布料車PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

武漢理工大學(xué)《機電傳動與控制》課程設(shè)計說明書摘要隨著技術(shù)的發(fā)展，其控制功能不斷增強，可編程程序控制器還可以進(jìn)行算術(shù)運算，模擬量控制、順序控制、定時、計數(shù)等，并通過數(shù)字，模擬的輸入、輸出控制各種類型的機械生產(chǎn)過程。長期以來，PLC及其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)始終戰(zhàn)斗在工業(yè)自動化控制行業(yè)的主戰(zhàn)場，其提供的安全和完善的解決方案，為各種各樣的自動化設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用，在電力、冶金、化工、機械等行業(yè)發(fā)揮了重大作用，被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱之一。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)與自動控制技術(shù)為一體的工業(yè)控制產(chǎn)品，是在硬接線邏輯控制技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。通常把PLC認(rèn)為是由等效的繼電器、定時器、計數(shù)器等元件組成的裝置。本文詳細(xì)闡述了應(yīng)用西門子公司的具有高性能價格比的微型可編程控制器S7-300系列PLC控制系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)來進(jìn)行布料車PLC控制系統(tǒng)設(shè)計，這一控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和應(yīng)用,充分體現(xiàn)了PLC系統(tǒng)在工業(yè)的應(yīng)用,以及根據(jù)設(shè)計和不同的需求改變數(shù)據(jù)和狀況,還可以使其應(yīng)用的范圍更加廣泛。關(guān)鍵字：可編程控制器（PLC）；布料車往復(fù)運動；S7系列S7-300目錄TOC\o"1-3"\h\u4921第一章前言 296141.1PLC的基本概念 2307581.2PLC的基本結(jié)構(gòu) 2286771.3PLC的工作原理 321540第二章設(shè)計方案分析 5134462.1布料車PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 5238922.2往復(fù)運動的實現(xiàn)要求 6298192.3設(shè)計系統(tǒng)要求 627652第三章系統(tǒng)設(shè)計 7146863.1PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)步驟 7134713.2PLC的選型原則 7233933.3布料車程序設(shè)計元器件選擇 85690第四章原理控制線路圖 8118494.1電機主線路控制原理圖 8190704.2PLCI/O分配表及接線原理圖 9200064.2.1布料車控制系統(tǒng)I/O分配表 9271404.2.2接線圖 9212044.3系統(tǒng)流程圖 1141854.4狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 11103354.5控制程序梯形圖 131340第五章系統(tǒng)仿真與運行 18316895.1組態(tài) 18155875.2調(diào)用函數(shù) 18263085.3完成仿真 19202915.3.1單周期工作模式 1967395.3.2連續(xù)循環(huán)工作模式 2118090結(jié)論 241915參考文獻(xiàn) 25中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。c、存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。d、輸入輸出接口電路1．現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。2．現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。e、功能模塊如計數(shù)、定位等功能模塊。f、通信模塊如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。1.3PLC的工作原理掃描技術(shù)當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。初期的PLC只是用于邏輯控制的場合,代替繼電器控制系統(tǒng)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,PLC以微處理器為核心,適用于開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量的控制,它已進(jìn)入過程控制和位置控制等場合的控制領(lǐng)域。目前,可編程序控制器既保留了原來可編程序邏輯控制器的所有優(yōu)點,又吸收和發(fā)展了其他控制裝置的優(yōu)點,包括計算機控制系統(tǒng)、過程儀表控制系統(tǒng)、集散系統(tǒng)、分散系統(tǒng)等。在許多場合,可編程序控制器可以構(gòu)成各種綜合控制系統(tǒng),例如構(gòu)成邏輯控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、圖形工作站等等。這次課程設(shè)計主要對超聲波清洗機的原理和PLC應(yīng)用作了簡要的說明和概述。此次的課程設(shè)計我們設(shè)計的是布料車PLC自動控制。用型號為西門子公司S7系列的S7-300的PLC實現(xiàn)布料車車進(jìn)行“進(jìn)二退一”的運動過程。通過I/O地址的分配，畫出PLC與控制對象的接線圖，設(shè)計控制流程，按照模塊化的方式設(shè)計程序，實現(xiàn)PLC與控制路線的接口連接。 第二章設(shè)計方案分析本設(shè)計的題目是布料車PLC控制系統(tǒng)設(shè)計，預(yù)期實現(xiàn)的主要功能如下：實現(xiàn)布料車的往復(fù)運動，根據(jù)站點的不同進(jìn)行往復(fù)，布料車的工作行程按“進(jìn)二退一”的方式往返于A、B、C、D四個工位之間。通過對電機的控制實現(xiàn)一定的循環(huán)，布料車可以實現(xiàn)單周期、連續(xù)兩種操作方式。熱繼電器(FR)用于電動機的過載保護(hù)，斷相及電流不平衡運行保護(hù)。(FU)熔斷器起電機主回路短路保護(hù)作用,而自鎖起零壓保護(hù)作用。2.1布料車PLC控制系統(tǒng)設(shè)計圖2-1所示為布料車輸送系統(tǒng)。布料車的工作行程按“進(jìn)二退一”的方式往返于A、B、C、D四個工位之間，使得物料在傳送帶上分布更加合理。布料車由三相異步電動機驅(qū)動。布料車可以實現(xiàn)單周期、連續(xù)兩種操作方式。圖2-1布料車輸送系統(tǒng)示意圖圖2-2布料車工作流程2.2往復(fù)運動的實現(xiàn)要求1)單周期循環(huán)控制要求：按下單周期循環(huán)控制按鈕SB1,如圖2-2，布料車由起始位置A向右運行至C處，然后由C向左回到B處，再向右運行到D處，再向左運行到B處，然后向右運行到C處，最后向左回到開始位置A處停止，完成單周期循環(huán)控制過程。2)連續(xù)循環(huán)控制要求按下連續(xù)循環(huán)控制按鈕SB2，布料車將反復(fù)執(zhí)行單周期循環(huán)控制過程，按下停止按鈕SB3后，布料車運行到開始位置A處停止。要求循環(huán)50次后終止循環(huán)，發(fā)出聲光簡短報警，按停止按鈕終止報警。2.3設(shè)計系統(tǒng)要求1)PLC型號：西門子公司S7系列，S7-3002)編程環(huán)境：SIMATICManager/Step7V5.4或更高版本3)根據(jù)控制要求分配PLCI/O地址，畫出PLC與控制對象的接線圖，設(shè)計控制流程，按照模塊化的方式設(shè)計程序，既可以采用LAD編程，也可以采用STL編程，還可以采用組合方式編程。4)編寫的需要輸入PLC，調(diào)試通過。第三章系統(tǒng)設(shè)計3.1PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)步驟3.2PLC的選型原則在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。一般在選擇PLC時考慮以下幾方面：輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算存儲器容量的估算控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能和處理速度等特性的選擇。3.3布料車程序設(shè)計元器件選擇PLC主機：選擇CPC313C-2DP作為布料車程序設(shè)計控制的主機。布料車程序設(shè)計總共7個輸入點,4個輸出點。啟動：按下SB1用于布料車單周期工作狀態(tài)。按下SB2用于布料車連續(xù)循環(huán)工作狀態(tài)，減計數(shù)器開始工作。停止：按下SB3使布料車的停止工作,計數(shù)器復(fù)位，報警聲和報警燈停止。3.4PLC設(shè)計思想首先應(yīng)確定輸入元件和輸出元件，由此來選擇PLC的總點數(shù)，以便于畫出PLC本設(shè)計的I/O分配圖。有以上小車流程圖所知，小車需要往返于4個光電開關(guān)之間，其4個光電開關(guān)屬于輸入；右行和左行分別由電動機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來控制，其電機的正傳和反轉(zhuǎn)屬于輸出；報警燈和報警聲也屬于輸出。第四章原理控制線路圖4.1電機主線路控制原理圖根據(jù)要求畫出的主控制線路圖如圖3-1所示,其中FR熱繼電器用于電動機的過載保護(hù)，斷相及電流不平衡運行保護(hù)。FU熔斷器起電機主回路短路保護(hù)作用。圖4-1電機主控制線路圖4.2PLCI/O分配表及接線原理圖4.2.1布料車控制系統(tǒng)I/O分配表輸入輸出功能地址功能地址單周期按鈕SB1I0.1電機正轉(zhuǎn)Q4.0連續(xù)循環(huán)按鈕SB2I0.2電機反轉(zhuǎn)Q4.1停止按鈕SB3I0.3報警聲Q4.2光燈開關(guān)SQ1I0.4報警燈Q4.3光燈開關(guān)SQ2I0.5光燈開關(guān)SQ3I0.6光燈開關(guān)SQ4I0.74.2.2接線圖該圖采用西門子s7-300的PLC來實現(xiàn)控制，各個接口根據(jù)其不同的功能，有的已進(jìn)行標(biāo)識。接入FR熱繼電器用于電動機的過載保護(hù)，斷相及電流不平衡運行保護(hù)。以此來保護(hù)裝料、卸料、前進(jìn)和后退的電機4-1I/O接線圖4.3系統(tǒng)流程圖4-3系統(tǒng)流程圖4.4狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4-4所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，其中I0.1是一個啟動信號，當(dāng)給予PLC一個I0.1的信號，光電開關(guān)SQ1閉合式，PLC就啟動，沿著順序一直往下執(zhí)行,進(jìn)行單周期工作模式，從原點A啟動，一次進(jìn)行“進(jìn)二退一”的工作方式，最后回到原點A，電機自動停止。4-4單周期流程圖如圖4-5所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，其中I0.2是一個啟動信號，當(dāng)給予PLC一個I0.2的信號，光電開關(guān)SQ1閉合式，PLC就啟動，沿著順序一直往下執(zhí)行,進(jìn)行50次連續(xù)循環(huán)的工作模式。50次循環(huán)內(nèi)按下停止按鈕SB3，布料車?yán)^續(xù)完成本次循環(huán)，回到原點A，電機自動停止，減計數(shù)器C0復(fù)位。50次循環(huán)結(jié)束，電機自動停止在原點，自動就進(jìn)行報警功能，按下停止按鈕SB3，減計數(shù)器C0復(fù)位，報警停止。4-5連續(xù)循環(huán)流程圖4.5控制程序梯形圖第五章系統(tǒng)仿真與運行在對系統(tǒng)的仿真中，根據(jù)實際條件，進(jìn)行組態(tài)，選擇合適的電源和CPU。完成配置，進(jìn)行梯形圖的輸入，最后仿真，檢驗結(jié)果是否正確。5.1組態(tài)根據(jù)PLC選擇對應(yīng)的地址和相應(yīng)的電源、CPU、輸入、輸出等的型號，配置如下圖3-1：圖5-1系統(tǒng)的組態(tài)5.2調(diào)用函數(shù)對輸入的梯形圖進(jìn)行調(diào)用，在OB1模塊中調(diào)用FC1，下載程序，并進(jìn)行仿真。圖5-2函數(shù)調(diào)用圖5.3完成仿真根據(jù)實際條件，對相應(yīng)的輸入進(jìn)行控制，觀察輸出是否正確。并進(jìn)行調(diào)試和修改。5.3.1單周期工作模式ACCBBDDBBCCA回到起點A5.3.2連續(xù)循環(huán)工作模式初試第一步：最后一個周期工作流程：ACCBBDDBBCCA循環(huán)結(jié)束，產(chǎn)生報警信號。按下停止按鈕SB3，減計數(shù)器復(fù)位，中斷報警信號。結(jié)論經(jīng)過兩周的努力工作，終于完成了自己的布料車設(shè)計。雖說忙碌了點，但我覺得這樣的生活充實且有成就感，當(dāng)然，也獲益匪淺。本設(shè)計是采用西門子S7-300PLC為核心，完成相關(guān)控制模塊等的模塊化設(shè)計與制作；整個設(shè)計過程是硬件和軟件相結(jié)合的，并采用梯形圖語言編寫實現(xiàn)。根據(jù)要求用PLC對其進(jìn)行控制，取得了以下研究成果：（1）控制系統(tǒng)接線圖（2）控制系統(tǒng)工作原理的闡述（3）硬件電路的完成至于軟件設(shè)計與調(diào)試，我覺得它主要考驗?zāi)愕乃季S邏輯能力及你對指令的熟悉程度。此次設(shè)計又一次的學(xué)習(xí)了一些軟件，而且也重新學(xué)了一下PLC的內(nèi)容，從最基礎(chǔ)的知識開始學(xué)習(xí)，重新理解和記憶一些與PLC有關(guān)的東西。例如對于梯形圖中的命令的理解，如何根據(jù)梯形圖寫出語句表，又怎樣根據(jù)語句表畫出梯形圖。只有對這些知識有一定的了解，才可能編出PLC程序。在整個課程設(shè)計過程我還掌握了一下幾點：（1）掌握了PLC系統(tǒng)設(shè)計的流程，熟悉了軟件編程方法。（2）熟練使用了各種計算機輔助設(shè)計工具完