拨爪排屑机控制系统设计毕业设计.doc

装订线 毕业设计（论文）说明书毕业设计(论文)任务书课题名称拨爪排屑机控制系统设计系 别自动化专业班级姓 名学 号毕业设计（论文）的主要内容及要求:毕业设计主要内容1 熟悉工艺流程2 进行控制系统PLC硬件选型及硬件图纸设计3 分析系统控制流程4 进行控制系统部分PLC的软件编程5 实验室离线调试毕业设计要求1 了解本次毕业设计任务及资料的收集、整理2 学习PLC的基本知识，掌握S7-300PLC结构与功能3 编写PLC控制系统STEP7程序4 实验室仿真调试5 有关英文资料的翻译工作6 撰写毕业论文 指导教师签字： III摘要随着工业自动化技术的发展，新的控制需求的不断提出，工业自动化控制技术和水平不断提高。尤其是现场总线技术的应用给工业生产控制带来巨大的变革。本课题名为拨爪排屑机控制系统设计即对生产产生的废铁屑予以清理回收，采用S7-300作控制主机构成的PROFIBUS网络进行设计，在硬件选型、图纸设计、软件编程、仿真调试后以使其达到相关的控制要求。拨爪排屑机系统有两个液压站，每个液压站有两个油泵电机，正常工作时，一台油泵电机工作，一台备用。在工作油泵出现电气或液压故障时，备用油泵自动投入工作。系统的工作动力机构由液压站和液压缸组成，往复运动机构包含钢轨、框架和滚轮，框架由前段、中段和后段组成，前段与液压缸推杆连接，框架沿着钢轨运动。拨爪机构位于框架上，这样，拨爪就可以起到排屑作用。关键词：拨爪排屑，西门子PLC，PROFIBUS-DP总线，STEP7编程AbstractWith the development of industrial automation technology, the new control requirements have repeatedly stated, industrial automation and control technology and improved continuously. Bring huge changes to the application of field bus technology for industrial production control. This topic is called dial claw Chip Conveyor control system design to be the emptying of recycling scrap iron on production, the S7-300 control hosts a PROFIBUS network design, hardware selection, design drawings, software programming simulation debugging to reach the control requirements.Dial claw Chip Conveyor system has two hydraulic stations, which has two pump motor. In normal working hours, a pump motor works, and the other one spare. In the working oil pump electrical or hydraulic failure, the standby pump works automatically. The system working power institutions is composed of hydraulic station and the hydraulic cylinder. The reciprocating mechanism includes rail, frame and wheel. The frame consists of front-end, middle and rear section. The preceding of the frame is connected with the hydraulic cylinder push rod. The frame works along the rail. The dial claw institutions located in the frame, so the dial claw can play a role in chip removal.Keywords；The claw chip, Siemens PLC, PROFIBUS-DP bus ，STEP7programming 装订线目 录摘要IAbstractII目 录11绪论11.1 课题介绍11.2 工业背景11.2.1 工业控制系统11.2.2 工业控制主机22西门子S7-300PLC42.1 PLC的组成与原理42.1.1 可编程逻辑控制器的定义42.1.2 可编程逻辑控制器基本结构42.1.3 可编程逻辑控制器工作原理52.1.4 可编程逻辑控制器编程语言62.2 S7-300的硬件结构62.3 S7-300的通信网络102.3.1 工业网络概述102.3.2 S7-300通信网络112.3.3 PROFIBUSDP112.4 S7-300的指令系统112.5 S7-300的编程软件122.5.1 S7-300的编程软件简介122.5.2 用户程序结构122.5.3 启用SIMATIC管理器132.5.4 S7-PLCSIM仿真软件153控制系统设计163.1 系统硬件设计163.1.1 系统工艺流程163.1.2 PLC硬件选型163.1.3 硬件图纸设计173.2 系统软件设计183.2.1 系统控制流程183.2.2 STEP7软件编程193.2.2.1 硬件配置193.2.2.2 编辑符号表203.2.2.3 程序设计243.2.3 离线仿真调试464结论47致谢48参考文献49501.绪论1.1 课题介绍本课题名为拨爪排屑机控制系统，是对一个实际的工程项目的研究设计。因此除了理论设计外，还要考虑工程实际。拨爪排屑机是一种用于清除堆积的工业半成品表面被擦除的毛糙状废铁屑的自动化装置。该系统的工作过程分为两个阶段:拨爪排屑的过程：当左右两个液压站投入工作时，与1#，2#油泵电机相连的拨爪在推拉作用下做往复运动，将产生的废铁屑推送到中间的运输链上。铁屑运输的过程，当运输链电机启动工作时，便将运输皮带上的铁屑运出工作区处理。该系统的意义在于；一方面可及时排除生产工程中产生的废铁屑，不至于因长时间的堆积妨碍生产的正常进行，或者因需人工清理带来的麻烦；另一方面可使产生的铁屑不因随意丢弃而造成污染与浪费，在铁屑被运出后可对其进行压缩处理，以便回收利用。1.2 工业背景1.2.1 工业控制系统随着计算机技术，通信技术，自动控制理论的发展与在工业生产过程中的应用，近几十年来工业自动化取得前所未有的发展。工业自动化就是工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制，在整个工业生产中,尽量减少人力的操作,而能充分利用动物以外的能源与各种资讯来进行生产工作,即称为工业自动化生产，而使工业能进行自动生产之过程称为工业自动化。而在“蒸汽时代”，“电气时代”之后到来的“信息时代”给工业自动化带来又一次更大的革命性的发展，具体表现在计算机控制系统取代传统的继电器控制系统以及与之相关的技术在工业生产过程中的应用与普及。计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。计算机控制系统所采用的形式，与生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。计算机控制系统大致可分为以下几种典型形式：操作指导控制系统，该系统具有数据采集和处理功能，能够为操作人员提供反应生产过程工况的各种数据，并相应地给出操作指导信息，供操作人员参考。其优点是结构简单，控制灵活和安全，缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。直接数字控制（direct digital control, DDC）系统,该系统计算机首先通过模拟量输入通道和开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道和开关量输出通道直接控制生产过程。其是计算机在生产过程中最普遍的以中应用方式，但因计算机直接承担控制任务要求实时性好、可靠性高、和适应性强。监督控制（supervisory computer control, SCC）系统，该系统计算机根据原始工艺信息和其他参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等。从这个角度说，它的作用是改变给定值，所以又称设定值控制（set point control, SPC）。集散控制系统（distributed control system, DCS）也叫分布式控制系统，采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的方法，把系统从下到上分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。现场总线控制系统(field bus control system ,FCS)是新一代分布式控制系统。DCS的结构模式为:“操作站控制站现场仪表”三层结构，系统成本较高，而且各厂商的DCS有各自的标准，不能互联。FCS与DCS不同，它的结构模式为：“工作站现场总线智能仪表”二层结构，FCS用二层结构完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，可实现真正的开放式互连系统结构。综合自动化系统，目前，由企业资源信息管理系统、生产执行系统和生产过程控制系统够成的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统（CIMS）流程工业的计算机集成过程系统（CIPS）。1.2.2 工业控制主机在计算机控制系统中，可编程逻辑控制器、工控机、单片机、DSP、智能调节器等，都是常用的控制器，适应不同的应用要求。在工程实际中，选择何种控制器，应根据控制规模、工艺要求、控制特点和所完成的工作来确定。可编程逻辑控制器（PLC）是“一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设计。”具有可靠性高、编程容易、功能完善、扩展灵活、安装调试简单方便等特点。工控机（IPC）是一种面向工业控制、采用标准总线技术和开放式体系结构的计算机，具有丰富的外围接口产品，如模拟量输入输出模板、数字量输入输出模板等。广为流行的工控机总线有PC总线、ISA总线、PCI总线、STD总线、VME总线等。具有可靠性高、可维修性好、环境适应性强、控制实时性强、I/O通道完善、软件丰富等特点。嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的设备”，是软件和硬件的综合体，核心是嵌入式微处理器。可分为MPU、MCU、EDSP、SoC等。具有体积小、成本低、可靠性高等优点。智能调节器是一种数字化的过程控制仪表。以微处理器和单片微型计算机为核心，具有数据通信功能，能完成生产过程14个回路直接数字控制任务，在DCS分散过程控制级中得到了广泛应用。在工业自动控制系统的设计中，须在熟悉工艺流程与控制要求后选择合理的控制系统与合适的主机。2西门子S7-300PLC2.1 PLC的组成与原理2.1.1 可编程逻辑控制器的定义国际电工委员会对PLC的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设计。”2.1.2 可编程逻辑控制器基本结构PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、存储器、专门设计的输入输出接口电路、电源、底座与机架和编程器等组成：一、CPU模块CPU模块是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU模块，它按PLC系统程序赋予的功能接受并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集现场输入装置的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源，PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序中逐条读取指令，经过分析再按指令规定的任务产生相应的控制信号去控制外部电路。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。二、存储器虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，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映像区和系统软设备等）（3）用户程序存储区三、输入输出接口电路（1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。（2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。四、电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供电源，同时，有的还为输入电路提供24V工作电源。电源的输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。五、底板与机架大多数模块式PLC使用底板和机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上所有的模块;机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。六、其他设备（1）编程设备编程器是PLC开发应用、检测运行、检查维护不可缺少的外部设备，用于编程、调试、系统设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。编程器分智能型和非智能型，非智能型是手持编程器，用于状态检测；智能型是一台运行编程软件的计算机，通过通信适配器与PLC通信完成编辑器功能。（2）人机界面最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，有计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。（3）输入输出设备用于永久性的存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。2.1.3 可编程逻辑控制器工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，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，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 一、输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器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映象区中的相应的单元内。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。二、用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器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。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。三、 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。2.1.4可编程逻辑控制器编程语言在可编程逻辑控制器中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能模块图语言、功能表图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器、完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其他的基本操作。功能表图语言和构化语句描述语言是高级的程序语言，它们可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的打印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程逻辑控制器中得到了广泛的应用，在集散系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。2.2 S7-300的硬件结构S7-300属于模块式PLC，主要由机架，CPU模块，电源模块，接口模块，信号模块，功能模块，通信处理器和编程设备等组成。S7-300有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大，可以使用多种编程语言，所有模块和网络参数都可用STEP7的软件工具设置。S7-300的CPU上带有一个编程接口，使用西门子的MPI（Multi-point Interface）通信协议。有的CPU还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口或PtoP(Point to Point)串行通信接口。因此S7-300不需要添加任何通信处理器就可以建立一个MPI网络或一个PROFIBUS-DP网络。 S7-300的模块都安装在导轨上，各模块用U形总线连接器连接，外部信号线接在模块的前连接器上。除了电源模块、CPU模块、本地扩展接口模块，其他任何模块都可插在任何一个槽上。系统根据其自动分配地址。个机架最多能安装8个信号模块、功能模块或通信模块。图2-1西门子S7-300PLC一、 CPU模块S7-300有二十种不同型号的CPU，分别适用于不同规模及不同控制要求的项目：（1） 紧凑型CPU：CPU312C，313C，313C-PtP，313C-2DP，314C-PtP和314-2DP。（2） 标准型CPU：CPU312，CPU313,314,315,315-2DP和316-2DP。（3） 户外型CPU：CPU312IFM，314IFM，314户外型和315-2DP。（4） 高端CPU：CPU317-2DP和318-2DP。（5） 故障安全性CPU：CPU315F。不同型号的CPU其接口类型，输入输出模块点数或通道数，计数器数目等不相同。CPU内的元件封装在一个塑料壳内，面板上有模式选择开关、通信接口、状态和故障选择指示LED，存储器插槽等。（1） 模式选择开关RUNP（运行编程）：运行时可以读出和修改用户程序，改变运行方式；RUN（运行）：CPU执行读出用户程序，但不能修改用户程序；STOP（停止）：不执行用户程序，可以读出和修改用户程序；MRES（清除存储器）:位置不能保持。在此位置松手时，钥匙开关自动返回STOP位置。钥匙开关从STOP位置转换到MRES位置，可复位存储器，使CPU回到初始状态。（2） 状态与故障显示LEDSF（系统出错/故障显示，红色）：指示CPU硬件故障或软件故障；BATF（电池故障，红色）：指示电池电压低或没有电池；BUSF（总线错误）：指示PROFIBUSDP接口硬件或软件故障，集成有DP接口的CPU才有此LED；DC5V（+5V电源指示，绿色）：指示CPU和总线5V电源正常；FORCE（强制，黄色）：指示至少有一个I/O被强制；RUN（运行方式，绿色）：CPU处于RUN状态时亮；重新启动时以2Hz的频率闪烁；HOLD（单步、断点）状态时以0.5Hz的频率闪烁；STOP（停止方式，黄色）：指示CPU处于STOP、HOLD状态或重新启动。（3） 微存储器卡微存储器卡（MMC）可以扩展CPU的存储容量，可以在断电时保存用户程序和数据。MMC读写直接在CPU内进行。由于CPU31xC没有集成的装载存储器，CPU上必须插上才能工作。是单独定货的，有多种容量规格的工选择只有在断电或CPU处于STOP状态下，才能取下MMC。（4） 通信接口所有的CPU模块都有一个多点接口MPI，有的CPU模块还有一个PROFIBUSDP接口。MPI用于PLC与PLC之间，PLC与（编程器或个人计算机）之间，PLC与OP（操作员接口）之间的MPI网络通信。PROFIBUSDP是自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信协议，最高传输速率为12Mbit/s，通过CPU上的PROFIBUSDP接口，可实现与其他带DP接口的PLC、PG/PC、OP和其他DP主站和从站通信。（5） 电源接线端子电源模块的L1、N端子接AC220电源，电源模块的接地端子和M端子一般用短接片短接后接地，机架导轨也应接地。电源模块上的L+和M端子分别是DC24V输出电压的正负极，用专用的电源连接器或导线连接电源模块和CPU模块上的L+和M端子。（6） CPU模块上的集成I/O有些CPU模块上有集成的数字量I/O，有些CPU还有集成的I/O。（7） 存储器PLC使用的物理存储器有RAM，ROM，Flash EPROM和EEPROM。二、电源模块PS307电源模块将120/230V交流电压转换为24V直流电源，为S7-300、传感器和执行器供电，输出电流有2A、5A、或10A 3种。电源模块安装在导轨最左边的插槽，在主机架上用电源联接器连接到CPU上，在扩展机架上用电源连接器连接到IM361上。电源模块除了给CPU供电，还可向I/O模块提供DC24V电源。模块上的M端子一般是用短接片与接地端连接的。三、输入/输出模块输入/输出模块统称信号模块（SM），包括数字量（或称开关量）输入输出模块，模拟量输入输出模块。输入输出信号连接在前连接器上，前连接器插在SM前盖后面的凹槽内，不需要断开前连接器的接线就可以迅速更换模块。数字量模块模块的地址由地址标识符（I输入Q输出M存储器）、地址字节部分（小数点前）和位部分（小数点后）组成。从0号机架的4号槽开始，每个槽位分配4个字节的地址，即32个I/O点。模拟量模块以通道为单位，一个通道占一个字的地址，由两个字节地址组成。从IB256开始给每个模拟量模块分配16个字节，即8个通道的地址。（1）数字量输入模块数字量输入模块接受外部开关信号，开关信号主要来自按钮、二线式光电开关、接近开关、低压电器的触点等。其将现场的开关信号电平转换成PLC内部的信号电平。直流输入模块的操作电压一般是24V，交流输入模块的操作电压为AC120V或AC230V。SM321是S7-300的数字量输入模块。（2）数字量输出模块数字量输出模块将PLC内部信号电平转换为控制过程所需要的外部信号电平，同时有隔离和功率放大作用。按负载回路的电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块。按输出开关器件的种类又可对应分为：晶闸管输出方式、双向晶闸管输出方式、继电器输出方式。其中晶闸管型输出响应速度快、频率高，但承受过压过流能力弱，继电器型输出响应慢、频率低，但负载电压范围宽。要根据电压的种类、大小、工作频率和负载类型选择数字量输出模块，每一个输出点的输出电流、每一组输出的最大电流也是数字量输出模块的重要指标。SM322是S7-300的数字量输出模块，SM323是数字量输入/输出模块，即输入和输出集成在一个模块上，有两种型号可选择：DC24V，8输入/8输出及DC24V，16输入/16输出。输出为晶闸管型，输出电流为0.5A。（3）模拟量输入模块模拟量输入模块将来自变送器的模拟信号转换成CPU处理的数字信号，即A/D转换。SM331是S7-300的模拟量输入模块。（4）模拟量输出模块模拟量输出模块将PLC输出的数字量转换为模拟信号（电压、电流）去控制执行机构，其主要组成部分是D/A转换器。SM332是S7-300的模拟量输出模块。四、其他模块其他还有前连接器，有20针和40针两种；闭环控制模块FM355；位置控制与检测模块，如FM353是步进电机定位模块等；计数器模块，如FM350-1等；模拟器模块，SM347用于调试程序等。当因I/O点过多使模块数量多于8个且距离在10米之内，可以采用扩展机架，用本地扩展接口模块IM来实现，除了带CPU的中央机架（CR），最多可以扩展三个扩展机架（ER），每个机架可以插8个模块（不包括电源、CPU、接口模块IM），四个机架最多可插32个，模块；当因距离过远（1500米以内）或者I/O点过多，可以采用ET200分布式I/O来实现，PROFIBUS是为全集成自动化定制的开放的现场总线系统，有FMS、DP和PA三种行规。ET200是基于PROFIBUSDP现场总线的分布式I/O,可以与西门子的其他自动化系统协同运行，还能在经过认证的非西门子公司的PROFIBUSDP主站协同运行，而ET200M模块化的分布式I/O，采用S7-300全系列模块，最多8个模块。2.5S7-300的通信网络2.3 S7-300的通信网络2.3.1 工业网络概述一个典型的工厂自动化系统一般是三级网络结构，分别是现场设备层、车间监控层和工厂管理层。（1）现场设备层现场设备层主要功能是连接现场设备，例如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构和开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。（2）车间监控层车间监控层又称单元层，用来完成车间主生产设备之间的连接，包括生产设备状态的在线监控、设备故障报警及维护等。还有生产统计、生产调度等功能。车间监控层可采用PROFIBUSFMS或工业以太网，该层要求能传送大容量的信息，对传送速率要求不高。（3）工厂管理层车间操作员工作站通过集线器与车间办公管理网连接，车间管理网作为工厂主网的一个子网，连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。该层一般采用工业以太网协议，即符合IEEE802.3标准。图2-2 现场总线应用示例2.3.2 S7-300通信网络（1）通过多点接口（MPI）协议的数据通信MPI是多点接口的简称，是一种适用于小范围、少数站点间通信的网络。MPI网络能同时连接运行STEP7的编程器、计算机、人机界面（HMI）和其他SIMATICS7、M7和C7，并且可以用全局通信的方式实现网上CPU之间少量数据的交换。（2）PROFIBUS依据EN5017012或IEC611582协议标准建立的PROFIBUS网络是应用于单元级和现场级的控制网络。PROFIBUS具有开放性，符合该标准的各厂商生产的设备都可接入。（3）工业以太网工业以太网是一个用于工厂管理和单元层级的通信系统。工业以太网适用于长距离传输大量数据，可以通过网关设备来连接远程网络。（4）点对点连接点对点连接可以连接S7-300PLC和其他非西门子设备。通过CP340，CP341或CPU31xC2DP集成的通信接口可建立点对点的连接。通信接口有20mA（TTY），RS232C和RS422A/RS485。点对点连接支持的通信协议有ASCII驱动器、3964（R）和RK512（只适用于CPU）。（5）通过ASi网络的过程通信AS-i是执行器传感器的接口简称，AS-i网络通过AS-i总线电缆连接最底层AS-i接口的现场设备，将信号传输至PLC。故障SIMATIC NET网络可以单独运行，也可以结合其他系统同时运行。2.3.3 PROFIBUSDPPROFIBUS有三部分组成：PROFIBUSDP（分布式外围设备），PROFIBUSPA（过程自动化）和PROFIBUSFMS（现场总线报文规范）。PROFIBUS采用主站（Master）之间的令牌（Token）传递方式和主站与从站之间的主从方式。PROFIBUSDP在PROFIBUS三个部分中应用最为广泛，可以连接不同厂商符合PROFIBUSDP协议的设备。单主站或者多主站系统可以由PROFIBUSDP来实现。系统配置十分方便。2.4 S7-300的指令系统IEC611313规定了PLC编程语言的语法和语义，标准中定义了5种编程语言：（1）指令表IL（Instruction list）：西门子称为语句表STL.（2）结构文本ST（Structured text）：西门子称为结构化控制语言（SCL）。（3）梯形图LD（Ladder diagram）：西门子简称为LAD。（4）功能块图FBD（Function block diagram）（5）顺序功能图SFC（Sequential function chart）：对应西门子S7Graph.标准的STEP7软件包配备了三种编程语言：梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD），这三种语言在STEP7中可以互相转换。STEP7专业版的编程语言还包括S7SCL，S7Graph，S7HiGraph和CFC，这四种语言对标准版是可选的，梯形图（LAD）是使用最多的PLC图形编辑语言，它与继电器电路图很相似，直观易懂，电气工作人员很容易理解并掌握，并且适用于数字量逻辑控制。语句表（STL）是一种类似微机汇编语言的文本语言，多条语句组成一个程序段，语句表指令比梯形图和功能块图指令丰富，可以实现梯形图和功能块图不能实现的一些功能。功能块图（FBD）适用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。S7-300的指令系统包括位逻辑指令、定时器指令、计数器指令、数据处理指令、数据运算指令和控制指令六大类，其中部分指令会在下一章的STEP7软件编程中用到，具体功能和作用结合相关程序进行分析。2.5 S7-300的编程软件2.5.1 S7-300的编程软件简介STEP7标准工业软件是西门子公司专为SIMATIC系列PLC（S7-300、M7、C7）和基于PC的WinAC研制的标准编程软件，开发或设计一个SIMATIC系列应用系统，必须基于STEP7软件包进行组态和编程。STEP7不是单一的应用程序，而是由一系列应用程序（工具）构成的标准软件包，其主要应用工具如下：（1）SIMATIC管理器：用于集中管理一个自动化控制项目，提供STEP7标准软件包的集成、统一的界面。在SIMATIC管理器环境中进行项目的编程和组态，每一个操作所需要的工具均由SIMATIC管理器自动运行，用户无需分别启动各个不同的工具。（2）符号编辑器：用于定义符号名称、数据类型和注释全局变量，管理所有共享符号。使用这个工具生成的符号表是全局有效的，可以被其他工具使用。（3）硬件组态工具：可以利用这个工具对PLC机架上的各种硬件模块进行配置，设置各种模块的参数，例如CPU参数和分布式I/O参数。（4）通信组态：该工具用于组态通信网络连接，包括网络连接的参数设置和网络中各个通信设备的参数设置。（5）硬件诊断：用于提供PLC的工作状态概况，快速浏览CPU数据和用户程序在运行中的故障原因。（6）编程工具：该工具集成了梯形图LAD、语句表STL和功能块图FBD三种编程语言的编辑和调试功能。编程设备可以是编程器或计算机，它通过编程电缆与PLC的CPU模块相连。2.5.2 用户程序结构一、用户程序中的块用户程序包含处理用户特定的自动化任务所需要得所有功能。用户程序和所需要的数据放置在块中，使程序部件标准化，用户程序结构化，可以简化程序组织，使程序易于修改、差错和调试。块结构显著地增加了PLC程序的组织透明性、可理解性和易维护性。（1）组织块（OB）组织块是操作系统与用户程序的接口，由操作系统调用，应用控制扫描循环和中断程的执行、PLC的启动和错误处理等。其中OB1用于循环处理，是用户程序中的主程序。操作系统在每次循环中调用一次OB1。用户程序的SFB、SFC、FB和FC需OB1调用才能执行。（2）系统功能块SFB和系统功能SFC系统功能块和系统功能是为用户提供的已经编好程序的块，可以被程序调用但不能被修改。它们是操作系统的一部分，不占用户程序空间。SFB有存储功能，其变量保存在指定给它的背景数据块中，SFC没有存储功能。（3）功能块FB和功能FC功能块和功能都是用户编写程序常用的块，不同的是功能块FB有自己的存储区，需要背景数据块DI，而功能FC没有固定存储区，不需要背景数据块。（4）系统数据块系统数据块包含系统组态数据，例如硬件模块参数和通信连接参数。（5）背景数据块DI和共享数据块DB背景数据块是调用FB和SFB时用于传递参数的数据块，在编译过程中自动生成数据；而背景数据块是存储用户程序的数据区域，供所有块共享。二 、程序设计方法STEP7有3种程序设计方法：（1）线性化编程：整个用户程序放在循环控制组织块OB1（主程序）中。（2）模块化编程：程序被分为不同的逻辑块，每个块包含完成某些任务的逻辑指令。（3）结构化编程：将复杂的自动化任务分解为小任务，这些任务由相应的逻辑块来表示，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中，调用时将“实参”赋值给形参。2.5.3 启用SIMATIC管理器一、使用向导创建项目双击桌面上的STEP7图标，打开SIMATIC管理器，在按照步骤选择CPU、组织块、编程语言之后即可新建项目。二 、硬件组态在PLC控制系统设计初期，首先应根据系统的输入输出信号的性质和点数，以及对控制系统的功能要求，确定系统的硬件配置，例如CPU模块与电源模块的型号，需要哪些输入输出模块，功能模块、通信模块以及它们的型号和数量等。硬件组态的任务就是在STEP7中生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统，为设计用户程序打下基础。在项目窗口中双击Hardware就可对其进行配置。三、编辑符号表在程序中可以用绝对地址访问变量，但是使用符号地址可以使程序更容易阅读理解。共享符号在符号表中定义，可供程序中所有的块使用。在项目窗口中双击“Symbols”后进入符号表窗口。四、创建OB1块在项目窗口中双击OB1，打开程序编辑器窗口，打开“View”菜单设定编程语言为LAD，即可开始具体程序编写。五、对功能块FB的编程（1）创建并打开功能块FB1在项目窗口中右击“Blocks”，在出现的下拉菜单中选择“Insert New Object”，再选择“Function Blooks”，在随后出现的对话框中定义新创建的功能块为FB1。重新回到项目窗口，会看见新创建的FB1图标，双击即可打开功能块FB1进行编辑。（2）变量声明表所有在组织块和功能块之间传送的块参数，必须作为输入输出参数在变量声明表中列出，变量声明只能使用字母、数字和下划线，不能使用汉字。在程序中使用的局部变量，操作系统会自动加上#标记，对于在整个程序中都可调用的全局变量，操作系统自动加上“”标记。（3）编写控制程序可选用常用的梯形图进行控制程序的编写。（4）生成背景数据块在项目窗口中右击“Blocks”，在出现的下拉菜单中选择“Insert New Object”，再选择“Data Block”，此时弹出属性对话框，填入DB的名称、符号名和注释，选择数据块类型为背景数据块（Instance），并输入对应的功能块的名称为FB1，单击“OK”，则数据块DB1添加到项目窗口中。若两个控制程序仅数据上不同，可只编写一个FB1功能块，而生成两个不同的数据块DB1和DB2分别存储两组不同的预置值，以减少编程的工作量。（5）在OB1中调用FB及相关的DB在项目窗口中打开OB1，在编程元件目录了找到FB1插入梯形图后命名符号即可六、对功能FC的编程与对功能块FB的编程相比之少了一步生成背景数据块。七、 共享数据块的编程共享数据块不附属于任何逻辑块，用户程序中所有的逻辑块都可以使用共享数据块中的数据。在项目窗口中右击“Blocks”，在出现的下拉菜单中选择“Insert New Object”，再选择“Data Block”，此时弹出属性对话框，填入DB的名称、符号名和注释，选择数据块类型为共享数据块（Share），则数据块DB添加到项目窗口中。打开DB3对变量声明表进行编辑。八、 使用多重背景编程在用户程序中使用多重背景可以减少背景数据块数量。主要包括以下步骤：创建FB10；填写变量声明表；对FB10编程：创建DB10并调整实际值；在OB1中调用FB10。九、 下载及在线调试在PG/PC上完成的硬件组态和用户程序必须通过编程电缆下载到PLC中，并且经过软硬件的调试才能够最终实现自动控制任务。需要完成：设置PG/PC接口；下载程序到CPU；用程序状态测试程序；用变量表测试程序等。2.5.4 S7-PLCSIM仿真软件S7-PLCSIM用仿真PLC来模拟实际的PLC运行，用户程序的调试是通过视图对象来进行的，S7-PLCSIM提供了多种视图对象，用它们来实现仿真PLC内的各种变量、计数器、定时器的监视和修改。仿真步骤如下：（1）在STEP7编程软件中生成项目，配置硬件并编写用户程序。（2）点击“Simulation on/off”打开仿真窗口，在CPU视图对象中点击STOP小框；再选择Download命令，将要模拟的程序下载到仿真PLC中，对问题回答“Yes”。（3）在仿真窗口中通过菜单或按钮创建IB、QB、M等视图对象点击CPU视图中的RUN或RUNP小框，将仿真PLC置于运行模式；在点击OB1窗口中的监视按钮，可对所设置的变量进行监视。3.控制系统设计3.1 系统硬件设计液压站启动工作3.1.1 系统工艺流程 油泵电机启动工作液压缸推杆往复运动拨爪工作运输链电机启动接受废铁屑排屑开始工艺流程及故障等信息监测（MP277）监测信息处理结束图3-1 系统工艺流程3.1.2 PLC硬件选型该控制系统的设计主体是对运输链电机、1#液压站和2#液压站的控制。考虑到现场信号多为数字量，控制系统的可靠性和可维护性，系统设计的成本及工厂未来的发展。根据前面相关介绍，该控制系统的硬件选型围绕S7-300作主控计算机构成的PROFIBUSDP现场总线系统进行选型。参考西门子S7-300硬件选型手册，根据相关