PLC课程设计指导书新.docx
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PLC课程设计指导书新
可编程控制器原理与实践
课程设计
东华大学信息学院自动化系
2015.8
可编程序控制器原理与实践
课程设计
一、PLC课程设计目的
（1）通过对实际的PLC控制系统的编程训练，提高分析问题、解决问题的能力；
（2）熟悉工业生产中PLC的应用和系统构成，了解PLC控制的电路的设计方法。
（3）通过本次课程设计增进实际动手能力的培养。
（4）用PLC实现物料分拣、液体混合、码垛堆积、自动挑选放置及自动仓库等模型的三维虚拟模拟控制系统的程序设计，掌握编程的一般方法和技巧。
二、PLC课程设计要求
（1）理解实际系统的运动过程，分解每一步动作过程，使之容易编程。
（2）列写PLC控制系统的I/O配置。
（3）画出硬件电路图，实现PLC与控制装置的连线。
（4）编写梯形图程序，完成系统的调试。
（5）完成课程设计报告。
三、考核方法
（1）平时成绩30%
（2）报告成绩30%
（3）实考成绩40%
四、报告内容
（1）课程设计的目的和要求
（2）所设计系统的技术要求及示意图
（3）PLC控制系统电气原理图
（4）I/O配置表
（5）程序清单（梯形图）
（6）总结体会
PLC课程设计基础实验
实验一
TIAPortal的使用和基本程序编程及调试
一、实验目的
1、掌握TIAPortal的基本使用技巧和方法
2、熟悉TIAPortal的基本命令
3、学会和掌握TIAPortal程序的调试方法
二、实验设备
PC机一台，装有TIAPortal编程软件；西门子PLCS7-300一台；
各PC机与S7-300通过网络电缆连接进行通信。
详见附录A。
三、实验内容
熟悉并练习TIAPortal的使用，用选定的编程语言编制、调试控制程序。
TIAPortal是西门子公司为其自动化控制设备PLC开发的一种可使用多种编程语言的PLC开发环境，如附录B所示。
1．PLC硬件配置：
根据所给实验装置，使用TIAPortal对系统硬件进行配置。
配置方法见本指导书附录B。
2．实验程序：
试用课堂上的梯形图（LAD）实例，观察程序运行结果，从中理解LAD的编程方法。
四.思考题
1．在TIAPortal中为什么要对PLC系统硬件进行配置？
2．为什么要为用户编制的控制程序命名？
3．为用户程序选择循环周期的原则是什么？
4．TIAPortal为用户提供多种编程语言有什么好处？
实验二
基础实验：
系统输入输出控制
一、实验目的
1．熟悉和掌握梯形图（LAD）的基本使用技巧和方法
2．熟悉和掌握TIAPortal的基本使用技巧和方法
3．学会和掌握TIAPortal程序的调试方法
二、实验设备
PC机一台，装有TIAPortal编程软件；西门子PLCS7-300一台；
各PC机与S7-300通过网络电缆连接进行通信。
详见附录A。
三、实验内容
熟悉并练习梯形图（LAD）和TIAPortal的基本使用技巧和方法。
TIAPortal是西门子公司为其自动化控制设备PLC开发的一种编程语言，如附录B所示。
1．PLC硬件配置：
根据所给实验装置，使用TIAPortal对系统硬件进行配置。
配置方法见本指导书附录B。
2．实验程序1：
使用LAD编程语言，编制一段小控制程序，实现以下功能：
利用实验装置上的第一个模拟量旋钮（电位器），来控制模拟量输出，当旋转该电位器时，第一个模拟量输出随之变化，旋钮逆时针旋到底时（模拟量输入为最小值0），要求模拟量输出为0（光柱无显示），当旋钮顺时针旋到底时（模拟量输入为最大值32767），要求模拟量输出为最大值（光柱全显示）；同时，第二个模拟量输出的状态正好与第一个模拟量输出相反。
3．实验程序2：
使用LAD编程语言，编制一段小控制程序，实现以下功能：
利用实验装置上的两个开关，来控制模拟量输出，当接通（合上）其中一个开关（另一个应处于断开状态）时，第一个模拟量输出从0开始随时间逐渐增大，达到其最大值后，再从0开始…，周而复始；当接通（合上）另一个开关时，第一个模拟量输出从0开始随时间逐渐增大，达到其最大值后，再从0开始…，同时，第二个模拟量输出从其最大值开始随时间逐渐减小，达到0后，再从其最大值开始…，周而复始。
四、思考题
1．在LAD中模拟量输入的最大值和最小值是多少？
2．在LAD中如何实现模拟量的赋值？
3．实验中，模拟量输出指示（LED光条）旁的指示灯正常时应为绿色，但为什么有时会出现红色？
如何才能使该指示灯始终保持绿色？
4．LAD语言中的数据类型之间如何进行相互转换？
课程设计内容
一、多槽水处理控制系统
（一）系统示意图
本多槽水处理系统共有四个独立的废水处理水槽，如上图所示，由一个总进水泵灌入需处理的废水，每个处理槽分别有一个进水阀、一个充氧泵和一个排水阀。
控制系统应设计有一个启动/停止按钮（或电源开关）、一个运行/模式开关、一个模式选择开关。
启动/停止按钮按下（或电源开关合上）后，整个系统才能运行；运行/模式开关处于“运行”时，四个处理槽即开始废水处理，此时不得进行模式切换；运行/模式开关处于“模式”时，可以进行两种工作模式的切换；
（二）控制要求：
1.上电运行时，系统处于停止状态。
2.紧停按钮：
任何时候按下后，立即停止（或关闭）所有动作部件，释放后才可继续运行。
3.启动按钮可实现启动控制：
系统开始运行。
4.停止按钮可实现停止控制：
按下后，四个废水处理槽依次排水完成后停止运行。
5.切换开关可实现手动/自动控制的切换：
初始状态为手动状态。
6.手动运行状态：
按下各输入纽子按钮（X0～X7）可分别控制图中系统各部分的动作，按一下动作，再按一下停止。
7.自动运行状态：
此时系统作连续工作，每个废水处理槽的废水处理过程如下：
在进水完成后先按规定的充氧时间进行充氧，充氧完毕后等待（按规定时间）杂质沉淀，充分沉淀后打开排水阀排水，排完水后，继续进水…，以此类推，连续循环。
同时，为减少投资，选用的总进水泵较小，所以四个处理槽不能同时进水，必须错开进水。
所设计的多槽水处理控制系统能达到以下的控制要求：
控制过程:
1、进水2、充氧3、沉淀4、排水
控制要求:
1、上述循环过程（每个槽）总计40秒（从进水开始至排水结束）
2、四个槽相互时间间隔10秒。
控制模式：
1、固定模式：
进水5秒，充氧20秒，沉淀10秒，排水5秒
2、选择模式:
进水5秒，充氧N秒，沉淀M秒，排水5秒
（N+M=30秒）
（三）I/O配置
输入：
X01#水槽进水阀（手动控制）
X12#水槽进水阀（手动控制）
X23#水槽进水阀（手动控制）
X34#水槽进水阀（手动控制）
X41#水槽充氧泵（手动控制）
X52#水槽充氧泵（手动控制）
X63#水槽充氧泵（手动控制）
X74#水槽充氧泵（手动控制）
X81#水槽排水阀（手动控制）
X92#水槽排水阀（手动控制）
X103#水槽排水阀（手动控制）
X114#水槽排水阀（手动控制）
X12模式选择开关
X13启动/停止按钮，进水泵（手动控制）
X14手动/自动控制选择开关
X15紧停按钮
AI1模式二（选择模式）时的时间设定（模拟量输入）
输出：
Y0总进水泵
Y11#水槽进水阀
Y22#水槽进水阀
Y33#水槽进水阀
Y44#水槽进水阀
Y51#水槽充氧泵
Y62#水槽充氧泵
Y73#水槽充氧泵
Y84#水槽充氧泵
Y91#水槽排水阀
Y102#水槽排水阀
Y113#水槽排水阀
Y124#水槽排水阀
Y13系统启动指示
Y14系统运行指示
Y15系统模式指示
（四）设计要求
理解动作过程，列写I/O配置表，画出硬件电路图，编写梯形图程序，进行系统调试。
二、自动码垛堆积系统
（一）系统示意图
这一系统模拟了一个将成品箱自动码垛堆积的控制系统，可将成品箱堆成三层，该系统由一个输入升降装置、输入传送带、成品箱整形并接码垛装置和输出传送带组成。
输入升降装置（A）将一个成品箱通过机械推手（B）送至输入传送带（C），然后在该传送带末端通过挡板（D）累积到2个，通过成品箱整形（E、F）并接码垛装置，码垛堆积成三层完毕后，再通过升降台（G）启动输送电机（H），将码垛好的三层成品箱送上输出传送带（I）。
（二）控制要求：
1.上电运行时，系统处于停止状态。
2.紧停按钮：
任何时候按下后，立即停止（或关闭）所有动作部件，释放后才可继续运行。
3.启动按钮可实现启动控制：
系统开始运行。
4.停止按钮可实现停止控制：
按下后，系统在一个成品盒码垛堆积完成并送出后停止运行。
5.切换开关可实现手动/自动控制的切换：
初始状态为手动状态。
6.手动运行状态：
按下各输出按钮（Y0～Y7）可分别控制图中系统各部分的动作，按一下动作，再按一下停止。
（在无虚拟场景配合的情况下，此时可用X0～X7作为相应输出的命令按钮。
）
7.自动运行状态：
此时系统作连续工作，输入升降装置（A）将一个成品箱通过机械推手（B）送至输入传送带（C），然后在该传送带末端通过升起的挡板（D）累积到2个，再将挡板放下使2个成品箱移至活动垫板（E）上，同时活动垫板（E）前伸至码垛位置（由推杆F的位置决定），推杆F动作使成品箱到位，然后活动垫板（E）后缩，将成品箱转移至升降台（G）。
升降台（G）随后下降到高位码垛位置（7号传感器），等待活动垫板（E）再送来一层成品箱后，升降台（G）继续下降到中位码垛位置（8号传感器）；等待活动垫板（E）再送来一层成品箱后，升降台（G）继续下降到低位码垛位置（9号传感器），三层堆积完毕，升降台（G）再下降至输送位（6号传感器），启动输送电机（H），将码垛好的三层成品箱送上输出传送带（I）。
这样周而复始……
（三）I/O配置
输入：
X0输入升降机成品箱输出检测
X1机械推手B限位检测
X2传送带C有物检测
X3活动垫板前限位
X4活动垫板后限位
X5整形推杆F限位
X6升降台（G）最低位检测
X7升降台（G）第一层位置检测
X8升降台（G）第二层位置检测
X9升降台（G）第三层位置检测
X10升降台（G）输送末端物品检测
X11手动/自动控制选择开关
X12启动按钮
X13停止按钮
X14复位按钮
X15紧停按钮
输出：
Y0输送带C电机驱动
Y1输入升降机推手前进
Y2挡板升起
Y3活动垫板前进
Y4整形推杆F前进
Y5升降台（G）上升运动控制
Y6升降台（G）下降运动控制
Y7升降台（G）输送电机驱动
（四）设计要求
理解动作过程，列写I/O配置表，画出硬件电路图，编写梯形图程序，进行系统调试。
附录A实验设备简介
东华大学信息学院“西门子公司与东华大学工业自动化联合实验室”（在建）中西门子公司的S7-300PLC共有35套，分为两组，每组各自用ProfiNet现场总线相互连接（模拟工业控制网络中的现场控制级）；每台PLC与工控操作站之间用工业Ethernet相互连接（模拟工业控制网络中的企业生产管理级），整个系统安置在一个实验室中，实验系统的网络结构图如图A-2所示。
每台S7-300PLC旁都配有1台PC机作为该PLC的编程及监控设备（内装各种所需软件）。
每台S7-300PLC下方还都配置相应的实验装置：
16个扭子开关（用于数字量的输入）、2个电位器（用于模拟量的输入）和2个LED光柱（用于模拟量的输出显示）。
每台S7-300PLC上均配置了CPU模块、数字、模拟量输入输出模块，见图A-1。
在每台PC机中已装有Windows7操作系统，以及实验所需的西门子PLC的编程软件TIAPortal（V13），用于对PLC系统的配置编程及人机界面的组态设计监控，各台PC机分别与各自对应的PLC之间通过工业Ethernet接口相连接。
图A-1单套S7-300PLC实验系统结构图
图A-2工业自动化实验室系统网络结构图
附录BTIAPortal环境及其操作
一、TIAPortal简介
TIAPortal是德国西门子公司推出的，基于Windows平台上的，支持用户开发西门子PLC（可编程计算机控制器）应用程序的软件包。
TIAPortal集系统配置、程序编制/编译、调试/诊断、监控画面配置为一体，使用户开发、输入、调试和修改应用控制程序都极为方便。
TIAPortal提供的PLC编程语言非常丰富，有梯形图LAD，指令表IL和高级编程语言：
结构文本SCL，顺序功能图FBC等，用户可选择一种语言编程，必要时，也可混合使用几种语言来进行编程。
二、TIAPortal集成开发环境
TIAPortal的操作界面包含标题栏、菜单条、工具栏、硬件配置窗体、软件配置窗体、信息窗口和状态行等，如下图所示。
图B-1TIAPortal桌面
图中窗体分为三个部分。
左半部分是工程项目中用到的所有硬件的总览，是关于硬件的配置。
当选定左边窗口中的一个模块时，右边窗口中就会出现相应的硬件模块信息与参数配置。
界面的下方是输出显示窗口及状态栏。
在运行程序后，该窗口可以给出关于程序的一些输出、调试、查找信息。
状态栏给出的是帮助、串口、在线/离线及控制器的类型、操作系统版本的相关信息。
三、STEP7工程项目的建立及系统配置
通过点击计算机桌面上的TIAPortal图标或从“开始”菜单栏中选择“TIAPortalV13”可以直接进入TIAPortal环境。
第一次使用时将出现如下的画面：
图B-2第一次进入画面
点击“创建新项目”，进入新建项目的画面：
图B-3新建项目
在此用户可为项目命名，按“创建”后，将进入下一步的选择窗口：
图B-4组态设备等选择
西门子的TIA环境允许用户在同一项目中配置使用多种自动化设备，用户必须首先在此选择自己所使用的设备。
首先，应组态PLC系统，所以先点击“组态设备”，如下：
图B-5组态或显示已组态的设备
再点击“添加新设备”：
图B-6添加新设备1
点击“控制器”，并根据自己的PLC硬件型号选择对应的型号设备配置型号信息：
图B-7添加新设备2
然后按下“添加”，等待片刻，TIA集成环境将进入如下画面：
图B-8TIA主界面
用鼠标点中左边窗口中的“程序块”，即可添加用户控制程序，如下画面：
图B-9添加用户程序
点中“Main【OB1】”，并按鼠标右键，可选择所用的编程语言，再双击“Main【OB1】”后即进入相应的编程环境。
图B-10TIAPortal的LAD编程环境
图B-10TIAPortal的LAD在线监视
四、STEP7SCL编程语言的基本命令
1．基本概念
TIAPortalSCL是一种以文本为基础的高级编程语言，语言的结构符合IEC1131-3的标准。
TIAPortalSCL的命令系列不仅使自动化任务简单化，也使程序易于阅读，这样PLC的编程效率在许多情况下远远高于LAD（梯形图）和IL（语句表）的编程语言。
1数据类型
在TIAPortalSCL中编程语言所支持的标准数据类型有：
表B-1存储数值
类型名称
位宽
数值范围
应用
BOOL
1
0～1
开关量信号
DINT
32
-2147483648～2147483647
INT
16
-32768～32767
模拟量信号
REAL
32
-3.4*1038～3.4*1038
表B-2存储文本和日期时间格式
类型名称
位宽
数值范围
应用
STRING
32
2～32767个字符
文本、字符串
TIME
16
0～2h_46m_30s_0ms
时间
DATE_AND_TIME
64
1990-01-01~2089-12-31
日期
2变量声明
在TIAPortalSCL的程序中，要定义出每个触点的变量名，而且要使用变量声明表来申明变量名与硬件（输入点、输出点、存储器）之间的关系。
（如下表中定义了两个变量Display和Src）
表B-3变量声明表
变量名称
数据类型
有效范围
属性
初始值
注释
Display
INT
global
memory
Src
INT
global
memory
2．基本命令
TIAPortalSCL编程的命令系列包括：
数学命令、比较命令、逻辑命令、“IFTHEN”命令、“FOR”循环命令、“WHILEDO”命令、“CASE”命令以及其它命令。
1数学命令
在TIAPortalSCL中，各数学命令应用时应放在两个操作数之间，与通常的使用方法一样。
①:
=，赋值
②+，加法
③-，减法
④*，乘法
⑤/，除法
⑥mod，取模
⑵比较命令
①=，等于
②<>，不等于
③>,大于
④>=,大于等于
⑤<,小于
⑥<=,小于等于
⑶逻辑命令
①NOT,非
②AND,与
③OR,或
④XOR,异或
⑷“IFTHEN”命令
1简单的if语句（if与then必须在同一行中）
if条件描述then
条件满足时执行的操作;
end_if;
2ifelse语句
if条件描述then
条件满足时执行的操作;
else
条件不满足时执行的操作;
end_if;
⑸“case”命令：
这是多分支选择语句。
case表达式of
n0...n1:
条件满足时执行的操作A;
n2...n3:
条件满足时执行的操作B;
else:
以上条件均不满足时执行的操作C;
end_case;
⑹“FOR”循环命令
for变量:
=表达式1to表达式2（by增量）do
操作语句;
end_for；
语句by可以省略，如果没有指定增量，则自动指定为1。
⑺“whiledo”命令
while表达式do
操作语句；
end_while;
⑻“goto”命令：
（无条件跳转命令）
goto标识符；
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