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基于压铸机的PLC 控制系统(一)
摘要
根据工业现场的需要和可编程控制器(PLC)自身特点，本设计为基于压铸机的PLC 控制系统。在这个设计中，本设计采用西门子公司PLC S7-300系列可编程控制器为例。结合了书籍和资料，说明了PLC的工作原理、软件使用方法、PLC的硬件系统设计及PLC软件系统设计。实现了对压铸机的液压系统的控制。
在该设计中，PLC作为主机，压铸机作为从机，构成基于压铸机的PLC的控制，完成对压铸机的整个工艺流程的控制，可反映压铸机在整个工作过程的工作状况。
【关键词】可编程控制器；压铸机；液压传动
Abstract
According to the demand of industry the spot and programmable controller(PLC) oneself characteristics, this design for according to die-casting the PLC of machine control system.In this design, the serieses programmable controller of the company PLC S7-300 of this design adoption Siemens is an example.Combined book and data, explained design and the PLC software system design of the hardware system of PLC work principle, software operation method, PLC.Carried out to press the control of system towards die-castinging machine of liquid.
In that design, the PLC is a host, die-casting the machine is from the machine, constitute according to the control of PLC of die-casting the machine, and the completion can reflect to die-casting machine in the whole work condition of work process to the control which die-castings the whole craft process of machine.
【Keywords 】programmable controller;Die-casting machine;The liquid presses to spread to move
目 录
摘要 1
Abstract 2
前 言 ………………………………………………………………………………5
第1章 概述………………………………………………………………………6
1.1压铸机的定义、发展及特点…………………………………………………6
1.1．1压铸机的定义……………………………………………………………6
1.1.2 压铸机的发展……………………………………………………………6
1.1.3压铸机的分类……………………………………………………………7
1.1.4压铸机的特点……………………………………………………………7
1.2 压铸机的组成…………………………………………………………………8
1.3 压铸机的工作原理……………………………………………………………8
1.4 PLC 的定义、分类及特点……………………………………………………8
1.4.1 PLC的定义………………………………………………………………8
1.4.2 PLC的分类……………………………………………………………8
1.4.2.1按硬件结构类型分类……………………………………………8
1.4.2.1按应用规模及功能分类………………………………………9
1.5 PLC的功能及应用…………………………………………………………9
第2章 PLC与其他控制的比较……………………………………………10
2.1继电器控制方案……………………………………………………………10
2.2 集散控制方案 ………………………………………………………………10
2.3 PLC控制方案…………………………………………………………………11
2.4 方案比较…………………………………………………………………… 11
2.4.1 采用继电器控制系统………………………………………………… 11
2.4.2 采用集散控制系统…………………………………………………… 12
2.4.3 采用plc控制系统…………………………………………………… 12
第3章 控制对象的工艺流程说明…………………………………………13
3.1金属压铸机的工艺流程……………………………………………………13
3.2 操作方式……………………………………………………………………14
第4章 PLC系统硬件设计 …………………………………………………15
4.1 PLC的功能简介……………………………………………………………15
4.1.1主机系统………………………………………………………………15
4.1.2输入/输出扩展环节……………………………………………………15
4.2 PLC容量估算……………………………………………………………16
4.2.1 I/O点数的估算………………………………………………………16
4.2.2存储器容量的估算……………………………………………………17
4.2.3 I/O模块的选择………………………………………………………17
4.3分配输入/输出点……………………………………………………………18
4.4安全回路的设计……………………………………………………………19
第5章 PLC系统软件设计……………………………………………………21
5.1 PLC软件设计的内容………………………………………………………21
5.2 PLC系统的软件设计步骤…………………………………………………21
5.3 PLC应用系统设计实例……………………………………………………25
第6章 系统的调试……………………………………………………………26
6.1硬件调试……………………………………………………………………26
6.2软件调试……………………………………………………………………26
6.3系统联调……………………………………………………………………26
第7章 设计结论…………………………………………………………………27
参考文献…………………………………………………………………………30
前言
可编程控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适于在工业环境下应用等一系列优点，在工业自动化、机电一体化、传统产业技术改造等方面的应用越来越广泛，已成为现代工业控制的三大支柱之一。
可编程控制器是 20 世纪 70 年代诞生的通用自动控制装置，自第一台PLC问世以来，经过 30 多年的发展和完善，它已由原来仅仅代替继电器逻辑控制而变成一个集顺序逻辑控制、回路调节、图形监视、网络通信于一体的综合自动化系统发展成为被广泛应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，成为现代工业自动化的三大支柱（ PLC、机器人、CAD/CAM ）之一。PLC的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉，这是一个目前任何其他工业控制器都无法与之相提并论的巨大知识资源；其次，PLC系统硬件技术成熟，性能价格比较高，运行稳定可靠，开发过程也简单方便，运行维护成本很低。所有这些特点造就了PLC的旺盛生命力。
可编程序控制器，发展至今，除传统的硬PLC外，还有融入控制组态软件之中的软PLC(Softplc)。它们正在扩展着PLC在工控、工业自动化领域中所占有的市场份额。由于习惯与技术积累 PLC的传统用户，不可能一时放弃原有的投资，在技术改造过程中，在原有的投资基础上，增加性能更好的设备，以提高生产效率和扩大再生产。
近年来，随着可编程控制器( PLC )应用技术的发展的，其在工业生产中的应用也越来越广泛；根据工业现场的需要和 PLC 自身的特点，可编程控制器的在工业生产中也被广泛采用，使工业控制变得更为方便、灵活，也使得生产效率大大提高生产效益获得更大的经济。
然而，在工程生产的很多领域，我们都运用到了PLC，例如，在压铸机上我们运用它帮助我们完成了多个人的工作，实现了压铸机的智能化控制，从而降低了生产成本，提高了劳动效率。在工业上运用PLC是我们以后发展的必然方向，它将成为代替原始机械控制的有效控制装置。在工业生产中采用可编程控制器PLC，可利用其硬件和软件上采取的一系列抗干扰措施，使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。
概述
1.1压铸机的定义、发展及特点
1.1．1压铸机的定义
压铸机是用锌、铝合金、铜等金属为原料，在压力作用下把熔融金属液压射到模具中冷却成型，开模后得到固体金属铸件的一种工业机械。
1.1.2 压铸机的发展
压铸机是压铸生产中重要的基础技术装备，与压铸工艺的互存、互动关系非常突出，压铸工艺的改进或采用新的技术，都要有与之相应的或新型的压铸机作为技术支撑。
压铸技术起源于印刷工业的铅字铸造技术。19世纪初，世界印刷工业蓬勃发展，活字（单字母的铅字）的需求量日益增多，于是铸字机应运而生，1849年，Sturgiss制造了第一台用压铸法把铅铸成活字的压铸机（如图1），图中可见带有将喷口封住、打开和切断等动作的机构，以及用压射活塞压送熔融金属进入活字模型，可以说这就是压铸机的原始结构，而且机器还具有速度快、效率高，既经济，又可重复生产等特点。这台压铸机标志着压铸的“黄金时代”的开始。
图1-1 压铸铅活字的压铸机示意图 图1-2 压铸机示意图
1.操作杆 2.冲头 3.上压室 4.喷嘴切断阀 5. 喷口拉杆
6. 金属熔埚 7. 喷嘴 8. 内通道 9. 施压压室
1868年，英国人Charles Babbage 用一台手动压铸机生产了机械式计算机零件，开创了在压铸机上配用带刃边浇口的模具进行压铸生产的压铸技术1877年，Dusenbury发明了一种既有原始的热室压铸机压射机构，又有模具可以水平移动的压铸机，如图1-2所示，开辟了模具水平开合的新途径。于是，典型的热室压铸机便从此诞生。
20世纪50年代，我国自行设计制造出全液压的50型卧式冷室压铸机，锁模力有500 kN和1000 kN两种规格。及至20世纪80年代，有关单位继续完成了锁模力16000 kN以下的卧式冷室压铸机系列产品的开发；立式冷室压铸机也形成了锁模力2500 kN以下的系列产品；1986年试制出国内第一台J 1163 A型自动压铸机组；1990年开发出国内第一台柔性压铸单元，锁模力为4000 kN；其后的几年里，又将辅助装置和参数检测装置加以定型并形成产品。在压铸机的设计工作方面，20世纪80年代，设计的压铸机压射性能已接近当时的国外水平；合模机构全部采用液压驱动、曲肘机械扩力结构取代了全液压。
1.1.3 压铸机的分类
压铸机的分类方法很多，通常，主要按机器结构和压射室（以下简称压室）的位置及其工作条件加以分类，各种类型的压铸机的名称如图1-3所示。
图1-3 压铸机的分类
热室压铸机一般主电箱与主机分离，独立落地；头板、二板采用箱体或筋板式结构，刚度高而重量轻；油压式齿轮调模，传动平稳，确保四支哥林柱同步伸缩，准确保持头板、二板的平行度；机门采用挂入式安装，清理及维修时拆装方便。如图1.4所示为CM-168H型热压铸机。
图 1.4 CM-168H 型热室压铸机
冷室压铸机是采用数控电脑及电子尺操作，锁模，调模，顶针的压力、速度均可数控调整，带动态显示，操作简单容易；头板，二板采用箱体式结构，强度高而重量轻。 尾板，C型架采用加强筋、框架设计，强壮有力。如图1.5所示为CCM-380型冷室压铸机。
图1.5 CCM-380型冷室压铸机
1.1.4 压铸机的特点
1、液压元器件、密封件、电器元件全部采用进口件，可靠性更高，不漏油；
2、机械部分的模板、曲臂、采用进口加工中心制造，并用三坐标仪检测，精度更高，无故障工作时间长。曲臂润滑采用集中润滑站加定量分配器的方式，保证每一点的润滑可靠，使运动机件的工作更可靠；
3、液压回路采用高低压双联泵、压力流量双比例阀，根据工作设定准确卸荷、降低能耗，油温低，夏天工作更可靠；
4、采用更先进的增压控制油路，具有高的压射速度、增压反应时间、上升时间更短，工艺重复性更好，可调范围更宽；
5、为了便于不同厚度压铸模的安装，动型模与静型模容模量调节，是采用液压马达驱动。较之电力驱动，液压驱动更加平稳、安全。
6、压射部分连接采用C形架结构，确保压射同心度及稳定性。
1.2 压铸机的组成三板：动型座板、定型座板、尾板哥林柱：曲轴机构：长铰、小铰、钩铰、并连接动型座板、尾板及合开模液压缸顶出机构：顶出液压缸、顶针、固定在动型座板调模机构：调模马达、齿轮组件、固定在尾板上润滑系统：曲肘润滑泵、油排、油管、分流器
1.3 压铸机的工作原理
第一阶段慢速压射运动开始压射时，系统液压油通过油路集成板进入C2腔，再经A3通道进入C1腔，从而推动压射活塞2向左运动，实现慢速压射。 第二阶段快速压射运动，当压射冲头超过料筒浇料口后，储能器3控制阀打开，液压油经A1、A3口迅速进入C1腔，C1腔液压油油量快速增大，压射速度增快。 第三阶段增压运动金属液填充到型腔，当即将终止时，合金液开始凝固，这时冲头前进阻力增大，经电脑程序控制，使用蓄能器4控制阀打开，经A2快速进入C3腔，从而推动增压活塞5及活塞杆6向左快移。当活塞杆6和浮动活塞7内外锥面接合时，A3截断，使C1形成封闭腔，增压活塞、活塞杆、浮动活塞的推动及C1、C2腔的压力共同使活塞2获得一个增压效果。
1.4 PLC的定义、分类及特点
1.4.1 PLC的定义
可编程序逻辑控制器即PLC（Programmable Logic Controller）。PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。
1.4.2 PLC的分类
1.4.2.1 按硬件结构类型分类
可编程序控制发展很快，为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，起结构与普通计算机有很大的区别。通常从组成结构形式上将这些PLC分为两类：一类是一体化整体式PLC，另一类是结构化模块式PLC。
1.4.2.2 按应用规模及功能分类
为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处理的输入/输出信号数是不一样的。一般将一路信号叫做一个点，将输入点和输出点的点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小（微）、小、中、大、超大等五种类型。
1.4.3 PLC的特点
PLC能如此迅速发展的发展原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中的普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。它在编程中简单易学，PLC的功能强，性能价格比高，它的硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统设计、安装、调试工作量少；工作人员维修工作量小，维护方便；体积小能耗低。
1.5 PLC的功能及应用
PLC的应用面越来越广，主要是：一、由于微处理机芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；二、PLC的功能增强，能解决复杂的计算机和通信问题。目前，PLC在国内外已广泛用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC主要应用在⑴、开关逻辑和顺序控制⑵、模拟控制⑶、定时控制⑷、数据处理⑸信号联锁系统⑹、通信联网等。最近一个时期内，PLC 产品的市场需求量一直保持平稳上升趋势。其一，PLC 是集三电一体化的多功能综合自动化装置。所谓的三电指的是电控、电仪和电传，这三种控制装置常常在一个工厂、一个车间，甚至在一个工段或一台设备上并存，却自成系统，互不往来。而只需要一台 PLC 控制设备既有逻辑控制功能，又有过程控制和运动控制功能，大大提高了生产效率、实现优化控制，使得 PLC 在竞争中居于强有力的地位。其二，PLC 能够与其他工业控制产品很好地融合。PLC 与 PC（个人计算机）的融合，PLC 与 DCS 的重叠融合，PLC 与 CNC 的融合等，都说明 PLC 与工业控制系统的一致性很高。
总之，PLC 在工业控制中应用极为广泛，可以说是无处不在。
第二章PLC与其他控制的比较
2.1 继电器控制方案
几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中被大量应用（如图2.1所示为工业生产控制流程）。继电器控制柜是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过程发生改变，则控制柜必须重新设计、重新装配。
图2.1 继电器控制压铸机的示意图
2.2集散控制方案
集散控制系统又称分散控制系统，它是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。它的应用场合是连续量的控制，集散控制系统是按用户的程序指令工作的。在集散控制系统中，根据被检测对象的特性采用不同的采样速度，例如，对流量点的采样周期是1s，对温度点的采样周期是20s等。此外，在集散控制系统中，可有多级优先集中断的设置。
图2.2 集散控制压铸机的示意图
2.3 PLC控制方案
PLC由于应用了微电子技术好计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，因此只要改变程序并改变少量的接线端子，就可适应工艺的改变。从适应性、可靠性、方便性及设计、安装、维护等各方面进行比较，PLC都有显著的优势（如图2.2所示）。因此在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制系统大多数将被PLC取代。
图2.3 压铸机的PLC控制原理图
2.4方案比较
2.4.1 采用继电器控制系统
1、逻辑工作量大，接线多
2、受机械触电影响，寿命限制
3、环境差，会降低可靠性和寿命
4、更换继电器维护费用高
2.4.2 采用集散控制系统
1、不适于用于开关量的逻辑控制
2、不能按扫描方式工作
3、采样速度不均，运算速度较低
4、集散控制所需存储量较大
5、集散控制不够方便、灵活
2.4.3 采用PLC控制系统
PLC能如此迅速的的选择发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多的优点。
1 编程方法简单易学
2、功能强，性能价格高
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
从图2.3中可以看出采用PLC控制后，使原来继电器控制的大量开关量动作由无触点的电子线路来完成软件程序代替了继电器的繁杂连线，即方便灵活，可靠性大大提高。
由此可见，PLC控制比继电器控制更能较好的解决了工业控制领域中的普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。我们在设计过程中应采用PLC控制。然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。
控制对象的工艺流程说明
3.1 金属压铸机的工艺流程
金属压铸机工作示意图，如图3.1所示，压铸机的动作由液压油缸推动，执行元件为电磁阀。其工艺流如下：
图3.1 卧式冷室压铸机工作示意图
3.1.1 金属压铸机工艺流程
金属压铸机的工艺流程如图3.2所示。
原位：模板在开模确认位置，开模确认限位开关闭合；洗模嘴上升归位，喷嘴归位限位开关闭合。
关模：有启动信号按下后，关模电磁阀通电，模板右移。
射出：当模板右移到位，射出确认限位开关闭合，射出电磁阀通电，射出活塞向左移，将金属推进模内。
冷却：射出活塞自动归位，射出确认限位开关闭合，冷却水电磁阀通电，利用冷却水成型。
开模：延时5S待工件冷却后，开模电磁阀通电，模板左移，工件自动顶出。
洗模：模板左移到位，开模确认限位开关闭合，喷嘴下移，洗模液电磁阀均通电，喷嘴下移并洗模液。
复位：喷嘴下移到位，喷嘴下限限位开关闭合，喷嘴上移电磁阀通电，喷嘴上升回到原位。
3.2 操作方式
PLC系统硬件设计
4.1 PLC的功能简介
S7-300功能简介
PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。
4.1.1主机系统
PLC的主机系统由微处理器单元、存储器、输入单元、输出单元、IO扩展接口，外设IO接口以及电源等部分组成。各部分之间通过内部系统总线进行连接，如图4.1所示。
4.1.2 输入/输出扩展环节
PLC的外部设备主要是编程器、彩色图形显示器、打印机等。
编程器：它是编制、调试PLC用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。
彩色图形显示器：大中型PLC通常配接彩色图形显示器，用以显示模拟生产过程的流程图、实时过程参数、趋势参数及报警参数等过程信息，使得现场情况一目了然。
打印机：PLC也可以配接打印机等外部设备，用以打印记录过程参数、系统参数以及报警事故记录表等。
PLC还可以配置其他外部设备，例如，配置存储器卡、合式磁带机或磁盘驱动器，用于存储用户的应用程序和数据；配置EPROM写入器，用于将程序写入到EPROM中。
4.2 PLC容量估算
PLC容量包括两个方面：一是I/O点数，二是用户存储器的容量。
4.2.1 I/O点数的估算
根据功能说明书，可统计出PLC系统的开关量I/O点数及模拟量I/O通道数，以及开关和模拟量的信号类型。考虑到在前面的设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情况以及隔离于接地要求，应在统计后得出I/O总点数的基础上，增加10%～15%的裕量。考虑裕量后得出I/O总点数估算值，该估算值是PLC选型的主要技术依据。考虑到今后的调整和扩充，选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估算值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30%左右的 量。
4.2.2 存储器容量的估算
用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理器、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用是内存大致如下：
开关量输入所需存储器字数=输入点数×10
开关量输出所需存储器字数=输出点数×8
定时器/计数器所需存储器字数=定时器/计数器数量×2
模拟量所需存储器字数=模拟量通道数×100
通信接口所需存储器字数=接口个数×300
存储器的总字数再加上一个备用量即为存储器容量。例如，作为一般应用下是经验公式是：
所需存储器容量（KB）=(1～1.25)×(DI×10+DO×8+AI/O×100+CP×300)/1024其中：DI为数字量输入总点数；DO为数字量输出总点数；AI/AO为模拟量I/O通道总数；CP为通信接口总数。
4.2.3 I/O模块的选择
开关量输入模块的选择
PLC的输入模块用来检测来自现场（如按钮、行程开关、温控开关、压力开关等）电平信号，并将其转换为PLC内部的低电平信号。
选择输入模块主要考虑以下两点：
（1）根据现场输入信号（如按钮、行程开关）与PLC输入模块距离的远近来选择电压的高低。一般，24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。
（2）高密度的输入模块，如32输入模块，允许同时接通的点数取决于电压和环境温度。一般，同时接通的点数不得超过总数入点数的60%。
开关量输入模块的选择
输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号转换为外部所需电平的输出信号，驱动外部负载。输出模块有三种输出方式：继电器输出、双向可控硅输出和晶体管输出。
输出方式的选择
继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通降压小，曾受瞬间电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触电，寿命较短。且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1HZ.
输出电流的选择
模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动，则应增加中间放大环节。对于点荣性负载、热敏电阻负载，考虑到接通是有冲击电流，故要留有足够的裕量。
允许同时接通点数
在选用输出模块时，不但要看一个输出点的驱动能力，还要看整个输出模块的满负荷能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大电流。
4.3分配输入/输出点
一般输出点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号，PLC的外部接线图如图4.2所示。
1、明确I/O通道范围
不同信号的PLC，其输入输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号。查阅相应的技术手册，弄清相应的I/O点地址的分配。
内部辅助继电器
内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其它继电器、定时器，计数器作为数据存储器或数据处理用。从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。
3、分配定时器/计数器
对用到定时器和计数器的控制系统，注意定时器和计数器的编号不能相同。若扫描式时间较长，则要使用高速定时器以保证计时准确。
4、数据存储器
在数据存储、数据转换以及数据运算等场合，经常需要处理以通道为单位的数据，此时应用数据存储器是很方便的。数据存储器中的内容，即使在PLC断电、运行开始或停止时也能保持不变。数据存储器也应根据程序设计的需要来合理安排，以避免重复使用。
图4.2 PLC外部接线图
4.4 安全回路设计
安全回路起保护人身安全和设备的作用，它应能独立于PLC工作，并采用非半导体的机电元件以便接线方式构成。
确保系统安全的硬件线逻辑回路，在以下几种情况下将安全保护作用：
1、PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时；
2、PLC失控时；
3、操作人员需要紧急干预时。
安全回路的典型设计，是将每个执行器均连接到一特别紧急停止（E-stop）区构成矩阵结构，该矩阵即为设计硬件回路的基础。设计安全回路的任务包括以下内容：
1、确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系；
2、设计硬件回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段；
3、确定其它与安全和完善运行有关的要求；
4、为PLC定义故障形式和重新启动特性。
PLC系统软件设计
5．1 PLC软件设计的内容
从应用角度来看，运用PLC技术进行PLC应用系统的软件设计与开发，不外乎需要两个方面的知识和技能，第一是学会PLC硬件系统的配置，第二是掌握编写程序技术。在熟悉PLC的指令系统后，就可以进行简单的PLC编程，但这还很不够，对于一个较为复杂的控制系统，设计者还需具备一定的软件设计知识，这
样才能开发出有实际应用价值的PLC应用系统。为此在熟悉PLC指令的基础上，对PLC应用软件的设计内容、方法、步骤以及编程工具软件进行比较全面的介绍。
PLC应用软件的设计是一项十分复杂的工作，它要求设计人员既要有PLC、计算机程序设计基础，又要有制动控制的技术，还要有一定的现场实习经验。
首先，设计人员必须深入现场，了解并熟悉被控对象（机电设备或生产过程）的控制要求，明确PLC必须具备的的功能，为应用软件的编制提出明确的要求和技术指标，并形成软件需求说明书。在此基础上进行总体设计，将整个软件根据功能的要求分成若干个相对独立的部分，分析它们在逻辑上、时间上的相互关系，使设计出的软件在总体上结构清晰、简洁、流程合理，保证后继的各个开发阶段及其软件设计规格说明书的完整性和一致性。然后在软件规格说明书的基础上，选择适当的编辑语言进行程序设计。所以，一个适用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容：
(1)PLC软件功能的分析与设计
(2)I/O信号及数据结构分析与设计；
(3)程序结构的分析与设计；
(4)程序设计规格说明书编制；
(5)用编程语言、PLC指令进行程序设计；
(6)软件测试；
(7)程序使用书编制
5．2 PLC系统的软件设计步骤
根据可编程控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上，用相应编程语言指令，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是应用系统软件设计。可编程控制器应用系统的软件设计过程如图5-1所示。
1）.制定设备运行方案
制定方案就是根据生产工艺的要求分析各输入输出与 各种操作的逻辑关系，确定需要检测的量和控制方法，并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。据此可得流程图。
2）.画出控制流程图
对于复杂的应用系统，需要绘制控制流程图，用以清晰的表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，可省去这一步。
3）.制定系统的抗干扰措施
根据现场工作环境、干扰源的性质等因素，综合制定系统的硬件和软件抗干扰措施，如硬件上的电源隔离、信号滤波、软件上的平均值滤波等。
4）.I/O地址分配
将8个输入信号9个输出信号，按各自的功能类型分好，并与PLC的I/O端一一对应，编排好地址。列出外部I/O信号与PLC I/O端地址编号对照表，如图5.4所示。
表5.1 I/O地址分配表
地址号 信号名称 说明
I0.0 启动按钮 按钮
I0.1 停止按钮 按钮
I0.2 操作方式选择 按钮
I0.3 开模限位开关 限位开关
I0.4 关模限位开关 限位开关
I0.5 射出限位开关 限位开关
I0.6 喷嘴归位限位开关 限位开关
I0.7 喷嘴下限限位开关 限位开关
Q0.0 PLC运行指示 灯
Q0.1 机器工作指示 灯
Q0.2 关模电磁阀 电磁阀
Q0.3 开模电磁阀 电磁阀
Q0.4 喷嘴下移电磁阀 电磁阀
Q0.5 洗模液电磁阀 电磁阀
Q0.6 喷嘴上移电磁阀 电磁阀
Q0.7 冷却水电磁阀 电磁阀
Q0.8 射出电磁阀 电磁阀
Plc在压铸机中的软件图表示为
图5.2.4 PLC应用系统的软件设计图
5.3 PLC应用系统设计
1工艺过程及控制要求
1）.工艺过程
图 5.2所示为一简易压铸机工艺流程图。该压铸机是一水平/垂直位移的机械设备，其操作是将金属液体通过右边液压推进模腔，待冷却后开模然后取出工件。
图5.2 压铸机工艺流程图
2）.控制要求
压铸机整个压铸过程要求能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制，以便对设备进行调整和检修。图5、3是压铸机控制系统逻辑流程图。
图5.3压铸机控制系统逻辑流程图
2、控制系统硬件设计
1）.PLC的选型
从控制流程中可以看出，在控制方式上需要3个按钮，分别完成自动方式、单动方式和手动方式启动，还需要一个停止按钮用来处理在任何情况下的停止运行。压铸机的限位开关有5个：喷嘴归位限位开关、喷嘴下限限位开关、开模确认限位开关 、关模确认限位开关、射出确认限位开关，共有8个数字量输入信号。输出信号有压铸机的PLC运行指示驱动信号、机器工作指示驱动信号、开模/关模驱动信号、喷嘴下移驱动信号、洗模液驱动信号、喷嘴上移驱动信号、冷却水驱动信号、射出驱动信号，共有9个数字量输出信号。
系统需要数字量输入信号8点，数字量输出9点，不需模拟量模块。选择S7-300 CPU313，加上数字量输入模块SM321及输出模块SM322就可以满足要求，而且还有30%的裕量。
2）、程序设计
根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。除此之外，程序通常还包括以下内容：
1.初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动做必要的准备，避免系统发生误动作。初始化的程序主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位与复位，对某些初始状态进行显示等等。
2.检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时在添加。
3.保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。
3）.编写程序
根据被控对象的输入输出信号及所定的plc型号分配plc的硬件资源，为梯形图的各种继电器或接点进行编号，再按照软件规格说明书（技术要求、编制依据、测试），用梯形图程序表示：
图 5.2.1-停止开关启动对所有启动开关进行置位
图 5.2.2-铸件冷却后开模电磁阀打开置位到喷嘴下移电磁阀
图5.2.3-开模延时5s后洗模液电磁阀打开
3.软件测试
刚编号的程序难免会有缺陷或错误。为了及时发现和消除程序中的缺陷和错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时都能做出正确的响应，需要对程序的离线测试。经调试、排错、修改及模拟运行后，才能正式投入运行。程序测试时重点应注意下列问题：
（1） 程序能否按正常要求运行；
（2） 各种必要功能是否具备；
（3） 发生意外事故时能否做出正确的响应；
（4） 对现场干扰等环境因素适应能力如何。
经过测试、排错和修改后，程序基本正确，下一步就可到控制现场试运行，进一步查看系统整体效果，还有哪些地方需要进一步完善。经过一段时间试运行，证明系统性能稳定，工作可靠，已达到设计要求，就可把程序固化到EPROM或EEPROM芯片中，正式投入运行。
4.编制程序使用说明书
当一项软件工程完成后，为了便于用户和现场调试人员的使用，应对所编制的程序进行说明，通常程序使用说明书应包括程序设计的依据、结构、功能、流程图，各项功能单元的分析，PLC的I/O信号，软件程序操作使用的步骤、注意事项，对程序中需要测试的必要环节可进行注释
系统调试
6.1 硬件调试
硬件实施方面主要是进行控制柜等硬件设计及现场施工。主要内容：
1. 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。
2. 设计系统各部分之间的电气互联图。
3. 根据施工图纸进行现场接线，并进行具体检查。
由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。
6.2 软件调试
将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通／断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。
6.3 系统联调
联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。
全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，假如工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。
设计总结
经过这一个来月的毕业设计和对相关资料的收集让我清楚的感到随着科技的不断发展和PLC的广泛应用，已经使我们的生活离不开它了。PLC它以自己的独特的优点征服了我们。在机械越来越受重视的21世纪，随着产品类型的不断增加及产品要求的不断提高，机械的工作量将会越来越大，并且其工作将是一件十分烦琐和非常容易出错的事情。在这样的情况下要实现机械网络系统是有其必然性的。如果能做出一个完善的机械网络系统就能把人工的工作量减少很多，
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个项目开发过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了，有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。毕业设计是在三年学习过程的最后阶段采用的一种总结性的实践环节。通过毕业设计，能使我综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。
毕业设计是在三年学习过程的最后阶段采用的一种总结性的实践环节。通过毕业设计，能使我综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。
在这次的毕业设计中虽然时间紧迫但我学会了很多，也感到自身知识的贫乏，希望在日后的努力中能做出更完善的系统来。
致谢词：
经过一个来月的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里，首先我要感谢我的各位指导老师。他们平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，在查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是老师仍然细心地纠正设计中的错误。除了敬佩他们的专业水平外，他们的治学严谨和科学研究的精神，也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次，我还要感谢大学三年来所有的老师，为我打下机电一体化专业知识的基础；同时我还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会得以顺利完成。 最后，我要感谢学院三年来对我的大力栽培。
【参考文献】
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10张万忠 孙晋 编著 可编程控制器入门与应用实例 北京：中国电力出版社 2005年7月
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