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1、武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书摘要可编程掌握器是一种为工业机械掌握所设计的专用计算机，在各种自动掌握系统中有着广泛的应用，它是在继电器掌握和计算机掌握根底上开发的产品，渐渐进展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术，通信技术融为一体的型工业自动掌握装置。早期的可编程掌握器在功能上只能进展规律掌握，因而称为可编程程序规律掌握器(Programmable Logic Controller)简称 PLC。PLC 广泛用于自动化生产线上，不仅节约了人力资源，而且很大程度上提高了生产效率，又进一步促进了生产力的快速进展，并不断转变着人们的生活。有些生产机械工作台需要按肯定挨次实现自动来
2、回运动，有还要求某些位置有肯定时间停留，以满足生产工艺要求。PLC 自动掌握可以轻松实现这些要求，因此 PLC 在工业掌握领域扮演着重要的角色。本次的课程设计要求设计的是轧钢机的 PLC 自动掌握。使用型号为西门子公司 S7 系列的 S7-300 的 PLC 实现在轧制中前进、后退、锻压的往复运动过程。当按下启动按钮，M1、M2 运行，待加工钢板存储区中的钢板自动往传送带上运送。假设 S1 检测到有钢板在传送带上时，M3 电动机正转，指示灯M3F 亮。当传送带上的钢板已过 S1 检测信号且 S2 检测到钢板到位时，电磁阀YV 动作，M3 电动机反转，指示灯M3R 亮。Y1 锻压机向钢板冲压一次
3、，S2 信号消逝。当S1 再次检测到有信号时，M3 电动机正转，如此重复 3 次，停机 1 分钟，将已加工好的钢板放入加工后钢板存储区。并通过 I/O 地址的安排，实现 PLC 与掌握路线的接口连接， 经过调试仿真，到达设计要求。关键词：可编程掌握器PLC，轧钢机设计，S7 系列 S7-300，掌握仿真武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书名目摘要0第 1 章 PLC 概述21.1 PLC 的历史21.2 PLC 根本构造21.3 PLC 的特点31.4 PLC 的功能41.5 PLC 的网络通信5第 2 章 轧钢机掌握设计62.1 设计任务62.2 设计要求6第 3 章 系统硬件设计73.
4、1 总体设计73.2 电机主电路73.3 PLC 轧钢机 I/O 安排表83.4 PLC 轧钢机 I/O 外部接线图8第 4 章 系统软件设计94.1 程序流程图94.2 LAD 程序设计10第 5 章系统调试与仿真135.1 硬件组态调试135.2 系统仿真13第 6 章 总结17参考文献17附录：STL 程序语句18武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书第 1 章 PLC 概述可编程规律掌握器 PLC Programmable Logic Controller，一种数字运算操作的电子系统，是以微机处理器为根底，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动掌握技术、数字技术和通信网络技术进展起来
5、的一种通用工业自动掌握技术，它承受一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行规律运算，挨次掌握，定时，计数与算术操作等面对用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出掌握各种类型的机械或生产过程。它面对掌握过程、面对用户、适应工业环境、操作便利、牢靠性高，成为现代工业掌握的三大支柱之一。1.1 PLC 的历史在 PLC 问世之前，工业掌握领域中是继电器掌握站主导地位。继电器掌握系统有着格外明显的缺点：体积大、耗电多、牢靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差等，而 PLC 是从早期的继电器规律掌握系统进展而来的。自 1836 年继电器问世，人们就开头用导线将它同开关器件奇异地连接，构成用途各异的规律
6、掌握或挨次掌握。上世纪60 年月末，它不断吸取微计算机技术使之功能不断增加， 渐渐适合简单的掌握任务 。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速进展、微处理器的消灭，以及流程加工行业如汽车制造业对生产流程快速、频繁变更的需求，PLC 技术消灭并快速进展。目前，PLC 在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的 PLC 从最初的规律掌握、挨次掌握， 进展成为具有规律推断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID 回路调整等功能的现代 PLC。但是，仍旧沿用着挨次扫描、程序掌握等根本模式及 CPU+通信+I/O 的根本构造。PLC 之所以有生命力，在于它更加适
7、合工业现场和市场的要求：高牢靠性、强抗各种干扰的力量、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节约了用户时间和本钱。PLC 的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等掌握部件，而上端一般是面对用户的微型计算机。PLC 的诸多优点确定了其在工业中的广泛应用。1.2 PLC 根本构造武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书图 1 PLC 构造1. 中心处理单元(CPU)中心处理单元 (CPU)是PLC 的掌握核心。它依据 PLC 系统程序赐予的功能：a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O 以及戒备定时器的状态
8、，并能诊断用户程序中的语法错误。2. 存储器可编程序掌握器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种治理程序的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序用户程序存和数据的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两局部。3. 输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实际涉及到的信号当中，开关量最普遍。4. 输出接口电路 可编程序掌握器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。5. 电源 PLC 的电源在整个系统中起着格外重要得作用。假设没有一
9、个良好的、牢靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也格外重视。一般沟通电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不实行其它措施而将 PLC 直接连接到沟通电网上去。如 FX1S 额定电压 AC100V240V，而电压允许范围在 AC85V264V 之间。允许瞬时停电在 10ms 以下，能连续工作。一般小型PLC 的电源输出分为两局部：一局部供 PLC 内部电路工作；一局部向外供给应现场传感器等的工作电源。1.3 PLC 的特点1. 构造形式多样，模块化组合敏捷。有固定式适于小型系统或机床，组合式武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书适于集掌握系统。最少的 PLC
10、 只有 6 点，而 AB 的 ControlLogix 系统的容量达128000 点。2. 牢靠性高。PLC 的 MTBF 一般在 4000050000h 以上，有的在 10-20 万 h， 且均有完善的自诊断功能。3. 编程便利。掌握具有极大敏捷性。PLC 作为通用工业掌握计算机，是面对工矿企业的工控设备。它接口简洁，编程语言易于为工程技术人员承受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量规律掌握指令就可以便利地实现继电器电路的功能。为不生疏电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业掌握翻开了便利之门。4. 功能强大。PLC 进展到今日，
11、已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业掌握场合。除了规律处理功能以外，现代PLC 大多具有完善的数据运算力量，可用于各种数字掌握领域。近年来PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置掌握、温度掌握、CNC 等各种工业掌握中。加上 PLC 通信力量的增加及人机界面技术的进展，使用 PLC 组成各种掌握系统变得格外简洁。5. 适应工业环境。适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。6. 安装、修理简洁。与 DCS 相比，价格低。PLC 用存储规律代替接线规律， 大大削减了掌握设备外部的接线，使掌握系统设计及建筑的周期大为缩短，同时维护也变得简洁起来。
12、更重要的是使同一设备经过转变程序转变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。1.4 PLC 的功能1. 掌握功能。包括挨次掌握、规律掌握、定时、计数等。2. 数据采集与输出。3. 输入/输出接口调理功能。具有A/D、D/A 转换功能，通过I/O 模块完成对模拟量的掌握和调整，具有温度、运动等测量接口。4. 数据处理功能。包括根本数学运算、比较、对字节的运算、PID 运算、滤波等。武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书5. 支持人机界面功能。供给操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和 PC 系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视
13、系统。6. 通信、联网功能。现代PLC 大多数都承受了通信、网络技术，有RS232 或RS485 接口，可进展远程I/O 掌握，多台 PLC 可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程掌握器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC 构成“集中治理、分散掌握”的分布式掌握网络，以便完成较大规模的简单掌握。通常所说的 SCADA 系统，现场端和远程端也可以承受 PLC 作现场机。7. 编程、调试等，并且大局部支持在线编程。1.5 PLC 的网络通信PLC 的通信包括 PLC 之间、PLC 与上位计算机之间以及 PLC
14、 与其他智能设备间的通信。PLC 系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中治理、分散掌握“的分布式掌握系统，满足工厂自动化(FA)系统进展的需要，各 PLC 系统或远程 I/O 模块按功能各自放置在生产现场分散掌握，然后承受网络连接构成集中治理的分布式网络系统。目前各厂商都主推各自的总线标准，如西门子 Profibus、A-B ControlNet 及 DeviceNet、莫迪康 Modbus 等等。但其构成的“集中治理、分散掌握”分布式掌握方式是格外类似的。如 ROCKWELLA-B推出了“全方位自动化”的理念， 推举三层网络构造，
15、即 1设备层DeviceNet 为代表；2掌握层ControlNet为代表；3治理层EtheNet。武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书第 2 章 轧钢机掌握设计2.1 设计任务本设计是实现在轧钢机在生产过程中的掌握，其模拟图如下图。图中 S1 为检测传送带上有无钢板传感器，S2 为检测传送带上钢板是否到位传感器。M1、M2 为传送带电动机；M3F 和 M3R 为传送带电动机 M3 的正转和反转指示灯；Y1 为锻压机。图 2 轧钢机掌握1. 按下启动按钮，M1、M2 运行，待加工钢板存储区中的钢板自动往传送带上运送。2. 假设 S1 检测到有钢板在传送带上时，M3 电动机正转，指示灯 M3
16、F 亮。3. 当传送带上的钢板已过 S1 检测信号且 S2 检测到钢板到位时，电磁阀 YV 动作，M3 电动机反转，指示灯 M3R 亮。Y1 锻压机向钢板冲压一次，S2 信号消逝。4. 当 S1 再次检测到有信号时，M3 电动机正转。5. 如此重复 3 次，停机 1 分钟，将已加工好的钢板放入加工后钢板存储区。2.2 设计要求1. PLC 型号：西门子公司 S7 系列，S7-300。2. 编程环境：SIMATIC Manager /Step7 V5.4 或更高版本。3. 依据掌握要求安排 PLC I/O 地址，画出 PLC 与掌握对象的接线图，设计掌握流程，依据模块化的方式设计程序，既可以承受
17、 LAD 编程，也可以承受 STL 编程，还可以承受组合方式编程。4. 编写的需要输入 PLC，调试通过。武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书第 3 章 系统硬件设计依据掌握要求，本设计有 2 个检测信号，S1 用于检测待加工钢板是否已在传输带上，S2 用于检测待加工钢板是否到达加工点。S1 有效时，M1、M2 工作，M3 正转。S2 有效时，M3 反转，Y1 动作。轧钢机需要重复三次，停机一分钟，将加工好的钢板放入加工后钢板存储区，因此需要计数器和定时器，并且计数到达预定值后还要复位。3.1 总体设计3.2 电机主电路图 3 PLC 掌握依据要求画出的主掌握线路图,其中 FR 热继电器用
18、于电动机的过载保护，断相及电流不平衡运行保护。FU 熔断器起电机主回路短路保护作用。图 4 电机主电路武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书3.3 PLC 轧钢机 I/O 安排表输入输出功能元件PLC 地址功能元件PLC 地址启动SB1I0.0掌握 M1电机KM1Q4.0停顿SB2I0.1掌握 M2电机KM2Q4.1S1检测信号S1I0.2Y1锻压掌握KM3Q4.2S2检测信号S2I0.3M3正转指示M3反转指示M3F M3RQ4.3 Q4.4图 5I/O 地址安排表3.4 PLC 轧钢机 I/O 外部接线图图 6I/O 口外部接线图武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书第 4 章 系统软
19、件设计4.1 程序流程图开头M1、M2 启动N扎件到来等待Y第一次轧制送到右边其次次轧制送到右边第三次轧制送出等待 1 分钟，自动开头图 7 系统流程图武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书4.2 LAD 程序设计武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书依据系统掌握要求按下启动按钮 I0.0 后，电机 M1 和 M2 转动。检测传送带上是否有钢板的传感器 I0.2 开头检测,假设有则电动机 M3 正转，然后是检测是否到位的传感器 I0.3 开头检测，假设到位则电动机 M3 反转且锻压 Y1 下压一次，在开启 I0.2 检测，如此重复三次。为了实现重复三
20、次的操作，在程序中设置减计数器 C0，在完成一个周期的操作后需停机 1 分钟，为实现此功能，在程序中添加了定时时间为 1 分钟的定时器 T0。武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书第 5 章 系统调试与仿真5.1 硬件组态调试依据 PLC 选择对应的地址和相应的电源、CPU、输入、输出等的型号，配置如下：5.2 系统仿真图 8 硬件组态将程序编写好、保存以后，翻开仿真 S7-PLCSIM 软件，将程序下载到 PLC 中，对程序进展仿真。武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书图 9 按下SB1 启动时的仿真效果图 10 按下S1 时的仿真效果武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书图 11
21、按下S2 时的仿真效果图 12 定时停机 1 分钟的仿真效果武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书图 13 按下SB2 停顿时的仿真效果软件程序由 STEP-7 软件编写，可以对程序网络框图进展标注，程序编写完成后，对程序进展编译连接，假设有程序错误，在进展修改，直到没有错误为止， 连好相应电路，PLC 程序编译完毕以后，下载到PLC 中，运行程序，翻开PLC 编程软件监视，启动Step7 V5.5 软件，当按I0.0 时，此时可以在仿真窗口中看到表示电机 M1 和 M2 的线圈运行，当按下 I0.2 时，可以看到在表示 M3 正转的线圈和电机 M1、M2 的线圈运行，当按下 I0.3 时，
22、可以看到在表示 M3 反转的线圈和电机 M1、M2 的线圈下运行，同时可以看到计数器的计数值削减了 1，重复按下I0.2 和 I0.3，当计数器的值减小到 0 时，定时器自动启动，定时时间 1 分钟。定时时间到以后，将已加工好的钢板放入加工后钢板存储区。武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书第 6 章 总结本次课程设计我对轧钢机 PLC 掌握系统进展了设计。通过这次的设计我对如电工学、PLC、机电传动掌握等相关课程也有了一个的生疏，敏捷的应用STEP 7 软件画图，对前面所学学问有了很好的回忆与应用。通过这门课的设计我还有以下几点收获：提升了自己的动手力量和思考力量，在设计过程中也查阅了很多
23、资料和书籍，丰富了我对所学学问的生疏，扩宽了自己的学问面，培育了良好的分析和解决问题的力量，还懂得了合作精神的重要性，对自身以后的成长有很大的帮助。同时，我也深知由于时间的限制和个人力量有限此次课程设计存在很多缺陷和问题，比方一些资料收集得不够齐全，致使对设计的理解上造成了肯定的误差。程序编写时不够完善，有些地方仍不能完全满足要求，仍有进一步创的可能。不管怎样，此次课程设计让我获益匪浅，在此格外感谢刘有源教师的指导和同学们的帮助，感谢你们！参考文献1 王永华.现代电器掌握及 PLC 应用技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，20232 李岚，梅丽凤. 电力拖动与掌握. 北京：机械工业出版社，20233 陈立定等. 电气掌握与可编程程序掌握器M. 广州：华南理工大学出版社，20234 廖常初.S7-300/400 PLC 应用技术. 北京：机械工业出版社，2023.5 吴中俊.可编程序掌握器原理及应用M.北京：机械工业出版社，20236 胡健.西门子 S7-300PLC 应用教程M. 北京：机械工业出版社，20237 Siemens AG.Programming with STEP 7 Manual,2023.8 SIEMENS 公司.Step7 V5.4 编程手册武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书附录：STL 程序语句武汉理工大学机电传动与掌握课程设计说明书