PLC四节传送带控制装置

摘要
PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其操作方便、编程简单，尤其是它的高可靠性等优点，在工业生产过程中得到广泛应用。

它是应用大规模集成电路，以微处理器为核心，集微电子技术，自动化技术计算机技术，通信技术为一体，以工业自动化控制为目的的新型控制装置。

随着社会的不断发展，科学的不断进步，自动化程度也越来越高，传送带则理所当然的成为了自动化流水线运用上的宠儿，传送带设备的不断改进，不断发展，为自动化技术高速发展的今天，在自动化生产线的运输做出了不可磨灭的贡献。

PLC在传送带上的应用，主要体现在它的逻辑开关控制功能。

由于PLC具有逻辑运算、计数、定时和数据输入输出的功能，在传送带工作过程中，各种逻辑开关和PLC的完美配合，很好的实现了对传送带的运输控制。

关键字：PLC、四节传送带（Conveyor belt）
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目录
摘要 (I)
目录 (II)
第1章可编程控制器简介 (1)
1.1 可编程控制器的产生 (1)
1.2 可编程控制器的基本结构 (2)
1.2.1 中央处理单元(CPU) (2)
1.2.2 存储器 (3)
1.2.3 输入/输出模块 (4)
1.2.4 扩展模块 (4)
1.2.5 编程器 (4)
1.2.6 电源 (4)
1.3 可编程控制器的特点 (4)
1.3.1 可靠性 (4)
1.3.2 易操作性 (5)
1.3.3 灵活性 (5)
1.4 梯形图程序设计及工作过程分析 (6)
2.1 四节传动带的起源 (8)
2.2 四节传送带系统的发展 (8)
3.1 四节传送带控制系统设计要求 (9)
3.2 PLC芯片型号选择 (10)
3.3 输入/输出分配（I/O分配） (11)
3.4 输入/输出设备（接线图） (11)
第4章四节传送带PLC控制系统软件设计 (12)
4.1 软件设计 (12)
4.2 设计指令表 (21)
4.3 调试结果 (26)
总结 (27)
参考文献 (28)
第1章可编程控制器简介
1.1可编程控制器的产生
可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。

计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。

因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的使用技术，对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。

可编程控制器(Programmable Controller)也可称逻辑控制器(Programmable Logic Controller),是一微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。

为了与个人电脑（也简称PC）相混淆通常将可编程控制器称为PLC。

可编程控制器的产生和继电器—接触器控制系统有很大的关系。

继电器—接触器控制已经有上百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。

对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常使用，至今仍有广泛的用途。

但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。

随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器—接触器控制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司（GM公司）提了出来。

通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器—接触器控制。

其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即:
（1) 编程方便，现场可修改程序；
（2）维修方便，采用模块化结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制装置；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制装置竞争；
（7）输入可以是交流115V；
（8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
（9）在扩展时，原系统只要很小变更；
(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。

用可编程控制器代替了继电器—接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替硬接线，并且具有计算机功能灵活、通用性能强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用。

这样，工作人员不必在编程上花费大量地精力，只需集中精力区考虑如何操作并发挥改装置地功能即可，输入、输出电平与市电接口，使控制系统可方便的在需要的地方运行。

所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。

1969年，第一台可编程控制器PDP—14由美国数字设备公司（DEC）制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算，定时，计数等顺序控制功能。

所以人们将可遍程序控制器称之为PCL（Programmable Logical Controller），即可编程序逻辑控制器。

1.2可编程控制器的基本结构
可编程控制器系统由输入部分、运算控制部分和输出部分组成。

可编程控制器的主机硬件电路主要由CPU、存储器、输入/输出模块、扩展模块、编程器、电源等及部分组成。

1.2.1中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。

它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

进一步提高PLC可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU表决式系统。

这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

1.2.2存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（1）PLC常用的存储器类型
①RAM（Random Assess Memory）这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。

②EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。

在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。

(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。

③PROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。

使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

（2）PLC存储空间分配
各种PLC CPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
①系统程序存储区
②系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）
③用户程序存储区
系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。

包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。

由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。

它和硬件一起决定了该PLC性能。

系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。

（1）I/O映象区：PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。

它需要一定数量存储单元(RAM)以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。

一个开关量I/O 占用存储单元中一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中一个字（16个bit）。

整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。

（2）系统软设备存储区：I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC 内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储区。

该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。

用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。

所谓用户程序是指使用户根据工程现场的的产生过程和工艺要求编写的控制程序。

此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存储器中，以便于用户随时修改。

也可将用户程序存放在EEPROM中。

1.2.3输入/输出模块
输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。

现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量(压力、流量、温度、电压、电流)等，都要通过输入模块送到PLC。

1.2.4扩展模块
当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。

模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，各可编程控制器制造厂家已经开发出一系列的智能接口模块，使可编程控制器的功能更加强大和完善。

智能I/O接口模块种类很多，例如高速技术模块、PLC控制模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以及智能I/O模块等。

1.2.5编程器
它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。

目前编程器主要有以下三种类型:便携式编程器(也叫简易编程器);图形编程器;用于IBM一PC及其兼容机的编程器。

1.2.6电源
PLC中的电源一般有三类：
1、+5V、±15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用；
2、供输出接口使用的高压大电流的功率电源；
3、锂电池及其充电电源。

考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。

1.3可编程控制器的特点
PLC发展如此迅速的原因，在于它具有一些其它控制系统，包括DCS和通用计算机在内，所不及的一些特点。

下面对这些特点做一个介绍：
1.3.1可靠性
可靠性包括产品的有效性和可维修性。

可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面：
①可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高；
②可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高；
③可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单，操作方便，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高；
④可编程控制器的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。

例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺（SMT）制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等；存储器内容的保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修的设计等。

一份用户选用PLC原因的调查报告指出：在各种选用PLC的原因中，首选原因是可靠性高的，占93%，其次，才是性能和维修方面的原因。

1.3.2易操作性
PLC的易操作性表现在下列三个方面：
①操作方便：对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作，大多数PLC 采用编程器进行程序输入和更改操作。

②编程方面：PLC有多种程序设计语言可以使用，对现场电气人员来说，由于梯形图与电气原理图相似，因此，很容易理解和掌握。

③维修方便：PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间，降低了MTTR。

1.3.3灵活性
PLC的灵活性主要表现在以下3个方面：
①编程的灵活性：PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。

使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。

由于PLC内部采用软连接，因此，在生产工艺流程更改或者生产设备更换后，可不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。

这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统和数字电路控制系统所不能比拟的。

正是由于编程的柔性特点，使PLC成为工业控制领域的重要控制设备，在柔性制造系统FMS，计算机集成制造系统（CIMS）和计算机流程工业系统（CIPS）中，可编程控制器（PLC）正成为主要的控制设备，得到广泛的应用；
②扩展的灵活性：PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。

它可以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。

它不仅可以通过增加输入输出卡件增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，甚至可以与其它的控制系统如DCS或其它上位机的通信来扩展其功能，并与外部的设备进行数据交换。

这种扩展的灵活性大大方便了用户；
③操作的灵活性：操作的灵活性指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。

操作变得十分的方便和灵活，监视和控制变得很容易。

在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。

可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。

1.4 梯形图程序设计及工作过程分析
梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。

继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。

指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。

由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。

状态转移图语言(SFC)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。

这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。

高级语言类似于BACIC语言、C语言等，它们在某些厂家的PLC中应用。

通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有：
（1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。

每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。

梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。

（2）梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。

但为了读图方便，常用“有电流”、“得
电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流：层次的改变也只能自上而下。

（3）梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“l态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“0态”。

梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈及各种比较、运算的结果。

（4）梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。

（5）继电器线圈在一个程序中不能重复使用：而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。

（6）PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。

所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。

当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。

这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。

扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。

每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。

第2章四节传送带系统的历史
2.1 四节传动带的起源
17世纪中，美国开始用架空索道传送散状物料；19世纪中叶，各种现代结构的传送带输送机相继出现。

皮带式传送带设备1868年，在英国出现了皮带式传送带输送机；1887年，在美国出现了螺旋输送机；1905年，在瑞士出现了钢带式输送机；1906年，在英国和德国出现了惯性输送机。

此后，传送带输送机受到机械制造、电机、化工和冶金工业技术的影响，不断完善，逐步由完成车间内部的传送，发展到完成在企业内部、企业之间甚至城市之间的物料搬运，成为物料搬运系统机械化和自动化不可缺少的组成部分。

2.2四节传送带系统的发展
未来传送带设备将向着大型化发展、扩大使用范围、物料自动分拣、降低能量消耗、减少污染等方面发展。

大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。

水力输送装置的长度已达440公里以上，带式输送机的单机长度已近15公里，并已出现由若干台组成联系甲乙两地的“带式输送道”。

不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机结构。

扩大输送机的使用范围，是指发展成为能在高温、低温条件下有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易团结、粘性物料的传送带设备。

本论文设计了一个四节传送带传输系统，它多用于处于复杂地形的大型工业厂矿。

系统采用可编程控制器（PLC）做下位机控制，上位机则采用工业通用组态软件—“组态王”设计控制界面，并最终完成上下位机的通信以达到直观方便的控制效果。

多级皮带传输系统凭借它自身的特点和优势在现代工业中有着重要的作用和地位，最典型的应用就是我们常说的输煤系统。

我们就是采用PLC对此系统进行控制。

第3章PLC四节传送带控制装置硬件设计
3.1四节传送带控制系统设计要求
有一个用四条皮带运输机的传送系统，分别用四台电动机带动，控制要
求如下：启动时先起动最末一条皮带机，经过5秒延时，再依次起动其它
皮带机。

停止时应先停止最前一条皮带机，待料运送完毕后再依次停止其
它皮带机。

当某条皮带机发生故障时，该皮带机及其前面的皮带机立即停
止，而该皮带机以后的皮带机待运完后才停止。

例如M2故障，M1、M2立
即停，经过5秒延时后，M3停，再过5秒，M4停。

当某条皮带机上有重
物时，该皮带机前面的皮带机停止，该皮带机运行5秒后停，而该皮带机以
后的皮带机待料运完后才停止。

例如，M3上有重物，M1、M2立即停，经
过5秒延时后，M3停，再过5秒，M4停。

传送带A、B、C、D分别为第
一、二、三、四级传送带，分别由四台电机M1、M2、M3、M4带动。

设计板图如图2.1所示：
图2.1 四级传送带控制装置设计板图
四级传送带的工作方式：
四条皮带运输机的传送系统，分别用四台异电动机M1、M2、M3、M4（型号：JO2-41-4）带动，控制过程如下：
启动时先按下SB1按钮，起动最末一条皮带机，经过5秒延时，再依次起动其他皮带机。

停止时按下SB2按钮，最前一条皮带机先停止，待料运送完毕后再依次停止其它皮带机。

B、C、D为故障模拟按钮，分别模拟M1、M2、M3、M4发生故障时的情况。

例如：当要模拟M1条皮带机发生故障时，只需按下按钮A即可，此时该皮带机立即停止工作，而该皮带机以后的皮带机分别间隔5秒再依次停止工作：M2在M1停止工作后5秒以后再停止（将本皮带上的货物运送待运完后才停止）。

M3在M2停止工作后5秒以后再停止。

往后依次类推。

当M2发生故障时，M1皮带机立即停止工作，而M2以后的皮带机则依次间隔5秒以后再停止工作。

M3、M4发生故障时情况与此相同。

停止时只需按下按钮SB2，这时M1皮带先停止工作，然后M2、M3、M4依次停止工作。

3.2 PLC芯片型号选择
PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。

选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。

基本单元：
S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配如表2.1所示：S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
表2.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元。