1、PLC 课程设计第 2 页 共 14 页一 PLC 基础知识1.1 PLC 的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于此，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable Controller(PC） 。个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为P
2、rograc Controller（PLC ） 。上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力.能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处的 DCS 系统。1.2 PLC 的构成从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等，合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定置。1.3 CPU
3、 的构成CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 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有关的控制电路。CPU 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，CPU 单元还包括外围芯片、总关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析 CPU第 3 页 共
4、 14 页的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制CPU 工取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。1.4 I/O 模块PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，
5、输出模块相反。I/O 分为开关量输入（DI ）输出（DO） ，模拟量输入（AI） ，模拟量输出（AO）等模块。常用的 I/O 分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA） 、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14b 等。除了上述通用 IO 外，还有特殊 IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。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，即受最大的底板或制。1.5
6、 电源模块 PLC 电源用于为 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。电源输入类型有：（220VAC 或 110VAC） ，直流电源（常用的为 24VDC） 。1.6 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，机械模块间的连接，使各模块构成一个整体。1.7 PLC 系统的其它设备1.7.1 编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少第 4 页 共 14 页的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小
7、编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行充当编程器。也就是我们系统的上位机。1.7.2 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。1.8 PLC 的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性著，甚至有人提出“网络就是控制器“ 的观点说法。 PLC 具有通信联网的功能，它使 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，形成一个统一现分散集中控制。多数 PLC 具有RS-232 接口
8、，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC 的通信现在主要采用通过 PI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。二、 PLC 控制系统的设计基本原则2.1 最大限度的满足被控对象的控制要求。2.2 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。2.3 保证控制系统安全可靠。2.4 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择 PLC 容量时应适当留有余量。三、PLC 软件系统及常用编程语言3.1 PLC 软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由 PLC 厂家提供并已
9、固化在 EPROM 中，不能直接存取和干预。用户根据现场控制要求，用 PLC 的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7 是用于 SIMATIC 可制器组态和编程的标准软件包，第 5 页 共 14 页也就是用户程序，我们就是使用 STEP7 来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序在线监视。3.2 PLC 提供的编程语言3.2.1 标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点1）它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线。2）梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是 PLC 输入点接的开关也可以
10、是 PLC 内部继电器的接点或内计数器等的状态。3） 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。4） 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供 CPU 内部使用。5） PLC 是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出户程序中可以当做条件使用。3.2.2 语句表语言，类似于汇编语言。3.2.3 逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。四、 PLC 未来展望21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设上，
11、会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算制系统DCS（ Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计第 6 页 共 14 页算机网络的编程控制器作为自动化控
12、制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发大的作用。五、C650 车床的主要结构与控制要求5.1 C650 车床的主要结构普通车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，能够车削外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。C650 卧式普通车床属中型车床，加工工件回转直径最大可达 1020mm,长度可达 3000mm。其结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、丝杆和光杆等部分组成。车床有两种运动，一是轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运动） ，另一种四溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。两种运动由同一电动机带
13、动并通过各自的变速箱调节主轴转速或进给速度。此外，为提高效率、减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，C650 车床的刀架还能快速移动，称为辅助运动。C650 车床车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机 M1、冷却电动机 M2 和刀架快速移动电动机 M3。5.2 C650 车床的控制要求从车削工艺要求出发，对各电动机的控制要求主要是：主电动机 M1（30KW）：由它完成主运动的驱动。要求：直接起动连续运行方式并有点动功能以便调整；能正反转以满足螺纹加工需要；由于加工工件转动惯性大，停车时带有电气制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。冷却电动机 M2：用以加工时提供冷却液，采用
14、直接起动、单向运行、连续工作方式。快速移动电动机 M3：单向点动、短时工作方式。要求有局部照明和必要的电气保护与联锁。5.3 继电器电气线路的分析C650 车床电气控制原理图如图 5.1 所示:第 7 页 共 14 页图 5.1 C650 车床电气控制原理图5.3.1 主电路分析该机床共配置三台电动机 M1、M2 和 M3。主电动机 M1（功率为 30kW）完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，采用直接启动方式，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气制动停车。为加工调整方便，还具有点动功能。电动机 M1 控制电路分为四个部分： 由正转控制接触器 KM1 和反转控制接触器 KM2 的两
15、组主触点构成电动机的正反转电路。电流表 PA 经电流互感器 TA 接在主电动机 M1 主运动上，以监视电动机绕组工作电流变化。为防止电流表被启动电流冲击损坏，利用时间继电器 KT 的动断触头，在启动的短时间内将电流表暂时短接。串联电阻限流控制部分，接触器 KM3 的主触点控制限流电阻 R 的接入和切除，在进行点动调整时，为防止连续的启动电流造成电动机过载而串入了限流电阻 R，以保证电路设备正常工作。速度继电器 KS 的速度检测部分与电动机的主轴相联，在停车制动过程中，当主电动机转速接近零时，其动合触头可将控制电路中反接制动的相应电路切断，完成停车制动。电动机 M2 提供切削液，采用直接启动停止
16、方式，为连续工作状态，由接触器 KM4 的主触点控制其主电路的接通与断开。快速移动电动机 M3 由交流接触器 KM5 控制，根据使用需要，可随时手动控制启停。为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了采用熔断器的短路保护环节和采用热继电器的电动机过载保护环节。第 8 页 共 14 页5.3.2 控制电路分析电源：由控制变压器 TC（380V/110V，36V）的接线和参数标注可知各接触器、继电器线圈电压等级为110V，而照明为 36V 安全电压由主令开关SA 控制。主电动机 M1 控制：接通电源 QS+。正向点动 SB1+KM1+（无自保）M1 串 R 正向点动（SB1+ 表示按SB1 并保持）
17、正向起动 SB2+KM3+, KT+ 短接 R, KA+ KM1+ (自保) M1 全压正向起动( 当 n120r/min 时) KS-1+ (KT 延时到,起动完成 ) 转速达 n,电流表 A接入正向停止制动 SB0+KM1-，KM3-，KT-，KA-（当 KS-1+时）KM2+M1 串 R 反接制动 n(当 n100r/min 时) KS-1- KM2-。反向制动 （接 SB3）与停车制动（ KS-2+）过程与正向类似。采用控制流程来表达电路的过程具有简单、一目了然的优点。其基本步骤是：各自受控点动作后出现的控制结果（利用坐标标注检索可避免遗漏） 。冷却泵电动机 SQ6+ KM4+（自保）
18、M2 起动。快速电动机 SQ+（刀架手柄压动）KM5+M3 起动。5.3.3 整机线路联锁与保护 由 KM1 与 KM2 各自的常闭触点串接于对方工作电路以实现正反转运行互锁。由 FU 及 FU1FU6 实现短路保护。由 FR1 与 FR2 实现 M1 与 M2 的过载保护（根据 M1 与 M2 额定电流分别整定） 。KM1KM4 等接触器采用按钮与自保控制方式，因此使 M1 与 M2 具有欠电压与零电压保护。六、C650 车床改造为 PLC 控制的硬件设计6.1 统计 I/0 的点数根据主电路分析,统计 I/0 的点数如表 6-1 所示:表 6-1 I/0 点数的统计第 9 页 共 14 页
19、类 型功能 所占点数(个)M1 的停止按钮 1M1 的点动按钮 1M1 的正转按钮 1M1 的反转按钮 1M2 的停止按钮 1M2 的启动按钮 1M3 的限位开关 1M1 的热继电器动合触电 1M2 的热继电器动合触电 1速度继电器正转触点 1输入设备速度继电器反转触点 1M1 的正转接触器 1M1 的反转接触器 1M1 的制动接触器 1M2 接触器 1输 出设M3 接触器 1第 10 页 共 14 页电流表接入时间继电器 1备辅助继电器 16.2 I/0 分配表根据所统计的 I/O 口与所选的 PLC 的型号可列出其 I/O 分配如表 6-2 所示:表 6-2 PLC I/O 分配表输入设备
20、 输出设备代号功能PLC输入继电器 代号 功能PLC输出继电器SB0 M1 的停止按钮X0 KM1 M1 的正转接触器Y0SB1 M1 的点动按钮X1 KM2 M1 的反转接触器Y1SB2 M1 的正转按钮X2 KM3 M1 的制动接触器Y2SB3 M1 的反转按钮X3 KM4 M2 接触器Y3SB4 M2 的停止按钮X4 KM5 M3 接触器Y4SB5 M2 的启动按钮X5 KA 辅助继电器Y5第 11 页 共 14 页SQ M3 的限位开关X6 KT 时间继电器Y6FR1 M1 的热继电器动合触电X7FR2 M2 的热继电器动合触电X10KS1 速度继电器正转触点X11KS2 速度继电器反
21、转触点X126.3 PLC 控制系统外部接线图的设计图 6-2 外部接线图七、C650 车床改造为 PLC 控制的软件设计第 12 页 共 14 页7.1 梯形图第 13 页 共 14 页图 7.3 C650 车床梯形图7.2 语句表参考文献1 方承远.工厂电气控制技术.M北京：机械工业出版社，20032 史国生.控制与可编程控制器技术.M北京：化学工业出版社，20053 江志锋.编程控制器原理与应用.M西安：西安电子科技大学出版社，20044 丁炜.编程控制器在工业控制中的应用.M杭州：化学工业出版社，2004第 14 页 共 14 页5 郑凤翼.郑丹丹 .赵春江. 图解 PLC 控制系统梯形图和语句表.M北京：人民邮电出版社，20066 张运刚 .宋小春.郭武强.从入门到精通-三菱 FX2N PLC 技术与应用.M 北京：人民邮电出版社，2007
