毕业设计（论文）-天塔之光PLC控制系统设计.doc

湖南网络工程职业学院HUNAN NETWORK ENGINEERING COLLEGE第一部分 毕业设计开题报告题 目 天塔之光PLC控制系统设计 专 业 机电一体化 班 级 12级机电一体化班 学生姓名 指导教师 二0一四年 十一月湖南网络工程职业学院毕业设计开题报告书 机电工程 系 机电一体化 专业学生姓名班级机电一体化班学号课题名称天塔之光PLC控制系统设计课题简介该课题主要是利用可编程序控制器应用技术，实现对天塔之光电气控制线路的改造。其目的是培养学生利用可编程序控制器解决生产、生活中的实际问题对提高学生设计能力、动手能力和工程实践技能有较重要的意义。学生应具备电路分析、电子技术、电子CAD、电气控制技术以及可编程序控制器原理及应用等方面的相关知识，掌握梯形图、单、双流程图等电路设计知识及相应助记符、步进控制指令等编程语言，熟悉可编程控制电路的连接、程序编写、输入、修改及调试等。课题任务要求一、毕业设计（论文）的内容概述：天塔之光是灯光的闪耀移位及时序的变化等组合而成。控制要求不同灯光组合点亮以及组合间的转换循环完成。采用硬件电路和程序控制来进行改造完成上述功能。二、毕业设计（论文）的要求：1、写出天塔之光的功能分析2、按控制功能完成I/O口地址分配表的编写3、完成PLC的I/O口的连线4、按控制要求绘制梯形图，并调试三、毕业设计（论文）应完成的工作：1、应有详细的设计方案、控制电路、控制程序及分析说明2、应按计划完成相应的任务3、应按要求写好设计论文进程安排第一周：根据课题找好相关资料，加深对课题的理解为后续工作做准备第二周：对所需设备资料进行整合第三周：写好设计的主要部分如硬件设计，程序设计等第四周：按要求完成设计论文参考文献【1】赵春生主编.可编程序控制器应用技术M.第二版.北京：人民邮电出版社，2012.【2】周劲松、刘峥、李德尧等.机电一体化技术M.长沙：湖南大学出版社，2011（2012重印）【3】田淑珍主编.可编程控制器原理及应用M.北京：机械工业出版社，2005.7（2013.1 重印）【4】蒋慧平、李忠信、陈国彬主编.计算机应用基础M.南京：江苏教育出版社，2012.8【5】王谟金、刘小群、文颖编著.AutoCAD2005（中文版）机械制图与实训教程M.北京：机械工业出版社（2012.7 重印）指导教师意见 签名：年 月 日24第二部分 毕业论文天塔之光PLC控制系统设计二0一四年 十一月摘要随着计算机技术在工业控制方面的迅速发展，以可编程序控制器（PLC）为主体的新型电气控制系统已基本取代了传动的继电器控制系统。本次设计天塔之光采用的是西门子S7-200系列可编程序控制器，需要2个输入点，9个输出点，经过比较选用CPU224型PLC主机。其输出可满足本次设计的需求。程序梯形图主要使用移位寄存器指令（SHRB）实现。关键字：CPU224型、移位寄存器指令目录摘要6第一章 设计任务81.1 课题背景81.2 控制要求8第二章 主要设备资源介绍102.1 可编程序控制器技术102.2 西门子S7-200系列可编程序控制器介绍112.3 CPU224型PLC132.3.1 CPU224型PLC的外形及端子介绍132.3.2 CPU224型PLC的结构及性能指标172.3.3 PLC的CPU工作方式17第三章 程序及硬件设计193.1 控制要求分析193.2 I/O地址分配表203.3 PLC的I/O口的连线213.4 移位寄存器的位与输出对应关系223.5 程序指令23第四章 设备选型和采购26致谢27参考文献28第一章 设计任务1.1 课题背景随着科学技术的的不断提高，社会经济的不断发展，人们对城市的装束有了很大的变化。在城市的夜晚，大街小巷都布满了五颜六色的彩灯，给原来萧条的城市带来了气息和活力，给人们的视觉很大的冲击，有的地方将彩灯很好的配置安装在城市主要建筑物上，使之绚丽多彩，更加吸引人的眼球，有的则利用彩灯装扮城市，给当地的城市带来了丰富的旅游资源。1.2 控制要求如图1所示的天塔的灯光，可以用PLC控制灯光的闪耀移位及时序变化等。控制要求如下：按启动按钮，L12L11L10L8L1L1、L2、L9L1、L5、L8L1、L4、L7L1、L3、L6L1L2、L3、L4、L5L6、L7、L8、L9L1、L2、L6L1、L3、L7L1、L4、L8L1、L5、L9L1、L2、L3、L4、L5L6、L7、L8、L9L12、L11、L10.循环下去，直至按下停止按钮。图1 天塔之光控制示意图第二章 主要设备资源介绍2.1 可编程序控制器技术本次设计的主要是利用可编程序控制器技术实现天塔之光的控制系统。可编程序控制器（简称PLC）是综合应用计算机技术、自动控制技术和通信技术的工业自动化控制装置，目前广泛应用于各类工业控制设备。PLC的控制功能是通过用户程序实现的，用来编写用户程序的指令可分为基本指令、顺序指令和功能指令三大类，其中基本指令构成的程序梯形图类似于继电器控制系统的电原理图、熟悉电气控制线路的人员比较容易理解和掌握程序梯形图。基本指令通常包括取指令、触点串联/并联指令、线圈输出指令、置位/复位指令、定时器、计算器应用指令等。由PLC组成的控制系统与继电器控制系统相比较，具有以下特点：1. PLC控制系统硬件结构简单继电器控制逻辑是由大量的物理继电器连线组成，结构复杂。而PLC控制逻辑是由程序（软继电器）组成，取消了大量的中间继电器和时间继电器等控制器件，同时也大大简化了硬件接线。2. PLC的控制逻辑更改方便要改变继电器控制逻辑必须重新接线，工作量很大，因此有的用户宁愿拆除旧的控制柜而另外新作一个电气控制柜；而修改PLC的控制逻辑只需要重新编写和下载程序即可。3. 系统稳定维护方便PLC性能指标高，抗干扰性强，能在工业生产环境下长期稳定的工作，据统计，PLC控制系统的电气故障仅为相应功能的继电器控制系统的5%。当电路发生故障时，可根据PLC输入/输出端口的LED显示来判断产生故障的部位，以便迅速的排除故障。2.2 西门子S7-200系列可编程序控制器介绍西门子S7系列可编程序控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程序控制器系统。S7-200系列可编程序控制器有CPU21X系列和CPUC22X系列，其中CPU22X型可编程序控制器提供了4个不同的基本型号，分别为CPU221、CPU222、CPU224和CPU226。小型PLC中，CPU221价格低廉，能满足多种集成功能的需要。CPU222是S7-200家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。CPU224具有更多的输入输出点及更大的储存器。CPU226和226M是功能最强的单元，可以完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。4种型号的PLC具有下列特点：（1）集成的24V电源。可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU221和CPU222具有180mA输出。CPU224输出280mA，CPU226、CPU22XM输出400mA可用负载电源。（2）高脉冲输出。具有2路高脉冲输出端，输出脉冲频率可达20kHz，用于控制步进电机或伺服电动机，实现定位任务。（3）通信口。CPU221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。CPU226、CPU226XM具有2个RS-485通信口。支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。（4）模拟电位器。CPU221/CPU222有一个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预制值，过程量的控制参数。（5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。（6）EEPROM存储器模块（选件）。可作为修改个和复制程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。（7）电池模块。用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5天。选用电池模块可延长存储时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。（8）不同的设备类型。CPU221226各有2中类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。（9）数字量输入/输出点。CPU221具有6个输入点和4个输出点：CPU222具有8个输出点和6个输出点；CPU224具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM具有24个输入点和16个输出点。CPU22X主机的输入点为24V直流双向光耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型。（10）高速计数器。CPU221/222有4个30kHz高速计数器，CPU224/226/226/226XM有6个30kHz的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。2.3 CPU224型PLC 2.3.1 CPU224型PLC的外形及端子介绍1. CPU224型PLC的外形CPU224型PLC外型如图2-1所示，其输入、输出、CPUC、电源模块均装设在一个基本单元的机壳内，是典型的整体式结构。当系统需要扩展时，选用需要扩展的模块与基本单元连接。图2-1 S7-200PLC外型底部端子盖下是输入量的接线端子和为传感器提供的24V直流电源端子。基本单元前盖下有工作模式选择开关、电位器和扩展I/O连接器，通过扁平电缆可以连接扩展I/O模块。西门子整体式PLC配有许多扩展模块，如数字量的I/O扩展模块、模拟量的I/O扩展模块、热电偶模块、通信模块等，用户可以根据需要选用，让PLC的功能更强大。2. CPU224型PLC端子介绍（1）基本输入端子。CPU224的主机共有14个输入点（I0.0I0.7、I1.0I1.5）和10个输出点（Q0.0Q0.7，Q1.0Q1.1），在编写端子代码时采用八进制，没有0.8和0.9。CPU224输入电路参见图2-2，它采用了双向光电耦合器，24V直流极性可任意选择，系统设置1M为输入端子（I0.0I0.7）的公共端，2M为（I1.0I1.5）输入端子的公共端。图2-2 S7-200PLC外型（2）基本输出端子。CPU224的10个输出端参见图2-3，Q0.0Q0.4共用1M和1L公共端，Q0.5Q1.1共用2M和2L公共端，在公共端上需要用户连接适当的电源，为PLC的负载服务。图2-3 PLC晶体管输出端子CPU224的输出电路有晶体管输出电路和继电器输出两种供用户选用。在晶体管输出电路中（型号为6ES7 214-1AD21-0XB0）中，PLC由24V直流供电，负载采用了MOSFET功率驱动器件，所以只能用直流为负载供电。输出端将数字量输出分为两组，每组有一个公共端，共有1L，2L两个公共端，可接入不同电压等级的负载电源。在继电器输出电路中（型号为6ES7 212-1BB21-0XB0），PLC由220V交流电源供电，负载采用了继电器驱动，所以既可以选用直流为负载供电，也可以采用交流为负载供电。在继电器输出电路中，数字量输出分为三组，每组的公共端为本组的电源供给端，Q0.0Q0.3共用1L，Q0.4Q0.6共用2L，Q0.7Q1.1共用3L，各组之间可接入不同电压等级、不同电压性质的负载电源。如图2-4所示。图2-4 继电器输出形式PLC输出端子（3）高速反应性。CPU224 PLC有6个高速计数脉冲输入端（I0.0I0.5），最快的响应速度为30KHz用于捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号.CPU224 PLC 有2个高速脉冲输出端（Q0.0，Q0.1），输出频率可达20KHz，用于PTO （高速脉冲束）和PWM（宽度可变脉冲输出）高速脉冲输出。（4）模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（SM28，SM29）中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。 （5）存储卡。该卡位可以选择安装扩展卡。扩展卡有EEPROM存储卡，电池和时钟卡等模块。存储卡用于用户程序的拷贝复制。在PLC通电后插此卡，通过操作可将PLC中的程序装载到存储卡。当卡已经插在基本单元上，PLC通电后不需任何操作，卡上的用户程序数据会自动拷贝在PLC中。利用这一功能，可对无数台实现同样控制功能的CPU22X系列进行程序写入。注意：每次通电就写入一次，所以在PLC运行时，不要插入此卡。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190小时，而使用电池模块数据存储时间可达200天。2.3.2 CPU224型PLC的结构及性能指标CPU224型可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成，如图2-5所示。图2-5 可编程序控制器结构CPU224型可编程控制器有两种，一种是CPU 224 AC/DC/继电器，交流输入电源，提供24V直流给外部元件（如传感器等），继电器方式输出，14点输入，10点输出；一种是CPU 224 DC/DC/DC，直流24V输入电源，提供24V直流给外部元件（如传感器等），半导体元件直流方式输出，14点输入，10点输出。用户可根据需要选用。2.3.3 PLC的CPU工作方式1. CPU的工作方式 CPU前面板上用两个发光二极管显示当前工作方式，绿色指示灯亮，表示为运行状态，红色指示灯亮，表示为停止状态，在标有SF指示灯亮时表示系统故障，PLC停止工作。 （1）STOP（停止）。CPU在停止工作方式时，不执行程序，此时可以通过编程装置向PLC装载程序或进行系统设置，在程序编辑、上下载等处理过程中，必须把CPU置于STOP方式。 （2）RUN（运行）。CPU在RUN工作方式下，PLC按照自己的工作方式运行用户程序。 2. 改变工作方式的方法（1）用工作方式开关改变工作方式。工作方式开关有3个挡位：STOP、TERM（Terminal）、RUN。 1）把方式开关切到STOP位，可以停止程序的执行。 2）把方式开关切到RUN位，可以起动程序的执行。 3）把方式开切到TERM（暂态）或RUN位，允许STEP7- Micro/WIN32软件设置CPU工作状态。 如果工作方式开关设为STOP或TERM，电源上电时，CPU自动进入STOP工作状态。 设置为RUN时，电源上电时，CPU自动进入RUN工作状态。（2）用编程软件改变工作方式。把方式开关切换到TERM（暂态），可以使用STEP 7-Micro/WIN32编程软件设置工作方式。（3）在程序中用指令改变工作方式。在程序中插入一个STOP指令，CPU可由RUN方式进入STOP工作方式。第三章 程序及硬件设计3.1 控制要求分析根据控制要求，需要2个输入点分别控制启动和停止，12个输出点控制12个灯光。灯光闪亮移位分为19步，可指定一个19位的移位寄存器（.M10.1M10.7，M11.0M11.7，M12.0M12.3），移位寄存器的每一步对应一步。而对于输出，如：L1（Q0.0）分别在“5、6、7、8、9、10、13、14、15、16、17”步时被点亮，其对应的移位寄存器位“M10.5、M10.6、M10.7、M11.0、M11.2、M11.5、M11.6、M12.0、M12.1”置位为1时，Q0.0的置位为1，所以需要将这些位所对应的常开触点并联后输出Q0.0，其他的输出以此类推。3.2 I/O地址分配表天塔之光输入/输出端口分配表输入输出输入端子输入元件控制功能输出端子输出原件控制功能I0.0SB0启动Q0.0L1灯光亮起I0.1SB1停止Q0.1L2Q0.2L3Q0.3L4Q0.4L5Q0.5L6Q0.6L7Q0.7L8Q1.0L9Q1.1L10Q1.2L11Q1.3L123.3 PLC的I/O口的连线天塔之光控制线路3.4 移位寄存器的位与输出对应关系S-BIT19位M10.0M10.1M10.2M10.3M10.4M10.5M10.6M10.7M11.0M11.1M11.2M11.3M11.4M11.5M11.6M11.7M12.0M12.1M12.2M12.3L12L11L10L8L1L1、L2、L9L1、L5、L8L1、L4、L7L1、L3、L6L1L2、L3、L4、L5L6、L7、L8、L9L1、L2、L6L1、L3、L7L1、L4、L8L1、L5、L9L1L2、L3、L4、L5L6、L7、L8、L9DATA移位寄存器位与输出关系图3.5 程序指令TITLE=天塔之光Network 1 / 启动&停止，M0.1置位为1时后面的程序才能运行LD I0.0O M0.1AN I0.1= M0.1Network 2 / T37构成0.5s产生一个机器扫描周期脉冲的脉冲发生器，通过置位M0.0传输到移位寄存器中的EN，使移位寄存器0.5s移动一位LD M0.1AN M0.0TON T37, 5Network 3 LD T37= M0.0Network 4 / T38计时1s，在启动后使M1.0置位1s，作用于M10.0LD M0.1TON T38, 10AN T38= M1.0Network 5 LD M1.0O M0.2= M10.0Network 6 / 第十九个脉冲到来时M12.3置位1，同时串联的M0.2置位1，并且与M1.0并联的M0.2常开触点使M10.0置位为1，持续0.5sLD M12.3TON T39, 5AN T39= M0.2Network 7 / 19位的移位寄存器LD M0.0SHRB M10.0, M10.1, +19Network 8 / 网络8-19移位寄存器每一位对应一步LD M10.5O M10.6O M10.7O M11.0O M11.1O M11.2O M11.5O M11.6O M11.7O M12.0O M12.1= Q0.0Network 9 LD M10.6O M11.3O M11.5O M12.2= Q0.1Network 10 LD M11.1O M11.3O M11.6O M12.2= Q0.2Network 11 LD M11.0O M11.3O M11.7O M12.2= Q0.3Network 12 LD M10.7O M11.3O M12.0O M12.2= Q0.4Network 13 LD M11.1O M11.4O M11.5O M12.3= Q0.5Network 14 LD M11.0O M11.4O M11.6O M12.3= Q0.6Network 15 LD M10.4O M10.7O M11.4O M11.7O M12.3= Q0