102基于西门子PLC热电厂输煤控制系统的设计

第一篇：102基于西门子PLC热电厂输煤控制系统的设计

基于西门子PLC热电厂输煤控制系统的设计

邓必文

学院：信息工程学院 班级：电气2004-1班 学号：200440509102 摘要：目前在电力设备中，PLC得到了广泛的应用，调速器、保护、监控等都成功的使用了PLC可编程控制器，并且取得了很好的经济效益。本设计结合某热电厂中输煤监控控制系统来说明SIEMENS S7-200系列的PLC具有的稳定性好、可靠性高、操作维护方便、抗干扰能力强、很高的性价比等一系列的优点。

针对某热电厂输煤整个系统，设计了一套基于PLC控制网络和上位机的输煤程控系统，对其硬件构成和软件实现做了介绍。同时主要研究的是基于SIEMENS S7-200系列的PLC在某热电厂输煤控制系统（上煤部分）皮带跑偏监控系统中的运用。在软件设计中,分析了各模块的功能,给出了皮带跑偏监控流程框图，跑偏传感器模拟量输入的设计和相应的程序。在硬件设计中，分析了控制系统一般硬件的组成和扩展方法，给出了本设计PLC的输入输出配线示意图。关键词：S7-200；输煤系统；监控；抗干扰

Coal Handling Control System Design Based on Siemens PLC Thermal Power Plant

Abstract At present in the power equipment, PLC has been widely used, the governor, protection, surveillance and so successful use of the PLC programmable logic controller, and achieved good economic benefits.The design of a thermal power plant in the coal handling monitoring control system to illustrate SIEMENS S7-200 series of the PLC has good stability, high reliability and easy operation and maintenance, anti-interference capability and a high price and a series of advantages.Against a thermal power plant coal handling system as a whole, designed a PLC-based control network and the host computer program-controlled coal handling system, its hardware and software was introduced.At the same time the study is mainly based on SIEMENS S7-200 series PLC in a coal handling thermal power plant control system(coal)belt deviation monitoring system in use.In software design, analysis of the functions of the various modules are given a belt deviation monitoring process diagram, the deviation sensor analog input in the design and the corresponding procedures.On the hardware design, analysis of the general control system hardware components and expansion of methods, given the design of the PLC input and output wiring diagram.Key words: S7-200;coal handling system;monitoring;anti-interference 1前言

1.1 课题的来源及意义

火力发电厂燃料输煤系统是电厂的辅助系统，主要负责对发电机组燃煤的卸载、储存、上煤和配煤。输煤系统受控设备多，分布范围广，工艺流程复杂，环境恶劣。随着电力工业的飞速发展，以计算机为核心的电厂生产过程自动控制技术得到了大力的推广应用，并逐步普及到输煤系统。本设计根据目前火力发电厂燃料输煤控制系统发展的趋势，结合某热电厂燃料输煤系统采用的集中控制模式，对输煤控制系统技术改造方案的设计进行充分研究论证，提出了具体的系统升级改造方案：采用微机分级控制系统，充分利用计算机、可编程控制器PLC及以太网等先进控制技术，实现对输煤系统设备的数据采集、集中操作、实时监视、数据存储、故障报警、煤量统计、语音呼叫和电视画面切换等功能。该系统具有自动化水平高、控制和管理功能强大、操作简便、可靠性高等特点，能很好地适应燃料输煤系统的环境特点。系统经过升级改造后，自动化控制水平和可靠性都得到了明显提高，设备故障率大大降低，减轻了检修及运行人员的劳动强，加强输煤过程的运行管理和节能管理，实现状态检修具有非常重要的意义。1.2本课题所做的工作 本课题任务是以某热电厂的输煤系统为例说明基于SIEMENS S7-200系列的PLC在热电厂中小型控制系统中的运用，充分表明其具有的很强的性价比。为输煤系统的安全稳定的运行提供了很好的保障。输煤程控系统主要是以可编程控制器(PLC)为主，实现输煤监控系统的自动化控制。与强电集中控制相比，在技术上具有控制功能强，编程简单，实现工艺联锁方便，可省去大量的硬接线，维护方便，可在线修改等特点。PLC不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且也能实现模拟量的控制，甚至智能控制；并能实现远程通讯，联网及上位机监控等。可为全厂实现计算机控制和管理创造条件。可编程序控制器PLC概述 2.1 PLC的产生与发展

1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得[6]了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，己经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步。2.2 PLC的基本结构

1、CPU模块

在可编程序控制器控制系统中，CPU模块不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，统一命令和协调整个PLC控制系统的工作过程。CPU模块的工作电压一般是DC 5V。CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。

2、微处理器

微处理器分为：通用微处理器、单片微处理器和位片式微处理器。其主要有如下功能： ①接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储； ②用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区；

③监测和诊断电源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误； ④执行用户程序、完成各种数据的运算、传递和存储等功能；

⑤根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表中的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

3、存储器

存储器分为：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器存放着系统程序，系统程序是由可编程序控制器生产厂家设计并固化只读存储器ROM中，能完成可编程序控制器设计者规定的工作，且用户不能读取；用户程序存储器存放着用户编制的控制程序，其容量以字为单位，用户程序由用户设计，使可编程序控制器完成用户要求的特定功能。

4、I/O模块

输入模块和输出模块简称为I/O模块，联系着外部现场和CPU模块之间的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。输出模块用来发送输出信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

5、编程装置

编程装置是PLC不可缺少的一部分，用来生成用户程序，并对其进行编辑、检查和修改，还可以在线监视PLC的工作状态。编程装置通过接口与CPU模块联系，实现人机对话。使用编程软件不仅可以设置可编程序控制器的各种参数，还可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译下载到可编程序控制器，也可以将可编程序控制器中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，还可以通过网络实现远程编程和传送。

6、电源

可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V、±12V、24V等直流电源。驱动可编程序控制器负载的直流电源一般有用户提供。2.3西门子S7-200 PLC简介

2.3.1西门子S7-200 PLC的功能概述

西门子S7-200 PLC系列属于小型可编程序控制器，可用于简单的控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，即使在大型的网络控制系统中也能充分发挥作用S7-200 PLC系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架是由成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动系统等等。

2.3.2西门子S7-200 PLC的特点S7-200系列具有鲜明的特点：①极高的可靠性；②极丰富的指令集；③数据安全性；④易于掌握，操作便捷；⑤丰富的内置集成功能；⑥实时特性；⑦强劲的通讯能力；⑧丰富的扩展模块。2.3.3西门子S7-200 PLC的硬件结构

[13]西门子S7-200系列PLC具有牢固紧凑的塑料外壳，通过安装孔垂直或水平地安装在板上或安装在标准DIN导轨上。利用总线连接电缆，可以把CPU模块和其他扩展模块，如数字量I/O模块、模拟量I/O模块、通讯模块等等，连接起来。采用可选的端子排作为固定的接线配件，易于接线。2.3.4 西门子S7-200硬件基本扩展及通讯方式

1985年，国际电工委员会IEC对PLC作了如下规定:可编程控制是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式模块式的输入和输出，制各种类型的机械或生产过程。PLC具有高可靠性，编程方便，易于使与外部控制器件接口方便，功能强大等优点。因此，PLC得到迅速的发和越来越广泛的应用。SIEMENS7-200控制器是当前小型PLC领域内技术先进、性能/价格比高、单元/模块。SIEMENS7-200由硬件系统和工业软件两大分构成。2.3.5西门子S7-200 PLC的工作原理

S7-200 PLC具有两种工作模式，分别是：运行（RUN）模式和停止（STOP）模式。在运行模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在停止模式下，S7-200 CPU不执行用户程序，此时可设置CPU系统的硬件功能，并将用户程序、数据以及硬件设置信息下载到S7-200 CPU。其中用户程序用编程软件创建和编辑。CPU模块上的模式开关用于改变和转换S7-200 PLC的工作模式。开关拨到RUN位置时，CPU运行，启动用户程序的运行；当开关拨到STOP位置时，CPU停止，用户程序的运行也停止；开关拨到TERM位置时，不改变当前操作模式。此外还可以通过Step7-Micro/MIN32编程软件控制S7-200 CPU的运行和停止。S7-200 CPU前面板上的LED显示着当前的工作模式。

1、分析设计法

这种设计方法主要依靠经验直接用PLC设计电气控制系统,来满足生产机械和工艺过程的控制要求。分析设计法多用于比较简单的控制系统的设计,它要求设计人员具有一定的实践经验,熟悉工业现场中最常用的典型控制环节,需设计大量的线路图并经多次修改后才能得到符合要求的梯形图,并且方案不是惟一的。

①系统原先无控制方案,现要求直接用PLC控制。此种情况下,设计梯形图程序大致可按下面几步进行：分析控制要求；设计主令元件和检测元件,确定输入输出信号；设计控制程序；检查、修改和完善程序。设计时,首先按所给的要求将生产机械的运动划分成各自独立的简单运动,分别设计这些简单运动的基本控制程序,然后将这些基本控制程序组合在一起；接下来,分析刚才组合的程序是否满足控制要求,若不满足时,在此基础之上继续对梯形图进行完善,直至满足功能；最后,根据制约关系,选择联锁触点,设计联锁程序并设置必要的保护措施。编程时要掌握长、短信号的作用,必要时须对两种信号时行转换。

②用PLC对原有继电—接触控制系统进行改造。此种情况下,系统本身提供了电气控制原理图,设计过程可相对简单一些,主要是确定输入输出,设计程序,完善程序。设计时将控制原理图中的硬继电器用PLC中对应的软继电器替代,对梯形图中出现的桥式结构进行改造,设置必要的联锁和保护措施即可设计出满足控制功能的梯形图。编程时要注意将输入设备统一按动合触点方式接入,梯形图中所采用触点和控制线路中触点形式一致,否则梯形图中所用触点要和控制线路中所用触点形式相反。

2、逻辑设计法

这种设计方法的基本含义是以逻辑组合的方法和形式设计梯形图,它既有严密可循的规律性和明确可行的设计步骤,又具有简单、直观和十分规范的特点。主要设计过程是分析要求,取得电气执行元件功能表；绘制系统状态转换表；进行逻辑设计；完善和补充程序。其过程类似于数字电子技术的电路设计,要求设计者具备一定的逻辑函数知识,因而对设计者的要求较高,所以不易掌握。

3、状态流程图设计法

这种方法主要用于大型顺序控制系统的设计,它具有简单、规范、通用的优点,不仅使梯形图设计变得容易,大大节约设计时间,而且初学者容易掌握,有一定的方法和步骤可遵循。设计时首先画状态流程图,然后将其改画为梯形图。

①状态流程图的画法。状态流程图主要由工步、有向连线、转换条件和动作四部分组成,它是状态流程图设计法的难度所在。画状态流程图时,先将整个工作过程根据系统状态划分为若干个独立的控制工步,在流程图中常用PLC内部辅助继电器对工步编号,系统处于某个状态时,可在程序中将代表该工步的内部辅助继电器线圈接通,则称此工步为活动工步,其它工步则称为不活动步；各工步根据动作顺序用不带箭头的直线连接,此直线称为有向连线,默认方向从上而上,当直线的方向向上时,需用向上箭头表示；相邻两上工步之间画一条短横线,表示转换条件,当转换条件满足时,上一步被封锁,下一步被激活；在每个步的右侧,画上要被执行的控制程序。②状态流程图转换为梯形图。画梯形图时,先将系统的第一个工步也就是初始工步激活,一般常采取系统所提供的初始化脉冲作为启动信号,然后根据状态流程图的工步发展,激活下一个工步,复位上一个工步,将所有工步的程序设计完成后,集中用代表各工步内部辅助继电器的动合触点去驱动各工步的动作。典型的转换方法有启—保—停法；置位复位法；移位寄存器法；步进指令法等。

4、计算机辅助编程法

计算机辅助编程可以把梯形图直接译成指令形式,可进行在线编程、远程编程、也可离线编程,同时还具备网络监控功能,是今后PLC应用程序设计的发展方向。3 输煤控制系统的组成及程控设计

输煤系统是火力发电厂中较为宠大的一个辅助系统。随着我国电力工业的迅速发展，火电厂的装机容量和单机容量都日益增大，输煤系统的规模也大幅度的上升。对其控制方式、运行水平的要求也越来越高。输煤程控系统主要是以可编程控制器为主，实现输煤系统的自动化控制。与强电集中的控制相比，在技术上具有控制功能强，编程简单，实现工艺联锁方便，可省去大量的硬接线，维护方便，可在线修改等特点。PLC不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且也能实现模拟量的控制，甚至智能控制；并能实现远程通讯，联网及上位机监控等。对地域分布较广的实现计算机控制和管理创造条件，可为全厂实现计算机控制和管理创造条件。对地域分布较广的系统还可以增加远程控制站及闭路电视监视系统。目前，PLC在输煤系统中的应用基本上限于设备级，各设备或系统处于各自的PLC控制之下，相互间基本独立。与当初输煤设备的控制从就地走向集中一样，输煤系统的PLC控制也将从设备级发展到车间级，甚至工厂级，这是输煤系统降耗、增效的需要，也是生产管理和监控的需要。输煤系统实现程序控制和工业电视系统监视对提高输煤系统的可靠性、动化程度，减少岗位人员和他们的劳动强度，加强输煤过程的运行管理和节能管理，实现状态检修具有非常重要的意义。3.1 输煤系统组成 3.1.1卸煤系统

某热电厂燃煤采用火车运至电厂的电3和电4线，由2台桥式抓斗起重机将煤卸至能容纳20000吨贮煤场内储存，由桥式抓斗起重机或推煤机将煤卸落在2个地下受煤斗内，地下受煤斗下对应的2台电机振动给煤机将煤均匀配给l、2号甲、乙运煤皮带。3.1.2上煤系统 1、2号皮带来煤至地下转运站后经三通挡板、落煤管、3号甲、乙皮带进入碎煤机室，来煤经甲、乙波动筛煤机、筛下细煤经甲、乙缓冲滚筒至4号甲、乙皮带；筛上大块煤经甲、乙环锤式碎煤机将大块煤砸碎后至4号甲、乙皮带。然后煤经高位转运站、三通挡板、落煤管、煤仓间，至5号甲、乙皮带。地下转运站落煤管下设2台仓壁振打器，碎煤机室落煤管下设4台仓壁振打器，高位转运站落煤管下设4台仓壁振打器，1号甲、乙皮带各设1台电子皮带秤，5号甲、乙皮带分别设l台电子皮带秤。3号甲、乙皮带尾各设1台喷淋电动阀门、4号甲、乙皮带尾各设l台喷淋电动阀门、5号甲、乙皮带尾各设1台喷淋电动阀门喷水降尘。3.1.3 配煤系统

煤仓间来煤落到5号甲、乙皮带，沿5号甲皮带设4台单侧犁煤器，沿5号乙皮带设4台双侧犁煤器，来煤依次落入#1a煤仓、#2a煤仓、#3a煤仓；#1b煤仓、#2b煤仓、#3b煤仓；煤至皮带末端直接落到终端煤仓。预留甲备用煤仓和乙备用煤仓各1个煤斗，并预留备用1台单侧犁煤器，1台双侧犁煤器。

3.3 输煤系统程控设计

综合分析OMRON,MODICON, SIEMENS三种品牌PLC组件及其软件功能后,从开发简单、使用方便、组态灵活、功能强大几方面考虑选用了SIEMENS SIMATIC S7系列PLC组件。3.3.1上位机监控系统

系统采用上位机监控方式取代原来的模拟盘控制方式，整个输煤系统的运行操作和监视全部由上位机实现。上位机不仅显示设备的运行状态、过程参数、故障报警等,也进行与运行有关的各种信息的收集、整理及存档管理。上位机还应具备与MIS系统联网的能力。该系统配置2台工控机作为上位机,1台作为工程师站, 1台作为操作员站,且2台互为热备用,并通过PROFIBUS-DP网与主PLC连接。监控软件选用SIEMENS公司的WinCC V4.02。

系统主PLC采用2台SIEMENS S7-300，CPU315-2DP，互为热备用，负责下级PLC控制器的控制和皮带机输送系统的控制。另外还有4台PLC选用SIEMENS S7-200，分别负责卸煤系统PLC3、上煤系统PLC4、配煤系统PLC5和皮带机监控系统PLC6的控制。3.3.3 远程I/O站

系统设置两个远程I/O站，分别负责圆筒仓和原煤仓的犁煤器配煤I/O控制。远程站的通信电缆采用光缆。设置远程站极大地减少了控制电缆的数量和长度，将大大减少因电缆接地或接线不良引起的故障；采用光缆作为通信电缆将消除电压、电流信号的干扰。3.3.4 一次仪表

系统取消所有一次仪表，现场测量信号经变送器后，直接送主PLC，在上位机上显示，当超过定值时，提示报警信息或直接控制停机。本设计中的皮带监控系统采用皮带跑偏传感器。当跑偏度≧12°时在上位机上显示报警信息，当皮带进一步跑偏达到≧30°时上位机显示报警，皮带机监控系统PLC6报警并连锁停机，同时上位机发出相应的控制信息控制其他系统的停机。3.4软件配置

1、上位机监控软件 系统上位机监控软件选用SIEMENS公司的W inCC V4.02作为开发平台。利用该软件的变量存档编辑器和报表设计器可以很方便地将过程数据生成用户档案库及报表。

2、PLC控制软件

PLC控制软件选用SIMATIC STEP7作为控制软件开发平台。STEP7编程软件是一个全集成的、标准统一的、采用全局关系型数据库的组态工具。它采用了现代化的软件体系结构，对项目进行管理、处理、归档和建立文件。3.5 PLC网络的组建

为提高控制性能，往往要把处于不同地理位置的PLC与PLC、PLC与计算机、PLC与智能装置通过传送介质连接起来，实现通讯，以构成功能更强、性能更好的控制系统。PLC联网之后，还可进行网与网相联，以组成更为复杂的系统。PLC网还可与计算机相联，成为它的一个子网。通过PLC的组网，可以实现控制规模的提高、控制过程的综合与协调以及计算机的远程监控等，在相关系统的布线、维护和资源共享以及联网管理方面也可以实现较大的改善。3.3.2 PLC系统

(1)整套网络采用SIEMENS的设备这样可以使用现场总线技术，实现完全的分布式结构；

(2)网络最上层为以太网, 2台PLC直接挂接在网上，实现双机热备，以便可靠地将输煤系统的状态和参数传送至全厂MIS（信息管理系统）是一个由人、计算机及其他外围设备等组成的能进行信息的收集、传递、存贮、加工、维护和使用的系统。同时通过以太网将化验站、皮带秤来的信息也送至MIS；

(3)网络第2层为PROFIBUS-DP网，4台PLC分别为卸煤子系统、上煤系统、配煤子系统、皮带监控子系统，它们在运行子系统的同时通过PROFIBUS-DP网络与PLC1和PLC2进行通信，以便接收参数或发送状态。操作员站和工程师站连接在PROFIBUS总线上作为监控站，可完成远程编程、修改参数及在线监控功能；

(4)网络第3层为远程I/O链路：AS-I接口层，远方现场的一些执行器、传感器或小型模块(LOGO)通过DP/AS-I链接器和PROFIBUS-DP网络进行通信，以便接收参数或发送状态；通常用简单的两芯电缆进行连接，造价很低，使用很方便。(5)具体配置如下：

PLC1,PLC2采用S7-300系列CPU315-2DP，外加以太网通信模块CP342-5；PLC3, PLC4, PLC5,PLC6采用S7-200系列CPU226；操作员站和工程师站采用功能强大的台式计算机，外加.MPI接口。选择CP5611网卡可连接到PROFIBUS-DP上。配置STEP7编程软件包可作为编程设备使用。.通常还要配置WinCC等软件包作为监控操作站使用。4 S7-200在输煤监控系统中的应用

上煤系统的组成可分为皮带运输机、碎煤、筛煤设备、三通挡板（除铁、除木）、除尘设备和计量设备等。皮带运输机在火力发电厂输煤系统中，承担了全厂来煤的运输、提升、分配等工作，是输煤系统的主线设备。因此，皮带运输稳定可靠及控制方式的合理选择，直接关系到整个输煤系统的安全运行。目前，在我国火力发电厂输煤系统中，皮带运输机的控制方式有三种:就地控制、集中单独控制、集中微机程序控制。同时对皮带的跑偏状况进行实时监控。包括采用跑偏传感器和工业电视监视。

4.1某热电厂现有的输煤上煤系统简介与控制要求

某热电厂要求在远离输煤走廊的主厂房控制室里,对2条输煤线的18台设备进行控制,并实时监测设备的运行状态及皮带跑偏的情况。我们采用PLC实现输煤设备的联锁控制以保证其可靠性和特殊性,工业控制计算机则作为上位机与PLC互相配合,共同完成输煤系统的监控功能,本设计将主要介绍PLC在热电厂输煤系统中的控制应用。该热电厂输煤系统有2条输煤线，包括给煤机、皮带机、振动筛、破碎机等共18台设备,在电厂中有着极为重要的地位,一旦不能正常工作,发电就会受到影响。为了保证生产运行的可靠性,输煤系统采用自动(联锁)、手动(单机)两种控制方式,自动、手动方式由开关进行切换。由于输煤走廊环境恶劣,全部操作控制都在主厂房的主控制室里进行,仪表盘上设有各个设备的启、停按钮,还有为PLC提供输入信号的控制开关。输煤设备控制功能由PLC实现,设备状态监测和皮带跑偏监测以及事故纪录功能则由上级工业控制计算机完成。

为了保证输煤系统的正常、可靠运行,该系统应满足以下要求:①供煤时,各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序,即对各设备进行联锁控制；②各设备启动和停止过程中,要合理设置时间间隔(延时)，启动延时统一设定为10s即给煤机启动之前所有的皮带机，碎煤机，筛煤机，梨煤器延时10s启动；停车延时按设备的不同要求而设定,分为10 s,20 s,30 s,40 s,60 s几种,以保证停车时破碎机为空载状态,各输煤皮带上无剩余煤；③运行过程中,某一台设备发生故障时,应立即发出报警并自动停车,其前方(指供料方向)设备也立即停车,其后方的设备按一定顺序及延时联锁停车；④各输煤皮带设有双向跑偏开关,跑偏12°时发出告警信号,跑偏30°时告警并自动停车；停车要求：发生事故的皮带及之前的所有设备要求马上停机，而事故点后面的设备按顺序以一定的时延停机；⑤可在线选择启动备用设备,在特殊情况下可由2条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；⑥上位机可显示各机电设备运行状况,并对输煤过程有关情况(报警、自动停机等)做出实时纪录。4.2 PLC控制系统设计 4.2.1 PLC选型

根据输煤监控系统的自控要求,我们选用了德国SIEMENS公司推出的S7-200型PLC,它具有可靠性高、体积小、扩展方便、使用灵活的特点。基本CPU单元选用的是CPU224,型号为6ES7 214-1AD23-0XB0 DC/DC/DC。性能如下：

2048程序存储器；2048数据存储器；14点输入,10点输出； 可扩展7个模块；128个定时器；128个计数器；4个硬件中断、1个定时器中断；实时时钟；高速计数器；

可利用PPI协议或自由口进行通信；3级密码保护； 扩展模块的选择：

①输出数字量扩展模块选用一块EM223, 因为系统输出量变化不是很频繁。型号为6ES7 223-1BL22-0XA0 16个DC输入点,16个继电器输出点。由于信号传输距离长，在输出模块上再外加一 DC 24V 直流电源，且单独接地，以免影响信号的正确输出。

②输入模拟量扩展模块选用三块EM231，型号为6ES7 231-0HC22-0XA0 每块4路模拟量输入。③皮带跑偏检测传感器选用立德公司生产的DPK-12-30皮带跑偏开关。两级输出，一级跑偏报警为12°，二级跑偏为30°。更多信息参看第五章第一节 传感器。4.2.2 硬件系统关系

在输煤自控系统中,工业控制计算机作为上位机和输煤控制PLC进行通信,对皮带跑偏信号和设备的运行状态进行实时采样,并在屏幕上显示输煤系统仿真画面,可以直观地察看设备的状态。当皮带跑偏(跑偏12°)时,在屏幕上显示报警画面；当设备发生故障或皮带严重跑偏(跑偏30°)时,在屏幕上显示报警画面并向PLC发送事故停车信号。输煤控制PLC则根据控制开关的输入信号,执行对应程序块,控制电机实现对应的功能:向上级工业控制计算机发送工作组态信息，接收上级工业控制计算机发送的事故停车信号,实现事故停车处理功能并启动报警设备。二者配合共同实现输煤系统的监测和控制功能。上级工业控制计算机同时实现对电厂其他系统的监控,由工业控制计算机、输煤系统PLC和其他系统的现场设备(PLC、监控仪表)共同构成分布式系统(DCS)。4.2.3 运行模式

根据输煤过程的要求,本系统在一般情况下设计了两种运行模式情况,采用并行模式,可根据需要独选用或同时运行输煤一线和输煤二线。交叉模式是由输煤一线和输煤二线的有关设备组成的,仅在特殊情况下选用。并行模式 ①并行一线：联锁开车顺序:#5a皮带机→#4a皮带机→甲筛煤机→甲碎煤机→#3a皮带机→#2a皮带机→#1a皮带机→甲给煤机。联锁停车顺序:与开车顺序相反,延时时间按上述要求设定。

②并行二线：联锁开车顺序:#5b皮带机→#4b皮带机→乙筛煤机→乙碎煤机→#3b皮带机→#2皮带机→#1b皮带机→乙给煤机。联锁停车顺序:与开车顺序相反,延时时间按上述要求设定。4.4 PLC程序设计

1、程序总体设计

本程序总体采用的模块化设计，各个模块采用状态流程图设计方法来实现，即用顺序功能图编程后转为梯形图，主要是状态量较多，适合采用步进控制来实现。步进指令的要点有： ⑴只有已激活的步的程序才被扫描、被执行。

⑵在已激活步中，如果激活了后续步，则自然处于非激活状态。⑶在程序中，可把任意某步激活。

⑷当某步激活后，原来激活它的条件变化，不再对其产生影响。

① 程序模块1:初始化子程序.在PLC加电时根据各个开关的位置设立标志位.它仅在第一个扫描周期执行。程序的开机扫描，程序运行方式的选择并判断事故停车信号以实现事故停车。② 程序模块2：并行一线程序。③ 程序模块3：并行二线程序。

④PLC的输出信号控制电机的接触器,启动送高电平,停止送低电平。但是,碎煤机功率达90kW,给煤机功率达110 KW,需要变频降压启动,所以启动时PLC送一个正脉冲,停车时PLC送一个负脉冲。

2、程序特点.①特殊标志位的使用:使用特殊标志位SM0.1,使得初始化子程序(子模块0)仅在第1个扫描周期执行,而在以后的扫描周期不再执行。

②程序模块化:程序由不同子模块构成,各子模块独立完成各自功能,互不干扰,因而程序结构清晰,便于修改。

③定时器的使用:程序中,利用不同的定时器来设定不同设备的延时时间,可以灵活地根据控制要求进行延时时间的设定。5 模拟量控制系统的设计 5.1传感器

5.1.1跑偏传感开关的原理与应用

跑偏开关是带式输送机中关键的控制元件，主要应用在冶金、电力、煤岩、矿山及化工等行业的输送系统中。结合PLC控制，为输送系统自动化控制提供了可靠的传感元件。5.1.2 DPK系列的两级跑偏传感开关

1、概述

DPK系列的跑偏传感开关是立德公司研制的新一代产品，可用于输送机胶带跑偏的检测，防止由于胶带跑偏而造成物料溢出等故障。是输送机自动化控制不可缺少的传感元件。

3、技术参数

①使用环境条件 a.环境温度：-30℃～70℃ b.相对湿度不大于85%

4、结构特点

6、产品安装使用注意事项 ①产品外壳设有接地端子，用户在安装使用时必须可靠接地。②安装现场应不存在对铝合金有腐蚀作用的有毒气体。③产品的维修必须在安全场所进行，或当现场确认无可燃性粉尘存在时方可进 行。④本拉绳开关外壳必须保持清洁，粉尘堆积厚度不大于3mm。5.2 模拟量的PLC设计

5.2.1 模拟量输入在PLC编程中的设计

模拟量控制系统是指输入信号为模拟量的控制系统。控制系统的控制方式可分为开环控制和闭环控制。开环控制是根据控制的设定值直接向控制对象输出控制信号。闭环控是使用控制的设定值与反馈值的差进行控制的，以求得设定值与反馈值的偏差最小。模拟量控制系统的设计中，应该注意抗干扰问题。解决干扰的办法有4个。其一是接地问题，这里包括PLC接地端的接地，要真接地不要假接地，即直接接大地。其二是模拟信号线的屏蔽问题，屏蔽线的始端和终端都要接地，信号线的屏蔽是防止干扰的重要措施。其三是对某些高频信号要解决匹配问题，如果不匹配，很容易在信号传输中引送中引进干扰，使信号失真。其四是对信号进行滤波，可以采用硬件滤波和软件滤波。软件滤波主要是数字滤波。本设计中的皮带跑偏30°报警并停机的模拟量输入设计采用的开环控制，因为实践证实可以满足要求。

MOVW AIW0,VW0 #5a皮带跑偏传感器检测到的跑偏值传送到PLC寄存器VW0。–I +6552,VW0 VW0的内容减去6552，送VW0。

/I +131,VW4 VW0的内容被131除，得出皮带跑偏结果送 VW4。MOVW +30,VW2 #5a皮带机跑偏报警并停机值设定为30°。

W≧ VW4，VW2 检测值与设定值进行比较，若成立则继电器M0.0输出。6 PLC的抗干扰、维护和故障诊断

由于输煤设备的运行环境十分恶劣，大多数电气控制柜置于地平线以下，其湿热、高粉尘环境大大增加了电气接线和继电器吸合方面的故障。火电厂辅助系统空间往往十分狭小,控制系统设备、配电装置往往同室布置；电缆通道十分有限,经常是电气设备高压、低压动力电缆与控制电缆以及PLC控制系统信号电缆同向并排敷设。高电压、大电流的电气设备在启动接通和停运断开时产生的强电干扰可能会在PLC输入线上产生很强的感应电压和感应电流,足以使PLC输入端的光电耦合器中的发光二极管发光,使光电耦合器的抗干扰作用失效,导致PLC产生误动作，造成偶然性的误信号。输煤系统运行中，各种干扰信号多，是影响输煤程控系统稳定运行的重要因素。要使输煤程控系统安全稳定运行，增加其抗干扰能力是十分重要的。由于输煤系统运行条件恶劣，各类干扰信号较多，使得抗干扰问题成为输煤程拴设计、调试及运行中的一大难题。许多电厂输煤程控系统不能长期稳定运行，抗干扰能力差是其最主要的原因。6.1 PLC控制系统抗干扰措施

一般来说，PLC系统故障可分为内部故障和外部故障两大类，内部故障指PLC本身的故障，外

[9]部故障指系统与实际过程相连的传感器、检测开关、执行机构等部分的故障。系统中只有5%的故障发生在PLC内部，说明PLC的可靠性远远高于外部设备，提高系统可靠性的重点应放在外部设备方面。因此我们从硬件和软件两方面考虑，对外部设备综合运用以下几种抗干扰措施，在实际运行中收到了良好效果。6.1.1硬件措施

1、信号隔离

目前在电厂输煤程控系统中，现场设备与I/0模块之间的开关量信号是否需经继电器隔离，一直是设计中争论的焦点。有观点认为不需经继电器隔离，可将现场信号直接送到I/0模块，理由是I/0模块本身具有一定抗干扰能力，模块内的光电隔离器使信号在其内部、外部电路上完全隔离，再加上阻容滤波电路，便可有效防止干扰的侵入。同时，由于省去了中间继电器，系统接线简化，系统故障点也随之减少。我们通过对我厂输煤系统外部环境、PLC装置内部电路的分析以及实地运用的考察，认为PLC自身有良好的抗干扰性能，但在输煤控制时采用继电器隔离仍是十分必要。

2、电缆选择与敷设

开关量信号一般对信号电缆无严格的要求,可选用一般的电缆,信号传输距离较远时,可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线应选择屏蔽电缆。通信电缆要求可靠性高,有的通信电缆的信号频率很高,一般应选用PLC生产厂家提供的专用电缆,在要求不高或信号频率较低时,也可以选用带屏蔽的双绞线电缆。

3、接地屏蔽 传送模拟信号的屏蔽线,其屏蔽层应一端接地。为了泄放高频干扰,数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线,其电阻应小于屏蔽层电阻的1/10,并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线,或只考虑抑制低频干扰时,也可以一端接地。不同的信号线最好不用同一个插接件转接,如必须用同一个插接件,要用备用端子或地线端子将它们分隔开，以减少相互干扰。

4、模拟信号采用直流输入/输出

如果模拟量输人/输出信号距离PLC较远,应采用4-20mA或0-10mA的电流传输方式,而不是易受干扰的电压传输方式。

5、PLC应远离强干扰源

如大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备等。PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内,在柜内PLC应远离动力线(二者之间的距离应大于200mm)。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件,如继电器、接触器的线圈,应并联RC消弧电路。6.2 PLC的检修与维护

PLC的主要构成元器件是以半导体器件为主，考虑到环境的影响，随着使用时间的增长，元器件总是要老化的。因此定期检修与做好日常维护是非常必要的。[6]对检修工作要定个制度，按期执行，保证设备运行状况最佳。每台PLC都有确定的检修时间，一般情况下检修时间以每6个月至一年为宜，当外部环境较差时，可根据具体情况缩短检修间隔时间。参考文献: 1.陈立定等

电气控制与可编程控制器[M]，广州：华南理工大学出版社，2000.6 2.殷洪义

可编程控制器选择、设计与维护[M]，北京：机械工业出版社，2002.5 240～243 3.范永胜、王岷

电气控制与PLC应用[M]，北京：中国电力出版社，2007 4.李道霖

电气控制与PLC原理及应用[M]，北京：电子工业出版社，2004 10～16 5.赵春秀

浅析PLC的抗干扰维护[J]，东北电力学院学报，2000（2）

6.杨菊青

PLC在火电厂输煤控制系统中的应用[D]，西北化工研究院，2005.12 7.苏成斌

输煤程控系统的设计[D]，大庆石油学院，2003.6

8.陈在平，岳有军

工业控制网络与现场总线技术[M]，北京：机械工业出版社，2006 9.S7-200 PLC用户指南[M]，北京：西门子（中国）有限公司自动化部，2002 11～13 10.RSLogie5OOPLCUserManual，Roekwe11Internationa1Corporationl998 致谢:

本论文是在导师张继红老师的悉心指导下完成的。导师严谨的科研态度、渊博的知识、高尚的人格以及为人师表的风范使我受益匪浅。大学四年期间，在我的学习、课题设计中，张老师给了我大量的帮助和宝贵的意见，在这里谨向辛勤培育我的导师表示最真挚的感谢。在课题设计和完成论文的过程中，也得到了教研室其他老师和同学的帮助，在此一并表达我真诚的感谢!谢谢所有给过我帮助和鼓励的朋友！

第二篇：输煤机组控制系统

目录

第1章 PLC控制系统设计 ……………………………………………………4 1.1.PLC控制系统设计的基本原则 …………………………………4 1.2.PLC机型选择 …………………………………………………… 5 第2章 输煤机组控制系统设计要求 …………………………………………7 第3章 输煤机组控制系统硬件的选择 …………………………… …………8 第4章 输煤机组系统的设计 …………………………………………………10 4.0 输煤机组控制系统设计思路………………………………………10 4.1.主电路的设计………………………… 10 4.2.PLC硬件控制电路设计 …………………………………………12 4.3.PLC控制程序设计……………………………………………… 15 4.4.梯形图程序调试…………………………………………………20 第5章 课程设计总结

…………………………………………………………21 参考文献 ………………………………………………………………………21

第1章 PLC控制系统设计

1.1 PLC控制系统设计的基本原则

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

1.最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2.保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

3.力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，2

而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

4.适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。实际上PLC控制系统的设计，按照国外发达国家的标准：首先考虑的是系统的安全性、可靠性设计，然后才是根据控制工艺要求进行控制流程设计，然后就是编写切实可行、高效的PLC程序，这里在安全性、可靠性设计要求的前提下，编写相应的PLC程序非常重要，硬件上保证的安全性，以及软件PLC程序中的安全考虑应该同步进行。

1．2 PLC机型选择

PLC产品的种类繁多。PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC机型的选择

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。一 合理的结构型式

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便,一般于较复杂的控制系统。二 安装方式的选择

PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。三 相应的功能要求

一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。

对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。

对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。四 响应速度要求

PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。五 系统可靠性的要求

对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。六 机型尽量统一

一个企业,应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：

1)机型统一,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理。

2)机型统一,其功能和使用方法类似,有利于技术力量的培训和技术水平的提高。3)机型统一,其外部设备通用,资源可共享,易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。

第2章 输煤机组控制系统设计要求

输煤机组控制系统示意图如图所示。

磁选料器输煤方向给料器输煤方向YA(15kVA)送煤机P1破碎机M4(5kW)提升机送煤机P2煤送至卸煤仓M1(3kW)M2(3kW)M3(13kW)煤回收方向M5(75kW)回收机P2M6(3kW)

输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机M1～M6和一台磁选料器YA组成。SA1为手动/自动转换开关，SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4～SB9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。HA为开车/停车时讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员物煤机准备起动请注意安全。HL1～HL6为Ml～M6电动机运行指示，HL7为手动运行指示，HL8为紧急停车指示，HL9为系统运行正常指示，HL10为系统故障指示。

输煤机组控制要求：

(1)手动开车/停车功能：可对输煤机组单台设备独立调试与维护使用，任何一台单机开车/停车时都有音响提示，保证检修和调试时人身和设备安全。

(2)自动开车/停车功能：

1)正常开车 按下自动开车按钮SB1，音响提示5s后，回收电动机M6起动运行并点亮HL6指示灯；10s后，2#送煤电动机M5电动机起动运行并点亮HL5指示灯；10s后，提升电动机M4起动运行并点亮HL4指示灯；10s后，破碎电动

机M3起动运行并点亮HL3指示灯；10s后，1#送煤电动机M2起动运行并点亮HL2指示灯；10s后，给料器电动机M1和磁选料器YA起动运行并点亮HL1指示灯；10s后，点亮HL9系统正常运行指示灯，输煤机组正常运行。

2)正常停车 按下自动开车按钮SB2，音响提示5s后，给料器电动机M1和磁选料器YA停车并熄灭HL1指示灯，同时，熄灭HL9系统正常运行指示灯；10s后，1#送煤电动机M2停车并熄灭HL2指示灯；10s后，破碎电动机M3停车并熄灭HL3指示灯；10s后，提升电动机M4停车并熄灭HL4指示灯；10s后，2#送煤电动机M5电动机停车并熄灭HL5指示灯；10s后，回收电动机M6停车并熄灭HL6指示灯；输煤机组全部正常停车。

3)过载保护 输煤机组有三相异步电动机M1～M6和磁选料器YA的过载保护装置热继电器，如果电动机、磁选料器在输煤生产中，发生过载故障需立即全线停车并发出报警指示。系统故障指示灯HL10点亮，HA电铃断续报警20s，HL10一直点亮直到事故处理完毕，继续正常开车，恢复生产。

4)紧急停车 输煤机组正常生产过程中，可能会突发各种事件，因此需要设置紧急停车按钮，实现紧急停车防止事故扩大。紧急停车与正常停车不同，当按下红色蘑菇形紧急停车按钮SB3时，输煤机组立即全线停车，HA警报声持续10s停止，紧急停车指示灯HL8连续闪亮直到事故处理完毕，回复正常生产。

5)系统正常运行指示 输煤机组中，拖动电动机M1～M6和磁选料器YA按照程序全部正常起动运行后，HL9指示灯点亮。如果有一台电动机或选料器未能正常起动运行，则视为故障，系统故障指示灯HL10点亮，输煤机组停车。

第3章 输煤机组控制系统硬件的选择

PLC型号的选择

FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2n系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力，另外FX2n系列有大量的输入和输出适合本次设计（两组输入和三组输出）和它的大内存足够编写这些程序

FX2n系列：

电机选用需要注意事项: 在选用电机时，考虑负载需要多大的起动扭距，比如像带负载起动的就比空载起动的需要扭距就大。如果是大功率大负载起动，还要考虑降压启动（或星三角启动）；至于在决定了电机极对数后和负载的转速匹配问题，则可考虑用不同直径的皮带轮来传动或用变速齿轮（齿轮箱）来匹配。如果由于决定了电机极对数后经过皮带或齿轮传动后达不到负载的功率要求，那就要考虑电机的使用功率问题了

以下为电机部分配件图片

24v的指示灯

220v的报警器

第4章 输煤机组系统的设计

4.0 输煤机组控制系统设计思路

（1）将设计要求分为6个部分： 手动控制，自动控制，正常启动，正常停车，紧急停车，过载保护

（2）分别针对六个部分设计，其中正常启动和正常停车用步进指令设计可以有效防止干扰。

（3）根据实验要求将6各部分组合，在组合过程要注意干扰的产生。（4）程序设计成功之后，开始仿真，在仿真中可以发现程序中存在的问题，不断修改程序，反复试验，直到成功。

第三篇：浅析火电厂输煤PLC系统的设计

浅析火电厂输煤PLC系统的设计

摘要随着输煤系统自动化水平的不断提高，PLC系统在电厂输煤程控中得到越来越广泛的应用。本文对火电厂输煤PLC系统的设计进行了简要分析。

关键词输煤系统PLC 联锁运行模式 施耐德

一、前言

在现代集散控制系统中，PLC已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。在笔者开发的乌鲁木齐石化电厂三期输煤自控系统中，系统要求在远离输煤廊的主厂房控制室里，对两条输煤线的设备进行控制，并实时监测设备的运行状态。

鉴于电厂输煤系统的重要性，我们采用PLC实现输煤设备的联锁控制以保证其可靠性和特殊性，工业控制计算机则作为上位机与PLC互相配合，共同完成输煤系统的监控功能。本文将主要介绍PLC的控制应用。

二、PLC控制系统设计

1.PLC选型。根据输煤系统的自控要求，我们选用了法国施耐德公司的Quantum系列PLC，其具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。基本CPU单元选用的是CPU型号：67160，其性能如下：（1）采用Pentium II 266M芯片；（2）多种参数显示、诊断和设置：系统诊断、停机诊断、参数设置；（3）集成多种通讯端口：Modbus、USB、Modbus Plus、Ethernet（或光纤HSBY）；（4）可扩展内存：最大可达17M。

2.网络拓扑图。在本方案中，考虑到输煤系统的重要性，4个远程站通讯方式为冗余通讯，从而保证了不会因为通讯问题影响整个系统的稳定运行。

同时，为了保证在突然断电而不影响PLC系统的，在控制内为PLC系统配置了UPS电源，保证30分钟内PLC系统不断电，当电源恢复时系统自动运行。

三、运行模式

根据输煤过程的要求，本系统设计了两种运行模式。在一般情况下，采用并行模式，可根据需要单独选用或同时运行输煤甲线和输煤乙线。交叉模式是由输煤甲线和输煤乙线的有关设备组成的，主要由电动三通实现两条线之间的切换，可以根据现场实际情况调整运行线路。

四、设备的控制

1.皮带机的控制。无论是手动还是自动启动皮带机前，都要先响警铃20秒，通知在皮带周围的人员尽快远离，以免发生事故。皮带机是输煤系统的主要运输设备，因此对它的保护和要求也就相应的多了一些。在皮带机两侧设事故拉线开关，巡检人员发现皮带及其附近设备有异常情况时，可直接拉事故拉线，使皮带停止。

皮带重跑偏、纵向撕裂、打滑、管道堵煤等信号都直接进入了PLC，一旦其中某一个事故出现时，都要使皮带机立即停止。但是为了避免由于这些事故的假信号影响正常上煤，还设置了一些屏蔽这些信号的键，当操作人员能够确认某个信号为误动作时，就可以使用屏蔽键令这个信号不起作用，等信号处理好后，要马上恢复此信号的功能，以免造成更大的损失。2.电动三通挡板的控制。为了使上煤系统更加灵活，设置了4个电动三通挡板，并且要求其参与系统联锁，且能就地、程控操作。在自动工作状态下，当按下预启动键时，三通挡板根据选定的在其前后两条皮带的位置，自动完成通甲路或通乙路的动作（例如现在选中的是1#甲皮带和2#乙皮带，按下预启动键后，1#三通挡板就自动打在了通乙路的位置上），为下一步的程启做好准备。

但是由于种种原因，甲、乙路到位信号有可能在使用过一段时间后失灵，因此就又增加了甲路通到位和乙路通到位的假信号，在到位信号失灵后替代实际信号工作。

为了避免由于误操作而引起上煤中断，在已经运行的流程中对所有三通挡板操作无效（闭锁操作）。

3.除尘器。系统设置了15个除尘器，自动时，在预启动时启动，但在启动皮带时不判断除尘器是否运行。联锁手动时与所在带式输送机联动，在启动皮带前先输出启动除尘器信号，但不论除尘器启动与否，都继续向下启动皮带机。除尘器自身故障不连跳主设备。

4.除铁器。系统共有2个盘式除铁器和4个带式除铁器，自动时，在预启动时启动，但在启动皮带时不判断除尘器是否运行。联锁手动时与所在带式输送机联动，在启动皮带前先输出启动除铁器信号，但不论除铁器启动与否，都继续向下启动皮带机。除铁器自身故障不连跳主设备。

5.皮带秤。皮带秤输出的脉冲累加点用于计算累计上煤量。

6.震动给煤机。震动给煤机由变频器拖动，操作员根据需要，通过上位机设置频率达到合适输煤量。

7.斗轮机。斗轮机的控制是由斗轮机自带控制系统进行控制，输煤PLC系统只向其提供“允许堆煤”和“允许取煤”的信号，当斗轮机操作员收到信号后就可以对斗轮机进行相应的操作。为了防止系统误运行，对斗轮机运行信号和配煤流程程序进行了互锁。

8.滚轴筛。滚轴筛位于10#皮带和9#皮带之间，其作用是把煤炭进行筛分，筛下物直接落到9#皮带运往原煤仓，筛上物通过11#皮带和碎煤机进行破碎后送入原煤仓。当滚轴筛出现故障时，煤炭直接从9#皮带落在10#皮带上运往原煤仓，可保证原料的供应不会因为滚轴筛的故障而停止。

9.犁式卸煤器。犁式卸煤器共有八个，分布在四个煤仓上的甲乙两条皮带上面，其功能是把11#皮带上的煤炭卸到原煤仓中。

五、配煤方式

分为自动配煤、手动配煤和就地配煤3种方式。

在自动配煤方式下，当输煤系统发出“启动”操作后，配煤皮带（11号甲、乙）即先运行。当配煤皮带出现运行信号后，首先按照煤仓的顺序进行检测，从第一仓开始进行顺序配煤，将所有煤仓配至高煤位。此时如果某些仓不使用，则需要把这些仓置于停用状态，这样在轮到这个仓配煤的时候，就会把它跳过去，继续为下一个仓配煤。当所有仓都处于高煤位时，配煤就完成了。

手动配煤是由操作人员根据现场的煤位，在上位机上手动操作设备的运行/停止，完成原煤仓的配煤工作。

就地配煤是在现场由操作人员根据实际情况，操作小车的运行/停止，完成原煤仓的配煤工作。

六、结束语

这套系统目前已经运行了一年半时间，根据实际的运行情况证明：整个系统安全可靠，稳定性高，控制灵活性强。随着计算机和PLC技术的提高，输煤系统的自动化水平也在不断提高，目前已经做到了把相对分散的各个设备统一集中到一起控制的情况，几乎涵盖了全部的设备，这其中大部分设备可以自动顺序启/停，个别设备只能够上位机手动操作，表明了目前自动化水平的提高。相信随着我国电力工业的发展和计算机、PLC硬件及软件水平的不断提高，程序控制作为输煤系统的主要控制方式，在火力发电厂将得到更加广泛的应用。

第四篇：基于plc水塔水位控制系统设计

实 训（习）报 告

课程名称：专 业 综 合 实 训

专 业： 生产过程自动化

班 级：

学 号：

姓 名：

指导教师： 成 绩：

完成日期：

目 录

1、PLC简介.........................................................................................................1 1.1、可编程控制器的产生..................................................................................1 1.2、PLC的发展..................................................................................................3 1.3、PLC的未来展望..........................................................................................4 1.4、PLC的特点..................................................................................................4 1.5、PLC的组成..................................................................................................5 1.5.1、中央处理单元(CPU)................................................................................6 1.5.2、存储器.......................................................................................................6 1.5.3、输入/输出模块..........................................................................................8 1.5.4、扩展模块...................................................................................................9 1.5.5、编程器.......................................................................................................9 1.5.6、电源.........................................................................................................11 1.6、PLC的工作原理........................................................................................11 1.6.1、扫描技术.................................................................................................12 1.6.2、PLC的I/O响应时间.............................................................................13 1.7、梯形图程序设计........................................................................................13

2、方案的论证...................................................................................................15 2.1、工艺过程分析............................................................................................15 2.2、PLC型号的选择........................................................................................15 2.3、工作控制方式............................................................................................15

3、水塔水位系统PLC硬件设计.....................................................................17 3.1、水塔水位系统控制电路............................................................................17 3.2、输入/输出分配...........................................................................................18 3.3、水塔水位系统的接线图............................................................................18

4、水塔水位控制系统PLC软件设计.............................................................19 4.1、程序流程图................................................................................................19 4.2、梯形图........................................................................................................20 4.3、系统程序的具体分析................................................................................21

4.4、水塔水位控制系统梯形图的对应指令表................................................22

5、总结...............................................................................错误！未定义书签。致

谢.............................................................................................................24 参考文献.............................................................................................................25

摘要

在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用MCGS组态软件对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适当的位置。

关键词： 水位控制、欧姆龙PLC

1、PLC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、通行能力上的飞速发展，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—接触器控制已经有伤百年的历史，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，编程方便，现场可修改程序； 维修方便，采用模块化结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置； 数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器控制装置竞争； 输入可以是交流115V； 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；在扩展时，原系统只要很小变更；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，使得部熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在变成上发费大量地精力，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，市控制系统可方便地在需要地地方运行。所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。

PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAC/CAM）种跃居首位。

我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。

1.2、PLC的发展

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为三各阶段：

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这是的PLC多少由电继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上 以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置种的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采用广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。

这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，是各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。

进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。

1.3、PLC的未来展望

21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

1.4、PLC的特点 可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。配套齐全，功能完善，适用性强

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。易学易用，深受工程技术人员欢迎

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。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

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。体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.5、PLC的组成

PLC的硬件主要是由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元，通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。典型PLC组成框图如图1.1所示。

图1.1 典型PLC组成框图

1.5.1、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。

1.5.2、存储器

存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户程序存储器。

1、PLC常用存储器类型

（1）RAM（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。

（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除只读存储器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。

（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。

2、PLC存储空间分配

各种PLCCPU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。所谓用户程序时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。次程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。

1.5.3、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借口。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。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。数字两输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是0—5伏和0—10伏两种。模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给

执行机构。

1.5.4、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，使可编程控制器的功能更加强大和完善。只能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLCA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、智能存贮弄快以及智能I/O模块等。

1.5.5、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：

1.便携式编程器(也叫简易编程器)；2.图形编程器；3.用于IBM—PC及其兼容机的编程器。

便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。

图形编程器以液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT)作屏幕，用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。

使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。

用于IBM—PC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。编程器工作方式主要有编程和监控两种，编程工作方式是在PLC机处于停机状态

时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和修改。

监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中一种方式工作。

现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外形小巧，CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。不同厂家、不同型号的PLC的输入／输出点数也不同，有的大型机输入／输出点数可达16K，而很多小型机仅有10来点，而且CPU本身不带模拟输入与输出，但CPU一般都带有扩展接口。因此，用户选型后，所需的输入或输出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线或通过总线连接器与CPU相连。主要有数字输入／输出模板，模拟输入／输出模板，热电阻、热电偶扩展模板，还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。

用扩展模板来扩展系统具有以下的优点：

用户可根据自己时间控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对PLC作硬件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不必要的投资。

当已运行的系统需要改造或扩充时，PLC可以随时进行升级或改版，所作的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。特殊模板及智能模板的开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。

1.5.6、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。

目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。通常根据其I/O点的数量将 PLC分为三大类：

小型机：256点以下（无模拟量）；

中型机：256 ~ 2048点（64 ~ 128路模拟量）；

大型机：2048点以上（128 ~ 512路模拟量）。

具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置。但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU，甚至两者都作了热备份。

1.6、PLC的工作原理

最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：

继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。而PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC

与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

1.6.1、扫描技术

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。如图2.2所示：

图1.2 PLC 扫描周期

1、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。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2、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态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

3、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。这时，才是PLC的真正输出。

1.6.2、PLC的I/O响应时间

为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可*性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。

1.7、梯形图程序设计

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。

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“o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、状态器等的线圈以及各种比较、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。

2方案的论证

2.1、工艺过程分析

水塔水位控制系统过程分析：设水塔、水池初始状态都为空着的,此时S4,S3,S2,S1均为ON。当系统启动时，扫描到水池为液位低于水池下限位时，电磁阀Y打开(10.02通电)，开始往水池里进水，如果进水超过4S，而水池液位没有超过水池下限位（传感器S4仍为ON），说明系统出现故障，系统故障指示灯闪烁（10.03闪烁）。若4S后只有水池液位按预定的超过水池下限位（传感器S4变为OFF），说明系统在正常的工作。此时只有水池下限位有水，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限（S2为ON），故水泵M（10.04通电）开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时（传感器S3变为OFF），电磁阀Y就关闭（10.02失电）。但是水塔现在还没有装满，水泵M继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔装满时（传感器S1变为OFF），水泵M停止供水（10.04失电），此次给水塔供水完成。

2.2、PLC型号的选择

输入:系统启动按钮一个,系统停止按钮一个,液位传感器四个分别表示为S4,S3，S2和S1。输入一共有6个，考虑到留有15％～20％的余量即6×（1＋15％）＝6.9取整数7，所以共需7个输入点。

输出:Y阀,故障指示灯 ,水泵M。输出共有3个，3×（1＋15％）＝3.45取整数4，所以共需4个输出点。可以选OMRON公司的CPM1A/CPM2A型PLC就能满足此例的要求。

2.3、工作控制方式

采用工控机作为上位机、PLC系统作为下位机的两级控制模式。PLC控制系统是该程控系统的核心，工控机作为监控机械手的运行状态使用。

1、上位机：计算机作为上位机，用于完成状态显示、打印输出、向PLC发送分类控制信号等功能，从而实现对控制系统的实时监控。同时，计算机还是图象处理的核心。

2、下位机：PLC作为下位机，用来完成状态判别、输出控制等工作。它直接控制电磁阀、继电器，从而实现对各执行元件的控制。本系统采用价格适中、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器欧姆龙CPM2A型PLC来实现水塔水位控制系统工艺的控制要求的。欧姆龙PLC是由电源、中央处理器和I/O元件组成的严密高速的程序控制器，配有丰富的指令系统，易于用户编程，具有丰富的特殊模块和通信能力，可以满足生产自动化的多级要求。本系统采用CPM2A是一种功能完善的紧凑型PLC，大程序容量和存储单位。另外CPU单元带RS-232C接口，具有PPI、MPI等通信协议可实现程序传送，数据通信等功能。

欧姆龙公司C系列的小型机CPM2A型PLC 20点输入/输出，配有CX-Programmer软件用于控制部分编程时使用。

3、通信方式：CPM2A CPU支持多样的通信协议：点到点（Point-to-Point）接口（PPI）、多点接口（Multi-Point）（MPI）。这些都基于系统内通信结构模型，都是异步、基于字符的协议。其中PPI方式是非常简单方便的通信协议，只需要一根RS-232C线进行数据信号的传递，不需要额外再配置模块或软件。因此，本系统选择PPI方式，简单且能满足通信要求。CPM2A型PLC上配有RS-232C的通信接口，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和计算机互联。

上位机与下位机之间通过RS-232连接构成HOST LINK协议进行通信。RS-232又称为EIA-232C或RS-232C，是最通用的一种串行通讯标准。它是一种点到点的通信方式，只能连接两个通信设备。19200波特率时，最大距离为75米；9600波特率时，最大距离为900米。计算机的串口即为标准的RS-232接口。使用RS-232转换器可以免掉一个RS-422串行接口板。

3、水塔水位系统PLC硬件设计

水塔水位控制系统结构图如图3.1所示

图3.1 水塔水位自动控制示意图

3.1、水塔水位系统控制电路

图3.2 水塔水位控制系统电路图

3.2、输入/输出分配

水塔水位控制系统I/O分配表见表3.1。

表3.1 水塔水位自动控制系统I/O分配表

输入

操作功能 启动按钮 停止按钮 液位传感器s4 液位传感器s3 液位传感器s2 液位传感器s1

地址 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Y阀

输出

操作功能 故障指示灯 水泵M

地址 10.02 10.03 10.04 3.3、水塔水位系统的接线图

水塔水位控制系统的I/O接线图如3.3 所示：

图3.3 水塔水位控制系统接线图

4、水塔水位控制系统PLC软件设计

4.1、程序流程图

水塔水位控制系统的流程图，根据设计要求控制流程图如图5.1：

图4.1 水塔液位自动控制系统流程图

4.2、梯形图

PLC控制程序用CX-Programmer编程软件开发。CX-Programmer是OMRON公司PLC的软件编程﹑调试的工具程序，其运行在Windows操作系统下，具有丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能。可实现梯形图的编程、监视和控制等功能，尤其擅长于大型程序的编写，弥补了手编程器编程效率低的不足[1]。CX-Programmer编程软件支持模块化设计，在程序编写时可以直接将编写好的程序通过RS-232C传送到PLC来控制现场设备。根据程序流程图设计的梯形图如5.2所示：

图4.2 水塔水位控制系统梯形图

4.3、系统程序的具体分析

PLC采用循环扫描的的工作方式，这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以“串行”方式工作的，它能有效地避免继电接触器控制系统中易出现的触点竞争和时序失配的问题。

PLC执行用户程序是从梯形图左母线开始由上至下，由左向右逐个扫描每个梯级的每个元素，进行运算，此时CPU只是与映象区进行数据交换，读取输入数据，送出输出信号。当CPU执行到END指令时，表示程序段结束，则此次扫描用户程序结束。PLC控制程序分析

实现功能：当按下00000系统启动按钮,中间继电器20001得电并自锁,系统处于等待状态并一直保持。按下00001停止按钮系统的运行停止。

实现功能：当水池水位低于水池低水位界（S4为ON表示），阀Y打开进水(Y为ON),当S3为ON后，阀Y关闭（Y为OFF）。

实现功能：当Y打开进水（Y为ON）定时器开始定时，4秒后，如果S4还不为OFF，那么阀Y指示灯闪烁，表示阀Y没有进水，出现故障。

实现功能：当S4为OFF时（表示水池水位高于水池低水位界），且水塔水位低于水塔低水位界时S2为ON，电机M运转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时电机M停止。

4.4、水塔水位控制系统梯形图的对应指令表

水塔水位控制系统指令表如图4.3所示：

图4.3 水塔水位控制系统的指令表

总结

五个星期的PLC实训很快结束了，在这短暂的实训时间里，经过老师、同学的指导，我获益匪浅，学习了不少关于自己专业方面的知识。

在完成项目期间，我们组的分工明确，有负责编程的，有负责报告找资料，有负责画电路图的……虽说分工明确，但在完成项目过程中遇到些麻烦的话组员之间还是相互配合相互帮助尽量让每个学员学到更多的专业知识，使每个组员更上一个层次。实训期间，我主要负责编程、报告及找资料，但这并不是说我在其他组员做他们任务时置之不理，与我无关。我在旁边和组员一起，参与其中的讨论分析，并会不时帮助他们完成任务。而同样我在做我的任务时，他们也会经常帮我解决一些我无法解决的问题。这样，我们组在完成这两个项目还是比较顺利的。

我做的这个题目是有关与PLC系统理论与实践相结合的设计。在此时对以前学习的知识的挑战与突破。在对这个设计的材料搜索进行独立搜索时，对于办公软件的应用有了进一步的提高。同时在对搜集的材料进行整核，结合所学理论知识，以及实际应用操作的情况下，提高了实际操作和独立解决问题的能力。

通过这次设计实践。让我更熟练的掌握了PLC软件的简单编程方法，对于PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理论的运用中，也提高了我的工程素质。刚开始学习PLC软件时，由于我对一些细节的不加重视，当我把自己想出来的一些认为是对的程序运用到梯形图编辑时，问题出现了。转换成指令表后则显示不出很多正确的指令程序，这主要是因为我没有把理论和实践相结合，缺乏动手能力而造成的结果，最后通过老师的纠正和自己的实际操作，终于把正确的结果做了出来，同样也看清了自己的不足之处。

如今设计是做完了，可是我的学习之路还没有完，这次实训让不仅学习了不少与自己专业相关的知识，而且还懂得了团队的力量，并且让自己更相信一分努力一分收获，积极的学习态度在以后的学习、工作中是永远缺少不了的！并明白人这一辈子不能仅仅局限于那一点点满足感，要放眼望去，通过去参与各种实践，提升自己的动手能力，创造属于自己的未来。

致

谢

本文是在指导老师悉心指导下完成的。从论文的选题到相关材料的收集，从论文框架的设计到具体内容遣词造句，每一章节都凝聚着指导老师的心血。在此，学生表示最诚挚的谢意。在老师严谨的治学态度、积极的人生观、学术上孜孜追求的精神以及对学生无微不至的关怀，都给我留下了终生难忘的印象，必然将对我以后的学习和生活产生重要影响。

在完成整个论文期间，对各位老师、同学、朋友、亲人辛勤劳动以及他们在治学和人品上给予我的深刻影响，我同样铭记在心，并表示由衷的感谢。

在此，我向所有在学业上、生活上帮助、理解、支持我的老师、同学、朋友和亲人致以最真诚的谢意。

最后，感谢各位专家、学者在百忙之中审阅我的拙作。

参考文献

[1] 廖常初．《PLC基础及应用》．北京 机械工业出版社，2004 [2] 王兆义．《可编程序控制器教程》．北京机械工业出版社 2005 [3] 张万忠.《可编程控制器应用技术》.北京：化学工业出版社，2001 [4] 方承远.《工厂电气控制技术》.北京：机械工业出版社，2007 [5] 肖峰.《PLC编程100例》.北京：中国电力出版社，2009 [6] 张桂香.《电气控制与PLC应用》.北京：化学工业出版社，2003 [7] 吕景泉．《可编程序控制器技术教程》．北京：高等教育出版社，2000 [8] 李俊季、赵黎明.《可编程控制应用技术实训指导》.北京：化学工业出版社，2001

第五篇：基于plc机械手控制系统的设计

基于plc机械手控制系统的工程设计 课题背景及研究意义

机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。

可编程序控制器（PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一。

由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。

组态王是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域中有着广泛的应用。本设计通过组态软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化。机械手

2.1 机械手介绍

Mechanical hand也被称为自动手，Auto hand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

2.2机械手的分类

机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用 机械手有2~3个自由度。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

2.3机械手的特点

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

1.机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。

2.在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

3.可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。

4.可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。

5.宇宙及海洋的开发。

6.军事工程及生物医学方面的研究和试验。

2.4 机械手的构成

机械手简述：机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

1.执行机构 机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。

2.传动系统 执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

3.控制系统机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作。动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制 机械手控制方式的选择

3.1 控制方式的分类

传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷：

(1)仅适合于简单的逻辑控制；

(2)仅适合特殊的工程项目，而没有通用性；

(3)没有改动和优化的可能性。伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点：

(1)硬件上至少有一个微处理器；

(2)通过软件实现控制思想。

目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：

(1)可编程序逻辑控制器（PLC）；

(2)工业控制计算机（IPC）；

(3)集散控制系统（DCS）。

3.2 PLC与工业控制计算机（IPC）和集散控制系统（DCS）的比较及选型

1.各自技术发展的起源

计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。

集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。

近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和PID调节等功能模块；运算速度提高，CPU的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络(LAN)，因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到PLC系统中。PLC在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。

2.相同点 在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，PLC、工业计算机、集散系统(DCS)之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O模件组成。编程方面也有很多相同点。

3.不同点由于PLC和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。

PLC用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。

特别需要提出的是，PLC与STD总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。PLC更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于STD工控机，但是从开关量控制而言，PLC的性能优于STD工控机。

总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品。

本章小结

本章主要介绍了机械手的来源、研究背景及研究意义，机械手的分类、特点。由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。此机械手易于操作，性 能可靠。机械手的控制方式可以有多种，本文主要研究通过PLC来控制机械手。