系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)(PLC)

1、第1章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)1.1 PLC 的簡介可編程控制器的概念可編程控制器(Programmable Logical Controller) 簡稱 PLC 。國際電工委員會（ IEC）在 1985 年的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案第 3 稿中，對 PLC 作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)， 專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。 并通過數(shù)字式、 模擬式的輸入和輸出， 控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備， 都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)

2、。 ”現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是復(fù)雜多樣的， 它們對控制的要求也各不相同。 PLC 一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。 PLC 具有如下特點(diǎn)：1、編程方法簡單易學(xué)。2、功能強(qiáng)，性能價格比高。3、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。4、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。5、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少。6、維修工作量小，維修方便。7、體積小，能耗低。的應(yīng)用領(lǐng)域PLC 的初期由于其價格高于繼電器控制裝置， 使得其應(yīng)用受到限制。 但最近十年來，PLC 的應(yīng)用面越來越廣， 其主要原因是： 一方面由于處理器芯片及有關(guān)元件的價格大大下降，使得 PLC 的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增加，能解決復(fù)雜的計(jì)算

3、和通信問題。目前 PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車、裝卸、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。 PLC 的應(yīng)用范圍通常分成以下 5 種類型：1、順序控制這是 PLC 應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合PLC 使用的領(lǐng)域，它用來取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。 PLC 應(yīng)用于單機(jī)控制、 多機(jī)控制、生產(chǎn)自動線控制等。 例如：注塑機(jī)械、印刷機(jī)械、訂書機(jī)械、包裝機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制。2、運(yùn)動控制PLC 制造商目前已提供了拖動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，在多數(shù)情況下， PLC 把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模塊，其輸出移動一軸或數(shù)1/

4、17軸到目標(biāo)位置， 每個軸移動時， 位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣龋３诌\(yùn)動平滑。相對來說，位置控制模塊比CNC 裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作更方便，3、過程控制PLC 還能控制大量的過程參數(shù)， 例如：溫度、流量、壓力、液位和速度等。 PID 模塊提供了使 PLC 具有了閉環(huán)控制的功能， 即一個具有 PID 控制能力的 PLC 可用于過程控制。 當(dāng)過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時， PID 控制算法會計(jì)算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。4、數(shù)據(jù)控制在機(jī)械加工中， PLC 作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于CNC 和 NC 系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)控制。5、通信控制PLC 的通信包括主

5、機(jī)與遠(yuǎn)程I/O 的通信、多臺PLC 之間的通信、 PLC 和其他智能控制設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。PLC 與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。的系統(tǒng)組成PLC 種類繁多，但其組成和工作原理基本相同。用 PLC 實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入 /輸出變換，并將這個變換給以物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計(jì)的輸入/輸出接口電路等組成。 PLC 的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。1、中央處理單元（ CPU）中央處理單元（ CPU）一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組

6、成，這些電路都集成在一個芯片內(nèi)。 CPU 通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路連接。2、存儲器PLC 的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。系統(tǒng)存儲器包括用來存放由 PLC 生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序， 并固化在 ROM 內(nèi)，用戶不能直接更改。它使 PLC 具有基本的功能，能夠完成 PLC 設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞，很大程度上決定了PLC 的性能，其內(nèi)容主要包括三部分。第一部分為系統(tǒng)管理程序。 第二部分為用戶指令解釋程序。 第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序與系統(tǒng)調(diào)用。2/17圖 3.1 PLC 的結(jié)構(gòu)框圖用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和數(shù)據(jù)存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩

7、部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC 編程語言編寫的各種用戶程序。用戶數(shù)據(jù)存儲器可以用來存放（記憶）用戶程序中所使用器件ON/OFF 狀態(tài)和數(shù)值、數(shù)據(jù)等。用戶存儲器的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映 PLC 性能的重要指標(biāo)之一。PLC 使用的存儲器類型有三種。第一種是隨機(jī)存取存儲器（RAM ）；第二種是只讀存儲器（ROM ）；第三種是可電擦除可編程的只讀存儲器（EEPROM 或EPROM）。3、輸入 /輸出模塊輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊簡稱為 I/O 模塊。 PLC 的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入 / 輸出模塊從廣

8、義上分包含兩部分：一是與控制設(shè)備相連接的接口電路；另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸入模塊用于處理輸入信號，對輸入信號進(jìn)行濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換等，把輸入信號的邏輯值安全可靠地傳遞到 PLC 內(nèi)部。輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出到 PLC 外部，輸出模塊具有隔離 PLC 內(nèi)部電路和外部執(zhí)行元件的作用，還具有功率放大的作用。4、電源模塊PLC 一般使用 220V 的交流電源， 內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC 的中央處理器、 存儲3/17器等電路提供 5V 、± 12V、24V 等直流電源，使PLC 能正常工作。5、接口模塊接口模塊用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC 的

9、配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。6、通信接口為了實(shí)現(xiàn)“人機(jī)”或“機(jī)機(jī)”之間的對話，PLC 配有多種通信接口。 PLC通過接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的PLC 或計(jì)算機(jī)相連。7、編程器編程器的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言助記符（語句表）后，才能輸入。智能型的編程器又稱圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有 LCD 或 CRT 圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話8、其他部分有些 PLC 還可配有 EPROM 寫入器、存儲器等其他外部設(shè)備。的工作原理PLC 是一種工

10、業(yè)控制計(jì)算機(jī)，故它的工作原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)的，但是 CPU 是以分時操作方式來處理各項(xiàng)任務(wù)的， 計(jì)算機(jī)在每一瞬間只能做一件事， 所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動作， 所以它屬于串行工作方式。 PLC 工作的全過程可用圖 2.2 所示的運(yùn)行框圖來表示。概括而言，PLC 是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作的。掃描周期是控制過程中一個比較重要的技術(shù)指標(biāo)。 一般來說，掃描周期越大， 表明掃描所需要的時間就越長， 要求輸入信號的寬度就越大， 控制周期就越長， 控制速度就要降低。PLC 的過程可分為三部分。第一部分為上電

11、處理，第二部分是掃描過程，第三部分是出錯處理。4/17圖 3.2 PLC 運(yùn)行框圖5/171.2 輸入 / 輸出信號本控制系統(tǒng)有27 個輸入開關(guān)量，分別為：系統(tǒng)啟動按鈕1 個負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的啟動；系統(tǒng)停止按鈕1 個負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的停止；選擇按鈕 1 個負(fù)責(zé)機(jī)械手自動控制和檢測的切換；機(jī)械手的啟動按鈕3 個負(fù)責(zé)檢測時每個機(jī)械手的啟動；機(jī)械手的停止按鈕3 個負(fù)責(zé)檢測時每個機(jī)械手的停止；物品檢測開關(guān)3 個負(fù)責(zé)檢測工作臺上是否有物品；下降限位開關(guān)3 個負(fù)責(zé)檢測機(jī)械手到達(dá)最低位置；夾放檢測開關(guān)3 個負(fù)責(zé)機(jī)械手夾放物品的檢測；上升限位開關(guān)3 個負(fù)責(zé)檢測機(jī)械手到達(dá)最高位置；右旋限位開關(guān)3 個負(fù)責(zé)檢測機(jī)械手是否右

12、旋轉(zhuǎn)180°；左旋限位開關(guān)3 個負(fù)責(zé)檢測機(jī)械手是否左旋轉(zhuǎn)180°；建立輸入信號名稱與電氣符號表3.1。表 3. 1 輸入信號名稱與電氣符號表序號名稱電氣符號1總啟動按鈕SB12總停止按鈕SB23自動 /手動選擇按鈕SB34機(jī)械手 1 啟動按鈕SB45機(jī)械手 1 停止按鈕SB56機(jī)械手 2 啟動按鈕SB67機(jī)械手 2 停止按鈕SB78機(jī)械手 3 啟動按鈕SB89機(jī)械手 3 停止按鈕SB910工作臺 A 物品檢測開關(guān)SQ111工作臺 B 物品檢測開關(guān)SQ212工作臺 C 物品檢測開關(guān)SQ3續(xù)表 3.16/1713機(jī)械手 1 下降限位開關(guān)SQ414機(jī)械手 1 夾緊檢測開關(guān)SQ51

13、5機(jī)械手 1 上升限位開關(guān)SQ616機(jī)械手 1 左旋限位開關(guān)SQ717機(jī)械手 1 右旋限位開關(guān)SQ818機(jī)械手 2 下降限位開關(guān)SQ919機(jī)械手 2 夾緊檢測開關(guān)SQ1020機(jī)械手 2 上升限位開關(guān)SQ1121機(jī)械手 2 左旋限位開關(guān)SQ1222機(jī)械手 2 右旋限位開關(guān)SQ1323機(jī)械手 3 下降限位開關(guān)SQ1424機(jī)械手 3 夾緊檢測開關(guān)SQ1525機(jī)械手 3 上升限位開關(guān)SQ1626機(jī)械手 3 左旋限位開關(guān)SQ1727機(jī)械手 3 右旋限位開關(guān)SQ18本控制系統(tǒng)由15 個輸出電磁閥，分別為：機(jī)械手下降電磁閥3 個負(fù)責(zé)啟動機(jī)械手的下降；機(jī)械手夾放電磁閥3 個負(fù)責(zé)啟動機(jī)械手夾放物品；機(jī)械手上升電

14、磁閥3 個負(fù)責(zé)啟動機(jī)械手的上升；機(jī)械手右旋電磁閥3 個負(fù)責(zé)啟動機(jī)械手的右旋；機(jī)械手左旋電磁閥3 個負(fù)責(zé)啟動機(jī)械手的左旋。建立輸出信號名稱與電氣符號表3.2。表3.2輸出信號名稱與電氣符號表序號名稱電氣符號1機(jī)械手1 下降電磁閥YV12機(jī)械手1 夾放電磁閥YV 23機(jī)械手1 上升電磁閥YV 3續(xù)表 3.27/174機(jī)械手 1 左旋電磁閥YV 45機(jī)械手 1 右旋電磁閥YV 56機(jī)械手 2 下降電磁閥YV 67機(jī)械手 2 夾放電磁閥YV 78機(jī)械手 2 上升電磁閥YV 89機(jī)械手 2 左旋電磁閥YV 910機(jī)械手 2 右旋電磁閥YV 1011機(jī)械手 3 下降電磁閥YV 1112機(jī)械手 3 夾放電磁

15、閥YV 1213機(jī)械手 3 上升電磁閥YV 1314機(jī)械手 3 左旋電磁閥YV 1415機(jī)械手 3 右旋電磁閥YV 151.3 PLC 的選型目前，世界上有 200多個廠家生產(chǎn)可編程控制器產(chǎn)品，比較著名的PLC 生產(chǎn)廠家主要有美國的AB 、通用（ GE）、日本的三菱（MITSBISHI ）、歐姆龍（ OMRON ）、德國的西門子（ SIMENS）、法國的 TE、韓國的三星（ SUMSUNG ）、 LG 等。本文選擇的是德國的西門子公司生產(chǎn)的S7200PLC。S7 200 系列 PLC 是西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能達(dá)到大、中型PLC 的水平，而價格卻和小型PLC 的一樣，因此它一

16、經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7200CPU22*系列 PLC，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面（HMI ）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC 網(wǎng)絡(luò)。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時更加簡單，其速度快，具有極強(qiáng)的通信能力，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。CPU22* 系列 PLC 它有如下五種不同結(jié)構(gòu)的配置單元：1、CPU221，它具有 6輸入 /4輸出， I/O 共計(jì) 10點(diǎn)，無擴(kuò)展能力；2、CPU222，它具有 8輸入 /6輸出， I/O 共計(jì) 14點(diǎn)，并可以進(jìn)行一定的模擬量控制和 2個模塊的擴(kuò)展；3、CPU224，它具

17、有 14點(diǎn)輸入 /10點(diǎn)輸出， I/O 點(diǎn)數(shù)共計(jì) 24點(diǎn)，它有七個擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時鐘；4、CPU226，它具有 24輸入 /16輸出， I/O 共計(jì) 40點(diǎn)，與 CPU224相比，它增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)；8/175、CPU226XM ，這是西門子公司后推出的一種增強(qiáng)型主機(jī)，它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進(jìn)行了擴(kuò)展，其他指標(biāo)和 CPU226 相同。當(dāng) CPU 的 I/O 點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時， 就要進(jìn)行 I/O 的擴(kuò)展。 I/O 擴(kuò)展包括 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。 不同的 CPU 有不同的擴(kuò)展規(guī)范，它主要受 CPU 的功能限制。典型的數(shù)字量輸入

18、 /輸出擴(kuò)展模塊有：輸入擴(kuò)展模塊EM221 有兩種： 8 點(diǎn) DC 輸入、 8 點(diǎn) AC 輸入。輸出擴(kuò)展模塊 EM222 有三種： 8 點(diǎn) DC 晶體管輸出、 8 點(diǎn) AC 輸出、 8 點(diǎn)繼電器輸出。輸入 /輸出混合擴(kuò)展模塊 EM223 有六種：分別為 4 點(diǎn)（8 點(diǎn)、 16 點(diǎn)）DC 輸入 /4 點(diǎn)（8 點(diǎn)、16 點(diǎn)）DC 輸出、 4 點(diǎn)（8 點(diǎn)、 16 點(diǎn)）DC 輸入 /4 點(diǎn)（ 8 點(diǎn)、16 點(diǎn)）繼電器輸出。本次設(shè)計(jì)中共 27 個輸入量，共 15 個輸出量，共計(jì) 32 點(diǎn)，因此選用了 S7 200 系列 CPU224，CPU224 具有 14 點(diǎn)輸入 /10 點(diǎn)輸出， I/O 點(diǎn)數(shù)共計(jì)

19、24 點(diǎn)，它可以有七個擴(kuò)展模塊， 有內(nèi)置時鐘， 它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力， 是使用最多的 S7 200 產(chǎn)品。由于本系統(tǒng)的具有 27 點(diǎn)輸入 /15 點(diǎn)輸出， CPU224 不能滿足本系統(tǒng)的要求，所以擴(kuò)展 8 點(diǎn) DC 輸入 EM221 兩個，用于數(shù)字開關(guān)量的輸入，擴(kuò)展 8 點(diǎn)繼電器輸出 EM222 一個，用于繼電器的輸出。由 CPU224、兩個 EM221 和一個 EM222 組成了 PLC 控制系統(tǒng)框圖如圖 3.3 所示。圖 3.3控制系統(tǒng)框圖9/171.4 I/O 地址分配根據(jù)機(jī)械手的輸入信號為27 個，輸出信號為 15 個，建立 I/O 地址分配表。建立輸入信號地址分配表如

20、表3.3 所示：表 3.3 輸入信號地址分配表序號名稱地址1SB1I0.02SB2I0.13SB3I0.24SB4I0.35SB5I0.46SB6I0.57SB7I0.38SB8I1.09SB9I1.110SQ1I0.711SQ2I1.212SQ3I1.313SQ4I2.014SQ5I2.115SQ6I2.216SQ7I2.317SQ8I2.418SQ9I2.519SQ10I2.620SQ11I2.721SQ12I3.0序表 3.310/1722SQ1323SQ1424SQ1525SQ1626SQ1727SQ18I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6建立輸出信號地址分配表如表3.4

21、所示：表 3.4 輸出信號地址分配表序號名稱地址1KA1Q0.02KA 2Q0.13KA 3Q0.24KA 4Q0.35KA 5Q0.46KA 6Q0.57KA 7Q0.68KA 8Q0.79KA 9Q1.010KA 10Q1.111KA 11Q2.012KA 12Q2.113KA 13Q2.214KA 14Q2.315KA 15Q2.4建立通用輔助繼電器地址分配表如表3.5 所示：表 3.5通用輔助繼電器地址分配表11/17序號名稱地址1自動方式M0.02手動方式M0.13機(jī)械手 1 動作中M0.24機(jī)械手 2 動作中M0.35機(jī)械手 3 動作中M0.46系統(tǒng)停止M0.51.5 PLC 外部

22、接線本系統(tǒng)的各模塊在 I/O 鏈中的位置排列方式如圖3.2 所示。圖 3.2 各模塊鏈圖表 3.6 所列為其對應(yīng)的各模塊編址情況。表 3.6 各模塊編址主機(jī) I/O模塊 1I/O模塊 2I/O模塊 3I/OCPU224EM221EM221EM222I0.0Q0.0I2.0I3.0Q2.0I0.1Q0.1I2.1I3.1Q2.1I0.2Q0.2I2.2I3.2Q2.2I0.3Q0.3I2.3I3.3Q2.3I0.4Q0.4I2.4I3.4Q2.4I0.5Q0.5I2.5I3.5Q2.5序表 3.6I0.6Q0.6I2.6I3.6Q2.612/17I0.7Q0.7I2.7I3.7Q2.7I1.0Q

23、1.0I1.1Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.5EM221（ 1）外部接線如圖3.3 所示。圖 3.3 EM221 （1）外部接線機(jī)械手 1 下降限位開關(guān) SQ4，機(jī)械手 1 夾緊檢測開關(guān) SQ5，機(jī)械手 1 上升限位開關(guān) SQ6，機(jī)械手 1 左旋限位開關(guān) SQ7，分別連接擴(kuò)展模塊 EM221(1) 的 I2.0I2.3。機(jī)械手 1 右旋限位開關(guān) SQ8，機(jī)械手 2 下降限位開關(guān) SQ9，機(jī)械手 2 夾緊檢測開關(guān) SQ10，機(jī)械手 2 上升限位開關(guān) SQ11，分別連接擴(kuò)展模塊 EM221(1)的 I2.4I2.7。EM221（2）外部接線如圖3.4 所示。圖 3.4 EM221 （ 2）

24、外部接線機(jī)械手 2 左旋限位開關(guān) SQ12，機(jī)械手 2 右旋限位開關(guān) SQ13，機(jī)械手 3 下降限位開關(guān) SQ14，機(jī)械手 3 夾緊檢測開關(guān) SQ15，分別連接擴(kuò)展模 EM221(2) 的I3.0I3.3。機(jī)械手 3 上升限位開關(guān) SQ16，機(jī)械手 3 左旋限位開關(guān) SQ17，機(jī)械手 2 右旋限位開關(guān) SQ18，分別連接擴(kuò)展模塊 EM221(2)的 I3.4I3.6。EM222 外部接線如圖 3.5 所示。圖 3.5 EM221 （ 2）外部接線機(jī)械手 3 下降電磁閥的中間繼電器 KA11 ，機(jī)械手 3 夾放電磁閥的中間繼電器 KA12 ，機(jī)械手 3 上升電磁閥的中間繼電器 KA13 ，機(jī)械手 3 左旋電磁閥的中間繼電器 KA14 ，分別連接擴(kuò)展模塊 3EM222 的 Q2.0Q2.3。機(jī)械手 3 右旋電磁閥的中間繼電器 KA15 ，連接擴(kuò)展模塊3EM222 的 Q2.4。14/17CPU224 外部接線如圖 3.6 所示。圖 3.6 CPU224 外部接線總啟動按鈕 SB1，總停止按鈕 SB2，自動 /手動選擇按鈕 SB3，機(jī)械手 1 啟動按鈕 SB