基于PLC的生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)設計

1、江蘇科技大學本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）學 院 電子信息學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學生姓名 班級學號 指導教師 二零 年六月江蘇科技大學本科畢業(yè)論文基于PLC的生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)設計The Design of The Electrical Control System of Production Lines Based on PLC江蘇科技大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院名稱：電子信息學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學生姓名： 學 號： 0 指導教師： 職 稱： 畢業(yè)設計（論文）題目：基于PLC的生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)設計1、 畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求

2、、達到的指標和應做的實驗等） 隨著科學技術的不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求，控制技術從手動控制到自動控制，從簡單的控制設備到復雜的控制系統(tǒng)，從有觸點的硬接線控制系統(tǒng)到以計算機為中心的存儲控制系統(tǒng)。可編程序控制器（PLC）的出現(xiàn)給工業(yè)控制系統(tǒng)帶來重大變革。 根據(jù)所學的PLC的設計知識和方法、配合變頻器、步進電機等設備實現(xiàn)了生產(chǎn)線上工作臺的正向運行、反向運行以及多段速運行。這一控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和應用，充分體現(xiàn)了PLC系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場的應用，亦使其應用的范圍更加廣泛。 采用西門子S7系列PLC與變頻器而設計的生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)的方案。二、完成后應交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）1. 畢業(yè)設計論文一

3、份（不少于1.5萬字）；2. 外文譯文一篇（不少于5000英文單詞）；3. 數(shù)據(jù)光盤一張。三、完成日期及進度2013年3月13日至2013年6月19日，共12周。進度安排：1. 3.13-3.20，查閱資料、調(diào)研，完成開題報告；2. 3.21-3.28，了解題目要求確定設計方案；3. 3.29-4.15，初步完成軟硬件電路設計；4. 4.16-5.10，完成硬件電路設計及調(diào)試；5. 5.11-6.10，完善系統(tǒng)調(diào)試、交論文；6. 6.11-6.19，準備畢業(yè)設計答辯；7. 6.19， 畢業(yè)答辯；四、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）:1 鄒繼斌,無位置傳感器無刷直流電機驅(qū)動電路的研究J,

4、微電機，1999，32 (2)：1612 王永. “反電勢法”無刷直流電機控制系統(tǒng)研究. 東南大學碩士論文, 2004：1-30 3 Kuang-Yao Cheng,Ying-Tsan Lin,Ying-Yu Tzou,Design of a Sensorless Commutation IC for BLDC Motors,IEEE Transactions on Power Electronics, 2002,15 (4)：7447524 Jianbo Gao,Binggang Gao,Wenzhi Chen,Neural Network Control of Electric Vehic

5、le Based on Position-Sensorless Brushless DC Motor, 2007,December:15-18 5 Kuang-Yao Cheng,Chen-Yu Wang,Ying-Yu Tzou.ASIC Implementation of a Programmable Servo Control IC with Digital Phase-Locked Loop.IEEE 33rd Annual Power Electronics Specialists Conference, PESC02, Cairns, Australia,2002: 558-563

6、 6 張立科,VHDL 應用開發(fā)技術與工程實踐 ,人民郵電出版社,2005 7 陳伯時,電力拖動自動控制系統(tǒng),機械工業(yè)出版社，2003：66-908 葉金虎. 無刷直流電動機的設計()J. 微特電機, 2006,(01)9 辛小南, 賀莉. 無刷直流電動機控制系統(tǒng)的仿真J. 微特電機, 2011,(02) 系(教研室)主任： （簽章） 年 月 日 學院主管領導： （簽章） 年 月 日IV江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）摘 要生產(chǎn)流水線是在一定的線路上連續(xù)輸送貨物搬運機械，又稱輸送線或者輸送機?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC），一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的，被譽為當代工業(yè)自動

7、化的主要支柱之一。隨著科學技術的發(fā)展，以PLC作為基本控制單元的電氣控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化自動生產(chǎn)流水線及管理中優(yōu)越性越來越明顯。本課題主要是研究利用西門子S7-200 PLC配合西門子MICROMASTER VECTOR變頻器、電機等設備實現(xiàn)生產(chǎn)流水線某一部分控制電機的正向、反向以及多段調(diào)速運行，使其具備啟停、調(diào)試、單選等功能。PLC使用方便、編程簡單、現(xiàn)場調(diào)試容易、環(huán)境要求低、抗干擾能力和可靠性能力強，結(jié)合以上特點，本課題采用軟件與硬件相結(jié)合的方法，采用相對優(yōu)越的設計思路，探求PLC、變頻器、電機之間的控制關系，通過仿真實現(xiàn)以及硬件調(diào)試驗證了可靠性。關鍵詞：PLC；變頻器；多段調(diào)速；自動化；流水

8、線AbstractThe production line is, in a certain line continuously transporting goods and handling machinery, also known as the conveying line or conveyor. Programmable logic controller (PLC), a digital electronic computers operating system, designed for applications in industrial environments , known

9、as one of the main pillars of contemporary industrial automation. With the development of science and technology, as the basic control unit to the PLC electrical control system in modern production lines and management superiority is increasingly evident. The main subject of study with Siemens S7-20

10、0 PLC, the Siemens MICROMASTER VECTOR drive, motor and other equipment to achieve a certain part of the production line control motor forward, reverse, and multi-speed run, it has to start and stop,debugging, radio and other functions. PLC easy to use, simple to program, easy on-site commissioning,

11、low environmental requirements, and strong anti-interference ability and reliability capabilities, combined with the above characteristics, the subject using a combination of software and hardware, the use of relatively superior design ideas, and explore the control relationship between PLC, frequen

12、cy conversion and motor. It has been verified the reliability through simulation and hardware debug.Keywords: PLC; converter; multi-stage speed; automation; pipeline目 錄第一章 緒論11.1 研究背景11.2 研究目的及意義11.3 本文的主要內(nèi)容2第二章 生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)設計32.1 生產(chǎn)流水線簡介32.2 設計目標42.3 設計思路及實現(xiàn)4第三章 控制系統(tǒng)的硬件設計63.1 西門子S7-200 PLC63.1.1 PLC

13、的組成及工作原理63.1.2 S7-200 PLC簡介93.1.3 I/O地址分配103.1.4 S7-200 PLC接線圖113.2 西門子MICROMASTER VECTOR變頻器123.2.1 變頻器的工作原理123.2.2 變頻調(diào)速123.2.3 MMV變頻器簡介133.2.4 參數(shù)設置143.2.5 多段速控制143.2.6 變頻器接線圖15第四章 控制系統(tǒng)的軟件設計174.1 PLC編程174.2 編程軟件簡介184.3 順序控制繼電器（SCR）指令194.4 程序設計204.5 仿真結(jié)果264.6 結(jié)論32結(jié)語33致謝34參考文獻35VII第一章 緒論1.1 研究背景在可編程邏輯

14、控制器（PLC）問世之前，繼電器在工業(yè)控制領域中占主導地位，繼電器控制系統(tǒng)有體積大、功耗多、可靠性差等十分明顯的缺點，尤其當生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，就必須重新設計與安裝，會造成時間和資金的嚴重浪費。為了改變這種現(xiàn)狀，1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）研制出了世界上第一臺PLC。經(jīng)過40多年的發(fā)展，可編程邏輯控制器在美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，品牌不斷翻新產(chǎn)值產(chǎn)量大幅度上升而價格則不斷下降。目前，PLC在機械制造、石油化工、輕工業(yè)等領域的應用得到了長足的發(fā)展。近年來我國在PLC方面的研制、生產(chǎn)和應用發(fā)展很快，在應用方面作用尤為突出。20世紀70年代末80年代初，

15、隨著國外成套設備、專用設備的引進，我國引進了不少國外的PLC。此后，在傳統(tǒng)設備的改造以及新設備的設計中，PLC的應用逐年增多，并且取得了顯著的經(jīng)濟效益。目前，PLC在國內(nèi)的應用越來越廣泛，其在我國工業(yè)自動化領域的優(yōu)勢及作用越來越明顯1。21世紀，PLC將會有更大的發(fā)展。計算機技術的新成果必將更多地應用于可編程邏輯控制器的設計和制造上，PLC也會有運算速度更快、儲存容量更大、更智能的型號和品種出現(xiàn)，品種會更豐富、規(guī)模會更齊全。1.2 研究目的及意義隨著科學技術的發(fā)展，PLC技術在許多領域得到了廣泛的應用，尤其是在現(xiàn)代工業(yè)的系統(tǒng)控制方面，PLC的功能強、可靠性高、編程簡單、使用方便、體積小巧，被譽

16、為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。隨著當今社會越來越快的發(fā)展步伐，生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)將需要實現(xiàn)更多更加穩(wěn)定的功能，以PC機作為上位機、以PLC作為基本控制單元的集控制和管理于一身的控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化生產(chǎn)流水線及管理中越來越顯示出優(yōu)越性，PLC易學易懂、控制簡單，可以提高自動化生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)效率。PLC用存儲邏輯代替了接線邏輯，這使得控制設備外部的接線大大的減少，也使得控制系統(tǒng)設計的周期大大的縮短，使同一設備經(jīng)過改變程序從而改變生產(chǎn)過程成為可能，這也很適合小批量、多品種的生產(chǎn)領域。因為PLC，流水線的自動化程度更高、生產(chǎn)效率更高。因此基于PLC的生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的研究具有非常實用的意義，該研

17、究一定會有很大的發(fā)展和應用空間。此課題研究的目的是在掌握一定的PLC知識的基礎上，培養(yǎng)掌握知識、運用知識解決問題的能力，培養(yǎng)一定的工程意識和創(chuàng)新意識，學會和熟悉一定的工程設計方法，為進一步的學習和能力的培養(yǎng)奠定基礎。1.3 本文的主要內(nèi)容本文主要對生產(chǎn)流水線、PLC、變頻器進行了相關介紹，對西門子S7-200 PLC和MICROMASTER VECTOR（MMV）變頻器構(gòu)成的控制系統(tǒng)做了詳細闡述。通過對設計目標、設計思路的分析，采用了硬件與軟件相結(jié)合并配合仿真的方法，利用PLC、變頻器以及電機之間的控制關系，研究設計了生產(chǎn)流水線某一控制電機的電氣控制系統(tǒng)，其中硬件設計部分有PLC I/O地址分

18、配、S7-200接線圖、變頻器多段速控制及參數(shù)設置、變頻器接線圖等；軟件設計部分有SCR指令的應用、程序的設計編寫、仿真結(jié)果等。該控制系統(tǒng)具備啟停、調(diào)試、單選等基本功能，電機帶動的生產(chǎn)流水線某一部分工作臺能實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及多段速運行。通過仿真驗證了該系統(tǒng)的實際性與可靠性。第二章 生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)設計2.1 生產(chǎn)流水線簡介生產(chǎn)流水線是在一定的線路上連續(xù)輸送貨物搬運機械，又稱輸送線或者輸送機。生產(chǎn)流水線大致可以分為以下七類：皮帶流水線、板鏈線、網(wǎng)帶線、倍數(shù)鏈線、插件線、滾筒流水線及懸掛線。常用的有：（1）板鏈式裝配流水線特點：其承載的產(chǎn)品可以比較重，因為和生產(chǎn)線同步運行，所以可以實現(xiàn)產(chǎn)品的

19、爬坡；因為是以鏈板面作為承載，所以生產(chǎn)的節(jié)拍不是很快，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的平穩(wěn)輸送。（2）滾筒式流水線特點：其可以承載類型廣泛的產(chǎn)品，所受限制少；和阻擋器配合使用，從而可以實現(xiàn)產(chǎn)品連續(xù)、積放以及節(jié)拍運行的功能；采用了頂升平移的裝置，能實現(xiàn)產(chǎn)品的離線檢測以及返修但不影響整個流水線的運行。（3）皮帶式流水線特點：其能承載的產(chǎn)品比較輕，但是在形狀方面限制少；因為和生產(chǎn)線同步運行，所以可以實現(xiàn)產(chǎn)品的爬坡轉(zhuǎn)向；其以皮帶作為輸送載體，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的平穩(wěn)輸送并且噪音小；另外還可實現(xiàn)輕型物料或著較長距離產(chǎn)品的輸送。（4）差速輸送流水線特點：采用倍速鏈牽引，工裝板可自由傳送，采用阻擋器定位使工件自由運動或停止，工件在

20、兩端可自動頂升，橫移過渡，還可設旋轉(zhuǎn)、檢測設備、機械手等。流水線是加工量到了一定數(shù)量后的必然選擇，其輸送能力大，運距長，可以減少工件的搬運，提高加工效率，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少加工費用，所以應用十分廣泛。 3 2號電機 3 3號電機 3 1號電機 圖2-1 某一生產(chǎn)流水線簡易示意圖參照圖2-1，當流水線需要啟動時，3個電動機的啟動順序為：3號、2號、1號；當流水線需要停止時，3個電動機的停止順序為：1號、2號、3號。電機的啟停由電氣控制系統(tǒng)進行控制。2.2 設計目標生產(chǎn)流水線工作臺由電機帶動，本課題的電氣控制系統(tǒng)設計針對生產(chǎn)流水線當中某一電機，最終需要實現(xiàn)電機的正向、反向以及多段速運行，使其

21、具備啟停、調(diào)試、單選等功能。電機多段速運行情況如下圖所示。圖2-2 電機多段速運行示意圖具體目標如下：電機啟動，當電機自動運行時將分五檔速度連續(xù)運轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)一檔速度（300r/min）、正轉(zhuǎn)二檔速度（900r/min）、正轉(zhuǎn)三檔速度（1500r/min），反轉(zhuǎn)四檔速度（600r/min）、反轉(zhuǎn)五檔速度（1500r/min）；當電機進行調(diào)試時以一檔速度（300r/min）運行，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)調(diào)試；此外，在單選狀態(tài)下，電機可以以任意一級速度恒速正轉(zhuǎn)運行；需要時電機可以隨時停止。2.3 設計思路及實現(xiàn)根據(jù)公式 f = n P /60可知，對于一臺電機，轉(zhuǎn)速n與頻率f成一一對應關系，故可以利用變頻器控制頻

22、率的變化從而來實現(xiàn)電機的多段速運行2。另一方面，通過對變頻器工作原理的理解可知，控制變頻器開關量的輸入可以實現(xiàn)多個固定頻率的輸出。所以，合理運用PLC，其輸出信號作為變頻器開關量的輸入控制信號，變頻器控制電機運行于多檔轉(zhuǎn)速即可構(gòu)成PLC配合變頻器的電氣控制系統(tǒng)，通過軟件與硬件結(jié)合，即可達到設計目標。通過對設計目標的分析，結(jié)合PLC輸入開關元件，該生產(chǎn)流水線某一部分控制電機的電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)內(nèi)容如下：按下SB1，電動機啟動；按下SB12，電動機自動多段速連續(xù)運行，工作臺運行；按下SB2，電動機停止，工作臺停止運行；按下SB4，電動機正轉(zhuǎn)；按下SB5，電動機反轉(zhuǎn)；按下SB3，調(diào)試，電動機以一檔轉(zhuǎn)速

23、運行；按下SB6，單選，電動機以任意一級速度恒速運行；按下SB7，電動機以一速運行；按下SB8，電動機以二速運行；按下SB9，電動機以三速運行；按下SB10，電動機以四速運行；按下SB11，電動機以五速運行。根據(jù)以上分析，生產(chǎn)流水線中某一部分由PLC和變頻器組成的控制系統(tǒng)示意圖如下：圖2-3 PLC和變頻器組成的控制系統(tǒng)示意圖第三章 控制系統(tǒng)的硬件設計3.1 西門子S7-200 PLC3.1.1 PLC的組成及工作原理可編程邏輯控制器（PLC）主要由中央處理單元、存儲器、輸入輸出模塊、電源和外部設備等幾部分組成3。（1）中央處理單元（CPU）與通用計算機中的CPU一樣，PLC中的CPU是PLC

24、整個系統(tǒng)的核心。 其主要由運算器、控制器、寄存器以及地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線構(gòu)成，還有外圍芯片、接口及有關電路。CPU決定了整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。PLC中所配置的CPU 隨機型不同而不同，一般有三大類：一類為通用微處理器，如8086、80286等；一類為單片微處理器，如8051、8096等；還有一類是位處理器，如AMD2900、AMD2903等。一般情況下，PLC檔次越高，CPU位數(shù)越多，儲存容量也越大。有時，為了提高PLC的控制性能，系統(tǒng)采用多個PLC，其智能模塊由單獨的CPU進行控制。CPU中控制器控制PLC工作，它讀取指令、解釋指令、執(zhí)行指令；運算器用于算術或邏輯

25、運算，由控制器指揮工作；寄存器主要儲存運算的中間結(jié)果，也是由控制器指揮工作。PLC中CPU按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC進行工作，主要有：接收從編程器輸入的用戶程序以及數(shù)據(jù)。對PLC內(nèi)部電路工作故障、電源以及編程存在的語法錯誤等問題進行診斷。通過輸入接口來接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并且將其存入到數(shù)據(jù)寄存器或輸入映像寄存器中。從存儲器中逐條一一讀取用戶程序，解釋然后執(zhí)行。根據(jù)執(zhí)行結(jié)果，更新標志位的狀態(tài)以及輸出映象寄存器中的內(nèi)容，通過輸出單元來實現(xiàn)輸出控制。（2）存儲器存儲器主要用于存儲程序以及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。PLC中的存儲器一般包括系統(tǒng)程序儲存器和用戶程序儲存器兩部分。系統(tǒng)程序儲

26、存器存儲系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般情況下采用只讀存儲器（ROM），其具有掉電不丟失信息的特性；用戶程序存儲器用于存儲根據(jù)工藝要求或控制功能而設計的控制程序，在早期一般采用隨機讀寫存儲器（RAM），其需要后備電池用來在掉電后保存程序。目前傾向于采用電可擦除的只讀存儲器（EEPROM）或閃存，從而免去了后備電池的麻煩。一般而言，多數(shù)PLC可以擴展存儲器容量。系統(tǒng)程序是PLC 的制造廠家編寫的，和PLC硬件組成有關，其完成系統(tǒng)診斷、解釋命令、調(diào)用管理功能子程序、邏輯運算及參數(shù)設定等各種功能，提供PLC運行的平臺。系統(tǒng)程序關系到PLC的性能，在PLC使用過程中不會變動，是由制造廠家直接固化在只讀存儲器中的，

27、用戶不能訪問和修改。用戶程序是隨PLC控制的對象而定的，是由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝控制要求而編制的應用程序。為方便讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于靜態(tài)RAM中。為防止干擾對RAM中程序的破壞，當用戶程序運行正常并且不需要改變時可將其固化在只讀存儲器中?，F(xiàn)在許多PLC直接采用EEPROM作為用戶存儲器。在PLC運行過程中經(jīng)常變化以及存取的一些數(shù)據(jù)叫做工作數(shù)據(jù)，其存放在RAM中以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲器中，有存放輸入輸出繼電器、定時器、輔助繼電器等邏輯器件的存儲區(qū)，用戶程序的初始設置和運行情況決定了這些器件的狀態(tài)。因為系統(tǒng)程序以及工作數(shù)據(jù)與用戶沒有直接聯(lián)系，所以在PLC 產(chǎn)品樣

28、本或者使用手冊中列出的存儲器形式及容量都是指用戶程序存儲器。當PLC的用戶存儲器容量不夠用時，許多PLC還提供存儲器擴展功能。（3）輸入/輸出模塊輸入模塊和輸出模塊通常也稱為I/O模塊或I/O單元，是PLC與生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。起著PLC與外部設備之間傳遞信息的作用。 PLC提供了具有各種工作電平、驅(qū)動能力和連接形式的I/O模塊可供用戶選用，如電氣隔離、串/并行變換、電平轉(zhuǎn)換、開關量輸入/輸出、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換及其他功能模塊等。PLC通過輸入模塊可以檢測被控對象的數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為PLC進行控制的依據(jù)，同時，PLC又通過輸出模塊將處理結(jié)果送給被控對象從而實現(xiàn)控制目的。因為外部輸入和

29、輸出設備所需要的信號電平是多樣的，而PLC內(nèi)部CPU處理的信號只能是標準電平，所以要通過I/O模塊實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。I/O模塊一般都有光電隔離和濾波功能來提高抗干擾能力。此外，I/O模塊上通常有狀態(tài)顯示，便于維護。I/O模塊分為開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。I/O模塊上通常還有I/O接線端子排和狀態(tài)顯示，便于用來鏈接和監(jiān)視。開關量模塊按電壓分有220V AC、110V AC、24V DC等規(guī)格；按照隔離方式分有晶閘管輸出、繼電器輸出、晶體管輸出等類型。模擬量模塊按照信號類型分有電流型、電壓型等規(guī)格；按照精度分有12位、14位等規(guī)格。（4）電源PLC中不同的電路單元需要不同的

30、工作電源，在整個PLC系統(tǒng)中電源起著十分重要的作用。PLC一般都配有開關式穩(wěn)壓電源，用來給PLC的內(nèi)部電路以及各模塊的集成電路提供工作電源。有些機型還向外提供24V的直流電源，用于給外部輸入信號或傳感器供電，減少了外部連線，為用戶提供了方便。在有些PLC中把CPU與電源合二為一，而有些是分開的。在輸出類型上，有110V或者220V的交流輸入，還有24V的直流輸入。（5）外部模塊編程設備。常見的有簡易手持編程器、基于PC的編程軟件、智能圖形編程器等。編程設備用于輸入和編輯用戶程序，設定一些系統(tǒng)參數(shù)、監(jiān)控PLC及其控制系統(tǒng)的狀態(tài)。編程設備是PLC在應用系統(tǒng)設計與調(diào)試、監(jiān)控運行、檢查維護中不可或缺的

31、部件，但其不直接地參與現(xiàn)場控制。其他外設。除了編程設備外，PLC還有用來記錄程序和信息的盒式磁帶機、用來打印程序和報表的打印機、用來顯示或監(jiān)視系統(tǒng)中相關部分運行狀態(tài)的圖形監(jiān)控器等外部設備。當PLC處于停止工作模式時，PLC只進行內(nèi)部處理和通信服務等內(nèi)容。在運行模式下，PLC通過反復執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能，為了使PLC的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是不斷地重復執(zhí)行，直至PLC停機或切換到STOP工作模式。PLC這種周而復始的工作方式稱為循環(huán)掃描工作方式。當PLC投入運行后，它的工作過程一般分為三個階段，也就是輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三

32、個階段4。完成這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執(zhí)行上述三個階段。（1）輸入采樣階段在此階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應單元內(nèi)。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)中相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。 （2）用戶程序執(zhí)行階段在此階段，PLC總是按由上而下的順序依次掃描梯形圖。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)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新系統(tǒng)R

33、AM存儲區(qū)中該邏輯線圈對應位的狀態(tài)，或者刷新I/O映象區(qū)中該輸出線圈對應位的狀態(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。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)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)不會發(fā)生變化，而輸出點和軟設備在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)或者I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的梯形圖起作用，相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的狀態(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。 （3）輸出刷新階段在掃描用戶程序結(jié)束以后，PLC就會進入輸出刷新階段。在此階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路

34、驅(qū)動相應的外部設備。這時才是PLC的真正輸出。3.1.2 S7-200 PLC簡介西門子S7系列PLC體積小、速度快、標準化，具有網(wǎng)絡通信能力，功能強，可靠性高5。其中，S7-200系列是整體式的，CPU模塊、I/O模塊和電源模塊都在一個模塊內(nèi)，稱為CPU模塊。同一機架上的模塊之間是通過模塊正上方的數(shù)據(jù)接頭連接的。它的編程語言有三種，即語句表（STL）、梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）。S7-200 PLC發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了兩代：第一代產(chǎn)品，其CPU模塊為CPU 21X，主機都可進行擴展，它具有四種不同配置的CPU單元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216。第二

35、代產(chǎn)品，其CPU模塊為CPU 22X，主機都可進行擴展，具有五種不同配置的CPU單元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226和CPU226XM，除CPU 221之外，其它都可加擴展模塊，是目前小型PLC的主流產(chǎn)品。西門子S7-200 PLC在實時模式速度快，有較高的生產(chǎn)力，可以與其他控制器結(jié)合使用。S7-200硬件系統(tǒng)由基本單元（CPU）、擴展單元、特殊功能模塊、相關設備組成。S7-200 PLC具有以下特點：（1）集成的24V電源?？芍苯舆B接到傳感器，其中，CPU224輸出280mA，可用作負載電源。（2）通信口。其中，CPU221、CPU222以及CPU224具有1

36、個RS-485通信口，CPU226具有2個RS-485通信口，S7-200支持PPI、MPI通信協(xié)議，有自由口通信能力。（3）高速脈沖輸出。S7-200具有兩路高速脈沖輸出端，頻率達20KHZ，可用于控制步進電機或者伺服電機。（4）中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿做出響應。（5）電池模塊。用戶數(shù)據(jù)可通過內(nèi)部的超級電容存儲大約5天。選用電池模塊能延長存儲時間到200天。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。（6）數(shù)字量輸入/輸出點。CPU221具有6輸入/4輸出；CPU222具有8輸入/6輸出；CPU224具有14輸入/10輸出；CPU226具有24輸入/16輸出。（7）高速計數(shù)器。具有幾個

37、高速計數(shù)器，用于捕捉比CPU掃描頻率更高的脈沖信號。S7-200 PLC的應用領域從更換繼電器和接觸器一直擴展到單機、網(wǎng)絡以及分布式配置更復雜的自動化領域。S7-200 PLC具有結(jié)構(gòu)緊湊小巧、大容量程序和數(shù)據(jù)存儲、實時響應快、操作順序和過程控制快速和精確、易于配合STEP7-Micro/WIN32工程軟件使用等優(yōu)點。3.1.3 I/O地址分配此次課題中使用的S7-200 PLC 的CPU 224XP CN，其具有14個輸入點和10個輸出點。結(jié)合此設計需要滿足的功能要求以及開關元件，考慮PLC與變頻器之間的輸入輸出控制關系，S7-200 I/O地址可按如下分配：表3-1 I/O地址分配表輸入輸

38、出功能元件地址功能地址啟動SB1I0.1DIN3Q0.1停止SB2I0.2DIN4Q0.2調(diào)試SB3I0.3DIN5Q0.3正轉(zhuǎn)SB4I0.4DIN1Q0.4反轉(zhuǎn)SB5I0.5DIN2Q0.5單選SB6I0.6一速SB7I0.7二速SB8I1.3三速SB9I1.4四速SB10I1.0五速SB11I1.1自動SB12I1.23.1.4 S7-200 PLC接線圖圖3-1為S7-200PLC（CPU 224XP CN）DC電源/DC輸入/DC輸出端子接線圖，DC輸入端由1M、I0.0I0.7構(gòu)成的第一組和由2M、I1.0I1.5構(gòu)成的第二組組成，1M和2M分別為各組公共端，DC 24V的負極接公共

39、端1M或者2M，輸入開關的一端接DC 24V的正極，輸入開關的另一端接CPU 224XP CN各輸入端；DC輸出端由1M、1L+、Q0.0Q0.4構(gòu)成的第一組和由2M、2L+、Q0.5Q1.1構(gòu)成的第二組組成，1M和2M分別為各組公共端，DC 24V的負極接1M、2M端，正極接1L+、2L+端，Q0.1Q0.4輸出一端接CPU 224XP CN各輸出端，另一端分別與變頻器端7、端8、端16、端5連接。圖3-1 S7-200 PLC接線圖3.2 西門子MICROMASTER VECTOR變頻器3.2.1 變頻器的工作原理變頻技術誕生背景是交流電機無級調(diào)速的廣泛需求。傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術因體積大故障

40、率高而應用受限。變頻器是通過整流、斬波、逆變等基本過程以及對電力半導體器件（如IGBT等）的PWM控制等，將電壓和頻率固定不變的工頻交流電電源變換為電壓或頻率可變的交流電電源，最終實現(xiàn)對電機的調(diào)速運行 6。變頻器的組成單元有整流單元、濾波單元、逆變單元、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需的電源電壓，從而達到節(jié)能以及調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多保護功能，比如過流保護、過壓保護、過載保護等等。變頻器具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應快、運行速率高、控制靈活、安裝調(diào)試操作方便且易于同其他設備連接等一系

41、列優(yōu)點，隨著社會的不斷進步與發(fā)展以及工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器得到了非常廣泛的應用。變頻器主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，主電路大體上可以分為兩類：電壓型和電流型。電壓型是將電壓源的直流轉(zhuǎn)換為交流的變頻器，其直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流轉(zhuǎn)換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 變頻器主電路的組成有三部分，分別是整流器、平波回路和逆變器。整流器的作用是將工頻電源轉(zhuǎn)換為直流功率，即將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電；平波回路的作用是吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動；逆變器，由大功率開關晶體管陣列組成電子開關，其作用是將直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率，即將直流電

42、轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。另外，給主電路提供控制信號的回路叫做控制電路，它是由頻率、電壓的運算電路，主電路的電壓、電流檢測電路，電動機的速度檢測電路，放大運算電路控制信號的驅(qū)動電路，以及逆變器和電動機的保護電路組成的。3.2.2 變頻調(diào)速變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而來改變其同步轉(zhuǎn)速n的調(diào)速方法7。提供變頻電源的變頻器是變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要設備，變頻器可分成交直交變頻器和交交變頻器兩大類，目前我國國內(nèi)大都使用的是交直交變頻器8。它的特點如下：(1) 效率高，在調(diào)速的過程中沒有附加損耗。(2) 應用范圍廣泛，可運用于籠型異步電動機。(3) 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。(4) 技術

43、復雜，造價高，維護檢修困難。(5) 變頻調(diào)速適用于對精度以及調(diào)速性能要求較高的場合。變頻調(diào)速技術在國民經(jīng)濟和日常生活中有著很重要的地位：(1) 應用面廣，是工業(yè)企業(yè)和日常生活中普遍需要的新技術。(2) 是節(jié)約能源的高新技術。(3) 是國際上技術更新?lián)Q代最快的領域。(4) 是高科技領域的綜合性技術。(5) 是替代進口、節(jié)約投資的最大領域之一。變頻調(diào)速以變頻器向交流電動機供電，從而構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電轉(zhuǎn)換成可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的變換器，是異步電動機變頻調(diào)速的控制裝置9。3.2.3 MMV變頻器簡介MICROMASTER VECTOR (MMV)是具有免測速

44、機矢量控制功能的通用型變頻器,用于控制三相電機的轉(zhuǎn)速。免測速機矢量控制可以計算出所需輸出電流及頻率的變化量以維持所期望的電機轉(zhuǎn)速,而不受負載條件變化的影響。MMV變頻器具有如下特點：(1) 安裝、設定、調(diào)試簡便。(2) 矢量控制的起動轉(zhuǎn)矩高并且速度精度高。(3) 單相輸入的MMV12-MMV300可提供內(nèi)裝RFI濾波器選件。(4) 快速電流限幅可以運用于無跳閘應用。(5) 0C到50C的溫度范圍。(6) 內(nèi)部自帶PID控制功能，可以完成閉環(huán)過程控制，為用于反饋的傳感器提供15V、50mA供電。(7) 可通過RS-485串口實現(xiàn)遠程控制,此外使用USS通訊方式最多可以控制31臺變頻器。(8) 輸

45、出頻率(即電機轉(zhuǎn)速)可由以下方法控制： 前面板頻率給定 外部電位計控制電機轉(zhuǎn)速 高分辨率的模擬量給定值(電壓或電流輸入） 8個固定頻率設定。 電動電位計功能 串行接口 3.2.4 參數(shù)設置變頻器可以通過前面板上的薄膜型按鍵改變和設定參數(shù)，以調(diào)節(jié)出所需要的變頻器特性，例如最大和最小頻率等。被選定的參數(shù)號和設定的參數(shù)值通過四位LED顯示屏顯示出來。值得注意的是，如果間斷性地按鍵，數(shù)值將一步一步地改變，如果長時間地按住鍵，數(shù)值將快速地改變10。參數(shù)能否讀取，取決于P009的設定。按照生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的設計要求，參數(shù)設置如下：表3-2 MMV變頻器參數(shù)設置參數(shù)功能參數(shù)設置說明/注釋P001顯示選

46、擇00=輸出頻率（HZ）P006頻率設定方式選擇22=固定頻率P007面板操作控制00=運行P009參數(shù)保護設定33=所有參數(shù)可被讀寫P041固定頻率（HZ）10P042固定頻率（HZ）30P043固定頻率（HZ）50P049固定頻率（HZ）20P048固定頻率（HZ）50P051選擇控制功能11=運行，向右轉(zhuǎn)P052選擇控制功能22=運行，向左轉(zhuǎn)P053選擇控制功能1717=二進制固定頻率控制P054選擇控制功能1717=二進制固定頻率控制P055選擇控制功能1717=二進制固定頻率控制3.2.5 多段速控制變頻器的多段速是通過功能端子控制的，這些功能端子按照二進制的規(guī)律組合接通時，變頻器輸

47、出各固定頻率11。MMV變頻器最多可以通過3個端子組合閉合控制生成8種固定頻率，根據(jù)f = n P /60可知，從而得到8段速。表3-3中“1”表示該端子的控制閉合；“0”表示該端子的控制斷開。由段速表可見，DIN3、DIN4、DIN5功能端子按照表中的對應關系進行閉合時，得到8種固定頻率。表3-3 二進制編碼固定頻率表DIN3（P053）DIN4（P054）DIN5（P055）FF5（P046）000FF6（P047）001FF7（P048）010FF8（P049）011FF1（P041）100FF2（P042）101FF3（P043）110FF4（P044）111因此，為了使PLC與變頻器

48、相結(jié)合對電機進行控制從而達到生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的控制要求，S7-200PLC輸出點與MMV變頻器的對應關系應該如表3-4所示。表3-4 PLC輸出點與變頻器對應關系Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5DIN3DIN4DIN5DIN1DIN2速度(r/min)頻率(HZ)FF11001030010FF21011090030FF311010150050FF80100160020FF7011011500503.2.6 變頻器接線圖參照MMV變頻器操作手冊，接線圖如圖3-2所示12。圖3-2 變頻器接線示意圖第四章 控制系統(tǒng)的軟件設計4.1 PLC編程隨著社會的進步與快速發(fā)展，微處理器、計算機

49、以及數(shù)字通信技術的發(fā)展飛速，如今計算機控制幾乎已經(jīng)擴展到了所有的工業(yè)領域。在這種情況下，現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速的反應，要求生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格并且低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。因此，為了滿足這些要求，生產(chǎn)設備以及自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，PLC編程應運而生，它是以微處理器為基礎的通用工業(yè)控制裝置。PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)按控制要求編制好并儲存于用戶存儲器中的程序，按照指令步序號(地址號)作周期性循環(huán)掃描，如果沒有跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束，然后再重新返回第一條指令

50、，開始下一輪新的掃描，在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣以及對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的用戶程序，是設計人員根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝控制要求，通過PLC編程語言的編制規(guī)范，按照實際需要使用的功能來設計的。只要用戶能夠掌握某種標準編程語言，就能夠使用PLC在控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)各種自動化控制功能。根據(jù)國際電工委員會制定的工業(yè)控制編程語言標準（IEC1131-3），PLC有五種標準編程語言：梯形圖語言（LD）、指令表語言（IL）、功能模塊語言（FBD）、順序功能流程圖語言（SFC）、結(jié)構(gòu)文化本語言（ST）。其中，梯形圖語言是PLC程序設計中最常用的編程語言13。它是與繼電器線路類似的一種編程語言

51、。它在形式上沿襲了傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制圖，是在原繼電接觸器控制系統(tǒng)的梯形圖基礎上演變而來的一種圖形語言。它將PLC內(nèi)部各種編程元件和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號、標號表示，并且按照邏輯要求及連接規(guī)律組合和排列，從而構(gòu)成了表示PLC輸入、輸出之間控制關系的圖形。因為它在原繼電接觸器的基礎上加進了許多功能強大、使用靈活的指令并且將計算機的特點結(jié)合了進去，使得其邏輯關系清晰直觀、編程容易、可讀性強，可以實現(xiàn)的功能大大超過了傳統(tǒng)的繼電接觸控制電路，所以得到了廣泛的歡迎和應用。梯形圖編程語言的特點是：與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；與原有繼電器控制相一致，電氣設計人員易于掌握。梯形

52、圖的設計應注意到以下三點：（1）梯形圖按從左到右、自上而下地順序排列。每一邏輯行（或稱梯級）起始于左母線，然后是觸點的串、并連接，最后是線圈。（2）梯形圖中每個梯級流過的不是物理電流，而是概念電流，從左流向右，其兩端沒有電源。這個概念電流只是用來形象地描述用戶程序執(zhí)行過程中應該滿足線圈接通的條件。（3）輸入寄存器用來接收外部輸入信號，而不能由PLC內(nèi)部其它繼電器的觸點驅(qū)動。因此，梯形圖中只出現(xiàn)輸入寄存器的觸點，而不出現(xiàn)其線圈。輸出寄存器則輸出程序執(zhí)行結(jié)果給外部輸出設備，當梯形圖中的輸出寄存器線圈得電時，就有信號輸出，但不是直接驅(qū)動輸出設備，而是要通過輸出接口的繼電器、晶體管或者晶閘管才能實現(xiàn)。

53、輸出寄存器的觸點也可供內(nèi)部編程使用。4.2 編程軟件簡介STEP7-Micro/WIN32是運行在計算機Windows系統(tǒng)環(huán)境下的西門子S7-200系列PLC的編程軟件，其界面簡單、實用，功能強大，易于操作人員掌握和使用。其通過PC/PPI編程電纜連接計算機的RS-232串口和S7-200 PLC的RS-485通信接口后，編程軟件就可以向PLC下載或從PLC上載所編寫的應用程序。程序運行過程中還可以對PLC運行的情況進行監(jiān)控，或通過強制命令對PLC進行調(diào)試。STEP7-Micro/WIN32的主界面中，系統(tǒng)菜單和工具欄提供各種功能，指令樹結(jié)構(gòu)列出了編輯資源，包括程序塊、符號表、狀態(tài)圖、數(shù)據(jù)塊、

54、通信塊等，還有所有可用指令。在編輯區(qū)，可進行程序編輯。這種編程結(jié)構(gòu)使用了模塊化編程體系，程序結(jié)構(gòu)簡單、組織方便、層次清楚，有利于編寫規(guī)模較大的程序。編程軟件有如下的具體功能：（1）可以用梯形圖、語句表和功能塊圖編程。（2）可以進行符號編程，通過符號表來分配符號和絕對地址，也就是對編程元件定義符號名稱，增加程序的可讀性，使之易于理解，并可打印輸出。（3）具有易于使用的組態(tài)向?qū)?，用于PID控制器、CPU間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ殴δ芎透咚儆嫈?shù)器功能。（4）支持三角函數(shù)、對數(shù)運算功能。（5）可用于CPU硬件設置，如輸入延時、實時時鐘設置、通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡地址和CPU最近的錯誤狀態(tài)。（6）可通過調(diào)制解調(diào)器支持S7-200遠程編程。（7）可進行故障檢測和診斷、執(zhí)行單次掃描、強制輸出等。（8）可以同時打開多個窗口顯示狀態(tài)表和信號狀態(tài)。（9）有可編輯的變量狀態(tài)表，易于程序調(diào)試。（10）可導入和導出STEP7-Micro/DOS格式的文件。4.3 順序控制繼電器（SCR）指令在工