摘 要
可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的应用更加突出。小车的往返自动控制控制采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本文用西门子S7-200系列中的CPU226CN可编程控制器控制小车的自动往返控制来说明可编程控制器硬件、软件的设计。实现工业中运输小车的自动运行问将是保障工业生产平稳、安全、快捷运行的重要环节。常规继电器小车控制系统与可编程控制器小车控制系统相比都是单一的固定时序控制或者手动控制，不能够根据实际生产状况进行调节控制。采用西门子S-200系列的可编程序控制器和传感技术来实现对小车的自动运行控制。可用如下方案来控制小车运行:采用传感器探测小车的即时位置，如在站口的位置设置电磁传感器，当小车经过时就会产生对应电信号，即可检测出小车的通过，并将这一信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节小车的左行、右行及停止。
本次设计的实现的功能为，使小车在特定范围内循环运行，循环一定次数之后自动停止，手动实现小车的启动和急停。
本说明书的主要阐述了小车的具体运行规律，并对PLC作了的简单介绍，给出了本次设计的PLC的I/O接口图、外部接线图、以及具体实现功能的程序梯形图及其注释。
关键词：小车循环往返运动 PLC CPU226CN
目 录
1 选题背景及意义 ............................................. 1 1.1 选题背景及意义 .............................................. 1 1.2 选题模型介绍 ................................................ 1 2 系统简介 .................................................. 2 2.1 设计内容 .................................................... 2 2.2 设计思路 .................................................... 3 3 PLC简介 ................................................... 5 3.1 PLC的定义 ................................................... 5 3.2 PLC的发展 ................................................... 5 3.3 PLC的特点 ................................................... 5 3.4 PLC的基本组成及各部分作用 ................................... 6 3.5 PLC的应用领域 ............................................... 9 3.6 本次设计采用的PLC .......................................... 10 4 直线自动往返控制 .......................................... 11 4.1 I/O地址分配 ................................................ 11 4.2 PLC外部接线图 .............................................. 11 4.3 程序梯形图 ................................................. 12 5 小车定位控制.............................................. 14 5.1 I/O地址分配 ................................................ 14 5.2 PLC外部接线图 .............................................. 14 5.3 程序梯形图 ................................................. 15 结 论 ...................................................... 17 参考文献 ...................................................... 18
1 选题背景及意义
1.1 选题背景及意义
可编程控制器是一种为工业机械控制所设计的专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用，它是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品，逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC。
可编程程序控制器还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并通过数字，模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。
长期以来，PLC及其网络控制系统始终战斗在工业自动化控制行业的主战场，其提供的安全和完善的解决方案，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，在电力、冶金、化工、机械等行业发挥了重大作用。
1.2 选题模型介绍
运料小车是工业运料的主要设备之一。广泛应用于自动生产线、冶金、有色盒属、煤矿、港口、码头等行业，各工序之间的物品常用有轨小车来转运。小车通常采用电动机驱动，电动机正转小车前进，电动机反转小车后退。
小车采用轨道形式运行，在轨道沿途的关键位置设置传感器，从而达到为小车定位，并将定位信息返回控制PLC电路，从而达到即时监视和控制小车的作用。
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2 系统简介
2.1 设计内容
本系统的结构工作原理图如图2-1，包括带导轨的运行工作台，DC24V电机，行程开关，起停按钮，可编程控制器，DC24V继电器，DC12V直流电源等。图2-1是一个运料小车工作示意图，每个小站设有一个电磁传感器(SY)和一个呼叫按钮(SB)。
小车模型图如图2-1所示：
图2-1 小车直线的系统图
在小车运动系统中所用到的有如下的元件：
SB1：第一站开关按钮 SY1: 第一站电磁感应器 LB1：第一站指示灯 SB2：第二站开关按钮 SY2：第二站电磁感应器 LB2：第二站指示灯 SB3：第三站开关按钮 SY3: 第三站电磁感应器 LB3：第三站指示灯 SB4: 第四站开关按钮 SY4: 第四站电磁感应器 LB4: 第四站指示灯 MZ: 电机右行继电器 LZ: 右行指示灯 MF: 电机左行继电器 LF: 左行指示灯
其中位置传感器采用OMCH KJN5002A，电机控制继电器采用JZX-18FF，24VDC
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图中电机控制继电器有信号时小车开始右行，并且所对应的运行方向指示灯亮，在通过任何一站时电磁感应器会得到一个电信号，使所对应的站台灯亮起来，图中的开关按钮用于控制小车的启动和停止或者是运动方向。
图2-2为电机主接线示意图，作用为驱动和控制电机的正反转。 图中电机参数为：ZGA37F104i，DC24V，30rpm
BT?24vMZMZ+MOTORA-MFMF图2-2 电机接线示意图
2.2 设计思路
由于小车分四段不同的往返运动，现设定行程开关SY1在最左端即为初始位置，行程开关SY1、SY2、SY3、SY4的分布和小车的运动轨迹都如图2-1所示。按下起动按钮，小车就有最左端的初始位置向左或向右移动，当碰到SY4时，小车结束向右运动改向向左运动；当碰到SY1时，小车结束向左运动改向向右运动；小车会继续向右动；当碰到SY4时，小车结束向右运动改向向左做运动，直到小车碰到SY1，小车会结束向左运动即这一次的循环运动结束开始新的循环运动。SB1与SB4分别能够启动小车的右行和左行，SB2能够切断控制电路电源，从而达到急停的目的。在小车的运动过程中无论在哪一时刻，按下停止按钮都能使小车立即结束运动而停止。
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在第二个设计的目的中，小车的循环运行与第一个的原理相同，不同的是，运行区间不同，并且加入了计数器来统计某一站的传感器的脉冲次数。在计数器完成计数时，中断小车的自动运行循环，并使小车归位。这样就实现了设计的目的。
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3 PLC简介
3.1 PLC的定义
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），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。
可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU(中央处理单元)存储器(RAM和EPROM),输入/输出模块(简称为I/O模块)、编程器和电源五大部分组成。近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。
3.2 PLC的发展
1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求； 1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器
PDP—14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14； 1971年，日本研制出第一台DCS-8； 1973年，德国研制出第一台PLC； 1974年，中国研制出第一台PLC。
20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机
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技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。
3.3 PLC的特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。
二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。
3.4 PLC的基本组成及各部分作用
PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。
整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之
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间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。
组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。
(1)中央处理单元(CPU)：
CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:
接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误; 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来; PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;
将用户程序的执行结果送至输出端。 (2)存储器
根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:：
系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.
用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。
工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数
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据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。
(3)I/0单元
I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能
够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.
(4)电源部分
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的直流电源，使PLC能正常工作。
电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。
(5)扩展接口
扩展接口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“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相
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连时.可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。
(7)编程器
编程器的作用是提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化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。
3.5 PLC的应用领域
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，同时日常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而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类:
(1)开关量逻辑控制
取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
(2)工业过程控制
在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较
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多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
(3)运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
(4)数据处理
PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
(5)通信及联网
PLC通信包括PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
3.6 本次设计采用的PLC
本次设计中采用的PLC为西门子S7-200系列中的CPU226CN,其参数如表3-1所示：
表3-1 CPU226CN的参数 描述 物理特性 尺寸 (W X H X D) 重量 功耗 存储器特性 程序存储器 在线程序编辑时 非在线程序编辑时 数据存储器 装备(超级电容) 16384 bytes 24576 bytes 10240 bytes 100小时/典型值(40°C时最少70小时) 200天/典型值 196 x 80 x 62 mm 550 g 11 W CPU 226 CN DC/DC/DC
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4 直线自动往返控制
4.1 I/O地址分配
I/O地址分配如表4-1所示：
表4-1 I/O地址分配表 输入信号 信号元件及作用 第一站按钮SB1 第二站按钮SB2 第三站按钮SB3 第四站按钮SB4 电磁传感器SY1 电磁传感器SY2 电磁传感器SY3 电磁传感器SY4 接0V DC PLC输入口地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 1M 输出信号 信号元件及作用 第一站指示灯LB1 第二站指示灯LB2 第三站指示灯LB3 第四站指示灯LB4 左行指示灯LF 右行指示灯LZ 电机右行继电器MZ 电机左行继电器MF 接24V DC PLC输出孔地址 Q0.0 Q0.1 Q.02 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 1L、2L 4.2 PLC外部接线图
PLC外部接线如图4-1所示：
图4-1 PLC接线图
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4.3 程序梯形图
利用西门子S7-200进行编程 ，编写的梯形图如图4-2到4-3所示：
图4-2 程序梯形图1
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图4-3 程序梯形图2
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5 小车定位控制
5.1 I/O地址分配
I/O地址分配如表5-1所示：
表5-1 I/O地址分配表 输入信号 信号元件及作用 第一站按钮SB1 第二站按钮SB2 第三站按钮SB3 第四站按钮SB4 电磁传感器SY1 电磁传感器SY2 电磁传感器SY3 电磁传感器SY4 接0V DC PLC输入口地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 1M 输出信号 信号元件及作用 第一站指示灯LB1 第二站指示灯LB2 第三站指示灯LB3 第四站指示灯LB4 左行指示灯LF 右行指示灯LZ 电机右行继电器MZ 电机左行继电器MF 接24V DC PLC输出孔地址 Q0.0 Q0.1 Q.02 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 1L、2L
5.2 PLC外部接线图
PLC外部接线如图5-1所示：
图5-1 PLC接线图
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5.3 程序梯形图
利用西门子S7-200进行编程 ，编写的梯形图如图5-2到5-4所示：
图5-2 程序梯形图1
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图5-3 程序梯形图2
图5-4 程序梯形图3
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结 论
经过三个星期的课程设计，过程可谓崎岖。在此期间我们曾无助过，也曾兴奋过，从开始的热情高涨，到后来的心惊胆战，点点滴滴回味无穷。
在这三个星期中，我们通过使用CPU226CN和传感器，运用PLC编写的程序，最终实现了两个功能：
（1）在按下启动键后，小车自动在全程往返循环运行，并且能够紧急停止；
（2）在按下启动键后，小车自动在某一区间内往返运行特定次数之后自动停止，并且能使小车紧急停止在任何位置。
经过测试，设计结果完美的完成了设计目的。
我们深刻的意识到，这是次实习是一次团队的工作。团队需要的个人的智慧，个人也离不开团队的配合，所以，必须发扬团结协作的精神。每个团队成员的离群都是团队的损失，都有可能导致整体工作的失败。一个人的智慧总是有限的，仅仅只有一个工作者的团队都不是真正意义上 的团队。假使一个团队中只有一个人懂得工作的原理，他的设计在没有人辅助的情况下，也必然会漏洞百出。这次实习也正是锻炼了我门这一点，这非常宝贵。
通过这次课程设计是我懂得了理论与实际结合是很重要的，只有理论姿势是远远不够的，只要把学到的理论只是学以致用，从理论中的出结论，从实践中的出结论，才能算得上掌握了这些知识。在这次实践中，我发现了各种各样的问题，同时在设计过程中也发现了自己的不足，对以前所学过的知识理解的不够透彻，掌握的不够牢固。
对我们而言，无论过程如何，经历就是一种财富。
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参考文献
[1] 齐占庆等.电气控制技术[J].机械工业出版社，2002 [2] 余雷声等.电气控制与PLC应用[M].机械工业出版社，2001
[3] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京航空航天大学出版社，2005 [4] 张宏林.PLC应用开发技术与工程实践[M]，人民邮电出版社 [5] 高钟毓.机电控制工程（第二版）[M].清华大学出版社，2002
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