电气工程及其自动化毕业论文基于PLC的设计毕业论文

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目录

第一章西门子S7-200PLC概述 (1)

1.1可编程控制器概述 (1)

1.1.1 PLC的组成 (1)

1.1.2 PLC的功能 (2)

1.1.3 P L C的特点 (3)

1.1.4 PLC的发展状况和前景 (3)

1.2 西门子S7-200系列PLC概述 (3)

第二章主控制器的选择 (5)

2.1喷泉控制系统的设计要求 (5)

2.1.1 花式喷泉系统整体设计概况 (5)

2.1.2 花式喷泉的具体控制要求 (6)

2.2 主控制器选择 (7)

2.3系统主电路设计 (8)

第三章喷泉控制系统设计 (8)

3.1 喷泉控制系统的控制原理 (8)

3.2 喷泉系统控制的输入输出点分配 (9)

3.3 系统接线分布 (9)

3.4 梯形图分析 (10)

3.5 程序运行分析 (18)

第四章喷泉控制系统设计程序调试 (19)

总结 (25)

参考文献 (28)

致谢 (29)

第一章西门子S7-200PLC概述

1.1可编程控制器概述

Programmable Logic Controller，即可编程控制器，是在结合了微型计算机原理和继电器常规控制原理的前提下、充分吸收利用微型处理器控制和继电器顺序控制的优点，并将其运用到数字控制领域的新型控制器[2]。作为一种新的控制器，可编程控制器有着自身独特的编程方法，不同于一般微型计算机编程语言，而是另辟蹊径，采用梯形图这种象形编程方法。独特的编程语言，配合其自身的模块化构造，从而形成了清晰明了、直观易懂、便于学习、易于维修的特点[3]。可编程控制器不仅可以借助其微处理器的优点，来满足工业应用的需求，而且可以方便专业人员的维护与检查[4]。

1.1.1 PLC的组成

PLC分为两类。其中，单元式也可称作整体式，模块式也可称作组合式[5]。单元式PLC的机箱内不仅装有其各个部件，也可加装扩展模块。模块式PLC则将单元式PLC的每一个部件分别做成与之对应的电路模块，并用总线连接起来，组成一个完整的PLC。单元式PLC的外观较小，多用于小型机。而模块式PLC 的体积较大，配置也相对灵活，可以根据不同用户的不同需求，配置不同的模块，以满足广大用户[6]。

图1-1 单元式PLC构造示意图

图1-2 模块式PLC构造示意图

1.1.2 PLC的功能

PLC自1969年问世以来，40余年间，获得了极大的发展，已经成为一个独立的行业，成为自动控制装置的主导。这与其强大的功能是分不开的[7]。PLC的主要功能如下：

1）多种控制功能。

2）数据处理功能。

3）通信联网功能。

1.1.3 P L C的特点

作为一种新的控制器，可编程控制器有着自身独特的一些优点，这些优点不仅促进了P L C的开发和利用，也给用户提供了良好的用户体验[8]。

1）可靠性强，抗干扰。

2）功能相对较多、适用性强。

3）简单易学、便于使用。

4）功耗低、性价比高。

5）易于安装、调试、维护。

1.1.4 PLC的发展状况和前景

在PLC诞生之前，工业上借助于继电器电路和接触器电路构成的控制系统来满足工业电器生产的需要。由于受到自身缺点的限制，继电器控制系统在对顺序、时序等动作进行控制和对开关量、模拟量等信号量进行处理时，有着明显的不足[9]。

在1969年，美国DEC公司研发了第一台PLC，开辟了计算机技术在工业控制领域应用的新局面。在随后的七十年代，PLC技术逐渐发展并走向成熟。到了九十年代，PLC的运算速度有了更进一步的提高，功能有了更加全面的开发，在工业控制领域的应用也越来越广泛[10]。近年来，随着技术发展，PLC的运行速度也越来越快。

在未来，PLC的发展方向将沿着其规模和功能大致分为两个方向。其中，大型PLC将沿着运行速度更快、运行容量更大的方向发展[11]。与之对应，小型PLC 将会衍生出一种体积更小、成本更低、功效却得到提高的系列，以适应小型控制系统自动化的需要。

1.2 西门子S7-200系列PLC概述

西门子S7-200系列PLC，属于单元式，主要用于中小型系统[12]。

其基本组成包括五大部分。

图1-3 西门子S7-200系列PLC的系统结构

基本模块也称作CPU模块。主要包括CPU、电源、输入输出单元等部件。这些单元都安装在一个集成模块内，构成了PLC的核心控制装置[12]。其CPU模块技术指标如下：

表1-1 S7-200PLC的CPU模块技术指标

第二章主控制器的选择

在考虑到花式喷泉的控制要求和控制元件的性能体现之后，本设计选定西门子S7-200系列PLC为控制元件。

2.1喷泉控制系统的设计要求

本设计的重点在于控制系统的开发设计。接下来就具体的参数和设计标准做一个探讨。

2.1.1 花式喷泉系统整体设计概况

花式喷泉系统主要有五种不同大小的喷头组成，五个喷头分布在一个圆心和四个同心圆上，由内而外分别标定为ABCDE。从喷头A到喷头E，喷水的高度和强度依次递减，而每一种型号的喷头数目依次递增。花式喷泉系统的喷水花式由不同的喷头组合喷水而成。比如：花式一由喷头A单独喷水，花式三由花式喷头ACE组合喷水，花式六由喷头BCD组合喷水，由而花式八则由所有喷头一齐喷水。

表2-1 花式喷泉系统喷水花样表

喷泉系统中，各种不同的喷水花式组合成了喷泉系统的喷水模式。喷泉系统的喷水模式暂设定为四种，每一种都有八种喷水花式按特定的顺寻排列组合而成。其中，模式一为从花式一到花式八依次喷射；模式二只是将模式一中的花式三和花式七的喷射顺序对调；模式三则是将模式一中的花式四和花式五的顺序对调；模式四中对调的则是花式六和花式七。

2.1.2 花式喷泉的具体控制要求

设计的具体控制要求大致如下。

首先按下开关按钮，电路接通，系统准备运行。然后，按下点动/连续运行按钮，选择运行方式。再按下喷水模式选择按钮，选择具体的喷水模式，喷泉进入运行状态；最后，当按下停止按钮时，喷泉运行停止，电源断开。在点动运行时，需要选择喷水模式；在连续运行模式中，则默认将选择的喷水模式一直运行下去。控制流程见下图。

连

续

运

行

方

式

图2-1 喷泉控制系统设计流程图

2.2 主控制器选择

控制方式主要有四个选择。其中包括：继电器控制、单片机控制和PLC控制。在这其中，PLC控制又包括选用S7-200PLC和S7-300PLC。可在综合考虑这四种控制方式的优劣后，选择一个合适的控制方案。

继电器控制系统常用于控制远距电路和小容量电路的关断和接通，适于交、直流电力系统，并为之提供信号转换、系统保护等控制作用。继电器控制系统具有可输入量种类多、线路简单、可用很小的控制系统直接控制较大的负载的优点[13]。但是由于这种控制方式对硬件依赖程度较高，容易受到元件老化、电弧等因素的作用和粉尘、湿度等因素的干扰，其可靠性难以得到绝对的保证，受外界因素的影响较大[13]。

单片机作为主控制器，在工业控制领域具有诸多优点。但是，单片机对使用人员的专业技术要求相对较高，必须由专业的技术人员进行开发设计，才能充分发挥单片机的自身优势；同时，单片机还具有出现故障后维修不易等特点，因此

在喷泉控制方面具有一定的局限性[14]。

假设选用西门子S7-300系列PLC，则可以实现S7-200系列PLC能够实现的全部功能。但花式喷泉的控制需要，却无法完全开发利用西门子S7-300PLC，存在一定的浪费，并且提高了喷泉控制系统的成本[15]。

综合考虑四种控制器的情况，西门子S7-200系列PLC的控制性能和设计成本适合喷泉控制系统的要求，因此选用其作为喷泉控制系统的主控制器。

2.3系统主电路设计

花式喷泉系统主要有五种不同大小的喷头组成，不同的喷头喷水就组合成了不同的喷水花式，而将这些喷水花式按照特定的顺序排列起来，使之依次喷水，就组成了不同的喷水模式。系统共有五个喷头，来控制五种不同的水柱。与之对应，主电路中接有五个电机，对应驱动五个喷头。

图2-2 系统主电路图

第三章喷泉控制系统设计

3.1 喷泉控制系统的控制原理

参照喷泉控制系统的设计原理，喷泉的控制程序主要由四段控制程序组成。第一段程序，用来在点动运行时，喷控制水花式的转换。在梯形图中，这一段程序包括网络2到网络4，共有3行。第二段程序，用来选择不同的喷水花样。在

梯形图中，这一段程序包括网络6到网络9，共有4行。第三段程序，用来在连续运行时，控制喷水模式的循环。在梯形图中，这一段程序包括网络10到网络13，共有4行。第四段程序，用来实现对喷头喷水的控制。在梯形图中，这一段程序包括网络14到网络18，共有5行。喷泉的控制系统就是通过这四种程序，来实现对喷泉系统整体的控制的。

3.2喷泉系统控制的输入输出点分配

电路中，从I0.0到I0.7的八个输入对应八个开关，以控制开通、关断、连续运行、点动运行四个功能按钮和模式一到模式四的四个选择按钮；从Q0.0到Q0.4的五个输出分别对应主电路控制的五个电机。

表3-1 输入输出点分配表

3.3 系统接线分布

在接线分布图中，从I0.0到I0.7的八个输入对应八个开关，以控制开通、关断、连续运行、点动运行四个功能按钮和模式一到模式四的四个选择按钮。这些选择按钮按下，则会将输入信号输入到控制器中；经过控制器内置程序的逻辑运算，这些输入信号将转换为相应的输出信号，实现对喷泉硬件部分的驱动。与之对应，从Q0.0到Q0.4的五个输出分别对应主电路控制的五个电机，来控制五

个喷头的工作。

图3-1 接线分布图

3.4 梯形图分析

图3-2 移位与循环程序（1）

在这一行，M10.0左侧的元件全是常闭，因此，位存储器M10.0是导通的。这一行的作用，是与后续的三个网络一起，控制信号的移位和循环。

图3-3 移位与循环程序（2）

当M0.1闭合一个周期，信号就会传递到ROL-W 。ROL-W 的作用是将信号进行循环移位操作。它可以将MW10中的信号，向左移动一位。具体到这一段程