PLC的基本工作原理及其S7200编程.docx

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PLC的基本工作原理及其S7200编程

PLC的基本工作原理及其S7-200编程

第一章实验基础入门篇

1.1PLC入门知识

1.1.1概述

可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在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的指令，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设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计

PLC与传统的继电器逻辑相比：

1、可靠性高、逻辑功能强、体积小。

2、在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC无需增加硬设备。

3、随着要求的变更PLC对程序修改方便。

继电器线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，灵活性差。

4、具有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。

PLC与工业控制计算机相比

1、PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，对于有继电器系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。

2、PLC一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，各厂家的产品不通用。

工业控制机是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。

它在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高，产品兼容性强。

3、PLC的运行方式与工业控制机不同，微机的许多软件不能直接使用。

工业控制机可使用通用微机的各种编程语言，对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。

但它要求使用者具有一定的计算机专业知识。

1.1.2PLC的系统结构

1.2PLC各部分的作用

1.2.1CPU

●诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

●采集现场的状态或数据，并送人PLC的寄存器中。

●逐条读取指令，完成各种运算和操作。

●将处理结果送至输出端。

●响应各种外部设备的工作请求。

1.2.1存储器

●系统程序存储器：

用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。

PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。

●用户存储器：

包括用户程序存储区及工作数据存储区。

这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并更改。

注意：

PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。

1.1.1输入输出接口电路

●输入接口电路：

采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。

●输出接口电路：

采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。

1.2.2电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。

许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。

1.2.3输入输出I／0扩展接口

若主机单元的I／O点数不能满足需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I／O扩展单元与主机相连，以增加I／O点数。

PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。

1.3PLC的基本工作原理

与微机等待命令的工作方式不同，PLC采用循环扫描的工作方式

CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

一个扫描周期主要分为三个阶段：

1.输入刷新阶段

2.程序执行阶段

3.输出刷新阶段

由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I／O刷新阶段。

实际上，除了执行程序和I／O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。

一般在程序执行后进行。

扫描周期的长短主要取决于程序的长短。

由于每一个扫描周期只进行一次I／0刷新，故使系统存在输入、输出滞后现象。

这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。

但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞.

S7-200PLC系统是紧凑型可编程序控制器。

系统的硬件构架由成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。

它能够满足各种设备的自动化控制需求。

S7-200除具有PLC基本的控制功能外，更在如下方面具有独到之处。

●功能强大的指令集

指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、PID指令、字符串指令、时钟指令，以及和智能模块配合的专用指令等。

●丰富强大的通讯功能

S7-200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过PROFIBUS-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。

在联网需要已日益成为必需的今天，强大的通讯无疑会使S7-200为更多的用户服务。

可以说，S7-200的通讯功能已经远远超过了小型PLC的整体通讯水平。

●编程软件的易用性

Step7-Micro/WIN32编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境。

全中文的界面、中文的在线帮助信息、Windows的界面网络以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手。

1.4S7-200编程软件

1.4.1安装条件

STEP7-Micro/WIN32v3.2可以在Microsoft公司出品的如下操作系统环境下安装：

●Windows95

●windows98

visI/On

●windowsnt,versI/On4.0,SP6

●windowsMeeditI/On;

●windows2000,SP2;

●windowsXPHome（step7-micro/win32SP3以上版本）

●windowsXPProfessI/Onal（step7-micro/win32SP3以上版本）

硬件要求：

●任何能够运行上述操作系统的PC或PG（编程器）

●100M硬盘空间；

●windows系统支持的鼠标；

●推荐使用最小屏幕分辨率1024×768，小字体。

1.4.2安装步骤

关闭所有应用程序，包括Microsoftoffice快捷工具栏；在光盘驱动器内插入安装光盘。

如果没有禁止光盘插入自动运行，安装程序会自动运行；或者在windows资料管理器中打开安装光盘上的“SETUP.exe”文件，然后按照安装程序的提示完成安装就行。

*具体操作详见《深入浅出西门子S7-200PLC》的P30-p34.

2.5.3STEP-micro/win32简介

STEP-micro/win32窗口元素如下图所示：

浏览条指令树交叉引用数据块状态图符号表

输出窗口状态条程序编辑器局部变量表

“浏览条”——显示编程特性的按钮控制群组：

“视图”——选择该类别，为程序块、符号表，状态图，数据块，系统块，交叉引用及通讯显示按钮控制。

“工具”——选择该类别，显示指令向导、TD200向导、位置控制向导、EM253控制面板和调制解调器扩充向导的按钮控制。

注释：

当浏览条包含的对象因为当前窗口大小无法显示时，浏览条显示滚动按钮，使您能向上或向下移动至其他对象。

“指令树”——提供所有项目对象和为当前程序编辑器（LAD、FBD或STL）提供的所有指令的树型视图。

您可以用滑鼠右键单击树中“项目”部分的文件夹，插入附加程序组织单元（POU）；您可以用滑鼠右键单击单个POU，打开、删除、编辑其属性表，用密码保护或重新命名子例行程序及中断例行程序。

您可以用滑鼠右键单击树中“指令”部分的一个文件夹或单个指令，以便隐藏整个树。

您一旦打开指令文件夹，就可以拖放单个指令或双击，按照需要自动将所选指令插入程序编辑器窗口中的光标位置。

您可以将指令拖放在“偏好”文件夹中，排列经常使用的指令。

“交叉引用”——允许您检视程序的交叉引用和组件使用信息。

“数据块”——允许您显示和编辑数据块内容。

“状态图窗口”——允许您将程序输入、输出或变量置入图表中，以便追踪其状态。

您可以建立多个状态图，以便从程序的不同部分检视组件。

每个状态图在状态图窗口中有自己的标记。

“符号表／全局变量表窗口”——允许您分配和编辑全局符号（即可在任何POU中使用的符号值，不只是建立符号的POU）。

您可以建立多个符号表。

可在项目中增加一个S7-200系统符号预定义表。

“输出窗口”——在您编译程序时提供讯息。

当输出窗口列出程序错误时，可双击错误讯息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。

当您编译程序或指令库时，提供讯息。

当输出窗口列出程序错误时，您可以双击错误讯息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。

“状态条”——提供您在STEP7-Micro/WIN32中操作时的操作状态信息。

“程序编辑器窗口”——包含用于该项目的编辑器（LAD、FBD或STL）的局部变量表和程序视图。

如果需要，您可以拖动分割条，扩充程序视图，并覆盖局部变量表。

当您在主程序一节（OB1）之外，建立子例行程序或中断例行程序时，标记出现在程序编辑器窗口的底部。

可单击该标记，在子例行程序、中断和OB1之间移动。

“局部变量表”——包含您对局部变量所作的赋值（即子例行程序和中断例行程序使用的变量）。

在局部变量表中建立的变量使用暂时内存；地址赋值由系统处理；变量的使用仅限于建立此变量的POU。

“菜单条”——允许您使用滑鼠或键击执行操作。

您可以定制“工具”菜单，在该菜单中增加自己的工具。

“工具条”——最常用的STEP7-Micro/WIN32操作提供便利的滑鼠存取。

您可以定制每个工具条的内容和外观。

1.4.4编程计算机与CPU通讯

与CPU通讯，通常需要下列条件之一：

（1）PC/PPI（RS-232/PPI）电缆，连接PG/PC的串行通讯口（COM口）和CPU通讯口；

（2）PG/PC上安装CP（通讯处理器）卡，通过MPI电缆连接CPU通讯口（CP5611卡配合台式PC，CP5511卡配合便携机使用）。

最简单的编程通讯需要

（1）带串行RS-232C端口的PG/PC，并已正确安装了STEP7-MICRO/WIN32的有效版本；

（2）PC/PPI编程电缆（或USB/PPI电缆）。

1.4.5设置通讯

设置PC/PPI电缆小盒中的DIP开关，设定通讯电缆的通讯波特率为9.6K波特。

用PC/PPI电缆连接PG/PC和CPU，将CPU前盖内的模式选择开关设置为STOP，给CPU上电。

用鼠标单击浏览条上的“通讯”图标出现通讯设置窗口，如下图所示：

窗口右侧显示编程计算机将通过PC/PPI电缆尝试与CPU通讯，并且本地编程计算机的网络通讯地址是0。

用鼠标双击PC/PPI电缆的图标，出现如下窗口：

单击PC/PPI电缆旁边的Properties（属性）控制，可以杳看PC/PPI电缆连接参数。

在PPI窗口中设置通讯速度与PC/PPI电缆DIP开关的设置一致。

CPU出厂时通讯速率的默认值为9.6K。

在LOCALConnectI/On选项卡中，选择编程计算机COM口，其设置如下图所示：

设置完毕后，回到通讯窗口，双击“双击刷新”，系统就会自动找到相应的设备与之通讯。

1.4.6编程

S7-200CPU通过I/O（输入/输出）接口与外围器件联系，接受操作指令和检测各种状态，并把控制运算的结果输出。

S7-200CPU内运行的程序实现了以前用继电器硬件连接实现的逻辑。

在S7-200CPU控制程序中，使用I/O地址来访问实际连接到CPU输入/输出端子的实际器件。

关于程序的编辑请详见《深入浅出西门子S7-200PLC》的P69-P85页。

第二章装置概述

2.1TVT-METS3机电气一体化实训装置介绍

TVT-METS3机电气一体化实训装置具有模拟工业自动化生产线货物分拣过程的功能,可完成货物识别、搬运、分拣、装配、出入库及管理等过程。

TVT-METS3机电一体化实训装置主要由PLC控制模块（西门子S7-200CPU226型PLC）、变频器模块（西门子MM420三相400V级电机输出（Kw）0.37）、主令与指示模块、电源模块、传感器检测单元、气动机械手搬运单元、井式供料塔单元、有轨小车单元、单元、装配单元、气动控制单元、触摸屏单元（西门子TP177A5.7英寸液晶显示屏）、自动化仓库单元、电气接口单元、步进电机单元、抽屉式实训台等组成。

各模块、单元又构成行走气动机械手机构、平面仓储机构、传送机构、料块供给机构、传感器检测分拣机构、气动控制机构、装配机构等。

各机构能够通过位置及功能的变化进行重组，构成多工位装配系统，物流仓储系统，柔性生产系统等，从而可构成自动化生产流水线，让实训装置的培训内容从基本模块、单元到各种小机构，再到综合系统及自动化生产线，逐步由简单、基础的训练到复杂、综合的培训。

2.2TVT-METS3机电气一体化实训装置各组成部分介绍

⑴PLC控制模块：

①工艺：

铁质外壳，完整嵌入实训台抽屉式架体，I/O接口开放到控制面板，并提供误接线保护功能，具有保险管座（250V、1A）。

②控制面板工艺要求：

2mm厚印刷电路板上覆膜，采用背面印刷技术，保证图形符号永不脱落。

③每个PLC控制模块包括西门子S7-200CPU226型PLC主机、扩展模块及配套编程电缆。

⑵变频器模块：

①工艺：

铁质外壳，完整嵌入实训台抽屉式架体，I/O接口开放到控制面板，并提供误接线保护功能。

②控制面板工艺要求：

2mm厚印刷电路板上覆膜，采用背面印刷技术，保证图形符号永不脱落。

③模块包括西门子三相380V级电机输出（kw）0.37

⑶指示与主令模块：

①工艺：

铁质外壳，完整嵌入实训台抽屉式架体，I/O接口开放到控制面板，并提供误接线保护功能。

②控制面板工艺：

2mm厚印刷电路板上覆膜，采用背面印刷技术，保证图形符号永不脱落。

③模块包括按扭开关、拨动开关、急停开关、蜂鸣报警器、BCD码、数码管显示等。

⑷电源模块：

①电源模块配有梅兰日兰三相短路器及漏电保护器，保险管座、电源指示灯等。

②可供多组直流24V，交流220V，380V电压。

③配备航空插头，增加操作安全性。

⑸气动机械手搬运单元：

气动机械手:

由3自由度的机械手（回转缸：

RTB-20平行夹：

HDP-20S治具缸：

JTD32×20）、机械装置、气动控制装置、传感器装置等组成。

⑹传感器检测单元：

①传感器检测单元由传感器组及传感器固定网孔板等组成。

②传感器组包括电容传感器、电感传感器、颜色传感器。

③电容传感器：

欧姆龙检测距离：

8mm，直流3线式、NPN、检测物体：

导体及电介质体、具有检测显示灯。

④电感传感器：

百思特检测距离：

8mm、电压：

6-36VDC、NPN、常开。

⑤颜色传感器：

欧姆龙检测距离：

3m、供应电压：

12to24VDC、电流/能源消耗：

40mA、应答时间：

执行及释放1ms、max控制输出开路集极:

80mA,24VDC（NPN/PNP输出选择）、重量：

230g。

⑺井式供料塔单元：

①由井式供料塔、光电传感器、气动推动装置等组成。

②可供给货物数量：

6个。

③气动推动机：

DC24V5—40mAAC110V5—20mA。

④光电传感器：

神视检测距离：

5m、重复精度：

0.05mm以下、PNP、最大源电流：

100mA、外加电压：

30VDC以下。

⑻三相电机及传输带单元：

①由三相电机、皮带传送装置、光电传感器等组成。

②传送带尺寸:

390mm。

③三相电机：

电压：

三相380V/220V、频率：

50Hz、额定转矩：

3000mN·m

转速：

60r/min、电流：

0.22/0.4A。

④光电传感器：

神视检测距离：

5m、重复精度：

0.05mm以下、PNP、最大源电流：

100mA、外加电压：

30VDC以下。

⑼有轨小车单元：

①定位精度：

0.5mm。

②行程440mm。

③运行速度可变

④由直线行走机构、直流电机、旋转编码器等组成。

⑤旋转编码器:

欧姆龙DC12V～24V、分辨率：

100P/R、集电极开路输出、最高转速：

5000r/min。

⑥配有步进电机模块，可根据需要选用

图：

直流电机及直线行走单元

⑽仓储单元：

①由入库多库位仓库库体，出库单库位库体、微动开关等组成。

②库位总数：

5个。

③微动开关：

每库位1个。

⑾气动控制单元：

①1个带有可调压的二联体（MAXPRESSUAE1.0Mpa）

②6个电磁阀组成的电磁阀组1（PRESS；0.15—0.9Mpa）

③4个电磁阀组成的电磁阀组2（PRESS；0.15—0.9Mpa）

④1个气压调节器（SETPASSURE：

0.05—0.85Mpa）

⑤1个气压表（PRESS：

0—1.0Mpa）

⑥气动元件均采用进口品牌器件。

⑿电气接口单元:

1置的所有传感器、执行器、控制器接口开放。

2气接口单元采用开放式结构，装置所有控制线和信号线均通过导线引到面板上来。

⒂抽屉式实训台:

实训台有桌体、抽屉式支架等组成。

⒃触摸屏单元

①西门子TP177A5.7英寸液晶显示。

②坚固的塑料外壳，加膜前面板

③防护等级：

前面板IP65，后面板IP20

④背景光的平均亮度寿命（25℃）：

大约50000小时

⑤操作员控制：

触摸屏幕

⑥通讯电缆：

与计算机\与PLC通信

⑦配备触摸屏支架，让使用者更加方便、安全的操作。

2.3TVT-METS3机电气一体化实训装置各机构工作原理

⑴行走气动机械手机构

行走气动机械手通过直流电机选装带动同步齿型带，由旋转编码器实现行走气动机械手的精确定位，行走气动机械手将料块从取料工位中取出，并放入相应的库位中，当检测到废品时，行走气动机械手将料块放入废品库中，完成一工作流程，并进入下一工作循环。

⑵平面仓储机构

行走气动机械手通过直流电机旋转带动气动机械手，将料块从取料工位中取出，由旋转编码器实现行走气动机械手的精确定位，并将料块放入相应得库位中，此工位的检测传感器闭合，完成一工作流程，并进入下一工作循环。

⑶传送机构

当料块从货料供给机构中推出进入带式输送机时，电机旋转带动齿型带将料块送入行走气动机械手的取料工位，在料块运动时，通过传感器的检测区域，由电感、电容、颜色传感器将不同的料块进行识别，并记忆。

当料块到达气动机械手的取料工位，并被光电传感器检测到时，行走气动机械手开始运动将料块从取料工位中取出，完成一工作流程，并进入下一工作循环。

⑷料块供给机构

当光电传感器检测到井式储料塔中的料块时，推料气缸动作将料块推出进入同步齿型带输送机，完成一工作流程，并进入下一工作循环。

⑸废品库机构

在齿型带输送机中检测到料块为废品时，行走气动机械手通过直流电机旋转带动气动机械手，将料块从取料工位中取出，由旋转编码器实现行走气动机械手的精确定位，并将废品放入废品库位中，此废品工位的检测传感器闭合，完成一工作流程，并进入下一工作循环。

⑺装配机构

传感器检测到料块后开始，通过气动装夹装置、输送导轨、冲压装置完成任务，然后通过气动机械手将料块放入装配单元中，通过井式供料装置、气动装夹装置、输送导轨、冲压装配装置完成装配任务，完成一工作流程，并进入下一工作循环。

2.4设备的安全、维护与保养

　TVT-METS3机电一体化实训装置具有机、电、气集于一身的技术密集、知识密集的特点，是一种自动化程度高，结构复杂且性能价格比较高的先进教学仪器设备。

为了充分发挥其效益，减少故障的发生，必须做好日常维护工作。

主要的维护工作有下列内容：

（1）选择合适的使用环境。

TVT-METS3机电一体化实训装置的使用环境（如温度、湿度、振动、电源电压、频率及干扰等）会影响系统的正常运行，故在安装时应做到符合相关元器件规定的安装条件和要求。

（2）TVT-METS3机电一体化实训装置电缆线的检查主要检查电缆线的移动接头是否出现接触不良、断路和短路等故障。

（3）长期不用TVT-METS3机电一体化实训装置的保养：

在仪器闲置不用时，应经常给系统通电，使其空载运行。

在空气湿度较大的霉雨季节应定期通电，利用电器元件本身发热驱走电器元件的潮气，以保证电子部件的性能稳定可靠。

2.4.1气缸的安全、维护与保养

气缸的伸出杆采用不锈钢材料制作，应保持其杆件表面的精度和光洁度，否则会影响其运动精度。

同时应在其额定的负载范围内工作，且伸出杆不能承受径向力。

2.4.2直流的安全、维护与保养

（1）要注意磨合使用：

这是延长电机使用寿命的基础，无论是新的还是大修后的电机，都必须按规范进行磨合后，方能投入正常使用。

（2）经常检查紧固部位：

电机在使用过程中受震动冲击合负载不均等影响，螺栓、螺母容易松动，应仔细检查，以免造成因松动而损坏机件。

以保证电机经常处于良好状态，才能节省能耗，延长使用寿命。

2.4.3传输装置的安全、维护与保养

传送平行带上装有平行带张紧装置，当平行带在运动过程中出现打滑现象时，可调节平行带张紧装置使平行带张紧，但不能超过平行带的允许极限应力，否则会降低平行带的使用寿命，调节后平行带应以手指按下2-5mm为准。

此外，在调节平行带的张紧装置时应使平行带受力均匀。

2.4.4电气线路的安全、维护与保养

周期性的进行绝缘检查，确认绝缘的可靠性。

2.4.5气动装置的安全、维护与保养

（1）观察气压表，系统工作时，气压值应保持在0.4MPa±10%为正常。

（2）检查气压泵的正常工作情况，气动控制系统的压力，应在正常范围之

内。

检查压缩空气的清洁度、气压回路的密封、调压功能，气压回路是否畅通。

2.4.6气动二联体的安全、维护与保养

油盅油面的高度应在最高刻线的1/4处为最佳，且不能低于其下限刻度，润滑油型号为透平1#。

用户可根据该物流系统的使用率酌情而定。

二联体从气体中过滤的水分应及时排除，以免影响气体的湿度，提高气动元件的使用寿命。

2.4.7直线导轨的安全、维护与保养

因直线导轨是高精密器件，且与空气直接接触，所以要保证空气中粉尘的浓度在正常空气环境以下。

清洗直线导轨上旧的润滑脂，涂上新油脂（半年一次），如果丝杠在运动过程中出现噪声、运动不平稳等现象，应及时维修、保养，提高丝杠的使用寿命。

2.4.8传感器的安全、维护与保养

保持传感器表面清洁，先用空气压缩机除尘，表面浊污采用中性清洁剂清洗。

注：

气缸、导轨等运动部位应定期加入适量的润滑油。

建议采用10#机油第三章系统综合设计

实验内容：

将7种不同材质的货料从出料塔中分别取出来，检测其属性并作出标识。

当货物检测完成后，通过传送带送到接货区，由光电传感器检测是否到位。

当系统检测货料到达时，启动气动机械手将货料从接货区送到下一个工位。

要求

（1）、该系统必须与下一单元组成网络连接，所有的状态数据要求送达到下一个单元，同时将货物的标识也送到下一个单元里面去。

（2）、不同货物之间要有一定的间距，防止多个货物同时到达接货区。

（3）、能够统计货料检测的个数，能判断从出料塔和接货区中的数据是否一致，并做出响应。

（4）当货物出塔时，传送带停止动作，待货物送达到传送带上再动作。

（5）系统具有可操作性，