西门子PLC在生产线自动控制中的应用

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1、宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 编号： 本科毕业设计（论文）题目：西门子PLC在生产线自动控制中的应用The application of Siemens PLC in the production line of automatic control学 院 信息科学与工程学院 专 业 电气工程与自动化 班 级 自动化 学 号 姓名 指导教师 职称 完成日期 年 月 日 41诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文西门子PLC在生产线自动控制中的应用均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月

2、日摘要【摘要】本文介绍的是基于可编程逻辑控制器（PLC）的自动化生产线的控制。作为通用工业控制计算机，可编程控制器实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，广泛应用于工业生产控制。PLC 控制系统具有可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低，维护方便等一系列优点，因此，已成为国内外自动生产线控制系统的首选控制方案。本次研究的主要内容是基于实验室的柔性自动化生产线装置来模拟生产线流程，包括传送分拣、安装、安装搬运、分类。整个控制都采用西门子S7系列PLC，其中S7-300作为主控站，S7-200作为从站单元，组成主从控制系统。主站与从站之间采用PROFIBUS-DP总线通信，同时用触

3、摸屏实现对生产流程的控制与监视。【关键词】可编程控制器（PLC）；生产线；PROFIBUS-DP；触摸屏。The application of Siemens PLC in the production line of automatic controlAbstract【ABSTRACT】This article describes a way to control the automated production lines which is based on program logic controller (PLC). As a general-purpose industrial co

4、ntrol computer, Programmable controller realized the industrial control field wiring logic to the storage of logical leap, widely used in industrial production control.PLC control system with high reliability, strong anti-interference, low failure rate, low demand for Work environment, maintenance a

5、nd a series of other advantages, therefore, it has become the preferred control scheme in the domestic and foreign automatic production line control system .The main content of this study is based on flexible automated production line lab equipment to simulate production processes, including sorting

6、 transmission, installation, installation of handling, classification. Controls are used throughout the Siemens S7 series PLC, of which S7-300 as master control station, S7-200 as a slave unit, composed of master-slave control system. Between master and slave using PROFIBUS-DP bus communication, whi

7、le using the touch screen to achieve the production process control and monitoring. 【KEYWORDS】Programmable Logic Controller (PLC); production line; PROFIBUS-DP; touch screen.目录1 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 PLC相关介绍11.2.1 PLC概要11.2.2 PLC的基本结构21.2.3 PLC的工作原理31.3 研究的基本内容41.3.1 生产线控制策略41.3.2 PROFIBUS现场总线51.3.3 触

8、摸屏控制与监控52 柔性自动化生产线装置62.1 MES 网络型模块式柔性自动化生产线62.1.1 系统配置72.1.2 控制技术72.2 从站单元82.2.1 传送分拣单元82.2.2 安装搬运单元92.2.3 安装单元102.2.4 分类单元112.3 主控单元112.3.1 西门子S7-300 PLC122.3.2 EV5000工业触摸屏123 控制系统的硬件方案133.1 传感器基本概念133.1.1 磁性传感器133.1.2 光纤传感器133.2 电气控制系统143.2.1 交流异步电动机143.2.2 步进电机143.2.3 步进电动机驱动器143.3 气动系统153.3.1 电磁

9、阀153.3.2 气缸163.3.3 真空发生器及吸盘163.3.4 气动马达163.4 通信系统173.4.1 PROFIBUS-DP通信和EM277模块173.5 HMI系统183.5.1 MT4000接口184 控制系统的软件方案194.1 传送带单元程序控制设计194.1.1 传送带单元控制过程分析194.1.2 控制系统的PLC设计194.2 安装搬运单元程序控制设计214.2.1 安装搬运单元控制过程分析214.2.2 控制系统的PLC设计232) 程序的跳转控制234.3 安装单元程序控制设计244.3.1 安装单元控制过程分析244.3.2 控制系统的PLC设计254.4 分类

10、单元程序控制设计254.4.1 分类单元控制过程分析254.4.2 控制系统的PLC设计264.5 主控单元及联动控制274.5.1 主控单元的硬件组态274.5.2 主控单元的程序设计304.6 触摸屏监控304.6.1 触摸屏通信组态314.6.2 触摸屏主界面组建314.6.3 监控界面的组建325 系统调试345.1 系统调试346 总结37参考文献38致谢39附录401 绪论1.1 研究的目的和意义 传统的机械设备与产品，多是以机械为主，是电气、液压或气动控制的机械设备。随着工业水平的不断发展，机械设备已逐步地由手动操作改为自动控制，设备本身也发展成为机电一体化的综合体。可编程序控制

11、器（PLC）是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过30多年的发展，目前，可编程序控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱(可编程序控制器、机器人、计算机辅助设计与制造)的首位。其广泛的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。柔性自动化生产线具备流水线加工、装配的特点，可以保证工件在一个生产周期结束后立刻进入下一个生产周期，减少非生产等待时间，提高工件生产效率。同时，由于生产线具备柔性特点，可以随时拆除并装配新的生产工序，因而，对于不同批次的产品，可以很方便进行再生产，不仅提高了场地的使

12、用效率，同时也大大降低了设备的投资。在目前的工业自动化生产领域已经得到广泛应用。通过可编程序控制器（PLC）来控制生产线已成为现代生产和制造的核心。因此研究PLC在生产线自动控制中的应用具有很重要的意义1。1.2 PLC相关介绍1.2.1 PLC概要 可编程控制器简称PLC（Programmable Logic Controller），在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行顺序运

13、算、逻辑运算、计数、计时和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 PLC仍处于不断的发展之中，其功能不断增强，更为开放，它不但在单机自动化中应用最为广泛，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位。具有代表性的为西门子S7300系列中型机一般I/O点数为2562048点；单/双CPU，用户存储器容量28K；西门子S7-200系列小型机一般I/O点数256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量4K字以下；S7-200可以单机运行，用于代替继电器

14、控制系统，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有强大的通信功能，在网络控制系统中也能充分发挥其作用。1.2.2 PLC的基本结构 PLC主要由通常由CPU模块、输入/输出接口、电源、编程器等几个主要部分组成如图1-1。 图1-1 PLC基本结构框图 CPU模块 CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。CPU是PLC的核心，用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，刷新系统的输出，并响应外部设备的请求以及进行各种内部判断等。PLC内部的存储器有两类，即程序存储器和数据存储器，用来储存程序和数据。 I/O模块 输入模块和输出模块简称I/O模块，是PLC与输

15、入/输出设备连接的部件，它们相当于人的眼睛、耳朵、手和脚。输入模块用来接收和采集外部的输入信号；输出模块是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动指示灯、电磁阀等输出设备。在I/O模块中，一般采用光电耦合电路，来隔离PLC的内部电路和外部I/O电路，从而提高了可靠性。 电源PLC一般使用220V的交流电源或24V的直流电源。内部的开关电源为PLC各模块提供5V及24V的直流电源，供继电器等器件使用。 编程器编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的工具软件

16、进行电脑编程和监控2。1.2.3 PLC的工作原理 PLC的工作方式为“顺序扫描，不断循环”。即在PLC运行时，CPU根据用户的控制要求编写好控制程序后，下载编译。PLC周期性循环扫描指令步序号（或地址号），如无跳转指令，则从首条指令开始逐条依次顺序执行，直到程序结束。然后重新回到首条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。图1-2 CPU的工作原理图 PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。如图1-3 PLC在输入读取阶段：在PLC的储存器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态。在读取输入阶段，PLC把所有

17、外部数字量输入电路的1/0状态读入到过程映像寄存器中。 PLC用户程序执行阶段：PLC的用户程序按在储存器中存放的先后顺序执行每条指令，进行逻辑运算以后把结果写入到相应的映像寄存器中，因此，各映像寄存器中的内容随着程序的执行而变化。 改写输出阶段：CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器中的状态传送到输出模块并锁存起来。并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。图1-3程序执行原理图1.3 研究的基本内容1.3.1 生产线控制策略 本课题主要是以实验室的柔性自动化生产线装置来模拟生产线流程，主要包括传送分拣单元，安装搬运单元，安装单元，分类单元。以可编程控制器P

18、LC为主控器，结合传感器技术、气压传动技术、电机控制技术和自动化网络控制来研究PLC在自动化生产线中的应用。 图 1-4 PLC生产线控制的系统框图由以上的控制系统框图可以看出，整个控制系统是有4部分组成的：HMI人机交互、S7-300控制主站、S7-200控制从站和底层的执行器件。其主站和从站间的通信方式为PROFIBUS现场总线方式。由此可以联想到通信网络的7层协议，所以提出了分块的方法，从顶层到底层的方式来实现整个生产线的控制。 图1-5 控制实现方式框图1.3.2 PROFIBUS现场总线 现场总线是一种安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信

19、的数据总线。它是当前自动化的热点之一。现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替010mA或420mA现场电动仪表信号。现场总线I/O集检测、数据处理、通信为一体，可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表，它不需要框架、机柜，可以直接安装在现场导轨上。 西门子通信网络的中间层为工业现场总线PROFIBUS，它是用于车间级和现场级的国际标准，传输速率最高为12Mbit/s,响应时间的典型值为1ms，使用双绞线电缆（最长9.6km）或光缆（最长90km），最多可以接127个从站。 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery,分布式外围设备），在PROFIBU

20、S现场总线中，PROFIBUS-DP的应用最广。PROFIBUS-DP协议主要用于PLC与分布式I/O和现场设备的高速数据传输。典型的DP配置是单主站结构，也可以是多主站结构。S7-200通过PROFIBUS-DP扩展从站模块EM277连接到PROFIBUS-DP网络。其上的RS485接口可运行于9600波特到12M波特之间的任何PROFIBUS波特率。1.3.3 触摸屏控制与监控 触摸屏是一种连接人和机器的人机界面,它代替了原始的控制台和显示器，可用于数据显示和参数设置，并且可以用动态描述系统的控制过程，扩展了PLC的功能，减少了按钮、开关、仪表等仪器的使用。顶层块主要实现对整条线的监控与管

21、理，通过EV5000建立基本的网络，将4个从站的PLC与主控PLC进行整体监控，通过EV_5000进行界面组态，设置参数传递的地址，从而实现人机交互功能,既可以对传感器信号监控，又可以随时操作从站工作。2 柔性自动化生产线装置2.1 MES 网络型模块式柔性自动化生产线 模块式柔性自动化生产线实训系统是一种最为典型的机电一体化、自动化类产品。它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学进行了专门设计，强化了各种控制技术和工程实践能力。 实训系统由8个单元组成。分别为：上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、搬运分拣单元、变频传送单元、安装单元、安装搬运单元和分类单元，控制系统可以选用西门子，三菱或

22、欧姆龙的PLC进行控制，具有较好的柔性，即每站各有一套PLC控制系统独立控制，在基本单元模块培训完成以后，又可以将相邻的两站、三站直至八站连在一起，学习复杂系统的控制、编程、装配和调试技术。 实训系统包含了自动化专业中的气动、电机驱动与控制、PLC、传感器等多种控制技术，适合相关专业学生进行工程实践、课程设计及初上岗位的工程技术人员进行培训，是培养自动化人才的理想设备。图2-1 MES网络型模块式柔性自动化生产线2.1.1 系统配置该系统由型材桌、上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、搬运分拣单元、变频传送单元、安装单元、安装搬运单元、分类单元、通信接口板、电气网孔板、按钮控制板、I/O接口

23、板、各种传感器、警示灯、各类电磁阀和气缸等组成，完成工件上料、搬运、加工、分拣、输送、装配、分类等功能。表 2-1 系统配置序号名称规格数量单位备注1工作台470mm860 mm9张2上料检测单元CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）1套3搬运单元CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）1套4加工与检测单元CPU224 DC/DC/晶体管+EM223（22路数字量输入/18路晶体管输出）1套5搬运分拣单元CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）1套6变频传送单元CPU224 AC/DC/继电器（14路数

24、字量输入/10路继电器输出）1套7安装单元CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）1套8安装搬运单元CPU224 AC/DC/继电器（14路数字量输入/10路继电器输出）1套9分类单元CPU224 DC/DC/晶体管（14路数字量输入/10路晶体管型输出）1套10主控单元CPU313C-2DP（16路数字量输入/16路晶体管输出）1套11通信模块EM2778只12变频器模块西门子MM420 功率0.37KW1台西门子13触摸屏模块10.4英寸 TFT真彩，65K色1套 2.1.2 控制技术1. 各站都可通过一块控制面板来控制PLC使各站按要求进行工作，一个控制面板

25、上有5个按钮开关，二个选择开关和一个急停开关。各开关的控制功能定义为：表 2-2 控制面板功能定义序号项目说明序号项目说明1带灯按钮，绿色开始5两位旋钮，黑色单站/联网2带灯按钮，黄色复位6按钮，红色停止3按钮，黄色调试按钮7带灯按钮，绿色上电4两位旋钮，黑色手动/自动8急停按钮，红色急停2. THMSRX-3型 西门子控制器采用PROFIBUS-DP通信实现八个单元与主站之间的网络控制方案，通过S7-300主机采集并处理各站的相应信息，完成八个单元间的联动控制。将DP联线首端出线的网络联接器接到300主机的DP口上，其它网络联接器依次接到八个单元的EM277模块DP口上，将联线末端网络联接器

26、上的终端电阻开关打到“ON”位置,其它网络联接器上的终端电阻开关全部打到“OFF”位置。3. PROFIBUS-DP为保证系统中各站能联网运行，必须将各站的PLC连接在一起使独立的各站间能交换信息。而且加工过程中所产生的数据，如工件颜色装配信息等，也需要向下站传送，以保证工作正确。（如分类正确、安装正确等）。2.2 从站单元2.2.1 传送分拣单元 图2-2传送分拣单元 由直线皮带输送线、分拣料槽、旋转气缸、变频器、三相交流减速电机、光电传感器、光纤传感器、颜色传感器、电磁阀、开关电源、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板等组成，主要完成将材料颜色不合格的工件分拣出来，同时将合格产品传送

27、至下一站。2.2.2 安装搬运单元图2-3安装搬运单元由平移工作台、塔吊臂、机械手、齿轮齿条传动、工业导轨、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀及气缸组成，主要完成将上站工件拿起放入安装平台，等待安装站将小工件安装到位后，将装好工件拿起放下站。2.2.3 安装单元 图2-4安装单元 由吸盘机械手、摇臂部件、旋转气缸、料仓换位部件、工件推出部件、真空发生器、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀及气缸组成，主要完成选择要安装工件的料仓，将工件从料仓中推出，将工件安装到位。2.2.4 分类单元图2-5分类

28、单元由滚珠丝杠、滑杆推出部件、分类料仓、步进电机、步进驱动器、电感传感器、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀及气缸组成，主要完成按工件类型分类，将工件推入料仓。2.3 主控单元图2-6主站单元 采用了先进的总线控制方式，增配有主控PLC、工业触摸屏、MCGS工业组态监控软件、MES生产制造管理软件等，系统更加完整性，更能展现工业现场的工作状态及现代制造工业的发展方向。 MCGS工业组态监控软件：当八个站全部进入联网状态时，管理员能够通过组态监控机中各种组态按钮方便的控制整个系统的运行、暂停、继续、停止等等；另外也可以控制单个站的运行、暂停、继续

29、、停止等等。每个站的工作状态以及工件的材质、颜色等在监控画面上也能够清楚的看到。 MES生产制造管理软件：在整个系统的生产过程中，由MES生产管理系统制定下达各项生产计划任务，并实时地反映在MES上位机的监控画面上。下层制造系统将整个系统的工作状态及当前工件加工状态作自动统计，并实时传输到生产管理系统MES。具有计划、调度和实时监控等功能。能够实现和系统组态监控软件的集成，实时监视生产线的生产情况。2.3.1 西门子S7-300 PLC 主机型号主控单元配置S7-300系列PLC：CPU313C-2DP（32KB工作内存，带PROFIBUS-DP主/从接口， 16路数字量输入/16路晶体管输出

30、，PID，计数器，PWM脉冲输出，频率测量功能），40针前连接器，64K MMC存储卡。2.3.2 EV5000工业触摸屏系统的人机界面采用MT4500C触摸屏。MT5000,MT4000 是全新一代的工业嵌入式触摸屏人机界面，全新一代的HMI 具有以下特点：使用嵌入式操作系统；MT5000 全面支持以太网，USB 等高速接口,MT4000 支持USB 高速接口；使用高速低功耗嵌入式RISC CPU；更高的速度，更流畅的操作。3 控制系统的硬件方案3.1 传感器基本概念 我们国家的国家标准（GB77651987），传感器（Transducer /Sensor）的定义是：“能够感受被测量并按照一

31、定规律转换成可用输出信号的器件或装置。” 下面介绍生产线用到的磁性传感器、光纤传感器等。3.1.1 磁性传感器 磁性传感器的内部电路如图3-1所示，这类传感器也叫做接近开关，是一种采用非接触式检测、输出开关量的传感器。该类传感器主要用于位置量的检测。在本套生产线中，磁性传感器主要用在安装搬运单元，主要用于检测汽缸的位置，用来定位机械手上气缸伸出和缩回到位的位置。 在各种接近开关传感器中，广泛应用的是高频接近开关，因为这类开关具有抗干扰性强、灵敏度高、可靠性好、使用寿命长等特点。 图3-1 磁性传感器的内部电路3.1.2 光纤传感器 将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相

32、互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。 在生产线上的分拣单元，用光纤传感器对不同颜色工件进行区分。如图3-2所示，对于反射性较差的物体，如果光纤传感器灵敏度较小，其将无法接到反射信号；相反，如果物体反射性较好，就可以接收到反射信号，从而完成自动分拣工序。 图3-2光纤传感器电路框图3.2 电气控制系统3.2.1 交流异步电动机 根据旋转磁场理论，当定于对称三相绕组施以对称的三相电压，就会有对称的三相电流流过，就会在电机的气隙中形成一个旋转磁场，这个的旋转的磁场的转数N1为同步转数。旋转磁

33、场方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。 转子绕组切割旋转磁场产生感应电动势，所以转子绕组便有电流流过，转子绕组与气隙磁场相互作用产生电磁力，使转子导条受到电磁力，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且一定有转子转速。3.2.2 步进电机在这个自动生产线中，步进电动机及其驱动器用来完成分类单元的运动控制。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。每输入一个脉冲，电机就转动一个角度或前进一步。控制脉冲的个数就可以控制位移量，控制脉冲的频率就可以控制电机的转速。3.2.3 步进电动机驱动器 步进电机需要配上

34、专用的驱动器才能工作，步进电机和驱动器构成了步进电机系统，从控制器中输入速度信号（通常为CP脉冲）和方向信号。在分类站的控制中通过控制步进电机的脉冲和方向来控制X、Y方向上的位移量，从而精确控制工件被精确分类。 图3-3步进电机驱动器接线图3.3 气动系统气动系统是以压缩空气为工作介质来传递和控制信号，控制和驱动各种机械设备，实现生产过程的机械化，自动化。一个完整的气动系统是由许多的气动元件组成的。3.3.1 电磁阀直动式电磁阀是利用电磁力直接驱动阀芯换向的。如图3-4是直动式电磁阀的原理图，小尺寸电磁阀可由电磁力直接吸引柱塞，从而使阀芯换向。电磁铁尚未通电状态，弹簧将柱塞压上，使A和P口断开

35、，A和T接通，阀处于排气状态。当电磁铁通电后，电磁力大于弹簧力，柱塞被压下，A和P接通A和T断开，阀处于进气状态。4图3-4 直动式电磁阀的原理图3.3.2 气缸单杆作用普通气缸是指压缩空气的仅在气缸的一端进气，推动活塞运动，而活塞的返回是借助与弹簧里、膜片张力或重力等。其结构如图3-5所示。单杆气缸只在动作方向上需要压缩空气，故可节约一半的压缩空气。主要用在夹紧、推料、阻挡、压入、举起和给进等操作上。 图3-5单杆作用普通气缸结构3.3.3 真空发生器及吸盘典型的真空发生器工作原理如图3-6所示。它由先收缩后扩张的拉法尔喷管、负压腔、接收管和消声器组成。真空发生器是根据文丘里原理产生真空的。

36、当压缩空气从供气口P流向排气口T时，在真空口A上就会产生真空。吸盘与真空口A连接，靠真空压力便可吸起物体。如果切断供气口的压缩空气，则抽空过程就会停止。图3-6真空发生器结构原理3.3.4 气动马达 气动马达是一种做连续运动的气动执行元件，器作用是一种把压缩空气的压力能转换成回转机械能的能量的装换装置，相当于电动机或液压马达，它输出转矩，驱动执行机构做旋转运动。在气压传动中使用广泛的是叶片式、活塞式和齿轮式气动马达。气动马达的工作适应性较强，可用于无极调速、启动频繁、经常换向、高温潮湿、易燃易爆、负载启动、不便人操作及有过载可能的场合。目前，气动马达主要应用于矿山机械、专业性的机械制造、油田、

37、化工、造纸、炼钢、航空、工程机械等行业，许多气动工具如风钻、风扳手和风砂轮等均装有气动马达。3.4 通信系统 自动化生产线中的4个站是通过PROFIBUS-DP通信进行信息交换的，在这个整体中，S7-300作为主站接收各从站信息并处理和转发，实现了“集中处理、分散控制”。3.4.1 PROFIBUS-DP通信和EM277模块S7-200 CPU可以通过EM277 PROFIBUS-DP从站模块连入PROFIBUS-DP网，主站可以通过EM277对S7-200CPU进行读写数据。作为S7-200的扩展模块，EM277像其它I/O扩展模块一样，通过出厂时带有的I/O总线与CPU相连。因EM277只

38、能作为从站，所以两个EM277模块不能通信，但可以由一台PC机作为主站，访问几个联网的EM277。S7-200与S7-300或其它系统通信时，通过EM277模块进行的PROFIBUS-DP通信，是做可靠的通信方式。EM277是智能模块。在S7-200CPU中不用做任何关于PROFIBUSDP的配置和编程工作，只需对数据进行处理。PROFIBUS-DP的所有配置工作都由主站完成，在主站中需配置从站的地址及I/O配置。在主站中完成的与EM27通信的I/O配置共有三种数据一致性类型，即字节、字、缓冲区。所谓数据的一致性，就是在PROFIBUS-DP传输数据时，数据的各个部分不会割裂开来传输，保证同时

39、更新。即：字节的一致性保证字节作为整个单元传送；字的一致性保证组成字的两个字节作为整个单元传送；缓冲区的一致性保证缓冲区作为独立单元一起传送。 EM277作为一个特殊的PROFIBUS-DP从站模块，器相关参数是以GSD文件的形式保存的。在主站的配置中，需要安装相关的GSD文件。PROFIBUS-DP系统由S7-300PLC和S7-200PLC组成，S7-300作为主站，S7-200作为从站。S7-300PLC通过PROFIBUS-DP来读写S7-200中的数据，而实现S7-300、S7-200的通信，其中S7-300有两个通信口。由于S7-200自己不带DP口，必须通过外挂EM277来转接。

40、连接关系如下图所示。 图3-7 PROFIBUS-DP系统连接图3.5 HMI系统 人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。3.5.1 MT4000接口 MT5000，MT4000 上的COM0/COM1 口均可以连接到计算机，也可以连接PLC。MT5000，MT4000 具有非常强大的通讯能力，MT5000 拥有一个以太网接口（MT4000 没有以太网接口），一个USB 接口，一个打印接口，两个串行接口。因此MT5000，MT4000 具有了和绝大多数具有通讯能力的设备进行通讯的能力

41、。COM0、COM1两个口分别为公头和母头,以方便区分，管脚的差别仅在于PIN7 和PIN8。5 图3-8 COM0/COM1接口示意图4 控制系统的软件方案4.1 传送带单元程序控制设计4.1.1 传送带单元控制过程分析 到料检测传感器检测到搬运分拣站搬运到位后，皮带传动动作输送工件，同时在工件输送过程中，颜色传感器对工件颜色进行检测，检测为红色工件气缸动作将其推入料槽中；工件为黑色或白色时，皮带输送工件到到料终点区，同时光电传感器检测到位信号，皮带输送装置停止，等待下一单元搬运。 图4-1 传送单元控制流程图4.1.2 控制系统的PLC设计1） I/O地址分配 表 4-1 传送单元I/O地

42、址分配1来料检测传感器I0.09上电信号I0.72光线检测传感器I0.110复位按钮I1.13色标检测传感器I0.211变频器运行1Q0.04物料终点传感器I0.312变频器运行2Q0.15气缸旋转原位传感器I0413变频器运行3Q0.26气缸旋转到位传感器I0.514倒料电磁阀Q0.37开始按钮I1.015开始灯Q1.08停止按钮I1.516复位灯Q1.12) 传送带的循环控制图4-2 传送带的周期循环控制程序 移位寄存器位（SHRB）指令将DATA数值移入移位寄存器。S_BIT指定移位寄存器的最低位。N指定移位寄存器的长度和移位方向。在移位加（用长度（N）的正值表示）中，输入数据（DATA

43、）移入移位寄存器的最高位中（由S_BIT指定），并移出移位寄存器的最高位。移出的数据被放置在溢出内存位（SM1.1）中6。例如： 图4-3 移位寄存器示例 图4-2中，程序的前4行为复位控制程序，在程序首次扫描时将M3.5置0，M0.0置1。在M1.1置位时将M0.5置位，从而达到周期循环控制的目的。4.2 安装搬运单元程序控制设计4.2.1 安装搬运单元控制过程分析系统启动后，摆台前臂抬起，上限位磁性传感器检测到位；工件搬运装置摆台向左移，左自由气缸左限位磁性传感器和右自由气缸右限位磁性传感器检测到位；摇臂导杆在搬运装置（转盘）工位上方。传送单元将工件传送到位后工件搬运装置摆台前臂下降，导杆

44、气缸下限位磁性传感器检测到位，延时0.5秒后气动手指动作抓取工件，摆台前臂抬起，导杆上限位磁性传感器检测到位后，摆台向右移，左自由安装型气缸右限位和右自由安装型气缸左限位传感器到位后，工件搬运装置摆台前臂下降，导杆下限位磁性传感器检测到位后，气动手指将工件放入安装工位，摆台前臂抬起，左移等待搬运。待安装完成后，工件搬运装置运行到安装工位，工件搬运装置摆台前臂下降，导杆气缸下限位磁性传感器检测到位，延时0.5秒后气动手指动作抓取工件，摆台前臂抬起，导杆上限位磁性传感器检测到位后，摆台向右移，左自由安装型气缸右限位磁性传感器和右有自由安装型左限位磁性传感器检测到位后，工件搬运装置摆台前臂下降，导杆

45、下限位磁性传感器检测到位后，气动手指将工件放入分类单元货台上，摆台前臂抬起，左移等待搬运。图4-4安装搬运单元顺序控制流程4.2.2 控制系统的PLC设计 1） I/O地址分配表4-2安装搬运单元I/O地址分配1前气缸弹出限位传感器I0.012前气缸弹出电磁阀Q0.02前气缸缩回限位传感器I0.113前气缸缩回电磁阀Q0.13后气缸弹出限位传感器I0.214后气缸弹出电磁阀Q0.24后气缸缩回限位传感器I0.315后气缸缩回电磁阀Q0.35手爪夹紧限位传感器I0.416手爪松开电磁阀Q0.46机械臂下限位传感器I0.517手爪夹紧电磁阀Q0.57机械臂上限位传感器I0.618手臂低下电磁阀Q0

46、.68上电信号I0.719开始灯Q1.09开始按钮I1.020复位灯Q1.110停止按钮I1.511复位按钮I1.12) 程序的跳转控制 跳转至标签（JMP）指令对程序中的指定标签（n）执行分支操作。跳转接受时，堆栈顶值始终为逻辑1。标签（LBL）指令标记跳转目的地（n）的位置。可以在主程序、子程序或中断例行程序中使用跳转指令。跳转及其对应的标签指令必须始终位于相同的代码段中（主程序、子程序或中断例行程序）。 图4-5 程序的跳转控制 当触摸屏停止或停止按钮被按下时，停止标志M31.0被置位，程序直接跳过安装搬运单元的循环控制程序执行网络27的命令。从而使安装搬运单元处于停止工作状态，当按下开

47、始按钮或触屏开始时，停止标志M31.0被复位，程序开始周期循环控制安装搬运单元，使其处于正常的工作模式。4.3 安装单元程序控制设计4.3.1 安装单元控制过程分析安装搬运单元将工件搬运到安装工位后，吸盘手臂先从小工件物料台转到安装工位，待小工件推料气缸将小工件推入到小工件物料台上时再转回，转动到位后吸盘对准小工件真空发生器动作，将小工件吸住，吸盘手臂再次从小工件物料台转到安装位，把小工件放入到工件后，真空发生器释放，吸盘手臂退回，完成小工件安装。等待安装搬运站搬运。 图4-6安装单元顺序控制流程4.3.2 控制系统的PLC设计1） I/O地址分配表4-3 安装站I/O地址分配1吸盘前伸限位传

48、感器I0.011吸盘前伸电磁阀Q0.02吸盘返回限位传感器I0.112吸盘返回电磁阀Q0.13物料二选择限位传感器I0.213物料选择一电磁阀Q0.24物料一选择限位传感器I0.314物料选择二电磁阀Q0.35推料原位限位传感器I0.415吸盘吸气电磁阀Q0.46推料到位限位传感器I0.516吸盘放气电磁阀Q0.57上电信号I0.717推料电磁阀Q0.68开始按钮I1.018开始灯Q1.09停止按钮I1.519复位灯Q1.110复位按钮I1.14.4 分类单元程序控制设计4.4.1 分类单元控制过程分析 分类单元货台在等待位置接收到安装搬运单元送入的工件后，由X轴和Y轴的电机来控制货台的位置。

49、到预定位置时，货台将工件搬运到相应仓库位后将工件推入仓位，再返回到等待位置。工件从第四层开始入库，每行在放入三个之后放入下一行。图4-7分类单元顺序控制流程 4.4.2 控制系统的PLC设计1） I/O地址分配表4-4 分类站I/O地址分配1X轴限位传感器I0.09X轴步进电机驱动器PULQ0.02Y轴限位传感器I0.110Y轴步进电机驱动器PULQ0.13推料伸出限位传感器I0.211X轴步进电机驱动器DIRQ0.24推料缩回限位传感器I0.312Y轴步进电机驱动器DIRQ0.35上电信号I0.713推料伸出电磁阀Q0.46开始按钮I1.014开始灯Q1.07停止按钮I1.515复位灯Q1.

50、18复位按钮I1.1162) 步进电机位置的开环控制 PLC的普通计数器的计数过程与扫描工作方式有关，CPU通过每一个扫描周期读取一次被检测信号的方法来捕捉被测信号的上升沿，被测信号的频率较高时，会丢失计数脉冲，因此，普通计数器的工作频率很低，一般只有几十赫兹。高数计数器可以对普通计数器无能为力的事件进行计数，S7-200有6个高数计数器HSC0-HSC5，可以设置多达12种不同的操作模式。高速计数器（HSC）指令根据HSC特殊内存位的状态配置和控制高速计数器。每台计数器在功能受支持的位置有专用时钟、方向控制、复原和起始输入。对于双相计数器，两个时钟均可按最高速度运行。在正交模式中，可以选择一

51、倍（1x）或四倍（4x）的最高计数速率。所有的计数器按最高速率运行，而不会相互干扰。每个CPU有两个PTO/PWM发生器，分别通过数字量输出点Q0.0或Q0.1输出高速脉冲宽度可调的波形。可以通过简单加速、运行和减速顺序或更复杂的顺序使用配备脉冲轮廓的PTO，控制步进电机，方法是定义一个最多包含255个段的脉冲轮廓，每个段与一个加速、运行或减速操作相对应。下图显示生成加速步进电机（#1段）、按恒速操作电机（#2段）、随后减低电机速度（#3段）的输出信号波形所要求的轮廓表数值样本。图4-8步进电机应用程序的频率与时序图 PTO初始化多段操作：用一个子程序为多段操作的脉冲输出配置和初始化PTO。从

52、主程序调用初始化子程序。使用首次扫描内存位（SM0.1）将PTO使用的输出初始化为0，并调用子程序，执行初始化操作。当您使用首次扫描位调用初始化子程序时，随后的扫描不再调用该子程序，这样会降低扫描时间执行。主程序建立对初始化例行程序的调用后，使用以下步骤建立控制逻辑，用于在初始化子程序中配置脉冲输出Q0.0：使用首次扫描内存位（SM0.1）将输出初始化为0，并调用您所需的子程序，执行初始化操作。这样会降低扫描时间执行，并提供结构更严谨的程序。1.通过将以下一个值载入SMB67: 16#A0（选择微秒增加）或16#A8（选择毫秒增加）的方法配置控制字节。两个数值均可启用PTO/PWM功能、选择P

53、TO操作、选择多段操作、以及选择（微秒或毫秒）。2.在SMW168中载入一个字尺寸值，用作轮廓表起始V内存偏移量。3.使用V内存在轮廓表中设置段值。确保段数域（表的第一个字节）正确无误。4.（选项）如果您希望在PTO轮廓完成后立即执行相关功能，您可以将脉冲串完成事件（中断类别19）附加在中断子程序中，为中断编程。使用ATCH执行全局中断启用指令ENI。5.执行PLS指令，使S7-200为PTO/PWM发生器编程。6.退出子程序。4.5 主控单元及联动控制S7-300作为主站PLC主要实现全局控制的作用，包括各从站信息的收集与转发，触摸屏发出的控制信号也需要由主站系统来转发。所以在整个系统中起到

54、了中枢神经的作用。4.5.1 主控单元的硬件组态硬件组态的主要工作是把控制系统的硬件在STEP7管理器中进行相应地配置，并在配置时对模块的参数进行设定。图4-9 硬件组态主机架配置原则1号槽只能放置电源模块，在STEP 7中S7-300电源模块也可以不必组态。2号槽只能放置CPU模块，不能为空。3号槽只能放置接口模块，如果一个S7-300 PLC站只有主机架，而没有扩展机架，则主机架不需要接口模块，而3号槽必须留空。西门子S7-300 PLC与S7-200 PLC之间的通信是通过EM277 PROFIBUS-DP网络模块实现的。在硬件组态时需要导入EM-277模块的GSD文件，如图4-10。图

55、4-10 安装EM277 GSD文件 安装完成后可以在，在右侧的设备选择列表中可以找到EM277从站，PROFIBUS DPAdditional Field DevicesPLCSIMATICEM277。根据通讯字节数，选择一种通讯方式，选择了4字入/4字出的方式，如图4-11：图4-11 通信数据长度设定EM277从站的站地址和通信地址：图4-12通信地址设置网络的最终组态如下图4-13 PROFIBUSDP组态4.5.2 主控单元的程序设计 主控单元主要实现从站单元之间的信息传递，如在考虑联动运行的流程时，首先要考虑的就是设备的安全问题，即考虑两个单元之间的机构是否会发生空间上的冲突。那安

56、装搬运单元和分类单元来说，安装搬运单元在向分类单元发送元件时，物料放置的升降工作台必须始终处于最下端。这些问题的解决都是靠两个单元之间的信号交换来实现的，因此对交换信号的设计成为主控单元的主要任务。另一方面，触摸屏的控制信号也需要通过主控单元传递给各从站，从而发挥触摸屏的整体控制作用。图4-14各单元之间信号传递4.6 触摸屏监控 应用触摸屏上位监控设备来对整个生产线的生产过程进行监控，使整个生产过程可视化，可控化，并对生产信息统一管理。4.6.1 触摸屏通信组态 在触摸屏后面的通讯端口可以用来连接PLC或其他的外部设备。COM0通讯端口用于连接MT4000 系列触摸屏人际界面和具有RS232

57、/485/422通讯端口的控制器。另外，这个端口同时还可以用于MT4000的编程和调试。COM1通讯端口用于连接MT4000系列触摸屏人际界面和具有RS232通讯端口的控制器。此端口与COM0口基本相同，唯一的差别是COM0的与PC的232连接在此作为PLC-232连接的硬件流控信号。USB端口是USB从设备，用于与PC连接，进行组态的下载和HMI的设置。 为了使触摸屏与PLC之间进行数据的通讯，连接触摸屏的COM1口到300主机的MPI口，同时在SIMATIC Manager软件中设定PLC的MPI口通讯参数。在触摸屏中也设置相同的参数。图4-15 触摸屏通信连接4.6.2 触摸屏主界面组建系统的主界面主要用来反应生产线的整体运行情况，包括各单元完成的数量和工作状态。同时还可以通过触摸屏上的开始，复位，停止按钮来对生产线进行整体控制。按钮的建立是通过EV5000中的位状态切换开关来实现的。位状态切换开关是指示灯和位设定元件的组合。它表示了PLC位地址的开/关状态，并定义了一块触控区域，当启用时它可以把相应的位地址置为开或关。位状态切换开关有4种开关类型，这里我选择的是复位类型，即当元件被按住时，PLC 位地址状态置为开。而放开后，又变为关，相当于复归型开关。 上电、复位、停止状态则是用位状态切换灯来实现的。位状态指示灯显示一个指定的PLC 的位