PLC课程设计指导书_2016_split

 可编程控制系统设计与实践 课 程 设 计 指 东华大学信息学院自动化、电气电子系 2016.8 第 1 页 ， 共 22 页 导书 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 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 TIA Portal 的使用和基本程序编程及调试 一、 实验目的 1、 掌握 TIA Portal 的基本使用技巧和方法 2、 熟悉 TIA Portal 的基本命令 3、 学会和掌握TIA Portal 程序的调试方法 二、 实验设备 PC机一台，装有TIA Portal编程软件；西门子PLC S7-300一台； 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TIA Portal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TIA Portal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TIA Portal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． TIA Portal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TIA Portal的基本使用技巧和方法 3． 学会和掌握TIA Portal程序的调试方法 二、实验设备 PC机一台，装有TIA Portal编程软件；西门子PLC S7-300一台； 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TIA Portal的基本使用技巧和方法。TIA Portal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TIA Portal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 6 页 ， 共 22 页 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： X0 X1 X2 X3 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 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 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 手动/自动控制选择开关 启动按钮 停止按钮 复位按钮 紧停按钮 输出： Y0 转盘旋转 Y1 加工臂前进 Y2 加工臂后退 Y3 推杆动作 Y4 吸盘下压 Y5 吸盘吸合 Y6 传送带A运行 Y7 Y8 自动按钮指示灯 Y9 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。 第 8 页 ， 共 22 页 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。 第 9 页 ， 共 22 页 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： X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 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 手动/自动控制选择开关 启动按钮 停止按钮 复位按钮 紧停按钮 第 10 页 ， 共 22 页 输出： Y0 转盘顺转输出控制 Y1 转盘逆转输出控制 Y2 机械手前进输出控制 Y3 机械手后退输出控制 Y4 机械手上升输出控制 Y5 机械手下降输出控制 Y6 机械手顺转输出控制 Y7 机械手逆转输出控制 机械手夹紧控制 Y8 Y9 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。 第 11 页 ， 共 22 页 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S7-300 PLC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S7-300 PLC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S7-300 PLC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S7-300 PLC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TIA Portal（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S7-300 PLC实验系统结构图 第 12 页 ， 共 22 页 图A-2 工业自动化实验室系统网络结构图 第 13 页 ， 共 22 页 附录B 西门子TIA Portal环境及其操作 一、 TIA Portal简介 TIA Portal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。TIA Portal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。TIA Portal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、 TIA Portal集成开发环境 TIA Portal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-1 TIA Portal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。 第 14 页 ， 共 22 页 三、 STEP 7 工程项目的建立及系统配置 通过点击计算机桌面上的TIA Portal 图标或从“开始”菜单栏中选择“TIA Portal V13”可以直接进入TIA Portal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： 第 15 页 ， 共 22 页 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”： 第 16 页 ， 共 22 页 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： 第 17 页 ， 共 22 页 图B-8 TIA 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。 第 18 页 ， 共 22 页 图B-10 TIA Portal 的LAD编程环境 图B-11 TIA Portal 的LAD在线监视 四、 STEP7 SCL 编程语言的基本命令 1． 基本概念 TIA Portal SCL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。TIA Portal SCL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 第 19 页 ， 共 22 页 （语句表）的编程语言。 ① 数据类型 在TIA Portal SCL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 BOOL DINT INT REAL 位 宽 1 32 16 32 数 值 范 围 0 ～ 1 - 2147483648 ～ 2147483647 - 32768 ～ 32767 - 3.4*1038 ～ 3.4*1038 表B-2 存储文本和日期时间格式 类 型 名 称 STRING TIME DATE_AND_TIME ② 变量声明 在TIA Portal SCL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 Display Src 2． 基本命令 TIA Portal SCL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、“WHILE DO”命令、“CASE”命令以及其它命令。 ⑴ 数学命令 在TIA Portal SCL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 数据类型 INT INT 有效范围 global global 属 性 memory memory 初始值 注 释 位 宽 32 16 64 数 值 范 围 2 ～ 32767 个字符 0 ～ 2h_46m_30s_0ms 1990-01-01 ~ 2089-12-31 应 用 文本、字符串 时间 日期 应 用 开关量信号 模拟量信号 第 20 页 ， 共 22 页 ② + ，加法 ③ - ，减法 ④ * ，乘法 ⑤ / ，除法 ⑥ mod ， 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 ① NOT , 非 ② AND , 与 ③ OR , 或 ④ XOR , 异或 ⑷ “IF THEN”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; ② if else 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: 第 21 页 ， 共 22 页 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 1 to 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 “while do”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； 第 22 页 ， 共 22 页