s7300-400第3章程序设计

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1、第三章 S7-300程序设计方法3.1 系统设计的原则3.2 系统设计的内容3.3 S7-300的程序结构3.4 程序设计的方法与过程 3.5 开关量控制系统的设计 3.6 模拟量控制系统的设计 3.7 系统的安全设计方法3.1 系统设计的原则1 满足要求满足要求 最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计控制系统的首要前提。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究。收集控制现场的资料，收集控制过程中有效的控制经验，进行系统设计。同时要注意要和现场的管理人员、技术人员、工程操作人员紧密配合，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。2 安全可靠安全可靠 控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳

2、定，是设计控制系统的重要原则。为了能达到这一点，要求在系统设计上，器件选择上，软件编程上要全面考虑。比如说，在硬件和软件的设计上应该保证PLC程序不仅在正常条件下能正确运行，而且在一些非正常情况下（如突然掉电再上电，按钮按错等），也能正常工作。程序只能接受合法操作，对非法操作程序能予以拒绝等等。3 经济实用经济实用 一个新的控制工程固然能提高产品的质量，提高产品的数量，从而为工程带来巨大的经济效益和社会效益。但是，新工程的投入、技术的培训、设备的维护也会导致工程的投入和运行资金的增加。在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的y运行成本。这就要求

3、，不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护即方便又低成本。4 适应发展适应发展 社会在不断地前进，科学在不断地发展，控制系统的要求也一定会不断地在提高、不断地在完善。因此，在控制系统的设计时要考虑到今后的发展、完善。这就要求在选择PLC机型和输入/输出模块要能适应发展的需要，要适当留有余量。3.2 系统设计的内容1选择机型选择机型（1 1）根据系统类型选择机型根据系统类型选择机型 单体控制的小系统单体控制的小系统 这种系统一般使用一台可编程序控制器就能完成控制要求，控制对象常常是一台设备或多台设备中的一个功能。这种系统对可编程序控制器间的网络问题要求不高，甚至没有要求。但有时

4、功能要求全面，容量要求变化大，有些还要与原设备系统的其它机器连接。对这类系统的机型选择要注意三种情况。一是设备集中情况:设备的功率较小，如机床。这时需选用局部式结构，低电压高密度输入输出模板。二是设备分散情况:设备的功率较大，如料场设备。这时需选用离散式结构，高电压低密度输入输出模板。三是有专门要求的设备情况:如飞剪。输入输出容量不是关键参数，重要的是控制速度功能，选用高速计数功能模板等。慢过程大系统慢过程大系统 对运行速度要求不高但设备间有连锁关系，设备距离远，控制动作多，如大型料场、高炉、码头、大型车站信号控制；也有的设备本身对运行速度要求高，但是部分子系统要求并不高，如大型热连续轧钢厂、

5、冷连续轧钢厂中的辅助生产机组和供油系统、供风系统等。对这一类型对象，一般不选用大型机，因为它编程、调试都不方便，一旦发生故障，影响面也大。一般都采用多台中小机型和低速网相连接。由于现代生产的控制器多为插件式模板结构，它的价格是随输入输出板数和智能模板数的多少决定的。同一种机型输入输出点数少，则价格便宜，反之则贵。所以一般使用网络相连后就不必要选大型机。这样选用每一台中小型可编程序控制器控制一台单体设备，功能简化，程序好编，调试容易，运行中一旦发生故障影响面小，且容易查找。快速控制大系统快速控制大系统 随着可编程序控制器在工业领域应用的不断扩大，在中小型的快速系统中，可编程序控制器不仅仅完成逻辑

6、控制和主令控制，它已逐步进入了设备控制级，如高速线材，中低速热连轧等速度控制系统。在这样的系统中即使选用输入输出容量大、运行速度快、计算功能强的一台大型可编程序控制器也难以满足控制要求。如用多台可编程序控制器，则有互相间信息交换与系统响应要求快的矛盾。采用可靠的高速网能满足系统信息快速交换的要求。高速网一般价格都很贵，适用于有大量信息交换的系统。对信息交换速度要求高，但交换的信息又不太多的系统，也可以采用可编程序控制器的输出端口与另一台可编程序控制器的输入端口硬件互联，通过输出输入直接传送信息，这样传送速度快而且可靠。当然传送的信息不能太多，否则输入输出点占用太多。（2 2）根据控制对象选择机

7、型根据控制对象选择机型 根据控制对象要求的输入/输出点数的多少，可以估计出PLC的规模。根据控制对象的特殊要求，可以估计出PLC的性能。根据控制对象的操作规则可以估计出控制程序所占内存的容量。有了这些初步估计，会使得机型选择的可行性更大了。为了对控制对象进行粗估，首先要了解下列问题。对输入对输入/输出点数的估计输出点数的估计 对开关量输入，按参数等级分类统计。对开关量输出，按输出功率要求及其它参数分类统计。对模拟量输出/输入，按点数进行粗估。对对PLCPLC性能要求的估计性能要求的估计 是否有特殊控制功能要求，如高速计数器等。机房离现场的最远距离为多少？现场对控制器响应速度有何要求。在此基础上

8、选择控制器时尚需注意两个问题。其一是PLC可带I/O点数。有的手册或产品目录单上给出的最大输入点数或最大输出点数，常意味着只插输入模块或只插输出模块的容量，即实际给出的是输入输出容量之和，有时也称为扫描容量，需格外注意。其二是PLC通讯距离和速度。手册上给出的覆盖距离，有时叫最大距离，包括远程I/O板在内达到的距离。但远程I/O板的I/O反应速度大大下降，一般为19.2k波特率。对所需内存容量的估计对所需内存容量的估计 用户程序所需内存与下列因素有关。逻辑量输入输出点数的估计。模拟量输入输出点数的估计。内存利用率的估计。程序编制者的编程水平的估计。从上面内容的综合可以选择出合适的机型。2 选择

9、接口设备选择接口设备 目前PLC的产品很多，在选择机型和接口设备时要注意选择质量好，控制可靠的产品。这里所说的接口设备包含两类。一类是PLC自身的I/O模块、功能模块，一类是和接口模块相连的外部设备。对于PLC自身的模块的选择主要注意两个问题。接口设备和接口设备和PLCPLC模块对接模块对接 这一点请注意模块的型号、规格要配套。最好类型、型号一致。这样才能使对接的方便、可靠、稳定。PLCPLC模块和外部设备对接模块和外部设备对接 这就考虑到模块和外部设备要匹配，要性能匹配、速度匹配、电平匹配。不仅要注意它们稳态特性，也要注意它们的动态特性。在系统的硬件选定之后，主要的问题是程序设计。为了能够便

10、于程序设计，便于日常维护，合理地分配输入/输出点、恰当地对输入/输出点进行命名、完整地编制输入输出变量表是必要的。3 3 分配输入输出点分配输入输出点 输入输出定义是指整体输入输出点的分布和每个输入输出点的名称定义，它们会给程序编制、系统调试和文本打印等带来很多方便。（1 1）单台）单台PLCPLC系统的输入输出点的分配系统的输入输出点的分配 一台可编程序控制器完成多个功能，若把输入输出点统一按顺序排列，则会给编写程序与调试程序带来不便。如果把输入输出点分组按控制设备把输入、输出点分组，同一个设备的输入/输出点相对的集中，会给程序编写与调试带来方便。（2 2）多台）多台PLCPLC系统中输入输

11、出点的分配系统中输入输出点的分配 在多台可编程序控制器系统中，应根据整体要求，按控制类别统一分组，规定出每台可编程序控制器都要遵循的原则，对其多道工序进行控制。这些工序虽然控制内容不同，所用设备也很不相同。但是所控制的对象总起来可以分几类，比如各工序的控制器都有控制台、电源、电机、输入检测信号、输出控制信号等等。能按类对各台PLC的输入/输出统一分组，统一编号，则可以十分有利于编程和维修。4 4 建立输入输出变量表建立输入输出变量表（1 1）输入输出点信号名称定义输入输出点信号名称定义 输入/输出点名称定义要简短，明确，合理。下面提出逻辑变量在名称定义时应当注意的问题。信号的有效状态信号的有效

12、状态 有些信号在“1”状态有效，有些信号在“0”状态有效。在名称定义上也有对“1”信号有效还是对“0信号有效的问题。信号有效方式信号有效方式 持续状态有效，在编程序时，使用的是信号的状态。例如I0.0=1时系统启动，I0.1=0系统停止。信号状态变化有效是指信号由一种状态向另一种状态变化时，发出的控制要求。当一个电机的启动和停止由两个按钮完成的时候，就是这种情况。电机启动按钮是能自动回位的常开节点，按下启动按钮时，I2.0的状态由“0”变为“1”，发出电机启动要求，抬起时启动按钮，I2.0自动复位由“1”变“0”，已不再影响对电机的控制。（3）建立内存）建立内存变量分配表变量分配表 输入输出点

13、占用PLC的一部分内存单元，即输入输出映像区。此外，一个应用程序还会用到定时器、计数器和一系列的PLC内部变量。在编制程序之前，对于程序可能用到的各种变量都要充分考虑，并建立内存变量分配表。内存变量分配表包含了程序中所用到的全部元件和变量，它是阅读程序、查找故障的依据。如果把内存变量分配表写到S7-300的符号表内，就可以用变量名称代替变量地址编写程序。3.3 S7-300的程序结构1 线性程序设计线性程序设计 线性程序设计就是把工程中需要控制的 任务按照工艺要求书写在主程序（0B1）中。例如一个控制工程共有四个控制任 务分别为，任务A控制、任务B控制、任 务C控制和任务D控制。线性程序设计就

14、 是把这4个控制程序按照要求编写在一个 主程序中。线性程序的结构简单，分析起来一目了然。这种结构适用于编 写一些规模较小，运行过程比较简单的控制程序。对于一些控 制规模较大，运行过程比较复杂的控制程序，特别是分支较多 的控制程序则不宜选用这种结构。2 2 分块程序设计分块程序设计 分块结构的程序是根据工程的特点，把一个复杂的控制工程分成多个比较简单的、规模较小的控制任务。可以把这些控制任务分配给一个个程序块。在程序块中编制具体任务的控制程序，最后由主程序利用调用的方式把整个控制程序统管起来。分块程序有更大的灵活性，适用于比较复杂、规模较大的控制工程的程序设计。3 3 结构化程序设计结构化程序设

15、计 结构化程序设计是在分块程序设计的基础上，把一些结构相同参数不同的过程的多个程序块，用同一程序块而配有不同的数据块来代替。例如设计成电机控制通用功能块，特殊算法功能块 结构化程序比分块程序有更大的灵活性，继承性。适用于比较复杂、规模较大的控制工程的程序设计。3.4 程序设计的方法与过程1设计方法设计方法 时序流程图法：时序流程图法：时序流程图法是首先画出控制系统的时序图，再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图写成PLC程序。时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程方法。步进顺控法：步进顺控法：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

16、看成整个控制过程中的一步。从这个角度去看，一个复杂的系统的控制过程是由这样若干个步组成的。系统控制的任务实际上可以认为在不同时刻或者在不同进程中去完成对各个步的控制。经验法编程经验法编程经验法是运用自己的或别人的经验进行设计。多数是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“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。这里所说的经验，有的是来自自己的经验总结，有的可能是别人的设计经验。计算机辅助设计编程计算机辅助设计编程 计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等等。S7-3200的编

17、程软件“STEP 7”,仿真软件“PLCSIM”和“WINCC”等都是S7-300系列PLC编程专用软件。使用这些编程软件可以十分方便地在计算机上离线或在线编程、在线调试。5 设计过程设计过程 对系统任务分块对系统任务分块 分块的目的就是把一个复杂的工程，分解成多个比较简单的小的任务。这样就把一个复杂的、大的问题化为多个简单的、小的问题。这样是便于编制程序。编制控制系统的逻辑关系图编制控制系统的逻辑关系图 从逻辑关系图上可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一结果又应该导出哪些动作。这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍为准。逻辑关系图反映了输入与输出的关系。

18、绘制各种电路图绘制各种电路图 在绘制PLC的输入电路时，要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊条件下运行的可靠性与稳定条件等问题。特别要考虑到能否把高压引导到PLC的输入端，把高压引入PLC的输入端会对PLC造成比较大的伤害。在绘制PLC的输出电路时，不仅要考虑到PLC输出模块的带负载能力和耐电压能力，还要考虑到电源的输出功率和极性问题。在整个电路的绘制中还要考虑就设计的原则，努力提高其稳定性和可靠性。在电路的设计上需要紧慎、全面。在绘制电路图时要考虑周全，何处该装按钮，何处该装开关，都要一丝不苟。编制编制PLCPLC程序并进行模拟调试程序并进行模拟调试 (略）制作控制台与控制柜

19、制作控制台与控制柜 (略）现场调试现场调试 (略）编写技术文件并现场试运行编写技术文件并现场试运行 经过现场调试以后，控制电路和控制程序基本被确定了。这时就要全面整理技术文件，包括整理电路图、PLC程序、使用说明及帮助文件。3.5 开关量控制系统的设计1.1.关于开关量控制系统关于开关量控制系统 开关量控制是指控制系统的输入信号和输出信都是只有两个状态的开关量。这类系统包含手动、单次和自动控制。这类系统的设计要特别注意I/O模块的隔离、接口的匹配和功率的消耗问题。手动控制 手动控制在调试、维修过程中是不可少的。单次控制 这种控制的特点是一旦控制系统被启动起来之后，控制过程将自动完成一个周期。如

20、果系统需要再次启动，则必须再次人工启动。这种系统更便于参数的修改、调整。自动控制 系统启动之后，就可以按照工程要求进行控制。整个控制过程无人工干预。系统对输入/输出要求都很严格，系统的可靠性、安全性设计尤为重要。2.2.开关量控制系统设计方法举例（开关量控制系统设计方法举例（机械手控制系统）控制要求：机械手一个循环周期可分为八步。控制方式：自动、单动和手动。下面主要讨论自动控制过程。硬件选择硬件选择 由逻辑流程图设计程序由逻辑流程图设计程序 由时序流程图设计程序由时序流程图设计程序 由时序流程图来设计程序，首先要把整个工程的各个任务分成多个时序，在不同的时序中完成不同的任务。例如本例子中可分成

21、8个时序。用M1.0、M1.1M1.7分别表述各个时序的特征位。当M1.O=1时为机械手下降1时序，M1.1为机械手抓紧时序等等。3.3.开关量控制系统程序设计举例（搅拌控制系统）开关量控制系统程序设计举例（搅拌控制系统）初始状态及初始状态及 操作工艺操作工艺 （1 1）硬件设计硬件设计 内存变量分配表内存变量分配表 控制流程图控制流程图（2 2）线性结构线性结构软软件设计（件设计（S7-PRO8S7-PRO8）OB1OB1块块OB1续OB1续 系统仿真系统仿真I0.0=ONI0.0=ONI0.4=OFF Q0.0=ONI0.4=OFF Q0.0=ONI0.3=ON Q0.0=OFF Q0.1

22、=ONI0.3=ON Q0.0=OFF Q0.1=ONI0.2=ON Q0.1=OFF Q0.2=OFF T1I0.2=ON Q0.1=OFF Q0.2=OFF T1T1=ON Q0.2=OFF Q0.3=ON I0.4=OFF T2T1=ON Q0.2=OFF Q0.3=ON I0.4=OFF T2T2=ON Q0.3=OFFT2=ON Q0.3=OFF（3 3）分块结构分块结构软软件设计（件设计（S7-PRO9S7-PRO9）块结构块结构 OB1主程序OB100由停止转为运行时初始化程序FC1为配料1控制程序FC2为配料1控制程序FC3为搅拌控制程序FC4为出料控制程序OB1：OB1续OB

23、100OB100FC1FC1FC2FC2FC3FC3FC4FC4 系统仿真系统仿真I0.0=ONI0.0=ONI0.4=OFF Q4.0=ONI0.4=OFF Q4.0=ONI0.3=ON Q4.0=OFF Q4.1=ONI0.3=ON Q4.0=OFF Q4.1=ONI0.2=ON Q4.1=OFF Q40.2=OFF T1I0.2=ON Q4.1=OFF Q40.2=OFF T1T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON I0.4=OFF T2T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON I0.4=OFF T2T2=ON Q4.3=OFFT2=ON Q4.3=OFF3.6 模拟量控制系统

24、的设计1.1.关于开关量控制系统关于开关量控制系统 模拟量控制系统是指输入信号为模拟量的控制系统。控制系统的控制方式上可分为开环控制和闭环控制。闭环控制根据其设定值的不同，又可分为调节系统和随动系统两种。调节系统的设定值是由控制系统的控制器给出，控制器的作用就是使反馈值向给定值靠近，以反馈值对设定值的偏差最小为目的。随动系统的设定值是由被控制对象给出的，控制器的作用就是使控制目标不断地向被控对象靠近。各种跟踪系统都是随动系统。模拟量控制系统设计中应该注意抗干扰问题。解决干扰的办法有4个。其一是接地问题。这里包括PLC接地端的接地，要真接地不要假接地。这里所说的接地就是接大地。其二是模拟信号线的

25、屏蔽向题，屏蔽线的始端和终端都要接地。信号线的屏蔽是防止干扰的重要措施。其三是对某些高频信号要解决匹配问题。如果不匹配很容易在信号传送中引进干扰，使信息失真。其四是对信号进行滤波。2.2.模拟量控制系统设计举例模拟量控制系统设计举例（搅拌控制系统）搅拌控制系统）初始状态及初始状态及 操作工艺操作工艺 （1 1）硬件设计硬件设计 （2 2）线性结构线性结构软软件设计（件设计（S7-PRO111S7-PRO111）系统结构OB1块OB1续 FC1块 FC2块 FC3块 FC4块 OB100块 系统仿真系统仿真I0.0=ONI0.0=ONPIW256100 Q4.0=ONPIW256=100 Q4.

26、0=OFF Q4.1=ONPIW256=100 Q4.0=OFF Q4.1=ONPIW256=200 Q4.1=OFF Q4.2=OFF T1PIW256=200 Q4.1=OFF Q4.2=OFF T1T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON PIW256=0 T2T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON PIW256=0 T2T2=ON Q4.3=OFFT2=ON Q4.3=OFF（3 3）结构化结构化软软件设计（件设计（S7-PRO112S7-PRO112）系统结构OB1块OB1续OB1续FB1FC1FC2OB100DB1DB2 系统仿真系统仿真I0.0=ONI0.0=ONPIW

27、256100 Q4.0=ONPIW256=100 Q4.0=OFF Q4.1=ONPIW256=100 Q4.0=OFF Q4.1=ONPIW256=200 Q4.1=OFF Q4.2=OFF T1PIW256=200 Q4.1=OFF Q4.2=OFF T1T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON PIW256=0 T2T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON PIW256=0 T2T2=ON Q4.3=OFFT2=ON Q4.3=OFF3.7 系统的安全设计方法1.1.硬件保护硬件保护 连锁保护：连锁保护：在硬件设计中要考虑到有些可移动设备的连锁问题。比如电机的正转和反转接触器之间

28、要有互锁保护。液压系统中双向电磁阀也要有互锁保护。互锁的作用是使得两个相反动作设备不会同时动作。常用的办法是将两个设备的常闭触相互串联，使用连锁开关等。限位保护：限位保护：对有些快速动作的机械设备不仅要有行程开关限位，还要有极限限位保护。限位保护可以由电子限位开关、机械限位开关直至机械挡板等组成。急停保护：急停保护：急停保护是用来应付突发故障时，避免导致更大事故的措施。一般是装有急停开关。压下急停开关，利用切断硬件电路使系统处于暂停状态。等候处理故障。2.2.软件保护软件保护 由于PLC是利用存贮程序进行控制的。用存贮的程序进行安装保护，也可以使其只执行正确的操作，而拒绝错误的命令。连锁保护：连锁保护：利用PLC的常闭触点对需要互锁的线圈进行连锁保护。限位保护：限位保护：利用PLC的输入端增加限位输入信号，在程序中利用这类信号实现保护功能。限时保护：限时保护：PLC的定时器可以用作各种保护。它可以用计时特性进行超时保护。在运动速度基本恒定的条件下，可以作超距离限位保护等等。自检保护：自检保护：可以充分利用PLC的自检功能，PLC多数功能模块都有自检信息，通过对这些自检信息的检查可以及时发现隐患清除故障。也可以针对工程的特点自编诊断程序排除故障。确保PLC可靠、稳定、安全运行。演讲完毕，谢谢观看！