1、大学专业课程实践训练摘 本实验运用 PLC 技术通过西门子 S7-200 仪器来实现的。具体是由四个传感器、四个控制开关通过网络程序完成的。实验包括了 PLC 编程、西门子运用及现场操作等各方面知识。本设计是针对现代自动配货、配料运输等工业生产和商业运营的社会需求,设计一种小车直线定位控制系统。关键词:PLC 技术 西门子 PLC 可编程控制 程序网络梯形图大学专业课程实践训练目 录大学专业课程实践训练 选题背景及意义1.1 选题背景随着智能机器人技术、汽车工业的迅速发展,关于智能小车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题
2、目的研究,可见其研究意义很大。智能小车,也成轮式机器人,是一种以电子为背景,涵盖智能控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多学科的科技创新性设计。一般主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。本设计就是在这样的背景下提出来的,设计的小车自动往返运动应该能够实时循环运动和制动等功能。1.2 选题意义为了使设计更为贴近生活,里面囊括了两个方面:一个是小车直线自动往返运行,这个设计在生活中一般被用在现代自动配货、配料运输等工业生产和善业运营中,目前已经成为了生活生产中不可或缺的一个设计。我们正在逐渐的完善它使其效率更高。另一个设计是小车制动控制,这个课题本身也是与生活息息相
3、关的,对工业生产和商业运营来说是非常重要的因素。在这里我们研究的只是简单地控制,是为我们以后的学习做个垫脚石。只有我们学好的基础,以后工作中才可以不断的改进和研发。基于这些因素,这次设计课题是非常有意义的。大学专业课程实践训练2 PLC 简介2.1 PLC 概述可 编 程 控 制 器 ( Programmable Controller) 是 计 算 机 家 族 中 的 一 员 ,是 为 工 业 控 制 应 用 而 设 计 制 造 的 。 早 期 的 可 编 程 控 制 器 称 作 可 编 程 逻 辑 控制 器 ( Programmable Logic Controller) , 简 称 PLC
4、, 它 主 要 用 来 代 替继 电 器 实 现 逻 辑 控 制 。 随 着 技 术 的 发 展 , 这 种 装 置 的 功 能 已 经 大 大 超 过 了逻 辑 控 制 的 范 围 , 因 此 , 今 天 这 种 装 置 称 作 可 编 程 控 制 器 , 简 称 PC。 但是 为 了 避 免 与 个 人 计 算 机 ( Personal Computer) 的 简 称 混 淆 , 所 以 将 可编 程 控 制 器 简 称 PLC。2.1.1 PLC 的由来在 60 年 代 , 汽 车 生 产 流 水 线 的 自 动 控 制 系 统 基 本 上 都 是 由 继 电 器 控制 装 置 构 成
5、的 。 当 时 汽 车 的 每 一 次 改 型 都 直 接 导 致 继 电 器 控 制 装 置 的 重 新设 计 和 安 装 。 随 着 生 产 的 发 展 , 汽 车 型 号 更 新 的 周 期 愈 来 愈 短 , 这 样 , 继电 器 控 制 装 置 就 需 要 经 常 地 重 新 设 计 和 安 装 , 十 分 费 时 , 费 工 , 费 料 , 甚至 阻 碍 了 更 新 周 期 的 缩 短 。 为 了 改 变 这 一 现 状 , 美 国 通 用 汽 车 公 司 在1969 年 公 开 招 标 , 要 求 用 新 的 控 制 装 置 取 代 继 电 器 控 制 装 置 , 并 提 出 了
6、 十项 招 标 指 标 , 即 :( 1) 编 程 方 便 , 现 场 可 修 改 程 序 ;( 2) 维 修 方 便 , 采 用 模 块 化 结 构 ;( 3) 可 靠 性 高 于 继 电 器 控 制 装 置 ;( 4) 体 积 小 于 继 电 器 控 制 装 置 ;( 5) 数 据 可 直 接 送 入 管 理 计 算 机 ;( 6) 成 本 可 与 继 电 器 控 制 装 置 竞 争 ;( 7) 输 入 可 以 是 交 流 115V;( 8) 输 出 为 交 流 115V, 2A 以 上 , 能 直 接 驱 动 电 磁 阀 , 接 触 器 等 ;( 9) 在 扩 展 时 , 原 系 统 只
7、 要 很 小 变 更 ;( 10) 用 户 程 序 存 储 器 容 量 至 少 能 扩 展 到 4K。1969 年 , 美 国 数 字 设 备 公 司 ( DEC) 研 制 出 第 一 台 PLC, 在 美 国 通 用汽 车 自 动 装 配 线 上 试 用 , 获 得 了 成 功 。 这 种 新 型 的 工 业 控 制 装 置 以 其 简 单易 懂 , 操 作 方 便 , 可 靠 性 高 , 通 用 灵 活 , 体 积 小 , 使 用 寿 命 长 等 一 系 列 优点 , 很 快 地 在 美 国 其 他 工 业 领 域 推 广 应 用 。 到 1971 年 , 已 经 成 功 地 应 用于 食
8、 品 , 饮 料 , 冶 金 , 造 纸 等 工 业 。这 一 新 型 工 业 控 制 装 置 的 出 现 , 也 受 到 了 世 界 其 他 国 家 的 高 度 重 视 。1971 日 本 从 美 国 引 进 了 这 项 新 技 术 , 很 快 研 制 出 了 日 本 第 一 台PLC。 1973 年 , 西 欧 国 家 也 研 制 出 它 们 的 第 一 台 PLC。 我 国 从 1974 年 开始 研 制 。 于 1977 年 开 始 工 业 应 用 。2.1.2 PLC 的工作原理大学专业课程实践训练当 可 编 程 逻 辑 控 制 器 投 入 运 行 后 , 其 工 作 过 程 一 般
9、 分 为 三 个 阶 段 , 可 编 程 逻 辑 控 制 器 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 , 可 编 程 逻 辑 控 制 器 的CPU 以 一 定 的 扫 描 速 度 重 复 执 行 上 述 三 个 阶 段 。输 入 采 样 阶 段在 输 入 采 样 阶 段 , 可 编 程 逻 辑 控 制 器 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 的 单 元
10、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 。用 户 程 序 执 行 阶 段在 用 户 程 序 执 行 阶 段 , 可 编 程 逻 辑 控 制 器 总 是 按
11、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 映象 区 中 对 应 位 的 状 态 ; 或 者 确 定 是 否 要
12、 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 象 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 象 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
13、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 。在 程 序 执 行 的 过 程 中 如 果 使 用 立 即 I/O 指 令 则 可 以 直 接 存 取 I/O 点 。即 使 用 I/O 指 令 的 话 , 输 入 过 程 影 像 寄 存 器 的 值 不 会 被 更 新 , 程 序 直 接 从I/O 模 块 取 值 , 输 出 过 程 影 像 寄 存 器 会 被 立 即 更 新 , 这 跟 立 即 输 入 有 些 区别 。输 出 刷 新 阶 段当 扫 描 用 户 程 序 结 束 后 , 可 编
14、 程 逻 辑 控 制 器 就 进 入 输 出 刷 新 阶 段 。 在此 期 间 , CPU 按 照 I/O 映 象 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 可 编 程 逻 辑 控 制 器 的 真 正输 出 。2.2 西门子 S7-2002.2.1 西门子 S7-200 简介西 门 子 公 司 生 产 的 S7-200 小 型 PLC 在 我 国 工 业 控 制 方 面 有 着 广 泛 的应 用 , 并 受 到 广 大 电 气 工 程 人 员 的 青 睐 , 随 着 可 编
15、程 控 制 器 在 各 行 各 业 的广 泛 应 用 , 各 种 有 关 可 编 程 控 制 器 的 书 籍 大 量 涌 现 , 但 是 不 少 人 在 看 了 很多 书 之 后 , 在 真 正 进 行 编 程 的 时 候 往 往 还 是 束 手 无 策 , 不 知 从 何 下 手 , 其大学专业课程实践训练原 因 是 什 么 呢 ? 那 就 是 缺 少 一 定 数 量 的 练 习 。 如 果 只 靠 自 己 苦 思 冥 想 , 则结 果 往 往 收 效 甚 微 , 而 学 习 和 借 鉴 别 人 的 编 程 方 法 不 乏 是 一 条 学 习 的 捷 径 。笔 者 编 写 这 本 书 的 目
16、 的 就 是 , 在 读 者 已 经 掌 握 可 编 程 控 制 器 基 础 知 识 的 前提 条 件 下 , 为 读 者 提 供 一 个 快 速 掌 握 PLC 编 程 方 法 的 学 习 捷 径 , 达 到 抛砖 引 玉 的 目 的 。2.2.2 西门子 S7-200 的主要技术指标西门子 S7-200 的主要技术指标如表 2-1 所示表 2-1 西门子 S7-200 的主要技术指标技术规范 CPU 224 CPU 224XP集成的数字量输入/ 输出 14 入/10 出 14 入/10 出可连接的扩展模块数量 (最大) 7 7最大可扩展的数字量输入/ 输出范围 168 168最大可扩展的模
17、拟量输入/ 输出范围 35 35用户程序区 8 KB 12 KB数据存储区 8 KB 10 KB数据后备时间 (电容) 100 小时 100 小时后备电池 (选件) 200 天 200 天编程软件 Step 7-Micro/WIN Step 7-Micro/WIN布尔量运算执行时间 0.22 s 0.22 s标志寄存器/计数器/定时器 256/256/256 256/256/256高速计数器 6 个 30 KHz 6 个 100 KHz高速脉冲输出 2 个 20 KHz 2 个 100 KHz通讯接口 1 个 RS-485 2 个 RS-485外部硬件中断 4 4模拟电位器 2 个 8 位分辨
18、率 2 个 8 位分辨率实时时钟 内置时钟 内置时钟外形尺寸 (长 X 宽 X 高, mm) 120.5 x 80 x 62 120.5 x 80 x 62大学专业课程实践训练3 小车自动往返运动3.1 主要任务当按下第一站按钮时,小车开始运行,所经过指示灯亮,当按下第四站按钮,小车反向运行。当小车经过第一和第四个传感器时,小车也要反向运行。当按下第二站按钮时,小车停止运行。在没按停止按钮时,小车自动往返运行。3.2 设计内容3.2.1 小车运行模拟图小车运行模拟图如图 3-1 所示图 3-1 小车运行模拟图位置传感器:CMCH KJN5002A;功能:检测小车是否经过某一站。继电器:JZX-
19、18FF,DC24V;功能:根据输入信号,来接通或断开小电流控制电路,实现控制和保护的自动控制系统。电机:ZGA37F104i,DC24V,30rpm,带减速器直流电机;功能:带动小车运行。3.2.2 主电路图设计主电路图如图 3-2 所示大学专业课程实践训练A-+ MOTOR24VMZ MFMZ MF图 3-2 设计主电路图3.2.3 PLC 引脚接线表格引脚接线表格如表 3-1 所示表 3-1 引脚接线表格输入信号 输出信号信号元件及作用 PLC 输入口地址 信号元件及作用 PLC 输出口地址第一站按钮 SB1 I0.0 第一站指示灯 LB1 Q0.0第二站按钮 SB2 I0.1 第二站指
20、示灯 LB2 Q0.1第三站按钮 SB3 I0.2 第三站指示灯 LB3 Q0.2第四站按钮 SB4 I0.3 第四站指示灯 LB4 Q0.3电磁传感器 SY1 I0.4 左行指示灯 LF Q0.4大学专业课程实践训练电磁传感器 SY2 I0.5 右行指示灯 LZ Q0.5电磁传感器 SY3 I0.6 电机右行继电器 MZ Q0.6电磁传感器 SY4 I0.7 电机左行继电器 MF Q0.7接 0V DC 1M 接 24V DC 1L、2L3.2.4 PLC 接线图设计所用 PLC 接线图如图 3-3 所示图 3-3 PLC 接线图3.2.5 设计梯形图设计梯形图如图 3-4 至图 3-9 所
21、示大学专业课程实践训练图 3-4 小车直线往返运动网络 1图 3-5 小车直线往返运动网络 2图 3-6 小车直线往返运动网络 3图 3-7 小车直线往返运动网络 4图 3-8 小车直线往返运动网络 5大学专业课程实践训练图 3-9 小车直线往返运动网络 6大学专业课程实践训练4 小车定位控制4.1 主要任务按下第一站按钮,小车开始运行,同时在第二站和第三站之间做往返运动,计数器计数五次后,小车运行至第一站处。当小车在第二站和第三站运行时,按下第四站按钮,小车停止在其中任何位置。4.2 设计内容4.2. PLC 接线图设计所用 PLC 接线图如图 4-1 所示图 4-1 PLC 接线图4.2.
22、2 设计梯形图设计梯形图如图 4-2 至图 4-5 所示大学专业课程实践训练图 4-2 小车定位控制网络 1图 4-3 小车定位控制网络 2图 4-4 小车定位控制网络 3大学专业课程实践训练图 4-5 小车定位控制网络 4大学专业课程实践训练结 论小车自动往返运动的这个设计是结合生活中常用的实例而来进行的。他的研究和设计不仅和生活息息相关,也是对我们掌握的知识的一个汇总,其中涉及 PLC 控制、西门子 S7-200 的应用以及网络编程等各方面知识。小车自动往返的设计主要是通过网络程序来控制小车完成自动循环往返运动,其中继电器是反应数据的根本依据。设计说明了小车可以在指定程序下完成自动直线循环
23、往返运动,并且可以手动急停。小车制动控制的程序设计是通过计数器计数,使小车在完成指定任务后回到某一指定位置。该设计说明了小车在一定的程序下可以通过时间控制使其完成某一任务后按要求精确地回到指定位置,同时也可以手动急停。大学专业课程实践训练参考文献1 方承远.工厂电气控制技术M.北京:机械工业出版社,2000.2 刘伯生PLC 编程实用指南M.北京:机械工业出版社,2007.3 王永华.现场总线技术及应用教程M.北京:机械工业出版社,2007.4 王仁祥.常用低压电气原理及其控制技术M.北京:机械工业出版社,2006.5 阳宪惠.工业数据通信与控制网络M.北京:清华大学出版社,2003.6 王永华.现代电气控制及 PLC 应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2008.7 何友华可编程控制器及常用控制电路M.天津:冶金工业出版社,2008.8 戴一平可编程控制器技术及应用M.北京:机械工业出版社,2004.