撥爪排屑機控制系統(tǒng)設計說明

1、 . . . 畢業(yè)設計(論文)任務書課題名稱撥爪排屑機控制系統(tǒng)設計系 別自動化專業(yè)班級姓 名學 號畢業(yè)設計（論文）的主要容與要求:畢業(yè)設計主要容1 熟悉工藝流程2 進行控制系統(tǒng)PLC硬件選型與硬件圖紙設計3 分析系統(tǒng)控制流程4 進行控制系統(tǒng)部分PLC的軟件編程5 實驗室離線調試畢業(yè)設計要求1 了解本次畢業(yè)設計任務與資料的收集、整理2 學習PLC的基本知識，掌握S7-300PLC結構與功能3 編寫PLC控制系統(tǒng)STEP7程序4 實驗室仿真調試5 有關英文資料的翻譯工作6 撰寫畢業(yè)論文 指導教師簽字：47 / 52摘要隨著工業(yè)自動化技術的發(fā)展，新的控制需求的不斷提出，工業(yè)自動化控制技術和水平不斷提

2、高。尤其是現場總線技術的應用給工業(yè)生產控制帶來巨大的變革。本課題名為撥爪排屑機控制系統(tǒng)設計即對生產產生的廢鐵屑予以清理回收，采用S7-300作控制主機構成的PROFIBUS網絡進行設計，在硬件選型、圖紙設計、軟件編程、仿真調試后以使其達到相關的控制要求。撥爪排屑機系統(tǒng)有兩個液壓站，每個液壓站有兩個油泵電機，正常工作時，一臺油泵電機工作，一臺備用。在工作油泵出現電氣或液壓故障時，備用油泵自動投入工作。系統(tǒng)的工作動力機構由液壓站和液壓缸組成，往復運動機構包含鋼軌、框架和滾輪，框架由前段、中段和后段組成，前段與液壓缸推桿連接，框架沿著鋼軌運動。撥爪機構位于框架上，這樣，撥爪就可以起到排屑作用。關鍵詞

3、：撥爪排屑，西門子PLC，PROFIBUS-DP總線，STEP7編程AbstractWith the development of industrial automation technology, the new control requirements have repeatedly stated, industrial automation and control technology and improved continuously.Bring huge changes to the application of field bustechnology for industrial

4、production control. This topic is called "dial claw Chip Conveyor control system design" to be the emptying of recycling scrap iron on production, the S7-300 control hosts a PROFIBUS network design, hardware selection, design drawings, software programming simulation debugging to reach the

5、 control requirements.Dial claw Chip Conveyor system has two hydraulic stations, which has two pump motor. In normal working hours, a pump motor works, and the other one spare. In the working oil pump electrical or hydraulic failure, the standby pump works automatically. The system working power ins

6、titutions is composed of hydraulic station and the hydraulic cylinder. The reciprocating mechanism includes rail, frame and wheel. The frame consists of front-end, middle and rear section. The preceding of the frame is connected with the hydraulic cylinder push rod. The frame works along the rail. T

7、he dial claw institutions located in the frame, so the dial claw can play a role in chip removal.Keywords；The claw chip, Siemens PLC, PROFIBUS-DP bus ，STEP7programming 裝訂線目 錄摘要IAbstractII目錄11緒論11.1 課題介紹11.2 工業(yè)背景11.2.1 工業(yè)控制系統(tǒng)11.2.2 工業(yè)控制主機22西門子S7-300PLC42.1 PLC的組成與原理42.1.1 可編程邏輯控制器的定義42.1.2 可編程邏輯控制器基本

8、結構42.1.3 可編程邏輯控制器工作原理52.1.4 可編程邏輯控制器編程語言62.2 S7-300的硬件結構62.3 S7-300的通信網絡102.3.1 工業(yè)網絡概述102.3.2 S7-300通信網絡112.3.3 PROFIBUSDP112.4 S7-300的指令系統(tǒng)112.5 S7-300的編程軟件122.5.1 S7-300的編程軟件簡介122.5.2 用戶程序結構122.5.3 啟用SIMATIC管理器132.5.4 S7-PLCSIM仿真軟件153控制系統(tǒng)設計163.1 系統(tǒng)硬件設計163.1.1 系統(tǒng)工藝流程163.1.2 PLC硬件選型163.1.3 硬件圖紙設計173.

9、2 系統(tǒng)軟件設計183.2.1 系統(tǒng)控制流程183.2.2 STEP7軟件編程193.2.2.1 硬件配置193.2.2.2 編輯符號表203.2.2.3 程序設計243.2.3 離線仿真調試464結論47致48參考文獻491.緒論1.1 課題介紹本課題名為撥爪排屑機控制系統(tǒng)，是對一個實際的工程項目的研究設計。因此除了理論設計外，還要考慮工程實際。撥爪排屑機是一種用于清除堆積的工業(yè)半成品表面被擦除的毛糙狀廢鐵屑的自動化裝置。該系統(tǒng)的工作過程分為兩個階段:<1>撥爪排屑的過程：當左右兩個液壓站投入工作時，與1#，2#油泵電機相連的撥爪在推拉作用下做往復運動，將產生的廢鐵屑推送到中間的

10、運輸鏈上。<2>鐵屑運輸的過程，當運輸鏈電機啟動工作時，便將運輸皮帶上的鐵屑運出工作區(qū)處理。該系統(tǒng)的意義在于；一方面可與時排除生產工程中產生的廢鐵屑，不至于因長時間的堆積妨礙生產的正常進行，或者因需人工清理帶來的麻煩；另一方面可使產生的鐵屑不因隨意丟棄而造成污染與浪費，在鐵屑被運出后可對其進行壓縮處理，以便回收利用。1.2 工業(yè)背景1.2.1 工業(yè)控制系統(tǒng)隨著計算機技術，通信技術，自動控制理論的發(fā)展與在工業(yè)生產過程中的應用，近幾十年來工業(yè)自動化取得前所未有的發(fā)展。工業(yè)自動化就是工業(yè)生產中的各種參數為控制目的，實現各種過程控制，在整個工業(yè)生產中,盡量減少人力的操作,而能充分利用動物以

11、外的能源與各種資訊來進行生產工作,即稱為工業(yè)自動化生產，而使工業(yè)能進行自動生產之過程稱為工業(yè)自動化。而在“蒸汽時代”，“電氣時代”之后到來的“信息時代”給工業(yè)自動化帶來又一次更大的革命性的發(fā)展，具體表現在計算機控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)以與與之相關的技術在工業(yè)生產過程中的應用與普與。計算機控制系統(tǒng)(Computer Control System，簡稱CCS)是應用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯系，以獲得一定控制目的而構成的系統(tǒng)。這里的計算機通常指數字計算機，可以有各種規(guī)模，如從微型到大型的通用或專用計算機。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行裝置等。與被控對象的聯系

12、和部件間的聯系，可以是有線方式，如通過電纜的模擬信號或數字信號進行聯系；也可以是無線方式，如用紅外線、微波、無線電波、光波等進行聯系。計算機控制系統(tǒng)所采用的形式，與生產過程的復雜程度密切相關，不同的被控對象和不同的要求，應有不同的控制方案。計算機控制系統(tǒng)大致可分為以下幾種典型形式：操作指導控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數據采集和處理功能，能夠為操作人員提供反應生產過程工況的各種數據，并相應地給出操作指導信息，供操作人員參考。其優(yōu)點是結構簡單，控制靈活和安全，缺點是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。直接數字控制（direct digital control, DDC）系統(tǒng),該系統(tǒng)計算機首先通過

13、模擬量輸入通道和開關量輸入通道實時采集數據，然后按照一定的控制規(guī)律進行計算，最后發(fā)出控制信息，并通過模擬量輸出通道和開關量輸出通道直接控制生產過程。其是計算機在生產過程中最普遍的以中應用方式，但因計算機直接承擔控制任務要時性好、可靠性高、和適應性強。監(jiān)督控制（supervisory computer control, SCC）系統(tǒng)，該系統(tǒng)計算機根據原始工藝信息和其他參數，按照描述生產過程的數學模型或其他方法，自動地改變模擬調節(jié)器或以直接數字控制方式工作的微型機中的給定值，從而使生產過程始終處于最優(yōu)工況如保持高質量、高效率、低消耗、低成本等。從這個角度說，它的作用是改變給定值，所以又稱設定值控制

14、（set point control, SPC）。集散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）也叫分布式控制系統(tǒng)，采用分散控制、集中操作、分級管理和綜合協(xié)調的方法，把系統(tǒng)從下到上分為分散過程控制級、集中操作監(jiān)控級、綜合信息管理級，形成分級分布式控制?，F場總線控制系統(tǒng)(field bus control system ,FCS)是新一代分布式控制系統(tǒng)。DCS的結構模式為:“操作站控制站現場儀表”三層結構，系統(tǒng)成本較高，而且各廠商的DCS有各自的標準，不能互聯。FCS與DCS不同，它的結構模式為：“工作站現場總線智能儀表”二層結構，FCS用二層結構完成了DCS中的

15、三層結構功能，降低了成本，提高了可靠性，可實現真正的開放式互連系統(tǒng)結構。綜合自動化系統(tǒng)，目前，由企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)、生產執(zhí)行系統(tǒng)和生產過程控制系統(tǒng)夠成的三層結構，已成為綜合自動化系統(tǒng)的整體解決方案。綜合自動化系統(tǒng)主要包括制造業(yè)的計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）流程工業(yè)的計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS）。1.2.2 工業(yè)控制主機在計算機控制系統(tǒng)中，可編程邏輯控制器、工控機、單片機、DSP、智能調節(jié)器等，都是常用的控制器，適應不同的應用要求。在工程實際中，選擇何種控制器，應根據控制規(guī)模、工藝要求、控制特點和所完成的工作來確定。可編程邏輯控制器（PLC）是“一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下

16、應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破髋c其有關設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯成一個整體，易于擴充功能的原則設計?！本哂锌煽啃愿摺⒕幊倘菀?、功能完善、擴展靈活、安裝調試簡單方便等特點。工控機（IPC）是一種面向工業(yè)控制、采用標準總線技術和開放式體系結構的計算機，具有豐富的外圍接口產品，如模擬量輸入輸出模板、數字量輸入輸出模板等。廣為流行的工控機總線有PC總線、ISA總線、PCI總線、STD總線、VME總線等。具有可靠性高、可維修性好、環(huán)境適應性強、控制實

17、時性強、I/O通道完善、軟件豐富等特點。嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設備運行的設備”，是軟件和硬件的綜合體，核心是嵌入式微處理器?？煞譃镸PU、MCU、EDSP、SoC等。具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點。智能調節(jié)器是一種數字化的過程控制儀表。以微處理器和單片微型計算機為核心，具有數據通信功能，能完成生產過程14個回路直接數字控制任務，在DCS分散過程控制級中得到了廣泛應用。在工業(yè)自動控制系統(tǒng)的設計中，須在熟悉工藝流程與控制要求后選擇合理的控制系統(tǒng)與合適的主機。2西門子S7-300PLC2.1 PLC的組成與原理2.1.1 可編程邏輯控制器的定義國際電工委員會對PLC的定義是

18、：“可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破髋c其有關設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯成一個整體，易于擴充功能的原則設計?！?.1.2 可編程邏輯控制器基本結構PLC專為工業(yè)場合設計，采用了典型的計算機結構，主要是由CPU、存儲器、專門設計的輸入輸出接口電路、電源、底座與機架和編程器等組成：一、CPU模塊CPU模塊是PLC的核心，每套PLC至少有一個CPU模塊，它按PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接受并存儲

19、用戶程序和數據，用掃描的方式采集現場輸入裝置的狀態(tài)或數據，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源，PLC部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序中逐條讀取指令，經過分析再按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號去控制外部電路。CPU速度和存容量是PLC的重要參數，它決定著PLC的工作速度，I/O數量與軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。二、存儲器雖然各種PLC的CPU的最大尋址空間各不一樣，但是根據PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：（1）系統(tǒng)程序存儲區(qū)（2）系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映像區(qū)和系統(tǒng)軟設備等）（3）用戶程序存儲區(qū)三、輸入輸出接口電路（1）現場輸入接口電

20、路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現場控制的接口界面的輸入通道。（2）現場輸出接口電路由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現場輸出接口電路向現場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。四、電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供電源，同時，有的還為輸入電路提供24V工作電源。電源的輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。五、底板與機架大多數模塊式PLC使用底板和機架，其作用是：電氣上，實現各模塊間的聯系，使CPU能訪問底板上所有的模塊;機械上，實現各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。六、其

21、他設備（1）編程設備編程器是PLC開發(fā)應用、檢測運行、檢查維護不可缺少的外部設備，用于編程、調試、系統(tǒng)設定、監(jiān)控PLC與PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。編程器分智能型和非智能型，非智能型是手持編程器，用于狀態(tài)檢測；智能型是一臺運行編程軟件的計算機，通過通信適配器與PLC通信完成編輯器功能。（2）人機界面最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，有計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普與。（3）輸入輸出設備用于永久性的存儲用戶數據，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。2.1.3 可

22、編程邏輯控制器工作原理當可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 一、輸入采樣階段在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數據，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應的單元。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數據發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入

23、均能被讀入。二、用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)的狀態(tài)和數據不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)的狀態(tài)和數據都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，

24、其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。三、 輸出刷新階段當掃描用戶程序結束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。2.1.4可編程

25、邏輯控制器編程語言在可編程邏輯控制器中有多種程序設計語言，它們是梯形圖語言、布爾助記符語言、功能模塊圖語言、功能表圖語言與結構化語句描述語言等。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設計語言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數簡單的控制功能，例如，代替繼電器、計數器、計時器、完成順序控制和邏輯控制等，通過擴展或增強指令集，它們也能執(zhí)行其他的基本操作。功能表圖語言和構化語句描述語言是高級的程序語言，它們可根據需要去執(zhí)行更有效的操作，例如，模擬量的控制，數據的操縱，報表的打印和其他基本程序設計語言無法完成的功能。功能模塊圖語言采用功能模塊圖的形式，通過軟連接的方式完成所要求的控制功能，

26、它不僅在可編程邏輯控制器中得到了廣泛的應用，在集散系統(tǒng)的編程和組態(tài)時也常常被采用，由于它具有連接方便、操作簡單、易于掌握等特點，為廣大工程設計和應用人員所喜愛。2.2 S7-300的硬件結構S7-300屬于模塊式PLC，主要由機架，CPU模塊，電源模塊，接口模塊，信號模塊，功能模塊，通信處理器和編程設備等組成。S7-300有350多條指令，其編程軟件STEP7功能強大，可以使用多種編程語言，所有模塊和網絡參數都可用STEP7的軟件工具設置。S7-300的CPU上帶有一個編程接口，使用西門子的MPI（Multi-point Interface）通信協(xié)議。有的CPU還帶有集成的現場總線PROFIB

27、US-DP接口或PtoP(Point to Point)串行通信接口。因此S7-300不需要添加任何通信處理器就可以建立一個MPI網絡或一個PROFIBUS-DP網絡。 S7-300的模塊都安裝在導軌上，各模塊用U形總線連接器連接，外部信號線接在模塊的前連接器上。除了電源模塊、CPU模塊、本地擴展接口模塊，其他任何模塊都可插在任何一個槽上。系統(tǒng)根據其自動分配地址。個機架最多能安裝8個信號模塊、功能模塊或通信模塊。圖2-1西門子S7-300PLC一、 CPU模塊S7-300有二十種不同型號的CPU，分別適用于不同規(guī)模與不同控制要求的項目：（1） 緊湊型CPU：CPU312C，313C，313C-

28、PtP，313C-2DP，314C-PtP和314-2DP。（2） 標準型CPU：CPU312，CPU313,314,315,315-2DP和316-2DP。（3） 戶外型CPU：CPU312IFM，314IFM，314戶外型和315-2DP。（4） 高端CPU：CPU317-2DP和318-2DP。（5） 故障安全性CPU：CPU315F。不同型號的CPU其接口類型，輸入輸出模塊點數或通道數，計數器數目等不一樣。CPU的元件封裝在一個塑料殼，面板上有模式選擇開關、通信接口、狀態(tài)和故障選擇指示LED，存儲器插槽等。（1） 模式選擇開關RUNP（運行編程）：運行時可以讀出和修改用戶程序，改變運行

29、方式；RUN（運行）：CPU執(zhí)行讀出用戶程序，但不能修改用戶程序；STOP（停止）：不執(zhí)行用戶程序，可以讀出和修改用戶程序；MRES（清除存儲器）:位置不能保持。在此位置松手時，鑰匙開關自動返回STOP位置。鑰匙開關從STOP位置轉換到MRES位置，可復位存儲器，使CPU回到初始狀態(tài)。（2） 狀態(tài)與故障顯示LEDSF（系統(tǒng)出錯/故障顯示，紅色）：指示CPU硬件故障或軟件故障；BATF（電池故障，紅色）：指示電池電壓低或沒有電池；BUSF（總線錯誤）：指示PROFIBUSDP接口硬件或軟件故障，集成有DP接口的CPU才有此LED；DC5V（+5V電源指示，綠色）：指示CPU和總線5V電源正常；F

30、ORCE（強制，黃色）：指示至少有一個I/O被強制；RUN（運行方式，綠色）：CPU處于RUN狀態(tài)時亮；重新啟動時以2Hz的頻率閃爍；HOLD（單步、斷點）狀態(tài)時以0.5Hz的頻率閃爍；STOP（停止方式，黃色）：指示CPU處于STOP、HOLD狀態(tài)或重新啟動。（3） 微存儲器卡微存儲器卡（MMC）可以擴展CPU的存儲容量，可以在斷電時保存用戶程序和數據。MMC讀寫直接在CPU進行。由于CPU31xC沒有集成的裝載存儲器，CPU上必須插上才能工作。是單獨定貨的，有多種容量規(guī)格的工選擇只有在斷電或CPU處于STOP狀態(tài)下，才能取下MMC。（4） 通信接口所有的CPU模塊都有一個多點接口MPI，有

31、的CPU模塊還有一個PROFIBUSDP接口。MPI用于PLC與PLC之間，PLC與（編程器或個人計算機）之間，PLC與OP（操作員接口）之間的MPI網絡通信。PROFIBUSDP是自動化系統(tǒng)中單元級控制設備與分布式I/O的通信協(xié)議，最高傳輸速率為12Mbit/s，通過CPU上的PROFIBUSDP接口，可實現與其他帶DP接口的PLC、PG/PC、OP和其他DP主站和從站通信。（5） 電源接線端子電源模塊的L1、N端子接AC220電源，電源模塊的接地端子和M端子一般用短接片短接后接地，機架導軌也應接地。電源模塊上的L+和M端子分別是DC24V輸出電壓的正負極，用專用的電源連接器或導線連接電源模

32、塊和CPU模塊上的L+和M端子。（6） CPU模塊上的集成I/O有些CPU模塊上有集成的數字量I/O，有些CPU還有集成的I/O。（7） 存儲器PLC使用的物理存儲器有RAM，ROM，Flash EPROM和EEPROM。二、電源模塊PS307電源模塊將120/230V交流電壓轉換為24V直流電源，為S7-300、傳感器和執(zhí)行器供電，輸出電流有2A、5A、或10A 3種。電源模塊安裝在導軌最左邊的插槽，在主機架上用電源聯接器連接到CPU上，在擴展機架上用電源連接器連接到IM361上。電源模塊除了給CPU供電，還可向I/O模塊提供DC24V電源。模塊上的M端子一般是用短接片與接地端連接的。三、輸

33、入/輸出模塊輸入/輸出模塊統(tǒng)稱信號模塊（SM），包括數字量（或稱開關量）輸入輸出模塊，模擬量輸入輸出模塊。輸入輸出信號連接在前連接器上，前連接器插在SM前蓋后面的凹槽，不需要斷開前連接器的接線就可以迅速更換模塊。數字量模塊模塊的地址由地址標識符（I輸入Q輸出M存儲器）、地址字節(jié)部分（小數點前）和位部分（小數點后）組成。從0號機架的4號槽開始，每個槽位分配4個字節(jié)的地址，即32個I/O點。模擬量模塊以通道為單位，一個通道占一個字的地址，由兩個字節(jié)地址組成。從IB256開始給每個模擬量模塊分配16個字節(jié)，即8個通道的地址。（1）數字量輸入模塊數字量輸入模塊接受外部開關信號，開關信號主要來自按鈕、二

34、線式光電開關、接近開關、低壓電器的觸點等。其將現場的開關信號電平轉換成PLC部的信號電平。直流輸入模塊的操作電壓一般是24V，交流輸入模塊的操作電壓為AC120V或AC230V。SM321是S7-300的數字量輸入模塊。（2）數字量輸出模塊數字量輸出模塊將PLC部信號電平轉換為控制過程所需要的外部信號電平，同時有隔離和功率放大作用。按負載回路的電源不同分為：直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按輸出開關器件的種類又可對應分為：晶閘管輸出方式、雙向晶閘管輸出方式、繼電器輸出方式。其中晶閘管型輸出響應速度快、頻率高，但承受過壓過流能力弱，繼電器型輸出響應慢、頻率低，但負載電壓圍寬。要根據電

35、壓的種類、大小、工作頻率和負載類型選擇數字量輸出模塊，每一個輸出點的輸出電流、每一組輸出的最大電流也是數字量輸出模塊的重要指標。SM322是S7-300的數字量輸出模塊，SM323是數字量輸入/輸出模塊，即輸入和輸出集成在一個模塊上，有兩種型號可選擇：DC24V，8輸入/8輸出與DC24V，16輸入/16輸出。輸出為晶閘管型，輸出電流為0.5A。（3）模擬量輸入模塊模擬量輸入模塊將來自變送器的模擬信號轉換成CPU處理的數字信號，即A/D轉換。SM331是S7-300的模擬量輸入模塊。（4）模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊將PLC輸出的數字量轉換為模擬信號（電壓、電流）去控制執(zhí)行機構，其主要組成部分

36、是D/A轉換器。SM332是S7-300的模擬量輸出模塊。四、其他模塊其他還有前連接器，有20針和40針兩種；閉環(huán)控制模塊FM355；位置控制與檢測模塊，如FM353是步進電機定位模塊等；計數器模塊，如FM350-1等；模擬器模塊，SM347用于調試程序等。當因I/O點過多使模塊數量多于8個且距離在10米之，可以采用擴展機架，用本地擴展接口模塊IM來實現，除了帶CPU的中央機架（CR），最多可以擴展三個擴展機架（ER），每個機架可以插8個模塊（不包括電源、CPU、接口模塊IM），四個機架最多可插32個，模塊；當因距離過遠（1500米以）或者I/O點過多，可以采用ET200分布式I/O來實現，P

37、ROFIBUS是為全集成自動化定制的開放的現場總線系統(tǒng)，有FMS、DP和PA三種行規(guī)。ET200是基于PROFIBUSDP現場總線的分布式I/O,可以與西門子的其他自動化系統(tǒng)協(xié)同運行，還能在經過認證的非西門子公司的PROFIBUSDP主站協(xié)同運行，而ET200M模塊化的分布式I/O，采用S7-300全系列模塊，最多8個模塊。2.5S7-300的通信網絡2.3 S7-300的通信網絡2.3.1 工業(yè)網絡概述一個典型的工廠自動化系統(tǒng)一般是三級網絡結構，分別是現場設備層、車間監(jiān)控層和工廠管理層。（1）現場設備層現場設備層主要功能是連接現場設備，例如分布式I/O、傳感器、驅動器、執(zhí)行機構和開關設備等，

38、完成現場設備控制與設備間連鎖控制。（2）車間監(jiān)控層車間監(jiān)控層又稱單元層，用來完成車間主生產設備之間的連接，包括生產設備狀態(tài)的在線監(jiān)控、設備故障報警與維護等。還有生產統(tǒng)計、生產調度等功能。車間監(jiān)控層可采用PROFIBUSFMS或工業(yè)以太網，該層要求能傳送大容量的信息，對傳送速率要求不高。（3）工廠管理層車間操作員工作站通過集線器與車間辦公管理網連接，車間管理網作為工廠主網的一個子網，連接到廠區(qū)骨干網，將車間數據集成到工廠管理層。該層一般采用工業(yè)以太網協(xié)議，即符合IEEE802.3標準。圖2-2 現場總線應用示例2.3.2 S7-300通信網絡（1）通過多點接口（MPI）協(xié)議的數據通信MPI是多點

39、接口的簡稱，是一種適用于小圍、少數站點間通信的網絡。MPI網絡能同時連接運行STEP7的編程器、計算機、人機界面（HMI）和其他SIMATICS7、M7和C7，并且可以用全局通信的方式實現網上CPU之間少量數據的交換。（2）PROFIBUS依據EN5017012或IEC611582協(xié)議標準建立的PROFIBUS網絡是應用于單元級和現場級的控制網絡。PROFIBUS具有開放性，符合該標準的各廠商生產的設備都可接入。（3）工業(yè)以太網工業(yè)以太網是一個用于工廠管理和單元層級的通信系統(tǒng)。工業(yè)以太網適用于長距離傳輸大量數據，可以通過網關設備來連接遠程網絡。（4）點對點連接點對點連接可以連接S7-300PL

40、C和其他非西門子設備。通過CP340，CP341或CPU31xC2DP集成的通信接口可建立點對點的連接。通信接口有20mA（TTY），RS232C和RS422A/RS485。點對點連接支持的通信協(xié)議有ASCII驅動器、3964（R）和RK512（只適用于CPU）。（5）通過ASi網絡的過程通信AS-i是執(zhí)行器傳感器的接口簡稱，AS-i網絡通過AS-i總線電纜連接最底層AS-i接口的現場設備，將信號傳輸至PLC。故障SIMATIC NET網絡可以單獨運行，也可以結合其他系統(tǒng)同時運行。2.3.3 PROFIBUSDPPROFIBUS有三部分組成：PROFIBUSDP（分布式外圍設備），PROFIB

41、USPA（過程自動化）和PROFIBUSFMS（現場總線報文規(guī)）。PROFIBUS采用主站（Master）之間的令牌（Token）傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。PROFIBUSDP在PROFIBUS三個部分中應用最為廣泛，可以連接不同廠商符合PROFIBUSDP協(xié)議的設備。單主站或者多主站系統(tǒng)可以由PROFIBUSDP來實現。系統(tǒng)配置十分方便。2.4 S7-300的指令系統(tǒng)IEC611313規(guī)定了PLC編程語言的語法和語義，標準中定義了5種編程語言：（1）指令表IL（Instruction list）：西門子稱為語句表STL.（2）結構文本ST（Structured text）：西門子稱

42、為結構化控制語言（SCL）。（3）梯形圖LD（Ladder diagram）：西門子簡稱為LAD。（4）功能塊圖FBD（Function block diagram）（5）順序功能圖SFC（Sequential function chart）：對應西門子S7Graph.標準的STEP7軟件包配備了三種編程語言：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD），這三種語言在STEP7中可以互相轉換。STEP7專業(yè)版的編程語言還包括S7SCL，S7Graph，S7HiGraph和CFC，這四種語言對標準版是可選的，梯形圖（LAD）是使用最多的PLC圖形編輯語言，它與繼電器電路圖很相似，直觀易

43、懂，電氣工作人員很容易理解并掌握，并且適用于數字量邏輯控制。語句表（STL）是一種類似微機匯編語言的文本語言，多條語句組成一個程序段，語句表指令比梯形圖和功能塊圖指令豐富，可以實現梯形圖和功能塊圖不能實現的一些功能。功能塊圖（FBD）適用類似于布爾代數的圖形邏輯符號來表示控制邏輯。S7-300的指令系統(tǒng)包括位邏輯指令、定時器指令、計數器指令、數據處理指令、數據運算指令和控制指令六大類，其中部分指令會在下一章的STEP7軟件編程中用到，具體功能和作用結合相關程序進行分析。2.5 S7-300的編程軟件2.5.1 S7-300的編程軟件簡介STEP7標準工業(yè)軟件是西門子公司專為SIMATIC系列P

44、LC（S7-300、M7、C7）和基于PC的WinAC研制的標準編程軟件，開發(fā)或設計一個SIMATIC系列應用系統(tǒng)，必須基于STEP7軟件包進行組態(tài)和編程。STEP7不是單一的應用程序，而是由一系列應用程序（工具）構成的標準軟件包，其主要應用工具如下：（1）SIMATIC管理器：用于集中管理一個自動化控制項目，提供STEP7標準軟件包的集成、統(tǒng)一的界面。在SIMATIC管理器環(huán)境中進行項目的編程和組態(tài)，每一個操作所需要的工具均由SIMATIC管理器自動運行，用戶無需分別啟動各個不同的工具。（2）符號編輯器：用于定義符號名稱、數據類型和注釋全局變量，管理所有共享符號。使用這個工具生成的符號表是全

45、局有效的，可以被其他工具使用。（3）硬件組態(tài)工具：可以利用這個工具對PLC機架上的各種硬件模塊進行配置，設置各種模塊的參數，例如CPU參數和分布式I/O參數。（4）通信組態(tài)：該工具用于組態(tài)通信網絡連接，包括網絡連接的參數設置和網絡中各個通信設備的參數設置。（5）硬件診斷：用于提供PLC的工作狀態(tài)概況，快速瀏覽CPU數據和用戶程序在運行中的故障原因。（6）編程工具：該工具集成了梯形圖LAD、語句表STL和功能塊圖FBD三種編程語言的編輯和調試功能。編程設備可以是編程器或計算機，它通過編程電纜與PLC的CPU模塊相連。2.5.2 用戶程序結構一、用戶程序中的塊用戶程序包含處理用戶特定的自動化任務所

46、需要得所有功能。用戶程序和所需要的數據放置在塊中，使程序部件標準化，用戶程序結構化，可以簡化程序組織，使程序易于修改、差錯和調試。塊結構顯著地增加了PLC程序的組織透明性、可理解性和易維護性。（1）組織塊（OB）組織塊是操作系統(tǒng)與用戶程序的接口，由操作系統(tǒng)調用，應用控制掃描循環(huán)和中斷程的執(zhí)行、PLC的啟動和錯誤處理等。其中OB1用于循環(huán)處理，是用戶程序中的主程序。操作系統(tǒng)在每次循環(huán)中調用一次OB1。用戶程序的SFB、SFC、FB和FC需OB1調用才能執(zhí)行。（2）系統(tǒng)功能塊SFB和系統(tǒng)功能SFC系統(tǒng)功能塊和系統(tǒng)功能是為用戶提供的已經編好程序的塊，可以被程序調用但不能被修改。它們是操作系統(tǒng)的一部分

47、，不占用戶程序空間。SFB有存儲功能，其變量保存在指定給它的背景數據塊中，SFC沒有存儲功能。（3）功能塊FB和功能FC功能塊和功能都是用戶編寫程序常用的塊，不同的是功能塊FB有自己的存儲區(qū)，需要背景數據塊DI，而功能FC沒有固定存儲區(qū)，不需要背景數據塊。（4）系統(tǒng)數據塊系統(tǒng)數據塊包含系統(tǒng)組態(tài)數據，例如硬件模塊參數和通信連接參數。（5）背景數據塊DI和共享數據塊DB背景數據塊是調用FB和SFB時用于傳遞參數的數據塊，在編譯過程中自動生成數據；而背景數據塊是存儲用戶程序的數據區(qū)域，供所有塊共享。二 、程序設計方法STEP7有3種程序設計方法：（1）線性化編程：整個用戶程序放在循環(huán)控制組織塊OB1

48、（主程序）中。（2）模塊化編程：程序被分為不同的邏輯塊，每個塊包含完成某些任務的邏輯指令。（3）結構化編程：將復雜的自動化任務分解為小任務，這些任務由相應的邏輯塊來表示，程序運行時所需的大量數據和變量存儲在數據塊中，調用時將“實參”賦值給形參。2.5.3 啟用SIMATIC管理器一、使用向導創(chuàng)建項目雙擊桌面上的STEP7圖標，打開SIMATIC管理器，在按照步驟選擇CPU、組織塊、編程語言之后即可新建項目。二 、硬件組態(tài)在PLC控制系統(tǒng)設計初期，首先應根據系統(tǒng)的輸入輸出信號的性質和點數，以與對控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)的硬件配置，例如CPU模塊與電源模塊的型號，需要哪些輸入輸出模塊，功能模塊

49、、通信模塊以與它們的型號和數量等。硬件組態(tài)的任務就是在STEP7中生成一個與實際的硬件系統(tǒng)完全一樣的系統(tǒng)，為設計用戶程序打下基礎。在項目窗口中雙擊Hardware就可對其進行配置。三、編輯符號表在程序中可以用絕對地址訪問變量，但是使用符號地址可以使程序更容易閱讀理解。共享符號在符號表中定義，可供程序中所有的塊使用。在項目窗口中雙擊“Symbols”后進入符號表窗口。四、創(chuàng)建OB1塊在項目窗口中雙擊OB1，打開程序編輯器窗口，打開“View”菜單設定編程語言為LAD，即可開始具體程序編寫。五、對功能塊FB的編程（1）創(chuàng)建并打開功能塊FB1在項目窗口中右擊“Blocks”，在出現的下拉菜單中選擇“

50、Insert New Object”，再選擇“Function Blooks”，在隨后出現的對話框中定義新創(chuàng)建的功能塊為FB1。重新回到項目窗口，會看見新創(chuàng)建的FB1圖標，雙擊即可打開功能塊FB1進行編輯。（2）變量聲明表所有在組織塊和功能塊之間傳送的塊參數，必須作為輸入輸出參數在變量聲明表中列出，變量聲明只能使用字母、數字和下劃線，不能使用漢字。在程序中使用的局部變量，操作系統(tǒng)會自動加上#標記，對于在整個程序中都可調用的全局變量，操作系統(tǒng)自動加上“”標記。（3）編寫控制程序可選用常用的梯形圖進行控制程序的編寫。（4）生成背景數據塊在項目窗口中右擊“Blocks”，在出現的下拉菜單中選擇“In

51、sert New Object”，再選擇“Data Block”，此時彈出屬性對話框，填入DB的名稱、符號名和注釋，選擇數據塊類型為背景數據塊（Instance），并輸入對應的功能塊的名稱為FB1，單擊“OK”，則數據塊DB1添加到項目窗口中。若兩個控制程序僅數據上不同，可只編寫一個FB1功能塊，而生成兩個不同的數據塊DB1和DB2分別存儲兩組不同的預置值，以減少編程的工作量。（5）在OB1中調用FB與相關的DB在項目窗口中打開OB1，在編程元件目錄了找到FB1插入梯形圖后命名符號即可六、對功能FC的編程與對功能塊FB的編程相比之少了一步生成背景數據塊。七、 共享數據塊的編程共享數據塊不附屬于

52、任何邏輯塊，用戶程序中所有的邏輯塊都可以使用共享數據塊中的數據。在項目窗口中右擊“Blocks”，在出現的下拉菜單中選擇“Insert New Object”，再選擇“Data Block”，此時彈出屬性對話框，填入DB的名稱、符號名和注釋，選擇數據塊類型為共享數據塊（Share），則數據塊DB添加到項目窗口中。打開DB3對變量聲明表進行編輯。八、 使用多重背景編程在用戶程序中使用多重背景可以減少背景數據塊數量。主要包括以下步驟：創(chuàng)建FB10；填寫變量聲明表；對FB10編程：創(chuàng)建DB10并調整實際值；在OB1中調用FB10。九、 下載與在線調試在PG/PC上完成的硬件組態(tài)和用戶程序必須通過編程

53、電纜下載到PLC中，并且經過軟硬件的調試才能夠最終實現自動控制任務。需要完成：設置PG/PC接口；下載程序到CPU；用程序狀態(tài)測試程序；用變量表測試程序等。2.5.4 S7-PLCSIM仿真軟件S7-PLCSIM用仿真PLC來模擬實際的PLC運行，用戶程序的調試是通過視圖對象來進行的，S7-PLCSIM提供了多種視圖對象，用它們來實現仿真PLC的各種變量、計數器、定時器的監(jiān)視和修改。仿真步驟如下：（1）在STEP7編程軟件中生成項目，配置硬件并編寫用戶程序。（2）點擊“Simulation on/off”打開仿真窗口，在CPU視圖對象中點擊STOP小框；再選擇Download命令，將要模擬的程

54、序下載到仿真PLC中，對問題回答“Yes”。（3）在仿真窗口過菜單或按鈕創(chuàng)建IB、QB、M等視圖對象點擊CPU視圖中的RUN或RUNP小框，將仿真PLC置于運行模式；在點擊OB1窗口中的監(jiān)視按鈕，可對所設置的變量進行監(jiān)視。3.控制系統(tǒng)設計3.1 系統(tǒng)硬件設計液壓站啟動工作3.1.1 系統(tǒng)工藝流程油泵電機啟動工作液壓缸推桿往復運動撥爪工作運輸鏈電機啟動接受廢鐵屑排屑開始工藝流程與故障等信息監(jiān)測（MP277）監(jiān)測信息處理結束圖3-1 系統(tǒng)工藝流程3.1.2 PLC硬件選型該控制系統(tǒng)的設計主體是對運輸鏈電機、1#液壓站和2#液壓站的控制。考慮到現場信號多為數字量，控制系統(tǒng)的可靠性和可維護性，系統(tǒng)設計

55、的成本與工廠未來的發(fā)展。根據前面相關介紹，該控制系統(tǒng)的硬件選型圍繞S7-300作主控計算機構成的PROFIBUSDP現場總線系統(tǒng)進行選型。參考西門子S7-300硬件選型手冊，根據相關的控制要求，并考慮留有一定裕量，本控制系統(tǒng)的PLC硬件配置圖選擇如下：圖3-2 系統(tǒng)硬件配置圖3.1.3 硬件圖紙設計該控制系統(tǒng)的設計包括：運輸鏈電機、1#液壓站油泵電機、2#液壓站油泵電機的主電路和控制回路；油加熱器與油水電磁閥的控制；相關的交直流供電電源；供液系統(tǒng)主站、主控制柜、1#液壓站、2#液壓站PLC輸入輸出模塊與相關連鎖條件的設計。系統(tǒng)的相關圖紙在程序設計中體現，其采用工程上常用的autoCAD進行繪制。值得注意的是油泵電機的電路設計，因其功率過大不能直接啟動，這里選用星/三角降壓啟動。圖3-3 油泵電機主電路以1#液壓站主油