路接通，系统准备运行。
然后，按下点动/连续运行按钮，选择运行方式。
再按下喷水模式选择按钮，选择具体的喷水模式，喷泉进入运行状态；最后，当按下停止按钮时，喷泉运行停止，电源断开。
在点动运行时，需要选择喷水模式；在连续运行模式中，则默认将选择的喷水模式一直运行下去。
控制流程见下图。
图2-1喷泉控制系统设计流程图
2.2主控制器选择
控制方式主要有四个选择。
其中包括：
继电器控制、单片机控制和PLC控制。
在这其中，PLC控制又包括选用S7-200PLC和S7-300PLC。
可在综合考虑这四种控制方式的优劣后，选择一个合适的控制方案。
继电器控制系统常用于控制远距电路和小容量电路的关断和接通，适于交、直流电力系统，并为之提供信号转换、系统保护等控制作用。
继电器控制系统具有可输入量种类多、线路简单、可用很小的控制系统直接控制较大的负载的优点[13]。
但是由于这种控制方式对硬件依赖程度较高，容易受到元件老化、电弧等因素的作用和粉尘、湿度等因素的干扰，其可靠性难以得到绝对的保证，受外界因素的影响较大[13]。
单片机作为主控制器，在工业控制领域具有诸多优点。
但是，单片机对使用人员的专业技术要求相对较高，必须由专业的技术人员进行开发设计，才能充分发挥单片机的自身优势；同时，单片机还具有出现故障后维修不易等特点，因此在喷泉控制方面具有一定的局限性[14]。
假设选用西门子S7-300系列PLC，则可以实现S7-200系列PLC能够实现的全部功能。
但花式喷泉的控制需要，却无法完全开发利用西门子S7-300PLC，存在一定的浪费，并且提高了喷泉控制系统的成本[15]。
综合考虑四种控制器的情况，西门子S7-200系列PLC的控制性能和设计成本适合喷泉控制系统的要求，因此选用其作为喷泉控制系统的主控制器。
2.3系统主电路设计
花式喷泉系统主要有五种不同大小的喷头组成，不同的喷头喷水就组合成了不同的喷水花式，而将这些喷水花式按照特定的顺序排列起来，使之依次喷水，就组成了不同的喷水模式。
系统共有五个喷头，来控制五种不同的水柱。
与之对应，主电路中接有五个电机，对应驱动五个喷头。
图2-2系统主电路图
第三章喷泉控制系统设计
3.1喷泉控制系统的控制原理
参照喷泉控制系统的设计原理，喷泉的控制程序主要由四段控制程序组成。
第一段程序，用来在点动运行时，喷控制水花式的转换。
在梯形图中，这一段程序包括网络2到网络4，共有3行。
第二段程序，用来选择不同的喷水花样。
在梯形图中，这一段程序包括网络6到网络9，共有4行。
第三段程序，用来在连续运行时，控制喷水模式的循环。
在梯形图中，这一段程序包括网络10到网络13，共有4行。
第四段程序，用来实现对喷头喷水的控制。
在梯形图中，这一段程序包括网络14到网络18，共有5行。
喷泉的控制系统就是通过这四种程序，来实现对喷泉系统整体的控制的。
3.2喷泉系统控制的输入输出点分配
电路中，从I0.0到I0.7的八个输入对应八个开关，以控制开通、关断、连续运行、点动运行四个功能按钮和模式一到模式四的四个选择按钮；从Q0.0到Q0.4的五个输出分别对应主电路控制的五个电机。
表3-1输入输出点分配表
3.3系统接线分布
在接线分布图中，从I0.0到I0.7的八个输入对应八个开关，以控制开通、关断、连续运行、点动运行四个功能按钮和模式一到模式四的四个选择按钮。
这些选择按钮按下，则会将输入信号输入到控制器中；经过控制器内置程序的逻辑运算，这些输入信号将转换为相应的输出信号，实现对喷泉硬件部分的驱动。
与之对应，从Q0.0到Q0.4的五个输出分别对应主电路控制的五个电机，来控制五个喷头的工作。
图3-1接线分布图
3.4梯形图分析
图3-2移位与循环程序
（1）
在这一行，M10.0左侧的元件全是常闭，因此，位存储器M10.0是导通的。
这一行的作用，是与后续的三个网络一起，控制信号的移位和循环。
图3-3移位与循环程序
（2）
当M0.1闭合一个周期，信号就会传递到ROL-W。
ROL-W的作用是将信号进行循环移位操作。
它可以将MW10中的信号，向左移动一位。
具体到这一段程序中，就是将M10.0中的信号，移动到M10.1中去。
由于信号经过ROL-W之前，M10.0是导通的。
因此，当信号经过ROL-W之后，M10.1也变成导通。
与之对应，后续网络中的常开M10.1变为常闭
图3-4移位与循环程序（3）
这一行中，M11.0与M0.3组合，形成一个自锁。
图3-5复位程序
这一行中，M11.0是一个常开，其右侧元件进行的是复位操作。
这个元件可以将从M10.0开始的9个点复位。
完成复位以后，M10.0再次导通，回到初始状态。
上述上述网络中的四行网络，完成了系统中信号的循环移位和复位，为程序的第一部分
图3-6启动控制程序
这一行中，I0.0与M0.0组合，形成一个自锁。
当按下SB1，I0.0闭合，输入信号经过两个常闭，到达M0.0。
当开关SB1松开，M0.0仍然闭合，电路仍会导通。
这一行，用来控制电路的启动，为程序的第二部分。
图3-7延时程序
（1）
在上一行中形成自锁的同时，这一行中的M0.0转换成常闭。
由于T38也是常闭的，因此，要想使T37得电，就必须使并联的四个常开，至少有一个转换为常闭。
这四个常开，对应的是从SB5到SB8的四个模式选择开关。
当按下这四个开关中的一个，T37就会得电，在下一行中会出现相应的响应。
图3-8延时程序
（2）
上一行中的T37得电，经过30*100毫秒的延时，T38得电。
与T37一样，它也有30*100毫秒的延时。
经过延时，信号在下一行中会出现相应的响应。
图3-9脉冲移位程序
上一行中，经过T38延时后的信号，会传递到下一个元件|P|。
这个元件是在检测到一次正阶跃后，会导通一个周期。
由于T37和T38的延迟时间都是3秒，因此，该元件的一个导通周期就是6秒。
与之对应，其右端的M0.1会有6秒的接通时间。
这三行主要控制电路中脉冲的移位，为程序的第三部分。
图3-10点动/连续选择程序
这一行中，I0.3与M0.2组合，形成一个自锁。
当松开开关SB4，M0.2仍然闭合，电路仍会导通。
由电路的端口分布不难看出，这一行用来选择电路是点动运行，还是连续运行，为是程序的第四部分。
图3-11模式选择程序
（1）
这一行中，I0.4与M0.4组合，形成一个自锁。
由于I0.4后面的四个元件都是常闭，因此，信号传递到网络右端的M0.4，导致在后续网络中的常开触点M0.4闭合，进而导致对应的输出。
图3-12模式选择程序
（2）
这一行中，I0.5与M0.5组合，形成一个自锁。
由于I0.5后面的四个元件都是常闭，因此，信号传递到网络右端的M0.5，导致在后续网络中的常开触点M0.5闭合，进而导致对应的输出。
图3-13模式选择程序（3）
与网络4的原理一样，I0.6与M0.6组合，形成一个自锁。
由于I0.6后面的四个元件都是常闭，因此，信号传递到网络右端的M0.6，导致在后续网络中的常开触点M0.6闭合，进而导致对应的输出。
图3-14模式选择程序（4）
与网络4的原理一样，I0.7与M0.7组合，形成一个自锁。
由于I0.7后面的四个元件都是常闭，因此，信号传递到网络右端的M0.7，导致在后续网络中的常开触点M0.7闭合，进而导致对应的输出。
这四行对应的是喷泉喷水模式的选择，为程序的第五部分。
图3-15输出选择程序
（1）
在这一部分程序中，当信号导致M0.4和M0.7由常开变为常闭，再加上网络1中相应触点的转换，网络14中产生相应的输出Q0.0，即喷头A喷出水柱，执行喷水任务。
图3-16输出选择程序
（2）
在这一部分程序中，当信号导致M0.5由常开变为常闭，再加上网络1中相应触点的转换，网络15中产生相应的输出Q0.0，即喷头A喷出水柱，执行喷水任务。
图3-17输出选择程序（3）
在这一部分程序中，当信号导致M0.6由常开变为常闭，再加上网络1中相应触点的转换，网络16中产生相应的输出Q0.0，即喷头A喷出水柱，执行喷水任务。
图3-18输出选择程序（4）
在这一部分程序中，当信号导致M0.4、M0.6和M0.7由常开变为常闭，再加上网络10中相应触点的转换，网络17中产生相应的输出Q0.1，即喷头B喷出水柱，执行喷水任务。
图3-19输出选择程序（5）
在这一部分程序中，当M0.5由常开变为常闭，再加上网络10中相应触点的转换，网络18中产生相应的输出Q0.1，即喷头B喷出水柱，执行喷水任务。
图3-20输出选择程序（6）
在这一部分程序中，当M0.4、M0.6、M0.5和M0.7由常开变为常闭，网络19中将产生相应的输出Q0.2，即喷头C喷出水柱，执行喷水任务。
图3-21输出选择程序（7）
在这一部分程序中，当M0.4、M0.6、M0.5和M0.7由常开变为常闭，网络20中将产生相应的输出Q0.2，即喷头D喷出水柱，执行喷水任务。
图3-22输出选择程序（8）
在这一部分程序中，当M0.4、M0.6、M0.5和M0.7由常开变为常闭，网络21中将产生相应的输出Q0.2，即喷头E喷出水柱，执行喷水任务。
从网络14到网络21，这5行分别驱动了五个喷头的工作，为程序的第六部分。
3.5程序运行分析
在喷泉控制系统的梯形图中，具体划分可分为六个部分。
第一部分为网络1到网络4，用来控制系统中信号的循环移位和复位。
第二部分为网络5，主要控制,电路的启动。
第三部分为网络6到网络8，用来控制电路中脉冲的移位。
第四部分为网络9，用来选择喷泉是连续运行还是点动运行。
第五部分是网络10到网络13，对应的是喷泉喷水模式的选择。
第六部分为网络14到网络21，分别驱动了五个喷头的工作。
当喷泉控制系统电源接通后，网络1中的M10.0接通，同时，喷泉进入待运行状态。
按下开关按钮SB1，继电器I0.0闭合，同时，M0.0接通，并完成M0.0的自锁。
然后可以用来选择电路是点动运行，还是连续运行。
如果是点动，则需要按下选择开关SB4。
按下后，I0.3与M0.2形成自锁，同时，M0.2断开。
当选定的喷水模式运行结束以后，M11.0接通，与M0.3形成自锁，并导致M0.3断开，喷泉运行停止。
因此，只要按下SB4，系统只有一次运行的机会，就是所说的点动运行。
因为与连续运行选择开关SB3相对应的输入I0.2为常闭触点，因此，系统默认喷泉为连续运行，如果选择连续运行，则不需要按下任何按钮。
当按下SB5，I0.4闭合，电路接通，电流通过M0.4,由于I0.4后面的四个元件都是常闭，因此，M0.4得电，导致后续网络中的M0.4转换为常闭。
加上网络1中相应信号的传递，Q0.0得到信号，产生对应的输出。
即喷头A喷水，执行花式一。
与此同步，M0.4转换为常闭，T37产生一个延时。
然后，下一个网络中的T38在T37延时后接通，并同样产生延时。
由于T37和T38的延迟时间都是3秒，因此，该元件的一个周期就是6秒。
因此，其右端的M0.1会有6秒的接通时间，即为每一个花式的执行时间。
执行完花式一之后，ROL-W将M10.0中的信号，移动到M10.1中去。
由于信号经过ROL-W之前，M10.0是导通的。
因此，当信号经过ROL-W之后，M10.1就变成导通的了。
与之对应，在后续网络中，有相应的输出Q0.1，即喷头B喷水，执行花式二。
执行完花式二之后，ROL-W将M10.1中的信号，移动到M10.2中去，M10.2导通。
与之对应，在后续网络中，有相应的输出，即喷头ACD喷水，执行花式三。
然后，程序会按照预先设定好的花式，继续运行花式四到花式八。
从花式一到花式八依次喷水，每个花式运行6秒，就是喷水模式一。
如果当时按下的不是SB5，而是其他的三个选择开关，则喷泉会运行其他的喷水模式。
执行完花式八后，选定的喷水模式一就执行完了，喷泉运行停止。
若果选择的是连续运行，即不按下点动选择按钮，那么喷泉将沿着选定的运行模式一直运行。
在连续运行的过程中，如果按下其他的模式选择按钮，喷泉的喷水模式将立即转换。
如果不按下SB2，喷泉会持续运行当初选定的喷水模式，并且模式保持不变。
如果按下SB2，则立即停止运行。
第四章喷泉控制系统设计程序调试
喷泉设计采用西门子S7-200sim2.0仿真软件的汉化版对控制系统程序进行模拟仿真。
该软件是西门子公司开发，是西门子S7-200系列PLC模拟仿真的首选。
调试步骤如图所示：
图4-1系统启动，准备运行
当喷泉控制系统电源接通后，M10.0接通，同时，对应的常开触点所在回路接通，喷泉进入待运行状态。
按下开关按钮SB1，继电器I0.0闭合，同时，M0.0接通，并完成M0.0的自锁。
图4-2选择点动运行
按下选择开关SB4，I0.3与M0.2形成自锁，同时，M0.2断开。
当选定的喷水模式运行结束以后，M11.0接通，与M0.3形成自锁，并导致M0.3断开，喷泉运行停止。
因此，喷泉进入点动运行方式。
图4-3执行花式一
当按下SB5，I0.4闭合，电路接通，电流通过M0.4,由于I0.4后面的四个元件都是常闭，因此，M0.4得电，导致后续网络中的M0.4转换为常闭。
加上网络1中相应信号的传递，Q0.0得到信号，产生对应的输出。
即喷头A喷水，执行花式一。
图4-4执行花式二
执行完花式一之后，ROL-W将M10.0中的信号，移动到M10.1中去。
由于信号经过ROL-W之前，M10.0是导通的。
因此，当信号经过ROL-W之后，M10.1就变成导通的了。
与之对应，有相应的输出Q0.1，即喷头B喷水，执行花式二。
图4-5执行花式三
执行完花式二之后，ROL-W将M10.1中的信号，移动到M10.2中去，M10.2导通。
与之对应，在后续网络中，有相应的输出，即喷头ACD喷水，执行花式三。
图4-6执行花式四
执行完花式三之后，ROL-W将M10.2中的信号，移动到M10.3中去，M10.3导通。
与之对应，在后续网络中，有相应的输出，即喷头BE同时喷水，执行花式四。
图4-7执行花式五
执行完花式四之后，ROL-W将M10.3中的信号，移动到M10.4中去，M10.4导通。
与之对应，在后续网络中，有相应的输出，即喷头AB同时喷水，执行花式五。
图4-8执行花式六
执行完花式五之后，ROL-W将M10.4中的信号，移动到M10.5中去，M10.5导通。
与之对应，在后续网络中，有相应的输出，即喷头BCD同时喷水，执行花式六。
图4-9执行花式七
执行完花式六之后，ROL-W将M10.5中的信号，移动到M10.6中去，M10.6导通。
与之对应，在后续网络中，有相应的输出，即喷头BD同时喷水，执行花式七。
图4-10执行花式八
执行完花式七之后，ROL-W将M10.6中的信号，移动到M10.7中去，M10.7导通。
与之对应，在后续网络中，有相应的输出，即喷头ABCDE同时喷水，执行花式六。
执行完花式八后，喷泉进入停止状态。
喷泉点动运行的调试结果，与设计目的符合。
喷泉连续运行的调试，流程与点动时相仿。
其区别在于，选择连续运行，不用按下连续运行按钮。
另外，在连续运行过程中，只运行一种模式，直到按下其他模式选择按钮，喷泉改变喷水模式；或者按下SB2，喷泉停止运行。
总结
花式喷泉系统的主要架构即是其控制部分，它的控制功能直接决定了花式喷泉绝大部分的性能。
就一般意义上的花式喷泉而言，其喷水花式和喷水时间，将随着其控制电路设计方案的确定而确定，在一些特殊场合，遂行特殊的喷水任务有一定的困难。
在考虑到花式喷泉的控制要求和控制元件的性能体现之后，本设计选定西门子S7-200系列PLC为控制元件，以可实现多种喷水模式的自动切换为目的，通过梯形图的编写和仿真，初步模拟了喷泉的控制程序，实现了预定的设计目标。
在喷泉控制系统的梯形图中，具体划分可分为六个部分。
第一部分为网络1到网络4，用来控制系统中信号的循环移位和复位。
第二部分为网络5，主要控制,电路的启动。
第三部分为网络6到网络8，用来控制电路中脉冲的移位。
第四部分为网络9，用来选择喷泉是连续运行还是点动运行。
第五部分是网络10到网络13，对应的是喷泉喷水模式的选择。
第六部分为网络14到网络21，分别驱动了五个喷头的工作。
当喷泉控制系统电源接通后，网络1中的M10.0接通，同时，喷泉进入待运行状态。
按下开关按钮SB1，继电器I0.0闭合，同时，M0.0接通，并完成M0.0的自锁。
然后可以用来选择电路是点动运行，还是连续运行。
如果是点动，则需要按下选择开关SB4。
按下后，I0.3与M0.2形成自锁，同时，M0.2断开。
当选定的喷水模式运行结束以后，M11.0接通，与M0.3形成自锁，并导致M0.3断开，喷泉运行停止。
因此，只要按下SB4，系统只有一次运行的机会，就是所说的点动运行。
因为与连续运行选择开关SB3相对应的输入I0.2为常闭触点，因此，系统默认喷泉为连续运行，如果选择连续运行，则不需要按下任何按钮。
当按下SB5，I0.4闭合，电路接通，电流通过M0.4,由于I0.4后面的四个元件都是常闭，因此，M0.4得电，导致后续网络中的M0.4转换为常闭。
加上网络1中相应信号的传递，Q0.0得到信号，产生对应的输出。
即喷头A喷水，执行花式一。
与此同步，M0.4转换为常闭，T37产生一个延时。
然后，下一个网络中的T38在T37延时后接通，并同样产生延时。
由于T37和T38的延迟时间都是3秒，因此，该元件的一个周期就是6秒。
因此，其右端的M0.1会有6秒的接通时间，即为每一个花式的执行时间。
执行完花式一之后，ROL-W将M10.0中的信号，移动到M10.1中去。
由于信号经过ROL-W之前，M10.0是导通的。
因此，当信号经过ROL-W之后，M10.1就变成导通的了。
与之对应，在后续网络中，有相应的输出Q0.1，即喷头B喷水，执行花式二。
执行完花式二之后，ROL-W将M10.1中的信号，移动到M10.2中去，M10.2导通。
与之对应，在后续网络中，有相应的输出，即喷头ACD喷水，执行花式三。
然后，程序会按照预先设定好的花式，继续运行花式四到花式八。
从花式一到花式八依次喷水，每个花式运行6秒，就是喷水模式一。
如果当时按下的不是SB5，而是其他的三个选择开关，则喷泉会运行其他的喷水模式。
执行完花式八后，选定的喷水模式一就执行完了，喷泉运行停止。
若果选择的是连续运行，即不按下点动选择按钮，那么喷泉将沿着选定的运行模式一直运行。
在连续运行的过程中，如果按下其他的模式选择按钮，喷泉的喷水模式将立即转换。
如果不按下SB2，喷泉会持续运行当初选定的喷水模式，并且模式保持
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