《lc应用课程设计》word版.doc

中原工学院信息商务学院自动化课程设计报告 专业课程设计报告 题目：PLC应用课程设计系 别 信息工程系 专业班级 自动化 学生姓名 张永瑶 指导教师 孙继卫 提交日期 2012年05月 25日 目录一、简介.31.1 plc简介31.1.1工作原理41.1.2功能特点51.1.3选型规则81.1.5存储器容量的估算81.1.6控制功能的选择81.2 STEP 7-Micro/WIN软件111.3组态王141.3.1特点141.3.2实践14二、设计目的15三、设计要求和设计指标163.1抢答器设计要求及指标：163.2交通灯自动控制设计要求及指标：173.3电机正反转启停控制设计要求及指标：17四、设计方案184.1抢答器：184.1.1课程设计所需设备184.1.3抢答示意图194.1.4.plc外观图194.1.5.外部接线204.2.交通灯自动控制204.2.1.课程设计所需设备204.2.2.交通灯模拟控制板214.2.3.PLC参考电路214.2.4.组态王运行系统中的交通灯监控画面224.2.5PLC I/O端口分配：234.2.6思考练习234.3.电机正反转启停控制244.3.1课程设计所需设备244.3.2进电机与步进电机驱动器的接线图244.3.3 PLC接线图25五、系统调试25六、总结26七、主要参考文献27八、附录28一、简介1.1 plc简介 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），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。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机， 可编程逻辑控制器1其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： 一、电源 可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 二、中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 三、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 四、输入输出接口电路 1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。 2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 五、功能模块 如计数、定位等功能模块。 六、通信模块 1.1.1工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段， 可编程逻辑控制器2即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 一、输入采样阶段 在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 二、用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 三、输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。 1.1.2功能特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。 一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。 二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。1.1.3选型规则在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，可编程逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。 1.1.4 输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商可编程逻辑控制器的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 1.1.5存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。 1.1.6控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 1、运算功能 简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 2、控制功能 控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 3、通信功能 大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。 可编程逻辑控制器系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。可编程逻辑控制器系统的通信网络主要形式有下列几种形式： 1）、PC为主站，多台同型号可编程逻辑控制器为从站，组成简易可编程逻辑控制器网络； 2）、1台可编程逻辑控制器为主站，其他同型号可编程逻辑控制器为从站，构成主从式可编程逻辑控制器网络； 3）、可编程逻辑控制器网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网； 4）、专用可编程逻辑控制器网络（各厂商的专用可编程逻辑控制器通信网络）。 为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、）通信处理器。 4、编程功能 离线编程方式：可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型可编程逻辑控制器中常采用。 五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 5、诊断功能 可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 6、处理速度 可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。 1.1.7可编程逻辑控制器的类型 可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 整体型可编程逻辑控制器的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型可编程逻辑控制器提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。1.2 STEP 7-Micro/WIN软件 STEP 7-Micro/WIN软件是针对西门子S7-200PLC而开发的编程软件。本节首先熟悉STEP 7-Micro/WIN软件的基本操作方法，然后进行PLC的练习实验。本节给出了PLC控制系统实验要求的例程序，参考电路等PLC练习实验所需要的所有资料，可以通过程序输入、调试、运行，逐步掌握PLC实验的基本方法。（1）STEP 7-Micro/WIN编程软件有多重版本，采用的是STEP 7 MicroWIN SP6（V4.0）版本，该软件大小约316M，安装和卸载过程比较简单，在此不再赘述。（2）输入图2.1所示的梯形图，并转换成对应的语句表指令（也可结合教材第5章习题练习）。（3）为梯形图2.1中网络1和网络2注释，并用符号表为I0.0、I0.1、Q0.0添加符号名（符号名可任意设定）。图2.1 梯形图练习（4）练习程序的编辑、修改、复制、粘贴的方法。（5）将图2.1中程序改成图2.2，并转换成语句表程序，分析OLD、ALD语句用法。图2.2 梯形图练习（6）参考教材5.1.8章，练习栈操作指令的使用方法。（7）参考教材5.1.10章，练习定时器指令及参数的输入方法。（8）S7-200PLC的接线方式如下图2.3和图2.4所示（重点）。图2.3 S7-200 CPU224外观图 图2.4 S7-200 CPU224连接器端子接线图3. 实验步骤（1）开机（打开计算机电源，但不接PLC电源）。（2）进入S7-200PLC编程软件 。（3）选择编程语言类型（LAD、STL和FBD）。（4）由主菜单或快捷按钮输入、编辑程序。(5) 给PLC上电，进行计算机和PLC之间的连接，如下图2.5所示。图2.5 计算机和PLC之间的连接（6）进行程序的编译，并观测编译结果，修改程序，直至编译成功。 1.3组态王 组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。 1.3.1特点 它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 1.3.2实践 1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法： (1)图形界面的设计 (2)构造数据库 (3)建立动画连接 (4)运行和调试 2. 使用组态王软件开发具有以下几个特点:(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面: (1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。 (3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。二、设计目的 熟练使用各基本指令，根据控制要求，掌握PLC的编程方法和程序调试方法，了解使用PLC解决一个实际问题的全过程。在完成“可编程控制器及应用”课程学习的基础上，应用该课程知识并结合相关专业课程知识，实现顺序控制系统设计,达到：掌握控制系统工艺流程的分析方法；掌握PLC设计的CPU模块选型、I/O配置、顺序功能流程图及电气控制接线图设计基本方法；掌握PLC基于顺序功能流程图的梯形图设计方法；最终使学生在完成PLC专题以后，加深理解和巩固课程知识， 培养运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力。学习采用Setp7软件的编程方法，掌握PLC控制系统设计基本流程；完成I/O配置、梯形图、PLC接线图设计； 通过对课程设计的学习，达到： 加深学生对PLC课程的理解； 使学生掌握可编程控制器逻辑控制系统编程方法； 使学生具备应用可编程控制器的初步能力，为将来所从事的工作打下坚实的基础，并为后可编程控制器实训课打下基础。三、设计要求和设计指标3.1抢答器设计要求及指标： 设计一个智能竞赛抢答显示系统，使用参加竞赛人分为儿童组、学生组、成人组，其中儿童两人，学生为一人，成人二人，主持人一人。控制要求：当主持人按下SB0后，指示灯L0亮，表示抢答开始，参赛者方可开始按下按钮抢答；为了公平，要求儿童组只需一人按下按钮，其对应的指示灯亮，而成人组需要二人同时按下二个按钮对应的指示灯才亮；当一个问题回答完毕，主持人按下SB1，一切状态复位；成年人一人违例抢答灯L3闪烁；当抢答开始后时间超过30秒，无人抢答，此时铃响，提示抢答时间已过，此题作废。（1）按参考电路图完成PLC电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2）输入参考程序并编辑。（3）编译、下载、调试应用程序。 （4）通过实验模板，显示出正确运行结果。3.2交通灯自动控制设计要求及指标： 交通路口红、黄、绿灯的基本控制要求如下： 路口某方向绿灯显示（另一方向亮红灯）10秒后，黄灯以占空比为50的一秒周期（0.5秒脉冲宽度）闪烁3次（另一方向亮红灯），然后变为红灯（另一方向绿灯亮、黄灯闪烁），如此循环工作。 （1）按参考电路图完成PLC电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2） 输入参考程序并编辑。（3） 编译、下载、调试应用程序。（4）通过实验模板和组态监考画面，显示出正确运行结果 3.3电机正反转启停控制设计要求及指标： （1）两相步进电动机有2个绕组: A、B正转顺序: AB反转顺序: BA（2）用五个开关控制其工作：1 号开关启动按钮。2 号开关停止按钮3 号开关加速按钮。4 号开关减速按钮。（1）按参考电路图完成PLC与步进电机电路接线（配合通用器件板开关元器件）。（2）输入参考程序并编辑。（3）编译、下载、调试应用程序。（4）通过实验模板，显示出正确运行结果。四、设计方案4.1抢答器： 4.1.1课程设计所需设备（1）编程器1台（PC机）。（2）实验装置1台（含S7-200 24点CPU）。（3）智能抢答器实验模板一块。（4）导线若干。 4.1.2系统I/O分配表：类别元件元件号备注输入SB0I0.0抢答开始SB1I0.1返回原状SB11I0.2儿童抢答SB12I0.3儿童抢答SB21I0.4学生抢答SB31I0.5成人抢答SB32I0.6成人抢答输出L0Q0.0表示抢答已经开始灯L1Q0.1儿童抢答成功灯L2Q0.2学生抢答成功灯L3Q0.3成人抢答成功灯铃Q0.4抢答时间已过铃 4.1.3抢答示意图4.1.4 plc外观图 4.1.5 外部接线 注意：程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。 4.2 交通灯自动控制4.2.1课程设计所需设备（1）编程器1台（PC机）。（2）实验装置1台（含S7-200 24点CPU）。（3）交通灯实验模板一块。 （4）导线若干。 4.2.2 交通灯模拟控制板 交通灯模拟控制板4.2.3 PLC参考电路红绿灯控制PLC电气原理图 4.2.4 组态王运行系统中的交通灯监控画面 组态王运行系统中的交通灯监控画面4.2.5 PLC I/O端口分配：PLC I/O端口分配： SB1 I0.0 起动按钮 SB2 I0.1 停止按钮 HL1（HL7） Q0.0 东西红灯 HL2（HL8） Q0.1 东西黄灯 HL3（HL9） Q0.2 东西绿灯 HL4（HL10） Q0.4 南北红灯 HL5（HL11） Q0.5 南北黄灯 HL6（HL12） Q0.6 南北绿灯 注意：程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU置于STOP状态。4.2.6思考练习（1）要实现一个简单的过程控制，程序编制的思路及步骤有哪些？（2）定时器、计数器预置值如何设定输入？如何修改？（3）简述上机操作步骤。（4）增设某个方向直通的功能4.3.电机正反转启停控制4.3.1课程设计所需设备（1）编程器1台（PC机）。（2）实验装置1台（含S7-200 24点CPU）。（3）步进电机1台和步进电机驱动器1台。（4）导线若干。 （5）24V直流电源一个。4.3.2进电机与步进电机驱动器的接线图进电机与步进电机驱动器的接线图4.3.3 PLC接线图 PLC接线图（带驱动器）(参考)4.3.4 PLC I/O端口分配：类别元件元件号备注输入SB1I0.0启动控制SB2I0.1停止控制SB3I0.2加速控制SB4I0.3减速控制输出L0Q0.0连接步进电机驱动器脉冲输入正L1Q0.2连接步进电机驱动器的方向输入正五、系统调试： 硬件调试：接通电源，检查可编程序控制器能否正常工作，接头是否接触良好。 软件调试：按要求输入梯形图，检查后编译通过，在线工作后把程序写入可编程序控制器的程序存储区。 运行调试：在硬件调试和软件调试正