3台电动机自动顺序启停PLC控制

1 1 1 引言引言 可编程序控制器 是集计算机技术 自动化技术 通信技术于一体的通用工业 控制装置 简称 PLC 它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置 专为在工业现场应用而设计 它采用可编程序的存储器 用以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指令 并通过数字式或模拟式的输 入 输出接口 控制各种类型的机械或生产过程 PLC 是微机技术与传统的继电接 触控制技术相结合的产物 它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂 可靠性低 功耗高 通用性和灵活性差的缺点 充分利用了微处理器的优点 又照 顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯 特别是 PLC 的程序编制 不需要专门的 计算机编程语言知识 而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式 使 用户程序编制形象 直观 方便易学 调试与查错也都很方便 用户在购到所需的 PLC 后 只需按说明书的提示 做少量的接线和简易的用户程序编制工作 就可灵 活方便地将 PLC 应用于生产实践 以 PLC 为主构成的控制系统具有可靠性高 控制功能强大 性价比高等优点 是目前工业自动化的首选控制装置 故本设计中采用 PLC 集中控制的办法 利用 PLC 简单可视化的程序 对 3 台电动机实现顺序起停控制 可以通过手动实现 也 可以通过延时实现自动起停控制 延时时间可以在线设置 并通过指示灯显示各电 动机的运行状态 本设计广泛应用在港口 电厂 煤矿 钢铁企业 水泥 粮食以 及轻工业的生产线 既可以运送散状物料 也可以运送成件物品 还可应用于装船 机 卸船机 堆取料机等连续运输移动机械 通过本设计对所学的 PLC 知识综合巩固应用 巩固练习运用组态软件及组态设 计 提高对 PLC 控制系统的设计 安装和调试能力 2 PLC 选型 世界上 PLC 产品可按地域分成三大流派 美国 欧洲和日本 日本的 PLC 技术 是 2 由美国引进的 但日本的主推定位在小型 PLC 上 在小型机领域中颇具盛名 某些 用欧美的中型机或大型机才能实现的控制 日本的小型机就可以解决 在开发较复 杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机 所以格外受用户欢迎 日本有许多 PLC 制造商 如三菱 欧姆龙 松下 东芝等 在世界小型 PLC 市场占有很大的份额 2 12 1 可编程逻辑器件的主要产品可编程逻辑器件的主要产品 1 欧洲产品 德国西门子公司 它有 SS 系列的产品 有 SS 95U 100U 115U 135U 及 155U 135U 155U 为大型机 控制点数可达 6000 多点 模拟量可达 300 多路 最 近还推出 S7 系列机 有 S7 200 小型 S7 300 中型 及 S7 400 机 大型 性 能比 S5 大有提高 2 美国产品 美国 GE 公司 日本 FANAC 合资的 GE FANAC 的 90 70 机也是很吸引人的 它 具有很多个特点 诸如 用软设定代硬设定 结构化编程 多种编程语言 等等 它有 914 781 782 771 772 731 732 等多种型号 另外 还有中型机 90 30 系列 其型号有 344 331 323 321 多种 还有 90 20 系列小型机 型号为 211 美国莫迪康公司 施奈德 的 984 机也是很有名的 其中 E984 785 可安 31 个 远程站点 总控制规模可达 63535 点 小的为紧凑型的 如 984 120 控制点数为 256 点 在最大与最小之间 共 20 多个型号 美国 AB Alien Bradley 公司创 建于 1903 年 在世界各地有 20 多个附属机构 10 多个生产基地 可编程控制器也 是它的重要产品 它的 PLC 5 系列是很有名的 其下有 PLC 5 10 PLC 5 11 PLC 5 250 多种型号 另外 它也有微型 PLC SLC 500 即为其中一种 有三种配置 20 30 及 40I O 配置选择 I O 点数 分别为 12 8 18 12 及 24 16 三种 美国 IPM 公司的 IP1612 系列机 由于自带模拟 量控制功能 自带通讯口 集成度又非常之高 虽点数不多 仅 16 入 12 出 但 性价比还是高的 很适合于系统不大 但又有模拟量需控制的场合 新出的 lP3416 机 I O 点数扩大到 34 入 12 出 而且还自带一个简易小编程器 性能又有改进 3 日本产品 日本三菱公司的 PLC 也是较早推到我国来的 其小型机 FI 前期在国内用得很 多 后又推出 FXZ 机 性能有很大提高 它的中 大型机为 A 系列 AIS AZC A3A 3 等 日本日立公司也生产 PLC 其 E 系列为箱体式的 基本箱体有 E 20 E 28 E 40 E 64 其 I O 点数分别为 12 8 16 12 24 16 及 40 24 另外 还有 扩展箱体 规格与主箱体相同其 EM 系列为模块式的 可在 16 160 之间组合 日 本东芝公司也生产 PLC 其 EX 小型机及 EX PLUS 小型机在国内也用得很多 它的 编程语言是梯形图 其专用的编程器用梯形图语言编程 另外 还有 EX100 系列模 块式 PLC 点数较多 也是用梯形图语言编程 日本松下公司也生产 PLC FPI 系 列为小型机 结构也是箱体式的 尺寸紧凑 FP3 为模块式的 控制规模也较大 工作速度也很快 执行基本指令仅 0 l 微秒 日本富士公司也有 PLC 其 NB 系列 为箱体式的 小型机 NS 系列为模块式 欧姆龙公司系列产品 安装简便 应用灵 活 编程简化 它有 CPM1A 型机 P 型机 H 型机 CQM1 CVM CV 型机 Ha 型 F 型机等 大 中 小 微均有 特别在中 小 微方面更具特长 在中国及世界市 场 都占有相当的份额 4 国内 国内 PLC 生产厂约 30 家 厂家规模多不大 最有影响的算是无锡的华光 它 生产多种型号与规格的 PLC 如 SU SG 等 发展也很快 在价格上很有优势 Keyence 的 PLC 进入市场较晚 但在日本已占有相当的市场份额 产品包括 CPU 各 种附加模块 以及实现人机操作的触摸屏操作产品 型号包括 KV5000 3000 KV1000 以及专门应对中国市场的 KV M 等等 此外比较出名的还有 深圳德维森 深圳艾默生 无锡光洋 北京和利时等 2 22 2 PLCPLC 的选型的选型 2 2 12 2 1 PLCPLC 的分类的分类 1 从组成结构上分 1 固定式 PLC 各部件组合成一个不可拆卸的整体 2 组合式 模块式 PLC 的各部件按照一定规则组合配置 2 按 I O 点数及内存容量分 4 可分为超小型 PLC 小型 PLC 中型 PLC 大型 PLC 超大型 PLC 3 按输出形式分 1 继电器输出 为有触点输出方式 适用于通断频率较低的直流或交流负载 2 晶体管输出 为无触点输出方式 适用于通断频率较高的直流负载 3 晶闸管输出 为无触点输出方式 适用于通断频率较高得的交流负载 2 2 22 2 2 PLCPLC 的主要技术指标的主要技术指标 1 I O 点数 点数越多 控制规模越大 2 扫描速度 反应 PLC 运行速度的快慢 3 指令条数 指令越丰富说明其软件功能越强 4 内存容量 用户程序储存器容量 5 内部器件 种类越多 数量越大存储各种信息的能力和控制能力就越强 6 高功能模块 衡量 PLC 水平重要标志 7 支持软件 便于对 PLC 编程和监控 8 扩展能力 利用 I O 扩展单元和功能模块进行扩展 2 2 32 2 3 PLCPLC 选型选型 5 基于三台电机的顺序启停控制要求 由于设计要求不高 控制系统比较简单 对输入与输出的端口要求不是很多 结合本公司生产现场实际 采用欧姆龙系列 欧姆龙 PLC 有超小型 小型 中型 大型四大产品类型 PLC 型号第一个字都 为 C 表示 SYSMAC 即 C 系列 C 后字母为设计序列 如 CQ CJ CS CV 等 本设计 选用欧姆龙 CJ1M CPU11 2 2 42 2 4 CJ1CJ1 系列特点系列特点 CJ1 系列 PLC 采用模块化 总线式结构 整个系统由 CPU 机架和扩展机架组成 CPU 机架由 CPU 单元 电源单元 基本 I O 单元 特殊 I O 单元 CPU 总线单元 和端盖组成 存储器卡可选 扩展机架由 I O 接口单元 电源单元 基本 I O 单元 特殊 I O 单元和 CPU 总 线单元以及端盖组成 扩展机架可连接到 CPU 机架或其它 CJ1 系列扩展机架 3 3 I OI O 点设计及外部接线图点设计及外部接线图 3 13 1 CJ1CJ1 系列系列 I 0I 0 存储区及数据区存储区及数据区 1 I O 区 I O 区的地址范围从 CIO 0000 CIO 0079 CIO 位从 000000 007915 2 数据链接区 数据链接区的通道范围从 CIO 1000 CIO 1199 CIO 位从 100000 119915 3 CPU 总线单元区 6 CPU 总线单元区从 CIO 1500 CIO 1899 共包含 400 个字 4 特殊 I O 单元区 特殊 I O 单元区共有 960 个字 地址范围为 CIO 2000 CIO 2959 5 串行 PLC 链接区 串行 PLC 链接区包含 90 个地址范围从 CIO 3100 CIO 3199 的字 6 DeviceNet 区 DeviceNet 区 由 600 个字组成 地址范围为 CIO 3200 CIO 3799 7 内部 I O 区 内部 I O 工作 区有 512 个字 地址范围为 W000 W511 这些字只能 用在程序中作为工作字用 8 保持区 保持区有 512 个字 地址范围 H000 H511 位地址从 H00000 H51115 这些字只能用于程序中 9 辅助区 辅助区有 960 个字 地址范围从 A000 A959 10 TR 暂存继电器 区 TR 区包含 16 个位 地址范围从 TR0 TR15 7 11 定时器区 由 TIM TIMH 015 TMHH 540 TTIM 087 TIMW 813 和 TMHW 815 指令共同使用 4096 个定时器编号 从 T0000 T4095 可以用定时 器编号访问定时器完成标志和当前值 PV 12 计数器区 CNT CNTR 012 CNTW 814 指令可共同使用 4096 个计数器编号 从 C0000 C4095 可用计数器编号访问计数器的完成标志和 PV 值 13 数据存储器 DM 区 数据存储器 DM 区共有 32768 个字 地址范围从 D00000 D32767 14 扩展数据存储器 EM 区 扩展数据存储器 EM 区被分成 3 个 Bank 0 2 每个 Bank 有 32768 个字 EM 区地址范围从 E0 00000 E2 32767 15 变址寄存器 16 个变址寄存器 IR0 IR15 用于间接寻址 16 数据寄存器 当间接寻址字地址时 这十六个数据寄存器 DR0 DR15 用作变址寄存 器中 PLC 存储地址的偏移量 17 任务标志 任务标志范围从 TK00 TK31 且对应于周期任务 0 31 8 18 条件标志 这些标志包括算术标志 如表示指令执行结果的出错标志和等于标志 19 时钟脉冲 时钟脉冲是由系统产生的 按一定时间间隔转 ON 和 OFF 的标志 3 23 2 I OI O 点选择控制点的分配点选择控制点的分配 输入输出 设备地址设备地址 FR0 00 带式电机 M1 100 00 总开关 SQ 0 01 带式电机 M2 100 01 自动 手动 SK1 0 02 带式电机 M3 100 02 启动 SB1 0 03 停止 SB2 0 04 M3 启动 SB3 1 06 M2 启动 SB4 1 08 M1 启动 SB5 1 10 M1 停止 SB6 1 07 M2 停止 SB7 1 09 M3 停止 SB8 1 11 急停 SB9 1 00 表 1 I O 控制点分配 3 33 3 外部接线图外部接线图 本设计选用继电器输出有触点输出方式 其外部接线图如图 1 9 图 1 外部接线图 4 4 显示系统的接口电路设计显示系统的接口电路设计 人机界面 或称人机交互 Human Computer Interaction 是系统与用户之间 进行信息交互的媒介 所谓工业人机界面 是一种集信息处理 数据通信 远程控制功能于一体的 可以连接 PLC 变频器 调整器 仪器仪表等各种工业控制设备 用单色或彩色显 示屏显示相关信息 通过触摸屏 键盘 鼠标输入工作参数或操作命令 以实现人 机交互 在工业中 人们通常把具有触摸输入功能的人机界面产品称为触摸屏 实际上 触摸屏 只是人机界面产品中可能用到的硬件部分 是一种替代鼠标及键盘部分 功能 安装在显示前端的输入设备 而人机界面产品则是一种包含硬件和软件的人 机交互设备 为了符合通常的习惯 将人机界面直接称作触摸屏 欧姆龙触摸屏有 NB NT NS NV MP 等系列产品 综合性能和价格因素本设计选用 NB7W TW00B 触 摸屏 4 14 1 NB7W TW00BNB7W TW00B 触摸屏特点触摸屏特点 1 NB 系列全部采用 65536 色 真 彩 TFT 屏幕长寿命 50000 小时 LED 背光 10 2 双串口同时通讯功能 利用 NB 多串口同时通讯的功能 可同时连接不同的设备 如触摸屏与 PLC 变 频器 温控器 条码扫描仪等设备的连接 3 兼容标准 C 语言的宏指令 简单易用 可以在短时间内上手 使其操作更 容易 轻松 4 大容量存储空间 NB 系列内存容量达 128M 用户即使添加大量元件也不会出现存储空间不足的 现象 5 USB 接口 使用 USB 快速传输 HMI 画面 并通过 NB Designer 快速的编辑组态画面 6 欧姆龙 HMI 的生产执行与 PLC 同样的生产标准 在无尘 防静电的环 境里进行制作 7 可连接 OMRON 全系列 PLC 兼容主流第三方 PLC NB 系列触摸屏不仅兼容 OMRON 系列的 PLC 同时还支持 SIEMENS S7 系列 Mitsubishi FX 系列 Modicon 公司的 Modbus 系列等主流的 PLC 4 24 2 NB7W TW00BNB7W TW00B 触摸屏通讯接口触摸屏通讯接口 NB 触摸屏后有两个通讯端口 COM1 是 9 针 D 型母作管脚 端口支持 RS 232C 通讯功能 能连接 RS 232C 功能的控制器 也可用于产品的程序下载和调试 COM2 是 9 针 D 型母座管脚 端口支持 RS 232C RS 422A RS 485X 通讯功能 11 与 CPU 单元内置的 RS 232C 端口或通信板的 RS 232C 端口连接 但连接外设端 口时 需要使用专用的外设端口用连接电缆 CS1W CN118 型 只能使用 RS 232C 连接 4 34 3 NB7W TW00BNB7W TW00B 触摸屏工作模式触摸屏工作模式 d DIP 开关 SW1 2 用于在 4 种工作模式之间进行切换 这四种模式分别是 触摸屏校验模式 固件更新模式 系统设置模式及正常工作模式 见表 2 SW1SW2 系统工作模式 ONON 系统设置模式 ONOF 硬件更新设置模式 0FON 触控校正模式 0F0F 正常工作模式 表 2 触摸屏工作模式 4 44 4 控制界面的设置控制界面的设置 通过 NB Designer 程序 对触摸屏控制显示功能进行设置 4 4 14 4 1 控制界面的设置方法控制界面的设置方法 1 创建项目 启动 NB Designer 单击菜单栏中的 文件 在文件的下拉菜单中单击 新建工 程 将显示 建立工程 对话框 2 创建画面 点击 工程结构窗口 中的 HMI0 找到 工程结构窗口 在 工程结构窗口 中找到 HMI0 点击 HMI0 即可 3 离线模拟 NB Designer 支持离线模拟功能 离线模拟不会从 PLC 获得数据 只从本地 地址读取数据 因此所有的数据都是静态的 离线模拟方便用户直观的预览组态的 效果而不必每次下载程序到触摸屏中 可以极大的提高编程效率 12 4 间接在线模拟 间接在线模拟通过 HMI 从 PLC 获得数据并模拟 HMI 的操作 间接在线模拟可以 动态的获得 PLC 数据 运行环境与下载后完全相同 只是避免了每次下载的麻烦 快捷方便 但是无法脱离触摸屏硬件使用 5 直接在线模拟 6 下载 4 4 24 4 2 手动控制界面设置手动控制界面设置 要实现用触摸屏来控制三台带式电机顺序启停的执行过程 触摸屏对应的地址 分配如表 3 输入输出 设备地址设备地址 总开关 SQ 10 00 M1 启动指示 100 00 自动 手动 SK1 10 01 M2 启动指示 100 01 启动 SB1 10 02 M3 启动指示 100 02 停止 SB2 10 03 系统总开关指示 100 03 M3 启动 SB3 10 04 系统自动指示 100 04 M2 启动 SB4 10 05 M1 启动 SB5 10 06 M1 停止 SB6 10 07 M2 停止 SB7 10 08 M3 停止 SB8 10 09 急停 SB9 11 0 表 3 触摸屏地址分配表 对于总开关 手动 自动开关在设计的过程中采用的是切换开关 启动 停止 急停 M1 启动和停止 M2 启动和停止 M3 启动和停止都用复归型开关 粉红色的 M1 M2 M3 是停止 浅绿色的 M1 M2 M3 是启动 如图 2 所示 13 图 2 手动启动控制界面 4 4 34 4 3 自动启动控制界面设计自动启动控制界面设计 如下图 3 所示为自动启动控制界面 14 图 3 自动启动控制界面 5 5 绘制系统框图及各流程图绘制系统框图及各流程图 5 15 1 总开关模块的分析总开关模块的分析 根据 I O 口的分配 系统的总开关 SQ 为 I0 01 触摸屏总开关为 w10 00 当 按下 I0 01 w10 00 时 W0 00 得电 让整个系统进行工作 同时指示灯 Q100 03 也得电 因为 SQ1 触摸屏总开关 w10 00 为切换型开关 所以总开关电 路没有设置自锁电路 当电路过载 Fr 的常闭触点 I0 00 断开 W0 00 失电 系统 停止工作 指示灯 Q100 03 失电 程序如下图 4 所示 图 4 总开关模块 5 25 2 利用跳转指令自动利用跳转指令自动 手动切换分析手动切换分析 当 SK1 I0 02 触摸屏切换开关 w10 01 得电时 自动启停 而当 SK1 I0 02 触 摸屏切换开关 w10 01 不得电时 手动启停 程序如下图 5 所示 自动跳转指令 自动跳转结束指令 15 手动跳转指令 手动跳转结束指令 图 5 自动 手动切换模块 5 35 3 自动启停模块的分析自动启停模块的分析 当 SK1 I0 02 触摸屏切换开关 w10 01 得电时 自动启停 按下 I0 03 触 摸屏启动按钮 w10 02 M3 启动 D0 秒后 M2 启动 再过 D0 秒后 M1 启动 按下停 止按钮 I0 04 触摸屏停止按钮 w10 03 停车时先停 M1 D1 秒后 M2 停止 再过 D1 秒后 M3 停止 程序设计如下图 6 所示 跳转到自动启停程序 16 自动启停指示灯 Q100 04 得电 自动启停开关 电动机 M3 启动 同时定时器 T0 根据设定的时间开始计时 17 D0 秒后 T0 时间到 电动机 M2 启动 同时定时器 T1 根据设定的时间开始计 时 D0 秒后 T1 时间到 电动机 M1 启动 按下停止按钮 M1 停车 18 M1 停车的同时定时器 T2 根据设定的时间开始计时 D1 秒后 T2 时间到 M2 停车 M2 停车的同时定时器 T3 根据设定的时间开始计时 D1 秒后 T3 时间到 M3 19 停车 跳转结束 图 6 自动启停模块分析 5 45 4 手动启停模块分析手动启停模块分析 当 SK1 I0 02 触摸屏切换开关 w10 01 不得电时 手动启停 按下按钮 I1 06 触摸屏 M3 启动按钮 w10 04 启动 M3 后 按下按钮 I1 08 触摸屏 M2 启动 按钮 w10 05 启动 M2 再按下按钮 I1 10 触摸屏 M1 启动按钮 w10 06 启动 M1 当按下按钮 I1 07 触摸屏 M1 停车按钮 w10 07 M1 停车 再按下按钮 I1 09 触 摸屏 M2 停车按钮 w10 08 M2 停车 最后按下按钮 I1 11 触摸屏 M3 停车按钮 w10 09 M3 停车 程序设计如下图 7 所示 20 图 7 手动启停模块 5 55 5 自动启停时间设置与显示模块的分析自动启停时间设置与显示模块的分析 自动启停程序系统设计了自动启停时间的输入设置 D0 D1 和启停时间倒计 时显示 D2 时间设置与显示程序设计如前图所示 但此程序的时间设置以 0 1s 为 时间输入单位 若要改为以 1s 为输入时间单位 则只需要在每个赋值定时器前加上 如下图 8 的程序部分 其它部分以此类推 21 图 8 时间设置与显示模块 6 调试 6 1 仿真调试 在工业自动化领域 控制系统的分析 设计和系统调试中大量应用仿真技术 在 调试阶段 利用仿真技术分析系统响应与参数关系 指导调试工作 可以迅速完成 调试任务 目前在 PLC 控制系统的设计与调试中 越来越多使用计算机仿真技术 PLC 仿真软件的基本功能是用计算机模拟实际的 PLC 构造一个虚拟的 PLC 几乎所 有在实际 PLC 上做的事情在虚拟 PLC 上都可以实现 欧姆龙公司的最新仿真软件为 CX Simulator 1 5 可以仿真 CS1 CJ1 和 CP1H 仿真软件为 PLC 控制系统的开发提 供了一种有效的辅助手段 具有经济 灵活 高效等优点 6 26 2 联机调试联机调试 联机调试时要用到实际的 PLC 但不与实际设备连接 用开关和按钮模拟现场 的输入信号 通过观察 PLC 输出点对应的发光二极管的亮 灭 来了解程序执行时 22 PLC 输出的结果 输出端一般不接 PLC 实际的负载 如接触器 电磁阀等 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 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