西门子工业自动化项目实践

2009-2-26第1章绪论1/14西门子工业自动化项目设计实践全集成自动化概念1996年，西门子自动化与驱动集团提出了全集成自动化的概念——TIA，TotallyIntegratedAutomationSIMATIC提供了一个可以包含当今自动化解决方案中全部所需组件的模块化系统，其系列产品具有高度一致的数据管理，统一的编程和组态环境以及标准化的网络通讯体系结构，为从现场级到控制级的生产及过程控制提供了统一的全集成系统平台。2009-2-26第1章绪论2/14西门子工业自动化项目设计实践一致的数据管理使所有SIMATIC工具软件都从一个全局共享的统一的数据库中获取数据，它们具有统一的符号表和统一的变量名。例如SIMATICHMI工具可以自动识别和使用STEP7中定义的变量，并可以与STEP7中的变量同步变化。这种统一的数据管理机制，不仅可以减少输入阶段的费用，还可以降低出错率，提高系统诊断效率。2009-2-26第1章绪论3/14西门子工业自动化项目设计实践统一的编程和组态环境使得用户可以在SIMATICManager的统一界面下工作，在STEP7中直接调用其它软件，对自动化系统中所有部件进行编程和组态。工程技术人员可以在一个平台下完成对PLC编程、对HMI进行组态以及定义通讯连接等操作。这样使整个系统的组态变得更为简单，同时也变得相当快捷，从而更多地降低了成本。2009-2-26第1章绪论4/14西门子工业自动化项目设计实践标准化的网络通讯实现了从控制级到现场级协调一致的通讯，AS-Interface总线、PROFIBUS总线以及工业以太网等不同功能的网络涵盖了自动化系统几乎所有的应用。对于不同厂商的部件只要使用相同的标准（PROFIBUS、OPC或微软标准），就可以确保它们相互兼容、无差错地实现信息的传输。2009-2-26第1章绪论5/14西门子工业自动化项目设计实践SIMATIC系统特性‹集成、高效的工程组态工具‹功能齐全的智能诊断工具‹统一的通讯协议‹基于自动化系统的故障安全功能‹实现无停工运行的冗余结构‹智能技术和运动控制功能‹等时同步模式‹Web服务器‹人机界面2009-2-26第1章绪论6/14西门子工业自动化项目设计实践自动化生产线工程项目设计自动生产线工程项目涵盖PLC控制技术、网络通讯技术和上位监控技术。为了使读者能够由简单到复杂、由易到难循序渐进地掌握西门子工业自动化技术，本书将工程项目分为三个层次分别描述，即可编程控制器单机控制系统、PROFIBUS-DP现场总线网络控制系统和触摸屏上位监控系统。2009-2-26第1章绪论7/14西门子工业自动化项目设计实践可编程控制器的产生和定义“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命令，并通过数字式，模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。”2009-2-26第1章绪论8/14西门子工业自动化项目设计实践可编程控制器的特点‹可靠性高，抗干扰能力强‹结构简单，应用灵活‹编程方便，易于使用‹功能完善，适用性强2009-2-26第1章绪论9/14西门子工业自动化项目设计实践可编程控制器的分类‹整体式结构‹模块式结构‹通用型‹专用型按照I/O点数容量分类按照结构形式分类按照使用情况分类‹小型机‹中型机‹大型机2009-2-26第1章绪论10/14西门子工业自动化项目设计实践可编程控制器的硬件组成整体式PLC的结构组成2009-2-26第1章绪论11/14西门子工业自动化项目设计实践可编程控制器的硬件组成模块式PLC的结构组成2009-2-26第1章绪论12/14西门子工业自动化项目设计实践可编程控制器的工作特点PLC循环扫描工作过程CPU自检通信处理读取输入执行程序刷新输出2009-2-26第1章绪论13/14西门子工业自动化项目设计实践PLC的扫描周期一个循环扫描工作过程主要包括读取输入、执行程序、处理通信请求、自诊断检查和刷新输出几个阶段，整个过程扫描一次所需的时间扫描周期2009-2-26第1章绪论14/14西门子工业自动化项目设计实践PLC采用输入/输出映象寄存器的优点‹在CPU一个扫描周期中，输入映象寄存器向用户程序提供一个始终一致的过程信号映象，这样保证CPU在执行用户程序过程中数据的一致性。‹在CPU扫描周期结束时，将输出映象寄存器的最终结果送给外设，避免了输出信号的抖动。‹由于输入/输出映象寄存器区位于CPU的系统存储器区，访问速度比直接访问信号模块要快，缩短了程序执行时间。‹抗干扰能力强。在CPU扫描周期中，仅在开始的很短时间内读取输入模块的状态值，存入输入映象寄存器，以后输入模块的干扰信号不会影响CPU程序的执行。即使在某个扫描周期干扰侵入，并造成输出值错误，由于扫描周期时间远远小于执行器的机电时间常数，因此当它还没有来得及使执行器发生错误的动作，下一个扫描周期正确的输出就会将其纠正，使PLC的可靠性显得更高。2009-2-26第2章工程项目1/13西门子工业自动化项目设计实践自动化生产线模型物料灌装自动生产线示意图控制面板模型启动停止下位上位故障1故障2故障3急停正向点动反向点动计数清零故障复位手动自动2009-2-26第2章工程项目2/13西门子工业自动化项目设计实践控制系统技术要求1.急停功能当设备发生故障时，按下急停按钮停止设备的一切运行。2.手动模式（1）在手动模式下，可以通过点动按钮使传送带电动机正转或反转，用于调试设备；（2）在手动模式下，可以通过复位按钮对计数统计值进行清零。3.自动模式（1）在自动模式下，按下启动按钮，系统启动，电动机正转，传送带运行。（2）空瓶子到达灌装位置时电动机停转，灌装阀门打开。（3）灌装时间到，灌装阀门关闭，电动机正转传送带继续运行。（4）在自动模式下，按下停止按钮，系统停止，电动机不转，传送带停止运行。2009-2-26第2章工程项目3/13西门子工业自动化项目设计实践控制系统技术要求4.工件计数统计控制系统可以实现工件的计数统计，包括毛坯数、正品数和废品数。正品数显示在控制面板的数码管上。5.模拟量检测灌装液罐的液位由模拟量液位传感器进行监视。液位低于下限时要打开进料阀门，液位高于上限时要关闭进料阀门。6.故障报警当设备发生故障时，控制系统能够立即响应，控制面板上相应的故障指示灯会闪亮。故障排除后按下故障复位按钮，生产线才能自动运行。2009-2-26第2章工程项目4/13西门子工业自动化项目设计实践控制方案设计原则PLC控制方案设计流程图确定系统控制任务与设计要求制定电气控制方案确定控制系统的输入输出信号PLC选型与硬件配置I/O分配修改程序交付使用制作控制柜输入输出配线编写符号表、设计控制程序现场运行调试项目归档YN程序初步调试安装PLC、I/O连线是否满足要求？2009-2-26第2章工程项目5/13西门子工业自动化项目设计实践确定系统控制任务与设计要求了解机械运动与电气执行元件之间的关系，仔细分析被控对象的控制过程和控制要求，熟悉工艺流程及设备性能，明确各项任务的要求、约束条件及控制方式。对于较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立的部分，这样可以化繁为简，有利于编程和调试。2009-2-26第2章工程项目6/13西门子工业自动化项目设计实践制定电气控制方案根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定控制系统的工作方式，例如全自动、半自动、手动、单机运行、多机联线运行等。还要确定控制系统应有的其他功能，例如故障诊断与显示报警、紧急情况的处理、管理功能、网络通信等。2009-2-26第2章工程项目7/13西门子工业自动化项目设计实践确定控制系统的输入输出信号1.控制对象的类型数字量输入对象:‹继电器‹电磁阀‹电动机起动器‹指示灯‹蜂鸣器等模拟量输入对象:‹温度‹压力‹流量‹液位‹电动机电流等数字（开关）量型模拟量型模拟量输入对象:‹电动调节阀‹变频器等数字量输入对象:‹按钮‹选择开关‹行程开关‹限位开关‹光电开关等2009-2-26第2章工程项目8/13西门子工业自动化项目设计实践确定控制系统的输入输出信号2.控制对象的数值范围外部负载电压等级:‹DC24/48V‹DC48～125V‹AC120/230V外部输入传感器信号的类型（如电压、电流、电阻等）及测量的量程范围数字（开关）量型模拟量型外部负载的类型（如电压或电流）及对应的输出值范围外部输入信号电压等级:‹DC24V‹DC48‹125V‹AC120/230V2009-2-26第2章工程项目9/13西门子工业自动化项目设计实践PLC选型与硬件配置PLC选型主要考虑以下几点：根据已经确定的I/O设备，统计所需要的I/O信号的点数，选择是否支持扩展机架的CPUI/O信号的点数根据信号传输方式所需要的网络接口形式，选择支持现场总线网络、工业以太网络或点到点通信的CPU。如果网络有路由要求，则要选择支持路由功能的CPU网络通信的模式特殊功能需求如果现场有高速计数或高速脉冲输出要求，可选择集成了该功能的CPU。选择硬件模块时要留有适当的余量：根据已经确定的I/O信号的点数和类型，预留10%～15%的容量。2009-2-26第2章工程项目10/13西门子工业自动化项目设计实践I/O分配通过对输入输出设备的分析、分类和整理，进行相应的I/O地址分配，应尽量将相同类型的信号、相同电压等级的信号地址安排在一起，以便施工和布线，并绘制I/O接线图。2009-2-26第2章工程项目11/13西门子工业自动化项目设计实践控制程序设计按照控制系统的要求进行PLC程序设计是工程项目设计的核心。程序设计时应将控制任务进行分解，编写完成不同功能的程序块，包括循环扫描主程序、急停处理子程序、手动运行子程序、自动运行子程序、故障报警子程序等。编写的程序要在实验室进行模拟运行与调试，检查逻辑及语法错误，观察在各种可能的情况下各个输入量、输出量之间的变化关系是否符合设计要求，发现问题及时修改设计。2009-2-26第2章工程项目12/13西门子工业自动化项目设计实践现场运行调试在工业现场所有的设备都安装到位，所有的硬件连接都调试好以后，要进行程序的现场运行与调试。在调试过程中，不仅要进行正常控制过程的调试，还要进行故障情况的测试，应当尽量将可能出现的情况全部加以测试，避免程序存在缺陷，确保控制程序的可靠性。只有经过现场运行的检验，才能证明设计是否成功。2009-2-26第2章工程项目13/13西门子工业自动化项目设计实践项目归档在设计任务完成后，要编制工程项目的技术文件。技术文件是用户将来使用、操作和维护的依据，也是这个控制系统档案保存的重要材料，包括总体说明、电气原理图、电器布置图、硬件组态参数、符号表、软件程序清单及使用说明等。2009-3-3第3章PLC的硬件系统1/38西门子工业自动化项目设计实践S7-300/400硬件模块S7-300/400属于模块式PLC，主要由机架、电源模块、CPU模块、信号模块、通信模块、功能模块、接口模块等组成，所有模块均安装在机架上。3124S7-400系列PLC1-电源2-CPU3-信号模块4-机架32S7-300系列PLC1-电源2-CPU3-信号模块4-机架142009-3-3第3章PLC的硬件系统2/38西门子工业自动化项目设计实践机架S7-300机架S7-400机架1.中央机架中央机架带有K总线（串行通讯总线）和P总线（并行I/O总线），可以安装CPU模块、信号模块、通信模块、功能模块和接口模块等。2.扩展机架扩展机架只带有P总线，不能安装需要K总线通讯的功能模块和通信模块。3.通用机架通用机架带有K总线和P总线，既可以用于中央机架也可以用于扩展机架，在扩展机架上也可以安装功能模块和通信模块。五种不同的长度：160毫米，482毫米，530毫米，830毫米，2000毫米2009-3-3第3章PLC