基于PLC的加热炉自动上料控制系统

alfred基于PLC的加热炉自动上料控制系统摘 要可编程逻辑控制器是集微处理器，存储器，输入输出接口与中断系统于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造，冶金，化工，能源，交通等各个行业。PLC具有较强的逻辑运算能力，可以实现各种开关量从简单到复杂的逻辑控制，在现代工业生产过程中，有许多连续变化的模拟量，如温度，压力，流量，液位等，可编程逻辑控制器可实现对模拟量的控制。本次设计针对加热炉自动上料控制系统，考虑到生产实际工程，以工业生产中常见的加热炉为主体，分析并设计它的自动上料控制系统。控制运料小车在生产轨道上的动作，生产轨道上设有行程开关，可以让小车自动发出信号，控制炉门的开闭，同时小车前进后退与卸料过程都可以自动实现。这次设计完成了主电路，辅助电路的设计。另外设计出了控制系统对应的梯形图，通过PLC编程程序，用STEP-7软件和S7-200联机调试，成功地仿真了整个生产工程，运行良好，达到了设计的目标。通过组态王软件和S7-200联机调试，模拟加热炉自动上料控制系统的生产现场，也取得了很好的效果。关键词：S7-200PLC，加热炉，自动上料，STEP-7 PLC-BASED AUTOMATIC FEEDING OF THE FURANCE CONTROL SYSTEMABSTRACTProgrammable logic controller is a microprocessor, memory, input-output interface with the interruption of the system in one device, has been widely used in machine building, metallurgy, chemical industry, energy, transportation and other industries. PLC logic with strong computing power, can achieve a variety of switch from the simple to the complex logic control, in the process of modern industrial production, there are many analog continuous change, such as temperature, pressure, flow, level, etc., Programmable logic controller can be realized on the analog control. The design for the furnace control system for automatic feeding, taking into account the production of the actual works to the common industrial production for the main furnace, analysis and design of its control system for automatic feeding. The controlled car track in the production of the action, the production on track with trip switch, so that cars can automatically send a signal to control the opening and closing door, at the same time discharging car forward and backward process can be self-fulfilling. The design is completed the main circuit, auxiliary circuit design. In addition to design a control system corresponds to the ladder, through the PLC programming procedures, the STEP-7 software and S7-200 online debugging, the successful simulation of the entire production engineering, a good run, reaching the design goals. King view through S7-200 software and online debugging, simulation furnace automatic control system for the production of materials at the scene, but also achieved good results.KEY WORDS: S7-200PLC ,furnace, automatic feeding ,STEP-7目 录摘要ABSTRACT前言第1章 可编程控制器概述1.1 可编程控制器的产生背景1.2 继电器控制系统与PLC控制系统的比较1.3 可编程控制器的综述与发展趋势1.3.1 可编程控制器的特点1.3.2 可编程控制器的分类1.3.3 可编程控制器的应用范围1.3.4 可编程控制器的发展趋势第2章 可编程控制器的硬件结构和工作原理2.1 PLC的硬件结构2.2 PLC的扫描工作原理2.3 S7-200系列PLC2.3.1 S7-200系列PLC的主要功能2.3.2 S7-200系列的组网2.4 PLC的基本编程元件第3章 可编程控制器的设计技巧3.1 可编程控制器的编程3.1.1 可编程控制器的编程原则和技巧3.1.2 可编程控制器控制系统的设计步骤3.2 可编程控制器应用中常见的问题第4章 加热炉自动上料控制系统的设计4.1 设计的具体过程4.1.1 设计任务4.1.2 设计意义4.1.3 设计方案的选择4.1.4 设计流程图4.2 加热炉自动上料控制系统的方案实施4.2.1 分析生产过程并确定I/O点数4.2.2 合理分配I/O端口并制表4.3 绘制电路图与梯形图4.3.1 绘制主电路图4.3.2 绘制辅助电路接线图4.3.3 画出梯形图4.4用STEP-7软件与S7-200联机调试第4章 组态王工程的建立与仿真5.1组态主画面的建立 5.1.1组态画面的建立5.1.2定义IO设备 5.1.3构造数据库5.2建立动画连接5.3组态王软件与S7-200联机模拟生产过程致谢参考文献附录外文资料译文前 言可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）通常称为可编程控制器，英文缩写为PLC，是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的恶劣工业环境适应能力更是得到用户的好评。它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理技术的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备。目前已广泛应用于冶金、能源、化工、交通、电力等行业，并已跃居现代工业控制三大支柱（PLC，机器人和CAD/CAM）的首位。可编程控制器在工业控制领域中应用十分广泛，用继电器控制的系统中，要完成一个任务，需要有导线接入设备（按钮、控制开关、限位开关、传感器等）与用若干中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的具有一定逻辑功能的控制电路相连接，然后通过输出设备（接触器、电磁阀等执行系统）去控制被控对象的动作或运行。这种控制系统称作接线控制系统，所实现的逻辑称为布线逻辑，即输入对输出的控制作用是通过“接线程序”来实现的。这种控制系统的设备体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高、通用性和灵活性差，已不能满足现代化生产过程中生产工艺复杂多变的控制要求。传统的继电器接触器控制模式，它是由接触器、继电器、按钮、行程开关等组成的控制系统。尤其是它在辅助电路方面的设计较为复杂，接线繁多。另外它的使用具有单一性，即一台控制装置是针对某一固定程序的设备而设计，当程序变更是，就需要重新配线。PLC以微处理器为核心的新兴工业控制器。它把计算机的功能完备、灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制系统的操作方便、价格低、简单易懂等优点结合起来，成为一种适应工业环境的通用控制装置，并独具一格地采用以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使编程方法和程序输入更加简捷，即使不熟悉计算机的人员也能很快掌握其使用技术。对于工业生产尤其是车床或生产流水线的控制采用PLC控制，很容易实现，另外它的成本低，通用性和耐用性都很强.在国外，可编程控制器产生于20世纪60年代末期，当时美国的汽车工业竞争十分激烈，各生产厂家为适应市场需求，不断更新汽车型号，要求相应的加工生产线随之改变，整个继电器接触器顺序控制系统也要重新设计和配置。这样不但造成设备的浪费，而且新系统的接线也十分费时。为了尽可能减少重新设计继电器控制系统和接线所需的成本和时间，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）向全球招标开发研制新型的工业控制装置以取代继电器控制装置，特定10项招标的技术要求： （1）编程简单方便，可在现场修改程序。 （2）硬件维护方便，采用插件式结构。 （3）可靠性要高于继电器控制装置。 （4）体积小于继电器控制装置。 （5）可将数据直接送入管理计算机。 （6）成本上可与继电器控制装置竞争。 （7）输入可以是交流115V。 （8）输出交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀。 （9）扩展时，原有系统只需做很小的改动。 (10)用户程序存储器的容量至少可以扩展到4KB。1969年美国数字设备公司（DEC）根据通用汽车公司（GM）向全球招标的技术要求，研制了第一台可编程逻辑控制器，投入通用汽车公司的生产线过程控制系统中，取得了极佳的效果。1971年，日本从美国引进了这项技术，并很快研制成了日本第一台可编程控制器。随后德国，法国也研制了自己的可编程控制器并在工业领域开始使用。我国从1974年开始研制，并与1977年开始工业应用。20世纪70年代末到80年代初，随着微电子技术的发展，微处理技术日趋成熟，使可编程控制器的处理速度大为提高，同时增加了许多特殊的功能：数值运算、函数运算、查表等，使得可编程控制器不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制。进入20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程控制器得到了惊人的发展，使之在概念、设计、性价比等方面有了重大突破。可编程控制器具有了高速计数、中断技术、PID控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程控制器的应用范围和领域不断扩大。近10年来，我国的PLC研制、生产、应用也发展很快。特别是在应用方面，在引进一些成套设备的同时，也配套引进不少PLC。如上海宝刚第一期工程，就采用了250台，第二期也采用了108台。又如天津化纤厂、秦川电站、北京吉普车生产线、西安的彩电和冰箱生产线等等都采用了PLC控制。第1章 可编程控制器概述 1.1 可编程控制器的产生背景在20世纪60年代以前，工厂里实现生产过程自动控制的设备主要是以继电器为主要元件的控制装置，复杂的控制系统可能要使用成百上千个各式各样的继电器，用成千上万根导线连接起来。在当时，这种控制装置在生产上取得了广泛的成果。但是它本身固有的缺陷也大大限制了它的应用范围。比如，由于它是采用大量的继电器作为主要元件，机械触点过多，特别是复杂的控制系统，如果某一个继电器损坏，甚至某一对触点接触不良都会影响整个系统的正常运行，因此可靠性不高；当系统出现故障时，要进行检查和排除又非常困难，因此，不便与维护；一个复杂的控制装置的安装、接线的工作量极大，采用继电器元件过多，因此，价格昂贵；当工艺要求发生变化时，控制装置需要重新设计、安装、调试，因此可移植性差。随着现代社会生产的发展和技术进步，人们迫切需要一种新的控制装置，使控制系统工作更可靠、更便于维护、可移植性更强。社会的呼声越来越高，在这种情况下，1969年研制出第一台可编程控制器，并投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了极佳的效果，从此开创了可编程控制器的新纪元。可编程序控制器简称PLC，是20世纪60年代以来发展极为迅速、应用面极为广泛的工业控制装置，是现代工业自动化的三大支柱之首。它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能，来控制各种类型的机械设备或生产过程。当今PLC吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，以单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的自动化；从柔性制造系统、工业机器人到大型分散控制系统，PLC均承担着重要角色。1.2 继电器控制系统与PLC控制系统的比较一、继电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器-接触器的触点串联或并联组成控制系统，连线多，体积大，触点数量有限。系统一旦设计成功之后，改变或增加功能十分困难。PLC采用计算机技术，控制逻辑以程序的方式存放在存储器中，采用“软继电器”的概念，实质上是存储器单元的状态，因此软继电器的触点是无限的，要改变或增加功能，只需改变程序即可，与外部的硬件接线关系不大，并且系统连线少，体积小，功耗少。二、继电器控制电路采用并行的工作方式，电源接通后，电路中所有的继电器都处于受制约的状态，该吸合的继电器吸合，不该吸合的继电器受制约不能吸合。PLC采用串行工作方式，循环扫描，受同一条件制约的各个继电器动作次序决定于程序扫描顺序。三、继电器控制系统依靠机械触点的动作来实现控制，机械触点容易出现抖动，工作频率低。PLC通过程序指令控制，程序指令执行的时间通常以微秒级累加的，因此“软继电器”不存在抖动的问题。四、继电器控制系统采用大量的机械触点，存在机械磨损和电弧烧伤的问题，寿命短，系统连线多，可靠性和可维护性差。PLC控制系统开关动作由无触点的半导体电路完成，其寿命长，可靠性高，患有自诊断功能，自动查出故障显示给工作人员，为现场维护和调试提供了方便。考虑到上述的区别，本次对加热炉控制系统的设计采用PLC编程，有很大的优势和应用前景。1.3 可编程控制器的综述与发展趋势1.3.1 可编程控制器的特点一、可靠性高，抗干扰能力强工业生产对控制设备的可靠性要求：平均故障间隔时间长，故障修复时间（平均修复时间）短。任何电子设备产生的故障，通常为两种：偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。二、 通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。三、功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。四、编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图的习惯与编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工能够很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。五、减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。六、体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。七、对生产工艺改变适应性较强，可进行柔性生产。1.3.2 可编程控制器的分类一、小型PLC 小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。 二、中型PLC 中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 三、大型PLC 一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。 1.3.3 可编程控制器的应用范围1.开关逻辑控制2.模拟量控制3.顺序（步进）控制4.定时计数控制5.闭环过程控制6.数据处理7.通信和联网1.3.4 可编程控制器的发展趋势一、向高速度、大容量方向发展 为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。 在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。 二、向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。 小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司系列PLC。 三、PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近年来，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。 加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。 四、增强外部故障的检测与处理能力 根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。 五、编程语言多样化 在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。六、加强PLC通信联网的信息处理能力在信息时代的今天，几乎所有PLC制造商都注意到了加强PLC通信联网的信息处理能力这一点。小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有专门的通信模块。随着计算机网络技术的飞速发展，PLC的通信联网能使其与PC和其它智能控制设备很方便地交换信息，实现分散控制和集中管理。也就是说，用户需要PLC与PC更好地融合，通过PLC在软技术上协助改善被控过程的生产性能，在PLC这一级就可以加强信息处理能力。七、PLC向开放性发展早期的PLC缺点之一是它的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，如专用总线、通信网络及协议、I/O模块更互不通用，甚至连机架、电源模板亦各不相同，编程语言之一的梯形图名称虽一致，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此，几乎各个公司的PLC均互不兼容。目前，PLC在开放性方面已有实质性突破。十多年前PLC被攻破的一个重要方面就是它的专有性，现在情况有了极大改观，不少大型PLC厂商在PLC系统结构上采用了各种工业标准，如IEC61131-3、IEEE802.3以太网、TCP/IP、UDP/IP等。例如，AEGSchneider集团已开发以PLC机为基础，在Windows平台下，符合IEC61131-3国际标准的全新一代开放体系结构的PLC实现高度分散控制，开放度高。高度分散控制是一种全新的工业控制结构，不但控制功能分散化，而且网络也分散化，所谓高度分散化控制，就是控制算法常驻在该控制功能的节点上，而不是常驻在PLC上或PC上，凡挂在网络节点上的设备，均处于同等的位置，将“智能”扩展到控制系统的各个环节，从传感器、变送器到I/O模块，乃至执行器，无处不采用微处理芯片，因而产生了智能分散系统（SDS）。八、软PLC出现所谓软PLC，实际就是在PC机的平台上，在Windows操作环境下，用软件来实现PLC的功能，也就是说，软PLC是一种基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC的功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期，可靠的操作和可以连接各种I/O系统及网络的开放式结构。软PLC具有硬PLC的功能，同时又提供了PC环境的各种优点。GEFanuc公司推出了一种外形类似笔记本电脑的PC以Windows为操作系统，可实现PLC的CPU模块的功能，通过以太网和I/O模块、通信模块用于工厂的现场控制。在美国底特律汽车城，大多数汽车装配自动生产线、热处理工艺生产线等都已由传统PLC控制改为软件PLC控制，可以说，高性能价格比的软PLC将成为今后高档PLC的发展方向。第2章 可编程控制器的硬件结构和工作原理2.1PLC的硬件结构PLC的实质就是工业控制计算机，属于过程控制计算机的一个分支。可编程控制器的主机由中央处理器，存储器，输入输出模块，外设IO接口，IO通道接口编程器及电源部分等组成。PLC硬件构成如图2-1所示。PLC内的各部分模块间均通过总线进行信息交换。总线根据其功能可分为电源总线，控制总线，地址总线和数据总线。根据实际应用中的工艺要求，配备不同的外部设备，可构成不同控制功能的PLC控制系统。图2-1PLC硬件构成2.2PLC的扫描工作原理 PLC的工作过程如下：一、公共操作二、信号输入/输出状态刷新PLC输入/输出状态刷新如图2-2所示。图2-2数据输入/输出状态刷新示意图 三、执行用户程序四、执行外设指令1.PLC的扫描技术 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (1)输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (2)用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (3)输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。 梯形图是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。 2.PLC的I/O响应时间 为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。 为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式(扫描技术)。 以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。 所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间。PLC则采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放。CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。整个过程分为五个阶段：自诊断、与编程器等的通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新。PLC是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中一些编程元件也沿用了继电器这一名称。如输入继电器、输出继电器、辅助继电器、状态继电器、时间继电器、记数器等。这种用计算机内部资源描述成继电器，实际上是一种“软继电器”与继电器系统中的物理继电器在功能上有相似之处。由于以上原因，在介绍PLC工作原理之前，首先介绍物理继电器和其他常用电器元件的结构和工作原理。a.按钮按钮是手动开关，在自动控制系统中，它经常被用来作为开始启动或最后停止的命令。由于这种命令一般由操作人员发出，故做成手动开关。按钮一般分为常开按钮、常闭按钮及复合按钮等几种形式。常开按钮：平时触点是分开的，手动按下去后触点闭合，手离开触点又恢复原状。 常闭按钮：平时触点是闭合的，手动按下去后触点分开，手离开触点又恢复原状。 复合按钮：把常开和常闭装在一起的按钮。b.行程开关 行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器。它的作用原理与按钮类似，当运动部件运动到某一位置，正好碰撞行程开关的顶杆时，行程开关触点动作，发出控制信号，行程开关和按钮不同点在于行程开关是靠外加的机械力使触点动作，而按钮是靠人工动手而动作。现在常用光电耦合、电磁感应等原理做成无触点的行程开关。 c.接近开关 接近开关（无触点开关）是利用晶体管的导通和截止来控制设备的启、停。当接近开关作为PLC的输入点信号，只要把它的“输出”、“地”分别接在PLC的输入端子X0与COM上，电源接在PLC的“+24V”端子即可。接近开关利用其晶体管的导通与截止来控制PLC输入信号X0的有无。 d.电磁阀 继电器和电磁阀作为PLC的主要输出器件，在自动控制领域广泛应用。电磁阀就是一个控制水管、油管和气管的龙头开关加一个线圈，只有开和闭两种状态。利用电磁原理，给线包加电，阀门吸合，打开管路：线包失电，管路关闭。我们家里使用的全自动洗衣机，它的进水合出水全靠电磁阀控制。 e.熔断器 熔断器又称保险丝，是一种利用熔化作用切断电路的保护器，起原理是当通过的电流过大时，会产生足够大的热量使熔片或熔丝熔化，从而使电路断开，保护电器设备的安全。f.继电器 继电器它主要由电磁线圈、铁芯、触点和复位弹簧组成。继电器有两种不同触点，在线圈断电时处于断开状态的触点称为常开触点，处于闭合状态的触点称为常闭触点。 当线圈通电时，电磁铁产生磁力，吸引衔铁，使常闭触点断开，常开触点闭合，线圈电流消失及复位弹簧使衔铁返回原来的位置。常开触点断开，常闭触点闭合。为继电器的线圈、常开触点、常闭触点在电路图中的符号。一只继电器可能有若干对常开触点和常闭触点，在继电器电路图中，一般用相同的由字母、数字组成的文字符号（KM2）来标注同一个继电器的线圈和触点。 g.接触器 接触器的结构和工作原理与继电器基本相同。区别仅在于继电器触点的额定电流小，而接触器是用来控制大电流负载的，它可以控制额定电流为几十安至几千安的异步电机。h.时间继电器、 又称“延时继电器”，其机构与电磁式继电器非常相似，它利用各种延时的方法，使得线圈中的电流变化缓慢，从而使得衔铁在线圈通电或断电瞬间不能立即吸合或释放，时间继电器的图形及文字符号如图2-3所示。它在PLC中又称定时器，当定时器的输入接通时开始定时，定时时间到，即定时器接通定时器相应的触点动作。图2-3时间继电器的图形及文字符号i.中间继电器 通常用于传递信号和同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他执行元件，中间继电器的触头容量小，触点数目多，用于控制线路。总之，采用循环扫描工作方式，是PLC区别于微型计算机和其他控制设备的最大特点。 2.3S7-200系列PLCS7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200系列出色表现在以下几个方面： 1.极高的可靠性2.极丰富的指令集 3.易于掌握4.便捷的操作5.丰富的内置集成功能6.实时特性7.强劲的通讯能力8.丰富的扩展模块 2.3.1S7-200系列PLC的主要功能S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。1.指令执行速度快2.丰富的指令集3.内置计数器4.灵活的中断功能5.输入和输出的直接查询与赋值6.严格的口令保护7.友好的调试和故障诊断能力8.输入或输出的强制功能9.通信功能2.3.2S7-200系列的组网1.PPI方式：PPI通讯协议是西门子专门为S7-200系列PLC开发的通讯协议。通过普 通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。波特率为9.6kbit/s,19.2 kbit/s和187.5 kbit/s。CPU上集成的编程口同时就是PPI通讯联网接口。2.MPI方式：通过内置接口连接到MPI网络上。波特率为19.2kbit/s,187.5kbit/s。S7-200可与S7-300/400通讯，S7-200CPU在MPI网络中作为从站，彼此间不能通讯。3.自由通讯口方式：是一个很有特色的功能。S7-200PLC可以与任何通讯协议公开的其他设备进行通讯。即可以由用户自行定义通讯协议。波特率最高38.4kbit/s。4.PROFIBUS-DP网络：CPU222、224XP、226可以通过增加EM277的方法支持PROFIBUS DP网络协议。最高传输速率为12Mbit/s。2.4PLC的基本编程元件一、输入继电器输入继电器线圈是反映外部信号状态的，必须有外部信号驱动，不能由程序驱动，所以程序中只能用它的触点，并且继电器的触点可以在程序中出现无限次。二、输出继电器输出继电器的外部输出触点与PLC的输出端子相对应，它是PLC用来向外部负载发送信号的。三、辅助继电器辅助继电器是内部状态一种标志，没有实际的物件，作用相当于继电器控制中的中间继电器。四、定时器定时器是累计时间增量的内部器件，灵活运用定时器可以编制出动作要求复杂的控制程序。五、计数器计数器用来累计输入脉冲个数，经常用来对产品进行计数或进行特定功能的编程。六、数据寄存器数据寄存器是计算机不可或缺的编程元件，用于存放各种数据，其通道信号由厂家提供。第3章可编程控制器的设计技巧3.1可编程控制器的编程3.1.1可编程控制器的编程原则和技巧可编程控制器编程的基本原则主要有：（1）梯形图必须按从左到右，从上到下的顺序书写。（2）梯形图的最左边为起始母线，每一个逻辑行都应从左母线开始，终止于右母线。（3）线圈不能直接与左母线相连。（4）外部输入，输出继电器，内部继电器，定时器，计数器等器件的触点可以多次重复使用，不需要用复杂的程序结构来减少触点的使用次数。（5）在梯形图中触点应画在水平支路上，不应画在垂直支路上。（6）串联触点，并联触点的使用次数没有限制，可无限次使用。（7）两个或两个以上的线圈可以并联输出。3.1.2可编程控制器控制系统的设计步骤（1）分析被控对象的工艺工程及工作特点，了解被控对象机电之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。（2）根据控制要求确定控制方案，并由此确定系统所需用户输入设备和输出设备，据此确定PLC的IO点数。（3）选择输入输出设备型号，选择PLC的机型，容量，IO模块和电源。（4）分配PLC的IO点，画出PLC的IO端子与输入输出设备的连线图。（5）设计控制系统各部分电气接线图，根据图纸进行现场接线并检查。（6）设计梯形图程序，根据梯形图编制语句表，对程序进行模拟调试及修改。（7）联机调试，修改程序直到满足要求为止，随后编制相应的技术文件。3.2可编程控制器应用中常见的问题可编程控制器应用中常见的问题就是如何节省可编程控制器输入/输出点。一、分组输入：可将系统输入信号按其对应的工作方式不同分成若干组，PLC运行时只会用到其中一组信号，这样可以减少所需输入点。二、组合输入：对于不会同时接通的输入信号，可采用组合编码的方式输入。三、合并输入：将某些功能相同的开关量输入设备合并输入。四、将信号设置在PLC之外：用接触器的辅助触点来实现外部的硬件联锁。第4章加热炉自动上料控制系统的设计4.1设计的具体过程4.1.1设计任务首先，将整个生产过程先大致勾勒出来，加热炉自动上料控制系统生产线示意图如图4-1所示。图4-1加热炉自动上料控制系统生产线示意图其次，明确设计任务如下：一、设计一个加热炉自动上料控制系统；二、编写自动上料控制系统的PLC控制程序，并调试验证工作过程；三、熟练应用PLC在自动控制系统中的应用。4.1.2设计意义可编程控制器在工业控制领域中应用十分广泛，用继电器控制的系统中，要完成一个任务，需要有导线接入设备（按钮、控制开关、限位开关、传感器等）与用若干中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的具有一定逻辑功能的控制电路相连接，然后通过输出设备（接触器、电磁阀等执行系统）去控制被控对象的动作或运行。这种控制系统称作接线控制系统，所实现的逻辑称为布线逻辑，即输入对输出的控制作用是通过“接线程序”来实现的。这种控制系统的设备体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高、通用性和灵活性差，已不能满足现代化生产过程中生产工艺复杂多变的控制要求。传统的继电器接触器控制模式，它是由接触器、继电器、按钮、行程开关等组成的控制系统。尤其是它在辅助电路方面的设计较为复杂，接线繁多。另外它的使用具有单一性，即一台控制装置是针对某一固定程序的设备而设计，当程序变更是，就需要重新配线。鉴于此，我考虑到所学的知识可编程逻辑控制器，它用软件手段来实现各种控制功能，以微处理器为核心的新兴工业控制器。它把计算机的功能完备、灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制系统的操作方便、价格低、简单易懂等优点结合起来，成为一种适应工业环境的通用控制装置，并独具一格地采用以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使编程方法和程序输入更加简捷，即使不熟悉计算机的人员也能很快掌握其使用技术。对于工业生产尤其是车床或生产流水线的控制采用PLC控制，很容易实现，另外它的成本低，通用性和耐用性都很强，本次设计的加热炉自动上料控制系统在工业领域中应用比较广泛，对该系统的设计有重要的意义，并且使该系统朝着模块化、智能化的方向发展成为可能，所以该系统的开发与应用前景很大。4.1.3设计方案的选择方案一：用传统的继电器-接触器模式设计，考虑到生产实际，工作量会很大，在线路设计方面要充分考虑，布线较为复杂，出错时不易查出。方案二：利用所学知识PLC，很容易实现上述功能，另外该功能容易完善，给生产化带来很大方便。所以，选择第二种方案。4.1.4设计流程图加热炉自动上料控制系统生产过程流程图如图4-2所示。图4-2加热炉自动上料控制系统生产过程流程图4.2加热炉自动上料控制系统的方案实施4.2.1分析生产过程并确定I/O点数确定输入点数为12个，输出点数为7个。I/O点数的和为17。输入输出设备与PLC输入输出端子分配如表4-1所示。输入端输出端输入设备输入端子输出设备输出端子M1前进按钮SB1（总开关）I0.0M1正转接触器KM0Q0.0 M1急停按钮SB3I0.7M2正转接触器KM1Q0.1行程开关SQ1I0.1M3（卸料）接触器KM2Q0.2小车到位开关SQ2I0.2M1反转接触器KM3Q0.3炉门全开时限位开关SQ3I0.3M2反转接触器KM4Q0.4炉门全闭时限位开关SQ4I0.4进料指示灯（绿灯）HL1Q0.5小车回到原点限位开关SQ5I0.5加热指示灯（红灯）HL2Q0.6加热完后停止供热按钮SB2I0.6M1热继电器FR1触点I1.0M2热继电器FR2触点I1.1M3热继电器FR3触点I1.2表4-1输入输出设备与PLC输入输出端子分配表4.2.2合理分配I/O端口并制表本次设计的输入输出设备与PLC接线图如图4-3所示。图4-3输入输出设备与PLC接线图4.3绘制电路图与梯形图4.