基于plc自动轧钢机控制设计论文

本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于PLC的自动轧钢机控制 学生姓名：学 号：专 业：电气工程及其自动化班 级：09电气1班指导教师： 43 / 102文档可自由编辑打印基于PLC的自动轧钢机控制摘 要随着社会的不断进步，钢材成为为社会建设的重要材料，其生产技术也发生了很大的变化。从原来的很多工人操作单轧机生产转变成了现在的钢材连轧生产线。本文简单阐述了轧钢自动化的发展和现状及轧钢机的组成和分类，讲诉了轧钢原理和生产工艺流程，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，以及对基于西门子S7-200系列PLC控制的自动轧钢机系统进行了较为细致的设计，通过主回路，控制回路以及I/O分配的设计对PLC控制轧钢机的过程有了进一步认识，并对所用的设备进行了详细的选型，而且对该控制系统进行了软件编程。关键词：可编程控制器；自动轧钢机；控制系统PLC-Based Control of Automatic Rolling MachineAbstractAs society progresses, the steel became important materials of the social construction, production technology has undergone great changes. Many workers operate from the original single-mill production transformed into steel rolling production line now. This paper briefly describes the development and current status rolling automation, complaint about the principles and rolling production process. Describes the basic components of PLC, characteristics and working principle. Through the main circuit, control circuit and I / O assignment design of the PLC control rolling mill process has been further understanding, the equipment used and a detailed selection, and the control system software programming.Keywords: PLC; automatic rolling mill; control system目 录摘 要IAbstractII第一章 轧钢机11.1 自动轧钢机的目的及实际意义11.2 轧钢自动化发展的历史和现状11.3 轧钢机的定义及组成31.3.1 定义31.3.2 轧机的组成31.4 轧钢机的分类31.5 轧钢原理及工艺流程41.5.1 轧钢原理41.5.2 轧钢系统工艺流程41.6 轧钢工艺的发展前景5第二章 可编程控制器82.1 PLC的由来和定义82.1.1 PLC的由来82.1.2 PLC的定义82.2 可编程序控制器的发展历程及问题和解决对策92.2.1 可编程序控制器的发展历程92.2.2 我国可编程序控制器发展中的问题及对策102.3 可编程控制器的基本构成112.3.1 可编程控制器的硬件组成112.3.2 可编程控制器的软件组成142.4 可编程控制器的工作原理142.4.1 PLC的扫描工作方式142.4.2 PLC的工作过程142.4.3 PLC对输入、输出的处理规则162.5 可编程控制器系统与继电接触器系统工作原理的差别172.6 西门子S7-200系列可编程控制器182.6.1 S7200系列的PLC的硬件资源182.6.2 S7200的扩展模块19第三章 编程软件253.1 STEP基本介绍253.2 STEP7基本功能及组成253.2.1 基本功能253.2.2 界面组成253.3 编辑器简介26第四章 设计选型274.1 电动机的选型274.1.1 轧钢机主传动电机的选择274.1.2 辊道电机的选择274.1.3 压下电机的选择274.1.4 冷却泵的选择284.2 低压控制电器的选型284.2.1 控制按钮的选择284.2.2 刀开关的选择294.2.3 接触器的选择294.2.4 熔断器的选择304.2.5 热继电器的选择314.2.6 中间继电器的选择324.3 变频器选型334.3.1 MM440变频器344.3.2 MM440变频器的特点344.3.3 MM440变频器方框图和功能表354.3.4 MM440参数设定374.4 电抗器的选择38第五章 总体设计405.1 主回路设计405.2 控制回路设计415.3 CPU226原理图及I/O分配表425.3.1 I/O地址分配表425.3.2 CPU226接线原理图425.4 程序44小 结50参考文献51附 录A52致 谢53第一章 轧钢机1.1 自动轧钢机的目的及实际意义随着生产技术的不断发展，钢铁产品的应用也日益扩大，世界钢材料消耗量约占全部金属的95%以上，钢铁作为一种结构功能材料具有不可替代的主导作用。轧钢机是实现钢铁轧制的设备。现代钢铁联合企业由炼铁、炼钢和轧钢三个主要生产系统所组成。轧钢生产属于技术含量最高的工序，用轧制方法生产钢材，具有生产率高，品种多，生产过程连续性强，易于实现高速化、大型化、连续化和自动化等优点，其中约90%的钢材都是通过轧制方法所生产的。自动轧钢机具有一机多能的特点，可在开坯的同时轧制小型的线材；减少了工人的劳动强度和力度，从而提高工作效率。1.2 轧钢自动化发展的历史和现状据说14世纪欧洲就有轧机，但也有记载称在1480年，意大利人达芬奇设计出了轧机的草图。在1553年法国人布律列尔轧制出了金和银板材，用以制造钱币。接着，英国于1766年设计出了串行式小型轧机，到了19世纪中叶，第一台可逆式板材轧机在英国投产。1848年德国发明了万能式轧机，1853年美国也开始使用三辊式轧机，并采用蒸汽机传动的升降台实现了机械化生产。紧接着美国出现了劳特式轧机并于1859年制造了第一台连轧机。近十年来国内轧钢企业的规模和技术水平提升的很快，对于轧钢设备和生产过程自动化的控制也成为轧钢生产的主流。以前，整个轧钢电气控制系统是以传动控制为核心，用大量的继电器及逻辑组合来实现轧钢过程。到了20世纪60年代，计算机开始用于冷轧自动厚度控制，采用计算机的直接数字控制的模型优化控制也得到广泛应用。从此，计算机便成为了整个轧钢控制系统的核心，传动控制器作为其输出装置，检测仪表作为其输入装置，这就标志着现代轧钢自动化系统的开始。随着生产技术的发展，钢铁产品的应用也日益扩大，据统计，世界钢材料消耗量占全部金属的95%以上，因为钢铁作为结构功能材料具有不可替代的主导作用。钢铁行业自动化技术经过多年的探索和发展，水平显著提高，有的技术已经领先国外，有的也已达到了国际先进水平，特别是有的已经具有了自主知识产权，并形成了产品在行业内也已经进行推广应用。早期的自动控制系统是依靠简单的继电-接触器来实现的，其优点是：结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，可以实现集中控制和远距离控制，但也有缺点；因为采用固定接线，所有通用性和灵活性差；又采用了触点的开关动作，工作频率较低，触点容易损坏，可靠性也差。随着自动轧钢机的出现，继电接触器控制逐渐被取代，自动轧钢机生产也已经向大型化、高速化、精密化、连续化方向发展。轧钢生产对自动化装备的要求要比其他生产工序高，自动化系统装备的水平对产品的质量影响也很大。因此，轧钢系统中所采用的自动化设备和系统比较多，各级自动化控制程度也比较高，是现代钢铁产业自动化技术应用最多的地方。轧钢生产属于技术含量特别高的工序，用轧制方法来生产钢材，具有生产效率高，产品种类多，生产过程连续性强，易于实现高速化、连续化和自动化，大约90%的钢材都是用轧制方法生产的。随着低价微型计算机的诞生，轧钢自动化开始快速的发展，特别是PLC和DCS的出现，使轧钢自动化系统得到迅速的发展和普及。我国大钢厂从70年代已经选用先进的连轧机，连轧机采用了一整套先进的自动化控制系统，全线生产过程和操作监控均有计算机来控制实施，轧件在连轧机上可以同时轧制，这大大提高了生产效率和生产质量。随着我国轧制加工业的发展，我国轧制设备也经历了一个自主开发 引进 学习借鉴国产化的一个往复循环过程。经过20多年的探索和创新，在90年代，轧钢自动化系统的开发主要是控制轧件的开发，硬件和系统是以进口的PLC为主。全国各钢铁公司大量引进现代化轧钢生产线、冷轧机、热轧机、棒材连轧、高速线材、型钢和钢管轧机等等。到了21世纪，我国轧钢自动化系统和技术开始高速发展和大规模推广应用。近年来，我国轧制加工设备市场出现了多样化的要求，正在逐步向高精化、宽幅化、高速化以及高技术和连续轧制的方向发展。目前，我国轧钢自动化系统和技术也已得到了广泛应用，据统计，重点钢铁企业轧钢自动化系统中基础自动化系统普及率约为99.67%，过程控制级普及率为68.76%。在轧钢自动化工程技术方面，我们已全面接近和大部分已达到国际先进水平，正在走向世界市场。1.3 轧钢机的定义及组成1.3.1 定义狭义定义：轧制钢材的机械设备。它使轧件在旋转的轧辊间产生塑性变形，轧出所需的断面形状和尺寸的钢材。即主要设备主机列。广义定义：用于轧制钢材生产工艺全部所需的主要设备和辅助设备的成套机组。包括轧制、翻钢、运输、冷却、剪切等设备。1.3.2 轧机的组成轧钢机主要包括工作机座及其传动装置和主电动机等。直接使轧件产生塑性变形的设备称为主要设备。它包括由轧辊、轴承、轧辊调整装置、导卫装置及机架等组成的工作机座；主联轴器、减速器、齿轮机座、万向或梅花接轴等组成的传动装置。辅助设备是指主机列以外的各种设备，它用于完成一系列辅助工序。辅助设备种类很多，机械化程度越高，它占的比重越大。1.4 轧钢机的分类按结构分类：根据轧辊在机座中的布置方式分1二辊式轧机 该种轧机结构比较简单，工作可靠，由直流电动机来驱动，用于二辊可逆式初轧机，可将钢锭往复轧制成各种矩形坯。二辊可逆式轧机也可以用于轧制轨梁和中厚板。2复二辊式轧机 此轧机作用与三辊式基本相似，轧辊调整、孔型配置较方便，用于横列式中小型轧机。3三辊式轧机 其在同一机座上轧件可以两向轧制，轧机无需反转，由一台交流电动机经过减速器和齿轮座来驱动数台三辊式轧机，可实现轧件往复多道次轧制。它用于开坯和型钢的生产，具有设备简单、投资少的特点。轨梁轧机及大型轧机可以用直流电动机驱动，在生产中必要时可调速，来改善轧制条件。4 特殊轧机 它是根据不同产品设计的专用轧机，例如：钢球轧机、周断面三辊斜轧机、轮箍轧机、车轮轧机等。此外还有很多种轧机，在此就不一一列举。1.5 轧钢原理及工艺流程1.5.1 轧钢原理轧钢就是用轧机对钢坯进行压力加工，把炼钢厂送过来的铸坯，先进入加热炉，达到一定的温度后出来经过初轧钢设备反复轧制后进入精轧钢机。轧钢属于金属压力加工，在热轧生产线上，轧坯加热变软，被辊道送人轧钢设备，最后轧成用户所要求的尺寸。轧机主要由几组轧辊构成，轧辊是一对转动方向相反的辊子，两个辊子之间形成一定形状的缝或孔，钢坯通过轧辊就能成为一定形状的钢材。1.5.2 轧钢系统工艺流程图1.1 模拟示意图圆钢的轧制工艺流程：原料（方坯有280mm*380mm、280mm*325mm、319*410；圆坯有350mm、300mm、270mm、210mm，110mm）加热（加热炉）开坯机轧制（得到进入连轧机需要的尺寸）横移（通过拉钢机实现）连轧（有3架轧机成一字排列，出来后就是需要得到的成品尺寸）成品横移锯切冷床描号搜集打捆过磅入库（打标牌、贴标签）码垛发车.1.6 轧钢工艺的发展前景目前，我国轧钢生产的钢材品种有很多，主要有薄钢板、钢带、无缝钢管、焊接钢管、铁道用钢、普通大中小型材、优质型材、冷弯型钢、线材、特厚钢板、中厚钢板等。轧钢生产的产品如果按钢材断面形状分，可分为：钢管、钢板和型钢。其中型钢是一种应用范围比较广泛的钢材，我国型钢产量约占钢材总产量的25%30%。型钢按用途又可分为：普通型钢和专用型钢；若从断面形状分为异型断面型钢和简单断面型钢；从生产方式的角度来分，有焊接型钢、弯曲型钢和轧制型钢。板材和带材也是广泛应用的钢材，我国的板带材产量占钢材总产量的45%55%。板带钢按应用领域分,有建筑板、船板、桥板、汽车板、电工钢板、机械用板等；按照轧制温度的不同分为热轧板带和冷轧板带；按钢板按厚度分为：中厚板、薄板和箔材。钢管的主要用途有建筑用管和石油管道等，我国钢管产量占钢材总产量的10%15%，钢管的规格由外形尺寸及壁厚标称来决定。钢管从制造角度分为无缝钢管、螺旋钢管与直缝钢管、冷轧钢管等；若按断面形状又分为圆形管、异型钢管和变断面钢管。随着轧钢工艺技术的不断发展，钢材的生产范围将不断扩大，产品品种也会不断增多。近年来我国有许多有价值的钢板产量大幅度增长，其中冷轧硅钢片2003年已达89.6万吨，镀锡板在2002年也已经达到110万吨，管线钢、石油管、耐火钢板、冷轧不锈钢板产量也达到55万吨。随着我国钢铁工业结构调整步伐的加快，国际钢铁市场也竞争激烈，加上对世界环境要求，轧钢技术装备及技术轧制趋向高质量、高精度、短流程以及智能环保的方向发展。这些进步主要体现在生产工艺流程上,由于钢铁工业的高速发展也日益受到资源短缺和环境保护要求逐渐严格等多方面的制约，发展循环经济也就成为钢铁企业走可持续发展的必由之路。同时随着工业用户自身的自动化水平的提高，它们对钢材生产工艺流程优化和钢材质量要求越来越高。展望未来, 轧钢工艺和技术的发展主要体现在以下几方面:1.轧制过程柔性化板带热连轧生产中的压力调宽技术和板形控制技术的应用, 实现了板宽的自由规程轧制。棒、 线材生产的粗、 中轧平辊轧辊技术的应用, 也实现了部分规格产品的自由轧制。冷弯和焊管机也可实现自由规格生产。这些新技术使轧制过程变的柔性化。2.铸轧一体化利用轧辊来进行钢材生产 因为其过程连续、高效、可控而且便于计算机控制等,在今后相当长一段时间内,以辊轧为特点的连续轧钢技术仍将是钢铁工业钢材成型的主流技术 但轧钢前后工序的衔接技术必将有长足的进步。在20世纪,由于连铸的应用和发展,已经逐步淘汰了初轧工序。而用连铸技术所生产的薄带钢直接进行冷轧,又使连铸与热轧工序合二为一。铸轧的一体化,将使轧制工艺流程更加紧凑。同时,低能耗、低成本的铸轧一体化,也是棒、线、型材生产发展的方向。3.轧制过程清洁化 在热轧的过程中,钢的氧化不仅要消耗钢材与能源,同时也会带来环境的污染,并给深加工带来困难。因此,低氧化燃烧技术和低成本氢的应用都成为无氧化加热钢坯的基本技术。其中酸洗除鳞是冷轧在生产中的最大污染源, 新开发的无酸清洁型(AFC)除鳞技术, 可以使带钢表面全无氧化物，光滑并具有金属光泽。无氧化(或低氧化)和无酸除鳞(氧化铁皮)这两项被称为绿色工艺的新技术, 将使轧制过程清洁化。4.高新技术的应用 20 世纪轧钢技术取得了重大进步的主要原因是信息技术的应用。其中板形自动控制, 自由规程轧制, 高精度、 多参数在线综合测试等高新技术的应用使轧钢生产达到了全新水平。轧机的控制已开始由计算机模型控制转向了人工智能控制, 并且随着信息技术的发展, 将实现生产过程的最优化,降低成本。5.钢材的延伸加工 在轧钢的生产过程中, 除应不断挖掘钢材的性能外, 还要不断的扩大对多种钢材的延伸加工,。如开发自润滑钢板来用于各种冲压件的生产；减少冲压厂润滑油的污染；开发建筑带肋钢筋焊网等, 把钢材材料的生产和服务延伸到各个钢材使用部门。随着工业的发展和轧钢技术的进步, 轧钢工艺的装备水平和自动控制水平不断提高, 老式轧机也不断被各种新型轧机所取代。按照我国走新型工业化道路的要求, 轧钢技术发展的重点也转移到可持续发展上, 在保证满足环保要求的条件下, 达到钢材生产的高质量和低成本。6实现无头轧制在棒线材生产上也应该广泛推广高技术集成的半无头、无头轧制工艺技术，从而缩短工艺流程，实现真正意义上的轧钢一火成材，或零火成材，最大限度地节约能源和降低生产成本。无头轧制技术是轧钢技术最为理想的工艺形式，代表着当今轧钢的最高技术水平。无头轧制技术与传统轧制方法相比具有以下几个优点：（1） 轧材全长以恒定速度轧制，减少甩尾和迭轧，降低了事故率，提高了轧制 过程的稳定性，大大提高了轧机产能和设备利用率； （2） 轧制过程中张力恒定，使轧材断面波动减少；轧材质量均匀一致，具有优 良的工艺性能、表面质量和外形尺寸公差； （3） 成品长度不受限制，可根据交货要求任意剪切长度，轧材成材率显著提高； （4） 轧件咬人次数减少，对轧辊的冲击降低，有利于轧辊以及易损件寿命的提高，总体降低生产成本。第二章 可编程控制器2.1 PLC的由来和定义2.1.1 PLC的由来 在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。因为继电器控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计，重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需求，以在竞争激烈的汽车制造商中占优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置。1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC,并再生产中得到应用。从此，可编程序控制器这一新的控制技术迅速发展起来，而且，在工业发达国家发展很快。2.1.2 PLC的定义在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过四年的调查工作，于1980年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller）作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的储存器来存储指令。并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。定义强调了可编程序控制器应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围，这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。2.2 可编程序控制器的发展历程及问题和解决对策2.2.1 可编程序控制器的发展历程可编程序控制器在20世纪 60 年代出现，当时的可编程序控制器功能很简单，只有简单的逻辑、定时、计数等功能；用于可编程序控制器的集成电路的硬件还没有投入大规模工业化生产， CPU 只以分立元件组成；存储器的存储容量也有限；用户指令只有二三十条，而且还没有成型的编程语言，机型单一。所以一台可编程序控制器也最多能替代 200300 个继电器组成的控制系统，但在体积方面，与现在的可编程序控制器相比却很大。 进入到 70 年代，随着中小规模集成电路的生产，可编程序控制器技术得到了很大的发展。这时的可编程序控制器除了逻辑运算外，还增加了数值运算、计算机接口和模拟量控制等；软件开发也有了自诊断程序，程序存储开始使用 EPROM ；可靠性进一步提高，结构上开始有了模块式和整体式的区分，整机功能已经从专用向通用过渡。 70 年代后期到80 年代初期，微处理器技术日益成熟，单片微处理器、半导体存储器开始进入工业化生产，大规模集成电路开始大量应用。可编程序控制器开始向多处理器方向发展，这样使得可编程序控制器的功能和处理速度大大增强，并具有了通信和远程 I/O 的能力，增加了多种特殊功能，比如浮点运算、查表、列表等，自诊断和容错技术也迅速发展起来。 80 年代后期到 90 年代中期，随着计算机和网络技术的普及，以及超大规模集成电路、门阵列和专用集成电路的迅速发展，可编程序控制器的 CPU 已经发展成为由 16 位或 32 位微处理器构成，处理速度变得更快，而且引入了高速计数、中断、 PID 、运动控制等功能。使得可编程序控制器几乎能够满足工业生产的各个领域，此时的可编程序控制器已完全取代了传统的逻辑控制装置，以小型机为核心的 DDC （直接数字控制）控制装置和模拟量仪表控制装置。由于联网能力的增强，既可与上位计算机联网，也可下挂 FLEX I/O 或远程 I/O ，从而可以组成分布式的控制系统（ DCS ）。此时的梯型图语言和语句表语言也完全成熟，基本上标准化， SFC （顺序功能图）语言开始普及，专用的编程器也被个人计算机和相应编程软件替代，人机界面装置渐渐完善，已能进行对整个工厂的监控和管理，并发展了冗余技术，大大增强了可靠性。 进入到21 世纪，可编程序控制器仍保持着旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域。目前的可编程序控制器主要优两个发展方向：一是综合化控制系统方向，它已经突破了原有的可编程序控制器的概念，并将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，可向上为 MES 和 ERP 系统准备技术基础，这种趋势会使得举步维艰的 ERP 系统拥有坚实的技术基础，从而带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂；二是微型可编程序控制器异军突起，体积就如手掌大小，但功能可覆盖单体设备以及整个车间的控制功能，并且具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制系统可将触角延伸到工厂的各个角落。随着世界经济一体化进程的加快，在技术发展的同时，发达国家更加注重了对可编程序控制器的知识产权的保护，国际大型可编程序控制器制造商纷纷加入了可编程序控制器的国际标准化组织，他们利用许多技术标准建立了符合他们经济利益的技术保护壁垒。2.2.2 我国可编程序控制器发展中的问题及对策 目前我国的可编程序控制器发展主要面临三大问题。一是技术层面上的，在国际可编程序控制器迅速发展的形势下，我国还没有具有自主的知识产权，也没有能够参与国际竞争的可编程序控制器产品，原因主要在于我国的整个基础工业都还有一定的差距，如芯片制造、模具加工等方面限制了我们的发展。二是竞争层面上的，实际上也是一个经济竞争的问题。现在 95% 的国内市场是由外国的可编程序控制器产品所占领，大、中型可编程序控制器中，几乎全部是由国外几大公司所垄断，随着我国使用可编程序控制器领域的扩大，市场也越来越大，然而国外几家大公司几乎每年都会推出新的产品针对市场，一旦使用了新的产品后，他们就会逐渐的提高产品的市场价格。如果没有我国自己的自主知识产权的产品，我们在经济竞争中就只能处于被动。三是市场秩序层面上的，随着改革开放的不断深入，特别是在加入 WTO 后，我国巨大的市场份额极大的吸引了国外的大公司，他们开拓市场的方法大多都是采用大范围建立代理销售渠道，这样每个公司的分销商和系统集成商都会有数十家，甚至上百家，这就造成了我国的分销商、系统集成商之间的激烈竞争，而这些无序的竞争便为国际大公司分而治之、获取稳定的高额利润创造了条件。 那么面对这些问题，我国的可编程序控制器的发展应该采取什么措施呢？ (1) 面对如此大的市场，我国应该集中资金和技术力量，尽快研制出具有属于我国自己的自主知识产权的可编程序控制器的系列产品，就像以前的家电行业一样。(2)发挥我国科学技术人员在可编程序控制器应用技术的优势，从而扩大可编程序控制器的应用领域。特别是在我国加入 WTO 后，中国成为了“世界制造工厂”的过程正在加速，我国在努力将可编程序控制器应用在国民经济中的同时，还要凭借技术和劳动力优势，将可编程序控制器投资到外商企业中进行应用，并逐步进入国际可编程序控制器的应用市场，让我国的应用技术形成真正的增值服务，从而带动我国相关成套设备和软件产业的发展。(3) 在扩大可编程序控制器应用的同时，要在软件集成化上下功夫。针对不同的工业生产过程，形成具有我国特点的系统集成软件、人机界面软件和系统应用软件，在一些我国领先的工业行业中制造出具有核心技术的系统应用软件。真正形成具有国际标准的、可进行复制的模块化软件。 采取上述策略后，我国就能在可编程序控制器的应用上率先实现突破，融入全球一体化经济之中，形成具有自主知识产权的软件产业，进而研制、开发、生产出具有自主知识产权，能够参与国际竞争的可编程序控制器产品。2.3 可编程控制器的基本构成2.3.1 可编程控制器的硬件组成PLC种类繁多，但从广义上讲，PLC也属于一种计算机系统，只不过它比计算机具有更强的与工业相连接的I/O接口，更适应于工业环境，但它的实际组成和一般的计算机系统基本相同，由硬件和软件两部分。PLC的硬件结构框图如图2-1所示。输入设 备PLC打印机编程器CPU输出单元存储器扩展接口通信接口电 源扩展单元输入单 元输出设 备图2.1 PLC的硬件结构框图（1）中央处理器（CPU） 与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它包括微处理器和控制接口电路，起着总指挥的作用。微处理器用来实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。控制接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，它主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。微处理器通过控制接口电路来实现与各个内部单元之间的可靠的信息交换和最佳的时序配合。CPU主要的任务有：控制从编程器键入的用户程序和数据的连接与储存；用扫描的方式通过I/O部件接受现场的状态和数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中；诊断PLC内部电气的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送，逻辑或算术运算等。（2）存储器 PLC内部存储器包括有两类；一类是系统程序存储器，另一类是用户程序存储器。 系统存储器主要用来存放系统管理程序、用户指令和标准程序模块与系统调用管理程序并固化在PROM或EPROM中，用户不可访问和修改。系统程序相当于个人计算机的操作系统，它关系到PLC的性能。 用户存储器又包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）俩部分。用户存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户功能存储器是用来存放用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等，它构成PLC的各种内部器件，也称“软原件”。PLC存储器按类型可分为三种： 只读存储器（ROM）：具有非易失性，只允许读不允许写，用来保存命令解释、逻辑运算、系统诊断、功能子程序调用管理、通信以及各种参数的设定等功能的程序，提供PLC运行的平台。 随机存取存储器（RAM）：具有易失性，可读可写，工作效率高，用来保存用户根据控制要求编制的应用程序以及运行过程中经常变化、存取的一些数据。 电可擦除可编程只读存储器（EPRAM）：具有非易失性，可读可写，用来保存用户程序和需永久保存的数据，以满足掉电重新运行的需要。（3）输入/输出接口输入/输出接口是PLC的CPU与用户现场设备相互连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，将开关按钮，传感器等输入信号经过输入单元接口电路转换成CPU能接收和处理的低电压信号，送给中央处理器进行运算。输出接口电路是将CPU送出的弱电流控制信号转换成现场需用的强电流信号输出以驱动被控设备。为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，输入单元来源滤波、电平转换、信号锁存电路；输出单元也有输出锁存器、显示、电平转换、功率放大电路。（4）电源单元PLC配有开关或稳压电源，用来对PLC的内部电路供电。电源单元包括掉电保护电路和后背电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容部丢失。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。PLC通常使用AC220V或DC24V工作电源，小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源部件驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。（5）外部设备PLC的外部设备有四大类，可以实现编程控制，以及存储用户程序和打印数据等。因此，PLC的外部分为编程设备，监控设备，存储设备和输入/输出设备。编程设备是PLC的重要尾部设备，主要是指编程器，用来生成用户程序，并用它来进行编程，检查，修改和监视用户程序的执行情况，一般分为手持式（简易）编程器和图形编程器两类。监控设备中，小的有数据监视器，用来监视数据，大的有图形监视器，用来监视画面。存储设备用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失。输入/输出设备用于接收信号或输出信号，便于与PLC进行人机对话。输入设备有条码读入器，输入模拟量和电位器等。输出设备有打印机、显示器。2.3.2 可编程控制器的软件组成 PLC的硬件系统和软件系统时相辅相成的，它们共同构成PLC的系统，缺一不可。没有软件的PLC系统成为裸机系统，是没有什么用途的；反之，没有硬件系统，软件系统也就无立足之地。PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合，它包括系统程序和用户程序。 系统程序包括监控程序、编译程序、标准程序及系统调用等组成。而用户程序是可编程序控制器使用者编制的针对控制问题的程序。2.4 可编程控制器的工作原理2.4.1 PLC的扫描工作方式 PLC的控制作用是通过用户程序来实现的，因此PLC是一种存储程序控制器。PLC系统正常工作时要完成的任务有：（1）计算机内部各个工作单元的调度，监控。（2）计算机与外部设备的通讯。（3）用户程序所要完成的工作。这些工作都是分时完成的，这样分时完成的过程被称为CPU对程序的扫描。为了连续地完成PLC所承担的工作，系统必须周而复始地依一定的顺序完成这一系列的工作。故把这种工作方式叫做循环扫描工作方式。2.4.2 PLC的工作过程 PLC的工作过程与CPU的操作方式有关。CPU有两个操作方式：STOP和RUN。在扫描周期内，STOP方式与RUN方式的主要差别在于：RUN方式下执行用户程序，而在STOP方式下部执行用户程序。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令序号做周期性的循环扫描，一个扫描周期主要可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段，如图2-2所示的三个阶段。 （1）输入采样阶段 每次扫描周期的开始，PLC先扫描所有输入端口，读取各输入状态并存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新，关闭输入端口，转入下一步的工作过程，机程序执行阶段。在程序执行期间即使外部输入信号状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，这些变化只有等到下一个扫描周期的输入采样阶段才会被读入。 （2）程序执行阶段 程序执行阶段又称程序处理阶段，是PLC对程序按顺序进行执行的过程。在程序执行阶段，PLC根据用户输入的程序，从第一条指令开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。而且只有输入映像寄存器区存放的输入采样值不会发生变化，其他各种数据在输出映像寄存器区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能随着程序的执行而变化。前面执行的结果可能被后面的程序所用到，从而影响后面程序的执行结果，而后面执行的结果却不可能改变前面的扫描结果，只有到下一个扫描周期再次扫描前面程序的时候才有可能起作用。但是，在扫描过程中若遇到程序跳转指令，就会根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”上一阶段存入的对应输入端子状态。从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后进行相应的运算，运算结果存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说，每一个元件都会随着程序执行的过程而改变。当最后一条控制程序执行完毕后，就转入输出刷新阶段。用户输入社备输 出 刷 新 阶 段程序执行阶段输 入 采 样 阶 段输入端子输入锁存器输入映像寄存器程序执行输出映像寄存器输出锁存器输出端子用户输出设备读写读图图2.2扫描全过程（3）输出刷新阶段 当所有的指令执行完后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态都会转存到所存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载，这就形成PLC的实际输出。 输入采样、程序执行和输出刷新这三个阶段构成PLC的一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。实际上，除了进行以上阶段的计算处理外，PLC还要进行各种自诊断并与编程工具通信。2.4.3 PLC对输入、输出的处理规则 PLC 与继电器控制系统对信息的处理方式不同，PLC以扫描的方式处理信息，它是顺序地、连续地、循环地逐条执行程序，在任何时刻它只能执行一条指令，即以“串行”方式进行工作。因此在考虑PLC的输入、输出直接的关系时，应充分注意它的周期扫描工作方式。在用户程序执行阶段对输入、输出的处理必须遵守以下规则： （1）输入映像寄存器的内容，由上一个扫描周期输入端子的状态所决定。 （2）输出映像寄存器的状态，由程序执行期间输出指令的执行结果所决定。 （3）输出锁存器的状态，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器的状态所决定。 （4）输出端子板上各输出端的状态，由输出锁存器来决定。 （5）执行程序时所用的输入、输出状态值，区用于输入、输出映像寄存器的状态。 尽管PLC采用周期循环扫描工作方式，而产生输入、输出响应滞后的现象，但只要使其一个扫描周期足够短，采样频率足够高，足以保证输入变量条件不变，即如果在第一个扫描周期对某一个输入变量的状态没有捕捉到，保证在第二个扫描周期执行程序时使其存在。这样完全符合实际系统的工作状态。扫描周期的长短和程序的长短有关，和每条指令执行时间长短有关，而后者又和指令的类型及CPU的主频即时钟有关。一般来说，PLC的扫描周期均小于5060ms。2.5 可编程控制器系统与继电接触器系统工作原理的差别继电器控制装置采用硬扩建并行运行的方式，在执行过程总，如果某一个继电器的线圈通电，那么该继电器所有的常开常闭触电，无论处在控制线路的什么位置，都会立即动作；其常开触电闭合，常闭触电断开。而PLC由于指令的分时扫描执行，同一个器件的线圈工作和它的各个触电的动作并不同时发生，只有CPU扫描到该点时才会动作，这就是接触器系统的并行工作方式和PLC的串行工作方式的差别。两者比较PLC系统具有如下的特点：（1）灵活性和扩展性继电接触器控制系统是由继电器等低压电器采用硬件接线实现的，比较复杂，且由于继电器触点数目有限，其灵活性和扩展性差；PLC系统是由软件和硬件组成的，通过编程来实现要求的功能，要改变控制功能，只需改变程序，故也称“软接线”，而且外围连线少，体积小，其软继电器的触点理论上可使用无限次，因此其灵活性和扩展性极好。（2）可靠性和可维护性继电接触器控制系统有大量的机械触点，其接通断开会受到电弧的损坏和机械磨损，接线多，寿命短，可靠性和可维护性差；PLC系统采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，寿命长，并且具有自检和监测功能，方便了现场的调试和维护。（3）控制速度和稳定性继电接触器系统是靠触点的机械动作实现控制，其工作频率低，触点的开合动作一般在几十毫秒，且机械触点还会出现抖动现象；PLC系统由程序指令控制半导体来实现，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微妙级。PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动现象。（4）延时的可调性与精度继电接触器控制系统靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，精度不高，易受环境温度和湿度的影响，调整时间困难；PLC系统用半导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，不受环境影响，精度高，可根据需要设定定时值，定时精度小于10ms。（5）设计与施工用继电接触器来实现一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长修改困难，工程越大这一问题就月突出；用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工与控制程序的设计可以同时进行，周期短，调试和修改都很方便。（6）系统价格继电接触器单件价格便宜，PLC价格较高，但若将维护、改造、故障造成的损失等因素一起考虑，使用PLC系统相对来说更便宜。2.6 西门子S7-200系列可编程控制器2.6.1 S7200系列的PLC的硬件资源 S7200系列PLC属于小型可编程控制器，紧凑到一体化结构，内设有电源和集成I/O接口。其自带RS-485通信接口，最多可扩展32个模块，可用于代替 和简单控制场合，也可用于比较复杂的自动控制系统。S7-200系列PLC提供CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226共5种不同型号的CPU。它们的内部芯片基本相同，只是时间安装的输入、输出及通信接口数量不同。每种CPU有交流220V供电，继电器输出和直流24V供电，晶体管输出两种方式。本次设计选用CPU226型号，共有24个输入点（I0.0I0.7、I1.0I1.7、I2.0I2.7）和16个输出点（Q0.0Q0.7、Q1.0Q1.7）。2.6.2 S7200的扩展模块 S7200提供了各种类型不同规格的扩展模块，S7200PLC的接口模块有数字量模块、模拟量模块、智能模块等。（一）数字量模块 S7200主机的输入、输出点数不能满足控制的需要时，可以选配各种数字量模块来扩展，数字量模块有数字量输入模块、数字量输出模块和数字量输入/输出模块。1、数字量输入模块（EM221） 数字量输入模块的每个输入点可接收一个来自用户设备的离散信号（ON/OFF），典型的输入设备有：按钮、限位开关、选择开关、继电器等。每个输入点与一个且仅与一个输入电路相连，通过输入接口电路把现场开关信号变成CPU能接收的标准电信号，数字量输入模块可分为直流输入模块和交流输入模块，以适应实际生产中输入信号电平的多样性。（1）直流输入模块（EM221） 直流输入模块（EM221 8DC24V）有8个数字量输入端子，8个数字量输入点分成两组。1M、2M是两组输入点内部电路的公共端，每组需用户提供一个DC24V电源。如图2.3 图2.3 直流输入模块端子接线图（2）交流输入模块（EM221）交流输入模块（EM221 8AC120V/230V）有八个分隔式数字量输入端子，每个输入点都占用两个接线端子，它们各自使用1个独立的交流电源，这些交流电源可以不同相。如图2.4 图2.4 交流输入模块端子接线图2、数字量输出模块（EM222）数字量输出模块的每一个输出点能控制一个用户的离散型（ON/OFF）负载，典型的负载包括：继电器线圈、电磁阀线圈、指示灯等。每一个输出点与一个且仅与一个输出电路相连，通过输出电路把CPU把运算处理的结果转换成驱动现场执行机构的各种功率开关信号。由于现场执行机构所需电流是多种多样的，因而，数字量输出模块分为直流输出模块、交流输出模块、交直流输出模块三种。（1）直流输出模块（EM222） 直流输出模块（EM222 8DC24V）具有8个数字量输出点，分为两组，1L+、2L+分别是两组输出点内部电路的公共端，每组需用户提供一个DC24V电源。直流输出模块是晶体管输出方式，或用场效应晶体管驱动。如图2.5 图2.5 直流输出模块端子接线图（2）交流输出模块（EM222）交流输出模块（EM222 8AC120/230V ）具有8个分隔式的数字量输出点，每个输出点占用两个接线端子，各自需要一个独立的交流电源，这些交流电源可不同相。如图2.6 图2.6 交流输出模块端子接线图（3）交直流输出模块（EM222）交直流输出模块（EM222 8继电器）具有8个输出点，分为2组，1L、2L是每组输出内部电路的公共端，每组需用户提供一个外部电源（可以是直流或交流电源）。如图2.7 图2.7 交直流输出模块端子接线图3、数字量输入输出模块（EM223） S7200PLC配有数字量输入输出模块EM223。在一块模块上既有数字量输入点又有数字量输出点，这种模块称为组合模块或输入输出模块。（二）模拟量模块 工业控制中除了用数字量信号来控制外，有时还要用模拟量信号来进行控制，模拟量模块有模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块。1、模拟量输入模块（EM231）模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成PLC所能接受的数字信号的。生产过程的模拟信号时多种多样的，类型和参数大小也不相同。所以，一般先用现场信号变送器把它们变换成统一的标准信号（如420mA的直流电流信号、15V的直流电压信号）然后再送人模拟量输入模块将模拟量信号转换成数字量信号，以便PLC的CPU进行处理。 模拟量输入模块（EM231）具有4个模拟量输入通道，每个通道占用存储AI区域2个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。电压输入范围：单极性010V、05V；双极性-5+5V、-2.5+2.5V,电流输入范围020mA。模拟量到数字量的最大转换时间为250us，该模块需要直流24V供电，可由CPU模块的传感器电源DC24V/400mA供电，也可由用户提供外部电源。EM231模拟量输入模块上有12个端子，每3个为一组，可作为一路模拟量的输入通道，对于电压信号只用两个端子（A+、A-）,电流信号需用3个端子（RC、C+、C-）其中RC与C+端子短接，对于未用的输入通道应短接。模块下部左端M、L+两端应接入DC24V电源。如图2.8 图2.8 模拟量输入模块端子接线图2、模拟量输出模块（EM232） 模拟量输出模块的作用是把PLC输出的数字量信号转换成相应的模拟量信号，以适应模拟量控制的要求。EM232具有两个模拟量输出通道，每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节。输出信号的范围：电压输出为-10+10V,电流输出为020Ma,电压输出设置时间为10us，电流输出设置时间为2us。EM232模块上有7个端子，左端起的每4个点为一组，作为一路模拟量输出，共两组，第一组V0端接电压负载，I0端接电流负载，M0为公共端。V1、I1、M1的接法同样，M、L+两端接入DC24V供电电源。如图2.9 图2.9 模拟量输出模块端子接线图3、模拟量输入输出模块（EM235） EM235有4个模拟量输入通道，1个模拟量输出通道。该模块的输入功能同EM231，技术参数基本相同，输出功能同EM232，技术参数也基本相同，该模块需要DC24V供电，可由CPU模块的传感器电源DC24V/400mA供电，也可由用户提供外部电源。如图2.10 图2.10 模拟量输入输出模块端子图（三）智能模块 为满足更加复杂的控制功能，PLC还配有多种智能模块，以适应工业控制的多种需求，常见的智能模块有PID调节模块、高速计数器模块、温度传感器模块等。第三章 编程软件3.1 STEP基本介绍 S7200可编程序控制器使用STEPMicro/WIN32编程软件进行编程。 STEPMicro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，是西门子公司专门为S7200系列可编程控制器设计开发的。它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可实时监控用户程序的执行状态。它是西门子S7200用户不可缺少的开发工具。3.2 STEP7基本功能及组成 3.2.1 基本功能 STEPMicro/WIN32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。另外，还可以直接用软件设置PLC的一些工作方式、参数和运行监控等。3.2.2 界面组成 界面一般可分为几个区：菜单条、工具条、引导条、指令树、输出窗口和用户窗口。除菜单条外，用户可根据需要决定其它窗口的取舍和样式的设置。STEP7指令树包括下列基本组件：用来提供编程时用到的所有快捷操作命令和PLC指令。(1)程序块：由可执行的代码和注释组成；可执行的代码由主程序、可选子程序和中断程序组成。(2)符号表：允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。(3)状态图：用来观察程序执行时指定的内部变量的状态，状态表并不下载到PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具。(4)数据块：由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。符号表：允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。(5) 系统快：用来设置系统的参数，例如存储器的断电保持范围、PLC的输出状态、模拟量与数字量输入滤波值等。(6)交叉引用表：用表列举出程序中使用的各操作数在哪一个程序块的哪一个网络中出现，以及使用它们的指令助记符。(7)项目中各部分的参数设置：执行菜单命令“工具”“选项”，在出现的对话框中选择某一选项卡，可以进行有关的参数设置。3.3 编辑器简介(1)梯形图编辑器STEP7的梯形图编辑器可以像组装电子布线图一样编辑程序，是许多PLC程序员和维护人员喜欢选择的方法。梯形图编程对新程序员来说相对容易，指令表示也容易理解。梯形图编辑器能在SIMATIC和IEC1131-3指令集中使用，并且可以使用语句表编辑器显示梯形图编辑器编写的程序。(2)语句表编辑器语句表编辑器是用指令编写程序。因为是用CPU语言进行程序设计，语句表编辑器还提供了梯形图编辑器和逻辑模块图编辑器没有的功能。这种基于正文的概念和汇编语言程序设计很相似。CPU按照程序书写的顺序，从头到尾执行每条