1、第1章 系統硬件電路的設計1.1 PLC的簡介1.1.1 可編程控制器的概念可編程控制器(Programmable Logical Controller)簡稱PLC。國際電工委員會（IEC）在1985年的PLC標準草案第3稿中，對PLC作了如下定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令。并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。”現代工業生產過程是復雜多

2、樣的，它們對控制的要求也各不相同。PLC一經出現就受到了廣大工程技術人員的歡迎。PLC具有如下特點：1、編程方法簡單易學。2、功能強，性能價格比高。3、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強。4、可靠性高，抗干擾能力強。5、系統的設計、安裝、調試工作量少。6、維修工作量小，維修方便。7、體積小，能耗低。1.1.2 PLC的應用領域PLC的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其應用受到限制。但最近十年來，PLC的應用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于處理器芯片及有關元件的價格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增加，能解決復雜的計算和通信問題。目前PLC在國內外已廣泛應用于

3、鋼鐵、采礦、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、紡織、環保和娛樂等行業。PLC的應用范圍通常分成以下5種類型：1、順序控制這是PLC應用最廣泛的領域，也是最適合PLC使用的領域，它用來取代傳統的繼電器順序控制。PLC應用于單機控制、多機控制、生產自動線控制等。例如：注塑機械、印刷機械、訂書機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產線、電鍍流水線及電梯控制。2、運動控制PLC制造商目前已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，在多數情況下，PLC把描述目標位置的數據送給模塊，其輸出移動一軸或數軸到目標位置，每個軸移動時，位置控制模塊保持適當的速度和加速度，保持運動平滑。

4、相對來說，位置控制模塊比CNC裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作更方便，3、過程控制PLC還能控制大量的過程參數，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度等。PID模塊提供了使PLC具有了閉環控制的功能，即一個具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。當過程控制中某個變量出現偏差時，PID控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設定值上。4、數據控制在機械加工中，PLC作為主要的控制和管理系統用于CNC和NC系統中，可以完成大量的數據控制。5、通信控制PLC的通信包括主機與遠程I/O的通信、多臺PLC之間的通信、PLC和其他智能控制設備（如計算機、變頻器、數控裝置）之間的通信。PLC與其他智能控

5、制設備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統。1.1.3 PLC的系統組成PLC種類繁多，但其組成和工作原理基本相同。用PLC實施控制，其實質是按一定算法進行輸入/輸出變換，并將這個變換給以物理實現，應用于工業現場。PLC專為工業現場應用而設計，采用了典型的計算機結構，它主要是由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入/輸出接口電路等組成。PLC的結構框圖如圖3.1所示。1、中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內。CPU通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路連接。2、存儲器PLC的存儲器包括系統

6、存儲器和用戶存儲器兩部分。系統存儲器包括用來存放由PLC生產廠家編寫的系統程序，并固化在ROM內，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設計者規定的各項工作。系統程序質量的好壞，很大程度上決定了PLC的性能，其內容主要包括三部分。第一部分為系統管理程序。第二部分為用戶指令解釋程序。第三部分為標準程序與系統調用。圖3.1 PLC的結構框圖用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區）和數據存儲器（數據區）兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務用規定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。用戶數據存儲器可以用來存放（記憶）用戶程序中所使用器件ON/OFF狀態和數值、數據等。用戶

7、存儲器的大小關系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標之一。PLC使用的存儲器類型有三種。第一種是隨機存取存儲器（RAM）；第二種是只讀存儲器（ROM）；第三種是可電擦除可編程的只讀存儲器（EEPROM或EPROM）。3、輸入/輸出模塊輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡稱為I/O模塊。PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關量、模擬量和數字量。輸入/輸出模塊從廣義上分包含兩部分：一是與控制設備相連接的接口電路；另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸入模塊用于處理輸入信號，對輸入信號進行濾波、隔離、電平轉換等，把輸入信號的邏輯值安全可靠地傳遞到PLC內部。輸出模塊用于把用戶程

8、序的邏輯運算結果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內部電路和外部執行元件的作用，還具有功率放大的作用。4、電源模塊PLC一般使用220V的交流電源，內部的開關電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V、±12V、24V等直流電源，使PLC能正常工作。5、接口模塊接口模塊用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統的需要。6、通信接口為了實現“人機”或“機機”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過接口可以與監視器、打印機和其他的PLC或計算機相連。7、編程器編程器的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監視。編程器有簡易型和智能

9、型兩類。簡易型的編程器只能聯機編程，且往往需要將梯形圖轉換為機器語言助記符（語句表）后，才能輸入。智能型的編程器又稱圖形編程器，它可以聯機編程，也可以脫機編程，具有LCD或CRT圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話8、其他部分有些PLC還可配有EPROM寫入器、存儲器等其他外部設備。1.1.4 PLC的工作原理PLC是一種工業控制計算機，故它的工作原理是建立在計算機工作原理之上，即通過執行反映控制要求的用戶程序來實現的，但是 CPU是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執行是按程序順序依次完成相應各電器的動作，所以它屬于串行工作方式。PLC工作的全

10、過程可用圖2.2所示的運行框圖來表示。概括而言，PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環掃描的方式進行工作的。掃描周期是控制過程中一個比較重要的技術指標。一般來說，掃描周期越大，表明掃描所需要的時間就越長，要求輸入信號的寬度就越大，控制周期就越長，控制速度就要降低。PLC的過程可分為三部分。第一部分為上電處理，第二部分是掃描過程，第三部分是出錯處理。電源ON內部處理輸入處理(輸入傳送遠程I/O)通信服務(外設、CPU、總線服務)更新時鐘、特殊寄存器執行程序執行自診斷存放自診斷錯誤結果CPU強制為STOPRUNSTOPYNNY輸出處理致命錯誤PLC正常否CPU運行方式圖3.2 PLC運行框圖1.

11、2 輸入/輸出信號本控制系統有27個輸入開關量，分別為：系統啟動按鈕1個 負責整個系統的啟動；系統停止按鈕1個 負責整個系統的停止；選擇按鈕1個 負責機械手自動控制和檢測的切換；機械手的啟動按鈕3個 負責檢測時每個機械手的啟動；機械手的停止按鈕3個 負責檢測時每個機械手的停止；物品檢測開關3個 負責檢測工作臺上是否有物品；下降限位開關3個 負責檢測機械手到達最低位置；夾放檢測開關3個 負責機械手夾放物品的檢測；上升限位開關3個 負責檢測機械手到達最高位置；右旋限位開關3個 負責檢測機械手是否右旋轉180°；左旋限位開關3個 負責檢測機械手是否左旋轉180°；建立輸入信號名稱

12、與電氣符號表3.1。表3.1 輸入信號名稱與電氣符號表序號名稱電氣符號1總啟動按鈕SB12總停止按鈕SB23自動/手動選擇按鈕SB34機械手1啟動按鈕SB45機械手1停止按鈕SB56機械手2啟動按鈕SB67機械手2停止按鈕SB78機械手3啟動按鈕SB89機械手3停止按鈕SB910工作臺A物品檢測開關SQ111工作臺B物品檢測開關SQ212工作臺C物品檢測開關SQ3續表3.113機械手1下降限位開關SQ414機械手1夾緊檢測開關SQ515機械手1上升限位開關SQ616機械手1左旋限位開關SQ717機械手1右旋限位開關SQ818機械手2下降限位開關SQ919機械手2夾緊檢測開關SQ1020機械手2

13、上升限位開關SQ1121機械手2左旋限位開關SQ1222機械手2右旋限位開關SQ1323機械手3下降限位開關SQ1424機械手3夾緊檢測開關SQ1525機械手3上升限位開關SQ1626機械手3左旋限位開關SQ1727機械手3右旋限位開關SQ18本控制系統由15個輸出電磁閥，分別為：機械手下降電磁閥3個 負責啟動機械手的下降；機械手夾放電磁閥3個 負責啟動機械手夾放物品；機械手上升電磁閥3個 負責啟動機械手的上升；機械手右旋電磁閥3個 負責啟動機械手的右旋；機械手左旋電磁閥3個 負責啟動機械手的左旋。建立輸出信號名稱與電氣符號表3.2。表3.2 輸出信號名稱與電氣符號表序號名稱電氣符號12機械手

14、1下降電磁閥YV12機械手1夾放電磁閥YV 23機械手1上升電磁閥YV 3續表3.24機械手1左旋電磁閥YV 45機械手1右旋電磁閥YV 56機械手2下降電磁閥YV 67機械手2夾放電磁閥YV 788機械手2上升電磁閥YV 89機械手2左旋電磁閥YV 910機械手2右旋電磁閥YV 1011機械手3下降電磁閥YV 1112機械手3夾放電磁閥YV 1213機械手3上升電磁閥YV 1314機械手3左旋電磁閥YV 1415機械手3右旋電磁閥YV 151.3 PLC的選型目前，世界上有200多個廠家生產可編程控制器產品，比較著名的PLC生產廠家主要有美國的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISH

15、I）、歐姆龍（OMRON）、德國的西門子（SIMENS）、法國的TE、韓國的三星（SUMSUNG）、LG等。本文選擇的是德國的西門子公司生產的S7200PLC。S7200系列PLC是西門子公司生產的一種小型PLC，其許多功能達到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的一樣，因此它一經推出，即受到了廣泛的關注。特別是S7200CPU22*系列PLC，由于它具有多種功能模塊和人機界面（HMI）可供選擇，所以系統的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網絡。同時它具有功能齊全的編程和工業控制組態軟件，使得在完成控制系統的設計時更加簡單，其速度快，具有極強的通信能力，幾乎可以完成任何功能的控制任

16、務。CPU22*系列PLC它有如下五種不同結構的配置單元：1、CPU221，它具有6輸入/4輸出，I/O共計10點，無擴展能力；2、CPU222，它具有8輸入/6輸出，I/O共計14點，并可以進行一定的模擬量控制和2個模塊的擴展；3、CPU224，它具有14點輸入/10點輸出，I/O點數共計24點，它有七個擴展模塊，有內置時鐘；4、CPU226，它具有24輸入/16輸出，I/O共計40點，與CPU224相比，它增加了通信口的數量，通信能力大大增強；5、CPU226XM，這是西門子公司后推出的一種增強型主機，它在用戶程序存儲容量和數據存儲容量上進行了擴展，其他指標和CPU226相同。當CPU的I

17、/O點數不夠用或需要進行特殊功能的控制時，就要進行I/O的擴展。I/O擴展包括I/O點數的擴展和功能模塊的擴展。不同的CPU有不同的擴展規范，它主要受CPU的功能限制。典型的數字量輸入/輸出擴展模塊有：輸入擴展模塊EM221有兩種：8點DC輸入、8點AC輸入。輸出擴展模塊EM222有三種：8點DC晶體管輸出、8點AC輸出、8點繼電器輸出。輸入/輸出混合擴展模塊EM223有六種：分別為4點（8點、16點）DC輸入/4點（8點、16點）DC輸出、4點（8點、16點）DC輸入/4點（8點、16點）繼電器輸出。本次設計中共27個輸入量，共15個輸出量，共計32點，因此選用了S7200系列CPU224，

18、CPU224具有14點輸入/10點輸出，I/O點數共計24點，它可以有七個擴展模塊，有內置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數的處理能力，是使用最多的S7200產品。由于本系統的具有27點輸入/15點輸出，CPU224不能滿足本系統的要求，所以擴展8點DC輸入EM221兩個，用于數字開關量的輸入，擴展8點繼電器輸出EM222一個，用于繼電器的輸出。由CPU224、兩個EM221和一個EM222組成了PLC控制系統框圖如圖3.3所示。CPU2 2 4EM221（1）EM221（2）EM222圖3.3 控制系統框圖1.4 I/O地址分配根據機械手的輸入信號為27個，輸出信號為15個，建立I/O地址分配

19、表。建立輸入信號地址分配表如表3.3所示：表3.3輸入信號地址分配表序號名稱地址1SB1I0.02SB2I0.13SB3I0.24SB4I0.35SB5I0.46SB6I0.57SB7I0.38SB8I1.09SB9I1.110SQ1I0.711SQ2I1.212SQ3I1.313SQ4I2.014SQ5I2.115SQ6I2.216SQ7I2.317SQ8I2.418SQ9I2.519SQ10I2.620SQ11I2.721SQ12I3.0序表 3.322SQ13I3.123SQ14I3.224SQ15I3.325SQ16I3.426SQ17I3.527SQ18I3.6建立輸出信號地址分配表

20、如表3.4所示：表3.4 輸出信號地址分配表序號名稱地址1KA1Q0.02KA 2Q0.13KA 3Q0.24KA 4Q0.35KA 5Q0.46KA 6Q0.57KA 7Q0.68KA 8Q0.79KA 9Q1.010KA 10Q1.111KA 11Q2.012KA 12Q2.113KA 13Q2.214KA 14Q2.315KA 15Q2.4建立通用輔助繼電器地址分配表如表3.5所示：表3.5 通用輔助繼電器地址分配表序號名稱地址1自動方式M0.02手動方式M0.13機械手1動作中M0.24機械手2動作中M0.35機械手3動作中M0.46系統停止M0.51.5 PLC外部接線本系統的各模塊

21、在I/O鏈中的位置排列方式如圖3.2所示。主機CPU224模塊1EM221 DI8DC24V模塊2EM221 DI8DC24V模塊2EM222 DO8DC24V圖3.2 各模塊鏈圖表3.6所列為其對應的各模塊編址情況。表3.6 各模塊編址主機I/OCPU224模塊1I/OEM221模塊2I/OEM221模塊3I/OEM222I0.0Q0.0I2.0I3.0Q2.0I0.1Q0.1I2.1I3.1Q2.1I0.2Q0.2I2.2I3.2Q2.2I0.3Q0.3I2.3I3.3Q2.3I0.4Q0.4I2.4I3.4Q2.4I0.5Q0.5I2.5I3.5Q2.5序表3.6I0.6Q0.6I2.6

22、I3.6Q2.6I0.7Q0.7I2.7I3.7Q2.7I1.0Q1.0I1.1Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.5EM221（1）外部接線如圖3.3所示。圖3.3 EM221（1）外部接線機械手1下降限位開關SQ4，機械手1夾緊檢測開關SQ5，機械手1上升限位開關SQ6，機械手1左旋限位開關SQ7，分別連接擴展模塊EM221(1)的I2.0I2.3。機械手1右旋限位開關SQ8，機械手2下降限位開關SQ9，機械手2夾緊檢測開關SQ10，機械手2上升限位開關SQ11，分別連接擴展模塊EM221(1)的I2.4I2.7。EM221（2）外部接線如圖3.4所示。圖3.4 EM221（2）外部接線

23、機械手2左旋限位開關SQ12，機械手2右旋限位開關SQ13，機械手3下降限位開關SQ14，機械手3夾緊檢測開關SQ15，分別連接擴展模EM221(2)的I3.0I3.3。機械手3上升限位開關SQ16，機械手3左旋限位開關SQ17，機械手2右旋限位開關SQ18，分別連接擴展模塊EM221(2)的I3.4I3.6。EM222外部接線如圖3.5所示。圖3.5 EM221（2）外部接線機械手3下降電磁閥的中間繼電器KA11，機械手3夾放電磁閥的中間繼電器KA12，機械手3上升電磁閥的中間繼電器KA13，機械手3左旋電磁閥的中間繼電器KA14，分別連接擴展模塊3EM222的Q2.0Q2.3。機械手3右旋電磁閥的中間繼