PLC实验与调试装置的研究设计

摘要:介绍了西门子S7-200 PLC实验与调试装置的电气控制部分开发和设计。该装置采用S7-200 PLC和西门子触摸屏TP177A控制,能实现S7-200 PLC模拟实验和程序在线调试功能,可较为显著地缩短PLC程序开发周期和提高程序调试效率。

关键词:PLC实验装置PLC调试装置S7-200WinCC Flexible 2007

中图分类号:TM3文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010) 08-091-02

目前的S7-200 PLC设备存在以下缺点:I/O端口驱动能力较差,功能和用途较为单一,程序仿真和在线调试功能较差等。选用西门子S7-200作为主控单元,通过一个实验与调试装置可以实现S7-200 PLC的实验和调试功能;扩展PLC的I/O端口并提高其驱动能力;在触摸屏TP177A上可显示操作提示、实时监控工作状态以及实现对I/O端口的旁通功能。

1功能与控制要求

1.1功能要求

该装置具有多用途和多功能,不仅可实现对PLC输入输出功能扩展、也可作为教学实验和调试程序用。可让开发者在短时间内掌握PLC各模块和触摸屏,可较为显著地缩短PLC程序开发周期和提高程序调试效率。

1.2电气控制要求

将该装置中的相关端口按键切换到内部模式:此时该装置可以提供给学习者做模块CPU 224、CP243-2、EM277、EM223CN、EM231 CN、混合式两相四拍步进电机、简易编码盘和TP177A实验;另外在工程中不用在现场调试相关程序,在实验室中调试相关S7-200 PLC程序。将该装置中的相关端口按键切换到外部模式:该装置实验和调试功能被屏蔽,各模块端口与外部电路连接,为了克服PLC输出端口驱动能力较差,PLC输出端口连接到直流24V、3A电磁继电器。

2系统硬件设计

2.1系统结构

本系统核心控制器为CPU 224,扩展模块有数字量I/O模块EM223CN,模拟量模块为EM231CN,PROFIBUS-DP 从站模块EM277,通讯处理器CP243-2。采用CPU 224模块中的高速脉冲输出端口来控制混合式两相四拍步进电机,步进电机驱动器的型号为3ND583,采用简易编码盘来检测步进电机转角。触摸屏TP177A上可实时监测所有工作状态以及可设置人为电路旁通功能。控制电路系统上配有四块自制电路板,分别为端口外部输入电路板、端口外部输出电路板、端口功能扩展电路板和按键功能切换电路板。 图1为装置控制模块示意图。

图1控制模块结构图

2.2 主控制模块与节点控制器介绍

单纯的PLC控制在工业现场中无法实现最佳的控制,如实时设备状态监控、旁通设置功能、工作进度提示以及设置各种设备运行参数等,触摸屏可以较好地解决,并有很好的人机交互效果。图2为主控模块模块结构示意图。控制电源均采用24V直流开关电源,步进电机和其控制器的电源要求单独提供,防止步进电机在运行时对PLC模块的电压产生较大影响。接下对主要几个模块进行简单介绍。

图2电气控制模块结构图

(1)在主控模块中CPU224与TP177A通信连接线缆采用RS485总线,两者的地址和波特率设置相一致即可相互正常通信。CPU224和TP177A的RS485接口也用于下载程序,PLC的数据线是专用的PPI/USB线缆,既可用于PLC也可用于触摸屏。

(2)模拟量模块EM231CN为4模拟量输入,其中两路为电压输入,另两路为电流输入。由于测得的扭矩有正反两个方向,电压范围±10V,而EM231CN的电压量程为0~10V,因而需要专门配置一个电压转换模块,将±10V转换成0~10V电压量。

(3)模块EM277 是PROFIBUS-DP 从站模块,PROFIBUS-DP公开的标准协议,可将S7-200 CN CPU连接到PROFIBUS-DP网络。模块CP243-2用于S7-200(CPU 22X)与带总线连接器的AS-i接口的连接,支持扩展AS-i特性的所有特殊功能。

(4)应用对射式光耦和带圆孔的码盘组成简易编码盘,码盘随步进电机主轴一起转动,码盘上的圆孔依次通过对射式光耦中间的狭缝,为了PLC能准确的识别光耦输出的信号,在其输出端连接一个具有施密特触发特性的器件74LS14,用此可以检测步进电机的转速和转角。图3为简易编码盘电路示图。

图3简易编码盘电路示图

(5)端口外部输入电路板是用于连接到外部输入信号,将外部输入信号送往PLC输入端口中。端口外部输出电路板是用于连接到外部输出信号,将外部输出信号送往PLC输入端口中。端口功能扩展电路板是连接到PLC输出端口,电路中的三极管在工作时处于饱和状态,起到一个电子开关作用,采用HRS1电磁继电器,触电电流为3A。按键功能切换电路板主要功能是切换端口的工作模式,电路中包含有简易编码盘电路和输出端口检测电路。图4为一路输出端口功能扩展电路图。

图4一路输出端口功能扩展电路图

3系统软件设计

系统软件设计包括两部分,一部分是S7-200 PLC编程,所用到的编程软件为V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6,另一部分是触摸屏的组态设计,所用到的编程软件为SIMATIC WinCC flexible 2007。由于这是一款具有多功能的S7-200 PLC实验与调试装置,S7-200 PLC的大部分功能都能在此装置上实现,下面对按键切换到内部模式时的实验程序进行说明。

3.1电压模拟量和电流模拟量测试程序

在编写模拟量程序时要对模拟量模块EM231CN采集到的数据进行处理,将测得的模拟量最大值在触摸屏上显示并能永久保存,该设置具有操作权限。

3.2步进电机程序

PLC接收简易编码盘输出的为+5V的方波信号,方波周期与电机的转速有关。步进电机的转速、转角和方向在触摸屏TP177A上设置,通过相应程序来控制步进电机转向和转速。

3.3旁通设置和状态监控程序

旁通是指在设备的某个传感器出现故障时在触摸屏上设置相应参数数值,使得有故障的输入和输出点对整个程序正常运转没有影响。设置旁通功能可以大大提高设备的运行率,对连续正常运行起到重要作用。在处理好有故障的输入和输出点后恢复旁通默认设置,装置即可恢复到正常状态。在触摸屏上的IO端口界面中可以方便地查找到设备运行状态,给快速查找故障提供依据。

4结束语

该PLC实验与调试装置已经在教学和工程设计中得到应用。初学者在短时间内可以较全面的掌握PLC电路设计和编程以及触摸屏组态。设备自运行以来稳定可靠,功能丰富,操作简易方便,达到了预期目的。

参考文献:

[1]廖常初.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]宋伯生.PLC编程理论算法及技巧[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]李增国.传感器与检测技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,20.