基于PLC的自控轧钢机监控系统设计石成玉

洛阳理工学院毕业设计（论文） I 基于 PLC 的自控轧钢机监控系统设计 摘 要 钢铁以成为全球广泛应用的主要基础材料。用轧制方法生产钢材，具有生产率高、 品种多、生产过程连续性强、易于实现机械化和自动化等优点，约90%的钢材都是用轧 制方法生产的。目前，我国已引进了世界上主要的先进轧钢机械和轧制技术，并在不 断创新中逐步推广、应用和发展。PLC在国内外已广泛应用于各个行业， 随着现代工 业的迅速发展，PLC在工厂生产中已经非常重要，不仅提高工作效率，而且减少不必要 的资金投入。本设计是基于PLC的轧钢机控制系统，主要采用S7-200系列机型进行程序 设计，利用组态王软件对自动轧钢机进行画面组态。 关键词： PLC，轧钢机，组态王软件 洛阳理工学院毕业设计（论文） II DESIGN OF CONTROLLED ROLLING MILL CONTROL SYSTEM BASED ON PLC ABSTRACT Wider use of steel in order to become the worlds major basic materials. Production of steel with the rolling method, with high productivity, variety, continuity of the production process, easy to achieve the advantages of mechanization and automation, about 90% of the steel is produced with the rolling method. At present, China has introduced the worlds leading advanced rolling machines and rolling technology, and gradually promote innovation, application and development. PLC has been widely used in various industries at home and abroad, with the rapid development of modern industry, PLC in the factory has been very important, not only to improve efficiency and reduce unnecessary investment. This design is based on the PLCs rolling mill control system, mainly for S7-200 series aircraft program design, use Configuration software for the automatic rolling machine configuration screen. Key words: PLC,Rolling mill ,Configuration software 洛阳理工学院毕业设计（论文） III 目 录 前 言.1 第 1 章 概 述.2 1.1 PLC 的基本组成与各部分的作用.2 1.1.1 PLC 的基本组成.2 1.1.2 PLC 各部分的作用.2 1.2 PLC 的主要特点.3 1.3 PLC 的发展趋势 .4 1.4 轧钢机的简介 .5 1.4.1 轧钢机的发展 .5 1.4.2 轧钢技术的发展前景 .7 第 2 章 硬件设计.8 2.1 PLC 机型选择.8 2.1.1 S7-200 PLC 特性.8 2.1.2 S7-200 主要功能模块介绍.8 2.1.3 S7-200PLC 工作原理.9 2.2 I/O 分配表及其端子接线图.10 2.3 主电路的设计 .12 第 3 章 软件设计.13 3.1 软件的组成及作用 .13 3.1.1 软件的分类 .13 3.1.2 应用软件的编程语言 .13 3.2 工作流程图.13 3.3 梯形图 .15 洛阳理工学院毕业设计（论文） IV 3.4 组态王软件设计 .18 3.4.1 建立新建工程 .18 3.4.2 构造数据库 .24 第 4 章 软硬件调试实现监控功能.28 总 结.31 谢 辞.32 参考文献.33 附 录.34 外文资料翻译.39 洛阳理工学院毕业设计（论文） 1 前 言 可编程控制器（Programmable Controller,，英文缩写为 PC、后又称为 PLC）是以 微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和 通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、 适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱之一。PLC 控制 技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC 装置已成为自动化系统的基本装置。 PLC 是由继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期主要是 代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。PLC 在过程控制的发展将是与现 场总线技术结合，发展向下拓展功能，开放总线。进入 90 年代以来，世界 PLC 的年 平均销售额在 55 亿美元以上，其中我国约占 1%。当前，PLC 在国际市场上已成为最 受欢迎的工业控制畅销产品，用 PLC 设计自动控制系统已成为世界潮流。目前，西门 子、欧姆龙和三菱等几家公司的 PLC 应用较为广泛。本设计主要用西门子公司的 S7- 200 系列小型 PLC 和目前较为流行的组态王 6.5 软件为主要工具，设计自动送料装车 运行及监控系统，实现自动送料装置的基本运行，详细介绍了组态王 6.5 软件的功能及 命令语言的编辑，实现了对系统的监控功能。 本设计是基于 PLC 的轧钢机控制系统，利用传感器 S1 来检测传送带上有无钢板， 若 S1 有信号（即开关为 ON） ，表示有钢板，电机 M3 正转，信号指示灯 MZ 亮。S1 的信号消失（即为 OFF） ，检测传送带上钢板到位的传感器 S2 有信号（为 ON） ，表示 钢板到位，电磁阀动作，电机 M3 反转，指示信号灯 MF 亮。此时，Y 给一向下压下 量，S2 信号消失，S1 有信号，电机 M3 正转如此重复上述过程。 由于时间仓促，加之理论水平的限制，论文中难免有疏漏和不足之处，恳请老师 和读者指正。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 2 第 1 章 概 述 可编程序控制器(Programmable Controller)原本应简称 PC，为了与个人计算专称 PC 相区别，所以可编程序控制器简称定为 PLC(Programmable Logic Controller)，但并 非说 PLC 只能控制逻辑信号。PLC 是专门针对工业环境应用设计的，自带直观简单并 易于掌握编程语言环境的工业现场控制装置1。 1.1 PLC 的基本组成与各部分的作用 1.1.1PLC 的基本组成 PLC 的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异， 通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成2。 PLC 的硬件系统结构如图 1-1 所示。 电电源源 I I/ /O O 扩扩 展展 单单 元元 输输入入设设备备 输输出出设设备备 输输 出出 接接 口口 输输 出出 接接 口口 外外 部部 设设 备备 接接 口口 输输 入入 接接 口口 I I/ /O O 扩扩 展展 接接 口口 主主机机 P PL LC C 编编程程器器 打打印印机机 磁磁带带机机 算算机机 扫扫描描仪仪 打打印印机机 磁磁带带机机 计计 扫扫描描仪仪 C CP PU U 存存储储器器 用用户户 程程序序 数数 据据 C CP PU U 系系统统 程程序序 按按钮钮 行行程程 触触点点 按按钮钮 开开关关 触触点点 电磁阀 指示灯 电磁线圈 图 1-1 硬件系统结构 1.1.2 PLC 各部分的作用 1主机 主机部分包括中央处理器（CPU） 、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 3 CPU 是 PLC 的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断 和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出 端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC 的 内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户 程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序 及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。 2输入/输出（I/O）接口 I/O 接口是 PLC 与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、 传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功 放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等） 。I/O 接口一般采用光电耦合 电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O 点数即输入/输出端子数是 PLC 的一 项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。 3电源 图中电源是指为 CPU、存储器、I/O 接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳 压电源，通常也为输入设备提供直流电源。 4编程 编程是 PLC 利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或监示 PLC 的 工作情况。通过专用的 PC/PPI 电缆线将 PLC 与电脑联接，并利用专用的软件进行电脑 编程和监控。 5输入/输出扩展单元 I/O 扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机） 连接在一起。 1.2 PLC 的主要特点 1.高可靠性 （1）所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之 间电气上隔离。 （2）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 （3）采用性能优良的开关电源。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 4 （4）对采用的器件进行严格的筛选。 （5）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU 立即采用有 效措施，以防止故障扩大。 （6）大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统,使可靠 性更进一步提高3。 2丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流； 脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮； 行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网 络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 3采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模 块化结构。PLC 的各个部件，包括 CPU，电源，I/O 等均采用模块化设计，由机架及电 缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要 具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各 种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示 装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法， 使系统迅速恢复运行。 1.3PLC 的发展趋势 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引 入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的 工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 5 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可 编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个 特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控 制器已步入成熟阶段3。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 30 至 40%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力 得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处 于统治地位的 DCS 系统。20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工 业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来 说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控 制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编 程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化 工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展4。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是 在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断 扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气 有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所 生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在 工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我 国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 我国将有更 广阔的应用天地。 1.4 轧钢机的简介 1.4.1 轧钢机的发展 1.初轧机的发展。初轧机的发展经历了三个阶段，到二十世纪 70 年代，初轧机的 扎锟直径以增加到 1500mm。我国从 1959 年开始自行设计开坯机，目前已制成 700mm ,750mm ,850 mm ,1150mm 初轧机。20 世纪 80 年代以来，连铸技术得到较大的发展， 连铸比达到 80%甚至更高，连铸连轧工艺和设备也日益完善轧机的职能将逐步转变为配 合连铸，弥补连铸在钢种和规格方面的不足7。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 2.带钢连轧机的发展。在所有市场需求的钢材中，板带材占有相当大的比重。我 国于 1981 年从日本引进 1700mm 热连轧机的全套设备。随后，一大批具有先进生产工 艺的热轧机和冷连轧板带迅速崛起，预计 2005 年，我国的热轧宽板带材年生产能力将 达到 4500 万 t，冷轧板带材年生产能力也将达到 2000 万 t。热连轧机发展的主要特点 有：加大带圈和 坯料重量，减少切头切尾的损耗，提高生产收得率；采用加速轧制， 提到钢材产量，带钢热连轧机组的出口速度以从 20 世纪 50 年代的 10m/s12m/s 提高 到现在的 30m/s；产品规格增加，精度提高；采用计算机控制，提高了自动化水平等。 冷轧钢板的成产成本、投资费用虽然比热轧钢板高，但由于冷轧钢板的性能和质量比 热轧好，在同样用途下，可以节约金属材料达 30%，故冷轧板生产得到迅速的发展。某 种工业发达国家（如美国）使用的薄板，几乎 100%是冷制的。热轧板只作为冷轧板、 焊管、冷弯型钢的 坯 料。我国 1965 年末制成 300mm 五机架实验性窄带钢冷连轧机， 20 世纪 80 年代又从原西德引进 1700mm 五机架钢冷连轧机成套机组，90 年代后又有六 锟 HC 轧机、CVC 轧机先后投入生产。带钢冷连轧机正在向大型化、高速化、高精度和 自动化方向发展9。 3.钢管轧机的的发展。钢管的焊接和轧制两种生产方式。建国前，我国不能生产 热轧钢管。建国后，我国不仅能生产大直径的螺旋焊管，以满足石油、煤气等长距离 输送的需要，而且广泛采用周期式冷轧管机生产成产冷轧钢管，20 世纪 90 年代还建成 了大直径热轧无缝钢管厂。现拥有各种热轧钢管设备 50 于套，产品品种达 1000 多种。 4.型钢机的发展。型钢主要是靠热轧方式生产，用于热轧型钢的轧机按轧锟直径 和产品规格分为轨梁、大型、中型、小型和线形轧机。型钢轧机近年来得到较大的发 展，初、中轧机采用万能轧机，减少翻钢次数，缩短间隔时间；精轧采用短应力线轧 机和狱英里轧机、预应力轧机，以增加轧机钢性，保证产品有较小的公差范围；改进 导卫装置及装拆方法，以延长导卫装置的使用寿命及减少更换的停车时间；采用自动 压下设定机构，以保证轧件的精确尺寸，缩短调整和调轧时间；采用锟系的组合换锟 以缩短换锟的时间等。线轧机用来生产 5mm12.7mm 的圆形断面轧材。20 世纪 40 年代 的线形轧机需要人喂钢，最高轧钢速度限制在 10m/s 以下，盘重在 800Kn900Kn 左右； 60 年代中期、出现了 Y 型高速无扭转轧机，最高轧制速度达 50m/s70m/s,线材盘重 达 25000Kn；70 年代发展起来的悬臂式 45 度无扭精轧机组出口速度达到 65m/s80m/s,有 时高达 120m/s。近 30 年来线材轧机的高速、大盘重、高产量、高精度方面有了较大的 洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 发展。 1.4.2 轧钢技术的发展前景 世界轧钢工业的技术进步主要集中在生产工艺流程的缩短和简化上，最终形成轧材 性能高品质化、品种规格多样化、控制管理计算机化等。展望未来，轧钢工艺和技术 的发展体现在以下几个方面。 1.铸轧一体化。利用轧锟生产进行钢材生产，因其过程连续、高效、可控且便于 计算机等高新技术的应用，在今后相当一段时间内，以锟轧为特征的连续轧钢技术仍 将是钢铁工业钢材成型的主要技术，但轧钢前后工序的衔接技术必将有长足的进步。 在 20 世纪，由于连铸的发展，以经逐步淘汰初轧工序。而连铸技术生产的薄带钢直接 进行冷轧，又使连铸与热轧工序合二为一。铸轧的一体化，将使轧制工艺流程更加紧 凑。同时，低能耗、低成本的铸轧一体化，也是棒、线、型材生产发展的方向。 2.轧制过程清洁化。在热轧过程中，钢的氧化不仅消耗钢材与能源，同时也带来 环境污染，并给深加工带来困难。因此，低氧化燃烧技术和低成本氢的应用都成为无 氧化加热钢 的基本技术。酸洗除鳞是冷轧生产中最大的污染源，新开发的无酸清洁 型初磷技术，可使带钢表面全无氧化物、光滑，并具用金属光泽。无氧化和无酸除磷 这两项被称为绿色工艺的新技术，将使轧钢过程清洁化。 3.轧制过程柔性化。板带热连轧生产中压力调宽技术和板型控制技术的应用，实 现了板宽的的自由规程轧制。棒、线材生产的粗、中轧平锟轧技术的应用，实现了部 分规格产品的自由轧制。冷弯和焊管机也可实现自由规格生产。这些新技术使轧制过 程柔性化。 4.高新技术的应用。20 世纪轧钢技术取得重大进步的主要特征是信息技术的应用。 板型自动控制，自由规格轧制，高精度、多参数在线综合测试等高新技术的应用是轧 机生产达到全新水平。轧机的控制已开始由计算机模型控制转向人工控制能控制，并 随着信息技术的发展，将实现生产过程的最优化，最终降低成本。 5.钢材的延伸加工。在轧钢生产过程中，除应不断的挖掘钢材的性能潜力外，还 要不断的扩大多种钢材的延伸加工产业，如开发自润滑钢板用于各种冲压件生产，减 少冲压厂润滑油污染；开发建筑带肋钢筋焊网等，把钢材材料生产、服务延伸到各个 刚才使用部门。随着工业的发展和轧钢技术的进步，轧钢工艺的装备水平和自动控制 水平不断的提高，老式轧机不断的被各种新式轧机所取代。按照我国走新型工业化道 洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 路的要求，轧钢技术发展的重点也转移到可持续发展上，在保证满足环境要求的条件 下，达到钢材生产的高质量和底成本。 第 2 章 硬件设计 2.1 PLC 机型选择 西门子 S7-200 是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有多 种功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成 PLC 网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的 设计时更加方便简单，几乎可以完成任何功能的任务，同时具有可靠性高，运行速度 快的特点，继承和发挥了它在大型 PLC 领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大 的多种集成功能和实时特性，其性价比高，所以在大规模不大的领域是较为理想的控 制设备。 2.1.1 S7-200 PLC 特性 S7-200 系列 PLC 功能强、速度快、扩展灵活，具有模块化、紧凑的结构。使用范 围可从替代继电器的简单控制到复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与 自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括电力设施、民用设施、机械、机 床等领域8。 S7-200 系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作方便快捷、内 置丰富的集成功能、实时特性，强劲得通讯能力、丰富的扩展模块。 S7-200 系列的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控 制功能。所以它具有极高的性价比。 S7-200 系列可以根据对象的不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可 以将这些模块安装在同一机架上13。 2.1.2 S7-200 主要功能模块介绍 1 CPU 模块 S7-200 的 CPU 模块包括一个中央处理单元、电源以及数字 I/O 点，这些都被集成 洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 在一个紧凑、独立的设备中。CPU 负责执行程序，输入从现场设备中采集信号，输出 部分则输出控制信号，驱动外部负载，从 CPU 模块的功能来看，CPU 模块为 CPU22*. 其中 CPU226 有 24 点输入/16 点输出，I/O 共计 40 点，可用于点数较多，要求较高的 中、小型系统。 2IO 扩展模块 当 CPU 的 I/O 点数不够或需要进行特殊功能的控制时，就要进行 I/O 扩展，I/O 扩 展包括 I/O 的扩展和功能模块的扩展。典型的数字量 I/O 扩展模块有： 输入扩展模块 EM221 有两种：8 点 DC 输入/AC 输入； 输出扩展模块 EM222 有三中：8 点 DC 晶体管输出/AC 输出/继电器输出； 输入/输出混合扩展模块 EM223 有六种：分别为 4 点（8 点、16 点）DC 输入/4 点 （8 点、16 点）DC 输出、4 点（8 点、16 点）DC 输入/4 点(8 点、16 点)DC 输出、4 点（8 点、16 点）DC 输入/4 点（8 点、16 点）继电器输出。 3功能扩展模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU 主机可以扩展特殊功能模块。典型 的模拟量 I/O 扩展模块有： 模拟量输入扩展模块 EM231 有三种：4 路模拟量输入，2 路热电阻输入和 4 路热 电偶输入。 模拟量输入扩展模块 EM232 具有 2 路模拟量输出。 模拟量输入/输出扩展模块 EM235 有 4 路模拟量输入/1 路模拟量输出。 2.1.3 S7-200PLC 工作原理 各种 PLC 都采用扫描工作方式，具体工作过程大同小异。西门子 S7-200PLC 的工 作过程：PLC 上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。一次循环过程可归 纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、I/O 刷新和外设端口服务五个工作阶段。 一次循环所用的时间称为一个工作周期（或扫描周期） ，其长短与用户程序的长短以及 PLC 机体本身性能有关，其数量级为 ms 级，典型值为几十 ms。各阶段完成的任务如 下： 1公共处理：复位监视定时器，进行硬件检查、用户内存检查等。检查正常后， 方可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止 PLC 运行。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 2程序执行：在程序执行阶段 ，CPU 按先左后右，先上后下的顺序对每条指令 进行解释、执行，CPU 从输入映像寄存器（每个输入继电器对应一个输入映像寄存器， 其通/断状态）和元件映像寄存器（即与各种内部继电器、输出继电器对应的寄存器） 读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入 元件映像寄存器中。 3扫描周期计算处理：若设定扫描周期为固定值，则进入等待循环，直到该固定 值到,再往下进行。若设定扫描周期为不定的（即决定于用户程序的长短等，为不定值） ， 则进行扫描周期的计算。 4I/O 刷新：在此阶段，进行 I/O 刷新。输入刷新时，CPU 从输入电路中读出各 输入点状态，并将此状态写入输入映像寄存器中；输出刷新时，将输出继电器的元件 映像寄存器的状态（I/O）传送到输出锁定电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动 外部负载。 5外设端口服务：完成与外设端口连接的外围设备部编辑器或通信适配器的通信 处理。 CPU 从输入电路的输出端读出个电路状态，并将其写入输入映像寄存器；在程序 执行阶段，CPU 从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据 此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中；在紧接着的下一个 I/O 刷 新阶段，将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递到输出端子， 从而控制外接器件动作15。 在这个设计中我选用的 PLC 机型是 S7-200 系列的 CPU226，它用于较高要求的控制 系统，具有更多的输入输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的 内部集成特殊功能，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。CPU226 集成 24 输入 /16 输出共 40 个数字量 I/O 点，可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 或 35 路模拟量 I/O 点，13KB 程序和数据存储空间。 2.2 I/O 分配表及其端子接线图 在本次系统设计中，我们定义的 I/O 分配表如表 2-1 所示。将 4 个输入信号和 9 个输入信号按各自的功能类型分好，并与 PLC 的 I/O 点一一对应，编排地址如下表。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 数字量扩展模块的地址分配是从最靠近 CPU 模块的数字量模块开始，在本机数字量地 址的基础上从左到右按字节连续递增，本模块高位实际位数未满 8 位的，未用位不能 分配给 I/O 链的后续模块，模拟量扩展模块的地址是从最靠近 CPU 模块的模拟量模块 开始，在本机模拟量地址的基础上从左到右按字递增，I/O 端子接线图如图 2-1。 表 2-1 I/O 分配表 序号输入点输入地址序号输出点输出地址 1 I0.0 启动开关 SB0 1Q0.0 电机 M1 正转 （KM1） 2 I0.1 停止开关 SB1 2Q0.1 电机 M1 反转 （KM5） 3 I0.2 检测开关 S1 3Q0.2 电机 M2 正转 （KM2） 4 I0.3 检测开关 S2 4Q0.3 电机 M2 反转 （KM6） 5Q0.4 电机 M3 正转 （KM3） 6Q0.5 电机 M3 反转 （KM4） 7Q0.6 A 灯亮 8Q0.7 B 灯亮 9Q1.0 C 灯亮 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 S SB B0 0 S SB B1 1 S S1 1 S S2 2 I I0 0. .0 0 I I0 0. .1 1 I I0 0. .2 2 I I0 0. .3 3 Q Q0 0. . 0 0 Q Q0 0. .1 1 Q Q0 0. . 2 2 Q Q0 0. .3 3 Q Q0 0. .4 4 Q Q0 0. . 5 5 Q Q0 0. .6 6 Q Q0 0. .7 7 Q Q1 1. .0 0 L L1 1 L L2 2 1 1 M M 2 2 M M - -+ + 2 24 4V V 2 22 20 0V V F FU U K KM M1 1 L L1 1 L L2 2 L L3 3 K KM M5 5 K KM M2 2 K KM M6 6 K KM M3 3 K KM M4 4 F FR R1 1 F FR R1 1 F FR R3 3 F FR R3 3 F FR R2 2 F FR R2 2 S S7 7- -2 20 00 0 C CU UP P2 22 26 6 图 2-1 I/O 端子接线图 2.3 主电路的设计 电气原理图是根据电气控制系统的工作原理，采用电器元件展开的形式，利用图 形符号和项目符号表示电路各电器元件中导电部件和接线端子连接关系的电路图。电 气原理图并不按电器元件实际布置来绘制，而是根据它在电路中所起的作用画在不同 的部位上。电气原理图具有结构简单、层次分明的特点，适合研究和分析电路工作原 理，在设计研发和生产现场等方面得到广泛应用，主电路图如图 2-2。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 M 3 M 3 33 QS FU1FU2 FR1FR2FR3 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5KM6 M1M2M3 FU3 图 2-2 主电路 第 3 章 软件设计 3.1 软件的组成及作用 3.1.1 软件的分类 PLC 的软件包含系统软件及应用软件两大部分。 1系统软件 系统软件包括系统的管理程序、用户指令的解释程序，另外还有一些供系统调用 的专用标准程序块等。系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 管理及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。 系统软件在用户使用可编程序控制器之前就已装入机内，并永久保存，在各种控制工 作中并不需要做什么调整16。 2应用软件 应用软件也叫用户软件。是用户采用 PLC 厂家提供的编程语言来编制的程序以达 到某种控制目的、完成控制要求。 3.1.2 应用软件的编程语言 应用程序的编制需使用可编程序控制器生产厂提供的编程语言。至今为止还没有 一种能适合于各种可编程序控制器的通用编程语言。国际标准化的 IEC1131-3 编程语 言详细地说明了句法、语法和下述 5 种编程语言的表达方式：流程图、梯形图、功能 块图、语句表、结构文本。S7-200 系列 PLC 的编程语言非常丰富，有梯形图、语句表、 功能块图和顺序功能图等，用户可以选择一种编程语言，如果需要，也可混合使用几 种语言编程。这些编程语言都是面向用户的，它使控制程序的开发、输入、调试和修 改工作大大简化。本次设计用到的编程语言表达方式有：流程图、梯形图、语句表5。 3.2工作流程图 流程图这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。顺 序功能编程法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小状态的功 能分别处理后，再把这些小状态依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。 可以用流程图来描述系统的功能，使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进 行编程，根据它可以很容易地画出梯形图程序。顺序功能图体现了一种编程思想，在 程序的编制中有很重要的意义。 我们根据设计要求绘制了整个系统的工作流程图，以便可以更清楚的认识该轧钢 机的全过程，整个系统的工作流程图，如图 3-1 所示。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 开开始始 按按下下SB0 M1 反反转转, M2 正正转转 S1是是否否有有信信号号? M3 正正转转 S2是是否否有有信信号号? M1正 正转转 , M2反反转转,M3 反反转转， Y1 给给一一个个下下压压量量 S2第第四四次次信信号号 第第一一次次向向下下压压量量 A 灯灯亮亮 第第二二次次向向下下压压量量 AB 灯灯亮亮 第第三三次次向向下下压压量量 ABC 灯灯亮亮 停停机机 否否 否否 图 3-1 程序流程图 3.3 梯形图 梯形图语言具有形象、直观、简单明了、易于理解的特点，特别适用于开关量逻 辑控制，是所有编程语言的首选。在这里，我们采用梯形图编程。梯形图如 3-2 所示。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 I0.0 Q0.1 Q1.4 I0.1I0.3Q0.1 Q0.2 M1 反转 M2 正转 I0.0 Q1.1 I0.1 T 37 Q1.1 Q1.1 T 37 IN PT+30 I0.0 I0.1 Q0.6 Q0.6 I0.2Q0.5I0.3Q0.1 Q0.4 Q0.4 I0.3I0.1 C52 T38 Q1.2 Q1 .2 Q1.3 A 灯亮 M3 正转 T38 TON 洛阳理工学院毕业设计（论文） 17 Q0.7 T 38 IN PT +88 I0.3 Q0.0 Q0.1 C52 Q0.5Q0.3 Q0.0 Q0.5I0.3 Q0.1Q1.4C52I0.1 Q0.5 Q1.2I0.1Q0.6 Q0.7 Q0.7 Q1.3Q0.6Q0.7I0.1 Q1.0 Q1.0 I0.2 Q0.7C52 Q1.4 I0.3 I0.0 C52 CD LD CTD PV +3 M2 反转 M1 正转 M3 反转 B 灯亮 C 灯亮 TON 图 3-2 梯形图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 18 语句表为： / Network Comment LD I0.0 O Q0.1 O Q1.4 AN I0.1 AN I0.3 = Q0.1 = Q0.2 Network 2 LD I0.0 O Q1.1 AN I0.1 AN T37 = Q1.1 Network 3 LD Q1.1 TON T37, +30 Network 4 LD I0.0 O Q0.6 AN I0.1 = Q0.6 Network 5 LD I0.2 O Q0.4 AN Q0.5 AN I0.3 A Q0.1 = Q0.4 Network 6 LD I0.3 O Q1.2 AN C52 LPS AN T38 = Q1.2 LPP AN Q1.2 A T38 = Q1.3 Network 7 LD Q0.7 TON T38, +88 Network 8 LD I0.3 O Q0.0 AN Q0.1 AN C52 A Q0.5 = Q0.3 = Q0.0 Network 9 LD I0.3 O Q0.5 AN Q0.4 AN C52 AN I0.1 AN Q1.4 = Q0.5 Network 10 LD Q1.2 O Q0.7 AN I0.1 A Q0.6 = Q0.7 Network 11 LD Q1.3 O Q1.0 A Q0.6 A Q0.7 AN I0.1 = Q1.0 Network 12 LD I0.2 A Q0.7 AN C52 = Q1.4 Network 13 LD I0.3 LD I0.0 CTD C52, +3 I0.0 接启动开关，只有先接通启动开关是电路才能运行。I0.2 和 I0.3 分别是由 洛阳理工学院毕业设计（论文） 19 两个传感器分别控制的开关，I0.2 是由 S1 传感器上有钢板时 I0.2 就有信号，I0.3 是 在传感器 S2 有钢板时有信号。然后进行下一步成序。 Q0.0、Q0.1，Q0.2、Q0.3，Q0.4、Q0.5 分别接电机 M1，M2，M3 的正转和反转。应 为控制要求不同，I/O 接口控制也不同。 Q0.6，Q0.7，Q1.0 分别接 A 灯 B 灯 C 灯。当 Q1.1 接通时 A 灯亮表示 Y1 第一次压 轧量，I0.3 有信号时 A 灯 B 灯亮，表示有比第一次更大的轧压量。I0.3 第二次有信号 是 ABC 灯都亮。这次轧压量更大。当 I0.3 再有信号时就停机。 3.4 组态王软件设计 随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自 动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得 传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。通用工业自动化组态软件的出现为 解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制 软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最 终的自动化控制工程12。 3.4.1 建立新建工程 启动组态王软件的工程管理器，在菜单中点击“新建”弹出如图3-3对话框如下。 图 3-3 工程向导之一 洛阳理工学院毕业设计（论文） 20 单击“下一步”继续，弹出如图3-3 “新建工程向导之二对话框”。 1.在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览”，在弹出 的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向 导之三对话框”，如图3-4 所示。 图 3-4 工程向导之二 图3-5 工程向导之三 在工程名称文本框中输入工程的名称，该工程名称同时将被作为当前工程的 路径名称。点击“完成”，则完成了一个新的工程的建立。 2 .创建组态画面 进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画 洛阳理工学院毕业设计（论文） 21 面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型 丰富的图形对象组成的。系统为用户提供了矩形（圆角矩形）、直线、椭圆（圆） 、扇形（圆弧）、点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、 趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。提供了对图形对象在窗口内 任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠 标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。 “组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。 用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支 持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。 进入新建的组态王工程，选中工程浏览器左侧的画面，在右侧双击新建按钮， 则弹出如图 3-6 对话框。 图 3-6 新画面 在“画面名称”处输入新的画面名称，点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面 开发系统，如图3-7所示。 在工具箱中可以选定各种现有图形，并且可以用绘图工具绘制各种图形、添 加文本、调剂颜色等操作。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 22 图 3-7 开发系统 3.定义 IO 设备 选择工程浏览器左侧大纲项“设备COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击 “新建”图标，运行“设备配置向导”，会出现如图 3-8。 图 3-8 设备配置向导之一 选中 PLC,由于在本次设计中用的是西门子 S7-200 系列的模块，所以双击 “西门子”，选中 S7-200，弹出如图 3-9 对话框。 图 3-9 设备配置向导之二 洛阳理工学院毕业设计（论文） 23 为外部设备取一个名称，输入PLC，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，如 图3-10所示。 图 3-10 设备配置向导之三 为设备选择连接串口，假设为COM1，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”， 如图3-11所示。 图3-11 设备配置向导之四 填写设备地址，假设为2，单击“下一步”，弹出如图3-12对话框。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 24 图3-12 通信参数 设置通信故障恢复参数(一般情况下使用系统默认设置即可)，单击“下一步”， 弹出“设备配置向导”。如图3-13所示。 图3-13 信息总结 检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。 设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“PLC”。如 图3-14所示。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 25 图3-14 新设备 在定义数据库变量时，只要把IO变量连结到这台设备上，它就