运料小车PLC控制.docx
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运料小车PLC控制
摘要
近年来，随着科学技术的进步和微电子技术的迅速发展，可编程序控制技术已广泛应用于自动化控制领域，可编程序控制器（PLC）以其高可靠性和操作简便等特点，已经形成了一种工业趋势。
可编程控制器是一种新型的通用控制装置，它将传统的继电器-接触器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，专门为工业控制而设计，这一新型的通用自动控制装置以其高可靠性、较强的工作环境适应性和极为方便的使用性能，深受自动化领域技术人员的普遍欢迎。
运料小车在现代化的工厂中普遍存在。
传统的工厂依靠人力推车运料，这样浪费了大量的人力物力，降低了生产效率。
而现代工业生产中大量运用PLC控制运料小车，并结合组态王软件完成数据通信、网络管理、人机界面（HMI）和数据处理，使生产自动化，智能化，大大提高了生产效率，降低了劳动成本。
关键词：
可编程控制器（PLC）组态王自动化控制
ABSTRACT
Inrecentyears,withthescientificandtechnologicalprogressandrapiddevelopmentofmicroelectronictechnology,programmablecontroltechnologyhasbeenwidelyusedinautomationandcontrol,programmablelogiccontroller（PLC）foritshighreliabilityandsimpleoperation,hasbeenformationofanindustrytrend.
Programmablecontrollerisanewtypeofuniversalcontroldevices,itwilltraditionalrelay-contactorcontroltechnology,computertechnologyandcommunicationtechnologyintegration,designedspecificallyforindustrialcontrol,thisnewautomaticcontroldevicetothegeneralitshighreliability,strongworkenvironmentisveryeasyadaptabilityandperformance,bytheautomationoftechnicalstaffingeneral.
Thecarusedfortransportmaterialsiscommoninmodernfactories.Plantsrelyontraditionalhumancartshaul,sothatwastealotofmanpowerandresources,reduceproductionefficiency.TheextensiveuseofmodernindustrialproductioncartransportmaterialsPLCcontrol,combinedwithConfigurationsoftwarefordatacommunications,networkmanagement,human-machineinterface（HMI）anddataprocessing,theproductionautomation,intelligence,greatlyimprovingproductionefficiencyandreducelaborcosts.
Keywords:
Programmablelogiccontroller（PLC）KingviewAutomationControl
前言
大学生涯就要以这篇毕业论文作为结局，将所学的东西融会贯通。
恰好所做的毕业设计是课程开过的PLC，尽管不是同一个类型的，所编的程序也是不相同的，但是对应毕业设计的上手还是可以比较快的了。
这论文的时候，自己还是写作前期还是一叶蔽目，毫无头绪。
但是在查阅了相关的资料后也是对S7-200的硬件及其软件有了比较好的认识。
这篇论文是以S7-200系列PLC为主要载体，结合他对应的来对运料小车的控制进行编程，虽然没有具体的见到他的硬件，但是也对这样一个程序对应的接口做了了解。
本文主要是在对PLC进行系统的介绍后，进入具体是S7-200的PLC，针对S7-224这个型号进行硬件及其软件的介绍，最后写出运料小车对应PLC的接口图及其对应的程序。
由于个人或时间等因素，还不能将这篇论文写的完美，所以有错误的地方还请各位老师同学不吝指教。
第一章 可编程控制器（PLC）概况
1.1PLC的定义
国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee-IEC）,1987年的第三版对PLC作了如下的定义:
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、计算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。
可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。
可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）存储器（RAM和EPROM）,输入/输出模块（简称为I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。
近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。
它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。
1.2PLC的发展
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公开招标提出十项标准:
（1）编程方便，现场可修改程序；
（2）维修方便，采用模块化结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制装置；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制装置竞争；
（7）输入可以是交流115V；
（8）输出为交流115V,2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
（9）在扩展时，原系统只要很小变更；
（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
1969年，美国数字公司（DEC）研制出了第一台可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。
这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。
1.3PLC的特点
PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的:
1）功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；
2）应用灵活，其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合；
3）操作方便，维修容易，稳定可靠。
尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几万小时。
1.4PLC的基本组成及各部分作用
PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。
按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。
整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。
另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。
主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。
组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。
装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。
CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。
1、中央处理单元（CPU）：
CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。
它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:
（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
（2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;
（3）用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;
（4）PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;
（5）将用户程序的执行结果送至输出端。
现代PLC使用的CPU主要有以下几种:
（1）通用微处理器，如8080,8088,Z80A,8085等。
通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。
（2）单片机，如8051等。
单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。
（3）位片式微处理器，如AMD2900系列等。
位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。
它主要追求运算速度快，它以4位为一片。
用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。
改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。
位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。
这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。
2、存储器
根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:
（1）系统程序存储器:
和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。
系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.
（2）用户程序存储器:
用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。
由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。
由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池（铿电池）保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。
当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC（如欧姆龙公司的CPMIA型PLC）采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。
（3）工作数据存储器:
工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。
这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。
在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。
元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。
数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。
它存储用户程
（3）
序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。
它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。
根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。
3、1/0单元
I/0单元也称为I/0模块。
PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。
输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。
通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。
运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。
输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.
4、电源部分
PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V,+12V,+24V的直流电源，使PLC能正常工作。
电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。
5、扩展接口
扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。
6．通信接口
为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。
PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。
当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，
实现控制与管理相结合的综合性控制。
7、编程器
编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
编程器有简易型和智能型两类。
简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。
它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。
智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。
还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。
程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。
程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。
现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。
1.5PLC的应用领域
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
这特别适合多品种、小批量的生产场合。
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
取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，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通信包括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。
但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
1.3简介组态王
1.3.1组态王的功能
组态王6.5完全基于网络的概念，支持用户-服务器模式Internet/Internet浏览器技术，并且是一种可伸缩的柔性结构，根据网络规模大小，可将不同站点设计成I/O服务器、报警服务器、数据服务器、登录服务器、校时服务器、客户机等，在系统扩展和变化通道冗余、双设备冗余、双网冗余、双机冗余及双系统冗余。
组态王6.5设计成一个完全意义上的软件平台，允许用户进行功能扩展和发挥，它是一个ActiveX容器，无需编程即可将第三方控件直接连入组态王；组态王6.5不仅是OPC客户端，还是OPC服务器，可向任意支持OPC客户的软件提供数据；组态王6.5中的报警信息可以直接输出到带ODBC接口数据库中，像Access、SQL、Server等；提供了一套动态链接库，允许用户用VB、VC直接访问组态王的数据库，构筑功能更加强大的工控系统；组态王6.5还可以和KingPLC1.0完全集起来，可以做到KingPLC1.0在后台控制，组态王在前台进行人机界面显示。
1.3.2组态王的结构
组态王6.5是运行于MicrosoftWindows98/200/NT中文平台的中文界面的人机界面软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务。
组态王6.5软件包由工程浏览器（TouchExplorer）、工程管理器（Projmanager）和画面运行系统（TouchVew）三部分组成。
在在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作；工程管理器内嵌画面管理器系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。
画面的开发和运行是由于工程管理器调用画面制作系统（Touchmak）和工程运行系统（TouchVew）来完成的。
Touchmak体先进完善的图形生产功能。
用户需要在这个环境中完成画面设计、动画连接等工作。
数据库提供数据类型，能合理的提取控制对象的特性，对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简洁的操作方法。
Projmanager是应用程序的管理系统。
Projmanager具有很强的管理功能，可用于新建工程的创建和删除，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据词典的导入和导出。
TouchVew是组态王6.5软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中建立的图形画面只有在TouchVew中才能运行。
TouchVew从控制设备中采集数据，并存于实时数据库中。
它还负责把数据的变化以动画的形式形象地表示出来，同时可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需求记录在历史数据库中。
1.4设计课题的设定与要求
根据社会上对PLC的需求，现按需要模拟一小车运输的生产线作设计课题。
1.4.1控制系统概况
本系统为一小车运输自动生产线流程系统，该小车生产线共有4个工位（S1,S3,S5,S7）以及3个定位灯（S2,S4,S6）。
当小车停在原始位置，装有各个工位所需的零部件。
依次从左往右的次序运行，逐一供给改工位所需要的零部件，当小车到达最右端后，能够自动的返回，并且实现该工位的物料转移。
按次序执行贮存信号的工序，并要求在每一次循环运行中有次序显示信号。
监控画面如图1-1所示：
对监控画面的注释：
SD上方对应的圆圈是系统开关开启状态下的显示信号；M1上方对应的圆圈是电动机进行正转的显示信号；M2上方对应的圆圈是电动机进行正转的显示信号；S1、S3、S5、S7上方对应的绿色圆圈为小车在以上各个工位的控制显示灯；S2上方对应的红色圆圈为小车正向运行在工位S1和小车反向运行在工位S3处的定位显示灯；S4上方对应的红色圆圈为小车正向运行在工位S3和小车反向运行在工位S5处的定位显示灯；S6上方对应的红色圆圈为小车正向运行在工位S5和小车反向运行在工位S7处的定位显示灯；四个深绿色方块为分别为S1、S3、S5、S7工位处的检测元件发光二极管和光敏三极管的组合单元，其中两红色方块和小车方块上的一红色条意为他们之间进行交换的光束；在长方形块中，中间蓝色横条为带动小车运行的皮带，皮带上灰色的方块为运行的小车。
1.4.2系统要求
1、根据控制要求选择PLC的型号，并分配I/O端口。
2、设计I/O电路，选择电气元件。
3、设计并绘制梯形图，编写程序
4、进行模拟调试，利用组态王软件对系统进行监控
5、设计并绘制整系统的接线图。
6、编写设计原理，使用说明书，设计小结。
1.4.3控制要求
1、小车的前进后退是通过电动机的正反转来控制。
2、小车的停止位置由各个工位上的控制电路进行控制。
3、小车能够按照设计顺序进行运行，供给各工位物料。
4、小车的前进，后退中到达各个工位时，要求有指示灯指示。
5、该系统的一切运行情况应该通过组太软件建立监控显示系统，，能够实时显示运行工位情况。
第2章方案论证
2.1方案论证
在设计时，我曾用到四个方案，由于数据输入、比较输出、小车运行及显示方面的程序在调试时可以通过，因此，这四个方案都是基于数据移位来选择的。
方案一：
开始时，考虑的是一般较为习惯的继电器控制电机和利用限位开关等实物控制系统，系统可以实现我所需要的功能。
当时，考虑到经济性和系统更变较为不便。
因此，我放弃了该方案。
方案二：
抛弃了方案1后，我开始寻求一种软件更改方便的方法。
利用电子线路实现电机正、反转以及定位等。
此种方法的设计程序较为难点，结果把所用到的功能指令都接于主母线上，但在调试时，则出现了第三，第四个输入信号错位的现象。
方案三：
把该部分的程序改以步进方式执行，并使该步进不断循环执行。
但到了调试运行时，当输入一个数据时，便会使该数据连续执行次，在苦思不通后终于决定放弃该方案，而且也由于该方案的步数较多，所用语句也十分多，所以该方案就算能通过也不是最佳选择。
方案四：
接着，我尝试使用计数器来移位数据，而不使用数据寄存器，但用计数器则存在不能同时输入两个相同信号的问题，最后，由于想到这不能符合课题要求，所以，也放弃了该方案。
方案五：
最后，我综合上述方案的经验，使用类似于步进的方法，在主母线上分步执行。
并使用定时器制作脉冲，不断使移位程序重复执行，并设置互锁，使输入按钮按一次只能输入一个信号，必须放开按钮后，再按才可再次输入。
改动后，经调试，证明该方案可行，所以我选择了该方案。
2.2设计思想
设计本课题时，我计划采用如下思路：
首先，在设计功能这方面全部采用电子设备，通过H型驱动电路和软件实现电机的正反转，取代以往的继电器，同时在定位和控制灯方面也采用电子设备和软件配合方法实现。
其次，各工位的输入和各个工位的指示都由软件实现，接着是数据的移位，以此来实现输入数据的优先级别。
跟着便是数据的比较输出，接下来便是各个工位的小车工序。
最后，便是显示程序和手动及自动复位程序，以及组态王软件的监控显示系统完善，以提高整个系统的可视性和操作性能。
2.2.1功率驱动电路
电机的正反转是同过软件部分输出的不同要求时实现，当输出（Q0.0=1）时，即M1为低电平，电机正转（运动小车实现从左往右的运动）；当输出（Q0.1=1）时，即M2为低电平，电机获反向电压而反转（运动小车实现从右往左的运动）。
具体功率驱动电路电气原理图，详见图2-1：
图2-1驱动电路
该电气原理图的具体工作原理如以下介绍：
采用24V直流电压，通过LM317T进行电压调节后其输出电压大致在7V，当软件输出（Q0.0=1）即M1为低电平时，芯片CD4011（四2输入与非门应用电路）的1、2脚都为低电平，其与非门输出为高电平并输出到芯片的9脚和H型功率驱动电路的三极管1和三极管4的基极
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