基于PLC的电液伺服控制系统设计

沈阳工程学院毕业设计 I 摘 要 电液伺服系统融合了电气和电液两个方面的优点 具体来说有对系统反应 很敏捷 很强大的精准控制 再输出端的功数值相当高 在处理系统送来的相 应相当快 非常善于反馈各种参数控制量 在综合了上述的优点后它在对需求 速度核装载量大的对象时候更能发挥他的特长 在各种形式的恶劣环境中均有 着不同的应用 比如说在军事上的应用 航空航天上的应用 钢铁电力行业的 应用 制造加工业的应用 各种飞机车里的模拟台的控制 电炉冶炼的电极位 置的控制以及各种实验机的压力的控制 机械手运动伺服系统是隶属于电液控制系统的一类 他将小液压功率转换 为大功率的液压信号 早些年代的机械手伺服系统是一起执行所有的命令 这 样对机器的性能往往会有所限制 因为 PLC 是周期性循环扫描方式 每一瞬间 就只能专心做一件事 同时使得运算速度特别快 让他与外部电器动作几乎同 步 实现控制上的要求 西门子 S7 200 具有模块化的结构 容易实现分布式的配置 同时具有很高 电磁兼容特点 因此被广泛的应用 本次设计采用 S7 200 PLC 选用紫金桥软 件作为上位机 实现对电液伺服控制系统的模拟 关键词 电液伺服系统 机械手 S7 200 紫金桥 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 Abstact Electro hydraulic servo system integrated the advantages of the two aspects of electrical and electro hydraulic with high control precision fast response large output power signal processing flexibility easy to achieve the feedback of various parameters etc Therefore in the load quality and response speed of occasions the most suitable for its application has been throughout all areas of the national economy such as control the position of the aircraft and ship steering control radar and gun control machine tool industry and trade and Taiwan strip of rolling mill thickness control electric furnace electrode position control aircraft of various vehicles in the simulation table control the generator speed control material testing machine and other experimental machine pressure control Belonging to the motion of the manipulator servo system of electro hydraulic control system he will be small power conversion for high power hydraulic signal and previous manipulator servo system is to execute all orders together so on the machine s performance will limit PLC cycle scanning mode each moment concentrate on doing one thing while the calculation speed is very fast makes him almost simultaneous with the action of external appliances achieve control requirements SIEMENS S7 200 modular structure easy to implement distributed configuration and cost effective strong electromagnetic compatibility characteristics is widely used The S7 200 is used as the upper computer and the simulation is carried out on the purple bridge to realize the simulation of electro hydraulic servo control system Key words electro hydraulic servo system manipulator S7 200 purple bridge 沈阳工程学院毕业设计 I 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 目录 摘 要 I Abstact II 1 绪论 1 1 1 课题背景及选题意义 2 1 2 国内发展的趋势 2 1 2 1 我国的发展的初始阶段 2 1 2 2 我国发展的势头 3 1 3 本课题研究的内容 3 2 电液伺服系统的基本原理 3 2 1 电液伺服控制系统的简介 4 2 2 电液伺服系统的概述 4 2 2 1 电液伺服阀驱动电路 5 2 2 2 电液伺服阀电流的显示电路 5 2 3 传感器的调节电路 5 2 3 1 系统模型 5 2 3 2 硬件的系统 6 2 3 3 软件的系统 6 3 系统的设计 8 3 1 PID 的概述 8 3 2 调节器控制的规律 9 4 控制设备及软件原理 11 4 1 PLC 概述 11 4 1 1 PLC 的定义 11 4 1 2 PLC 的特点 11 4 1 3 PLC 的应用与发展 12 4 2 PLC 的基本结构及工作原理 12 4 2 1 PLC 的基本结构 12 4 2 2 PLC 工作的原理 14 4 2 3 可编程控制器的编程原则和方法 16 4 3 监控软件的构成及功能 16 4 3 1 监控软件的用途及分类 16 4 3 2 紫金桥软件的功能及基本使用方法 17 5 电液伺服系统的应用 19 5 1 设计思路 19 5 2 点设置 19 5 3 电气接线图 20 5 4 梯形图的实现 20 5 5 I O 点的分配 28 5 6 调试运行 29 结论 32 致 谢 33 沈阳工程学院毕业设计 I 参考文献 34 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 0 1 绪论 1 1 课题背景及选题意义 机械手是现代工业化自动控制中涌现出来的的一项新工艺 已经成为工业 现代化制造的一项重要组成部分 它能够代替人类进行工作作业 按照一定的 工艺要求工作 大大的改善了人类在恶劣环境下的劳动 越来越受到整个国际 的重视 在高温 高压 粉尘 噪声等场所更为广泛应用 本文研究的是基于 PLC 的电液伺服控制系统 电液控制系统依靠低廉的价 格 被得意应用到各行各业中 我们在 PLC 的实验室中运用进行紫金桥模拟仿 真的方法对机械手进行研究 全面的考查分析并模拟机械手能否满足需求 随 着工业自动化发展的进程不断加深 机械手在世界范围内得以广泛的应用 因 而对机械手的控制要求就越来越高 我利用在大学期间所学习的可编程控制器 PLC 设计 可以使的它的运行可靠性增强 故障率降低 取得更好的成果 这个设计是我们在学校中最后一个作业是一份特别具体严谨的设计 他可 以将我们在大学整个学习生涯的所有知识都融为一体 将书本上的知识与课程 设计和实训中结合起来 在我看来更是对整个学习生涯的一个升华 为我们日 后在工作岗位上打好一个基础 为日后的工作奠定一个良好的基调 1 2 国内发展的趋势 电液伺服系统是一种由液压动力的机构和电信号的处理装置组成的控制反 馈系统 它优点很多 突出的特点有精度高输出 反应速度很快 功率大等 所以在各行各业均起到了各种作用 人们使用水利可以追溯到很久远的年代 可是液压发展其实只是在最近些年才开始兴起的 液压伺服进入到了电液伺服 时代是伴随着电液伺服的诞生而兴起的 电液伺服技术是实现动态高周疲劳 静态恒变速形速率 程控疲劳及第周疲劳模拟各种仿真的好方法 1 2 1 我国的发展的初始阶段 我国是从上世纪 70 年代开始研究电液伺服系统的的 我国的各大试验厂商 纷纷开始研制 大概分为两个发展阶段自主发展和国外合作发展 进入了 20 世 纪之后 随着改革开放的步伐加快 国内各大厂商与国际的联系更加紧密 长 春试验所在 1989 年首先与美国 mts 公司达成合作协议 长春试验机厂也与英国 达泰克进行了技术上的合作 总之在这一时期主要就是国内几家实验所寻求与 国外合作的时期 有引进技术上生产合作的也有国外技术生菜国内产品的 呈 现出百家争鸣 百花齐放的特点 在这个阶段的电液伺服控制系统的特点在测 量控制方面从模拟控制发展向混合控制并结合计算机控制中 这时候国内的企 沈阳工程学院毕业设计 1 业多分为两条路 一方面是勇于引进先进的外来技术 加强合作 另一方面是 学习 走不断完善自己的技术带动自己不短的提高 与国外同行业的技术对比 三十多年来国内的伺服电液控制系统有了明显的进步 与国际上的大公司比较 而言还是有差距的 特别是像美国的 mts 和英国的 instron 等 无论是技术还是 应用都无法比拟 软件方面 国内的软件多有专业软件工程师设计完成 使得结构合理 组 合比较便捷 现在软件包已经成为了一种产业 可以说非常有前景 国内试验 软件的各个厂家由于技术水平还不够完善 还形成不了气候 只能随着设备免 费副赠 本身的价值并没有得到体现 1 2 2 我国发展的势头 伴随着科学技术的日新月异 人们更加重视动态试验 电液伺服的需求也 越来越大 利用电液伺服的技术开发特殊设备越来越多 市场的机会越来越大 今后国内电液伺服试验的水平一定会进一步发展的 图 1 1 伺服电液工作原理 1 3 本课题研究的内容 在整个电液伺服的发展过程中我们可以清晰的看到 一方面是对基础元件 的研究 另一方面则是对控制系统的研究 当来到新世纪滞后 人类无论是基 础元件还是控制系统方面都有了较大的进步 本课题研究的是 PLC 在液压控制 系统的应用 主要包括压力控制系统 速度控制系统 位置控制系统 同步控 制系统等 液压控制系统压力控制室利用压力阀 压力继电器或压力传感器来 控制和调节液压系统的主油路或某一只的压力 以满足执行元件所需的力或力 矩的要求 在这个过程中 PLC 接收来自系统的压力信息 然后给相关液压阀 发出指令 将比例压力阀 PLC 人机界面组合起来 可实现较大范围的压力 调整与多个压力参数的设定 本次课程设计就是以此为基础利用液压技术在机 械手中的应用而设计出来的 满足在生产现场中对整个控制系统的要求 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 2 2 电液伺服系统的基本原理 2 1 电液伺服控制系统的简介 这个课设的核心是电液伺服控制系统 他是由电信号和液压处理组合而成 的反馈控制系统 这个一般由液压泵 液压控制阀 执行元件 反馈原件 控制 对象等组成 如图 2 1 图 2 1 电液伺服控制系统 由图 2 1 可以看出输入信号和液压泵发出指令信号到液压控制阀上 液压 控制阀将指令发送到执行元件上 经过反馈误差之后输出精确的信号到控制对 象当中去 可以看出这是一个典型的闭环控制系统 局控制精度高的特点 电液伺服控制系统种类特别多 可以分成好多类型 首先从不同种类来分 可以分成位置 速度 力控制等 也可以从驱动来看有阀控 泵控系统等 另 外从功率分可以分为大 小功率系统 再从我们熟悉的控制来分可以分为开环 和闭环控制系统 最后呢 从输入信号来讲呢又可分成模拟和数字伺服控制系 统这两个 正是因为他的总类过于繁杂 因此它可以分成多种多类 应用在各 行各业中 下面由我为大家介绍一下在工业中常见的伺服电液系统 列举一些例子来 说相同步骤的感应器 进行螺旋的或者差动的变压器和自动进行整角机器的变 压器 驱动电液伺服阀的电流主要是由电液私服放大器来提供的 将一种电液 转变成另外一种电液和扩大输出功都是电液伺服阀的功能 这样在整个电液伺 服控制系统中他的地位也是最高的 就好比一个工作团队中的经营往往大家对 他大期望也是最大的要求也是最为严格和精准的 液压动力机构是由液压控制 元件 执行机构和控制对象组成 为改善系统性能 电液伺服控制系统习惯性采用串联滞后以提高低频的增 益系数 减轻系统的稳态误差 这也是控制系统中经常使用的一个办法 除此 沈阳工程学院毕业设计 3 之外利用压力负反馈校正或加速度正是提升阻尼性能而又不减弱效率的好办法 2 2 电液伺服系统的概述 由于伺服阀马达线圈匝数比较多 使得其具备了巨大的感抗 因此伺服放 大器是必须有深度电流负反馈的放大器 只有在特别少的反应慢的系统才应用 电压反馈放大器 电流的负反馈放大器输出阻抗比较大 伺服阀线圈和放大器 组合成了一个一阶滞后的环节 使得输出阻抗变大 因此这个一阶环节的频率 高低 对整个伺服频宽就不会有什么太大的影响 各种各样不同的伺服系统对 伺服放大器有着各种不同的要求 比如说不同的增益范围 不同的校正环节以 及其他功能 可是为了保证伺服阀的不出现意外情况 阀对放大器还提出一下 要求 放大器要具备限流的功能 以确保放大器最大输出电流不引起阀的其他失 败或不能够烧坏线圈 伺服阀理论上应能承承受 2 倍的额定电流 2 2 1 电液伺服阀驱动电路 电液伺服阀的驱动电路的核心是驱动模块 它是由第一级仪表运算放大器 AD622AN 和第二级功率放大器 LH0041 联合而成 驱动电路有要求在 D A 端 加 10 至 10V 的电压 AB 端同时输出 40 至 40mA 的电流信号 第二级的功率 放大器使用 LH0041 原理 驱动负载是电液伺服阀 使得成为非纯电阻阻抗的线 圈 当其两端的电压不加在线圈流过的电流 这样就使得与放大器电压输出成 正比 目的是保证输入电压与控制电流成正比 采用电阻 R S107 与电液伺服阀 控制线圈串联 同时将经过电阻 R ST1 电压反馈到放大器输入端 这是因为反 馈电压是由电流产生的 所以称为电流负反馈 2 2 2 电液伺服阀电流的显示电路 电流式的模拟表头电路直接在把电流式模拟表头串在电路中 同时采样电 阻的位置换上电流式模拟表头 这时需用一个模拟表头来显示两路电液伺服阀 的电路 同时增加通道选择电路 他的功能是 测量电液伺服阀的电流以电流 式模拟表头串联在电液伺服阀的电路中时 电液伺服阀的响应部分短接 同理 要求测量电液伺服阀的电流时把电流式模拟表头串联在电液伺服阀电路中 当 采用电流式模拟表头的显示电路输入驱动电压与电液伺服阀输出电流保持了比 例关系 提高了显示电液伺服阀电流的线性比和精度 2 3 传感器的调节电路 位移传感器数据大多数情况下不能用来直接显示 应用调理电路才能完全 表现出来 调理电路是仪表放大器 AD622AN 它是一种高精度 低功耗的仪 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 4 表放大器 其放大倍数甚至可以达到 2 至 1000 其次 AD622AN 使用比较方便 你只要在 1 8 之间加可变电阻就可以改变其增益 2 3 1 系统模型 图 2 2 液压伺服系统的结构 液压伺服控制系统根据参数不同 可以分为位置 速度 加速度和力控制 系统 系统中为了控制好阀的工作 经经过检测原件的信号与系统在工作之前 的标准信号进行核查 检查后经过 D A 将数字信号变化成模拟信号后来控制的 为了实现闭环系统控制 我们工作中将 控制器中的信号是由液压缸中发生的 移动信号输送过来的 在通过控制系统对其进行整定和分析 就像闭环控制系 统的工作流程一样最后在反输送到控制器中实现了整个工作过程 伺服控制器是用来满足高要求高性能执行的必要机构 在工作中为了能够 使系统更加准确 处理器的计算速度必须使非常高的 同时我们还需要建立数 学模块 但是我们都知道非线性是无法建立的 而伺服阀又恰好使 很多必须 的条件都不具备 这时候模糊 PID 就应运而生了 自适应控制以及专家系统不 断的引起人们的重视 纷纷应用到电液伺服控制系统当中 2 3 2 硬件的系统 TI 公司的 TMS320C2000 系列芯片在工业中得到了广发的应用 芯片是 16 位处理器 提供了低成本 低功耗 高性能的处理能力 其主要性能包括 CMOS 技术 能够减小功率损耗并使得源头电压降到规定的 3 3V D A 转换器将输出 的数字信号一并输送到伺服阀当中 为了减小对功率的损耗上浪费的时间 需 要把送点电压调整为 3 3V 为了在规定的时间内能够达成任务需要模拟数字转 换器在 6 个模拟数字转换时钟周期内 输入样本需要 1 转换时钟周期 转换需要 5 转换时钟周期 所以保持采样 转换的转换时间大于或等于 6 1 s 电液伺服阀 将从数字模拟转换器中转换成的电流或电压输出的模拟信号进行调控 2 3 3 软件的系统 沈阳工程学院毕业设计 5 电液伺服控制系统在软件上面的是系统内的 PLC 这在以前的软件控制上 是不可能的 同时呢当我们的软件经过工作人员确认无误后是无法进行更改的 无论发生什么样的变化 核心的数值是不能动的 对于伺服电液控制器来说 控制器是整个系统的核心部件 整个系统控制品质的高低取决于程序中的控制 算法 如何更好的应用 PID 控制 使得传统的 PID 控制在电液系统上有着更好 的应用 另外 还有对于新型驱动系统和集成技术的研究 都未整个伺服电液 系统的发展提供了更为广阔的平台 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 6 3 系统的设计 3 1 PID 的概述 通用的自动化系统如下图 3 1 所示 下面闭合的回路是由比例积分微分的 调节器 变送机构 被控对象和执行部件相互组合得到的 下图中 对象的被 调参数经过检测元件的测量经过变送器转换处理得到了 与给定值 计算出来cr 的差值 送到调节机构 调节机构再对 进行运算处理之后才能输出控制 此eeu 信号的控制对象经过被调量或经执行机构和调节阀转换的变换 实时监控被控 量与给定值之间的数值 当发现有出入时 调解器就开始执行命令 调节阀开 度及执行机构变化 改变流入量 流入量与流出重新达到了平衡状态 这是日 前热工中常见的一种方式 图 3 1 控制系统的原理图 在实际工作中 在求对象动态特性时经常将调节阀开度扰动 可由变送器 执行后在电脑中显示的曲线来了解 所以 在系统分析时经常将被控对象 变 送机构和执行机构统一称为 广义对象 这样就形成如下图 3 1 所显示的控 制系统的方框图 r 调节器广义对象 e u c c 图 3 2 控制系统框图 在下图 3 3 中 基本的闭控制系统由广义对象和调节器两部分组合成 除 沈阳工程学院毕业设计 7 调节阀对对象的扰动外 d 为其他的扰动信号 控制系统的方框图如下图 3 3 所 示 下图中 WT s 为调节器的传递的函数 W s 为广义对象的传递的函数 WZ s 是扰动通道传递函数 D s 被称为扰动的作用 它是利用 WZ s 来影响 C s 调节器的 U s 影响对象的被调量被称为控制的通道 调节规律是指输入信号和调节器输出信号之间的动态的关系 理论上有各 种各样函数的形式关系 通常实践中总结出三种的基本规律 三种调节的规律 可以组合成多种调节规律的调节器 如比比例调节器 比例积分调节器 比例 积分微分调节器等 调节器作为系统组成部分 因为被控对象的特征一般不会 发生变化 所以他的动态特性对整个控制过程中起到了很大的作用 WT s WZ s W s R s E s U s C s 图 3 3 控制系统 D s 3 2 调节器控制的规律 基本调节作用 调节器最简单的控制规律是比例 积分和微分控制作用 他们各自的特点 都很鲜明 下面分别讨论 1 比例作用 简称 P 作用 比例作用 Kpe 3 1 式中 调节量偏差 调解器的输入信号 e 调节机关的位置 调解器 一般包括执行器 的输出信号 Kp 比例作用的比例系数 Wp s s Kp 3 2 E s 从下列式 3 1 看出 与 大小成正比 也就是说 偏差信号的变化速度e de 与调节机关移动速度 d 成正比 这说明比例作用动作快 作用强 无迟延 惯性 同时调节动作方向对 比例作用在系统中是能够控制过程稳定因素 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 8 从式 3 1 还可以看出输出 与输入 之间有着相互对应的关系 调节机e 关位置 必须跟随对象负荷的增减而变化 这样才能满足能够负荷发生变化时 的需求 因此 当对象负荷变化时 调解机关位置必须改变 即被调整的量与 给定值之间的偏差一定会改变 所以 调解结果调节量由稳定 静态 偏差 有时称比例作用为有差作用 2 积分作用 简称 I 作用 积分作用的动态表达式为 KI 0tedt 3 3 d dt KIe 3 4 或表示为 WI s s E s KI S 3 5 式 3 3 中说 伴随着时间的积累就是 只要有偏差 机关的位置就持e 续变下去 只有当偏差变化为 0 时 调节机关的位置就不能在变化了 在整个 调节过程结束后 被控量与给定值不能有稳态偏差 式 3 4 讲述 调节机关移动的速度快慢只与 成正比例关系 所以不考虑偏e 差变化方向和大小 这个特点使积分调节会发生方向性误差 导致调节振荡 积分作用在系统中是过程振荡的条件 3 微分作用 简称 D 作用 微分作用的动态方程式为 Kd de dt 3 6 Kd被调量偏差的变化速度与调节机关的位置成正比例关系 开始时候 被 调量差的很少 但变化速度较大 微分作用很强 可以使调节机关位置产生大 的改变 限制偏差的变大 微分作用有效地减小被调量的动态偏差 以上分析 表明微分快于比例 即微分能够超前调节 微分在系统中能提高控制过程的稳 定性 调节过程结束时 为 0 由公式 3 6 可以得出 0 即调节机关的de 位置不变 不能适应外界负荷发生的变化 其实微分作用无法克服恒定不变的 偏差 因此我们无法单独的应用微分作用当作调节器 即这样控制作用不能单 独使用 由此得知比例作用在极少的情况才单独用 导致控制过程变成振荡甚至不 稳定 调整后能使被控量不存在静态偏差 微分作用也不能单独调节 但是却 可以提高控制系统的稳定性 减少动态偏差 沈阳工程学院毕业设计 9 4 控制设备及软件原理 4 1 PLC 概述 4 1 1 PLC 的定义 PLC 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储器 用来在其内部存储执行顺序控制 逻辑运算 计 数和算术运算 定时等操作的指令 并通过模拟式 数字式的和输出和输入 控 制各种类型的生产过程或机械 1 RJ45 网线 RJ45 2 协议及 IP 设定 3 通信速率设定 4 1 2 PLC 的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 PLC 的 MTBF 一般在 4000 到 50000h 左右 ABB 西门子 松下等微小型可 编程 PLC 可达 10 万 h 以上 而且均有完善的迅速寻找到故障点的能力更方便 与维修维护 PLC 采取了一系列和软件和硬件抗干扰措施 具有很强的干扰能力 直接使用恶 劣环境的工业生产现场 2 在组合上的灵活性 下面我来介绍一下各种 PLC 产品基本上都是有不同的模块组合而来的 这 样就会使 PLC 的种类更加丰富 I O 点也是非常广泛的 机组类型机构组成也是 特别灵活在样式方面也是非常丰富的 3 功能强 可编程控制器应用微计算机和微电子技术 简单型式都具有定时 逻辑 计 数等顺序功能 基本型式再加上模拟 I O 通信能力等基本算术运算 复杂型式 除了具有基本型式的功能外 还具有 多级终端机制 扩展的计算能力 PID 调节 智能 I O 网络通信能 程监视 多处理器 远程 I O 和高速数据能力 PLC 可以通过互联网 internet 可以实现集中管理 分散控制 4 编程方便 可编程控制器 PLC 的编程有梯形图 功能块 顺序功能图可以满足各种工 作中的需求 同时呢现在的 PLC 编程也不在像以前一样只有专业人员才能编写 自己就可以编程汇编 同时在兼容和使用上也更加方便可以任意的在个人或单 位的 PC 机上进行汇编 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 10 5 适应恶劣的环境 可编程控制器可以在工业生产的各种恶劣环境下工作 能在强电磁干扰环境 下可靠工作 这是 PLC 产品的市场生存价值 6 安装 维修简单 4 1 3 PLC 的应用与发展 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 4 2 PLC 的基本结构及工作原理 4 2 1 PLC 的基本结构 可编程控制器是一种工业控制上的 PC 它有与工业控制计算机向连接的接 口更能方便系统的编程 CPU 储存器 I O 点 编程器 电源等组成硬件系统 图 3 1 PLC 硬件组成 1 中央处理器 CPU 和大多数 PC 一样 CPU 是程控制器的核心 它可以按照系统赋予他的功能 有效的进行工作 主要工作内容有 第一点存储并接收由编程工具输入的用户数据和程序 并通过显示器显示出程 序的存储和内容和地址 第二点校验 检查私人程序 比如正在输入的用户程序进行查阅 发现语局错 误立即报警 并停止输入 在程序运行过程中若发现错误 则停止程序的执行 或立即报警 第三点调用 接收现场信息 将接纳到现场输入的数据保留起来 在需要更改 数据的时候将其调出 并直接送到需要的位置中去 第四点开始运行用户的程序 当可编程控制器进入到了运行的状态 中央处理 器根据用户程序存放的先后顺序 逐条读取 执行和解释程序 待完成用户程 沈阳工程学院毕业设计 11 序中规定的各种操作 程序执行的结果送至输出端口 好驱动可编程控制器 PLC 的负载外部 第五点诊断故障 PLC 一般使用 AC 220V 电源或 DC 24V 电源 内部的开关电 源为各模块提供不同电压等级的直流电源 小型 PLC 可以为输入电路和外部的 电子传感器 例如接近开关 提供 DC 24V 电源 驱动 PLC 负载的直流电源一 般由用户提供 2 存储器 可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器 用户程序存储器及工作数据 存储器等三种 1 系统程序存储器 存储器大多用来存放由可编程控制器 PLC 厂家编写的系统的程序 可编程 控制器 PLC 的编程有梯形图 功能块 顺序功能图可以满足各种工作中的需求 同时呢现在的 PLC 编程也不在像以前一样只有专业人员才能编写 自己就可以 编程汇编 同时在兼容和使用上也更加方便可以任意的在个人或单位的 PC 机 上进行汇编 并固化在 ROM 内 用户不能直接更改 它使可编程控制器具有 基本的智能 能够完成可编程控制器设计者规定的各项工作 系统程序质量的 好坏 很大程度上决定了 PLC 的性能 其内容主要包括三部分 第一部分为 标准程序模块与系统调用程序 它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程 序 如输出完成输入及特殊运算等的子程序 可编程控制器的具体工作都是由 这部分程序来完成的 这部分程序的多少决定了可编程控制器性能的强弱 第 二部分为系统管理程序 它主要控制可编程控制器的运行 使整个可编程控制 器按部就班地工作 第三部分为用户指令解释程序 通过用户指令解释程序 将可编程控制器的编程语言变为机器语言指令 再由 CPU 执行这些指令 2 存储用户的程序 根据控制要求而编制的应用程序称为用户的程序 他的作用是根据客户的 要求具体的来保存用户的程序 用规定的可编程控制器来完成客户要求的复杂 程序 因为存储单元的类型原因用户的程序存储器可以分为一下好多种类型 可以是 RAM EEPROM 或 EPROM 存储器 其内容可以由用户任意增删或 修改 目前较先进的可编程控制器采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序 存储器 快闪存储器无后备电池 发生意外时数据也不会丢失 3 工作数据存储器 工作数据存储器的作用是存储数据工作 即用户程序中使用数值数据等 OFF ON 状态 在工作数据区中开辟有元件数据表和映像寄存器 OFF ON 形 态使用寄存器中的输出状态 存储开管量 计数器 定时开关等来存储的 数据 表的作用是存储数据 它可以将用户在用 PLC 运行程序时的可以发生变化的值 以及通过数字量模拟量转换的得到的数字和数字量的结论进行储存 同时 PLC 还充分考虑了在断电时保护区域被称为数据保持区 用户程序存储器和用户存 储器容量的大小 关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少 是反映 PLC 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 12 性能的重要指标之一 输出是用来连接类似指示灯 电磁阀 接触器 调速装 置 调节阀等这样的执行元件的 4 电源模件 PLC 一般使用 AC 220V 电源或 DC 24V 电源 内部的开关电源为各模块提 供不同电压等级的直流电源 小型 PLC 可以为输入电路和外部的电子传感器 例如接近开关 提供 DC 24V 电源 驱动 PLC 负载的直流电源一般由用户提 供 5 接口的扩展 接口的扩展将用于基本单元与扩展单元相连 使 PLC 的配置更加灵活 6 通信接口 想要实现 机 机 或 人 机 之间的对话 PLC 有各种各样的通信接口 可 编程控制器 PLC 通过这些通信接口可以与打印机 监视器 或者各种或 PLC 计算机相连 当 PLC 与打印机相连时 可将系统参数 过程信息等输出打印 当与其他 PLC 相连时 可以组成多机系统或连成网络 当与监视器 CRT 相 连时 可将过程图象显示出来 实现更大规模的控制 当与计算机相连时 可 以组成多级控制系统 实现控制与管理相结合的综合系统 7 I O 点的智能型接口 在现代化工业生产中工厂需要的功能是更加的复杂 可编程控制器为了满足 日益增长的需求研发了 I O 智能型接口 列举一些例子来讲比如说闭环控制系 统需要满足位置调节 应用于高速计数和高速脉冲计数等 类似于上述例子的 都需要系统本身有处理器 8 编程器 为用户提供 PLC 程序的编写监控调试时编程器的使命 编程器有和智能型 和简易型两类 简易型的可编程控制器虽然可以编程但是非常麻烦只能够将费 力编写好的梯形图转换为简易型机器识别的机器语言后才能工作而且只能够联 机编程 智能型的可编程控制器有显示器或则发光二极管和输入键盘组合成 同时又可以成为图形编程器 输入 输出接口也就是 I O 接口是可编程控制器 的硬件接口 I 接口可以接收两种类型的信号开关量和模拟量输入信号常见的开 关量有按钮 继电器 数字拔码开关 行程开关等 常见的模拟量开关有电位 器 发动机 变换器送来的信号等 O 接口是输出接口用来连接被控制对象的 执行元件 4 2 2 PLC 工作的原理 可编程控制器是为了用户要求的控制程序 但 CPU 是分时操作方式处理的 任务计算机在每一刻只能做一件事 所以程序执行顺序程序为了完成相应动作的 电器 变成了一个时间序列 由于高速运行 电器的操作似乎是在同一时间完成 但实际输入 输出响应滞后 一般来说 PLC 的工作是一个连续的循环顺序扫描 沈阳工程学院毕业设计 13 模式 的时间用于每个扫描称为扫描周期或一个工作循环 CPU 从一开始的第 一个指令 为了执行用户程序 直到用户程序 然后回到第一个指令开始新一轮的 扫描 PLC 是这样一个循环扫描 在执行用户程序时 需要各种各样的字段信息 字 段信息接收 PLC 的输入端口 PLC 采集现场信息的采集输入信号在两个方面 第 一个 采样输入模式 一般来说 扫描周期的开始或结束将收集所有的输入信号 输入元素的开 关状态 并将它存储在输入映像寄存器 PII 输入的用户程序 用于输入映像寄存器 而不是直接输入终端或输入模块 第二 立即进入方式 与程序的执行要求直接从输入或输入信号输入模块的输入状态 如 立即输入指 令 当输入映像寄存器内容不变 当在一个集中采样输入改变 同样 PLC 也 有一个集中的输出和直接输出在两个方面 集中输出执行用户程序没有得到输 出结果输出 但所有的输出结果的执行用户程序的收入 都存储在输出映像寄存 器 PIQ 完成执行用户程序毕竟一次输出端口的输出或输出模块的输出 直接 输出模式时执行用户程序输出端口的输出或输出模块输出 如 立即输出 的方 式 输出映像寄存器更新 公司还有其他方法将输入和输出信号 如果一些 PLC 使用输入 输出刷新指令 这种指令集在需要的地方 这种力量全部或部分的输 入信号在功率刷新输入映像寄存器读内容 或者在输出端口输出结果立即或输出 模块输出 另一个 PLC 的输入 输出的禁令 事实上 关闭输入 输出交付服务 这意味着输入信号不是读 输出信号不输出 PLC 的工作原理图如 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 14 图 3 2 可编程控制器运行框图 可编程控制器整个运行可分为以下三个部分 上电是首部分 通电后 PLC 开始对整个系统进行初始化包括忠言处理器 I O 点 编程部分等 扫描是第二部分 扫面工作是在上电处理后开始的 首先完成输入处理 然 后完成与其他外围设备通信处理 再一次 时钟 特殊注册表更新 自检查状态说明 中央处理器处于停止时刻 如果中央处理器正在运行中 就必须要完成用户的 指令才能转换到自检查 4 2 3 可编程控制器的编程原则和方法 1 编程原则 沈阳工程学院毕业设计 15 1 PLC 编程元件的触点在编程过程中可以无限次可以使用 每个继电器的 线圈在梯形图中不仅仅能出现一次 它的触点可以无数次使用 2 梯形图的每一逻辑行皆起始于左母线 终止于右母线 线圈总是处于最右 边 且不能直接与左边母线相连 3 编制梯形图时 应尽量做到 上重下轻 左重右轻 4 两个以上以及两个的线圈并联 但绝不可以串联 5 用 END 指令结束 执行程序的是从首个地址到指令 END 结尾 当试用时 能将程序分成若干个块是利用这个特点 进行测试分离 直至程序全部使用成 功 2 编程方法 1 确定 I O 点数及分配 2 编制梯形图和指令语句表 4 3 监控软件的构成及功能 4 3 1 监控软件的用途及分类 编程软件是在个人计算机上运行 用于 PLC 编程的工具软件 具有编程 上 传和下载程序 监控 调试 PLC 诊断 参数设定等功能 西门子编程软件 STEP7 Micro WIN32 V3 1 STEP7 Micro WIN32 V4 0可以对 S7 200的所有功 能进行编程 新版本 STEP7 Micro WIN32 V4 0向下兼容 CPU 通过 PC PPI 电缆 或通过插在 PG PC 上的 CP5511或 CP5611与 PG PC 连接 集中输出执行用户程 序不输出 但是收入的实现的用户程序的输出结果是存储在输出图像 PIQ 注册 用户程序的实施毕竟一次性输出或输出模块输出端口 输出设备的部分行动 直 接输出模式时执行用户的程序 输出映像寄存器更新 比如 立即输出 的方式 公司还有其他方法将输入和输出信号 如果一些 PLC 使用输入 输出刷新指令 这种指令集在需要的地方 这种力量全部或部分的输入信号在功率刷新输入映 像寄存器读内容 或者在输出端口输出结果立即或输出模块输出 无论是美国 Wonderware Wonderware 公司推出了世界上第一个工业控制配置软件 InTouch 现在各种配置软件 整体结构的手表通常由两部分组成的 或配置环境 环境系统 的系统开发和运行环境 自动化工程设计系统开发环境的实现其控制方案 应用 支持生成工作的组态软件应用系统必须通过建立一系列的用户数据文件 对工 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 16 作环境进行依赖 生成图形应用程序的最终目标 对系统的运行环境操作 系统 的操作环境是应用程序加载到计算机内存实时投产 这是直接用于现场操作 之 间的联系系统开发环境和系统运行环境的实时数据库 如下图3 3所示 图 3 3 监控软件的构成 在软件领域 在应用软件的过程中 根据应用对象和控制任务的要求 配置 监控软件用户 从应用组态软件的角度来完成系统的硬件和软件的通信 建立 一个软件平台 用于现场监控平台 软件平台和开发环境之间的通信自动控制 系统 4 3 2 紫金桥软件的功能及基本使用方法 紫桥的基本功能是数据通信中 数据管理和数据交换 具体说 数据通信是 1 从野外数据采集和加工成有用的基本功能 2 需要控制计算机的信号由执行机构 直接发送到现场 这建立双向连接的控制软件 数据管理是基于用户的需要 更 深层次的数据处理 如转换的范围 报警 统计 分析等 数据交互是根据不同用 户的需求 以不同形式的数据提交给用户实现交互 如运营商需要监控 管理者需 要报告数据 过程工程师分析数据 紫金桥 为不同的用户提供多种交互手段 因此 与先进的网络控制技术 实现所有外围系统集中控制不仅可以解决系 统设计和设备存在的问题在许多方面 还将建立一个统一的企业网络 实现管理 和控制集成并创建起一个良好的基础 在紫金桥中 每一个实际的应用案例叫做工程 它包含了数据库 I O 驱 动 人机界面 网络应用等各个方面的组态和运行信息 沈阳工程学院毕业设计 17 5 电液伺服系统的应用 5 1 设计思路 在实际的工作中 机械手在一个循环的工作状态中 采用 S7 200 在通过 不断的编写程序试验成功后 在紫金桥上进行动画的演练达到本次设计的要求 本设计 由于条件限制 无限位开关 故用定时器及计数器模拟限位开关 通 过限制运行时间 按下按钮后小物块从皮带左侧移动过来机械手从右侧移动 过来下降并张开夹紧小物块后上移动 小物块随着机械手向右侧平行移动下降 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 18 到达右侧皮带后 皮带开始转动 两秒后机械手松开小物块向右侧移动 再次 按下按钮左侧小物块开始出发 依次循环 5 2 点设置 5 3 电气接线图 点名称点类型点功能 M0 0 启动按钮 Q0 0 机械手左移动 Q0 1 机械手右移动 Q0 2 机械手上移动 Q0 3 机械手下移动 Q0 4 机械手抓紧 Q0 5 右侧物块左移动 Q0 6 右侧物块右移动 Q0 7 右侧物块 Q1 0 左侧物块左移动 Q1 1 左侧物块右移动 Q1 2 左侧物块 Q1 3 左侧皮带 Q1 4 右侧皮带 沈阳工程学院毕业设计 19 5 4 梯形图的实现 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 20 沈阳工程学院毕业设计 21 机械手是一个典型的顺序控制 上述的这些梯形图均为顺序功能图的初始部分 机械手向左移动 机械手向右移动 机械手向上移动 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 22 机械手向下移动 机械手抓紧小物块 右侧的小物块向右移动 右侧的小物块向左移动 沈阳工程学院毕业设计 23 左侧的小物快向右移动 左侧的小物块向左移动 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 24 左侧皮带运动 右侧皮带运动 沈阳工程学院毕业设计 25 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 26 5 5 I O 点的分配 沈阳工程学院毕业设计 27 5 6 调试运行 图 5 1 按下开始按钮后左侧皮带开始了转动 小物体从左侧皮带的最左端运动起来 机械手缓缓下降并紧紧抓住小物块准备向上运动 图 5 2 机械手紧紧抓住小物块向上缓慢移动 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 28 图 5 3 机械手抓紧小物块一起向右侧移动 图 5 4 机械手经过缓慢移动到达右侧皮带下降的位置 从上向下移动并准备放下物块 沈阳工程学院毕业设计 29 图 5 5 机械手将小物块放在右侧皮带上 这是右侧皮带开始运动 两秒后机械手松开 小物块随着皮带向右侧运动 机械手自动向上运动并返回 这是按下按钮左侧 匹敌啊转动小物块随着其一起运动到机械手位置 如此循环 基于 PLC 的电液伺服控制系统设计 30 结论 这次 13 周的毕业设计即将画上一个圆满的句号 我的大学学习时光也随之 完结 此次设计是对我整个大学学习的检验 我始终保持一个认真严肃的态度 来对待 我此次设计的是基于 PLC 的电液伺服控制系统的应用 严格的遵守老师要 求的时间 依次完成图书馆查找资料 撰写开题报告 英文文献的翻译 论文 的拟写 在整个学习的过程中我经历了很多的困难 比如说以前学习过的知识 发生了遗忘 英语能力的匮乏 资料查找的不够全面 同时对整个工艺的流程 也是不够熟悉 特别是电液伺服控制系统我不是很了解只能通过老师的讲解以 及网上的资料来自己慢慢理解 为了将 PLC 更好的与整个设计连接起来我经常 到实验室中进行模拟演练 不断