PLC课程设计 - 运料小车控制模拟

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1 概述

1.1 PLC的基本概念

在PLC的发展过程中，美国电器制造商协会（NEMA）经过四年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程控制器（Programmable Controller）,英文缩写为PC，并且作如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的是的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它使用可编程序的存储器来存储指令，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，计数，计时和算术运算等操作的指令。并且通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。

1.2 PLC的发展

PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美，德，日等工业发达的国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格不断下降。

目前，世界上有200多个厂家，较有名的公司有美国：AB通用电气，莫迪康公司；日本：三菱，富士，欧姆龙，松下电工等：德国：西门子公司；法国：TE施耐德公司；韩国：三星，LG公司等。

1.3 PLC的发展趋势

（一）大型化

为适应大规模控制系统的要求，大型PLC向着大存储容量，高速度，高性能，增加I|O点数的发展方向。主要表现在以下几个方面：

1.增强网络通信功能：； 2.发展智能模块； 3.外部故障诊断功能；

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4.编程语言、编程工具标准化、高级化 5.实现软件、硬件标准化 6.编程组态软件发展迅速

（二）小型化

发展小型PLC，其目的是为了占领广大的、分散的、中小型的工业控制场合，使PLC不仅成为继电器控制柜的替代物，而且超过继电器控制系统的功能。小型PLC朝着简易化、体积小、功能强、价格低的方向发展。

1.4 PLC的主要功能

1. 开关量逻辑控制； 2. 模拟量控制； 3. 闭环过程控制； 4. 定时控制； 5. 计数控制；

6. 顺序（步进）控制； 7. 数据处理； 8. 通信和联网。

1.5PLC的特点

1.可靠性高、抗干扰能力强； 2.通用性强、灵活性好、功能齐全； 3.编程简单、使用方便； 4.模块化结构；

5.安装简便、调试方便； 6.网络通信。

1.6 PLC的基本组成和各部分作用

1.中央处理单元（Central Processing Unit）

中央处理单元是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。

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微处理器是PLC的运算和控制中心，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照程序所赋予的任务进行的。

控制接口电路是微处理器与主机内部其它单元进行联系的部件，它主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。

2.存储器（Memory）

PLC系统中的存储器配有系统程序存储器和用户程序存储器。

系统程序存储器用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，固化在PROM或EPROM存储器中，用户不可访问或修改。系统程序包括系统监控程序、用户指令解释程序、标准模块程序、系统调用、管理等程序以及各种参数等。

用户程序存储器可分为三个部分：用户程序区、数据区、系统区。用户程序区存放用户编程器输入的应用程序。数据区存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据。系统区主要存放CPU的组态数据。

3.输入、输出单元（Input/Output Unit）

输入、输出单元是可编程控制器的CPU与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。

输入单元将现场的输入信号，经过输入单元接口电路的转换，变换为中央处理器能接受和识别的低压信号，送给中央处理器进行运算；输出单元则将中央处理器输出的低压信号变换为控制器件所能接受的电压、电流信号，以驱动信号灯、电磁阀、电磁开关等。

4.编程器

编程器是PLC的重要外部设备。它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。

编程器有简易型和智能型两类。简易编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转换为语句表，才能送入。智能编程器又称图形编程器，它可以联机，也可以脱机编程，既有LCD(液晶显示器)或CRT图形显示功能。

5.电源单元

电源单元是PLC的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。

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1.7 PLC的工作原理

PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。

PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。

扫描过程如图1-1所示。

程序执行阶段输出阶段输入阶段 程 序 执 行 阶 段 输出阶段输入阶段程序执行阶段 图1-1 循环扫描

在输入阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。

在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。

在输出阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。

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2 硬件设计

2.1 控制要求

图2-1 运料小车实验面板图

面板 PLC 面板 PLC

SD I0.0 A4 I1.1 ST I0.1 S1 Q0.0 ZL I0.2 S2 Q0.1 XL I0.3 R1 Q0.2 RX I0.4 R2 Q0.3 LX I0.5 R3 Q0.4 A1 I0.6 L1 Q0.5 A2 [0.7 L2 Q0.6 A3 I1.0 L3 Q0.7 表2-1 输入/输出接线列表

系统启动后，选择手动方式（按下微动按钮A4），通过ZL、XL、RX、LX四个开关的状态决定小车的运行方式。装料开关ZL为ON，系统进入装料状态，灯S1亮，ZL为OFF，右行开关RX为ON，灯R1、R2、R3依次点亮，模拟小车右行，卸料开关XL为ON，小车进入卸料，XL为OFF，左行开关LX为ON，灯L1、L2、

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L3依次点亮，模拟小车左行。

拨动停止按钮后，再触动微动按钮A3，系统进入自动模式，即“装料->右行->卸料->装料->左行->卸料->装料”循环。

再次拨动停止按钮后，选择单周期方式（按下微动按钮A2），小车运行来回一次。

同理，选择单步方式（选择A1按钮），每按动一次A1，小车相应的运行一步。

2.2PLC的选择

2.2.1 PLC的类型

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型，整体型PLC的I\\O点数固定，因此用户的选择余地小，用于小型控制系。模块型PLC提供多种I\\O卡件或插卡，因此用户可以较合理地选择和配置控制系统的I\\O点数扩展方便灵活一般用于大中型控制系统。本课程设计选用西门子S7-200（CPU226）可编程控制器。

2.2.2 电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，于国内电网电压一致。在重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源电网因操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。

2.2.3 存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用

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项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I\\O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

2.2.4 输入输出的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求统一，例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块的类型。通常继电器输出模块具有价格低，使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁、电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求一致。可根据应用要求，合理选择智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I\\O机架等。

2.2.5 电动机的选择

运料小车由一台三相异步电动机拖动，电机正转，小车向左行，电机反转，小向右行。电动机正反转主回路如图2-2所示：

图2-2 三相异步电动机正反转电路图

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2.3 系统设计流程图

开始 选择模式 按下按钮 装料 小车左行 否 是否到达B点 是 卸料 从B装料

否

小车右行 是 是否到达A点 卸料 按停止按钮 否 是

结束 图2-3 系统设计流程图

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2.4 I\\O接线图

图2-4 I\\O接线图

2.5 I\\O分配表

输入信号 启动按钮SD 停止按钮ST 装料按钮ZL 卸料按钮XL 右行按钮RX 左行按钮ZX 单步方式A1 单周期方式A2 手动方式A3 自动方式A4 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 输出信号 接触器KM1 接触器KM2 接触器KM3 接触器KM4 接触器KM5 接触器KM6 接触器KM7 接触器KM8 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 表2-2 I\\O分配表

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3 软件设计

3.1 梯形图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9v9w.html