西門子S7-200-SMART-PLC原理及應用教程課件第十章

西門子S7-200SMARTPLC的通信演講者：王卓君PLC控制系統(tǒng)設計10.1PLC的系統(tǒng)總體設計PLC控制系統(tǒng)的總體設計是進行PLC應用設計至關重要的一步。首先應根據被控對象的要求，確定PLC控制系統(tǒng)的類型與PLC的機型，然后根據控制要求編寫用戶程序，最后進行聯(lián)機調試。PLC控制系統(tǒng)設計10.1.1PLC控制系統(tǒng)的類型單機控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)遠程I/O控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)單機控制系統(tǒng)單機控制系統(tǒng)由1臺PLC控制1臺設備或1條簡易生產線，如圖10-1所示。單機控制系統(tǒng)構成簡單，所需要的I/O點數較少，存儲容量小。當選擇PLC的型號時，無論目前是否有通信聯(lián)網要求，以及I/O點數是否能滿足當下要求，都應選擇有通信功能可進行I/O擴展的PLC，以適應將來系統(tǒng)功能擴展的需求。集中控制系統(tǒng)

集中控制系統(tǒng)由1臺PLC控制多臺設備或幾條簡易生產線，如圖10-2所示。這種控制系統(tǒng)的特點是多個被控對象的位置比較接近，并且相互之間的動作有一定聯(lián)系。由于多個被控對象通過同1臺PLC控制，所以各個被控對象之間的數據、狀態(tài)的變化不需要另設專門的通信線路。集中控制系統(tǒng)的最大缺點是，如果某個被控對象的控制程序需要改變或PLC出現故障，則整個系統(tǒng)都要停止工作。對于大型的集中控制系統(tǒng)，可以采用冗余系統(tǒng)來克服這個缺點，此時要求PLC的I/O點數和存儲器容量有較大的余量。遠程I/O控制系統(tǒng)

遠程I/O控制系統(tǒng)是指I/O模塊不是與PLC放在一起，而是放在被控對象附近。遠程I/O通道與PLC之間通過同軸電纜連接傳遞信息。同軸電纜的長度要根據系統(tǒng)的需要選用。遠程I/O控制系統(tǒng)的構成如圖10-3所示。其中，使用3個遠程I/O通道(A、B、D)和1個本地I/O通道(C)。布式控制系統(tǒng)

分布式控制系統(tǒng)的特點是多個被控對象分布的區(qū)域較大，相互之間的距離較遠，每臺PLC可以通過數據通信總線與上位機通信，也可以通過通信線與其他PLC交換信息。分布式控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點是：當某個被控對象或PLC出現故障時，不會影響其他PLC。PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速，在單機控制系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)之后，又提出了PLC的EIC綜合化控制系統(tǒng)，即將電氣(Electric)控制、儀表(Instrumentation)控制和計算機(Computer)控制集成于一體，形成先進的EIC控制系統(tǒng)?；谶@種控制思想，在進行PLC控制系統(tǒng)的總體設計時，要考慮如何同這種先進性相適應，并且有利于系統(tǒng)功能的進一步擴展。

分布式控制系統(tǒng)有多個被控對象，每個被控對象由1臺具有通信功能的PLC控制，如圖10-4所示。PLC控制系統(tǒng)設計10.1.2PLC控制系統(tǒng)的設計的基本原則PLC控制系統(tǒng)的設計的基本原則

PLC控制系統(tǒng)設計的總體原則是：根據控制任務，在最大限度地滿足生產機械或生產工藝對電氣控制要求的前提下，具有運行穩(wěn)定、安全可靠、經濟實用、操作簡單、維護方便等特點。任何一個電氣控制系統(tǒng)所要完成的控制任務都是為了滿足被控對象（生產控制設備、自動化生產線、生產工藝過程等）的各項性能指標，提高勞動生產率，保證產品質量，減輕勞動強度和危害程度，提升自動化水平。因此，在設計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循的基本原則如下。PLC控制系統(tǒng)的設計的基本原則1．最大限度地滿足被控對象的各項性能指標為明確控制任務和控制系統(tǒng)應有的功能，設計人員在進行設計前應深入現場進行調查研究，搜集資料，與機械部分的設計人員和實際操作人員密切配合，共同擬訂電氣方案，以便協(xié)同解決在設計過程中出現的各種問題。2．確保控制系統(tǒng)的安全可靠電氣控制系統(tǒng)的可靠性就是生命線，無法安全、可靠工作的電氣控制系統(tǒng)是不能投入生產運行的。尤其是在以提高產品數量和質量，保證生產安全為目標的應用場合，必須將可靠性放在首位。3．力求控制系統(tǒng)簡單在能滿足控制要求和保證可靠工作的前提下，不失先進性，力求控制系統(tǒng)結構簡單。只有結構簡單的控制系統(tǒng)才具有經濟性、實用性的特點，才能做到使用方便和維護容易。4．留有適當的余量考慮到生產規(guī)模的擴大、生產工藝的改進、控制任務的增加，以及維護方便的需要，要充分利用PLC易于擴展的特點，在選擇PLC的容量（包括存儲器的容量、機架插槽數、I／O點的數量等）時，應留有適當的余量。PLC控制系統(tǒng)設計10.1.3PLC控制系統(tǒng)的設計步驟10.1.3PLC控制系統(tǒng)的設計步驟1．明確設計任務和技術條件在進行系統(tǒng)設計之前，設計人員首先應該對被控對象進行深入調查和分析，并且熟悉工藝流程及設備性能。根據生產中提出來的問題，確定系統(tǒng)所要完成的任務。與此同時，確定設計任務書，明確各項設計要求、約束條件及控制方式。設計任務書是整個系統(tǒng)設計的依據。10.1.3PLC控制系統(tǒng)的設計步驟2．選擇PLC機型目前，國內外PLC廠家生產的PLC已達數百個種類，其性能各有優(yōu)缺點，價格也不盡相同。在設計PLC控制系統(tǒng)時，要選擇最適宜的PLC機型，一般應考慮下列因素。(1)系統(tǒng)的控制目標。當設計PLC控制系統(tǒng)時，首要的控制目標是確保控制系統(tǒng)安全、可靠地穩(wěn)定運行，提高生產效率，保證產品質量等。如果要求以極高的可靠性為控制目標，則需要構成PLC冗余控制系統(tǒng)，這時要從能夠完成冗余控制的PLC型號中進行選擇。(2)PLC的硬件配置。根據系統(tǒng)的控制目標和控制類型，征求聽取生產廠家的意見，再根據被控對象的工藝要求及I/O點數分配考慮具體的配置問題。10.1.3PLC控制系統(tǒng)的設計步驟3．系統(tǒng)的硬件設計PLC控制系統(tǒng)的硬件設計是指對PLC外部設備的設計。在硬件設計中，要進行輸入設備的選擇（如操作按鈕、開關及保護裝置的輸入信號等），執(zhí)行元件的選擇（如接觸器的線圈、電磁閥的線圈、指示燈等），以及控制臺、控制柜的設計和選擇，操作面板的設計等。通過對用戶輸入/輸出設備的分析、分類和整理，進行相應的I/O地址分配。在I/O設備表中，應包含I/O地址、設備代號、設備名稱及控制功能，應盡量將相同類型的信號、相同電壓等級的信號地址安排在一起，以便施工和布線，并且依次繪制出I/O接線圖。對于較大的控制系統(tǒng)，為便于設計，可根據工藝流程，將所需要的定時器、計數器及內部輔助繼電器、變量寄存器也進行相應的地址分配。10.1.3PLC控制系統(tǒng)的設計步驟4．系統(tǒng)的軟件設計對于電氣設計人員來說，控制系統(tǒng)的軟件設計就是用梯形圖編寫控制程序，可采用經驗設計或邏輯設計。對于控制規(guī)模比較大的系統(tǒng)，可根據工藝流程圖，將整個流程分解為若干步，確定每步的轉換條件，配合分支、循環(huán)、跳轉及某些特殊功能，以便很容易地轉換為梯形圖設計。對于傳統(tǒng)繼電器控制線路的改造，根據原系統(tǒng)的控制線路圖，將某些橋式電路按照梯形圖的編程規(guī)則進行改造后可直接轉換為梯形圖。這種方法設計周期短，修改、調試程序簡單方便。軟件設計可以與現場施工同步進行，以縮短設計周期。10.1.3PLC控制系統(tǒng)的設計步驟5．系統(tǒng)的局部模擬運行上述步驟完成后有了一個PLC控制系統(tǒng)的雛形，接著進行模擬調試。在確保硬件工作正常的條件下，再進行軟件調試。在調試控制程序時，應本著從上到下、先內后外、先局部后整體的原則，逐句逐段地反復調試。10.1.3PLC控制系統(tǒng)的設計步驟6．控制系統(tǒng)聯(lián)機調試這是關鍵性的一步。應對系統(tǒng)性能進行評價后再做出改進。反復修改，反復調試，直到滿足要求為止。為了判斷系統(tǒng)各部件工作的情況，可以編制一些短小且針對性強的臨時調試程序（待調試結束后再刪除）。在系統(tǒng)聯(lián)機調試中，要注意使用靈活的技巧，以便加快系統(tǒng)的調試過程。PLC控制系統(tǒng)設計10.1.5經驗法與順序控制法經驗法順序控制法經驗法經驗法是運用自己或別人的經驗進行PLC程序設計的方法。使用經驗法的基礎是要掌握常用的控制程序段，如自鎖、互鎖等，當需要某些環(huán)節(jié)的時候，用相應的程序去實現。在本章中，很多程序的編寫都是用經驗法完成的。另外，在多數的工程設計前，先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的經驗。結合工程實際，對經驗程序進行修改，使之適合自己的工程要求。順序控制法順序控制法是在指令的配合下設計復雜的控制程序。一般比較復雜的程序，都可以分成若干個功能比較簡單的程序段，一個程序段可以看成整個控制過程中的一步。從整體角度去看，一個復雜系統(tǒng)的控制過程是由若干個步組成的。系統(tǒng)控制的任務實際上可以認為在不同條件下去完成對各個步的控制。順序控制是一種編程思想。在編程時，也可以用一般的邏輯指令實現順序控制。西門子PLC中提供了專門的步進順序控制指令，可以利用該指令方便地編寫控制程序。PLC的系統(tǒng)設計10.2.1三級皮帶運輸控制控制任務分析硬件配置程序設計控制任務分析

三級皮帶運輸機分別由Ml、M2、M3三臺三相異步電動機拖動，啟動時要求先打開料斗汽缸和電動機M1，以5s的時間間隔，按M1、M2、M3的順序啟動；停止時要求先關閉料斗汽缸，以10s的時間間隔，按Ml.M2、M3的順序停止。三級皮帶運輸機的工作示意圖如圖硬件配置（1）選擇PLC是西門子公司S7-200SMART系CPUSR30（2）確定外圍I/O設備1)輸入設備：3個按鈕分別為啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2和急停按鈕SB3;3個熱繼電器。2)輸出設備：3個接觸器分別控制3級皮帶的電動機，一個汽缸控制料斗開關。（3）分配I/O地址硬件配置(4).PLC的硬件連接圖三級皮帶運輸機的主電路如圖根據外圍I/O設備確定PLC外部接線圖，如圖10-8所示。本系統(tǒng)的工作電源采用DC24V輸入/輸出的形式。程序設計分析控制要求：根據3臺電動機啟動與停止的順序可知，實際上按下IO.O啟動Ml至M3為順序啟動過程，按下IO.1停止從Ml至M3停止為順序停止過程，間隔時間由定時器產生的脈沖信號來實現操作，無特殊要求優(yōu)先選用100ms時基的定時器。初步確定分兩大塊完成，一是順序啟動，二是順序停止。兩塊中又可以按照需要分成幾步來完成。電動機正常時熱過載繼電器不動作，當電動機過載或燒壞時，熱過載繼電器動作，常閉斷開，通常這種3臺電動機協(xié)調工作的場合有任何一臺發(fā)生故障都必須全部停止。程序設計編寫程序的步驟：（1）先編寫手動部分（調試程序所用到的程序）o（2）編寫自動程序，以滿足基本控制要求為目的，適當將復雜程序進行分步，逐步完成程序編寫，簡化程序，思路清晰。（3）最后增加輔助程序（熱繼保護、急停和故障報警等）。三級皮帶運輸機程序如圖PLC的系統(tǒng)設計10.2.2行車呼叫控制控制任務分析硬件配置程序設計控制任務分析圖10-10所示為行車呼車系統(tǒng)示意圖。一部電動運輸車提供8個工位使用。系統(tǒng)共有12個按鈕。圖中，SB1～SB8為每一工位的呼車按鈕。SB9、SB10為電動小車點動左行，點動右行按鈕。SB11、SB12為起動和停止按鈕。系統(tǒng)上電后，可以按下這兩個按鈕調整小車位置，使小車停于工位位置。SQ1～SQ8為每一工位信號。正常工作流程：小車在某一工位，若無呼車信號，除本工位指示燈不亮外，其余指示燈亮，表示允許呼車。當某工位呼車按鈕按下，各工位指示燈全部熄滅，行車運動至該車位，運動期間呼車按鈕失效。呼車工位號大于停車位時，小車右行，反之則左行。當小車停在某一工位后，停車時間為30s，以便處理該工位工作流程。在此段時間內，其他呼車信號無效。從安全角度考慮，停電來電后，小車不允許運行。硬件配置（1）選擇PLC是西門子公司S7-200SMART系CPUSR60（2）確定外圍I/O設備1)輸入設備：8個位置呼叫按鈕SB1～SB8、一個啟動按鈕SB11、一個停止按鈕SB12、兩個正反點動按鈕SB9和SB10、8個位置開關SQ1～SQ8。2)輸出設備：2個繼電器控制電機正反轉，一個指示燈。（3）分配I/O地址硬件配置(4).PLC的硬件連接圖行車呼叫系統(tǒng)PLC硬件連接圖如10-11所示。程序設計系統(tǒng)的主程序如圖10-12所示，子程序如圖程序設計系統(tǒng)的主程序如圖10-12所示，子程序如圖PLC的系統(tǒng)設計10.2.3步進電機正反轉控制控制任務分析

用步進驅動器及步進電動機編制PLC程序，根據題意要求畫出電路圖并連調試，完成以下功能。1)根據提供的步進驅動器，設定細分步，并計算步進電動機轉速與PLC給定脈沖之間的對應關系2)根據步進驅動器控制回路端子、電動機線圈端子等畫出PLC控制步進電動機運行的電路圖。3)步進電動機的運行過程：正轉3圈，再反轉3圈，如此往復3次。4)設置正向起動按鈕、停止按鈕。硬件配置（1）選擇PLC是西門子公司S7-200SMART系CPUST40（2）確定外圍I/O設備1)輸入設備：一個啟動按鈕、一個停止按鈕。2)輸出設備：一臺步進電機驅動器。（3）分配I/O地址硬件配置(4).PLC的硬件連接圖步進電機正反轉控制PLC硬件連接圖如10-14所示。運動軸組態(tài)高速輸出有PWM模式和運動軸模式，對于較復雜的運動控制顯然用運動軸模式控制更加便利。以下將具體介紹這種方法。(1)激活“運動控制向導’’打開STEP7軟件，在主菜單“工具”中單擊“運動”按鈕，彈出裝置選擇界面，運動軸組態(tài)(2)選擇需要配置的軸CPUST40系列PLC內部有三個軸可以配置，本例選擇“軸O”即可，如圖10-16所示，再單擊“下一步”按鈕。運動軸組態(tài)(3)為所選擇的軸命名為所選擇的軸命名，本例為默認的“軸O”，再單擊“下一步”按鈕，如圖10-17所示。運動軸組態(tài)(4)輸入系統(tǒng)的測量系統(tǒng)在“選擇測量系統(tǒng)’’選項選擇“工程單位”。由于步進電動機的步距角為1.80，電動機轉一圈需要200個脈沖，所以“電機一次旋轉所需的脈沖”為“200”；“測量的基本單位”設為“mm”；“電機一次旋轉產生多少‘mm，運動”為“10.0000"；這些參數與實際一的機械結構有關，再單擊“下一步”按鈕，如圖10-18所示。運動軸組態(tài)(5)設置脈沖方向輸出設置有幾路脈沖輸出，其中有單相（1個輸出）、雙向（2個輸出）和正交（2個輸出）三個選項，本例選擇“單相（1個輸出）”；再單擊“下一步”按鈕，如圖10-19所示。運動軸組態(tài)(6)分配輸入點本例中并不用到LMT+（正限位輸入點）、LMT-（負限位輸入點）、RPS（參考點輸入點）和ZP（零脈沖輸入點），所以可以不設置。直接選中“STP"（停止輸入點），選擇“啟用”，停止輸入點為“IO.1”，指定相應輸入點有效時的響應方式為“減速停止”，指定輸入信號有效電平為“高”電平有效。再單擊“下一步”按鈕，如圖10-20所示。運動軸組態(tài)(7)指定電機速度MAX_SPEED：定義電機運動的最大速度。SS_SPEED：根據定義的最大速度，在運動曲線中可以指定的最小速度。如果SS_SPEED數值過高，電動機可能在起動時失步，并且在嘗試停止時，負載可能使電動機不能立即停止而多行走一段。停止速度也為SS_SPEED。設置如圖10-21所示，在“1”、“2”和“3”處輸入最大速度、最小速度、起動和停止速度，再單擊“下一步”按鈕。運動軸組態(tài)(8)設置加速和減速時間ACCEL_TIIE（加速時間）：電動機從SS_SPEED加速至MAX_SPEED所需要的時間，默認值=1000ms(ls)，本例選默認值，如圖10-22所示的“1”處。DECEL_TIME（減速時間）：電動機從MAX_SPEED減速至SS_SPEED所需要的時間，默認值=1000ms(ls)，本例選默認值，如圖10-22所示的“2”處，再單擊“下一步”按鈕。運動軸組態(tài)(9)為配置分配存儲區(qū)指令向導在V內存中以受保護的數據塊頁形式生成子程序，在編寫程序時不能使用PTO向導已經使用的地址，此地址段可以系統(tǒng)推薦，也可以人為分配，人為分配的好處可以避開讀者習慣使用的地址段。為配置分配存儲區(qū)的V內存地址如圖10-23所示，本例設置為“VBO～VB92"，再單擊“下一步”按鈕。運動軸組態(tài)(10)完成組態(tài)單擊“下一步”按鈕，如圖10-24所示。彈出如圖10-25所示的界面，單擊“生成”按鈕，完成組態(tài)。編寫程序系統(tǒng)的程序如圖PLC的系統(tǒng)設計10.2.4刨床的PLC控制（1）選擇PLC是西門子公司S7-200SMART系CPUSR20（2）確定外圍I/O設備1)輸入設備：一個啟動按鈕、一個停止按鈕和一個急停按鈕。2)輸出設備：一臺繼電器、一臺變頻器。（3）分配I/O地址控制任務分析硬件配置己知某刨床的控制系統(tǒng)主要由PLC和變頻器組成，PLC對變頻器進行通信調速，變頻器的運動曲線如圖10-27所示，變頻器以20Hz、30Hz、50Hz、OHz和反向50Hz運行，每種頻率運行的時間都是8s，而且減速和加速時間都是2s（這個時間不包含在8s內），如此工作2個周期自動停止硬件配置(4).PLC的硬件連接圖步進電機正反轉控制PLC硬件連接圖如10-28所示。變頻器參數設定變頻器的參數設定見表編寫程序從圖10-27可見，一個周期的運行時間是52s，上升和下降時間直接設置在變頻器中，也就是P1120=1121=2s，編寫程序不用考慮。編寫程序時，可以將2個周期當做一個周期考慮，編寫程序更加方便。梯形圖如圖10-29所示。控制任務分析有一個物料攪拌機，主機由7.5kW的電動機驅動。根據物料不同，要求速度在一定的范圍內無極可調，且要求物料太多或者卡死設備時系統(tǒng)能及時保護；機器上配有冷卻水，冷卻水溫度不能超過50℃，而且冷卻水管不能堵塞，也不能缺水，堵塞和缺水將造成嚴重后果，冷卻水的動力不在本設備上，水溫和壓力要可以顯示。硬件配置（1）分析問題根據已知的工藝要求，分析結論如下：1)主電動機的速度要求可調，所以應選擇變頻器。2)系統(tǒng)要求有卡死設備時，系統(tǒng)能及時保護。當載荷超過一定數值時（特別是電動機卡死時），電流急劇上升，當電流達到一定數值時即可判定電動機是卡死的，而電動機的電流是可以測量的。因為使用了變頻器，變頻器可以測量電動機的瞬時電流，這個瞬時電流值可以用通信的方式獲得。3)很顯然這個系統(tǒng)需要一個控制器，PLC、單片機系統(tǒng)都是可選的，但單片機系統(tǒng)的開發(fā)周期長，單件開發(fā)并不合算，因此選用PLC控制，由于本系統(tǒng)并不復雜，所以小型PLC即可滿足要求。4)冷卻水的堵塞和缺水可以用壓力判斷，當水壓力超過一定數值時，視為冷卻水堵塞，當壓力低于一定的壓力時，視為缺水，壓力一般要用壓力傳感器測量，溫度由溫度傳感器測量。因此，PLC系統(tǒng)要配置模擬量模塊。5)要求水溫和壓力可以顯示，所以需要觸摸屏或者其他設備顯示。硬件配置（2）小型PLC都可作為備選，由于西門子S7-200SIVIART系列PLC通信功能較強，而且性價比較高，所以初步確定選擇S7-200SlvIART系列PLC，因為PLC要和變頻器通信占用一個通信口，和觸摸屏通信也要占用一個通信口，CPUSR20有一個編程口(PN)，用于下載程序和與觸摸屏通信，另一個串口則可以作為USS通信用。由于壓力變送器和溫度變送器的信號都是電流信號，所以要考慮使用專用的AD模塊，兩路信號使用EMAE04是較好的選擇。由于CPUSR20的I/O點數合適，所以選擇CPUSR200（3）確定外圍I/O設備1)輸入設備：一個啟動按鈕、一個停止按鈕和一個急停按鈕。2)輸出設備：一臺MM440變頻器。3）HMI設備：一臺SMART700IE觸摸屏硬件配置（4）分配I/O地址硬件配置(5).PLC的硬件連接圖PLC硬件連接圖硬件配置(6).變頻器參數設定編寫程序溫度傳感器最大測量量程是O～l00℃，其對應的數字量是0～27648，所以AIW16采集的數字量除以27648再乘以100（即AIW16*100/27648）就是溫度值；壓力傳感器的最大量程27648是O～lOOOOPa，其對應的數字量是O～27648，所以AIW18采集的數字量除以27648再乘以10000（即AIW18*10000/27648）就是壓力值；程序中的VD0是滿頻率的百分比，