拨爪排屑机控制系统设计毕业设计

毕业设计(论文)任务书课题名称拨爪排屑机控制系统设计系别自动化专业班级姓名学号毕业设计〔论文〕的主要内容及要求:毕业设计主要内容1．熟悉工艺流程2．进行控制系统PLC硬件选型及硬件图纸设计3．分析系统控制流程4．进行控制系统局部PLC的软件编程5．实验室离线调试毕业设计要求1．了解本次毕业设计任务及资料的收集、整理2．学习PLC的根本知识，掌握S7-300PLC结构与功能3．编写PLC控制系统STEP7程序4．实验室仿真调试5．有关英文资料的翻译工作6．撰写毕业论文指导教师签字：摘要随着工业自动化技术的开展，新的控制需求的不断提出，工业自动化控制技术和水平不断提高。尤其是现场总线技术的应用给工业生产控制带来巨大的变革。本课题名为?拨爪排屑机控制系统设计?即对生产产生的废铁屑予以清理回收，采用S7-300作控制主机构成的PROFIBUS网络进行设计，在硬件选型、图纸设计、软件编程、仿真调试后以使其到达相关的控制要求。拨爪排屑机系统有两个液压站，每个液压站有两个油泵电机，正常工作时，一台油泵电机工作，一台备用。在工作油泵出现电气或液压故障时，备用油泵自动投入工作。系统的工作动力机构由液压站和液压缸组成，往复运动机构包含钢轨、框架和滚轮，框架由前段、中段和后段组成，前段与液压缸推杆连接，框架沿着钢轨运动。拨爪机构位于框架上，这样，拨爪就可以起到排屑作用。关键词：拨爪排屑，西门子PLC，PROFIBUS-DP总线，STEP7编程AbstractWiththedevelopmentofindustrialautomationtechnology,thenewcontrolrequirementshaverepeatedlystated,industrialautomationandcontroltechnologyandimprovedcontinuously.Bringhugechangestotheapplicationoffieldbustechnologyforindustrialproductioncontrol.Thistopiciscalled"dialclawChipConveyorcontrolsystemdesign"tobetheemptyingofrecyclingscrapirononproduction,theS7-300controlhostsaPROFIBUSnetworkdesign,hardwareselection,designdrawings,softwareprogrammingsimulationdebuggingtoreachthecontrolrequirements.DialclawChipConveyorsystemhastwohydraulicstations,whichhastwopumpmotor.Innormalworkinghours,apumpmotorworks,andtheotheronespare.Intheworkingoilpumpelectricalorhydraulicfailure,thestandbypumpworksautomatically.Thesystemworkingpowerinstitutionsiscomposedofhydraulicstationandthehydrauliccylinder.Thereciprocatingmechanismincludesrail,frameandwheel.Theframeconsistsoffront-end,middleandrearsection.Theprecedingoftheframeisconnectedwiththehydrauliccylinderpushrod.Theframeworksalongtherail.Thedialclawinstitutionslocatedintheframe,sothedialclawcanplayaroleinchipremoval.Keywords；Theclawchip,SiemensPLC,PROFIBUS-DPbus，STEP7programming┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 IAbstract II目录 11．绪论 11.1课题介绍 11.2工业背景 11.2.1工业控制系统 11.2.2工业控制主机 22．西门子S7-300PLC 42.1PLC的组成与原理 42.1.1可编程逻辑控制器的定义 42.1.2可编程逻辑控制器根本结构 42.1.3可编程逻辑控制器工作原理 5可编程逻辑控制器编程语言 62.2S7-300的硬件结构 62.3S7-300的通信网络 102.3.1工业网络概述 102.3.2S7-300通信网络 112.3.3PROFIBUS—DP 112.4S7-300的指令系统 112.5S7-300的编程软件 122.5.1S7-300的编程软件简介 122.5.2用户程序结构 122.5.3启用SIMATIC管理器 132.5.4S7-PLCSIM仿真软件 153．控制系统设计 163.1系统硬件设计 163.1.1系统工艺流程 163.1.2PLC硬件选型 163.1.3硬件图纸设计 173.2系统软件设计 183.2.1系统控制流程 183.2.2STEP7软件编程 19硬件配置 19编辑符号表 20程序设计 243.2.3离线仿真调试 464．结论 47致谢 48参考文献 491.绪论1.1课题介绍本课题名为?拨爪排屑机控制系统?，是对一个实际的工程工程的研究设计。因此除了理论设计外，还要考虑工程实际。拨爪排屑机是一种用于去除堆积的工业半成品外表被擦除的毛糙状废铁屑的自动化装置。该系统的工作过程分为两个阶段:<1>拨爪排屑的过程：当左右两个液压站投入工作时，与1#，2#油泵电机相连的拨爪在推拉作用下做往复运动，将产生的废铁屑推送到中间的运输链上。<2>铁屑运输的过程，当运输链电机启开工作时，便将运输皮带上的铁屑运出工作区处理。该系统的意义在于；一方面可及时排除生产工程中产生的废铁屑，不至于因长时间的堆积阻碍生产的正常进行，或者因需人工清理带来的麻烦；另一方面可使产生的铁屑不因随意丢弃而造成污染与浪费，在铁屑被运出后可对其进行压缩处理，以便回收利用。1.2工业背景工业控制系统随着计算机技术，通信技术，自动控制理论的开展与在工业生产过程中的应用，近几十年来工业自动化取得前所未有的开展。工业自动化就是工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制，在整个工业生产中,尽量减少人力的操作,而能充分利用动物以外的能源与各种资讯来进行生产工作,即称为工业自动化生产，而使工业能进行自动生产之过程称为工业自动化。而在“蒸汽时代〞，“电气时代〞之后到来的“信息时代〞给工业自动化带来又一次更大的革命性的开展，具体表现在计算机控制系统取代传统的继电器控制系统以及与之相关的技术在工业生产过程中的应用与普及。计算机控制系统(ComputerControlSystem，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。计算机控制系统所采用的形式，与生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。计算机控制系统大致可分为以下几种典型形式：操作指导控制系统，该系统具有数据采集和处理功能，能够为操作人员提供反响生产过程工况的各种数据，并相应地给出操作指导信息，供操作人员参考。其优点是结构简单，控制灵活和平安，缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。直接数字控制〔directdigitalcontrol,DDC〕系统,该系统计算机首先通过模拟量输入通道和开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道和开关量输出通道直接控制生产过程。其是计算机在生产过程中最普遍的以中应用方式，但因计算机直接承当控制任务要求实时性好、可靠性高、和适应性强。监督控制〔supervisorycomputercontrol,SCC〕系统，该系统计算机根据原始工艺信息和其他参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况{如保持高质量、高效率、低消耗、低本钱等}。从这个角度说，它的作用是改变给定值，所以又称设定值控制〔setpointcontrol,SPC〕。集散控制系统〔distributedcontrolsystem,DCS〕也叫分布式控制系统，采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的方法，把系统从下到上分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。现场总线控制系统(fieldbuscontrolsystem,FCS)是新一代分布式控制系统。DCS的结构模式为:“操作站—控制站—现场仪表〞三层结构，系统本钱较高，而且各厂商的DCS有各自的标准，不能互联。FCS与DCS不同，它的结构模式为：“工作站—现场总线智能仪表〞二层结构，FCS用二层结构完成了DCS中的三层结构功能，降低了本钱，提高了可靠性，可实现真正的开放式互连系统结构。综合自动化系统，目前，由企业资源信息管理系统、生产执行系统和生产过程控制系统够成的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统〔CIMS〕流程工业的计算机集成过程系统〔CIPS〕。工业控制主机在计算机控制系统中，可编程逻辑控制器、工控机、单片机、DSP、智能调节器等，都是常用的控制器，适应不同的应用要求。在工程实际中，选择何种控制器，应根据控制规模、工艺要求、控制特点和所完成的工作来确定。可编程逻辑控制器〔PLC〕是“一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原那么设计。〞具有可靠性高、编程容易、功能完善、扩展灵活、安装调试简单方便等特点。工控机〔IPC〕是一种面向工业控制、采用标准总线技术和开放式体系结构的计算机，具有丰富的外围接口产品，如模拟量输入输出模板、数字量输入输出模板等。广为流行的工控机总线有PC总线、ISA总线、PCI总线、STD总线、VME总线等。具有可靠性高、可维修性好、环境适应性强、控制实时性强、I/O通道完善、软件丰富等特点。嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的设备〞，是软件和硬件的综合体，核心是嵌入式微处理器。可分为MPU、MCU、EDSP、SoC等。具有体积小、本钱低、可靠性高等优点。智能调节器是一种数字化的过程控制仪表。以微处理器和单片微型计算机为核心，具有数据通信功能，能完成生产过程1~4个回路直接数字控制任务，在DCS分散过程控制级中得到了广泛应用。在工业自动控制系统的设计中，须在熟悉工艺流程与控制要求后选择合理的控制系统与适宜的主机。2．西门子S7-300PLC2.1PLC的组成与原理可编程逻辑控制器的定义国际电工委员会对PLC的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原那么设计。〞可编程逻辑控制器根本结构PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、存储器、专门设计的输入输出接口电路、电源、底座与机架和编程器等组成：一、CPU模块CPU模块是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU模块，它按PLC系统程序赋予的功能接受并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集现场输入装置的状态或数据，并存入规定的存放器中，同时，诊断电源，PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序中逐条读取指令，经过分析再按指令规定的任务产生相应的控制信号去控制外部电路。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。二、存储器虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：〔1〕系统程序存储区〔2〕系统RAM存储区〔包括I/O映像区和系统软设备等〕〔3〕用户程序存储区三、输入输出接口电路〔1〕现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。〔2〕现场输出接口电路由输出数据存放器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。四、电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供电源，同时，有的还为输入电路提供24V工作电源。电源的输入类型有：交流电源〔220VAC或110VAC〕，直流电源〔常用的为24VDC〕。五、底板与机架大多数模块式PLC使用底板和机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上所有的模块;机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。六、其他设备〔1〕编程设备编程器是PLC开发应用、检测运行、检查维护不可缺少的外部设备，用于编程、调试、系统设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。编程器分智能型和非智能型，非智能型是手持编程器，用于状态检测；智能型是一台运行编程软件的计算机，通过通信适配器与PLC通信完成编辑器功能。〔2〕人机界面最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏〔或触摸屏〕式的一体式操作员终端应用越来越广泛，有计算机〔运行组态软件〕充当人机界面非常普及。〔3〕输入输出设备用于永久性的存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。可编程逻辑控制器工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。一、输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，那么该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。二、用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的但凡用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令那么可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像存放器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像存放器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。三、输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。可编程逻辑控制器编程语言在可编程逻辑控制器中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能模块图语言、功能表图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是根本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器、完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其他的根本操作。功能表图语言和构化语句描述语言是高级的程序语言，它们可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的打印和其他根本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程逻辑控制器中得到了广泛的应用，在集散系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广阔工程设计和应用人员所喜爱。2.2S7-300的硬件结构S7-300属于模块式PLC，主要由机架，CPU模块，电源模块，接口模块，信号模块，功能模块，通信处理器和编程设备等组成。S7-300有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大，可以使用多种编程语言，所有模块和网络参数都可用STEP7的软件工具设置。S7-300的CPU上带有一个编程接口，使用西门子的MPI〔Multi-pointInterface〕通信协议。有的CPU还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口或PtoP(PointtoPoint)串行通信接口。因此S7-300不需要添加任何通信处理器就可以建立一个MPI网络或一个PROFIBUS-DP网络。S7-300的模块都安装在导轨上，各模块用U形总线连接器连接，外部信号线接在模块的前连接器上。除了电源模块、CPU模块、本地扩展接口模块，其他任何模块都可插在任何一个槽上。系统根据其自动分配地址。个机架最多能安装8个信号模块、功能模块或通信模块。图2-1西门子S7-300PLCCPU模块S7-300有二十种不同型号的CPU，分别适用于不同规模及不同控制要求的工程：紧凑型CPU：CPU312C，313C，313C-PtP，313C-2DP，314C-PtP和314-2DP。标准型CPU：CPU312，CPU313,314,315,315-2DP和316-2DP。户外型CPU：CPU312IFM，314IFM，314户外型和315-2DP。高端CPU：CPU317-2DP和318-2DP。故障平安性CPU：CPU315F。不同型号的CPU其接口类型，输入输出模块点数或通道数，计数器数目等不相同。CPU内的元件封装在一个塑料壳内，面板上有模式选择开关、通信接口、状态和故障选择指示LED，存储器插槽等。模式选择开关RUN—P〔运行—编程〕：运行时可以读出和修改用户程序，改变运行方式；RUN〔运行〕：CPU执行读出用户程序，但不能修改用户程序；STOP〔停止〕：不执行用户程序，可以读出和修改用户程序；MRES〔去除存储器〕:位置不能保持。在此位置松手时，钥匙开关自动返回STOP位置。钥匙开关从STOP位置转换到MRES位置，可复位存储器，使CPU回到初始状态。状态与故障显示LEDSF〔系统出错/故障显示，红色〕：指示CPU硬件故障或软件故障；BATF〔电池故障，红色〕：指示电池电压低或没有电池；BUSF〔总线错误〕：指示PROFIBUS—DP接口硬件或软件故障，集成有DP接口的CPU才有此LED；DC5V〔+5V电源指示，绿色〕：指示CPU和总线5V电源正常；FORCE〔强制，黄色〕：指示至少有一个I/O被强制；RUN〔运行方式，绿色〕：CPU处于RUN状态时亮；重新启动时以2Hz的频率闪烁；HOLD〔单步、断点〕状态时以0.5Hz的频率闪烁；STOP〔停止方式，黄色〕：指示CPU处于STOP、HOLD状态或重新启动。微存储器卡微存储器卡〔MMC〕可以扩展CPU的存储容量，可以在断电时保存用户程序和数据。MMC读写直接在CPU内进行。由于CPU31xC没有集成的装载存储器，CPU上必须插上ＭＭＣ才能工作。ＭＭＣ是单独定货的，有多种容量规格的ＭＭＣ工选择?只有在断电或CPU处于STOP状态下，才能取下MMC。通信接口所有的CPU模块都有一个多点接口MPI，有的CPU模块还有一个PROFIBUS—DP接口。MPI用于PLC与PLC之间，PLC与ＰＧ／ＰＣ〔编程器或个人计算机〕之间，PLC与OP〔操作员接口〕之间的MPI网络通信。PROFIBUS—DP是自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信协议，最高传输速率为12Mbit/s，通过CPU上的PROFIBUS—DP接口，可实现与其他带DP接口的PLC、PG/PC、OP和其他DP主站和从站通信。电源接线端子电源模块的L1、N端子接AC220电源，电源模块的接地端子和M端子一般用短接片短接后接地，机架导轨也应接地。电源模块上的L+和M端子分别是DC24V输出电压的正负极，用专用的电源连接器或导线连接电源模块和CPU模块上的L+和M端子。CPU模块上的集成I/O有些CPU模块上有集成的数字量I/O，有些CPU还有集成的I/O。存储器PLC使用的物理存储器有RAM，ROM，FlashEPROM和EEPROM。二、电源模块PS307电源模块将120/230V交流电压转换为24V直流电源，为S7-300、传感器和执行器供电，输出电流有2A、5A、或10A3种。电源模块安装在导轨最左边的插槽，在主机架上用电源联接器连接到CPU上，在扩展机架上用电源连接器连接到IM361上。电源模块除了给CPU供电，还可向I/O模块提供DC24V电源。模块上的M端子一般是用短接片与接地端连接的。三、输入/输出模块输入/输出模块统称信号模块〔SM〕，包括数字量〔或称开关量〕输入输出模块，模拟量输入输出模块。输入输出信号连接在前连接器上，前连接器插在SM前盖后面的凹槽内，不需要断开前连接器的接线就可以迅速更换模块。数字量模块模块的地址由地址标识符〔I输入Q输出M存储器〕、地址字节局部〔小数点前〕和位局部〔小数点后〕组成。从0号机架的4号槽开始，每个槽位分配4个字节的地址，即32个I/O点。模拟量模块以通道为单位，一个通道占一个字的地址，由两个字节地址组成。从IB256开始给每个模拟量模块分配16个字节，即8个通道的地址。〔1〕数字量输入模块数字量输入模块接受外部开关信号，开关信号主要来自按钮、二线式光电开关、接近开关、低压电器的触点等。其将现场的开关信号电平转换成PLC内部的信号电平。直流输入模块的操作电压一般是24V，交流输入模块的操作电压为AC120V或AC230V。SM321是S7-300的数字量输入模块。〔2〕数字量输出模块数字量输出模块将PLC内部信号电平转换为控制过程所需要的外部信号电平，同时有隔离和功率放大作用。按负载回路的电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块。按输出开关器件的种类又可对应分为：晶闸管输出方式、双向晶闸管输出方式、继电器输出方式。其中晶闸管型输出响应速度快、频率高，但承受过压过流能力弱，继电器型输出响应慢、频率低，但负载电压范围宽。要根据电压的种类、大小、工作频率和负载类型选择数字量输出模块，每一个输出点的输出电流、每一组输出的最大电流也是数字量输出模块的重要指标。SM322是S7-300的数字量输出模块，SM323是数字量输入/输出模块，即输入和输出集成在一个模块上，有两种型号可选择：DC24V，8输入/8输出及DC24V，16输入/16输出。输出为晶闸管型，输出电流为0.5A。〔3〕模拟量输入模块模拟量输入模块将来自变送器的模拟信号转换成CPU处理的数字信号，即A/D转换。SM331是S7-300的模拟量输入模块。〔4〕模拟量输出模块模拟量输出模块将PLC输出的数字量转换为模拟信号〔电压、电流〕去控制执行机构，其主要组成局部是D/A转换器。SM332是S7-300的模拟量输出模块。四、其他模块其他还有前连接器，有20针和40针两种；闭环控制模块FM355；位置控制与检测模块，如FM353是步进电机定位模块等；计数器模块，如FM350-1等；模拟器模块，SM347用于调试程序等。当因I/O点过多使模块数量多于8个且距离在10米之内，可以采用扩展机架，用本地扩展接口模块IM来实现，除了带CPU的中央机架〔CR〕，最多可以扩展三个扩展机架〔ER〕，每个机架可以插8个模块〔不包括电源、CPU、接口模块IM〕，四个机架最多可插32个，模块；当因距离过远〔1500米以内〕或者I/O点过多，可以采用ET200分布式I/O来实现，PROFIBUS是为全集成自动化定制的开放的现场总线系统，有FMS、DP 和PA三种行规。ET200是基于PROFIBUS—DP现场总线的分布式 I/O,可以与西门子的其他自动化系统协同运行，还能在经过认证的非西门子公司的PROFIBUS—DP主站协同运行，而ET200M模块化的分布式I/O，采用S7-300全系列模块，最多8个模块。2.5S7-300的通信网络2.3S7-300的通信网络工业网络概述一个典型的工厂自动化系统一般是三级网络结构，分别是现场设备层、车间监控层和工厂管理层。〔1〕现场设备层现场设备层主要功能是连接现场设备，例如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构和开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。〔2〕车间监控层车间监控层又称单元层，用来完成车间主生产设备之间的连接，包括生产设备状态的在线监控、设备故障报警及维护等。还有生产统计、生产调度等功能。车间监控层可采用PROFIBUS—FMS或工业以太网，该层要求能传送大容量的信息，对传送速率要求不高。〔3〕工厂管理层车间操作员工作站通过集线器与车间办公管理网连接，车间管理网作为工厂主网的一个子网，连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。该层一般采用工业以太网协议，即符合IEEE802.3标准。图2-2现场总线应用例如S7-300通信网络〔1〕通过多点接口〔MPI〕协议的数据通信MPI是多点接口的简称，是一种适用于小范围、少数站点间通信的网络。MPI网络能同时连接运行STEP7的编程器、计算机、人机界面〔HMI〕和其他SIMATICS7、M7和C7，并且可以用全局通信的方式实现网上CPU之间少量数据的交换。〔2〕PROFIBUS依据EN50170—1—2或IEC61158—2协议标准建立的PROFIBUS网络是应用于单元级和现场级的控制网络。PROFIBUS具有开放性，符合该标准的各厂商生产的设备都可接入。〔3〕工业以太网工业以太网是一个用于工厂管理和单元层级的通信系统。工业以太网适用于长距离传输大量数据，可以通过网关设备来连接远程网络。〔4〕点对点连接点对点连接可以连接S7-300PLC和其他非西门子设备。通过CP340，CP341或CPU31xC—2DP集成的通信接口可建立点对点的连接。通信接口有20mA〔TTY〕，RS—232C和RS—422A/RS—485。点对点连接支持的通信协议有ASCII驱动器、3964〔R〕和RK512〔只适用于CPU〕。〔5〕通过AS—i网络的过程通信AS-i是执行器—传感器的接口简称，AS-i网络通过AS-i总线电缆连接最底层AS-i接口的现场设备，将信号传输至PLC。故障SIMATICNET网络可以单独运行，也可以结合其他系统同时运行。PROFIBUS—DPPROFIBUS有三局部组成：PROFIBUS—DP〔分布式外围设备〕，PROFIBUS—PA〔过程自动化〕和PROFIBUS—FMS〔现场总线报文标准〕。PROFIBUS采用主站〔Master〕之间的令牌〔Token〕传递方式和主站与从站之间的主—从方式。PROFIBUS—DP在PROFIBUS三个局部中应用最为广泛，可以连接不同厂商符合PROFIBUS—DP协议的设备。单主站或者多主站系统可以由PROFIBUS—DP来实现。系统配置十分方便。2.4S7-300的指令系统IEC61131—3规定了PLC编程语言的语法和语义，标准中定义了5种编程语言：〔1〕指令表IL〔Instructionlist〕：西门子称为语句表STL.〔2〕结构文本ST〔Structuredtext〕：西门子称为结构化控制语言〔SCL〕。〔3〕梯形图LD〔Ladderdiagram〕：西门子简称为LAD。〔4〕功能块图FBD〔Functionblockdiagram〕〔5〕顺序功能图SFC〔Sequentialfunctionchart〕：对应西门子S7Graph.标准的STEP7软件包配备了三种编程语言：梯形图〔LAD〕、语句表〔STL〕和功能块图〔FBD〕，这三种语言在STEP7中可以互相转换。STEP7专业版的编程语言还包括S7—SCL，S7—Graph，S7—HiGraph和CFC，这四种语言对标准版是可选的，梯形图〔LAD〕是使用最多的PLC图形编辑语言，，它与继电器电路图很相似，直观易懂，电气工作人员很容易理解并掌握，并且适用于数字量逻辑控制。语句表〔STL〕是一种类似微机汇编语言的文本语言，多条语句组成一个程序段，语句表指令比梯形图和功能块图指令丰富，可以实现梯形图和功能块图不能实现的一些功能。功能块图〔FBD〕适用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。S7-300的指令系统包括位逻辑指令、定时器指令、计数器指令、数据处理指令、数据运算指令和控制指令六大类，其中局部指令会在下一章的STEP7软件编程中用到，具体功能和作用结合相关程序进行分析。2.5S7-300的编程软件2.5.1S7-300的编程软件简介STEP7标准工业软件是西门子公司专为SIMATIC系列PLC〔S7-300、M7、C7〕和基于PC的WinAC研制的标准编程软件，开发或设计一个SIMATIC系列应用系统，必须基于STEP7软件包进行组态和编程。STEP7不是单一的应用程序，而是由一系列应用程序〔工具〕构成的标准软件包，其主要应用工具如下：〔1〕SIMATIC管理器：用于集中管理一个自动化控制工程，提供STEP7标准软件包的集成、统一的界面。在SIMATIC管理器环境中进行工程的编程和组态，每一个操作所需要的工具均由SIMATIC管理器自动运行，用户无需分别启动各个不同的工具。〔2〕符号编辑器：用于定义符号名称、数据类型和注释全局变量，管理所有共享符号。使用这个工具生成的符号表是全局有效的，可以被其他工具使用。〔3〕硬件组态工具：可以利用这个工具对PLC机架上的各种硬件模块进行配置，设置各种模块的参数，例如CPU参数和分布式I/O参数。〔4〕通信组态：该工具用于组态通信网络连接，包括网络连接的参数设置和网络中各个通信设备的参数设置。〔5〕硬件诊断：用于提供PLC的工作状态概况，快速浏览CPU数据和用户程序在运行中的故障原因。〔6〕编程工具：该工具集成了梯形图LAD、语句表STL和功能块图FBD三种编程语言的编辑和调试功能。编程设备可以是编程器或计算机，它通过编程电缆与PLC的CPU模块相连。2.5.2用户程序结构一、用户程序中的块用户程序包含处理用户特定的自动化任务所需要得所有功能。用户程序和所需要的数据放置在块中，使程序部件标准化，用户程序结构化，可以简化程序组织，使程序易于修改、过失和调试。块结构显著地增加了PLC程序的组织透明性、可理解性和易维护性。〔1〕组织块〔OB〕组织块是操作系统与用户程序的接口，由操作系统调用，应用控制扫描循环和中断程的执行、PLC的启动和错误处理等。其中OB1用于循环处理，是用户程序中的主程序。操作系统在每次循环中调用一次OB1。用户程序的SFB、SFC、FB和FC需OB1调用才能执行。〔2〕系统功能块SFB和系统功能SFC系统功能块和系统功能是为用户提供的已经编好程序的块，可以被程序调用但不能被修改。它们是操作系统的一局部，不占用户程序空间。SFB有存储功能，其变量保存在指定给它的背景数据块中，SFC没有存储功能。〔3〕功能块FB和功能FC功能块和功能都是用户编写程序常用的块，不同的是功能块FB有自己的存储区，需要背景数据块DI，而功能FC没有固定存储区，不需要背景数据块。〔4〕系统数据块系统数据块包含系统组态数据，例如硬件模块参数和通信连接参数。〔5〕背景数据块DI和共享数据块DB背景数据块是调用FB和SFB时用于传递参数的数据块，在编译过程中自动生成数据；而背景数据块是存储用户程序的数据区域，供所有块共享。二、程序设计方法STEP7有3种程序设计方法：〔1〕线性化编程：整个用户程序放在循环控制组织块OB1〔主程序〕中。〔2〕模块化编程：程序被分为不同的逻辑块，每个块包含完成某些任务的逻辑指令。〔3〕结构化编程：将复杂的自动化任务分解为小任务，这些任务由相应的逻辑块来表示，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中，调用时将“实参〞赋值给形参。2.5.3启用SIMATIC管理器一、使用向导创立工程双击桌面上的STEP7图标，翻开SIMATIC管理器，在按照步骤选择CPU、组织块、编程语言之后即可新建工程。二、硬件组态在PLC控制系统设计初期，首先应根据系统的输入输出信号的性质和点数，以及对控制系统的功能要求，确定系统的硬件配置，例如CPU模块与电源模块的型号，需要哪些输入输出模块，功能模块、通信模块以及它们的型号和数量等。硬件组态的任务就是在STEP7中生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统，为设计用户程序打下根底。在工程窗口中双击Hardware就可对其进行配置。三、编辑符号表在程序中可以用绝对地址访问变量，但是使用符号地址可以使程序更容易阅读理解。共享符号在符号表中定义，可供程序中所有的块使用。在工程窗口中双击“Symbols〞后进入符号表窗口。四、创立OB1块在工程窗口中双击OB1，翻开程序编辑器窗口，翻开“View〞菜单设定编程语言为LAD，即可开始具体程序编写。五、对功能块FB的编程〔1〕创立并翻开功能块FB1在工程窗口中右击“Blocks〞，在出现的下拉菜单中选择“InsertNewObject〞，再选择“FunctionBlooks〞，在随后出现的对话框中定义新创立的功能块为FB1。重新回到工程窗口，会看见新创立的FB1图标，双击即可翻开功能块FB1进行编辑。〔2〕变量声明表所有在组织块和功能块之间传送的块参数，必须作为输入输出参数在变量声明表中列出，变量声明只能使用字母、数字和下划线，不能使用汉字。在程序中使用的局部变量，操作系统会自动加上#标记，对于在整个程序中都可调用的全局变量，操作系统自动加上“〞标记。〔3〕编写控制程序可选用常用的梯形图进行控制程序的编写。〔4〕生成背景数据块在工程窗口中右击“Blocks〞，在出现的下拉菜单中选择“InsertNewObject〞，再选择“DataBlock〞，此时弹出属性对话框，填入DB的名称、符号名和注释，选择数据块类型为背景数据块〔Instance〕，并输入对应的功能块的名称为FB1，单击“OK〞，那么数据块DB1添加到工程窗口中。假设两个控制程序仅数据上不同，可只编写一个FB1功能块，而生成两个不同的数据块DB1和DB2分别存储两组不同的预置值，以减少编程的工作量。〔5〕在OB1中调用FB及相关的DB在工程窗口中翻开OB1，在编程元件目录了找到FB1插入梯形图后命名符号即可六、对功能FC的编程与对功能块FB的编程相比之少了一步生成背景数据块。共享数据块的编程共享数据块不附属于任何逻辑块，用户程序中所有的逻辑块都可以使用共享数据块中的数据。在工程窗口中右击“Blocks〞，在出现的下拉菜单中选择“InsertNewObject〞，再选择“DataBlock〞，此时弹出属性对话框，填入DB的名称、符号名和注释，选择数据块类型为共享数据块〔Share〕，那么数据块DB添加到工程窗口中。翻开DB3对变量声明表进行编辑。使用多重背景编程在用户程序中使用多重背景可以减少背景数据块数量。主要包括以下步骤：创立FB10；填写变量声明表；对FB10编程：创立DB10并调整实际值；在OB1中调用FB10。下载及在线调试在PG/PC上完成的硬件组态和用户程序必须通过编程电缆下载到PLC中，并且经过软硬件的调试才能够最终实现自动控制任务。需要完成：设置PG/PC接口；下载程序到CPU；用程序状态测试程序；用变量表测试程序等。2.5.4S7-PLCSIM仿真软件S7-PLCSIM用仿真PLC来模拟实际的PLC运行，用户程序的调试是通过视图对象来进行的，S7-PLCSIM提供了多种视图对象，用它们来实现仿真PLC内的各种变量、计数器、定时器的监视和修改。仿真步骤如下：〔1〕在STEP7编程软件中生成工程，配置硬件并编写用户程序。〔2〕点击“Simulationon/off〞翻开仿真窗口，在CPU视图对象中点击STOP小框；再选择Download命令，将要模拟的程序下载到仿真PLC中，对问题答复“Yes〞。〔3〕在仿真窗口中通过菜单或按钮创立IB、QB、M等视图对象‘点击CPU视图中的RUN或RUN—P小框，将仿真PLC置于运行模式；在点击OB1窗口中的监视按钮，可对所设置的变量进行监视。3.控制系统设计3.1系统硬件设计液压站启开工作系统工艺流程液压站启开工作油泵电机启开工作油泵电机启开工作液压缸推杆往复运动拨爪工作液压缸推杆往复运动拨爪工作运输链电机启动接受废铁屑运输链电机启动接受废铁屑排屑开始排屑开始工艺流程及故障等信息监测〔MP277〕工艺流程及故障等信息监测〔MP277〕监测信息处理监测信息处理结束 结束图3-1系统工艺流程PLC硬件选型该控制系统的设计主体是对运输链电机、1#液压站和2#液压站的控制。考虑到现场信号多为数字量，控制系统的可靠性和可维护性，系统设计的本钱及工厂未来的开展。根据前面相关介绍，该控制系统的硬件选型围绕S7-300作主控计算机构成的PROFIBUS—DP现场总线系统进行选型。参考西门子S7-300硬件选型手册，根据相关的控制要求，并考虑留有一定裕量，本控制系统的PLC硬件配置图选择如下：图3-2系统硬件配置图硬件图纸设计该控制系统的设计包括：运输链电机、1#液压站油泵电机、2#液压站油泵电机的主电路和控制回路；油加热器及油水电磁阀的控制；相关的交直流供电电源；供液系统主站、主控制柜、1#液压站、2#液压站PLC输入输出模块及相关连锁条件的设计。系统的相关图纸在程序设计中表达，其采用工程上常用的autoCAD进行绘制。值得注意的是油泵电机的电路设计，因其功率过大不能直接启动，这里选用星/三角降压启动。图3-3油泵电机主电路以1#液压站主油泵电机为例，当主接触器1KA0闭合时，控制接触器1KA4闭合，油泵电机星行启动；经过一段定时后，当控制接触器1KA2闭合，油泵电机三角形启动。启动结束后油泵电机正常运行。3.2系统软件设计系统控制流程开始开始系统参数设定，及初始化系统参数设定，及初始化Y处理电气或液压故障检测Y处理电气或液压故障检测NN检测结束检测结束NN启动程序，控制电机启动程序，控制电机排屑工作开始排屑工作开始Y处理系统故障检测Y处理系统故障检测NN工作结束工作结束 图3-4系统控制流程图STEP7软件编程硬件配置 双击桌面上的STEP7图标，启动“SIMATICManager〞新建工程取名“yeya〞,在工程窗口中选择后双击，根据上一节PLC的硬件选型进行硬件配置。图3-5系统硬件组态图如上图所示，先对供液系统主站进行配置，只需在4号槽插入模块，然后双击构建PROFIBUS网络。在网络线上挂上3个，然后向主站一样分别对其进行配置，插入相应的I/O模块。最后点击保存即可。编辑符号表在工程窗口中选择后双击后，统计图纸设计中各个I/O点的符号、地址、意义就可对其进行编辑。另外有些在编程过程中用到的符号也可参加符号表。所以最终的符号表会在编程结束形成。图3-6系统符号表以上便是该控制系统的符号表，包括1#液压站油泵电机控制、1#液压站传感器；2#液压站油泵电机控制、2#液压站传感器；数据交互、液压油阀控制和运输链电机控制等相关的块符号与点符号。程序设计因为该控制系统的设计主要是几个局部的控制，所以选用模块化编程；又因为1#液压站和2#液压站的控制过程相同，所以这里选择分析1#液压站的控制。一、运输链电机控制创立功能FC20翻开在其中编写程序：在编程前需熟悉主电路和I/O接线图：图3-7运输链电机主电路图3-8运输链电机输入模块图3-9运输链电机输出模块运输链电机的启停即是对接触器31KA0的开关控制，在程序设计时还需要考虑启停指示和热继电器的保护。当主传动按钮I30.0按下为1闭合；主传动停止按钮I30.1没有动作输入为1闭合；主传动急停按钮I30.2没有动作为1闭合，主传动热保触点I30.4没有动作输入为1闭合，使主传动允许启动M20.0为1闭合；运输链电机主传动启动运转Q26.3为1同时用Q26.3自锁保持，线圈得电使接触器主触点闭合，31KA0接通电机启动同时主传动启动指示灯亮。当急停I30.2按钮按下为0断开或者热继动作I30.4输入为0断开，M20.0线圈失电为0断开，Q26.3失电电机停止运行，同时急停指示灯亮；当停止I30.1按下输入为0常开断开常闭闭合，电机停止同时停止指示灯亮。运输链电机启动和停止的控制主传动辅助触点，即运输链电机接触器吸合I30.3确保指示的可靠性，同时用到启动停止点的互锁保证了控制的秩序。二、液压站〔1#〕的控制〔1〕1#液压站传感器要想控制液压站电机的正常运行须保证其相关工艺要求的满足，所以在对液压站油泵电机克制设计前需要对其相关的传感器进行控制设计。该局部主要包括油位、油温、油压及过滤器的控制。创立功能FC21翻开在其中编写程序：a.油位指示当油位处在低位和高位之间的正常范围内时，1#油箱油位正常指示软线圈M20.0得电；当在正常范围之外时，M20.0失电其常闭触点闭合，Q22.5得电1#油位报警指示灯亮；当油位极低时时I24.6为1闭合，Q23.3得电1#油位极低声光报警。b.温度控制图3-101#液压站输入模块图3-111#液压站输出模块当油温低于25度时I24.0为1闭合，1#油箱油位正常且1#液压站急停没被按下时，Q21.1得电并通过其常开触点实现自锁，1#加热器R1、R2接通，升温开始；当油温大于45度时I24.2为1闭合，1#液压站急停没被按下时，Q23.2得电并通过其常开触点实现自锁，1#电磁水阀翻开，降温开始；当油温加热大于35度时I24.1断开，加热器停止加热；当油温降温低于35度时I24.3断开，电磁水阀停止降温；经此过程控制油温在35度左右。c.压力指示当油压小于7.0MPa或者大于10.0MPa时I25.1与I25.2分别为1闭合，使线圈Q22.7得电1#油压报警指示灯亮。d.过滤器堵塞当1#过滤器堵塞时I23.4为1闭合，Q22.6得电1#过滤器堵塞指示灯亮。〔2〕1#液压站油泵电机控制创立功能FC23翻开在其中编写程序：以下是其相关的主电路和I/O接线图：图3-12主控制柜输入模块图3-13主控制柜输出模块图3-141#液压站急停控制图3-151#液压站输入模块图3-161#液压站输出模块图3-171#液压站输出模块从以上可以看出，液压站油泵电机的控制包括星/三角启动；急停与停止；继电器保护及相关的连锁控制等。当1#液压站急停I23.5为1时，经过中间状态M23.5，线圈Q22.4得电1#急停指示灯亮。当1#主泵启动按钮按下I22.0为1闭合，在油位正常M21.1与I24.6闭合、主泵油阀翻开I22.4闭合、热保触点无动作I20.0闭合、停止与急停按钮均未被按下I22.1与M23.5均闭合、I20.0与I20.1无动作时，线