PLC课设资料.docx
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PLC课设资料
第1章前言
1．1研究背景及意义
目前，输送带系统在工业的各个领域有着广泛的应用。
例如，在采矿业的输送带系统、火电厂的燃料煤进料系统、食品工业的输送带系统等这些领域都采用了输送带。
输送带运行的可靠性与稳定性，直接影响着企业的生产发展。
对于输送带的控制，以前都采用接触继电器控制系统。
而接触继电器控制系统接线复杂、抗干扰能力差，易因接触不良而造成故障，而且功能扩展性差。
特别是在采矿业中，现场操作环境恶劣，直接影响人体的健康和企业的正常作业。
PLC因其可靠性高、功能完善而越来越受到企业的青睐，传统的接触继电器控制系统已逐步为PLC所取代。
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器，执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。
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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
可以预料：
在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。
目前可编程序控制器的应用已经渗透到国民经济的各个部门和工业过程的各个角落，已成为企业提高装备技术水平的重要标志。
在宝钢的二期三期工程中使用了国外多个厂家三十几种机型计六百多台套的可编程序控制器，在广西玉柴机器有限公司的柴油机生产线中使用了近二百台罗克韦尔自动化公司的可编程序控制器，像这样大范围使用可编程序控制器的系统已很常见。
因此，本设计对PLC的研究是有很强的实用性和研究意义的。
1.2本文研究内容
我所研究的是基于PLC的输送带控制系统，该系统通过PLC控制了输送带的运行与停止、翻身电机和推杆电机的正反转，实现了生产过程的自动化。
而且采用VB编程，通过RS232串行通信协议实现了PLC与上位机的通信，能够实时读取现场数据，通过上位机来对现场进行实时监控。
本文首先介绍了系统的具体情况和设计要求，紧接着对设计的各个方案进行了选择。
在下位机的程序设计中，重点介绍了PLC的编程语言，并针对本系统的各个功能的实现做了详细的论述。
此外，PLC与上位机通信也是重点介绍的内容。
在这部分里介绍了通信口、通信协议、通信地址和通信过程。
最后详细介绍了利用VB开发上位机监控界面。
通过各部分的叙述，介绍了输送带控制系统的开发过程，并针对系统设计、实施中遇到的问题，提出了具体的解决方案。
系统完成了项目要求的各项功能、基本达到了预期设计要求。
第2章系统组成及设计要求
输送带控制系统由输送带本体和系统控制柜组成。
输送带本体由输送带、翻身电机、推杆电机、传感器组成。
输送带是用来输送物体的。
系统共有两个传感器，其中传感器1是用来控制翻身电机的动作，传感器2是用来控制推杆电机的动作。
翻身电机的作用是将物体翻身，推杆电机是将物体推出输送带。
系统控制柜包括控制部分和接线部分。
控制部分有启动、停止、急停、角度调整等按钮以及电源指示、故障指示等指示灯。
可以根据需要实现各个控制功能，同时相应的指示灯亮。
接线部分由输入输出点以及电源接线等接口组成。
系统控制柜本身并没有PLC，这些输入输出口就是用来与PLC连接的。
输送带控制系统设计要求如下：
一、按下启动按钮后，系统开始运行，输送带电机动作。
二、当传感器1检测到传送带1上物体后，计数器加1，并显示累计的数据，同时PLC开始延时（时间的长短大于或等于工件从传感器1到翻身电机处所需的时间）。
三、延时时间到，翻身电机动作。
运行一段时间后也就是正转90度后，停顿若干秒后反转复位，复位所用时间与正转所用时间相同。
这样翻身电机将工件翻个身送到传送带2上。
四、当传感器2检测到传送带2上有工件时，延时一段时间（时间的长短等于工件从传感器2被送到推杆处所需的时间），推杆动作，将工件推出输送带后复位。
在推杆动作期间传动带1、2以及翻身电机不能工作，推杆复位后输送带、翻身电机才能动作。
第3章方案论证
3．1电机的选型
由于系统需要推杆电机、翻身电机、传输带电机的动作，电机动作的可靠决定了系统的性能，故对电机的选型是很重要的。
方案一、选择直流伺服电机。
伺服电机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。
它将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度而输出。
伺服电机具有宽广的调速范围，机械特性和调节特性均为线性，无“自转”现象，并且能快速响应。
但是实验条件下无稳定直流电源，且伺服电机精度不够，所以不是最佳选择。
方案二、采用步进电机。
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。
它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机。
它由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电动机就移进一步。
这种电动机的运动形式与普通匀速旋转的电动机有一定的差别，它是步进式运动的，所以称为步进式电动机。
步进电机是受脉冲信号控制的，因此它适合于作为数字控制系统的伺服元件。
它的直线位移量或角位移量，与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速启动、制动和反转。
在传输带控制系统中，传输带的运行速度慢，翻身电机和推杆电机的动作也是缓慢变化的，而且需要进行正反转，因此步进电机是适合系统需求的。
方案三、采用单相电容电机。
单相交流电容电动机是一种只用市电220伏供电运行的电容电动机，广泛地应用于家用电器和工业生产过程，如洗衣机、空调器、电冰箱、健身器等以及纺织、轻工、化工、医疗等行业。
单相交流可逆电容电机由于主副绕组的结构以及所用的线径和匝数都是相同的，所以工作时可以互易主副绕组来改变电机的转向。
电容的作用是用来分相的。
此实验室只有此电机，且此电机能实现正反转，有减速器，能够满足系统需求，所以采用单相交流电容电机。
3.2控制器的选择
在工业生产中，人们常常面临着数据采集与管理。
按照要求，控制系统部分应该工作稳定可靠，维护方便且有一定的扩展能力。
要控制系统的工作，有两个选择，一是单片机，另外PLC亦都能够符合要求。
单片机是一个带CPU、内存的裸计算机。
单片机功能灵活，但开发应用都要从底层做起，功能由开发者水平决定，应用也不只是在过程控制，抗干扰能力不如PLC。
作为工厂自动化的三大支柱可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController），由于其安全可靠，广泛的用于数据采集与控制，因此决定选PLC作为控制核心。
PLC是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。
目前PLC有以下主要特点：
（1）能够执行多任务；
（2）网络化能力加强；（3）高速化处理功能；（4）大力发展集成化软件；（5）微型可编程控制器异军突起。
目前，工厂上用的PLC比较多的是三菱、欧母龙、西门子等国外的牌子。
这些PLC功能都比较齐全，能够满足设计需要。
由于实验室只有三菱系列的PLC，所以根据需要采用了三菱FX1s-30MR型PLC。
3.3监控软件的选择
工程要求需要远程监控，所以需要找到一种合适的远程控制方式。
在工业控制网络中，有PLC间通信、PLC和上位机通信以及PLC同Internet通信几种通信形式来实现远程控制，计算机作为上位机监控生产也已经是一项比较成熟的技术。
所以，决定系统的监控部分采用计算机作上位机，通过RS232串行通信口和PLC通信，对系统实施监控。
这样充分发挥计算机对数据的快速处理能力和交互界面的多样性，可以让系统更加人性化。
至于上位机监控软件，有几种方案：
方案一、采用组态软件。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件最突出的特点是实时多任务。
例如数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储器、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。
通用工业自动化组态软件使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程，即使用比较方便、可靠。
但是，组态软件的成本相对较高，一套组态软件的价格通常在万元以上。
所以对于一般的小型系统，从经济因素和针对性适应性角度出发，使用像VC、VB这类的常用软件来编写。
方案二、使用VisualC++。
VisualC++是Windows编程的主要工具，与Windows的紧密结合使它在软件底层开发上占有非常大的优势。
VisualC++具有如下优点：
与Windows的紧密结合、强大的类库支持和类改造能力、高效率的运行速度。
VC能直接操作内存数据，算法实现过程简洁，程序运行速度快而且可以直接与设备驱动程序接口或直接操作硬件。
但是编写界面比较复杂，对设计者素质要求较高。
方案三、使用VisualBasic。
与VC相比，VB最大的优点就是简单易学，控件使用方便，界面制作简单，开发项目的开发速度快、周期短，能方便的实现文件管理、图象显示、声音动画的播放等功能。
VB语法简单，可视化程度高，概念少，所以非常适合初学编程和Windows编程的人使用。
即使编程高手也有很多人愿意使用它，因为它进行一般开发的效率比较高。
缺点是算法实现复杂，编译后的速度较VC慢，需要庞大的运行时间库支持，；底层调用手段较少，不太适合开发硬件操作多、速度要求高的场合。
考虑到本系统对系统要求不高，不需要对低层硬件进行操作，只是调用几个控件即可，同时VB简单易学，能够完全满足设计需要，所以我采用VB来编写程序对系统进行监控。
3.4通信接口选择
PLC与PC机采用串行通信方式进行连接，目前比较流行的串口有RS-232和RS-485。
RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。
它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统,调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准，该标准规定采用一个25个脚的DB-25连器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信号的电平加以规定。
后来IBM的PC机将RS-232简化成了DB-9连接器,从而成为事实标准.而工业控制的RS-232口一般只使RXD,TXD,GND三条线。
由于RS-232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：
（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。
（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。
与RS-232-C接口相比，RS-485具有以下优点：
（1）接口信号电平比RS-232-C降低了，不易损坏接口电路的芯片。
（2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。
（3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
由于RS485有以上优点，在工业上受到广泛应用。
考虑到实验条件下，通信距离短，只有PC机的RS-2329针串口，且此串口完全能满足系统设计要求，因此采用RS-232串口。
第4章系统硬件设计
输送带系统由两部分组成：
系统控制柜和输送带本体。
如图4.1所示，系统控制柜的操作面板有计数器、电源指示灯、故障指示灯、急停按钮、启动按钮、停止按钮、角度调整以及PLC输入输出和电源的接口所组成的。
计数器是用来记录输送带输送工件的数量，并且显示出工件的数量；电源指示灯是用来反映控制系统是否已经通电；故障指示灯即当系统检测到有故障时，点亮此灯并停止运行系统；急停按钮：
当有紧急情况的时候，按下这个按钮。
按钮一旦按下以后，系统立即停止运行。
运行机构停止在当前位置，并且点亮报警灯。
只有急停按钮复位后重新启动，系统才会运行。
角度调整是服务于翻身电机的。
由于翻身电机在运行时受惯性、摩擦等因素，使得翻身电机在多次运行之后会产生累加误差，使得翻身电机不能返回初始位置，所以就通过角度调整按钮进行校正，使得翻身电机回到初始位置。
图4.1控制柜面板示意图
输送带本体是由输送带电机、翻身电机、推杆电机及其传动装置所构成的，用来完成用户所要实现的工艺流程，传输带俯视图如图4.2所示。
传输带1和2都是采用同一个电机工作，物体自右向左随着传输带运动。
翻身电机和推杆电机的动作是根据传感器1和2的触发而相应动作的。
图4.2输送带俯视图
三个电机的内部接线图如图4.3所示。
翻身电机和推杆电机都各有两个开关，用来控制电机的正反转。
这三个电机都是通过电容来分相的，由于传输带只要求一直往一个方向运行，所以就只设置了它的正转。
翻身电机和推杆电机都是单相交流电机，它们的换相是靠接触器来完成的。
如图，KA3、KA4控制翻身电机的正反转，KA5、KA6控制推杆电机的正反转。
图4.3传输带本体内部接线图
第5章PLC程序设计
PLC的关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图语言的程序及辅助通讯程序，梯形图语言的解释程序的效率决定了PLC的性能，通讯程序决定了PLC与外界交换信息的难易。
对于简单的应用，通常以独立控制器的方式运作，不需与外界交换信息，只需内部固化有能解释梯形图语言的程序即可。
实际上，设计PLC的主要工作就是开发解释梯形图语言的程序。
PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。
PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。
最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。
梯形图编程并不是完全不同于其他编程的另一种语言，而是利用梯形图直观的特点使编程更加简单、清楚，完成梯形图之后，计算机自动把梯形图转换成指令形式，从而提高了编程效率和程序的可读性。
5.1编程元件和编程指令
FX系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别称为继电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器”。
这些编程用的继电器，它的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。
它在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。
一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。
在本设计中，用了如下编程元件：
输入继电器点X
输出继电器Y
辅助继电器M
定时器T
计数器C
三菱FX系列PLC一共有20条逻辑指令，本系统中用到的指令如下：
逻辑取及线圈驱动指令LD、LDI、OUT。
触点连接指令AND、ANI、OR、ORI。
支路连接指令ANB、ORB。
置位复位指令SET、RST。
空操作指令NOP。
结束指令END。
例如要用X000控制Y000输出，当X000按下时，Y000有输出，按要求编梯形图如下：
翻译成指令表为：
5.2下位机程序设计
对三菱FX系列PLC编程，我用的是FXGP/WIN编程环境（见图5.1）。
图5.1FXGPXIN编程环境
根据电路的结构和系统要求，设计程序流程图如图5.2所示。
图5.2系统程序流程图
利用梯形图编程，首先必须确定所使用的编程元件的编号，PLC是按照编号来区别操作元件的。
一般来讲，配置好的PLC，其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的。
鼓I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分配给实际的I/O电路，编程时按点号“对号入座”进行接线。
本控制系统的输入侧有：
启动按钮、停止按钮、角度调节按钮、急停按钮、传感器1输入点、传感器2输入点、故障。
输出侧有：
急停输出点、传送带运行输出点、翻身电机正转输出点、翻身电机反转输出点、推杆电机正转输出点、推杆电机反转输出点、系统运行指示输出点、故障输出点。
根据输入输出点数，选用三菱FX1S-30MR型PLC，它有12个输入点和8个输出点，能够满足系统的要求，并能满足一定的余量。
控制系统的I/O分配表如下：
表5.1I/O地址分配表
5.2.1程序初始化模块
在设计的程序开头，设计了故障按钮和急停按钮。
当有故障的时候，故障输出点Y7输出，同时将系统运行点Y6、传送带运行点Y1复位，将相应的定时器和计数器也复位。
当按下急停按钮的时候，急停点Y0输出，同时复位Y1、Y2、Y7及相应的定时器。
X0启动，则系统运行，Y6输出；X1停止，按下则Y6复位，计数器也复位。
硬件接线图如下：
PLC程序段如下所示：
5.2.2传感器工作模块
系统的动作是靠传感器的出发来动作的，因此两个传感器工作的可靠性影响着系统工作的稳定性。
由于所采用的传感器为光电传感器，很灵敏，所以手不要过于靠近输送带，以免产生误动作。
在系统运行时，光电传感器根据物体的位置信号转化为电信号，来决定系统该进行哪一步动作。
由于物体经过传感器的时间不长，所以我加了个辅助继电器来确保信号的稳定，确保定时器能正常工作。
其中X004为传感器1，X005为传感器2。
传感器1工作模块硬件接线图如下：
相应PLC程序段如下：
传感器2工作模块硬件接线图如下：
相应PLC程序段如下：
5.2.3特殊辅助继电器模块
在本系统的软件设计中，用了许多辅助继电器。
辅助继电器M在程序中的作用相当于继电器控制系统中的中间继电器，其功能是在程序中用于中间状态暂存移位、辅助运算或赋予特殊用途。
PLC的内部继电器分为普通型、掉电保持型和赋予特殊用途型三种。
除了用了部分普通继电器外，还用到了两个特殊用途的继电器：
M8002和M8012。
M8002的功能是在程序RUN的第一个周期产生一个脉冲宽度为一个扫描周期的脉冲输出，供初始化使用；M8012是提供100ms的周期性脉冲输出。
相应PLC程序段如下：
5.2.4角度调整模块
当系统多次运行后，翻身电机在运行时受惯性、摩擦等因数，多次翻转后会产生累加误差，使得翻身电机不能返回初始位置，因此要进行角度调整，使其回到初始位置。
X002代表角度调整，定时器T2定时0.5S，这样角度调整时翻身电机每次翻转0.5S，达到了微调的目的。
其硬件接线图如下：
相应PLC程序段如下：
将设计好的梯形图写进PLC，系统即可正常工作。
当系统通电后，在没有急停和停止按钮按下的时候，按下启动，输送带开始运行。
若有物体在输送带1上，物体首先会经过传感器1，计数器加1，同时定时器T0开始延时10秒。
10秒后翻身电机开始反转，将物体翻身后再正转，恢复初始位置，物体运行在输送带2上。
传感器2检测有物体经过后，定时器T2开始延时20秒。
20秒后推杆电机开始动作，将物体推出去后复位，如此循环。
具体梯形图程序见附录。
第6章上位机与PLC的通信
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
PLC网络传送的都是数字信息，按照层次可以分为以下四类：
第一类，计算机与PLC之间的连接（上位链接）；
第二类，PLC与PLC之间的连接（同位链接）；
第三类，PLC主机与它们的远程模块之间的连接（下位链接）；
第四类，PLC与计算机网络之间的连接（网络连接）。
本套系统中需要使用第一类连接——PLC与计算机直接连接的上位PC机监视控制方式，这就需要讨论一下上位PC机如何与PLC实现通信。
上位PC机要与PLC通信，必须满足如下条件，才能实现：
1．带有异步通信接口的PC才能与带异步通信适配器的PLC机互联。
双方采用的总线标准要一致，否则要通过“总线标准变换单元”变换之后才能互联。
2．上位机和PLC都需要进行统一的初始化，使波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验都相同。
3．要对PLC的通信协议分析清楚，严格地按照协议的规定及帧格式编写PC机的通信程序。
PLC中配有通信机制，在通信时，PLC根据PC机的命令，在每个循环扫描结束处的END语句后组织自动应答，无需用户在PLC一方编写程序。
6.1串行通信口
PC机及与FX系列PLC的串行通讯的硬件连接要求并不复杂，一般情况下使用通信电缆就可以完成通信。
在串行通讯时,要求通讯双方都采用一个标准接口,使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。
下图为PC机通过串口RS-232连接PLC的示意图。
图6.1PC机与PLC的连接示意图
在数据通信中，通常将数据终端设备简称为DTE（DataTerminalEquipment），而将数据通信设备简称为DCE（DataCircuitEquipment）。
DTE是具有一定数据处理能力及发送和接收数据能力的设备，而DCE的主要作用是在DTE和传输线路之间提供信号变换和实现编码功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。
DTE可以是计算机或终端，也可以是各种I/O设备，而与模拟话路相连接的调制解调器（MODEM）则是典型的DCE。
RS－232的主要内容就是定义DTE和DCE之间的接口标准。
RS－232使用的连接器包括DB－25、D－15和DB－9等几种类型，不同类型连接器使用的引脚定义也各不相同。
目前，个人计算机配备的RS－232连接器通常为DB9，它提供异步串行通信所需要的9个信号，其引脚的排列和信号名称如图6.2所示。
图6.2RS－232在使用DB－9作为连接器时的引脚排列和信号名称
RS－232采用负逻辑，逻辑0相当于对信号地有＋3～＋15V的电压，逻辑1相当于对信号地有－3～－15V的电压。
在－3V～＋3V的过渡区，逻辑状态不定。
RS－232串行口信号分为传送信号、联络信号和信号地3类。
传送信号包括TxD（发送数据）和RxD（接收数据），它们是经由TxD传送和RxD接收的信息比特流。
一个传送单位由起始位、数据位和停止位（有时还包含奇偶校验位）组成。
上图是对微机标准串行口而言的，还有许多非标准设备，如接收GPS数据或电子罗盘数据，但是都遵从一个原则：
接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼此交叉，信号地对应相接。
6.2PLC的通信协议
在PC机中必须依据互联的PLC的通信协议来编写通信程序，否则无法进行通信。
因此先介绍FX系列PLC的通信协议，并着重介绍PLC地址的算法。
FX系列PLC采用异步通信格式，由1位起始位、7位数据位、1位偶校验位及1位停止位组成，波特率为9600dps，字符为ASCII码。
格式如下：
FX系列PLC有4个通信命令，如表6.1所示，它们是读命令、写命令、强制通命令、强制断命令。
表中X—输入继电器；Y—输出继电器；M—辅助继电器；S—状态元件；T—定时器；C—计数器；D—数据寄存器。
命令
命令字
控制元件
备注
读元件
‘0’即ASCII码‘30’
X,Y,M,S,T,C
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