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机械滑台工艺流程控制系统设计
第一章 PLC简介
PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”
1.1 PLC的特点
1、可靠性高，抗干扰能力强
2、 配套齐全，功能完善，适用性强
3 、易学易用，深受工程技术人员欢迎
4、 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
5 、体积小，重量轻，能耗低
1.2 PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1.2.1 开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
1.2.2 模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
1.2.3 运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合.
1.2.4 过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热炉控制等场合有非常广泛的应用。
1.2.5 数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定
控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
1.2.6 通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接接口,通信非常方便。

1.3 plc的工作原理和结构
1.3.1 PLC的工作原理：
采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
注意：由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。
1.3.2 结构：
plc实质上是一种专用与工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机再结构上分为固定式和组合式（模块式）两种，固定式plc包括CPU板，I/O板，显示面板，内存块，电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式plc包括CPU模块，I/O模块，内存模块，电源模块，底板或机架。这些模块可以按照一定的规则组合配置。

图1 PLC基本结构图
1.4 PLC系统的其它设备
1.4.1 编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。
1.4.2 人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
第二章 S7-200系列编程软（STEP7-Micro/WIN）编程软件
2.1 STEP7-Micro/WIN窗口界面
主界面一般可以分为以下几个部分：菜单条、工具条、浏览条、指令树、用户窗籍口、输出窗口和状态条。除菜单条外，用户可以根据需要通过检视菜单和窗口菜单决定其它窗口的取舍和样式的设置。

图2 STEP7-Micro/WIN32的主界面
2.1.1、 主菜单
主菜单包括：文件、编辑、检视、PLC、调试、工具、窗口、帮助8个主菜单项.
2.1.2 编程准备
（一）、 指令集和编辑器的选择
写程序之前，用户必须选择指令集和编辑器。
在S7-200系列PLC支持的指令集有SIMATIC和IEC1131-3两种。SIMATIC是专为S7-200PLC设计的，专用性强，采用SIMATIC指令编写的程序执行时间短，可以使用LAD、STL、FBD三种编辑器。IEC1131-3指令集是按国际电工委员会（IEC）PLC编程标准提供的指令系统，作为不同PLC厂商的指令标准，集中指令较少。有些SIMATIC所包含的指令，在IEC 1131-3中不是标准指令。IEC1131-3标准指令集适用于不同厂家PLC，可以使用LAD和FBD两种编辑器。本教材主要用SIMATIC编程模式。
1、单命令“工具”→“选项” →“一般”标签→“编程模式” →选SIMATIC。
程序编辑器有LAD、STL、FBD三种。本论文主要用LAD和STL。
2、择编辑器的方法如下：
用菜单命令“检视” →LAD或STL。
或者菜单命令“工具”→“选项” →“一般”标签→“默认编辑器”。
（二）、根据PLC类型进行参数检查
在PLC和运行STEP7-Micro/WIN的PC连线后，在建立通信或编辑通信设置以前，应根据PLC的类型进行范围检查。必须保证STEP7-Micro/WIN中PLC类型选择与实际PLC类型相符。方法如下：
1、菜单命令“PLC”→“类型” →“读取PLC”。
2、在指令树→“项目”名称→“类型” →“读取PLC”
2.1.3 STEP7-Mirco/WIN主要编程功能与程序的上载下载

第三章 机械滑台工艺流程控制系统设计要求
采用S7-200系列PLC和圆工作台-旋转编码器实验模块完成控制任务。圆工作台模拟机械滑台，圆工作台运动由PLC通过控制变频器拖动三相异步电动机实现。工作台的工艺流程由任课老师指定。SQ1~SQ4为接近开关。
控制要求：圆工作台运行状态分为三种方式：手动、单周期和自动循环三种控制方式。其中，运行方式由旋转开关SA选择。运行方式切换时，滑台应立即停止运行。PLC正常运行时用灯HLX指示其工作正常。
要启动滑台运行，必须先按启动按钮SB1，启动润滑泵运行（用灯HLS指示）。然后才能控制滑台运动。按急停按钮停止滑台的全部运行。
手动控制：（点动）手动控制指示灯亮，按住SBS，工作台前进（圆工作台顺时针转）；按住SBX，工作台后退（逆时针）。（松开按钮立即停止）
单周期运行：单周期指示灯亮，滑台位于初始原点，按动启动按钮SBQ，按工艺流程自动运行一周后停在初始原点。按停止按钮SB2，立即停止运行。
自动循环控制：自动循环灯亮，滑台位于初始原点，按动启动按钮SBQ，按工艺流程自动循环运行，运行一周后回到原点后暂停5秒后再接着运行，按停止按钮SB2，立即停止运行。
工艺流程中暂停延时需要用指示灯以1HZ的频率闪烁指示

第四章 程序设计
4.1 I/O模块的地址分配
1、地址分配
输入设备
输出设备
序号
名称
代号
地址
序号
名称
代号
地址
1
启动开关
S1
I0.0
1
电机正转
DIN1
Q0.0
2
复位/停止开关
S2
I0.1
2
电机反转
DIN2
Q0.1
3
手动模式开关
SA0
I1.0
3
手动指示灯
D3
Q0.3
4
单周期模式开关
SA1
I1.1
4
单周期指示灯
D4
Q0.6
5
循环模式开关
SA2
I1.2
5
循环指示灯
D5
Q0.5
7
限位开关1
SQ1
I0.2
7
正转指示灯
D0
Q0.0
8
限位开关2
SQ2
I0.3
8
反转指示灯
D1
Q0.1
9
限位开关3
SQ3
I0.4
9
暂停指示灯
D5
Q0.4
10
限位开关4
SQ4
I0.5
10

11
手动前进
SBS
I0.6

12
手动后退
SBX
I0.7

表1 I/O地址分配
2、工作模式开关的切换对照表
SA0（I1.0）
SA1(I1.1)
SA2(I1.2)
工作方式
1
0
0
手动
0
1
0
单周期
0
0
1
自动循环
表2工作模式开关的切换对照表
3、软件设计（SFC）

网络1：程序加载时，系统复位
网络2：模式开关选定后，相应的指示灯亮（手动指示灯、单周期指示灯、自动循环指示灯）
网络3：自动循环开关、手动开关、单周期开关程序上完成互锁。

网络4：模式开关进行切换时，系统复位。
网络5：停止按钮按下时，系统复位。
网络6：模式开关打到手动时，M0.1得电。

网络7、网络8：手动。
网络9：进入顺序功能图的条件。
网络10：程序暂停时，暂停指示灯闪烁。

网络11——网络40：单周期程序段。

网络41：当检测到自动循环开关按下时，即M0.0得电后，程序跳转，执行网络11——网络42，实现循环。

小结
这一次的PLC课程设计可以说是大学里比较用心去做的一次，所以相比之下也有了许多感想，1周的时间从一开始的构思到后期的编程调试，遇到了许多问题，能解决的，不能解决的，都在老师同学的帮助下克服了。转眼就要大四毕业，只有不断地增加自己的实践，不断地提高自己，才能在今后的毕业工作中立于不败之地。我们在大学里最应该学会的就是快速学习的能力，当你遇到一个问题是要用最短的时间，最简单可行有效地方法去解决它这才是企业所想要看到的，过程其实就不是那么重要了。这也是我在这次课程设计里更深刻体会到的。面对困难，而不是回避问题，这才是一个真正的当代大学生应该做的。

参考文献
[1]廖常初.PLC编程及应用（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2008
[2]田淑珍.S7-200 PLC原理及应用 [M].北京：机械工业出版社，2009
[3]张运刚等.PLC技术与应用 [M].北京：人民邮电出版社，2007
[4]徐国林.PLC应用技术 [M].北京：机械工业出版社，2007
[5]廖常初.S7-200PLC基础教程(第二版)[M].北京：机械工业出版社，2009
[6]廖常初.可编程序控制器应用技术（第四版）[M].重庆: 重庆大学出版社,2002

附录1：滑台控制程序
TITLE=程序注释
Network 1 // 程序加载时，系统复位
LD SM0.1
R S0.2, 7
R Q0.0, 6
R M0.0, 2
R M1.0, 3
Network 2 // 模式开关选定后，相应的指示灯亮
LD SM0.0
LPS
A I1.0
= Q0.3
LRD
A I1.2
= Q0.5
LPP
A I1.1
= Q0.6
Network 3 // 自动循环开关
// 网络注释
LD I1.2
LDN I1.0
AN I1.1
A I0.0
O M0.0
ALD
= M0.0
Network 4 // 模式开关切换时，系统复位
LD SM0.0
LD I1.2
O I1.1
O I1.0
ALD
ED
R M0.0, 2
R Q0.0, 6
R S0.1, 7
R M1.0, 2
Network 5 // 停止按钮按下，系统复位
LD SM0.0
A I0.1
EU
R M0.0, 2
R Q0.0, 6
R S0.1, 6
R M1.0, 3
Network 6 // 手动选择开关按下 M0.1得电
LD I1.0
LDN I1.1
AN I1.2
A I0.0
O M0.1
ALD
= M0.1
Network 7 // 按住I0.6控制电机正转 按住I0.7控制电机反转
LD M0.1
LPS
A I0.6
EU
S Q0.0, 1
LPP
A I0.7
EU
S Q0.1, 1
Network 8 // 松开I0.6电动机停止正转 松开I0.7电动机停止反转
LD SM0.0
LPS
A I0.6
ED
R Q0.0, 1
LPP
A I0.7
ED
R Q0.1, 1
Network 9 // 单周期开关选定后/自动循环开关选定后，程序开始执行顺序功能图
// 网络注释
LDN I1.0
A I1.1
AN I1.2
LDN I1.0
A I1.2
AN I1.1
OLD
S S0.1, 1
Network 10 // 暂停时，暂停指示灯闪烁
LD SM0.0
LD M1.0
O M1.1
O M1.2
ALD
= Q0.4
Network 11 // 满足条件时，顺序功能图开始
LSCR S0.1
Network 12 // 限位开关处在初始位置时，且开始开关按下时，电机执行正转
LD I0.0
A I0.2
S Q0.0, 1
Network 13 // 开始时加速，数字量写入
LD Q0.0
MOVW 30000, AQW0
Network 14 // 当检测到限位开关SQ3时，程序跳转
LD I0.4
SCRT S0.2
Network 15 // 结束第一条指令
SCRE
Network 16 // 第二条指令开始执行
LSCR S0.2
Network 17 // 正转复位，延时，延时指示灯闪烁
LD SM0.0
R Q0.0, 1
TON T37, 60
A SM0.5
= M1.0
Network 18 // 延时时间到，正转置位，反转复位，同时数字量写入，进行变速
LD T37
S Q0.0, 1
R Q0.1, 1
MOVW 15000, AQW0
Network 19 // 当检测到限位开关SQ4时，程序跳转
LD I0.5
SCRT S0.3
Network 20 // 第二条指令结束
SCRE
Network 21 // 第三条指令开始
LSCR S0.3
Network 22
LD SM0.0
TON T39, 20
Network 23 // 到达限位开关SQ4且短暂停结束时，电机反转置位，正转复位，同时变速反转
LD T39
S Q0.1, 1
R Q0.0, 1
MOVW 15000, AQW0
Network 24 // 当检测到限位开关SQ2时，程序跳转
LD I0.3
SCRT S0.4
Network 25 // 程序结束
SCRE
Network 26 // 第四条指令开始
LSCR S0.4
Network 27 // 当到达限位开关SQ2时，反转复位
LD SM0.0
R Q0.0, 2
TON T38, 10
Network 28 // 短暂停结束，程序跳转
LD T38
SCRT S0.5
Network 29 // 结束指令
SCRE
Network 30 // 第五条指令开始
LSCR S0.5
Network 31 // 短暂停结束，电机正转置位，反转复位
LD SM0.0
S Q0.0, 1
R Q0.1, 1
Network 32 // 当检测到限位开关SQ4时，程序跳转
LD I0.4
SCRT S0.6
Network 33 // 程序结束
SCRE
Network 34 // 第六条指令开始
LSCR S0.6
Network 35 // 当到达限位开关SQ4时，正反转复位，暂停延时6秒，暂停指示灯亮
LD SM0.0
R Q0.0, 2
TON T40, 60
A SM0.5
= M1.1
Network 36 // 暂停时间到后，反转置位，正转复位
LD T40
S Q0.1, 1
R Q0.0, 1
Network 37 // 当检测到限位开关SQ1时，程序跳转
LD I0.2
SCRT S0.7
Network 38 // 结束指令
SCRE
Network 39 // 第七条指令开始
LSCR S0.7
Network 40 // 当到达限位开关SQ1时，正反转复位，暂停延时5秒，同时暂停指示灯闪烁
LD SM0.0
TON T41, 50
R Q0.0, 2
A SM0.5
= M1.2
Network 41 // 当暂停时间到，如果自动循环开关选定，程序跳转，开始循环
LD T41
A M0.0
SCRT S0.1
R S0.2, 6
Network 42 // 指令结束
SCRE

（一）、下载
如果已经成功地在运行STEP 7-Micro/WIN32的个人计算机和PLC之间建立了通讯，就可以将编译好的程序下载至该PLC。如果PLC中已经有内容将被覆盖。下载步骤如下：
（1）、下载之前， PLC必须位于“停止”的工作方式。检查PLC上的工作方式指示灯，如果PLC没有在“停止”，单击工具条中的“停止”按钮，将PLC至于停止方式。
（2）、单击工具条中的“下载”按钮，或用菜单命令“文件”→“下载”。出现“下载”对话框。
（3）、根据默认值，在初次发出下载命令时，“程序代码块”、“数据块”和“CPU配置”（系统块）复选框都被选中。如果不需要下载某个块，可以清除该复选框。
（4）、单击“确定”，开始下载程序。如果下载成功，将出现一个确认框会显示以下信息：下载成功。
（5）、如果STEP 7-Micro/WIN 32中的CPU类型与实际的PLC不匹配，会显示以下警告信息：“为项目所选的PLC类型与远程PLC类型不匹配。继续下载吗？”
（6）、此时应纠正PLC类型选项，选择“否”，终止下载程序。
（7）、用菜单命令“PLC” →“类型”，调出“PLC类型”对话框。单击“读取PLC”按钮，由STEP 7-Micro/WIN32自动读取正确的数值。单击“确定”，确认PLC类型。
（8）、单击工具条中的“下载”按钮，重新开始下载程序，或用菜单命令“文件”→“下载”。
下载成功后，单击工具条中的“运行”按钮，或“PLC” →“运行”，PLC进入RUN（运行）工作方式。
（二）、上载
用下面的方法从PLC将项目元件上载到STEP 7-Micro/WIN 32程序编辑器：
n 单击“上载”按钮。
n 选择菜单命令“文件”→“上载”。
n 按快捷键组合Ctrl+U。
执行的步骤与下载基本相同，选择需的上载的块（程序块、数据块或系统块），单击“上载”按钮，上载的程序将从PLC复制到当前打开的项目中，随后即可保存上载的程序。
2.1.4 程序的调试与监控
在运行STEP 7-Micro/WIN 32编程设备和PLC之间建立通信并向PLC下载程序后，便可运行程序，收集状态进行监控和调试程序。
（一）、选择工作方式
PLC有运行和停止两种工作方式。在不同的工作方式下，PLC进行调试的操作方法不同。 单击工具栏中的“运行”按钮或“停止”按钮可以进入相应的工作方式.
（1）、 选择STOP工作方式
在STOP（停止）工作方式中，可以创建和编辑程序，PLC处于半空闲状态：停止用户程序执行；执行输入更新；用户中断条件被禁用。PLC操作系统继续监控PLC，将状态数据传递给STEP 7-Micro/WIN 32，并执行所有的“强制”或“取消强制”命令。当PLC位于STOP（停止）工作方式可以进行下列操作：
1、 使用图状态或程序状态检视操作数的当前值。（因为程序未执行，这一步骤等同于执行“单次读取”）
2、 可以使用图状态或程序状态强制数值。使用图状态写入数值。
3、 写入或强制输出。
4、 执行有限次扫描，并通过状态图或程序状态观察结果。
（二）、 选择运行工作方式
当PLC位于RUN（运行）工作方式时，不能使用“首次扫描”或“多次扫描”功能。可以在状态图表中写入和强制数值，或使用LAD或FBD程序编辑器强制数值，方法与在STOP（停止）工作方式中强制数值相同。还可以执行下列操作（不能在STOP工作方式使用）：
1、 使用图状态收集PLC数据值的连续更新。如果希望使用单次更新，图状态必须关闭，才能使用“单次读取”命令。
2 、 使用程序状态收集PLC数据值的连续更新。
3、 使用RUN工作方式中的“程序编辑”编辑程序，并将改动下载至PLC。