基于PLC红绿灯系统及自动门系统

1、三 江 学 院可 编 程 序 控 制 器 课 程 设 计 机械工程 学院机械设计制造及其自动化（机电一体化） 专业学生姓名 范鑫鑫 学 号 12013158003 起讫日期 2015年12月2125 指导教师姓名（签名） 王卓君 目 录第一章 绪论 1.1课题背景2 1.2 PLC简介2第二章 系统的控制要求2.1系统控制要求4第三章 十字路口交通灯控制系统硬件设计3.1 PLC的选型53.2 控制按钮选择53.3 I/O分配表53.4系统硬件连接图63.5顺序控制法程序设计3.5.1程序流程图73.5.2顺序功能图83.5.3梯形图93.5.4程序解释13第四章 自动门控制系统设计4.1 分

2、析系统控制要求154.2 构建自动门控制系统硬件154.3 I/O分配表194.4 硬件连接图204.5 自动门控制系统程序设计21课程设计小结 26参考文献 26第一章 绪 论 一、课题背景1.1 PLCPLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。在全球PLC制造商中，根据美国 Automation Research

3、 Corp （ARC） 的调查，世界PLC的五大生产厂家分别为西门子公司、Allen-Bradley （A-B）公司、施耐德(Schneider)公司、三菱(Mitsubishi)公司、欧姆龙(Omron)公司，他们的销售额约占全球总销售额的2/3 S7-200是西门子公司的产品之一，其注册商标为SIMAATIC。西门子公司的产品最早是1975年投放市场的SIMATIC S3，它实际上是带有简单操作接口的二进制控制器。在1979年，S3系统被SIMATIC S5所取代，该系统广泛使用微处理器。20世纪80年代初，S5系统进一步升级产生U系列PLC，较常用的机型有S5-90U、95U、100U、

4、115U、135U、155U。1994年4月，S7系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的Windows用户界面等优势，它包括小型PLC S7-200、中型PLC S7-300和大型PLC S7-400。1996年，在过程控制领域，西门子公司又提出PCS7(过程控制系统7)的概念，将其具有优势的WINCC（与windows兼容的操作界面）、PROFIBUS(工业现场总线)、COROS(监控系统)、SINEC（西门子工业网络）及控制技术融为一体。现在，西门子公司又提出TIA（Totally Integrated Automation）概念，即全集成自动化系统，将PLC技术融

5、于全部自动化领域。2004年西门子公司举行了新一代S7-200产品发布会，推出了升级产品CPU224和CPU226，全新产品CPU224XP和TD200C，以及编程软件STEP7-Micro/WIN4.0和OPC服务器软件PC Access V1.0。1.2 PLC简介可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价

6、格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。 70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模3块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计

7、数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 可靠性高，抗干扰能力强； 编程直观、简单； 适应性好； 功能完善，接口功能强。PLC是按循环扫描工作方式工作的,PLC周期性完成内部处理,通信服务,输入采样,执行程序和输出刷新这五项工作。一个循环周期结束后，再开始

8、新的周期，每个循环周期的时间长度随PLC的性能和程序不同而有所差别，在STOP状态下，只完成内部处理和通信服务。1. 内部处理 PLC在内部处理阶段，主要完成自检，自诊断等工作。2. 通信服务 PLC在通信服务阶段主要负责通过网络和其他PLC或现场设备进行数据交换。 3. 输入采样 在输入采样阶段，PLC按顺序对所有接口的输入状态进行采样，并存入输入映像寄存器中。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其他阶段，即使输入端的状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能被采样到。4. 执行程序 在程序执行阶段，PLC按顺序对用户程序进行扫描执行

9、。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。5. 输出刷新 在某一扫描周期内，当所有程序执行完毕后，进入输出刷新阶段。在这一阶段，PLC将输出映象寄存器的输出继电器状态转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。第二章 交通十字路口控制系统设计一、系统控制要求系统要求用两个控制按钮来控制信号灯工作，交通信号灯排列如下图2-1所示，系统控制要求如下所述： 当按下启动按钮后，南北红灯亮25s在南北红灯亮25s的时间里，东西绿灯先亮20s，再以1次/1秒的频率闪烁3次，接着东西黄灯亮2s，25s后南北红灯熄灭，熄灭时间维持30s，在这30s的时间里，东西红灯一直亮，南北绿

10、灯先亮25s，然后以1次/1秒的频率闪烁3次，接着南北黄灯亮2s，以后重复该过程。按下停止按钮后，所有灯都熄灭，交通灯的控制时序图2-2所示：图1-1 交通信号灯排序图1-2 交通信号灯的工作时序第三章 十字路口交通灯控制系统硬件设计一、交通灯控制系统硬件配置3.1 PLC选型本次采用的是西门子S7-200型号的PLC，S7-200采用模块 化结构设计。含有多种模块，可进行单独组合。各种 CPU 可用于不同的性能范围，包括具有集成 I/O 和对应功能的 CPU 以及具有集成 PROFIBUS DP、PROFINET 和点对点接口的 CPU。3.2 控制按钮选型本次采用的是SB1、SB2两个控制

11、按钮，SB1为启动按钮，SB2为停止按钮。3.3 I/O分配表输入输出设备端子功能设备端子功能SB1I0.0启动L1Q0.0东西红SB2I0.1停止L2Q0.1东西绿L3Q0.2东西黄L4Q0.3南北红L5Q0.4南北绿L6Q0.5南北黄表1-1交通信号灯I/O分配表3.4 系统硬件连接图（完整、规范）图1-3 交通信号灯的硬件连接图二、交通灯控制系统软件设计3.5顺序控制法程序设计3.5.1 程序流程图开始南北红亮25s，东西绿亮20s东西绿闪烁3s东西黄亮2s东西红亮30s，南北绿亮25s南北绿闪烁3s南北黄亮2s图1-4 交通信号灯的流程图3.5.2顺序功能图T38T37T36T35T3

12、4T33开始S0.0S0.1S0.3S0.4S0.5S0.2M0.7T33M0.0M0.6T34M0.1Q0.2T35M0.2M0.3T36M1.0Q0.5T38M0.3M1.1T37M0.4图1-5交通信号灯的顺序功能图3.5.3 梯形图3.5.4 程序解释I0.0为总启动开关，启动顺序控制，I0.1为总关闭开关，复位顺序控制。S0.0启动后M0.0置1，M0.0为1，同时T33定时20秒T33定时完启动S0.1M0.6输出周期为1秒的脉冲，同时T34定时3秒T34定时完将Q0.2复位，同时启动S0.2Q0.2输出1，同时T35定时2秒T35定时完后将Q0.2复位，M0.2复位，同时启动S0

13、.3S0.3启动后M1.0置1，M0.3为1，同时T36定时25秒T36定时完成后启动S0.4M1.1输出周期为1秒的脉冲，同时T37定时3秒T37定时完启动S0.5Q0.6输出1，同时T38定时2秒T38定时完后将Q0.4复位，Q0.6复位，同时启动S0.0，达成循环目的M0.3和M0.4和M0.5同时控制Q0.0M0.6和M0.7同时控制Q0.1M1.0和M1.1同时控制Q0.4M0.1和M0.2和M0.3同时控制Q0.33.5.5程序的调试过程顺序程序设计调试: 编写完程序后,把程序输入到软件中,然后用电脑把程序下载到PLC模拟器中,连接线路.打开PLC模拟器,这时候发现红灯和绿灯没有亮

14、,但是绿灯有闪烁.再次看程序时,发现绿灯和红灯在程序中出现多次,由多个输入控制,输出被覆盖了.通过看书和请教老师,知道了要用中间继电器来解决,修改程序后再次输入,这时发现现象很好的显示出来了第四章 自动门控制系统设计一、系统控制要求：4.1分析系统控制要求1）当有人员由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，开关执行机构KM1动作，电动机正转。当门到达开门限位开关K3时，电动机停止运行2）自动门在开门位置停留8s后，自动进入关门过程，关门执行机构K被启动，电动机反转。当门移动到关门限位开关位置时，电动机停止运行。3）关门过程中，当有人员由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，应当

15、立即停止关门，并自动进入开门程序。4）在门打开后的等待时间内，若有人员由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，必须重新开始等待8s后，再进入关门过程，以保证人员安全 5）有过载保护功能，急停功能、手动操作功能。4.1.1 自动门示意图图2-1 自动门的示意图4.2构建自动门控制系统硬件4.2.1 控制器选择在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需要的操作和动作，然后根据控制要求，估计输入输出点数、所需存储器的容量、确定P

16、LC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 1.输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，在增加10%到20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入14点，输出10点。 2.存储器容量的选择存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目实用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器的容量。设计阶段，由于用户程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，须

17、在程序调试之后才知道。为了设计选型时，能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替，存储器内存容量的估算没有固定的形式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10到15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按次数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储索要储存的程序，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。 3.控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等性能的选择。根据本课题所设计的自动门控制系统的要求，主要介绍一下几种功能的选择。 1） 控制功能PLC主要用

18、于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制 器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需要的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。 2）编程功能 离线编程方式：PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程

19、序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。 五种标准化变成语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语言表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言变成方式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 3）诊断功能 PLC的诊断功能爆孔硬件和软键的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软键对PLC的CPU玉外部输入输出等部件信息叫唤功能进行诊断是外诊断。PL

20、C的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 4.机型的选择 1）PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块两类型型，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/0点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/0卡件或插卡，因此用户可较合理的选择和配置系统控制的I/0点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 2）经济的考虑 选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可

21、操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出比较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。点当数增加到一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对PLC选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选用整体型PLC。 5.对PLC响应时间的要求对于多数场合，PLC的相应时间基本上能满足控制要求。响应时间包括输入滤波时间，输出滤波时间和扫描周期。PLC的工作方式决定了他不能接受频率过高或持续时间小于扫描周期的输入信号，当有此类信号输入时需要选用扫描速度高的PLC

22、或快速响应模块和中断输入模块。 综合以上因素，本课题的设计采用德国西门子公司生产的CPU224小型PLC来实现整个系统的控制。4.2.2 传感器选择2.2.1工作原理光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。2.2.2光电开关的分类及术语解释（1）、分类漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线

23、反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一

24、光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。（2）术语检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置（光电开关的感应表面）到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。响应频率：在规定的1s的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通

25、的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。检测方式：根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。输出形式：分NPN二线、NPN三线、NPN四线、PNP二线、PNP三线、PNP四线、AC二线、AC五线（自带继电器），及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的输出形式。指向角4.2.3 控制按钮选择限位开关又称行程开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制命令的主令电器。用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一种自动控制器件。 限位开关广泛应用于各类机床、起

26、重机械以及轻工机械的行程控制。当生产机械运动到某一运动位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转化为电信号，以实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对生产机械给以必要的保护。4.3 I/O 分配输入输出设备端子功能设备端子功能光电传感器SQ1I0.0K1Q0.0KM1光电传感器SQ2I0.1K2Q0.1KM2限位开关SB1I0.2K3限位开关SB2I0.3K4SB3I0.4过载保护SB4I0.5急停SB5I0.6启动/停止SB6I0.7手动开门SB7I1.0手动关门表2-1 自动门的I/O 分配4.4 硬件连接图（完整、规范）图2-2 自动门的硬件连接图4.5自动门控制系统软件设计4.5.1程序顺序功能图开始手动开门手动关门K1、K2有信号KM1启动，开门 限位开关启动，停止开门计时8sKM2启动，关门是否有人经过结束K4限位开关启动，停止关门是否K1、K2有信号4.5.2梯形图4.5.3程序解释1）当有人由内到外或由外到内通