S7-300系列PLC应用系统设计

第8章S7-300系列PLC应用系统设计第8章S7-300系列PLC应用系统设计8.1PLC应用系统设计的内容和步骤8.2PLC应用系统的硬件设计8.3PLC应用系统的软件设计8.4PLC应用系统设计实例第8章S7-300系列PLC应用系统设计8.1PLC应用系统设计的内容和步骤按照规范的设计步骤进行PLC系统设计，可以提高工作效率。8.1.1系统设计的原则与内容1．设计原则(1)最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求；(2)在满足控制要求的前提下，力求简单、经济，操作方便；(3)保证控制系统工作安全可靠；(4)考虑到今后的发展改进，应适当留有进一步扩展的余地。第8章S7-300系列PLC应用系统设计2．设计内容(1)拟定控制系统设计的技术条件，它是整个设计的依据；(2)选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；(3)选定PLC的型号；(4)编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；(5)根据系统要求编写软件说明书，然后再进行程序设计；(6)重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；(7)设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；(8)编写设计说明书和使用说明书。第8章S7-300系列PLC应用系统设计8.1.2系统设计和调试的主要步骤1．深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求2．确定I/O设备，常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。3．选择合适的PLC类型，根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型。4．分配I/O点，编制出输入/输出端子的接线图。5．设计应用系统梯形图程序，这一步是整个应用系统设计最核心的工作。第8章S7-300系列PLC应用系统设计6．将程序输入PLC，当使用计算机上编程时，可将程序下载到PLC中。7．进行软件测试，在将PLC连接到现场设备上之前，必须进行软件测试，以排除程序中的错误。8．应用系统整体调试，在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试。调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。9．编制技术文件，系统技术文件包括功能说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图等。第8章S7-300系列PLC应用系统设计8.2PLC应用系统的硬件设计8.2.1PLC选型在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体应考虑以下几点。1．性能与任务相适应2．PLC的处理速度应满足实时控制的要求3．PLC应用系统结构合理、机型系列应统一4．在线编程和离线编程的选择第8章S7-300系列PLC应用系统设计8.2.2PLC容量估算PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数，二是用户存储器的容量。1．I/O点数的估算根据功能说明书，可统计出PLC系统的开关量I/O点数及模拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。应在统计后得出I/O总点数的基础上，增加10％～15％的裕量。选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估算值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30％左右的裕量。第8章S7-300系列PLC应用系统设计2.存储器容量估算用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下：所需存储器容量(KB)＝(1～1.25)×(DI×10＋DO×8＋AI/O×100＋CP×300)/1024其中：DI为数字量输入总点数；DO为数字量输出总点数；AI/AO为模拟量I/O通道总数；CP为通信接口总数。第8章S7-300系列PLC应用系统设计8.2.3I/O模块的选择1．开关量输入模块的选择PLC的输入模块用来检测来自现场(如按钮、行程开关、温控开关、压力开关等)电平信号，并将其转换为PLC内部的低电平信号。开关量输入模块按输入点数分，常用的有8点、12点、16点、32点等；按工作电压分，常用的有直流5V、12V、24V，交流110V、220V等；按外部接线方式又可分为汇点输入、分隔输入等。第8章S7-300系列PLC应用系统设计选择输入模块主要应考虑以下两点：(1)根据现场输入信号(如按钮、行程开关)与PLC输入模块距离的远近来选择电压的高低。一般，24V以下属低电平，其传输距离不宜太远。如12V电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。(2)高密度的输入模块，如32点输入模块，允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般，同时接通的点数不得超过总输入点数的60％。第8章S7-300系列PLC应用系统设计2．开关量输出模块的选择输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号转换为外部所需电平的输出信号，驱动外部负载。输出模块有三种输出方式：继电器输出、双向可控硅输出和晶体管输出。1)输出方式的选择继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。晶闸管输出(交流)和晶体管输出(直流)都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高的反压，必须采取抑制措施。第8章S7-300系列PLC应用系统设计2)输出电流的选择模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动，则应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，故要留有足够的裕量。3)允许同时接通的输出点数在选用输出模块时，还要看整个输出模块的满负荷能力，如OMRON公司的CQM1-OC222是16点输出模块，每个点允许通过电流2A(AC250V/DC24V)。但整个模块允许通过的最大电流仅8A。第8章S7-300系列PLC应用系统设计8.2.4分配输入/输出点一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的；在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线(如两个触点先串联或并联)，然后再接到输入点。1.明确I/O通道范围不同型号的PLC，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号，弄清相应的I/O点地址的分配。第8章S7-300系列PLC应用系统设计2.内部辅助继电器内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定时器、计数器时作数据存储或数据处理用。根据程序设计的需要，应合理安排PLC的内部辅助继电器，在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途，避免重复使用。3．分配定时器/计数器对用到定时器和计数器的控制系统，注意定时器和计数器的编号不能相同。若扫描时间较长，则要使用高速定时器以保证计时准确。第8章S7-300系列PLC应用系统设计8.2.5安全回路设计安全回路起保护人身安全和设备安全的作用，它应能独立于PLC工作，并采用非半导体的机电元件以硬接线方式构成。确保系统安全的硬接线逻辑回路，在以下几种情况下将发挥安全保护作用：①PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时；②PLC失控时；③操作人员需要紧急干预时。设计安全回路的任务包括以下内容：(1)确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系；(2)设计硬回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段；(3)为PLC定义故障形式和重新启动特性。第8章S7-300系列PLC应用系统设计8.3PLC应用系统的软件设计8.3.1PLC应用软件设计的内容PLC应用软件的设计是一项十分复杂的工作，它要求设计人员既要有PLC、计算机程序设计的基础，又要有自动控制的技术，还要有一定的现场实践经验。一个实用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容：(1)PLC软件功能的分析与设计；(2)I/O信号及数据结构分析与设计；第8章S7-300系列PLC应用系统设计(3)程序结构分析与设计；(4)软件设计规格说明书编制；(5)用编程语言、PLC指令进行程序设计；(6)软件测试；(7)程序使用说明书编制。8.3.2PLC应用系统的软件设计步骤根据可编程序控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是应用系统的软件设计。第8章S7-300系列PLC应用系统设计1.制定设备运行方案制定方案就是根据生产工艺的要求，分析各输入、输出与各种操作之间的逻辑关系，确定需要检测的量和控制的方法，并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。据此便可画出流程图。2.画控制流程图对于较复杂的应用系统，需要绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，可省去这一步。第8章S7-300系列PLC应用系统设计3.制定系统的抗干扰措施根据现场工作环境、干扰源的性质等因素，综合制定系统的硬件和软件抗干扰措施，如硬件上的电源隔离、信号滤波，软件上的平均值滤波等。4.编写程序根据被控对象的输入/输出信号及所选定的PLC型号分配PLC的硬件资源，为梯形图的各种继电器或接点进行编号，再按照软件规格说明书(技术要求、编制依据、测试)，用梯形图进行编程。第8章S7-300系列PLC应用系统设计5.软件测试刚编写好的程序难免有缺陷或错误。为了及时发现和消除程序中的错误和缺陷，需要对程序进行离线测试。经调试、排错、修改及模拟运行后，才能正式投入运行。6.编制程序使用说明书当一项软件工程完成后，为了便于用户和现场调试人员的使用，应对所编制的程序进行说明，说明书应包括程序设计的依据、结构、功能、流程图，各项功能单元的分析，PLC的I/O信号，软件程序操作使用的步骤、注意事项等。第8章S7-300系列PLC应用系统设计8.4PLC应用系统设计实例•机械手控制系统设计1.工艺过程及控制要求1)工艺过程图8.1所示为一简易物料搬运机械手的工艺流程图。该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从左工作台搬运到右工作台，由光耦合器VLC来检测工作台上有没有工件。机械手通常位于原点，它的动作全部由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制，放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀(称为夹紧电磁阀)控制。第8章S7-300系列PLC应用系统设计图8.1搬运机械手工艺流程图A工件夹紧放松Q4.4VLCI1.5Q4.0Q4.1下降上升B左移Q4.3右移Q4.2第8章S7-300系列PLC应用系统设计2)控制要求机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制(又称单周期控制)，以便对设备进行调整和检修。图8.2是机械手控制系统的逻辑流程图。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位﹑左位。原位启动工件停止下降低位夹紧延时上升高位右移右位左位左移高位上升延时松开低位下降图8.2机械手控制的程序流程图第8章S7-300系列PLC应用系统设计2.可编程序控制器选型1)硬件配置系统输入信号有3个启动按钮，4个限位开关，5个手动输入信号，1个有工件检测信号，共计14个数字量输入信号；输出信号有机械手上升/下降驱动信号﹑左移/右移驱动信号和机械手夹紧驱动信号，共有5个数字量输出信号。不需模拟量模块，选择S7-300系列的CPU313，加上数字量输入模块SM321及输出模块SM322就可以满足要求，而且还有一定的裕量。2)I/O地址分配将14个输入信号、5个输出信号与PLC的I/O端一一对应，编排好地址，如表6.1所示。第8章S7-300系列PLC应用系统设计表8.1I/O地址分配模块号输入端子号输出端子号地址号信号名称说明SM3211I0.0自动启动按钮2I0.1单动启动按钮3I0.2手动启动按钮4I0.3停止按钮5I0.4高位限位开关6I0.5低位限位开关7I0.6左位限位开关8I0.7右位限位开关9I1.0手动下降按钮10I1.1手动上升