PLC控制系统专题作业实战指南从基础编程到工业应用案例解析

引言

可编程逻辑控制器（PLC）作为工业自动化领域的核心控制设备，其控制系统的设计与实现是电气自动化、机电一体化等专业学生必须掌握的核心技能。本专题作业实战指南旨在为学生提供一个从基础编程到工业应用案例的完整学习路径，帮助大家将理论知识转化为实践能力，完成高质量的专题作业。

第一部分：PLC基础编程入门

1.1 PLC基本概念与工作原理

PLC是一种专为工业环境设计的数字运算操作电子系统，采用可编程存储器存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数及算术运算等操作，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。

核心工作原理：PLC采用循环扫描工作方式，每个扫描周期包括三个阶段：

输入采样阶段：读取所有输入端子的状态并存入输入映像寄存器
程序执行阶段：根据用户程序逻辑进行运算
输出刷新阶段：将运算结果输出到输出端子

1.2 PLC编程语言基础

国际电工委员会（IEC）制定了5种标准编程语言：

梯形图（LD）：最常用，类似继电器电路图
功能块图（FBD）：类似电子电路图
结构化文本（ST）：类似高级编程语言
指令表（IL）：类似汇编语言
顺序功能图（SFC）：用于顺序控制

梯形图编程示例（以西门子S7-1200为例）：

网络1：电机启停控制
|----| |----|/|----( )----|
     启动按钮  停止按钮  电机接触器

结构化文本编程示例：

// 电机启停控制程序
IF "启动按钮" AND NOT "停止按钮" THEN
    "电机接触器" := TRUE;
ELSE
    "电机接触器" := FALSE;
END_IF;

1.3 基础编程任务实践

任务1：三相电机正反转控制

控制要求：实现电机正转、反转、停止功能，需互锁保护
I/O分配：
- 输入：正转按钮(I0.0)、反转按钮(I0.1)、停止按钮(I0.2)
- 输出：正转接触器(Q0.0)、反转接触器(Q0.1)

梯形图程序：

网络1：正转控制
|----| |----|/|----|/|----( )----|
     I0.0   I0.2   Q0.1   Q0.0

网络2：反转控制
|----| |----|/|----|/|----( )----|
     I0.1   I0.2   Q0.0   Q0.1

程序说明：

正转按钮(I0.0)按下时，若停止按钮(I0.2)未按下且反转接触器(Q0.1)未闭合，则正转接触器(Q0.0)得电
反转按钮(I0.1)按下时，若停止按钮(I0.2)未按下且正转接触器(Q0.0)未闭合，则反转接触器(Q0.1)得电
停止按钮(I0.2)按下时，切断所有输出

第二部分：PLC控制系统设计方法

2.1 系统设计流程

完整的PLC控制系统设计应遵循以下步骤：

需求分析：明确控制对象、工艺要求、安全要求
硬件选型：根据I/O点数、通信需求、环境条件选择PLC型号
I/O分配：编制输入输出地址分配表
程序设计：编写控制程序
模拟调试：在仿真环境中测试程序
现场安装：安装硬件、布线
联机调试：与现场设备联调
文档编制：编写操作手册、维护手册

2.2 I/O分配表设计

示例：物料分拣系统I/O分配表

地址	设备名称	类型	说明
I0.0	启动按钮	输入	系统启动
I0.1	停止按钮	输入	系统停止
I0.2	急停按钮	输入	紧急停止
I0.3	光电传感器1	输入	检测物料到位
I0.4	光电传感器2	输入	检测物料类型
I0.5	位置传感器	输入	检测机械臂位置
Q0.0	传送带电机	输出	驱动传送带
Q0.1	机械臂上升	输出	控制机械臂上升
Q0.2	机械臂下降	输出	控制机械臂下降
Q0.3	分拣气缸A	输出	分拣物料A
Q0.4	分拣气缸B	输出	分拣物料B
Q0.5	报警指示灯	输出	故障报警

2.3 程序结构设计

良好的程序结构应包括：

主程序：调用各功能块
初始化程序：系统上电初始化
手动/自动模式切换
安全保护程序
各工艺流程子程序

程序结构示例：

// 主程序结构
PROGRAM Main
    CALL "初始化程序";
    CALL "模式选择";
    
    IF "手动模式" THEN
        CALL "手动控制程序";
    ELSIF "自动模式" THEN
        CALL "自动控制程序";
    END_IF;
    
    CALL "安全保护程序";
    CALL "报警处理程序";
END_PROGRAM

第三部分：工业应用案例解析

3.1 案例一：自动灌装生产线控制系统

项目背景：某饮料厂需要设计一套自动灌装生产线，包括传送带控制、灌装头控制、液位检测等。

控制要求：

系统具备手动/自动模式切换
自动模式下：传送带运行→检测到空瓶→停止传送带→灌装→灌装完成→传送带继续运行
液位检测：低液位报警，高液位停止灌装
计数功能：统计灌装瓶数
安全保护：急停、电机过载保护

硬件配置：

PLC：西门子S7-1200 CPU 1214C
输入设备：启动/停止按钮、急停按钮、光电传感器、液位传感器、电机过载信号
输出设备：传送带电机、灌装阀、报警灯、计数器显示

I/O分配表：

地址	设备	类型
I0.0	启动按钮	输入
I0.1	停止按钮	输入
I0.2	急停按钮	输入
I0.3	光电传感器	输入
I0.4	液位传感器	输入
I0.5	电机过载信号	输入
Q0.0	传送带电机	输出
Q0.1	灌装阀	输出
Q0.2	报警灯	输出
Q0.3	计数器显示使能	输出

梯形图程序设计：

网络1：系统启停控制

|----| |----|/|----|/|----( )----|
     I0.0   I0.1   I0.2   M0.0

网络2：手动模式控制

|----| |----|----( )----|
     M0.1   Q0.0
|----| |----|----( )----|
     M0.2   Q0.1

网络3：自动模式控制

|----| |----|----|/|----|----|----( )----|
     M0.3   I0.3   Q0.0   TON1
// TON1定时器：检测到瓶子后延时停止传送带

网络4：灌装控制

|----| |----|----|/|----( )----|
     TON1   I0.4   Q0.1
// 灌装阀开启条件：传送带停止且液位正常

网络5：计数器程序

|----| |----|----(CTU)----|
     Q0.1   I0.1   C1
// 灌装阀关闭时计数

网络6：报警程序

|----| |----|----( )----|
     I0.5   Q0.2
|----| |----|----( )----|
     I0.4   Q0.2
// 电机过载或液位低时报警

结构化文本程序示例：

// 自动灌装控制程序
IF "自动模式" AND "启动信号" THEN
    IF "光电传感器" THEN
        "传送带电机" := FALSE;
        "灌装阀" := TRUE;
        "灌装计时器".TON(IN:=TRUE, PT:=T#5S);
    END_IF;
    
    IF "灌装计时器".Q THEN
        "灌装阀" := FALSE;
        "传送带电机" := TRUE;
        "灌装计数器" := "灌装计数器" + 1;
    END_IF;
END_IF;

// 报警处理
IF "电机过载" OR NOT "液位正常" THEN
    "报警灯" := TRUE;
    "传送带电机" := FALSE;
    "灌装阀" := FALSE;
ELSE
    "报警灯" := FALSE;
END_IF;

3.2 案例二：智能仓储AGV调度系统

项目背景：某电商仓库需要设计AGV（自动导引车）调度系统，实现货物的自动搬运和存储。

控制要求：

AGV路径规划与导航
多AGV协同调度，避免碰撞
与上位机（WMS系统）通信
电池电量监控与自动充电
故障诊断与报警

系统架构：

上位机(WMS) → 无线网络 → PLC主站 → 无线AP → AGV1/AGV2/AGV3
                                    ↓
                               传感器网络

PLC程序设计要点：

1. 通信程序设计（使用Modbus TCP协议）：

// 与WMS系统通信
FUNCTION_BLOCK FB_ModbusTCP
VAR_INPUT
    IP_Address: STRING;
    Port: INT;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Connected: BOOL;
    DataReceived: ARRAY[0..99] OF BYTE;
END_VAR

// 主程序调用
IF "系统启动" THEN
    "ModbusTCP_Client".IP_Address := '192.168.1.100';
    "ModbusTCP_Client".Port := 502;
    "ModbusTCP_Client".Connected := TRUE;
    
    // 读取WMS指令
    "ModbusTCP_Client".ReadHoldingRegisters(
        StartAddress:=0, 
        Quantity:=10, 
        Data:="WMS指令数组"
    );
END_IF;

2. AGV路径规划算法（简化版）：

// 路径规划函数
FUNCTION PathPlanning : BOOL
VAR_INPUT
    StartPos: INT;  // 起点坐标
    EndPos: INT;    // 终点坐标
END_VAR
VAR
    PathArray: ARRAY[0..20] OF INT;  // 路径点数组
    PathLength: INT;
END_VAR

// 简单的直线路径规划
PathLength := ABS(EndPos - StartPos);
IF StartPos < EndPos THEN
    FOR i := 0 TO PathLength DO
        PathArray[i] := StartPos + i;
    END_FOR;
ELSE
    FOR i := 0 TO PathLength DO
        PathArray[i] := StartPos - i;
    END_FOR;
END_IF;

// 返回路径规划结果
PathPlanning := TRUE;
END_FUNCTION

3. 多AGV防碰撞算法：

// AGV防碰撞检测
FUNCTION_BLOCK FB_AntiCollision
VAR_INPUT
    AGV1_Pos: INT;
    AGV2_Pos: INT;
    AGV3_Pos: INT;
    SafeDistance: INT := 5;  // 安全距离
END_VAR
VAR_OUTPUT
    CollisionWarning: BOOL;
    StopAGV1: BOOL;
    StopAGV2: BOOL;
    StopAGV3: BOOL;
END_VAR

// 检测AGV1与AGV2
IF ABS(AGV1_Pos - AGV2_Pos) < SafeDistance THEN
    CollisionWarning := TRUE;
    StopAGV1 := TRUE;
    StopAGV2 := TRUE;
END_IF;

// 检测AGV1与AGV3
IF ABS(AGV1_Pos - AGV3_Pos) < SafeDistance THEN
    CollisionWarning := TRUE;
    StopAGV1 := TRUE;
    StopAGV3 := TRUE;
END_IF;

// 检测AGV2与AGV3
IF ABS(AGV2_Pos - AGV3_Pos) < SafeDistance THEN
    CollisionWarning := TRUE;
    StopAGV2 := TRUE;
    StopAGV3 := TRUE;
END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK

4. 电池电量监控与充电调度：

// 电池管理程序
IF "AGV1_电池电量" < 20 THEN
    "AGV1_充电请求" := TRUE;
    "AGV1_目标位置" := "充电站位置";
END_IF;

// 充电站调度（避免多个AGV同时充电）
IF "AGV1_充电请求" AND NOT "充电站占用" THEN
    "AGV1_允许充电" := TRUE;
    "充电站占用" := TRUE;
ELSIF "AGV1_充电完成" THEN
    "AGV1_允许充电" := FALSE;
    "充电站占用" := FALSE;
END_IF;

3.3 案例三：污水处理厂自动控制系统

项目背景：某城市污水处理厂需要设计PLC控制系统，实现污水处理过程的自动化控制。

工艺流程：

进水 → 格栅 → 沉砂池 → 初沉池 → 曝气池 → 二沉池 → 消毒 → 出水

控制要求：

根据进水流量自动调节曝气量
根据溶解氧浓度控制鼓风机
污泥回流比自动控制
药剂投加量自动调节
数据记录与报表生成

PID控制算法实现：

// PID控制器功能块
FUNCTION_BLOCK FB_PID
VAR_INPUT
    PV: REAL;          // 过程变量（测量值）
    SP: REAL;          // 设定值
    Kp: REAL;          // 比例系数
    Ti: REAL;          // 积分时间
    Td: REAL;          // 微分时间
    CycleTime: TIME;   // 采样周期
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Output: REAL;      // 输出值
END_VAR
VAR
    Error: REAL;       // 偏差
    LastError: REAL;   // 上次偏差
    Integral: REAL;    // 积分项
    Derivative: REAL;  // 微分项
    Timer: TON;        // 定时器
END_VAR

// PID计算
IF Timer.Q THEN
    Error := SP - PV;
    
    // 积分项（带限幅）
    Integral := Integral + (Error * CycleTime / 1000.0);
    IF Integral > 100.0 THEN
        Integral := 100.0;
    ELSIF Integral < -100.0 THEN
        Integral := -100.0;
    END_IF;
    
    // 微分项
    Derivative := (Error - LastError) / (CycleTime / 1000.0);
    
    // PID输出
    Output := Kp * (Error + (Integral / Ti) + (Td * Derivative));
    
    // 输出限幅
    IF Output > 100.0 THEN
        Output := 100.0;
    ELSIF Output < 0.0 THEN
        Output := 0.0;
    END_IF;
    
    LastError := Error;
    Timer(IN:=TRUE, PT:=CycleTime);
END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK

曝气控制程序：

// 溶解氧控制
IF "自动模式" THEN
    // 读取溶解氧传感器值
    "溶解氧值" := "AI_溶解氧";
    
    // PID控制计算
    "PID控制器".PV := "溶解氧值";
    "PID控制器".SP := "溶解氧设定值";
    "PID控制器".Kp := 2.5;
    "PID控制器".Ti := 30.0;
    "PID控制器".Td := 5.0;
    "PID控制器".CycleTime := T#1S;
    
    // 输出到鼓风机变频器
    "鼓风机频率" := "PID控制器".Output;
    
    // 根据进水流量前馈补偿
    "进水流量" := "AI_流量计";
    "前馈补偿" := "进水流量" * 0.8;
    "鼓风机频率" := "鼓风机频率" + "前馈补偿";
    
    // 限幅保护
    IF "鼓风机频率" > 50.0 THEN
        "鼓风机频率" := 50.0;
    END_IF;
END_IF;

数据记录与报表：

// 数据记录功能块
FUNCTION_BLOCK FB_DataLogger
VAR_INPUT
    DataArray: ARRAY[0..99] OF REAL;
    RecordInterval: TIME;
END_VAR
VAR
    Timer: TON;
    DataIndex: INT := 0;
END_VAR

// 每隔1分钟记录一次数据
IF Timer.Q THEN
    // 读取当前数据
    DataArray[DataIndex] := "溶解氧值";
    DataIndex := DataIndex + 1;
    
    // 数据满100个时保存到SD卡
    IF DataIndex >= 100 THEN
        "保存到SD卡" := TRUE;
        DataIndex := 0;
    END_IF;
    
    Timer(IN:=TRUE, PT:=RecordInterval);
END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK

第四部分：PLC控制系统调试与优化

4.1 程序调试方法

1. 在线监控与调试：

使用编程软件（如TIA Portal、GX Works2）的在线监控功能
观察变量状态变化，查找逻辑错误
使用强制表功能模拟输入信号

2. 断点调试：

// 在关键位置设置断点
IF "启动信号" THEN
    // 断点1：检查启动条件
    "系统状态" := 1;
    
    // 断点2：检查模式切换
    IF "手动模式" THEN
        "系统状态" := 2;
    END_IF;
END_IF;

3. 程序仿真：

使用PLC仿真软件（如S7-PLCSIM）进行离线测试
模拟各种工况，验证程序逻辑

4.2 性能优化技巧

1. 程序结构优化：

使用子程序/功能块封装重复代码
合理使用定时器和计数器
避免不必要的循环扫描

2. 内存优化：

// 优化前：使用大量中间变量
VAR
    Temp1, Temp2, Temp3: BOOL;
END_VAR

// 优化后：使用位存储器
VAR
    StatusBits: WORD;
END_VAR
// 使用位操作
IF "启动信号" THEN
    StatusBits.0 := TRUE;
END_IF;

3. 扫描周期优化：

将快速响应程序放在主程序前面
慢速处理程序放在后面
使用中断程序处理紧急事件

4.3 常见故障诊断

故障1：程序不执行

检查PLC运行模式（RUN/STOP）
检查程序下载是否成功
检查CPU错误代码

故障2：输出不动作

检查输出模块指示灯
使用万用表测量输出电压
检查外部接线

故障3：通信故障

检查网络连接
检查IP地址设置
检查通信协议配置

第五部分：专题作业实战项目

5.1 项目选题建议

初级项目：

交通灯控制系统
电梯控制系统
自动门控制系统

中级项目：

自动灌装生产线
恒压供水系统
仓库分拣系统

高级项目：

AGV调度系统
污水处理控制系统
智能楼宇控制系统

5.2 项目报告撰写规范

1. 项目概述：

项目背景与意义
控制需求分析
系统架构设计

2. 硬件设计：

PLC选型与配置
I/O分配表
电气原理图

3. 软件设计：

程序结构说明
关键算法实现
程序流程图

4. 调试与测试：

测试方案
测试结果
问题分析与解决

5. 总结与展望：

项目成果总结
改进方向
应用前景

5.3 评分标准参考

评分项	分值	评分标准
需求分析	15分	需求明确、完整
硬件设计	20分	选型合理、配置正确
软件设计	30分	结构清晰、功能完善
调试测试	20分	测试充分、结果可靠
报告质量	15分	规范完整、图文并茂

第六部分：进阶学习资源

6.1 推荐学习平台

西门子工业支持中心：提供S7系列PLC详细教程
三菱电机自动化官网：提供FX/Q系列PLC资料
罗克韦尔自动化知识库：提供ControlLogix系列资料
GitHub开源项目：搜索PLC相关开源项目

6.2 推荐书籍

《PLC编程及应用》（廖常初）
《西门子S7-¹²⁰⁰⁄₁₅₀₀ PLC应用技术》（胡健）
《工业自动化技术》（王兆安）
《现代PLC控制技术及应用》（张运刚）

6.3 实践建议

多动手实践：购买小型PLC实验箱进行练习
参与竞赛：参加全国大学生自动化大赛
实习经历：到自动化企业实习，接触实际项目
持续学习：关注工业4.0、物联网等新技术发展

结语

PLC控制系统设计是一项理论与实践紧密结合的技能。通过本指南的学习，希望你能掌握从基础编程到工业应用的完整知识体系，并在专题作业中取得优异成绩。记住，实践是最好的老师，多动手、多思考、多总结，你一定能成为优秀的自动化工程师。

最后提醒：在实际工业应用中，安全永远是第一位的。任何控制系统设计都必须考虑安全保护措施，确保设备和人员的安全。祝你学习顺利，项目成功！