1、安 徽 机 电 职 业 技 术 学 院毕 业 论 文PLC 在加工检测站中的应用系 别 电气工程系 专 业 机电一体化 班 级 机电 3112 班 姓 名 刘珍珍 学 号 1302113124 2013 2014 学年第 一 学期摘 要可编程序控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC 的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称 PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER） ，但是为了不和PERSONAL COM
2、PUTER 混淆，仍习惯称为 PLC。目前 PLC 已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现 SOFTPLC，更是 PLC 领域无限的发展前景。本文主要通过气动机械手的 PLC 控制来介绍 PLC 的具体应用，让我们更熟悉 PLC，为今后学习打下基础。 加工检测站是模拟实际生产加工操作过程的开放式教学系统，主要是针对学生不能经常在实际生产线上进行培训而设计的，该系统是工业自动化生产线的缩微模型，可以提供一个实际自动化制造，加工生产线的模拟教学环境，可根据 I/O 分配编写程序达到系统的控制，提高实际操作的能力，它采用西门子公司生产的小型可编程序控制器 S7-200 对加工检测站
3、各个工作站的运行过程进行实时控制。 本次设计是以加工检测站中机械手站单元为研究，采用德国西门子公司生产的 S7-200 系列可编程控制器对气缸进行运动控制，根据加工检测站的运动要求进行编程，使用传感器进行位置控制，并使用FluidSIM-P 软件设计制作气动控制和仿真模拟，完成加工检测站的控制任务。 关键词：加工检测站；机械手站单元；PLC；传感器目 录第一章 PLC 的介绍及在加工检测站中的应用 .11.1 PLC 的概况及特点 .11.2 PLC 结构及基本配置 .21.3 PLC 的应用 .31.4 加工检测站所选用的 PLC.3第二章 电机执行机构的设计及选用 .72.1 气动部件的简
4、要分析 .72.2 气动部件的选用 .82.3 电器元件的简介 .92.4 传感器的简介以及分类 .112.5 传感器工作原理及应用 .12第三章 加工检测站单元的 PLC 设计 .153.1 加工检测站单元的控制要求 .153.2 加工检测站单元顺序功能流程图 .153.3 加工检测站单元的 I/O 分配表 .163.4 梯形图 .173.5 模拟调试 .17总 结 .18参考文献 .19致 谢 .201第一章 PLC 的介绍及在加工检测站中的应用1.1 PLC 的概况及特点可编程序控制器（PLC）是现代工业自动化领域中的一门先进控制技术，它已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM
5、、ROBOT）之一，其应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。PLC 具有可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网、易于与计算机接口、模拟量控制、高速计数及位控等一系列优异性能。1.PLC 的分类可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。 可编程序控制器发展到今天，已经有多种形式，而且功能也不尽相同。按不同的原则可有不同的分类。 (1) 根据结构分类 整体式（箱体式） 组合式（机架模块式） 整体式、组合式 P
6、LC 的基本组成框图如图 1.1 所示。 图 1.1 组合式、整体式 PLC 的基本组成框图(2) 按控制规模分类一般而言，处理的 I/O 点数愈多，则控制关系愈复杂，用户要求的程序存储器容量愈加大、PLC 指令及其他功能也愈加多、指令执行的速度也愈加快。按 PLC 的I/O 点数可将 PLC 分为以下三类：小型 PLC、中型 PLC、大型 PLC。 2.PLC 的特点：抗干扰能力强，可靠性高；编程方便；使用方便；维护方便；设计、施工调试周期短；易于实现机电一体化。21.2 PLC 结构及基本配置一般讲，PLC 分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块 CPU 板、
7、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，当然按 CPU 性能分成若干型号，并按 I/O 点数又有若干规格。对模块式 PLC，有 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架。1.CPU 的构成PLC 中的 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每台 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制
8、电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC不可缺少的组成单元。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU 的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU 的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但 PLC 中的 CPU 芯片实际上就是微处理器。CPU 模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种
9、种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式 PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接 I/O 模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对 PLC 作设定，如设定起始工作方式、内存区等。2.I/O 模块PLC 的对外功能，主要是通过各种 I/O 接口模块与外界联系的，按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O
10、 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。3.电源模块有些 PLC 中的电源，是与 CPU 模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流 220VAC 或 110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为 24V。34.底板或机架 大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5.PLC 的外部设备外部设备是 PLC 系统不可分割的
11、一部分，它有四大类 (1)编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况。编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。 (2)监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。(3)存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如 EPROM、EEPROM 写入器等。 (4)输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。6.PLC 的通信联网PLC 具有通信联网的功能，它使
12、PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的 PLC 新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有 RS-232 接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC 与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的 PLC 之间、PLC 与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。1.3 PLC 的应用最初，PLC 主要用于开关量的逻辑控制。随着 PLC 技术的进步，它的应用领域不断扩大，主要用于开关量
13、控制；用于模拟量控制；用于数字量控制；用于数据采集；用于进行监控；用于联网、通讯。 事实上，PLC 已广泛应用于工业生产的各个领域。从行业看，冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等，几乎没有不用到它的。不仅工业生产用它，一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制也用到它。农业的大棚环境参数调控，水利灌溉也用到它。 PLC 能有上述几个范围广泛的应用，是 PLC 自身特点决定的，也是 PLC 技术不断完善的结果。 1.4 加工检测站所选用的 PLC德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的4SIMATIC 可编程序控制器欧洲处于领先地位。其第一代可编程控制器是 197
14、5 年投放市场的 SIMATIC S3 系列的控制系统。在 1979 年，微处理器技术被应用到可编程控制器中，产生了 SIMATIC S5 系列，取代了 S3 系列，之后在二十世纪末又推出了 S7系列产品。最新的 SIMATIC 产品为 SIMATIC S7、M7 和 C7 等几大系列。 从 CPU 模块的功能来看，SIMATIC S7-200 系列小型 PLC 发展经历了两代： 第一代产品其 CPU 模块为 CPU 21X，主机都可以进行扩展，它具有四种不同结构配置的 CPU 单元：CPU212，CPU214，CPU215 和 CPU216。 第二代产品其 CPU 模块为 CPU 22X，是
15、在二十一世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通讯能力，它具有四种不同结构配置的 CPU 单元：CPU221，CPU222，CPU224 和 CPU226，除 CPU221 之外，其他都可以加扩展模块。SIMATIC S7-200 系统由硬件和工业软件两大部分组成:1.硬件基本单元、扩展单元、特殊功能模块、相关设备2.工业软件工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几类构成。(1)CPU 介绍及 I/O 系统（如表 1.1）表 1.1 不同种类 CUP 的 I/O 对比(2)基本结构特点4 种 CPU 各有晶
16、体管输出(直流输出)和继电器输出（交、直流输出）两种类型，具有不同电源电压和控制电压。各类型的型号如下表 1.2：5表 1.2 各种 CPU 输出电压、电流的对比(3)S7-200 之间的 PPI 通信PPI 协议是专门为 S7-200 开发的通信协议。S7-200CPU 的通信口（Port0、Port1）支持 PPI 通信协议，S7-200 的一些通信模块也支持 PPI 协议。Micro/WIN 与 CPU 进行编辑通信也通过 PPI 协议。 S7-200CPU 的 PPI 网络通信是建立在 RS-485 网络的硬件基础上，因此其连接属性和需要的网络硬件设备与其它 RS-485 网络一致。
17、S7-200 CPU 之间的 PPI 网络通信只需要两条简单的指令，它们是网络读（NETR）和网络写（NETW）指令。在网络读/写通信中，只有主站需要调用NETR/NETW 指令，从站只需编辑处理数据缓冲区（取用或准备数据） 。 在 S7-200 系统中，无论是组成 PPI、MPI、还是 Profibus-DP 网络用到的部件都相同。(4)扩展模块以及功能模块 功能模块扩展 当需要完成某些特殊功能的控制系统，CPU 主机可以扩展特殊功能模块，一般是特殊功能模块有 SM253 位置控制模块，EM241 调制解调器模块等。 输入输出扩展 S7-200PLC 的 CPU 所提供的本机 I/O 点和
18、I/O 地址是固定的，进行扩展时可以6在 CPU 右边连接多个扩展模块连接。 每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在 I/O 链中所处的位置。编制方法就是同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块的有无及所处的位置不影响本类型模块的编号。 最大 I/O 配置的预算需考虑映像寄存器数量及电流提供能力。各 CPU 能提供的最大5VDC 电流如下表。表 1.3 各种 CPU 的最大扩展电流的对比SIMATIC S7-200 系列 PLC 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
19、复杂控制功能。因此 S7-200 系列具有极高的性能/价格比。 S7-200 系列出色表现在以下几个方面： 极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。 S7-200 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。 此次毕业设计选用 CPU226,CPU226 集成 24
20、输入/16 输出共 40 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。13字节程序和数据存储空间。6 个独立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。2 个 RS485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统，能很好的满足此次设计对 7 个站的的连接和控制。7第
21、2 章 电机执行机构的设计及选用 2.1 气动部件的简要分析 1.加工检测站单元的结构及工作过程开始检测有无物料传感器检测有旋转工作台电机工作台位置检测传感器检测到位加工机组气缸伸出同时 M1 动作加工完成加工机组气缸收回M1 停止旋转工作台电机工作位置检测传感器检测到位检测气缸下降、上升旋转工作台电机工作位置检测传感器检测到位等待第五站取工件循环开始2.加工检测站单元气动元件种类及结构符号导向气缸的外形、结构及符号如图所示，导向气缸的应用如图所示。 双作用双活塞式气缸，行程长度 250mm，用于机械手单元 X 轴的左右伸缩，双活塞气缸是由两个活塞进行驱动的，因此在相同高度的情况下能产生 2 倍于标准气缸的推力。 双作用双活塞式气缸，行程长度 80mm，用于机械手单元 Y 轴的上下伸缩，其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。图 2.1 导向气缸的外形、结构及符号
