系统硬件电路设计PLC.docx
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系统硬件电路设计PLC
第1章系统硬件电路的设计
PLC的简介
可编程控制器的概念
可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC。
国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：
“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储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。
并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。
PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。
PLC具有如下特点：
1、编程方法简单易学。
2、功能强，性能价格比高。
3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。
4、可靠性高，抗干扰能力强。
5、系统的设计、安装、调试工作量少。
6、维修工作量小，维修方便。
7、体积小，能耗低。
PLC的应用领域
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。
但最近十年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：
一方面由于处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增加，能解决复杂的计算和通信问题。
目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。
PLC的应用范围通常分成以下5种类型：
1、顺序控制
这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域，它用来取代传统的继电器顺序控制。
PLC应用于单机控制、多机控制、生产自动线控制等。
例如：
注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制。
2、运动控制
PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置，每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，保持运动平滑。
相对来说，位置控制模块比CNC装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便，
3、过程控制
PLC还能控制大量的过程参数，例如：
温度、流量、压力、液位和速度等。
PID模块提供了使PLC具有了闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。
4、数据控制
在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据控制。
5、通信控制
PLC的通信包括主机与远程I/O的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。
PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
PLC的系统组成
PLC种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。
PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
PLC的结构框图如图3.1所示。
1、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路连接。
2、存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器包括用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。
它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。
第一部分为系统管理程序。
第二部分为用户指令解释程序。
第三部分为标准程序与系统调用。
图3.1PLC的结构框图
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。
用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。
用户数据存储器可以用来存放（记忆）用户程序中所使用器件ON/OFF状态和数值、数据等。
用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。
PLC使用的存储器类型有三种。
第一种是随机存取存储器（RAM）；第二种是只读存储器（ROM）；第三种是可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM或EPROM）。
3、输入/输出模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块。
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出模块从广义上分包含两部分：
一是与控制设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。
输入模块用于处理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部。
输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。
4、电源模块
PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。
5、接口模块
接口模块用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。
6、通信接口
为了实现“人–机”或“机–机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。
PLC通过接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。
7、编程器
编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
编程器有简易型和智能型两类。
简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转换为机器语言助记符（语句表）后，才能输入。
智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话
8、其他部分
有些PLC还可配有EPROM写入器、存储器等其他外部设备。
PLC的工作原理
PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但是CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。
PLC工作的全过程可用图2.2所示的运行框图来表示。
概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。
扫描周期是控制过程中一个比较重要的技术指标。
一般来说，扫描周期越大，表明扫描所需要的时间就越长，要求输入信号的宽度就越大，控制周期就越长，控制速度就要降低。
PLC的过程可分为三部分。
第一部分为上电处理，第二部分是扫描过程，第三部分是出错处理。
图3.2PLC运行框图
输入/输出信号
本控制系统有27个输入开关量，分别为：
系统启动按钮1个负责整个系统的启动；
系统停止按钮1个负责整个系统的停止；
选择按钮1个负责机械手自动控制和检测的切换；
机械手的启动按钮3个负责检测时每个机械手的启动；
机械手的停止按钮3个负责检测时每个机械手的停止；
物品检测开关3个负责检测工作台上是否有物品；
下降限位开关3个负责检测机械手到达最低位置；
夹放检测开关3个负责机械手夹放物品的检测；
上升限位开关3个负责检测机械手到达最高位置；
右旋限位开关3个负责检测机械手是否右旋转180°；
左旋限位开关3个负责检测机械手是否左旋转180°；
建立输入信号名称与电气符号表3.1。
表3.1输入信号名称与电气符号表
序号
名称
电气符号
1
总启动按钮
SB1
2
总停止按钮
SB2
3
自动/手动选择按钮
SB3
4
机械手1启动按钮
SB4
5
机械手1停止按钮
SB5
6
机械手2启动按钮
SB6
7
机械手2停止按钮
SB7
8
机械手3启动按钮
SB8
9
机械手3停止按钮
SB9
10
工作台A物品检测开关
SQ1
11
工作台B物品检测开关
SQ2
12
工作台C物品检测开关
SQ3
续表3.1
13
机械手1下降限位开关
SQ4
14
机械手1夹紧检测开关
SQ5
15
机械手1上升限位开关
SQ6
16
机械手1左旋限位开关
SQ7
17
机械手1右旋限位开关
SQ8
18
机械手2下降限位开关
SQ9
19
机械手2夹紧检测开关
SQ10
20
机械手2上升限位开关
SQ11
21
机械手2左旋限位开关
SQ12
22
机械手2右旋限位开关
SQ13
23
机械手3下降限位开关
SQ14
24
机械手3夹紧检测开关
SQ15
25
机械手3上升限位开关
SQ16
26
机械手3左旋限位开关
SQ17
27
机械手3右旋限位开关
SQ18
本控制系统由15个输出电磁阀，分别为：
机械手下降电磁阀3个负责启动机械手的下降；
机械手夹放电磁阀3个负责启动机械手夹放物品；
机械手上升电磁阀3个负责启动机械手的上升；
机械手右旋电磁阀3个负责启动机械手的右旋；
机械手左旋电磁阀3个负责启动机械手的左旋。
建立输出信号名称与电气符号表3.2。
表3.2输出信号名称与电气符号表
序号
名称
电气符号
1
2
机械手1下降电磁阀
YV1
2
机械手1夹放电磁阀
YV2
3
机械手1上升电磁阀
YV3
续表3.2
4
机械手1左旋电磁阀
YV4
5
机械手1右旋电磁阀
YV5
6
机械手2下降电磁阀
YV6
7
机械手2夹放电磁阀
YV7
8
8
机械手2上升电磁阀
YV8
9
机械手2左旋电磁阀
YV9
10
机械手2右旋电磁阀
YV10
11
机械手3下降电磁阀
YV11
12
机械手3夹放电磁阀
YV12
13
机械手3上升电磁阀
YV13
14
机械手3左旋电磁阀
YV14
15
机械手3右旋电磁阀
YV15
PLC的选型
目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、德国的西门子（SIMENS）、法国的TE、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。
本文选择的是德国的西门子公司生产的S7–200PLC。
S7–200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此它一经推出，即受到了广泛的关注。
特别是S7–200CPU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。
同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，其速度快，具有极强的通信能力，几乎可以完成任何功能的控制任务。
CPU22*系列PLC它有如下五种不同结构的配置单元：
1、CPU221，它具有6输入/4输出，I/O共计10点，无扩展能力；
2、CPU222，它具有8输入/6输出，I/O共计14点，并可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展；
3、CPU224，它具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它有七个扩展模块，有内置时钟；
4、CPU226，它具有24输入/16输出，I/O共计40点，与CPU224相比，它增加了通信口的数量，通信能力大大增强；
5、CPU226XM，这是西门子公司后推出的一种增强型主机，它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。
当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O的扩展。
I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。
不同的CPU有不同的扩展规范，它主要受CPU的功能限制。
典型的数字量输入/输出扩展模块有：
输入扩展模块EM221有两种：
8点DC输入、8点AC输入。
输出扩展模块EM222有三种：
8点DC晶体管输出、8点AC输出、8点继电器输出。
输入/输出混合扩展模块EM223有六种：
分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。
本次设计中共27个输入量，共15个输出量，共计32点，因此选用了S7–200系列CPU224，CPU224具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它可以有七个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用最多的S7–200产品。
由于本系统的具有27点输入/15点输出，CPU224不能满足本系统的要求，所以扩展8点DC输入EM221两个，用于数字开关量的输入，扩展8点继电器输出EM222一个，用于继电器的输出。
由CPU224、两个EM221和一个EM222组成了PLC控制系统框图如图3.3所示。
图3.3控制系统框图
I/O地址分配
根据机械手的输入信号为27个，输出信号为15个，建立I/O地址分配表。
建立输入信号地址分配表如表3.3所示：
表3.3输入信号地址分配表
序号
名称
地址
1
SB1
I0.0
2
SB2
I0.1
3
SB3
I0.2
4
SB4
I0.3
5
SB5
I0.4
6
SB6
I0.5
7
SB7
I0.3
8
SB8
I1.0
9
SB9
I1.1
10
SQ1
I0.7
11
SQ2
I1.2
12
SQ3
I1.3
13
SQ4
I2.0
14
SQ5
I2.1
15
SQ6
I2.2
16
SQ7
I2.3
17
SQ8
I2.4
18
SQ9
I2.5
19
SQ10
I2.6
20
SQ11
I2.7
21
SQ12
I3.0
序表3.3
22
SQ13
I3.1
23
SQ14
I3.2
24
SQ15
I3.3
25
SQ16
I3.4
26
SQ17
I3.5
27
SQ18
I3.6
建立输出信号地址分配表如表3.4所示：
表3.4输出信号地址分配表
序号
名称
地址
1
KA1
Q0.0
2
KA2
Q0.1
3
KA3
Q0.2
4
KA4
Q0.3
5
KA5
Q0.4
6
KA6
Q0.5
7
KA7
Q0.6
8
KA8
Q0.7
9
KA9
Q1.0
10
KA10
Q1.1
11
KA11
Q2.0
12
KA12
Q2.1
13
KA13
Q2.2
14
KA14
Q2.3
15
KA15
Q2.4
建立通用辅助继电器地址分配表如表3.5所示：
表3.5通用辅助继电器地址分配表
序号
名称
地址
1
自动方式
M0.0
2
手动方式
M0.1
3
机械手1动作中
M0.2
4
机械手2动作中
M0.3
5
机械手3动作中
M0.4
6
系统停止
M0.5
PLC外部接线
本系统的各模块在I/O链中的位置排列方式如图3.2所示。
图3.2各模块链图
表3.6所列为其对应的各模块编址情况。
表3.6各模块编址
主机I/O
CPU224
模块1I/O
EM221
模块2I/O
EM221
模块3I/O
EM222
I0.0
Q0.0
I2.0
I3.0
Q2.0
I0.1
Q0.1
I2.1
I3.1
Q2.1
I0.2
Q0.2
I2.2
I3.2
Q2.2
I0.3
Q0.3
I2.3
I3.3
Q2.3
I0.4
Q0.4
I2.4
I3.4
Q2.4
I0.5
Q0.5
I2.5
I3.5
Q2.5
序表3.6
I0.6
Q0.6
I2.6
I3.6
Q2.6
I0.7
Q0.7
I2.7
I3.7
Q2.7
I1.0
Q1.0
I1.1
Q1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
EM221
（1）外部接线如图3.3所示。
图3.3EM221
（1）外部接线
机械手1下降限位开关SQ4，机械手1夹紧检测开关SQ5，机械手1上升限位开关SQ6，机械手1左旋限位开关SQ7，分别连接扩展模块EM221
（1）的I2.0–I2.3。
机械手1右旋限位开关SQ8，机械手2下降限位开关SQ9，机械手2夹紧检测开关SQ10，机械手2上升限位开关SQ11，分别连接扩展模块EM221
（1）的I2.4–I2.7。
EM221
（2）外部接线如图3.4所示。
图3.4EM221
（2）外部接线
机械手2左旋限位开关SQ12，机械手2右旋限位开关SQ13，机械手3下降限位开关SQ14，机械手3夹紧检测开关SQ15，分别连接扩展模EM221
（2）的I3.0–I3.3。
机械手3上升限位开关SQ16，机械手3左旋限位开关SQ17，机械手2右旋限位开关SQ18，分别连接扩展模块EM221
（2）的I3.4–I3.6。
EM222外部接线如图3.5所示。
图3.5EM221
（2）外部接线
机械手3下降电磁阀的中间继电器KA11，机械手3夹放电磁阀的中间继电器KA12，机械手3上升电磁阀的中间继电器KA13，机械手3左旋电磁阀的中间继电器KA14，分别连接扩展模块3EM222的Q2.0–Q2.3。
机械手3右旋电磁阀的中间继电器KA15，连接扩展模块3EM222的Q2.4。
CPU224外部接线如图3.6所示。
图3.6CPU224外部接线
总启动按钮SB1，总停止按钮SB2，自动/手动选择按钮SB3，机械手1启动按钮SB4，机械手1停止按钮SB5，机械手2启动按钮SB6，机械手2停止按钮SB7，工作台A物品检测开关SQ1，分别连接到CPU224的I0.0–I0.7。
机械手3启动按钮SB8，机械手3停止按钮SB9，工作台B物品检测开关SQ2，工作台C物品检测开关SQ3，分别连接到CPU224的I1.0–I1.3。
机械手1下降电磁阀的中间继电器KA1，机械手1夹放电磁阀的中间继电器KA2，机械手1上升电磁阀的中间继电器KA3，机械手1左旋电磁阀的中间继电器KA4，，分别连接到CPU224的Q0.0–Q0.3。
机械手1右旋电磁阀的中间继电器KA5，机械手2下降电磁阀的中间继电器KA6，机械手2夹放电磁阀的中间继电器KA7，分别连接到CPU224的Q0.4–Q0.6。
机械手2上升电磁阀的中间继电器KA8，机械手2左旋电磁阀的中间继电器KA9，机械手2右旋电磁阀的中间继电器KA910，分别连接到CPU224的Q0.7–Q1.1。
电气控制原理
机械手1下降电磁阀连接KA1；机械手1夹放电磁阀连接KA2；机械手1上升电磁阀连接KA3；机械手1左旋电磁阀连接KA4；机械手1右旋电磁阀连接KA5；机械手2下降电磁阀连接KA6；机械手2夹放电磁阀连接KA7；机械手2上升电磁阀连接KA8；机械手2左旋电磁阀连接KA9；机械手2右旋电磁阀连接KA10；机械手3下降电磁阀连接KA11；机械手3夹放电磁阀连接KA12；机械手3上升电磁阀连接KA13；机械手3左旋电磁阀连接KA14；机械手3右旋电磁阀连接KA15；电气连接图如图3.7所示。
图3.7电气连接图
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