-.z.第一章引言隨著社會迅速的開展，各機械產品層出不窮。控制系統的開展已經很成熟，應用圍涉及各個領域，例如：機械、汽車制造、化工、交通、軍事、民用等。PLC專為工業環境應用而設計，其顯著的特點之一就是可靠性高，抗干擾能力強。PLC的應用不但大提高了電氣控制系統的可靠性和抗干擾能力，而且大簡化和減少了維修維護的工作量。PLC以其可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、使用方便、控制程序可變、體積小、質量輕、功能強和價格低廉等特點，在機械制造、冶金等領域得到了廣泛的應用。送料小車控制系統采用了PLC控制。在設計該PLC送料小車設計程序的同時總結了以往PLC送料小車設計程序的一般方法、步驟，并且把以前學過的根底課程融匯到本次設計當中來，更加深入的了解了更多的PLC知識 這篇論文是以S7-200系列PLC為主要載體，結合他對應的來對運料小車的控制進展編程，雖然沒有具體的見到他的硬件，但是也對這樣一個程序對應的接口做了了解。 本文主要是在對PLC進展系統的介紹后，進入具體是S7-200的PLC，針對S7-224這個型號進展硬件及其軟件的介紹，最后寫出運料小車對應PLC的接口圖及其對應的程序。第二章運料小車控制系統的方案論證2.1運料小車控制系統的控制容與要求運料小車的運動流程*自動生產線上運料小車的運動如圖2.1所示圖2.1運料小車示意圖運料小車由一臺三相異步電動機拖動，電機正轉，小車向右行，電機反轉，小車向左行。在生產線上，每一個停靠站安裝一個行程開關以監測小車是否到達該站點。對小車的控制除了啟動按鈕和停頓按鈕之外，還應該檢測料斗是否還有料，以確定是否繼續下去。設備控制要求運料小車在自動化生產線上運動的控制要求如下：小車原位在后退終端，當小車壓下后限位開關SQ1時，按下啟動按鈕SB，小車前進，當運行至料斗下方時，前限位開關SQ2動作，此時翻開料斗給小車加料，延時8s后關閉料斗，小車后退返回，SQ1動作時，翻開小車底門卸料，6s后完畢，完成一次動作。如此循環。2.2方案論證早期運料小車電氣控制系統多為繼電器-接觸器組成的復雜系統，這種系統存在設計周期長、體積大、本錢高等缺陷，幾乎無數據處理和通信功能，必須有專人負責操作。后來，單片機應用到運料小車控制系統中。單片機有優異的性能價格比、集成度高、體積小、有很高的可靠性、控制功能強、低功耗、低電壓，便于生產便攜式產品，外部總線增加了I

C及SPI，單片機的系統擴展和系統配置較典型、規，容易構成各種規模的應用系統。單片機編程方法復雜，不容易上手，使用于簡單應用。將PLC應用到運料小車電氣控制系統，可實現運料小車的自動化控制，降低系統的運行費用。PLC運料小車電氣控制系統具有連線簡單，控制速度快，精度高，可靠性和可維護性好，安裝、維修和改造方便等優點。變頻調速已被公認為是最理想、最有開展前景的調速方式之一，采用變頻器構成變頻調速傳動系統的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產率、改善產品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環境等要求；二是為了節約能源、降低生產本錢。用戶根據自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。隨著電力電子技術以及控制技術的開展，交流變頻調速在工業電機拖動領域得到了廣泛應用；可編程控制器PLC作為替代繼電器的新型控制裝置，簡單可靠，操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長且功能強大、容易使用、可靠性高，常常被用于現場數據采集和設備的控制；組態軟件技術作為用戶可定制功能的軟件開發平臺工具，可實現顯示電機轉速，可實現遠程調速控制，在PC機上可開發友好人機界面，通過PLC可以對自動化設備進展“智能〞控制。在此，本次設計就是基于PLC控制變頻器的小車運料系統。將現在應用最廣泛的PLC和變頻器綜合起來主要功能實現了變頻調速。電機的正反轉，加減速以及快速制動等。因此，該系統必須具備以下兩個主體局部：控制運算局部、執行。控制運算主要由PLC和變頻器來完成；執行元件為變頻器和電機；2.3確定設計方案經過對多種方案的比擬，我們最終決定用變頻器來實現電機的控制。通過USS協議，實現S7-200對變頻器的控制，從而控制電機的啟動，運行，停車和正方轉。通過軟件來實現對電機的控制，可以減少繼電器的使用，簡化硬件電路，可靠性和穩定性也得到了提高。系統總體框圖如圖2.2所示圖2.2系統總體框圖第三章運料小車控制系統的硬件設計3.1PLC的組成及選型3.1.1PLC的構造PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件構造根本上與微型計算機一樣。根據構造形式的不同，PLC的根本構造分為整體式和模塊式構造兩類。整體式〔又稱箱體式〕構造的PLC由中央處理器〔CPU〕、存儲器、輸入/輸出〔I/O〕單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在同一機體。這種構造的特點是構造簡單、體積小、價格低、輸入/輸出點數固定、實現的功能和控制規模固定，但靈活性較低。其根本構造框圖如圖3.1所示電源電源中央處理器〔CPU〕輸入/輸出單元存儲器系統總線編程器圖3.1整體式構造模塊式〔又稱組合式〕構造的PLC是將中央處理器〔CPU〕、存儲器、輸入/輸出〔I/O〕單元、電源電路和通信端口等分別做成相應的模塊，應用時將這些模塊根據控制要求插在機架上，各模塊間通過機架上的總線相互聯系。模塊式的PLC安裝完成后，需進展登記，以便PLC對安裝在總線上的各模塊進展地址確認，其特點是系統構成的靈活性較高，可以構成不同控制規模和功能的PLC，但同時價格也較高。根本構造框圖如圖3.2所示3.1.2PLC的工作原理PLC與繼電器構成的控制裝置的重要區別之一就是工作方式不同，繼電器控制是并行運行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點立即動作，只要形成電流通路，就有可能有幾個電器同時動作。而PLC則不同，它采用循環掃描技術，只有該線圈通電或斷電，并且必須當程序掃描到該線圈時，該線圈觸點才會動作，而且每次它只能執行一條指令，這也就是說PLC以“串行〞方式工作的，這種工作方式可以防止繼電器控制的觸點競爭和時序失配等問題。也可以說，繼電器控制裝置是根據輸入和邏輯控制構造就可以直接得到輸出，而PLC控制則需要輸入傳送、執行程序指令、輸出3個階段才能完成控制過程。PLC采用循環掃描技術可以分為3個階段：輸入階段〔將外部輸入信號的狀態傳送到PLC〕、執行程序和輸出階段〔將輸出信號傳送到外部設備〕。在輸入階段中，PLC先進展自我診斷，然后與編程器或計算機通信，同時中央處理器掃描各個輸入端并讀取輸入信號的狀態和數據，并把它們存入相應的輸入存儲單元。在執行階段中，PLC按照由上到下的次序逐步執行程序指令。從相應的輸入存儲單元讀入輸入信號的狀態和數據，然后根據程序部繼電器、定時器、計數器數據存放器的狀態和數據進展邏輯運算，得到運算結果，并將這些結果存入相應的輸出存儲器單元。在輸出階段中，PLC將相應的輸出存儲單元的運算結果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊向外部沒備傳送輸出信號，開場控制外部設備。PLC的選型輸入點分配輸出點分配輸入接點輸入開關名稱輸出接口驅動設備I0.0槽罐有料與否Q0.0翻開槽罐閥門I0.1寫入參數Q0.1翻開小車閥門I0.2啟動電機Q0.2翻開地上閥門I0.3左限位開關Q0.3顯示變頻器運行I0.4右限位開關Q0.4顯示正反轉I0.5急停Q0.5變頻器制止位狀態I0.6消除故障Q0.6變頻器故障位狀態PLC主機及擴展模塊圖如圖3.2所示圖3.2PLC主機及擴展模塊3.2檢測元件選型由于需要檢測料罐里是否還有料，這里我們選擇稱重傳感器來檢測。稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置。用傳感器應先要考慮傳感器所處的實際工作環境，這點對正確選用稱重傳感器至關重要，它關系到傳感器能否正常工作以及它的平安和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和平安性。稱重傳感器按轉換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應變式等8類，以電阻應變式使用最廣。構成〔1〕敏感元件直接感受被測量(質量)并輸出與被測量有確定關系的其他量的元件。如電阻應變式稱重傳感器的彈性體，是將被測物體的質量轉變為形變;電容式稱重傳感器的彈性體將被測的質量轉變為位移。〔2〕變換元件又稱傳感元件，是將敏感元件的輸出轉變為便于測量的信號。如電阻應變式稱重傳感器的電阻應變計(或稱電阻應變片)，將彈性體的形變轉換為電阻量的變化;電容式稱重傳感器的電容器，將彈性體的位移轉變為電容量的變化。有時*些元件兼有敏感元件和變換元件兩者的職能。如電壓式稱重傳感器的壓電材料，在外載荷的作用下，在發生變形的同時輸出電量。〔3〕測量元件將變換元件的輸出變換為電信號，為進一步傳輸、處理、顯示、記錄或控制提供方便。如電阻應變式稱重傳感器中的電橋電路，壓電式稱重傳感器的電荷前置放大器。〔4〕輔助電源為傳感器的電信號輸出提供能量。一般稱重傳感器均需外連電源才能工作。因此，作為一個產品必須標明供電的要求，但不作為稱重傳感器的組成局部。有些傳感器，如磁電式速度傳感器，由于他輸出的能量較大，故不需要輔助電源也能正常工作。所以并非所有傳感器都要有輔助電源。稱重傳感器的選型這里我們選擇型號為YHT-320C的槽料稱重傳感器，不僅可以檢測槽罐是否有剩余料，還可以檢測剩余料的多少。3.3電機及驅動控制西門子MM440系列變頻器MICROMASTER440是用于控制三相交流電動機速度和轉矩的變頻器。本系列有多種型號，額定功率圍從120W到200kW(恒定轉矩(CT)控制方式)，或者可達250kW(可變轉矩(VT)控制方)，供用戶選用。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現代先進技術水平的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。采用脈沖頻率可選的專用脈寬調制技術，可使電動機低噪聲運行。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。 MICROMASTER440具有缺省的工廠設置參數，它是給數量眾多的可變速控制系統供電的理想變頻傳動裝置。由于MICROMASTER440具有全面而完善的控制功能，在設置相關參數以后，它也可用于更高級的電動機控制系統。MICROMASTER440既可用于單獨傳動系統，也可集成到‘自動化系統’中。如圖圖3.3所示圖3.3MICROMASTER440系列變頻器MM440變頻器的控制端子表3.2MM440變頻器的控制端子〔2〕西門子MM440操作面板圖3.4西門子MM440變頻器操作面板變頻器MM440系列〔MicroMaster440〕是德國西門子公司廣泛應用與工業場合的多功能標準變頻器。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。對于變頻器的應用，必須首先熟練對變頻器的面板操作，以及根據實際應用，對變頻器的各種功能參數進展設置。表3.3操作面板上的數據〔3〕操作面板修改設置參數的方法MM440在缺省設置時，用BOP控制電動機的功能是被制止的。如果要用BOP進展控制，參數P0700應設置為1，參數P1000也應設置為1。用根本操作面板(BOP)可以修改任何一個參數。修改參數的數值時，BOP有時會顯示“busy〞，說明變頻器正忙于處理優先級更高的任務。下面就以設置P1000=1的過程為例，來介紹通過根本操作面板(BOP)修改設置參數的流程，見表7。表3.4根本操作面板(BOP)修改設置參數流程操作步驟BOP顯示結果1按鍵，訪問參數2按鍵，直到顯示P10003按鍵，直到顯示in000，即P1000的第0組值4按鍵，顯示當前值25按鍵，到達所要求的值16按鍵，存儲當前設置7按鍵，顯示r00008按鍵，顯示頻率3.4低壓電器選型3.4.1電磁閥的原理電磁閥〔solenoidvalve〕是用電磁控制的工業設備，是用來控制流體的自動化根底元件，屬于執行器，并不限于液壓、氣動。用在工業控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。電磁閥可以配合不同的電路來實現預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統的不同位置發揮作用，最常用的是單向閥、平安閥、方向控制閥、速度調節閥等。這里我們選用直動式電磁閥：通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門翻開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。特點：在真空、負壓、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過25mm。3.4.2熔斷器選擇熔斷器選擇包括熔斷器類型選擇和熔體額定電流確定兩項容。1〕熔斷器類型的選擇熔斷器類型應根據負載的保護特性和短路電流大小來選擇。對于保護照明和電動機的熔斷器，一般只考慮它們的過載保護，這時，熔體的熔化系數適當小些。對于大容量的照明線路和電動機，除過載保護外，還應考慮短路時分斷短路電流的能力來選擇。當短路電流較大時，還應采用具有高分斷能力的熔斷器甚至選用具有限流作用的熔斷器。此外，還應根據熔斷器所接電路的電壓來決定熔斷器的額定電壓。2〕熔體與熔斷器額定電流確實定熔體額定電流大小與負載大小、負載性質有關。對于負載平穩、無沖擊電流，如一般照明電路、電熱電路可按負載電流大小來確定熔體的額定電流。對于有沖擊電流的電動機負載，為到達短路保護目的，又保證電動機正常起動，對籠型感應電動機其熔斷器熔體的額定電流為：單臺電動機INP=〔1.5~2.5〕INM〔3.1〕式中，INP為熔體額定電流〔A〕；INM為電動機額定電流〔A〕。多臺電動機共用一個熔斷器保護INP=〔1.5~2.5〕INMma*+∑INM〔3.2〕式中，INMma*為容量最大一臺電動機的額定電流〔A〕；∑INM為其余各臺電動機額定電流之和〔A〕。在式〔3.3〕與式〔3.4〕中，對于輕載起動及起動時間較短時，式中系數取1.5；重載起動及起動時間較長時，式中系數取2.5。熔斷器的額定電流大于或等于熔體額定電流。3)校核熔斷器的保護特性對上述選定的熔斷器類型及熔體額定電流，還須校核該熔斷器的保護特性曲線是否與保護對象的過載特性有良好的配合，使在整個圍獲得可靠的保護。同時，熔斷器的極限分斷能力應大于或等于所保護電路可能出現的短路電流值，這樣才能得到可靠的短路保護。4)熔斷器上、下級的配合為滿足選擇性保護的要求，應注意熔斷器上下級之間的配合。一般要求上一級熔斷器的熔斷時間至少是下一級的3倍，不然將會發生超級動作，擴大停電圍。為此，當上下級選用同一型號的熔斷器時，其電流等級以相差2級為宜；假設上下級所用的熔斷器型號不同，則應根據保護特性上給出的熔斷時間來選取。3.4.3塑殼式斷路器的選用塑殼式斷路器常用來作電動機的過載與短路保護，其選擇原則是：1)斷路器額定工作電壓等于或大于線路額定電壓。2)斷路器額定電流等于或大于線路計算負荷電流。3)斷路器通斷能力等于或大于線路中可能出現的最大短路電流，一般按有效值算。4)斷路器欠壓脫扣器額定電壓等于線路額定電壓。5)斷路器分勵脫扣器額定電壓等于控制電源電壓。6)長延時電流整定值等于電動機額定電流。’7)瞬時整定電流：對保護籠型感應電動機的斷路器，其瞬時整定電流為(8~15)倍電動機額定電流；對于保護繞線型電動機的斷路器，其瞬時整定電流為(3~6)倍電動機額定電流。8)6倍長延時電流整定值的可返回時間等于或大于電動機實際起動時間。按起動時負載的輕重，可選用可返回時間為1、3、5、8、15s中的*一檔。3.4.4電器元件明細表如圖表3.5電器元件明細表符號元件名稱型號規格件數作用MA異步電動機Y132M-4-B37.5KW1450r/min1控制小車的前進后退QA低壓斷路器DZ5-20380V20A2控制主電路和變頻器QB隔離開關GW7-380380V1變頻器的開關BG行程開關L*19-001交流至380V及直流電壓至220V2控制小車停頓SF1按鈕LA2型500V5A1寫入參數SF2按鈕LA2型500V5A1啟動SF3按鈕LA2型500V5A1急停SF3按鈕LA2型500V5A1消除故障B稱重傳感器YHT-320C-1稱重，檢測TA變壓器DB-200220/243電源變壓器TA變頻器M440三相AC380V變速FA1熔斷器RL140A1全電路的短路保護FA2熔斷器RL140A1變頻器保護PG指示燈ADP16-0額定電壓6.3V-220V額定功率：0.1W4指示燈3.5電源設計本設計中PLC選的是晶體管輸出型，輸出端為直流信號，電壓大小為0-220V，輸入端是直流信號，電壓大小為0-24V。可編程控制器一般使用市電〔220V50Hz〕，電網的沖擊，頻率的波動都會對PLC的準確度和可靠性造成影響，因此作為控制生產線傳輸系統的PLC應有獨立穩定的平安電源，還應設計一個獨立開關，能夠同時切斷CPU、輸入電路和輸出電路的所有供電。如果使用開關電源為PLC提供直流24V電源，應對開關電源供電的交流電源采用隔離變壓器與電源隔離。3.6人機接口設計人機界面〔又稱用戶界面或使用者界面〕是系統和用戶之間進展交互和信息交換的媒介，它實現信息的部形式與人類可以承受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。人機界面產品由硬件和軟件兩局部組成，硬件局部包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數據存儲單元等，其中處理器的性能決定了HMI產品的性能上下，是HMI的核心單元。根據HMI的產品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件一般分為兩局部，即運行于HMI硬件中的系統軟件和運行于PC機Windows操作系統下的畫面組態軟件〔如－HMI畫面組態軟件〕。使用者都必須先使用HMI的畫面組態軟件制作“工程文件〞，再通過PC機和HMI產品的串行通訊口，把編制好的“工程文件〞下載到HMI的處理器中運行。本設計采用TD200，其人機接口界面如圖3.5所示。圖3.5人機接口第四章運料小車控制系統的軟件設計4.1控制程序流程圖圖4.1控制程序流程圖4.2控制程序設計4.2.1部軟元件表部軟元件表4.1部標志位存放器常用狀態字SMBOM0.0~M0.6部標志位SM0.0動斷觸點M1.1變頻器啟動/停頓SM0.1調用初始化子程序M1.2電機正/反轉M3.1電機減速停車M4.0寫入參數M4.1到右限位位置減速M4.2到左限位位置減速4.3通信USS主站〔S7-200PLC〕與USS從站〔傳動裝置，即變頻器〕之間的通訊是異步方式的，通訊的工作程序為后臺工作方式，發送接收數據與控制邏輯無關。用戶程序通過改變USS報文中的STW及HSW的值，來控制變頻器的啟停及改變設定頻率值。USS報文通過發送指令發送至傳動裝置，利用接收指令接收變頻器返回的USS報文，同一時刻只能有一個發送指令或接收指令被激活。4.3.1USS通信協議USS協議是由SIEMENSAG定義的串行數據通訊協議，SIEMENS所有傳動產品都支持這個通用協議。它與Profibus及其它協議相比，USS協議無須購置通訊，是一種低本錢、高性能的工業網絡組態連接方案。

USS協議采用主一從構造，總線上可以連接1個主站和最多31個從站，在主站沒有要求從站通信時，從站不能首先發送數據，各個從站之間也不能直接進展數據傳輸。主站一般為PLC或者PC機，從站可以是變頻器或者直流調速器.

在其他一些串行通訊場合，例如PC機與智能終端或嵌入式系統網絡之間的通信，由于缺乏現成的標準協議，用戶不得不自己制定一些協議，而USS協議由于其簡單、高效、靈活和易于實現，也被廣泛的應用在這些場合。4.3.2USS通信程序編寫STEP7-MicroWIN編程軟件有實現USS通信協議的庫指令，需要進展添加及分配相應的庫存儲區，共包括14個子程序、3個中斷程序和8條指令，編寫通信程序時需要在主程序中進展指令塊調用，如圖4.2所示

圖4.2USS通信指令的調用如圖4.2左邊為初始化指令，USS_INIT中的Mode為1表示將Port0通信口用于USS協議并使能該協議；Baud為波特率的大小，可根據需要進展設置〔包括1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600和115200〕；Acitive指示驅動激活的編號，所有被激活的驅動都會在后臺被自動的輪詢，控制驅動的搜索狀態，防止驅動的串行超時；Done位表示輸出接通；Error的字節中存放指令的執行結果。圖4.3變頻器驅動控制指令USS_CTRL圖4.3為變頻器驅動控制指令USS_CTRL，EN位為使能端，需要使用SM0.0保持接通；RUN位表示驅動接通或斷開；OFF2位用來允許MicroMaster驅動斜坡減至停頓；OFF3位用來命令MicroMaster驅動快速停頓；F_ACK〔故障應答〕位用于應答驅動的故障，當F_ACK從0變1時，驅動去除該故障〔Fault〕；DIR〔方向〕位指示驅動應向哪個方向運動；Drive〔驅動地址〕是MicroMaster驅動的地址，USS_CTRL命令發送到該地址，有效地址為0到31；Type〔驅動類型〕選擇驅動的類型，對于4系列的MicroMaster驅動，類型為1；Speed_SP〔速度設定值〕是驅動的速度，是滿速度的百分比；Speed_SP的負值使驅動反向旋轉，圍是從-200.0%至200.0%；Error是錯誤字節，包含最近一次向驅動發出的通訊請求的執行結果；Status是驅動返回的狀態字的原始值；Speed是驅動速度，是滿速度的百分比，圍是從-200.0%至200.0%；Run_EN〔RUN使能〕指示驅動是運行〔1〕還是停頓〔0〕；D_Dir指示驅動轉動的方向；Inhibit指示驅動上制止位的狀態〔0--未制止，1--制止〕，要去除制止位，Fault〔故障〕位必須為零，而且RUN、OFF2和OFF3輸入必須斷開；Fault指示故障位的狀態(0--無故障，1--有故障)，要去除Fault，必須排除故障并接通F_ACK位。4.4顯示操作界面設計門子的HMI種類很多，文本顯示