第6章 S7-300系列PLC应用系统设计 6.1 PLC应用系统设计的内容和步骤 6.2 PLC应用系统的硬件设计

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1 第6章 S7-300系列PLC应用系统设计 6.1 PLC应用系统设计的内容和步骤 6.2 PLC应用系统的硬件设计

2 6.1 PLC应用系统设计的内容和步骤 按照规范的设计步骤进行PLC系统设计，可以提高工作效率。设计PLC系统的方法不是一成不变的，它与设计人员习惯遵守的设计规范及实践经验有关。但是，所有设计方法要解决的基本问题是相同的，即：① 进行PLC系统的功能设计，根据受控对象的工艺要求和特点，明确PLC系统必须要做的工作和因此必须具备的功能；② 进行PLC系统的分析，通过分析系统功能实现的可能性及实现的基本方法和条件，提出PLC系统的基本规模和布局；③ 根据系统功能设计和系统分析的结果，确定PLC的机型和系统的具体配置。因此，可以提出适用于任何设计项目的一般性PLC系统的设计原则与设计过程的一些基本步骤。

3 系统设计的原则与内容 1．设计原则 (1) 最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求； (2) 在满足控制要求的前提下，力求使系统简单、经济，操作方便； (3) 保证控制系统工作安全可靠； (4) 考虑到今后生产的发展和工艺的改进，在设计容量时，应考虑适当留有进一步扩展的余地。

4 2．设计内容 (1) 拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据； (2) 选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构； (3) 选定PLC的型号； (4) 编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图； (5) 根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言(常用梯形图)进行程序设计； (6) 了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系； (7) 设计操作台、电气柜及非标准电器元部件； (8) 编写设计说明书和使用说明书。

5 系统设计和调试的主要步骤 图6.1 PLC系统设计与调试的主要步骤

6 1．深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求
控制要求主要是指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。PLC系统的控制要求并不仅仅局限于设备或生产过程本身的控制功能，除此之外，PLC系统还应具有操作人员对生产过程的高水平监控与干预功能、信息处理功能、管理功能等。PLC对设备或生产过程的控制功能是PLC系统的主体部分，其它功能是附属部分。PLC系统设计应围绕主体展开，兼顾考虑附属功能。对一个较复杂的生产工艺过程，通常可将控制任务分成几个独立部分，而每个部分往往又可分解为若干个具体步骤。这样做有以下好处：

7 (1) 将复杂的控制任务明确化、简单化、清晰化；
(2) 有助于明确系统中各PLC或PLC中各I/O区的控制任务分工及系统软硬件资源的合理分配； (3) 使分解后的自动化过程创建功能说明书变得更简单； (4) 在程序设计阶段，有助于编写出结构化程序。这不仅使应用程序简洁明了，而且易于程序的测试与维护； (5) 在调试阶段，有助于调试工作分步化、系统化。

8 STEP 7开发软件包在各个技术层次上都支持自动化过程的分解处理，它将控制任务分为各控制项目，而项目又由一个或多个CPU程序组成，每个CPU程序也是由各种逻辑块和数据块构成的，逻辑块中的功能块对应于一个控制分过程或分过程中的一个组成部分。S7中的通信联网功能和“全局数据”概念可协调整个控制系统的正常运行。

9 2．确定I/O设备 根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。 3．选择合适的PLC类型 根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。

10 4．分配I/O点 分配PLC的输入/输出点，编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图。 接着就可以进行PLC程序设计，同时也可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。 5．设计应用系统梯形图程序 根据工作功能块图或状态流程图等设计出梯形图(即编程)。这一步是整个应用系统设计最核心的工作，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。

11 6．将程序输入PLC 当使用简易编程器将程序输入PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中。 7．进行软件测试 程序输入PLC后，应先进行测试工作。由于在程序设计过程中，难免会有疏漏，因此在将PLC连接到现场设备上之前，必须进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。

12 8．应用系统整体调试 在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试。如果控制系统是由几个部分组成的，则应先做局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。

13 9．编制技术文件 系统技术文件包括功能说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图等。功能说明书是在自动化过程分解的基础上对过程的各部分进行分析，把各部分必须具备的功能、实现的方法和所要求的输入条件及输出结果，以书面形式描述出来。在有了各部分的功能说明书后，即可进行归纳统计，整理出系统的总体技术要求。因此，功能说明书是进行PLC系统设备选型、硬件配置、程序设计、系统调试的重要技术依据，也是PLC系统技术文档的重要组成部分。在创建功能说明书时，还可能发现过程分解中的不合理点并予以修正。

14 在对每个分过程进行功能描述时，主要包括：① 动作功能描述；② I/O点数及其电气特性；③ I/O逻辑状态与物理状态(电气或机械状态)的对应关系；④ 与处理过程或设备的其它部分的连接互锁等相互依赖的逻辑关系；⑤ 与操作站的接口关系。 根据分步功能要求，可以归纳出对PLC系统的总体功能要求：① 数字量输入、输出总点数及分类点数；② 模拟量输入、输出通道总数及分类通道数；③ 特殊功能总数及类型；④ 系统中各PLC的分布与距离；⑤ 对通信能力的要求及通信距离。

15 6.2 PLC应用系统的硬件设计 6.2.1 PLC选型 在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体应考虑以下几点。
1．性能与任务相适应 对于开关量控制的应用系统，当对控制速度要求不高时，可选用小型PLC(如西门子公司S7-200系列PLC或OMRON公司C系列CPM1A/CPM2A型PLC)就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。

16 对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器(对温度控制系统可选用温度传感器直接输入的温度模块)和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM1/CQM1H型PLC。 对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联网等，可选用中大型PLC(如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC)。当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。

17 2．PLC的处理速度应满足实时控制的要求 PLC工作时，从输入信号到输出控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在1～2个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般的工业控制是允许的。但有些设备的实时性要求较高，不允许有较大的滞后时间。例如，PLC的I/O点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间(普通继电器的动作时间约为100 ms)，否则就没有意义了。

18 为了提高PLC的处理速度，可以采用以下几种方法：
(1) 选择CPU处理速度快的PLC，使执行一条基本指令的时间不超过0.5 μs； (2) 优化应用软件，缩短扫描周期； (3) 采用高速响应模块，例如高速计数模块，其响应的时间可以不受PLC扫描周期的影响，而只取决于硬件的延时。

19 3．PLC应用系统结构合理、机型系列应统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式结构的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式方便灵活。维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺过程变化较多、控制要求复杂的系统。在使用时，应按实际具体情况进行选择。 在一个单位或一个企业中，应尽量使用同一系列的PLC，这不仅使模块通用性好，减少备件量，而且给编程和维修带来极大的方便，也给系统的扩展升级带来方便。

20 4．在线编程和离线编程的选择 小型PLC一般使用简易编程器。它必须插在PLC上才能进行编程操作，其特点是编程器与PLC共用一个CPU，在编程器上有一个“运行/监控/编程(RUN/MONITOR/PROGRAM)”选择开关，当需要编程或修改程序时，将选择开关转到“编程(PROGRAM)”位置，这时PLC的CPU不执行用户程序，只为编程器服务，这就是“离线编程”。程序编好后再把选择开关转到“运行(RUN)”位置，CPU则去执行用户程序，对系统实施控制。简易编程器结构简单，体积小，携带方便，很适合在生产现场调试、修改程序时用。

21 图形编程器或者个人计算机与编程软件包配合可实现在线编程。PLC和图形编程器各有自己的CPU，编程器的CPU可随时对键盘输入的各种编程指令进行处理；PLC的CPU主要完成对现场的控制，并在一个扫描周期的末尾与编程器通信，编程器将编好或修改好的程序发送给PLC，在下一个扫描周期，PLC将按照修改后的程序或参数进行控制，实现“在线编程”。图形编程器价格较贵，但它功能强大，适应范围广，不仅可以用指令语句编程，还可以直接用梯形图编程，并可存入磁盘或用打印机打印出梯形图和程序。一般大中型PLC多采用图形编程器。使用个人计算机进行在线编程，可省去图形编程器，但需要编程软件包的支持，其功能类似于图形编程器。

22 PLC容量估算 PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数，二是用户存储器的 容量。 1．I/O点数的估算 根据功能说明书，可统计出PLC系统的开关量I/O点数及模拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。考虑到在前面的设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求，应在统计后得出I/O总点数的基础上，增加10％～15％的裕量。考虑裕量后的I/O总点数即为I/O点数估算值，该估算值是PLC选型的主要技术依据。考虑到今后的调整和扩充，选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估算值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30％左右的裕量。

23 2. 存储器容量估算 用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下： 开关量输入所需存储器字数＝输入点数×10 开关量输出所需存储器字数＝输出点数×8 定时器/计数器所需存储器字数＝定时器/计数器数量×2 模拟量所需存储器字数＝模拟量通道数×100 通信接口所需存储器字数＝接口个数×300

24 存储器的总字数再加上一个备用量即为存储器容量。例如，作为一般应用下的经验公式是：
所需存储器容量(KB)＝(1～1.25)×(DI×10＋DO×8＋AI/O×100＋CP×300)/1024 其中：DI为数字量输入总点数；DO为数字量输出总点数；AI/AO为模拟量I/O通道总数；CP为通信接口总数。

25 根据上面的经验公式得到的存储器容量估算值只具有参考价值，但在明确对PLC要求容量时，还应依据其它因素对其进行修正。需要考虑的因素有：① 经验公式仅是对一般应用系统，而且主要是针对设备的直接控制功能而言的，特殊的应用或功能可能需要更大的存储器容量；② 不同型号的PLC对存储器的使用规模与管理方式的差异，会影响存储器的需求量；③ 程序编写水平对存储器的需求量有较大的影响。由于存储器容量估算时不确定因素较多，因此很难估算准确。工程实践中大多采用粗略估算，加大裕量，实际选型时就应参考此值采用就高不就低的原则。

26 I/O模块的选择 1．开关量输入模块的选择 PLC的输入模块用来检测来自现场(如按钮、行程开关、温控开关、压力开关等)电平信号，并将其转换为PLC内部的低电平信号。开关量输入模块按输入点数分，常用的有8点、12点、16点、32点等；按工作电压分，常用的有直流5 V、12 V、24 V，交流110 V、220 V等；按外部接线方式又可分为汇点输入、分隔输入等。

27 选择输入模块主要应考虑以下两点： (1) 根据现场输入信号(如按钮、行程开关)与PLC输入模块距离的远近来选择电压的高低。一般，24 V以下属低电平，其传输距离不宜太远。如12 V电压模块一般不超过10 m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。 (2) 高密度的输入模块，如32点输入模块，允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般，同时接通的点数不得超过总输入点数的60％。

28 2．开关量输出模块的选择 输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号转换为外部所需电平的输出信号，驱动外部负载。输出模块有三种输出方式：继电器输出、双向可控硅输出和晶体管输出。 1) 输出方式的选择 继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1 Hz。 晶闸管输出(交流)和晶体管输出(直流)都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高的反压，必须采取抑制措施。

29 2) 输出电流的选择 模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动，则应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，故要留有足够的裕量。

30 3) 允许同时接通的输出点数 在选用输出模块时，不但要看一个输出点的驱动能力，还要看整个输出模块的满负荷能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流。如OMRON公司的CQM1-OC222是16点输出模块，每个点允许通过电流2 A(AC250 V/DC24 V)。但整个模块允许通过的最大电流仅8 A。

31 3. 模拟量及特殊功能模块的选择 除了开关量信号以外，工业控制中还要对温度、压力、物位、流量等过程变量进行检测和控制。模拟量输入、模拟量输出以及温度控制模块就是用于将过程变量转换为PLC可以接收的数字信号以及将PLC内的数字信号转换成模拟信号输出。此外，还有一些特殊情况，如位置控制、脉冲计数以及联网，与其他外部设备连接等等都需要专用的接口模块，如传感器模块、I/O链接模块等。这些模块中有自己的CPU、存储器，能在PLC的管理和协调下独立地处理特殊任务，这样既完善了PLC的功能，又减轻了PLC的负担，提高了处理速度。有关特殊功能模块的应用参见PLC产品手册。

32 分配输入/输出点 一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。 在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线(如两个触点先串联或并联)，然后再接到输入点。 1. 明确I/O通道范围 不同型号的PLC，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号，查阅相应的技术手册，弄清相应的I/O点地址的分配，决不可“张冠李戴”。

33 2. 内部辅助继电器 内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定时器、计数器时作数据存储或数据处理用。从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。未分配模块的输入/输出继电器区以及未使用1∶1连接时的链接继电器区等均可作为内部辅助继电器使用。根据程序设计的需要，应合理安排PLC的内部辅助继电器，在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途，避免重复使用。

34 3．分配定时器/计数器 对用到定时器和计数器的控制系统，注意定时器和计数器的编号不能相同。若扫描时间较长，则要使用高速定时器以保证计时准确。 4．数据存储器 在数据存储、数据转换以及数据运算等场合，经常需要处理以通道为单位的数据，此时应用数据存储器是很方便的。数据存储器中的内容，即使在PLC断电、运行开始或停止时也能保持不变。数据存储器也应根据程序设计的需要来合理安排，以避免重复使用。

35 安全回路设计 安全回路起保护人身安全和设备安全的作用，它应能独立于PLC工作，并采用非半导体的机电元件以硬接线方式构成。 设计对人身安全至关重要的安全回路，在很多国家和国际组织发表的技术标准中均有明确的规定。例如，美国国家电气制造商协会(NEMA)的ICS3-304可编程序控制器标准中对确保操作人员人身安全的推荐意见为：应考虑使用独立于可编程序控制器的紧急停机功能。在操作人员易受机器影响的地方，例如在装卸机器工具时或者机器自动转动的地方，应考虑使用一个机电式过载器或其它独立于可编程序控制器的冗余工具，用于启动和中止转动。

36 确保系统安全的硬接线逻辑回路，在以下几种情况下将发挥安全保护作用：① PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时；② PLC失控时；③ 操作人员需要紧急干预时。
安全回路的典型设计，是将每个执行器均连接到一特别紧急停止(E-stop)区构成矩阵结构，该矩阵即为设计硬件安全电路的基础。设计安全回路的任务包括以下内容： (1) 确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系； (2) 设计硬回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段； (3) 确定其它与安全和完善运行有关的要求； (4) 为PLC定义故障形式和重新启动特性。

37 6.3 PLC应用系统的软件设计 6.3.1 PLC应用软件设计的内容

38 首先设计人员必须深入现场，了解并熟悉被控对象(机电设备或生产过程)的控制要求，明确PLC控制系统必须具备的功能，为应用软件的编制提出明确的要求和技术指标，并形成软件需求说明书。在此基础上进行总体设计，将整个软件根据功能的要求分成若干个相对独立的部分，分析它们之间在逻辑上、时间上的相互关系，使设计出的软件在总体上结构清晰、简洁，流程合理，保证后继的各个开发阶段及其软件设计规格说明书的完全性和一致性。然后在软件规格说明书的基础上，选择适当的编程语言进行程序设计。所以，一个实用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容：

39 (1) PLC软件功能的分析与设计； (2) I/O信号及数据结构分析与设计； (3) 程序结构分析与设计； (4) 软件设计规格说明书编制； (5) 用编程语言、PLC指令进行程序设计； (6) 软件测试； (7) 程序使用说明书编制。

40 PLC应用系统的软件设计步骤 根据可编程序控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上，用相应的编程语言指令，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是应用系统的软件设计。可编程序控制器应用系统的软件设计过程如图6.2所示。 1. 制定设备运行方案 制定方案就是根据生产工艺的要求，分析各输入、输出与各种操作之间的逻辑关系，确定需要检测的量和控制的方法，并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。据此便可画出流程图。

41 2. 画控制流程图 对于较复杂的应用系统，需要绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，可省去这一步。 3. 制定系统的抗干扰措施 根据现场工作环境、干扰源的性质等因素，综合制定系统的硬件和软件抗干扰措施，如硬件上的电源隔离、信号滤波，软件上的平均值滤波等。

42 4. 编写程序 根据被控对象的输入/输出信号及所选定的PLC型号分配PLC的硬件资源，为梯形图的各种继电器或接点进行编号，再按照软件规格说明书(技术要求、编制依据、测试)，用梯形图进行编程。

43 图6.2 PLC应用系统的软件设计过程

44 5. 软件测试 刚编写好的程序难免有缺陷或错误。为了及时发现和消除程序中的错误和缺陷，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时都能作出正确的响应，需要对程序进行离线测试。经调试、排错、修改及模拟运行后，才能正式投入运行。程序测试时重点应注意下列问题： (1) 程序能否按设计要求运行； (2) 各种必要的功能是否具备； (3) 发生意外事故时能否作出正确的响应； (4) 对现场干扰等环境因素适应能力如何。

45 经过测试、排错和修改后，程序基本正确，下一步就可到控制现场试运行，进一步查看系统整体效果，还有哪些地方需要进一步完善。经过一段时间试运行，证明系统性能稳定，工作可靠，已达到设计要求，就可把程序固化到EPROM或EEPROM芯片中，正式投入运行。

46 6. 编制程序使用说明书 当一项软件工程完成后，为了便于用户和现场调试人员的使用，应对所编制的程序进行说明，通常程序使用说明书应包括程序设计的依据、结构、功能、流程图，各项功能单元的分析，PLC的I/O信号，软件程序操作使用的步骤、注意事项，对程序中需要测试的必要环节可进行注释。实际上说明书就是一份软件综合说明的存档文件。

47 6.4 PLC应用系统设计实例 6.4.1 机械手控制系统设计 1. 工艺过程及控制要求 1) 工艺过程
机械手控制系统设计 1. 工艺过程及控制要求 1) 工艺过程 图6.3所示为一简易物料搬运机械手的工艺流程图。该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从左工作台搬运到右工作台，由光耦合器VLC来检测工作台上有没有工件。机械手通常位于原点，它的动作全部由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制，放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀(称为夹紧电磁阀)控制。

48 图6.3 搬运机械手工艺流程图

49 工艺过程为：光耦合器VLC检测到左工作台有工件，机械手开始由原点下降，下降到底时，碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件。为保证工件可靠夹紧，在该位置等待5 s。夹紧后，上升电磁阀通电开始上升，上升到顶碰到上限位开关，停止上升，改向右移动，碰到右限位开关后，停止右移，改为下降至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电，机械手将工件松开，放在右工作台上，为确保可靠松开，在该位置停留5 s，然后上升，碰到上限位开关后改为左移，到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，停止左移。至此，机械手搬运一个工件的全过程结束。

50 2) 控制要求 机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制(又称单周期控制)，以便对设备进行调整和检修。图6.4是机械手控制系统的逻辑流程图。机械手搬运工件的一个周期可分为以下八个部分。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位﹑左位。 (1) 机械手下降 当光耦合器VLC检测到工作台A上有工件，机械手开始下降。下降到低位时，碰到下限位开关，机械手停止下降。

51 (2) 夹紧工件 机械手在最低位开始夹紧工件，延时5 s抓住﹑抓紧。
(3) 机械手上升 机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。 (4) 机械手右移 机械手右移到位时，碰到右限位开关，停止右移。 (5) 机械手下降 当机械手下降到B时，碰到下限位开关，机械手停止下降。 (6) 放开工件 机械手在最低位开始放松工件，延时5 s。

52 (7) 机械手上升 机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。
(8) 机械手左移 机械手在高位开始左移，碰到左限位开关，停止左移。 机械手工作的一个周期完成，等待工件在工作台A上出现再转到第一步，开始下一个工作循环。

53 图6.4 机械手控制的程序流程图

54 1. 可编程序控制器选型 1) 硬件配置 从控制流程中可以看出，在控制方式选择上需要3个启动按钮，分别完成自动方式﹑单动方式和手动方式的启动，还需要1个停止按钮用来处理在任何情况下的停止运行。机械手运动的限位开关有4个：高位限位开关﹑低位限位开关﹑左位限位开关和右位限位开关。手动输入信号共由5个按钮组成：下降按钮﹑上升按钮﹑夹紧按钮﹑左移按钮和右移按钮。工作台A上有工件检测光耦合器VLC的输入信号，共有14个数字量输入信号。输出信号有机械手下降驱动信号﹑上升驱动信号﹑右移驱动信号﹑左移驱动信号和机械手夹紧驱动信号，共有5个数字量输出信号。

55 系统需要数字量输入14点，数字量输出5点，不需模拟量模块。选择S7-300系列的CPU313，加上数字量输入模块SM321及输出模块SM322就可以满足要求，而且还有一定的裕量。

56 2) I/O地址分配 将14个输入信号、5个输出信号按各自的功能类型分好，并与PLC的I/O端一一对应，编排好地址。列出外部I/O信号与PLC I/O端地址编号对照表，如表6.1所示。

57 表6.1 I/O地址分配

58 3) 其它地址分配 (1) 夹紧定时器T1，定时5 s； (2) 放松定时器T2，定时5 s； (3) 自动方式标志M0.0； (4) 单动方式标志M0.1； (5) 手动方式标志M0.2； (6) 结束标志M0.5。

59 3. 机械手程序设计 1) 逻辑功能块(子程序) 逻辑功能块包括两个部分：自动方式或单动方式控制(FC10)和手动方式控制(FC11)。 (1) 自动方式或单动方式控制(FC10)的具体程序(梯形图表示)如图6.5所示。 (2) 手动方式控制(FC11)的具体程序(梯形图表示)如图6.6所示。

60 图6.5 自动控制方式梯形图

61 图6.5 自动控制方式梯形图

62 图6.5 自动控制方式梯形图

63 图6.6 手动控制方式梯形图

64 图6.6 手动控制方式梯形图

65 2) 组织块(主程序) 组织块OB1用于设定机械手启动方式，主要负责功能块或子程序的调用，是自动运行还是单动运行，以及系统的循环扫描、故障诊断和输出刷新。其梯形图如图6.7所示。

66 图6.7 机械手控制梯形图

67 图6.7 机械手控制梯形图

68 图6.7 机械手控制梯形图

69 交通信号灯控制系统设计 1. 控制要求 在十字路口南北方向以及东西方向均设有红、黄、绿三只信号灯，六只信号灯依一定的时序循环往复工作。信号灯受电源总开关控制，接通电源，信号灯系统开始工作；关闭电源，所有的信号灯都熄灭。当程序运行出错，东西与南北方向的绿灯同时点亮时，程序自动关闭。在晚上车辆稀少时，要求交通灯处于下班状态，即两个方向的黄灯一直闪烁。

70 在信号灯工作期间，东西以及南北方向的红灯为长亮，时间为30 s，在红灯亮时的最后2 s，东西以及南北方向的黄灯同时闪烁，时间为2 s，东西以及南北方向的绿灯为长亮25 s，然后闪烁3 s。红绿灯示意图如图6.8所示，具体要求如表6.2所示，时序图如图6.9所示。

71 图6.8 交通灯示意图

72 表6.2 交通灯控制具体要求

73 图6.9 交通灯时序图

74 2. 控制系统的硬件设计 1) 硬件配置 表6.3 PLC配置说明

75 2) I/O地址分配 表6.4 开关量I/O信号一览表

76 3. 程序设计 本例因功能比较简单，采用线性化编程，OB1中程序(梯形图编程方式)如图6.10所示。 图6.10 梯形图(1)

77 图6.10 梯形图(1)

78 图6.10 梯形图(1)

79 图6.10 梯形图(2)

80 图6.10 梯形图(2)