自动化生产线控制系统设计

项目四自动化生产线控制系统设计
一、教学目的
1、掌握PLC控制系统设计的基本原则、步骤与方法；
2、了解PLC应用中硬件设置和软件设计；
3、掌握传送指令、运算指令、移位指令、高速脉冲指令等指令的用法；
4、熟悉PLC选型与资源配置；
5、了解PLC通信指令与通讯协议、ModbusRTU从站协议。

二、教学内容
1、PLC控制系统设计的内容与步骤；
2、PLC的硬件设置；
3、PLC的软件设计、指令的用法；
4、PLC在机械手控制系统中的应用；
5、运料小车控制系统设计；
6、平面仓储和材料分拣系统设计；
7、多站自动化生产线控制系统设计。

三、教学重点和难点
1、重点：
➢指令的应用；
➢PLC控制系统设计的步骤、内容和方法。

2、难点：
➢PLC控制系统设计方法；
➢PLC通信指令与通讯协议。

四、教学方法
1、启发式教学法：通过项目任务驱动，多媒体案例演示，提出问题，激发学生的求知欲，启发学生思考。

2、运用实物进行直接教学和在实验（实训）室进行现场教学的优势，一边利用课件中的动画教授，一边在实验（实训）室利用实物操作演示教学，理论联系实际，使抽象的原理变得生动，使学生觉得学有所用、容易理解，从而既解决了教学中的重点和难点，又激发了学生动手操作的欲望。

3、将理论教学内容融合到实践教学中，让学生一边学习理论知识一边动手做实验，真正做到理论联系实际，并通过设置实训思考题达到培养学生在实践中发现问题、解决问题的能力。

4、暗示教学发在检查学生的实训项目时，当发现学生的错误时，并不直接指出，而是通过暗示，激发学生的联想和抽象思维能力，从而找到错误所在。

5、分组讨论、小组协作组织学生进行讨论，小组协作式学习，及时地安排适当的实训课题，组织学生以小组的形式进行讨论学习，培养学生运用知识能力以及相互合作的精神。

6、“设故障”教学法针对每个项目的难点和重点，教师事先在项目中设置故障，让学生分析查找故障点，提高学生分析问题和解决问题的能力。

7、鼓励学生质疑，抢答，灵活的运用知识，调动学生的学习主动性和积极性。

任务一机械手控制系统设计
一、工作任务
1、控制要求
工件传送用机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动汽缸完成，当某个电磁阀线圈通电时，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍然保持现有下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。

另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动汽缸完成，线圈通电执行夹紧动作，断电执行放松动作。

设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如下：
原位→下降→夹紧→上升→右移
↑↓
左移←上升←放松←下降
二、相关知识
1、电磁阀
电磁阀是用来控制流体的自动化基础原价，属于执行机构；并不限于液压，气动。

电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压缸控制，所以就会用到电磁阀。

2、基本功能指令
移位指令：移位指令分为左、右移位和循环左、右移位以及移位寄存器指令三大类。

（1）左移和右移指令
功能是将输入数据IN左移或右移N位后，把结果送入OUT，使用应注意：a．被移位数据无符号；
b．移位时，存放被移位数据的编程元件的移出端与特殊继电器SM1.1相连，移出位送SM1.1，另一段补0；
c．移位次数N与移位数据的长度有关，若N小于实际数据长度，则执行N次若N大于实际数据长度，则执行移位的次数等于实际数据长度的位数；
d．移位数据N为字节型数据。

➢字节移位指令
SLB：字节左移位指令
SRB：字节右移位指令
指令格式：
当EN有效时，将字节型数据IN左移或右移N（N≤8）后，送到OUT中。

➢字移位指令
SLW：字左移
SRW：字右移
指令格式：
当EN有效时，将字型数据IN左移或右移N（N≤16）后，送到OUT中。

➢双字移位指令
SLD：字左移
SRD：字右移
指令格式：
当EN有效时，将双字型数据IN左移或右移N（N≤32）后，送到OUT中。

在语句表中，OUT与IN为同一存储单元。

（2）循环左移和循环右移指令
指令特点：
被移位数据无符号；
a．移位时，存放被移位数据的编程元件的移出端与另一端相连，又与特殊继电器sm1.1相连，移出位在被移到另一端的同时，也进入sm1.1；另一端自动补0；
b．移位次数N与移位数据长度有关，如N小于实际数据长度，则执行N次移位；如N大于数据长度，则执行移位次数为N除以实际数据长度的余数；c．移位次数N为字节型数据。

➢字节循环移位指令
RLB：字节循环左移
RRB：字节循环右移
指令格式：
当EN有效时，把字节型数据IN循环移位N位后送到OUT指定的字节中。

➢字循环移位指令
RLW：字节循环左移
RRW：字节循环右移
指令格式：
当EN有效时，把字型数据IN循环移位N位后送到OUT指定的字节中。

➢双字循环移位指令
RLD：双字循环左移
RRD：双字循环右移
指令格式：
当EN有效时，把双字型数据IN循环移位N位后送到OUT指定的双字存储单元中。

移位、循环移位指令如下：
图4-1-1 移位、循环移位指令
（3）移位寄存器
SHRB：移位寄存器指令。

指令格式：
图4-1-2 移位寄存器指令格式
DATA为移位寄存器数据输入端；S_BIT为移位寄存器的最低位；N为移位寄存器的长度。

特点：
a．移位寄存器最低位地址为S_BIT；最高位地址的计算方法为
MSB=（N-1+（S_BIT的位号））/8；最高位的字节号为：MSB的商+S_BIT的字节号；最高位的位号：MSB的余数；
b．M>0时，为正向移位，即从最低位向最高位移位；
c．M<0时，为反向移位，即从最高位向最低位移位；
d．移位寄存器的移出端与SM1.1连接。

三、任务实施
1、多种工作方式：手动和自动(包括连续、单周期、单步、自动返回初始状态等)手动程序比较简单，一般用经验法设计，复杂的自动程序一般根据系统的顺序功能图用顺序控制法设计。

2、梯形图总体结构：选择手动工作方式时手动开关I2.0为1状态，将跳过自动程序，执行公用程序和手动程序。

选择自动工作方式时I2.0为O状态，将跳过手动程序，执行公用程序和自动程序。

3、机械手用来将工件从A点搬运到B点，控制面板结构图和PLC外部接线图见下图。

图4-1-3 机械手示意图
图4-1-4 控制面板结构图
图4-1-5 PLC外部接线图4、使用起保停电路的编程方法
图4-1-6 程序结构及公用程序5、手动程序
图4-1-7 手动程序6、自动返回原点程序
图4-1-8 自动返回原点程序
四、任务实训
1、彩灯控制系统模拟设计
2、步进电机的定位控制
任务二运料小车控制系统设计
一、工作任务
1、控制要求
按下自动起停按钮，小车进行运料控制，到达前限位处，小车停止，翻门打开进行装料，7s后向后运行，至后限位处停止，底门打开开始卸料，5s后向前运行，依次循环。

自动手动方式相结合。

二、相关知识
1、PLC顺序控制程序设计
主要介绍顺序功能图（SFC）和梯形图程序设计。

顺序功能图设计方法可以向设计者提供控制问题描述方法的规律。

（1）SFC设计方法
SFC功能图设计方法是专用于工业顺序控制程序设计的一种方法。

它能完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性。

是分析、设计电器控制系统控制程序的重要工具。

SFC的基本元素为：流程步、有向线段、转移和动作说明。

➢流程步
流程步又叫工作步，表示控制系统中的一个稳定状态。

➢转移与有向线段
转移就是从一个步向另外一个步之间的切换条件，两个步之间用一个有向线段表示，说明从一个步切换到另一个步，向下转移方向的箭头可以省略。

➢动作说明
步并不是PLC的输出触点的动作，步只是控制系统中的一个稳定的状态。

这个状态可以包含一个或多个PLC输出触点的动作，也可以没有任何输出动作，步只是启动了定时器或一个等待过程，所以步和PLC的动作是两件不同的事情。

（2） SFC图的结构
➢顺序结构
顺序结构是最简单的一种结构，该结构的特点是步与步之间只有一个转移，转移与转移之间只有一个步。

➢选择性分支结构
选择性分支结构是一个控制流可以转入多个可能的控制流中的某一个，不允许多路分支同时执行。

具体进入哪个分支，取决于控制流前面的转移条件哪一个为真。

➢并发性分支结构
如果某一个工作步执行完后，需要同时启动若干条分支，这种结构称为并发性分支结构。

➢循环结构
循环结构用于一个顺序过程的多次重复执行。

➢复合结构
复合结构就是一个集顺序、选择性分支、并发性分支和循环结构于一体的结构。

（3）SFC转换成梯形图
SFC一般不能被PLC软件直接接受，需要将SFC转换成梯形图后才能被PLC 软件所识别。

a．进入有效工作步
b．停止有效工作步
c．最后一个工作步
d．工作步的转移条件
e．工作步的得电和失电
f．选择性分支
g．并发性分支
h．第0工作步
i．动作输出
三、任务实施
1、小车运行控制示意图
图4-2-1 小车运行控制示意图
2、I/O分配
图4-2-2 I/O分配图
3、总程序结构
其中包括手动程序和自动程序两个程序块，由跳转指令选择执行。

图4-2-3 总程序结构图
4、手动操作方式
图4-2-4 手动操作方式
5、自动操作方式SFC图、梯形图程序
图4-2-5 自动操作方式SFC图
图4-2-6 梯形图程序
四、自主实训
三台电动机的顺序启动
任务三货仓区控制系统设计
一、工作任务
1、控制要求
装有两台传送带的系统,在两台传送带之间有一个仓库区。

传送带1将包裹运送至临时仓库区。

传送带1靠近仓库区一端安装的光电传感器确定已有多少包裹运送至仓库区。

传送带2将临时库区中的包裹运送至装货场，在这里货物由卡车运送至顾客。

传送带2靠近仓库区一端安装的光电传感器确定已有多少包裹从库区运送至装货场。

图4-3-1 显示面板
二、相关知识
1、光电传感器：光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

2、位置传感器，用来测量机器人自身位置的传感器。

位置传感器可分为两种，直线位移传感器和角位移传感器。

其中直线位移传感器常用的有直线位移定位器等，具有工作原理简单、测量精度高、可靠性强的特点；角位移传感器则可选旋转式电位器，具有可靠性高、成本低的优点。

角位移器还可使用光电编码器，，有增量式与绝对式两种形式。

其中增量式码盘在机器人控制系统中得到了广泛的应用。

3、电磁阀：电磁阀是用来控制流体的自动化基础原价，属于执行机构；并不限于液压，气动。

电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压缸控制，所以就会用到电磁阀。

4、气缸：单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。

其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。

单作用气缸的特点是：
（1）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小。

（2）用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气能量的一部分用于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输出力。

（3）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些。

（4）气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。

三、任务实施
1、I/O分配
2、梯形图程序
四、自主练习
1、光电传感器控制电机运行
2、汽缸的循环往复
任务四多站自动化生产线控制系统设计
一、工作任务
1、控制要求
实现多站自动化生产线控制系统设计
二、相关知识
1、PLC通信方式
工业上通常用的通信方式为串行通信，包括RS-232方式、RS-485方式以及以太网通信等。

下面我们对串行通信的基本知识加以介绍。

（1) 并行通信与串行通信
数据通信主要有并行通信和串行通信两种方式。

1）并行通信
并行通信是以字节或字为单位的数据传输方式。

而并行传输(Parallel Transmission)指可以同时传输一组比特，每个比特使用单独的一条线路(导线),如图14a所示。

图4-4-1并行和串行通信示意图
并行通信除了8根或16根数据线、1根公共线外，还需要数据通信联络用的控制线。

并行通信的传输速度快，但当长距离传输时对线路要求较高，实现复杂，因而并行通信一般用于PLC的内部元件之间、PLC主机与扩展模块之间或近距离智能模块之间的数据通信。

2）串行通信
串行通信是以二进制的位（bit）为单位的数据传输方式。

每次只传一位，如上图7-4b所示。

串行通信需要的信号少，最少的只需用两三根线，适用于距离较远的场合。

计算机和PLC都备有通用的串行通信接口，工业控制中一般使用串行通信。

串行通信多用于PLC与计算机之间、多台PLC之间的数据通信。

在串行通信中，传输速率常用比特率（每秒传送的二进制位数）来表示，其单位是bit/s（比特/秒）。

传输速率是评价通信速度的重要指标。

常用的标准传输速率有300、600、1200、2400、4800、9600和19200bit/s等。

不同的串行通信的传输速率差别极大，有的只有数百比特的速率，有的可达到100Mbit/s。

➢单工通信与双工通信
串行通信按信息在设备的传送方向又可分为单工、双工两种方式。

单工通信方式只能沿着单一方向发送或接受数据。

双工通信方式的信息可沿两个方向传送，每一个站既可以发送数据，又可以接收数据。

双工方式又分为全双工和半双工两种方式。

➢异步通信与同步通信
异步通信又称起止式传输。

异步通信的信息格式如图15所示，发送的数据字符由1个起始位、7~8个数据位、1个奇偶校验位（可以没有）和停止位（1位、1.5位或2位）组成。

异步通信传送附加的非有效信息较多，它的传输速率较低，一般用于
低速通信，PLC一般使用异步通信。

a）
数据位（5-8位）校验位停止位
起始位（1
位）
图4-4-2 a）异步通信传输 b）异步协议帧格
同步通信有两种类型。

一种是面向字符同步协议，一种是面向位（bit）同步协议。

同步通信以字（B）为单位（1B=8bit），以多个字符或者多个位组合成的数据块为单位进行传输。

2、PLC常用通信接口
PLC通信主要采用串行异步通信，常用的串行通信接口标准有RS-232C、RS-422A 和RS-485等。

（1） RS-232C
RS-232C是美国电子工业协会EIA于1969年公布的通信协议，它的全称是“数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口标准”。

RS-232C 接口标准是目前计算机和PLC中最常用的一种串行通信接口。

RS-232C采用负逻辑，用-5~-15V表示逻辑“1”，用+5~+15V表示逻辑“0”。

噪声容限为2V，即要求接收器能识别出低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。

RS-232C只能进行一对一的通信，RS-232C可使用9针或25针的D 型连接器。

（2） RS-422 与 RS-485 串行接口标准
RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。

通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2~+6V之间，是一个逻辑状态，负电平在-2~-6V之间，是另一个逻辑状态。

另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。

“使能”端用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。

当“使
能”端起到作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。

接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在接收端AB之间有大于+200mV~6V之间。

1）RS-422的电气规定
RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。

典型的RS-422为四线接口，实际上还有一根信号地线，共5根线，比RS-232有更强的驱动能力，故允许在相同的传输线上连接更多个接收节点，最多可接10个节点。

即一个主设备（Master），其余为从设备（Slave）。

从设备之间不能通信，所以RS-232支持点对多的双向通信。

RS-422的最大传输距离为4000ft（约1219m），最大传输速率为10Mbit/s。

2）RS-485的电气规定
RS-485可以采用二线与四线方式，二线之久可实现真正的多点双向通信。

采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式，总线上都可接到多大32个设备。

RS-485是-7V~+12V之间，RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219m，最大传输速率为10Mbit/s.
3、PLC通信协议
在目前的工业通信领域中，各个设备供应商基本上都推出了自己的专用通讯协议。

为了使不同供应商的设备能够互相推荐，几乎大部分设备都支持MODBUS或PROFIBUS协议。

MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。

通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信，它已成为一个通用的工业标准。

有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

此协议定义了一个监控器能够认识和使用的消息结构，而不考虑它们是经过何种网络进行通信的。

它描述了一个监控器请求访问其他设备的过程，如果回应来自其他设备的请求，怎样侦测出错误并记录下来，它还制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在一个MODBUS网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的信息，决定要产生何种行动。

如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用MODBUS协议发出。

在其他网络上，包含了MODBUS协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。

这种转换也拓展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

（1） MODBUS的通信结构
MODBUS采用主——从通信结构，在该结构中只有一个设备（主设备）能初始化传输（查询）。

其他设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。

典型的主设备有计算机、可编程面板和图像面板。

典型的从设备通常是一个工业控制器等。

主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。

如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。

MODBUS协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。

标准的MODBUS口是使用RS-232C兼容串行口，它定义了连接口的阵脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验等。

控制器能直接或经由Modem 组网。

(2) MODBUS的通信方式
MODBUS定义的通信方式有两种：ACSⅡ和RTU(远程终端单元)。

在MODBUS的通信网络中只能用其中一种通信方式，两种通信方式不能同时存在。

1) ACSⅡ模式
当控制器设为在MODBUS网络上以ACSⅡ（美国标准信息交换代码）模式通信时，在消息中的每8Bit字节都作为两个ACSⅡ字符发送。

这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1s而不产生错误，其帧格式如图所示。

图4-4-3ACSⅡ模式帧格式
①ACSⅡ方式的每个字节的格式：
●十六进制，ACSⅡ字符0……9，A……F;
●消息中的每个ACSⅡ字符都是一个十六进制字符组成。

②每个字节的组成：
● 1个起始位；
● 7个数据位，最小的有效位先发送；
● 1个奇偶校验位，无校验位则无；
● 1个停止位（有校验时），2个位（无校验时）。

③错误检测域：LRC(纵向冗长检测)。

2) RTU模式
当控制器设为在MODBUS网络上以RTU(远程终端单元)模式通信时，在消息中的每个8位的字节包含两个4位的十六进制字符。

这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ACSⅡ方式传送更多的数据，其帧格式如图17所示。

①RTU模式的每个8位域都是一个或两个十六进制字符组成。

● 8位二进制，十六位进制数0……9，A……F；
●消息中的每个8位域都是一个或两个十六进制字符组成。

②每个字节的组成：
● 1个起始位，最小的有效位先发送；
● 1个奇偶校验位，无校验位则无；
● 1个停止为（有校验时），2个位（无校验时）。

③错误检测域：CRC（循环冗长检测）。

(3)地址域
消息帧的地址包含两个字符（ACSⅡ）或8位（RTU）.可能的从设备地址是0-247(十进制)。

单个设备的地址范围是1-247.主设备通过将于联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。

当从设备发送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。

地址0用作广播地址，以便所有的从设备都能认识。

当MODBUS协议用于更高水准的网络，广播不允许或以其他方式代替。

(4)数据域
数据域是由两个十六进制数构成的，范围00-FF。

根据网络传输模式，这可以是由一对ACSⅡ字符构成或由一RTUZ字符组成。

从主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息：从设备必须用于执行由功能代码所定义的行为。

这包括了不连续的寄存器地址，要处理项的数目，域中实际暑假字节数。

如果没有错误发生，从设备返回的数据域包含请求的数据。

如果有错误发生，此域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来作为判断采取下一步行动的依据。

在某种消息中数据域可以是不存在的（0长度）。

（3） MODBUS字符的连续传输
当消息再标准的MODBUS系列网络传输时，每个字符或字节发送方式（从左
到右）为：最低有效位~最高有效位。

3、 S7-200 的通信方式及通信模块
S7-200支持的通信协议很多，具体介绍以下集中：
（1）PPI通信方式
PPI是一个主从协议：主站向从站发送请求，从站作出应答。

从站不主动发送信息，而是等候主站向其发出请求或查询，要求其应答。

主站通过由PPI不限制能够与任何一台从站通信。

PPI不限制能够与任何一台从站通信的主站数码，但是却无法在网络中安装32台以上主站。

如果选择“PPI高级协议”，则允许网络设备在设备之间建立逻辑连接。

但使用“PPI高级协议”，每台设备可提供的连接数目有限。

下面是设置PPI参数的步骤：
1）在“PC/PPIcable”属性中“站参数”区域的PPI标记上，选择“地址”方框中的一个数字。

2）在“超时”方框中选择一个数值。

3）确定希望将STEP7-Micro/WIN用在配备多台主站的网络上时。

4） STEP7-Micro/WIN网络上通信的速率设置。

5）选择最高站址（图标地址）
6）单击“本地连接”选项卡
7）在“本地连接”选项卡中，选择PC/PPI电缆与之连接的COM端口。

（2） MPI方式
MPI允许主站与主站或主站与从站之间的通信，如图18所示。

图4-4-5MPI多台主站网络
在与S7-200 CPU通信时，STEP7-Micro/WIN建立主站与从站的连接。

网络设备通过任何二台设备之间的（由MPI协议管理的）不同连接进行通信，设备之间的通信受S7-200 CPU或EM277模块支持的连接数目的限制。

（3）自由口通信方式
PPI通信协议是西门子公司专门为S7-200系列PLC开发的一种通信协议，。