可编程控制器实训项目开发.doc

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1、机电一体化专业方向课程综合设计说明书课程设计题目： 可编程控制器实训项目开发 作者所在系部： 机械工程系 作者所在专业： 机械设计制造及其自动化 作者所在班级： B10112 作 者 姓 名 ： 郝飞 作 者 学 号 ： 20104011243 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2013年12月25日 北华航天工业学院 前言在20世纪6070年代，为了适应计算机、数字控制、机器人、大规模集成电路等高新技术的发展，美国通用汽车公司(GM)为适应汽车型号的不断翻新，提出了“结合计算机灵活、通用、功能完备以及继电控制简单、易懂、操作方便、为大家所熟悉”优点，面向工业现场、面向控制过程、面向实际问题

2、，即使是不熟悉计算机的人，经过简单训练也可直接编程的一种新型电子化的自动控制装置来代替传统继电-接触控制的设想。1969年，美国数字设备公司(DEC)率先研制出PDP-14可编程控制器，成功地用在GM公司的自动装配线上。1987年，国际电工委员会(IEC)对它定义如下：一种数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。在早期，主要用于替代继电器-接触器的顺序控制，因此，又称为可编程逻辑控制器PLC(Programmable l

3、ogic controller)。随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程控制器的功能已远远超出了顺序控制的范围。被称为可编程控制器(Programmable Controller PC)。为区别于个人计算机(Personal Computer PC)，故沿用PLC 这个缩写。PLC课程设计是电气控制类专业学生需要完成的教学实践任务，主要是通过使用PLC语言设计规定任务的电气控制装置，是有关专业教学重要的实践环节。本课程设计是PLC课程课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接。课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应

4、完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。I 目 录第一章 液体混合装置控制的

5、模拟11.1设计任务和要求11.2控制方案确定21.3 I/O接线图和地址分配表31.4控制程序分析4第二章 喷泉的模拟控制72.1设计任务和要求72.2 控制方案确定72.3 I/O接线图和地址分配表92.4控制程序分析10第三章 十字路口交通灯控制的模拟173.1设计任务和要求173.2 控制方案确定173.3 I/O接线图和地址分配表193.4控制程序分析21第四章 机械手控制的模拟234.1设计任务和要求234.2 控制方案确定234.3 I/O接线图和地址分配表254.4控制程序分析27第五章 课程设计总结30参考文献31 第一章 液体混合装置控制的模拟1.1设计任务和要求本装置为两

6、种液体混合模拟装置，SL1、SL2、SL3为液面传感器，液体A、B阀门与混合液阀门由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，M为搅匀电机，控制要求如下。初始状态：装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液阀门打开20秒将容器放空后关闭。启动操作：按下启动按钮SB1，装置就开始按下列约定的规律操作。液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅匀电机开始搅匀。搅匀电机工作6秒后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。

7、停止操作：按下停止按钮SB2后，在当前的混合液操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态上）。液体混合装置控制的模拟实验PLC面板图如图1-1所示。 图1-1 PLC面板图 此面板中，液面传感器用钮子开关来模拟，启动、停止用动合按钮来实现，液体A阀门、液体B阀门、混合液阀门的打开与关闭以及搅匀电机的运行与停转用发光二极管的点亮与熄灭来模拟。1.2控制方案确定本系统是顺序控制系统，可用顺序设计法进行程序编制。图1-2为顺序流程图。初始状态：装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液阀门打开20秒将容器放空后关闭。启动操作：按下启动按钮SB1，装置就开始按下列约定的规律操作。液体A阀门打开，液体A流

8、入容器。当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅匀电机开始搅匀。搅匀电机工作6秒后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。停止操作：按下停止按钮SB2后，在当前的混合液操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态上）。 图1-2顺序流程图1.3 I/O接线图和地址分配表本次模拟控制使用的可编程程序控制器为S7-200CN。S7-200CN是一种小型的可编程程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的

9、强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。CPU224集成了14点输入10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13字节程序和数据存贮空间，个独立的30KH高速计数器，路独立的20KH高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有个RS-485通讯编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通

10、讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。液体混合装置控制模拟I/O外部接线图如图图1-3所示。图1-3 液体混合装置控制模拟I/O外部接线图AC表示交流电源220V输入，DC表示直流电源24V输出。RLY表示输出是继电器型。M字母代表的是母线的意思 就是英文Mother的缩写（意思就是公共线的意思）。CPU本身输出的电源为标号 M 和 L+ ,M是24V的正极，L+是24V的负极。而输入端上有两个公共端，分别是1M和2M，1M作用范围为I0.0-I0.7，2M作用范围为I1.0-I1.5。由项目要求可知SL1、SL2、SL3为液面传感器，液体A、B阀门与混合液阀门由电磁阀YV1、YV2、YV3

11、控制，M为搅匀电机。由以上要求可知，需要有五个输入端，分别为启动、停止、液面传感器1、液面传感器2和液面传感器3，分别接入IO.O，I0.1，I0.2，I0.3和I0.4，最后接向公共端L。还需要有四个输出端，分别为液体A电磁阀YV1，液体B电磁阀YV2，混合液电磁阀YV3和电机接触器YKM，分别接入Q0.1，Q0.2，Q0.3和Q0.4。需要注意的是，在现实中，前三个电磁阀输出接入的是直流24V电压，而电机接入的应是交流220V电压，由于是模拟仿真，挂箱中均为指示灯，所以才一同接入直流24V电压。如表1-1所示为液体混合装置控制I/O分配表。表1-1 液体混合装置控制I/O分配表I/O地址符

12、号功能输入I0.0SB1启动I0.1SB2停止I0.2S1液面传感器I0.3S2液面传感器I0.4S3液面传感器输出Q0.1YV1A阀门Q0.2YV2B阀门Q0.3YV3混合阀门Q0.4YV4电动机1.4控制程序分析在程序中SM0.1的含义是此位在首次扫描周期接通。用M2.0标识初始状态，M2.0持续得电，程序可以持续循环运行。当按下停止按钮后，程序运行完当前周期，且仍能运行至初始位置。为防止步骤有冲突，将当前状态与下一状态进行互锁。第二章 喷泉的模拟控制2.1设计任务和要求经常看到喷泉按一定的规律喷水或变化式样。采用PLC控制是比较方便的。在喷泉时序确定的前提下，可以通过改变时序或者改变控制

13、开关，就可以改变控制方式。按下启动按钮，喷水装置即开始工作；按下停止按钮，则停止喷水。合上启动按钮后，按以下规律显示：12345678如此循环，周而复始。 喷泉的模拟实验PLC面板图如图2所示。图2-1 PLC面板图2.2 控制方案确定本控制系统可用步进指令或定时器指令实现程序控制。喷泉的控制方式多样，合上启动按钮后，可按以下规律显示：12345678按顺序延时5S喷水，然后一起喷水5S，再按这样的规律继续循环下去。或是这样的显示规律：1234按顺序延时5S喷水，然后延时5S，5亮1灭；延时5S，6亮2灭；延时5S，7亮3灭；延时5S，8亮4灭；延时5S，全灭。再按这样的规律继续循环下去。图2

14、-2是模拟第一种方案的流程图。图2-2 第二种方案顺序流程图2.3 I/O接线图和地址分配表CPU224集成了14点输入10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13字节程序和数据存贮空间，个独立的30KH高速计数器，路独立的20KH高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有个RS-485通讯编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。AC表示交流电源220V输入，DC表示直流电源24V输出。RLY表示输出是继电器型。M字母代表的是母线的意思 就是英文Mother

15、的缩写（意思就是公共线的意思）。CPU本身输出的电源为标号 M 和 L+ ,M是24V的正极，L+是24V的负极。而输入端上有两个公共端，分别是1M和2M，1M作用范围为I0.0-I0.7，2M作用范围为I1.0-I1.5。由方案一和二可得，需要一个输出端，即启动按钮SB1，需要八个输出端，灯1至灯8分别是Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7和Q0.8。表2-1为喷泉模拟控制I/0分配表，图2-3为喷泉模拟控制I/O外部接线图。表2-1 喷泉模拟控制I/0分配表I/O地址符号功能输入I0.1SB1启动I0.2SB2停止输出Q0.11灯Q0.22灯Q0.33灯Q0

16、.44灯Q0.55灯Q0.66灯Q0.77灯Q1.08灯图2-3为喷泉模拟控制I/O外部接线图第一种方案的程序：第二种方案的程序： 利用多个定时器分别定时，以达到设计方案要求。用T40定时复位所有计时器。为防止步骤有冲突，将当前状态与下一状态进行互锁。 共 32页 第 16 页 第三章 十字路口交通灯控制的模拟3.1设计任务和要求信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。 南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮

17、，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持30秒。南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。周而复始。十字路口交通灯控制的实验面板图如图3-1所示。图3-1 十字路口交通灯控制示意图3.2 控制方案确定当启动按钮按下后，南北主干道处于红灯状态，东西道路处于绿灯可通行状态。期间，南北红灯持续25S，我们使用定时器T37、T38和T39共同来实现，定时完成以后，T40/T41和T42开始定时30S，用于东西红灯的定时。这样，整个控制系统一个周期55S。南北亮红灯的同时，东西亮绿灯，持续20

18、S，利用定时器T37实现，随后，东西绿灯闪烁3S，用定时器T38实现。闪烁完成后，东西黄灯亮2S，利用定时器T39实现功能。在南北红灯定时完成后，南北绿灯定时25S，用定时器T40完成，然后是3S的绿灯闪烁电路，用定时器T41实现，闪烁定时到了以后，南北黄灯进行2S的定时，用定时器T42实现。经过分析，十字路口交通灯在工作过程的一个周期过程中，将会出现以下6种状态：1. 南北红灯亮，东西绿灯持续亮；2. 南北红灯亮，东西绿灯闪烁；3. 南北红灯亮，东西黄灯亮；4. 南北绿灯亮，东西红灯亮；5. 南北绿灯闪烁，东西红灯亮；6. 南北黄灯亮，东西红灯亮。 图3-2为十字路口交通灯控制顺序流程图。3

19、.3 I/O接线图和地址分配表CPU224集成了14点输入10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13字节程序和数据存贮空间，个独立的30KH高速计数器，路独立的20KH高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有个RS-485通讯编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。AC表示交流电源220V输入，DC表示直流电源24V输出。RLY表示输出是继电器型。M字母代表的是母线的意思 就是英文Mother的缩写（意思就是公共线的意思）。CPU本身输出的电源为标号 M

20、 和 L+ ,M是24V的正极，L+是24V的负极。而输入端上有两个公共端，分别是1M和2M，1M作用范围为I0.0-I0.7，2M作用范围为I1.0-I1.5。根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启按钮信号；输出有东西方向、南北方向各两组指示信号。由于每一个方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为了节省输出点数，可采用并联输出方法。由于甲、乙两指示灯分别表示东西方向、南北方向车辆流通情况，与同方向的绿色指示灯指示状态是相同的，为了节省输出点数，所以无需再多加两个输出端。综上可知，该系统所需的输入点数为1，输出点数为6，全部是开关量。 表3-1 十字

21、路口交通灯控制I/O分配表I/O地址符号功能输入I0.0SB1启动、停止输出Q0.1南北红灯Q0.2东西绿灯Q0.3东西黄灯Q0.4东西红灯Q0.5南北绿灯Q0.6南北黄灯图3-3 十字路口交通灯控制I/O外部接线图3.4控制程序分析 由于设计方案中南北和东西方向的黄灯都没有设置闪烁频率，故为方便起见默认为闪烁周期为1s，亮灭各0.5s，所以使用特殊继电器SM0.5达到设计要求。第四章 机械手控制的模拟4.1设计任务和要求机械手动作的模拟实验面板图如图4-1所示。此面板中的启动、停止用动断按钮来实现，限位开关用钮子开关来模拟，电磁阀和原位指示灯用发光二极管来模拟。图4-1 十机械手控制示意图图

22、中为一个将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程有八个动作，即为：4.2 控制方案确定本系统设计可使用顺序设计法或移位寄存器指令进行程序编写，应用顺序设计法比较简单，所以选择顺序设计法。图4-2为机械手控制顺序功能流程图。 图4-2为机械手控制顺

23、序功能流程图 经分析本系统的顺序动作为：1. 未按下起动按钮SB1时，机械手系统处于原位，即上限位和左限位，机械手松开状态，原位指示灯亮； 2. 按下启动按钮SB1后，系统开始运作，机械手臂离开上限位将下降至下限位； 3. 当机械手机下降至下限位，机械手开始夹紧工件，同时启动定时器； 4. 定时器时间到后，机械手将保持夹紧工件状态，离开下限位进行上升运动； 5. 当机械手臂保持夹紧工件状态上升至上限位，将离开左限位，保持夹紧工件状态向右运动； 6. 当机械手保持夹紧工件状态右行至右限位，将离开上限位，保持夹紧工件状态向下运动； 7. 当机械手保持夹紧工件状态运行至下限位，将松开工件，同时启动第

24、二个定时器； 8. 第二个定时器时间到后，松开工件的机械手离开下限位，向上运动；9. 当松开工件的机械手上升至上限位，将离开右限位，向左运行；10. 当松开工件的机械手左行至左限位，一个循环已经结束，将重新开始一个新的循环，离开上限位，向下运行；11. 当在循环过程中任何时候按下停止按钮SB2，系统将继续运行完当前循环，最后停止在一个循环结束的时候，同时也是按下启动按钮SB1前机械手的状态，即处在上限位和左限位，机械手松开状态，原位指示灯亮。 4.3 I/O接线图和地址分配表12. CPU224集成了14点输入10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/

25、O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13字节程序和数据存贮空间，个独立的30KH高速计数器，路独立的20KH高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有个RS-485通讯编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。13. AC表示交流电源220V输入，DC表示直流电源24V输出。RLY表示输出是继电器型。M字母代表的是母线的意思 就是英文Mother的缩写（意思就是公共线的意思）。CPU本身输出的电源为标号 M 和 L+ ,M是24V的正极，L+是24V的负极。而输入端上有两个公共端，分别是1M和2M，1M作用范围为I0.0-I0.7，2M作

26、用范围为I1.0-I1.5。14. 根据机械手顺序流程图，可以确定电气控制系统的I/O点分配。表4-1为机械手控制I/O分配表，图4-3为机械手控制I/O外部接线图。表4-1 机械手控制I/O分配表15.16. I/O地址17. 符号18. 功能19. 输入20. I0.121. SB122. 启动23. I0.224. SB225. 停止26. I1.127. SQ128. 下限位开关29. I1.230. SQ231. 上限位开关32. I1.333. SQ334. 右限位开关35. I1.436. SQ437. 左限位开关38. 输出39. Q0.040. HL41. 原位指示灯42.

27、Q0.143. YV144. 机械手下行45. Q0.246. YV247. 机械手夹紧、松开48. Q0.349. YV350. 机械手上行51. Q0.452. YV453. 机械手右行54. Q0.555. YV556. 机械手左行图4-3 机械手控制I/O外部接线图4.4控制程序分析由于初始状态是处于上限位及左限位，所以用M0.0标示初始状态，按下停止按钮后，程序仍能运行完当前周期，并回到初始位置，使原味灯HL亮。由于在机械手夹紧工件后直至放下工件松开这个过程，机械手始终保持夹紧状态，所以使用set、reset进行保持和复位。由于上行、下行、左行、右行过程有重复，但是顺序不能改变，所以

28、用当前步骤与下一步骤进行互锁，以保证达到设计要求。在循环运行中，当程序运行完一周期时，会回到原位，但是原位灯HL不会亮起，是由于初始状态M0.0一直保持得电状态，会直接进行下一周期。第五章 课程设计总结通过这次课程设计，掌握了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在没有做这次课程设计之前，平时对一些细节不加重视，当我把自己想出来的程序下载到PLC中的时候，出现了不能够运行或者运行结果和要求的结果不相符合，但是通过自己慢慢的琢磨并且连接外部硬件电路，所有的程序慢慢的就都调试通过了，经过这个过程我对PLC的工作原理以及一些简单的编程指令有了更深一步的理解。在此次课程

29、设计期间我们也采取了合作的方式，遇到不懂得地方大家就一起讨论，并且大家都拿出了自己的意见看看到底哪种编程方法会比较简单。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。同时非常感谢老师所给与的大力指导和耐心讲解，这也才使得这次课程设计受益匪浅。 参考文献1 赵金荣,叶真编. 可编程序控制器原理及应用.上海：上海应用技术学院,2003.2 易传禄主编. 可编程序控制器应用指南.上海：上海科普出版社,2003.3 王兆义主编. 可编程序控制器教程.北京：机械工业出版社,2005.4 钟肇新,彭侃编. 可编程序控制器原理及应用.广州：华南理工大学出版社,2001. 5 王永华主编. 现代电气及可编程技术.北京：北京航空航天大学出版社 ,2001.6 汤以范主编. 电气与可编程序控制器技术.北京：机械工业出版社,2004.7 廖常初主编. PLC编程及应用.北京：机械工业出版社,2003.8 SIMATIC S7-200可编程序控制器CPU22X系统手册. SIMATIC共 31 页 第 31 页