S7-200PLC应用举例及实践指南

1.电动机正反转控制

图5－102（a）是一个大家十分熟悉的电动机正、反转继电控制电路图。图中用KM0、KM1的辅助触点实现自锁、互锁。

1）确定I/O端子数

SB1、SB2、SB3这3个外部按钮是PLC的输入变量，需接在3个输入端子上，可分配为

I0.0、I0.1、I0.2；输出只有2个继电器KM0、KM1，均是PLC的输出端需控制的设备，要占用2个输出端子，可分配为Q0.0、Q0.1。故整个系统需要用5个I/O端子：3个输入端子，2个输出端子。

下面列出I/O分配表：

输入端子SB1：I0.0；SB2：I0.1；SB3：I0.2。

输出端子KM0：Q0.0；KM1：Q0.1。

用于自锁、互锁的那些触点，因为无须占用外部接线端子而是由内部“软开关”代替，故不占用I/O端子。

2）实际外部接线方法

图5－102（b）是PLC和外围设备的外部接线图。图中所表示的是I0.0、I0.1、I0.2共用一个“M”端，Q0.0、Q0.1共用一个“L”端，输入开关都并联在直流电源E上，输出映像寄存器并联在交流220 V电源上。直流电源由PLC供给，这时可直接将PLC电源端子接在开关上，而交流电源则是由外部电源供给。

3）梯形图

与图5－102正反转控制继电器线路图对应的梯形图参见图5－103。

图5－102　正反转控制继电器线路图和I/O接线图

（a）继电器线路图；（b）I/O接线图

图5－103　梯形图

2.电动机－△减压启动控制

1）确定I/O端子数

电动机－△减压启动继电控制线路如图5－104所示。SB1和SB2外部按钮是PLC的输入变量，KM1、KM2、KM3是PLC的输出变量。下面列出I/O分配表：

输入端子停止按钮SB1：I0.0；启动按钮SB2：I0.0。

输出端子KM1：Q0.1；KM2：Q0.2；KM3：Q0.3

图5－104　电动机－△减压启动继电控制线路图

2）PLC与外部器件的接线

电动机－△减压启动控制接线图如图5－105所示，图中电动机由接触器KM1、KM2、KM3控制，其中KM3将电动机定子绕组连接成星形，KM2将电动机定子绕组连接成三角形。KM2与KM3不能同时吸合，否则将产生电源短路。在程序设计过程中，应充分考虑由星形向三角形切换的时间，即由KM3完全断开（包括灭弧的时间）到KM2接通这段时间应互锁住，以防电源短路。

图5－105　电动机－△减压启动控制接线图

3）梯形图程序

电动机－△减压启动控制梯形图如图5－106所示。

3.小车行程控制

经验设计法仅适用于控制方案简单、I/O端子数规模不大的系统。示例：如图5－107所示小车左行和右行控制，小车开始时停在左限位开关SQ1处。按下右行启动按钮SB2，小车右行，到限位开关SQ2处时停止运动，10 s后定时器T38的定时到，小车自动返回起始位置。设计小车左行和右行控制的梯形图。

小车的左行和右行控制的实质是电动机的正反转控制。因此可以在电动机正反转PLC控制设计的基础上，设计出满足要求的PLC的外部接线图和梯形图，如图5－108所示。

为了使小车向右的运动自动停止，将右限位开关对应的I0.4的常闭触点与控制右行的Q0.0串联。为了在右端使小车暂停10 s，用I0.4的常开触点来控制定时器T38。T38的定时时间到，则其常开触点闭合，给控制Q0.1的启－保－停控制电路（启动、保持、停止、控制电路）提供启动信号，使Q0.1通电，小车自动返回。小车离开SQ2所在的位置后，I0.4的常开触点断开，T38被复位。回到SQ1所在位置时，I0.3的常闭触点断开，使Q0.1断电，小车停在起始位置。

图5－106　电动机－△减压启动控制梯形图

图5－107　小车往复运动控制示意图

图5－108　PLC的外部接线图和梯形图

4.搬运机械手控制

PLC控制器可应用于各类顺序逻辑控制系统，下面介绍一些SIMATIC S7－200 PLC控制系统，让读者明白PLC控制系统的设计过程。通过机械手的PLC控制系统设计实例详细地说明SIMATIC S7－200 PLC控制系统设计的主要内容和步骤，从而反映PLC控制系统设计的全貌，以利于读者较全面地了解PLC控制系统设计的全过程。(www.xing528.com)

1）了解设备概况

机械手的结构和各部分动作的示意图如图5－109所示。机械手所有的动作均由液压驱动，上升与下降、左移与右移等动作均由双线圈双位电磁阀控制，即当下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手停止下降；只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升。机械手的夹紧和放松用一个单线圈双位电磁阀来控制，线圈通电时夹紧，线圈断电时放松。

图5－109　机械手的结构和各部分动作的示意图

2）分析机械手工作的工艺过程

机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图如图5－110所示。机械手的初始位置停在原点，按下启动按钮后，机械手将依次完成下降－夹紧－上升－右移－再下降－放松－再上升－左移8个动作。机械手的下降、上升、右移、左移等动作的转换，是由相应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是由时间来控制的。

图5－110　机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置图

为保证安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上一次搬到右工作台上工件尚未移走，机械手应自动暂时等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。

3）控制要求

按不同的工作方式，搬运机械手的控制要求分为如下几个方面：动工作方式利用按钮对机械手每一动作单独进行控制。例如，按“下降”按钮，机械手下降，按“上升”按钮，机械手上升。用手动操作可以使机械手置于原点位（机械手在最左边和最上面，且夹紧装置松开），还便于维修时机械手的调整。

图5－111　操作台面板布置示意图

单步工作方式从原点开始，按照自动工作循环的工序，每按一下启动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止。单周期工作方式为按下启动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。连续工作方式　按下启动按钮，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机；或者将工作方式选择开关转换到“单周期”工作方式，此时机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。根据以上控制要求，操作台面板布置示意图如图5－111所示。

4）输入信号

输入信号是将机械手的工作状态和操作的信息提供给PLC。PLC的输入信号共有18个输入信号点，需占用18个输入端子。具体分配如下：

位置检测信号有下限、上限、右限、左限共4个行程开关，需要4个输入端子；“无工件”检测信号采用光电开关作检测元件，需要1个输入端子；“工作方式”选择开关有手动、单步、单周期和连续4种工作方式，需要4个输入端子；手动操作时，需要有下降、上升、右移、左移、夹紧、放松、回原点7个按钮，需要7个输入端子；自动工作时，尚需启动按钮、停止按钮，需占2个输入端子。以上共需18个输入信号端子。

5）输出信号

PLC的输出信号用来控制机械手的下降、上升、右移、左移和夹紧5个电磁阀线圈，需要5个输出点；机械手从原点开始工作，需要有1个原点指示灯，要占用1个输出端子。所以，至少需要6个输出信号端子。如果功能上再无其他特殊要求，则有多种型号的PLC可选用，此处选用S7－200 CPU226。S7－200 CPU226共有输入24个端子，输出16个端子，采用继电器输出型。

6）分配PLC的I/O端子

根据对机械手的I/O信号的分析以及所选的外部输入设备的类型及PLC的机型，分配PLC的I/O端子接线如图5－112所示。

图5－112　PLC的I/O端子接线

为了便于编程，在设计软件时常将公用程序、手动程序和自动程序分别编出相对独立的程序段，再用条件跳转指令进行选择。搬运机械手的控制系统程序结构框图如图5－113所示。系统运行时首先执行公用程序，而后当选择手动工作方式（手动，单步）时，I0.7或者I1.0接通并跳至手动程序执行；当选择自动工作方式（单周期、连续）时，I0.7、I1.0断开，而I1.1或I1.2接通则跳至自动程序执行。由于工作方式选择转换开关采取了机械互锁，因而此程序中手动程序和自动程序可采用互锁，也可以不互锁。

图5－113　控制系统程序结构框图

7）公用程序设计

公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理，公用程序如图5－114所示。

左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手夹紧的O0.1的常闭触点的串联电路接通时，“原点条件”M0.5变为ON。当机械手处于原点状态（M0.5为ON），在开始执行用户程序（SM0.1为ON）、系统处于手动状态或自动回原点状态（I0.7或I2.1为ON）时，初始步对应的M0.0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。如果此时M0.5为OFF状态，M0.0将被复位，初始步为不活动步，按下启动按钮也不能进入步M2.0，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。

图5－114　公用程序

8）手动程序

手动操作不需要按工序顺序动作，所以可按普通继电器程序来设计。手动操作的梯形图如图5－115所示。手动按钮I0.7、I1.3～I2.1分别控制下降、上升、右移、左移、夹紧、放松和回原点各个动作。为了保证系统的安全运行设置了一些必要的连锁。其中在左、右移动的梯形图中加入了I0.2作为上限连锁，因为机械手只有处于上限位置时，才允许左右移动。

由于夹紧、放松、动作是用单线圈双位电磁阀控制，故在梯形图中用置位、复位指令，使之有保持功能。

9）自动操作流程图

由于自动操作的动作较复杂，可先画自动操作流程图，如图5－116所示，用于表明动作的顺序和转换条件，然后再根据所采用的控制方法设计程序。矩形框表示“工步”，相邻两工步用有向线段连接，表明转换的方向。小横线表示转换的条件。若转换条件得到满足则程序从上一工步转到下一工步。

图5－115　手动操作的梯形图

图5－116　自动操作流程图

10）自动程序设计

根据自动操作流程图就可以画出自动控制程序的梯形图，如图5－117所示。