钢管磨削生产线PLC软件设计毕业论文.doc

钢管磨削生产线PLC软件设计毕业论文目录摘 要1Abstract2第一章 绪论11钢管的生产流程 12课题的研究目的与意义121修磨工艺122贯穿磨削法123钢管修磨生产线的工作流程第二章 西门子PLC与STEP7编程21可编程控制器 211PLC的结构与特点 212西门子PLC 213PLC的应用22 STEP7编程软件 221PLC软件系统及常用编程语言 222STEP7编程软件的使用 223用户程序的基本结构第三章 钢管磨削生产线PLC软件的设计第四章 STEP7的通信第五章 结论参考文献附录一致谢第一章 绪 论钢管生产技术的发展开始于自行车制造业的兴起。19世纪初是由的开发，两次世界大战期间舰船、锅炉、飞机的制造，第二次世界大战后火电过路的制造，化学工业的发展以及石油天然气的钻采和运输等，都有力地推动着钢管工业在品种、产量和质量上的发展。1.1钢管生产流程钢管不仅用于输送流体和粉状固体、交换热能、制造机械零件和容器，它还是一种经济钢材。用钢管制造建筑结构网架、支柱和机械支架，可以减 轻重量，节省金属2040%，而且可实现工厂化机械化施工。（天津钢管公司加工车间由于采用了钢管网架结构，实际节约钢材达42.9%） ，用钢管制造公路桥梁不但可节省钢材、简化施工，而且可大大减少涂保护层的面积，节约投资和维护费用。所以，任何其他类型的钢材都不能完全代替钢管，但钢管可以代替部分型材和棒材。钢管对国民经济发展和人类生活品质的提高关系甚大，远胜于其他钢材。从人们的日常用具、家具、供排水、供气、通风和采暖设施到各种农机用具的制造、地下资源的开发、国防和航天所用枪炮、子弹、导弹、火箭等都离不开钢管。由于钢管与人类生活、生产活动密不可分，钢管工业的生产技术不仅发展迅速，而且推陈出新，钢管生产在钢铁工业中占有不可替代的位置。钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，广泛用于制造结构件和机械零件，如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等。由于在周长相等的条件下，圆面积最大，用圆形管可以输送更多的流体。此外，圆环截面在承受内部或外部径向压力时，受力较均匀，因此，绝大多数钢管是圆管。工业管的工艺流程：管坯检验剥皮检验加热穿孔酸洗修磨润滑风干焊头冷拔固溶处理酸洗酸洗钝化检验无缝管加工流程：开卷平整端部剪切及焊接活套成形焊接内外焊珠去除预校正感应热处理定径及校直涡流检测切断水压检查酸洗最终检查包装 钢管精整工序包括：矫直、切（锯）钢管头尾、锯（切）分段、取样、检查、修磨、切（锯）废品管段、喷印标记、包装以及有特殊要求的热处理、无损检测、液压试验及涂层等。各种钢管的精整和加工工序如图1.1：图1.1该课题研究的主要内容就是钢管精整工序中的工艺流程中的修磨生产线PLC软件设计。1.2课题研究的目的与意义表面不合格的钢管必须进行修磨，外表面多采用砂轮机修磨，内表面采用磨床修磨。钢管检查的机械化和自动化是提高轧管机组生产率的关键工序之一，创建钢管检查和修磨的自动化生产线是钢管自动化亟待解决的问题。121 修磨工艺磨削加工在机械制造行业中应用比较广泛，经热处理淬火的碳素工具钢和渗碳淬火钢零件，在磨削是与磨削方向基本垂直的表面常常出现大量的较规则排列的裂纹磨削裂纹，他不但影响零件的外观，更重要的还会直接影响零件的质量。磨削是指用磨料，磨具切除工件上多余材料的加工方法，根据工艺目的和要求不同，磨削加工工艺方法有多种形式，为了适应发展需要，磨削技术朝着精密，低粗糙度，高效，高速和自动磨削方向发展。磨削利用高速旋转的砂轮等磨具加工工件表面的切削加工。磨削用于加工各种工件的内外圆柱面、圆锥面和平面，以及螺纹、齿轮和花键等特殊、复杂的成形表面。由于磨粒的硬度很高，磨具具有自锐性，磨削可以用于加工各种材料，包括淬硬钢、高强度合金钢、硬质合金、玻璃、陶瓷和大理石等高硬度金属和非金属材料。磨削速度是指砂轮线速度，一般为3035米秒，超过45米/秒时称为高速磨削。磨削通常用于半精加工和精加工，精度可达IT85甚至更高，表面粗糙度一般磨削为Ra1.250.16微米，精密磨削为Ra0.160.04微米，超精密磨削为Ra0.040.01微米,镜面磨削可达Ra0.01微米以下。磨削的比功率（或称比能耗，即切除单位体积工件材料所消耗的能量）比一般切削大，金属切除率比一般切削小，故在磨削之前工件通常都先经过其他切削方法去除大部分加工余量，仅留0.11毫米或更小的磨削余量。随着缓进给磨削、高速磨削等高效率磨削的发展，已能从毛坯直接把零件磨削成形。也有用磨削作为荒加工的，如磨除铸件的浇冒口、锻件的飞边和钢锭的外皮等。修磨工艺分中间修磨和成品修磨两种。中间修磨也称粗磨，主要是对热轧产品经热带退火酸洗后的带卷（俗称白卷）进入冷轧工艺前进行表面缺陷的修整，为获得较高的表面质量创造条件，同时还可以减少带钢表面的缺陷因而损伤轧辊，一般情况下，在进行粗磨前，先对带钢进行一道小压下量的轧制，约10%的变形，以改善板型。而成品修磨，即精磨，主要是提高或改善经冷轧，冷带退火酸洗或者是光亮退火后的成品钢卷的表面质量，比如消除带钢表面的夹杂物，凹坑，花纹等各种缺陷，从而得到表面等级较高的带钢产品。而钢管修磨工艺是修磨工艺中的精磨即成品修磨。磨削工艺按照加工表面来分分为：外圆磨削、内圆磨削、平面磨削、无心磨削。1.外圆磨削主要在外圆磨床上进行，用以磨削轴类工件的外圆柱、外圆锥和轴肩端面。磨削时，工件低速旋转，如果工件同时作纵向往复移动并在纵向移动的每次单行程或双行程后砂轮相对工件作横向进给，称为纵向磨削法。如果砂轮宽度大于被磨削表面的长度，则工件在磨削过程中不作纵向移动，而是砂轮相对工件连续进行横向进给，称为切入磨削法。一般切入磨削法效率高于纵向磨削法。如果将砂轮修整成成形面，切入磨削法可加工成形的表面。2.内圆磨削主要用于在内圆磨床、万能外圆磨床和坐标磨床上磨削工件的圆柱孔、圆锥孔和孔端面。一般采用纵向磨削法。磨削成形内表面时，可采用切入磨削法。在坐标磨床上磨削内孔时，工件固定在工作台上，砂轮除作高速旋转外，还绕所磨孔的中心线作行星运动。内圆磨削时,由于砂轮直径小,磨削速度常常低于30米/秒。3.平面磨削主要用于在平面磨床上磨削平面、沟槽等。平面磨削有两种：用砂轮外圆表面磨削的称为周边磨削，一般使用卧轴平面磨床,如用成形砂轮也可加工各种成形面；用砂轮端面磨削的称为端面磨削，一般使用立轴平面磨床。4.无心磨削一般在无心磨床上进行，用以磨削工件外圆。磨削时，工件不用顶尖定心和支承，而是放在砂轮与导轮之间，由其下方的托板支承，并由导轮带动旋转。当导轮轴线与砂轮轴线调整成斜交16时，工件能边旋转边自动沿轴向作纵向进给运动，这称为贯穿磨削。贯穿磨削只能用于磨削外圆柱面。采用切入式无心磨削时，须把导轮轴线与砂轮轴线调整成互相平行，使工件支承在托板上不作轴向移动，砂轮相对导轮连续作横向进给。切入式无心磨削可加工成形面。无心磨削也可用于内圆磨削，加工时工件外圆支承在滚轮或支承块上定心，并用偏心电磁吸力环带动工件旋转，砂轮伸入孔内进行磨削，此时外圆作为定位基准，可保证内圆与外圆同心。无心内圆磨削常用于在轴承环专用磨床上磨削轴承环内沟道。122 贯穿磨削法图1.2图1.3所示为贯穿磨削法的工作原理图。贯穿磨削时，将工件2从机床前面放在托板4上，进入磨削区域后，工件一面旋转一面作轴向运动。磨削完毕后，由机床后端出去，另一个工件又从机床前端推入磨削区域。这样可以一件接一件的连续加工。图1.2 贯穿磨削法工作原理图1砂轮2工件3导轮4托板图13 贯穿磨削法工作原理剖面图1砂轮2工件3导轮4托板工件轴向移动的原因是由于导轮3的中心线在垂直平面内倾斜了一个角度，因此导轮与工件接触处的线速度可以分解为水平方向的分速度和竖直方向的线速度。123钢管修磨生产线的工作流程在所研究的钢管修磨生产线上有91个托辊装配部件、10个输入翻板部件、4个主动托辊装配部件、1个托辊角度调整传动系统、10个分管器、2个分管器座、1个分管器驱动装置、1个输入压轮布置与下压机构、3个修磨机压轮与底座装配部件、3个辅助压轮、3个过渡压轮装配部件、1个输出压轮布置与下压机构、10个输出翻板部件、12个拉杆连接器、1个推拉汽缸、1个保护墙、1个托辊角度调整机构、1个输入翻板制动器、1个输出翻板制动器、1个机座装配。当钢管经过酸洗之后进入钢管修磨生产线时，首先由输入翻板将钢管翻入修磨生产线上，由于托辊与钢管之间有一个角度当托辊被电机带动旋转时钢管将一边旋转一边沿轴向做纵向给进运动。钢管进入修磨工位后，输入压轮（1#、2#、3#压轮）压下对钢管径向施加约束，压住管子作旋转前进。当进入修磨机压轮（4#、5#、6#压轮）时压轮压下对钢管管端位置进行约束，提升装置将钢管提升到固定的中心线后待修磨。此时砂轮修磨头（1#、2#砂轮修磨头）或砂带修磨头（3#砂带修磨头）自动下降对管子进行修磨，钢管到达指定位置后，修磨汽缸动作，使砂轮压在钢管表面，开始对钢管进行修磨，修磨长度结束后，修磨汽缸打开。钢管进入辅助压轮（1#、2#、3#辅助压轮）时，辅助压轮自动下降，压住管子。钢管修磨后进入过渡压轮（7#压轮，由于生产线过长过渡压轮的作用是防止钢管脱落生产线），过渡压轮压下，压住管子做旋转前进。钢管进入输出压轮（8#、9#、10#压轮），输出压轮自动下降，压住管子做旋转前进直至出料台架。在此过程中当管子尾端离开输出压轮时输出压轮自动抬起，离开管子；当尾端离开修磨机压轮时修磨机压轮自动抬起，离开管子；当尾端离开砂轮修磨头或砂带修磨头时砂轮修磨头或砂轮修磨带自动抬起，离开管子；当尾端离开辅助压轮时辅助压轮自动抬起，离开管子；当尾端离开过渡压轮时过渡压轮自动抬起，离开管子；当尾端离开输出压轮时输出压轮自动抬起，离开管子。进入出料台架后输出翻板动作将钢管翻进料筐或将管子拨到皮带式辊道上将管子送入探伤机组进行复探。本课题研究的就是这一生产线上所有动作的PLC软件设计过程，主要应用西门子PLC通过STEP7软件进行设计。第二章 西门子PLC与STEP7编程钢管磨削生产线的采用西门子SIMATIC S7-300PLC控制，用西门子STEP7软件创建可编程逻辑控制程序。2.1 可编程控制器可编程控制器是指可通过编程或软件配置改变控制对策的控制器。可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），它经历了可编程序控矩阵制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，所以将可编程控制器简称PLC。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：“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。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数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。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。211 PLC的结构与特点PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：1. 电源PLC的电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源，在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 2. 中央处理器单元（CPU）中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢，是PLC的核心起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着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。3. 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。4. 输入输出接口电路(I/O模块)PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为数字量输入（DI），数字量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。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PLC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PLC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。常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。5. 底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。6. 功能模块如计数、定位等功能模块7. 通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等8. 编程设备编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、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。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 9. 人机界面最简单的人机界面是指示灯和按钮，液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。PLC的特点：1. 可靠性高，抗干扰能力强2. 编程方法简单易学3. 功能强性能价格比高4. 硬件配套齐全，用户使用方便适应性强5. 系统的设计、安装、调试工作量少6. 维修工作量小，维修方便7. 体积小，重量轻，能耗低212 西门子PLC德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。1SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。2SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。3SIMATIC S7-300PLC/S7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。4工业通讯网络 通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间完全兼容。5人机界面（HMI）硬件HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200（可显示中文），OP3，OP7，OP17等；图形/文本操作面板OP27，OP37等，触摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。个人计算机（PC）也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件（如ProTool）组态才能配合PLC使用。6西门子的工业软件分为三个不同的种类： （1）编程和工程工具 编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程、组态、模拟和维护等控制所需的工具。STEP7标准软件包SIMATIC S7是用于S7-300/400，C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的S7-200系列PLC的编程、在线仿真软件。（2）基于PC的控制软件基于PC的控制系统WinAC允许使用个人计算机作为可编程序控制器（PLC）运行用户的程序，运行在安装了Windows NT4.0操作系统的SIMATIC工控机或其它任何商用机。WinAC提供两种PLC，一种是软件PLC，在用户计算机上作为视窗任务运行。另一种是插槽PLC（在用户计算机上安装一个PC卡），它具有硬件PLC的全部功能。WinAC与SIMATIC S7系列处理器完全兼容，其编程采用统一的SIMATIC编程工具（如STEP 7），编制的程序既可运行在WinAC上，也可运行在S7系列处理器上。（3）人机界面软件 人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面（HMI）或SCADA系统，支持大范围的平台。人机界面软件有两种，一种是应用于机器级的ProTool，另一种是应用于监控级的WinCC。ProTool适用于大部分HMI硬件的组态，从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP7中的ProTool有效地完成组态。ProTool/lite用于文本显示的组态，如：OP3，OP7，OP17，TD17等。ProTool/Pro用于组态标准PC和所有西门子HMI产品，ProTool/Pro不只是组态软件，其运行版也用于Windows平台的监控系统。WinCC是一个真正开放的，面向监控与数据采集的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）软件，可在任何标准PC上运行。WinCC操作简单，系统可靠性高，与STEP7功能集成，可直接进入PLC的硬件故障系统，节省项目开发时间。它的设计适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量的通信接口和全面的过程信息和数据处理能力，其最新的WinCC5.0支持在办公室通过IE浏览器动态监控生产过程。213 PLC的应用目前，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，使用情况大致可归纳为如下几类。1.数字量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，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.模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3.运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在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。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。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。5.数据处理现代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，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6.通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.2 STEP7编程软件西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。221 PLC软件系统及常用编程语言PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。PLC提供的编程语言：1.标准梯形图语言是我们最常用的一种语言。它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。2.语句表语言，类似于汇编语言。3.逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。222 STEP7程序的使用1. 创建一个项目结构，项目就象一个文件夹，所有数据都以分层的结构存在于其中，任何时候你都可以使用。在创建一个项目之后，所有其他任务都在这个项目下执行。2. 组态一个站，组态一个站就是指定你要使用的可编程控制器，例如S7300、S7400等。3. 组态硬件，组态硬件就是在组态表中指定你的控制方案所要使用的模板以及在用户程序中以什么样的地址来访问这些模板，地址一般不用修改由程序自动生成。模板的特性也可以用参数进行赋值。4. 组态网络和通讯连接，通讯的基础是预先组态网络，也就是要创建一个满足你的控制方案的子网，设置网络特性、设置网络连接特性以及任何联网的站所需要的连接。网络地址也是程序自动生成如果没有更改经验一定不要修改。5. 定义符号，可以在符号表中定义局部或共享符号，在你的用户程序中用这些更具描述性的符号名替代绝对地址。符号的命名一般用字母编写不超过8个字节，最好不要使用很长的汉字进行描述，否则对程序的执行有很大的影响。6. 创建程序，用梯形图编程语言创建一个与模板相连结或与模板无关的程序并存储。创建程序是我们控制工程的重要工作之一，一般可以采用线形编程（基于一个块内，OB1）、分布编程（编写功能块FB,OB1组织调用）、结构化编程（编写通用块）。我们最常采用的是结构化编程和分布编程配合使用，很少采用线形编程。7. 下载程序到可编程控制器，完成所有的组态、参数赋值和编程任务之后，可以下载整个用户程序到可编程控制器。在下载程序时可编程控制器必须在允许下载的工作模式下（STOP或RUN-P）,RUN-P模式表示，这个程序将一次下载一个块，如果重写一个旧的CPU程序就可能出现冲突，所以一般在下载前将CPU切换到STOP模式。在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩 短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。223 用户程序的基本结构一般来说，PLC有线性化编程、模块化编程和结构化编程等3种程序设计方法。1.线性化编程线性化编程类似硬件继电器控制电路，整个系统的控制程序放在主循环控制组织块OB1（主程序）中，每一次循环扫描都要不断地顺序执行OB1中的全部指令。这种方法程序结构简单，不涉及功能、功能块、数据块、局部变量和中断等比较复杂的概念，容易入门，一般在编写简单的控制系统程序时使用。2.模块化编程程序被分为不同的逻辑块，每个块包含了完成部分控制任务的逻辑指令。组织块OB1（主程序）中的指令决定在什么情况下调用哪一个块，功能和功能快（子程序）用来完成不同的过程任务。被调用的块执行完后，返回到OB的调用点，继续执行OB1。模块化编程的程序被分为若干块，易于实现多人同时对一个项目编程。由于只在需要时执行相关的指令，因此提高了CPU的执行效率。3.结构化编程结构化编程将复杂的自动化任务分解成能够反映过程的工艺、功能或可以反复使用的小任务，这些任务由相应的程序块来表示，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中。某些程序块可以用来实现相同或相近的功能。这些程序块是相对独立的，它们被OB1或别的程序块调用。表2-1 用户程序中的块块简要描述组织块（OB）操作系统与用户程序的接口，决定用户程序的结构系统功能块（SFB）CPU提供的重要系统功能，有存储区系统功能（SFC）CPU提供的重要系统功能，无存储区功能块（FB）用户编写的包含常用功能的子程序，有存储区功能(FC)用户编写的包含常用功能的子程序，无存储区背景数据块（DI）调用FB和SFB时用于传递参数的数据块，编译时自动生成数据共享数据块（DB）存储用户数据的数据区域，供所有块共享S7-300系列PLC的编程语言是STEP 7。用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据，组成结构化的用户程序。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。为支持结构化程序设计，STEP 7用户程序通常由组织块(OB)、功能块(FB)或功能块(FC)等三种类型的逻辑块和数据块(DB)组成。OB1是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。功能块(FB、FC)实际上是用户子程序，分为带“记忆”的功能块FB和不带“记忆”的功能块FC。FB带有背景数据块(Instance Data Block)，在FB块结束时继续保持，即被“记忆”。功能块FC没有背景数据块。数据块(DB)是用户定义的用于存取数据的存储区，可以被打开或关闭。DB可以是属于某个FB的情景数据块，也可以是通用的全局数据块，用于FB或FC。S7 CPU还提供标准系统功能块(SFB、SFC)，集成在S7 CPU中的功能程序库。用户可以直接调用它们，由于它们是操作系统的一部分，因此不需将其作为用户程序下载到PLC。不管用户程序的编写结构如何，CPU总是按照规定的扫描周期循环运行程序。当PLC上电后，PLC首先执行操作系统，然后根据主程序OB的控制任务优先级和事件触发的先后条件执行用户主程序和调用子程序。程序调用运行如图2.1所示。图2块调用的分层结构第三章钢管磨削生产线PLC软件的设计钢管磨削生产线PLC采用S7-300可编程控制器，S7300可编程控制器是一款性能为中低档的模块化结构PLC，最多可扩展32个模块，满足了钢管磨削生产线综合控制系统的要求。S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块（SM）、功能模块(FM)、接口模块(IM)、通信处理器(CP)、电源模块(PS)和编程设备成一般为PC机。3.1硬件组态钢管磨削生产线的PLC硬件系统由一个DP主站和六个DP从站组成,为胆主站系统。主站为主控室DP主站，六个从站分别为：输入段DP从站、1#修磨机DP从站、2#修磨机DP从站、3#修磨机DP从站、输出段DP从站、操作台DP从站。主控室DP主站0号机架上的硬件模块有电源（PS）、中央处理器（CPU）、信号模块（SM）组成。1号槽电源模块，选择PS 307 5A模块，该电源模块将120/230V交流电压转化为24V直流电压，输出电流为5A，该电源模块除了给CPU供电，还可向I/O模块提供DC24V电源。2号槽CPU模块，选择CPU 316-2 DP标准型CPU模块，该CPU模块性能：128KB内存；0.3 ms/1000 条指令；MPI + DP 连接(DP 主站或 DP 从站)；多排最多可组态32个模块；直接通讯时具有发送和接收功能；恒定总线循环时间；带路由功能；固化程序 V1.0，订货号6ES7 316-2AGOO-0ABO，开始地址为2047。3号槽为空槽，没有扩展模块（IM）。4号槽为模拟量输入模块，选择AI8x12Bit模块，模拟量输入模块AI8/12.14位，同时可作为SIPLUS模块，订货号6AG1 331-7KF02-2AB0，模块地址为默认地址。5号槽为数字量输入模块，选择DI32xDC24V模块，数字量输入模块 DI32 24 V，分成 32 组，同时可作为 SIPLUS 模块，订货号6AG1 321-1BL00-2AA0，模块地址开始为0结束为3。6号槽为模拟量输出模块，选择AO4x12Bit模块，模拟量输出模块 AO4/12 位，可在线重新组态，订货号6ES7 332-5HD01-0ABO,模块地址为系统默认。7号槽为数字量输出模块，选择DO16-DC24V/0.5A模块，数字量输出模块DO16 24V/0.5A，分成8组，同时可作为SIPLUS模块，订货号6AG1 322-1BH01-2AA0，模块开始地址为0结束地址为1。8号槽为数字量输出模块，选择DO16-DC24V/0.5A模块，数字量输出模块DO16 24V/0.5A，分成8组，同时可作为SIPLUS模块，订货号6AG1 322-1BH01-2AA0，模块开始地址为2结束地址为3。在硬件组态操作完之后，最后的工作就是对硬件组态项目进行编译，保存系统数据，并联机下载到实体硬件PLC上，这样PLC才能有效地正常工作。图3.1为钢管磨削生产线PLC硬件组态完成后的编译下载界面。图3.1硬件组态编译下载界面3.2钢管磨削生产线PLC项目编程设计通过创建用户程序块及建立块调用层次建立程序结构。该程序的结构是由一个主程序块（组织块）OB1调用功能FC0主控室指示灯块、FC1系统总故障块、FC2空气除尘块、FC3系统运行方式选择块、FC4系统设备初始位置块、FC5 1#修磨机起停控制块、FC6 1#修磨头电磁阀控制块、FC7 2#修磨机起停控制块、FC8 2#修磨头电磁阀控制块、FC9 3#修磨机启停控制块、FC10 3#修磨头电磁阀控制块、FC11输入翻板块、FC12输出翻板块、FC13输入托辊气囊块、FC14输出托辊气囊块、FC15 1#辅助压轮块、FC16 2#辅助压轮块、FC17 3#辅助压轮块、FC18 1#压轮气动控制块、FC19 2#压轮气动控制块、FC20 3#压轮气动控制块、FC21 4#压轮气动控制块、FC22 5#压轮气动控制块、FC23 6#压轮气动控制块、FC24 7#压轮气动控制块、FC25 8#压轮气动控制块、FC26 9#压轮气动控制块、FC27 10#压轮气动控制块、FC28输入段伺服电机块、FC30修磨段伺服电机块、FC32输出段伺服电机块、FC34控制模块、FC36自动方式输入翻板动作块、FC37自动方式输出翻板动作块、FC44托辊角度调整块、FC46模拟量输入块、FC48模拟量输出块、FC50 MP270视觉效果块、FC51 MP270视觉效果块、FC52 MP270报警消息块、FC53 counter。程序结构如图3.2所示。图3.2程序结构图321定义全局符号名表可以根据定义符号表的方法，在符号表中给所有的I/O信号点都定义一个符号名称。在定义符号名称时，注意符号名称在全局变量中必须是唯一的，不能重命名，且不能使用STEP7中保留的关键字。赋值给符号名称的数据类型必须符合STEP中的数据类型规范。图3.3给出了该程序的部分符号名称和程序中全局变量的地址。图3.3（1）项目符号表图3.3（2）项目符号表二图3.3（3）项目符号表三图3.3（4）项目符号表四上述项目符号表列出了钢管磨削生产线PLC控制程序所用到的全部符号，包括符号名、输入或输出地址、数据类型、及其对应的硬件解释。322主程序块OB块OB块决定了用户程序的结构，是该程序的主程序块。OB块的主要作用是调用各个功能块FC，调用的功能块FC有FC0主控室指示灯块、FC1系统总故障块、FC2空气除尘块、FC3系统运行方式选择块、FC4系统设备初始位置块、FC5 1#修磨机起停控制块、FC6 1#修磨头电磁阀控制块、FC7 2#修磨机起停控制块、FC8 2#修磨头电磁阀控制块、FC9 3#修磨机启停控制块、FC10 3#修磨头电磁阀控制块、FC11输入翻板块、FC12输出翻板块、FC13输入托辊气囊块、FC14输出托辊气囊块、FC15 1#辅助压轮块、FC16 2#辅助压轮块、FC17 3#辅助压轮块、FC18 1#压轮气动控制块、FC19 2#压轮气动控制块、FC20 3#压轮气动控制块、FC21 4#压轮气动控制块、FC22 5#压轮气动控制块、FC23 6#压轮气动控制块、FC24 7#压轮气动控制块、FC25 8#压轮气动控制块、FC26 9#压轮气动控制块、FC27 10#压轮气动控制块、FC28输入段伺服电机块、FC30修磨段伺服电机块、FC32输出段伺服电机块、FC34控制模块、FC36自动方式输入翻板动作块、FC37自动方式输出翻板动作块、FC44托辊角度调整块、FC46模拟量输入块、FC48模拟量输出块、FC50 MP270视觉效果块、FC51 MP270视觉效果块、FC52 MP270报警消息块、FC53 counter。OB块的内部程序如图：图3.4(1) OB块程序图图3.4（2）OB块程序图续323主控室指示灯块FC0主控室指示灯块FC0包括12个程序段。程序段一使系统输出“1”信号，其程序段如图3.5所示。图3.5 FC0程序段一程序段二使系统输出“2”信号，其程序段如图3.6所示。图3.6 FC0程序段二程序段三的作用是控制电压延时接通。采用延时定时器SD延时，当控制电压正常接通并且系统总故障为0时即系统未出现故障时延时定时器SD TO启动，开始定时，在T0的设置输入端始终为1时定时时间到，则T0的常开触点闭合，“control DC delay”线圈闭合即控制电压延时接通。其程序段如图3.7。图3.7 FC0程序段三程序段四的作用是控制电压接通指示灯。当控制电压延时接通或者工作台较灯为“1”时控制输出线圈接通即电压接通指示灯亮。其程序段如图3.8所示。图3.8 FC0程序段四程序段五是变频器部分故障的程序块。包括变频器未接通故障、变频器22A0故障、变频器23A0故障、变频器24A0故障，当其中任何一项故障发生时变频器部分故障输出为“1”。其程序段如图3.9。图3.9 FC0程序段五程序段六是修磨机部分故障的程序块。当修磨机电源未正常接通或者当1#、2#、3#修磨机热继电器其中之一触点打开时输出为“1”即修磨机部分故障。其程序段如图3.10。图3.10 FC0程序段六程序段七是PLC电源部分故障，当24VDC输入模块、24VDC从站输出、24VDC主站输出、主控室输入模块其中任何一个出现故障时，输出PLC部分电源故障。其程序段如图3.11。图3.11 FC0程序段七程序段八是压轮、托辊电机故障，当输入段压轮、输入段托辊、修磨段1#2#压轮、修磨段3#4#压轮、输出段压轮、输出段托辊其中之一出现故障时，输出压轮托辊电机故障。其程序段如图3.12所示。图3.12 FC程序段八程序段九是主控室系统故障，当角度调整电源未正常接通、检修电源未正常接通、变频器部分故障、修磨机部分故障、PLC部分电源故障、压轮托辊电机故障其中之一发生时输出主控室系统故障。其程序段如图3.13所示。图3.13 FC0程序段九程序段十是压轮托辊电机报警，当变频器部分故障、压轮托辊电机故障、操作台较灯亮其中之一发生时压轮、托辊电机报警灯亮。其程序段如图3.14。图3.14 FC0程序段十程序段十一是控制检修电源指示灯程序，当检修电源接通或者操作台较灯亮时检修电源指示灯亮。其程序段如图3.15所示。图3.15 FC0程序段十一程序段十二是控制角度调整电机报警灯程序，当角度调整电源未接通或者操作台较灯亮时角度调整电机报警灯亮。其程序段如图3.16所示。图3.16 FC0程序段十二324系统运行方式选择块FC3系统运行方式选择块的功能是选择系统的运行方式，包括十一个程序段。程序段一为系统准备运行条件程序段，其作用是在系统满足系统不出现故障、空气除尘准备好及控制电压延时接通的情况下系统准备运行。程序段如图3.17所示。图3.17 FC3程序段一程序段二是运行准备指示灯程序，当系统运行准备或者操作台较灯亮时运