西安邮电大学PLC课程设计报告

西安郵電大学PLC课程设计报告书院(系)名称：自动化学院学生姓名：XXX专业名称：电气工程及其自动化班级：电气1101班时间：2014年9月30日,10月8日至10月17日水位采集控制系统课程设计题目及要求名称：水位采集控制系统描述：S7-200为核心控制器，设计一个水位采集控制系统。具体要求：1、可实时测量水位的变化，并在组态软件中显示，测量精度cm；2、当水位发生变化时，自动进行出水与进水，使水位保持在设定值；3、PLC程序、组态软件设计；4、系统搭建及调试。设计所课程需器件主要元器件：s7-200、压力传感器1个、导线若干。器件介绍1、（一）S7-200MicroPLC的概述S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，图2-1展示一台S7-200MicroPLC。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。图2-1S7-200系列PLC外观图图2-1是西门子公司S7-200系列PLC的外型示意图。S7-22X系列有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM、CPU224XP等型号，均为整体式机，且外观布置大体相同。图2-1中可见，连接输入、输出器件及电源用的接线端子也位于箱顶部两侧，为了方便接线，CPU224、CPU226和CPU226XM机型采用可插拔整体端子。用于通信的RS-485接口在机身的左下部，图2-1中前盖下有用于连接扩展单元的扩展接口、模式选择开关、模拟量电位器等装置。模式选择开关具有RUN/STOP及TERM的三种状态。CPU在RUN状态下执行完整的扫描过程；在STOP状态下则可与装载STEP7-WIN编程软件的计算机通信、下载及上载应用程序；TERM状态是一种暂态，可以用程序将TERM转换为RUN或STOP状态，在调试程序时很有用处。TERM状态还和机器的特殊标志位SM0.7有关，可用于自由口通信时的控制。模拟电位器可用于定时器的外设定及脉冲输出等场合。整体机的特点是结构紧凑，使用方便，缺点是输入输出口配置数量固定，主要用于小型PLC。（二）、S7-200MicroPLC主要组成部分1台S7-200MicroPLC包括一个单独的S7-200CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块，本实验仪采用CPU224，模块223，继电器输出。1、S7-200CPUS7-200CPU模块包括一个中央处理单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。·CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。·输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其它设备。·电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。·通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其它一些设备连接起来。·状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机I/O的当前状态，以及检查出的系统错误。·通过扩展模块可增加CPU的I/O点数（CPU221不可扩展）。·通过扩展模块可提供其通讯性能。·一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。·EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU的程序传送到另一个CPU中。·通过可选的插入式电池盒延长RAM中的数据存储时间。2、扩展模块S7-200CPU模块提供了一定数量的本机I/O，扩展模块提供了附加的输入输出点（见图2-2）图2-2带有扩展模块的CPU（三）最大I/O配置每种CPU的最大I/O配置须服从以下限制：1、模块数量CPU221：不能扩展CPU222：最多2个扩展模块CPU224和CPU226：1最多工7个扩展模块7个模块中最多能有2个智能扩展模块（EM227PROFIBUS-DP模块）。2、数字量映象寄存器大小：每个CPU允许的数字量I/O的逻辑空间为128个输入和殊模块可能不能全部寻址8个点，例如CPU224有10个输出点，但它占用逻辑输出区的16个点地址。一个4入/4出的模块占用逻辑空间的8个输入点和8个输出点。3、模拟量映象寄存器大小：模拟量I/O允许的逻辑空间为：CPU222：16输入和16输出CPU224和CPU226：32输入和32输出4、5V电源预算：表2-1列出了每种CPU所能提供的最大5V电流。在一个系统中的所有扩展模块的电流总和不能超过该预算。表2-1S7-200CPU所提供的电流2-2S7-200CPU的最大I/O配置（四）S7-200MicroPLC系列的性能比较1、所需设备图2-3展示了一个基本的S7-200MicroPLC。它包括一个S7-200CPU模块，一台个入计算机（PC），STEP7-Micro/WIN32(3.1版)编程软件，以及一条通讯电缆。·一条PC/PPI电缆·一个通讯处理器（CP）和多点接口（MPI）电缆·一块MPI卡，随MPI卡提供一根通讯电缆。S7-200MicroPLC系统的组成压力传感器（一）介绍压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。压力传感器在液压系统中主要是来完成力的闭环控制。当控制阀芯突然移动时，在极短的时间内会形成几倍于系统工作压力的尖峰压力。在典型的行走机械和工业液压中，如果设计时没有考虑到这样的极端工况，任何压力传感器很快就会被破坏。需要使用抗冲击的压力传感器，压力传感器实现抗冲击主要有2中方法，一种是换应变式芯片，另一种方法是外接盘管，一般在液压系统中采用第一种方法，主要是因为安装方便。此外还有一个原因是压力传感器还要承受来自液压泵不间断的压力脉动。（二）工作原理4～20mA、0～5v、0～10mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性，是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：Ρ=ρ式中：P：变送器迎液面所受压力ρ：被测液体密度g：当地重力加速度Po：液面上大气压H：变送器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为：ρ.g.H，显然,通过测取压力P，可以得到液位深度三、编程系统使用（一）程序安装1、预装指令在运行装载前：·如果已装有旧版本的STEP7-Micro/WIN32，应将所有的STEP7-Micro/WIN项目文件备份到软盘上。·关闭所有的应用软件，包括MicrosoftOffice工具条。·确信PC机和CPU间的通讯电缆已连接好2、安装STEP-Micro/WIN32按以下步骤安装STEP7-Micro/WIN32软件；（1）将CD盘或软盘插入相应的驱动器（2）单击“Start”按钮启动Windows菜单。（3）单击Run菜单（4）如果从软盘装载，则在Run对话框中，键入a：\setup并按OK或ENTER键，则开始进行安装过程；如果从光盘装载，则在Run对话框中，键入e：\setup（“e盘”为光驱）并按OK或ENTER键，则开始进行安装过程。（5）按照在线安装程序完成软件的安装。（6）安装会自动出现设置PG/PC接口对话框，在本章后面将介绍如何设备PG/PC参数。点击“Cancel”进行下一步。（7）在安装结束时会出现下列两种选项：·选项1：是，我要现在重新启动计算机（缺省选项）否，我以后再重新起动计算机如果出现该选区项，建议您选择缺省选项，点击Finish完成安装，随后请阅读Readme文件浏览有关STEP7-Micro/WIN32的最新信息。·选项2：是，我现在要浏览Readme文件（缺省选项）否，我现在要进入STEP7-Micro/WIN32如果出现该选项，建议您选择缺省选项，点击Finish完成安装。随后请阅读Readme文件游览有关STEP7-Micro/WIN32的最新信息。有关STEP7-Micro/WIN32的最新信息可以在CD或磁盘中的READMEX.TXT文件中得到。（在X位置，字母A=德语、B=英语、C=法语、D=西班牙语、E=意大利语）。3、单连接用户的常见问题列表（1）不正确的波特率，修改波特率。（2）不正确的站地址：修改站地址。（3）PC/PPI电缆设置不正确：参照有电缆设置。（4）计算机上的不正确的通讯口：检查通讯口，（5）自由模式下的CPU（通讯口由用户程序控制）：把CPU置为STOP模式（6）和其它主站冲突：把CPU从网络中断开。（二）如何用PC/PPI电缆设置通讯？1、PC/PPI电缆的连接本节说明如何利用PC/PPI电缆建立S7-200CPU与个人计算机之间的通讯，这是单主机组态，不需要安装其它的硬件（例如调制解调器或编程设备）。（1）选择计算机所支持的波特率。（2）把PC/PPI电缆的RS-232端（标着PC）连接到计算机的通讯口虽COM1或者是COM2，并拧紧连接螺丝。（3）把PC/PPI电缆的RS-485端（标着PPI）连接到CPU的通讯口，并拧紧连接螺丝。有关PC/PPI电缆的技术细节，有关它的定货号，请参阅附录E2、核实PC/PPI电缆缺省的参数按照下面的步骤可以为你的接口核实缺省的参数：（1）在STEP7-Micro/WIN32下，单击通讯图标，或从菜单中选择View>Communications，于是出现一个通讯设定对话框。（2）在通讯设定对话框中，双击PC/PPI电缆的图标。将出现设定PG/PC接口的对话框。（3）选择“Properties”钮，将出现接口属性的对话框（见图3-2）。检查有关属性，确保正确。通讯速率缺省值为9600波特。（4）有关修改缺省参数的帮助。图3-1设定PG/PC接口的对话框图3-2PG/PC接口对话框属性（三）建立与S7-200CPU的在线联系当你的计算机已经安装STEP7-Micro/WIN32软件，并且用PC/PPI电缆建立通讯，就可以与S7-200CPU建立在线联系。（如果你使用的是编程器，编程器上已经预装了STEP7-Micro/WIN32。）按照下面的步骤建立S7-200CPU的联机：1、在STEP7-Micro/WIN32下，单击通讯图标，或从菜单中选择View>Communications。将出现一个通讯建立对话框，显示没有连接CPU。2、双击通讯建立对话框中的刷新图标。STEP7-Micro/WIN32检查所连接的任何S7-200CPU（站）。在通讯连接对话框中所连接的每个站显示为一个CPU图标。见图3-3。3、双击要进行通讯的站，在建立通讯对话框中可以看到所选站的通讯参数。4、现在可以建立与S7-200CPU的在线联系。图3-3通讯建立对话框（四）修改PLC的通讯参数一旦和S7-200CPU建立在线连接，就可以核实或修改PLC的通讯参数。按照下面的步骤修改通讯参数：1、单击导引条中的系统块图标，或从主菜单中选择View>SystemBlock.。2、出现系统块对话框，单击Port(s)项，（见图3-4）。根据缺省，站地址是2，波特率是9.6k波特。3、选择“OK”保持这些参数。如果要修改参数，先进行有关的修改，然后单击“Apply”钮，然后再单击“OK”。4、单击工具条中的下装图标，把修改后的装入到PLC。设置的通讯参数已经接受。四、网络部件可以把每个S7-200上的通讯口连接到网络总线。下面描述通讯口、网络总线连接器、网络电缆和用于扩展网络的中继器。（一）通讯口S7-200CPU上的通讯口是符合欧洲标准EN50170中PROFIBUS标准的RS-485兼容9-针D型连接器。图3-7是通讯口的物理连接口，表3-1给出了通讯口插针的分配。图3-7S7-200CPU通讯口引脚分配表3-1S7-200通讯口引脚分配五、方案设计（1)本课题设计的目的和意义可编程控制器PLC）因为抗干扰能力强，可靠性好，控制系统结构简单，通用性强，编程方便，易于使用，设计、施工、调试、的周期短，体积小，维护操作方便，易于实现网络化，可实现三电一体化等优势已经成为应用面最广，最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。通过PLC对程序设计，提高液位系统的控制水平。因此PLC在液位控制系统中应用非常广泛，具有很高的应用价值。(2)采用PLC控制液位的优点从控制方式上比较：用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、控制要求设计控制程序，而且在以后的修改中只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。2·从工作方式上比较：电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。3·从控制速度上比较：电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过通过半导体来控制，速度很快，无触点，故无抖动一说。4·从定时，计数上比较：电器控制定时精度不高，易受环境温度变化的影响，且无计数功能；而PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有计数功能。5·从可靠性，可维护性上比较：电器控制接触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线较多，可靠性，维护性差；而PLC无触点，采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，能适应工作现场的恶劣环境，使用寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。(3)原理框图液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、电学法、热学法等。压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系:P=ρgh式中,是被测液体的密度()。如图所示：设计一个闭环系统，被测对象是水箱中水的液位，通过阀门手动调节液位，在显示器中可以与水箱刻度对比校准。下面是装置设计图：水箱水箱储水池溢出管管道水泵稳压包液位传感器放水阀打开水泵和进水阀，水箱上水；若超过500mm，则通过溢出管返流到储水箱。液位传感器/变送器进过运算之后在显示器上。关闭水泵和进水阀，打开出水阀；手动调节液位，对比刻度和显示器。结构图如下：液位控制对象液位控制对象液位传感变送器数字显示PLC水泵给定值SV仪表测控系统结构图程序仿真及实物图程序仿真图（一）程序仿真图（二）程序仿真图（三）硬件连接图六．调试过程中遇到的问题及解决方法PLC的AI模块两线制电流接法电源24V正接到仪表的正端，然后由负端的信号进入模块的正端，模块负端出来的线接到COM端（24V负端）。模拟量输入是采集外部模拟信号进行转换，如温度0-100摄氏度如果是电流4-20MA在西门子200里的工程量就是6400-32000。这样就可以换算得出实时的当前温度。（二）实验所得数据：12345678910液位值11131517192123242526输出值10.6612.4814.9916.7818.9021.4522.8923.6724.8726.00差值0.340.520.010.220.10-0.450.110.330.130.00七．个人分工及心得体会XX（硬件设计）：在本次课程设计过程当中，我们做的是水位的测量，使用的主要工具有STEP7-Micro/WIN32、液压传感器、调节阀水箱。首先对实验整个过程的认识，了解到许多在控制生产过程当中需要注意的事项和研究方法。实验中，一方面，在连接电路图的过程中，遇到问题时候，我们一一进行排查，找出问题的所在。比如说，电阻的连接中就遇到了所选用电阻的大小与所需的电阻大小存在误差，这虽然是一个很细小的问题，但却在检测过程中体现的是认真和细心。另一方面，将课堂上的理论知识应用到了实际，加强巩固了理论知识，也提高了实际动手能力。通过实践反馈，了解到了自身专业知识方面的不足。在有了这次经历，我想我们以后遇到类似的问题，也能很好的处置，度过难关，顺利完成目标。XX（程序设计）：在这次试验中我们主要负责step7的程序，了解了模拟量的输入以及与试验中水位的对应，也学到了一些算法，如这次试验中模拟数据转化后的归一化乘以测量检测水位的范围就可以直接得出目前水位。我觉得我们组这次课设成功的关键在与我们组员之间的团结和不放弃的精神，从电路设计到仿真，再到连接电路，在这一过程中，我们遇到了很多困难，但是我们没有放弃，也没有互相抱怨，而是一直呆在一起，在网上和图书馆查找资料，研究并讨论出现的问题，最终我们取得了成功。这次的实实践，让我更熟练的掌握了PLC软件的简单编程方法，对于PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理论的运用中，也提高了我们的工程素质。刚开始学习使用PLC软件时，由于我们对一些细节的不加重视，当我把自己想出来的一些认为是对的程序运用到梯形图编辑时，问题出现了。最后通过对实际问题分析，终于把正确的结果做了出来，同样也看清了自己的不足之处。设计过程中得到老师的