PLC四节传送带的模拟课程设计

课程设计任务书

分院 学生姓名 设计题目 1、设计内容： 利用SETP-7软件编写软件程序，应用S7-200PLC控制四节传送带系统的硬件电路，并利用梯形图控制程序设计，通过控制S7-200PLC的定时继电器的功能来实现四条皮带的运行。 2、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，过5秒，M3停，再过5秒，M4停。 3、进度及安排： 1、收集课程设计的资料及其相关背景（2天） 2、设计实验的总体方案（2天） 3、硬件电路和软件程序的设计（2天） 4、软硬件的调试，写实验报告（2天） 5、修改实验报告，打印（2天） 信息科学与工程学院 四节传送带的模拟 专业 学号 自动化 指导教师（签字）： 年 月 日 分院院长（签字）： 年 月 日

摘 要

现今的社会，科技发展迅速，在工业方面，计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，这些高新技术推动了PLC的发展。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为可编程控制器的小电脑在为我们服务，可编程控制器在工业控制，尖端武器，通信设备，信息处理，家用电器等各测、控制领域的应用中独占鳌头。本四级传送带电路采用PLC为控制核心，具备顺序起动和顺序停止功能，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的自动控制等功能。利用本次设计，初步掌握PLC的基本控制功能，学会运用PLC，控制基本工业控制。

[关键词] 微控制器 可编程控制器 PLC 四级传送带装置

目录

1 概述..........................................................................................................................1 1.1 PLC的概述.....................................................................................................1 1.1.1 PLC的历史 ........................................................................................1 1.1.2 PLC的主要功能..................................................................................1 1.1.3 PLC的主要特点..................................................................................2 1.1.4 PLC的网络通信...................... ...........................................................3 1.2 四节传送带系统的历史..................... ...........................................................3 1.2.1 四节传送带系统的起源......................................................................3 1.2.2 四节传送带系统的发展 ....................................................................4 2 S7-200的系统功能概述....................................................................5 2.1 PLC的基本结构.......................................................................5 2.2 PLC的工作原理.......................................................................6 2.3 四节传送带系统的工作要求.......................................................................6 2.4 电气原理图与功能详细说明.......................................................................7 2.4.1 四节传送带的模拟实验面板图.........................................................7 2.4.2 输入/输出接线列表......................................................... .................7 2.4.3 输入/输出接线图............................................................. ..... ..........8 3 S7-200的指令系统及编程介绍..............................................................................9 3.1 编程语言.........................................................................................................9 3.2 四节传送带系统的梯形图........................................... ...............................9 4 四节传送带系统的调试......................................................................................20 4.1 软件部分调试..... ..................................................... .............. ...................21 4.2 硬件部分调试........................................................................ ......................21 5 结束语................................................................................................................22 6 参考文献 ............................................................................................................23

1、概述

1.1 PLC的概述

可编程逻辑控制器，PLC （Programmable Logic Controller），一种数字运算操作的电子系统，是以微机处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制技术，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱之一。 1.1.1 PLC的历史

在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制站主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差等，而PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务 。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。PLC的诸多优点确定了其在工业中的广泛应用。 1.1.2 PLC的主要功能

1、控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。

2、数据采集与输出。

3、输入/输出接口调理功能。具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成 对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。

4、数据处理功能。包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、 滤波等。

5、支持人机界面功能。提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许 操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机 的分散和集中操作与监视系统。

6、通信、联网功能。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232 或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器 件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程 序转移、数据文档转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台 PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂 控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。 7、编程、调试等，并且大部分支持在线编程。 1.1.3 PLC的主要特点

1、结构形式多样，模块化组合灵活。有固定式适于小型系统或机床，组合 式适于集控制系统。最少的PLC只有6点，而AB的ControlLogix系统的容量达128000点。

2、可靠性高。PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，有的在10-20万h， 且均有完善的自诊断功能。

3、编程方便。控制具有极大灵活性。PLC作为通用工业控制计算机，是面 向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形 图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4、功能强大。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化 产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能

单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

5、适应工业环境。适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰 环境。

6、安装、维修简单。与DCS相比，价格低。PLC用存储逻辑代替接线逻辑， 大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时 维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可 能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 7、当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流。 1.1.4 PLC的网络通信

PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成\集中管理、分散控制\的分布式控制系统，满足工厂自动化(FA)系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统。

目前各厂商都主推各自的总线标准，如西门子Profibus、A-B ControlNet 及DeviceNet、莫迪康Modbus等等。但其构成的“集中管理、分散控制”分布 式控制方式是十分类似的。如ROCKWELL（A-B）推出了“全方位自动化”的理念，推荐三层网络结构，即1）设备层（DeviceNet为代表）；2）控制层（ControlNet 为代表）；3）管理层（EtheNet）。 1.2 四节传送带系统的历史 1.2.1 四节传送带系统的起源

17世纪中，美国开始应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进步的影响，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。 1.2.2 四节传送带系统的发展

未来传送带设备的将向着大型化发展、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、易结团、粘性物料的传送 带设备。

本论文设计了一个多级皮带传输系统，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。输煤系统的组成部分包括给煤 机、皮带、破碎机、三通、卸料器等。我们采用PLC对此系统进行顺序控制。

2、S7-200的配置及组态

2.1 PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

图 2.1 PLC的基本结构

a、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 b. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，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，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、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。

d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块。

f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。 2.2 PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（一）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

(二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状

(三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。 2.3 四节传送带系统的工作要求

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，过5秒，M3停，再过5秒，M4停。 2.4 电气原理图与功能详细说明 2.4.1四节传送带的模拟实验面板图：

图 2.2 四级传送带的模拟实验 功能说明：

M1、M2、M3、M4表示传送带的运动，启动、停止用动合按钮来实现，负载或故障设置用钮子开关来模拟，电机的停转或运行用发光二极管来模拟。

启动时先按下SB1，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。

停止时应先按下SB2，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。

A、B、C、D表示故障设定，分别模拟M1、M2、M3、M4发生故障时的情况，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，只需按下B按钮即可，则M1、M2立即停，经过5秒延时后，M3停，再过5秒，M4停。

E、F、G、H分别为重物模拟按钮，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，过5秒，M3停，再过5秒，M4停。

2.4.2输入/输出接线列表 输入 接线 SB1 I0.0 A B C D I0.1 I0.2 E F G H SB2 I0.5 I0.3 I0.4

输出 M1 M2 M3 M4 接线 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 表 2.4.2 I/O的接线列表

2.4.3 输入/输出接线图

图 2.4.3 输入/输出接线图

3、S7-200的指令系统及编程

3.1 编程语言

可编程控制器的应用软件是指用户根据自己的控制要求编写的用户程序。由 于可编程控制器的应用场合是工业现场，它的主要用户是电气技术人员，所以其 编程语言与通用的计算机编程语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言， 又不同于汇编语言，它要满足易于编写和易于调试的要求，还要考虑现场电气技 术人员的接受水平和应用习惯。因此，可编程控制器通常使用梯形图语言，又称 继电器语言，更有人称之为电工语言。另外，为满足各种不同形式的编程需要， 根据不同的编程器和支持软件，还可以采用指令语句表、逻辑功能图、顺序功能 图、流程图及高级语言进行编程。梯形图是一种图形编程语言，是面向控制过程 的一种“自然语言”，它沿用继电器的触点（触点在梯形图中又常称为接点）、线 圈、串并联等术语和图形符号，同时也增加了一些继电器控制系统中所没有的特 殊功能符号。梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继电器控制线路的电气技术 人员来说，很容易被接受，且不需要学习专门的计算机知识，因此，在PLC应用中，梯形图是使用得最基本、最普遍的编程语言。但这种编程方式只能用图形编程器直接编程。

PLC的梯形图虽然是从继电器控制线路图发展而来的，但与其又有一些本质 的区别：

（1）PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、 输出继电器、保持继电器、中间继电器等。但是，这些继电器并不是真实的物理 继电器，而是“软继电器”。这些继电器中的每一个，都与PLC用户程序存储器 中的数据存储区中的元件映像寄存器的一个具体基本单元相对应。如果某个基本 单元为“1”状态，则表示与这个基本单元相对应的那个继电器的“线圈得电”。 反之，如果某个基本单元为“0”状态，则表示与这个基本单元相对应的那个继 电器的“线圈断电”。这样，就能根据数据存储区中某个基本单元的状态是“1” 还是“0”，判断与之对应的那个继电器的线圈是否“得电”。

（2）PLC梯形图中仍然保留了常开接点和常闭接点的名称，这些接点的接通或断开，取决于其线圈是否得电。

（3）PLC梯形图中的各种继电器接点的串、并联连接，实质上是将对应这些基本单元的状态依次取出来，进行“逻辑与”、“逻辑或”等逻辑运算。而计算机对进行这些逻辑运算的次数是没有限制的，因此，可在编制程序时无限次地使用各种继电器的接点，且可根据需要采用常开（动合）或常闭（动断）的形式。注意，在梯形图程序中，同一个继电器的线圈一般只能使用一次。

（4）在继电器控制线路图中，左、右两侧的母线为电源线，在电源线中间的各个支路上都加有电压，当某个或某些支路满足接通条件时，就会有电流流过接点和线圈。

（5）在继电器控制线路图中，各个并联电路是同时加电压并行工作的，由于实际元件动作的机械惯性，可能会发生接点竞争现象。

（6）PLC梯形图中的输出线圈只对应存储器中的输出映像区的相应位，不能用必须通过指定的输出继电器，经I/O接口上对应的输出单元（或输出端子）才能驱动现场执行机构。

3.2 四节传送带系统的流程图

图 3.2 软件流程图

3.3 四节传送带系统的梯形图

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