PLC系統(tǒng)設計專題4

系統(tǒng)設計專題姓名*******學院自動化與電氣工程學院專業(yè)控制科學與工程班級*******班級*******指導老師*******二〇一六年五月三十1.硬件設備型號1.1西門子系列PLC西門子公司的PLC產品有SIMATICS7、M7和C7等幾大系列。其中S7-200PLC是針對低性能要求的小型PLC。S7-200是美國德州儀器公司的小型PLC的基礎上發(fā)展起來的，其編程軟件STEP7-Micro/WIN32。S7-300/400PLC的前身是西門子公司的S5系列PLC，其編程軟件為STEP7。S7-200和S7-300/400雖然有很大共同之處，但是在指令系統(tǒng)、程序結構和編程軟件等方面均有相當大的差異。1.1.1S7-400S7-400是大型PLC，可以做DSC的服務器。它具有功能分級的CPU以及種類齊全、綜合性能強的模塊，具有強大的擴展通訊能力，可實現分布式系統(tǒng)，因此廣泛用于中高性能的控制領域。1.1.2S7-300S7-300是中型PLC，控制點數1000點左右。占中型市場的75%左右。優(yōu)點：適用于過程控制和通信控制。S7-300提供了多種性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/O擴展模塊，各種功能模塊可以非常好地滿足和適應自動控制任務，使用戶可以完全根據實際應用選擇合適的模塊，而且當控制任務增加并且愈加復雜時，可隨時附加模塊對PLC進行擴展，系統(tǒng)擴展靈活。缺點：沒有專用的指令，做伺服或步進定位控制時程序復雜且控制精度不高。此外，S7-300機型價格昂貴，一臺普通的中型設備價格在7500元左右，不利于低成本開發(fā)使用。1.1.3S7-200S7-200是小型PLC，編程軟件在stepV4.0以下。是收購的TI公司的產品。占國內小型市場50%左右。1.2三菱系列PLC三菱系列PLC采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。優(yōu)點：三菱的優(yōu)勢在于離散控制和運動控制，三菱的指令豐富，有專用的定位指令，控制伺服和步進容易實現。編程直觀易懂，學習較輕松。缺點：在過程控制和通信控制時，三菱的程序復雜，模擬量模塊價格昂貴，不易選用。1.3臺達系列PLC臺達PLC是臺達為工業(yè)自動化領域專門設計的、實現數字運算操作的電子裝置。臺達PLC采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。優(yōu)點：可靠性高，抗干擾能力強。通用性強，控制程序可變，使用方便。功能強，適應面廣。編程簡單，容易掌握。減少了控制系統(tǒng)的設計及施工的工作量。體積小、重量輕、功耗低、維護方便。缺點：二次開發(fā)性較差。綜上所述，針對不同的設備不同的控制方式，我們選用PLC也不盡相同，用其長處，避其短處。在本設計中，從對設備及編程語言的熟悉程度、開發(fā)成本角度上看，我們選用西門子系列PLC中的S7-300。2.實驗基礎2.1PLC基本指令的應用2.1.1實驗目的1、 熟悉PLC實驗裝置，S7-300系列編程控制器的外部接線方法。2、 了解編程軟件STEP7的編程環(huán)境，軟件的使用方法。3、 掌握與、或、非邏輯等基本指令的編程方法。2.1.2基本指令編程練習的實驗面板圖圖（1）中的圓圈為插線孔。I為輸入點，Q為輸出點。（I0.0-I0.7）對應實驗臺上（SM323數字量輸入）框內（2-9）；（I1.0-I1.7）對應實驗臺上（SM323數字量輸入）框內（12-19）；（Q0.0-Q0.7）對應實驗臺上（SM323數字量輸出）框內（22-29）；（Q1.0-Q1.7）對應實驗臺上（SM323數字量輸出）框內（32-39）；2.1.3實驗步驟接線：把（SM323數字量輸入）框內的（2、3、4、5、6、7、8、9）插線孔分別與（基本指令編程練習）框內的（I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7）插線孔一一連接起來。把（SM323數字量輸出）框內的（23、24、25、26）插線孔分別與（基本指令編程練習）框內的（Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4）插線孔一一連接起來。注意：（基本指令編程練習）框內的（V+）接（SM323數字量輸入）框內的（1L+），（COM）接（1M）。編程：進入STEP7編程環(huán)境，雙擊實驗1PLC基本指令的應用→點擊Blocks→打開OB1(在OB1塊中編寫程序PressCtrl-RtoinsertNetwork)→程序編寫完成(PressCtrl-1toseeLADandCtrl-2toseeSTL)→打開PLC電源開關（位于PLC主機右下方）→點擊菜單欄中PLC→Download下載即可。（如PLC運行指示燈RUN亮即表示正常,注意檢查模式選擇開關是否已至于RUN位置）。此時不能打開PLCSIM。觀察運行現象：分別撥動（基本指令編程練習）框內輸入開關I0.0至I0.3，觀察輸出指示燈.Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4是否符合邏輯。2.2定時器/計數器功能設計2.2.1實驗目的掌握定時器、計數器的正確編程方法，并學會定時器和計數器擴展方法,用編程軟件對可編程控制器的運行進行監(jiān)控。2.2.2實驗內容接線：把（SM323數字量輸入）框內的（2、3、4、5）插線孔分別與（基本指令編程練習）框內的（I0.0、I0.1、I0.2、I0.3）插線孔一一連接起來。把（SM323數字量輸出）框內的（23、24、25、26）插線孔分別與（基本指令編程練習）框內的（Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4）插線孔一一連接起來。注意：（基本指令編程練習）框內的（V+）接（SM323數字量輸入）框內的（1L+），（COM）接（1M）。編程：進入STEP7編程環(huán)境，雙擊實驗2定時器計數器功能實驗→點擊Blocks→打開OB1(在OB1塊中編寫程序PressCtrl-RtoinsertNetwork)→程序編寫完成(PressCtrl-1toseeLADandCtrl-2toseeSTL)→打開PLC電源開關（位于PLC主機右下方）→點擊菜單欄中PLC→Download下載即可。（如PLC運行指示燈RUN亮即表示正常,注意檢查模式選擇開關是否已至于RUN位置）。觀察運行現象：分別撥動（基本指令編程練習）框內輸入開關I0.0至I0.7，觀察輸出指示燈.Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4是否符合邏輯。2.2.3程序設計程序段二程序段三程序段四觀察運行現象分別撥動（基本指令編程練習）框內輸入開關I0.0至I0.7，觀察輸出指示燈.Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4是否符合邏輯。實驗分析SD觸發(fā)器是輸入啟動信號正跳沿啟動定時器，定時時間到，定時器停止，其常開觸點閉合，輸出狀態(tài)保持為1；定時未到，啟動信號消失或復位信號出現，定時器停止，則觸點永不閉合，輸出狀態(tài)始終為0。TV是設置定時時間第一個程序段：當閉合I0.0時，定時時間20s到之后Q0.1亮；第二個程序段：S_CU為加計數器，當閉合I0.1時，20s之后Q0.1亮；第三個程序段：CMP為比較器，將IN1與IN2的值進行比較，相等時輸出為1。I0.2閉合，計數到5的時候，Q0.3燈亮。當閉合I0.0時，加計數器進行復位，重新開始計數，到5時，Q0.3燈亮。第四個程序段：其由兩個加法器和兩個比較器組成，計數到6s時，燈Q0.4亮。2.3組態(tài)軟件設計基礎2.3.1實驗目的（1）通過本實驗了解組態(tài)軟件。（2）練習使用“三維力控”組態(tài)軟件，并學會編輯變量、畫面、變量連接、腳本程序等。2.3.2實驗要求用力控組態(tài)軟件制作如圖2.1所示的水箱液位變化系統(tǒng)。當點擊“開關0”時，進水管呈現進水狀態(tài)且水箱液位上升，右邊的“輸出液位”將對液位進行實時顯示，當液位達到100時“開關0”自動關閉，液位停止上升，當點擊“開關1”時液位將降低，此時出水管將呈現出水狀態(tài)，當液位降到0時“開關1”自動關閉。當在“輸入液位”中輸入液位數字時水箱中的液位顯示輸入量。2.3.3實驗步驟（1）新建畫面：在桌面上左擊力控組態(tài)的圖標（力控6.0）打開力控組態(tài)軟件，顯示工程管理器·在組態(tài)開始界面中點擊新建應用工程后出現模板管理。（2）將項目名稱改為“實驗1”，一般不要修改生成路徑，點擊確定按扭，新工程建立，然后選中新建立的工程點擊“開發(fā)系統(tǒng)”圖標進入“開發(fā)系統(tǒng)”畫面。（3）在新界面中找到窗體左邊的“工程項目”下的“窗體”，然后雙擊。彈出窗口屬性對話框，對話框選項中選擇“全屏顯示”然后點擊確定，新畫面建立完成。①定義變量：點擊“工程項目”下的“變量”，選擇“中間變量”。②點擊“添加變量”圖標出現“變量定義”對話框，然后在變量名中輸入“液位”，類型選為“實型”用相同的方法分別添加變量“開關0”和“開關1”變量類型都設置為“整型”。至此變量添加完畢。關閉“變量管理”窗口。編輯畫面與變量連接：點擊窗體上面再尋找“罐”選擇與例圖中相同的“罐”雙擊選擇，所選擇的罐出現在畫面中，單擊選擇“罐”圖，通過拖拽所選圖的對角線來調整罐到合適的大小。大小調整完畢后雙擊“罐”圖出現“罐向導”點擊“表達式”右邊的瀏覽塊出現“變量選擇”框。選擇“中間變量”從右側變量名中選擇“液位”變量，填充色改為黃色，然后點擊“閥門”選擇兩個與例圖相同的閥門，在工具箱內點擊“文本”在兩個閥門的上方添加標注文本“進水閥”和“出水閥”。雙擊“進水閥”開關與變量“開關0”連接，雙擊“出水閥”開關與變量“開關1”連接，再點擊工具箱中的“文本”分別編輯“輸入液位”“液位顯示”兩個標注框，再編輯兩個“00000”的數字框按照例圖的樣式擺放好。雙擊與“輸入液位”對應的數字框，在對話框中的“數值輸入”中點擊“模擬”選項，在變量選擇中選擇“液位”，雙擊“液位顯示”對應的數字框，再點擊數值輸出中的模擬變量選擇也為“液位”。選擇工具箱內的“矩形”工具畫出兩個矩形條然后將其拖拽使其與例圖中管道的長度相等，再分別雙擊兩個矩形條選擇“流動屬性”然后都將變量選擇為“開關0”，顏色改為黃色，用相同的方法定義另兩個與“開關1”相連矩形條。然后按照例圖的樣式與變量“開關0”相連的矩形跳與“進水閥”前后相連，將與變量“開關1”相連的矩形條分別與“出水閥”的前后相連，再點擊點擊“文本”選項輸入“水箱液位變化系統(tǒng)”最后把所有圖畫按照例圖擺放好（6）腳本編輯：打開“工程項目”下“動作”中的“應用程序動作”。選擇“窗口運行時周期執(zhí)行”在此對話框中輸入給定的腳本程序。IF開關0==1THEN液位=液位+1ENDIFIF液位>100THEN液位=100ENDIFIF液位<=0THEN液位=0ENDIFIF液位==100THEN開關0=0ENDIFIF開關1==1THEN液位=液位-1ENDIFIF液位==0THEN開關1=0ENDIF輸入完成后點擊“腳本保存”按扭，腳本程序編寫完畢。至此水箱液位變化系統(tǒng)完成。點擊“文件→全部保存”保存文件，再點擊工具箱中的“運行”圖標出現“運行系統(tǒng)”界面，點擊“文件”→“打開”，選擇DRAW1雙擊，進入運行狀態(tài)。運行中點擊“進水閥”和“出水閥”及在“液位顯示”中輸入液位數字觀察動化變化是否符合要求。2.4組態(tài)軟件與PLC的通訊2.4.1實驗目的（1）熟悉組態(tài)軟件。（2）掌握組態(tài)軟件與PLC的通訊，變量連接，動態(tài)監(jiān)控。2.4.2實驗要求當PLC的外部輸入點I0.0、I1.0有輸入時燈I0.0、I1.0變?yōu)榫G色，當點擊圖中的開關Q0.0、Q1.0時，PLC對應的Q0.0、Q1.0輸出點置位燈Q0.0、Q1.0變?yōu)榫G色。2.4.3實驗步驟（1）建立畫面：進入組態(tài)環(huán)境→擊“文件”→“新建”建立一個新畫面，點擊工具箱中的“文本”在畫面中編輯一個“I0.0”、一個“I1.0”、兩個“Q0.0”、兩個“Q1.0”文本框。從報警燈圖庫和開關圖庫中找出與畫面中相同的報警燈和開關，然后按照例圖所示擺放好。（2）硬件連接：點擊左側選項中的I/O設備組態(tài)→PLC→SIEMENS→S7-300/400（MPI）出現“設備配置第一步”對話框，在設備名中填充“S7300”點擊“下一步”出現“設備配置第三步”，其中在“MPI地址”填寫“2”，在“MPI設置槽號“填寫“2”。點擊“完成”后將在右框中出現所建立的西門子S7-300PLC的I/O硬件連接。（3）變量定義與連接：雙擊左側選項中的實時數據庫→數據庫組態(tài)出現下圖右擊數據庫→新建，選擇“數字I/O量”出現下圖在“點名”中輸入I0，點擊“數據連接”→“設備”S7300→“增加”→選擇“E輸入寄存器”，“地址”選擇0，在是否按位存取前點上√選擇第0位，點擊確定“I0”變量連接建立完畢。用同樣的方法建立與“E輸入寄存器”連接“地址”為1的變量“I1”以及與“A輸出寄存器”相連地址分別為0和1的變量“Q0”和“Q1”，保存后退出。雙擊圖中的燈I0.0出現“環(huán)形指示燈”。點擊“表達式”輸入框右邊的瀏覽塊出現“變量選擇”點擊“實時數據庫”點擊選擇變量“I0”，燈I0.0的變量連接完畢，用同樣的方法建立燈I1.0與變量“I1”連接，燈Q0.0與“Q0”連接，燈Q1.0與“Q1”連接，開關Q0.0與“Q0”連接，開關Q1.0與“Q1”連接。（4）外部接線：把（SM323數字量輸入）框內的（1、20、2、12）分別與（基本指令練習）框內的（V+、COM、I0.0、I1.0）接線孔一一對應連接起來，把（SM323數字量輸出）框內的（22、32）分別與（基本指令練習）框內的（Q0.0、Q1.0）接線孔一一對應連接起來（5）保存并運行：打開PLC電源，保存工程，進入運行狀態(tài)，通過外部連線將PLC上的開關I0.0、I1.0輸入點置1觀察組態(tài)畫面中I0.0、I1.0的變化，通過點擊組態(tài)畫面中的開關Q0.0、Q1.0觀察PLC上的Q0.0、Q1.0輸出點的變化。2.4.4實驗分析該實驗的目的是結合之前做的實驗，實現組態(tài)軟件和plc實驗裝置的連接。之前做過的定時器以及計數器都是PLC編程，并沒有組態(tài)顯示，之后的實驗是只做組態(tài)而不做PLC編程。該實驗就實現了組態(tài)上的圖形能夠實施的顯示PLC硬件執(zhí)行的狀態(tài)，實現上位機與下位機的互聯(lián)互通。該實驗的下位機程序非常的簡單，組態(tài)軟件也是非常簡單，在做實驗的時候在定義變量的時候出現了問題，導致下位機的運行情況無法在上位機組態(tài)圖形界面上顯示出來。3.綜合實驗3.1單按鍵啟停設計3.1.1控制要求按一次按鈕輸出為1，在顯示臺上顯示為LED燈亮；再次按此按鈕輸出為0，在顯示臺上顯示為LED燈滅。如此循環(huán)…。3.1.2程序設計假定起始狀態(tài)M0.1=0，M0.0=0，Q0.0=0。第一次按下I0.0后，M0.1初始狀態(tài)為0捕獲一個上升沿置1，隨即M0.0置1。M0.0的常開閉合、常閉斷開，而Q0.0初始狀態(tài)為0，常閉閉合、常開斷開，從而Q0.0置1上電。第一個掃描周期結束，第二個掃描周期開始，此時各狀態(tài)為M0.1=1,M0.0=1,Q0.0=1.在接下來的掃描周期中，無論第一次按下的按鍵是否彈起，M0.1都將置0（M0.1只有當初試狀態(tài)為0且捕獲上升沿時才置1，其他情況都置0），從而M0.0置0失電，常開斷開、常閉閉合，而后掃描Q0.0=1，常閉斷開、常開閉合，這樣M0.0的常閉和Q0.0的常開形成通路，Q0.0=1不變。在下一次按下按鈕前，各輸出保持不變M0.1=0,M0.0=0,Q0.0=1.這就實現了單鍵啟的功能。第二次按下I0.0后，M0.1初始狀態(tài)為0捕獲一個上升沿置1，隨即M0.0置1。M0.0的常開閉合、常閉斷開，而Q0.0初始狀態(tài)為1，常閉斷開、常開閉合，沒有通路，從而Q0.0置0失電。第一個掃描周期結束，第二個掃描周期開始，此時各狀態(tài)為M0.1=1,M0.0=1,Q0.0=0.在接下來的掃描周期中，無論第二次按下的按鍵是否彈起，M0.1都將置0，從而M0.0置0失電，常開斷開、常閉閉合，而后掃描Q0.0=0，常閉閉合、常開斷開，沒有通路，從而Q0.0置0。在下一次按下按鈕前，各輸出保持不變M0.1=0,M0.0=0,Q0.0=0，恢復為第一次按下按鈕前的起始狀態(tài)。這就實現了單鍵停的功能。以上兩個過程的不斷交替就實現了單鍵啟停。3.2帶時間顯示的交通燈控制設計3.2.1控制要求信號燈受一個啟動開關控制，當啟動開關接通時，信號燈系統(tǒng)開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。當啟動開關斷開時，所有信號燈都熄滅。南北紅燈亮維持25秒，在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅。在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時，南北紅燈熄滅，綠燈亮。東西紅燈亮維持25S秒。南北綠燈亮維持20秒，然后閃亮3秒后熄滅。同時南北黃燈亮，維持2秒后熄滅，這時南北紅燈亮，東西綠燈亮。周而復始。交通指揮信號燈控制系統(tǒng)工作時，對指揮燈的控制要求按一定時序進行，如圖所示:啟動啟動/停止南北紅燈東西綠燈東西黃燈東西紅燈南北綠燈南北黃燈3.2.2十字路口交通燈控制的實驗面板圖3.2.3輸入/輸出列表3.2.4接線啟動東西綠燈亮20S南北紅燈亮25S東西綠燈閃亮3S東西黃燈亮2S東西紅燈亮30S啟動東西綠燈亮20S南北紅燈亮25S東西綠燈閃亮3S東西黃燈亮2S東西紅燈亮30S南北綠燈亮25S南北綠燈閃亮3S南北黃燈亮2S十字路口交通燈根據設計要求，分析出交通燈的正常時序流程圖如圖5-1所示：3.2.5程序設計程序段1-16為十字交通燈程序。程序段1和程序段9構成周期為25+25=50s的大循環(huán)。表現為南北紅燈和東西紅燈以25s為單位交替亮滅。程序的具體執(zhí)行過程見程序流程圖。這里說一下綠燈閃爍程序的實現過程，以東西綠燈的閃爍程序為例。如程序段5-6所示，由兩個定時器T4和T5的互鎖實現，當T2常開閉合（東西綠燈亮20s以后），常閉斷開（東西綠燈熄滅），T4開始倒計時0.5s，計時完成后，東西綠燈點亮，T4常開閉合，T5開始倒計時0.5s，計時完成后，T5常閉斷開，T4清零，東西綠燈熄滅，T4常開斷開，T5清零，T5常閉閉合，T4上電開始倒計時，開始新一輪循環(huán)。程序段17-24為倒計時程序。倒計時采用數碼管來顯示。對于數碼管的實現問題，采用了將定時器的BCD輸出為BCD格式的當前時間值和時基。以下為BCD碼輸出的格式以及解析：在CPU內部，時間值以二進制格式存放，占定時器字的0-9位。可以按下列的形式將時間預置值裝入累加器的低位字：十六進制數W#16#wxyz，其中的w是時間基準，xyz是BCD碼形式的時間值。時基代碼為二進制數00，01，10和11時，對應的時基分別為10ms，100ms，1s和10s。S7中定時時間由時基和定時值兩部分組成，定時時間等于時基與定時值的乘積。當定時器運行時，定時值不斷減1直至減到0，減到0表示定時時間到。定時時間到后會引起定時器觸點的動作。定時器的第0到第11位存放二進制格式的定時值，第12，13位存放二進制格式的時基。

時基與定時范圍:若想顯示25s，則為000100000011001，從而會在數碼管上顯示出25。編輯下面十字路口交通圖，分別對各個圓屬性中背景顏色進行組態(tài)設計，并連接好相應的變量的圖6-3所示：圖6-3組態(tài)編輯畫面3.3PLC在液體混合裝置中的應用控制要求及方案比較YV1YV2YV3YKMV+SL1SL2SL3SB1COM框內）（2）方案比較本系統(tǒng)采用LED指示燈作為液體閥門開關的指示，采用開關及LED指示燈模擬液位變化及指示，LED指示燈表示攪勻電機的運轉。此處只討論控制核心的設計及選擇。方案一：采用AT89S51單片機作為控制核心。AT89S51單片機是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，可以為很多控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51單片機完全可以實現液體混合裝置的控制。方案二：采用S7-200PLC作為控制核心。S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化裝置。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業(yè)及民用領域。方案三：采用S7-300PLC作為控制核心。S7-300是一種中型的可編程控制器，其模塊化結構、易于實現分布式的配置以及性價比高、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好，使其在廣泛的工業(yè)控制領域中，成為一種既經濟又切合實際的解決方案。綜合比較三種方案，方案一中單片機雖然價格低廉，系統(tǒng)結構簡單，但與上位機組態(tài)之間進行通信不如PLC便捷。至于S7-200和S7-300PLC，兩者都能實現液體混合裝置的控制，與上位機組態(tài)通信都很便捷，但S7-300的模塊化結構及易于實現分布配置，也方便以后的擴展，因此采用方案三作為本系統(tǒng)的設計方案。3.3.2系統(tǒng)硬件設計液體混合裝置采用S7-300作為控制核心，地址分配及符號定義見表1。表3.2地