四节传送带的PLC设计

1 总体设计思路
本次课程设计的题目是四节传送带的PLC控制，其模拟实验面板图如下：题目要求对四台电动机M1、M2、M3、M4实现顺序起动、顺序停止和过载保护。

我们对题目及要求进行分析，采用顺序控制设计法。

首先进行I/O分配，然后跟据输入、输出的个数选择合适的PLC，其次画出顺序功能图，再根据顺序功能图画出对应的梯形图。

最后进行调试，看调试结果与题目要求是否一致，如果不一致，再对顺序功能图或梯形图进行修改，直至调试成功。

2 西门子S7-200的简介
2.1 S7-200系列PLC概述
西门子S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列和CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号，其主要技术规范如表2-1所示。

表2-1 S7-200CN CPU主要技术规范
2.2 扩展模块
扩展单元没有CPU，作为基本单元输入/输出点数的扩充，只能与基本单元连接使用，不能单独使用。

连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。

S7-200的扩展模块包括数字量扩展模块，模拟量扩展模块，热电偶、热电阻扩展模块，通信模块，称重模块，位置控制模块等。

数字量、模拟量扩展模块分别如表2-2、表2-3所示。

表2-2 数字量扩展模块
类型型号各组输入点数
各组输出点
数
输入扩展模块EM221 EM221 24V DC输入4，4 ——EM221 230V AC输入8点相互独立——
表2-3 模拟量扩展模块
2.3 S7-200的编程元件
1. 输入过程映像寄存器（输入继电器）I
●编号范围：I0.0--I15.7
●功能：专门用来接收从外部开关发来的信号。

●几点说明：
①只能由外部信号所驱动，不能在内部由程序指令来驱动。

②梯形图中只能出现输入继电器的触点，而不能出现输入继电器的线圈。

③可提供无数对常开、常闭触点供内部使用。

2. 输出映像寄存器（输出继电器）Q
●编号范围：Q0.0--Q15.7
●功能：专门用来将输出信号传送给外部负载。

●几点说明：
①一个输出继电器仅有一对常开触点供外部使用。

②可提供无数对常开、常闭触点供内部使用。

③输出继电器线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动。

3. 定时器T
●定时器的分类
按分辨率来分，有1ms、10ms、100ms三种定时器。

按工作方式来分，有通电延时定时器（TON）、断电延时型定时器（TOF）和保持型通电延时定时器（TONR）三种。

●定时时间：定时时间=预置值×时基
4. 位存储器（中间继电器）M
●位存储器用来保存中间操作状态和控制信息，其作用相当于继电器控制电路中的中间继电器。

地址编号范围为M0.0--M31.7共256点。

●位存储器在PLC中没有输入/输出端与之对应，其线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动，其触点不能直接驱动外部负载，只能在程序内部驱动输出继电器的线圈，再用输出继电器的触点去驱动外部负载。

5. 计数器C
●计数器的功能：用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数。

●计数器的编号：C0--C255。

●计数器的分类：①加计数器②减计数器③加/减计数器
6．累加器AC
累加器是用来暂存数据的寄存器，它可以用来存放运算数据、中间数据和结果。

CPU提供了4个 32位的累加器，其地址编号为AC0--AC3。

累加器的可用长度为32位，可采用字节、字、双字的存取方式，按字节、字只能存取累加器的低8位或低16位，双字可以存取累加器全部的32 位。

7. 几个常用的特殊存储器SM
SM0.0：运行监视继电器
当PLC运行时，SM0.0自动处于接通状态，当PLC停止运行时，SM0.0处于断开状态。

SM0.1:初始化脉冲（开机脉冲）。

SM0.4:周期为1分钟占空比为50%的时钟脉冲。

SM0.5:周期为1秒钟占空比为50%的时钟脉冲。

8．顺序控制继电器S
顺序控制继电器是专门用于编制顺序控制程序的，通常与顺序控制继电器指令一起使用以实现顺序功能图的编程。

顺序控制继电器的地址编号范围为S0.0--S31.7。

2.4 S7-200的数据长度和编址方式
1. S7-200的数据长度
S7-200的数据可以按位、字节、字和双字存取。

其中1个二进制数为1位，8个相连的二进制位为1个字节（B），2个字节组成1个字（W），2个字组成1个双字（D）。

2. S7-200的编址方式
位编址格式：区域标志符+字节号.位号，如I0.0、Q2.0、M1.2等。

字节编址格式：区域标志符+B+字节号，如IB0、QB2、VB20等。

字编址格式：区域标志符+W+起始字节号，如VW0表示由VB0和VB1这2字节组成的字。

双字编址格式：区域标志符+D+起始字节号，如VD0表示由VB0到VB3这4字节组成的双字。

2.5 编程注意事项
1．触点不能放在线圈的右边。

2．梯形图中不能出现输入继电器的线圈。

3．输出线圈不能串联，但可以并联。

4．除含跳转和子程序调用指令的程序以外，同一操作数的线圈只能使用一次。

5．线圈不能直接与左母线相连。

6．地址编号中不可以出现XX.8和XX.9。

7．定时器和计数器必须有设定值。

8．立即输出和立即置位指令只能用于输出量，立即触点指令只能用于输入量。

9．跳转指令和标号指令必须成对使用。

2.6 编程技巧
1．串联触点多的支路应尽量放在上部，即“上重下轻”，如图2-5所示。

a）电路安排不当b）电路安排正确
图2-5
2．并联触点多的支路应靠近左母线，即“左重右轻”，如图所示。

a）电路安排不当b）电路安排正确
图2-6
3．如图2-7所示，用ALD、OLD等指令难以编程的复杂电路，，可重新编排电路后再编程，如图2-8所示。

图2-7 难以编程的梯形图
图2-8 重新编排的梯形图
4．梯形图中，不允许一个触点上有双向“电流”通过。

可以初步处理之后再进行优化，
如图2-9所示。

图2-9 桥式电路的处理
2.7 梯形图设计方法
2.7.1 经验设计法
经验设计法就是在一些典型电路（比如自锁、互锁、长延时、闪烁等）的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。

有时需要多次反复地调试和修改梯形图，增加一些中间编程元件和触点，最后才能得到一个较为满意的结果。

这种方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，所以把这种方法叫做经验设计法。

2.7.2 继电器电路移植法
继电器电路移植法的一般步骤如下：
1．认真研究继电器控制电路及有关资料，深入理解控制要求。

2．对继电器控制电路中用到的低压电器进行分析、归纳。

继电器电路图中的交流接触器、电磁阀、电磁铁、信号灯等执行机构一般用PLC的输出继电器来控制，它们的线圈接在PLC的输出端。

按钮、限位开关、转换开关、速度继电器等用来提供控制命令和反馈信号，它们的触点接在PLC的输入端，一般使用常开触点。

继电器电路中的中间继电器和时间继电器的功能用PLC内部的辅助继电器和定时器来完成，它们与PLC的外部接线无关。

热继电器的常闭触点接在PLC的输出端直接通断电源更为可靠，梯形图中不再考虑。

3．分配I／O地址，作出PLC的外部接线图。

要特别注意对原继电器控制电路中作为输入设备的常闭触点的处理。

4．用PLC的软继电器符号和I／O编号取代原继电器控制电路中的电气符号，画出梯形图草图。

5．整理梯形图(注意避免因PLC的周期扫描工作方式可能引起的错误)。

6．写出对应的语句表。

2.7.3 顺序控制设计法
1．顺序控制的定义
顺序控制是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号作用下，根据内部状态和时间的顺序，使生产过程中的每个执行机构自动有步骤地进行操作。

2．顺序控制设计法的步骤 ①分析理解系统的控制要求 ②确定I/O 地址及中间编程元件地址 ③画出顺序功能图
④将顺序功能图转换成梯形图 3．顺序功能图的组成要素
顺序功能图有五个组成要素，即步、动作、转换、转换条件和有向连线，如图2-10所示。

4．步的相关概念
将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连
的阶段，这些阶段称为步。

步是根据PLC 输出量的状态划分的，只要系统的输出量状态发生变化，系统就从原来的步进入新的步。

在每一步内PLC 各输出量状态均保持不变，但是相邻两步输出量总的状态是不同的。

用矩形方框表示步，方框中一般用位存储器或顺序控制继电器的地址来表示该步的编号。

与系统的初始状态相对应的步称为初始步，用双线框表示。

系统正处于某一步所在的阶段时，该步处于活动状态，称该步为“活动步”。

5．动作的画法
如果某一步有两个或多个动作，其画法如图2-11所示。

图2-11 动作的画法
6．转换与转换条件 （1）转换条件的表示方法
转换条件的表示方法如图2-12所示。

图2-10 顺序功能图的组成
图2-12 转换条件的表示方法
（2）转换实现的条件
①该转换所有的前级步都是活动步。

②相应的转换条件得到满足。

（3）转换实现应完成的操作
①使所有的后续步变为活动步。

②使所有的前级步变为不活动步。

7．顺序功能图的基本结构
顺序功能图的基本结构有单序列、选择序列和并行序列。

a)单序列b)选择序列c)并行序列
图2-13 顺序功能图的基本结构
8．绘制顺序功能图时的注意事项
①两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们分隔开。

②两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们分隔开。

③不要漏掉初始步。

④在顺序功能图中一般应有由步和有向连线组成的闭环。

9. 将顺序功能图转换成梯形图的方法
①利用起保停方法
模板如图2-14所示。

图2-14 起保停模板
②利用置位和复位指令
模板如图2-15所示。

2-15置位—复位模板
③利用顺序控制继电器指令
模板如图2-16所示。

图2-16 顺序控制继电器指令模板
3 硬件设计
3.1主电路图
3.2 PLC的选型
本次课程设计用到了6个输入和4个输出，从合理、经济等方面综合考虑选用CPU222CN(8入/6出)。

3.3 I/O分配及接线图
3.3.1 I/O分配如下表：
输入输出
起动按钮SB1 停止
按钮
SB2
M1故
障
M2故
障
M3故
障
M4故
障
M1 M2 M3 M4
I0.0 I0.5 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4
3.3.2 I/O接线图如下：
4 软件设计4.1顺序功能图
4.2梯形图
5 工作原理
开机扫描进入初始步M0.0，按下起动按钮I0.0后，M0.0失电，M0.1变为活动步，M4起动，T37开始定时；定时时间到，M0.1失电，M0.2变为活动步，M3起动，T38开始定时；定时时间到，M0.2失电，M0.3变为活动步，M2起动，T39开始定时；定时时间到，M0.3失电，M0.4变为活动步，M1起动。

这时，四台电动机都处于运转状态。

按下停止按钮I0.5后，M0.4失电，M0.5变为活动步，M1停止，T40开始定时；定时时间到，M0.5失电，M0.6变为活动步，M2停止，T41开始定时；定时时间到，M0.6失电，M0.7变为活动步，M3停止，T42开始定时；定时时间到，M0.7失电，M01.0变为活动步，M4停止，T43开始定时；定时时间到，回到初始步M0.0。

用I0.1、I0.2、I0.3、I0.4闭合分别表示电动机M1、M2、M3、M4过载，当某传送带电机过载时，该传送带及前面的运输带立即停止，而后面的运输带电机待运完料才停止。

例如，M2电机过载，即闭合I0.2，M0.6变为活动步，M1、M2立即停止，T41 开始定时，定时时间到，M3停止，T42开始定时，定时时间到，M4停止。

6 心得体会
该课程设计主要阐述了电动机的顺序起动、顺序停止和过载等的设计过程。

通过此次设计，我们对PLC编程的基本思想和指令有了进一步的掌握，对教材也有了更深层次的理解，将理论知识与实验相结合，既巩固了我们所学的知识，又提高了我们的动手操作的能力。

在做课程设计的过程中，我们组三个人团结合作，从搜集资料，构思设计方案到论证实验结果，顺利完成实验任务，但是也不可避免地遇到了一些问题。

我们除了自己思考解决，还请教了同学和老师，并通过课本和网络的资料获得了问题的答案。

此过程提高了我们动手能力和解决问题的能力。

论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有老师的指引和同学的帮助，没有同组同伴的帮助和支持，这篇课程设计肯定会大打折扣。

在设计的过程中遇到了很多困难和挑战，但是凭着大家的共同努力，我们一一克服，并且成功按照要求设计出了四届运输带的PLC控制。

我们也因此对PLC有了进一步的认识，为将来的应用和工作打下坚实的基础！
7 参考文献
1.黄净主编，《电气及PLC控制技术》，机械工业出版社，2002。

2.廖常初主编，《PLC编程及应用》第3版，机械工业出版社，2008。

3.杨长能、林晓峰主编，《可编程控制器例题习题及实验指导》，重庆大学出版社，2001。

4.许翏主编，《电机与电气控制技术》，机械工业出版社，2005。