电气控制技术孙晓峰.docx

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电气控制技术孙晓峰

电气控制技术孙晓峰

河南科技大学

课程设计说明书

课程名称电气控制技术

题目自动喷泉

学院车辆与动力工程学院

班级农电101

学生姓名孙晓峰

指导教师邱兆美

日期2013年7月12日

电气控制技术课程设计任务书

班级：

农电101姓名：

孙晓峰学号：

10103010119

设计题目：

自动喷泉的PLC控制

一、设计目的

进一步巩固理论知识，培养所学理论知识在实际中的应用能力；掌握一般生产电气控制系统的设计方法；掌握一般生产电气控制系统的施工设计、安装与调试方法；培养查阅图书资料、工具书的能力；培养工程绘图、书写技术报告的能力。

二、设计任务及要求

掌握PLC工作原理、编程及调试方法及应用技术；根据控制要求，制定合理的设计方案；.正确选用PLC，确定输入、输出设备；PLC的I/O点分配，并绘制其连接图，以及其它外部硬件图；设计PLC控制程序；绘制有关图纸；编制设计说明书。

三、控制要求

有16个彩灯代表16个喷头，有4个选择按钮，用S7-200PLC进行控制，实现四种以上的自动喷泉花样。

四、设计时间安排

查找相关资料（1天）、设计并绘制系统原理图（2天）、设计PLC控制程序（2天）、模拟调试（2天）、编写设计报告（2天）和答辩（1天）。

五、主要参考文献

1.黄永红.电气控制与PLC应用技术,北京:

机械工业出版社,2011.

2.王建华.电气工程师手册,北京:

机械工业出版社,2006.

3.吴晓君.电气控制课程设计指导,北京:

中国建材工业出版社,2007.

指导教师签字：

年月日

自动喷泉

摘要:

一、设计目的及意义

进一步巩固理论知识，培养所学理论知识在实际中的应用能力；掌握一般生产电气控制系统的设计方法；掌握一般生产电气控制系统的施工设计、安装与调试方法；培养查阅图书资料、工具书的能力；培养工程绘图、书写技术报告的能力。

二、设计任务及要求

掌握PLC工作原理、编程及调试方法及应用技术；根据控制要求，制定合理的设计方案；.正确选用PLC，确定输入、输出设备；PLC的I/O点分配，并绘制其连接图，以及其它外部硬件图；设计PLC控制程序；绘制有关图纸；编制设计说明书。

关键字:

自动喷泉PLC控制

第一章

绪论

可编程控制器

PLC可编程控制器：

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。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。

从此这项技术迅速发展起来。

1．1可编程序控制器（PLC）的分类

1．根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。

小型PLC一般采用这种整体式结构。

整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。

基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。

扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。

基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。

整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

（2）模块式PLC  模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。

模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。

模块装在框架或基板的插座上。

这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。

大、中型PLC一般采用模块式结构。

 2．按I/O点数分类

   根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为微型、小型、中型、大型和巨型五类。

  超小型或微型PLC I/O点数小于的64点。

  小型PLC         I/O点数为64点以上、256点以下的为小型PLC。

  中型PLC         I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC。

  大型PLC         I/O点数为2048以上、8192点以下的为大型PLC。

  超大型PLC       I/O点数超过8192点。

1．2PLC的结构

1.CPU单元

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU。

PLC的CPU有8位，16位，32位。

中型PLC以上，均采用16位~32位CPU，微、小型PLC原采用8位CPU，现在根据通讯等方面要求，有的也改用16位~32位CPU。

（注8位CPU一次处理二进制数的位数，也代表CPU通用寄存器的位宽）。

在工作频率相同的情况下，32位CPU的处理速度比8位、16位的更快。

运算速度用MIPS（每秒钟执行多少百万条指令）来衡量

2.存储器

存储器主要有两种：

一种是可读/写操作的随机存储器RAM。

另一种是只读（当然也是可写的）存储器主要有EEPROM和FlashMemory（擦写能在10万次以上，数据保存也能在10年以上）。

在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

不过也不必盲目追求速度和内存，适用就行。

I/O单元（信号：

开关量［数字量］，高速脉冲［数字量］，模拟量，运动控制［数字量］，过程控制［模拟量］）。

开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它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。

常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：

直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：

是继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。

模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V），AD8bit,12bit,14bit,16bit等。

高速脉冲控制接受旋转编码器发出的高速脉冲信号，或是驱动步进马达/伺服电机。

运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制,有着复杂的控制算法。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在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。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

运动控制器是在以高速数字信号处理器DSP为代表的高性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器件FPGA的基础上发展而来的。

基于PC总线的开放式运动控制器已成为当今自动化领域应用最广、功能最强的运动控制器，并且在全球范围内得到了广泛的应用。

简单地说，运动控制器主要用于对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。

根据运动控制的特点和应用，可将运动控制器分为以下三种：

点位控制运动控制器、连续轨迹控制运动控制器和同步控制运动控制器。

这种开放式结构的运动控制系统能充分利用PC机的资源，可以利用第三方软件资源完成用户应用程序开发，将生成的应用程序指令通过总线传输给运动控制器。

基于PC总线的运动控制器是整个控制系统的核心，它接受来自上位PC机的应用程序命令，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划（点位运动、多轴插补协调运动或多轴同步协调运动），向驱动器发出相应的运动指令。

运动控制器的典型应用范围：

点位控制：

PCB钻床、SMT、晶片自动输送、IC插装机、引线焊接机、纸板运送机驱动、包装系统、码垛机、激光内雕机、激光划片机、坐标检验、激光测量与逆向工程、键盘测试、来料检验、显微仪、定位控制、PCB测试、焊点超生扫描检测、自动织袋机、地毯编织机、定长剪切，折弯机控制

连续轨迹控制：

数控车、铣床，雕刻机、激光切割机、激光焊接机、激光雕刻机、数控冲压机床、快速成型机、超声焊接机、火焰切割机、等离子切割机、水射流切割机、上位计算机、运动控制器、驱动器电机、应用程序指令、运动指令、反馈元件、晶片切割机。

同步控制：

套色印刷、包装机械、纺织机械、飞剪、拉丝机、造纸机械、钢板展平、钢板延压、纵剪分条等。

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

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.通讯单元

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。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

4.电源单元

 PLC配有开关电源，以供内部电路使用。

与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。

对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。

许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

1.3PLC编程语言

PLC编程语言共有5类，这里只介绍梯形图语言：

梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。

它与电器控制线路图相似，继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。

因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。

1.4PLC的性能指标

1．存储容量

存储容量是指用户程序存储器的容量。

用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。

一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。

2．I/O点数

输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。

I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。

3．扫描速度

扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。

一般以扫描1K字节用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。

PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。

4．指令的功能与数量

指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。

编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。

5．内部元件的种类与数量

在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。

这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。

6．特殊功能单元

特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。

近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大。

7．可扩展能力

PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。

在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。

8.PLC的可靠性.

控制器的可靠主要体现在软件应急处理和硬件电路的抗干扰处理

软件应急处理:

程序运行看门狗.语法检查.（能有效防止程序跑飞和死机的情况）.电源检查.（防止电源电压不稳使PLC无法工作或出错）

硬件抗干扰:

设计合理的电路板和优良的电子元件对于稳定运行键,PLC被干扰（故障）很多是电源部分引起,PLC的芯片供电电压一般是经过稳压处理的5VDC，I/O口通常有光电藕和外围电路（24VDC）和内部芯片I/O（5VDC）进行隔离.高精度的电子元件减少产品之间的误差，提高PLC使用寿命，形成质量稳定PLC产品。

硬件的焊接组装也是非常关键，现在多数PLC元件采用贴片形式，使用机器焊接，先进的生产工艺更能保证产品质量，也美观，容易排错。

系统的可靠性是现今大家谈论得比较多的一个话题，它包含两种不同的，却又是相关的概念：

稳固性和可用性。

稳固性表示一个系统发生错误的机会大小，稳固性越高表示系统发生错误的机会越少。

一个操作系统应该稳固，对出错情况甚至是硬件故障有可预计的反应，能够相容地运行应用程序和服务而尽量少的发生错误。

总之，一个可靠的系统应该很少失败，很少离线，在死机后也很容易重新启动。

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，更重要的是它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

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。

1.6控制要求

有16个彩灯代表16个喷头，采用S7-200PLC进行控制，实现四种以上的自动喷泉花样，要求按下启动按钮的时候，系统进入工作状态，从第一种模式一直进行到第四种模式，然后再从模式一开始循环，按下停止按钮，系统停止工作。

模式一

1号喷头先喷，5s后6号喷,5s后11号喷，5s后16号喷同时喷10s后，1、6、11、16都停止

模式二

13、10、7、4同时先喷5s再5s后依次间隔5s停止

模式三

5号喷头先喷，10s后14号喷,10s后12号喷头喷，10s后3号喷,5、14、12、3同时喷20s后停止

模式四

9、15、8、2同时喷30秒后停止，从模式一开始循环。

第二章

总体设计

2.1PLC的选型

2.1.1最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计过程中最重要的一条原则。

这就要求设计人员在设计之前就要深入现场进行调查研究，充分收集控制现场的资料，同时收集相关国内、国外相关的资料。

同时还要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员等紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2.1.2保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程等方面要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。

例如：

应该保证PLC控制程序不仅能在正常条件下运行，而且要在非正常情况下，也能正常工作。

2.1.3力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。

因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。

这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

2.1.4适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

2.1.5PLC选型

S7-200PLC它有四种不同的型号，由于设计要求有6个输入点和16个输出点，因而选择S7-CPU226最为合适。

CPU226主机数字量I/O点为24输入/16输出共40个；扩展能力强，可连续7个扩展模块，最大扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O点；13KB程序和数据存取空间；6个独立的30KHz高数计数器，2路独立的20KHz高数缓冲输出，具有PID控制器；I/O端子可以很容易地整体拆卸，是具有将强控制能力的控制器。

2.2PLC的I/O分配表

根据系统要求所选择的I/O分配表如下表所示：

表格一

功能元件

输入点

功能元件

输出点

启动按钮SB1

I0.0

指示灯L1

Q0.0

停止按钮SB2

I0.1

指示灯L2

Q0.1

I0.2

指示灯L3

Q0.2

I0.3

指示灯L4

Q0.3

I0.4

指示灯L5

Q0.4

I0.5

指示灯L6

Q0.5

指示灯L7

Q0.6

指示灯L8

Q0.7

指示灯L9

Q1.0

指示灯L10

Q1.1

指示灯L11

Q1.2

指示灯L12

Q1.3

指示灯L13

Q1.4

指示灯L14

Q1.5

指示灯L15

Q1.6

指示灯L16

Q1.7

CPU接线图如下图2-1

图2-1

第三章

控制程序设计

梯形图

仿真

总结

这次的课程设计使我更深入的学习了电气控制系统与可编程控制器这门课程，熟练掌握了PLC的使用。

并且由于希望更好的完成此次设计使我搜索了很多这方面的资料，使我对自动喷泉控制系统的设计制作过程有了很深的认识。

对一个系统的设计步骤有了清楚的了解，并且掌握了一个系统的设计过程。

学会了如何发现问题、解决问题。

并在查阅资料的过程中对问题的认识和问题的解决提出了新的见解，分析问题出现的原因，使得对问题的理解更加深刻。

同时在老师的指导的过程中向老师学习到了解决问题的新方法、新思路，在此特意致谢。

总之，经过这段时间的课程设计，使我在可编程控制这方面受益匪浅。

参考文献

1黄永红电气控制与PLC应用技术，北京：

机械工业出版社，2011

2王建华电气工程师手册，北京:

机械工业出版社，2006

3吴晓君电气控制课程设计指导，北京：

中国建材工业出版社，2007