电气类121122班PLC课程设计指导书15简.doc

电气类PLC课程设计指导书主编：自动化系 杨涟中原工学院电子信息学院 二 零 一 五 年 六 月前 言电气控制与PLC是工业控制领域中应用得十分广泛、且实践性极强的一门专业课程，有必要在基本理论学习和实践的基础上通过课程设计进行综合性训练，使学生对小型PLC系统集成、PLC复杂控制程序设计、与电气控制系统结合、人机界面设计及监控等方面建立起整体印象。电气控制与PLCP通过为期一周的课程设计，完成满足控制要求的PLC控制系统集成、PLC控制程序设计、控制系统硬件设计、监控系统设计、运行调试，并撰写课程设计报。使学生的理论基础、动手能力和相关知识的综合运用能力得到进一步提高，对工控系统建立起整体印象，培养学生的专业知识综合应用能力和工程实践能力。本课程设计要求学生完成下列先修课程：电路、电子、电力电子技术、电力拖动、电气控制与PLC、检测技术等。本课程设计采用的目标样机是西门子S7200系列PLC。本指导书由杨涟老师编写。 2015年6月目 录前言 2目录 3第一章 概述 4第二章 PLC 课程设计指导 5第三章 课程设计的内容和要求10第一节 课程设计的要求和组织形式 10第二节 课程设计的具体控制要求 12题目一 包装生产线PLC控制系统设计 12附录 A S7200系列PLC外围典型接线图 14 使用教材与教学参考书 17参考文献 17第一章 概 述可编程控制器是以微处理器为核心的通用工业控制装置。它将传统的继电器-接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合，集计算机、控制、通信于一体，为工业自动化提供了几乎完美的现代化自动控制装置。可编程控制器主要应用于逻辑控制 、运动控制、过程控制、数据处理、通信联网等领域，且正向着楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域扩展。电气控制与PLC是实践性极强的一门实用技术，是自动化、电气工程及其自动化专业的必修课程，其特点是理论学习与实验并重，且相辅相成。理论学习用于指导实践，实践又反过来加深对理论的理解。学生在充分学习了电气控制技术、S7-200系列PLC的硬件系统及内部资源、基本逻辑指令及程序设计方法、顺控指令及应用、功能指令及其编程，完成了基本实验后，对PLC的应用有了一定的基础，有必要通过课程设计进行进一步的综合训练，构筑实践环境，使学生对PLC系统集成、PLC复杂控制程序设计、电气控制线路设计、人机界面设计及监控等方面建立起整体印象，强化工程意识，提高应用能力。PLC课程设计的任务是巩固先修课程：电路、电子技术、电力电子技术、电气控制技术、PLC技术、电力拖动及检测技术等，并着眼于综合应用。通过为期一个星期的课程设计，完成满足控制要求的PLC控制系统集成、PLC控制程序设计、控制系统硬件设计、监控系统设计、运行调试，并撰写课程设计报告。该课程设计涉及到电气控制线路设计、电动机拖动方案选择、现场信号的采集、现场负载的驱动、PLC系统集成、S7-200系列PLC基本逻辑指令、控制指令、简单及复杂功能指令的应用等知识，覆盖面较广，通过课程设计可以使学生的理论基础得到进一步巩固，动手能力进一步提高，对工控系统建立起整体印象，提高专业知识的综合应用能力和工程实践能力，为今后的工作打下良好基础。第二章 PLC课程设计指导在学习了电气控制技术、PLC的特点和结构组成、工作原理和指令系统，进行了认识性实验、综合性、设计性实验后，如何根据一个实际的工业控制项目，完成PLC控制系统的设计，使之最大限度地满足机械设备或生产工艺的要求，是学习该课程的根本目的。为了实现这一目标，还应结合PLC控制技术的特点，进行比较深入的研究与实训。电气控制与PLC课程设计就是通过简单的工程实例，从工程的角度、操作的角度，尽可能全面地综合考虑问题和处理问题，进而完成PLC控制系统的设计。 一、PLC控制系统设计的基本原则PLC控制系统的设计原则就是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，因此需要全面、系统地考虑系统的控制要求，从实际出发，设计一个可靠性高、技术先进合理、易操作、易维护、低成本的PLC控制系统。设计的基本原则如下： 1满足被控对象的要求PLC控制系统设计的首要任务就是要充分满足被控对象对控制系统提出的要求，这也是PLC控制系统设计中最重要的原则。为了实现系统的控制目标，要求设计人员对被控对象和生产现场做深入细致的调查研究，详细收集有关的设计资料，包括生产现场的作业环境，生产设备的相关参数，控制设备的操作方式和操作顺序，以及相关的管理经验等。在制订控制方案时，要与现场的管理人员、技术员及操作人员共同研究，紧密配合，共同拟订控制方案，解决设计中的疑难问题和重点问题。在制订控制系统的控制方案时，要从工程实际出发，要充分考虑系统功能的组成及实现，主要从以下方面考虑。 机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护和联锁。 系统的工作方式（如手动、自动、半自动）。 生产设备内部机械、电气、仪表、气动、液压等各个系统之间的关系。 PLC与上位计算机、交直流调速器、工业机器人等智能设备的关系。 系统的供电方式、接地方式及隔离屏蔽问题。 网络通信方式。 数据显示的方式及内容。 安全保护措施及紧急情况处理。2确保系统安全可靠、操作简单确保PLC控制系统的安全可靠、长期稳定地连续运行，这是任何一个控制系统的生命线。为此，必须在控制方案的制定、控制设备的选择及应用程序的编制方面都要建立在确保控制系统安全可靠的基础上。在操作上，要保证系统操作的简单有效，尤其是在设计控制程序时，不仅要保证在正常的工作条件下的正确运行，还必须充分考虑到在非正常的工作条件下（如电源突然掉电再上电，操作人员的误操作，非法操作等），系统仍能正常工作。要求控制程序只能接受合法操作，拒绝非法操作。3尽量减少工程成本和维护费用任何一个控制系统都能改善作业环境，提高劳动生产率，改进产品质量。但是，如何在满足生产工艺要求的前提下，设计一个低成本、低维护费用的PLC控制系统，这也应当是进行PLC控制系统设计时要考虑的一个基本设计原则，使得设计出来的PLC控制系统，既可靠，高效，又经济、实用。4适当留有扩展裕量PLC具有易于系统扩展的能力，以PLC作为主控制器的控制系统，要考虑和利用这种易于系统扩展的能力。在进行PLC控制系统设计时，要考虑到今后生产工艺的改进和控制功能的扩充问题。在进行控制系统组态时，要留有适当的裕量。二、控制系统设计的基本内容1机型选择可编程控制器是PLC控制系统的核心器件，因此正确选择PLC的机型，是进行PLC系统设计的首要内容。机型的选择主要考虑以下几方面。系统的控制类型。下列系统非常适宜采用PLC控制：单机控制的小系统。 慢过程控制的大系统。 快速控制的大系统。 系统的控制对象。 输入量输出量的类型和数量。 对 CPU功能的要求。 控制室与现场的最远距离。2系统组态在选定PLC的机型后，就要对所选机型进行系统组态。CPU组态是指配置PLC系统的部分硬件的功能和参数。进行一个 PLC系统的组态应包含很多内容，例如：对输入输出的组态；对通信设备的组态；对各种功能模板的组态等。最基本、最常用的系统组态是CPU主机单元对输入输出系统进行组态。例如，S7-200系列PLC对输入输出系统进行的系统组态，应包括如下方面： 配置I/O点数及模块地址。 设置输入滤波。 设置脉冲捕捉。 配置数字量输出表。3编程元件地址分配在对系统进行组态后，要对系统的编程元件进行地址分配，首先是要对输入输出点进行地址分配。在进行地址分配时，西门子小型机（S7-200PLC）的地址分配与模块的排列顺序有关，一旦模块排列顺序确定，各模块I/O地址就由系统确定下来，我们必须清楚系统分配地址的原则，我们所列写的各模块的I/O地址必须与系统分配的地址一致，具体外部信号连接到那个模块的哪些I/O点，需要从工程实际角度出发，考虑地址分配与电缆布线、程序编制、系统调试及维护检修的联系，使之便于施工布线，便于编制和调试程序，便于维护检修。（1）单台 PLC系统的输入输出点的地址分配以一个具有 4台交流电动机控制的 PLC控制系统为例，每台交流电动机需要 14个输入点（其中联锁条件8点，启动停止命令6点），6个输出点（其中启动输出和停止输出2点，电磁阀2点、指示灯 2点），系统的主令控制需要 10个输入点，6个输出点。共需要 66个输入点，30个输出点。CPU对输入输出系统的系统组态为：用 1台 S7-200，CPU224，4台 EM223（16入/16 出）IO模块。如果将输入输出点统一按顺序进行地址分配，地址分配结果如表2-1所示。表2-1对输入输出点按统一顺序进行地址分配模板CPU224EM223 1EM223 12EM223 13EM223 24输入点I0.0I1.1I2.0I3.5I3.6I5.3I5.4I7.1I7.2I8.7输出点Q0.0Q0.5Q2.0Q2.5Q2.6Q3.3Q3.4Q4.1Q4.2Q4.7控制主令控制1号电动机2号电动机3号电动机4号电动机按照表2-l进行地址分配，则1号电动机涉及到2个EM223模板，2号电动机涉及到2个 EM223模板，而 3号电动机和 4号电动机则涉及到 3个 EM223模板。这样进行的地址分配，不仅使得各台电动机与IO模板的布线比较混乱，也不便于编程和维护检修。如果按控制设备（如电动机）对输入输出点进行分组，在组内按顺序分配，使同一台控制设备的输入输出点相对集中，这样不仅布线方便，对于编程、调试及维护检修都很方便。表2-2对输入输出点按分组顺序进行地址分配模板CPU224EM223 （1）EM223 （2）EM223 （3）EM223 （4）输入点I0.0I1.1I2.0I3.5I4.0I5.5I6.0I7.5I8.0I9.5输出点Q0.0Q0.5Q2.0Q2.5Q4.0Q4.5Q6.0Q6.5Q8.0Q8.5控制主令控制1号电动机2号电动机3号电动机4号电动机（2 ）多台 PLC系统的输入输出点的地址分配在多台PLC控制系统中，应根据整体控制要求，按照控制类别对输入输出点统一进行分组，规定出每台PLC都要遵循的地址分配原则。例如某自动化生产线有4道生产工序，虽然每道工序所完成的任务不同，所用的设备也不相同，但是针对控制对象而言，都有非常类似的操作任务，如启动、停止、复位、显示、检测等。如果能对每台PLC的输入输出点统一归类分组后再进行地址分配，如表2-3所示的输入输出点地址分配，对于编程、调试及维护检修是非常方便的。表2-3多台 PLC归类分组进行地址分配输入点控制对象输出点控制对象Ix.0控制台启动操作Qx.0控制台启动显示Ix.1电动机启动操作Qx.1电源显示Ix.2电动机停止操作Qx.2电动机运行显示Ix.3故障复位Qx.3操作方式显示Ix.4紧急停车Qx.4故障显示Ix.5输入信号检测Qx.5电动机运行Ix.6Qx.6如果系统的控制规模较大，还要涉及到很多诸如定时器、计数器、辅助继电器等编程元件时，对这些编程元件也要进行地址分配，以便于编制程序、阅读程序和分析查找故障。建立了地址分配表的另一个好处是可以使用符号地址编写程序。 4软件设计 软件设计就是编写具体的用户程序，几种典型的PLC控制程序的编写方法如下。 ( 1 ) 图解法编程 梯形图法。这是一种模仿继电器控制线路图的编程方法，其编程元件的名称和图形与继电器控制线路图都非常相近。原继电器控制线路可以很容易地转换成梯形图语言，对于现场熟悉继电器控制的技术人员，是最方便的编程方法。 逻辑流程图法。逻辑流程图法是用逻辑框图表示系统的工艺流程，生产工艺的进行过程就是PLC程序的执行过程。它非常明确地表示了每道工序输出与输入的因果关系及联锁条件，使得编程思路清晰，便于阅读和分析程序，也便于调试程序和查找故障点。 时序流程图法。时序流程图法是根据控制系统的时序(即到某个时间进行某个操作）图来编写PLC控制程序，适用于以时间为基准的控制系统。 步进顺序控制法。步进顺序控制法是借助于步进（或顺序控制）指令编写较复杂的PLC控制程序，它是将比较复杂的程序分解成若干个简单的程序段，每个程序段可以看成是PLC的一个执行步，这样就可以在不同的时刻或不同的进程中完成对各个步的控制。( 2 ) 经验法编程经验法编程就是运用自己或别人的经验编写PLC控制程序。所谓运用自己的经验是指用自己熟悉的编程方法，或对以前编写的工艺相近的控制程序进行修改。所谓运用别人的经验是指借鉴别人的设计经验，参考有关资料介绍的典型控制程序来编写PLC控制程序。 ( 3 ) 计算机辅助设计编程计算机辅助设计编程是通过专用的PLC编程软件，在计算机上进行程序设计，可以进行在线编程或者离线编程，也可以进行离线仿真或者在线调试。通过专用的PLC编程软件，还可以方便地实现程序存取、加密或生成.EXE类型的应用程序。 5编制系统的技术文件当系统交付使用后，应当根据系统调试的最终结果，整理并编写完整的技术文件交给用户，以利于系统的维护和改进。系统的技术文件一般包括： 控制系统结构框图，各PLC系统（或PLC网络）的组配置； PLC 的外部接线图和其它的电气图纸（包括主电路、控制电路原理图，控制柜内部布置图、走线图，控制系统布置图、走线施工工艺图等，电气元器件清单）。 PLC的编程元件表，包括输入输出点的地址分配，定时器、计数器、辅助继电器等的地址分配，以及定时器和计数器的设定值。 带注释的梯形图或者基于步进顺序控制的顺序功能图。 监控系统的组成及功能说明。 必要的设计、操作、安全事项说明三、PLC控制系统设计的一般步骤用PLC进行控制系统设计的一般步骤如图2-1所示。图2-1 PLC控制系统设计的一般步骤一、PLC控制系统设计步骤1分析被控对象，提出控制要求。2. 确定输入、输出设备。3确定PLC的I/O点数，选择PLC机型（包括厂家、产品系列、CPU型号、扩展模块型号、连接电缆及其它附件）。绘制PLC系统配置结构图。4分配各模块I/O地址，绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。 5绘制PLC系统的电气控制系统图（原理包括主电路及控制电路图原理图、接线图等）。6. 完成电气控制系统配线；7程序设计，绘制工作循环图或状态转移图。1）初始化程序； 2）控制程序；3）检测、故障诊断和显示等程序；4）保护和联锁程序。8程序调试。先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。9监控系统的设计及调试。10调试过程结束，整理技术资料，出竣工图，交付用户，投入使用。更详细说明参见课本第九章。第三章 课程设计的内容和要求第一节 课程设计的要求和组织形式一、课程设计的内容和要求 1、根据指定控制系统要求、使用环境、选择可编程控制器的型号（包括CPU模块和扩展模块），完成系统集成，硬件电路（包括主电路、控制电路、PLC外部接线图）的设计，并检查硬件电路是否符合控制要求和国家标准规范化要求。2. 根据PLC外部接线图，完成PLC与外部输入设备、输出负载的连接。3. 根据包装生产线控制要求设计PLC控制程序，利用STEP7-MincroWin32编程软件将程序输入到PC机中。4. 下载PLC控制程序，运行、调试、修改、完善，直至控制程序满足控制要求。5. 通过对被控对象系统的硬件设计、PLC控制程序设计及调试，使学生对PLC系统集成、PLC复杂控制程序设计、与电气控制系统结合等建立起整体印象，摸索并积累编程的技巧及经验，在调试过程中发现问题，综合应用理论知识分析问题、解决问题，强化工程意识，提高应用能力。 二、课程设计的组织形式1、课程设计以小组为单位进行，由指导教师集中向学生介绍课题的背景、课程设计的要求、方法及步骤。设计过程中采用集中辅导、分散设计的方式。10号楼301实验室共有S7-200PLC设备20台（实验台），故课程设计约34人为一组，自由组合。任务要求在小组内明确分工、相互协作、共同形成设计方案，并在实验装置上完成系统综合调试。表3-1 课程设计时间安排表时间课程设计内容地 点分 组时 间十九周第一天上午8:30-9:30集中讲解PLC课程设计要求，自主查看相关课件：一、课设题目及要求二、工业控制系统集成方法。10号楼301室集中讲解，自主完成技术准备半天第一天下午2:00-17:40技术准备一、列出控制系统输入、输出；完成控制系统集成，包括：选择PLC的CPU、扩展模块，I/O元件；分配各模块的I/O地址；二、画出控制系统框架结构图、主电路原理图、PLC外部接线图（草图）；自主完成半天第二天8:30-17:40硬件设计及接线一、用计算机绘图，完成控制系统各种图纸绘制。二、按照PLC外部接线完成接线301室34人1天第三天8:30-17:40编写PLC控制程序并完成调试301室34人1天第四、五天撰写课程设计报告自主完成2 天课程设计报告要求19周周 下午 点之前送到10号楼301室。2、 课程设计以小组为单位，34人一组，可以进行小组讨论、任务分工；设计过程必须在本组内独立完成，不得跨组参考或抄袭，避免方案出现雷同。3、根据设计、调试的结果写出课程设计报告。 课程设计报告一律采用报告纸书写（按照指导书要求书写，不得缺项），用学校规定的课程设计封面装订。4. 课程设计报告要求在十九周内完成，要求在十九周 下午 点之前交到10号楼301室,过期不候。注：具体时间进度安排到时候再定。第二节 课程设计的具体控制要求 题目一、 包装生产线PLC控制系统设计一、设计目的通过对包装生产线PLC控制系统设计，即系统的硬件设计、PLC控制程序设计、监控程序设计及调试，使大家对PLC系统集成、PLC复杂控制程序设计、与电气控制系统结合等建立起整体印象，强化工程意识，提高应用能力。二、任务描述某包装生产线的示意图如图3-1所示。图3-1 包装生产线的示意图包装物品由传送带1随时运来，运送时间不固定，因此包装物品的间隔是不确定的，有的包装距离较远，有的包装则靠在了一起。在传送带1的电动机轴上安装一个旋转编码器E6A，电动机转动1圈，旋转编码器发出1个脉冲。每个包装物品的宽度是 4个脉冲，当光电检测器 SP1检测到包装物品，且旋转编码器发出4个脉冲时，表示有1个包装物品通过传送带1到达传送带2。这样就可以通过对旋转编码器发出的脉冲数的计数，实现对包装物品的准确计数。控制任务和要求 按下启动按钮 SF1后，传送带 1和传送带 2运转，传送包装物品到传送带 2（传送带1、2均由三相笼型异步电动机驱动）。 当传送带2上有3个物品后，挡板电动机MA1正转，驱动挡板上升，阻止后面的包装物品继续运送到传送带2上。 当挡板上升到位，上限位开关BG3动作，挡板停止上升，推动器电动机MA2正转，将3个包装物品向前推出。 当推动器到达前限位开关，BG2动作，打包机打包（输出一个打包信号），并对打包进行计数，同时推动器停止向前，推动器电动机MA2反转，驱动推动器后退。 当推动器后退到位时，后限位开关 BG1动作，推动器停止后退，推动器电动机 MA2停转。此时挡板电动机MA1反转，驱动挡板下降。 当挡板下降到位，下限位开关BG4动作，挡板回到初始位置。 打包计数最大值为220，计到220时，打包计数器自动清零。用实验室控制台上的数码管显示打包数量（分时显示高/低位）。 实时计算物品重量,假定每一包的重量是105.56kg,根据打包数量计算当前物品重量，要求计算值取整后，存放在VD400中。 按下停止按钮 SF2后，包装生产线的档板及推动器需要完成本次循环，回到原位后停止；然后传送带 1和传送带 2停止运转。 按下急停按钮 SF3，所有机械停止运行。三、课程设计报告要求课程设计报告必须按照要求撰写，不得缺项，报告的质量会影响课设成绩，希望同学们认真对待。1）课程设计题目名称 。2）课程设计目的 。3）控制任务及要求。4）列