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PLC课程设计

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

第一章PLC简介

1.1PLC定义

PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），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（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

PLC英文全称ProgrammableLogicController,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。

”

1.2PLC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

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。

1.3PLC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：

①平均故障间隔时间长

②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：

①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。

②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。

①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。

②滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或π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。

③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。

④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。

⑤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。

①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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1μS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4～5万小时甚至更长时间。

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305×110×110mm，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24～128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、L9→L1、L5、L8→L1、L4、L7→L1、L3、L6→L1→L2、L3、L4、L5→L6、L7、L8、L9→L1、L2、L6→L1、L3、L7→L1、L4、L8→L1、L5、L9→L1→L2、L3、L4、L5→L6、L7、L8、L9→L1、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

3.1PLC选型

表3-1S7-200CNCPU技术规范表

技术规范

CPU221

CPU222

CPU224

CPU224XP

CPU226

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

8192字节

12288字节

16384字节

24576字节

用户数据

2048字节

8192字节

10240字节

掉电保持（超级电容）

50小时/典型值（40°C时最少8小时）

100小时/典型值（40°C

时最少70小时）

100小时/典型值（40°C

时最少70小时）

100小时/典型值（40°C时最少70小时）

（可选电池）

200天/典型值

典型值200天

本机I/O特性

本机数字量I/O

6输入/4输出

8输入/6输出

14输入/10输出

24输入/16输出

本机模拟量I/O

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

允许最大的智能模块

无

2个模块

7个模块

脉冲捕捉输入

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30kHz

2个20kHz

总共4个计数器

4个30kHz

2个20kHz

总共6个计数器

6个30kHz

4个20kHz

总共6个计数器

4个30kHz

2个200kHz

3个20kHz

1个100kHz

总共6个计数器

6个30kHz

4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（10ms）；236定时器（100ms）

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

2个8位分辨率

布尔量运算执行时间

0.22μs每条指令

实时时钟

可选卡件

内置

卡件选项

存储器、电池和实时时钟

存储卡和电池卡

集成的通信功能

接口

1个RS-485接口

2个RS-485口

PPI,DP/T波特率

9.6、19.2、187.5Kps

自由口波特率

1.2～115.2Kps

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

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S7-200CNCPU技术规范表，可知选CPU224就满足要求。

3.2I/O资源分配表

表3-2I/O分配表

PLC地址（PLC端子）

电气符号（面板端子）

功能说明

I0.0

启动模式1（SD）

I0.1

启动模式2（SD）

I0.2

常闭触点1

I0.3

常闭触点2

I0.4

常闭触点3

Q0.0

指示灯L1

Q0.1

指示灯L2

Q0.2

指示灯L3

Q0.3

指示灯L4

Q0.4

指示灯L5

Q0.5

指示灯L6

Q0.6

指示灯L7

Q0.7

指示灯L8

Q1.0

指示灯L9

主机1M、面板V+接电源+24V

电源正端

主机1L、2L、3L、面板COM

接电源GND

电源地端

3.3PLC外部接线图

图3.1天塔之光外部接线图

第四章PLC控制系统软件设计

4.1顺序功能流程图

4.2梯形图

第五章

心得与体会

本设计完成了题目要求的基本部分的全部要求。

发挥部分的因为时间和制作材料的短缺而没有进行尝试，在今后条件允许的情况下再扩展。

基本部分各单元工作稳定。

通过这次设计使我学会如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。

创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，从为人类造福的意愿出发，做自己力所能及的，别人却没想到的事。

使之不断地战胜别人，超越前人。

同时，更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻易言弃。

设计过程，也好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，也许这就是在对我们提出了挑战，勇敢过，也战胜了，胜利的钟声也就一定会为我们而敲响。

参考文献

[1]王阿根.电气可编程序控制原理与应用[M].清华大学出版社.2010

[2]何有华.可编程序控制器及常用控制电路[M].冶金工业出版社.2002

[3]郭纯生.可编程序控制器编程实战与提高[M].电子工业出版社.2006

[4]谢克明夏路易.可编程控制器[M].电子工业出版社.2003

[5]廖常初.S7-200PLC编程及应用第2版[M].机械工业出版社.2002

分组情况表

职责

姓名

查阅资料

冯闯梅琪王振

ppt制作

齐双齐元元任炟丞

电脑制图

姚雪张小诗王一桐

程序设计

赵晓华付长禹范若男

论文整理

马浩博魏雨桐李子艾靳永辉

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