基于PLC的生产流水线电气控制系统设计

江苏科技大学

本 科 毕 业 设 计（论文）

学 院 电子信息学院

专 业 电气工程及其自动化

学生姓名

班级学号

指导教师

二零 年六月

江苏科技大学本科毕业论文

江苏科技大学

毕业设计（论文）任务书

学院名称：电子信息学院 专 业：

电气工程及其自动化

学生姓名： 学 号： 0

指导教师： 职 称：

毕业设计（论文）题目：

II

基于PLC的生产流水线电气控制系统设计

一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指

标和应做的实验等）

随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求，控制技术从手

动控制到自动控制，从简单的控制设备到复杂的控制系统，从有触点的硬

接线控制系统到以计算机为中心的存储控制系统。可编程序控制器（PLC）

的出现给工业控制系统带来重大变革。

根据所学的PLC的设计知识和方法、配合变频器、步进电机等设备实

现了生产线上工作台的正向运行、反向运行以及多段速运行。这一控制系

统的实现和应用，充分体现了PLC系统在工业现场的应用，亦使其应用的

范围更加广泛。

采用西门子S7系列PLC与变频器而设计的生产流水线控制系统的方

案。

III

二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）

1. 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；

2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）；

3. 数据光盘一张。

三、完成日期及进度

2013年3月13日至2013年6月19日，共12周。

进度安排：

1. 3.13-3.20，查阅资料、调研，完成开题报告；

2. 3.21-3.28，了解题目要求确定设计方案；

3. 3.29-4.15，初步完成软硬件电路设计；

4. 4.16-5.10，完成硬件电路设计及调试；

5. 5.11-6.10，完善系统调试、交论文；

6. 6.11-6.19，准备毕业设计答辩；

7. 6.19， 毕业答辩；

IV

四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:

1 邹继斌,无位置传感器无刷直流电机驱动电路的研究[[J],微电机，1999，32 (2)：161

2 王永. “反电势法”无刷直流电机控制系统研究. 东南大学硕士论文, 2004：1-30

3 Kuang-Yao Cheng,Ying-Tsan Lin,Ying-Yu Tzou,Design of a Sensorless Commutation IC for BL

DC Motors,IEEE Transactions on Power Electronics, 2002,15 (4)：744752

4 Jianbo Gao,Binggang Gao,Wenzhi Chen,Neural Network Control of Electric Vehicle Bad on P

osition-Sensorless Brushless DC Motor, 2007,December:15-18

5 Kuang-Yao Cheng,Chen-Yu Wang,Ying-Yu Implementation of a Programmable Servo

Control IC with Digital Pha-Locked 33rd Annual Power Electronics Specialists Conf

erence, PESC’02, Cairns, Australia,2002: 558-563

6 张立科,VHDL 应用开发技术与工程实践 ,人民邮电出版社,2005

7 陈伯时,电力拖动自动控制系统,机械工业出版社，2003：66-90

8 叶金虎. 无刷直流电动机的设计(ⅩⅢ)[J]. 微特电机, 2006,(01)

9 辛小南, 贺莉. 无刷直流电动机控制系统的仿真[J]. 微特电机, 2011,(02)

系(教研室)主任： （签章） 年 月 日

学院主管领导： （签章） 年 月 日

V

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

摘 要

生产流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械，又称输送线或者输送机。

可编程逻辑控制器（PLC），一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设

计的，被誉为当代工业自动化的主要支柱之一。随着科学技术的发展，以PLC作为基

本控制单元的电气控制系统在现代化自动生产流水线及管理中优越性越来越明显。本

课题主要是研究利用西门子S7-200 PLC配合西门子MICROMASTER VECTOR变频器、电

机等设备实现生产流水线某一部分控制电机的正向、反向以及多段调速运行，使其具

备启停、调试、单选等功能。PLC使用方便、编程简单、现场调试容易、环境要求低、

抗干扰能力和可靠性能力强，结合以上特点，本课题采用软件与硬件相结合的方法，

采用相对优越的设计思路，探求PLC、变频器、电机之间的控制关系，通过仿真实现

以及硬件调试验证了可靠性。

关键词：

PLC；变频器；多段调速；自动化；流水线

VI

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

Abstract

The production line is, in a certain line continuously transporting goods and handling

machinery, also known as the conveying line or conveyor. Programmable logic controller

(PLC), a digital electronic computers operating system, designed for applications in

industrial environments , known as one of the main pillars of contemporary industrial

automation. With the development of science and technology, as the basic control unit to

the PLC electrical control system in modern production lines and management superiority

is increasingly evident. The main subject of study with Siemens S7-200 PLC, the Siemens

MICROMASTER VECTOR drive, motor and other equipment to achieve a certain part of

the production line control motor forward, rever, and multi-speed run, it has to start and

stop,debugging, radio and other functions. PLC easy to u, simple to program, easy

on-site commissioning, low environmental requirements, and strong anti-interference

ability and reliability capabilities, combined with the above characteristics, the subject

using a combination of software and hardware, the u of relatively superior design ideas,

and explore the control relationship between PLC, frequency conversion and motor. It has

been verified the reliability through simulation and hardware debug.

Keywords:

PLC; converter; multi-stage speed; automation; pipeline

VII

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

目 录

第一章 绪论

.................................................................................................................... 9

1.1 研究背景 .................................................................................................................... 9

1.2 研究目的及意义 ........................................................................................................ 9

1.3 本文的主要内容 ...................................................................................................... 10

第二章 生产流水线电气控制系统设计

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

2.1 生产流水线简介 ...................................................................................................... 11

2.2 设计目标 .................................................................................................................. 12

2.3 设计思路及实现 ...................................................................................................... 12

第三章 控制系统的硬件设计

............................................................................... 14

3.1 西门子S7-200 PLC ................................................................................................. 14

3.1.1 PLC的组成及工作原理 .................................................................................... 14

3.1.2 S7-200 PLC简介 ................................................................................................ 17

3.1.3 I/O地址分配 ...................................................................................................... 18

3.1.4 S7-200 PLC接线图 ............................................................................................ 19

3.2 西门子MICROMASTER VECTOR变频器 .......................................................... 20

3.2.1 变频器的工作原理 ........................................................................................... 20

3.2.2 变频调速 ........................................................................................................... 20

3.2.3 MMV变频器简介 ............................................................................................. 21

3.2.4 参数设置 ........................................................................................................... 22

3.2.5 多段速控制 ....................................................................................................... 22

3.2.6 变频器接线图 ................................................................................................... 23

第四章 控制系统的软件设计

............................................................................... 25

4.1 PLC编程 ................................................................................................................... 25

4.2 编程软件简介 .......................................................................................................... 26

4.3 顺序控制继电器（SCR）指令 ............................................................................... 27

4.4 程序设计 .................................................................................................................. 28

4.5 仿真结果 .................................................................................................................. 34

4.6 结论 .......................................................................................................................... 40

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

第一章 绪论

1.1 研究背景

在可编程逻辑控制器（PLC）问世之前，继电器在工业控制领域中占主导地位，

继电器控制系统有体积大、功耗多、可靠性差等十分明显的缺点，尤其当生产工艺发

生变化时，就必须重新设计与安装，会造成时间和资金的严重浪费。为了改变这种现

状，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC。经过40多年的发

展，可编程逻辑控制器在美国、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，生产厂

家不断涌现，品牌不断翻新产值产量大幅度上升而价格则不断下降。目前，PLC在机

械制造、石油化工、轻工业等领域的应用得到了长足的发展。

近年来我国在PLC方面的研制、生产和应用发展很快，在应用方面作用尤为突出。

20世纪70年代末80年代初，随着国外成套设备、专用设备的引进，我国引进了不

少国外的PLC。此后，在传统设备的改造以及新设备的设计中，PLC的应用逐年增多，

并且取得了显著的经济效益。目前，PLC在国内的应用越来越广泛，其在我国工业自

动化领域的优势及作用越来越明显。

[1]

21世纪，PLC将会有更大的发展。计算机技术的新成果必将更多地应用于可编程

逻辑控制器的设计和制造上，PLC也会有运算速度更快、储存容量更大、更智能的型

号和品种出现，品种会更丰富、规模会更齐全。

1.2 研究目的及意义

随着科学技术的发展，PLC技术在许多领域得到了广泛的应用，尤其是在现代工

业的系统控制方面，PLC的功能强、可靠性高、编程简单、使用方便、体积小巧，被

誉为当代工业自动化的主要支柱之一。

随着当今社会越来越快的发展步伐，生产流水线控制系统将需要实现更多更加稳

定的功能，以PC机作为上位机、以PLC作为基本控制单元的集控制和管理于一身的

控制系统在现代化生产流水线及管理中越来越显示出优越性，PLC易学易懂、控制简

单，可以提高自动化生产流水线的生产效率。PLC用存储逻辑代替了接线逻辑，这使

得控制设备外部的接线大大的减少，也使得控制系统设计的周期大大的缩短，使同一

设备经过改变程序从而改变生产过程成为可能，这也很适合小批量、多品种的生产领

域。因为PLC，流水线的自动化程度更高、生产效率更高。因此基于PLC的生产流水

9

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

线电气控制系统的研究具有非常实用的意义，该研究一定会有很大的发展和应用空

间。

此课题研究的目的是在掌握一定的PLC知识的基础上，培养掌握知识、运用知识

解决问题的能力，培养一定的工程意识和创新意识，学会和熟悉一定的工程设计方法，

为进一步的学习和能力的培养奠定基础。

1.3 本文的主要内容

本文主要对生产流水线、PLC、变频器进行了相关介绍，对西门子S7-200 PLC

和MICROMASTER VECTOR（MMV）变频器构成的控制系统做了详细阐述。通过对设计目

标、设计思路的分析，采用了硬件与软件相结合并配合仿真的方法，利用PLC、变频

器以及电机之间的控制关系，研究设计了生产流水线某一控制电机的电气控制系统，

其中硬件设计部分有PLC I/O地址分配、S7-200接线图、变频器多段速控制及参数

设置、变频器接线图等；软件设计部分有SCR指令的应用、程序的设计编写、仿真结

果等。该控制系统具备启停、调试、单选等基本功能，电机带动的生产流水线某一部

分工作台能实现正转、反转以及多段速运行。通过仿真验证了该系统的实际性与可靠

性。

10

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

第二章 生产流水线电气控制系统设计

2.1 生产流水线简介

生产流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械，又称输送线或者输送机。

生产流水线大致可以分为以下七类：皮带流水线、板链线、网带线、倍数链线、插件

线、滚筒流水线及悬挂线。常用的有：

（1）板链式装配流水线

特点：其承载的产品可以比较重，因为和生产线同步运行，所以可以实现产品的

爬坡；因为是以链板面作为承载，所以生产的节拍不是很快，可以实现产品的平稳输

送。

（2）滚筒式流水线

特点：其可以承载类型广泛的产品，所受限制少；和阻挡器配合使用，从而可以

实现产品连续、积放以及节拍运行的功能；采用了顶升平移的装置，能实现产品的离

线检测以及返修但不影响整个流水线的运行。

（3）皮带式流水线

特点：其能承载的产品比较轻，但是在形状方面限制少；因为和生产线同步运行，

所以可以实现产品的爬坡转向；其以皮带作为输送载体，可以实现产品的平稳输送并

且噪音小；另外还可实现轻型物料或着较长距离产品的输送。

（4）差速输送流水线

特点：采用倍速链牵引，工装板可自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或

停止，工件在两端可自动顶升，横移过渡，还可设旋转、检测设备、机械手等。

流水线是加工量到了一定数量后的必然选择，其输送能力大，运距长，可以减少

工件的搬运，提高加工效率，有利于提高产品质量，减少加工费用，所以应用十分广

泛。

图2-1 某一生产流水线简易示意图

11

3~

1号电机

3~

2号电机

3~

3号电机

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参照图2-1，当流水线需要启动时，3个电动机的启动顺序为：3号、2号、1号；

当流水线需要停止时，3个电动机的停止顺序为：1号、2号、3号。电机的启停由电

气控制系统进行控制。

2.2 设计目标

生产流水线工作台由电机带动，本课题的电气控制系统设计针对生产流水线当中

某一电机，最终需要实现电机的正向、反向以及多段速运行，使其具备启停、调试、

单选等功能。电机多段速运行情况如下图所示。

图2-2 电机多段速运行示意图

具体目标如下：电机启动，当电机自动运行时将分五档速度连续运转，正转一档

速度（300r/min）、正转二档速度（900r/min）、正转三档速度（1500r/min），反转四

档速度（600r/min）、反转五档速度（1500r/min）；当电机进行调试时以一档速度

（300r/min）运行，可实现正反转调试；此外，在单选状态下，电机可以以任意一级

速度恒速正转运行；需要时电机可以随时停止。

2.3 设计思路及实现

根据公式 f = n P /60可知，对于一台电机，转速n与频率f成一一对应关系，

12

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

故可以利用变频器控制频率的变化从而来实现电机的多段速运行。另一方面，通过

[2]

对变频器工作原理的理解可知，控制变频器开关量的输入可以实现多个固定频率的输

出。所以，合理运用PLC，其输出信号作为变频器开关量的输入控制信号，变频器控

制电机运行于多档转速即可构成PLC配合变频器的电气控制系统，通过软件与硬件结

合，即可达到设计目标。

通过对设计目标的分析，结合PLC输入开关元件，该生产流水线某一部分控制电

机的电气控制系统实现内容如下：按下SB1，电动机启动；按下SB12，电动机自动多

段速连续运行，工作台运行；按下SB2，电动机停止，工作台停止运行；按下SB4，

电动机正转；按下SB5，电动机反转；按下SB3，调试，电动机以一档转速运行；按

下SB6，单选，电动机以任意一级速度恒速运行；按下SB7，电动机以一速运行；按

下SB8，电动机以二速运行；按下SB9，电动机以三速运行；按下SB10，电动机以四

速运行；按下SB11，电动机以五速运行。

根据以上分析，生产流水线中某一部分由PLC和变频器组成的控制系统示意图如

下：

图2-3 PLC和变频器组成的控制系统示意图

13

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第三章 控制系统的硬件设计

3.1 西门子S7-200 PLC

3.1.1 PLC的组成及工作原理

可编程逻辑控制器（PLC）主要由中央处理单元、存储器、输入输出模块、电源

和外部设备等几部分组成。

[3]

（1）中央处理单元（CPU）

与通用计算机中的CPU一样，PLC中的CPU是PLC整个系统的核心。 其主要由

运算器、控制器、寄存器以及地址总线、数据总线、控制总线构成，还有外围芯片、

接口及有关电路。CPU决定了整个系统的控制规模、工作速度、内存容量等。PLC中

所配置的CPU 随机型不同而不同，一般有三大类：一类为通用微处理器，如8086、

80286等；一类为单片微处理器，如8051、8096等；还有一类是位处理器，如AMD2900、

AMD2903等。一般情况下，PLC档次越高，CPU位数越多，储存容量也越大。有时，

为了提高PLC的控制性能，系统采用多个PLC，其智能模块由单独的CPU进行控制。

CPU中控制器控制PLC工作，它读取指令、解释指令、执行指令；运算器用于算

术或逻辑运算，由控制器指挥工作；寄存器主要储存运算的中间结果，也是由控制器

指挥工作。

PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC进行工作，主要有：

①接收从编程器输入的用户程序以及数据。

②对PLC内部电路工作故障、电源以及编程存在的语法错误等问题进行诊断。

③通过输入接口来接收现场的状态或数据，并且将其存入到数据寄存器或输入映

像寄存器中。

④从存储器中逐条一一读取用户程序，解释然后执行。

⑤根据执行结果，更新标志位的状态以及输出映象寄存器中的内容，通过输出单

元来实现输出控制。

（2）存储器

存储器主要用于存储程序以及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

PLC中的存储器一般包括系统程序储存器和用户程序储存器两部分。系统程序储

存器存储系统的监控程序，一般情况下采用只读存储器（ROM），其具有掉电不丢失信

14

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

息的特性；用户程序存储器用于存储根据工艺要求或控制功能而设计的控制程序，在

早期一般采用随机读写存储器（RAM），其需要后备电池用来在掉电后保存程序。目前

倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存，从而免去了后备电池的麻烦。

一般而言，多数PLC可以扩展存储器容量。

系统程序是PLC 的制造厂家编写的，和PLC硬件组成有关，其完成系统诊断、

解释命令、调用管理功能子程序、逻辑运算及参数设定等各种功能，提供PLC运行的

平台。系统程序关系到PLC的性能，在PLC使用过程中不会变动，是由制造厂家直接

固化在只读存储器中的，用户不能访问和修改。

用户程序是随PLC控制的对象而定的，是由用户根据对象生产工艺控制要求而编

制的应用程序。为方便读出、检查和修改，用户程序一般存于静态RAM中。为防止干

扰对RAM中程序的破坏，当用户程序运行正常并且不需要改变时可将其固化在只读存

储器中。现在许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。

在PLC运行过程中经常变化以及存取的一些数据叫做工作数据，其存放在RAM

中以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，有存放输入输出继电器、定

时器、辅助继电器等逻辑器件的存储区，用户程序的初始设置和运行情况决定了这些

器件的状态。

因为系统程序以及工作数据与用户没有直接联系，所以在PLC 产品样本或者使

用手册中列出的存储器形式及容量都是指用户程序存储器。当PLC的用户存储器容量

不够用时，许多PLC还提供存储器扩展功能。

（3）输入/输出模块

输入模块和输出模块通常也称为I/O模块或I/O单元，是PLC与生产现场之间的

连接部件。起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。 PLC提供了具有各种工作电

平、驱动能力和连接形式的I/O模块可供用户选用，如电气隔离、串/并行变换、电

平转换、开关量输入/输出、数/模转换、模/数转换及其他功能模块等。PLC通过输

入模块可以检测被控对象的数据，以这些数据作为PLC进行控制的依据，同时，PLC

又通过输出模块将处理结果送给被控对象从而实现控制目的。

因为外部输入和输出设备所需要的信号电平是多样的，而PLC内部CPU处理的信

号只能是标准电平，所以要通过I/O模块实现这种转换。I/O模块一般都有光电隔离

和滤波功能来提高抗干扰能力。此外，I/O模块上通常有状态显示，便于维护。

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江苏科技大学本科毕业设计（论文）

I/O模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。I/O

模块上通常还有I/O接线端子排和状态显示，便于用来链接和监视。开关量模块按电

压分有220V AC、110V AC、24V DC等规格；按照隔离方式分有晶闸管输出、继电器

输出、晶体管输出等类型。模拟量模块按照信号类型分有电流型、电压型等规格；按

照精度分有12位、14位等规格。

（4）电源

PLC中不同的电路单元需要不同的工作电源，在整个PLC系统中电源起着十分重

要的作用。PLC一般都配有开关式稳压电源，用来给PLC的内部电路以及各模块的集

成电路提供工作电源。有些机型还向外提供24V的直流电源，用于给外部输入信号或

传感器供电，减少了外部连线，为用户提供了方便。在有些PLC中把CPU与电源合二

为一，而有些是分开的。在输出类型上，有110V或者220V的交流输入，还有24V

的直流输入。

（5）外部模块

①编程设备。常见的有简易手持编程器、基于PC的编程软件、智能图形编程器

等。编程设备用于输入和编辑用户程序，设定一些系统参数、监控PLC及其控制系统

的状态。编程设备是PLC在应用系统设计与调试、监控运行、检查维护中不可或缺的

部件，但其不直接地参与现场控制。

②其他外设。除了编程设备外，PLC还有用来记录程序和信息的盒式磁带机、用

来打印程序和报表的打印机、用来显示或监视系统中相关部分运行状态的图形监控器

等外部设备。

当PLC处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。在运行模

式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输

出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复

执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。PLC这种周而复始的工作方式称为循

环扫描工作方式。当PLC投入运行后，它的工作过程一般分为三个阶段，也就是输入

采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成这三个阶段称作一个扫描周期。在

[4]

整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段

在此阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O

16

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

映象区中的相应单元内。采样结束后转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶

段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中相应单元的状态和数据也不会改

变。

（2）用户程序执行阶段

在此阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次扫描梯形图。在扫描每一条梯形图时，

又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺

序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新系统RAM

存储区中该逻辑线圈对应位的状态，或者刷新I/O映象区中该输出线圈对应位的状

态，或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的数据和状态不会发生变

化，而输出点和软设备在系统RAM存储区或者I/O映象区内的状态和数据都可能发生

变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的梯形图起作用，相反，

排在下面的梯形图，其被刷新的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面

的程序起作用。

（3）输出刷新阶段

在扫描用户程序结束以后，PLC就会进入输出刷新阶段。在此阶段，CPU按照I/O

映象区内对应的数据和状态刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外部

设备。这时才是PLC的真正输出。

3.1.2 S7-200 PLC简介

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能强，可

靠性高。其中，S7-200系列是整体式的，CPU模块、I/O模块和电源模块都在一个

[5]

模块内，称为CPU模块。同一机架上的模块之间是通过模块正上方的数据接头连接的。

它的编程语言有三种，即语句表（STL）、梯形图（LAD）、功能块图（FBD）。

S7-200 PLC发展至今，大致经历了两代：第一代产品，其CPU模块为CPU 21X，

主机都可进行扩展，它具有四种不同配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215

和CPU 216。第二代产品，其CPU模块为CPU 22X，主机都可进行扩展，具有五种不

同配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226和CPU226XM，除CPU 221

之外，其它都可加扩展模块，是目前小型PLC的主流产品。西门子S7-200 PLC在实

时模式速度快，有较高的生产力，可以与其他控制器结合使用。

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江苏科技大学本科毕业设计（论文）

S7-200硬件系统由基本单元（CPU）、扩展单元、特殊功能模块、相关设备组成。

S7-200 PLC具有以下特点：

（1）集成的24V电源。可直接连接到传感器，其中，CPU224输出280mA，可用

作负载电源。

（2）通信口。其中，CPU221、CPU222以及CPU224具有1个RS-485通信口，CPU226

具有2个RS-485通信口，S7-200支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。

（3）高速脉冲输出。S7-200具有两路高速脉冲输出端，频率达20KHZ，可用于

控制步进电机或者伺服电机。

（4）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。

（5）电池模块。用户数据可通过内部的超级电容存储大约5天。选用电池模块

能延长存储时间到200天。电池模块插在存储器模块的卡槽中。

（6）数字量输入/输出点。CPU221具有6输入/4输出；CPU222具有8输入/6

输出；CPU224具有14输入/10输出；CPU226具有24输入/16输出。

（7）高速计数器。具有几个高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更高的脉冲

信号。

S7-200 PLC的应用领域从更换继电器和接触器一直扩展到单机、网络以及分布

式配置更复杂的自动化领域。S7-200 PLC具有结构紧凑小巧、大容量程序和数据存

储、实时响应快、操作顺序和过程控制快速和精确、易于配合STEP7-Micro/WIN32

工程软件使用等优点。

3.1.3 I/O地址分配

此次课题中使用的S7-200 PLC 的CPU 224XP CN，其具有14个输入点和10个输

出点。结合此设计需要满足的功能要求以及开关元件，考虑PLC与变频器之间的输入

输出控制关系，S7-200 I/O地址可按如下分配：

表3-1 I/O地址分配表

输入 输出

功能 元件 地址 功能 地址

启动 SB1 I0.1 DIN3 Q0.1

停止 SB2 I0.2 DIN4 Q0.2

调试 SB3 I0.3 DIN5 Q0.3

正转 SB4 I0.4 DIN1 Q0.4

反转 SB5 I0.5 DIN2 Q0.5

单选 SB6 I0.6

18

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

一速 SB7 I0.7

二速 SB8 I1.3

三速 SB9 I1.4

四速 SB10 I1.0

五速 SB11 I1.1

自动 SB12 I1.2

3.1.4 S7-200 PLC接线图

图3-1为S7-200PLC（CPU 224XP CN）DC电源/DC输入/DC输出端子接线图，DC

输入端由1M、I0.0~I0.7构成的第一组和由2M、I1.0~I1.5构成的第二组组成，1M

和2M分别为各组公共端，DC 24V的负极接公共端1M或者2M，输入开关的一端接DC

24V的正极，输入开关的另一端接CPU 224XP CN各输入端；DC输出端由1M、1L+、

Q0.0~Q0.4构成的第一组和由2M、2L+、Q0.5~Q1.1构成的第二组组成，1M和2M分别

为各组公共端，DC 24V的负极接1M、2M端，正极接1L+、2L+端，Q0.1~Q0.4输出一

端接CPU 224XP CN各输出端，另一端分别与变频器端7、端8、端16、端5连接。

图3-1 S7-200 PLC接线图

19

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

3.2 西门子MICROMASTER VECTOR变频器

3.2.1 变频器的工作原理

变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积

大故障率高而应用受限。变频器是通过整流、斩波、逆变等基本过程以及对电力半导

体器件（如IGBT等）的PWM控制等，将电压和频率固定不变的工频交流电电源变换

为电压或频率可变的交流电电源，最终实现对电机的调速运行。变频器的组成单元

[6]

有整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提

供其所需的电源电压，从而达到节能以及调速的目的，另外，变频器还有很多保护功

能，比如过流保护、过压保护、过载保护等等。变频器具有调速范围宽、调速精度高、

动态响应快、运行速率高、控制灵活、安装调试操作方便且易于同其他设备连接等一

系列优点，随着社会的不断进步与发展以及工业自动化程度的不断提高，变频器得到

了非常广泛的应用。

变频器主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，主电路大体上

可以分为两类：电压型和电流型。电压型是将电压源的直流转换为交流的变频器，其

直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流转换为交流的变频器，其直流回路

滤波是电感。

变频器主电路的组成有三部分，分别是整流器、平波回路和逆变器。整流器的作

用是将工频电源转换为直流功率，即将工作频率固定的交流电转换为直流电；平波回

路的作用是吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动；逆变器，由大功率开关晶体管阵

列组成电子开关，其作用是将直流功率转换为交流功率，即将直流电转化成不同频率、

宽度、幅度的方波。另外，给主电路提供控制信号的回路叫做控制电路，它是由频率、

电压的运算电路，主电路的电压、电流检测电路，电动机的速度检测电路，放大运算

电路控制信号的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路组成的。

3.2.2 变频调速

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而来改变其同步转速n的调速方法。

[7]

提供变频电源的变频器是变频调速系统的主要设备，变频器可分成交直交变频器和交

交变频器两大类，目前我国国内大都使用的是交直交变频器。它的特点如下：

[8]

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江苏科技大学本科毕业设计（论文）

(1) 效率高，在调速的过程中没有附加损耗。

(2) 应用范围广泛，可运用于笼型异步电动机。

(3) 调速范围大，特性硬，精度高。

(4) 技术复杂，造价高，维护检修困难。

(5) 变频调速适用于对精度以及调速性能要求较高的场合。

变频调速技术在国民经济和日常生活中有着很重要的地位：

(1) 应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。

(2) 是节约能源的高新技术。

(3) 是国际上技术更新换代最快的领域。

(4) 是高科技领域的综合性技术。

(5) 是替代进口、节约投资的最大领域之一。

变频调速以变频器向交流电动机供电，从而构成开环或闭环系统。变频器是把固

定电压、固定频率的交流电转换成可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电

动机变频调速的控制装置。

[9]

3.2.3 MMV变频器简介

MICROMASTER VECTOR (MMV)是具有免测速机矢量控制功能的通用型变频器,用于

控制三相电机的转速。免测速机矢量控制可以计算出所需输出电流及频率的变化量以

维持所期望的电机转速,而不受负载条件变化的影响。

MMV变频器具有如下特点：

(1) 安装、设定、调试简便。

(2) 矢量控制的起动转矩高并且速度精度高。

(3) 单相输入的MMV12-MMV300可提供内装RFI滤波器选件。

(4) 快速电流限幅可以运用于无跳闸应用。

(5) 0°C到50°C的温度范围。

(6) 内部自带PID控制功能，可以完成闭环过程控制，为用于反馈的传感器提供

15V、50mA供电。

(7) 可通过RS-485串口实现远程控制,此外使用USS通讯方式最多可以控制31

台变频器。

(8) 输出频率(即电机转速)可由以下方法控制：

21

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

① 前面板频率给定

② 外部电位计控制电机转速

③ 高分辨率的模拟量给定值(电压或电流输入）

④ 8个固定频率设定。

⑤ 电动电位计功能

⑥ 串行接口

3.2.4 参数设置

变频器可以通过前面板上的薄膜型按键改变和设定参数，以调节出所需要的变频

器特性，例如最大和最小频率等。被选定的参数号和设定的参数值通过四位LED显示

屏显示出来。值得注意的是，如果间断性地按键，数值将一步一步地改变，如果长时

间地按住键，数值将快速地改变。参数能否读取，取决于P009的设定。

[10]

按照生产流水线电气控制系统的设计要求，参数设置如下：

表3-2 MMV变频器参数设置

参数 功能 参数设置 说明/注释

P001 显示选择 0 0=输出频率（HZ）

P006 频率设定方式选择 2 2=固定频率

P007 面板操作控制 0 0=运行

P009 参数保护设定 3 3=所有参数可被读写

P041 固定频率（HZ） 10

P042 固定频率（HZ） 30

P043 固定频率（HZ） 50

P049 固定频率（HZ） 20

P048 固定频率（HZ） 50

P051 选择控制功能 1 1=运行，向右转

P052 选择控制功能 2 2=运行，向左转

P053 选择控制功能 17 17=二进制固定频率

P054 选择控制功能 17 17=二进制固定频率

P055 选择控制功能 17 17=二进制固定频率

控制

控制

控制

3.2.5 多段速控制

变频器的多段速是通过功能端子控制的，这些功能端子按照二进制的规律组合接

通时，变频器输出各固定频率。MMV变频器最多可以通过3个端子组合闭合控制生

[11]

22

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成8种固定频率，根据f = n P /60可知，从而得到8段速。表3-3中“1”表示该

端子的控制闭合；“0”表示该端子的控制断开。由段速表可见，DIN3、DIN4、DIN5

功能端子按照表中的对应关系进行闭合时，得到8种固定频率。

表3-3 二进制编码固定频率表

DIN3（P053） DIN4（P054） DIN5（P055）

FF5（P046） 0 0 0

FF6（P047） 0 0 1

FF7（P048） 0 1 0

FF8（P049） 0 1 1

FF1（P041） 1 0 0

FF2（P042） 1 0 1

FF3（P043） 1 1 0

FF4（P044） 1 1 1

因此，为了使PLC与变频器相结合对电机进行控制从而达到生产流水线电气控制

系统的控制要求，S7-200PLC输出点与MMV变频器的对应关系应该如表3-4所示。

表3-4 PLC输出点与变频器对应关系

Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5

DIN3 DIN4 DIN5 DIN1 DIN2 速度频率

FF1 1 0 0 1 0 300 10

FF2 1 0 1 1 0 900 30

FF3 1 1 0 1 0 1500 50

FF8 0 1 0 0 1 600 20

FF7 0 1 1 0 1 1500 50

(r/min) (HZ)

3.2.6 变频器接线图

参照MMV变频器操作手册，接线图如图3-2所示。

[12]

23

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图3-2 变频器接线示意图

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第四章 控制系统的软件设计

4.1 PLC编程

随着社会的进步与快速发展，微处理器、计算机以及数字通信技术的发展飞速，

如今计算机控制几乎已经扩展到了所有的工业领域。在这种情况下，现代社会要求制

造业对市场需求作出迅速的反应，要求生产出小批量、多品种、多规格并且低成本和

高质量的产品。因此，为了满足这些要求，生产设备以及自动化生产线的控制系统必

须具有极高的可靠性和灵活性，PLC编程应运而生，它是以微处理器为基础的通用工

业控制装置。PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行

时，CPU根据按控制要求编制好并储存于用户存储器中的程序，按照指令步序号(地

址号)作周期性循环扫描，如果没有跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用

户程序，直至程序结束，然后再重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描，在每次

扫描过程中，还要完成对输入信号的采样以及对输出状态的刷新等工作。

PLC的用户程序，是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言

的编制规范，按照实际需要使用的功能来设计的。只要用户能够掌握某种标准编程语

言，就能够使用PLC在控制系统中，实现各种自动化控制功能。

根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3），PLC有五种

标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺

序功能流程图语言（SFC）、结构文化本语言（ST）。其中，梯形图语言是PLC程序

设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。它在形式上沿

[13]

袭了传统的继电器—接触器控制图，是在原继电接触器控制系统的梯形图基础上演变

而来的一种图形语言。它将PLC内部各种编程元件和各种具有特定功能的命令用专用

图形符号、标号表示，并且按照逻辑要求及连接规律组合和排列，从而构成了表示

PLC输入、输出之间控制关系的图形。因为它在原继电接触器的基础上加进了许多功

能强大、使用灵活的指令并且将计算机的特点结合了进去，使得其逻辑关系清晰直观、

编程容易、可读性强，可以实现的功能大大超过了传统的继电接触控制电路，所以得

到了广泛的欢迎和应用。梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有

直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。

梯形图的设计应注意到以下三点：

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江苏科技大学本科毕业设计（论文）

（1）梯形图按从左到右、自上而下地顺序排列。每一逻辑行（或称梯级）起始

于左母线，然后是触点的串、并连接，最后是线圈。

（2）梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是概念电流，从左流向右，其

两端没有电源。这个概念电流只是用来形象地描述用户程序执行过程中应该满足线圈

接通的条件。

（3）输入寄存器用来接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点

驱动。因此，梯形图中只出现输入寄存器的触点，而不出现其线圈。输出寄存器则输

出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出寄存器线圈得电时，就有信号输

出，但不是直接驱动输出设备，而是要通过输出接口的继电器、晶体管或者晶闸管才

能实现。输出寄存器的触点也可供内部编程使用。

4.2 编程软件简介

STEP7-Micro/WIN32是运行在计算机Windows系统环境下的西门子S7-200系列

PLC的编程软件，其界面简单、实用，功能强大，易于操作人员掌握和使用。其通过

PC/PPI编程电缆连接计算机的RS-232串口和S7-200 PLC的RS-485通信接口后，编

程软件就可以向PLC下载或从PLC上载所编写的应用程序。程序运行过程中还可以对

PLC运行的情况进行监控，或通过强制命令对PLC进行调试。

STEP7-Micro/WIN32的主界面中，系统菜单和工具栏提供各种功能，指令树结构

列出了编辑资源，包括程序块、符号表、状态图、数据块、通信块等，还有所有可用

指令。在编辑区，可进行程序编辑。这种编程结构使用了模块化编程体系，程序结构

简单、组织方便、层次清楚，有利于编写规模较大的程序。

编程软件有如下的具体功能：

（1）可以用梯形图、语句表和功能块图编程。

（2）可以进行符号编程，通过符号表来分配符号和绝对地址，也就是对编程元

件定义符号名称，增加程序的可读性，使之易于理解，并可打印输出。

（3）具有易于使用的组态向导，用于PID控制器、CPU间数据传输的通信功能

和高速计数器功能。

（4）支持三角函数、对数运算功能。

（5）可用于CPU硬件设置，如输入延时、实时时钟设置、通信系统的网络地址

和CPU最近的错误状态。

26

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

（6）可通过调制解调器支持S7-200远程编程。

（7）可进行故障检测和诊断、执行单次扫描、强制输出等。

（8）可以同时打开多个窗口显示状态表和信号状态。

（9）有可编辑的变量状态表，易于程序调试。

（10）可导入和导出STEP7-Micro/DOS格式的文件。

4.3 顺序控制继电器（SCR）指令

在工业控制工程中，用梯形图或语句表的一般指令编程，程序简洁但需要一定的

编程技巧，特别是对于一个工艺过程比较复杂的控制系统，如一些顺序控制过程，各

过程之间的逻辑关系、内部连锁关系复杂，其梯形图冗长，通常要有熟练的电气工程

师才能编制出控制程序。此时利用SCR指令编制，顺序控制程序清晰明了，统一性强，

适合初学者和不熟悉继电器控制系统的人员运用。其中，所谓顺序控制，是使生产过

程按工艺要求事先安排的顺序自动进行控制。

各种型号PLC的编程软件，一般都为用户提供了一些顺序控制指令。S7-200系

列PLC的编程软件有三条顺序控制继电器指令，包括LSCR（程序段的开始）、SCRT（程

序段的转换）、SCRE（程序段的结束）指令，从LSCR开始到SCRE结束的所有指令组

成一个SCR程序段，一个SCR程序段对应一个顺序步。

装载顺序控制继电器指令LSCR标记一个顺序控制继电器(SCR)程序段的开始。

LSCR指令把S位（例如S0.1）的值装载到SCR堆栈和逻辑堆栈栈顶，SCR堆栈的值

决定该SCR段是否执行，当SCR程序段的S位置位时，允许该SCR程序段工作。顺序

控制继电器转换指令SCRT执行SCR程序段的转换，SCRT指令有两个功能，一方面使

当前激活的SCR程序段S位复位，以使该SCR程序段停止工作；另一方面使下一个将

要执行的SCR程序段S置位，以便下一个SCR程序段工作。顺序控制继电器结束指令

SCRE表示一个SCR程序段的结束，它使程序退出一个激活的SCR程序段，SCR程序段

必须由SCRE指令结束。

同一地址的S位不可用于不同的程序分区，例如不可把S0.5同时用于主程序和

子程序中；在SCR段中不能使用JMP、LBL、FOR、NEXT、END指令，可以在SCR段外

使用JMP、LBL指令。

SCR指令应用可以是对单支流程、分支流程和选择性分支流程的控制。通过分析，

本课题中生产流水线电气控制系统设计即可运用SCR指令单支流程控制。SCR在应用

27

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

中，每一个状态（即每一顺序步）由三个要素组成：一、驱动输出，即这一步要做什

么；二、转移条件，即满足该条件时退出这一步；三、转移目标，即下一步状态是什

么。

4.4 程序设计

按照生产流水线电气控制系统设计要求，根据PLC工作原理以及I/O地址分配，

源程序梯形图设计如下：

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4.5 仿真结果

利用S7-200 PLC的配套编程软件STEP7-Micro/WIN32，软件与硬件相结合，对

程序进行仿真，结果如下：

（1）按下启动按钮SB1和自动运行按钮SB12，S0.2程序段工作，Q0.1、Q0.4

置位，电机以一档转速正转运行，同时时间继电器T37启动。

图4-1 程序仿真图1

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图4-2 程序仿真图2

（2）T37延时时间到，S0.5程序段工作，Q0.1、Q0.3、Q0.4置位，电机以二档

转速正转运行，同时时间继电器T38启动。

图4-3 程序仿真图3

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（3）T38延时时间到，S0.6程序段工作，Q0.1、Q0.2、Q0.4置位，电机以三档

转速正转运行，同时时间继电器T39启动。

图4-4 程序仿真图4

（4）T39延时时间到，S0.7程序段工作，Q0.2、Q0.3、Q0.5置位，电机以四档

转速反转运行，同时时间继电器T40启动。

图4-5 程序仿真图5

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（5）T40延时时间到，S1.0程序段工作，Q0.2、Q0.5置位，电机以五档转速反

转运行，同时时间继电器T41启动。

图4-6 程序仿真图6

（6）按下调试按钮SB3，S0.3程序段工作，Q0.1置位，按下正转按钮SB4，Q0.4

置位，电机以一档转速正转运行；按下反转按钮SB5，Q0.5置位，电机以一档转速反

转运行。

图4-7 程序仿真图7

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图4-8 程序仿真图8

图4-9 程序仿真图9

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（7）按下单选按钮SB6，S0.4程序段工作，按下一速按钮SB7，Q0.1、Q0.4置

位，电机以一档转速恒速正转运行；按下二速按钮SB8，Q0.1、Q0.3、Q0.4置位，电

机以二档转速恒速正转运行；按下三速按钮SB9，Q0.1、Q0.2、Q0.4置位，电机以三

档转速恒速正转运行；按下四速按钮SB10，Q0.2、Q0.3、Q0.4置位，电机以四档转

速恒速正转运行；按下五速按钮SB11，Q0.2、Q0.4置位，电机以五档转速恒速正转

运行。

图4-10 程序仿真图10

图4-11 程序仿真图11

图4-12 程序仿真图12

图4-13 程序仿真图13

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图4-14 程序仿真图14

图4-15 程序仿真图15

（7）按下停止按钮SB2，S0.2~S1.0程序段复位，Q0.1~Q0.5复位，电机停止运行。

图4-16 程序仿真图16

4.6 结论

通过程序仿真可知，该程序能够实现电机启动、停止、正转、反转、运行于五档

转速以及电机调试、单选速度恒速运行的功能，硬件调试验证了其可靠性。该程序的

应用实现满足生产流水线中某一部分控制电机控制系统的要求，达到了本课题的预期

设计目标。

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江苏科技大学本科毕业设计（论文）

结语

本次毕业设计课题是基于PLC的生产流水线电气控制系统设计。经过英文文献翻

译、查找学习相关资料、分析理解课题等前期准备阶段、硬件与软件设计等中期设计

阶段以及设置变频器参数、PLC仿真、排除故障解决问题等后期完成阶段，此课题顺

利完成，达到了设计目标。

此次课题研究采用硬件与软件相结合的方法，按照一定的思路，首先学习理解了

PLC以及变频器的工作原理，进而对S7-200 PLC、MMV变频器进行了具体的认知，在

I/O地址分配、参数设置、接线图、原理图设计的基础上，采用梯形图语言，利用SCR

指令编写了源程序并进行了仿真，完成了设计内容达到了设计目标，验证了PLC在现

代工业自动化控制领域中的重要性。

此外，由于条件的限制，此次毕业设计课题研究还有不完美之处。本课题只是对

简单生产流水线某一部分的电气控制系统进行了分析研究，实际生产领域中还有一些

相对复杂的生产流水线，其电气控制系统也有很大的研究价值。

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江苏科技大学本科毕业设计（论文）

致谢

本次毕业设计，从前期准备到后期完成，从资料搜集学习到论文的撰写，让我受

益匪浅。在此过程中，我遇到过不少困难与挫折，最后能够一一克服了，在此要特别

感谢指导老师马继先老师对我的悉心指导，马老师关心我的设计进程，从一开始的课

题分析到设计思路的形成给了我很多的指导与灵感，在硬件操作等方面给了我很大的

帮助。他严谨的治学、诲人不倦的精神深深感染了我，从他身上我学到了很多知识。

此外，还要感谢李建华及黄巧亮老师，在我设计进程困难的时候李老师和黄老师

在硬件方面给了我很大帮助与指导，也感谢王堂旺等同学对我设计的启发。

在设计过程中，我通过查阅文献资料并自学、与同学交流经验、自己摸索与学习、

向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，虽然有过失败与艰辛，但收获颇丰，感

谢这两个月帮助过我的所有人。

此次设计，拓宽了我的知识面，培养了我掌握知识、运用知识解决问题的能力，

培养了一定的工程意识和创新意识，学会和熟悉了一定的工程设计方法，也锻炼了我

独立工作的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。同时

我也明白了踏实认真做事的重要性，相信对我以后的工作肯定会有很大的帮助。

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

参考文献

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