基于plc实验控制系统的设计毕业论文课件

基于 PLC 的实验控制系统的设计 I 基于 PLC 的实验控制系统的设计 摘 要本课题是基于 PLC 的实验控制系统的设计。以机械手、运料小车和电梯 控制系统为例，着重进行了可编程逻辑控制器和组态软件的仿真系统的软件设计，通 过 PLC 设备与上位机和变频器的连接，将组态软件应用于 PLC 的实践过程中，上位机 和变频器均可接收 PLC 发出的控制信号，并按照 PLC 程序以动画形式在计算机屏幕上 反映出 PLC 的控制过程及结果，实现 PLC 对被控项目的编程控制、速度控制及调试， 并可根据组态仿真的结果不断修正自己的程序。 关键词控制系统；可编程序逻辑控制器；组态软件；编程；仿真调试 Design of Experimental Control System Based on PLC Abstract: This topic is the design of experimental control system based on PLC, which take mechanical hand, transport carriage and elevator for example and focused on the software design of programmable logic controller and configuration software on simulation system. Through connecting with the PLC and inverter, configuration software will be applied to the practice of PLC. In the design, PC and PLC may receive the control signal sended out by inverter and reflect the control process, and results of PLC in animation form on the computer screen according to the PLC program. Eventually, the subject can achieve the purpose of the control of programmable, speed control and debugging. At the same time, the subject can revise the program constantly according the results simulation. Key words: Control system; programmable logic controller; configuration software; programming; simulation debugging 基于 PLC 的实验控制系统的设计 II 目 录 1 引言.1 1.1 课题的意义、目的 1 1.2 课题相关技术 1 2 控制系统的总体设计方案 2 2.1 控制系统的组成 2 2.2 PLC 与上位机及变频器的通讯 .2 2.3 系统的基本控制要求 3 3 控制系统的硬件设计 5 3.1 控制系统的设计 5 3.2 PLC 的选型 .5 3.1.1 PLC 的机型的选择 .5 3.1.2 输入输出端口分配.6 3.1.3 PLC 硬件接线 .7 3.3 变频器的选型 8 4 控制系统软件设计 9 4.1 组态软件 9 4.1.1 “组态王”的特点.9 4.1.2 建立应用工程的一般过程10 4.2 可编程控制器 .11 4.2.1 可编程控制器的工作原理及编程语言11 4.2.2 各控制系统编程设计及分析12 5 控制系统组态仿真设计 .14 5.1 “组态王”仿真界面设计 .14 5.2 组态变量 .15 5.3 组态应用程序设计 .17 5.4 系统调试及运行 .18 结束语 .20 参考文献 .21 附录 .22 致谢 .30 1 1 引言 1.1 课题的意义、目的 本课题研究的目的是为了寻求一种既能够开放性的，直观的模拟各式各样的工业 控制现场，又不大量增加实验设备成本的学习方法，因此，将组态软件应用于 PLC 的 实践中，用仿真的方式代替实物，达到与实物相当的效果，从而解决了 PLC 实验直观 化的问题。组态软件可接受 PLC 发出的控制信号，并按照程序的算法以动画、数值、 文字、标尺等形式在计算机屏幕上反映出 PLC 的控制过程及结果。利用计算机来模拟 仿真实际的被控对象，让被控对象在 PLC 程序的控制下实现工作现场的实时状态，不 但能够激发出学习的兴趣，而且能以有限的设备、低廉的造价、多样化的程序来丰富 实验课内容，大大增强实验课的学习效果。 本系统主要使用 PLC 对机械手、运料小车、四层电梯各项目进行控制。先对各项 控制部分作分析，然后进行 PLC 程序设计，画流程图，编写梯形图，再利用“组态王” 软件进行仿真设计。画出动画仿真界面，根据 I/O 分配定义数据变量，完成动画设计。 进行 PLC 与组态仿真的同步设计，实现 PLC 对项目的编程控制和仿真调试。 1.2 课题相关技术 可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设 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、模拟式的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程1。 PLC 的用户界面十分友好，给使用者带来很大的方便。PLC 提供标准通讯接口， 可以方便地构成 PLC-PLC 网络或计算机-PLC 网络。PLC 应用程序的编制和调试非常 方便，PLC 的梯形图语言与继电器控制线路图很相似，很容易掌握。PLC 具有监控功 能，利用编程器或监视器可以对 PLC 的运行状态、内部数据进行监视或修改。PLC 控 制系统的维护非常简单，利用 PLC 的诊断功能和监控功能，可以迅速查找到故障点， 对大多数故障都可以及时予以排除。 组态的概念最早出现在工业计算机控制中，用软件中提供的工具、方法、完成工 程中某一具体任务的过程，这种控制技术称为组态控制技术。 采用组态技术构成的计算机系统在硬件设计上除采用工业 PC 机外，系统大量采用 各种成熟通用的 I/O 接口设备和现场设备，基本上不再需要单独进行具体电路设计。 这不仅节约了硬件开发时间，更提高了工控系统的可靠性。在软件设计上由于采用了 成熟的工控专用组态软件进行系统设计，软件开发周期大大缩短，同时，用组态软件 开发的系统具有与 Windows 一致的图形操作界面，便于学习与管理。目前，国产组态 2 软件有 Kingview（组态王） 、MCGS、微控可视组态等。 2 控制系统的总体设计方案 2.1 控制系统的组成 本课题控制系统的硬件主要由上位机、PLC、变频器和实验箱组成，采用上、下 位机结构的监控系统实现对 PLC 编程控制的仿真调试。 上位机采用的微型计算机包含了组态软件，是整个控制系统的核心部分。通过组 态软件把 PLC 的状态得到形象的体现，也可对 PLC 发送指令。上位机和 PLC 采用串 行通讯的方式，组态王可以接收由 PLC 发出的命令并且在画面运行系统中仿真，实现 对 PLC 控制系统的监控。 “组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现组态王和外部设备 的通讯，组态王内置了大量设备的驱动作为组态王和外部设备的通讯接口，在开发过 程中只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”一步步完成连接过程即可实现与相 应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王可通过驱动接口和外部设备交换数据， 包括采集数据和发送数据2。 可编程控制器主要由中央处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、电源、输入/输出 接口、外部设备接口及 I/O 扩展接口几大部分构成。 CPU 是 PLC 的核心部件，主要用来运行用户程序、监控输入输出接口状态以及 进行逻辑判断和数据处理。PLC 的存储器可以分为两类：一类是系统程序存储器，主 要存放系统管理、监控程序；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的 应用程序和各种数据。PLC 的电源是指为 CPU、存贮器、I/O 接口等内部电子电路工 作所配备的直流开关电源。输入/输出接口是 PLC 与现场输入输出设备或其他外部设备 之间的连接部件，PLC 通过输入接口把工业设备或生产过程的状态或信息（如按钮、 各种继电器触点、行程开关、各种传感器等）读入中央处理器；输出接口是将 CPU 处 理的结果通过输出电路去驱动输出设备（如指示灯、电磁阀、继电器、接触器等） 。 PLC 的外部设备主要有编程器、操作面板、文本显示器、打印机等等。I/O 扩展接口是 用于扩展输入/输出单元，它使 PLC 的控制规模配置更加灵活，可以配置开关量的 I/O 单元，也可以配置如模拟量、高速计数等特殊 I/O 单元及通讯适配器等3。 变频器是运动控制系统中的功率变换器，当今的运动控制系统是包含了多种学科 的技术，总的发展趋势是驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化，智能 化和网络化。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和 幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。 2.2 PLC 与上位机及变频器的通讯 3 PLC 与“组态王”之间的数据通讯采用串行通讯方式，这种串行通讯方式是组态 王与 PLC 之间最常用的一种数据交换方式。用 PLC 控制变频器的方法也是采用通讯的 方式，这种方法不仅实现了对变频器的控制，还能够获取变频器的运行状态，把变频 器当成一个设备，用 PLC 来读、写变频器内部寄存器的内容实现对变频器的控制4。 本系统中 PLC 的编程口通过专用 RS-232 通讯电缆连接到上位机的串行通讯接口 上，实验面板提供被控系统输入的信号，经由 PLC 程序完成控制要求决定各种信号的 输出，如指示灯、运行方向等。这些输入输出的数值存放在 I/O 设备的寄存器中，寄 存器通过其地址进行引用。“组态王”通过通讯通道读、写 PLC 寄存器中的内容，采 集所需要的数据进行控制效果的仿真及运行。 作为主控制器的 PLC 和作为执行及检测器件的变频器之间相互配合。PLC 控制变 频器的频率给定信号，使变频器输出相应的速度控制曲线；变频器 P+、N-为通讯接口 端子，是一个标准的 RS-485 接口，通过此通讯接口，可以实现对变频器的控制，包括 运行、停止及频率设定控制，如图 1 所示为 PLC 与上位机及变频器的连接示意图。 上位机-装有 “组态王”的微 型计算机 S7-200系列PLC （CPU226） I/O设备 RS-232 通讯电缆 变频器 MM440 RS-485 通讯电缆 IN OUT P+ N- 图 1 系统连接示意图 2.3 系统的基本控制要求 控制系统由机械手控制项目、运料小车控制项目及电梯控制项目组成控制系统由机械手控制项目、运料小车控制项目及电梯控制项目组成，它们是电 气控制系统的应用典型，分别对这几个项目的控制仿真和调试运行，提高对 PLC 基本 控制效果的感性认识。 （1）机械手控制项目 基本控制要求：图 2 所示为一个将工件由 A 点传送到 B 点的机械手，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，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、下限位开关，有 8 个动作，它的工作过程如图 2 所示。 4 夹紧上升右移下降原位 左移上升放松下降 图 2 机械手运行流程图 （2）运料小车控制项目 基本控制要求：如图 3 所示小车可在 A、B 两地分别启动。小车启动后自动回 A 地等待装料，若 A 处有物料，装料电磁阀动作，30s 后装料结束，小车自动向 B 地运 行。到达 B 地后，停止 1min 等待卸料，然后在自动返回 A 地，如此往复。若 A 处物 料已空，则小车返回 A 点后停止运行。小车在运行过程中，均可用手动开关令其停车。 再次启动后，小车重复以上过程。小车在前进或后退过程中，分别用指示灯显示运行 的方向。 图 3 运料小车运行示意图 （3）电梯控制项目 基本控制要求：3 层电梯自动控制示意图如图 4 所示5。 图 4 三层电梯运行示意图 a) 一台电机控制上升和下降； b) 图中 4 个按钮用来控制电梯的上下呼叫； c) 利用指示灯显示轿厢外召唤信号、厢内指令信号和电梯到达信号； d) 电梯设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯； e) 内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠 5 车门，并能至调定时间，自动确定运行方向； f) 呼梯记忆与顺向截停。电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方 向的召唤，应能自动逐一停靠应答； g) 自动定向。当轿厢内操纵盘上，选层指令相对与电梯位置具有不同方向时， 电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。 3 控制系统的硬件设计 硬件设计主要是对 PLC、变频器的选型，PLC 输入/输出端口的分配以及 I/O 接线 图设计。 3.1 控制系统的设计 本系统由机械手、运料小车、电梯三个控制项目，以电梯为例，总体框图如图 5 所示。基本结构包括门系统、轿厢、导向系统、曳引系统等。系统主要由 S7-200PLC 控制器、开关按钮、开关指示灯、变频调速器、电动机等构成。 变频调速器 开门灯按钮灯电动机 平层到位开关行程开关门外按钮 输出端口 输入端口 S7-200系列PLC(CPU226) 图 5 电梯控制系统总体框图 3.2 PLC 的选型 3.1.1 PLC 的机型的选择 PLC 的选型由原来的单一逻辑控制发展到集成控制、运动控制和过程控制于一体 的的综合性控制系统。 PLC 的选型设计主要分为以下几个方面：PLC 类型的选择、生 产厂家的选择、CPU 的选择、I/O 分配点数的选择等6。 以电梯为例经分析可以知道，系统共有开关量输入点 23 个、开关量输出点 19 个； 参照西门子 S7-200 系列产品目录及市场实际价格，选用 CPU226（24 入/16 出） ，扩展 一个继电器输出模块 EM222 最合理，而机械手和运料小车的开关量输入点都是 6 个， 开关量输出点分别是 6 个、5 个；因此根据实际需要，选用 CPU222（8 入/6 出）就能 够满足要求，也最为经济。 6 3.1.2 输入输出端口分配 （1）机械手项目输入输出端口分配(见表 1) 表 1 机械手项目输入输出端口分配 序 号 名称 元件 符号 输入点 序 号 名称 元件 符号 输出点 1启动按钮SB1I0.01上升电磁阀YV1Q0.0 2下限位开关SQ1I0.12下降电磁阀YV2Q0.1 3上限位开关SQ2I0.23左移电磁阀YV3Q0.2 4右限位开关SQ3I0.34右移电磁阀YV4Q0.3 5左限位开关SQ4I0.45夹紧松开电磁阀YV5Q0.4 6停止按钮SB2I0.56原位指示灯HLQ0.5 （2）运料小车项目输入输出端口分配(见表 2) 表 2 运料小车项目输入输出端口分配 序号名称 元件 符号 输入点序号名称 元件 符号 输出点 1A 地启动按钮SB1I0.01小车向 A 地行使KM1Q0.0 2B 地启动按钮SB2I0.12向 A 地行使指示灯HL1Q0.1 3停止按钮SB3I0.23装料电磁阀YV1Q0.2 4A 处限位开关SQ1I0.34小车向 B 地行使KM2Q0.3 5B 处限位开关SQ2I0.45向 B 地行使指示灯HL2Q0.4 6 A 处物料有无 SQ3I0.5 （3）电梯项目输入输出端口分配(见表 3) 表 3 电梯项目输入输出端口分配 序 号 名称 元件 符号 输入 点 序 号 名称 元件 符号 输出 点 1开门按钮SB1I0.01开门继电器KM1Q0.0 2关门按钮SB2I0.12关门继电器KM2Q0.1 3开门行程开关SQ1I0.23上行继电器KM3Q0.2 4关门行程开关SQ2I0.34下行继电器KM4Q0.3 5向上运行转换开关SQ3I0.45快速继电器KM5Q0.4 6向下运行转换开关SQ4I0.56加速继电器KM6Q0.5 7红外传感器（左）SL1I0.67慢速继电器KM7Q0.6 8红外传感器（右）SL2I0.78上行指示灯HL1Q0.7 9门锁输入信号KI1.09下行指示灯HL2Q1.0 7 10一层接近开关SQ5I1.110一层指示灯HL3Q1.1 11二层接近开关SQ6I1.211二层指示灯HL4Q1.2 12三层接近开关SQ7I1.312三层指示灯HL5Q1.3 13一层内指令按钮SB3I1.413一层内指令指示灯HL6Q1.4 14二层内指令按钮SB4I1.514二层内指令指示灯HL7Q1.5 15三层内指令按钮SB5I1.615三层内指令指示灯HL8Q1.6 16一层向上召唤按钮SB6I1.716一层向上召唤灯HL9Q1.7 17二层向上召唤按钮SB7I2.017二层向上召唤灯HL10Q2.0 18二层向下召唤按钮SB8I2.118二层向下召唤灯HL11Q2.1 19三层向下召唤按钮SB9I2.219三层向下召唤灯HL12Q2.2 20一层下接近开关SQ8I2.3 21二层上接近开关SQ9I2.4 22三层上接近开关SQ10I2.5 23二层下接近开关SQ11I2.6 3.1.3 PLC 硬件接线 根据机械手、运料小车、电梯控制系统的输入输出端口分配表，绘制的硬件接 线图如图 6、7、8 所示。 1M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 M L+ 1L Q0.0 Q0.1 Q0.2 N L1 Q0.3 Q0.4 24V DC 电源输出 2M2L 220V AC电源 24V DC 24V DC SB1 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SB2 YV1 YV4 YV2 YV3 HL Q0.5 YV5 PLC CPU222 1M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 M L+ 1L Q0.0 Q0.1 Q0.2 N L1 Q0.3 Q0.4 24V DC 电源输出 2M2L 220V AC电源 24V DC 24V DC SB1 SB2 SB3 SQ1 SQ2 SQ3 KM1 KM2 HL1 KM1 HL2 PLC CPU222 图 6 机械手项目 I/O 接线图 图 7 运料小车项目 I/O 接线图 8 M L+ 1M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 2M I1.5 I1.6 I1.7 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 24V DC 电源输出 1L Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 2L Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 3L Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 N L+ SB1 SB2 SL1 SL2 K SQ5 SQ6 SQ7 SB4 SB3 SB5 KM1 KM5 CPU226 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SB6 SB7 SB8 SB9 SQ8 SQ9 SQ10 SQ11 KM2 KM3 KM4 KM6 KM7 HL1 HL2 HL3 HL4 HL5 HL6 HL7 HL8 HL9 PLC M EM222 L+ 2L Q2.2 3L Q2.3 0L 1L Q2.0 Q2.1 220V AC电源 HL10 HL11 HL12 图 8 电梯项目 I/O 接线图 3.3 变频器的选型 本系统采用西门子的 MM440 变频器。MM440 是一种集多种功能于一体的变频器， 它能适用于电动机需要调速的各种场合。利用变频器的基本操作面板可以更改、设定 各个参数及设定变频器的操作方式。MM440 的功能非常强大，可以选择和设定的参数 很多，主要的参数有：变频器参数、电动机参数、命令和数字 I/O 参数、模拟 I/O 参数、 9 设定值通道、电动机控制参数、通讯参数、报警、警告和监控参数、PI 控制参数等。 在具体使用时可参照具体的使用说明书。 4 控制系统软件设计 4.1 组态软件 4.1.1 “组态王”的特点 “组态王”是北京亚控科技发展限公司开发的用于快速构造和生成计算机监控系 统 的组态工控软件，能够在 Windows 平台上运行，功能强大，使用方便：并且能够 通过对现场数据的采集处理，以动画显示实时曲线、报警处理、流程控制、历史曲线 和报表输出等多种方式，向用户提供解决实际工程问题的方案。其主要功能为： （1）具有强大的动画功能，充分运用了填充色连接、位置连接、按键连接等，使 得显示的图形元素更具“活力”。 （2）提供了丰富的图库和友善的图形编辑功能，使显示丰富多彩，格式新颖。 （3）具有二次开发的后台语言。该语言简单易学、直观实用、满足工控软件开发 的需要。 组态王 6.0 软件包由工程管理器（ProjManager） 、浏览器（TouchExplorer）和画面 运行系统（TouchVew）三部分组成。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系 统 TouchMak 和工程运行系统 TouchVew 来完成的7。 （1）工程管理器是应用程序的管理系统。工程管理器的主要功能包括：新建工程、 删除工程，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性， 工程的备份、恢复， 数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。如图 9 所示运料小车设为当 前工程。 图 9 组态王工程管理器 （2）工程浏览器是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，内嵌组态王画面 开发系统。它将图形画面、命令语言、设备驱动程序管理、配方管理、数据报告等工 10 程资源进行集中管理，并在一个窗口中进行树形结构排列，这种功能与 Windows 操作 系统中的资源管理器的功能相似。 （3）画面运行系统是“组态王 6.0”软件的实时运行环境，在应用工程的开发环 境中建立的图形画面只有在 TouchVew 中才能运行。TouchVew 从控制设备中采集数据， 并存于实时数据库中。它还负责把数据的变化以动画的方式形象地表示出来，同时可 以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需求记录在历史数据库 中。 （4）画面制作系统是应用工程的开发环境。在这个环境中完成画面设计、动画连 接等工作。TouchMak 具有先进完善的图形生成功能；数据库提供多种数据类型，合理 地提取控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都 有简洁的操作方法。 4.1.2 建立应用工程的一般过程 建立应用工程大致可分为以下几个步骤8： （1）启动组态王工程浏览器 组态王工程浏览器启动后，会自动装入前一次所做的工程项目。如果要建立一个 新的应用程序，在工程浏览器中用选择“工程”菜单，点击“新建”命令，在弹出 “新建工程”的对话框设置工程路径和工程名称，点击“确定” ，即可进入组态王工程 浏览器。如果要打开以前所做工程，在工程浏览器中选择“工程”菜单，单击“打开” 命令，此时会弹出“组态王工程管理”对话框，选择工程名称点击“确定” 。 （2）进行设备配置 在工程浏览器的工程目录显示区，点击“设备”大纲项下的相应设备成员名，然 后在组浏览器目录内容显示区内双击“新建”图标，在弹出“设备配置向导”对话框 中完成与组态王通讯的设备的设置。 （3）启动组态王画面开发系统 在工程浏览器的工程目录显示区，点击“文件”大纲项下的“画面”成员名，然 后在浏览器目录内容显示区弹出 “新建画面”对话框。填入画面名称，点击 “确定” ， 进入画面开发系统。 （4）构造数据库 数据库是“组态王”软件的核心部分，在 TouchVew 运行时，它含有全部变量定 义是在“变量属性”对话框中进行的。在工程管理器中，选择“数据库” ，然后点击 “数据词典” ，双击“新建” ，弹出“变量属性”对话框，此对话框中对数据变量完成 增加、删除、改动等操作，以及数据库的管理工作。 （5）定义动画连接 双击图形对象弹出“动画连接”对话框，对一个图形对象同时定义多个连接，组 11 合成复杂的效果，以满足实际中任意的动画显示需要。 （6）运行与调试 启动运行系统 TouchVew，观察是否能正常进行数据的采集和动画连接，并进行调 试。 4.2 可编程控制器 4.2.1 可编程控制器的工作原理及编程语言 PLC 采用循环扫描工作方式，工作过程一般包括 5 个阶段：内部处理、与编辑器 等的通信处理、输入扫描、执行用户程序、输出处理，其工作过程如图 10 所示。图 10 中当 PLC 处于 RUN（运行）时，执行所有阶段；当处于 STOP（停止）时，不执行后 3 个阶段，此时可进行通信处理9。 开始 内部处理 通信处理 RUN方式？ 输入扫描 执行用户程序 输出处理 否 图 10 PLC 工作原理图 可编程控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程主要是： （1）输入处理：程序执行前，PLC 将全部输入端子的通、断状态写入输入映像寄 存器。在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不变，直到下一 扫描周期的输入处理阶段才读入这些变化。 （2）程序处理：对应用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其它软元 件的映像寄存器中将有关软元件的通、断状态读出，从 0 步开始顺序运算，每次运算 结果都写入到有关的映像寄存器中，各软元件的内容随着程序的执行在不断变化。输 出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。 （3）输出处理：全部指令执行完毕，将输出映像寄存器的通、断状态向输出锁存 寄存器传送，成为 PLC 的实际输出。PLC 内的外部输出触点对输出软元件的动作有一 12 个响应时问，即要有一个延迟才动作。 编程器是 PLC 重要的编程设备。它不仅可以用来编写程序，还可以用来输入数据、 检查和监控 PLC 的运行。随着计算机技术的发展 PLC 的编程环境越来越完善，使 PLC 的学习、设计、调试更方便，更快捷。SIEMENS 公司设计的 STEP7-MicroWIN 4.0.6.35 编程软件就是专门为 S7-200 系列 PLC 设计。 4.2.2 各控制系统编程设计及分析 （1）机械手控制项目 工作过程分析：当机械手处于原位时，上升限位开关 I0.2、右限位开关 I0.4 均处 于接通状态，移位寄存器数据输入端接通，使 M10.0 置 1，Q0.5 线圈接通，原位指示 灯亮。 按下启动按钮，I0.0 置 1，产生移位信号，M10.0 的 1 移至 M10.1，下降阀继电器 Q0.0 接通，执行下降动作，由于上升限位开关 I0.2 断开，M10.0 置 0，原位指示灯灭。 当下将到位时，下限位开关 I0.1 接通，产生移位信号，M10.0 的 0 移位到 M10.1, 下降 阀 Q0.0 断开，机械手停止下降，M10.1 的 1 移到 M10.2，M20.0 线圈接通，夹紧电磁 阀 Q0.1 接通，执行夹紧动作，同时启动定时器，进行延时，移位信号，以此类推，如 图 11 所示。程序主要是运用了字节右移位指令，执行上升、左行、下降等 8 个动作。 机械手控制项目梯形图见（附 1） 。 图 11 右移位指令梯形图 （2）运料小车控制项目 按下 A 地启动按钮，Q0.0 置 1，执行小车向 A 地行使，直到触到 A 地限位开关并 确定 A 地有物料，即 I0.3 和 I0.5 接通时，Q0.2 接通，装料电磁阀动作，执行装料，同 时延时 30s。装料完毕后，Q0.3 接通，执行小车向 B 地行使，直到触到 B 地限位开关 时，延时 60s，执行卸料。卸料完毕后，T38 接通，执行小车向 A 行使，如此往复，直 到按下停止按钮。运料小车项目梯形图见（附 2） 。 （3）电梯控制项目 工作过程分析：手动开门时，当电梯运行到位，手动开门按钮 SB1 闭合，KM1 有 效，电梯门被打开；开门到位时，开门行程开关动作，SQ1 常闭触点断开，开门过程 13 结束；自动开门时，当电梯运行到位后，相应的楼层接近开关 SQ5、SQ6、SQ7 闭合， 定时器 T37 开始计数，计到 3s，T37 触点闭合，KM1 输出有效，打开电梯门。手动关 门时，按下关门按钮 SB2，KM2 有效并自锁，驱动关门继电器，关闭电梯门。自动关 门时，当电梯运行到位，定时器 T38 定时 5s，T38 触点闭合，KM2 输出有效，实现自 动关门。当自动关门时，为防止夹住乘客，在门两侧安装红外检测装置 SL1 和 SL2， 有人进出时，SL1 和 SL2 闭合，T39 开始定时，2s 后才关门。电梯项目梯形图见（附 3） 。 该电梯采用轿厢外呼叫，轿厢内按钮控制方式的自动控制形式。由安装在轿厢内 的指令按钮进行操纵，其操纵内容为响应，轿厢内依层次指令运行启动电梯，使电梯 到达目标层。轿厢外指令即做呼叫作用，当有乘客在轿厢外某层按下呼叫按钮 SB6、SB7、SB8、SB9 中的任何一个时，如图 12 所示，相应的指示灯亮，说明有人呼 叫。呼叫信号一直保持到电梯到达该层，相应的接近开关动作才被撤销。 图 12 一层向上呼叫指示梯形图 当有乘客进入轿厢内某层，按下呼叫按钮 SB3、SB4、SB5 中的任何一个时，如图 13 所示，相应的指示灯亮。 图 13 一层轿厢指令指示灯梯形图程序 电梯上下由一台电动机驱动：电动机正转，驱动电梯上升；电动机反转，驱动电 梯下降，如图 14 所示。电梯轿厢门由另外一台小电机驱动，该电动机正转，轿厢门开； 电动机反转，轿厢门关。轿厢内开门按钮 SB1，关门按钮 SB2。 14 图 14 电梯上行下行梯形图 电梯运行方向是由输出指示灯 HL1 和 HL2 指示的，当电梯运行方向确定后，在关 门信号和门锁信号符合要求的情况下，电梯开始起动运行。电梯起动后快速运行，2s 后加速，在接近目标楼层时，相应的接近开关动作，电梯开始转为慢速运行，直至电 梯到达目标楼层为止。 5 控制系统组态仿真设计 5.1 “组态王”仿真界面设计 （1） “组态王”对西门子 PLC 的 I/O 系统配置 利用 PLC 与计算机专用的 PC/PPI 电缆，将 PLC 通过编程口与上位计算机串口 （COMx）连接，进行串行通讯10。 在组态王工程浏览器的工程项目显示区，点击“设备”大纲项下 PLC 与上位机所 连串口（COMx） ，进行参数设置，如图 15 所示。在此对话框中完成与组态王通讯的设 备的设置。在配置过程中，选择与 PLC 对应的生产厂家、设备型号、连接方式，为设 备指定一个逻辑设备名，设定设备地址10。 图 15 设备配置向导 15 （2） “组态王”对西门子 PLC 的 I/O 通讯方式的设置 启动“组态王”的“工程浏览器” ，配置“串行通讯方式” 。双击工程目录显示区 中“设备”大纲项下面的“COM1”成员名，在出现的窗口中设置串行通信口 COM1 的通信参数，单击“确定” ，完成对 COM1 的通信参数配置，保证 COM1 同 PLC 的通 信正常进行。 （3）组态界面设计 “组态王”提供了类型丰富的图形对象。为用户提供了绘图工具及按钮、趋势曲 线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。 a) 建立新画面并定义画面的名称、大小、位置、风格，利用工具箱及图库设计如 下控制及仿真界面，如图 16 所示的运料小车监控画面。 图 16 运料小车控制项目“组台王”界面 b) 界面动画连接 动画连接就是建立画面的图索与数据库变量的对应关系，利用动画连接对话框， 选择各种动画效果标签，配合数据词典，设计图形对象的动画连接，当变量的值改变 时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来。控制系统及仿真调试项目使用了填充 属性、缩放动画、垂直移动、闪烁等动画连接，一个图形对象可以同时定义多个连接， 组合成复杂的效果，如图 17 所示小车位置动画连接窗口。 图 17 动画连接窗口 16 5.2 组态变量 数据库是“组态王”软件的核心部分，数据变量的集合称为“数据词典” 。在 TouchVew，工业现场的生产状况将实时地反映在变量的数值中，操作者在计算机前发 布指令能迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中间环节11。 数据库是联系上位机和现场设备的桥梁。在数据库中存放的是变量的当前值，变 量包括系统变量和用户定义变量。数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细 信息。 （1）组态变量 组态王中定义的变量，比如计算过程的中间变量，设置成“内存变量” 。内存变量 是不需要和其它应用程序交换数据，也不需要从下位机得到数据，只在“组态王”内 需要的变量。I/O 变量承担着交换数据的重任。这种数据交换是双向的、动态的， “组 态王”中的 I/O 变量与具体 I/O 设备的数据交换是通过逻辑设备名来进行的，一个逻辑 设备可与多个 I/O 变量对应。在“组态王”运行过程中，每当 I/O 变量的值改变时，该 值就会自动写入远程应用程序；每当远程应用程序中的值改变时， “组态王”中的变量 值也会自动更新。 通过“数据词典”定义各控制系统的变量，如图 18 所示。 图 18 组态王变量定义 三个控制系统变量设计如表 4 所示： 表 4 控制系统变量定义表 变量名变量 类型 连接 设备 寄存 器 变量名变量 类型 连接 设备 寄存 器 启动 I/O 离散PLC M0.0下降阀 I/O 离散PLC Q0.0 下限位 I/O 离散PLC M0.1夹紧松开阀 I/O 离散PLC Q0.1 上限位 I/O 离散PLC M0.2上升阀 I/O 离散PLC Q0.2 17 右限位 I/O 离散PLC M0.3右移阀 I/O 离散PLC Q0.3 左限位 I/O 离散PLC M0.4左移阀 I/O 离散PLC Q0.4 停止 I/O 离散PLC M0.5原位指示灯 I/O 离散PLC Q0.5 工件 x 内存实型 工件 y 内存实型 机械手 x 内存实型 机械手 y 内存实型 A 地启动 I/O 离散PLC M0.0向 A 地行使 内存整型 B 地启动 I/O 离散PLC M0.1A 行指示灯 I/O 离散PLC Q0.1 停止 I/O 离散PLC M0.2装料阀 I/O 离散PLC Q0.2 A 处限位 I/O 离散PLC M0.3向 B 地行使 内存整型 B 处限位 I/O 离散PLC M0.4B 行指示灯 I/O 离散PLC Q0.4 A 处料有无 内存实型 小车位置 内存整型 开门 I/O 离散PLCM0.0 开门继电器 内存离散 关门 I/O 离散PLCM0.1 关门继电器 内存离散 开门行程 内存离散 上行继电器 内存离散 关门行程 内存离散 下行继电器 内存离散 上运行转换 内存离散 快速继电器 内存离散 下运行转换 内存离散 加速继电器 内存离散 红外（左） 内存离散 慢速继电器 内存离散 红外（右） 内存离散 上行指示灯 I/O 离散PLC Q0.7 门锁输入 内存离散PLCM1.0 下行指示灯 I/O 离散PLC Q1.0 一层接近 内存离散 一层内灯 I/O 离散PLC Q1.1 二层接近 内存离散 二层内灯 I/O 离散PLC Q1.2 三层接近 内存离散 三层内灯 I/O 离散PLC Q1.3 一层内指令 I/O 离散PLC M1.4一层上召灯 I/O 离散PLC Q1.4 二层内指令 I/O 离散PLC M1.5二层上召灯 I/O 离散PLC Q1.5 三层内指令 I/O 离散PLC M1.6二层下召灯 I/O 离散PLC Q1.6 一层上召唤 I/O 离散PLC M1.7三层下召灯 I/O 离散PLC Q1.7 二层上召唤 I/O 离散PLC M2.0三层上接近 内存离散 二层下召唤 I/O 离散PLC M2.1二层下接近 内存离散 三层下召唤 I/O 离散PLC M2.2 一层下接近 内存离散 18 二层上接近 内存离散 5.3 组态应用程序设计 命令语言通过“命令语言”对话框编辑输入，在组态王运行系统中编译执行。如 图 19 所示。以运料小车为例在对话框的“运行时”选项卡中编写程序，根据“小车位 置”的值（对应于画面中小车的位置）产生左、右限位开关信号。在组态王的运行系 统中，小车运行到最左边时，变量“小车位置”为 0，由于应用程序命令语言的作用， 左限位开关(M0.3)变为 1 状态，它的活动臂被压下。由于 PLC 程序的作用，控制 A 行 的 Q0.1 变为 0 状态，控制 B 行的 Q0.3 变为 1 状态，小车由 A 行变为 B 行。小车运行 到最右边时，变量“小车位置”为 200，右限位开关(M0.4)变为 1 状态，小车由 B 行变 为 A 行。小车将在这两个限位开关之间不停地往返，直到按下停止按钮。 图 19 应用程序命令语言 5.4 系统调试及运行 本次系统调试主要完成以下三个方面的工作： （1）测试上位机与 PLC 的连接与通讯 如果 PLC 与组态王通讯不成功，点击 Windows 下面的状态条上的“组态王信息窗 口”按钮，在信息窗口中可以看到运行系统与 PLC 通讯是否成功的消息。如果通信失 败，应检查双方的通讯参数（特别是波特率）是否一致，编程软件是否占用了串行通 讯接口等12。 （2）组态界面动画连接测试 在组态王运行系统中执行菜单命令“画面”“打开” ，打开监控画面。双击工程 浏览器 “系统配置”文件夹中的“设置运行系统” ，在打开的“运行系统设置”对话 框的“特殊”选项卡中，设置“运行系统基准频率”为 100ms。所有与时间有关的操 19 作，例如后台命令语言的执行时间间隔，都以运行系统基准频率为单位，是它的整数 倍，如图 20 所示。 图 20 运行系统设置 动画连接测试主要进行 动画画面的设计和变量定义检查。在测试过程中，主要检 测所要监控的参数与画面中的变量一一对应关系。对于要从上位机发出命令的变量， 设置为读写模式。当参数性质为读写时，可以从上位机对 PLC 进行远程控制。对于只 做监控用的，设置为只读模式。 （3）系统实际运行测试 启动组态王运行系统，分别进行机械手、运料小车及电梯控制的仿真调试。在上 位机中运行西门子 S7-200 编程软件，将 PLC 程序下载到 CPU 模块内，PLC 设置为 “RUN”状态，点击组态监控屏幕上相应按钮控制系统运行，系统的工作状态通过组 态画面实现仿真，从而达到与实际控制系统等同的效果。机械手组态监控界面如图 21 所示。 图 21 机械手组态监控界面 整个系统基本能够对机械手、运料小车、电梯的工作状态做检验和测试，但在 PLC 程序与组态仿真界面的同步上还不完善。 20 参考文献 1 李树雄. 可编程控制器原理及应用教程. 北京: 北京航空航天大学出版社，2003. 2 组态王 60 使用手册北京亚控科技发展有限公司. 3 孙振强. 可编程控制器原理及应用教程. 北京: 清华大学出版社, 2008. 4 陈浩. 案例解说 PLC、触摸屏及变频器综合应用. 北京:中国电力出版社, 2007. 5 彭吴华三层电梯 PLC 控制与组态模拟设计化工职业技术教育2006, 2：57-60. 6 STEP 7-Micro/WIN 编程帮助手册.西门子自动化设备公司. 7 Design and implementation of a fuzzy elevator group control system.System and Humans.Chang Bum K Hyung L K Hyung L K1998, 277-287. 8 殷洪义，吴建华. PLC 原理与实践. 北京: 清华大学出版社, 2008. 9 德西门子公司 Hans Berger. 西门子的自动化入门. 北京: 人民邮电出版社, 2007. 10 Gaber Bege，Igor Punik.etal Data Acquisition Hodule with Large Number of Inputs.IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference.May 2002. 11 李斌，邹灿红PLC 电气控制仿真教学系统的设计机电工程技术2006,（3）：122-124. 12 廖常初. PLC 编程及应用. 北京: 机械工业出版社，2008. 21 附录 附 1：机械手梯形图程序 22 23 附 2：运料小车梯形图程序 24 附 3：电梯梯形图程序 26 27 28 29 38 1 附件附件 专业 本科毕业论文管理制度与相关文件汇编 2 大学教育科学学院 系 二零一三年七月 3 目 录 专业本科毕业论文写作规范专业本科毕业论文写作规范.3 专业本科毕业论文参考文献写作要求专业本科毕业论文参考文献写作要求.9 专业本科毕业论文装订规范与要求专业本科毕业论文装订规范与要求.20 专业本科毕业论文指导教师工作要求专业本科毕业论文指导教师工作要求.22 大学本科毕业论文（设计）大学本科毕业论文（设计）封皮样式封皮样式.24 学位论文独创性声明学位论文独创性声明.25 大学本科生毕业论文任务书大学本科生毕业论文任务书.26 大学本科生毕业论文评审书大学本科生毕业论文评审书.27 大学教育科学学院本科毕业论文大学教育科学学院本科毕业论文开题报告开题报告 2013 版版.28 大学毕业论文（设计）指导记录大学毕业论文（设计）指导记录.32 4 专业本科毕业论文写作规范 为了加强对我院专业本科毕业论文工作的规范化管理，现将毕业论文写作过程中 需遵循的格式规范做如下要求。 一、毕业论文的选题与设计要求 专业本科毕业论文的内容选题必须是心理学领域或与心理学相关的交叉领域课题， 符合专业培养目标要求，具有一定的学术性。在研究设计与方法上必须采用实证研究 范式，即相关设计或因果实验设计，具体收集数据方法可用实验法、测验法、问卷法、 访谈法、观察法。 二、毕业论文的组成部分及写作要求 （一）封面 封面模板由学校统一制定，但封面的颜色由本学院规定。作者应将封面上的相关 内容（毕业论文题目、学生姓名、学生学号、学院名称、专业名称、指导教师等）用 计算机填写完成（注意适当对齐）后再套印输出，填写时注意修改封面模板上的届数 及年月。印刷输出前请向学院办公室询问封面颜色和年月时间。 （二）目录 目录需通过 WORD 定义三级大纲形式自动生成目录。目录内容包含：中文题目与 摘要页、英文题目与摘要页、正文各部分、参考文献、附录、致谢（或后记）、学位 论文独创性声明。目录的二级标题与一级标题、三级标题与二级标题在格式上应自动 向内缩进 2