可编程控制器PLC综合实验指导书.docx
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可编程控制器PLC综合实验指导书
可编程控制器（PLC）综合实验指导书
可编程控制器（PLC）综合实验指导书
（宣城实验室）
编写：
秦剑许月霞
审核：
朱程辉
合肥工业大学电气与自动化工程学院
电气自动化专业实验中心
2015年1月
编写说明
可编程控制器（PLC）综合实验指导书,是为配合宣城校区开设的“电器与可编程控制器技术”课程而编写的。
本实验是为培养和锻炼学生实际编程和应用能力，由任课教师和实验室老师共同讨论所做的实验方案。
实验装置由浙江天煌科技实业有限公司制造。
它集西门子公司的可编程逻辑控制器S7-200和实验控制对象于一体，利用STEP7-MicroWINSMART编程软件、通过电缆与计算机连接，具有非常友好的编程界面。
在本实验箱上，可进行PLC的基本指令练习以及12个PLC实际应用的模拟实验。
PLC实验室注意事项
1.学生进入实验室必须遵守实验纪律，听从实验室老师的安排。
2.实验课和课堂教学一样，应按时进入实验室，不得无故迟到和早退。
3.在实验室，首先注意人身安全，不要随意触摸电源及开关，爱护实验仪器设备。
4.实验前一定要按要求进行预习，了解实验要求及步骤和方法，编写程序框图。
5.注意实验室卫生，不得随地吐痰，乱扔废纸及杂物。
第一部分S7-200可编程控制器与THSMS-1型实验箱
一、可编程控制器概述4
二、STEP7-MicroWINSMART编程软件....................................................8
三、THSMS-1型实验箱的结构及使用方法...................................................10
第二部分实验内容
实验一可编程控制器基本指令编程的练习................................................12
实验二水塔水位自动控制模拟....................................................................21
实验三LED数码显示控制...........................................................................23
实验四天塔之光控制模拟............................................................................25
实验五机械手动作控制模拟........................................................................27
实验六十字路口交通信号灯控制模拟........................................................29
实验七步进电机控制模拟............................................................................31
实验八装配流水线控制模拟........................................................................33
实验九多种液体混合装置控制模拟............................................................35
实验十四节传送带控制模拟........................................................................37
实验十一自动配料控制模拟............................................................................39
实验十二自动售货机控制模拟........................................................................41
实验十三三层升降电梯控制模拟....................................................................43
第一部分S7-200可编程控制器与THSMS-1型实验箱
一、可编程控制器概述
可编程序控制器，英文称ProgrammableLogicalController，简称PLC。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的复杂接线、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
（1）可编程控制器的基本结构
可编程控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（如下图所示）。
1、CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。
它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
2、I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。
输入信号有两类：
一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速
装置等执器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和
报警装置等。
3、电源
可编程序控制器一般使用220V交流电源。
可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。
4、编程器
编程器是PLC的外部编程设备，用户可通过编程器输入、检查、修改、调试程序或监视PLC的工作情况。
也可以通过专用的编程电缆线将PLC与电脑联接起来，并利用编程软件进行电脑编程和监控。
5、输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
6、外部设备接口
此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。
本实验装置选用的主机型号为S7-200系列的主机。
（2）可编程控制器的工作原理
可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（如图所示）。
在内部处理阶段，可编程序控制器检查CPU，模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。
在通信服务阶段，可编程序控制器与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。
在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。
在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的通/断状态传送到输出锁存器。
（3）可编程控制器的内存区域的分布及I/O配置
S7-200CPU224部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示
元件名称
编号
编号范围
功能说明
输入寄存器
I
I0.0～I1.5共14点
接受外部输入设备的信号
输出寄存器
Q
Q0.0～Q1.1共10点
输出程序执行结果并驱动外部设备
位存储器
M
M0.0～M31.7
在程序内部使用，不能提供外部输出
定时器
T
T0,T64
保持型通电延时1ms
T1～T4,T65～T68
保持型通电延时10ms
T5～T31,T69～T95
保持型通电延时100ms
T32,T96
ON/OFF延时,1ms
T33～T36,T97～T100
ON/OFF延时,10ms
T37～T63,T101～T255
ON/OFF延时,100ms
计数器
C
C0～C255
加法计数器，触点在程序内部使用
高速计数器
HC
HC0～HC5
用来累计比CPU扫描速率更快的事件
顺序控制继电器
S
S0.0～S31.7
提供控制程序的逻辑分段
变量存储器
V
VB0.0～VB5119.7
数据处理用的数值存储元件
局部存储器
L
LB0.0～LB63.7
使用临时的寄存器，作为暂时存储器
特殊存储器
SM
SM0.0～SM549.7
CPU与用户之间交换信息
特殊存储器（只读）
SM
SM0.0～SM29.7
CPU执行时标志位的状态
累加寄存器
AC
AC0～AC3
用来存放计算的中间值
（4）可编程控制器的编程语言概述
现代的可编程控制器一般备有多种编程语言，供用户使用。
IEC1131-3—可编程序控制器编程语言的国际标准详细的说明了下述可编程控制器编程语言：
1）顺序功能图
2）梯形图
3）功能块图
4）指令表
5）结构文本
其中梯形图是使用的最多的可编程控制器图形编程语言。
梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制，主要特点如下：
1）可编程控制器梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器（即硬件继电器），而是在软件中使用的编程元件。
每一编程元件与可编程序控制器存储器中元件映像寄存器的一个存储单元相对应。
2）梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线（BUSbar）。
在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电源电压，当图中的触点接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流（Powerflow）”从左到右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。
3）根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。
逻辑解算是按梯形图中从上到下、从左到右的顺序进行的。
4）梯形图中的线圈和其他输出指令应放在最右边。
5）梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可以无限多次地使用。
（5）可编程控制器的编程步骤
1、确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。
2、分配输入输出设备，即确定哪些外围设备是把信号送给PLC，哪些是外围设备是接收来自PLC信号的。
并将PLC的输入、输出口与之对应进行分配。
3、设计PLC程序画出梯形图，梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。
4、实现用计算机对PLC的梯形图直接编程。
5、对程序进行调试（模拟和现场）。
6、保存已完成的程序。
显然，在建立一个PLC控制系统时，必须首先把系统的需要的输入、输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。
确定控制上的相互关系之后，就可进行编程的第二步，分配输入输出设备。
在分配了PLC的输入输出点、内部辅助继电器、定时器、计数器之后，就可以设计PLC程序画出梯形图。
在画梯形图时要注意每个从左边母线开始的逻辑行必须终止于一个继电器线圈或定时器、计数器，与实际的电路图不一样。
梯形图画好后，使用编程软件直接把梯形图输入计算机并下载到PLC进行模拟调试，修改、下载直至符合控制要求。
这便是程序设计的整个过程。
二、STEP7-MicroWINSMART编程软件
（1）STEP7-MicroWINSMART软件的使用方法
STEP7-MicroWINSMART编程软件为用户开发、编辑和控制自己的应用程序提供了良好的编程环境。
为了能快捷高效地开发你的应用程序，STEP7-MicroWINSMART软件提供了三种程序编辑器。
STEP7-MicroWINSMART软件提供了在线帮助系统，以便获取所需要的信息。
本实验装置使用的编程软件是STEP7-Micro/WINV4.0版本，在做实验前，首先将该软件根据软件安装的提示安装到计算机上，然后用编程线将计算机和实验装置连接到一起。
（一）系统需求
STEP7-MicroWINSMART既可以在PC机上运行，也可以在Siemens公司的编程器上运行。
PC机或编程器的最小配置如下：
Windows98、Windows2000、WindowsMe或者WindowsNT4.0以上。
（二）软件的使用
1、打开STEP7-MicroWINSMART，在
选择协议（需先将电脑的IP设成和PLC一个IP段上，为192.168.2.XX）。
2、点击
输入PLC的原始IP192.168.2.1。
3、点击确定即可连接上PLC，对PLC进行操作。
此时显示：
4、编辑梯形图。
5、点击
将程序下载到PLC中，点击
可以对程序运行状态进行监控，点击
可以将PLC置于运行的状态。
（2）编程规则
1、外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。
2、梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在右边。
接点不能放在线圈的右边，在继电器控制的原理图中，热继电器的接点可以加在线圈的右边，而PLC的梯形图是不允许的。
3、线圈不能直接与左母线相连。
如果需要，可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器的常开接点来连接。
4、同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。
双线圈输出容易引起误操作，应尽量避免线圈重复使用。
5、梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不符合顺序执行的电路就不能直接编程。
6、在梯形图中串联接点使用的次数是没有限制的，可无限次地使用。
7、两个或两个以上的线圈可以并联输出。
三、THSMS-1型实验箱的结构及使用方法
（一）结构概述
“THSMS-1型可编程控制实验箱”，是配合开设“电器与可编程控制器技术”课程，结合西门子的S7-200可编程控制器,由浙江天煌科技实业有限公司制造。
在本实验箱上，可进行PLC的基本指令练习以及13个PLC实际应用的模拟实验。
（二）技术性能与特点
1、输入电源：
交流220V±5%50HZ
2、工作环境：
温度-10℃～+40℃相对湿度<85%（25℃）
3、除了PLC本身提供的DC+24V电源外，实验箱自身还提供了电流3A的DC+24V电源。
4、正面印有元器件图形符号字符及连线，反面是相应连线和焊接好的相应器件。
5、为了防止主机的输入输出接线柱和螺钉因实验时频繁的装拆而导致损坏，该实验箱的PLC输出、输入接点及电源全部引在实验板上，使实验接线非常方便。
6、每个实验的输出执行器件均以发光二极管，及信号灯表示，且各自成一形象主体。
7、实验箱内装有过压保护装置，对主机进行过压保护，当电源电压超过了主机所能承受的范围，会自动报警并切断电源，使主机不会因承受过高的电源电压而导致损坏。
8、整体结构紧凑，工艺先进，造型美观大方。
（三）操作、使用方法
一）实验连接及使用说明
1、实验板上容易接错导致系统损坏的部分线路，以及一些对学生无技能要求的部分线路已经连好，其它线路则可应用本装置定制的锁紧叠插线进行连线。
2、实验时，断开“可编程控制器主机面板图”中的电源开关，按实验要求接好外部连线。
检查无误后，接通电源开关。
二）实验箱的启动、交流电源控制
1、将实验箱后侧的三芯电源插头插入电源插座。
2、开启“可编程控制器主机面板图”中的电源开关，电源指示灯亮。
三）在STEP7-MicroWINSMART软件下编程、下载、上传和运行
第二部分实验内容
实验一基本指令的编程练习
（一）与或非功能的实验
一、实验目的
1.熟悉PLC实验装置，S7-200SMART系列编程控制器的外部接线方法
2.了解编程软件STEP7-MicroWINSMART的编程环境，软件的使用方法。
3.掌握与、或、非逻辑功能的编程方法。
二、实验说明
首先应根据参考程序，判断Q0.0、Q0.1、Q0.2的输出状态，再拨动输入开关I0.0、I0.1，观察输出指示灯Q0.0、Q0.1、Q0.2是否符合与、或、非逻辑的正确结果。
注：
在本装置中,可编程控制器的输入公共端“1M”接主机模块电源的“+24V”，此时输入端是低电平有效；输出公共端“1L”接主机模块电源的“GND”，此时输出端输出的是低电平。
将基本指令练习区（S7-200的旁边）的“V+”接模块电源的“+24V”，“COM”接主机模块电源的“GND”。
三、梯形图参考程序
与逻辑：
如上所示：
I0.0、I0.1状态均为1时，Q0.0有输出；当I0.0、I0.1两者有任何一个状态为0，Q0.0输出立即为0。
或逻辑：
如上所示：
I0.0、I0.1状态有任意一个为1时，Q0.1即有输出；当I0.0、I0.1状态均为0，Q0.1输出为0。
非逻辑：
如上所示：
I0.0、I0.1状态均为0时，Q0.2有输出；当I0.0、I0.1两者有任何一个状态为1，Q0.2输出立即为0。
（二）定时器/计数器功能实验
一、实验目的
掌握定时器、计数器的正确编程方法，并学会定时器和计数器扩展方法,用编程软件对可编程控制器的运行进行监控。
二、实验说明
SIMATIC定时器可分为接通延时定时器（TON），有记忆的接通延时定时器（TONR）和断开延时定时器（TOF）。
SIMATIC计数器可分为递增计数器（CTU），递减计数器（CTD）和递增/递减计数器（CTUD）。
在运行程序之前，首先应该根据梯形图分析各个定时器、计数器的动作状态。
三、梯形图参考程序
1）定时器参考程序
2）计数器参考程序
（三）定时器扩展实验
由于PLC的定时器和计数器都有一定的定时范围和计数范围。
如果需要的设定值超过机器范围，可以通过几个定时器和计数器的串联组合来扩充设定值的范围。
1、用一个定时器实现脉冲波。
2、用两个定时器实现方波。
（三）移位功能实验
移位寄存器指令（SHRB）在每次扫描时将DATA数值移入移位寄存器。
S_BIT指定移位寄存器的最低位。
N指定移位寄存器的长度和移位方向（移位加=N，移位减=-N）。
SHRB指令移出的每个位被放置在溢出内存位（SM1.1）中。
该指令由最低位（S_BIT）和由长度（N）指定的位数定义。
（四）置位/复位指令实验
置位（S）和复位（R）指令用于置位（接通）或复位（断开）从指定地址（位）开始的一组位（N）。
可以置位或复位1至255个位。
如果复位指令指定定时器位（T地址）或计数器位（C地址），则该指令将对定时器或计数器位进行复位并清零定时器或计数器的当前值。
实验二水塔水位控制模拟
在水塔水位控制区完成本实验
一、实验目的
用PLC构成水塔水位自动控制系统。
二、实验设备
1、安装了STEP7-MicroWINSMART编程软件的计算机一台
2、HPSMS-1型实验箱一台
3、专用编程电缆一根（PLC的编程接口与计算机网口联接）
4、锁紧导线若干
三、水塔水位控制的实验面板图
输入输出接线
输入
S1
S2
S3
S4
输出
M
Y
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
Q0.0
Q0.1
注：
PLC主机公共端接线方法见实验一
四、实验内容
1、各限位开关定义如下：
S1定义为水塔水位上部传感器（ON：
液面已到水塔上限位、OFF：
液面未到水塔上限位）；
S2定义为水塔水位下部传感器（ON：
液面已到水塔下限位、OFF：
液面未到水塔下限位）；
S3定义为水池水位上部传感器（ON：
液面已到水池上限位、OFF：
液面未到水池上限位）；
S4定义为水池水位下部传感器（ON：
液面已到水池下限位、OFF：
液面未到水池下限位）。
2、当水位低于S4时，阀Y开启，系统开始向水池中注水，4S后水池中的水
位未达到S4，Y闪烁报警。
3、当水池中的水位高于S4、水塔中的水位低于S2，则电机M开始运转，水泵开始由水池向水塔中抽水。
4、当水塔中的水位高于S1时，电机M停止运转，水泵停止向水塔抽水。
5、按要求分配PLC的I/O地址，正确连接实验线路。
6、编写实验程序并运行。
7、模拟操作系统工作过程。
五、实验报告
1、写出梯型图程序；
2、绘制PLC外部接线图及I/O地址分配情况；
3、整理出运行和监视程序时出现的现象；
4、叙述系统控制原理。
实验三LED数码显示控制
在LED数码显示控制实验区完成本实验
一、实验目的
熟练掌握移位寄存器SHRB，能够灵活的运用。
二、实验设备
1、安装了STEP7-MicroWINSMART编程软件的计算机一台
2、HPSMS-1型实验箱一台
3、专用编程电缆一根（PLC的编程接口与计算机网口联接）
4、锁紧导线若干
三、LED数码显示控制的实验面板图：
LED数码显示控制面板
输入输出接线
输入
SD
I0.0
输出
A
B
C
D
E
F
G
H
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
注：
PLC主机公共端接线方法见实验一
四、实验内容
1、控制要求
按下启动按钮后，由八组LED发光二极管模拟的八段数码管开始显示，先是一段段显示，显示次序是A、B、C、D、E、F、G、H。
随后显示数字及字符，显示次序是0、1、2、
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