PLC课程设计.docx
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PLC课程设计
PLC课程设计
系部名称：
信息工程系
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
2011年05月29日
1概述
PLC课程设计能够使学生们熟练掌握S7-200PLC的接线方式、程序编写和整体系统调试，从而全面地提高学生们对PLC的软件、硬件等方面的理解，进而增强学生们在实践环节的动手操作能力。
譬如，学生们可以根据实验指导书的要求，完成交通信号灯的硬件设计、PLC型号选择、软件操作、以及整体控制系统调试，并写出完善的实验报告。
在进行实验之前，要求学生们具备数字电路、模拟电路、电路基础、自动控制、电力电子、电机学、电气控制和PLC等相关课程的知识，并具备一些基本的实践操作水平。
PLC=ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器，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。
是工业控制的核心部分。
图1.1PLC外观图
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。
2PLC介绍
PLC的种类繁多，生产的公司不同，PLC的结构和编程语言也会有或多或少的差异，即使是同一家公司的产品，产品系列不同，其编程语言也可能会不同，在课堂上，需要一种PLC为讲课对象。
西门子的SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
由于它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、丰富的功能模块以及强大的指令系统，使得S7-200PLC可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
课堂上讲述的PLC是德国西门子公司生产的S7-200PLC.
图2.1S7-200CPU224外观图
图2.2S7-200CPU224连接器端子接线图
2.1PLC系统组成
2.1.1CPU运算和控制中心
起“心脏”作用。
纵：
当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。
横：
输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
组成：
CPU由控制器、运算器和寄存器组成。
这些电路集成在一个芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
2.1.2存储器
具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
用户存储器：
分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器（RAM）组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。
2.1.3输入/输出接口
（1）输入接口：
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管：
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管：
在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程：
当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。
当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
（2）输出接口
PLC的继电器输出接口电路
工作过程：
当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
三种类型：
继电器输出：
有触点、寿命短、频率低、交直流负载
晶体管输出：
无触点、寿命长、直流负载
晶闸管输出：
无触点、寿命长、交流负载
2.1.4编程器
编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。
我们实验室使用的就是手持编程器。
二种是通过PLC的RS232口。
与计算机相连。
然后敲击键盘。
通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。
2.2PLC的基本工作原理
2.2.1PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
（1）每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
（2）输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
（5）扫描周期的长短由三条决定。
（1）CPU执行指令的速度
（2）指令本身占有的时间（3）指令条数
（6）由于采用集中采样。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
2.2.2PLC与继电器控制系统、微机区别
（1）PLC与继电器控制系统区别
前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。
前者用“软件”，后者用“硬件”。
（2）PLC与微机区别
前者工作方式是“循环扫描”。
后者工作方式是“待命或中断”
PLC编程方式
PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。
用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。
PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。
尤其前两者为常用。
梯形图语言特点：
（1）每个梯形图由多个梯级组成。
（2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。
当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。
（3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。
（4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。
（5）输入继电器受外部信号控制。
只出现触点，不出现线圈。
2.3主要技术性能
用户程序存储容量：
是衡量可存储用户应用程序多少的指标。
通常以字或K字为单位。
16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。
PLC以字为单位存储指令和数据。
一般的逻辑操作指令每条占1个字。
定时/计数，移位指令占2个字。
数据操作指令占2~4个字。
3设计过程
3.1实验要求
（1）本试验中指导书中，所有PLC模块均采用西门子公司生产的S7-200PLC，该模块CPU的型号是CPU224，软件支持是STEP7MicroWINSP3。
（2）实验时，首先用PC/PPI编程电缆连通计算机和PLC。
（3）将实验装置（实际是PLC）外接220V的交流电源，但实验台上的电源开关开始应置于断开状态。
（4）为了使PLC模块的输入/输出接线柱和螺钉不会因实验的频繁拆装而导致损坏，本课设的实验装置已经将这些节点用固定连接线接到试验台的固定接线柱上。
（5）在计算机上编辑、编译程序（也可提前进行）。
（6）在试验台上的电源开关置于断开状态的情况下，按实验内容的要求接好线，检查接线无误后，合上试验台上的电源开关。
（7）下载已编译的软件。
下载软件时，应将PLC上“RUN”、“STOP”开关置于“STOP”状态。
（8）将PLC上“RUN”、“STOP”开关置于“RUN”状态，则实验开始。
（9）严格要求接线步骤，务必保证正确地接线，否则，将会给人身安全和实验设备带来严重后果。
4抢答器的设计
4.1学习目标
2.学会用PLC来解决实际问题的思路。
2.掌握定时器的格式及编程方法。
3.学会用互锁和自锁电路为基础构成各输出电路。
4.熟悉PLC装置，CTSC-200系列可编程控制器的外部接线方法。
4.2实验内容
设计一个智能竞赛抢答显示系统，使用参加竞赛人分为儿童组、学生组、成人组,其中儿童两人，学生为一人，成人二人，主持人一人。
控制要求：
当主持人按下SBO后,指示灯LO亮,表示抢答开始,参赛者方可开始按下按钮抢答；为了公平，要求儿童组只需一人按下按钮，其对应的指示灯亮，而成人组需要二人同时按下二个按钮对应的指示灯才亮；当一个问题回答完毕，主持人按下SB1，一切状态复位；成年人一人违例抢答灯L3闪烁；当抢答开始后时间超过30秒，无人抢答，此时铃响，提示抢答时间已过，此题作废。
图4.1抢答示意图
l.设计程序
根据系统的控制要求及PLC的1/0分配表，并设计合适的程序。
2.设计接线图
根据1/0分配表,连接系统接线图。
3.系统调试
（1）输入程序。
按前面介绍的程序输入方法,用手持式编程器（或计算机）正确输入程序。
（2）系统调试。
按设计的系统接线图正确连接好输出设备,进行系统的调试,观察是否能按照控制要求抢答，否则，检查电路并修改、调试程序,直至能按控制要求显示。
4.3所需的设备
1．CTSC-200PLC1台
2．编程电缆1根
3．连接导线若干
4.4训练内容
当主持人按下SBO后,指示灯LO亮,表示抢答开始,参赛者方可开始按下按钮抢答；为了公平，要求儿童组只需一人按下按钮，其对应的指示灯亮，而成人组需要二人同时按下二个按钮对应的指示灯才亮；当一个问题回答完毕，主持人按下SB1，一切状态复位；成年人一人违例抢答灯L3闪烁；当抢答开始后时间超过30秒，无人抢答，此时铃响，提示抢答时间已过，此题作废。
表4.1抢答系统I/O分配表：
类别
元件
元件号
备注
输入
SB0
I0.0
抢答开始
SB1
I0.1
返回原状
SB11
I0.2
儿童抢答
SB12
I0.3
儿童抢答
SB21
I0.4
学生抢答
SB31
I0.5
成人抢答
SB32
I0.6
成人抢答
输出
L0
Q0.0
表示抢答已经开始灯
L1
Q0.1
儿童抢答成功灯
L2
Q0.2
学生抢答成功灯
L3
Q0.3
成人抢答成功灯
铃
Q0.4
抢答时间已过铃
图4.2智力竞赛抢答器接线图
4.5操作过程及其操作
1、输入程序
（1）将编程电缆线连接到计算机和PLC的编程口。
（2）接通PLC电源，并将运行开关打到STOP状态。
（3）将梯形图程序输入到计算机中，并下载程序到PLC，并对程序进行调试运行，记录调试结果。
2、连接电路
按训练内容连接好外部电路。
3、通电观察
经教师检查接线正确后，接通DC电源。
5交通灯自动控制
5.1实验目的
（1）练习定时器、计数器的基本使用方法。
（2）掌握PLC的编程和调试方法。
（3）对应用PLC解决实际问题的全过程有个初步了解。
5.2实验设备
（1）编程器1台（PC机）。
（2）实验装置1台（含S7-20024点CPU）。
（3）导线若干。
图5.1交通灯模拟控制
5.3控制要求及参考
交通路口红、黄、绿灯的基本控制要求如下：
路口某方向绿灯显示（另一方向亮红灯）10秒后，黄灯以占空比为50％的一秒周期（0.5秒脉冲宽度）闪烁3次（另一方向亮红灯），然后变为红灯（另一方向绿灯亮、黄灯闪烁），如此循环工作。
PLCI/O端口分配：
SB1I0.0起动按钮
SB2I0.1停止按钮
HL1（HL7）Q0.0东西红灯
HL2（HL8）Q0.1东西黄灯
HL3（HL9）Q0.2东西绿灯
HL4（HL10）Q0.4南北红灯
HL5（HL11）Q0.5南北黄灯
HL6（HL12）Q0.6南北绿灯
PLC参考电路：
图5.2红绿灯控制PLC电气原理图
5.4.实验内容及要求
（1）按参考电路图完成PLC电路接线（配合通用器件板开关元器件）。
（2）输入参考程序并编辑。
（3）编译、下载、调试应用程序。
（4）通过实验模板，显示出正确运行结果。
注意：
程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。
5.5操作过程
（1）按参考电路图完成PLC电路接线（配合通用器件板开关元器件）。
（2）输入参考程序并编辑。
（3）编译、下载、调试应用程序。
（4）通过实验模板，显示出正确运行结果。
注意：
程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态
6步进电机的控制
6.1实验目的
（1）用PLC控制电动机Y-△起动和正反转；
（2）通过实验，提高分析、解决问题的能力。
6.2实验设备
（1）计算机（编程器）1台；
（2）实验装置（含S7-20024点CPU）1台；
（3）电动机Y-△起动实验模板1块；
（4）连接导线若干。
6.3控制要求：
1．两相步进电动机有2个绕组:
A、B
正转顺序:
AB
反转顺序:
BA
2．用五个开关控制其工作：
1号开关控制其运行（启/停）。
2号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5秒）。
3号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1秒）。
4号开关控制其高速运行（转过一个步距角需0.03秒）。
5号开关控制其转向（ON为正转，OFF为反转）。
步进电机的接法
串联接法
串联接法比较简单，也容易理解。
分别把4相绕组相邻的两相串接起来即可，共有两种接法。
图6.1相8线电机绕组的串联接法
根据接法1和接法2分别接好电路后，发现按照接法1连接后，转子不动；只有按照接法2连接，电机才能正常转动。
并连接法
并联接法稍复杂些，需将四相绕组相邻的两相分别并接在一起，共有两种接法。
图6.2相8线电机绕组的并联接法
根据接法1和接法2分别接好电路后，发现按照接法1连接后，转子不动；只有按照接法2连接，电机才能正常转动。
分析及总结
SMD2001步进电机驱动器2相8线步进电机的接线图。
从图中可以看出，驱动器给步进电机发送脉冲的顺序为Phase1->Return1->Return2->Phase2->Phase3->Return3->Return4->Phase4，因而，只有图2和图5所对应的接法正确。
图6.3SMD2001驱动器与2相8线电机连接的接线图
串联连接的电机，由于每一相绕组电阻增大，电流较小，一般将驱动器的电流设定为电机相电流的0.7倍，这种接法的电机发热量小，低频力矩较大；并联连接的电机，电感较小，一般将驱动器的电流设定为电机相电流的1.4倍，所以启动、停止速度较快，高频力矩有所增大，但电机发热量大。
但是步进电机有点温度是正常的，只要低于电机的消磁温度就行，一般步进电机的消磁温度在105度左右。
7组态王
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
7.1工程管理
对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较烦琐的事情。
组态王工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。
工程管理器的主要功能包括：
新建、删除工程，对工程重命名，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。
另外，组态王6.0开发系统提供工程加密，画面和命令语言导入、导出功能。
7.2画面制作系统
（1）支持无限色和过渡色组态王6.0调色板支持无限色，支持二十四种过渡色效果，组态王的任一种绘图工具都可以使用无限色，大部分图形都支持过渡色效果，巧妙地利用无限色和过渡色效果，可以使您轻松构造面无限逼真、美观的画面。
（2）图库使用图库具有很多好处：
降低了工程人员设计界面的难度，缩短开发周期；用图库开发的软件将具有统一的外观，方便工程人员学习和掌握；利用图库的开放性，工程人员可以生成自己的图库元素，"一次构造，随处使用"，节省了工程人员投资。
6.0图库全新改版，提供具有属性定义向导的图库精灵，用户只需稍做调整即能制作具有个性化的图形。
（3）按钮和图形组态王6.0支持按钮的多种形状和多种效果，并且支持位图按钮，用户可以构造无限漂亮的按钮。
另外，组态王6.0支持多种图形格式，如Gif、Jpg、Bmp等，用户可以充分利用已有的资源，轻松构造自己功能强大且美观的应用系统。
（4）可视化动画连接向导通过可视化图形操作，直接完成移动、旋转的动画连接定义。
7.3报警和事件系统
组态王6.0报警系统全新改版，具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。
组态王分布式报警管理提供多种报警管理功能。
包括：
基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能，以及通过网络的远程报警管理。
组态王还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。
报警和事件具有多种输出方式：
文件、数据库、打印机和报警窗，并且可以利用控件等工具轻松浏览和打印报警数据库的内容。
7.4报表系统
组态王6.0提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表。
提供报表工具条，操作简单明了，比如：
日报表的组态只需用户选择需要的变量和每个变量的收集间隔时间；提供报表模板，方便用户调入其它的表格。
报表能够进行组态，例如有日报表、月报表、年报表、实时报表的组态，另外，报表打印时可以进行预览和页面设置。
7.5控件
组态王6.01支持Windows标准的ActiveX控件（主要为可视控件），包括Microsoft提供的标准ActiveX控件和用户自制的ActiveX控件。
ActiveX控件的引入在很大程度上方便了用户，用户可以灵活地编制一个符合自身需要的控件，或调用一个已有的标准控件，来完成一项复杂的任务，而无须在组态王中做大量的复杂的工作。
一般的ActiveX控件都具有属性、方法、事件，用户通过控件的这些属性、事件、方法来完成工作。
组态王6.0版本中新增三个功能强大的控件，即数据表格控件（可将ODBC数据源里的大量数据在组态王中进行显示和打印）；历史曲线控件（可动态增删曲线，进行曲线比较，并且数据来源可以是ODBC数据源）；PID调节控件（对过程量进行闭环控制，可实现三种pid控制算法：
标准型，归一参数型，和近似微分型）。
7.6OPC
全面支持OPC标准（组态王6.0既可以作为OPC服务器，也可以作为OPC客户端）开发人员可以从任何一个OPC服务器直接获取动态数据，并集成到组态王中；同时组态王作为OPC服务器，可向其他符合OPC规范的厂商的控制系统提供数据。
OPC节省了不同厂商的控制系统相连的工作量和费用。
并且组态王提供SDK开发包，用户可以自己利用VC，VB编制程序，利用组态王的OPC接口来访问组态王的变量和变量的域。
7.7通讯系统
（1）支持远程拨号组态王6.0支持与远程设备间通过拨号方式进行通讯。
组态王的远程拨号与组态王原有驱动程序无缝连接，硬件设备端无需更改程序。
利用远程拨号能实时显示现场设备运行状况，随时打印，报警和历史数据自动上传等功能。
（2）开发中进行硬件测试开发系统中有硬件测试界面，在不启动运行系统的情况下，能测试对硬件设备的读写操作，并且IO变量支持时间戳和质量戳，能随时判断数据采集的时间和检查通讯质量的好坏。
（3）支持网络DDE，组态王6.0版本支持win2000操作系统下的DDEshare方式，实现组态王与excel和vb程序间通过网络进行数据交换。
总结
三周的时间很快就过去了，在这三周的PLC课程设计时间里，我严格要求自己，刻苦钻研，学会了使用step 7 v4.0软件，了解了西门子S7-200 PLC的结构和工作原理，同时也掌握了工业组态王的应用，最重要的是锻炼了了自己的实践能力，培养了自己逻辑设计思维，虽然时间很短，但感触很多，收获颇丰。
．“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．说实话，课程设计真的有点累．然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这3周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消．虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多，另我有了一中”春眠不知晓”的感悟．
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。
要想成为真正对社会有用的人才，不仅要有的先进的科学文化知识，更要有很好的实践动手能力。
很期待下一个课程设计的到来。
参考文献
1王永华《现代电器控制及PLC应用技术》第二版北京北京航空航天大学出版社2008
2严盈富《西门子S7-200PLC入门》第一版人民邮电出版社2007
3赵景波《零基础学西门子S7-200》第一版机械工业出版社2010
4姜重然《工控软件组态王简明教程》第一版哈尔滨工业大学出版社
2007
5吴作明，杜明星《STEP7软件应用技术基础》第一版北京航空航天大学出版社2009
6廖常初《PLC编程及应用》第一版北京：
机械工业出版社2010.1
7胡学林《可编程控制器教程》第一版北京：
电子工业出版社2
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