S7-200 SMART PLC原理及应用课件：PLC应用系统设计及综合实训

PLC应用系统设计及综合实训

6.1PLC程序设计常用设计法及举例

在了解了PLC的基本工作原理和指令系统之后，可以结合实际进行PLC的设计，PLC的设计包括硬件设计和软件设计两部分，PLC设计的基本原则是：1.充分发挥PLC的控制功能，最大限度地满足被控制的生产机械或生产过程的控制要求。2.在满足控制要求的前提下，力求使控制系统经济、简单，维修方便。3.保证控制系统安全可靠。4.考虑到生产发展和工艺的改进，在选用PLC时，在I/O点数和内存容量上适当留有余地。5.软件设计主要是指编写程序，要求程序结构清楚，可读性强，程序简短，占用内存少，扫描周期短。（1）单流程及编程方法6.1.1顺序控制设计法

其特点是：每一步后面只有一个转换，每个转换后面只有一步。各个步按顺序执行，上一步执行结束，转换条件成立，立即开通下一步，同时关断上一步。式中等号左边的Xn为第n步的状态，等号右边Xn+1表示关断第n步的条件，Xn表示自保持信号，b表示转换条件。1）使用起保停电路模式的编程方法。2）使用置位、复位指令的编程方法。3）使用移位寄存器指令编程的方法。4）使用顺序控制指令的编程方法。（2）选择分支及编程方法。选择分支开始是指一个前级步后面紧接着若干个后续步可供选择，各分支都有各自的转换条件，在图中则表示为代表转换条件的短划线在各自分支中。选择分支结束又称选择分支合并，是指几个选择分支在各自的转换条件成立时转换到一个公共步上。根据图所示的功能流程图，设计出梯形图程序①使用起保停电路模式的编程。根据图所示的功能流程图，设计出梯形图程序②使用置位、复位指令的编程。（3）并行分支及编程方法并行分支的开始是指当转换条件实现后，同时使多个后续步激活。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。在图a中，当步2处于激活状态，若转换条件e=1，则步3、4、5同时起动，步2必须在步3、4、5都开启后，才能关断。并行分支的合并是指：当前级步6、7、8都为活动步，且转换条件f成立时，开通步9，同时关断步6、7、8。

并行分支的开始

并行分支的结束，

①使用起保停电路模式的编程

②使用置位、复位指令的编程（4）循环、跳转流程及编程方法①跳转流程：当步2为活动步时，若条件f=1，则跳过步3和步4，直接激活步5。②循环流程：当步5为活动步时，若条件e=1，则激活步2，循环执行。编程方法和选择流程类似转换是有方向的，若转换的顺序是从上到下，即为正常顺序，可以省略箭头。若转换的顺序从下到上，箭头不能省略。只有两步的闭环的处理。在顺序功能图中只有两步组成的小闭环如图6-21a所示，因为M0.3既是M0.4的前级步，又是它的后续步，所以对应的用起保停电路模式设计的梯形图程序如图6-21b所示。从梯形图中可以看出，M0.4线圈根本无法通电。解决的办法是：在小闭环中增设一步，这一步只起短延时（≤0.1s）作用，由于延时取得很短，对系统的运行不会有什么影响，如图6-21c所示。需要注意的是：

6.1.2机械手的模拟控制1.控制要求按起动按钮后，传送带A运行直到光电开关PS检测到物体才停止，同时机械手下降。下降到位后机械手夹紧物体，2s后开始上升，而机械手保持夹紧。上升到位左转（注：此处以机械手为主体，定左右），左转到位下降，下降到位机械手松开，2s后机械手上升。上升到位后，传送带B开始运行，同时机械手右转，右转到位，传送带B停止，此时传送带A运行直到光电开关PS再次检测到物体，才停止……循环。机械手的上升、下降和左转、右转的执行，分别由双线圈两位电磁阀控制汽缸的运动控制。当下降电磁阀通电，机械手下降，若下降电磁阀断电，机械手停止下降，保持现有的动作状态。当上升电磁阀通电时，机械手上升。同样，左转/右转也是由对应的电磁阀控制。夹紧/放松则是由单线圈的两位电磁阀控制汽缸的运动来实现，线圈通电时执行夹紧动作，断电时执行放松动作。并且要求只有当机械手处于上限位时才能进行左/右移动，因此在左右转动时用上限条件作为联锁保护。由于上下运动，左右转动采用双线圈两位电磁阀控制，两个线圈不能同时通电，因此在上/下、左/右运动的电路中须设置互锁环节。为了保证机械手动作准确，机械手上安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分别对机械手进行下降、上升、左转、右转等动作的限位，并给出动作到位的信号。光电开关PS负责检测传送带A上的工件是否到位，到位后机械手开始动作。

2.I/O分配3.控制程序设计3.控制程序设计1.控制要求除尘室的结构如图所示。图中第一道门处设有两个传感器：开门传感器和关门传感器；除尘室内有两台风机，用来除尘；第二道门上装有电磁锁和开门传感器，电磁锁在系统控制下自动锁上或打开。进入室内需要除尘，出来时不需除尘。6.1.3除尘室PLC控制具体控制要求如下：进入车间时必须先打开第一道门进入除尘室，进行除尘。当第一道门打开时，开门传感器动作，第一道门关上时关门传感器动作，第一道门关上后，风机开始吹风，电磁锁把第二道门锁上并延时20s后，风机自动停止，电磁锁自动打开，此时可打开第二道门进入室内。第二道门打开时相应的开门传感器动作。人从室内出来时，第二道门的开门传感器先动作，第一道门的开门传感器才动作，关门传感器与进入时动作相同，出来时不需除尘，所以风机、电磁锁均不动作。2.I/O分配

6.1.4水塔水位的模拟控制实训6.1.4水塔水位的模拟控制实训S7-200SmartPLC在编程软件中配置了运动控制向导，用于引导用户逐步定义运动轴的各项控制参数。1）打开“运动控制”向导。“工具”/“向导”功能区/“运动”。2）选择“轴0”为需要配置的轴。3）为所选择的轴命名，此处采用默认值“轴0”。4）输入系统的测量系统。“选择测量系统”：工程单位；“电动机一次旋转所需脉冲数”：5000；“测量基本单位”：cm；“电动机一次旋转产生多少‘cm’的运动？”：1.0000。5）设置脉冲方向输出。“相位”：单相（2个输出）；“极性”：正。6.2运动控制向导使用实训

6）分配输入点。LMT+（此输入是正方向运动行程的最大限值）。选择“启用”；“输入”：I0.0；“响应”：减速停止；“有效电平”：高。LMT-（此输入是负方向运动行程的最大限值）。选择“启用”；“输入”：I0.1；“响应”：减速停止；“有效电平”：高。RPS（配置参考点）。选择“启用”；“输入”：I0.2；“有效电平”：高。ZP（配置零脉冲。零脉冲输入帮助建立参考点或原点位置。通常情况下电动机驱动器/放大器在电动机每转相ZP发出一次脉冲。需要一个未使用的HSC输入。）选择“启用”；“输入”：HSC3（I0.3）。STP（此输入将使进行中的运动停止）。选择“已启用”；“输入”：I0.4；“响应”：减速停止；“触发”：Level；“电平”：上限。6.2运动控制向导使用实训

7）定义输出点。DIS（此输出是一个漏型晶体管输出，用于禁止或启用电动机驱动器/放大器）。选择“启用”；“输出”：“Q0.4”。注意：每个轴的输出点都是固定的用户不能对其进行修改，但是可以选择使能/不使能DIS。关于输出点的定义参看

运动控制相关内容。8）定义电动机的速度。电动机运动的最大速度“MAX_SPEED”：5000个脉冲/s；根据定义的最大速度，在运动曲线中可以指定的最小速度“MAX_SPEED”：“20个脉冲/s”（系统自动给出）；电动机运动的启动/停止速度“SS_SPEED”：500个脉冲/s。6.2运动控制向导使用实训

9）JOG（定义点动参数）。JOG命令用于将手动将道具移动所需位置。点动速度“JOG_SPEED”（电动机的点动速度是点动命令有效时能够得到的最大速度）：600个脉冲/s；点动位移“JOG_INCREMENT”（点动位移是收到小于0.5s的JOG命令能够将工件运动的距离）：1000个脉冲/s。当CPU收到一个点动命令后，它启动一个定时器。如果点动命令在0.5秒到时之前结束，CPU则以定义的SS_SPEED速度将工件运动JOG_INCREMENT数值指定的距离。当0.5秒到时，点动命令仍然是激活的，CPU加速至JOG_SPEED速度。继续运动直至点动命令结束，随后减速停止。10）加/减速时间设置。设置从启动/停止速度“SS_SPEED”到最大速度“MAX_SPEED”的加速度时间ACCEL_TIME”：1000ms；设置从最大速度“MAX_SPEED”到启动/停止速度“SS_SPEED”的减速度时间“DECEL_TIME”：1000ms。6.2运动控制向导使用实训

11）定义反冲补偿。6.2运动控制向导使用实训

12）使能寻找参考点位置。6.2运动控制向导使用实训

13）设置寻找参考点位置参数，如图6-32所示。a.定义快速寻找速度“RP_FAST”（快速寻找速度是模块执行RP寻找命令的初始速度，通常RP_FAST是MAX_SPEED的2/3左右）；b.定义慢速寻找速度“RP_SLOW”（慢速寻找速度是接近RP的最终速度，通常使用一个较慢的速度去接近RP以免错过，RP_SLOW的典型值为SS_SPEED）；c.定义初始寻找方向“RP_SEEK_DIR”（初始寻找方向是RP寻找操作的初始方向。通常，这个方向是从工作区到RP附近。限位开关在确定RP的寻找区域时扮演重要角色。当执行RP寻找操作时，遇到限位开关会引起方向反转，使寻找能够继续下去，默认方向=反向）；

d.定义最终参考点接近方向“RP_APPR_DIR”，（最终参考点接近方向是为了减小反冲和提供更高的精度，应该按照从RP移动到工作区所使用的方向来接近参考点，默认方向=正向）。6.2运动控制向导使用实训

14）设置参考点偏移量，如图所示。参考点偏移量“RP_OFFSET是”在物理的测量系统中RP到零位置之间的距离，缺省=0。

15）设置寻找参考点顺序S7-200SMART提供4中寻找参考点顺序模式，每种模式定义如下。RP寻找模式1：RP位于RPS输入有效区接近工作区的一边开始有效的位置上；RP寻找模式2：RP位于RPS输入有效区的中央；RP寻找模式3：RP位于RPS输入有效区之外，需要指定在RPS失效之后应接收多少个ZP（零脉冲）输入；RP寻找模式4：RP通常位于RPS输入的有效区内，需要指定在RPS激活后应接收多少个ZP（零脉冲）输入。16）新建运动曲线并命名通过单击“添加（Add）”按钮添加移动曲线并命名。注意：S7-200SMART支持最多32组移动曲线。运动控制向导提供移动曲线定义，在这里，您可以为您的应用程序定义每一个移动曲线。运动控制向导中可以为每个移动曲线定义一个符号名，其做法是您在定义曲线时输入一个符号名即可。17）定义运动曲线a.选择移动曲线的操作模式（支持四种操作模式：绝对位置、相对位置、单速连续旋转、两速连续转动）；b.定义该移动曲线每一段的速度和位置（S7-200SMART每组移动曲线支持最多16步）。18）为配置分配存储区。通过单击“建议（Suggest）”按钮分配存储区。程序中其他部分不能占用该向导分配的存储区19）完成组态当完成对运动控制向导的组态时，只需点击生成（Generate），然后运动控制向导会执行以下任务：a.将组态和曲线表插入到您的S7-200SMARTCPU的数据块（AXISx_DATA）中；b.为运动控制参数生成一个全局符号表（AXISx_SYM）；c.在项目的程序块中增加运动控制指令子程序，您可在应用中使用这些指令；要修改任何组态或曲线信息，您可以再次运行运动控制向导。注意：由于运动控制向导修改了程序块、数据块和系统块，要确保这三种块都下载到S7-200SMARTCPU中。否则，CPU可能会无法得到操作所需的所有程序组件。

20）查看输入输出点分配，如图所示。完成配置后运动控制向导会显示运动控制功能所占用的CPU本体输入输出点的情况。

6.3.1s7-200SMART控制步进电动机1）实现功能。使用SMART控制步进电动机定位，正转，反转，急停，减速停止，位置归零等功能。2）硬件连接图。6.3电气大赛实例4）步进驱动器的设置.在步进驱动器上有6个DIP开关，S1~S3用于选择8档细分控制（1、2、4、8、16），通过S4~S6拨码开关选择6档电流控制（0.5A、1A、1.5A、2.0A、2.5A、3.0A、3.5A、4.0A）。

细分选择8，即1600脉冲，由于电动机为42型，电流1.7A，故可以选择2.0A的电流，步进驱动器上清晰地标注了DIP开关的ON/OFF对应的数字。S7-200SMART提供了非常方便的运动控制功能向导，根据向导一步一步进行。这里选择的是工程单位mm，步进电动机的步距角为1.5，细分8，那么根据计算得知电动机旋转一周所需脉冲数为360/1.5*8=1600，电动机一次旋转产生多少mm的运动，这个要看实际连接情况，包括减速机、丝杆等部件。由于这里只针对电动机，所以按照电动机输出轴计算得15.708，如图所示。5）选择测量系统。

6）方向控制。选择相位单相（2输出），一个输出脉冲，一个指示运动方向。输出DIS勾选启用。DIS用于当电动机静止时，可以自由转动电动机，以便调试或实际加工中的对刀。7）输出DIS。

8）定义运行曲线，设定目标速度和终止位置9）生成组件即子程序，可以取消勾选用不上的10）完整的程序，如图。可以看到轴正常控制，可以手动/自动、正反转运行，设定距离及速度后能够到位停止，第8网络则是对当前位置0，包络曲线运行也正常。在第3网络段可以看到当前位置。

11）运动控制面板

通过运动控制面板，可以对轴进行手动操作，设置目标速度后，执行命令，在状态中可以看到轴已组态，当前位置为25.9182。还可以对轴进行一系列操作，查找参考点，连续移动等。在错误/状态中，可以看到命令出错的信息，极大的方便了现场调试的工程师。1.实训目的1）学会伺服电动机控制系统的接线。2）练习伺服电动机的正反转控制。3）学会用运动控制向导编写伺服电动机的控制程序。2.实训内容直线运动传动组件用以拖动抓取机械手装置作往复直线运动，完成精确定位的功能。已经安装好的直线运动传动组件如图6-48所示。6.3.2PLC对伺服电动机的控制实训传动组件由直线导轨底板、伺服电动机、同步轮、同步带、直线导轨、滑动溜板、原点接近开关和左、右极限开关组成。原点接近开关和左、右极限开关安装在直线导轨底板上，如图6-49所示。原点接近开关是一个无触点的电感式接近传感器，用来提供直线运动的起始点信号。左、右极限开关均是有触点的微动开关，用来提供越程故障时的保护信号：当滑动溜板在运动中越过左或右极限位置时，极限开关会动作，从而向系统发出越程故障信号。

伺服电动机由伺服电动机驱动器驱动，通过同步轮和同步带拖动滑动溜板沿直线导轨进行往复直线运动。从而带动固定在滑动溜板上的抓取机械手装置进行往复直线运动。同步轮齿距为5mm，共12个齿，即旋转一周时抓取机械手装置位移60mm。（1）交流伺服电动机的工作原理伺服电动机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U、V、W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电动机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电动机的精度决定于编码器的精度（线数）。交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。结构组成如图6-50所示。3.认识伺服电动机及伺服放大器（2）交流伺服系统的位置控制模式伺服系统用作定位控制时，位置指令输入到位置控制器，速度控制器输入端前面的电子开关切换到位置控制器输出端，同样电流控制器输入端前面的电子开关切换到速度控制器输出端。因此，位置控制模式下的伺服系统是一个三闭环控制系统，两个内环分别是电流环和速度环。

（3）松下MINASA4系列AC伺服电动机及驱动器松下MHMD022P1U永磁同步交流伺服电动机及MADDT1207003全数字交流永磁同步伺服驱动装置作为运输机械手的运动控制装置。伺服电动机结构简图和实物如图6-51所示。

（4）伺服电动机及驱动器的接线①X1：电源输入接口，AC220V电源连接到L1、L3主电源端子，同时连接到控制电源端子L1C、L2C上。②X2：电动机接口和外置再生放电电阻器接口。U、V、W端子用于连接电动机。必须注意，电源电压务必按照驱动器铭牌上的指示配置，电动机接线端子（U、V、W）不可以接地或短路，交流伺服电动机的旋转方向不像感应电动机可以通过交换三相相序来改变，必须保证驱动器上的U、V、W、E接线端子与电动机主回路接线端子按规定的次序一一对应连接，否则可能造成驱动器的损坏。电动机的接地端子和驱动器的接地端子以及滤波器的接地端子必须保证可靠的连接到同一个接地点上。机身也必须接地。RB1、RB2、RB3端子是外接放电电阻，MADDT1207003的规格为100Ω/10W（可选）。（4）伺服电动机及驱动器的接线③X5：I/O控制信号端口，其部分引脚信号定义与选择的控制模式有关，不同模式下的接线请参考《松下A系列伺服电动机手册》。若伺服电动机用于定位控制，选用位置控制模式。所采用的是简化接线方式，如图6-53所示。④X6：电动机编码器信号接口，连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接到电动机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆的屏蔽层连接到插头的外壳（FG）上。（4）伺服电动机及驱动器的接线③X5：I/O控制信号端口，其部分引脚信号定义与选择的控制模式有关，不同模式下的接线请参考《松下A系列伺服电动机手册》。若伺服电动机用于定位控制，选用位置控制模式。所采用的是简化接线方式，如图6-53所示。④X6：电动机编码器信号接口，连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接到电动机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆的屏蔽层连接到插头的外壳（FG）上。（5）伺服驱动器的参数设置与调整松下的伺服驱动器有7种控制运行方式，即位置控制、速度控制、转矩控制、位置/速度控制、位置/转矩、速度/转矩、全闭环控制。位置方式就是输入脉冲串来使电动机定位运行，电动机转速与脉冲串频率相关，电动机转动的角度与脉冲个数相关；速度方式有两种，一是通过输入直流-10V~+10V电压调速，二是选用驱动器内设置的内部速度来调速；转矩方式是通过输入直流-10V~+10V电压调节电动机的输出转矩，这种方式下运行必须要进行速度限制，有设置驱动器内的参数来限制和输入模拟量电压限速两种方法。MADDT1207003伺服驱动器的参数共有128个（Pr00-Pr7F），可以通过与PC连接后在专门的调试软件上进行设置，也可以在驱动器上的面板上进行设置。

使用运动控制向导编程实现机械手的运动控制要求。机械手的运动包络如表6-7所示。为便于计算考虑：同步轮齿数=12，齿距=5mm,每转60mm。4.控制要求①为S7-200SMARTCPUST40选择内置运动轴操作。在STEP7SMARTV2.6软件命令菜单中选择“工具”→“运动控制向导”并选择配置“轴0”操作。②设置测量系统。在“选择测量系统”选项中选择“工程单位；“电机一次旋转所需脉冲数”设置“10000”；“测量基本单位”设为“mm”；“电机一次旋转产生多少‘mm’的运动”设为60mm。③设置方向控制。“相位”选择“单相一个输出”。④设置输入点。启用LMT+（正方向行程最大限值），“输入”为“I0.1”；“响应”为“立即停止”；“有效电平”为“上限”。启用LMT-（负方向行程