轧钢机PLC控制系统设计(课程设计)

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武汉理工大学《机电传动与控制》课程设计说明书

摘要

可编程控制器是一种为工业机械控制所设计的专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用，它是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品，逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC。

PLC广泛用于自动化生产线上，不仅节约了人力资源，而且很大程度上提高了生产效率，又进一步促进了生产力的快速发展，并不断改变着人们的生活。有些生产机械工作台需要按一定顺序实现自动往返运动，有还要求某些位置有一定时间停留，以满足生产工艺要求。PLC自动控制可以轻松实现这些要求，因此PLC 在工业控制领域扮演着重要的角色。

本次的课程设计要求设计的是轧钢机的PLC自动控制。使用型号为西门子公司S7系列的S7-300的PLC实现在轧制中前进、后退、锻压的往复运动过程。当按下启动按钮，M1、M2运行，待加工钢板存储区中的钢板自动往传送带上运送。若S1检测到有钢板在传送带上时，M3电动机正转，指示灯M3F亮。当传送带上的钢板已过S1检测信号且S2检测到钢板到位时，电磁阀YV动作，M3电动机反转，指示灯M3R亮。Y1锻压机向钢板冲压一次，S2信号消失。当S1再次检测到有信号时，M3电动机正转，如此重复3次，停机1分钟，将已加工好的钢板放入加工后钢板存储区。并通过I/O地址的分配，实现PLC与控制路线的接口连接，经过调试仿真，达到设计要求。

关键词：可编程控制器（PLC），轧钢机设计，S7系列S7-300，控制仿真

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目录

摘要 0

第1章 PLC概述 (2)

1.1 PLC的历史 (2)

1.2 PLC基本结构 (2)

1.3 PLC的特点 (3)

1.4 PLC的功能 (4)

1.5 PLC的网络通信 (5)

第2章轧钢机控制设计 (6)

2.1 设计任务 (6)

2.2 设计要求 (6)

第3章系统硬件设计 (7)

3.1 总体设计 (7)

3.2 电机主电路 (7)

3.3 PLC轧钢机I/O分配表 (8)

3.4 PLC轧钢机I/O外部接线图 (8)

第4章系统软件设计 (9)

4.1 程序流程图 (9)

4.2 LAD程序设计 (10)

第5章系统调试与仿真 (13)

5.1 硬件组态调试 (13)

5.2 系统仿真 (13)

第6章总结 (17)

参考文献 (17)

附录：STL程序语句 (18)

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第1章 PLC概述

可编程逻辑控制器PLC （Programmable Logic Controller），一种数字运算操作的电子系统，是以微机处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制技术，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱之一。

1.1 PLC的历史

在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制站主导地位。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、寿命短、运行速度慢、适应性差等，而PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。PLC的诸多优点确定了其在工业中的广泛应用。

1.2 PLC基本结构

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图1 PLC结构

1.中央处理单元(CPU) 中央处理单元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC 系统程序赋予的功能：a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

2.存储器可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。

3.输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实际涉及到的信号当中，开关量最普遍。

4.输出接口电路可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。

5.电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压允许范围在AC85V—264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。

1.3 PLC的特点

1.结构形式多样，模块化组合灵活。有固定式适于小型系统或机床，组合式

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适于集控制系统。最少的PLC只有6点，而AB的ControlLogix系统的容量达128000点。

2.可靠性高。PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，有的在10-20万h，且均有完善的自诊断功能。

3.编程方便。控制具有极大灵活性。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

4.功能强大。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

5.适应工业环境。适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。

6.安装、维修简单。与DCS相比，价格低。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

1.4 PLC的功能

1.控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。

2.数据采集与输出。

3.输入/输出接口调理功能。具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。

4.数据处理功能。包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。

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5.支持人机界面功能。提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许

操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。

6.通信、联网功能。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或

RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。

通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。

7.编程、调试等，并且大部分支持在线编程。

1.5 PLC的网络通信

PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成"集中管理、分散控制"的分布式控制系统，满足工厂自动化(FA)系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统。

目前各厂商都主推各自的总线标准，如西门子Profibus、A-B ControlNet 及DeviceNet、莫迪康Modbus等等。但其构成的“集中管理、分散控制”分布式控制方式是十分类似的。如ROCKWELL（A-B）推出了“全方位自动化”的理念，推荐三层网络结构，即1）设备层（DeviceNet为代表）；2）控制层（ControlNet 为代表）；3）管理层（EtheNet）。

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第2章轧钢机控制设计

2.1 设计任务

本设计是实现在轧钢机在生产过程中的控制，其模拟图如图所示。图中S1为检测传送带上有无钢板传感器，S2为检测传送带上钢板是否到位传感器。M1、M2为传送带电动机；M3F和M3R为传送带电动机M3的正转和反转指示灯；Y1为锻压机。

图2 轧钢机控制

1.按下启动按钮，M1、M2运行，待加工钢板存储区中的钢板自动往传送带上运送。

2.若S1检测到有钢板在传送带上时，M3电动机正转，指示灯M3F亮。

3.当传送带上的钢板已过S1检测信号且S2检测到钢板到位时，电磁阀YV 动作，M3电动机反转，指示灯M3R亮。Y1锻压机向钢板冲压一次，S2信号消失。

4．当S1再次检测到有信号时，M3电动机正转。

5.如此重复3次，停机1分钟，将已加工好的钢板放入加工后钢板存储区。

2.2 设计要求

1.PLC型号：西门子公司S7系列，S7-300。

2.编程环境：SIMATIC Manager /Step7 V5.4或更高版本。

3.根据控制要求分配PLC I/O地址，画出PLC与控制对象的接线图，设计控制流程，按照模块化的方式设计程序，既可以采用LAD编程，也可以采用STL 编程，还可以采用组合方式编程。

4.编写的需要输入PLC，调试通过。

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第3章系统硬件设计

根据控制要求，本设计有2个检测信号，S1用于检测待加工钢板是否已在传输带上，S2用于检测待加工钢板是否到达加工点。S1有效时，M1、M2工作，M3正转。S2有效时，M3反转，Y1动作。轧钢机需要重复三次，停机一分钟，将加工好的钢板放入加工后钢板存储区，因此需要计数器和定时器，并且计数达到预定值后还要复位。

总体设计

3.1

图3 PLC控制

3.2 电机主电路

根据要求画出的主控制线路图,其中FR热继电器用于电动机的过载保护，断相及电流不平衡运行保护。FU熔断器起电机主回路短路保护作用。

图4 电机主电路

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3.3 PLC轧钢机I/O分配表

输入输出

功能元件PLC地址功能元件PLC地址

启动SB1 I0.0 控制M1电机KM1 Q4.0 停止SB2 I0.1 控制M2电机KM2 Q4.1 S1检测信号S1 I0.2 Y1锻压控制KM3 Q4.2 S2检测信号S2 I0.3 M3正转指示M3F Q4.3

M3反转指示M3R Q4.4

图5 I/O地址分配表

3.4 PLC轧钢机I/O外部接线图

图6 I/O口外部接线图

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第4章 系统软件设计

4.1 程序流程图

图7 系统流程图

开始

M1、M2启动

扎件到来 等待

N Y

第一次轧制

送到右边

第二次轧制

送到右边

第三次轧制

送出

等待1分钟，自动开始

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武汉理工大学《机电传动与控制》课程设计说明书4.2 LAD程序设计

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根据系统控制要求按下启动按钮I0.0后，电机M1和M2转动。检测传送带上是否有钢板的传感器I0.2开始检测,若有则电动机M3正转，然后是检测是否到位的传感器I0.3开始检测，若到位则电动机M3反转且锻压Y1下压一次，在开启I0.2检测，如此重复三次。

为了实现重复三次的操作，在程序中设置减计数器C0，在完成一个周期的操作后需停机1分钟，为实现此功能，在程序中添加了定时时间为1分钟的定时器T0。

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第5章系统调试与仿真

5.1 硬件组态调试

根据PLC选择对应的地址和相应的电源、CPU、输入、输出等的型号，配置如下：

图8 硬件组态

5.2 系统仿真

将程序编写好、保存以后，打开仿真S7-PLCSIM软件，将程序下载到PLC 中，对程序进行仿真。

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图9 按下SB1启动时的仿真效果

图10 按下S1时的仿真效果

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图11 按下S2时的仿真效果

图12 定时停机1分钟的仿真效果

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图13 按下SB2停止时的仿真效果

软件程序由STEP-7软件编写，可以对程序网络框图进行标注，程序编写完成后，对程序进行编译连接，若有程序错误，在进行修改，直到没有错误为止，连好相应电路，PLC程序编译结束以后，下载到PLC中，运行程序，打开PLC编程软件监视，启动Step7 V5.5软件，当按I0.0时，此时可以在仿真窗口中看到表示电机M1和M2的线圈运行，当按下I0.2时，可以看到在表示M3正转的线圈和电机M1、M2的线圈运行，当按下I0.3时，可以看到在表示M3反转的线圈和电机M1、M2的线圈下运行，同时可以看到计数器的计数值减少了1，重复按下I0.2和I0.3，当计数器的值减小到0时，定时器自动启动，定时时间1分钟。定时时间到以后，将已加工好的钢板放入加工后钢板存储区。

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第6章总结

本次课程设计我对轧钢机PLC控制系统进行了设计。通过这次的设计我对如电工学、PLC、机电传动控制等相关课程也有了一个新的认识，灵活的应用STEP 7软件画图，对前面所学知识有了很好的回顾与应用。通过这门课的设计我还有以下几点收获：提升了自己的动手能力和思考能力，在设计过程中也查阅了很多资料和书籍，丰富了我对所学知识的认识，扩宽了自己的知识面，培养了良好的分析和解决问题的能力，还懂得了合作精神的重要性，对自身以后的成长有很大的帮助。

同时，我也深知由于时间的限制和个人能力有限此次课程设计存在许多缺陷和问题，比如一些资料收集得不够齐全，致使对设计的理解上造成了一定的误差。程序编写时不够完善，有些地方仍不能完全满足要求，仍有进一步创新的可能。

不管怎样，此次课程设计让我获益匪浅，在此非常感谢刘有源老师的指导和同学们的帮助，谢谢你们！

参考文献

[1] 王永华.现代电器控制及PLC应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007

[2] 李岚，梅丽凤. 电力拖动与控制. 北京：机械工业出版社，2011

[3] 陈立定等. 电气控制与可编程程序控制器[M]. 广州：华南理工大学出版社，2001

[4] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术. 北京：机械工业出版社，2005.

[5] 吴中俊.可编程序控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2004

[6] 胡健.西门子S7-300PLC应用教程[M]. 北京：机械工业出版社，2007

[7] Siemens AG.Programming with STEP 7 Manual,2006.

[8] SIEMENS公司.Step7 V5.4编程手册

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