基于S7-200PLC气动试验台控制系统设计
基于S7-200PLC气动试验台控制系统设计
摘要：本文主要介绍了基于S7-200PLC气动试验台控制系统的设计。本课题自制的气动控制试验台是基于气爪和气缸的自动化装置，用于纸盒成型，并使用PLC作为控制系统核心实现纸盒成型的自动化。控制系统选用SIEMENS的S7-200PLC作为控制器。在控制系统设计中，首先对气动试验台进行了分析，并根据分析结果，在控制系统硬件设计中，完成了S7-200PLC CPU的选型、扩展模块的选择、PLC电源的设计、绘制了I/O接线图。在控制面板设计中，选择电气元件、设计出控制面板布局方案、制作了面板柜。在软件设计中，根据控制要求使用STEP 7-MicroWIN32编程软件设计出梯形图程序。实验结果表明，基于S7-200PLC纸盒成型气动试验台控制系统，具有结构简单，易于推广，且运行可靠等优点。
关键词 PLC控制系统, 气动试验台, S7-200PLC, 控制面板, 梯形图程序
1 引言 1
1.1 基于PLC气动试验台控制系统的特点 1
1.2 课题简介 2
2 PLC控制系统设计 2
2.1 控制对象分析 2
2.2 PLC控制系统硬件设计 3
2.3 PLC控制系统软件设计 3
3 气动试验台 4
3.1 试验台功能 4
3.2 试验台组成及结构 5
3.3 试验台系统控制要求 7
3.4 试验台系统结构框图 8
3.5 试验台系统工艺流程 9
4 PLC控制系统硬件设计——PLC选型 11
4.1 S7-200PLC 的CPU选型 12
4.2 扩展模块的选择 13
4.3 PLC电源的设计 13
4.4 I/O接线图 14
5 PLC控制系统硬件设计——控制面板设计 17
5.1 控制面板组成 17
5.2 控制面板布局 23
6 PLC控制系统软件设计 29
6. 1 STEP 7-MicroWIN32编程软件简介 29
6. 2 程序编写 29
6. 3 程序调试 32
7 系统操作 33
7. 1 准备工作 33
7. 2 操作过程 34
7. 3 注意事项 34
结论 35
致谢 36
参考文献 37
1 引言
随着科学技术的发展, 清洁环保、能耗低的设备仪器越来越受人们青睐, 气压传动由于其利用空气作为传动介质, 来源广、成本低, 在传动过程中废气可以直接排出,不会造成二次污染，同时具有一个气压站可供多台仪器使用，在传动过程中噪音低等特点，不仅有逐步取代液压传动在工程技术中运用的趋势，而且也在新动力能源的开发方面越来越彰显其主导地位。
目前，气动传动已经和机电传动、液压传动一样成为了实现生产过程自动化的不可缺少的重要手段。根据统计在工业发达国家中，全自动化装配线中约有30%装有气动系统。我国的气动制造业与气动技术的研究和应用起步较晚，气动系统控制技术很多仍采用继电器控制，但继电器硬件接线电路是逻辑、顺序控制，体积大，连线复杂，当需要更改执行程序时修改困难，寿命短，可靠性和可维护性都差。当前，这类传统的继电器已逐渐被PLC 取代。PLC 是在继电器控制系统的基础上开发出来的，将传统的硬继电器用软继电器来取代，具有很高的灵活性。PLC的优点是硬件的可靠性高，编程和使用方便，接线简单，通用性好，网络通信功能强，易于安装和维护。
1．1 基于PLC气动试验台控制系统的特点
以PLC为控制核心的试验台可用于有关PLC及气动课程的演示、实验、实训和毕业设计等实践。这种试验台具有结构紧凑、操作方便、实验结果直观、安全可靠等优点，尤其是把作为PLC控制对象之一的气动机械手直接安装在试验台上，不仅有利于快速组建PLC控制系统，而且有利于提高实验、实训的安全性和可靠性。在控制系统的调试过程中，操作人员可以直接观察到控制对象的运行，有利于降低调试的难度。对于需要更改控制要求的试验台，可直接通过更改程序来实现新的控制要求，灵活方便。同时，控制系统的设计和安装也比采用继电器控制系统要简单，PLC用软件功能代替了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件，安装接线工作量大为减少。
与单片机相比，基于PLC的控制系统在教学用的气动试验台中应用更为广泛，主要原因在于PLC可靠性和抗干扰性能高，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短，更加适用于教学培训等方面。
1．2 课题简介
本次毕业设计课题为“基于S7-200PLC的气动试验台控制系统设计”。其主要任务就是根据自制的气动试验台的工艺及控制要求，选择合适的电气元件,利用PLC设计其控制程序，从而保证设备的运行。
课题中自制的试验台以气动元件为控制对象，试验台用于使纸盒自动成型，使用S7-200PLC作为控制系统核心部件进行控制。除此以外，自制的试验台还应能够满足其他气动方面的相关实验、创新实践、气动课程设计、PLC课程设计的需要。学生可以根据自身的想法自行选择气动元件并布局组成气动回路，然后使用本课题设计的PLC控制系统实现其运行。
因此，设计出的PLC控制系统除了首要满足纸盒自动成型气动实验台的控制要求外，还应能够满足大多数气动实验的工艺及控制需求。具体要求为：
1．设计控制面板界面
2．设计PLC外围电路并安装
3．完成程序的编制及调试
2 PLC控制系统设计
PLC控制系统的设计，应在最大限度地满足被控对象要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、运行安全可靠。并考虑到今后生产的发展和工艺的改进，在选择PLC机型时，应适当留有余地。
PLC控制系统设计的主要步骤为：
1. 控制对象分析
2. PLC控制系统硬件设计
3. PLC控制系统软件设计
2．1 控制对象分析
对控制对象的分析，应对被控对象（机械设备、生产线或生产过程）工艺流程的特点和要求作深入了解、详细分析、认真研究，明确控制的任务、范围和要求，根据工业指标，合理地指定和选取控制参数，使PLC控制系统最大限度地满足被控对象的工艺要求。
2．2 PLC控制系统硬件设计
PLC控制系统硬件设计主要分为PLC选型和控制面板的设计,PLC选型包括PLC主机型号选择、扩展模块选择、PLC电源设计、绘制I/O接线图。
控制系统的硬件设计必须根据控制对象的要求决定，包括控制对象的工艺要求、设备状况、控制功能、I/O点数和种类，以构成比较先进的控制系统。
PLC控制系统硬件设计流程如图2.1所示。
2．3 PLC控制系统软件设计
PLC控制系统的软件设计就是针对生产工艺要求的控制程序的设计,也就是通常而言的用户程序设计。用户程序的设计需要分析系统的工艺过程,明确控制要求,在列出输入输出分配表的基础上进行。
软件的设计方法可以采用流程图设计法，流程图是用框图表示系统的工作过程，以及输入条件与输出之间关系的一种图形。流程图设计法特别适合那些按动作先后顺序进行工作的顺序控制系统。
采用流程图法设计时可以绘制程序结构图作为流程图的补充，程序结构图一般由构成系统的若干要素和表达各要素之间关系的连线或方向箭头来构成的。它弥补了程序流程图结构不清晰的缺点，对理解程序的结构，以及修改系统提供了很好的帮助，程序结构图一般如图2.2所示。在对系统的控制过程分析中，每个控制过程都是按照一定的工步顺序执行，因此可以建立一个统一的模型如图2.3所示，其中S1、S2、···Sn为程序工作步数，X1、X2、···Xn为各步工作条件。利用该模型，只需要分析各步转换条件，就可以利用顺序控制设计法进行程序设计，这既体现了模块化思想，又使整个程序的结构保持一致。
摘要：本文主要介绍了基于S7-200PLC气动试验台控制系统的设计。本课题自制的气动控制试验台是基于气爪和气缸的自动化装置，用于纸盒成型，并使用PLC作为控制系统核心实现纸盒成型的自动化。控制系统选用SIEMENS的S7-200PLC作为控制器。在控制系统设计中，首先对气动试验台进行了分析，并根据分析结果，在控制系统硬件设计中，完成了S7-200PLC CPU的选型、扩展模块的选择、PLC电源的设计、绘制了I/O接线图。在控制面板设计中，选择电气元件、设计出控制面板布局方案、制作了面板柜。在软件设计中，根据控制要求使用STEP 7-MicroWIN32编程软件设计出梯形图程序。实验结果表明，基于S7-200PLC纸盒成型气动试验台控制系统，具有结构简单，易于推广，且运行可靠等优点。
关键词 PLC控制系统, 气动试验台, S7-200PLC, 控制面板, 梯形图程序
1 引言 1
1.1 基于PLC气动试验台控制系统的特点 1
1.2 课题简介 2
2 PLC控制系统设计 2
2.1 控制对象分析 2
2.2 PLC控制系统硬件设计 3
2.3 PLC控制系统软件设计 3
3 气动试验台 4
3.1 试验台功能 4
3.2 试验台组成及结构 5
3.3 试验台系统控制要求 7
3.4 试验台系统结构框图 8
3.5 试验台系统工艺流程 9
4 PLC控制系统硬件设计——PLC选型 11
4.1 S7-200PLC 的CPU选型 12
4.2 扩展模块的选择 13
4.3 PLC电源的设计 13
4.4 I/O接线图 14
5 PLC控制系统硬件设计——控制面板设计 17
5.1 控制面板组成 17
5.2 控制面板布局 23
6 PLC控制系统软件设计 29
6. 1 STEP 7-MicroWIN32编程软件简介 29
6. 2 程序编写 29
6. 3 程序调试 32
7 系统操作 33
7. 1 准备工作 33
7. 2 操作过程 34
7. 3 注意事项 34
结论 35
致谢 36
参考文献 37
1 引言
随着科学技术的发展, 清洁环保、能耗低的设备仪器越来越受人们青睐, 气压传动由于其利用空气作为传动介质, 来源广、成本低, 在传动过程中废气可以直接排出,不会造成二次污染，同时具有一个气压站可供多台仪器使用，在传动过程中噪音低等特点，不仅有逐步取代液压传动在工程技术中运用的趋势，而且也在新动力能源的开发方面越来越彰显其主导地位。
目前，气动传动已经和机电传动、液压传动一样成为了实现生产过程自动化的不可缺少的重要手段。根据统计在工业发达国家中，全自动化装配线中约有30%装有气动系统。我国的气动制造业与气动技术的研究和应用起步较晚，气动系统控制技术很多仍采用继电器控制，但继电器硬件接线电路是逻辑、顺序控制，体积大，连线复杂，当需要更改执行程序时修改困难，寿命短，可靠性和可维护性都差。当前，这类传统的继电器已逐渐被PLC 取代。PLC 是在继电器控制系统的基础上开发出来的，将传统的硬继电器用软继电器来取代，具有很高的灵活性。PLC的优点是硬件的可靠性高，编程和使用方便，接线简单，通用性好，网络通信功能强，易于安装和维护。
1．1 基于PLC气动试验台控制系统的特点
以PLC为控制核心的试验台可用于有关PLC及气动课程的演示、实验、实训和毕业设计等实践。这种试验台具有结构紧凑、操作方便、实验结果直观、安全可靠等优点，尤其是把作为PLC控制对象之一的气动机械手直接安装在试验台上，不仅有利于快速组建PLC控制系统，而且有利于提高实验、实训的安全性和可靠性。在控制系统的调试过程中，操作人员可以直接观察到控制对象的运行，有利于降低调试的难度。对于需要更改控制要求的试验台，可直接通过更改程序来实现新的控制要求，灵活方便。同时，控制系统的设计和安装也比采用继电器控制系统要简单，PLC用软件功能代替了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件，安装接线工作量大为减少。
与单片机相比，基于PLC的控制系统在教学用的气动试验台中应用更为广泛，主要原因在于PLC可靠性和抗干扰性能高，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短，更加适用于教学培训等方面。
1．2 课题简介
本次毕业设计课题为“基于S7-200PLC的气动试验台控制系统设计”。其主要任务就是根据自制的气动试验台的工艺及控制要求，选择合适的电气元件,利用PLC设计其控制程序，从而保证设备的运行。
课题中自制的试验台以气动元件为控制对象，试验台用于使纸盒自动成型，使用S7-200PLC作为控制系统核心部件进行控制。除此以外，自制的试验台还应能够满足其他气动方面的相关实验、创新实践、气动课程设计、PLC课程设计的需要。学生可以根据自身的想法自行选择气动元件并布局组成气动回路，然后使用本课题设计的PLC控制系统实现其运行。
因此，设计出的PLC控制系统除了首要满足纸盒自动成型气动实验台的控制要求外，还应能够满足大多数气动实验的工艺及控制需求。具体要求为：
1．设计控制面板界面
2．设计PLC外围电路并安装
3．完成程序的编制及调试
2 PLC控制系统设计
PLC控制系统的设计，应在最大限度地满足被控对象要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、运行安全可靠。并考虑到今后生产的发展和工艺的改进，在选择PLC机型时，应适当留有余地。
PLC控制系统设计的主要步骤为：
1. 控制对象分析
2. PLC控制系统硬件设计
3. PLC控制系统软件设计
2．1 控制对象分析
对控制对象的分析，应对被控对象（机械设备、生产线或生产过程）工艺流程的特点和要求作深入了解、详细分析、认真研究，明确控制的任务、范围和要求，根据工业指标，合理地指定和选取控制参数，使PLC控制系统最大限度地满足被控对象的工艺要求。
2．2 PLC控制系统硬件设计
PLC控制系统硬件设计主要分为PLC选型和控制面板的设计,PLC选型包括PLC主机型号选择、扩展模块选择、PLC电源设计、绘制I/O接线图。
控制系统的硬件设计必须根据控制对象的要求决定，包括控制对象的工艺要求、设备状况、控制功能、I/O点数和种类，以构成比较先进的控制系统。
PLC控制系统硬件设计流程如图2.1所示。
2．3 PLC控制系统软件设计
PLC控制系统的软件设计就是针对生产工艺要求的控制程序的设计,也就是通常而言的用户程序设计。用户程序的设计需要分析系统的工艺过程,明确控制要求,在列出输入输出分配表的基础上进行。
软件的设计方法可以采用流程图设计法，流程图是用框图表示系统的工作过程，以及输入条件与输出之间关系的一种图形。流程图设计法特别适合那些按动作先后顺序进行工作的顺序控制系统。
采用流程图法设计时可以绘制程序结构图作为流程图的补充，程序结构图一般由构成系统的若干要素和表达各要素之间关系的连线或方向箭头来构成的。它弥补了程序流程图结构不清晰的缺点，对理解程序的结构，以及修改系统提供了很好的帮助，程序结构图一般如图2.2所示。在对系统的控制过程分析中，每个控制过程都是按照一定的工步顺序执行，因此可以建立一个统一的模型如图2.3所示，其中S1、S2、···Sn为程序工作步数，X1、X2、···Xn为各步工作条件。利用该模型，只需要分析各步转换条件，就可以利用顺序控制设计法进行程序设计，这既体现了模块化思想，又使整个程序的结构保持一致。
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