S7300系列PLC应用系统设计.ppt

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1、第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6.1 PLC应用系统设计的内容和步骤 6.2 PLC应用系统的硬件设计 6.3 PLC应用系统的软件设计 6.4 PLC应用系统设计实例 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6.1 PLC应用系统设计的内容和步骤 按照规范的设计步骤进行 PLC系统设计，可以提高工作效率。 6.1.1 系统设计的原则与内容 1设计原则 (1) 最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求； (2) 在满足控制要求的前提下，力求简单、经济，操作方便； (3) 保证控制系统工作安全可靠； (4) 考虑到今后的

2、发展改进，应适当留有进一步扩展的余地。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 2设计内容 (1) 拟定控制系统设计的技术条件，它是整个设计的依据； (2) 选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构； (3) 选定 PLC的型号； (4) 编制 PLC的输入 /输出分配表或绘制输入 /输出端子接线图； (5) 根据系统要求编写软件说明书，然后再进行程序设计； (6) 重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系； (7) 设计操作台、电气柜及非标准电器元部件； (8) 编写设计说明书和使用说明书。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6.1.2 系统设计和调试的主要步骤

3、 1深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 2确定 I/O设备，常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开 关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、 电磁阀等。 3选择合适的 PLC类型， 根据已确定的用户 I/O设备，统计所 需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的 PLC类型。 4分配 I/O点，编制出输入 /输出端子的接线图。 5设计应用系统梯形图程序，这一步是整个应用系统设计最核 心的工作。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6将程序输入 PLC，当使用计算机上编程时，可将程序下载到 PLC中。 7进行软件测试，在将 PLC连接到现场设备上之前，必须进行 软

4、件测试，以排除程序中的错误。 8应用系统整体调试，在 PLC软硬件设计和控制柜及现场施工 完成后，就可以进行整个系统的联机调试。调试中发现的问题 要逐一排除，直至调试成功。 9编制技术文件， 系统技术文件包括功能说明书、电气原理 图、电器布置图、电气元件明细表、 PLC梯形图等。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6.2 PLC应用系统的硬件设计 6.2.1 PLC选型 在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格 比，具体应考虑以下几点。 1性能与任务相适应 2 PLC的处理速度应满足实时控制的要求 3 PLC应用系统结构合理、机型系列应统一 4在线编程和离线编程的选择

5、第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6.2.2 PLC容量估算 PLC容量包括两个方面：一是 I/O的点数，二是用户存储器 的 容量。 1 I/O点数的估算 根据功能说明书，可统计出 PLC系统的开关量 I/O点数及模 拟量 I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。应在统计后 得出 I/O总点数的基础上，增加 10 15的裕量。选定的 PLC 机型的 I/O能力极限值必须大于 I/O点数估算值，并应尽量避免 使 PLC能力接近饱和，一般应留有 30左右的裕量。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 2. 存储器容量估算 用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如 I/

6、O点数、 控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只 能粗略的估算。根据经验，每个 I/O点及有关功能器件占用的内 存大致如下： 所需存储器容量 (KB) (1 1.25) (DI 10 DO 8 AI/O 100 CP 300)/1024 其中： DI为数字量输入总点数； DO为数字量输出总点数； AI/AO为模拟量 I/O通道总数； CP为通信接口总数。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6.2.3 I/O模块的选择 1开关量输入模块的选择 PLC的输入模块用来检测来自现场 (如按钮、行程开关、温 控开关、压力开关等 )电平信号，并将其转换为 PLC内部的低电 平

7、信号。开关量输入模块按输入点数分，常用的有 8点、 12点、 16点、 32点等；按工作电压分，常用的有直流 5 V、 12 V、 24 V， 交流 110 V、 220 V等；按外部接线方式又可分为汇点输入、分 隔输入等。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 选择输入模块主要应考虑以下两点： (1) 根据现场输入信号 (如按钮、行程开关 )与 PLC输入模块 距离的远近来选择电压的高低。一般， 24 V以下属低电平，其 传输距离不宜太远。如 12 V电压模块一般不超过 10 m，距离较 远的设备选用较高电压模块比较可靠。 (2) 高密度的输入模块，如 32点输入模块，允许同时接通

8、的 点数取决于输入电压和环境温度。一般，同时接通的点数不得 超过总输入点数的 60。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 2开关量输出模块的选择 输出模块的任务是将 PLC内部低电平的控制信号转换为外部所 需电平的输出信号，驱动外部负载。输出模块有三种输出方式：继 电器输出、双向可控硅输出和晶体管输出。 1) 输出方式的选择 继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬 间过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点， 寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交 /直流负载。当 驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过 1 Hz。 晶闸管输出 (交流 )和晶体

9、管输出 (直流 )都属于无触点开关输出， 适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高的反 压，必须采取抑制措施。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 2) 输出电流的选择 模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电 流较大，输出模块不能直接驱动，则应增加中间放大环节。对 于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，故 要留有足够的裕量。 3) 允许同时接通的输出点数 在选用输出模块时，还要看整个输出模块的满负荷能力， 如 OMRON公司的 CQM1-OC222是 16点输出模块，每个点允许 通过电流 2 A(AC250 V/DC24 V)。但整个模块允许

10、通过的最大 电流仅 8 A。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6.2.4 分配输入 /输出点 一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的； 在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入 输入点前，按逻辑关系接好线 (如两个触点先串联或并联 )，然后 再接到输入点。 1. 明确 I/O通道范围 不同型号的 PLC，其输入 /输出通道的范围是不一样的，应根 据所选 PLC型号，弄清相应的 I/O点地址的分配。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 2. 内部辅助继电器 内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而 是在控制其他继电器、定时器、计数

11、器时作数据存储或数据处 理用。根据程序设计的需要，应合理安排 PLC的内部辅助继电 器，在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的 用途，避免重复使用。 3分配定时器 /计数器 对用到定时器和计数器的控制系统，注意定时器和计数器 的编号不能相同。若扫描时间较长，则要使用高速定时器以保 证计时准确。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6.2.5 安全回路设计 安全回路起保护人身安全和设备安全的作用，它应能独立于 PLC工作，并采用非半导体的机电元件以硬接线方式构成。 确保系统安全的硬接线逻辑回路，在以下几种情况下将发挥 安全保护作用： PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常

12、状态 时； PLC失控时； 操作人员需要紧急干预时。 设计安全回路的任务包括以下内容： (1) 确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系； (2) 设计硬回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手 段； (3) 为 PLC定义故障形式和重新启动特性。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6.3 PLC应用系统的软件设计 6.3.1 PLC应用软件设计的内容 PLC应用软件的设计是一项十分复杂的工作，它要求设计 人员既要有 PLC、计算机程序设计的基础，又要有自动控制的 技术，还要有一定的现场实践经验。 一个实用的 PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的 内容： (1) PLC

13、软件功能的分析与设计； (2) I/O信号及数据结构分析与设计； 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 (3) 程序结构分析与设计； (4) 软件设计规格说明书编制； (5) 用编程语言、 PLC指令进行程序设计； (6) 软件测试； (7) 程序使用说明书编制。 6.3.2 PLC应用系统的软件设计步骤 根据可编程序控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件 规格说明书的基础上，编制实际应用程序并形成程序说明书的过 程就是应用系统的软件设计。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 1. 制定设备运行方案 制定方案就是根据生产工艺的要求，分析各输入、输出与 各种操作之间的逻辑

14、关系，确定需要检测的量和控制的方法， 并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。据此便可画出 流程图。 2. 画控制流程图 对于较复杂的应用系统，需要绘制系统控制流程图，用以 清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，可省去 这一步。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 3. 制定系统的抗干扰措施 根据现场工作环境、干扰源的性质等因素，综合制定系统 的硬件和软件抗干扰措施，如硬件上的电源隔离、信号滤波， 软件上的平均值滤波等。 4. 编写程序 根据被控对象的输入 /输出信号及所选定的 PLC型号分配 PLC的硬件资源，为梯形图的各种继电器或接点进行编号，再 按照软件规格说明书

15、 (技术要求、编制依据、测试 )，用梯形图 进行编程。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 5. 软件测试 刚编写好的程序难免有缺陷或错误。为了及时发现和消除 程序中的错误和缺陷，需要对程序进行离线测试。经调试、排 错、修改及模拟运行后，才能正式投入运行。 6. 编制程序使用说明书 当一项软件工程完成后，为了便于用户和现场调试人员的使 用，应对所编制的程序进行说明，说明书应包括程序设计的依 据、结构、功能、流程图，各项功能单元的分析， PLC的 I/O信 号，软件程序操作使用的步骤、注意事项等。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 6.4 PLC应用系统设计实例 机械手

16、控制系统设计 1. 工艺过程及控制要求 1) 工艺过程 图 6.1所示为一简易物料搬运机械手的工艺流程图。该机械 手是一个水平 /垂直位移的机械设备，其操作是将工件从左工作 台搬运到右工作台，由光耦合器 VLC来检测工作台上有没有工 件。机械手通常位于原点，它的动作全部由气缸驱动，而气缸 则由相应的电磁阀控制。其中，上升 /下降和左移 /右移分别由双 线圈二位电磁阀控制，放松 /夹紧由一个单线圈二位电磁阀 (称为 夹紧电磁阀 )控制。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 图 6.1 搬运机械手工艺流程图 A 工件 夹紧 放松 Q 4 . 4 V L C I 1 . 5 Q 4 .

17、0 Q 4 . 1 下降 上升 B 左移 Q 4 . 3 右移 Q 4 . 2 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 2) 控制要求 机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换 到手动控制及自动控制或半自动控制 (又称单周期控制 )，以便对设 备进行调整和检修。图 6.2是机械手控制系统的逻辑流程图。系统 启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位 左位。 原位 启 动 工件 停止 下降 低位 夹紧 延时 上升 高位 右移 右 位 左位 左移 高位 上升 延时 松开 低位 下降 图 6.2 机械手控制的程序流程图 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 2.

18、 可编程序控制器选型 1) 硬件配置 系统输入信号有 3个启动按钮， 4个限位开关， 5个手动输入 信号， 1个有工件检测信号，共计 14个数字量输入信号；输出信 号有机械手上升 /下降驱动信号 左移 /右移驱动信号和机械手夹 紧驱动信号，共有 5个数字量输出信号。 不需模拟量模块，选择 S7-300系列的 CPU313，加上数字量输入模块 SM321及输出模块 SM322就可以满足要求，而且还有一定的裕量。 2) I/O地址分配 将 14个输入信号、 5个输出信号与 PLC的 I/O端一一对应， 编排好地址，如表 6.1所示。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 表 6.1 I/

19、O地址分配 模 块 号 输 入 端 子 号 输 出 端 子 号 地 址 号 信 号 名 称 说 明 SM321 1 I0.0 自 动 启 动 按 钮 2 I0.1 单 动 启 动 按 钮 3 I0.2 手 动 启 动 按 钮 4 I0.3 停 止 按 钮 5 I0.4 高 位 限 位 开 关 6 I0.5 低 位 限 位 开 关 7 I0 .6 左 位 限 位 开 关 8 I0.7 右 位 限 位 开 关 9 I1.0 手 动 下 降 按 钮 10 I1.1 手 动 上 升 按 钮 11 I1.2 手 动 夹 紧 按 钮 12 I1.3 手 动 左 移 按 钮 13 I1.4 手 动 右 移

20、按 钮 14 I1.5 A 台 有 工 件 光 耦 合 器 SM322 1 Q4.0 下 降 电 磁 阀 2 Q4.1 上 升 电 磁 阀 3 Q4.2 右 移 电 磁 阀 4 Q4.3 左 移 电 磁 阀 5 Q4.4 夹 紧 电 磁 阀 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 (1) 夹紧定时器 T1，定时 5 s； (2) 放松定时器 T2，定时 5 s； (3) 自动方式标志 M0.0； (4) 单动方式标志 M0.1； (5) 手动方式标志 M0.2； (6) 结束标志 M0.5。 3) 其它地址分配 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 3. 机械手程序设计 1)

21、 逻辑功能块 (子程序 ) 逻辑功能块包括两个部分：自动方式或单动方式控制 (FC10)和手动方式控制 (FC11)。 (1) 自动方式或单动方式控制 (FC10)的具体程序 (梯形图表 示 )如图 6.3所示。 (2) 手动方式控制 (FC11)的具体程序 (梯形图表示 )如图 6.4 所示。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 网络 1 ：启动机械手下降 I 0 . 4 I 0 . 6 I 1 . 5 Q 4 . 1 ( P ) M 1 . 1 ( S ) Q 4 . 0 网络 2 ：机械手下降到位，停止下降并启动夹紧控制 Q 4 . 0 I 0 . 6 I 0 . 5 ( P

22、 ) M 1 . 2 ( R ) Q 4 . 0 ( S ) Q 4 . 4 网络 3 ：机械手夹紧并启动夹紧定时器，定时 5 s Q 4 . 4 I 0 . 6 I 0 . 5 Q 4 . 1 ( S D ) T1 S 5 T # 5 s 网络 4 ：定时时间到，并且机械手没有下降时，启动上升 T1 I 0 . 6 I 0 . 5 Q 4 . 0 ( P ) M 1 . 3 ( S ) Q 4 . 1 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 网络 5 ：机械手上升到位，停止上升并启动右移控制 Q 4 . 1 I 0 . 6 I 0 . 4 Q 4 . 3 ( R ) ( P ) M

23、1 . 4 ( S ) Q 4 . 2 Q 4 . 1 网络 6 ：机械手右移到位，停止右移并启动下降控制 Q 4 . 2 I 0 . 4 I 0 . 7 Q 4 . 1 ( R ) ( P ) M 1 . 1 ( S ) Q 4 . 0 Q 4 . 2 网络 7 ：机械手下降到位，停止下降并启动松开控制 Q 4 . 0 I 0 . 7 I 0 . 5 ( P ) M 1 . 2 ( R ) Q 4 . 0 ( R ) Q 4 . 4 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 图 6.3 自动控制方式梯形图 网络 8 ：机械手松开并启动松开定时器，定时 5 s Q 4 . 4 I 0 .

24、 7 I 0 . 5 Q 4 . 1 ( S D ) T2 S 5 T # 5 s 网络 9 ：定时时间到，并且机械手没有下降时启动上升控制 T2 I 0 . 7 I 0 . 5 Q 4 . 0 ( P ) M 1 . 3 ( S ) Q 4 . 1 网络 10 ：机械手上升到位，停止上升并启动左移控制 Q 4 . 1 I 0 . 7 I 0 . 4 Q 4 . 2 ( R ) ( P ) M 1 . 5 ( S ) Q 4 . 3 Q 4 . 1 网络 11 ：机械手左移到位停止， M 0 . 1 0 ，以阻止单动方式下的自动启动 Q 4 . 3 I 0 . 4 I 0 . 6 ( P )

25、M 1 . 0 ( R ) Q 4 . 3 ( R ) M 0 . 1 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 网络 2 ：手动夹紧，采用置位和复位方式使 夹紧后不允许松开 网络 1 ：手动下降 I 1 . 0 I 0 . 5 ( R ) Q 4 . 0 I 1 . 2 I 0 . 6 I 0 . 5 ( P ) M 1 . 2 ( S ) Q 4 . 4 网络 3 ：手动上升 I 1 . 1 I 0 . 4 ( ) Q 4 . 1 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 图 6.4 手动控制方式梯形图 网络 4 ：手动右移 I 1 . 4 I 0 . 7 ( ) Q 4 .

26、2 网络 5 ：手动下降 I 1 . 0 I 0 . 5 ( ) Q 4 . 2 I 1 . 2 I 0 . 7 I 0 . 5 ( P ) M 1 . 2 ( S ) Q 4 . 4 网络 6 ：手动放松 网络 7 ：手动左移 I 1 . 3 I 0 . 6 ( ) Q 4 . 3 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 2) 组织块 (主程序 ) 组织块 OB1用于设定机械手启动方式，主要负责功能块或 子程序的调用，是自动运行还是单动运行，以及系统的循环扫 描、故障诊断和输出刷新。其梯形图如图 6.5所示。 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 图 6.5 机械手控制梯形

27、图 网络 1 ：自动方式启动 M 0 . 0 1 ，有自锁 I 0 . 0 M 0 . 1 ( S ) M 0 . 0I 0 . 3 M 0 . 0 网络 2 ： M 0 . 1 1 ，单动有效 I 0 . 1 ( S ) M 0 . 1 网络 3 ：单动方式启动 M 0 . 1 1 ，有自锁 I 0 . 1 M 0 . 0 ( ) M 0 . 1I 0 . 3 M 0 . 1 M 0 . 3 M 0 . 0 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 图 6.5 机械手控制梯形图 网络 4 ：自动方式或单动方式均调用子程序 F C 1 0 M 0 . 0 M 0 . 1 ( C A LL

28、 ) F C 1 0M 0 . 2 M 0 . 1 M 0 . 0 M 0 . 5 网络 5 ：手动方式启动 M 0 . 2 1 ，有自锁 I 0 . 2 M 1 . 1 ( S ) M 0 . 2I 0 . 3 M 0 . 2 ( P ) 第 6章 S7-300系列 PLC应用系统设计 图 6.5 机械手控制梯形图 网络 6 ：手动方式调用子程序 F C 1 1 M 0 . 2 M 0 . 0 ( C A L L ) F C 1 1M 0 . 1 M 0 . 5 网络 7 ：停止处理 I 0 . 3 ( S ) M 0 . 5 网络 8 ：错误操作处理 I 0 . 0 I 0 . 1 ( S ) M 0 . 5 I 0 . 0 I 0 . 2 I 0 . 1 I 0 . 2