水压试管机系统-PLC控制RM

1、油管静水压试管装置自动控制系统-PLC控制摘 要随着国民经济的飞速发展,钢管被广泛应用于石油化工,锅炉制造等行业, , 它们的普遍特点是常用于高温、高压等恶劣工况下,因此对钢管的质量提出了更 高的要求.本文所介绍的水压试验机控制系统正是为检验钢管的耐压能力而设 计制造的.它是一个多方面为一体的复杂系统,是集机械,电气,液压,传感和自动控制为一体的复杂的机电液一体化设备。本文所研究的是静水压试管装置的PLC控制关键词:静水压试管装置控制系统;PLC控制Design Of ElectricalControl System For Hydrostatic achine Testing Machine

2、Control By PLCAbstractWith the rapid development of the national economy,steel pipes are widely used in petrochemical, boiler manufacturing industry, their general characteristics is commonly used in high temperature, high pressure and other adverse conditions, so the quality of steel has put forwar

3、d higher requirements. Described in this article hydrostatic testing machine control system for the test tube is the ability to design and manufacture of pressure of. It is a multifaceted complex system as a whole, is a mechanical, electrical, hydraulic, sensor integration and automation for complex

4、 mechanical, electrical and hydraulic equipment integration. In this paper, The design, primarily responsible for part of PLC control. Keywords: Control system for hydrostatic testing machine; PLC control- 47 -目录第1章 绪论- 1 -1.1 背景- 1 -1.2 研究意义- 1 -1.3 国内外相关领域的研究现状- 1 -1.4 研究内容- 3 -第二章 静水压试管装置自动控制系统的工

5、作原理及基本构成- 3 -2.1 静水压试管装置自动控制系统工作原理- 3 -2.2 静水压试管装置自动控制系统的基本构成- 5 -2.3 硬件系统组成- 5 -第三章 关于PLC与西门子S7-300的介绍- 11 -3.1 PLC相关知识- 11 -3.1.1 PLC的定义- 11 -3.1.2 PLC的基本结构- 12 -3.1.3 PLC工作原理- 13 -3.1.4 PLC基本功能与特点- 15 -3.2 西门子S7-300相关知识- 17 -3.2.1 西门子相关介绍 - 17 -3.2.2 S7-300介绍- 18 -第四章 S7-300工作环境- 22 -4.1 STEP7- 2

6、2 -4.1.1 编程软件简介- 22 -4.1.2 STEP7的项目结构- 23 -4.1.3 使用STEP7的基本步骤- 24 -4.2 选择编程语言- 24 -4.3 S7-300硬件组态设计- 29 -4.4 CAD图的解释- 45 -第1章 绪论1.1 背景随着国民经济的飞速发展,钢管被广泛应用于石油化工,锅炉制造等行业, 它们的普遍特点是常用于高温、高压等恶劣工况下,因此对钢管的质量提出了更 高的要求,根据 API (American petroleum institute,美国石油组织) 标准要 求,各种不同品种和钢级的油井管,必须能承受相应等级的压力,于是,压力试验 成为钢管生

7、产过程中必需的质量检测环节,对钢管质量检验起着重要作用. 水压 试验机正是为检验钢管的耐压能力而设计制造的.水压实验机是一种利用油水 平衡控制对钢管进行静水压试验的机器.它一方面检查钢管是否有渗漏现象,另一方面可以消除钢管在成型过程中产生的残余内应力.将钢管充满高压水后在一定压力范围内对其进行保压,保证规定时间内钢管全长范围内均无泄漏,它是一个多方面为一体的复杂系统,是集机械,电气,液压,传感和自动控制为一体的复杂的机电液一体化设备。1.2 研究意义 水压试验机是钢管生产线上必不可少的设备,因而水压试验机的工作效率 直接影响到产品的生产率,因此提高水压试验机的生产率,对提高设备的检验能 力及产

8、品质量具有重要意义,很好的研究水压试验机的系统更有利于逐步改进 提高现有设备的控制系统,提高设备的自动化水平,进而提高生产力水平,创 造更多的经济效益.1.3 国内外相关领域的研究现状随着高级钢管市场的扩大,对高压钢管水压试验机的需求也日益增大.以前,我国油套管,输送管主要生产企业使用的高压水压试验机主要依赖进口,直到 1999 年西安重型机械研究所设计研发出第一套高压钢管水压试验机才改变了这种局面. 在不到 10 年的时间里,西安重型机械研究所根据用户需求,开发设计了十多套不同规格,不同试验压力的高压钢管水压试验机.由于国产高压钢管水压试验机的起步较晚,其发展过程中尚存以下亟待解决的问题:

9、(1)制管生产线生产率的提高对高压钢管水压试验机提出了挑战.目前, 单头高压钢管水压试验机的试压最高频次是 90 根/小时,而前道工序的生产率有时会更高,因此,开发高试压频次的高压钢管水压试验机是今后的一个目标. (2)开发新型的排气端卡头移动机构以满足钢管长度变化时的试压需要. 目前水压试验机排气端卡头移动用丝杠螺母机构,虽然定位准确,刚性好,但螺母磨损较严重,可以考虑用液压伺服机构来解决这一问题.(3)开发新型的大口径钢管密封结构. 随着制管生产技术的提高,钢管外径不断增大,需要试压的管径也相应增大,现在采用的径向预压紧组合密封是靠钢管外径密封的,钢管外径如果太大,此结构就太笨重,不利于更

10、换卡头,寻找一种新的密封方式是需要解决的问题. 目前国内外钢管水压试验机有很多种,但原理基本相似,国内的水压试验机 在部分规格和某些部分的工艺上不如国外的水压机, 例如目前我国无缝管轧制的规格仅到508mm,且较大规格(大于630mm)密封圈的制作工艺不过关,因此,我国还没有直径大于630mm,采用径向密封的无缝钢管水压试验机.近二十年来,国外水压机发展很快,技术先进,但系统复杂,制造和运行成本很高.为了适应产品高质量,高效率,降低能耗,减少公害,改善劳动条件,创建锻造文明生产的 要求,在70年代中期,不少水压机己经实现通过计算机,一人对压机与操作机进 行联动控制.20世纪70年代以后,由于高

11、性能大流量油泵及其液压元器件,PLC, 触摸屏, 工控机和各种先进的测控元件等进入工业领域, 水压机得到了长足进步. 从80年代初到现在其控制水平又有提高, 压机机组自编程已完全进入工业性实用 阶段,并且开始实现钢管检测流程的网络管理及自动控制. 国内外水压试验机的研究主要集中在原理与结构探讨,设备改造,组态系 统设计,控制系统和对水压试验机的整体运行状态进行故障诊断以及预报潜在 故障等方面,都取得了很大的进展.例如采用丝堵和胶塞密封的石油油套管水压试验机,由于其密封压力低,密封件使用寿命短,效率低,损伤螺纹等原因, 已不能满足API标准的新要求.以前进口的水压试验机,因试验压力低,使用受到限

12、制. 近年来,新开发了多种水压试验机,不仅满足 API标准的新要求,而且价格低,很受用户欢迎.1.4 研究内容水压机是一种利用油水平衡控制对钢管进行静水压试验的机器.它主要有以下几部分组成:钢管传送装置,水路系统,油路系统和控制系统.钢管传送装置负责钢管的进出传送,水路系统负责钢管进行静水压试验时向钢管里充水打压,油路系统负责钢管静水压试验时控制封头实现管端油水压力平衡,控制系统负责整个设备的自动运行控制和试验数据的自动保存和历史 数据的管理. 水压试验机的拟研制控制系统由硬件系统,软件系统组成. 1.硬件系统组成: 硬件系统组成硬件系统主要由上位机,下位机,人机接口,现场传感器和可执行元件组

13、成.上位机包括工程师站和操作员站,他们共用一台电脑,上位机还作为数据服务器使用,存储试验数据. 下位机由一台西门子 S7-200PLC担任,它负责对现场传感器检测到的信号传送给上位机进行信号处理,同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作,从而实现系统整体自动协调动作,完成钢管的静水压试验. 人机接口包括键盘,鼠标和操作台.利用键盘,鼠标,通过电脑操作画面完成参数传递和实时监控显示以及数据报表的打印等操作.操作台完成外围辅助设备的动作,包括钢管传送,油泵和水泵的起停,管端封头的移动等. 现场传感器有水压传感器和油压传感器,它们负责实时检测水路系统和油路系统的压力,将它们转

14、换为电信号传送到PLC,等待进一步处理. 可执行元件包括电液比例阀,电磁换向阀,电机和信号指示灯,它们负责实现机械的各个具体动作和相关信号指示. 2.软件系统组成: 2.软件系统组成: 软件系统组成 软件系统包括: 监控组态软件, 历史数据管理软件, PLC运行开发软件 STEP ( 7-Micro/WIN V5.4).本次设计中,我主要负责PLC控制部分.第二章 静水压试管装置自动控制系统的工作原理及基本构成2.1 静水压试管装置自动控制系统工作原理水压试验机原理上的根据是油水平衡受力平衡公式: P 油 ×S 油 = P 水 ×S 水式中:P 水为水压试验压力 MPa;

15、S 水为钢管内径横截面积平方毫米 ; P 油为水压试验工作油缸内压力 MPa ;S 油为水压试验机工作油缸横截面积平方米. 图2.1 水压试验机实验工作原理图送料机构: 主要作用是将工作台上试压完成的钢管送入料框, 同时将料架上的待试钢管送入台面上的试验位置,并使之定位. 送料机构采用机械连动, 用电磁阀,限位开关控制停，启, 它是一种间隔动作的机构. 夹紧机构: 主要作用是将送到试验台面上的钢管夹紧, 目的是在试验时使前后试验头能准确地插入钢管, 试压完成后又能顺利地使钢管拨出;此外还有使钢管在试压时不产生弯曲变形的作用.夹紧机构的执行装置一般用气缸来实现. 前后试验头: 前后试验头是水压试

16、验机的关键装置之一, 通过前后试验头向 钢管供水,加压,它和钢管的两个端头之间应该有良好的密封, 一般供水和加压 是通过前试验头进行的, 而后试验头则安装排气装置. 前后试验头的驱动装置一般采用液压缸, 试压时使前后试验头前进, 插入钢管并密封; 试验完毕后, 前后试验头退出, 钢管和前后试验头脱开. 供水装置:供水装置主要由水泵和阀门组成, 为了避免水泵频繁启,停, 在 整个试压期间都处于开动状态, 对钢管的低压供水在一个试压周期内只要开启 和关闭有关的阀门就行了, 这种阀门一般有两个, 一个是用来对试压床身上待 试钢管进行冲洗, 将钢管内的焊渣, 尘土及其它脏物冲洗干净, 我们称它为冲洗阀

17、, 另一个阀则用来对试压钢管预充以低压水, 我们称之为充水阀. 为了便于可靠地实现自动化, 冲洗阀和充水阀一般都用气动执行机构, 它们的启闭用气压传动来实现. 排气机构: 排气机构的主要作用是在钢管预充水时将试压钢管内的空气排出, 它还有另外一个作用是在试压完毕后将排气阀打开使试压管卸压. 排气机构是安装在后试验头上的一个排气阀,它的执行机构也是一个气缸, 在充水时将排气阀打开, 进行排气; 在增压时关闭; 试压完成后又打开, 使钢管卸压. 增压装置的作用是向试压钢管内提供达到一定试验压力的高压水.2.2 水压试验机控制系统的基本构成水压试验机的制控制系统由硬件系统,软件系统组成.2.3 硬件

18、系统组成 水压机的结构如下图:图 2.2 水压机系统结构图在以往的控制系统中, 由于采用的继电器和接触器控制方式存在很多问题, 比如其控制元件体积大,在动作频繁时,响应速度较低,尤其在水气潮湿,尘埃较多的恶劣环境下工作时常发生电气故障,对生产影响很大.因此这里采用一种PLC 的控制系统. 几十年来,继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用,而且目 前仍然在工业领域中大量地应用,然而其控制性能与自身的功能己无法满足与 适应工业控制的要求和展,与PLC相比较,存在着质的差别. 图2.3 控制系统结构图在硬件系统中上位机还作为数据服务器使用,存储试验数据,下位机由一 台西门子 S7-300 P

19、LC 担任,它负责对现场传感器检测到的信号传送给上位机进行信号处理,同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作,从而实现系统整体自动协调动作,完成钢管的静水压试验.人机接口包括键盘,鼠标和操作台.利用键盘,鼠标,通过电脑操作画面完成参数传递和实时监控显示以及数据报表的打印等操作.操作台完成外围辅助设备的动作,包括钢管传送,油泵和水泵的起停,管端封头的移动等.现场传感器有水 压传感器和油压传感器,它们负责实时检测水路系统和油路系统的压力,将它们转换为电信号传送到PLC,等待进一步处理.可执行元件包括电液比例阀, 电磁换向阀,电机和信号指示灯,它们负责实现机械的各个具体动作和

20、相关信号指示. 在硬件系统中,还包括有稳压系统.为了满足 API 标准对钢管水压试验的要求,钢管水压试验机在系统设计时必须考虑稳压问题,系统稳压性能的好坏是衡量钢管水压试验机性能的重要指标.系统稳压性能的好坏是衡量钢管水压试验机性能的重要指标.稳压系统主要分两种: 允许补压的稳压系统. 1)允许补压的稳压系统.允许补压的稳压系统的设计一般基于这样的设计思路:由于系统泄漏无法避免,需采取补压措施,但必须设法保证稳压时压力波动在 API 标准规定的范围内. 图 2.4 允许补压的稳压系统这种回路采取了补压措施,增加了高压蓄能罐,若无蓄能罐,稳压时高压往复泵或增压器一直处于工作状态;水阀6 ,7 不

21、仅在充水阶段起排气作用, 在稳压结束后还肩负着试管卸荷的作用.排气过程要求迅速,所以水阀6 ,7 通径较大,卸荷时系统处于高压状态,这时要打开水阀6 ,7 的阀芯,势必液压系统控制压力高,可以想象放气阀体积相当庞大;水阀1 稳压时接通大容积高压蓄能罐, 稳压时间到后要关闭,所以通径也大,控制压力高;水阀3 ,4 ,5 和径向密封水路相连,径向密封所需的流量较小,所以通经也小.1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 水阀的结构基本相同 ,这种阀中间部分为水腔, 两侧为控制腔. 上下控制活塞和水阀阀芯的同轴问题只能靠机加工来保证,加工误差和实际使用时磨损产生的偏差难以消除,所以同轴度差,这是水阀阀

22、口关不住的主要原因;从控制腔的密封环境看,水中的污染物易损坏控制部分活塞杆处密封,进而损坏控制活塞密封圈,造成控制腔里的液压油窜入水腔,系统里的水窜入控制油腔,这是钢管水压试验机"吃油" 现象的根本原因,使维护难度增大,生产成本增高. 2)不采用任何方式补压的稳压系统.API 标准对稳压过程是否可以补压没不采用任何方式补压的稳压系统. 有明确规定,而在西气东输工程<1 016 mm ×14. 6 mm钢管生产中,要求钢管水压试验机在静水压试验过程中不应采取任何方式进行补压.为了满足用户的要求, 我公司对钢管水压试验机稳压回路进行了改进. 这种改进是根据钢管在

23、试压过程中不同阶段的特点,合理设计高性能水阀,使系统泄漏量减少到最低限度,从而实现不采取任何措施对系统进行补压.不需补压的稳压系统示意如图3.2 ,现计对该系统做以分析. 图2.5 不需补压的稳压回路系统在低压充水过程中,要求水阀6 ,7 能迅速排气,所以要求通经大.同时低压充水时试管内水压较低,因而在这阶段只需较低的控制压力就能控制水阀 6 ,7 的开启或关闭;在增压,稳压阶段,要求水阀6 ,7 能可靠关闭.保压时间到后,试管卸压时实际需要的水量很小,所以水阀5的通径较小,因而所需的控制压力也较低这种水阀设计时不宜利用试管内高压水密封阀口,原因是控制系统出现故障时,阀芯若打不开可能酿成安全事

24、故. 为了安全,设计时应考虑在控制部分出现故障时,利用试管内的高压水自动抬起阀芯,卸掉高压水.在增压过程中水阀2 的作用是向径向密封处接通高压水,水阀3 的作用是卸去密封压力.水阀4 的开 启或关闭,接通或断开密封蓄能器,虽然多数时间处于高压状态,但水量均不大, 通径小,可参考水阀5 的设计结构.水阀1 可借鉴先导式液压阀的原理来设计, 避免直动式结构体积庞大,控制压力高的缺点.控制部分的驱动力只需克服试管 内的高压水作用在水阀1 导阀部分的力即可,导阀芯直径较小,所以仍可选用活 塞直径较小的双作用标准油缸.主阀芯阀口设计成面接触,同时利用试管内的高 压作用在主阀芯上部,这样稳压阶段阀口密封更

25、可靠.控制油缸和导阀部分采用 球接手连接,有利于保证主阀芯和阀体之间的同轴精度.水阀1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 静密封选用O 型密封圈,动密封选用夹织物V 型组合密封圈,这样在水质较差的 情况下,也能使用较长时间. 2.2.2 软件系统组成 软件系统包括: 监控组态软件, 历史数据管理软件, PLC运行开发软(STEP7 V5.5).本次设计中,我主要负责PLC控制部分. STEP7 V5.5 是基于 Windows 平台的应用软件.是 SIEMENS 公司专为 SIMATIC 系列 S7-300 研制开发的编程软件, 它可以使用通用的个人计算机作为图形编辑器.用于在线(联机)或者

26、离线(脱机)开发用户程序,并可在 线实时监控用户程序的执行状态. STEP7 V5.5 是基于 Windows 平台的应用软件.是 SIEMENS 公司专为 SIMATIC 系列 S7-300 研制开发的编程软件, 它可以使用通用的个人计算机 作为图形编辑器.用于在线(联机)或者离线(脱机)开发用户程序,并可在线实时监控用户程序的执行状态. STEP7 V5.5 编辑软件的基本功能是在 Windows 平行编制用户应用程序,它主要完成下列任务. 1.在离线(脱机)方式下创建,编辑和修改用户程序.在离线方式下,计算机不直接与 PLC 联系,可以实现对程序的编辑,编译,调试利系统组态,r由于没有联

27、机,所有的程序和参数都存储在计算机的存储器中. 2.在存线(联机)方式下通过联机通信的方式上装和下装用户程序及组态数据,编辑和修改用户程序.可以直接对 PLC 做各种操作.3.在编辑程序过程中进行语法检查.为避免用户在编程过程中出现的一些语法错误和数据类型错误,要进行语法检查.使用梯形图编程时,存山现错误的地方自动加红色波浪线.使用语句表编程时,在出现错误的语句行前自动画上红色义,且在错误处加上红色波浪线. 4.提供对用户程序进行文档管理,加密处理等工具功能. 5.设置 PLC 的工作方式和运行参数,进行运行监控和强制操作等. STEP7 V5.5 的菜单条(含有8个主菜单选项)钮中有8个主菜

28、单选项. 文件( File).用鼠标单击(或对应的快捷键操作)菜单条中的 File 选项,可出现一个下拉菜单,可分别选择文件操作如新建,打开,关闭,保存文件,上装和下装用户程序,打印预览,页面设置等操作. 编辑(Edit) .编辑(Edit)主菜单选项提供一般 Windows 平台下的程序编辑工具.用鼠标单击(或对应的快捷键操作)菜单条中的 Edit 选项,可出现一个下拉菜单,可分别选择剪切,复制,粘贴程序块或数据块的功能操作,以及 查找,替换,插入,删除和快速光标定位的操作. 视图(View).视图(View)丰菜单选项用于设置 STEP7 的开发环境,打开和关闭其他辅助窗口(如引导窗口,指

29、令树窗口,工具条按钮 区) .用鼠标单击(或对应的快捷键操作)菜单条中的 View 选项,可出现一个下拉菜单,用户可根据需要或喜好设置开发环境,执行引导窗口区的选择项, 选择编群语言(LAD,STL 或 FBD)的程序编辑器,设置程序编辑器的风格,如 字体及功能框的大小. 可编程控制器(PLC).可编程控制器(PLC)选项用于进行与 PLC 联机时的操作.用鼠标单击(或对应的快捷键操作)菜单条中的 PLC 选项,可出现一个下拉菜单,可用于选择 PLC 的类型,PLC 的工作方式,查看 PLC 的信息,PLC 通信设置,清除用户程序数据,进行在线编译,程序比较等功能. 调试(Debug) .调试

30、(Debug)选项用于联机调试. 工具( Tools).在工具( Tools)主菜单选项中,可以调用复杂指令向导 (包括 PID 指令,NETR/NETW 指令利 HSC 指令) ,安装文本显示器 TD200,设置用户界面风格(如设置按钮及按钮样式,添加菜单项) ,在选项子菜单中也可以设置程序编辑器的风格,如字体及功能框的大小. 窗口(Windows) .窗口( Windows)主菜单选项的功能足打开一个或多个窗口,并进行窗口之间的切换.可以选择并设置多个窗口的排放形式(如水平, 垂直或层叠) . 帮助(Help) .利用帮助主菜单,可以非常方便地检索各种相关的帮助信息(包括提供网上查询功能)

31、 .在软件操作过程中,可随时按 F1 键,显示在线帮助. 历史数据管理软件包括数据库系统(Access 数据库),数据报表查询软件(利用 VB 开发的可执行文件),VB 开发系统,它们负责历史数据的报表查询.第三章 关于PLC与西门子S7-300的介绍3.1 PLC相关知识3.1.1 PLC的定义PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或

32、生产过程。是工业控制的核心部分PLC = Programmable Logic Controller，可编程控制器，另外PLC还有以下几个名称：PLC = Power Line Communication，电力线通信，即我们俗称的“电力线上网”。PLC = Public Limited Company，公共有限公司，股票上市公司。PLC = Power-line Carrier，输电线载波，电力线载波，电源线车。PLC = Power Loading Control，动力负载控制。PLC = Preparative Layer Chromatography，制备层色谱法。PLC = Progr

33、amming Language Committee，程序设计语言委员会美。3.1.2 PLC的基本结构PLC的构成从结构上分，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。 a） CPU 的构成 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存

34、入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 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，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器

35、指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。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，IO 数量及软件容量等，因此限制着控 制规模。 b） 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 分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 常用的 I/O 分类如下：开关量：按电压水平分，有 2

36、20VAC、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。c） 电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。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

37、流电源（220VAC 或 110VAC），直流电源（常用的为 24VDC）。 d） 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。 3.1.3 PLC工作原理（a） PLC 的工作方式：采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。注意： 由于 PLC 是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。循环扫描过程 如下： （b）

38、 工作过程：主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。 1） 内部处理阶段： 在此阶段，PLC检查 CPU 模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些 其它内部工作。 2） 通信服务阶段 在此阶段，PLC 与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当 PLC 处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。3） 输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序的执行阶段。 4） 程序执行 根据 PLC 梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后

39、下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。 若用户程序涉及到输入输出状态时，从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的 PLC 对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。5） 输出处理 程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的 Y 寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 （c） PLC 的运行方式： 1） 运行工作模式当处于运行工作模式时，PLC要进行从内部处理、通信服务、

40、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。在运行模式下，PLC 通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能， 为了使 PLC 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至 PLC 停机或切换到 STOP 工作模式。 注： PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 2） 停止模式当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。3.1.4 PLC基本功能与特点PLC 的功能非常丰富。 这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。 它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，

41、还可进行各种类型数据的运算。凡普通计算机能做到的，它也都可作到。它的内部器件，即内存中的数据存储区，种类繁多，容量宏大。I/O 继电器，可以用以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至 10 几万。 这意味着它可进行这么多 I/O 点的入出信息变换， 进行这么大规模的控制。它的内部种种继电器，相当于中间继电器，数量更多。内存中一个位就可作为一个中间继电器，它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。小小的箱体或模块，其内部定时器、计数器可达成百、成千。这也是因为只要用内存中的一个字，再加一些标志位，即可成为定时器、计数器，所以才那么多。 而且，这些内部器件还可设置成丢

42、电保持的，或丢电不保持的，即上电后予以清零的。以满足不同的使用要求。这些也是继电器件所难以做到的。 它的数据存储区还可用以存储大量数据，几百、几千、几万字的信息都可以存，而且，掉电后还不丢失。 PLC 还有丰富的外部设备，可建立友好的人机界面，以进行信息交换。可送入程序，送入数据，可读出程序，读出数据。而且读、写时可在图文并茂的画面上进行。数据读出后，可转储，可打印。数据送入可键入，可以读卡入，等等。PLC还具有通讯接口，可与计算机链接或联网，与计算机交换信息。自身也可联网，以形成单机所不能有的更大的、地域更广的控制系统。 PLC还有强大的自检功能，可进行自诊断。其结果可自动记录。这为它的维修

43、增加了透明度，提供了方便。 丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能；同时，也为工业系统的自动化、 远动化及其控制的智能化创造了条件。像PLC这样集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的；更是传统的继电控制电路所无法比拟的。用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先PLC 控制逻辑的建立是程序,用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多，其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所需的模块，PLC 厂家 多有现货供应，市场上即可购得。所以，硬件系统配置与建造也非常方便。正因如此，用可编

44、程序控制器才有这个"可"字。对软件讲，它的程序可编，也不难编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。 具体地讲，PLC有五个方面的方便： （1）配置方便：可接控制系统的需要确定要使用哪家的PLC，那种类型的， 用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上定货购买即可。 （2）安装方便：PLC 硬件安装简单，组装容易。外部接线有接线器，接线 简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，都不必再接线。内部什么线都不要接，只要作些必要的 DIP 开关设定或软件设定，以及编制好用户程序就可工作。 （3）编程方便：PLC 内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、计数

45、器，但它通过程序（软件）与系统内存，这些器件却实实在在地存在着。其数量之多是继电器控制系统难以想象的。即使是小型的PLC，内部继电器数都可以千计，时间继电器、计数也以百计。而且，这些继电器的接点可无限次地使用。 PLC内部逻辑器件之多，用户用起来已不感到有什么限制。唯一考虑的只是入出点。而这个内部入出点即使用得再多，也无关紧要。大型 PLC的控制点数可达万点3.2 西门子S7-300相关知识 3.2.1 西门子相关介绍 西门子股份公司（Siemens AG）总部位于柏林和慕尼黑的西门子集团公司是世界上最大的电气工程和电子公司之一。公司成立以来，可持续性就一直是西门子公司的显著特征。在西门子，可

46、持续性意味着长期的经济成功以及一个好的企业公民所应具备的环境意识和社会责任感。2005财年（截止于9月30日），公司在全球拥有大约461,000名雇员，实现销售额754.45亿欧元，净收入30.58亿欧元。其中80%的销售额来自德国境外。西门子是一家大型国际公司，其业务遍及全球190多个国家，在全世界拥有大约600家工厂、研发中心和销售办事处。公司的业务主要集中于6大领域：信息和通讯、自动化和控制、电力、交通、医疗系统和照明。西门子的全球业务运营分别由13个业务集团负责，其中包括西门子财务服务有限公司和西门子房地资产管理集团。此外，西门子还拥有两家合资企业。西门子在电气工程和电子领域拥有完善的

47、业务组合。西门子的业务活动受到各种地区和行业因素的影响。除了国际性业务（如发电、输配电、医疗系统和交通技术集团，这些业务一般拥有较长的业务周期）之外，其他领域的业务（如通信集团和欧司朗的消费品业务和自动化与驱动集团的资本品业务）易受短期商情趋势和当时经济状况的影响。良好的业务组合帮助西门子从容应对2005财年艰难商业环境带来的严峻挑战。 此外,西门子的业务领域还能充分体现未来发展的大趋势。目前，西门子正在研发新的解决方案，以迎接未来来自卫生、能源、水处理、通信、交通、安防、物流和自动化领域的挑战。作为一家全球性公司，西门子充分发挥其多种业务组合的协力优势，以公司总体战略为指针，架构明确，职责分

48、明，积极为当地创造价值。公司的传统优势在于其创新能力、客户为本、全球性业务以及财务实力。西门子的业务活动主要集中在全球电气市场，该市场2005年的市场总量达26,900亿欧元。随着目前世界经济的降温，预计2006年全球电气、电子市场的增幅将略有下降。但以其近7.5%的增速，该市场仍将保持其长期增长势头。对于一家电气工程和电子领域的世界级公司而言，创新是其首要工作。2005年，为了保持技术的领先，公司在研发领域投资52亿欧元。2004财年，西门子的研发人员共实现了约8,800项发明，比上一年度增长了7%， 其中三分之二申请了专利。在专利领域，西门子在德国高居榜首，在欧洲名列第二，在美国则跻身十强

49、行列。在西门子近47,000名研发人员中，大多数从事软件项目的开发，这使得西门子成为世界上最大的软件研发机构之一。西门子还致力于不断增加其服务、解决方案和系统的种类，以进一步完善其产品组合。3.2.2 S7-300介绍 S7-300是模块化中小型PLC系统，它满足中等性能要求的应用，模块化武排风扇结构,，易于实现分布。易于用户掌握等特点，使用S7-300成为各种从小规模到中等性能要求任务的方便有经济的解决方案。SIMATIC S7-300应用领域包括：专业机床，纺织机械，包装机械，通用机械工程应用，控制系统，机床，楼宇自动化，电器制造工业及其相关产业S7-300机构 系统组成： 中央处理单元

50、(CPU) 各种CPU 有各种不同的性能，例如，有的CPU 上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFI- BUS-DP通讯接口等。 信号模块 (SM) 用于数字量和模拟量输入/输出 通讯处理器 (CP) 用于连接网络和点对点连接 功能模块 (FM) 用于高速计数，定位操作 (开环或闭环控制) 和闭环控制功能 SIMATIC S7-300的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护 高速的指令处理 0.60.1ms的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。 浮点数运算 用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 方便用户的参数赋值 一个带标准用户接口的软件工具给所有模

51、块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。 人机界面 (HMI) 方便的人机界面服务已经集成在S7-300 操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMI)从S7-300中要求数据，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。 诊断功能 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)。 口令保护 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。 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。

52、这样就防止非法删除或改写用户程序。 S7300硬件说明 S7300主要支持的硬件有：（1）电源（PS）电源模块提供了机架和CPU内部的供电电源，置于1号机架的位置。（2）中央处理器（CPU）CPU存储并处理用户程序，为模块分配参数，通过嵌入的MPI总线处理编程设备和PC、模块、其它站点之间的通讯，并可以为进行DP主站或从站操作装配一个集成的DP接口。置于2号机架。（3）接口模块（IM）接口模块将各个机架连接在一起。不同型号的接口模块可支持机架扩展或PROFIBUSDP连接。置于3号机架，没有接口模块时，机架位置为空。（4）信号模块（SM）通常称为I/O（输入/输出）模块。测量输入信号并控制输出

53、设备。信号模块可用于数字信号和模拟信号，还可用于进行连接，如传感器和启动器的连接。（5）功能模块（FM）用于进行复杂的、重要的但独立于CPU的过程，如：计算、位置控制和闭环控制。（6）通讯处理器（CP）模块化的通讯处理器通过连接各个SIMATIC站点，如：工业以太网，PROFIBUS或串行的点对点连接等。后三个模块在机架上可以任意放置，系统可以自动分配模块的地址。需要说明的是，每个机架最多只能安装8个信号模块、功能模块或通讯模块。如果系统任务超过了8个，则可以扩展机架（每个带CPU的中央机架可以扩展3个机架）。第四章 S7-300工作环境4.1 STEP74.1.1 编程软件简介STEP7 是

54、用于对 SIMATIC 可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC 工业软件的一部份。STEP7 标准软件包有下列版本：STEP7 Micro/DOS和STEP7 Micro/Win，用于 SIMATIC S7-200 上的简化单机应 用程序。STEP7 ，应用在SIMATIC S7-300/S7-400 ，SIMATIC M7-300/M7-400以及SIMATIC C7 上它具有更广泛的功能。4.1.2 STEP7的项目结构在STEP7中，一个自动化系统的所有数据以项目（Project）的形式来进行组织和管理。一个项目包含了以下的三类数据。1、硬件结构的组态数据及模块参

55、数2、通信网络的组态数据3、可编程模块的程序上述数据都以对象的形式存储，STEP7采用目录式的层次结构管理项目中的所有对象。对象从上到下有三个层次：第一层：项目；第二层：通讯子网、PLC站或S7程序；第三层：第二层下面的具体对象，视第二层定。4.1.3 使用STEP7的基本步骤4.2 选择编程语言STEP 7 的基本程序编辑器支持下列三种标准的编程语言： LAD (梯形逻辑图)：以电路图表示为基础。电路图的元件，例如常开触点和常闭触点， 相互组合，从而构成程序段。逻辑块的代码段表示一个或多个程序段。 FBD (功能块图)： 以布尔代数中众所周知的图形逻辑符号为基础。也可以通过逻辑框的 组合直接

56、显示诸如熟悉函数的复杂功能。 STL (语句表)：基于文本的编程语言，具有一种类似机器代码的结构。每个语句代表 CPU的一种程序处理操作。多个语句链接在一起就构成了程序段。这一部分向你展示了如何选择和修改编程语言。 除这些基本的选项外， 西门子还提供了很多在STEP 7 下的附加编程语言来满足您进一步开发的需要。用STEP7组态硬件的基本原理组态硬件介绍术语“组态”指的是在站窗口中对机架、模块、分布式 I/O(DP)机架、以及接口子模块等进行排列。使用组态表表示机架，就像实际的机架一样，可在其中插入特定数目的模块。在组态表中，STEP7自动给每个模块分配一个地址。如果站中的CPU可自由寻址 (

57、意思是可为模块的每个通道自由分配一个地址，而与其插槽无关)，那么，您可改变站中模块的地址。您可将您的组态任意多次复制给其它STEP7项目，并进行必要的修改，然后将其下载到一个或多个现有的设备中去。在可编程控制器启动时，CPU将比较STEP7中创建的预置组态与设备的实际组态。从而可立即识别出它们之间的任何差异，并报告分配参数。术语“分配参数”含义如下：为本地组态中和网络中的可编程模块设置属性。例如：CPU 是一个可编程模块。其监视狗时间就是您可设置的一个参数。 对主站系统(PROFIBUS)的总线参数、主站与从站参数进行设置参数将下载给 CPU 并由 CPU 传送给各自的模块。可方便地对模块进行替换， 因为在启动期间，自动将使用 STEP7所设置的参数下载给新的模块。何时“组态硬件”？S7可编程控制器和模块的属性均可预先设置为缺省值，这样，在许多情况下，您都不需要对