课 程 设 计
指 导 书
东华大学信息学院自动化、电气电子系
2016.8
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可编程控制系统设计与实践
课程设计
一、PLC课程设计目的
（1） 通过对实际的 PLC控制系统的编程训练，提高分析问题、解决问题的能力； （2） 熟悉工业生产中 PLC的应用和系统构成，了解 PLC控制的电路的设计方法。 （3） 通过本次课程设计增进实际动手能力的培养。
（4） 用 PLC 实现物料分拣、液体混合、码垛堆积、自动挑选放置及自动仓库等模型的
三维虚拟模拟控制系统的程序设计，掌握编程的一般方法和技巧。
二、PLC课程设计要求
（1）理解实际系统的运动过程，分解动作过程使之容易编程。 （2）列写 PLC控制系统的 I/O配置。
（3）画出硬件电路图，实现 PLC与控制装置的连线。 （4）编写梯形图程序，完成系统的调试。 （5）完成课程设计报告。
三、考核方法
（1）平时成绩 （2） 报告成绩 （3） 实考成绩
四、报告内容
（1） 课程设计的目的和要求 （2） 所设计系统的技术要求及示意图 （3） PLC控制系统原理图 （4） I/O配置表 （5） 程序清单（梯形图） （6） 总结体会 30% 30% 40%
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PLC课程设计基础实验
实 验 一
TIA Portal 的使用和基本程序编程及调试
一、实验目的
1、掌握 TIA Portal 的基本使用技巧和方法
2、熟悉 TIA Portal 的基本命令
3、学会和掌握 TIA Portal 程序的调试方法
二、实验设备
PC机一台，装有 TIA Portal编程软件；西门子 PLC S7-300一台； 各 PC机与 S7-300通过网络电缆连接进行通信。 详见附录A。
三、实验内容
熟悉并练习TIA Portal的使用，用选定的编程语言编制、调试控制程序。TIA Portal 是西门子公司为其自动化控制设备 PLC 开发的一种可使用多种编程语言的 PLC开发环境，如附录 B所示。 1．PLC硬件配置：
根据所给实验装置，使用 TIA Portal对系统硬件进行配置。 配置方法见本指导书附录 B。 2．实验程序：
试用课堂上的梯形图（LAD）实例，观察程序运行结果，从中理解 LAD的编 程方法。
四.思考题
1．在 TIA Portal中为什么要对 PLC系统硬件进行配置？ 2．为什么要为用户编制的控制程序命名？ 3．为用户程序选择循环周期的原则是什么？
4． TIA Portal为用户提供多种编程语言有什么好处？
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实 验 二
基础实验：系统输入输出控制
一、实验目的
1．熟悉和掌握梯形图（LAD）的基本使用技巧和方法 2．熟悉和掌握 TIA Portal的基本使用技巧和方法 3．学会和掌握 TIA Portal程序的调试方法
二、实验设备
PC机一台，装有 TIA Portal编程软件；西门子 PLC S7-300一台； 各 PC机与 S7-300通过网络电缆连接进行通信。 详见附录 A。
三、实验内容
熟悉并练习梯形图（LAD）和 TIA Portal 的基本使用技巧和方法。TIA Portal 是西门子公司为其自动化控制设备 PLC开发的一种编程语言，如附录 B所示。 1．PLC硬件配置：
根据所给实验装置，使用 TIA Portal对系统硬件进行配置。 配置方法见本指导书附录 B。
2．实验程序 1：
使用 LAD 编程语言，编制一段小控制程序，实现以下功能：利用实验装置 上的第一个模拟量旋钮（电位器），来控制模拟量输出，当旋转该电位器时，第 一个模拟量输出随之变化，旋钮逆时针旋到底时（模拟量输入为最小值 0），要 求模拟量输出为 0（光柱无显示），当旋钮顺时针旋到底时（模拟量输入为最大 值 32767），要求模拟量输出为最大值（光柱全显示）；同时，第二个模拟量输出 的状态正好与第一个模拟量输出相反。
3．实验程序 2：
使用 LAD编程语言，编制一段小控制程序，实现以下功能：利用实验装置上 的两个开关，来控制模拟量输出，当接通（合上）其中一个开关（另一个应处 于断开状态）时，第一个模拟量输出从 0 开始随时间逐渐增大，达到其最大值 后，再从 0 开始…，周而复始；当接通（合上）另一个开关时，第一个模拟量 输出从 0 开始随时间逐渐增大，达到其最大值后，再从 0 开始…，同时，第二
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0后，再从其最大值开始…， 周而复始。
四、思考题
1．在 少？ LAD中模拟量输入的最大值和最小值是多2．在
LAD中如何实现模拟量的赋值？
3．实验中，模拟量输出指示（LED光条）旁的指示灯正常时应为绿色，但为什么
有时会出现红色？如何才能使该指示灯始终保持绿色？ 4． LAD语言中的数据类型之间如何进行相互转换？
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课 程 设 计 内 容
一、机械手自动装配系统
（一）系统示意图
这一机械手自动装配系统模拟了一个工件的自动装配控制系统，目的是用两种不同工件 组装成一个套件。该系统由一个机械手（加工臂）、一个工件推杆、一个装配转盘和一个输 出传送带等组成，如上图所示。
其工作过程如下：一开始，机械手后退到其后限位，再前进至其工作位（0位），同时 转盘转动到装配位置后停止；然后在转盘的 2点位置放入组件，若转盘的
0点位置上的传感
器未检测到有组件，则转盘一直转动，直至 0点位置检测到有组件；然后工件检测传感器检 测到有工件时，气缸动作通过推杆将工件推到工作台上；接着机械手下降；机械手到位后， 其上的吸盘将工件吸住；机械手吸住工件后再上升到移动位置；机械手前进至装配转盘 0 点处的组件第一个孔（1位）上方；机械手下降，吸盘释放，将工件放入组件的第一个孔里； 机械手再上升，并后退到其工作位，此时工作台上工件传感器检测到有工件时，推杆气缸动 作将工件推到工作台上；接着机械手下降；机械手到位后，其上的吸盘将工件吸住；机械手 吸住工件后再上升到移动位置；机械手前进至装配转盘 0点处的组件第一个孔（2位）上方； 机械手下降，吸盘释放，将工件放入组件的第二孔位；机械手再上升，并后退到其工作位„„。 装配转盘 0点处的组件上两个孔位都装上工件后，启动装配转盘，使已完成装配的组件转动 到输出传送带上方并自行落在输出传送带，由输出传送带送至下一工位„„。如此，周而复 始自动运行。
（二）控制要求：
1.上电运行时，系统处于停止状态。
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2.紧停按钮：任何时候按下后，立即停止（或关闭）所有动作部件，释放后才可继续运行。 3.启动按钮可实现启动控制：系统开始运行。
4.停止按钮可实现停止控制：按下后，系统停止运行（正在装配中的组件应装配完成并送 至输出传送带上后才停止）。
5.切换开关可实现手动/自动控制的切换：初始状态为手动状态。
6.手动运行状态：按下各输出按钮（Y0～Y6）可分别控制图中系统各部分的动作，按一下 动作，再按一下停止。（在无虚拟场景配合的情况下，此时可用 X0～X6作为相应输出的 命令按钮。）
7.自动运行状态：此时系统作连续工作，其具体动作过程控制如下：当
检测无
物体时系统不工作，当
1、2点检测有物体而 0点检测
有物体时，转盘停转→推杆动作（得电），延时 2秒时间后失电→加工臂前进到 吸
盘下压（保持）延时 1秒时间后→吸盘吸合（保持）延时 延时
1秒时间后→吸盘释放延时
1秒时间后→吸盘上升
0位→
0、
1、2点
0点检测无物体时，转盘旋转。当
秒时间后→加工臂前进到 1位→吸盘下压（保持）延时 1秒
时间后→吸盘上升延时 1秒时间后→加工臂后退到 秒时间后失
0位→推杆动作，延时
2注：1.为提高生产效率，自动运行时，机械手和装配转盘应同时工作并配合控
延时 1秒时间后→加工臂前进到 电→吸盘下压（保持）延时 1秒时间后→吸盘吸合（保持）延时
1秒时间后→吸盘上升
制！
2位→吸盘下压（保持）延时
1秒时间后→2.装配转盘的 2点处有一个组件箱，当组件箱中没有组件时，系统应发出 吸盘释放延
时 缺料报警；工作台上工件传感器若长时间未检测到有工件，则表明缺工1秒时间后→吸盘上升延时
1秒时间后→加工臂后退到限位→转盘旋转→当 A点检测 件，系统也应发出缺料报警。
到物体（转盘旋转判断）启动传送带 A，延时 5秒后传送带
A自停。 3.机械手前进和后退是由同一电机正反转实现，故这两个动作必须互锁！
（三）I/O配置
输入：
X0 X1 X2 X3 启动/停止按钮 转盘 0位有物检测
转盘 1位有物检测
转盘 2位有物检测
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X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 加工臂后退到限位检测 加工臂前进 0位检测 加工臂前进 1位检测 加工臂前进 2位检测 传送带 A有物体检测
手动/自动控制选择开关 启动按钮 停止按钮 复位按钮 紧停按钮
输出：
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 转盘旋转 加工臂前进 加工臂后退 推杆动作 吸盘下压 吸盘吸合 传送带 A运行
自动按钮指示灯 复位按钮指示灯
（四）设计要求
理解动作过程，列写 I/O配置表，画出硬件电路图，编写梯形图程序，进 行系统调试。
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二、机械手搬运系统
（一）系统示意图
该机械手搬运控制系统由一个四轴机械臂、一个抓手和两条输出传送带组成，如上图所 示。
该系统工作过程如下（参照下图）：在输入传送带 1的
A点检测到来自上一工位的物料
后，机械手将该物料抓起，机械手通过转盘旋转一定角度，到达输出传送带 2的上方，机械 手的抓手旋转 900并下降后将该物料放置在输出传送带 2送向
后续工位„„，这样周而复始。
2上（B点），由输出传送带
（二）控制要求
1.上电运行时，系统处于停止状态。
2.紧停按钮：任何时候按下后，立即停止（或关闭）所有动作部件，释放后才可继续运行。
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3.启动按钮可实现启动控制：系统开始运行。
4.停止按钮可实现停止控制：按下后，系统在将当前物料放在输出传送带 行。
2上后停止运5.切换开关可实现手动/自动控制的切换：初始状态为手动状态。
6.手动运行状态：按下各输出按钮（Y0～Y7）可分别控制图中系统各部分的动作，按一下 动作，再按一下停止。（在无虚拟场景配合的情况下，此时可用 X0～X7作为相应输出的 命令按钮。）
7.自动运行状态：此时系统作连续工作，其具体工作过程控制如下：系统启动且机械手在 初始位置时进入自动运行状态，当 A点检测到有物料时，机械手的工作过程为：机械手 前进到位→机械手下降到位→机械手夹紧延时 2秒时间后→机械手上升到位→机械手顺 转到位→机械手后退到位→转盘顺转（计数 10个脉冲后）到位→机械手前进到位→机械 手下降到位→机械手放松延时 2秒时间后→机械手上升到位→机械手后退到位（同时启 动传送带 2延时
2秒后自停）→机械手逆转到位（转盘逆转到 制过程结束。
这样周而复始，连续运行„„ 下降、转盘顺转/逆转是由相应电机正反转实现， 注：机械手前进/后退、上升/
0位），一个控故相应电机的这两个动作必须互锁！
（三）I/O配置
输入：
X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 手动/自动控制选择开关 启动按钮 停止按钮 复位按钮 紧停按钮
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10页，共 A点物料检测 转盘 0位检测
转盘顺转脉冲输入 机械手前进到位检测 机械手后退到位检测 机械手上升到位检测 机械手下降到位检测 机械手抓手顺转到位检测 机械手抓手逆转到位检测
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 转盘顺转输出控制 转盘逆转输出控制 机械手前进输出控制 机械手后退输出控制 机械手上升输出控制 机械手下降输出控制 机械手顺转输出控制 机械手逆转输出控制 机械手夹紧控制
Y9 传送带 2运行输出控制
Y10系统运行指示
（四）设计要求
理解动作过程，列写 I/O配置表，画出硬件电路图，编写梯形图程序， 进行系统调试。
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附录 A实验设备简介
东华大学信息学院“西门子公司与东华大学工业自动化联合实验室”（在建）
中西门子公司的 S7-300 PLC共有 35套，分为两组，每组各自用 ProfiNet现 场总线相互连接（模拟工业控制网络中的现场控制级）；每台 PLC与工控操作站 之间用工业 Ethernet相互连接（模拟工业控制网络中的企业生产管理级），整 个系统安置在一个实验室中，实验系统的网络结构图如图 A-2所示。
每台 S7-300 PLC旁都配有 1台 PC机作为该
PLC的编程及监控设备（内
装各种所需软件）。每台 S7-300 PLC下方还都配置相应的实验装置：16个扭子 开关（用于数字量的输入）、2个电位器（用于模拟量的输入）和 柱
（用于模拟量的输出显示）。每台 indows7S7-300 PLC上均配置了
CPU模块、数在每台 PC机中已装有 W操作系统，以及实验所需的西门子
字、PLC 的编程软件 TIA Portal（V13），用于对 PLC系统的配置编程及人机界面的组态 模拟量输入输出模块，见图 A-1。
设计监控，各台 PC机分别与各自对应的 PLC之间通过工业 Ethernet接口相连 接。
2个
LED光图 A-1单套
S7-300 PLC实验系统结构图
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A-2工业自动化实验室系统网络结构图
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附录B 西门子TIA Portal环境及其操作
一、TIA Portal简介
TIA Portal是德国西门子公司推出的，基于
Windows平台上的，支持用户开发西 门子 PLC（可编程计算机控制器）应用程序的软件包。TIA Portal集系统配置、程序编 制/编译、调试/诊断、监控画面配置为一体，使用户开发、输入、调试和修改应用控制 程序都极为方便。TIA Portal提供的 令表
IL 和高级编程语言：结构文本 SCL，顺序功能图 FBC等，用户可选择一种语言编程，必要 时，也可混合使用几种语言来进行编程。
PLC编程语言非常丰富，有梯形图
LAD，指
二、TIA Portal集成开发环境
TIA Portal的操作界面包含标题栏、菜单条、工具栏、硬件配置窗体、软件配置窗 体、信息窗口和状态行等，如下图所示。
图 B-1 TIA Portal桌面
图中窗体分为三个部分。
左半部分是工程项目中用到的所有硬件的总览，是关于硬件的配置。当选定左边窗 口中的一个模块时，右边窗口中就会出现相应的硬件模块信息与参数配置。
界面的下方是输出显示窗口及状态栏。在运行程序后，该窗口可以给出关于程序的 一些输出、调试、查找信息。状态栏给出的是帮助、串口、在线/离线及控制器的类型、操作系统版本的相关信息。
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STEP 7 工程项目的建立及系统配置
通过点击计算机桌面上的 TIA Portal 图标或从“开始”菜单栏中选择“TIA Portal V13”可以直接进入 TIA Portal环境。
第一次使用时将出现如下的画面：
图B-2 第一次进入画面
点击 “创建新项目”，进入新建项目的画面：
图B-3 新建项目
在此用户可为项目命名，按“创建”后，将进入下一步的选择窗口：
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B-4 组态设备等选择
西门子的 TIA环境允许用户在同一项目中配置使用多种自动化设备，用户必须首先 在此选择自己所使用的设备。首先，应组态 PLC系统，所以先点击“组态设备”，如下：
图B-5 组态或显示已组态的设备
再点击“添加新设备”：
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B-6 添加新设备1 点击“控制器”，并根据自己的 PLC硬件型号选择对应的型号设备配置型号信息：
图B-7 添加新设备2 然后按下“添加”，等待片刻，TIA集成环境将进入如下画面：
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B-8 TIA 主界面
用鼠标点中左边窗口中的“程序块”，即可添加用户控制程序，如下画面：
图B-9 添加用户程序
点中“Main【OB1】”，并按鼠标右键，可选择所用的编程语言，再双击“Main【OB1】” 后即进入相应的编程环境。
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B-10 TIA Portal 的 LAD编程环境
图B-11 TIA Portal 的 LAD在线监视
四、STEP7 SCL 编程语言的基本命令
1．基本概念
TIA Portal SCL是一种以文本为基础的高级编程语言，语言的结构符合 IEC1131-3的标准。TIA Portal SCL的命令系列不仅使自动化任务简单化，也使程 序易于阅读，这样 PLC的编程效率在许多情况下远远高于 LAD（梯形图）和 IL
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（语句表）的编程语言。
① 数据类型
在 TIA Portal SCL中编程语言所支持的标准数据类型有：
表 B-1 存储数值
类型名称 BOOL DINT INT REAL 位
1 32 16 32 宽
0 ～ 1
- 2147483648 ～ 2147483647，减法 ④ * ，乘法 ⑤ / ，除法 ⑥ mod ， 取模 ⑵ 比较命令
① = ，等于 ② ，不等于 ③ > , 大于 ④ >=, 大于等于 ⑤
① NOT , 非 ② AND , 与 ③ OR , 或 ④ XOR , 异或 ⑷ “IF THEN”命令
① 简单的 if语句（if 与then 必须在同一行中）
if 条件描述
then
条件满足时执行的操作; end_if; ② if else 语句
if 条件描述
then
条件满足时执行的操作; else
条件不满足时执行的操作; end_if; ⑸ “case”命令：这是多分支选择语句。
case 表达式 of n0...n1:
条件满足时执行的操作A; n2...n3:
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条件满足时执行的操作B; else:
以上条件均不满足时执行的操作C; end_case; ⑹ “FOR”循环命令
for 变量 := 表达式 1 to 表达式 2 (by 增量) do 操作语句; end_for；
语句 by可以省略，如果没有指定增量，则自动指定为 1。 ⑺ “while do”命令
while 表达式 do 操作语句； end_while; ⑻ “goto”命令：（无条件跳转命令）
goto
标识符；
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