基于PLC的轧钢机控制系统设计

题 目：基于PLC的轧钢机控制系统设计

专题题目（若无专题则不填）：PLC软件设计

原始依据(包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等)：

工作基础：

目前，我国基于PLC轧钢机系统已经不同程度得到了推广应用。

PLC轧钢机控制技术的发展主要经历了三个阶段：继电器控制阶段，微

机控制阶段，现场总线控制阶段。现阶段轧钢机控制系统设计使用可编程控

制器(PLC)，其功能特点是变化灵活，编程简单，故障少，噪音低，维修保养

方便，节能省工，抗干扰能力强。除此之外PLC还有其他强大功能，它可以

进行逻辑控制、运动控制、通信等操作；并具有稳定性高、可移植性强等优

点，因此受到广大电气工程控制技术人员的青睐。

研究条件及应用环境:

本课题是基于PLC的控制系统的研究课题。工业自动化是国家经济发展

的基础，用于实现自动化控制设备主要集中为单片机和PLC。单片机由于控

制能力有限、编程复杂等缺点，现在正逐步退出控制舞台。PLC则因为其功

能强大、编程简单等优点，得到迅速发展及运用。PLC的功能强大，可以进

行逻辑控制、运动控制、通信等操作；并具有稳定性高、可移植性强等优点，

因此，PLC是工业控制领域中不可或缺的一部分。

工作目的：

轧钢机如控制和使用得当，不仅能提高效率，节约成本，还可大大延长

使用寿命。对轧钢机控制系统的性能和要求进行分析研究设计了一套低成本

高性能的控制方案，可最大限度发挥轧钢机加工潜力，提高可靠性，降低运

行成本，对提高机械设备的自动化程度，缩短与国际同类产品的差距，都有

着重要的意义。

主要内容和要求：（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据

课题性质对学生提出具体要求）：

1) 当整个机器系统的电源打开时，电机M1和M2旋转，以待传送工件。

2) 工件通过轨道从右边输送进入轧制系统。

3) 感应器S1感应到有工件输送来时，输出高电位，驱动上轧辊按预定

下压一定的距离，实现轧制厚度的调节，同时电机M3开始逆时针旋

转，并带动复位挡板也逆时针转动，感应器S1复位。

4) 随着轧制的进行，工件不断地向左移动。当感应器S2感应到有工件

移动过来时，说明工件的要求轧制长度已经完成，此时感应器S2输

出高电位，驱动控制电机M3的电磁阀作用，使电机M3顺时针转动。

5) 在电机M3顺时针转动下，挡板顺时针转动，推动工进向右移动。当

工件移动到感应器S1感应到时，S1有输出高电位，使电机M3逆时

针转动，同时驱动上轧辊调节好第二个下压量，进入第二次压制的过

程。

6) 再次重复上述的工作，直到上轧辊完成3次下压量的作用，工件才加

工完毕。

7) 系统延时等待加工完毕的工件退出轨道，此时即可进入下一个工件的

加工过程。

日程安排：

11年3月21日至3月25日 老师给出课题及课题要求

11年3月26日至3月31日 查找相关文献资料，撰写开题报告

11年4月 1 日至4月 5 日 总体方案设计

11年4月 6 日至4月10日 熟悉PLC编程软件

11年4月11日至4月15日 系统主程序程序设计与调试

11年4月16日至4月20日 温度监控系统程序设计与调试

11年4月21日至4月25日 压力监控系统程序设计与调试

11年4月26日至5月 5 日 熟悉组态软件及变频器的调速

11年4月26日至5月 5 日 熟悉PROFIBUS-DP通信

11年5月 6 日至5月10日 开始构思论文框架并撰写论文初稿

11年5月11日至5月20日 修改并完善论文后交给老师审定

11年5月21日至6月 3 日 进一步修改完善，准备答辩

主要参考文献和书目：

[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社.2007

[2]陈章平.PLC控制系统设计与应用[M].北京：清华大学出版社.2009

[3]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术 [M].北京：机械工业出版社.2008

[4]夏彤.大型轧钢机交交变频同步电动机调速系统研究[D].重庆大学工程硕

士学位论文.2006:3～6

[5]汪志锋.可编程序控制器原理与应用[M].西安：西安电子科技大学出版

社.2004

[6]马宁 孔红.S7-300 PLC和MM440变频器的原理与应用[M].机械工业出版

社.2008

[7]郑萍.现代电气控制技术[M].重庆：重庆大学出版社.2009

指导教师（签字）： 20 年 月 日

注：本表可自主延伸，各专业根据需要调整。

江 西 理 工 大 学

本 科 毕 业 设 计（论文）开 题 报 告

电气工程与自动化学院 电气专业 级（ 届）班 学号 学生

题 目：基于PLC的轧钢机控制系统设计

专题题目：PLC软件设计

（若无专题则不填）

本课题来源及研究现状：

近年来PLC发展很快，新产品、新技术不读涌现，特别是西门子公司退

出了S7-300系列PLC，由于功能强、性价比高，而深受国内用户的欢迎。

PLC控制系统是依托于PLC来实现对现场设备进行控制的要求。可编程

控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充

其功能的原则设计。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制器并不针对某一具体工业应用。在实际应用时，其硬件应根据

具体需要进行选配，软件则根据实际的控制要求或生产工艺流程进行设计。

具有编程简单、使用方便、通用性强、可靠性高、体积小、易于维护等优点，

在自动控制领域应用得十分广泛。目前已从小规模的单机顺序控制发展到过

程控制、运动控制等诸多领域。而且它可靠性高，能够适应工业现场的恶劣

环境。具有进行各种算术运算、PID调节、过程监视、网络通信、远程I/O

和高速数据处理能力，PLC除了具有CPU和存储器以外，还有丰富的I/O接

口模块。对于工业现场的不同信号，PLC都有相应的I/O模块与工业现场的

器件或设备直接连接。PLC系统与其他系统相比无论从软件方面还是从实际

投入的硬件设备讲，投入都较少，质优价廉，性价比高。因此，无论是老设

备的技术改造还是新系统的开发，大多数设计人员都倾向于采用它来进行设

计。

课题研究目标、内容、方法和手段：

研究目标：

本课题是基于PLC的轧钢机控制系统设计。该课题研究的目的是通过设

计来达到最终控制要求并实现最佳的控制效果。设计前要熟悉S7-300软件的

基本功能、设计语言、仿真环境。对控制过程进行顺序功能图的设计，根据

顺序功能图编写梯形图，在S7-PLCSIM仿真环境中进行仿真。

研究内容：

1.普通轧钢机的结构和工作原理

2.各路检测信号到PLC的输入，包括传感器的的原理，信号的种类，引

入到PLC中的编址

3.轧钢机的种类和工作原理图，I/O分配

4.以可编程控制器为基础，利用PLCSIM软件对其所应用的程序进行模

拟仿真。

5.软件实现方法的研究。用PLC程序开发实现了设计、调试、等功能。

和变频器参数的设置

设计（论文）提纲及进度安排：

论文提纲：

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2课题研究的来源

1.3课题研究的意义

第二章 硬件系统设计

2.1 控制系统总体方案设计

2.2 控制系统I/O地址分配

2.3 电气系统控制原理图

第三章 软件系统设计

3.1 主程序设计

3.2 监控程序设计

第四章 软件调试

第五章 PROFIBUS-DP通讯

进度安排：

11年3月21日至3月25日 老师给出课题及课题要求

11年3月26日至3月31日 查找相关文献资料，撰写开题报告

11年4月 1 日至4月 5 日 总体方案设计

11年4月 6 日至4月10日 熟悉PLC编程软件

11年4月11日至4月15日 系统主程序程序设计与调试

11年4月16日至4月20日 温度监控系统程序设计与调试

11年4月21日至4月25日 压力监控系统程序设计与调试

11年4月26日至5月 5 日 熟悉组态软件及变频器的调速

11年4月26日至5月 5 日 熟悉PROFIBUS-DP通信

11年5月 6 日至5月10日 开始构思论文框架并撰写论文初稿

11年5月11日至5月20日 修改并完善论文后交给老师审定

11年5月21日至6月 3 日 进一步修改完善，准备答辩

主要参考文献和书目：

[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社.2007

[2]陈章平.PLC控制系统设计与应用[M].北京：清华大学出版社.2009

[3]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术 [M].北京：机械工业出版社.2008

[4]夏彤.大型轧钢机交交变频同步电动机调速系统研究[D].重庆大学工程硕

士学位论文.2006:3～6

[5]汪志锋.可编程序控制器原理与应用[M].西安：西安电子科技大学出版

社.2004

[6]马宁 孔红.S7-300 PLC和MM440变频器的原理与应用[M].机械工业出版

社.2008

[7]郑萍.现代电气控制技术[M].重庆：重庆大学出版社.2009

指导教师审核意见：

指导教师（签字）： 年 月 日

注：本表可自主延伸

摘 要

对轧钢机采用计算机控制，不仅能提高其效率，节约成本，还可大大延

长其使用寿命。

本文阐述了可编程控制器（PLC）在轧钢机控制系统中的应用，介绍了

轧钢机的结构和工作原理，提出了轧钢机的PLC控制系统的总体设计方案及

设计过程，给出了系统的I/O分配，并利用PLCSIM软件对编写的程序进行

模拟仿真。同时用PLC程序开发实现了设计、调试等功能。根据轧钢机控制

系统的控制要求和特点,对PLC硬件进行了组态。编写了轧钢机系统的主程

序，温度监控程序以及压力监控程序等程序。

在系统设计完成后，对其进行了简单的调试，最后的模拟调试结果表明，

基于PLC的轧钢机控制系统运行效率高，系统安全可靠性强，并且系统构造

简单易于实现，满足了对轧钢机控制系统系统期望的要求。

关键词：轧钢机；PLC；组态；PLC编程；I/O分配

ABSTRACT

The rolling machine which is controlled by computer not only can improve

its efficiency and save its cost , but also greatly extend its life.

Paper describes a programmable controller PLC controlled system ud in

rolling mill applications, introduces the structure and working principle of

Rolling mills, propos the plan and process of PLC control system of rolling

mill, elaborates the I / O allocation of the system,and u of the PLCSIM

software to simulate the program applied in it. At the same time the development

of PLC program, the design, debugging and other functions have been achieved.

According to the control requirements and characteristics of Rolling mill

control system ,the PLC hardware is configuratted. In the design of this system,

there is the main program of rolling mill systems, temperature monitoring

program and pressure monitoring program.

When the system design is completed, its a simple debugging. The final

result of the simulation shows that the rolling mill bad on PLC control system

has high efficiency, system curity and reliability, simple structure, easy to

implement and the system has meet the requirements of rolling mill for the

desired control system requirements.

Keywords： Rolling mill;PLC;Configuration;PLC Programming;

I / O allocation

目 录

第一章 绪 论

........................................................................... 11

1.1课题研究的背景及意义 ................................................... 11

1.2 课题主要研究的内容 ...................................................... 12

第二章 系统总体方案设计

.................................................... 13

2.1系统控制要求 ................................................................... 13

2.2系统总体方案设计图 ....................................................... 14

2.3控制系统I/O地址分配 ................................................... 14

2.4电气控制系统原理图 ....................................................... 16

2.5硬件组态与参数设置 ....................................................... 17

第三章 变频器参数设置

........................................................ 20

第四章 软件系统设计

............................................................ 28

4.1主程序设计 ....................................................................... 29

4.2轧机系统运行参数监控和成品统计 ................................ 34

第五章 软件调试

..................................................................... 42

第六章 Profibus-DP通信

..................................................... 46

6.1基于Profibus-DP的变频器的通讯 ................................ 46

6.2 PLC与触摸屏的通信 ....................................................... 47

附录一 源程序

......................................................................... 49

附录二 Profibus-DP通讯程序

............................................. 53

参考文献

..................................................................................... 57

外文资料

..................................................................................... 58

中文翻译

第一章 绪 论

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1课题研究的背景

工业自动化是国家经济发展的基础，用于实现自动化控制的设备主要集中为

单片机和PLC。单片机由于控制能力有限、编程复杂等缺点，现在正逐步退出控

制舞台。PLC则因为其功能强大、编程简单等优点，得到迅速发展及运用。PLC

的功能强大，可以进行逻辑控制、运动控制、通信等操作；并具有稳定性高、可

移植性强等优点，因此受到广大电气工程控制技术人员的青睐。PLC是工业控制

领域中不可或缺的一部分。

近年来PLC发展很快，新产品、新技术不读涌现，特别是西门子公司推出了

S7-300系列PLC，由于功能强、性价比高，而深受国内用户的欢迎。

PLC控制系统是依托于PLC来实现对现场设备进行控制的要求。可编程控制

器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的

原则设计。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程

控制器并不针对某一具体工业应用。在实际应用时，其硬件应根据具体需要进行

选配，软件则根据实际的控制要求或生产工艺流程进行设计。

目前PLC已从小规模的单机顺序控制发展到过程控制、运动控制等诸多领

域。而且它可靠性高，能够适应工业现场的恶劣环境。具有进行各种算术运算、

PID调节、过程监视、网络通信、远程I/O和高速数据处理能力，PLC除了具有

CPU和存储器以外，还有丰富的I/O接口模块。对于工业现场的不同信号，PLC

都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。PLC系统与其他系统相

比无论从软件方面还是从实际投入的硬件设备讲，投入都较少，质优价廉，性价

比高。因此，无论是老设备的技术改造还是新系统的开发，大多数设计人员都倾

向于采用它来进行设计。

1.1.2 课题研究来源

本课题来自于江西理工学院电气工程与自动化07级毕业设计，通过设计使

我们大学时期所学专业课程得到充分融合，以使我们用所学知识应用到实际工作

中去，为步入社会做好最后的准备。

1.1.3 课题研究的意义

轧钢机如控制和使用得当，不仅能提高效率，节约成本，还可大大延长使用

寿命。对轧钢机控制系统的性能和要求进行分析研究设计了一套低成本高性能的

控制方案，可最大限度发挥轧钢机加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对提

高机械设备的自动化程度，缩短与国际同类产品的差距，都有着重要的意义。

1.2 课题主要研究的内容

1. 普通轧钢机的结构和工作原理

2．各路检测信号到PLC的输入，包括传感器的的原理，信号的种类，引入

到PLC中的编址

3. 轧钢机的种类和工作原理图，I/O分配

4. 以可编程控制器为基础，利用S7-PLCSIM软件对其所应用的程序进行模

拟仿真

5. 软件实现方法的研究。用PLC程序开发实现了设计、调试、等功能

6. CPU和变频器参数的设置

第二章 系统总体方案设计

一个系统顺利、稳定、高效的按照我们在软件中编制的方案完成既定的任

务是我们每个设计人员最强烈的希望，但是，要达成这个希望首先便需要良好的

系统总体方案的支持，一个良好的系统总体方案给以后的软件与硬件设计工作会

带来很多方便。

在本部分内容中主要介绍了系统总体方案设计中的过程。首先我对系统控

制要求和工艺流程进行了分析和研究，设计好系统总体方案，然后针对分析和研

究的结果对系统的I/O点进行了统计，最后对PLC的CPU的型号、PLC的扩展模

块的型号以及压力温度等传感器型号进行了选择。对于其他诸如电源、导线、继

电器、电动机机等设备由于文章篇幅所致，没有一一进行说明。

2.1系统控制要求

以下给出系统控制要求和轧钢机系统模拟图如图2-1所示

1) 当整个机器系统的电源打开时，电机M1和M2旋转，以待传送工件。

2) 工件通过轨道从右边输送进入轧制系统。

3) 感应器S1感应到有工件输送来时，输出高电位，驱动上轧辊按预定下压

一定的距离，实现轧制厚度的调节，同时电机M3开始逆时针旋转，并带

动复位挡板也逆时针转动，感应器S1复位。

4) 随着轧制的进行，工件不断地向左移动。当感应器S2感应到有工件移动

过来时，说明工件的要求轧制长度已经完成，此时感应器S2输出高电位，

驱动控制电机M3的电磁阀作用，使电机M3顺时针转动。

5) 在电机M3顺时针转动下，挡板顺时针转动，推动工进向右移动。当工件

移动到感应器S1感应到时，S1有输出高电位，使电机M3逆时针转动，

同时驱动上轧辊调节好第二个下压量，进入第二次压制的过程。

6) 再次重复上述的工作，直到上轧辊完成3次下压量的作用，工件才加工

完毕。

7) 系统延时等待加工完毕的工件退出轨道，此时即可进入下一个工件的加

工过程。

图2-1 模拟图

2.2系统总体方案设计图

根据以上控制系统和生产工艺要求，系统总体方案设计图如图2-2所示

SIMATIC

PANEL

TOUCH

泄油、调零等操

作

开关轧辊指令信号

轧机状态

报警信号 S7300

压力、张力、温度传感

器及厚度测厚仪信号

西门子

温度、压力状态信号

伺服阀调节模拟量

编程器

PC适配

器

图2-2 系统总体方案设计图

2.3控制系统I/O地址分配

在本课题硬件设计中我们首先要解决的问题就是，计算好整个系统中对各类

I/O点的需求（地址标识符I表示输入，O表示输出）。因为I/O在PLC接线端子

上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说，I/O地址分配

以后才可以进行编程；对控制柜及PLC外围接线来说，只有I/O地址确定以后，

才可以绘制电气接线图、装配图，才可以根据线路图和安装图安装控制柜。

再者只有明确了I/O分配，才能把系统设计的高效，合理，性价比较高。因

此根据控制系统的要求，这里共有6个输入，8个输出。控制系统应具备的输入

/输出点数、名称、代码及地址编号如表1所示。

从表格我们可以看出每一个开关要一个数字量输入，电机正转、反转、报警

灯七个数字量输出，每个传感器有一个模拟量输入这样计算下来系统需要数字量

输入4点，数字量输出7点，模拟量输入2点因此我们需要选择合适的模块来包

容这些输入/输出点。I/O地址分配表如表1所示

表1 I/O地址分配表

序号 输入点 输入地址 序号 输出点 输出地址

1 I0.0 启动开关SB1 1 Q0.0 电机M1运转(KM1)

2 I0.1 右限位开关S1 2 Q0.1 电机M2运转(KM2)

3 I0.2 左限位开关S2 3 Q0.2 电机M3正转(KM3)

4 I0.3 停止开关SB2 4 Q0.3 电机M3反转(KM4)

5 模拟通道1 温度传感器 5 Q0.4 压力给定

6 模拟通道2 压力传感器 6 Q0.5 温度报警灯

7 7 Q0.6 压力报警灯

8 8 Q0.7 钢板压制完成指示灯

根据以上分析和I/O地址分配表，我选用的是西门子的PLC系统，为了能达

到在可靠够用的前提下尽量实现经济高效，我选用了SM323模块（16DI/16DO）

SM334模块（4AI/2AO），CPU选用315-2DP。S7-300模块图如图2-3所示

图2-3 S7-300 PLC

PLC外围硬件接线图，如图2-4所示

图2-4 PLC的外部接线图

2.4电气控制系统原理图

根据以上总体设计方案图PLC的外部接线图画出系统电气控制电路图如图

2-5所示,共有三台电机,其中主轧电动机两台,传送电动机一台。

图2-5 电气控制电路图

2.5硬件组态与参数设置

2.5.1硬件组态的步骤

1)生成站，如图2-6，双击“硬件”图标 ，进入硬件组态窗口；

图2-6 硬件组态窗口

2)生成机架，从硬件目录窗口中选择一个机架，S7-300应选择硬件目录窗

口文件夹SIMATIC300RACK-300中的导轨（Rail）。如图2-7所示

图2-7 S7-300的硬件组态窗口

3）在硬件目录中选择需要的模块，将它们安排在机架中指定的槽位上。中

央机架的电源模块占用1号槽，CPU模块占用2号槽，3号槽用于接口模块（或

不用），4~11号槽用于其他模块。首先选中1号槽，然后在硬件目录窗口中选择

文件夹SIMATIC300PS300,目录窗口下面会出现选中的电源模块的订货号和详

细的信息。用鼠标双击目录窗口中的“PS 307 5A”，该电源窗口中指定的行，然

后放开鼠标左键，该模块就被配置到指定的槽了。同样的方法，在文件夹

SIMATIC300CPU-300中选择CPU 315-2DP模块，并将后者配置在倒2号槽了。

因为没有接口模块，3号槽空置。在4号槽中配置16点DC24V数字量数输入/输

出模块（DI/DO），在5号槽配置4点模拟量输入/输出模块（AI/AO）模块。

图2-8左上部的窗口是一个组态见表，他下面的窗口列出了个模块详细的信

息；例如订货号、MPI地址和I/O地址等。右边是硬件目录窗口，可以利用命令

“View”→“Catalog”打开或关闭它。左下角的窗口中向左和向右的箭头来切

换机架。

图2-8 S7-300的硬件组态窗口

4）双击模块，在打开的对话框中设置模块的参数，包括模块的属性和

DP主站和从站的参数；

5）保存硬件设置，并将它下载到PLC中去。

图2-8左上部的窗口是一个组态见表，他下面的窗口列出了个模块详细的信息；

例如订货号、MPI地址和I/O地址等。右边是硬件目录窗口，可以利用命令“View”

→“Catalog”打开或关闭它。左下角的窗口中向左和向右的箭头来切换机架。

2.5.2 CPU及模拟量模块参数设置

1）CPU参数设置

在硬件配置中选定CPU模块后，系统会自动对CPU模块的一些参数属

性进行设置；双击机架上的CPU进入CPU属性设置选项卡窗口，如图2-9所示

图2-9 CPU属性设置选项卡

点击CPU属性设置选项卡中的各个选项分别对“时刻中断”“周期性中断”“诊断

/时钟”“常规”“启动”等选项卡进行设置。

2）模拟量输入模块参数设置

在机架上选中需要设置的I/O模块，双击该模块，进入I/O模块的属性设置

窗口。如图2-10模拟量模块属性设置窗口。

图2-10 模拟量模块属性设置窗口

第三章 变频器参数设置

本次设计用到的变频器的型号为6SE70，下面为变频器参数设置的步骤：

首先用USS专用通讯线将计算机的串口1和变频器面板上的通讯口连接，打开

控制屏上的钥匙开关，此时停止的“红灯”亮，按下启动按钮，“红灯”灭，“绿

灯”亮，变频器得电，打开SIMOVIS 软件。选择点击对应的设备，进入参数设置

界面，如图3-1所示

图3-1 变频器参数设置1

此时我将进行变频器参数的设置，以用来进行软件SIMOVIS的电机调速。进

入参数设置界面，首先将变频器进行复位回到工厂设置状态。

P060是变频器参数设置中的固定设置菜单，将设置为2时是表示参数将恢复

到缺省。这样后就可以进行复位设置。如图3-2所示

图3-2 变频器参数设置2

将参数P060设置为2后，然后将参数P970设为0，如图3-3所示

图3-3 变频器参数设置3

此时变频器的LED就会循环显示，经过几秒或几十秒的时间后复位完成。由

于系统所有数据器内的数据均被清除，变频器不允许立刻重新开始工作，否则必

定会损坏电机。

再将参数P060固定设置设置为3，表示简单应用，如图3-4所示。这样的话就

可以进行主要参数的设置，现在将进线电压P071设置为380。这就是装置输入电

压。

图3-4 变频器参数设置4

SIMOVERT MASTERDRIVES一贯地共同遵守相同的设计原则。在所有功率范围

中的装置(变频器、逆变器)和系统元件(整流单元、制动单元)都有一个统一的设

计和相同的接线系统。它们能以任何方式组合并能并列安以满足传动系统各种要

求。

此次设计，我们使用的是DJ16-2 三相鼠笼式异步电动机进行轧钢机的电机

使用，所以参数设置驱动电机类型P095=10，如图3-5所示，表示同步或者异步电

动机，这是国际标准。

图3-5 变频器参数设置5

由于我们使用的是6SE70变频器而此变频器的工作方式P100设置为1，如图

3-6所示，这是表示此变频器是VF控制。

图3-6 变频器参数设置6

此时将开始设置电机的参数，我们使用的是DJ16-2三相鼠笼式异步电动机电

机，所以将此电机的额定电压P101=380。如图3-7所示

图3-7 变频器参数设置7

而同样的我们使用了三相鼠笼式异步电动机电机后，此处的电机电流参数设

置为额定电流P102=1.1。

同样根据电机的参数选择将此处的三相鼠笼式异步电动机的电机功率P104

设置为0.8。表示电机额定功率因数是0.8。

此处电机的额定频率如同前面一样因为使用的是三相鼠笼式异步电动机所

以此P107表示电机的额定频率是50HZ。

然后将此进行电机的转速设置，同理因为是三相鼠笼式异步电动机所以此处

将设置为P108=1400。这里表示电机转速是1400转。

最后我们在回到最前面的P060进行固定菜单的设置，而此处却是将P060重新

设置为1，如图3-8所示。这和之前是不同的，因为这里表示的是回到参数菜单。

而不合理的参数设置会导致故障。

图3-8 变频器参数设置8

接下来将进行USS的设置。变频器6SE70系列，我们此次使用的控制方式是USS

通讯所以在设置参数时将设置为USS，所以在这里设定控制方式P368=4，如图3-9

所示，表示控制方式是USS。

图3-9 变频器参数设置9

接下来将进行USS的设置。变频器6SE70系列，我们此次使用的控制方式是USS

通讯所以在设置参数时将设置为USS，所以在这里设定控制方式P368=4，表示控

制方式是USS。

然后进行P554即ON/OFF的源，所以此处将P554设置为B2100，表示USS接受到

字1的第0位。

这里设置P707.1的值，这里表示USS报文PZD区的第1个字而此处将设置为

K32，表示PZD1的传送内容为控制字1。

设置P707.2的值，这里表示USS报文PZD区的第2个字而此处将设置为KK148，

表示PZD2的传送内容为实际的速度。

这里P555是选择OFF2指令的源，将P555设置为B2101表示USS接收到的字1的

第1位。

然后设置P565是失败确认选择源，而这里将设置为B2107表示此处USS接收到

的字1的第7位。

设置P568的值，这里P568是点动选择源，这里将P568设置为B2108表示的是

USS 接收到的字1的第8位。

然后将设置正反转参数来控制电机的正反转，这里将P571设置为B2111，如

图3-10所示，表示电机的正转方向选择源。

图3-10 变频器参数设置10

同样的在这里设置电机的正反转，将P572设置为B2112，此处表示电机反转

方向上的源。最后在这里设置P443即主给定选择源，并且将P443设置为K2002，

如图3-11所示，这里表示状态字2。

图3-11 变频器参数设置11

参数设置完毕后就可以用计算机来控制实验了。

第四章 软件系统设计

根据PLC硬件结构和生产工艺要求，软件设计过程如图所示

开始

制定运行方案

画顺序功能图

编制/IO分配表

程序元件编号

编写程序 修改程序

程序输入PLC 否

测试正常 流程正确

是

固化程序

结束

图4-1 软件设计过程

4.1主程序设计

4.1.1轧钢机工艺流程

首先，当整个机器系统的电源打开时，电机M1和M2旋转，以待传送工件。

然后， 工件通过轨道从右边输送进入轧制系统。 感应器S1感应到有工件输送

来时，输出高电位，驱动上轧辊按预定下压一定的距离，实现轧制厚度的调节，

同时电机M3开始逆时针旋转，并带动复位挡板也逆时针转动，感应器S1复位。

随着轧制的进行，工件不断地向左移动。当感应器S2感应到有工件移动过来时，

说明工件的要求轧制长度已经完成，此时感应器S2输出高电位，驱动控制电机

M3的电磁阀作用，使电机M3逆时针转动，同时驱动上轧辊调节好第二个下压量，

进入第二次轧制的过程。在电机M3顺时针转动下，挡板顺时针转动，推动工进

向右移动。当工件移动到感应器S1感应到时，S1有输出高电位，使电机M3逆

时针转动，同时驱动上轧辊调节好第二个下压量，进入第二次压制的过程。再次

重复上述的工作，知道上轧辊完成3次下压量的作用，工件才加工完毕。系统延

时等待加工完毕的工件退出轨道，此时即可进入下一个工件的加工过程。

4.1.2主程序顺序功能图

根据系统的要求画出主程序顺序功能图如图4-2所示

M0.0

I0.0

M0.1 电机M1

I0.1

T1

M0.2

C12

M0.3 电机M1运转 电机M3反转

I0.2

电机M2

电机M1运转 上轧辊给定下压

电机M2运转 电机M3正转

电机M2运转

C12

M0.4 延时定时器T1工作

图4-2 主程序顺序功能图

4.1.3主程序梯形图编写

用经验法设计梯形图，根据主程序顺序功能图系统梯形图的设计如下：

M1带动传送带转动的电动机，M2带动为带动轧辊转动的电动机

S1右限位开关，只要钢板到碰到右限位开关S1，就输出高电平。

以上程序段1～程序段6的总体功能：首先按下启动开关，整个机器系统的

电源打开，电机M1和M2旋转，以等待工件。当工件从右边输送进入轧钢机系统

时，右限位开关S1输出高电平，S1闭合，此时电动机M3顺时针转动，接着S2

复位，同时轧辊按预定下压量轧制工件。随着轧制的进行，工件不断地向左移动，

当钢板碰到左限位开关S2时，S2输出高电平，同时驱动控制电机电机M3的电

磁阀作用，是电机M3逆时针转动，接着右限位S1开关复位。在电机M3逆时针

转动的作用下，工件不断向右移动。当工件移动到限位开关S1限位开关处，S1

有输出高电平，使电机M3顺时针转动，同时调节好第二个下压量，进入第二次

压制过程，于此同时计数器计数。再次重复上述过程的工作，直至轧制3次，工

件加工完成。系统演示等待加工完毕的工件退出，此时即可进入下一个工件的加

工。在上述过程中若按下停止按钮或温度压力超出上限，整个系统将停止工作。

4.2轧机系统运行参数监控和成品统计

在本系统中监控的参数输入量是模拟量，如轧钢机的温度，润滑系统和冷

却系统的压力，必须将它们转换为表转量程的电流或电压，例如

DC4-20mA,1-5V,0-10V,PLC用A/D转换器将它们转换成数字量。带正负号的电

流或电压在A/D转换后用二进制补码表示。D/A转换器将PLC的数字输出量转

换为模拟电压或电流，再去控制执行机构，模拟量I/O模块的主要任务就是实

现A/D转换和D/A 转换。

在此监控系统软件设计中运用到FC105模块下面介绍下其功能。

以下是FC105参数表

表2 FC105参数表

参数 说明 数据类型 存储区 描述

EN 输入 BOOL I、Q、M、D、L 使能输入端，信号状态为

1时激活该功能

ENO 输入 BOOL I、Q、M、D、L 如果该功能的执行无误，

输出端信号为1

IN 输入 INT I、Q、M、D、L 常数 欲转换为工程单位

表示的实型值。

HI_LIM 输入 REAL I、Q、M、D、L、P 常数 以工程单位便是的

上限值。

LO_LIM 输入 REAL I、Q、M、D、L、P 常数 以工程单位便是的

下限值。

输入 BOOL I、Q、M、D、L 信号状态为1输入值为

BIPOLAR 双极性。为1表示输入值

单极性

OUT 输出 REAL I、Q、M、D、L、P 转换结果

RET_VAL 输出 WORD I、Q、M、D、L、P 如果指令的执行没有错

误，返回值为W#16#0000.

FC105功能

SCALE功能接受一个整型值(IN)，并将其转换为以工程单位表示的介

于、下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT。SCALE功能

使用以下等式：

OUT = [ ((FLOAT (IN) -K1)/(K2-1)) * (HI_LIM-O_LIM)] + LO_LIM

常数K1和K2根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置。

BIPOLAR：假定输入整型值介于 7648与27648之间，因此K1 = -7648.0，

K2 = +27648.0

UNIPOLAR：假定输入整型值介于0和27648之间，因此K1 = 0.0，K2 =

+27648.0 如果输入整型值大于K2，输出(OUT)将钳位于HI_LIM，并返回一个错

误。如果输入整型值小于K1，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。通过设

置LO_LIM > HI_LIM可获得反向标定。使用反向转换时，输出值将随输入值的增

加而减小。

4.2.1 温度参数监控软件设计

系统启动后，监控系统根据由PLC所收集并处理的数据，判别温度的高低。

当轧钢机的温度大于设定的温度上限值时，监控系统报警灯亮，同时轧钢机完成

一次压制后停机。

采集温度模拟量通道对应的存储单元为PIW256。

以下是监控系统的程序梯形图

以上程序段1～程序段7的总体功能：按下启动按钮后，系统开始对温度采

集，把采集到的温度对应的无量纲数据经过FC105转换后，可得到的实际温度对

应的电压值，把它与温度上限对应的电压比较，当大于上限时，并且工件完成一

次压制后，温度报警灯亮。

4.2.2润滑系统和冷却系统的压力监控软件设计

系统启动后，监控系统根据由PLC所收集并处理的数据，判别压力大小。当

多监控的压力大于设定的温度上限值时，监控系统报警灯亮，同时轧钢机完成一

次压制后停机。

采集温度模拟量通道对应的存储单元为PIW258。

以下是监控系统的程序梯形图

以上程序段1～程序段7的总体功能：按下启动按钮后，系统开始对压力采

集，把采集到的压力对应的无量纲数据经过FC105转换后，可得到的实际压力对

应的电压值，把它与压力上限对应的电压比较，当大于上限时，并且工件完成一

次压制后，压力报警灯亮。

4.2.3 钢板成品计数及统计软件设计

轧钢机当轧制完成一定数量钢板后，轧钢机将会有一个指示灯通知操作人

员。

第五章 软件调试

在STEP7编程软件中生成项目步骤：

本设计软件调试用S7-PLCSIM调试，首先双击windows桌面上的“SIMATIC

Manager”图标，打开STEP7管理界面，默认自动向导如图5-1所示。在图5-1

点击“完成”

图5-1 管理器向导（选择创建项目的途径）

直接以预览框显示的项目生成，然后选择CPU型号，由于本设计选用的CPU

型号是CPU 315，所以选择CPU 315。MPI地址的默认设置为2。点击“下一个”

进入下一个向导设置画面，如图5-2所示。

图5-2 管理器向导（选择程序块）

在图5-2向导中，选择组织块OB1，OB1代表最高的变成层次，他负责组

织S7程序中的其他块，一个程序中必须要有OB1。选择合适的编程语言，梯

形图这里选LAD。单击“下一个”确认设置，进入下一个向导设置画面，在项

目名称栏中输入名称然后点“完成”，完成一个新项目的创建。出现SIMATIC

管理器项目结构窗口，然后双击 图标将出现梯形图编辑器，如图5-3所

示

图5-3 梯形图编辑器

把以上编写好的程序的梯形图输入梯形图编辑器中。点击STEP7的SIMATIC

管理器工具条中的（SIMATIC on/off）按钮，或执行菜单命令“Options”，打开

S7-PLCSIM窗口如图5-4所示，窗口自动出现CPU试图对象。与此同时，自动建

立了STEP7与仿真CPU的连接。

图5-4 S7-PLCSIM仿真窗口1

在S7-PLCSIM窗口中用菜单命令“Excuticve” “Continuous scan”或点击

“Continuous scan”按钮，令仿真PLC的扫描方式为连续扫描。如图5-5所示

图5-5 S7-PLCSIM仿真窗口2

5）在SIMATIC管理器中打开要仿真的用户项目，选中“块”对象，点击工具条

中下载按钮，或执行菜单命令“PLC”“下载”，将块对象下载到仿真PLC中。

如图5-6所示

图5-6 S7-PLCSIM仿真窗口3

6）点击S7-PLCSIM工具条中标有“I”的按钮，或执行菜单命令“Inrt”“Input

Variable”，创建输入IB字节的试图对象。用类似的方法生成输出字节QB、位

存储器M、定时器T和计数器C的试图对象.

7）设置完这些输入输出节点后，进行仿真模拟。打开编写有主程序的块OB1，

然后选择“调试” →“监视”命令，程序即处于仿真模拟状态，如图5-7所

示

图5-7 S7-PLCSIM仿真窗口4

8）将图5-8中单选框的stop模式打到run模式，如图5-8所示

图5-8 S7-PLCSIM仿真窗口5

9）根据I/O点的分配和控制要求，仿真图如图5-9所示

图5-9 S7-PLCSIM仿真窗口6

第六章 Profibus-DP通信

6.1基于Profibus-DP的变频器的通讯

在PROFIBUS现场总线中，PROFIBUS-DP的应用最为广泛。本次系统设计就

是用PROFIBUS-DP实现变频器与PLC通讯的。带有DP口的S7-300/400 PLC也可

以通过CPU上的DP口来实现。采用RS485接口及支持9.6kbps~12Mbps波特率数

据传输，其中数据的报文头尾主要是来规定数据的功能码、传输长度、奇偶校验、

发送应答等内容，主从站之间的数据读写的过程核心的部分是参数接口和过程数

据，PKW和PZD共有五种结构形式即：PP01、PP02、PP03、PP04、PP05，其传输

的字节长度及结构形式各不相同。在PLC和变频器通讯方式配置时要对PP0进行

选择。

1） 硬件组态变频器

在STEP 7软件中创建一个项目，再硬件组态该项目，并建一个Profibus-DP

网络，6SE70系列变频器在PROIBUS DP->SIMOVERT文件夹里进行组态，并设定

好通讯的地址范围。

2） 建立通讯DB块

一般地，读写数据都做在一个DB块中，且最好与硬件组态设定的I/O地址

范围大小划分相同大小的区域，便于建立对应关系和管理。读变频器的数据的

12个字节在DB0～DB11中，写给变频器的12个字节数据放在DB12～DB23中。

接下来还可以存放诸如通讯的错误代码和与变频器有关的其它计算数据。

3） 写通讯程序

通讯程序可以调用STEP 7编程软件的SFC14 "DPRD_DAT" (读取DP标准从

站的连续数据) ,SFC15 "DPWR_DAT" (向DP标准从站写入连续数据)来实现。

从DP上读取数据：

OPN DB 5

CALL "DPRD_DAT"

LADDR:=W#16#108

RET_VAL:=MW32

RECORD:=P#0.0 BYTE 8

从DP上写入数据：

OPN DB 6

CALL "DPWR_DAT"

LADDR:=W#16#108

RECORD:=P#0.0 BYTE 8

RET_VAL:=MW30

对于写变频器的数据是与变频器的k3001～k3016，建立对应关系，读变频

器的数据则是与变频器的参数P734建立对应关系。12～22对

应P734的W01～W06。0～11对应k3001～k3012。PLC读取变频

器的数据可以通过设置参数P734的值来实现，PLC写给变频器的数据存放在变

频器数据k3001～k3012中，在变频器的参数设置里可以进行调用，从而建立了

彼此的对应关系。详细程序见附录二。

这样，变频器与PLC的连接已经基本建立，就可以编写程序通过PLC来控制

变频器的启、停、速度给定等各项功能，满足工艺给定要求。同时也可以读取变

频器数据通过上位机进行显示，达到在线监视和诊断的目的。

6.2 PLC与触摸屏的通信

图6-1 西门子触摸屏

首先进行电气连接，在组态和测试阶段之后可以将串行打印机连接至操作单

元代替组态计算机。

接着要连接组态，图6-2说明了用于下载项目数据的组态计算机(PU或PC)

与操作单元的连接。对所示连接可使用标准电缆。

TP170A/B

OP170B PC/PUxx

RS232*

IF1A/F2

COM

PC/PUxx

RS485

IF1B

MPI/PROFIBUS-

图6-2 连接组态一

表3 触摸屏与PLC通讯选项

设备 连接 接口

组态计算机（PC、PU） RS232 IF1 A

MPI IF1 B

PROFIBUS-DP IF1 B

SIMATIC S7 MPI IF1 A

LG（Lucky Goldstar） RS232 IF1 A

PTOFIBUS-DP IF1 B

RS422/RS485 IF1 B

附录一 源程序

主程序梯形图源程序：

O "启动按钮"

O "钢板上架延时"

S "电动机M1运转"

S "电动机M2运转"

A "右限位开关S1"

A "电动机M2运转"

S "电动机M3正转"

R "电动机M3反转"

S "给定下压量"

A "左限位开关"

S "电动机M3反转"

R "电动机M3正转"

R "给定下压量"

A "电动机M3反转"

CU "压制次数计数"

BLD 101

A I 0.7

L C#3

S "压制次数计数"

A "钢板上架延时"

R "压制次数计数"

L "压制次数计数"

T MW 12

L MW 12

L 3

>=I

= L 20.0

A L 20.0

BLD 102

= "钢板压制完成指示灯"

A L 20.0

L S5T#3S

SD "钢板上架延时"

O "停止按钮"

O "温度报警灯"

O "压力报警灯"

O "钢板压制完成指示灯"

R "电动机M1运转"

R "电动机M2运转"

R "电动机M3正转"

R "电动机M3反转"

R "给定下压量"

CALL "温度监控"

NOP 0

CALL "温度监控"

NOP 0

CALL "钢板成品统计"

NOP 0

监控程序源程序：

A "启动按钮"

S M 0.0

A "停止按钮"

R M 0.0

A M 0.0

JNB _001

L "温度采集"

T MW 60

A I 0.6

= L 0.0

BLD 103

A M 0.0

JNB _002

CALL FC 105

IN :=21648

HI_LIM :=1.000000e+001

LO_LIM :=0.000000e+000

BIPOLAR:=L0.0

RET_VAL:=MW70

OUT :=MD80

A M 0.0

JNB _003

L 5.000000e+000

T MD 90

A M 0.0

A(

L MD 80

L MD 90

>=D

)

= M 0.3

A M 0.3

A "左限位开关"

S "温度报警灯"

A "启动按钮"

S M 0.0

A "停止按钮"

R M 0.0

A M 0.0

JNB _001

L "压力采集"

T MW 60

A I 0.6

= L 0.0

BLD 103

A M 0.0

JNB _002

CALL FC 105

IN :=21648

HI_LIM :=1.000000e+001

LO_LIM :=0.000000e+000

BIPOLAR:=L0.0

RET_VAL:=MW70

OUT :=MD80

A M 0.0

JNB _003

L 5.000000e+000

T MD 90

A M 0.0

A(

L MD 80

L MD 90

>=D

)

= M 0.3

A M 0.3

A "左限位开关"

S "压力报警灯"

A "启动按钮"

S M 0.7

A "钢板压制完成指示灯"

CU C 11

BLD 101

A M 0.6

L C#0

S C 11

NOP 0

L C 11

T MW 100

NOP 0

NOP 0

L MW 100

L 2

==I

= M 1.0

附录二 Profibus-DP通讯程序

Network1

OPN DB 4

OPN DB 6

L 0

T 0

CLR

A "DI_1"