PLC小车自动往返控制课程设计

摘 要

随着电子技术的发展，可编程控制器不断更新、发展，可编

程控制器在中低频电器开关控制领域应用十分广泛。这是因为,

它与传统的继电器控制相比具有不可比拟的优点: 它结构紧凑,

编程容易, 强弱电并用, 控制速度快, 抗干忧性能强, 故障率

低, 与外围电路的连接简单等。PLC控制是自动控制中最常见控

制方式之一，小车自动往返与定位控制就是控制应用的一个典型

例子，由于可编程控制器具有很好的处理小车自动往返与定位控

制以及良好的稳定性，而且可以很简单的改变控制的方式，因此

运用PLC来设计小车自动往返与定位运动越来越普遍。

本设计是基于PLC的小车运动控制系统的设计，在设计中是

利用西门子S7-200系列PLC编程语言来设计的，系统中运用继电

器、位置传感器相互作用来完成控制，并且PLC根据开关信号来

控制电机的启停、左行和右行的转换，再由传动装置带动小车运

动，最后运用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行仿真调试，进而

来满足设计的要求。

关键词：小车循环往返运动 PLC CPU226CN

目 录

1 选题背景及意义 .................................. 1

2 系统简介 ........................................ 2

3 PLC简介 ........................................ 4

3.1 PLC的定义 ....................................... 4

3.2 PLC的发展 ....................................... 4

3.3 PLC的特点 ....................................... 5

3.4 PLC的基本组成及各部分作用 ....................... 5

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...................................... 14

结 论 ............................................ 17

参考文献 ............................................ 18

1 选题背景及意义

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。

随着技术的发展，其控制功能不断增强，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，被公认为现代工业自动化三大支柱之

一。

本设计针对现代自动配货，配料运输等工业生产和商业运营

的社会需求，设计一种小车直线定位控制系统。通过本次设计使

学生掌握PLC控制的小车直线定位系统的构成及设计方法；掌握

PLC控制程序设计，调试方法；培养学生综合设计能力，创新能

力，分析问题与解决问题的能力。

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2 系统简介

小车直线运动系统图如图2-1所示：

图2.1 小车直线系统图

直流电机主接线图如图2-2所示：

图2.2

直流电机主接线图

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如图所示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

图中电机继电器有信号时小车开始运动，并且所对应的方向

指示灯（左行指示灯，右行指示灯）亮，在通过任何一站时电池

感应器会得到一个脉冲信号，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。

PLC:S7-200 CPU226CN DC\DC\DC

位置传感器：OMCH KJN5002A

继电器：JZX-18FF 24VDC

电机：ZGA37F104i DC24V 30rpm

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3 PLC简介

3.1 PLC的定义

委员会(International Electrical Committee- IEC),1987

年的第三版对PLC作了如下的定义: PLC是一种专门为在工业环境

下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编程序的

存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计

算和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和

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GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的

要求，并公开招标提出十项标准:

(1)编程方便，现场可修改程序；

(2)维修方便，采用模块化结构；

(3)可靠性高于继电器控制装置；

(4)体积小于继电器控制装置；

(5)数据可直接送入管理计算机；

(6)成本可与继电器控制装置竞争；

(7)输入可以是交流115V；

(8)输出为交流115V, 2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器

等；

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(9)在扩展时，原系统只要很小变更；

(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

1969年，美国数字公司(DEC)研制出了第一台可编程序控制

器，满足了GM公司装配线的要求。这种新型的工业控制装置简单

易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，

很快在美国其它工业领域推广使用。随着集成电路技术和计算机

技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。

3.3 PLC的特点

PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分

不开的:

（1)功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它

均能满足；

（2)应用灵活， 其标准的积木式硬件结构，以及模块化的

软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，

而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合；

（3)操作方便，维修容易，稳定可靠。尽管PLC有各种型号，

但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也

很好，一般平均无故障率可达几万小时。

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

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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。

（一）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:

(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

(2) 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;

(3) 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;

(4) 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;

(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。

（二）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:：

（1）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.

（2）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

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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。

（3）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。

（三） 1/0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.

（四）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。

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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。

（五）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。

（六）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。

（七）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

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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

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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。

但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实

际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据

控制要求进行设计编制。

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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：

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

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

图4-3 程序梯形图

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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：

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

5.3 程序梯形图