PLC课程设计--基于S7-200PLC的倒计时的控制系统设计
学号2010210330
《电气控制与可编程控制技术》
课 程 设 计
（ 2010级本科）
题 目：基于S7-200PLC的倒计时的控制系统设计
系（部）院： 物理与机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 作者姓名： 指导教师： 职称：
完成日期： 2013 年 6 月 30 日
课程设计任务书
学生姓名 专业方向 题目名称 李俊杰 电气工程及其自动化 学号 班级 2010210330 电气10（1） 基于S7-200PLC倒计时的控制系统 一、设计内容及技术要求： 设计一个倒计时的PLC控制系统； 1.有启停按钮，按下启动按钮后。 2.开始10秒倒计时，由8组led发光二极管模拟的数码管开始显示：显示的次序是0、9、8、7、6、5、4、3、2、1,9秒后声光报警，再返回初始显示，并循环下去。 3.按下停止按钮，数码管停止。重新启动时，还从初始显示循环。 二、课程设计说明书撰写要求： 1. 完成系统组态或硬件配置； 2. 正确合理地进行编程元件的地址分配； 3. 画出输入/输出接线图及相关的图纸； 4. 设计梯形图控制程序，并模拟调试； 5. 完成设计说明书（包括封面、目录、设计任务书、设计思路、硬件设计、软件设计、总结体会、参考文献等）。 三、设计进度 周次 时间 日期 内容 备注 17周周一，二 6.17--6.18 6.18晚7:30 审题 理工实验楼501室 17周业余时间 6.17—7.03 设计 18周19周前三天 17周周五 6.21 下午3：00 辅导 理工实验楼501室 18周周五 6.29 下午3：00 辅导 理工实验楼501室 19周周一，二 7.01—7.02 全天 调试程序 PLC实验室、光机电一体化实验室 19周周三 7.03 全天 答辩 19周周五 7.05 全天 交稿 包括文字稿和电子稿 指导老师签字：张晓峰
目录
摘 要 ............................................................ 1 一、绪论 .......................................................... 3 二、PLC的组成与工作原理 ........................................... 4
2.1 概述 ................................................... 4 2.2 PLC的主要特点 .......................................... 5 2.3 PLC的功能与应用 ........................................ 5 2.4 PLC的性能指标 .......................................... 7 2.5 S7-200 PLC的概述 ....................................... 7
三、 总体设计 ..................................................... 4
3.1 课程设计内容 ........................................... 8 3.2 课程设计要求分析 ........................................ 9 3.3 倒计时控制系统设计 ...................................... 5
3.3.1总体设计思想 ................................... 5 3.3.2设计方案论证 ................................... 5
四、 PLC的硬件外部接线图 ......................................... 11 五、软件设计 ...................................................... 7
5.1 PLC的选择 .............................................. 7 5.2 I/O地址分配 ............................................ 7
六、PLC控制系统的程序设计 ......................................... 8
6.1程序流程图 .............................................. 8 6.2程序编译 ............................................... 10 6.3指令如下 ............................................... 13 6.4分析过程 ............................................... 13
七、设计总结 ..................................................... 14 八、参考文献 ..................................................... 15
摘 要
PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。为了增强人们对这种盛典节日的关注度和紧迫感，倒计时牌得以广泛的应用。虽然倒计时系统用途单一，使用周期短，一旦倒计时任务完成，系统也完成了历史任务。但是因为程序设计简易，可操作性强，因而倒计时系统以及硬件可以被反复使用。 本次10秒倒计时控制系统设计运用PLC知识进行编程实现10秒倒计时并声光报警然后循环执行。目的在于进一步巩固理论知识，培养所学理论知识在实际中的应用能力；掌握一般生产电气控制系统的设计方法；培养查阅图书资料、工具书的能力；培养工程绘图、书写技术报告的能力。由控制任务可以看出，每一段显示是有先后顺序的，当第一段显示完了以后第二段才能显示，中间时间延时1秒，依次往后进行。所以该程序具有很强的时序性，要用定时器来实现。本次课题使用西门子S7-200 PLC，应用PLC的逻辑运算、定时的功能，采用置位复位的方法，根据实际系统要求，对10秒
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倒计时系统进行梯形图程序的编制，并搭建相应的显示硬件电路和进行软件程序的调试，运用S7-200 编程软件STEP7仿真软件，通过不断的调试修改，终于达到了预定要求，实现了倒计时功能。
关键词：PLC
倒计时
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电气控制
一、绪论
在没有实现数字化的时候，我们通常是采用手写或者是机械性的数字来进行倒计时，当今，PLC的发明，给我们带来了飞跃性的发展，让我们可以更好的实现数字化的控制，并且可以进行大规模的推广与应用。
随着社会的发展，倒计时在各行各业应用的越来越广泛，工业、技术、机械、医疗、农业等等，PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把各种信息输入相应的程序，对于不同的要求，我们只要根据需要，修改一些程序，这样就可以实现我们想要的效果。
倒计时的广泛应用，大大提高了我们的效率，对于一些需要通过手动或者是机械性的操作具有明显效果。用可编程控制器实现倒计时的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，有效，通过分析倒计时在控制与管理带来的方便，结合实际情况阐述了倒计时控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的倒计时控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加
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上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
二、PLC的组成与工作原理
2.1 概述
可编程序控制器（Programmable Logic Controller,，简称PLC），它是以微处理器为核心的通用工业控制装置，是在继电器-接触器控制基础上发展起来的。随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的迅猛发展，当今的PLC已将3C（Computer、Control、Communication）技术，即微型计算机技术、控制技术及通信技术融为一体，在控制系统中又能起到“3电”控制作用，即电控、电仪、电信这三个不同作用的一种高可靠性控制器，是当代工业生产自动化的重要支柱。
一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种，但它们的组成是相同的。箱体式PLC中有CPU板、I\\O板、显示面板、内存块、电源等，所有的电路都装入一个模块内，构成一个整体。可以按CPU性能分成若干型号，并按I\\O点数又有若干规格。模块式PLC有CPU模块、I\\O模块、内存、电源模块、底板或机架，
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模块拼装起来后就成了一个整齐的长方体结构。无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I\\O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如图1所示。
图1 PLC的基本结构框图
2.2 PLC的主要特点
现代工业生产过程是多种多样的，它们对控制的要求也各不相同，为了能够在各种工业环境中使用PLC，所以生产厂家的PLC都有许多共同点。 1）编程方法简单易学 2）功能强、性能价格比高
3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 4）可靠性高，抗干扰能力强
5）系统的设计、安装、调试工作量少 6）维修工作量小，维修方便 7）体积小，能耗低
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2.3 PLC的功能与应用
可编程控制器在国内外广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力、轻纺、电子信息产业等各行各业。目前典型的PLC功能有下面几点。 顺序控制：这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械，切纸机、组合机床、磨床、装配生产线，包装生产线，电镀流水线及电梯控制等。
程控：在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液体、速度、电流和电压等，称为模拟量。可编程控制器有A/D和D/A转换模块，这样，可编程控制器可以作模拟控制用于程控。 数据处理：一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产过程中的资料进行处理。用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理、控制生产过程。较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进电动机，实现对各种机械的位置控制。
通信联网：某些控制系统需要多台PLC连接起来使用或者由一台计算机与多台PLC组成分布式控制
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系统。可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网要求。
此外，可编程控制器还可以连接显示终端和打印等外围设备，从而实现显示和打印。
2.4 PLC的性能指标
性能指标是用户评价和选购机型的依据。当用户在进行PLC的选型时，可以从以下几个方面考虑。 1）CPU技术指标 2）I/O模板技术指标 3）编程器及编程软件 4）通信功能
2.5 S7-200 PLC的概述
S7-200 PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，但其许多功能已经达到大、中型PLC的水平，而价格却与小型机一样，因此，它一经推广，即受到了广泛关注。特别是S7-200 CPU22X系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面（HIMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，还可以很容易地组成PLC网络，同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简
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单，几乎可以完成任何功能的控制任务。 S7-200 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的Micro PLC。
本次设计是实现较为简单倒计时控制，对所需硬件的要求并不高，为了尽量满足倒计时的精确性，故选用扫描时间短，即执行一条布尔指令时间较短的西门子小型PLC S7-200，根据端口的需要选择226型号的CPU。
对于设计的仿真调试也做了相应的简化，使用面包板和7段数码管组成一个仿真电路，结合程序的需要，选择8个共阴极的7段数码管分别作为时间状态位的显示。
三、 总体设计
3.1课程设计内容
设计课题：设计倒计时控制系统设计（带显示和闪光报警）；
设计任务及要求:掌握PLC工作原理、编程及调试方法及应用技术；根据控制要求，制定合理的设计方案；正确选用PLC，确定输入、输出设备；PLC的I\\O点分配，并绘制其连接图，及其外部硬件图；设计
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PLC控制程序；绘制有关图纸；编制设计说明书。
3.2 课程设计要求分析
有启停按钮，按下启动按钮后，开始10秒倒计
时，由7组led发光二极管模拟的数码管开始显示：显示的次序是0、9、8、7、6、5、4、3、2、1,9秒后声光报警，再返回初始显示，并循环下去。按下停止按钮，数码管停止。重新启动时，还从初始显示循环。
由控制任务可以看出，每一段显示是有先后顺序的，当第一段显示完了以后第二段才能显示，中间时间延时1秒，依次往后进行。所以该程序具有很强的时序性，要用定时器来实现。而后面的数字显示都是由这7段数码管中的某段组成的。所以只要在原有的程序上面进行修改就可以实现数字。以显示0为例，当需要显示0的时候，只要将G段的数码管断开就可以显示0了。其他也是同样道理。同时，在显示1时要声光报警，既要连接闪光电路还要连接报警电路。
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3.3 倒计时控制系统设计 3.3.1总体设计思想
分别用S7-200 PLC的输入端I0.0,I0.1分别控制系统的启动和停止。由于要显示的数字用七段数码管就可以完全表示，所以用PLC的输出Q0.0—Q0.6分别控制数码管的A.B.C.D.E.F.G，用定时器设置延迟时间，顺序显示。
3.3.2设计方案论证
本设计采用PLC控制方式，选用西门子S7--200PLC作控制器，继电器输出，时间显示用8组led发光二极管模拟的数码管完成本设计要求的各项指标，实现倒计时的控制。我们知道定时器主要用来控制各个数码管显示的时间。在每个数字显示的输入使能端串联一个带有不同预定值定时器开关，等到定时器的当前值等于该预定值时，该开关就会闭合，输出高电压，这样，也能满足实验要求。
倒计时是一个将“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为10秒，PLC控制数字电子钟采用数码管显示。
设计框图如下
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定时器 数码显示 PLC控制电声光报警电路 外部操作开关 图3 设计框图
四、PLC的硬件外部接线图
根据设计任务要求PLC主机的硬件接线图如下
图所示:
1MSB1SB21M1L+CPU22Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6ABCDEFGHLHAI0.0I0.1Q1.0Q1.1M24V DC4L+ML+DC24V DC
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图5 PLC硬件接线图
五、软件设计
5.1 PLC的选择
本倒计时显示器共有输入2点，输出8点，根据实际情况，选择西门子S7-200系列的CPU224 PLC作为控制器。
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5.2 I/O地址分配
输出信号
名称
启动按钮SB1 停止按钮SB2
I0.0 I0.1
输入点编号
A段 B段 C段 D段 E段 F段 G段 灯泡HL 蜂鸣器HA
图4 I/O地址分配表
名称
Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q1.0 Q1.1 输出信号
输出点编号
六、PLC控制系统的程序设计
6.1程序流程图
根据程序的设计思想，画出程序流程图，如下：
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初始化 SB1按下 调用数码显示程序 调用延时1秒程序 SB2按下 数码显示依次减1 数码显示=1？ 、 点亮指示灯，蜂鸣器报警 图6 程序流程图
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6.2程序编译
根据题目要求，使用梯形图编译程序
1）网络1用于设置启动，停止按钮，按下启动按钮，开始倒计时，在按下停止按钮时，会瞬间断开进程，回到初始状态。同时设置定时器，用于循环倒计时。
2）网络2为数码输出0程序，并且延迟一秒，一秒后进入下一个网络
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3）网络3到网络10程序从9到2的倒计时程序。每隔一秒数码显示输出一个数字，分别为9，8，7，6，5，4，3，2，且每个数码显示数
字
显
示
一
秒
。
4）网络11程序为最后数码输出1的程序，在输出1的同时，灯泡点亮并且蜂鸣器报警，完成最后一秒闪光报警的要求。
5）网络12程序是为了循环执行，在执行完最后一个数字并闪光报警后，又重新回到初始值，继续循环执行10秒倒计时。
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6.3指令如下
Network 1 Network 5 Network 8 LD I0.0 LDW= T37,40
LDW= T37,70 AN M0.0 AN I0.1 AN I0.1 S Q0.0,3
S Q0.1,2
TON T37,110 R Q0.0,1 Network 2 R Q0.3,2 LDW= T37,10 S Q0.5,2 AN I0.1 Network 9 S Q0.0,6 LDW= T37,80 R Q0.6,1 AN I0.1
AN I0.1
R Q0.3,4 Network 6
LDW= T37,50
AN I0.1
S Q0.0,1
R Q0.1,1
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Network 3 S Q0.2,5 S Q0.0,4
R Q0.4,2 LDW= T37,20 Network 7
AN I0.1 LDW= T37,60
S Q0.6,1 S Q0.0,4 Network 10 R Q0.4,1 LDW= T37,90 S Q0.5,2 AN I0.1 Network 4 S Q0.0,2 LDW= T37,30 R Q0.2,1 AN I0.1 S Q0.5,2
S Q0.3,2 S
R Q0.5,1
S Q0.6,1
AN S R S Q0.2,2
R
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I0.1
Q0.0,1
Q0.1,1
Q0.4,1
Q0.0,7
Network11 Network12 LDW= T37,100 LDW= T37,110 AN I0.1 AN I0.1 S Q0.1,2 = M0.0 R Q0.0,1 R Q0.3,4 = Q1.0 = Q1.1
6.4分析过程
1）网络1用于设置启动，停止按钮，按下启动按钮，开始倒计时，在按下停止按钮时，会瞬间断开进程，回到初始状态。同时设置定时器，用于循环倒计时。
2）网络2为数码输出0程序，并且延迟一秒，一秒后进入下一个网络
3）网络3到网络10程序从9到2的倒计时程序。每隔一秒数码显示输出一个数字，分别为9，8，7，6，5，4，3，2，且每个数码显示数字显示一秒。
4）网络11程序为最后数码输出1的程序，在输出1的同时，灯泡点亮并且蜂鸣器报警，完
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成最后一秒闪光报警的要求。
6）网络12程序是为了循环执行，在执行完最后一个数字并闪光报警后，又重新回到初始值，继续循环执行10秒倒计时。
七、设计总结
历时将近两个星期的课程设计结束时，回首这课设一路的坎坷和困难重重，不禁感慨万千。原以为此次的课题比较简单，但是在慢慢接触之后，从硬件原理图，到软件程序的编写，再到最后的程序调试，都使我深刻地体会到这个貌似简单的问题背后的不简单。
通过这次课程设计实践，我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法有了更深刻的理解，在对理论的应用中，提高了我们的工程素质，在没有做课程设计以前，我们对知道的掌握都是思想上的，对一些细节不加重视，但当我们把自己想出来的程序运用到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能够解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC的理解得到加强，看到了时间与理论的差距。
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在设计的过程中我得到了张老师的帮助与意见，在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教是一个很好的方法，感谢老师的耐心指导，在老师的指导下，我不断的完善自己程序，最终完成设计的要求。
八、 参考文献
[1] 张晓锋.电气控制与可编程控制技术及应用.北京：机械工业出版社，2010.
[2] 黄永红.电气控制与PLC应用技术.北京：机械工业出版社，2011.
[3] 史国生主编.电气控制与可编程控制技术.北京：化学工业出版社，2004.
[4] 张万忠.可编程控制器入门与应用实例（西门子S7-200系列).北京：清华大学出版社，
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2007.
[5] 王永华.现代编程及可编程控制技术.北京：北京航空航天大学出版社，2002.
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电气控制与PLC技术课程设计成绩评定表
姓 名 专业班级 李俊杰 学 号 2010210330 电气工程及其自动化 课程设计题目： 基于S7-200 PLC倒计时的控制系统 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 评 定 项 目 评 分 成 绩 1.选题合理、目的明确（10分） 2.设计方案可行性、创新性（20分） 3.设计结果（系统原理图、源程序、 调试运行结果）（30分） 4.平时成绩（态度认真、遵守纪律） （10分） 5.设计报告的规范性、参考文献充 分（不少于5篇）（10分） 6.答辩（20分） 总 分
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最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
年 月
日
指导教师签字：
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