西门子S7-200-SMART-PLC原理及应用教程课件第十章

西门子S7-200SMARTPLC的通信演讲者：王卓君PLC控制系统设计10.1PLC的系统总体设计PLC控制系统的总体设计是进行PLC应用设计至关重要的一步。首先应根据被控对象的要求，确定PLC控制系统的类型与PLC的机型，然后根据控制要求编写用户程序，最后进行联机调试。PLC控制系统设计10.1.1PLC控制系统的类型单机控制系统集中控制系统远程I/O控制系统分布式控制系统单机控制系统单机控制系统由1台PLC控制1台设备或1条简易生产线，如图10-1所示。单机控制系统构成简单，所需要的I/O点数较少，存储容量小。当选择PLC的型号时，无论目前是否有通信联网要求，以及I/O点数是否能满足当下要求，都应选择有通信功能可进行I/O扩展的PLC，以适应将来系统功能扩展的需求。集中控制系统

集中控制系统由1台PLC控制多台设备或几条简易生产线，如图10-2所示。这种控制系统的特点是多个被控对象的位置比较接近，并且相互之间的动作有一定联系。由于多个被控对象通过同1台PLC控制，所以各个被控对象之间的数据、状态的变化不需要另设专门的通信线路。集中控制系统的最大缺点是，如果某个被控对象的控制程序需要改变或PLC出现故障，则整个系统都要停止工作。对于大型的集中控制系统，可以采用冗余系统来克服这个缺点，此时要求PLC的I/O点数和存储器容量有较大的余量。远程I/O控制系统

远程I/O控制系统是指I/O模块不是与PLC放在一起，而是放在被控对象附近。远程I/O通道与PLC之间通过同轴电缆连接传递信息。同轴电缆的长度要根据系统的需要选用。远程I/O控制系统的构成如图10-3所示。其中，使用3个远程I/O通道(A、B、D)和1个本地I/O通道(C)。布式控制系统

分布式控制系统的特点是多个被控对象分布的区域较大，相互之间的距离较远，每台PLC可以通过数据通信总线与上位机通信，也可以通过通信线与其他PLC交换信息。分布式控制系统的最大优点是：当某个被控对象或PLC出现故障时，不会影响其他PLC。PLC控制系统的发展非常迅速，在单机控制系统、集中控制系统、分布式控制系统之后，又提出了PLC的EIC综合化控制系统，即将电气(Electric)控制、仪表(Instrumentation)控制和计算机(Computer)控制集成于一体，形成先进的EIC控制系统。基于这种控制思想，在进行PLC控制系统的总体设计时，要考虑如何同这种先进性相适应，并且有利于系统功能的进一步扩展。

分布式控制系统有多个被控对象，每个被控对象由1台具有通信功能的PLC控制，如图10-4所示。PLC控制系统设计10.1.2PLC控制系统的设计的基本原则PLC控制系统的设计的基本原则

PLC控制系统设计的总体原则是：根据控制任务，在最大限度地满足生产机械或生产工艺对电气控制要求的前提下，具有运行稳定、安全可靠、经济实用、操作简单、维护方便等特点。任何一个电气控制系统所要完成的控制任务都是为了满足被控对象（生产控制设备、自动化生产线、生产工艺过程等）的各项性能指标，提高劳动生产率，保证产品质量，减轻劳动强度和危害程度，提升自动化水平。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循的基本原则如下。PLC控制系统的设计的基本原则1．最大限度地满足被控对象的各项性能指标为明确控制任务和控制系统应有的功能，设计人员在进行设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料，与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订电气方案，以便协同解决在设计过程中出现的各种问题。2．确保控制系统的安全可靠电气控制系统的可靠性就是生命线，无法安全、可靠工作的电气控制系统是不能投入生产运行的。尤其是在以提高产品数量和质量，保证生产安全为目标的应用场合，必须将可靠性放在首位。3．力求控制系统简单在能满足控制要求和保证可靠工作的前提下，不失先进性，力求控制系统结构简单。只有结构简单的控制系统才具有经济性、实用性的特点，才能做到使用方便和维护容易。4．留有适当的余量考虑到生产规模的扩大、生产工艺的改进、控制任务的增加，以及维护方便的需要，要充分利用PLC易于扩展的特点，在选择PLC的容量（包括存储器的容量、机架插槽数、I／O点的数量等）时，应留有适当的余量。PLC控制系统设计10.1.3PLC控制系统的设计步骤10.1.3PLC控制系统的设计步骤1．明确设计任务和技术条件在进行系统设计之前，设计人员首先应该对被控对象进行深入调查和分析，并且熟悉工艺流程及设备性能。根据生产中提出来的问题，确定系统所要完成的任务。与此同时，确定设计任务书，明确各项设计要求、约束条件及控制方式。设计任务书是整个系统设计的依据。10.1.3PLC控制系统的设计步骤2．选择PLC机型目前，国内外PLC厂家生产的PLC已达数百个种类，其性能各有优缺点，价格也不尽相同。在设计PLC控制系统时，要选择最适宜的PLC机型，一般应考虑下列因素。(1)系统的控制目标。当设计PLC控制系统时，首要的控制目标是确保控制系统安全、可靠地稳定运行，提高生产效率，保证产品质量等。如果要求以极高的可靠性为控制目标，则需要构成PLC冗余控制系统，这时要从能够完成冗余控制的PLC型号中进行选择。(2)PLC的硬件配置。根据系统的控制目标和控制类型，征求听取生产厂家的意见，再根据被控对象的工艺要求及I/O点数分配考虑具体的配置问题。10.1.3PLC控制系统的设计步骤3．系统的硬件设计PLC控制系统的硬件设计是指对PLC外部设备的设计。在硬件设计中，要进行输入设备的选择（如操作按钮、开关及保护装置的输入信号等），执行元件的选择（如接触器的线圈、电磁阀的线圈、指示灯等），以及控制台、控制柜的设计和选择，操作面板的设计等。通过对用户输入/输出设备的分析、分类和整理，进行相应的I/O地址分配。在I/O设备表中，应包含I/O地址、设备代号、设备名称及控制功能，应尽量将相同类型的信号、相同电压等级的信号地址安排在一起，以便施工和布线，并且依次绘制出I/O接线图。对于较大的控制系统，为便于设计，可根据工艺流程，将所需要的定时器、计数器及内部辅助继电器、变量寄存器也进行相应的地址分配。10.1.3PLC控制系统的设计步骤4．系统的软件设计对于电气设计人员来说，控制系统的软件设计就是用梯形图编写控制程序，可采用经验设计或逻辑设计。对于控制规模比较大的系统，可根据工艺流程图，将整个流程分解为若干步，确定每步的转换条件，配合分支、循环、跳转及某些特殊功能，以便很容易地转换为梯形图设计。对于传统继电器控制线路的改造，根据原系统的控制线路图，将某些桥式电路按照梯形图的编程规则进行改造后可直接转换为梯形图。这种方法设计周期短，修改、调试程序简单方便。软件设计可以与现场施工同步进行，以缩短设计周期。10.1.3PLC控制系统的设计步骤5．系统的局部模拟运行上述步骤完成后有了一个PLC控制系统的雏形，接着进行模拟调试。在确保硬件工作正常的条件下，再进行软件调试。在调试控制程序时，应本着从上到下、先内后外、先局部后整体的原则，逐句逐段地反复调试。10.1.3PLC控制系统的设计步骤6．控制系统联机调试这是关键性的一步。应对系统性能进行评价后再做出改进。反复修改，反复调试，直到满足要求为止。为了判断系统各部件工作的情况，可以编制一些短小且针对性强的临时调试程序（待调试结束后再删除）。在系统联机调试中，要注意使用灵活的技巧，以便加快系统的调试过程。PLC控制系统设计10.1.5经验法与顺序控制法经验法顺序控制法经验法经验法是运用自己或别人的经验进行PLC程序设计的方法。使用经验法的基础是要掌握常用的控制程序段，如自锁、互锁等，当需要某些环节的时候，用相应的程序去实现。在本章中，很多程序的编写都是用经验法完成的。另外，在多数的工程设计前，先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的经验。结合工程实际，对经验程序进行修改，使之适合自己的工程要求。顺序控制法顺序控制法是在指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序，都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。从整体角度去看，一个复杂系统的控制过程是由若干个步组成的。系统控制的任务实际上可以认为在不同条件下去完成对各个步的控制。顺序控制是一种编程思想。在编程时，也可以用一般的逻辑指令实现顺序控制。西门子PLC中提供了专门的步进顺序控制指令，可以利用该指令方便地编写控制程序。PLC的系统设计10.2.1三级皮带运输控制控制任务分析硬件配置程序设计控制任务分析

三级皮带运输机分别由Ml、M2、M3三台三相异步电动机拖动，启动时要求先打开料斗汽缸和电动机M1，以5s的时间间隔，按M1、M2、M3的顺序启动；停止时要求先关闭料斗汽缸，以10s的时间间隔，按Ml.M2、M3的顺序停止。三级皮带运输机的工作示意图如图硬件配置（1）选择PLC是西门子公司S7-200SMART系CPUSR30（2）确定外围I/O设备1)输入设备：3个按钮分别为启动按钮SB1、停止按钮SB2和急停按钮SB3;3个热继电器。2)输出设备：3个接触器分别控制3级皮带的电动机，一个汽缸控制料斗开关。（3）分配I/O地址硬件配置(4).PLC的硬件连接图三级皮带运输机的主电路如图根据外围I/O设备确定PLC外部接线图，如图10-8所示。本系统的工作电源采用DC24V输入/输出的形式。程序设计分析控制要求：根据3台电动机启动与停止的顺序可知，实际上按下IO.O启动Ml至M3为顺序启动过程，按下IO.1停止从Ml至M3停止为顺序停止过程，间隔时间由定时器产生的脉冲信号来实现操作，无特殊要求优先选用100ms时基的定时器。初步确定分两大块完成，一是顺序启动，二是顺序停止。两块中又可以按照需要分成几步来完成。电动机正常时热过载继电器不动作，当电动机过载或烧坏时，热过载继电器动作，常闭断开，通常这种3台电动机协调工作的场合有任何一台发生故障都必须全部停止。程序设计编写程序的步骤：（1）先编写手动部分（调试程序所用到的程序）o（2）编写自动程序，以满足基本控制要求为目的，适当将复杂程序进行分步，逐步完成程序编写，简化程序，思路清晰。（3）最后增加辅助程序（热继保护、急停和故障报警等）。三级皮带运输机程序如图PLC的系统设计10.2.2行车呼叫控制控制任务分析硬件配置程序设计控制任务分析图10-10所示为行车呼车系统示意图。一部电动运输车提供8个工位使用。系统共有12个按钮。图中，SB1～SB8为每一工位的呼车按钮。SB9、SB10为电动小车点动左行，点动右行按钮。SB11、SB12为起动和停止按钮。系统上电后，可以按下这两个按钮调整小车位置，使小车停于工位位置。SQ1～SQ8为每一工位信号。正常工作流程：小车在某一工位，若无呼车信号，除本工位指示灯不亮外，其余指示灯亮，表示允许呼车。当某工位呼车按钮按下，各工位指示灯全部熄灭，行车运动至该车位，运动期间呼车按钮失效。呼车工位号大于停车位时，小车右行，反之则左行。当小车停在某一工位后，停车时间为30s，以便处理该工位工作流程。在此段时间内，其他呼车信号无效。从安全角度考虑，停电来电后，小车不允许运行。硬件配置（1）选择PLC是西门子公司S7-200SMART系CPUSR60（2）确定外围I/O设备1)输入设备：8个位置呼叫按钮SB1～SB8、一个启动按钮SB11、一个停止按钮SB12、两个正反点动按钮SB9和SB10、8个位置开关SQ1～SQ8。2)输出设备：2个继电器控制电机正反转，一个指示灯。（3）分配I/O地址硬件配置(4).PLC的硬件连接图行车呼叫系统PLC硬件连接图如10-11所示。程序设计系统的主程序如图10-12所示，子程序如图程序设计系统的主程序如图10-12所示，子程序如图PLC的系统设计10.2.3步进电机正反转控制控制任务分析

用步进驱动器及步进电动机编制PLC程序，根据题意要求画出电路图并连调试，完成以下功能。1)根据提供的步进驱动器，设定细分步，并计算步进电动机转速与PLC给定脉冲之间的对应关系2)根据步进驱动器控制回路端子、电动机线圈端子等画出PLC控制步进电动机运行的电路图。3)步进电动机的运行过程：正转3圈，再反转3圈，如此往复3次。4)设置正向起动按钮、停止按钮。硬件配置（1）选择PLC是西门子公司S7-200SMART系CPUST40（2）确定外围I/O设备1)输入设备：一个启动按钮、一个停止按钮。2)输出设备：一台步进电机驱动器。（3）分配I/O地址硬件配置(4).PLC的硬件连接图步进电机正反转控制PLC硬件连接图如10-14所示。运动轴组态高速输出有PWM模式和运动轴模式，对于较复杂的运动控制显然用运动轴模式控制更加便利。以下将具体介绍这种方法。(1)激活“运动控制向导’’打开STEP7软件，在主菜单“工具”中单击“运动”按钮，弹出装置选择界面，运动轴组态(2)选择需要配置的轴CPUST40系列PLC内部有三个轴可以配置，本例选择“轴O”即可，如图10-16所示，再单击“下一步”按钮。运动轴组态(3)为所选择的轴命名为所选择的轴命名，本例为默认的“轴O”，再单击“下一步”按钮，如图10-17所示。运动轴组态(4)输入系统的测量系统在“选择测量系统’’选项选择“工程单位”。由于步进电动机的步距角为1.80，电动机转一圈需要200个脉冲，所以“电机一次旋转所需的脉冲”为“200”；“测量的基本单位”设为“mm”；“电机一次旋转产生多少‘mm，运动”为“10.0000"；这些参数与实际一的机械结构有关，再单击“下一步”按钮，如图10-18所示。运动轴组态(5)设置脉冲方向输出设置有几路脉冲输出，其中有单相（1个输出）、双向（2个输出）和正交（2个输出）三个选项，本例选择“单相（1个输出）”；再单击“下一步”按钮，如图10-19所示。运动轴组态(6)分配输入点本例中并不用到LMT+（正限位输入点）、LMT-（负限位输入点）、RPS（参考点输入点）和ZP（零脉冲输入点），所以可以不设置。直接选中“STP"（停止输入点），选择“启用”，停止输入点为“IO.1”，指定相应输入点有效时的响应方式为“减速停止”，指定输入信号有效电平为“高”电平有效。再单击“下一步”按钮，如图10-20所示。运动轴组态(7)指定电机速度MAX_SPEED：定义电机运动的最大速度。SS_SPEED：根据定义的最大速度，在运动曲线中可以指定的最小速度。如果SS_SPEED数值过高，电动机可能在起动时失步，并且在尝试停止时，负载可能使电动机不能立即停止而多行走一段。停止速度也为SS_SPEED。设置如图10-21所示，在“1”、“2”和“3”处输入最大速度、最小速度、起动和停止速度，再单击“下一步”按钮。运动轴组态(8)设置加速和减速时间ACCEL_TIIE（加速时间）：电动机从SS_SPEED加速至MAX_SPEED所需要的时间，默认值=1000ms(ls)，本例选默认值，如图10-22所示的“1”处。DECEL_TIME（减速时间）：电动机从MAX_SPEED减速至SS_SPEED所需要的时间，默认值=1000ms(ls)，本例选默认值，如图10-22所示的“2”处，再单击“下一步”按钮。运动轴组态(9)为配置分配存储区指令向导在V内存中以受保护的数据块页形式生成子程序，在编写程序时不能使用PTO向导已经使用的地址，此地址段可以系统推荐，也可以人为分配，人为分配的好处可以避开读者习惯使用的地址段。为配置分配存储区的V内存地址如图10-23所示，本例设置为“VBO～VB92"，再单击“下一步”按钮。运动轴组态(10)完成组态单击“下一步”按钮，如图10-24所示。弹出如图10-25所示的界面，单击“生成”按钮，完成组态。编写程序系统的程序如图PLC的系统设计10.2.4刨床的PLC控制（1）选择PLC是西门子公司S7-200SMART系CPUSR20（2）确定外围I/O设备1)输入设备：一个启动按钮、一个停止按钮和一个急停按钮。2)输出设备：一台继电器、一台变频器。（3）分配I/O地址控制任务分析硬件配置己知某刨床的控制系统主要由PLC和变频器组成，PLC对变频器进行通信调速，变频器的运动曲线如图10-27所示，变频器以20Hz、30Hz、50Hz、OHz和反向50Hz运行，每种频率运行的时间都是8s，而且减速和加速时间都是2s（这个时间不包含在8s内），如此工作2个周期自动停止硬件配置(4).PLC的硬件连接图步进电机正反转控制PLC硬件连接图如10-28所示。变频器参数设定变频器的参数设定见表编写程序从图10-27可见，一个周期的运行时间是52s，上升和下降时间直接设置在变频器中，也就是P1120=1121=2s，编写程序不用考虑。编写程序时，可以将2个周期当做一个周期考虑，编写程序更加方便。梯形图如图10-29所示。控制任务分析有一个物料搅拌机，主机由7.5kW的电动机驱动。根据物料不同，要求速度在一定的范围内无极可调，且要求物料太多或者卡死设备时系统能及时保护；机器上配有冷却水，冷却水温度不能超过50℃，而且冷却水管不能堵塞，也不能缺水，堵塞和缺水将造成严重后果，冷却水的动力不在本设备上，水温和压力要可以显示。硬件配置（1）分析问题根据已知的工艺要求，分析结论如下：1)主电动机的速度要求可调，所以应选择变频器。2)系统要求有卡死设备时，系统能及时保护。当载荷超过一定数值时（特别是电动机卡死时），电流急剧上升，当电流达到一定数值时即可判定电动机是卡死的，而电动机的电流是可以测量的。因为使用了变频器，变频器可以测量电动机的瞬时电流，这个瞬时电流值可以用通信的方式获得。3)很显然这个系统需要一个控制器，PLC、单片机系统都是可选的，但单片机系统的开发周期长，单件开发并不合算，因此选用PLC控制，由于本系统并不复杂，所以小型PLC即可满足要求。4)冷却水的堵塞和缺水可以用压力判断，当水压力超过一定数值时，视为冷却水堵塞，当压力低于一定的压力时，视为缺水，压力一般要用压力传感器测量，温度由温度传感器测量。因此，PLC系统要配置模拟量模块。5)要求水温和压力可以显示，所以需要触摸屏或者其他设备显示。硬件配置（2）小型PLC都可作为备选，由于西门子S7-200SIVIART系列PLC通信功能较强，而且性价比较高，所以初步确定选择S7-200SlvIART系列PLC，因为PLC要和变频器通信占用一个通信口，和触摸屏通信也要占用一个通信口，CPUSR20有一个编程口(PN)，用于下载程序和与触摸屏通信，另一个串口则可以作为USS通信用。由于压力变送器和温度变送器的信号都是电流信号，所以要考虑使用专用的AD模块，两路信号使用EMAE04是较好的选择。由于CPUSR20的I/O点数合适，所以选择CPUSR200（3）确定外围I/O设备1)输入设备：一个启动按钮、一个停止按钮和一个急停按钮。2)输出设备：一台MM440变频器。3）HMI设备：一台SMART700IE触摸屏硬件配置（4）分配I/O地址硬件配置(5).PLC的硬件连接图PLC硬件连接图硬件配置(6).变频器参数设定编写程序温度传感器最大测量量程是O～l00℃，其对应的数字量是0～27648，所以AIW16采集的数字量除以27648再乘以100（即AIW16*100/27648）就是温度值；压力传感器的最大量程27648是O～lOOOOPa，其对应的数字量是O～27648，所以AIW18采集的数字量除以27648再乘以10000（即AIW18*10000/27648）就是压力值；程序中的VD0是满频率的百分比，