基于plc控制的选煤传送带系统的设计

毕业设计（论文）任务书学院（直属系）电子信息工程学院时间2012年3月8日学生姓名指导教师设计（论文）题目基于PLC控制的选煤传送带系统的设计主要研究内容本文介绍了选煤的意义和作用，同时介绍了基于PLC的自动选煤系统的实现。为了保证输送带运输的安全可靠运行，达到减人提效的目的，应用PLC可编程控制器，辅以必要的装置，设计了输送带自动运输系统。研究方法理论分析、硬件设计、软件设计。主要技术指标或研究目标煤块从煤仓出来经过1输送带送到振动筛，在经过振动筛筛选后小的煤块漏到4输送带送进洗煤厂，大的煤块则经过3输送带运送到粉碎机，经过粉碎机粉碎后在经过2输送带到达4输送带，再输送到洗煤厂。粉碎机由三个限位开关监管，若煤块过多，则将信号传给由PLC控制的变频器，变频器则调节1输送带的给煤速度。启动有手动和自动两种，自动可自动完成输送任务；手动可单独运行单一电机，达到维修目的。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字年月日说明一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111引言112课题研究的背景和意义113课题的现状、发展趋势和已解决的问题314本课题主要研究的内容5第二章PLC功能简介621概论622可编程控制技术的发展及趋势723主要用途1024可编程控制器的特点1025可编程控制器的组成121、输入寄存器132、输出寄存器133、存储器134、CPU单元135、其它接口单元1326主要功能14第三章PLC的原理介绍及总体结构介绍1631可编程控制器控制系统设计的基本原则16311最大限度地满足被控对象的控制要求16312保证PLC控制系统安全可靠16313力求简单、经济、使用及维修方便16314适应发展的需要1632可编程序控制器的分类1633CPU的构成1634系统总体结构图20第四章硬件电路设计2141硬件选型21411PLC选型21412电机的选型28413变频器的选型3042控制电路3343主电路图35第五章系统的软件设计3651STEP7编程软件介绍36511STEP7MIRCO/WIN的安装36512STEP7MIRCO/WIN窗口组件3852工作流程图4353PLC编程语言的基本指令系统和编程方法4455系统梯形图46总结51参考文献52致谢53摘要本文介绍了选煤的意义和作用，同时介绍了基于PLC的自动选煤系统的实现。为了保证输送带运输的安全可靠运行，达到减人提效的目的，应用PLC可编程控制器，辅以必要的装置，设计了输送带自动运输系统。煤块从煤仓出来经过1输送带送到振动筛，在经过振动筛筛选后小的煤块漏到4输送带送进洗煤厂，大的煤块则经过3输送带运送到粉碎机，经过粉碎机粉碎后在经过2输送带到达4输送带，再输送到洗煤厂。粉碎机由三个限位开关监管，若煤块过多，则将信号传给由PLC控制的变频器，变频器则调节1输送带的给煤速度。启动有手动和自动两种，自动可自动完成输送任务；手动可单独运行单一电机，达到维修目的。关键词PLC，输送带，振动筛，粉碎机，变频器；ABSTRACTTHISARTICLEDESCRIBESTHESIGNIFICANCEANDUSAGEOFCOALPREPARATION,ALSOINTRODUCEDAUTOMATEDPREPARATIONSYSTEMBASEDONPLCTOENSURESAFEANDRELIABLE,ANDTOREALIZETHEAIMOFHIGHEFFICIENCYWEDESIGNEDTHECONVEYORBELTAUTOMATICTRANSPORTSYSTEMBASEONPLCPROGRAMMABLECONTROLLER,ADDITIONWITHTHENECESSARYEQUIPMENTCOALFROMTHEBUNKEROUTOFCONVEYORBELTTHROUGH1SENTVIBRATINGSCREEN,VIBRATINGSCREEN,AFTERSCREENINGASMALLLEAKTO4COALCONVEYORBELTFEEDINGCOALWASHINGPLANT,ALARGECOALCONVEYORBELTISTRANSPORTEDTHROUGHTHE3GRINDINGMACHINE,AFTERSMASHAFTERARRIVAL,AFTER2AND4CONVEYORBELTS,TERRITORYTOCOALWASHINGPLANTMILLCONSISTSOFTHREELIMITSWITCHMONITORING,IFTOOMUCHCOAL,ITWILLSIGNALTRANSMITTEDBYTHEPLCCONTROLLEDINVERTER,INVERTER1ISREGULATINGTHESPEEDCOALCONVEYORBELTSTARTWITHMANUALORAUTOMATIC,AUTOMATICTRANSMISSIONTASKSCANBEDONEAUTOMATICALLYMANUALSINGLEMOTORCANBERUNSEPARATELY,TOMAINTENANCEPURPOSESKEYWORDSPLC,CONVEYORBELT,VIBRATINGSCREEN,CRUSHER,INVERTER第一章绪论11引言西方国家对煤焦精煤的灰粉要求是58。美国规定电站不准使用硫粉超过1的动力煤。因此无论是炼焦煤还是动力煤都必须进行洗选或筛分。德、英、法、日等国原煤几乎全部入选。美国不入选的原煤是低灰粉的动力煤，但也都进行筛分，用选择性破碎机除去大块矸石。原煤在生成过程中混入了各种矿物杂质，在开采和运输过程中不可避免地又混入顶板和底板的岩石及其他杂质木材、金属及水泥构件等，随着采煤机械化程度的提高和地质条件的变化，原煤质量将越来越差，表现在混入原煤的矸石增加、灰分提高、末煤及粉煤含量增长、水分提高。为了降低原煤中的杂质，同时把煤炭按质量、规格分成各种产品，就要对煤炭进行机械加工，以适应不同用户对煤炭质量的要求，为有效的、合理的利用煤炭资源。减少燃煤对大气的污染创造条件，保证国民经济的可持续发展。选煤是煤炭工业的重要部门。由此可以看出在洗煤之前的选煤过程的重要性。洗煤去除杂质，而选煤则是首要条件。西方国家对选煤也相当重视，不断的研究更好的选煤设备来达到选煤的目的。并且选煤输送带作为洗煤厂主要运煤通道，其运行状态直接影响到洗煤厂的安全生产及经济效益。所选择了选煤输送带的自动控制作为研究方向。当然其中有很多不足的地方，例如怎样防止输送带的打滑，纵撕，沿线急停，超温，低速，跑偏及自动保护等等问题还没有解决。12课题研究的背景和意义本文研究了输煤传送带控制系统在输煤控制中的应用。通过一台PLC对4条皮带输煤进行现场控制，使其能够按照逆煤流启动、顺煤流停止，出现故障的皮带及之前的皮带能够立即停止运行，同时系统出现报警信号。后面的皮带继续运煤到无余煤时停止，如果出现意外系统能够紧急停止。系统控制分手动控制和自动控制两种控制方式，分析了输煤控制系统的合理构成，了解影响输煤控制系统安全稳定运行的几个重要因素；并根据实际情况运用抗干扰措施基本消除现场干扰信号的影响，从而保证输煤控制系统的安全可靠运行。输煤系统实现程序控制和工业电视监视系统对提高输煤系统的可靠性、自动化程度，减少岗位人员和他们的劳动强度，加强输煤过程的运行管理和节能管理，实现状态检修具有非常重要的意义。通过对传送带系统控制系统的设计与制作，使我们进一步巩固和加深了对所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识掌握。同时也培养自身综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，更使我们受到了PLC系统开发的综合训练，从而能够使我们进行PLC系统设计和实施，并且掌握典型自动控制系统的工作原理和设计思路。更重要的是通过对传送带系统控制系统的每个环节的实际制作，锻炼了自身的刻苦钻研、勇于探索、实事求是、善于与他人合作的工作作风，这为我们将来的上岗实习做好了充分的准备。目前，输送带控制系统在工业领域有着广泛的应用。例如，火电厂的燃料煤是通过煤场的输送带送进炉锅的。由于煤粉污染大，作业环境恶劣，因此，需要对输送带实现自动控制。此外，输送带控制系统也广泛应用于井下采矿和食品业等。对于输送带实现自动控制以及其运行的可靠性与稳定性直接影响着生产发展。采用传统的接触继电器控制系统，不仅接线复杂，抗干扰能力差，易因接触不良而造成故障，而且功能扩展性差。PLC系统因其可靠性高，编程简单，功能完善而越来越受到青睐，传统的接触继电器控制系统已逐步被PLC系统所取代。煤矿地面输送带系统组成如图11图11煤矿地面输送带系统示意图13课题的现状、发展趋势和已解决的问题近年来，随着大规模集成电路的发展，以微处理器为核心的可编程控制器（PLC）得到了迅猛的发展。早期的PLC主要用于顺序控制，今天的PLC已经能够应用于闭环控制、运动控制以及复杂的分布式控制系统，已逐步发展成为有一类解决自动化问题的有效而便捷的方式。由于PLC自身具有功能完善、结构模块化、开发容易、操作方便、性能稳定、可靠性高、性价比高、等优点，因而在工业生产中具有广阔的应用前景，并被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。而且随着集成电路的发展和网络时代的到来，PLC必将能够获得更大的发展空间。PLC主体由三部分组成，主要包括中央处理器CPU、存储系统和输入、输出接口。PLC基本结构如图12所示输入模块开关或传感器继电器触点行程开关模拟量输入CPUEPROM扫描程序I/O管理RAM用户存储器用户逻辑I/O信息电源主机编辑器输出模块电磁装置其他执行装置图12PLC的组成框图系统电源有些在CPU模块内，也由单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。外部的开关信号、模拟信号各种以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信息和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各部分协调一致地实现对现场设备的控制。PLC采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的。可编程控制器的工作过程包括两个部分自诊断及通信响应的固定过程和用户程序执行过程，如图13所示内部处理与编程器计算机等通信输入扫描执行用户程序输出刷新图13PLC工作过程框图PLC在每次执行用户程序之前，都先执行故障自诊断程序、复位、监视、定时等内部固定程序，若自诊断正常，继续向下扫描，然后PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求。如果有与计算机等的通信请求，则进行相应处理。当PLC处于停止STOP状态时，只循环进行前两个过程。而在PLC处于运行（RUN）状态时，PLC从内部处理、通信操作、输入扫描、执行用户程序、输出刷新五个工作阶段循环工作。每完成一次以上五个阶段所需要的时间成为有一个扫描周期。一次扫描周期也可以简单的分为输入处理、程序执行、输出处理三个阶段。为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达01MS/K步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。而当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要。为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。而加强PLC联网通信的能力，则是PLC技术进步的潮流。另外PLC的外部故障的检测与处理能力也在不断的增强。而在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。所以通过PLC对选煤传送带进行控制，是大势所趋。14本课题主要研究的内容本文介绍了PLC在四节传送带控制系统中的应用，同时也详细地叙述了系统中相关控制项目的设计方案及具体实现方法。文中还介绍了基于PLC与单片机的区别使我们能更加的清楚认识PLC，对学生熟悉PLC控制系统的结构和工作原理以及学习梯形图的编写都有很大的帮助。本系统是对四节传送带控制的系统，该设备适用于流水线作业等。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自我诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。第二章PLC功能简介21概论可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因此在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。可编程控制器是一种存储器控制器，支持控制系统工作的程序存放在存储器中利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高。它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它的内部存储器可以执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技术COMPUTERCONTROLCOMMUNICATION相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大可编程控制器PROGRAMMABLELOGICALCONTROLLER简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司DEC为美国通用公司GM研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子SIEMENS公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍1982年美国PLC用户中，有48来自自动程序操作部门如汽车、拖拉机工业、机械工业等、13来自石油化工业、9来自食品饮料业、7来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门。近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。22可编程控制技术的发展及趋势20世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期。PLC发展至今，已有30多年的历史。伴随着半导体技术、计算机技术、通讯技术的发展，工业控制领域已有了翻天覆地的变化，PLC也再不断发展变化中，PLC正朝着新的技术发展。近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用，仅PLC方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。在工业自动化领域，可编程控制器PLC作为自动控制的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为大多数自动化系统的设备基础。由于综合了计算机和自动化技术，使它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。1、向高性能、高速度、大容量发展大型PLC大多采用CPU结构，不断向高性能、高速度、大容量发展。ANA系列PLC使用了世界上第一个在一块芯片上实现PLC全部功能的32位微处理器、即顺序控制芯片，其扫描时间为每条基本指令015US。2、增强小型PLC的功能小型PLC一般指I/O点数小于256的PLC，大多数采用整体结构，小型PLC价格便宜，性价比不断提高，很使用单机自动化，或组成分布式系统。近年来，PLC厂商不断推出功能更强的小型PLC，更新换代的周期越来越短。除了开关量逻辑控制功能以外，现代小型PLC还具有中断功能、脉冲捕获功能、内置的实时钟、用EEPROM代替RAM和锂电池，使PLC成为完成完全免维护的设备，将过去许多需要特殊功能模块完成的功能软件化，如用PID指令实现PID控制，用定位控制实现位置控制。各PLC厂家近年来推出一些价格便宜的专用人机接口装置，用来监视PLC的内部变量和修改参数。与西门子S7200配套的TD200文本显器可显示两行中文，每行10或20个字符，可用S7200编程软件设置TD200的显示内容。3、不断提高编程软件的功能（1）编程软件日益普及（2）编程软件功能不断完善（3）编程语言的标准化（4）编程软件配备仿真功能，如西门子S7200与STEP7编程软件配套使用的S7PLCSIM仿真软件。（5）通讯功能的增强和标准化（6）PLC的软件化与PC随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将PLC理解为开关量控制的时代己经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展一个是向超小型专用化和低价格方向发展另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势总结如下可编程控制技术的标准化、CPU处理速度进一步加快、可编程控制技术的智能化、系统的开放性和兼容性、通用性和专业化的结合、可靠性进一步提高、控制系统分散化、控制与管理功能一体化等。为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。综上所述，我们不难得出下面几个结论（1）工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路。（2）智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。（3）系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。（4）基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。（5）通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。23主要用途PLC编程一般采用易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的简单指令编制程序，非常形象直观，在了解了PLC简单工作原理和它的编程技术后，就可以结合实际需要进行应用设计，进而将PLC用语实际控制系统中，此外，PLC还具有使用和编程方便，抗干扰能力强，运行稳定可靠，在实际运用中设施施工周期短等特点，是一种用于工业自动化控制的理想工具。PLC诞生后，受到工业界的普遍欢迎，并得到迅速发展，目前，它的应用几乎覆盖了所有工业企业，而且随着PLC技术的推广和应用，PLC将向着标准化，小型化，模块化及低成本，高功能的方向发展。PLC与一般的计算机的结构相似，由中央处理单元（CPU），存储器（MEMERY），输入/输出（INPUT/OUTPUT）接口，电源部件外部设备接口等，但由于PLC专为工业环境下设计的，为了便于接线，扩充功能，操作及维护，它的结构与组成又与一般的计算机系统有所区别。24可编程控制器的特点中央处理单元（CPU）是PLC控制部件，一般由控制电路，运算器，寄存器等组成，通过地址及数据总线与存储器，I/O接口电路连接，它主要完成从存储器中读取指令并执行，然后再取下一条指令，处理中断等任务。存储器是具有记忆功能的半导体电路，PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。其中，系统程序是PLC制造厂家编写的控制和完成各种功能的程序，他们一般被固化到只读存储器（RAM）中，允许修改，并用户启动运行。输入/输出借口电路用来连接PLC主机与外部设备。为了提高抗干扰能力，一般的输入，输出接口均有光电隔离装置，最常用的是由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。我们所用的OMRONCPM1A系列PLC的输入/输出接口电路图如下图所示位置纠偏信号触摸屏适配器故障检测PLCCPMIA30DA001伺服驱动器离合器C/B左右电机记数信号校正归位信号纸箱位置信号主传送装置主变频器从变频器从传送装置伺服机3M3M图21OMRONCPM1A系列PLC的输入输出接口电路图由于输入及输出的升年时秒度即可能是数字能量，又有可能是开关量或者模拟量，所以，选择接口部件时要考虑接口处的信号的性质。电源部件用来将用来将外部供电电源转换成供PLC的各部分电子电路工作所需的直流电源，是PLC能正常工作。由于PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此它对外部电源的要求并不高，直流24V供电的机型，允许电压为1632V。交流供电的机型，允许电压为85264V，频率为4753HZ，一般情况下，PLC还为用户提供24V直流电源作为输入电源或负载电源。可编程控制器是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、记数和算术运算等功能。用来对各种机械或生产过程进行控制。自1969年第一台可控编程控制器问世以来，目前可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。PLC所以被广泛应用，是由它的突出特点和优点的性能分不开的，为了满足工业生产对工业控制设备安全可靠的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触电的的半导体电路来完成，PLC选用的电子器件一般是工业机，有的甚至是军用机，平均无故障时间很长。PLC具有良好的环境适应性，可用于十分恶劣的工业现场。再电源瞬间断电的情况下仍可以正常工作，具有很强的的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值高达1000V、脉宽10US的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗震能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高，在环境温度2065度、相对湿度为3585情况下仍可正常工作。可编程序控制器采用SIEMENS的S7200系列CPU224主机，I/O点数为40点14个输入点和10个输出点，具有2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是S7200PLC的一个很有特色的功能，它使S7200PLC可以由用户自己定义通讯协议。利于自由通讯口方式，在本系统中PLC可以与变频器和触摸屏方便连接。模拟量输入采用4路12位A/D模拟量输入的EM231模块，具有较高的精度。PLC编程采用STEP7MICRO/WIN编程软件，它提供一个完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。可编程控制器能如此迅速的发展的原因是由于它具有通用计算机所不具备的特点1、可靠性可编程控制器采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如冗余设计、掉电保护设计、故障诊断、和信息保护和恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高。可编程序控制器是为了工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用的计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了简化的编程语言，变成出错率大大降低。在可编程控制器的软件方面，也采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用软件过滤；软件自诊断；简化编程语言；信息保护和恢复。报警和运行信息的显示等。2、易操作性着重体现在它的操作方便、编程方便、维护方便。3、灵活性编程的灵活性。编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图、和语句表。这种编程的灵活性是继电器顺序控制所不能比拟的，正是由于编程的柔性特点，再柔性制造单元FMC、柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS和计算机集成流程工业系统CIPS，可编程控制系统成为主要的控制设备。4、扩展的灵活性它不仅可通过增加输入输出卡件增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统DCS或其他上位机的通信来扩展功能，并与外部设备进行交换等。25可编程控制器的组成如图所示，PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行IO变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。1、输入寄存器图22PLC的组成输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。2、输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。3、存储器存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。4、CPU单元CPU单元控制着IO寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是PLC的大脑。5、其它接口单元其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。26主要功能PLC的外部设备中，最重要的就是编程器，它用来对用户程序进行写入，检查，修改和调试，也可以在线监视PLC的运行，它经过编程器接口与CPU联系，完成人机对话。目前，有很多PLC都可以利用微型计算机作为编程工具，这时应配上相应的编程软件及接口，由于微机的强大功能，使PLC的编程和调试更为方便。功能说明1、逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC设置有“与”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等逻辑指令，根据外部现场（开关、按钮或其它传感器）的状态，根据指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、电机等）。因此，PLC可代替继电器进行开关控制，完成接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。另外，在PLC中一个逻辑位的状态可以无限次的使用，逻辑关系的修改和变更也十分方便。2、定时控制功能定时控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。程序执行时，PLC将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时或延时控制，以满足生产工艺的要求。3、计数控制功能计数控制功能是PLC的基本功能之一。PLC为用户提供了许多计数器，计数器记到某一个数时，产生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中进行修改。程序执行时，PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个计数过程的计数控制。4、步进控制功能PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻辑信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自动进行下一道工序。有些PLC还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用都极为方便。5、数据处理功能PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联、实现程序、数据的显示的打印。6、回路控制功能有些PLC具有A/D、D/A转换功能，可以方便的完成对模拟量的控制和调节。7、通讯联网功能有些PLC采用通讯技术，实现远程I/O控制、多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通讯等。8、监控功能PLC设置了较强的监控功能，利用编程器或监视器，操作人员对PLC有关部分的运行状态进行监视。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调试和维护提供了极大的方便。9、停电记忆功能PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（如备用电池等），以保证存储器中信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。10、故障诊断功能PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。PLC的故障自诊断功能大大提高了PLC控制系统的安全性和可维护性。第三章PLC的原理介绍及总体结构介绍31可编程控制器控制系统设计的基本原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则311最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。312保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。313力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。314适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。32可编程序控制器的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。1、按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。1整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。2模块式PLC模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。2、按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。1低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。2中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。3高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。3、按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。1小型PLCI/O点数2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K如S7400德国西门子公司GEGE公司C2000立石公司K3三菱公司等33CPU的构成CPU内部结构大概可以分为控制单元、运算单元、存储单元和时钟等几个主组成部分。运算器是计算机对数据进行加工处理的中心，它主要由算术逻辑部件（ALUARITHMETICANDLOGICUNIT）、寄存器组和状态寄存器组成。ALU主要完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。通用寄存器组是用来保存参加运算的操作数和运算的中间结果。状态寄存器在不同的机器中有不同的规定，程序中，状态位通常作为转移指令的判断条件。控制器是计算机的控制中心，它决定了计算机运行过程的自动化。它不仅要保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件。控制器一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑、中断控制逻辑等几个部分。指令控制逻辑要完成取指令、分析指令和执行指令的操作。时序控制逻辑要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。一般时钟脉冲就是最基本的时序信号，是整个机器的时间基准，称为机器的主频。执行一条指令所需要的时间叫做一个指令周期，不同指令的周期有可能不同。一般为便于控制，根据指令的操作性质和控制性质不同，会把指令周期划分为几个不同的阶段，每个阶段就是一个CPU周期。早期CPU同内存在速度上的差异不大，所以CPU周期通常和存储器存取周期相同，后来，随着CPU的发展现在速度上已经比存储器快很多了，于是常常将CPU周期定义为存储器存取周期的几分之一。1、I/O模块I/O模块是PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下开关量按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量按信号类型分，有电流型（420MA,020MA）、电压型（010V,05V,1010V）等，按精度分，有12BIT,14BIT,16BIT等。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。2、电源模块PLC控制系统,它的CPU模块工作电压一般是5V,而PLC的输入/输出信号电压一般较高,如直流24V和交流220V等。PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V,正负12V、24V等直流电源。34系统总体结构图系统的总体结构图见图31。开关模块LED显示限位开关PLC变频器电机电机图31系统总体结构图第四章硬件电路设计41硬件选型411PLC选型在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC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。PLC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PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC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PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。1、输入输出（I/O）点数的估算2、存储器容量的估算3、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PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC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PLC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PLC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。PLC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PLC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PLC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。PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应11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。PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于