1、摘要可編程控制器(PLC是一種數字運算操作的電子系統,專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器,用來在其內部存儲執行邏輯運算,順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令,并通過數字式和模擬式的輸入和輸出,控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外圍設備,易于與工業控制系統聯成一個整體,易于擴充其功能的設計。可編程控制器對用戶來說,是一種無觸點設備,改變程序即可改變生產工藝。目前,可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具,得到了廣泛的普及推廣應用。本課程設計介紹了可編程序控制器(PLC和PLC控制系統的基本知識,包括PLC的定義、特點、分類、技術指標、基本結構、工作原理、硬

2、件知識及PLC控制系統等相關知識。用西門子公司S7-200系列的PLC,設計了一個簡單平移自動門的自動門控制系統。該系統主要完成自動門的開、關控制及其出現故障時能實行手動控制。目錄第1章 PLC的發展史 (41.1 PLC的起源 (41.2 PLC的誕生 (41.3 發展趨勢 (4第2章控制任務 (52.1 課題的控制任務 (52.2 控制要求 (5第3章 PLC的功能及特點 (63.1 plc的功能 (63.2 plc的主要特點 (6第4章 PLC的選型 (74.1 PLC容量的選擇 (74.2 PLC及外設型號的選擇 (84.3 I/O地址的分配 (8第5章功能器件的基本工作原理 (95.

3、1 自動感應門機的基本工作原理 .5.2 限位開關的工作原理.5.3 光電開關介紹 . 第6章電氣原理圖 .6.1 方案說明.6.2 程序流程圖 (126.3 繼電器接觸控制圖 (136.4 plc控制輸出輸入接線 (13第7章系統程序設計 (147.1 梯形圖 (147.2 操作說明 (15總結 (16參考文獻 (17第1章 PLC的發展史1.1 PLC的起源PLC是從早期的繼電器邏輯控制系統發展而來的。自1836年繼電器問世,人們就開始用導線將它同開關器件巧妙地連接,構成用途各異的邏輯控制或順序控制。上世紀60年代末,它不斷吸收微電腦技術使之功能不斷增強,逐漸適合復雜的控制人物。隨著微電子

4、技術、計算機技術和數據通信技術的飛速發展、微處理器的出現,以及流程加工行業對生產流程迅速、頻繁變更的需求,PLC技術出現并快速發展。1.2 PLC的誕生·1969年美國DEC公司研制出世界上第一臺PLC(PDP-14,并在GM公司汽車生產線上應用成功,這標志著PLC第一次進入人們的視野·1969年,美國研制出世界第一臺PDP-14·1971年,日本研制出第一臺DCS-8·1973年,德國研制出第一臺PLC·1974年,中國研制出第一臺PLC1.3 發展趨勢PLC作為工控機的一員,在主要工業國家中成為自動化系統的基本電控裝置。PLC 在60年代末

5、引入我國時,只用作離散量的控制,其功能只是將操作接到離散量輸出的接觸器等,最早只能完成以繼電器梯形邏輯的操作。新一代的PLC具有PID調節功能,它的應用已從開關量控制擴大到模擬量的控制領域,廣泛的應用于航天、冶金、輕工、建材等行業。但PLC也面臨著其他行業工控產品的挑戰,各廠家正采取措施不斷改進產品,主要表現為以下幾個方面:1微型、小型PLC功能明顯增強跟多有名的PLC廠家相繼推出高速、高性能、小型、微型PLC。三菱的FXOS14點,其尺寸僅為58mm×89mm,僅大于信用卡幾個毫米,而功能卻有所增強,使PLC的應用領域擴大到院里工業控制的其他行業,如快餐廳、醫院手術室、旋轉門和車輛

6、等,甚至引入家庭住宅、娛樂場所和商業部門。2集成化發展趨勢增強由于控制內容的復雜化和高難度化,使PLC向集成化方向發展,PLC與PC集成、PLC 與DCS集成、PLC與PID集成等,并強化了通訊功能和網絡化,尤其以PC為基的控制產品增長率最快。PLC與PC集成,即將計算機、PLC及操作人員的人一機接口結合在一起,使PLC能利用計算機豐富的軟件資源,而計算機能和PLC的模塊交互存取數據。以PC 為基的控制容易編程和維護用戶的利益,開放的體系結構提供靈活性,最終降低成本和提高生產率。3向開放性轉變PLC曾存在嚴重的缺點,主要是PLC的軟、硬件體系結構式封閉的而不是開放的,絕大多數的PLC是專用總線

7、、專用通信網絡及協議,編程雖多為梯形圖,單各公司的組態、尋址、語言結構不一致,使各種PLC互不兼容。國際電工協會(IEC在1992年頒布了IEC1131-3可編程程序控制器的編程軟件標準,為各PLC廠家編程的標準化鋪平了道路。現在開發以PC為基、在WINDOWS平臺下,符合IEC1131-3國際標準的新一代開放體系結構的PLC正在規劃中。第2章控制任務2.1 課題的控制任務1.自動門控制裝置的硬件組成:自動門控制裝置由門內光電探測開關K1,門外光電探測開關K2,開門到位限位開關K3,關門到位限位開關K4,開門執行機構KM1(使直流電動機正轉,關門執行機構(使直流電動機反轉等部件組成。2.2 控

8、制要求:1當有人由內到外或由外到內通過光電檢測開關K1或k2時,開門執行機構KM1動作,電動機正轉,到達開門限位開關K3位置時,電機停止運行。2自動門在開門位置停留8秒后,自動進入關門過程,關門執行機構KM2被啟動,電動機反轉,當門移動到開門限位開關K4位置時,電機停止運行。3在關門過程中,當有人員由外到內或由內到外通過光電檢測開關K2或K1時,應立即停止關門,并自動進入關門程序。4在門打開后的8秒等待時間內,若有人員由外到內或由內到外通過光電檢測開關K2或K1時,必須重新開始等待8秒后,在自動進入關門過程,以保證人員的安全通過。第3章 PLC的功能及特點3.1 plc的功能1數據采集與輸出。

9、2控制功能包括順序控制、邏輯控制、定時、計數等。3數據處理功能包括基本數學運算、比較、對字節的運算、PID運算、濾波等。4輸入/輸出接口調理功能具有A/D、D/A轉換功能,通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節,具有溫度、運動等測量接口。5通信、聯網功能現代PLC大多數都采用了通信、網絡技術,有RS232或RS485接口,可進行遠程I/O控制,多臺 PLC可彼此間聯網、通信,外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間,實現程序和數據交換,如程序轉移、數據文文件轉移、監視和診斷。在系統構成時,可由一臺計算機與多臺PLC構成"集中管理、分散控制"的分布式控制網絡,以便完

10、成較大規模的復雜控制。通常所說的SCADA系統,現場端和遠程端也可以采用PLC作現場機。6支持人機界面功能提供操作者以監視機器/過程工作必需的信息。允許操作者和PC系統與其應用程序相互作用,以便作決策和調整,實現工業計算機的分散和集中操作與監視系統。7編程、調試等,并且大部分支持在線編程。3.2 plc的主要特點1 可靠性高。PLC的MTBF一般在4000050000h以上,有的在1020萬h,且均有完善的自診斷功能。2 結構形式多樣,模塊化組合靈活有固定式適于小型系統或機床,組合式適于集控制系統。最少的PLC只有6點,而AB的ControlLogix系統的容量達128000點。3 功能強大。

11、4 編程方便控制具有極大靈活性。5 適應工業環境適應高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環境以及電磁干擾環境。6 安裝、維修簡單。7 與DCS相比,價格低。8 當前PLC產品緊跟現場總線的發展潮流。第4章 PLC的選型當某一個控制任務決定由PLC來完成后,選擇PLC就成了最重要的事情,一方面是選擇多大容量的PLC,另一方面是選擇什么公司的PLC及外設。4.1 PLC容量的選擇對PLC容量的選擇問題,首先要對控制任務進行詳細的分析,把所有的I/O點找出來,包括開關量I/O和模擬量I/O以及這些I/O點的性質。I/O點的性質主要指他們是直流信號還是交流信號,它們的電源電壓,以及輸出是用繼電器型還是用晶體管

12、或是可控硅型。控制系統輸出點的類型非常關鍵,如果它們之中既有交流220V的接觸器,電磁閥,又有直流24V的指示燈,則最后選用的PLC的輸出點數有可能大于實際點數。因為PLC的輸出點一般是幾個一組共用一個公共端,這一組輸出只能有一種電源的種類和等級。所以一旦它們是交流220V的負載使用,則直流24V的負載只能使用其他組的輸出端了。這樣有可能造成輸出點數的浪費,增加成本。所以要盡可能選擇先同等級的PLC使用最多,但對于要求高速輸出的情況,如運動控制時的高速脈沖數出,就可以定下選用多少點和I/O是什么類型的PLC了。根據本課程設計的題目及要求可知門內光電探測開關K1,門外光電探測開關K2,開門到位限

13、位開關K3,關門到位限位開關K4,都是輸入觸點,所以該系統共有開關量輸入點4個。另外,該系統還有開門執行機構KM1,(使直流電動機正轉,關門執行機構KM2(使直流電動機反轉,短接啟動電阻接觸器KM3等都是輸出觸點,所以該系統共有開關量輸出點3個。又根據課題要求可知PLC選用輸入電源為24VDC,輸出電源也是24VDC,選擇輸出口器件類型為Relay即繼電器的PLC。4.2 PLC及外設型號的選擇對于PLC及外設型號的選擇問題,則有以下幾個方面要考慮:1功能方面所有PLC一般都具有常規的功能,但對某些特殊要求,就要知道所選用的PLC是否有能力完成控制任務。如對PLC與PLC,PLC與智能儀表及上

14、位機之間有靈活方便的通訊要求;或對PLC的計算速度,用戶程序容量等有特殊要求;或對PLC的位置控制有特殊要求等。這就要求用戶對市場上流行的PLC品種有一個詳細的了解,以便做出正確的選擇。2價格方面不同廠家的PLC產品價格相差很大,有些功能類似,質量相當,I/O 點數相當的PLC的價格能相差40%以上。在使用PLC較多的情況下,這樣的差價當然是必須考慮的因素。3個人喜好方面有些工程技術人員對某些品牌的PLC熟悉,所以一般比較喜歡使用這種產品。另外,甚至一些政治因素或個人情感有時也會成為選擇的理由。4.3 I/O地址的分配輸入/輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進行PLC控制系統設計的基礎。對

15、軟件設計來說,I/O地址分配以后才可進行編程;對控制柜及PLC的外圍接線來說,只有I/O地址確定以后,才可以繪制電氣接線圖,裝配圖,讓裝配人員根據線路圖和安裝控制柜。分配輸出點地址時,要注意負載類型的問題。在進行I/O地址分配時最好把I/O點的名稱、代碼和地址以表格的形式列寫出來。控制系統的輸入/輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表3-1 第5章功能器件的基本工作原理5.1 自動感應門機的基本工作原理首先,平移式自動感應門機組由以下部件組成:1主控制器:它是自動感應門的指揮中心,通過內部編有指令程序的大規模集成塊,發出相應指令,指揮馬達或電鎖類系統工作;同時人們通過主控器調節門扇開啟速度、開啟幅

16、度等參數。2感應探測器:負責采集外部信號,如同人們的眼睛,當有移動的物體進入它的工作范圍時,它就給主控制器一個脈沖信號。3動力馬達:提供開門與關門的主動力,控制自動感應門門扇加速與減速運行。4自動感應門扇行進軌道:就象火車的鐵軌,約束門扇的吊具走輪系統,使其按特定方向行進。5門扇吊具走輪系統:用于吊掛活動門扇,同時在動力牽引下帶動門扇運行。6同步皮帶(有的廠家使用三角皮帶:用于傳輸馬達所產動力,牽引自動感應門扇吊具走輪系統。7下部導向系統:是自動感應門門扇下部的導向與定位裝置,防止門扇在運行時出現前后門體擺動。當自動感應門門扇要完成一次開門與關門,其工作流程如下:感應探測器探測到有人進入時,將

17、脈沖信號傳給主控器,主控器判斷后通知馬達運行,同時監控馬達轉數,以便通知馬達在一定時候加力和進入慢行運行。馬達得到一定運行電流后做正向運行,將動力傳給同步帶,再由同步帶將動力傳給吊具系統使自動感應門扇開啟;自動感應門扇開啟后由控制器作出判斷,如需關自動感應門,通知馬達作反向運動,關閉自動感應門。5.2 限位開關的工作原理行程開關又稱限位開關,用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產中,將行程開關安裝在預先安排的位置,當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時,行程開關的觸點動作,實現電路的切換。因此,行程開關是一種根據運動部件的行程位置而切換電路的電器,它的作用原理與按鈕類似。行程開關廣

18、泛用于各類機床和起重機械,用以控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中,還利用行程開關來控制開關轎門的速度、自動開關門的限位,轎廂的上、下限位保護。滾輪式行程開關又分為單滾輪自動復位和雙滾輪(羊角式非自動復位式,雙滾輪行移開關具有兩個穩態位置,有“記憶”作用,在某些情況下可以簡化線路。5.3 光電開關介紹1工作原理光電開關(光電傳感器是光電接近開關的簡稱,它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射,由同步回路選通電路,從而檢測物體有無的。物體不限于金屬,所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出,接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。2光電開

19、關的分類及術語解釋(1分類漫反射式光電開關:它是一種集發射器和接收器于一體的傳感器,當有被檢測物體經過時,物體將光電開關發射器發射的足夠量的光線反射到接收器,于是光電開關就產生了開關信號。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時,漫反射式的光電開關是首選的檢測模式。鏡反射式光電開關:它亦集發射器與接收器于一體,光電開關發射器發出的光線經過反射鏡反射回接收器,當被檢測物體經過且完全阻斷光線時,光電開關就產生了檢測開關信號。對射式光電開關:它包含了在結構上相互分離且光軸相對放置的發射器和接收器,發射器發出的光線直接進入接收器,當被檢測物體經過發射器和接收器之間且阻斷光線時,光電開關就產生了開關信號。

20、當檢測物體為不透明時,對射式光電開關是最可靠的檢測裝置。槽式光電開關:它通常采用標準的U字型結構,其發射器和接收器分別位于U 型槽的兩邊,并形成一光軸,當被檢測物體經過U型槽且阻斷光軸時,光電開關就產生了開關量信號。槽式光電開關比較適合檢測高速運動的物體,并且它能分辨透明與半透明物體,使用安全可靠。光纖式光電開關:它采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導光線,可以對距離遠的被檢測物體進行檢測。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。(2術語檢測距離:是指檢測體按一定方式移動,當開關動作時測得的基準位置(光電開關的感應表面到檢測面的空間距離。額定動作距離指接近開關動作距離的標稱值。回差距離:動作距離與復位距

21、離之間的絕對值。響應頻率:在規定的1s的時間間隔內,允許光電開關動作循環的次數。輸出狀態:分常開和常閉。當無檢測物體時,常開型的光電開關所接通的負載由于光電開關內部的輸出晶體管的截止而不工作,當檢測到物體時,晶體管導通,負載得電工作。檢測方式:根據光電開關在檢測物體時發射器所發出的光線被折回到接收器的途徑的不同,可分為漫反射式、鏡反射式、對射式等。輸出形式:分NPN二線、NPN三線、NPN四線、PNP二線、PNP三線、PNP四線、AC二線、AC五線(自帶繼電器,及直流NPN/PNP/常開/常閉多功能等幾種常用的輸出形式。指向角。第6章電氣原理圖6.1 方案說明由于自動門的分類很多,本次實驗不能

22、一一進行討論,最后決定主要對平移自動門進行設計實現plc的自動控制。自動門的硬件組成部分在前已經敘述,現不再贅述。下面主要對控制部件進行討論。經分析設計任務,可知完成任務的實質就是控制電機的正反轉。要實現自動控制首先要具備以下功能部件:光電檢測開關,限位開關,超載保護開關,直流電機。現確定電機與門扇軌道組成的系統,要實現電機正轉開門,電機反轉關門。1當有人由內到外或由外到內通過光電檢測開關時,開關上有電流通過(光電檢測開關是脈沖觸發須對其自鎖由于開門限位開關常閉,所以線圈上有電通過,電動機正轉,到達開門限位開關位置時,電機停止運行。2當自動門到開門限位開關位置時啟動延時定時器8秒后,自動進入關

23、門過程,電動機反轉,當門移動到關門限位開關時,電機停止運行。3在關門過程中,當有人員由外到內或由內到外通過光電檢測開關,應立即停止關門,并自動進入開門程序。4在門打開后的8秒等待時間內,若有人員由外至內或由內至外通過光電檢測開關時,必須重新開始等待8秒后,再自動進入關門過程,以保證人員安全通過。5考慮到自動門在出現故障或在維修的時候,用自動控制從在一定的問題,最后決定加增手動開門和關門開關。6.2 程序流程圖 6.3 繼電器接觸控制圖 6.4 plc控制輸出輸入接線 第7章系統程序設計7.1 梯形圖 7.2 操作說明4當8s的延時完畢后,T37線圈得電,關門限位開關關閉,所以使Q0.1通電并自

24、鎖,電機反轉,執行關門過程。6在此控制過程中,為了保證其安全性和正常運作,設置過載保護。7考慮到自動門若出現故障時,自動控制系統失效,所以設置手動開關門開關。總 結 課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現、提出、分析和解決實際問題,鍛煉實 踐能力的重要環節,是對我們實際工作能力的具體訓練和考察過程。我開始先認真審題， 考慮設計系統的要求及條件，復習有關課程內容，如電器與 plc 控制技術、西門 子 plc 課程設計指導書 之后多方收集相關資料并截選， 等， 再與同學交流、 請教老師。 回顧起此次西門子 plc 課程設計，令我仍感慨頗多。這一周的時間里，付出了不少 時間和精力，努力地查找資料、繪制電路圖等，但學到了很多很多東西。同時，不僅鞏 固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通