PLC系统设计专题4

系统设计专题姓名*******学院自动化与电气工程学院专业控制科学与工程班级*******班级*******指导老师*******二〇一六年五月三十1.硬件设备型号1.1西门子系列PLC西门子公司的PLC产品有SIMATICS7、M7和C7等几大系列。其中S7-200PLC是针对低性能要求的小型PLC。S7-200是美国德州仪器公司的小型PLC的基础上发展起来的，其编程软件STEP7-Micro/WIN32。S7-300/400PLC的前身是西门子公司的S5系列PLC，其编程软件为STEP7。S7-200和S7-300/400虽然有很大共同之处，但是在指令系统、程序结构和编程软件等方面均有相当大的差异。1.1.1S7-400S7-400是大型PLC，可以做DSC的服务器。它具有功能分级的CPU以及种类齐全、综合性能强的模块，具有强大的扩展通讯能力，可实现分布式系统，因此广泛用于中高性能的控制领域。1.1.2S7-300S7-300是中型PLC，控制点数1000点左右。占中型市场的75%左右。优点：适用于过程控制和通信控制。S7-300提供了多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块，而且当控制任务增加并且愈加复杂时，可随时附加模块对PLC进行扩展，系统扩展灵活。缺点：没有专用的指令，做伺服或步进定位控制时程序复杂且控制精度不高。此外，S7-300机型价格昂贵，一台普通的中型设备价格在7500元左右，不利于低成本开发使用。1.1.3S7-200S7-200是小型PLC，编程软件在stepV4.0以下。是收购的TI公司的产品。占国内小型市场50%左右。1.2三菱系列PLC三菱系列PLC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生产过程。优点：三菱的优势在于离散控制和运动控制，三菱的指令丰富，有专用的定位指令，控制伺服和步进容易实现。编程直观易懂，学习较轻松。缺点：在过程控制和通信控制时，三菱的程序复杂，模拟量模块价格昂贵，不易选用。1.3台达系列PLC台达PLC是台达为工业自动化领域专门设计的、实现数字运算操作的电子装置。台达PLC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。优点：可靠性高，抗干扰能力强。通用性强，控制程序可变，使用方便。功能强，适应面广。编程简单，容易掌握。减少了控制系统的设计及施工的工作量。体积小、重量轻、功耗低、维护方便。缺点：二次开发性较差。综上所述，针对不同的设备不同的控制方式，我们选用PLC也不尽相同，用其长处，避其短处。在本设计中，从对设备及编程语言的熟悉程度、开发成本角度上看，我们选用西门子系列PLC中的S7-300。2.实验基础2.1PLC基本指令的应用2.1.1实验目的1、 熟悉PLC实验装置，S7-300系列编程控制器的外部接线方法。2、 了解编程软件STEP7的编程环境，软件的使用方法。3、 掌握与、或、非逻辑等基本指令的编程方法。2.1.2基本指令编程练习的实验面板图图（1）中的圆圈为插线孔。I为输入点，Q为输出点。（I0.0-I0.7）对应实验台上（SM323数字量输入）框内（2-9）；（I1.0-I1.7）对应实验台上（SM323数字量输入）框内（12-19）；（Q0.0-Q0.7）对应实验台上（SM323数字量输出）框内（22-29）；（Q1.0-Q1.7）对应实验台上（SM323数字量输出）框内（32-39）；2.1.3实验步骤接线：把（SM323数字量输入）框内的（2、3、4、5、6、7、8、9）插线孔分别与（基本指令编程练习）框内的（I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7）插线孔一一连接起来。把（SM323数字量输出）框内的（23、24、25、26）插线孔分别与（基本指令编程练习）框内的（Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4）插线孔一一连接起来。注意：（基本指令编程练习）框内的（V+）接（SM323数字量输入）框内的（1L+），（COM）接（1M）。编程：进入STEP7编程环境，双击实验1PLC基本指令的应用→点击Blocks→打开OB1(在OB1块中编写程序PressCtrl-RtoinsertNetwork)→程序编写完成(PressCtrl-1toseeLADandCtrl-2toseeSTL)→打开PLC电源开关（位于PLC主机右下方）→点击菜单栏中PLC→Download下载即可。（如PLC运行指示灯RUN亮即表示正常,注意检查模式选择开关是否已至于RUN位置）。此时不能打开PLCSIM。观察运行现象：分别拨动（基本指令编程练习）框内输入开关I0.0至I0.3，观察输出指示灯.Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4是否符合逻辑。2.2定时器/计数器功能设计2.2.1实验目的掌握定时器、计数器的正确编程方法，并学会定时器和计数器扩展方法,用编程软件对可编程控制器的运行进行监控。2.2.2实验内容接线：把（SM323数字量输入）框内的（2、3、4、5）插线孔分别与（基本指令编程练习）框内的（I0.0、I0.1、I0.2、I0.3）插线孔一一连接起来。把（SM323数字量输出）框内的（23、24、25、26）插线孔分别与（基本指令编程练习）框内的（Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4）插线孔一一连接起来。注意：（基本指令编程练习）框内的（V+）接（SM323数字量输入）框内的（1L+），（COM）接（1M）。编程：进入STEP7编程环境，双击实验2定时器计数器功能实验→点击Blocks→打开OB1(在OB1块中编写程序PressCtrl-RtoinsertNetwork)→程序编写完成(PressCtrl-1toseeLADandCtrl-2toseeSTL)→打开PLC电源开关（位于PLC主机右下方）→点击菜单栏中PLC→Download下载即可。（如PLC运行指示灯RUN亮即表示正常,注意检查模式选择开关是否已至于RUN位置）。观察运行现象：分别拨动（基本指令编程练习）框内输入开关I0.0至I0.7，观察输出指示灯.Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4是否符合逻辑。2.2.3程序设计程序段二程序段三程序段四观察运行现象分别拨动（基本指令编程练习）框内输入开关I0.0至I0.7，观察输出指示灯.Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4是否符合逻辑。实验分析SD触发器是输入启动信号正跳沿启动定时器，定时时间到，定时器停止，其常开触点闭合，输出状态保持为1；定时未到，启动信号消失或复位信号出现，定时器停止，则触点永不闭合，输出状态始终为0。TV是设置定时时间第一个程序段：当闭合I0.0时，定时时间20s到之后Q0.1亮；第二个程序段：S_CU为加计数器，当闭合I0.1时，20s之后Q0.1亮；第三个程序段：CMP为比较器，将IN1与IN2的值进行比较，相等时输出为1。I0.2闭合，计数到5的时候，Q0.3灯亮。当闭合I0.0时，加计数器进行复位，重新开始计数，到5时，Q0.3灯亮。第四个程序段：其由两个加法器和两个比较器组成，计数到6s时，灯Q0.4亮。2.3组态软件设计基础2.3.1实验目的（1）通过本实验了解组态软件。（2）练习使用“三维力控”组态软件，并学会编辑变量、画面、变量连接、脚本程序等。2.3.2实验要求用力控组态软件制作如图2.1所示的水箱液位变化系统。当点击“开关0”时，进水管呈现进水状态且水箱液位上升，右边的“输出液位”将对液位进行实时显示，当液位达到100时“开关0”自动关闭，液位停止上升，当点击“开关1”时液位将降低，此时出水管将呈现出水状态，当液位降到0时“开关1”自动关闭。当在“输入液位”中输入液位数字时水箱中的液位显示输入量。2.3.3实验步骤（1）新建画面：在桌面上左击力控组态的图标（力控6.0）打开力控组态软件，显示工程管理器·在组态开始界面中点击新建应用工程后出现模板管理。（2）将项目名称改为“实验1”，一般不要修改生成路径，点击确定按扭，新工程建立，然后选中新建立的工程点击“开发系统”图标进入“开发系统”画面。（3）在新界面中找到窗体左边的“工程项目”下的“窗体”，然后双击。弹出窗口属性对话框，对话框选项中选择“全屏显示”然后点击确定，新画面建立完成。①定义变量：点击“工程项目”下的“变量”，选择“中间变量”。②点击“添加变量”图标出现“变量定义”对话框，然后在变量名中输入“液位”，类型选为“实型”用相同的方法分别添加变量“开关0”和“开关1”变量类型都设置为“整型”。至此变量添加完毕。关闭“变量管理”窗口。编辑画面与变量连接：点击窗体上面再寻找“罐”选择与例图中相同的“罐”双击选择，所选择的罐出现在画面中，单击选择“罐”图，通过拖拽所选图的对角线来调整罐到合适的大小。大小调整完毕后双击“罐”图出现“罐向导”点击“表达式”右边的浏览块出现“变量选择”框。选择“中间变量”从右侧变量名中选择“液位”变量，填充色改为黄色，然后点击“阀门”选择两个与例图相同的阀门，在工具箱内点击“文本”在两个阀门的上方添加标注文本“进水阀”和“出水阀”。双击“进水阀”开关与变量“开关0”连接，双击“出水阀”开关与变量“开关1”连接，再点击工具箱中的“文本”分别编辑“输入液位”“液位显示”两个标注框，再编辑两个“00000”的数字框按照例图的样式摆放好。双击与“输入液位”对应的数字框，在对话框中的“数值输入”中点击“模拟”选项，在变量选择中选择“液位”，双击“液位显示”对应的数字框，再点击数值输出中的模拟变量选择也为“液位”。选择工具箱内的“矩形”工具画出两个矩形条然后将其拖拽使其与例图中管道的长度相等，再分别双击两个矩形条选择“流动属性”然后都将变量选择为“开关0”，颜色改为黄色，用相同的方法定义另两个与“开关1”相连矩形条。然后按照例图的样式与变量“开关0”相连的矩形跳与“进水阀”前后相连，将与变量“开关1”相连的矩形条分别与“出水阀”的前后相连，再点击点击“文本”选项输入“水箱液位变化系统”最后把所有图画按照例图摆放好（6）脚本编辑：打开“工程项目”下“动作”中的“应用程序动作”。选择“窗口运行时周期执行”在此对话框中输入给定的脚本程序。IF开关0==1THEN液位=液位+1ENDIFIF液位>100THEN液位=100ENDIFIF液位<=0THEN液位=0ENDIFIF液位==100THEN开关0=0ENDIFIF开关1==1THEN液位=液位-1ENDIFIF液位==0THEN开关1=0ENDIF输入完成后点击“脚本保存”按扭，脚本程序编写完毕。至此水箱液位变化系统完成。点击“文件→全部保存”保存文件，再点击工具箱中的“运行”图标出现“运行系统”界面，点击“文件”→“打开”，选择DRAW1双击，进入运行状态。运行中点击“进水阀”和“出水阀”及在“液位显示”中输入液位数字观察动化变化是否符合要求。2.4组态软件与PLC的通讯2.4.1实验目的（1）熟悉组态软件。（2）掌握组态软件与PLC的通讯，变量连接，动态监控。2.4.2实验要求当PLC的外部输入点I0.0、I1.0有输入时灯I0.0、I1.0变为绿色，当点击图中的开关Q0.0、Q1.0时，PLC对应的Q0.0、Q1.0输出点置位灯Q0.0、Q1.0变为绿色。2.4.3实验步骤（1）建立画面：进入组态环境→击“文件”→“新建”建立一个新画面，点击工具箱中的“文本”在画面中编辑一个“I0.0”、一个“I1.0”、两个“Q0.0”、两个“Q1.0”文本框。从报警灯图库和开关图库中找出与画面中相同的报警灯和开关，然后按照例图所示摆放好。（2）硬件连接：点击左侧选项中的I/O设备组态→PLC→SIEMENS→S7-300/400（MPI）出现“设备配置第一步”对话框，在设备名中填充“S7300”点击“下一步”出现“设备配置第三步”，其中在“MPI地址”填写“2”，在“MPI设置槽号“填写“2”。点击“完成”后将在右框中出现所建立的西门子S7-300PLC的I/O硬件连接。（3）变量定义与连接：双击左侧选项中的实时数据库→数据库组态出现下图右击数据库→新建，选择“数字I/O量”出现下图在“点名”中输入I0，点击“数据连接”→“设备”S7300→“增加”→选择“E输入寄存器”，“地址”选择0，在是否按位存取前点上√选择第0位，点击确定“I0”变量连接建立完毕。用同样的方法建立与“E输入寄存器”连接“地址”为1的变量“I1”以及与“A输出寄存器”相连地址分别为0和1的变量“Q0”和“Q1”，保存后退出。双击图中的灯I0.0出现“环形指示灯”。点击“表达式”输入框右边的浏览块出现“变量选择”点击“实时数据库”点击选择变量“I0”，灯I0.0的变量连接完毕，用同样的方法建立灯I1.0与变量“I1”连接，灯Q0.0与“Q0”连接，灯Q1.0与“Q1”连接，开关Q0.0与“Q0”连接，开关Q1.0与“Q1”连接。（4）外部接线：把（SM323数字量输入）框内的（1、20、2、12）分别与（基本指令练习）框内的（V+、COM、I0.0、I1.0）接线孔一一对应连接起来，把（SM323数字量输出）框内的（22、32）分别与（基本指令练习）框内的（Q0.0、Q1.0）接线孔一一对应连接起来（5）保存并运行：打开PLC电源，保存工程，进入运行状态，通过外部连线将PLC上的开关I0.0、I1.0输入点置1观察组态画面中I0.0、I1.0的变化，通过点击组态画面中的开关Q0.0、Q1.0观察PLC上的Q0.0、Q1.0输出点的变化。2.4.4实验分析该实验的目的是结合之前做的实验，实现组态软件和plc实验装置的连接。之前做过的定时器以及计数器都是PLC编程，并没有组态显示，之后的实验是只做组态而不做PLC编程。该实验就实现了组态上的图形能够实施的显示PLC硬件执行的状态，实现上位机与下位机的互联互通。该实验的下位机程序非常的简单，组态软件也是非常简单，在做实验的时候在定义变量的时候出现了问题，导致下位机的运行情况无法在上位机组态图形界面上显示出来。3.综合实验3.1单按键启停设计3.1.1控制要求按一次按钮输出为1，在显示台上显示为LED灯亮；再次按此按钮输出为0，在显示台上显示为LED灯灭。如此循环…。3.1.2程序设计假定起始状态M0.1=0，M0.0=0，Q0.0=0。第一次按下I0.0后，M0.1初始状态为0捕获一个上升沿置1，随即M0.0置1。M0.0的常开闭合、常闭断开，而Q0.0初始状态为0，常闭闭合、常开断开，从而Q0.0置1上电。第一个扫描周期结束，第二个扫描周期开始，此时各状态为M0.1=1,M0.0=1,Q0.0=1.在接下来的扫描周期中，无论第一次按下的按键是否弹起，M0.1都将置0（M0.1只有当初试状态为0且捕获上升沿时才置1，其他情况都置0），从而M0.0置0失电，常开断开、常闭闭合，而后扫描Q0.0=1，常闭断开、常开闭合，这样M0.0的常闭和Q0.0的常开形成通路，Q0.0=1不变。在下一次按下按钮前，各输出保持不变M0.1=0,M0.0=0,Q0.0=1.这就实现了单键启的功能。第二次按下I0.0后，M0.1初始状态为0捕获一个上升沿置1，随即M0.0置1。M0.0的常开闭合、常闭断开，而Q0.0初始状态为1，常闭断开、常开闭合，没有通路，从而Q0.0置0失电。第一个扫描周期结束，第二个扫描周期开始，此时各状态为M0.1=1,M0.0=1,Q0.0=0.在接下来的扫描周期中，无论第二次按下的按键是否弹起，M0.1都将置0，从而M0.0置0失电，常开断开、常闭闭合，而后扫描Q0.0=0，常闭闭合、常开断开，没有通路，从而Q0.0置0。在下一次按下按钮前，各输出保持不变M0.1=0,M0.0=0,Q0.0=0，恢复为第一次按下按钮前的起始状态。这就实现了单键停的功能。以上两个过程的不断交替就实现了单键启停。3.2带时间显示的交通灯控制设计3.2.1控制要求信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持25S秒。南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。周而复始。交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制要求按一定时序进行，如图所示:启动启动/停止南北红灯东西绿灯东西黄灯东西红灯南北绿灯南北黄灯3.2.2十字路口交通灯控制的实验面板图3.2.3输入/输出列表3.2.4接线启动东西绿灯亮20S南北红灯亮25S东西绿灯闪亮3S东西黄灯亮2S东西红灯亮30S启动东西绿灯亮20S南北红灯亮25S东西绿灯闪亮3S东西黄灯亮2S东西红灯亮30S南北绿灯亮25S南北绿灯闪亮3S南北黄灯亮2S十字路口交通灯根据设计要求，分析出交通灯的正常时序流程图如图5-1所示：3.2.5程序设计程序段1-16为十字交通灯程序。程序段1和程序段9构成周期为25+25=50s的大循环。表现为南北红灯和东西红灯以25s为单位交替亮灭。程序的具体执行过程见程序流程图。这里说一下绿灯闪烁程序的实现过程，以东西绿灯的闪烁程序为例。如程序段5-6所示，由两个定时器T4和T5的互锁实现，当T2常开闭合（东西绿灯亮20s以后），常闭断开（东西绿灯熄灭），T4开始倒计时0.5s，计时完成后，东西绿灯点亮，T4常开闭合，T5开始倒计时0.5s，计时完成后，T5常闭断开，T4清零，东西绿灯熄灭，T4常开断开，T5清零，T5常闭闭合，T4上电开始倒计时，开始新一轮循环。程序段17-24为倒计时程序。倒计时采用数码管来显示。对于数码管的实现问题，采用了将定时器的BCD输出为BCD格式的当前时间值和时基。以下为BCD码输出的格式以及解析：在CPU内部，时间值以二进制格式存放，占定时器字的0-9位。可以按下列的形式将时间预置值装入累加器的低位字：十六进制数W#16#wxyz，其中的w是时间基准，xyz是BCD码形式的时间值。时基代码为二进制数00，01，10和11时，对应的时基分别为10ms，100ms，1s和10s。S7中定时时间由时基和定时值两部分组成，定时时间等于时基与定时值的乘积。当定时器运行时，定时值不断减1直至减到0，减到0表示定时时间到。定时时间到后会引起定时器触点的动作。定时器的第0到第11位存放二进制格式的定时值，第12，13位存放二进制格式的时基。

时基与定时范围:若想显示25s，则为000100000011001，从而会在数码管上显示出25。编辑下面十字路口交通图，分别对各个圆属性中背景颜色进行组态设计，并连接好相应的变量的图6-3所示：图6-3组态编辑画面3.3PLC在液体混合装置中的应用控制要求及方案比较YV1YV2YV3YKMV+SL1SL2SL3SB1COM框内）（2）方案比较本系统采用LED指示灯作为液体阀门开关的指示，采用开关及LED指示灯模拟液位变化及指示，LED指示灯表示搅匀电机的运转。此处只讨论控制核心的设计及选择。方案一：采用AT89S51单片机作为控制核心。AT89S51单片机是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，可以为很多控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51单片机完全可以实现液体混合装置的控制。方案二：采用S7-200PLC作为控制核心。S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化装置。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。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。方案三：采用S7-300PLC作为控制核心。S7-300是一种中型的可编程控制器，其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。综合比较三种方案，方案一中单片机虽然价格低廉，系统结构简单，但与上位机组态之间进行通信不如PLC便捷。至于S7-200和S7-300PLC，两者都能实现液体混合装置的控制，与上位机组态通信都很便捷，但S7-300的模块化结构及易于实现分布配置，也方便以后的扩展，因此采用方案三作为本系统的设计方案。3.3.2系统硬件设计液体混合装置采用S7-300作为控制核心，地址分配及符号定义见表1。表3.2地