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PLC课程设计指导书

可编程控制系统设计与实践

课程设计

指

导

书

东华大学信息学院自动化、电气电子系

2016.8

第

1页，共22页

可编程控制系统设计与实践

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

（2）报告成绩

（3）实考成绩

30%

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控制系统原理图

（4）I/O配置表

（5）程序清单（梯形图）

（6）总结体会

第

2页，共22页

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。

TIA

Portal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？

第

3页，共22页

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

第

4页，共22页

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？

第

5页，共22页

课程设计内容

一、机械手自动装配系统

（一）系统示意图

这一机械手自动装配系统模拟了一个工件的自动装配控制系统，目的是用两种不同工件

组装成一个套件。

该系统由一个机械手（加工臂）、一个工件推杆、一个装配转盘和一个输

出传送带等组成，如上图所示。

其工作过程如下：

一开始，机械手后退到其后限位，再前进至其工作位（0位），同时

转盘转动到装配位置后停止；然后在转盘的2点位置放入组件，若转盘的0点位置上的传感

器未检测到有组件，则转盘一直转动，直至0点位置检测到有组件；然后工件检测传感器检

测到有工件时，气缸动作通过推杆将工件推到工作台上；接着机械手下降；机械手到位后，

其上的吸盘将工件吸住；机械手吸住工件后再上升到移动位置；机械手前进至装配转盘0

点处的组件第一个孔（1位）上方；机械手下降，吸盘释放，将工件放入组件的第一个孔里；

机械手再上升，并后退到其工作位，此时工作台上工件传感器检测到有工件时，推杆气缸动

作将工件推到工作台上；接着机械手下降；机械手到位后，其上的吸盘将工件吸住；机械手

吸住工件后再上升到移动位置；机械手前进至装配转盘0点处的组件第一个孔（2位）上方；

机械手下降，吸盘释放，将工件放入组件的第二孔位；机械手再上升，并后退到其工作位……。

装配转盘0点处的组件上两个孔位都装上工件后，启动装配转盘，使已完成装配的组件转动

到输出传送带上方并自行落在输出传送带，由输出传送带送至下一工位……。

如此，周而复

始自动运行。

（二）控制要求：

1.上电运行时，系统处于停止状态。

第

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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，系统停止运行（正在装配中的组件应装配完成并送

至输出传送带上后才停止）。

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～Y6）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～X6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，其具体动作过程控制如下：

当0、1、2点检测无

物体时系统不工作，当1、2点检测有物体而0点检测无物体时，转盘旋转。

当0点检测

有物体时，转盘停转→推杆动作（得电），延时2秒时间后失电→加工臂前进到0位→吸

盘下压（保持）延时1秒时间后→吸盘吸合（保持）延时1秒时间后→吸盘上升延时1

秒时间后→加工臂前进到1位→吸盘下压（保持）延时1秒时间后→吸盘释放延时1秒

时间后→吸盘上升延时1秒时间后→加工臂后退到0位→推杆动作，延时2秒时间后失

电→吸盘下压（保持）延时1秒时间后→吸盘吸合（保持）延时1秒时间后→吸盘上升

延时1秒时间后→加工臂前进到2位→吸盘下压（保持）延时1秒时间后→吸盘释放延

时1秒时间后→吸盘上升延时1秒时间后→加工臂后退到限位→转盘旋转→当A点检测

到物体（转盘旋转判断）启动传送带A，延时5秒后传送带A自停。

注：

1.为提高生产效率，自动运行时，机械手和装配转盘应同时工作并配合控

制！

2.装配转盘的2点处有一个组件箱，当组件箱中没有组件时，系统应发出

缺料报警；工作台上工件传感器若长时间未检测到有工件，则表明缺工

件，系统也应发出缺料报警。

3.机械手前进和后退是由同一电机正反转实现，故这两个动作必须互锁！

（三）I/O配置

输入：

启动/停止按钮

转盘0位有物检测

转盘1位有物检测

转盘2位有物检测

第

7页，共22页

加工臂后退到限位检测

加工臂前进0位检测

加工臂前进1位检测

加工臂前进2位检测

传送带A有物体检测

X10

X11

手动/自动控制选择开关

启动按钮

X12

X13

X14

X15

停止按钮

复位按钮

紧停按钮

输出：

转盘旋转

加工臂前进

加工臂后退

推杆动作

吸盘下压

吸盘吸合

传送带A运行

自动按钮指示灯

复位按钮指示灯

（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。

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二、机械手搬运系统

（一）系统示意图

该机械手搬运控制系统由一个四轴机械臂、一个抓手和两条输出传送带组成，如上图所

示。

该系统工作过程如下（参照下图）：

在输入传送带1的A点检测到来自上一工位的物料

后，机械手将该物料抓起，机械手通过转盘旋转一定角度，到达输出传送带2的上方，机械

手的抓手旋转900并下降后将该物料放置在输出传送带2上（B点），由输出传送带2送向

后续工位……，这样周而复始。

（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。

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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，系统在将当前物料放在输出传送带2上后停止运行。

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，其具体工作过程控制如下：

系统启动且机械手在

初始位置时进入自动运行状态，当A点检测到有物料时，机械手的工作过程为：

机械手

前进到位→机械手下降到位→机械手夹紧延时2秒时间后→机械手上升到位→机械手顺

转到位→机械手后退到位→转盘顺转（计数10个脉冲后）到位→机械手前进到位→机械

手下降到位→机械手放松延时2秒时间后→机械手上升到位→机械手后退到位（同时启

动传送带2延时2秒后自停）→机械手逆转到位（转盘逆转到0位），一个控制过程结束。

这样周而复始，连续运行……

注：

机械手前进/后退、上升/下降、转盘顺转/逆转是由相应电机正反转实现，

故相应电机的这两个动作必须互锁！

（三）I/O配置

输入：

A点物料检测

转盘0位检测

转盘顺转脉冲输入

机械手前进到位检测

机械手后退到位检测

机械手上升到位检测

机械手下降到位检测

机械手抓手顺转到位检测

机械手抓手逆转到位检测

X10

X11

手动/自动控制选择开关

启动按钮

X12

X13

X14

X15

停止按钮

复位按钮

紧停按钮

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输出：

转盘顺转输出控制

转盘逆转输出控制

机械手前进输出控制

机械手后退输出控制

机械手上升输出控制

机械手下降输出控制

机械手顺转输出控制

机械手逆转输出控制

机械手夹紧控制

传送带2运行输出控制

Y10系统运行指示

（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。

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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

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图A-2工业自动化实验室系统网络结构图

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附录B西门子TIAPortal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。

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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“TIAPortal

V13”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：

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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”：

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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：

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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。

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图B-10TIAPortal的LAD编程环境

图B-11TIAPortal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

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（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

数值范围

类型名称

BOOL

DINT

位

宽

应用

0～1

开关量信号

-2147483648～2147483647

-32768～32767

INT

模拟量信号

REAL

3838

-3.4*10～3.4*10

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

TIME

2～32767个字符

文本、字符串

0～2h_46m_30s_0ms

时间

日期

DATE_AND_TIME

1990-01-01~2089-12-31

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、“IF

THEN”命令、“FOR”循环命令、“WHILEDO”命令、“CASE”命令以及其它命令。

⑴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

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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:

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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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