毕业设计（论文）-基于PLC的自动运料系统设计.doc

anyang institute of technology 专专 科科 毕毕 业业 论论 文文 基于基于 plcplc 的自动运料装车系统设计的自动运料装车系统设计 design of plc based automatic transportation loading system 系（院）名称：电子信息与电气工程学院 专 业 班 级 ： 09 电气自动化技术 学 生 姓 名 ： # # # 指导教师姓名： # # # 指导教师职称： 副 教 授 目录 摘摘 要要.i 前言前言ii 第第 1 1 章章 概概 述述.1 1.1 可编程控制技术的发展状况.1 1.2 基于 plc 控制的自动送料装车系统简介.2 1.3 plc 的特点2 1.4 plc 的应用领域3 第第 2 2 章章 系统硬件设计系统硬件设计.5 2.1 自动送系统控制工艺要求5 2.2 基于 plc 控制的自动送料装车系统的控制要求.6 2.3 主电路的设计.7 2.4 i/o 地址分配8 2.4.1 i/o 信号的分析与设计.8 2.4.2 plc 外部接线图的设计.9 第第 3 3 章章 系统软件设计系统软件设计.11 3.1 系统功能的分析与设计.11 3.2 程序设计的常用方法12 3.3 plc 程序设计13 3.3.1 plc 程序流程图.13 3.3.2 plc 梯形图设计.15 第第 4 4 章章 软件调试软件调试18 4.1 软件调试概述.18 4.2 松下 plc 专用通信协议简介.19 4.3 plc 软件测试20 4.3.1 plc 程序的模拟调试.20 4.3.2 plc 程序下载.20 第第 5 5 章章 总结总结26 5.1 全文总结.23 5.2 展望未来.24 致谢致谢25 参考文献参考文献.26 i 摘摘 要要 随着 plc 技术的广泛应用，工业控制系统的深入，在面临规模更大、控制 更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到自动化程度对生产的重要性，在各个生 产环节自动化过程可节约大量的劳动力，从而达到更高的效益。 plc 在工业自动化生产中使用节约了大量的劳动力，达到了更高的效率，为企 业带来了更高的效益。 本文基于 plc 在自动运料装车系统中的应用，选用日本松下公司的 fp1- c40 系列的 plc 编程实现自动运料装车系统，本次设计结合 plc 易于编程，易 于学习和使用的特点和自动运料装车系统结合在一起，从而实现生产第一道程 序的自动化，提高生产效率。 本次设计详细的介绍了 plc 的特点，自动送料装车系统中存在的问题，采 用了顺序控制的原理和逻辑设计的方法完成了本次设计。 关键词：plc 自动运料装车系统 ii 前言前言 可编程控制器（plc）是集自动控制、计算机和通信技术三者于一体的工业 控制装置。 目前，西门子（siemens） 、欧姆龙（omron） 、三菱（mitsubish）和松下等 几家公司的 plc 应用较为广泛,其中西门子 plc 的制作工艺比较高，成本较大， 价格高，相对而言日本的 plc 成本较低，价格适中。综合各方面因素考虑本设计 主要用松下公司的 fp1 系列小型 plc，设计自动送料装车系统。 本文从自动送料装车系统的设计工艺和控制要求出发，选择了 fp1-c40 系列 plc 作为主要的编程对象，实现自动送料装置的基本运行。 由于时间仓促，加之水平的限制，论文中难免有疏漏和不足之处，恳请老师 和读者指正。 1 第第 1 1 章章 概概 述述 1.11.1 可编程控制技术的发展状况可编程控制技术的发展状况 可编程控制器(programmable logic controller)简称 plc，是指以计算机 技术为基础的新型工业控制装置，国际电工协会 1987 年对它做了如下定义： “可编程序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。它采用可以编制程序的存储器，在其内部存储和执行逻辑运算、顺序运 算、定时、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和 输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc 及其有关的外围设备都应该按易 于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。 ” 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 公司研制开发并应用汽车生产线上，取得了极佳的效果，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，其控制技术也不断朝着智能化方向发展，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，德国的西门子(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， 日本的欧姆龙（omron）也推出了他们的 plc。松下、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 2 外开放，日、美、西德等国生产的 plc 已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、日本和西德的 plc。 1.21.2 基于基于 plcplc 控制的自动送料装车系统简介控制的自动送料装车系统简介 自动送料装车系统是用于物料输送的流水线设备，主要是用于煤粉、细砂 等材料的运输。自动送料装车系统一般是由给料器、传送带、小车等单体设备 组合来完成特定的过程。这类系统的控制需要动作稳定，具备连续可靠工作的 能力。通过三台电机和三个传送带、料斗、小车等的配合，才能稳定、有效率 地进行自动送料装车过程。本次自动送料装车系统采用了 plc 控制。从送料小 车运行的工艺流程来看，其控制系统属于自动运行的控制系统，因此，此送料 小车的电气控制系统设计采用自动扫描循环工作方式。而在程序设计上采用整 体式设计方法，这样就可以使读者一目了然地看懂整个程序，从而在一定程度 上省去了使用人员阅读并分析程序的大量宝贵时间，同时也使得程序的设计、 修改和故障查找工作大为简化。 自动送料装车系统控制系统的软件部分（信号显示和故障显示）均采用经 验设计法，而自动程序则采用顺序控制法设计。 1.31.3 plcplc 的特点的特点 1. 可靠性高，抗干扰能力强 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。例如三菱公司生产的 f 系列 plc 平均无故障时间高达 30 万小时。 一些使用冗余 cpu 的 plc 的平均无故障工作时间则更长。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。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 3 2. 配套齐全，功能完善，适用性强 plc 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用 于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 plc 大多具有完善 的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 plc 的功能单元大量涌现， 使 plc 渗透到了位置控制、温度控制、cnc 等各种工业控制中。加上 plc 通信 能力的增强及人机界面技术的发展，使用 plc 组成各种控制系统变得非常容易。 3. 易学易用，深受工程技术人员欢迎 plc 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易， 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电 器电路图相当接近，只用 plc 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继 电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计 算机从事工业控制打开了方便之门。 4. 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 plc 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制 系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同 一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产 场合。 5. 体积小，重量轻，能耗低 以超小型 plc 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理 想控制设备。 1.41.4 plcplc 的应用领域的应用领域 目前，plc 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械 制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可 归纳为如下几类。 1. 开关量的逻辑控制 这是 plc 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻 4 辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流 水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流 水线等。 2. 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位 和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量 （analog）和数字量（digital）之间的 a/d 转换及 d/a 转换。plc 厂家都生产 配套的 a/d 和 d/a 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3. 运动控制 plc 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直 接用于开关量 i/o 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动 控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上 各主要 plc 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机 器人、电梯等场合。 4. 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计 算机，plc 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。pid 调节是一般闭 环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 plc 都有 pid 模块，目前许多小型 plc 也具有此功能模块。pid 处理一般是运行专用的 pid 子程序。过程控制在冶 金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5. 数据处理 现代 plc 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、 数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以 利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大 型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、 冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6. 通信及联网 plc 通信含 plc 间的通信及 plc 与其它智能设备间的通信。随着计算机控 5 制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 plc 厂商都十分重视 plc 的通信功 能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 plc 都具有通信接口，通信非常方 便。 6 第第 2 2 章章 系统硬件设计系统硬件设计 自动化系统所使用的各种类型 plc 中，有的是集中安装在控制室，有的是 安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的 恶劣电磁环境中。plc 控制系统的硬件设计主要是指硬件选型，近十几年来， 国内外众多厂家提供了多种系列、功能各异的 plc 产品，已有几十个系列、几 百种型号。plc 品种繁多，其结构形式、性能、i/o 点数、用户程序内存容量、 运算速度、指令系统、编程方法和价格各有不同，使用场合也各有侧重。因此， plc 的合理选择， ，对提高 plc 控制系统的技术、经济指针以及对于控制系统都 有着重要作用。要提高 plc 控制系统可靠性，一方面要求 plc 生产厂家提高设 备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中 引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。 2.12.1 自动送系统控制工艺要求自动送系统控制工艺要求 自动送料系统是基于 plc 控制系统来设计的，控制系统的每一步动作都 直接作用于送料小车的运行，因此，送料小车性能的好坏与控制系统性能的好 坏有着直接的关系。送料小车能否正常运行、工作效率的高低都与控制系统密 布可分。 基于这次的送料系统设计，我结合了工厂的实际工作环境和常用的自动送 料系统对这次的系统硬件设计需要以下基本设备：三台交流电动机、三层传送 带、一个料斗、一个料斗开关、一条输送管道、一个管道开关、三个电动机故 障显示灯、一个红灯、一个绿灯、一个车辆检测开关、一个车辆称重开关、一 个启动开关、一个紧急停止开关。在电路的设计上一定要规范、合理、安全的 设计，确保工作人员在操作过程中的生命财产安全。 软件方面采用松下 fp1-c40 系列的 plc，外部接线部分比较简单，对被 控对象的控制作用都是体现在 plc 的程序上。因此，plc 程序的设计好坏，直 接影响控制系统的性能。所以在程序设计时应严格按照程序设计的步骤，准备 好设计前的工作，熟悉被控对象，提高编程的质量。 图 2-1 就是硬件系统工作示意图。 图 2-1 自动送料系统示意图 2.22.2 基于基于 plcplc 控制的自动送料装车系统的控制要求控制的自动送料装车系统的控制要求 初始状态：红灯 l2 灭，绿灯 l1 亮，表示允许汽车进来装料。此时，进料 阀门（k1） ，送料阀门（k2） ，电动机（m1、m2、m3）皆为 off 状态。当汽车来 到时，车辆检测开关 s2 接通，红灯 l2 亮，绿灯 l1 灭，电动机 m3 运行，电动 机 m2 在 m3 接通 2 秒后运行，电动机 m1 在 m2 启动 2 秒后运行，依次顺序起动 整个送料系统。 当电动机 m3 运行后，进料阀门 k1 打开给料斗进料。当料斗中物料装满时， 料斗检测开关 s1 接通，此时进料阀门 k1 关闭（设 1 料斗物料足够运料小车装 满一车） 。料斗出料阀门 k2 在电动机 m1 运行 2 秒及料斗装满后，打开放料，物 料通过传送带 pd1、pd2 和 pd3 的传送，装入汽车。 当运料小车装满后，称重开关 s3 动作，送料阀门 k2 关闭，同时电动机 m1 延时 2 秒后停止，电动机 m2 在 m1 停止 2 秒后停止，电动机 m3 在 m2 停止 2 秒 8 后停止。此时绿灯 l1 亮，红灯 l2 灭，表示汽车可以开走。 故障操作：在带式传输机传送物料过程中，若传送带 pd1 超载，则送料阀 门 k2 立即关闭，同时停止电动机 m1，电动机 m2 和 m3 在电动机 m1 停止 4 秒后 停止； 在带式传输机传送物料过程中，若传送带 pd2 超载，则同时停止电动机 m1 和 m2 并关闭送料阀门 k2，延时 4s 后电动机 m3 停止； 在带式传输机传送物料过程中，若传送带 pd2 超载，则同时停止电动机 m1、m2 和 m3 并关闭送料阀门 k2。 2.32.3 主电路的设计主电路的设计 主电路的设计对于本次设计小车自动送料装车系统设计相当重要,只有在主 电路设计正确且简便的基础上,系统控制电路及软件设计才能精简方便。 根据系统的控制工艺要求，我所设计的电气控制系统主回路原理图如图 2-2 所 示。图中，m1，m2，m3 为三台皮带传输送料电动机，交流接触器 km1km3 通过 控制三台电动机的运行来控制三个传送带，从而进行对物料的传输。 fr1，fr2，fr3 为起过载保护作用的热继电器，用于物料传输过程中当传送带 过载时断开主电路。fu1 为熔断器，起过电流保护作用。 m m1 1 3 3 m m2 2 3 3 m m3 3 3 3 q qs sf fu u k km m1 1k km m2 2k km m3 3 f fr r1 1f fr r2 2f fr r3 3 电电机机m m1 1电电机机m m2 2电电机机m m3 3 l l1 1 l l2 2 l l3 3 9 图2-2 自动送料装车系统主电路原理图 2.42.4 i/oi/o 地址分配地址分配 2.4.1 i/o 信号的分析与设计 plc 的工作环境是工业现场，工业现场的检测信号（如：料斗检测信号、车 辆检测信号、称重和故障信号等）多种多样，有模拟量（如：运料小车、物料等） ，也有开关量（如红灯、绿灯、进/送料阀门等） ，plc 就以这些现场数据作为对 被控对象进行控制的源信息。同时，plc 又将处理的结果送给被控设备或工业生 产过程，驱动各种执行机构（进/送料阀门、皮带传输送料电动机）实现控制。 因此对 i/o 信息的分析，就是对后面编程所需要的 i/o 信号进行详细的分析和定 义，并以 i/o 信息表的形式提供给编程人员。i/o 信号分析的主要内容有： （1）定义每一个输入信号并确定它的地址。该设计中以 i/o 地址表和 plc 外部接线图的形式给出，图中也包含对每一个输入点所做的简洁说明，使 其一目了然。 （2）定义每一个输出信号并确定它的地址。该设计中以 i/o 地址表和 plc 外部接线图的形式给出，图中也包含对每一个输出入点所做的简洁说明， 使其一目了然。 （3）审核上述分析设计是否能满足系统规定的功能要求。若不满足，则需 修改，直至满足为止。 1. 数据结构的分析与设计 数据结构设计的任务，就是对程序中所用到的数据结构进行具体的规划和 设计，合理地对内存进行估算，提高内存的利用率。 plc 应用程序所需的存储空间，与内存利用率、i/o 点数、程序编写水平有 关。通常把系统中 i/o 点数和存放用户机器语言所占内存数之比成为内存利用 率。高的内存利用率，占用整个系统的内存比较少，可以大大缩短扫描周期时 间，从而提到系统的相应速度。同样，用户编写程序的优劣对程序的长短和运 行时间都有很大的影响，而数据结构的设计必将直接关系到编程质量。 数据结构设计的主要内容有： （1） 按照软件设计要求，将 plc 的数据空间做进一步的划分，分为若干 10 个子空间，并对每一个子空间进行具体的定义。当然，这要以功能算法、硬件 设备要求、预计的程序结构和占有量为依据，综合考虑来决定。 （2） 应为每一子空间留出适当的裕量，以备以后使用。 该设计中，实验室提供的 cpu 型号为 fp1-c40，它有 40 个 i/o 点数，但是 我们只需要 9 个输入点和 10 个输出点共 19 个 i/o 点数，剩下的 i/o 点数就可 以作为裕量使用。 i/o 信号和数据结构的分析与设计为 plc 编程人员提供了重 要的依据。此次设计，系统占用 19 个 plc 的 i/o 端口，分别是 9 个输入端口和 10 个输出端口，具体的 i/o 分配如表 2-1 所示： 表 2-1 自动送料装置系统 i/o 地址表 2.4.2 plc 外部接线图的设计 该控制系统核心部分是以日本松下 fp1-c40 为主，cpu 模块采用整体式结 构，它的体积小、价格低，cpu 模 块、i/o 模块和电源装在一个箱形机壳内， 前盖下面有模式选择开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。i/o 模块中输入 24 点，输出 16 点，可实现高速输入输出响应，内部具有高速计数和中断处理 输 入输 出 启动 x0 电机 m3 y0 车辆检测开关 s2 x1 电机 m2 y1 称重开关 s3 x2 电机 m1 y2 装车开关 x3 送料阀门 k2 y3 紧急停止 x4 进料阀门 k1 y4 料斗检测开关 s1 x5 红灯 l2 y5 电动机 m3 故障 x6 绿灯 l1 y6 电动机 m2 故障 x7 电动机 m3 故障显示 y7 电动机 m1 故障 x8 电动机 m2 故障显示 y8 - 电动机 m1 故障显示 y9 11 功能。plc 的输入输出端子均接到相应的接线端子排，输入输出信号通过这些 接线端子排可由其它地方直接引入，这些接线端子排的布置与 plc 的输入输出 端子以及电源端、接地端和公共端的实际位置一一对应。i/o 模块接口将输入 输出信号引入到控制台上。 plc 外部硬件接线图如图 2-3 所示 (plc 外部接线 图)。 图 2-3 plc 自动送料系统 i/o 接线图 12 第第 3 章章 系统软件设计系统软件设计 3.13.1 系统功能的分析与设计系统功能的分析与设计 plc 软件功能的分析与设计实际上是 plc 控制系统的功能分析与设计中的 一个重要组成部分。对于控制系统的整体功能要求，可以通过硬件途径、软件 途径或者软硬件结合途径来实现。因此，在正式编写程序之前，首先要站在控 制系统的整体角度上，进行系统功能要求的分配，弄清楚哪些功能是要通过软 件的执行来实现的，即明确应用软件所必须具备的功能。对于一个实用软件， 大体上可以从以下两个方面来考虑： （1） 控制功能。 （2） 自诊断功能。 作为 plc 控制系统，其最基本的要求就是如何通过 plc 对被控对象实现人 们所希望的控制，所以对于以上两方面，控制功能是最基本的，必不可少。对 于一些简单的 plc 控制系统或许仅此功能就可以了，但对于本次自动送料装车 系统的设计远远不够。该系统最主要的功能就是实现物料的自动输送及装载功 能，但怎样实现呢？这就要靠及时准确地控制检测开关、阀门、皮带传输送料 电动机等元器件来实现。但是针对不同的元器件，我们要根据需要设计出不同 的功能。比如用皮带传输送料电动机用于传输物料、用阀门打开与闭合控制物 料的进出等。在进行功能的分析、分配之后，要进行具体功能的设计，对于不 同的 plc 控制系统，其主要依据是根据被控对象和生产工艺要求而定。在该系 统中，设法搞清被控设备（运料小车、皮带传输送料电动机、称重检测装置、 物料检测装置等）的动作时序、控制条件、控制精度等等，做出明确具体的规 定，分析这些规定是否合理、可行。再者就是，要弄清楚，如果电动机出现轴 承损坏;发热;绕组对地及相间短路等故障时，我们应该对其做出相应的保护。 如果经过分析后，认为达不到预期效果（自动传输物料和物料自动装载以及故 障报警显示与处理） ，则要对其进行修订，其中也可能包括与之配合的硬件系统， 直至所有的控制功能都被证明是合理可行为止。 第二部分是自诊断功能。它包括 plc 自身工作状态的自诊断和系统中被控 13 设备工作状态的自诊断两部分。对于前者可利用 plc 自身的一些信息和手段来 完成。而对于后者，则可以通过分析被控设备接收到的控制指令及被控工作的 反馈信息，来判断被控设备的工作状态。例如在本设计中，我们用三个热继电 器 fr1fr3 来实现故障报警及处理。具体表现为当三个传送带 pd1、pd2 和 pd3 中任意一个或多个发生过载时，系统通过不同的信号灯的状态变化实现自动报 警，并通过在程序中控制其它被控对象的运行状态来及时准确的处理相应故障。 3.23.2 程序设计的常用方法程序设计的常用方法 在工程中，对 plc 应用程序的设计有多种方法，这些方法的使用，也因各 个设计人员的技术水平和喜好有较大的差异。现将常用的几种应用程序的设计 方法简要介绍如下。 1. 经验设计法 经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上， 根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于 一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。但是 它没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性，最后得到的结果 也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验的多少有关。 经验设计法的具体步骤如下： （1）确定输入/输出电器； （2）确定输入和输出点的个数、选择 plc 机型、进行 i/o 分配； （3）做出系统动作工程流程图； （4）选择 plc 指令并编写程序； （5）编写其它控制控制要求的程序； （6）将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的 程序。 2. 逻辑设计法 工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器组件来实现的。而继电 器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“0”和“1” 14 两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法法是根据数字电 子技术中的逻辑设计法进行 plc 程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在 得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。因此用逻辑设计法也可以适 用于 plc 应用程序的设计。 3. 顺序控制法 对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法 进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读 性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地 表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。 功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则， 具体如下： （1）步与步之间必须用转移隔开； （2）转移与转移之间必须用步隔开； （3）转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下 或则从左向右。按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭 头。 （4）一个顺序功能图中至少有一个出初始步。 3.33.3 plcplc 程序设计程序设计 根据可编过程控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的 基础上，用相应的编程语言指令，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程 就是程序设计。程序设计要对做一些必要的准备工作，首先要了解系统的概况 形成整体概念。其次熟悉被控对象、编出高质量的程序。再次，充分利用已有 的硬件和软件工具。如果是利用计算机编程，可以大大提高编程的效率和质量。 3.3.1 plc 程序流程图 plc 采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程 序工作过程可用流程图 3-1 表示。由于 plc 的程序执行为循环扫描工作方式， 15 因而与计算机程序框图不同点是，plc 程序框图在进行输出刷新后，再重新开 始输入扫描，循环执行。 16 红红灯灯灭灭 绿绿灯灯亮亮 小小车车进进入入 启启动动 进进料料阀阀门门 料料斗斗满满？ 电电机机m3启启动动 电电机机m2启启动动 电电机机m1启启动动 送送料料阀阀门门 关关闭闭送送料料 阀阀门门 电电动动机机 过过载载？ 装装车车 达达到到小小车车 重重量量 关关闭闭电电机机m2 关关闭闭电电机机m1 小小车车退退出出 红红灯灯灭灭 绿绿灯灯亮亮 关关闭闭送送料料阀阀门门 关关闭闭电电动动机机m3 初初始始状状态态 显显示示故故障障 电电机机 排排除除故故障障 电电机机 延延时时2秒秒 延延时时2秒秒 延延时时2秒秒 延延时时2秒秒 y n y n y n y n y n 图 3-1 plc 控制系统流程图 17 3.3.2 plc 梯形图设计 初始状态：以 y6 接通，其它都处于断开状态。表示小车可以进入。 小车到达：xo 闭合，y0 接通同时 y4 接通，延时 2 秒y1 接通，延时 2 秒， y2 接通。y5 接通，y6 断开。表示小车已经到达。 开始装料：x3 闭合，y4 断开，y3 接通，表示装料中。 装料完毕：x2 闭合，y3 断开同时 y0 断开，延时 2 秒 y1 断开，在延时 2 秒 y2 断开，y5 断开，y6 闭合。表示小车已经装满并且可以离开。 梯形图（一）红绿灯的控制 如梯形图（一）所示，起始状态，红灯 y5 灭，绿灯 y6 亮，此时汽车可以 进来，此时检测开关 x1 接通，红灯亮绿灯灭。 梯形图（二）电动机的顺序启动 如梯形图（二）所示，当启动开关 x0 接通时，电动机 y0、y1、y2 开 始顺序启动，时间间隔为 2 秒。 18 梯形图（三）料斗的检测 如梯形图（三）所示，当电动机 m3 运行后，进料阀门 k1 打开给料斗进 料，料斗满时，料斗检测开关接通，此时进料，阀门 k1 关闭。 梯形图（四）车装满 当运料小车装满后，称重开关 x2 动作，送料阀门 k2 关闭，同时电动 机 m1、m2、m3 顺序停止。 19 梯形图（五）电动机的故障显示 当 3 台电机中的其中一台电动机出现问题时，电机的故障显示和系统中电 机的停止顺序。 20 第第 4 4 章章 软件调试软件调试 4.14.1 软件调试概述软件调试概述 调试是软件开发过程中最艰巨的脑力劳动，调试开始时，软件开发者仅仅 面对着错误的征兆，然而在问题的外部现象和内在原因之间往往并没有明显的 联系，在组成程序的密密麻麻的元素中，每一个都可能是错误的根源。如何能 在浩如烟海的程序元素中找到有错误的那个（或几个）元素，这是调试过程中 最关键的技术问题。本设计中调试的方法主要是设置断点跟踪。使用断点跟踪 可以找到程序的出错位置，缩小查找错误的范围，提高调试的效率。调试的任 务是及时改正测试过程中发现的软件错误。具体地说，调试过程由两个步骤组 成，它从表示程序中存在错误的某迹象开始，首先确定错误的准确位置，也就 是找出哪个模块或哪个语句引起的错误。然后仔细研究推断代码以确定问题的 原因，并设法改正。当然更重要的还是调试的策略。调试的策略主要有以下几 种方法： 1.试探法 调试人员分析错误征兆，猜想故障的大致位置，然后使用调试的技术获取 程序中被怀疑的地方附近的信息。这种策略通常是缓慢而低效的。一般不被采 用。 2.回溯法 回溯法是调试人员检查错误征兆，确定最先发现“症状”的地方，然后人 工沿程序的控制流往回追踪源程序代码，直到找出错误根源或确定故障范围为 止。回溯法对小程序而言是一种比较好的调试策略，但是对于一些大规模的程 序来说，就不适合用此方法了。 3.对分查找法 如果知道每个变量在程序内若干个关键点的正确值，则可以用赋值语句或 输入语句在程序中点附近“注入”这些变量的正确值，然后检查程序的输出。 如果输出结果是正确的，则故障在程序的前半部分；反之，在后半部分。对于 程序中有故障的那部分再重复使用这个方法，直到把故障范围缩小到容易诊断 21 的程度为止。 4. 归纳法 所谓归纳法就是从个别推断一般的方法，这种方法从线索出发，通过分析 这些线索之间的关系而找到故障。 5.演绎法 是从一般原理或前提出发，经过删除和精化的过程推导出结论。用演绎法 调试开始时先列出可能成立的原因或假设，然后依次地排除列举出的原因。最 后，证明剩下的原因是错误的根源。 以上是一些调试策略的介绍，在这些策略中较普遍的调试策略是归纳法和演绎 法。 4.24.2 松下松下 plcplc 专用通信协议简介专用通信协议简介 通信协议是通信双方就如何交换信息所建立的一些规定和过程。 fp1 采用松下电工公司专用通信协议mewtocol，它是 fp 系列 plc 网络 设计的基础。该协议共分为两部分：一是计算机与 plc 之间的命令通信协议 mewtcocol-com。二是 plc 与 plc 之间及 plc 与计算机之间的数据传输协议 mewtocol-data。 mewtocol-data 协议用于分散型工业局域网 h-link、p-link 及 et-lan 中 plc 与 plc 之间及 plc 及与计算机之间的数据传输。这些局域网之间的通信单 元内已配置好符合 mewtocol-data 协议的通信软件，用户只需要在用户程序中 使用专用指令实现数据传输，而不考虑 mewtocol-data 协议的使用，因此，其 详细内用不在叙述。 在 fp 系列 plc 中集成了 6 种通信子网，这就是 et-lan 以太网、p-link 光 纤网、h-link 网络、w-link 网络、f-link(远程 i/o 网络)和 c-net。每种子网 络的构成，都必须配备该种子网络的专用通信模块。但是无论哪种子网，在它 们的应用层都遵守着同一通信协议，及松下电工的专用协议 mewtocol,而不同 子网的底层协议则是各不相同的。除了 c-net 网络外，其它 5 种子昂都可以组 合在一起构成符合网络。 22 4.34.3 plcplc 软件测试软件测试 4.3.1 plc 程序的模拟调试 将设计好的程序写入 plc 后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错 误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按 钮来模拟，各输出量的通/断状态用 plc 上有关的发光二极管来显示，一般不用 接 plc 实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候 用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺 序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定， 即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有 的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步，被驱 动的负载是否发生相应的变化。 在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选 择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不 能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和 plc 中的程序，直到在各种可能的情 况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。 如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以 在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。 4.3.2 plc 程序下载 程序编译完之后，step 7micro/win 32 及 plc 之间的通信关系也成功建 立，此时可向 plc 下载程序，然后收集状态监控或调试程序。step 7micro/win 32 提供了一套工具来调试和监控程序。 1. 选择工作模式 选择菜单栏中的“plc” “运行”或者“plc” “停止”可进入相对的 plc 模式；单击工具栏中的“运行”按钮或“停止”按钮，也可进入相应模式； 还可以手工改变位于 plc 上的开关或在程序内插入停止指令。 23 当 plc 处于停止模式时，可利用图状态或程序状态查看操作数的当前值， 也可以利用图状态或程序状态强迫数值(此操作只在梯形图和功能块图程序状态 中使用)，还可以利用图状态写入数值或写入和强迫输出，执行有限数目的扫描， 通过状态图或程序状态查看影响。在停止模式下，虽然能报告操作数状态，但 plc 无法执行用户程序，达不到预期的控制效果。如果想观察程序状态的连续 更新，需将 plc 转回运行模式。 2. 打开程序状态 选择“排错”菜单中的“程序状态” ，打开输出窗口；或单击调试工具条 中的“程序状态”按钮，短暂停顿后，程序编辑器窗口开始显示状态。如果 作数值等于 1(位打开)，布尔指令(触点、线圈)将被显示成彩色块，非布尔 操作数则以通信速度允许的最快速度显示并更新。 3. 执行有限次扫描 (1)单次扫描 通过指定 plc 运行的扫描次数，可以监控程序在改变进程变量时的情况。 plc 不支持对运行模式执行循环次数。任何时候 plc 从停止模式进入运行模式， 该扫描的第一扫描位(sm0.1)将被激活。由于 plc 执行的速度很快，从程序状态 很难监控到此位的变化，因此可以使用“单次扫描”命令，它使 plc 从停止模 式转变成运行模式。执行单个扫描，然后再转回停止模式。由于 plc 只执行一 次扫描，与第一扫描逻辑相关的状态信息不会消失，因此可以查看此信息，进 而监控程序。 可在程序编辑器窗口显示要监控的程序部分，确定打开程序状态，将 plc 置于停止模式，使用“单次扫描”命令。 (2)多次扫描 单次扫描并不能完全收集系统连续执行时系统状态信息的变化，需要连续 或间断地收集状态信息。可以指定 plc 执行有限次的程序扫描(从 1 次扫描至 65 355 次扫描)。当 plc 处于停止模式时，可利用多次扫描特征查看一次或多 次扫描。确定 plc 为停止模式后，选择菜单栏中的“排错” “多次扫描” ，出现 执行扫描对话矿，如图？所示。在执行扫描对话框中输入所要进行的扫描次数， 单击“确认”按钮。 24 (3)程序保存 当然，要想使自己所编写保密，也可以对其进行保密设置。选择“文件” 菜单中的“设置密码” ，打开用密码保护本窗口，在“密码”及“验证”框 中输入相应的密码和验证码即可。当然，若不想对自己的程序进行保密设置， 就在“密码”及“验证”框中不输入任何数值。选择“文件”菜单中的“保存” 选项，之后选择“退出”选项，在出现的项目保存框中选择“是”即可。 25 第第 5 5 章章 总结总结 5.15.1 全文总结全文总结 该物料自动控制系统经过调试和运行，其生产物料自动配送能力可以满足 各种产品的生产需求，可以满足相关物流公司的设备和生产的高水平和高效率 运转的。在现代工业控制中，该系统犹如不知疲惫的搬运工，严格按照程序指 令连续不断地进行物料输送。该系统的投入使企业彻底抛弃了手工操作，配料 方式进入科学数据化生产，个人也从粉尘、噪音等恶劣的劳动环境中解脱出来。 不仅如此，稳定的高质量的配料更带来了产品质量的提高。系统投入后，产品 密度、假比重等主要技术指标有较大提高，所以，物流自动控制系统在生产制 造和加工领域里，尤其是在大规模、高效率、连续生产的物流公司