S7-200PLC控制的料车行走系统设计
3 控制系统硬件设计
3.1 PLC概述
美国DEC公司根据通用汽车公司提出的十项指标研发的控制器PDP-14是全世界公认的第一台可编程控制器。它第一次以程序化的方式运用于电气控制项目中，并且在通用汽车生产线上成功运用。它的独创性意义在于引入了程序控制功能，加速促进了计算机控制技术在工控领域的控制地位[5]。
随着网络技术的发展使得PLC在大数据处理、人机接口(HMI)和现场总线等方面的性能得到很大提升，PLC控制还增加了许多特殊功能（如高速计数、PID控制单元、脉冲宽度调制等）使其在以模拟量过程控制领域也占有重要地位。 3.1.1 PLC的组成和工作原理
PLC的控制过程采用程序存储的方式将系统程序和用户程序存储起来，通过外部接口设备将现场实时采集数据送进PLC，然后根据用户控制程序执行相关的逻辑运算，数学运算、通信连接、定时器定时和计数器计数，通过PLC自身CPU强大的运算功能执行相关的逻辑、比较、PID等的运算操作，并将运算结果通过数字或模拟输出的控制口传送给外部设备。PLC逻辑电路采用软件设计，由用户编写的控制程序体现了用户需要控制的特定的输入和输出的关系。PLC基本组成部件如图2示。
存存存存ROM/RAM存存存存存+存存存存扩展单元扩展接口存存存存存CPU外部设备接口PLC存存存存存存存存存存存存存存存存存存存PLC按串行扫描的方式执行用户程序来实现系统的控制要求。执行用户程序时从第一行指令开始执行，按照从左向右从上到下逐条执行直到程序结束为止。用户程序每被PLC执行一次PLC就扫描一遍所有元件的状态并按控制程序的要求进行相应的操作和动
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I/O存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存
图2 PLC基本组成部件
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作，我们把程序执行一遍所需要的时间叫PLC的扫描周期。理论上PLC扫描时间越短，其性能越好。PLC正常工作时将以循环扫描的方式扫描程序。PLC运行过程主要分为三个阶段即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。理解这三阶段是掌握PLC的基础工作，只有深入了解其过程才能对PLC系统有深刻的认识。 3.1.2 PLC控制系统设计的原则和步骤
工业控制系统必须满足工厂生产工艺要求、效率和质量等的相关方面要求。PLC控制系统设计需要遵循以下原则:一是必须满足生产工艺要求；二是力求系统简单、经济、维护方便；三是必须保证系统安全性可靠性；四是选型上要留有适当的余量。PLC控制系统的一般步骤如图3所示。
分析评估控制对象PLC机器选型和I/O设备选择I/O口地址分配程序编制电气系统安装联机调试现场安装调试用户使用
图3 PLC控制系统的一般步骤
3.1.3 PLC的型号选择和I/O分配
控制系统选用PLC机型应从系统I/O点数、是否需要特殊功能、ID功能、通信功能等方面。基本原则必须在满足基本功能的情况下，保证可靠、维护方便。PLC品牌的种类很多，比较知名的品牌有西门子、三菱、泰达、欧姆龙等。
首先根据控制系统的需要明确设计系统所占用I/O点数，对PLC I/O点数给出合理估计，最后在这个统计的数量上增加30%的余量计算出所需要的I/O的总数。经计算系统共需要数字量输入点15个没有模拟量输入点，数字量输出点14个没有模拟量输出点，再给出30%的余量需要的点数为39个，不需要其它的特殊用模块。S7-200系列CPU226满足条件，由于实验设备条件的局限本次设计使用实验室的CPU224作为控制系统核心，S7-200PLC的CPU224具有14入10出的数字量I/O口设计，S7-200PLC的CPU224外观如下图4所示。用户还需要考虑所选用PLC的相关技术支持，采购同一型号能够为以后维护带来方便同时还有利于系统改造升级等。
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图4 S7-200PLC CPU224外观
本料车系统的工艺过程比较简单且固定，使用过程中维修量比较小，因此选用整体式PLC。控制系统对速度没有过于严格的要求而且过程中采集的输入和输出均是开关量信号所以小型机就能满足要求。工作环境也是PLC选型时需要考虑的重要因素。例如现场温度、湿度、粉尘、信号屏蔽、高压电压和高压电流信号的干扰等。因此需要选择适合实际工作环境的PLC产品。PLC输出方式有继电器方式、晶体管方式、晶闸管方式三种。通过分析系统输入和输出特点，本系统要求输出开关动作不频繁而且速度也不高因此采用继电器输出模式。继电器输出模式相对价格比较便宜，可以带交、直流两种负载。
PLC选型确定之后，需为控制系统定义分配I/O口，我们最好把各个I/O口的名称和地址以表格的形式列出，做好这一步可为以后的程序设计和修改带来诸多便利。
系统I/O配置如下表1示。
表1系统I/O配置
输入信号 编码器A相输入 编码器B相输入 编码器Z相输入 初始地启动 系统急停 系统故障启动 初始地行程开关 折返点行程开关 判料传感器 挡板正向限位开关 挡板反向限位开关 初始点保护限位开关 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 输出信号 继电器K1 继电器K2 接触器KM3 接触器KM4 接触器KM5 接触器KM6 接触器KM7 接触器KM8 变速1（继电器K3） 变速2（继电器K4） 故障1指示灯 故障2指示灯 7
Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 S7-200PLC控制的料车行走系统设计
折返点保护限位开关 消铃按钮 试灯和试铃按钮 I1.4 I1.5 I1.6 故障3指示灯 报警电铃 Q1.4 Q1.5 控制系统I/O接线包括有欧姆龙旋转编码器的电源和输出，S7-200PLC数字量输入和数字量输出，西门子MM440变频器的输入需接到交流380V电源上和输出需要与行走电机相连，还包括系统中的相关指示灯、接触器、继电器和电动机的接线，线路不能接错和接反。其中需要的电压等级有交流380V、交流220V、直流24V。 控制系统I/O接线图如下图5示。
24V+24V1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.41LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.32LQ0.4Q0.5Q0.6Q0.73LQ1.0Q1.1KM8KM7220V~K4K3K3K4K2K1K1K2A存存存存存存E6B2-CWZ6CB存存存Z存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存24V存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存存GNDKM3 KM4+24VKM5KM6KM7KM85678存存存MM440存存存928R S TS7-200 CPU224I/O接口I0.5I0.6I0.72MI1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6U V WM3~
图5控制系统I/O接线图
3.1.4 提高PLC控制系统可靠性的措施
硬件设计上PLC本身就采取了诸如电磁隔离,光电耦合器等抗干扰措施，一般工厂里工作完全可以没有故障的运行。但在一些场合如强电干扰，过失电压会导致PLC内
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部信息紊乱，引起控制系统异常。因此引入必要的抗干扰措施对于现场控制来说是必需的[7]。干扰源源于电压和电流产生大的剧烈变化的地方，剧变将将带来强大磁场，对设备产生电磁辐射，由于PLC元件为半导体材料容易受到干扰，即使PLC已经有很好的抗干扰措施依然要根据实际情况采取相应的抗干扰措施。变频器为高压设备需要抑制变频
器对PLC的干扰。抑制变频器干扰的措施可以采用无源滤波器也可以使用输出电抗器。
3.2 变频器选型
3.2.1 通用变频器概述和选型
变频调速是一种以改变交流电机供电频率来来调节电动机速度的。他是把电压与频率固定的交流电转换成电压和频率频率可以调节的交流电的变换器。变频器有五部分组成：整流与逆变、驱动控制、中央处理、保护与报警、参数设定和监视。变频器的输出为电动机。通用变频器主要运用于交流电动机转速的调节，是被公认的异步电动机理想的调速方案。变频器除具有调速特性外，还具有较为可观的节能效果[8]。
变频器品牌种类很多，其中国外著名品牌有西门子，罗克韦尔，ABB等，国内的主要品牌有四方、海利普等。他们的质量都很过硬，且能够保证控制系统长期运行稳定。变频器的容量除要与异步电机的功率匹配外，还需要考虑电动机的启动转矩，加减速时间和负载大小等的情况。根据控制系统对运料车行走工艺的要求需要采用变频器的多段速功能。本设计选用的是实验室具有的西门子MM440变频器。 3.2.2 电动机的调速方式选择和相关参数设置
操作者可以通过基本操作面板（BOP）设置变频器参数。BOP是具有五位数字显示的七段数码管，用他可以进行相应参数的显示和设置，提示相关的报警和故障信息，还能够显示一个参数的当前设定值和实际值，只能用来进行变频器参数的设置而不能存储相关的参数。MM440基本操作面板外观如下图6所示[9]。
图6 MM440的操作面板(BOP)外观图
运料车异步电机的调速方式可以选择采用S7-200PLC与MM440通过USS（通用串行接口协议）的方式进行，也可以采用变频器的多段速功能的方式进行。USS协议是西门子公司专为S7-200PLC与MicroMaster系列变频器之间进行通信而开发的。USS协议是主从机构的基于串行总线来进行数据通信的协议，通过使用USS协议指令可以方便的控制变频器。一般在使用USS协议之前是需要在STEP 7-MicroWIN编程软件指令树中安装指令库。使用USS指令需要完成以下步骤
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