电气控制与PLC应用-基于S7-200 SMART PLC（第5版）课件 第7章 PLC控制系统设计与应用

电气控制与PLC应用

—基于S7-200SMARTPLC（第5版）

（第7章）第7章PLC控制系统设计与应用PLC控制系统设计的基本原则与一般步骤

PLC系统的硬件设计

PLC系统的软件设计PLC应用程序的基本环节及设计技巧

PLC在控制中的应用学习目标：

教学内容：

7.1PLC控制系统设计

7.2PLC控制系统硬件设计与配置

7.3PLC控制系统软件设计

7.4PLC应用程序的典型环节及设计技巧

7.5PLC在工业控制中的应用第7章PLC控制系统设计与应用7.1PLC控制系统设计

返回可编程控制系统设计时应遵循以下原则：

7.1.1PLC控制系统设计的基本原则

最大限度的满足被控对象的要求；在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、适用及维护方便；保证系统的安全可靠；考虑生产发展和工艺改进的要求，在选型时应留有适当的余量。7.1.2PLC控制系统设计的一般步骤

PLC的结构和工作方式与一般微机和继电器相比各有特点，其具体设计步骤如下：详细了解被控对象的生产工艺过程，分析控制要求，以及控制范围、可靠性等要求。选择PLC类型，包括结构、功能、机型统一性等。根据控制要求确定所需的用户输入/输出设备。分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。PLC软件设计，同时可进行控制台的设计和现场施工。系统调试，固化程序，交付使用。7.2PLC控制系统硬件设计与配置硬件系统设计主要包括PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等内容。

返回CPUST30控制系统线路示例

随着PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务。但PLC还是有它最适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制装备（PLC、单片机、DCS或工控机IPC）来完成该任务最合适。比如：·仪器及仪表装置、家电的控制器就要用单片机来做；·大型的过程控制系统大部分要用DCS来完成；·而PLC最适合的控制对象是：工业环境较差，而对安全性、可靠性要求较高，系统工艺复杂，输入／输出以开关量为主的工业自控系统或装置。返回7.2PLC控制系统硬件设计与配置7.2.1PLC的选型

当确定由PLC来完成控制后，设计者接下来要解决PLC容量的选择问题：

首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O的性质。（如示例中，输入14点，输出7点，无模拟量要求）

然后要对用户存储器容量进行估算。用户程序所需内存容量受到内存利用率、开关量I/O点数、模拟量I/O点数和用户编程水平等主要因素的影响。估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存（指用户程序存储区）。

7.2.2I/O地址分配

当选择了PLC后，首先需要确定系统中各I/O的绝对地址。在西门子公司的S7系列PLC中，I/O绝对地址的分配方式有固定地址型、自动分配型、用户设定型3种。实际所使用的方式决定于所采用的PLC的CPU型号、编程软件、软件版本、编程人员的选择等因素。下面以S7-200SMART为例介绍地址分配（S7-200SMART不支持用户设定型）。7.2.2I/O地址分配

1．本机I/O地址分配数字量I/O

输入地址：从I0.0开始，按字节递增（如I0.0-I0.7、I1.0-I1.7等）。

输出地址：从Q0.0开始，按字节递增（如Q0.0-Q0.7、Q1.0-Q1.7等）。

特点：本机I/O地址固定，无法修改。若未用完一个字节（如I0.0-I0.7中仅使用I0.0-I0.3），剩余位（I0.4-I0.7）不能分配给后续模块，且在输入刷新阶段会被自动清零。模拟量I/O

输入地址：从AIW0开始，按字递增（如AIW0、AIW2等）。

输出地址：从AQW0开始，按字递增（如AQW0、AQW2等）。

特点：模拟量地址以字为单位分配，无剩余位问题。例如，本体集成2路模拟量输入时，地址为AIW0和AIW2。7.2.2I/O地址分配

2．扩展I/O地址分配（1）扩展模块位置与地址唯一性

扩展模块安装在CPU右侧，紧靠CPU的模块为EM0，依次为EM1至EM5。地址分配原则：扩展模块的地址由模块类型和位置决定，与模块点数无关。例如，无论EM0是数字量模块还是模拟量模块，其首地址固定且唯一。（2）数字量扩展模块地址分配

地址起始点：从I8.0（输入）或Q8.0（输出）开始，按字节递增。

占用空间：每个数字量扩展模块最多占用4字节（32点）。若模块点数不足32点，剩余字节仍被保留，不能分配给后续模块。

示例：EM0为16点数字量输入模块时，地址为I8.0-I9.7。EM1为8点数字量输出模块时，地址为Q12.0-Q12.7（跳过Q8.0-Q11.7的保留空间）。7.2.2I/O地址分配

（3）模拟量扩展模块地址分配

地址起始点：从AIW16（输入）或AQW16（输出）开始，按字递增。

占用空间：每个模拟量扩展模块最多占用16字（8点）。若模块点数不足8点，剩余字仍被保留。示例：EM0为4点模拟量输入模块时，地址为AIW17-AIW22。EM1为2点模拟量输出模块时，地址为AQW32-AQW34（跳过AQW17-AQW30的保留空间）。（4）混合扩展模块地址分配若扩展模块同时包含数字量和模拟量（如热电阻模块EMAR02），其地址分配仍遵循上述规则：数字量部分从I8.0或Q8.0开始分配。模拟量部分从AIW16或AQW16开始分配。示例：EM0为EMAR02（2点热电阻输入）时，模拟量地址为AIW17-AIW18，数字量部分不占用地址（若模块无数字量点）。

7.2.3响应时间

对于过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。PLC顺序扫描的工作方式，使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。例如，电机转速的测量，就需要选用高速计数指令来完成。总之，PLC的处理速度应满足实时控制的要求。

选定PLC及其扩展模块（如需要的话）和分配完I/O地址后，硬件设计的主要内容就是完成电气控制系统原理图的设计、电气控制元器件的选择和控制柜的设计。7.3PLC控制系统软件设计

在一些典型的控制环节和电路的基础上，根据被控制对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。有时为了得到一个满意的设计结果，需要进行多次反复地调试和修改，增加一些辅助触点和中间编程元件。验设计法对于一些比较简单的程序设计是比较有效的，可以收到快速、简单的效果。但是，由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计的，因此对设计人员的要求也就比较高，特别是要求设计人员有一定的实践经验，对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。7.3.1经验设计法

返回经验设计法如果用来设计复杂系统的梯形图，则存在以下问题。（1）考虑不周、设计麻烦、设计周期长

修改某一局部程序时，很可能会对系统其它部分程序产生意想不到的影响，往往花了很长时间，还得不到一个满意的结果。（2）梯形图的可读性差、系统维护困难用经验设计法设计的梯形图是按设计者的经验和习惯的思路进行设计。因此，即使是设计者的同行，要分析这种程序也非常困难，更不用说维修人员了，这给PLC系统的维护和改进带来许多困难。返回7.3.1经验设计法

7.3.2逻辑设计法

逻辑设计法是以数字电路中的组合逻辑电路或时序逻辑电路的思想来设计PLC程序的。用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电器控制线路是完全可以的，用逻辑设计法设计PLC应用程序的一般步骤如下：列出执行元件动作节拍表；绘制电气控制系统的状态转移图；进行系统的逻辑设计；编写程序；对程序检测、修改和完善。

7.4PLC应用程序的典型环节及设计技巧

复杂的控制程序一般都是由一些典型的基本环节有机地组合而成的，因此，掌握这些基本环节尤为重要。它有助于程序设计水平的提高。几个常用的典型环节：7.4.1PLC应用程序的典型环节

电动机的启动、停止控制程序；具有点动功能电动机启动、停止控制程序；电动机的正、反转控制程序；闪烁电路；报警电路；......返回1.电动机的启动与停止控制程序：输入信号输出信号停止按钮SB1（常闭）I0.1接触器KMQ0.1启动按钮SB2（常开）I0.2表7-1I/O分配表

图7-1I/O接线图

图7-2

停止优先梯形图

图7-3

启动优先梯形图7.4.1PLC应用程序的典型环节

返回注意：常闭按纽在编程中的变化常闭7.4.1应用程序的典型环节2.具有点动功能电动机启动、停止控制程序

输入信号输出信号停止按钮SB1I0.0接触器KMQ0.1启动按钮SB2I0.1点动按钮SB3I0.2表7-2I/O分配表图7-4启、停、点动控制I/O接线图图7-5电动机启、停、点动控制SB2和SB3同时按下，SB2不起作用。7.4.1应用程序的典型环节3.电动机的正、反转控制程序

表7-3I/O分配表图7-7

电动机正、反转梯形图输入信号输出信号停止按钮SB1I0.0正转接触器KM1Q0.1正转按钮SB2I0.1反转按钮SB3I0.2反转接触器KM2Q0.2

由于PLC内部处理过程中，同一元件的常开、常闭触点的切换没有时间的延迟，因此必须采用防止电源短路的方法，图7-7所示梯形图中，采用定时器T1、T2分别作为正转、反转切换的延迟时间，从而防止了切换时发生电源短路故障。7.4.1应用程序的典型环节4.闪烁电路

闪烁电路实际上就是一个时钟电路，它可以等间隔地通断，也可以不等间隔地通断。图7-8所示为一个典型闪烁电路程序。在该例程中，当I0.0有效时（并保持），T1就会产生一个5s通、3s断的闪烁信号。Q0.0和T1一样开始闪烁。图7-8

闪烁电路7.4.1应用程序的典型环节5.报警电路

I/O分配表输入信号输出信号故障信号I0.0警灯警铃Q0.0Q0.7消铃按钮I1.0测试按钮I1.1图7-10故障标准报警梯形图图7-11标准故障报警时序图·3s3s7.4.1应用程序的典型环节7.脉冲宽度可控制电路

在输入信号宽度不规范的情况下，要求在每一个输入信号的上升沿产生一个宽度固定的脉冲，该脉冲宽度可以调节。如果输入信号的两个上升沿之间的距离小于该脉冲宽度，则忽略输入信号的第二个上升沿。图7-13脉冲宽度可控制电路图7-14脉冲宽度可控制电路时序图上升沿指令7.4.1应用程序的典型环节7.分频电路

输入I0.1引入信号脉冲，要求输出Q0.0引出的脉冲是前者的二分频。在梯形图中用了3个辅助继电器，编号分别是M0.0、M0.1、M0.2。图7-15二分频电路图7-16二分频电路时序图7.4.2PLC应用程序的设计技巧

1.减少输入点的方法：（1）用二极管隔离的分组输入法

控制系统一般具有手动和自动的两种工作方式。由于手动与自动是不同时发生的，可分成两组，并由转换开关SA选择自动(位置2)和手动(位置1)的工作位置，如图7-17所示。这样一个输入点就可当作两个输入点使用。二极管的作用是避免产生寄生电路，保证信号的正确输入。

图7-17用二极管隔离输入法7.4.2PLC控制程序设计技巧（2）触点合并输入法图7-18I/O接线图输入信号输出信号甲、乙停止按钮串联（SB1*SB2*FR）I0.0I0.1接触器KMQ0.5甲、乙启动按钮并联（SB3+SB4）表7-4I/O分配表

图7-19I/O梯形图

设有一台电动机，要求分别在甲、乙两地均可对其进行起、停控制。甲地设停止按钮SB1，启动按钮SB3：乙地设停止按钮SB2，启动按钮SB4。热继电器触头7.4.2PLC控制程序设计技巧（3）单按钮启、停控制程序图7-20

单按钮控制梯形图

现介绍只用一个按钮，通过软件编程，实现启动与停止的控制。如图7-20所示，I0.0作为启动、停止按钮的地址，第一次按下时Q1.0有输出，第二次按下时Q1.0无输出，第三次按下Q1.0又有输出。7.4.2PLC控制程序设计技巧2.减少输出点的方法：图7-21

并联输出法

对于两个通断状态完全相同的负载，可将它们并联后共用一个PLC的输出点，如图7-21所示。

图7-21

并联输出法，两个负载并联共用一个输出点，应注意两个输出负载电流总和不能大于输出端子的负载能力。

由于信号灯负载电流很小，故常用信号灯与被指示的负载并联的方法，这样可少占用PLC一个输出点。7.5PLC在工业控制中的应用

7.5.1电动机星形～三角形减压启动控制STEP7-MicroWINSMART软件向用户提供了非常简便灵活的项目创建、编辑和下载方式，用户不需要购买专用编程电缆，仅使用以太网卡和以太网线即可实现对S7-200SMARTPLC的监控和下载，也可以配合第三方仿真软件在单台计算机上对程序进行仿真、调试等开发工作。

下面以一个简单的项目为例逐步展开介绍，使读者对STEP7-MicroWINSMART和S7-200SMARTPLC实施一个项目一目了然。表7-6输入输出分配表表7-5软、硬件列表1.项目介绍

星－三角形启动是常用的降压启动方式，继电器方式星－三角形减压启动接线原理如图7-22所示，与第2章中图2-10的功能基本一致，增加了一个反转启动按钮SB3，且控制电路采用垂直画法。控制要求要求如下：（1）实现电动机的正转星－三角减压启动和停止以及反转星－三角减压启动和停止；（2）电动机具有过热保护；（3）切换时间控制在4秒

。2.软硬件清单、PLC控制接线图与I/O分配

软、硬件列表如表7-5所示，I/O分配如表7-6所示。7.5.1电动机星形～三角形减压启动控制项目描述

编程软件STEP7-Micro/WINSMARTCPUCPUST20（DC/DC/DC）信号板SBAQ01（模拟量输出）扩展模块EMAE04（4路模拟量输入）操作系统Windows11输入输出序号名称符号地址序号符号地址名称1停止按钮SB1I0.21正传接触器KM1Q0.02正转启动按钮SB2I0.02反转接触器KM2Q0.13反转启动按钮SB3I0.13星接触器KMYQ0.24热继电器FRI0.34角接触器KMΔQ0.37.5PLC在工业控制中的应用

图7-24STEP7-MicroWINSMART软件主界面3.新建项目

方法一：启动时自动创建

双击桌面STEP7-Micro/WINSMART图标，系统自动创建名为“项目1”的空项目，并修改名称为“星－三角减压启动控制”，如图7-24所示。

方法二：手动新建

点击菜单栏文件

→

新建，或点击快速访问工具栏的新建按钮，项目命名为“星－三角减压启动控制”，如图7-24所示。7.5PLC在工业控制中的应用

4.硬件组态

硬件组态的目的是在软件中搭建与实际设备一致的虚拟系统。

（1）打开系统块双击项目树中的“系统块”，或点击导航栏的“系统块”按钮，打开“系统块”界面确认通信端口的参数为默认值（参考本书4.5.4节内容），并添加设备。

（2）组态CPU

在系统块表格第一行下拉菜单中点击CPUST20（DC/DC/DC），选择CPUST20，如图7-25所示。系统自动分配输入起始地址为I0.0，输出起始地址为Q0.0。

（3）组态信号板

在第二行下拉菜单中点击SBAQ01，选择SBAQ01模拟量输出信号板，如图7-26所示。

（4）组态扩展模块

在第三行下拉菜单中点击EMAE04，选择EMAE04模拟量输入模块，如图7-27所示。系统自动分配通道地址为：AIW0、AIW2、AIW4、AIW6。

（5）保存组态点击“系统块”界面右下方的“确定”按钮，保存硬件组态（恢复到主界面）。5.编写程序（星－三角形减压启动控制）

控制要求：•按下正转启动按钮（I0.0），电机运行（Q0.0输出）；•按下停止按钮（I0.1），电机停止；•具有自锁功能。

编程步骤：

（1）打开主程序

打开项目树中的“程序块”，双击主程序（MAIN），进入编程界面。

（2）编写梯形图

使用梯形图编辑器编写带自锁的启停程序，梯形图程序如图7-28所示。

（3）保存程序

点击文件

→

保存，命名为“星－三角减压启动控制”。7.5PLC在工业控制中的应用

图7-22继电器方式启动接线原理图7.5PLC在工业控制中的应用

图7-23基于PLC启动控制接线原理7.5.1电动机星形～三

角形减压启动控制

图7-22中，电动机由接触器KM1、KM2、KM3控制，其中KM3将电动机定子绕组连接成星形，KMKM2将电动机定子绕组连接成三角形。KM2与KM3不能同时吸合，否则将产生电源短路。在程序设计过程中，应充分考虑由星形向三角形切换的时间，即由KM3完全断开（包括灭弧时间）到KM2接通这段时间应锁定住，以防电源短路。图7-28电动机Y-△减压启动控制梯形图程序7.5.1电动机星形～三

角形减压启动控制图7-30

程序运行状态6.程序下载与调试

（1）设置通信

使用以太网线连接电脑与CPUST20。点击软件中的“通信”，搜索设备并建立连接，如图7-29所示。

（2）下载程序

点击工具栏“下载”按钮，选择目标设备，点击“下载”。

（3）运行与监控

点击“RUN”按钮将CPU模式开关拨至RUN。点击“程序状态”按钮，观察程序运行状态，如图7-30所示。•

按下I0.0，Q0.0对应灯点亮；•

按下I0.1，Q0.0对应灯熄灭。7.5.2顺序控制设计法应用举例

顺序控制设计法是PLC梯形图程序设计的常用方法。所谓顺序控制，就是按照生产工艺预先归档的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间顺序，在生产过程中各个执行机构自动有序地进行操作。顺序功能图（SequentialFunctionChart，SFC）是描述控制系统的控制过程、功能和特征的一种图形，也是设计PLC顺序控制程序的有力工具。采用顺序功能图设计时，可根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步地按照顺序动作。每一步代表一个控制任务，用方框表示，顺序功能图的要素包括初始步、活动步、有向连线、转换和转换条件。返回7.5.2顺序控制设计法应用举例1．项目介绍

现有一台机加工设备，由油泵电机、溢流阀、