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plc课程设计说明书
摘要
可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要,广泛的应用于各个行业。
随着科技的发展,可编程控制器的功能日益完善,加上小型化、价格低、可靠性高,在现代工业中的应用更加突出。
城市交通灯控制采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便,用法简单、通用性强等特点,本文用西门子S7—200系列的可编程控制器控制十字路口信号灯来说明可编程控制器硬件、软件的设计。
解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。
但现在有的交通信号灯控制系统都是单一的固定时序控制,不能够根据实际交通状况进行调节控制。
三菱系列的可编程序控制器和传感技术来实现对交通灯的智能信号控制。
可用如下方案来控制交通路况:
关键词:
PLC(可编程序控制器);西门子S7—200系列;传感器探测;交通灯。
目录
1.PLC的概述1
1.1PLC的发展历程1
1.2PLC的构成2
1.3PLC的特点3
1.4PLC的功能4
1.5PLC的工作原理5
2.硬件设计6
2.1硬件设计步骤6
2.2交通灯的面板示意图7
2.3I/O端口分配7
3.软件设计7
3.1PLC编程软件的基本思路7
3.1.1系统设计与设备选型7
3.1.2I/O赋值(分配输入输出)8
3.1.3执行程序的过程及特点8
3.2梯形图9
4.系统调试14
4.1硬件调试14
4.2软件调试14
5.结 论15
致 谢16
参考文献17
1PLC的概述
1.1PLC的发展历程
可编程控制器(ProgrammableLogicalController)简称PC或PLC,是60年代末发明的工业控制器件,是美国数字公司(DEC)为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上,可编程控制器自此诞生。
随着计算机技术的飞速发展,PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化,其控制技术也朝着智能化方向不断发展,同时推动了先进制造技术的相应发展。
现代PLC已经成为真正的工业控制设备。
最初,PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。
但不久,西德的西门子(SIEMENS)公司、BBC公司就开始研制PLC,当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。
70年代初,日本的OMRON也推出了他们的PLC。
三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。
70年代中期,美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。
虽然PLC问世时间不长,但是随着微处理器的出现,大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步,PLC也迅速发展,其发展过程大致可分三个阶段:
1)早期的PLC(60年代末—70年代中期)
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。
它在硬件上以准计算机的形式出现,在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路,存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施,以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上,采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。
因此,早期的PLC的性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂,便于安装、体积小、能耗低、有故障指示、能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
2)中期的PLC(70年代中期—80年代中后期)
在70年代微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国,日本,德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。
这样,使PLC得功能大大增强。
在软件方面,除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量,使各种逻辑线圈的数量增加,还提供了一定数量的数据寄存器,使PLC的应用范围得以扩大。
3)近期的PLC(80年代中后期至今)
进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
1.2PLC的构成
PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O,包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接,外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
如图所示,PLC与通用计算机没有什么区别,只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。
其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换,并将这个变换物理实现,应用于工业现场。
1)输入寄存器
输入寄存器可按位进行寻址,每一位对应一个开关量,其值反映了开关量的状态,其值的改变由输入开关量驱动,并保持一个扫描周期。
CPU可以读其值,但不可以写或进行修改。
图2-1.PLC的组成
2)输出寄存器
输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。
在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。
只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出,即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。
3)存储器
存储器分为系统存储器和用户存储器。
系统存储器存储的是系统程序,它是由厂家开发固化好了的,用户不能更改,PLC要在系统程序的管理下运行。
用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源,I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行,从而完成复杂的控制功能。
4)CPU单元
CPU单元控制着I/O寄存器的读、写时序,以及对存储器单元中程序的解释执行工作,是PLC的大脑。
5)其它接口单元
其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。
1.3PLC的特点
1)可靠性高,抗干扰能力强
可靠性高是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2)配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3)易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
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改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5)体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
1.4PLC的功能
PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令),然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理,16位(也有32位的)为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些(大约能省40%左右)。
PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些。
1.5PLC的工作原理
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。
它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。
用户程序只是扫描周期的一个组成部分,用户程序不运行时,PLC也在扫描,只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。
典型的PLC在一个周期中可完成以下4个扫描过程。
1).自诊断测试扫描过程。
为保证设备的可靠性,及时反应所出现的故障,PLC都具有自监视功能。
自监视功能主要由时间监视器完成。
WDT是一个硬件定时器,每一个扫描周期开始前都被复位。
WDT的定时可由用户修改,一般在100~200ms之间。
其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。
2).与网络进行通信的扫描过程。
一般小型系统没有这一扫描过程,配有网络的PLC系统才有通信扫描过程,这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。
3).用户程序扫描过程。
机器处于正常运行状态下,每一扫描周期内部包换扫描过程。
该过程在机器运行中是可控的,即用户可以通过软件进行设定。
用户程序的长短,会影响过程所用的时间.
4).读输入与写输出扫描过程。
机器在正常运行状态下,每一时间。
个扫描周期内都包含这个扫描过程。
该过程在机器运行中是否被执行是可控的。
CPU在处理用户程序时,使用的输入值不是直接从输入点读取的运算的结果也不直接送到实际输出点,而是在内存中设置了两个映像寄存器:
一个为输入映像寄存器,另一个为输出映像寄存器。
用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值,运算结果也放在输出映像寄存器中。
在输入扫描过程中,CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器;在输出过程中,CPU把输出映像寄存器的值锁定到实际输出点。
为了现场调试方便,PLC具有I/O控制功能,用户可以通过编程器封锁或开放I/O。
封锁I/O就是关闭I/O扫描过程。
下图描述了信号从输入端子到输出端子的传递过程。
在读输入阶段,CPU对各个输入端子进行扫描,通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。
紧接着转入用户程序执行阶段,CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描,根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序,同时将执行结果写入输出映像寄存器中。
在程序执行期间,即使输入端子状态发生变化,输入状态寄存器的内容也不会改变—输入端子状态变化只能在下一个工作周期的输入阶段才被集中读入。
在写输出阶段,将输出映像寄存器的状态集中锁定到输出锁存器,再经输出电路传递到输出端子。
PLC信号的传递过程,如图1.1所示:
图1.1PLC信号的传递过程
2硬件设计
2.1硬件设计步骤
根据可编程控制器设计交通灯硬件部分的设计步骤,本设计的硬件设计步骤如下所示:
(1)PLC的选型;
(2)输入、输出点的估算;
(3)主机型号的选择;
(4)模块的扩展及I/O编址;
(5)输入、输出端子的分配;
(6)画出I/O接线图。
西门子S7—200系列具有可靠性高,抗干扰能力强等优点,可以组成能满足各种控制要求的控制系统,用户不必自己再设计和制作硬件装置。
所以,本次设计我们选择了西门子S7--200PLC系列。
2.2交通灯的面板示意图
2.3I/O端口分配
输入端口:
I0.0接启动按钮,I0.2接停止按钮。
输出端口分配如表2.1
表2.1交通灯输出端口分配表
方向
颜色
东西向
南北向
←
↑
→
←
↑
→
红灯
Q4.0
Q4.3
Q4.6
Q5.1
Q5.4
Q5.7
绿灯
Q4.1
Q4.4
Q4.7
Q5.2
Q5.5
Q6.0
黄灯
Q4.2
Q4.5
Q5.0
Q5.3
Q5.6
Q6.1
3.软件设计
3.1PLC编程软件的基本思路
3.1.1系统设计与设备选型
1)分析所控制的设备或系统。
PLC最主要的目的是控制外部系统。
这个系统可能是单个机器,机群或一个生产过程。
2)判断一下所要控制的设备或系统的输入输出点数是否符合可编程控制器的点数要求。
(选型要求)
3)判断一下所要控制的设备或系统的复杂程度,分析内存容量是否够。
3.1.2I/O赋值(分配输入输出)
1)将所要控制的设备或系统的输入信号进行赋值,与PLC的输入编号相对应。
2)将所要控制的设备或系统的输出信号进行赋值,与PLC的输出编号相对应。
3.1.3执行程序的过程及特点
PLC执行程序的过程分为三个阶段,即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
1)输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样,并存入输入映像寄存器中,此时输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序处理阶段,在程序执行阶段或其它阶段,即使输入状态发生变化,输入映象寄存器的内容也不会改变,输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。
2)程序执行阶段
在程序执行阶段,PLC对程序按顺序进行扫描执行。
若程序用梯形图来表示,则总是按先上后下,先左后右的顺序进行。
当遇到程序跳转指令时,则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。
当指令中涉及到输入、输出状态时,PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出,根据用户程序进行运算,运算的结果再存入元件映象寄存器中。
对于元件映像寄存器来说,其内容会随程序执行的过程而变化。
3)输出刷新阶段
程序执行完毕后,进入输出处理阶段。
在这一阶段里,PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态(输出继电器状态)转存到输出锁存器中,并通过一定方式输出,驱动外部负载。
因此,PLC在一个扫描周期内,对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。
当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁,直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。
这方式称为集中采样,即在一个扫描周期内,集中一段时间对输入状态进行采样。
3.2梯形图
4系统调试
4.1硬件调试
根据电气接线图安装接线,PLC实际接线时,还应考虑到以下几个方面:
1)应有电源输入线,通常为220V、50HZ交流电源,允许电源有一定的浮动范围。
并且必须有保护装置,如熔断器等。
若是干扰较强或对可靠性要求很高的场合,应在PLC的电源输入端加装带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。
2)输入端子八个为一组,公用一个COM端。
PLC应单独接地,不要和其他电器元件共用接地线,接地线面积应大于2mm²,并尽可能靠近PLC。
3)PLC输出端接有线圈和电磁阀等感性元件时必须加保护电路,例如并接阻容吸收回路(对于交流电源)或续流二极管(对于支流电源)。
4.2软件调试
用编程工具将用户程序输入计算机,经过反复编辑、编译、下载、调试、运行,直至运行正确。
打开梯形图编辑器将程序输入电脑。
程序输入完成后,用CPU的下拉菜单或工具条中编译快捷按钮对程序进行编译,编译后在显示器下方的输入窗口显示编译结果,并能明确的指出错误的网络段,可以根据错误的提示对程序进行修改,然后再编译,一直到编译无误。
程序编译成功后,单击标准工具条中下载快捷按钮打开文件菜单,选择下载项,弹出对话框,经选定程序块、数据块、系统块等下载内容后,按确认按钮将选中内容下载到PLC的存储器上。
当PLC工作方式开关在TERM位置时还可用STEP—MICRO/WIN32的菜单命令或快捷按钮都可以对CPU工作方式进行软件设计。
使用程序编辑器还可以在PLC运行监视程序执行的过程和各元件的状态及数据,打开调试菜单选中程序状态。
这时闭合触点和通电线圈内部颜色变蓝。
在PLC的运行工作状态随输入条件的改变定时及计数过程的运行,每个扫描周期的输入阶段将各个期间的状态刷新,同时还可以动态显示各个定时与计数器的当前值,以便在线动态观察程序的运行,出现错误易于发现更改。
在STOP状态下对程序进行修改编辑,重新编译、下载、监视运行,如此反复修改调试,直到得到正确运行结果。
5结论
利用梯形图程序可以很直观的看出运行过程。
利用可编程控制器控制交通灯,具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。
调试结果表明,在适应性、精确性和可靠性方面,到达到了设计的要求,表明该设计方案是可行的。
交通灯的设计课题,详细介绍了PLC的结构配置、工作原理、编程方法和通信等内容;并在此基础上介绍了PLC控制系统的设计原则、设计步骤、硬件设计、软件设计等;最后在实例中介绍常用PLC的型号和资源配置。
本课程是以实际生活中的设计,运行、管理,维护安装为目的,培养学生应用PLC解决实际问题和独立工作的能力,培养实事求是、严肃认真、细致踏实的工作作风,为将来从事自动化设备的生产、调试、安装打下必要的基础。
使我们熟练掌握PLC的硬件配线,熟悉PLC的编程规则,熟悉编程软件的使用,掌握应用PLC解决生产实际问题的方法及步骤。
通过设计,学会观察、调查研究、搜集资料、整理报告的方法,提高分析问题的能力。
通过这次毕业设计,使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。
并且,更了解了有关可编程控制器的功能。
致谢
经过一个星期的课程设计,终于完成了本次课程设计。
成功的背后是老师精心的指导、无微的帮助和辛勤的付出。
在整个设计过程中我有幸得到王丽君老师的精心指导,王老师不断的关注我的设计过程。
在我迷惑和不解的时候王老师并不是直接的替我解决问题,而是让我理清思路,精心点拨、热忱鼓励,开拓了我的研究思路。
正所谓“授人以鱼,不如授人以渔”,王老师循序渐进的教学方法让我受益匪浅。
在与王老师交流的过程中,我不仅发现了她知识的渊博,同时发现了她做人及做事的执著,王老师严谨求实的科研态度和踏踏实实的工作作风让我为之震撼,在以后的生活和工作中我将会发扬这种精神。
“温故而知新,可以为师也”,通过这次毕业设计,不仅仅让我对我的专业知识有了更透彻的认识,对可编程控制器的内部结构、组成以及常用编程设计思路的技巧有了更深刻的领悟,更重要的是整个过程培养了我分析和解决问题的能力。
大学的学习不是一种纯粹的知识的学习,而是一种思维的学习,一种发现问题、思考问题、解决问题能力培养。
在设计中,使我对本专业知识在实际运用中有了感性的认识和全新的体会,基本做到了将所学知识融会贯通,学以致用,同样我也意识到自动化管理的重要性。
在此,我还要感谢含辛茹苦培养教育我的王老师和志同道合的学友们,你们的帮助、支持、宽容、理解让我有了面对困难的勇气和克服困难的信心。
在论文即将结束之际,我的心情无法平静,整个设计的成功,倾注了多少老师、同学、室友、朋友的支持和帮助,在此请接受我诚挚的谢意!
参考文献
[1]孙振强主编.可编程序控制器原理及应用教程.清华大学出版社,2005
[2]郑凤翼,郑丹丹等编著.PLC控制系统,人民邮电出版社,2006
[3]王阿根编著.电气可编程控制原理与应用.清华大学出版社,2007
[4]王伟主编.可编程序控制器的使用和维护.化学工业出版社,2005
[5]陈立定等编.电气控制与编程控制器.华南理工大学出版社,2001
[6]陈鼎宁主编。
机械设备控制技术.机械工业出版社.2009
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