基于PLC的自控轧钢机监控系统设计含外文翻译.docx

DESIGN OF CONTROLLED ROLLING MILL CONTROL SYSTEM BASED ON PLC

PLC has been widely used in various industries at home and abroad, with the rapid development of modern industry, PLC in the factory has been very important, not only to improve efficiency and reduce unnecessary investment. The subject is made to the design of the controlled rolling mill based on PLC control system, it is very important in the steel production process, mainly S7-200 series models for program design, the software automatically with Configuration screen rolling machine group 前　言 1
第1章 绪论 2
1.1课题研究的背景及意义 2
1.1.1 课题研究的背景 2
1.1.2 课题研究来源 3
1.1.3 课题研究的意义 3
1.2 课题主要研究的内容 3
第2章 PLC的基本结构及原理 4
2.1 PLC的基本结构 4
2.1.1 PLC的硬件结构 4
2.1.2 PLC的软件结构 7
2.2 工作原理 7
2.3 西门子S7-200系列PLC 9
2.3.1 S7-200 PLC特性 9
2.3.2 S7-200主要功能模块介绍 10
2.3.3 S7-200PLC工作原理 11
第3章 系统设计 12
3.1 硬件设计 12
3.1.1 控制系统I/O地址分配 12
3.1.2 电气控制系统原理图 12
3.2 软件设计 14
第4章 轧钢机监控系统设计 17
4.1 画面的开发方法 17
4.1.1 监控画面的开发方法 17
4.1.2 组态软件 17
4.2 监控画面的设计 18
4.2.1 组态工程的建立 18
4.2.2 创建组态画面 21
4.2.3定义IO设备 23
4.2.4构建数据库 27
4.2.5 建立动画连接 29
4.2.6 运行调试 32
第5章 软硬件调试 33
谢 辞 36
参考文献 37
外文资料翻译 38
前　言第1章 绪 论

第2章 PLC的基本结构及原理

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。

2.1.1 PLC的硬件结构

微处理器（CPU）——控制器的核心
存储器(RAM、ROM）
输入、输出部件 （I/O部件）——连接现场设备与CPU之间的接口电路
电源部件——为PLC内部电路提供能源
整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内
模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成
I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机）
另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内

图2-1 plc的硬件结构
1.中央控制处理单元(CPU)
可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。
通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等；位片式微处理器的AM2900、AM2903等。FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。
2. 存储器
可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。
系统存储器：存放系统管理程序，用只读存储器实现。
用户存储器：存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中。
3. 输入输出接口
作用：连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。
对输入输出接口的要求：良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。
PLC输入输出接口的类型：模拟量输入输出接口、开关量输入输出接口（直流、交流及交直流）。用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。
① 开关量输入接口电路
各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。
通常有三种类型：直流(12∽24)V输入、交流(100∽120)V输入与交流(200∽240)V输入和交直流(12∽24)V输入。直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入信号接通时输入电流一般小于10mA；交流输入模块的电源一般由用户提供。
如图2-1 PLC的硬件结构。
如图2-2 直流输入接口。

图2-2 直流输入接口

②开关量输出接口电路
有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A，如图2-3交直流输出接口。

输出端子的两种接法：
l 隔离式
输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路。
l 汇点式
全部输入点（输出点）共用一个公共点。或者将输入点（输出点）分成几组，组内各点共用一个公共点。各组的公共点之间相互隔离。组内的各点必须使用同一电压类型和同一电压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载。
4.电源
PLC的供电电源一般是市电，也有用直流24V电源供电的。
编程器、
利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。
6.用户输入输出设备:
用户输入器件有控制开关和检测元件，即各种开关、按钮、传感器等；用户输出设备主要有
在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分：
1. 系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用。
2. 用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。

2.2 工作原理

1.基本工作模式：PLC有运行模式和停止模式。
运行模式：分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。
停止模式
当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。
2. PLC工作过程：
1) 内部处理阶段：
在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。
2) 通信服务阶段
在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。
3) 输入处理阶段
输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读取所有输入端子的通断状态，并将所读取的信息存到输入映象寄存器中，
4) 程序处理阶段
按先上后下，先左后右的步序，对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到进行逻辑运算，运算结果再存入有 关映像寄存器中。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
5) 输出刷新阶段
程序处理完毕后，将所有输出映象寄存器中各点的状态，转存到输出锁存器中，再通过输出端驱动外部负载。
在运行模式下， PLC按上述五个阶段进行周而复始的循环工作，称为循环扫描工作方式。
3. PLC工作方式与特点
引起输出滞后的因素：输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后。
3）由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。
4）由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。
这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减少繁琐的联锁电路。
S7-200 PLC特性
S7-200主要功能模块介绍
模拟量输入/输出扩展模块EM235有4路模拟量输入/1路模拟量输出。

S7-200PLC工作原理
CPU从输入电路的输出端读出个电路状态，并将其写入输入映像寄存器；在程序执行阶段，CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中；在紧接着的下一个I/O刷新阶段，将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递到输出端子，从而控制外接器件动作。

第3章 系统设计

序号
输入点
输入地址
序号
输出点
输出地址
1
I0.0

1
Q0.0
电机M1正转(KM1)
2
I0.1
停止开关SB1
2
Q0.1
电机M1反转(KM5)
3
I0.2

3
Q0.2
电机M2正转(KM2)
4
I0.3

4
Q0.3
电机M2反转(KM6)

5
Q0.4
电机M3正转(KM3)

6
Q0.5
电机M3反转(KM4)

7
Q1.1
A灯亮

8
Q1.2
B灯亮

9
Q1.3
C灯亮

图3-2外围硬件接线图
3.2 软件设计

图3-3轧钢机梯形图语句表为：

// Network Comment
LD I0.0
O Q0.1
O Q1.4
AN I0.1
AN I0.3
= Q0.1
= Q0.2
Network 2
LD I0.0
O Q1.1
AN I0.1
AN T37
= Q1.1
Network 3
LD Q1.1
TON T37, +30
Network 4
LD I0.0
O Q0.6
AN I0.1
= Q0.6
Network 5
LD I0.2
O Q0.4
AN Q0.5
AN I0.3
A Q0.1
= Q0.4
Network 6
LD I0.3
O Q1.2
AN C52
LPS
AN T38
= Q1.2
LPP
AN Q1.2
A T38
= Q1.3

Network 7
LD Q0.7
TON T38, +88
Network 8
LD I0.3
O Q0.0
AN Q0.1
AN C52
A Q0.5
= Q0.3
= Q0.0
Network 9
LD I0.3
O Q0.5
AN Q0.4
AN C52
AN I0.1
AN Q1.4
= Q0.5
Network 10
LD Q1.2
O Q0.7
AN I0.1
A Q0.6
= Q0.7
Network 11
LD Q1.3
O Q1.0
A Q0.6
A Q0.7
AN I0.1
= Q1.0
Network 12
LD I0.2
A Q0.7
AN C52
= Q1.4
Network 13
LD I0.3
LD I0.0
CTD C52,

第4章 轧钢机监控系统设计

4.2.1 组态工程的建立弹出选择菜单“文件\新建工程”或单击“新建”按钮，弹出如下图4-2所示。
单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”，如下图4-3所示。
在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览…”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”，如下图4-4所示。
在工程名称文本框中输入工程的名称（基于PLC自控轧钢机监控系统设计），该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。工程名称长度应小于32个字节，工程描述长度应小于40个字节。单击“完成”完成工程的新建。系统会弹出对话框，询问用户是否将新建工程设为当前工程，如下图4-5所示。
图4-5新建工程三6单击“否”按钮，则新建工程不是工程管理器的当前工程，如果要将该工程设为新建工程，还要执行“文件\设为当前工程”命令；单击“是”按钮，则将新建的工程设为组态王的当前工程。定义的工程信息会出现在工程管理器的信息表格中。双击该信息条或单击“开发”按钮或选择菜单“工具\切换到开发系统”，进入组态王的开发系统。如下图4-6所示。

进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件\画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出对话框如下图4-7所示。

在“画面名称”处输入新的画面名称（基于PLC自控轧钢机监控系统），其它属性目前不用更改。点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。如下图4-8所示。

3在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择“矩形”和“文本”图标，绘制一个矩形对象和一个文本对象，如下图4-9所示。

选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，打开定义IO设备的窗口，如下图4-10所示。

2在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，处输入新的画面名称（基于PLC自控轧钢机监控系统），其它属性目前不用更改。弹出“设备配置向导一”，如下图4-11所示。

3在“设备配置向导一”中，选择PLC/西门子/SS系列/S7-200/PPI选项，如“设备配置向导二”。如下图4-12所示。

4在“设备配置向导三”中，为外部设备取一个名称，如下图4-13所示。

图4-13
5在“设备配置向导四”中，为设备选择连接串口，设为COM1，如下图4-14所示。

图4-14设备配置向导四

6在“设备配置向导五”中，填写设备地址，设为2，如下图4-15所示。

图4-15设备配置向导五
7在“设备配置向导六”中，设置通信故障恢复参数(一般情况下使用系统默认设置即可)，如下图4-16所示。

图4-16设备配置向导六

8请检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。如下图4-17所示。

图4-17设备配置向导六
设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“PLC”。在定义数据库变量时，只要把IO变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。

1回到Explorer界面，选择“数据库\数据词典”，弹出工程浏览器窗口，如下图4-18所示。
图4-18工程浏览器窗口
2在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“定义内存

图4-19定义内存变量属性
变量属性”对话框例如，在“变量名”处输入变量名，如a；在“变量类型”处选择变量类型如：内存整型，其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。如下图4-19所示。
3上面的对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作。例如，在“变量名”处输入变量名，如a；在“变量类型”处选择变量类型如：内存整型，其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。下面继续定义一个IO变量属性，如下图4-20所示。

图4-20定义IO变量属性

4上面 的对话框可以在“变量名”处输入变量名，如a；在“变量类型”处选择变量类型如IO整数；在“连接设备”中选择先前定义好的IO设备新建IO设备；在“寄存器”中定义为Q0.6；在“数据类型”中定义为bit类型。其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。弹出窗口如下图4-21所示。

图4-21工程浏览器窗口
根据以上数据库的构建过程，把组态图中的各个图形进行定义，如a、a1、a2、gd等等。

1继续上面的工程。双击图形对象——即矩形，可弹出“动画连接”对话框，如下图4-22所示。

图4-22动画连接窗口
2用鼠标单击“填充”按钮，弹出对话框如下图4-23所示。

图4-23动画连接窗口
3在“表达式”处输入“a”，“缺省填充刷”的颜色改为黄色，其余属性目前不用更改，如下图4-24所示。

图4-24表达式窗口
4单击“确定”，再单击“确定”返回组态王开发系统。为了让矩形动起来，需要使变量即a能够动态变化，选择“编辑\画面属性”菜单命令，弹出对话框如下图4-25所示。图4-25画面属性窗口
单击“命令语言…”按钮，弹出画面命令语言对话框，如下图4-26所示。图4-26画面命令语言窗口
在编辑框处输入命令语言可将“每3000毫秒”改为“每500毫秒”，此为画面执行命令语言的执行周期。单击“确认”，及“确定”回到开发系统。双击文本对象“####”，可弹出“动画连接”对话框，如下图4-27所示。图4-27动画连接窗口

7用鼠标单击“模拟值输出”按钮，弹出对话框如下图4-28所示。

图4-28模拟值输出连接窗口
8在“表达式”处输入“b”，其余属性目前不用更改。单击“确定”，再单击“确定”返回组态王开发系统选择“文件\全部存”菜单命令。

4.2.6 运行调试

组态王工程已经初步建立起来，进入到运行和调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件\切换到 View”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面\打开”命令，从“打开画面”窗口选择“Test”画面。显示出组态王运行系统画面，即可看到矩形框和文本在动态变化。

第5章 软硬件调试

结 论

1．全文总结
2．展望
谢剑英，贾青.微型计算机控制技术.北京：国防工业出版社，2001Configuration Software
3.通讯实用程序可以使用以太网、RS485、RS232、PSTN等多种通讯介质或网络实现其功能。实用通讯程序组件可以划分为Server和Client两种类型，Server是数据提供方，Client是数据访问方，一但Server和Client建立起了连接，二者间就可以实现数据的双向传送。