伸缩机原理与PLC控制设计

太原工业学院毕业设计1 前言随着时代的发展,当今的技术也日趋完善、竞争愈演愈烈;单靠人工的操作已不能满足于目前的制造业前景,也无法保证更高质量的要求和高新技术企业的形象. 人们在生产实践中看到,自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证,同时也减轻了人员的劳动强度,减少了人员上的编制.在许多复杂的生产过程中难以实现的目标控制、整体优化、最佳决策等,熟练的操作工、技术人员或专家、管理者却能够容易判断和操作,可以获得满意的效果.人工智能的研究目标正是利用计算机来实现、模拟这些智能行为,通过人脑与计算机协调工作,以人机结合的模式,为解决十分复杂的问题寻找最佳的途径.我们在各种场合看到了继电器连接的控制，那已经是时代的过去，如今的继电器只能作为低端的基层控制模块或者简单的设备中使用到；而PLC的出现也成为了划时代的主题，通过极其稳定的硬件穿插灵活的软件控制，使得自动化走向了新的高潮。PLC的最大特点在于：电气工程师已不再电气的硬件上花费太多的心计，只要将按钮开关或感应器的输入点连接到PLC的输入点上就能解决问题，通过输出点连接接触器或继电器来控制大功率的启动设备，而小功率的输出设备直接连接就可以。PLC的内部包含了具有中央处理器的CPU，并带有外部I/O口扩展的I/O接口地址和存储器三大块组成，CPU的核心是由一个或者多个累加器组成，它们具有逻辑的数学运算能力，并能读取程序存储器的内容通过计算后去驱动相应的存储和I/O接口；I/O口将内部累加器和外部的输入和输出系统连接起来，并将相关的数据存入程序存储器或者数据存储器中；存储器可以将I/O口输入的数据存入存储器中，并在工作时调转到累加器和I/O接口上，存储器分程序存储器ROM和数据存储器RAM,ROM可以将数据永久的存入存储器中，而RAM只能作为CPU计算时临时计算使用的缓冲空间。PLC的抗干扰是极其优秀的，我们根本不用去关心它的使用寿命和工作场合的恶劣，这些所有的问题已不再成为我们失败的主题，而留给我们的是关心如何来利用PLC的内部资源为我们加强设备的控制能力，使我们的设备更加的柔性。PLC的语言并不是我们所想象的汇编语言或C语言来进行编程，而是采用原有的继电器控制的梯形图，使得电气工程师在编写程序时很容易就理解了PLC的语言，而且很多的非电气专业人士也对PLC很快认识并深入。以上仅仅是PLC的优点之一，这也是人们比较容易理解的一部分，在很多的设备中，人们已不再希望看到太多的控制按钮，它们不但容易损坏而且极易产生人为的失误，小的并不是主要的失误也许你还能够接受；但过大的甚至是致命的失误是我们无法容忍的。新的技术总是为了给我们带来更安全和便捷的操作，使得我们面临的一大堆问题一扫而光，你有了解过HMI吗？这里说HMI你根本不知道是啥，也没有兴趣了解，换一个中文把它说明为触摸屏或者人机界面你就知道了，它和PLC的结合给了我们更大的空间。HMI控制不仅仅是减少了控制按钮，增加控制的灵活性，更主要的它是可顺序性的，而且在能够改变数据输入和数据输出反馈，在温度控制曲线的模拟也能直观的显示出来。并且能够通过编写功能帮助程序来提供各种力所能及的帮助，使得操作者减少不必要的失误。HMI的厂商目前也越来越多，功能也越来越强，价格也越来越低，使用的面越来越广。HMI的前景可以说十分的看好。在很多场合，单靠单机的控制是无法保证设备的顺畅运行，而通过设备与设备的信息交流达到我们想要的效果。比如在前包装和后工序的检测，我们就要将包装的信息反馈到检测处，而检测处的信息也要反馈到包装来。这样通过信息共享来使得两者之间链接起来，形成一个共体，从而使的两者间的配合更加的紧密，在彼此间达到映影相挥的效果。PLC的通信已经愈来愈体现它的价值，在PLC与PLC之间的通信，能够通过信息的沟通和数据的共享来保证设备之间的相互协调，已达到互补的效果。PLC之间的数据转换采用RS232接口来传送数据，而RS232接口只能保证10米的传输距离，如果在1000米的距离内我们可以通过来进行通信，更长的距离只能通过MODEL来进行传输。PLC的数据传送只是将内部的数据传送到对方的一块连续的地址中，我们把它称为一个表，对方的PLC通过读取表中的数据来进行操作。如果表中的数据是一个一般设置的数据的话，那只是一般的数据传送，比如今天的油价上升了，我要把油价的价格传送到所有的输油机上，那就是数据的共享；而当表中的数据是一段控制PLC的指令程序，那就很有难度了，比如你要控制一台机器人来按你想象的动作工作，你会给它编制一段程序并以数据的形式发送过去。信息输送的式有单工位、半双工位和全双工位的分别。单工位的意义也就是说两者之间，一个只能发送，而一个只能接收，比如一个特务他只能接收上司的指示，而无法给上司回复；半双工位也就是两个能都能发送和接受数据，但不能同时发送和接受，比如你打电话时是不能接电话,对方也一样；而全双工位是两者之间都能发送和接受数据，并可同时发送和接受。像互联网就是典型的例子。信息输送的过程也有同步和异步之分：同步的意义在于发送数据时数据线和时钟线是同步的，也就是数据信号和时钟信号同时由CPU进行发送，这需要彼此都要专门的时钟信号来进行传送和接送，并且是强制性的，这种方法的特点在于它的速度极快、但相应占用CPU的工作时间也相对的要长、同时技术难度也非常的大。它的要求在于在一帧的数据传送中不能有一位的误差，不然的话整个数据将发生错误，这在硬件上是一个比较大的难度。在一些专用的设备中应用的越来越广泛，像专用的医疗设备、数字信号设备等，在比较单一数据的传输中 ，它的效果非常的好。而异步是应用范围最广泛的，这得益于它的技术难度相对要小、同时不需要配制专门的时钟信号、它的特点在于，它的数据是间隔性的，离散性的发送和接受，当CPU太忙的时候可以停顿性去工作，在硬件上也减少了难度，同时数据的丢失相对要少，我们可以通过数据的检测来观察我们发送的数据是否有错误，像奇偶法、累加法和八位效验法等，都可以用来帮助我们检测发送的数据是否有错误发生，通过反馈来进行辨别。信息的传送口线有串口和并口之分：通常的PLC是8位机，当然也有16位机。我们在发送数据的时候可以是一位一位的发送给对方，也可以8位8位的将数据发送到对方，一位和8位区别也就是我们所说的串口发送数据和并口发送数据。串口速度比较慢，但只要两条或者三条口线就能解决问题，并能借用电话线来进行远程控制。而并口的传送速度是极快的，它是串口的256倍，在短距离占有优势，由于是TTL电平，一般限于1米的范围，它并不适用于长距离的数据传送，这样成本太昂贵了。很多的情况下我们总喜欢采用串并转换芯片来进行传输，这种情况下不需要我们进行过于复杂的寄存器设置了，而直接通过数据传送指令进行数据交流，但在通信中并不是一个十分可行的办法，因为在发送数据的时候对方的PLC必须一直等待你的数据输出，它不能去做其他的工作。当你在看书的时候，你听到有人敲门、你停下手上的事情、去打开门、并同敲门者对话、这个时候电话响了、你示意接个电话、在接完电话后、回过头来同敲门者继续对话、对话完毕后、你继续看你的书，这种情况我们把它称为中断，它具有权威性，也具有优先性，PLC具备了这样的功能。它的特点在于我们在设备的操作过程中可能会遇到紧急的突发事件，我们要立刻的停下手上的工作，去处理更重要的事情，这种情况是我们经常所遇到的，PLC在去执行紧急的任务时，总会先保存目前的状态，比如程序的地址，CPU的累加器数据等，就像我们去开门时要记下我们看的书在第几页了或者干脆作个记号，因为我们待会还要继续接着看后面的书。CPU总是按照我们的意愿去做应该做的事情，但你错误的给它一件事情，它也会同样的去做，这一点我们必须注意。中断并不是只有一个，有时会同时存在几个中断，中断具有优先的级别，他们会根据人的要求去执行更高级别的中断。这种中断中的中断也就形成了中断嵌套。当然中断的级别根据各种PLC内部CPU的资源有关，同时也跟堆栈的容量大小也有关系。中断的内容有很多种，比如外部中断、通信中的发送和接受中断、定时和计数的时钟中断、还有WDT复位中断等，它们丰富了CPU在处理各种事务时响应种类。这样讲也许你并不能完全理解中断的内部结构和操作顺序，我们做一个小小的例子来说明. 每一个设备总是不会忘记有一个按钮，它也是在我们遇到紧急情况时使用的，那就是急停按钮。当我们遇到人身事故和意外情况时我们只要按下它，机器立即停止所有的操作，并等待处理完意外后再恢复操作。急停按钮连接PLC内部CPU的内部I/O接口上，当按钮给CPU一个外部触发信号时，CPU对I/O进行再次检测，当确认有外部触发信号时，CPU保护现场并将程序计数器自动转到相应的外部I/O中断程序中去，当外部中断程序处理完毕，程序计数器返回到主程序继续工作。有一点可以说明的是我们一般会把急停按钮的外部中断升至最高级别，从而保证安全。当我们在工作完一个工件时，给PLC一个信号，将PLC的内部计数器加1来计算我们一天的工作量时，一个简单的计数器能解决问题，当然它们也能够在掉电的情况下保持数据，促使数据不丢失，这也是我们所渴望的。PLC还具有高级计数器的功能，当我们在接受一些高速的数据时，这里所说的高速是在在微秒级的数据，比如条码扫描机在不断的扫描数据，数据处理器DSP计算的高速信号等，我们就要采用到高级计数器来帮助我们进行计数。它在PLC执行程序时一旦发现高级计数器对应的中断，就会立即放下手上的工作。经过再次编程的梯形图程序说明我们在执行程序时高级计数器会自动的执行对应的工作，从而将高级计数器的级别升至高一级别。你也许听过太多的这个词:“死机”，大致的意思是CPU工作量过大，内部资源不足等情况造成程序无法运行。PLC也有类似的情况，在PLC内部有一个看门狗WDT，我们可以设置WDT一个程序运行的时间，当程序运行过程中出现程序跳转错误时或者程序繁忙时，程序的运行时间超过WDT的设置时间，CPU转而WDT复位状态。程序重新开始运行，但对中断不会进行破坏。PLC的发展已经从单一的模式进入了通信的网络时代，并同其它的工控网板和I/O卡板轻易的进行共享。组态软件可以将所有的这些硬件连接起来，通过更直观的动画图片来进行控制，并可以通过互联网在异地进行控制，像神舟五号的发射就是采用这种办法来使飞船升空。更高层次的发展需要我们不断的努力来取得。PLC的出现已经足足影响了几代人，我们也从上一辈的经验中获取了更多的知识和教训，来不断的发展PLC技术，将它推向更高浪潮。本课题研究的可伸缩式皮带输送机是一种比普通平带输送机增加了伸缩功能以及升降功能的主要用于物流行业的设备，主要用来运输一些小型、重量轻的快递件。以前的可伸缩式皮带输送机基本上都是用继电器控制的，不易于实现集中控制并且控制线路复杂，即使稍微改动控制要求则改动电控箱的工作量将会很大（有可能电控箱的大小不合适，没地方安装电器元件，有可能以前设计的电路要修改甚至重新设计，电器元件的位置也要重新安排），给改动带来很大的麻烦，既浪费时间精力，又浪费成本。本课题针对这一现象，研究怎样用PLC（可编程逻辑控制器）取代继电器来控制可伸缩式皮带输送机，实现对可伸缩式皮带输送机的自动控制并且研究其动作原理。本课题研究的可伸缩式皮带输送机是连续性运输货物最常用的设备，其不仅具有长距离、大运量、连续运输等优点，而且运行可靠易于实现自动化、集中化控制。而PLC控制是现代工业自动化常用的控制方式，其应用范围极其广泛，可实现柔性控制，简化了控制电路（比如说，本课题设计研究的可伸缩式皮带输送机用到的遥控器发射器、遥控接收器如果用继电器控制，则要增加几个继电器来实现相应的功能并且还要修改遥控接收器的内部电路来实现控制要求，而PLC控制不需要这么麻烦，只需修改内部程序即可实现相应的控制要求），并且PLC还能和触摸屏连接以及与其他PLC通讯，为以后实现可伸缩式皮带输送机的集中控制做好了铺垫。2 可伸缩式皮带输送机简介2.1 可伸缩式皮带输送机结构本设计研究的可伸缩式皮带输送机是由三节车厢、传动滚筒及所在轴、改向滚筒、张紧滚筒、托辊、小车、滑轮、滚轮组成的，其结构简图见可伸缩式皮带输送机结构简图的A4图纸（1张）。其中17、25是将链轮和滚筒组装在一根轴上的，在此轴上链传动和皮带传动同时存在，节省了安装空间。2.2 可伸缩机皮带输送机原理本设计研究的可伸缩式皮带输送机的原理见图见可伸缩式皮带输送机的原理简图的A4图纸（3张）。伸缩原理：见缩回状态原理简图的的图纸，位于第一节车厢的链条C、D端通过小车与第二节车厢连在一起，当电机带动链条动作时，第二节车厢也动作，其速度v2等于链条速度v1；位于第二节车厢的链条A、B端也通过小车与第三节车厢连在一起，并且其E、F端固定在第一节车厢上，当第二节车厢伸出时由于E、F端不动，所以将带动链轮L3、L4转动，并且第三节车厢的速度v3=2v2（见下图1.2，链轮L4速度示意图；链轮L4滚动，M点是瞬心，O点速度就是第二节车厢的速度v2，则N点的速度v3=2r，而v2=r，所以v3=2v2，但第三节的速度相对于第二节的速度就是v2，所以第三节可以伸出来而不会与第二节保持同速）。图2.1 链轮L4速度示意图升降原理：见升降原理简图的图纸，当启动油泵1的电机后，伸缩机上升；当电磁阀通电后，二位三通换向阀4处于右边卸荷状态，伸缩机下降；单向阀3是伸缩机能保持在一定高度而不下降；溢流阀2能保持油泵1的出口压力恒定。3 驱动滚筒及所在轴设计3.1 减速电机选择已知条件：输送量Q=300t/h,带速v=0.8m/s,带宽B=500mm，皮带长度L1=120m，输送机倾角=30，驱动滚动包角=40，伸缩机长度L2=5.8m，伸缩机宽度B0=1m，伸缩机高度H=0.5m,滚筒直径D取180mm查新型带式输送机设计手册知驱动功率简易计算法：所以选择减速电机功率Pd=2.2KW,额定转速n=1410r/min，输出转速nz=84r/min,速比=17，输出扭矩=250N*M。3.2链轮设计（1）取链轮齿数Z1=Z2=28，初选中心距a0=20P;（2）链节数Lp（机械设计）式7-16，（3）计算功率Pca查表7-7（机械设计）知KA=1，则（机械设计）式7-14，（4）确定链节距p（机械设计）式7-15，查表7-8（机械设计）知查表7-9（机械设计）知KP=1，则查图7-11（机械设计），取链号为10A，查表7-1（机械设计）知节距p=15.875mm。由于点（nz，P0）在功率曲线左侧，所以与所选系数KZKL一致。（5）确定中心距a（机械设计）式7-17，中心距减小量a=（0.0020.004）a=0.6351.27，则实际中心距a=a-a=316.23316.865,取a=316.5mm。（6）链速v（机械设计）式7-1，（7）计算作用于轴上的压轴力Fp（机械设计）式7-9，（8）链轮尺寸查表7-1（机械设计）知d1=10.16mm，h2=15.09mm；查表7-3（机械设计）公式如下：取da=150mm；取dg=124mm；链轮轮毂L1=32mm。3.3 确定筒皮厚度按经验公式（新型带式输送机设计手册）确定，注：Z-滚筒所受合张力，kg；R-滚筒半径，mm；A0-两幅板之间距离，cm；t-筒皮厚度，mm。考虑加工筒皮时存在厚度误差，取t=6mm；考虑轮辐承受一定载荷，取轮辐厚度8mm。3.4 驱动滚筒所在轴设计轴材料45钢，调质处理，查表14-2（机械设计）知许用弯曲应力-1=60MP;查表14-4（机械设计）取A0=110；（机械设计）式14-2，考虑第段轴要安装轴承，所以取d=40mm，轴承右端用套筒定位；所以=43mm；第二段是非定位轴间并考虑单键槽影响，所以d=45mm；链轮右端用轴间定位，所以d=50mm；d=d=40mm。L=71mm；L=30mm；L=786mm； L=49mm。驱动滚筒所在轴结构图如下图3.4：图3.4 驱动滚筒所在轴结构图3.5 轴强度校核查表6-7（机械设计）知KA=1.4，则Pc=KAPz=1.42=2.8KW；查表6-6（机械设计）知K=0.89;查新型带式输送机设计手册知q=0.35kg/m；式6-29（机械设计），不考虑传动带的紧边拉力与松边拉力的差别以及离心拉力的影响，近似按式6-30（机械设计）计算传动带作用在轴上的压轴力Fpp，不考虑轴以及滚筒自重，在x轴方向进行受力分析：坐标轴如下图3.5.1 坐标轴示意图图3.5.1 坐标轴示意图轴受力图、弯矩图、扭矩图如下图3.5.2 轴受力分析图图3.5.2 轴受力分析图FN1=3857832+26(780+118)/8986550NFN2=3857+29762-6550=3259NMB=655066432NmMC=6550118-385752572NmMD=6550780-3857714-2976662385Nm根据弯矩图与扭矩图可知C截面是危险截面，按弯扭组合强度条件校核轴的强度，取=1，所以设计的轴有足够的强度并有一定的裕度。3.6 滚动轴承校核轴承预期寿命Lh1=436524=35040h；所选的轴承代号是6308，查机械设计手册知Cr=40800N,因为6000型是球轴承，所以=3；轻微冲击，所以fp=1.1，则P=fpFr=1.16550=7205N；查表12-4（机械设计）知，ft=1；则轴承应具有的径向额定动载荷因为它比所选轴承的径向额定动载荷（Cr=40800N）小并且相差不太多，所以所选轴承型号合适；因为轴承寿命所以，所选轴承可满足寿命要求。3.7 键强度校核查表4-1（机械设计手册），由d=40mm选择bh=128；根据链轮轮毂长L1=32mm，选择键长L=28mm；查表5-2（机械设计手册）取p=110MP;工作长度l=L-b=28-12=16mm，k=0.5h=0.58=4mm；则（机械设计）式5-1，所以键的强度满足要求。4 可伸缩式皮带输送机控制设计4.1 S7-200系列PLC简介4.1.1 S7-200的硬件组成（1）主机外部结构及作用2SIEMENS S7-200 CPU 22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图4.1.1.1 S7-200 CPU224型PLC主机外形。图4.1.1.1 S7-200 CPU224型PLC主机外形输入接线端子。在底部端子盖下是PLC的输入接线端子盒为传感器提供的24V直流电源。输入接线端子用于连接外部输入设备，以备CPU采集输入设备发出的控制信号。输出接线端子。在顶部端子盖下是输出接线端子和PLC的工作电源。输出端子用于连接被控设备，以备CPU在输出刷新扫描阶段将输出信号准确的传递给被控设备。PLC状态指示灯。CPU状态指示灯：绿色灯点亮表示CPU处于RUN（运行）模式，橙色灯点亮表示CPU处于STOP（停止）模式，红色灯点亮表示CPU处于系统故障状态。输入/输出接线端子状态指示灯：PLC的每个输入或输出端子都有一个状态指示灯，指示灯点亮，表示该端子状态为ON,指示灯熄灭表示该端子状态为OFF。通信接口。用于连接计算机、手持式编程器、PLC等。I/O扩展单元接口。用于连接各种I/O扩展单元模块、功能模块等。模拟电位器。模拟电位器用来改变程序运行时的参数，如过程量的控制参数、定时器的预置值等。方式开关。方式开关用来手动切换CPU的工作方式，开关切换到STOP，可以停止程序的执行；开关切换到RUN，可以启动程序的执行；开关切换到TERM（terminal），允许通过（STEP7-Micro/Win）软件来控制CPU的状态。存储卡。该卡位可以选择安装扩展卡。扩展卡有E2PROM存储卡、电池和时钟卡等模块。E2PROM存储模块，用于用户程序的复制。电池模块，用于长时间保存数据，使用CPU224内部存储电容数据存储时间达190h，而使用电池模块存储时间可达200天。（2）输入/输出接线2CPU22X系列PLC的特点：CPU22X主机的输入点为24VDC双向光耦输入电路，输出有继电器和晶体管（MOS型）两种类型。输入/输出接口电路时PLC与输入设备、输出设备传递信号的接口部件，以S7-200CPU224为例介绍PLC的输入/输出接口电路。 CPU224 DC/DC/DC型接线端子。CPU224 DC/DC/DC型是指该主机CPU电源电压24VDC,输入电压24VDC和24VDC传感器电源输出。CPU224主机共有I0.0I1.1等10个输出点。CPU224输入电路采用了双向光耦合器，24VDC极性可任意选择，1M为IB0字节输入端子的公共端，2M为IB1字节输入端子的公共端。在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个独立公共端，共有1L、2L两个公共端，可接入不同的负载电源。CPU224 DC/DC/DC型的I/O端子接线如图4.1.1.2 CPU224 DC/DC/DC型的I/O端子接线图4.1.1.2 CPU224 DC/DC/DC型的I/O端子接线 CPU224 AC/DC/继电器型接线端子。CPU224 AC/DC/继电器型是指该主机CPU电源电压220VAC，输入电压24VDC、继电器输出型（即输出电压可以选择24VDV，也可以选择220VAC）。数字量输出分为3组，每组有一个独立公共端，共有1L、2L和3L 3个公共端，可接入不同的负载电源。CPU224 AC/DC/继电器型的I/O端子接线如图 4.1.1.3 CPU224 AC/DC/继电器型的I/O端子接线图 4.1.1.3 CPU224 AC/DC/继电器型的I/O端子接线（3）CPU22X系列主机性能2S7-200CPU22X系列PLC的主要技术指标如表4.1.1.1 S7-200CPU22X系列PLC的主要技术指标 表4.1.1.1 S7-200CPU22X系列PLC的主要技术指标 型号项目CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226CPU226MX用户存储器类型E2PROME2PROME2PROME2PROME2PROME2PROM程序存储器空间/字204820484096409640968192数据存储器空间/字102410242560256025605120主机I/O点数6/48/614/1014/1024/1624/16可扩展模块无27777最大模拟量输入/输出无16/1616/1616/1632/3232/32为扩展模块提供的DC5V电源的输出电流/mA无最大340最大660最大660最大1000最大1000内置高速计数器（30kHz）446666定时器/计数器数量256256256256256256高速脉冲输出（20kHz）222222模拟量调节电位器112222实时时钟时钟卡时钟卡内置内置内置内置RS-485通信口111222CPU22X 系列PLC主机具有：30kHz高数计数器，20kHz高速脉冲输出；RS-485通信/编程口，PPI、MPI通信协议和自由口通信能力；CPU222及以上CPU还有PID控制和扩展的能力，内部资源及指令系统更加丰富，功能更加强大。（4）主机I/O扩展2S7-200系列的PLC主机提供一定数量的数字量I/O和模拟量I/O，在采购时，用户可以根据需要选择最合适的主机产品，以满足工程项目的具体需要。对于I/O点数不够或需要进行特殊功能的控制时，就必须增加I/O扩展模块，对I/O点数进行扩充；或增加特殊功能模块完成特殊控制任务。 I/O扩展模块。S7-200系列PLC的I/O扩展模块有以下几种：输入扩展模块EM221：有3种产品，即8点DC、16点DC和8点AC。输出扩展模块EM222：有5种产品，即8点DC、4点DC(5A)、8点AC、8点继电器和4点继电器（10A）。输入/输出扩展模块EM223：有6种产品，其中DC输入/DC输出的有3种，DC输入/继电出的有3种，其对应的输入/输出点数分别是4点（I4/O4）、8点（I8/O8）和16点（I1/O16）。模拟量输入扩展模块EM231：共有3种产品，4路AI、2路热电阻输入和4路热电偶输入。其中，前者是普通的模拟量输入模块，可以用来接标准的电压、电流信号；后两种是专门为特定的物理量输入到PLC而设计的模块。模拟量输出扩展模块EM232:只有一种2路模拟量输出的扩展模块产品。模拟量输入/输出扩展模块EM235：只有一种4路AI、1路AQ（占用2路输出地址）的产品。 特殊功能模块。当需要PLC完成特殊功能任务时，CPU主机可以通过连接特殊功能扩展模块来实现。常见的特殊功能模块如下。定位模块EM235。用于运动控制系统中实现高精度的定位控制，控制范围从微型步进电机到智能伺服系统。集成的脉冲接口能产生高达200kHz的脉冲信号，并指定位置、速度和方向。调制解调器模块EM241。用于代替连接于CPU通信口的外部MODEM功能。在与使用该模块的系统进行通信时，只需要在安装有STEP7-Micro/WIN编程软件的计算机上连接一个外置MODEM即可。ProfiBus-DP模块EM277。通过该模块可以将S7-200PLC与DP网络连接起来，传输速度达12Mb/s。以太网模块GP234。通过该模块可以把PLC连接到工业以太网中。 最大I/O配置的预算。最大I/O配置预算需要考虑的问题包括：I/O点数数量。电流提供。模块电流。电流预算规则其中，各CPU所能提供的最大5VDC电流以及各模块扩展消耗的电流如表4.1.1.2 CPU提供的电流以及各模块扩展消耗的电流表4.1.1.2 CPU提供的电流以及各模块扩展消耗的电流CPU22X为扩展I/O提供的5VDC电流/mA扩展模块5VDC电流消耗/mACPU222CPU224CPU2263406601000EM221 DI8DC24V30EM222 DO8DC24V50EM222 DO8继电器40EM223 DI4/DO4DC24V40EM223 DI4/DO4DC24V/继电器40EM223 DI8/DO8DC24V80EM223 DI8/DO8DC24V/继电器80EM223 DI16/DO16DC24V160EM223 DI16/DO16DC24V/继电器150EM231 AI412位20EM231 AI4热电偶60EM231 AI4RTD60EM232 AQ212位20EM235 AI4/AQ112位30EM277 PROFIBUS-DP150扩展I/O模块的编址。每种主机上集成的I/O点，其地址是固定的。进行扩展时，可以再CPU右边连接多个扩展模块，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中所处的位置。S7-200系统扩展对输入/输出的地址空间分配规则为：同类型输入/输出点的模块进行顺序编址。对于数字量，输入/输出映像寄存器的单位长度为8bit（1B）。本模块高位实际位数未满8bit的，未用位不可分配给I/O链的后续模块，后续同类地址编排须重新从一个新的连续的字节开始。对于模拟量，输入/输出以2点或2个通道（2个字）递增方式来分配空间。本模块中未使用的通道地址不能被后续同类模块继续使用，后续同类地址编排须重新从新的2个字以后的地址开始。（5）S7-200主机扫描周期2S7-200PLC工作在RUN模式下，系统周期性循环扫描执行用户程序，完成控制任务。每个扫描周期分为5个阶段：输入采样扫描阶段、执行用户程序扫描阶段、处理通信请求阶段、CPU自诊断阶段和输出刷新扫描阶段。4.1.2 S7-200的内部编程元件（软继电器）S7-200的内部编程元件（软继电器）见表4.1.2 S7-200的内部编程元件（软继电器）表4.1.2 S7-200的内部编程元件（软继电器）存储器类型地址位字节字双字范围数字量输入映像寄存器IIIBIWIDI0.0I15.7数字量输出映像寄存器QQQBQWQDQ0.0Q15.7模拟量输入映像寄存器AI_AIW_AIW0AIW62模拟量输出映像寄存器AQ_AQW_AQW0AQW62变量存储器VVVBVWVDVB0VB10239标志存储器MMMBMWMDMB0MB31局部存储器LLLBLWLDLB0LB63系统存储器SMSMSMBSMWSMDSM0.0SM549.7定时器TT_T_T0T255计数器CC_C_C0C255续表4.1.2 S7-200的内部编程元件（软继电器）高速计数器HC_HCHC0HC5顺序控制继电器SSSBSWSDS0.0S31.7累加寄存器AC_ACACACAC0AC34.2 PLC设计简介4.2.1 PLC工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。4.2.2 PLC设计准备工作进行PLC控制设计时必须做好以下3方面基础工作：了解系统的概况：包括系统的控制目标、控制方案、控制规模、整体功能、具体功能、控制精度、I/O种类和数量、是否需要通讯、通讯内容与方式、是否需要显示、显示内容与方式、操作方式等等，应尽量对系统有一个全面的了解。熟悉使用的PLC类型、功能、编程语言和指令系统，能熟练的操作编程器和控制器。根据控制系统的控制要求、设备、器件条件、工艺过程，结合采用的PLC的功能强弱，确定PLC在整个控制系统中所承担的工作任务。4.2.3 PLC程序设计方法PLC程序设计常用的方法主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。（1）经验设计法：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，所以称为经验设计法。（2）继电器控制电路转换为梯形图法：将继电器电路图转换为具有相同功能的PLC外部硬件接线图和梯形图。（3）顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步的设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。（4）逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就是找到了输出和输入的关系，完成了设计任务。用这种方法设计PLC程序，设计者可以顺利的设计出正确的PLC程序。4.3 PLC控制设计4.3.1 控制要求（1）皮带可以正反转，由一个按钮控制切换，切换时间间隔2S；皮带启动时，以正转启动；皮带速度可调。（2）伸出、缩回的前提条件是皮带运转以后且点动控制并且伸出时有防撞保护。（3）有上升、下降功能，点动控制，有上升限位保护。（4）有电源指示灯（红色），工作指示灯（绿色），急停指示灯（红色）。（5）控制电压用24V安全电压。4.3.2 控制方案皮带的速度、正反转控制通过变频器来实现，其中速度控制通过变频器上的旋转按钮手动调速；伸缩机的伸出与缩回通过两个接触器的通断去控制伸缩电机的正反转进而控制设备的伸出与缩回并且装有伸出限位和缩回限位以及防撞保护；伸缩机的上升与下降通过一套液压装置来实现并且装有上升限位；除了皮带电机不用装热保护继电器外（因为变频器有过载保护功能），伸缩电机和油泵电机都装热保护器以防止电机过载；主电路上装三相断路保护器以防止短路，控制电路上装相序保护器以防止因相序改变而使电机反转。4.3.3 主要电器元件选型（1）PLC:根据控制要求，知共需要12个数字量输入，9个数字量输出，并且不需要快速动作，所以选择PLC型号CPU 224XP AC/DC/RLY，订货号6ES7 214-2BD23-0XB0，该机某些参数如下：220V交流电源；24V直流输入；继电器输出；14个数字量输入，10个数字量输出；2个模拟量输入，一个模拟量输出。（2）变频器：根据皮带电机额定功率是2.2KW，所以选择三菱变频器型号3相400V，FR-D740-2.2K-CHT。（3）遥控器：根据需要6个遥控输入，选择遥控器型号：F21-E1/E1B，该遥控器有6个输入可用。（4）相序保护器：为了防止电机正反转、伸缩、升降反向，所以需要加相序保护，选择施耐德RM4 T相序保护器。（5）断路器：因为三相断路器保护整个电路，根据电机功率，所以选择允许最大电流32A的施耐德三相断路器；而二相断路器只保护控制电路电流小，所以选择允许最大电流16A的施耐德二相断路器。（6）热保护继电器：根据伸缩电机的功率计算出额定电流选择施耐德AC380V热保护继电器，且将旋钮旋到4A处。（7）接触器：施耐德220V/380V接触器，型号LC1-D12C，其主触点通380V交流电，控制线圈通220V交流电。（8）继电器：选择220V交流继电器。（9）开关：上升限位开关选择220V交流接近开关；伸缩限位开关选择220V行程开关；防撞开关选择微动开关。（10）指示灯：220V交流指示灯。4.3.4 变频器参数设置Pr.79=3(外部/PU组合运行模式1)；Pr.80=2.2（电机容量2.2KW）；Pr.83=380(电机额定电压380V);Pr.84=50（电机额定频率50Hz）；Pr.1=50（电机上限频率50Hz）；Pr.2=30（电机下限频率30HZ）；Pr.8=2（减速时间2s）；注：皮带速度改变通过旋转变频器上的旋转按钮，旋转到相应的频率然后按SET按钮即可。4.3.5 PLC编程（1）输入输出分配如下表4.3.5 I/O表表4.3.5 I/O表输入功能输出功能I0.0皮带开Q0.0皮带正转I0.1皮带停Q0.1皮带反转I0.2正反转切换Q0.2伸出接触器I0.3伸出Q0.3缩回接触器I0.4缩回Q0.4上升接触器I0.5上升Q0.5下降电磁阀I0.6下降Q0.6急停指示灯I0.7伸出限位Q0.7电源指示灯I1.0缩回限位Q1.0工作指示灯I1.1上升限位I1.2急停I1.3防撞（2）PLC程序该程序的编制方法是经验法，分块编制。程序中有符号注释，程序块注释，易于看懂。具体程序见附录一。程序解释：网络1是指示灯控制：PLC通电则电源指示灯Q0.7亮，PLC不通电则电源指示灯Q0.7不亮；急停I1.2有输入则急停指示灯Q0.6亮，急停I1.2没有输入则急停指示灯Q0.6不亮 ；在急停I1.2和皮带停I0.1没有输入时，皮带正转Q0.0或者皮带反转Q0.1只要有一个接通则工作指示灯就亮，如果皮带停I0.1或者急停I1.2有输入则工作指示灯熄灭。网络2是皮带以正转启动控制：在急停I1.2和皮带反转Q0.1都没接通的前提下，皮带开I0.0有输入的一瞬间皮带正转Q0.0接通，皮带以正转启动。网络3、4、5、6是皮带正反转切换的控制：网络3中，在皮带正转Q0.0接通的前提下，正反转切换I0.2有输入的一瞬间，将皮带正转Q0.0复位同时将皮带反转标志M0.1置位；网络4中，在皮带反转Q0.1接通的前提下，正反转切换I0.2有输入的一瞬间，将皮带反转Q0.1复位同时将皮带正转标志M0.0置位；网络5中，在皮带反转间隔T34通的前提下，皮带反转标志M0.1通的一瞬间将皮带反转标志M0.1复位同时将皮带反转Q0.1置位，皮带反转；或者在皮带反转标志M0.1通的前提下，皮带反转间隔T34通的一瞬间将皮带反转标志M0.1复位同时将皮带反转Q0.1置位，皮带反转。网络6中，在皮带正转间隔T33通的前提下，皮带正转标志M0.0通的一瞬间将皮带正转标志M0.0复位同时将皮带正转Q0.0置位，皮带正转；或者在皮带正转标志M0.0通的前提下，皮带正转间隔T33通的一瞬间将皮带正转标志M0.0复位同时将皮带正转Q0.0置位，皮带正转。网络7、8是皮带正反转切换间隔的控制：网络7中，在皮带反转Q0.0不通2秒后皮带正转间隔T33接通，为皮带从反转切换到正转做好时间的准备。网络8中，在皮带正转Q0.1不通2秒后皮带反转间隔T34接通，为皮带从正转切换到反转做好时间的准备。网络9是皮带停和急停控制：在皮带停I0.1或者急停I1.2有输入的一瞬间将皮带正转Q0.0和皮带反转Q0.1复位，同时将皮带正转标志M0.0和皮带反转标志M0.1复位，皮带电机停止运行同时伸缩电机也停止运行。网络10、11是伸缩控制：网络10是伸出控制，在急停I1.2和伸出限位I0.7和缩回接触器Q0.3没有接通并且皮带电机处于运行状态的前提下，伸出I0.3有输入则伸出接触器Q0.2就接通，设备伸出，当急停I1.2或者伸出限位I0.7任何一个有输入时则伸出接触器Q0.2断开。网络11是缩回控制，在急停I1.2和缩回限位I1.0和伸出接触器Q0.2和防撞I1.3没有接通并且皮带电机处于运行状态的前提下，缩回I0.4有输入则缩回接触器Q0.3就接通，设备缩回，当急停I1.2或者缩回限位I1.0或者防撞I1.3任何一个有输入时则缩回接触器Q0.3断开。网络12、13是升降控制：网络12是上升控制，在急停I1.2和上升限位I1.1和下降电磁阀Q0.5都不接通的前提下，上升I0.5有输入则上升接触器Q0.4接通，设备上升；当急停I1.2或者上升限位I1.1任何一个有输入时则上升接触器Q0.4断开。网络13是下降控制，在急停I1.2和上升接触器Q0.4都不接通的前提下，下降I0.6有输入则下降电磁阀Q0.5接通；当急停I1.2有输入时则下降电磁阀Q0.5断开；当设备下降到底时，松开下降按钮I0.6则下降电磁阀Q0.5断开。（3）程序仿真第一步：将程序输入在s7-200编程软件MicroWIN V4.0.6中，然后单击菜单栏中的“文件”，再单击“导出”，出现一个“导出程序块”的对话框，选择存储路径，填写文件名，保存类型的扩展名为.awl，之后点保存。第二步：打开s7-200的仿真软件，输入密码“6596”，单击菜单栏中的“PLC”，再单击“CPU型号”，选择CPU224XP；单击菜单栏的“程序”，单击“装载程序”，在弹出的对话框中找到.awl文件的路径，双击打开导出的程序。第三步：点击仿真软件中绿色的三角按钮让PLC进入运行状态，按照控制要求点击下面一排输入的小开关进行仿真，看输入与输出是否对应，如果对应则对应的输出指示灯亮，附录二是仿真运行时的画面。注