装配流水线PLC模拟控制实验论文1

1.1可编程序控制器概述

1.1.1 PLC的产生和定义

1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。   

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

1.1.2 PLC的发展和应用领域

1988年全世界总销售量达370亿美元。年产量150万台，目前世界上先进工业国家。PLC已成为工业控制的标准设备。它的应用几乎覆盖了所有的工业、企业。

近10年，我国的PLC研制，生产、发展很快、上海宝钢第一期工程，采用了250台。第二期采用了108台，获得了令人瞩目的经济效益和社会效益。

PLC应用越来越广泛，工业自动化程序提高一个新水平。目前，PLC在国内外已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。从PLC应用类型看，大致可归纳为以下几个方面：开关量逻辑控制 运动控制 过程控制（PID闭环控制 ）数据处理 通信联网（构成DCS、FCS系统）

1.1.3 plc的特点

1可靠性高、抗干扰的主要措施之一。输入输出接口电路采用光电耦合器来传递信号。使外部电路和内部电路之间避免电的联系。

2编程简单、使用方便、控制程序可变。

3采用自然语言：梯形图

4功能完善、扩充方便、组合灵活、实用性强。

5体积小、重量轻、功耗低。

1.2 plc的组成及工作原理

1.2.1 PLC的组成

PLC的基本组成包括硬件与软件两部分:      PLC的硬件：处理器（CPU）、存储器、输入接口、                              输出接口、通信接口、电源等      PLC的软件：系统程序和用户程序

1.2.2  PLC的工作原理  

当PLC运行时，需要进行众多的操作而 PLC的CPU不可能同时去执行多个操作， 每一刻只能执行一个操作 。解决的办法：采用分时操作原理  由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。这种分时操作的方法称为扫描工作方式

扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复进行。集中采样：在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC进入程序处理阶段后输入端将，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行重新采样。集中输出：在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出处理阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。

2  S7200—PLC控制系统

2.1 S7200系列PLC的硬件系统

2.1.1 S7200系列PLC系统基本构成

SIMATIC S7—200硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的本机I／O，同时还可以扩展各种功能模块。一个完整的PLC系统如图所示。

图2.1一个完整的PLC系统

CPU模块又称为主机是系统的核心，它包括CPU、存储器、基本输入输出点和电源等。它实际就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。 

    主机I/O数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I／O点数是由多种因素共同决定的。当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可扩展特殊功能模块，以完成某种特殊的控制任务。利用网络接口，可以充分和方便地利用为SIMATICS7—200系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。 

    所有以上这些硬件设备，都在一个统一的工业软件平台上编程和运行，为了更好地管理和使用这些设备，S7—200PLC配备了许多功能强大的专用功能指令，方便地实现各种控制目的。

2.1.2 CPU模块

S7—200CPU模块包括一个处理单元、存储器、电源以及数字I／O点，这些都被集成在一个紧凑、的设备中。CPU负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输人部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，控制工业过程中的设备。

  从CPU模块的功能来看，SIMATICS7—200系列小型可编程序控制器发展至今，经历了两代：第一代产品的CPU模块为CPU 21*，现已停产。第二代产品的CPU模块为CPU 22*，是在21世纪初投放市场的。其速度快，具有极强的通讯能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元。 

(1)CPU 221 CPU 221具有6输入／4输出，共计10个点的I／O，无扩展能力，有6 KB程序和数据存储空间。还具有4个的30 kHz高速计数器，2路的20 kHz高速脉冲输出端，1个RS—485通讯／编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯方式。非常适合于小点数的控制系统。 

(2)CPU 222 CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同点在于：它有8输人／6输出，共计14点I／O。可以带两个扩展模块，最多扩展8路模拟量和个I／O，因此是更广泛的全功能控制器。 

(3)CPU 224 它在CPU 222的基础上使主机的输入输出点数增为24点，有14输入／10输出，可以带7个扩展模块，最大可扩展为168点数字量或者35点模拟量的输入和输出；存储容量也进一步增加，有内置时钟，还增加了一些数学指令和高速计数器的数量，具有较强的控制能力。 

(4)CPU 226 这种模块在CPU 224的基础上功能又进一步增强，有24输入／16输出，主机输入和输出点数增到40点，最大可扩展为248点数字量或35点模拟量；增加了通讯口的数量，通讯能力大大增强；它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。 

     现在西门子公司新推出了一种增强型的CPU 226XM，它在用户程序存储容量上扩大到8K字，其他指标和CPU 226相同。 每一款主机模块上都集成了24V直流电源，可以直接用于连接传感器和执行机构。利用EEPROM存储存储程序和配置信息。用户数据可通过主机的超级电容存储若干天，电池模块可选，可使数据的存储时间延长到200天。可以用普通输入端子捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号，利用中断输入，允许以极快的速度对信号的上升沿做出响应。速度为30 kHz的高速计数器可以编程，并具有复位输入端，多个的输入端，可同时用作加减计数，可以连接相应数量的相位差为90度的A／B相增量编码器。2路最大可达20kHz的高频脉冲输出，可用以驱动步进电机和伺服电机以实现准确定位任务。可以用模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值，可以即时更改程序运行中的一些参数，如定时／计数器的设定值、过程量的控制参数等。实时时钟可用以对信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。

2.1.3扩展模块

输入和输出点是系统与被控制对象的连接点。用户可以使用主机I／O和扩展I／O。S7—200系列CPU提供一定数量的主机数字量I／O点，但在主机点数不够的情况下，就必须使用扩展模块的I／O点。有时需要完成过程量控制时，可以扩展模拟量的输入／输出模块。当需要完成某些特殊功能的控制任务时，S7—200主机可以扩展特殊功能模块。所以S7—200扩展模块包括数字量输入／输出扩展模块、模拟量输入／输出扩展模块和功能扩展模块。典型的输入／输出模块和特殊功能模块有： 

 (1) 数字量I／O扩展模块 

  S7—200PLC系列目前总共可以提供几类数字量输入／输出扩展模块： 

  输入扩展模块EM221有三种：8点DC24V输入；16点DC24V输入；8点光电隔离输                        入，交直流通用，可直接输入交流220V。 

  输出扩展模块EM222有五种：4点DC24V输出；4点继电器输出；8点DC24V输出，8点继电器输出；8点光电隔离晶闸管输出。 

  输入／输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点、8点、16点输入／4点、8点、16点输出的各种组合，三种为DC24V输出，另三种为继电器输出。 

 (2) 模拟量I／O扩展模块 

  模拟量输入扩展模块EM231有3种：4路模拟量输入，输入量程可配置为4——20mA、0——5V、0——10V、±5V或±10V等；2路热电阻输入；4路热电偶输入。12位精度。 

    模拟量输出扩展模块EM232：具有2路模拟量输出。12位精度。 

    模拟量输入／输出扩展模块EM235：具有4路模拟量输入和1路模拟量输出（占用2路输出地址）。12位精度。 

 (3)功能扩展模块 

    功能扩展模块有EM253位置控制模块、EM277 PROFIBUS-DP模块、EM241调制解调器模块、CP243-1以太网模块和CP243-2 AS-i接口模块等。 

    扩展模块时，通过CPU模块和扩展模块上的扩展电缆把各个扩展模块依次串接起来，形成一个扩展链。在进行最大I／O配置的预算时要考虑以下几个因素的：允许的扩展模块数、映像寄存器的数量、CPU为扩展模块所能提供的最大电流和每种扩展模块消耗的电流

   PLC通过程序的运行实施控制的过程其实质就是对存储器中数据进行操作或处理的过程，根据使用功能的不同，把存储器分为若干个区域和种类，这些由用户使用的每一个内部存储单元统称为软元件。各元件有其不同的功能，有固定的地址。软元件的数量决定了可编程控制器的规模和数据处理能力，每一种PLC的软元件是有限的。 

   为了理解方便，把PLC内部许多位地址空间的软元件定义为内部继电器（软继电器）。但要注意把这种继电器与传统电气控制电路中的继电器区别开来，这些软继电器的最大特点就是其线圈的通断实质就是其对应存储器位的置位与复位，在电路（梯形图）中使用其触点实质就是对其所对应的存储器位的读操作，因此其触点可以无限次的使用。 

  编程时，用户只需要记住软元件的地址即可。每一软元件都有一个地址与之一一对应，其中软继电器的地址编排采用区域号加区域内编号的方式。即PLC内部根据软元件的功能不同，分成了许多区域，如输入／输出继电器、辅助继电器、定时器区、计数器区、顺序控制继电器、特殊标志继电器区等，分别用I、Q、M、T、C、Ｓ、SM等来表示。 

 2.2  S7200系列PLC的编程元件

数字量输入继电器（I）；数字量输出继电器（Q）；通用辅助继电器（M）；特殊标志继电器（SM）；变量存储器（V）；局部变量存储器（L）；顺序控制继电器（S）；定时器（T）计数器（C）；模拟量输入映像寄存器(AI)；模拟量输出映像寄存器(AQ)；高速计数器(HC累加器(AC))。

3 装配流水线的PLC控制    

3.1装配流水线PLC控制系统的设计流程

3.1.1生产工艺过程

工厂中的装配流水线作业是工业生产中经常使用的一种形式。因此，装配流水线的控制有重要的实际意义。一般在传送带上有需要加工的产品，传送到某一位置时，对其进行某一种加工，在传送到下一道程序，直至加工完毕，送入仓库。

图3.1装配流水线的模拟示意图

3.1.2设计要求

 （1）按下启动按钮后，按以下规律显示D→E→F→G→A→D→E→F→G→B→D→E→F→G→C→D→E→F→G→H→D→E→F→G→A→······循环，D，E，F，G分别表示用来传送的加工物品以及传送的方向，每个灯间隔亮一秒变化；A是操作1，B是操作2，C是操作3，H是仓库，每个都点亮3秒，表示其操作所需的时间。

（2）按下移位按钮后，传送带开始移动（移动指示灯D、E、F、G顺序点亮，每个间隔一秒变化）。

（3）按下复位按钮后，系统复位，只有再次按下启动按钮后，系统才能再次启动。

3.1.3设计流程

表3.1程序输入/输出接线表

设计程序操作流程图如下：

3.2装配流水线设计程序

图3.3设计梯形图

4实验小结

PLC实验是我感觉是大学期间最大的一次实验，因为主要是涉及专业知识的具体运用，我想也应该是最重要的一次实验吧。本次系列实验我们三个人一组，共同合作，一起努力用了一个星期左右的时间完成了实验。从源程序的编写，上机编译下载到测试和检验，以及不断的修改源程序，连接实验电路，检验程序的对错。其间我们遍尝酸甜苦乐，学到了很多东西，感觉收获颇丰。我的收获主要小结如下：

（1）我们学习了更多的有关PLC的有关知识

虽然我们在之前的课程里有上过PLC的有关课程，但或许是学得不太牢固，掌握的也不是很好。刚开始时，大家都把以前学的知识忘的差不多了，但为了这次实验，我们三人集体学习，把以前所学的知识尽量回顾起来，而且因为是带着目的地去学习，我们对可编程控制的有关知识理解掌握得更深入了。我们熟练掌握了PLC在工业控制系统中的很多具体运用。

（2）提高了动手能力

    平时我们都是以理论学习为主，整天看课本虽然学到了不少知识，但心里一直觉得不踏实，毕竟实践才是最重要的；而这次实验给我们提供了一个培养动手能力的绝佳的机会。该开始上手的时候，我们对软件不熟，对程序中出现的问题也不明白，只能是不断地改，将自己认为有问题的地方都修改直至成功。最后我们终于能较熟练的运用SIMEINS S7-200这个软件并解决一系列编程问题了。

（3）培养了团队合作精神

以前总是习惯于自己思考，自己解决，或许有的问题是能解决的，但毕竟都是自己想的，有着一定的局限性。而在这次实验中，我们四个人在一起，互补所短，发挥所长，四个人想出了很多解决问题的方法，而且大家互相提醒，互相激励，替对方找错，弥补对方的缺陷，所以合作起来比一个人做更加有想法，更加有效率，也能让我们的程序更加精炼，更加完美，功能完成的也更加好了。所以说，团队的力量是无穷的。

（4）养成了勇于吃苦、勤于思考的习惯

    这次实验我们花了比较大的精力， 在这段时间里我们还锻炼了自己的意志，在困难面前不退缩，相信万事都有解决的办法，只要我们肯花时间去找资料，去请教别人，自己认真地琢磨，就没有解决不了的问题。

不过，我觉得更重要的是，我们养成了勤于思考的习惯。在实验过程中，我们需要不断地修改、改进，这既让我们认识到细心的重要性，也让我们获得了不少“创新”的灵感。

（5）我们对自己的专业和自己的前途有了更深的把握

以前觉得大学期间只要基本掌握了所学的专业知识，适当应付一下实验就可以了，但在这次实验的过程中，我们发现原来实验本身并不是那么枯燥乏味，只要你肯投入，勇于钻研和挑战，通过实验能让我们学到很多东西。

我想，这一周的实验过程一定会成为我们大学期间宝贵的财富和永久的记忆。 

最后，非常感谢老师给我们这样一个机会，让我们学到了很多很多！

参考文献

[1] 徐国林主编. 《PLC应用技术》.  1-3版 .机械工业出版社,2007:P1-P250

[2] 王大根主编. 《电器控制与PLC》. 1版. 浙江大学出版社，2004:P18-P46                

[3] 常斗南主编. 《可编程序控制器原理 应用》.2版. 机械工业出版社,1998：P1-P125

[4] 吴中俊 黄永红主编. 《可编程控制器原理及应用》.  第2版 .械工业出版社,2004

[5] 刘华波主编. 《西门子S7—200编程及应用案例精选》. 1版. 机械工业出版社2009。                

[6] 严盈富主编. 《西门子S7—200PLC入门》.2版.人民邮电出版社,2007。