《LC课程设计》word版.docx

沈阳理工大学课程设计目录一 可编控制器的概述11.1 PLC的产生与发展11.1.1 PLC的定义11.1.2 PLC的发展和应用领域11.1.3 PLC的特点11.2 PLC的组成及工作原理21.2.1 PLC的组成21.2.2 PLC的工作原理2二 S7200-PLC控制系统32.1 S7200系列PLC的硬件系统32.1.1 S7200系列PLC系统基本构成32.1.2 CPU模块32.1.3 扩展模块52.2 S7200系列PLC的编程元件6三 硬件设计73.1 控制要求73.1.1 生产工艺过程73.1.2 设计要求73.2 选择PLC型号83.3 系统设计流程示意图83.4 I/O分配表93.5 I/O接线图9四 软件设计104.1 设计梯形图104.2 设计语句表12五 调试14六 结束语15七 参考文献1617一 可编控制器的概述1.1 PLC的产生与发展1.1.1 PLC的定义1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。 可编程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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应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设计。1.1.2 PLC的发展和应用领域1988年全世界总销售量达370亿美元。年产量150万台，目前世界上先进工业国家。PLC已成为工业控制的标准设备。它的应用几乎覆盖了所有的工业、企业。 近10年，我国的PLC研制，生产、发展很快、上海宝钢第一期工程，采用了250台。第二期采用了108台，获得了令人瞩目的经济效益和社会效益。PLC应用越来越广泛，工业自动化程序提高一个新水平。目前，PLC在国内外已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。从PLC应用类型看，大致可归纳为以下几个方面：开关量逻辑控制、运动控制、过程控制（PID闭环控制）、数据处理、通信联网(构成DCS、FCS系统)。1.1.3 PLC的特点1可靠性高、抗干扰的主要措施之一。输入输出接口电路采用光电耦合器来传递信号。使外部电路和内部电路之间避免电的联系。2编程简单、使用方便、控制程序可变。3采用自然语言：梯形图4功能完善、扩充方便、组合灵活、实用性强。5体积小、重量轻、功耗低。1.2 PLC的组成及工作原理1.2.1 PLC的组成PLC的基本组成包括硬件与软件两部分：PLC的硬件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等；PLC的软件：系统程序和用户程序。1.2.2 PLC的工作原理当PLC运行时，需要进行众多的操作而PLC的CPU不可能同时去执行多个操作，每一刻只能执行一个操作。解决的办法：采用分时操作原理。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。这种分时操作的方法称为扫描工作方式。扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复进行。 集中采样：在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC进入程序处理阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行重新采样。集中输出：在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出处理阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。二 S7200-PLC控制系统2.1 S7200系列PLC的硬件系统 2.1.1 S7200系列PLC系统基本构成SIMATIC S7200硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的本机I/O，同时还可以扩展各种功能模块。一个完整的PLC系统如图2.1所示。 图2.1一个完整的PLC系统CPU模块又称为主机是系统的核心，它包括CPU、存储器、基本输入输出点和电源等。它实际就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。 主机I/O数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是由多种因素共同决定的。当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可扩展特殊功能模块，以完成某种特殊的控制任务。利用网络接口，可以充分和方便地利用为SIMATICS7200系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。所有以上这些硬件设备，都在一个统一的工业软件平台上编程和运行，为了更好地管理和使用这些设备，S7200PLC配备了许多功能强大的专用功能指令，方便地实现各种控制目的。2.1.2 CPU模块S7200CPU模块包括一个中央处理单元、存储器、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输人部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，控制工业过程中的设备。从CPU模块的功能来看，SIMATICS7200系列小型可编程序控制器发展至今，经历了两代：第一代产品的CPU模块为CPU 21*，现已停产。第二代产品的CPU模块为CPU 22*，是在21世纪初投放市场的。其速度快，具有极强的通讯能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元。 (1) CPU 221 CPU 221具有6输入/4输出，共计10个点的I/O，无扩展能力，有6 KB程序和数据存储空间。还具有4个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出端，1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯方式。非常适合于小点数的控制系统。 (2) CPU 222 CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同点在于：它有8输人/6输出，共计14点I/O。可以带两个扩展模块，最多扩展8路模拟量和64个I/O，因此是更广泛的全功能控制器。 (3) CPU 224 它在CPU 222的基础上使主机的输入输出点数增为24点，有14输入/10输出，可以带7个扩展模块，最大可扩展为168点数字量或者35点模拟量的输入和输出；存储容量也进一步增加，有内置时钟，还增加了一些数学指令和高速计数器的数量，具有较强的控制能力。 (4) CPU 226 这种模块在CPU 224的基础上功能又进一步增强，有24输入/16输出，主机输入和输出点数增到40点，最大可扩展为248点数字量或35点模拟量；增加了通讯口的数量，通讯能力大大增强；它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。 现在西门子公司新推出了一种增强型的CPU 226XM，它在用户程序存储容量上扩大到8K字，其他指标和CPU 226相同。 每一款主机模块上都集成了24V直流电源，可以直接用于连接传感器和执行机构。利用EEPROM存储存储程序和配置信息。用户数据可通过主机的超级电容存储若干天，电池模块可选，可使数据的存储时间延长到200天。可以用普通输入端子捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号，利用中断输入，允许以极快的速度对信号的上升沿做出响应。速度为30 kHz的高速计数器可以编程，并具有复位输入端，多个独立的输入端，可同时用作加减计数，可以连接相应数量的相位差为90度的A/B相增量编码器。2路最大可达20kHz的高频脉冲输出，可用以驱动步进电机和伺服电机以实现准确定位任务。可以用模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值，可以即时更改程序运行中的一些参数，如定时/计数器的设定值、过程量的控制参数等。实时时钟可用以对信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。2.1.3 扩展模块输入和输出点是系统与被控制对象的连接点。用户可以使用主机I/O和扩展I/O。S7200系列CPU提供一定数量的主机数字量I/O点，但在主机点数不够的情况下，就必须使用扩展模块的I/O点。有时需要完成过程量控制时，可以扩展模拟量的输入/输出模块。当需要完成某些特殊功能的控制任务时，S7200主机可以扩展特殊功能模块。所以S7200扩展模块包括数字量输入/输出扩展模块、模拟量输入/输出扩展模块和功能扩展模块。典型的输入/输出模块和特殊功能模块有：（1）数字量I/O扩展模块 S7200PLC系列目前总共可以提供几类数字量输入/输出扩展模块：输入扩展模块EM221有三种：8点DC24V输入；16点DC24V输入；8点光电隔离输入，交直流通用，可直接输入交流220V。输出扩展模块EM222有五种：4点DC24V输出；4点继电器输出；8点DC24V输出，8点继电器输出；8点光电隔离晶闸管输出。输入/输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点、8点、16点输入/4点、8点、16点输出的各种组合，三种为DC24V输出，另三种为继电器输出。（2）模拟量I/O扩展模块模拟量输入扩展模块EM231有3种：4路模拟量输入，输入量程可配置为420mA、05V、010V、5V或10V等；2路热电阻输入；4路热电偶输入。12位精度。模拟量输出扩展模块EM232：具有2路模拟量输出。12位精度。模拟量输入/输出扩展模块EM235：具有4路模拟量输入和1路模拟量输出（占用2路输出地址）。12位精度。 （3）功能扩展模块功能扩展模块有EM253位置控制模块、EM277 PROFIBUS-DP模块、EM241调制解调器模块、CP243-1以太网模块和CP243-2 AS-i接口模块等。扩展模块时，通过CPU模块和扩展模块上的扩展电缆把各个扩展模块依次串接起来，形成一个扩展链。在进行最大I/O配置的预算时要考虑以下几个因素的限制：允许的扩展模块数、映像寄存器的数量、CPU为扩展模块所能提供的最大电流和每种扩展模块消耗的电流PLC通过程序的运行实施控制的过程其实质就是对存储器中数据进行操作或处理的过程，根据使用功能的不同，把存储器分为若干个区域和种类，这些由用户使用的每一个内部存储单元统称为软元件。各元件有其不同的功能，有固定的地址。软元件的数量决定了可编程控制器的规模和数据处理能力，每一种PLC的软元件是有限的。为了理解方便，把PLC内部许多位地址空间的软元件定义为内部继电器（软继电器）。但要注意把这种继电器与传统电气控制电路中的继电器区别开来，这些软继电器的最大特点就是其线圈的通断实质就是其对应存储器位的置位与复位，在电路（梯形图）中使用其触点实质就是对其所对应的存储器位的读操作，因此其触点可以无限次的使用。编程时，用户只需要记住软元件的地址即可。每一软元件都有一个地址与之一一对应，其中软继电器的地址编排采用区域号加区域内编号的方式。即PLC内部根据软元件的功能不同，分成了许多区域，如输入/输出继电器、辅助继电器、定时器区、计数器区、顺序控制继电器、特殊标志继电器区等，分别用I、Q、M、T、C、S、SM等来表示。 2.2 S7200系列PLC的编程元件数字量输入继电器（I）；数字量输出继电器（Q）；通用辅助继电器（M）；特殊标志继电器（SM）；变量存储器（V）；局部变量存储器（L）；顺序控制继电器（S）；定时器（T）计数器（C）；模拟量输入映像寄存器(AI)；模拟量输出映像寄存器(AQ)；高速计数器(HC累加器(AC)。三 硬件设计3.1 控制要求3.1.1 生产工艺过程使用移位寄存器指令，可以大大简化程序设计。移位寄存器指令所描述的操作过程如下在输入端输入一串脉冲信号，在移位脉冲作用下，脉冲信号依次移位到各个寄存器的内部继电器中，并将这些内部继电器的状态输出，每个内部继电器可在不同的时间内得到由输入端输入的一串脉冲信号。每一个脉冲信号就是控制步进电机运行的一步。图3.1 步进电机控制的模拟示意图3.1.2 设计要求按下启动按钮后，按以下规律显示ABCDABCD循环，A,B,C,D表示控制步进电机运行的一步运行的脉冲信号，每个灯隔0.2秒亮一次，直至停止。3.2 选择PLC型号CPU 226 这种模块在CPU 224的基础上功能又进一步增强，有24输入/16输出，主机输入和输出点数增到40点，最大可扩展为248点数字量或35点模拟量；增加了通讯口的数量，通讯能力大大增强；它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。配备PLC与PC通信的MPI卡专用通信电缆。 3.3 系统设计流程示意图程序开始 按下启动按钮I0.0步进电机开始工作0.1秒步进信号一步A指示灯Q0.0亮0.2秒步进信号一步B指示灯Q0.1亮，Q0.0灭0.2秒步进信号一步C指示灯Q0.2亮，Q0.1灭0.2秒步进信号一步D指示灯Q0.3亮，Q0.2灭0.2秒步进信号一步A指示灯Q0.0亮，Q0.3灭如此A,B,C,D四个灯依次循环点亮，每个灯亮一次代表步进电机前进一步，直至发出停止命令图3.2 设计流程图3.4 I/O分配表表3-1 I/O分配表输入起/停SB1I0.0输出ABCDQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3（启动开关与LED数码显示的共用）3.5 I/O接线图图3.3 I/O接线图四 软件设计4.1 设计梯形图4.2 设计语句表网络1：LD T40 载入T40EU 上升沿SHRB M0.0, M20.0, +4 移位，每来一个脉冲把M0.0中值往M20.0中移位，共四步至M20.3网络2：LD M20.4 载入M20.4ON I0.0 与I0.0常闭点或运算R M20.0, 4 M20.0开始到M20.3的四位复位操作网络3：LD M20.3 载入M20.3ON I0.0 与I0.0常闭点或运算R M0.1, 1 M0.1复位网络4：LD M20.0 载入M20.0S M0.1, 1 M0.1置位 网络5：LD I0.0 载入I0.0AN M0.1 与M0.1常闭点与运算= M0.0 与运算的结果作为M0.0的输出网络6：LD I0.0 载入I0.0AN T41 与T41常闭点与运算TON T40, +1 上电延时0.1秒接通网络7：LD T40 载入T40TON T41, +1 上电延时0.1秒接通网络8：LD M20.0 载入M20.0= Q0.0 Q0.0得电输出网络9：LD M20.1 载入M20.1= Q0.1 Q0.1得电输出网络10：LD M20.2 载入M20.2= Q0.2 Q0.2得电输出网络11：LD M20.3 载入M20.3= Q0.3 Q0.3得电输出五 调