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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应用系统设计的内容和步骤 6.2 PLC应用系统的硬件设计应用系统的硬件设计 6.3 PLC应用系统的软件设计应用系统的软件设计 6.4 PLC应用系统设计实例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应用系统设计的内容和步骤 按照规范的设计步骤进行按照规范的设计步骤进行PLC系统设计，可以提高工作效率。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系统设计的原则与内容 1设计原则设计原则 (1)最大限度
2、地满足被控设备或生产过程的控制要求；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；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；保证控制系统工作安全可靠；(4)考虑到今后的发展改进，应适当留有进一步扩展的余地。考虑到今后的发展改进，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；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；选择电气传动形式和电动机、电磁阀等
3、执行机构；(3)选定选定PLC的型号；的型号；(4)编制编制PLC的输入的输入/输出分配表或绘制输入输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；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；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；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；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。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系统设计和调试的主要
4、步骤1深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求2确定确定I/O设备，常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开设备，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、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。电磁阀等。3选择合适的选择合适的PLC类型，类型，根据已确定的用户根据已确定的用户I/O设备，统计所设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型。类型。4分配分配I/O点，编制出输入点，编制出输入/输出端子的接线图。输出端子的接线
5、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。心的工作。第6章 S7-300系列PLC应用系统设计6将程序输入将程序输入PLC，当使用计算机上编程时，可将程序下载到，当使用计算机上编程时，可将程序下载到PLC中。中。7进行软件测试，在将进行软件测试，在将PLC连接到现场设备上之前，必须进行连接到现场设备上之前，必须进行软件测试，以排除程序中的错误。软件测试，以排除程序中的错误。8应用系统整体调试，在应用系统整体调试，在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工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
6、中发现的问题完成后，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。要逐一排除，直至调试成功。9编制技术文件，编制技术文件，系统技术文件包括功能说明书、电气原理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、图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图等。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应用系统的硬件设计6.2.1 PLC选型选型 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。比，具体应考虑以下几点。1性能与任务相适应性能
7、与任务相适应 2PLC的处理速度应满足实时控制的要求的处理速度应满足实时控制的要求 3PLC应用系统结构合理、机型系列应统一应用系统结构合理、机型系列应统一 4在线编程和离线编程的选择在线编程和离线编程的选择第6章 S7-300系列PLC应用系统设计6.2.2 PLC容量估算容量估算 PLC容量包括两个方面：一是容量包括两个方面：一是I/O的点数，二是用户存储器的点数，二是用户存储器的的 容量。容量。1I/O点数的估算点数的估算 根据功能说明书，可统计出根据功能说明书，可统计出PLC系统的开关量系统的开关量I/O点数及模点数及模拟量拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。应在统计后通道
8、数，以及开关量和模拟量的信号类型。应在统计后得出得出I/O总点数的基础上，增加总点数的基础上，增加1015的裕量。选定的的裕量。选定的PLC机型的机型的I/O能力极限值必须大于能力极限值必须大于I/O点数估算值，并应尽量避免使点数估算值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有能力接近饱和，一般应留有30左右的裕量。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，如用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、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控制要求、运算处理量、程序结构等
9、。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内点及有关功能器件占用的内存大致如下：存大致如下：所需存储器容量所需存储器容量(KB)(11.25)(DI10DO8AI/O100CP300)/1024其中：其中：DI为数字量输入总点数；为数字量输入总点数；DO为数字量输出总点数；为数字量输出总点数；AI/AO为模拟量为模拟量I/O通道总数；通道总数；CP为通信接口总数。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模块的选择模块的选择 1开关量输入模块的选择开关量输入模块的选择 PLC的输入模块用来检测来自
10、现场的输入模块用来检测来自现场(如按钮、行程开关、温如按钮、行程开关、温控开关、压力开关等控开关、压力开关等)电平信号，并将其转换为电平信号，并将其转换为PLC内部的低电内部的低电平信号。开关量输入模块按输入点数分，常用的有平信号。开关量输入模块按输入点数分，常用的有8点、点、12点、点、16点、点、32点等；按工作电压分，常用的有直流点等；按工作电压分，常用的有直流5 V、12 V、24 V，交流，交流110 V、220 V等；按外部接线方式又可分为汇点输入、分等；按外部接线方式又可分为汇点输入、分隔输入等。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
11、：选择输入模块主要应考虑以下两点：(1)根据现场输入信号根据现场输入信号(如按钮、行程开关如按钮、行程开关)与与PLC输入模块输入模块距离的远近来选择电压的高低。一般，距离的远近来选择电压的高低。一般，24 V以下属低电平，其以下属低电平，其传输距离不宜太远。如传输距离不宜太远。如12 V电压模块一般不超过电压模块一般不超过10 m，距离较，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。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，如高密度的输入模块，如32点输入模块，允许同时接通的点输入模块，允许同时接通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点数取决于输入电压和环境温
12、度。一般，同时接通的点数不得超过总输入点数的超过总输入点数的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开关量输出模块的选择 输出模块的任务是将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。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
13、压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，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。当直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1 Hz。晶闸管输出晶闸管输出(交流交流)和晶体管输出和晶体管输出(直流直流)都属于无触点开关输出，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。压，必须采取抑制措施。第6章 S7-
14、300系列PLC应用系统设计2)输出电流的选择输出电流的选择 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。要留有足够的裕量。3)允许同时接通的输出点数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，在选用输出模块时，还要看整个输出模块的满负荷能力，如如OMRON公司的公司的CQM1-
15、OC222是是16点输出模块，每个点允许点输出模块，每个点允许通过电流通过电流2 A(AC250 V/DC24 V)。但整个模块允许通过的最大。但整个模块允许通过的最大电流仅电流仅8 A。第6章 S7-300系列PLC应用系统设计6.2.4 分配输入分配输入/输出点输出点 一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的；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，按逻辑关系接好线输入点前，按逻辑关系接好线(如两个触点先串联或并联如两个触点先串联或并联)，然后，然
16、后再接到输入点。再接到输入点。1.明确明确I/O通道范围通道范围 不同型号的不同型号的PLC，其输入，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根输出通道的范围是不一样的，应根据所选据所选PLC型号，弄清相应的型号，弄清相应的I/O点地址的分配。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 内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而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、计数器时作数据存储或数据处是在控制其他继电器、定时器、计数器时作数据存储或数据处理用。根据程序设计的需要，应合理安排理用。根据程序设计的需要，
17、应合理安排PLC的内部辅助继电的内部辅助继电器，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。用途，避免重复使用。3分配定时器分配定时器/计数器计数器 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。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，它应能独立于安全回
18、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。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：安全保护作用：PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时；时；PLC失控时；失控时；操作人员需要紧急干预时。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：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；确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系；(2)设计硬回
19、路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手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；段；(3)为为PLC定义故障形式和重新启动特性。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应用系统的软件设计6.3.1 PLC应用软件设计的内容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人员既要有PLC、计算机程序设计的基础，又要有自动控制的、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。技术，还要有一定的现场实践经验。一个实用的一
20、个实用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容：内容：(1)PLC软件功能的分析与设计；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；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；程序结构分析与设计；(4)软件设计规格说明书编制；软件设计规格说明书编制；(5)用编程语言、用编程语言、PLC指令进行程序设计；指令进行程序设计；(6)软件测试；软件测试；(7)程序使用说明书编制。程序使用说明书编制。6.3.2 PLC应用系统的软件设计步骤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
21、构和生产工艺要求，在软件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。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关系，确定需要检测的量和控制的方法，各种操作之间的逻辑关系，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。据此便可画出并设计出系统中各设
22、备的操作内容和操作顺序。据此便可画出流程图。流程图。2.画控制流程图画控制流程图 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。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，的硬件和软件抗干扰措施，如硬件上的电源隔离、信号滤波
23、，软件上的平均值滤波等。软件上的平均值滤波等。4.编写程序编写程序 根据被控对象的输入根据被控对象的输入/输出信号及所选定的输出信号及所选定的PLC型号分配型号分配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按照软件规格说明书(技术要求、编制依据、测试技术要求、编制依据、测试)，用梯形图，用梯形图进行编程。进行编程。第6章 S7-300系列PLC应用系统设计 5.软件测试软件测试 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
24、线测试。经调试、排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。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，据、结构、功能、流程图，各项功能单元的分析，PLC的的I/O信信号，软件程序操作使用的步骤、注意事项等。号，软件程序操作使用的步骤、注意事项等。第6章
25、 S7-300系列PLC应用系统设计6.4 PLC应用系统设计实例应用系统设计实例 机械手控制系统设计机械手控制系统设计 1.工艺过程及控制要求工艺过程及控制要求 1)工艺过程工艺过程 图图所示为一简易物料搬运机械手的工艺流程图。该机械手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。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，而气缸则由机械手通常位于原点，它的动作全部由气缸驱
26、动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移下降和左移/右移分别由双线右移分别由双线圈二位电磁阀控制，放松圈二位电磁阀控制，放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀夹紧由一个单线圈二位电磁阀(称为称为夹紧电磁阀夹紧电磁阀)控制。控制。第6章 S7-300系列PLC应用系统设计图图6.1 搬运机械手工艺流程图搬运机械手工艺流程图第6章 S7-300系列PLC应用系统设计 2)控制要求控制要求 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到手动控制及自动控制或半自动控制(又
27、称单周期控制又称单周期控制)，以便对设，以便对设备进行调整和检修。图是机械手控制系统的逻辑流程图。系统启动备进行调整和检修。图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之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位 左位。左位。图图6.2 机械手控制的程序流程图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.可编程序控制器选型可编程序控制器选型 1)硬件配置硬件配置 系统输入信号有系统输入信号有3个启动按钮，个启动按钮，4个限位开关，个限位开关，5个手动输入个手动输入信号，信号，1个有工件检测信号，共计个有工件检测信号，共计14个数字
28、量输入信号；输出信个数字量输入信号；输出信号有机械手上升号有机械手上升/下降驱动信号下降驱动信号 左移左移/右移驱动信号和机械手夹右移驱动信号和机械手夹紧驱动信号，共有紧驱动信号，共有5个数字量输出信号。个数字量输出信号。不需模拟量模块，选择不需模拟量模块，选择S7-300系列的系列的CPU313，加上数字量输入模块，加上数字量输入模块SM321及输出模块及输出模块SM322就可以满足要求，而且还有一定的裕量。就可以满足要求，而且还有一定的裕量。2)I/O地址分配地址分配 将将14个输入信号、个输入信号、5个输出信号与个输出信号与PLC的的I/O端一一对应，端一一对应，编排好地址，如表所示。编
29、排好地址，如表所示。第6章 S7-300系列PLC应用系统设计表表6.1 I/O地址分配地址分配第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；(4)单动方式标志；(5)手动方式标志；(6)结束标志。3)其它地址分配其它地址分配第6章 S7-300系列PLC应用系统设计 3.机械手程序设计机械手程序设计 1)逻辑功能块逻辑功能块(子程序子程序)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)和手动方式控制和手动方式控制(FC11)。(1)自动方式或单动方式控
30、制自动方式或单动方式控制(FC10)的具体程序的具体程序(梯形图表梯形图表示示)如图所示。如图所示。(2)手动方式控制手动方式控制(FC11)的具体程序的具体程序(梯形图表示梯形图表示)如图所如图所示。示。第6章 S7-300系列PLC应用系统设计第6章 S7-300系列PLC应用系统设计第6章 S7-300系列PLC应用系统设计图图6.3 自动控制方式梯形图自动控制方式梯形图第6章 S7-300系列PLC应用系统设计第6章 S7-300系列PLC应用系统设计图图6.4 手动控制方式梯形图手动控制方式梯形图 第6章 S7-300系列PLC应用系统设计 2)组织块组织块(主程序主程序)组织块组织块OB1用于设定机械手启动方式，主要负责功能块或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。其梯形图如图所示。描、故障诊断和输出刷新。其梯形图如图所示。第6章 S7-300系列PLC应用系统设计图图6.5 机械手控制梯形图机械手控制梯形图第6章 S7-300系列PLC应用系统设计图图6.5 机械手控制梯形图机械手控制梯形图第6章 S7-300系列PLC应用系统设计图图6.5 机械手控制梯形图机械手控制梯形图