基于PLC的生产流水线电气控制系统设计.docx

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基于PLC的生产流水线电气控制系统设计

毕业设计（论文）报告

题目基于PLC的生产流水线电气控制系统设计

系别中德机电学院

专业机电一体化技术

班级0901

学生姓名

学号

指导教师

2012年4月

摘要

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。

本文利用学习中讲述的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。

本文首先阐述PLC及其工作原理，进而基于三菱FX2N系列PLC软件而设计的生产流水线控制系统的方案。

关键词:

PLC，变频器，生产流水线，控制系统

Abstract

Alongwiththescienceandtechnologyunceasingdevelopment,productionprocesscontinuouslyputforwardnewrequirement,controltechnologyfrommanualtoautomaticcontrol,controlfromsimplecontrolequipmenttocomplicatedcontrolsystem,fromthecontact’shardwiredcontrolsystemstoacomputercenterforstoragecontrolsystem.ProgrammableLogicController（PLC）theemergenceofsignificantchangesinindustrialcontrolsystems.

Thispaperusingstudyingtellsprogrammablecontrollervariousdesignknowledgeandmethodscooperatefrequencyconverterandsteppingmotorequipmentrealizedlineworkofhestageofthepositiveoperation,reverseoperationandmoreparagraphsspeedoperation.ThiscontrolsystemrealizationandapplicationofPLCsystem,fullyembodiesintheindustrialfield,andtheapplicationaccordingtothedesignanddifferentneedschangedataandstatus,stillcanmakeitsapplicationscopemoreextensive.ThispaperfirstlyPLCanditsworkingprinciple,thenclearlybasedonFX2NPLCsoftwaretheproductionlinecontrolsystemdesignscheme.

Keywords:

PLC，frequencyconverter，productionline，controlsystem

前言

在生厂过程、科学研究和其它产业领域中，电气控制技术的应用都是十分广泛的。

在机械设备三的控制中，电气控制亦比其它的控制方法使用的更为普遍。

随着科学技术日新月异的发展，特别是大规模集成电路的问世和微处理机技术的应用，出现了可编程序控制器（PLC），使电气控制技术进入了一个崭新的阶段。

可编程控制器简称PC（ProgrammableController）,它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期，为与个人计算机PC相区别，现在仍然沿用可编程序逻辑控制器这个老名字。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

PLC是以微处理技术、电子技术、网络通信技术和先进可靠的工业手段为基础，综合了计算机技术、网络通信和自动控制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，已成为现在工业控制的支柱之一。

本文是基于三菱FX2N系列PLC与变频器而设计的生产流水线控制系统的方案。

由于编写时间仓促及编者学识水平有限，加之受教材篇幅限制，本文难免存在缺漏和不当之处，恳请老师提出批评和指教。

1PLC及其基本工作原理

1.1PLC的产生和发展

1.1.1PLC的产生

早期工业生产中广泛使用的电气自动控制系统是继电器接触器控制系统，随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，因此，迫切需要一种新的更先进的自动控制装置来取代传统的继电器控制系统。

1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。

当时人们把它称为可编程逻辑控制器，简称PLC，只是用它来取代继电器控制，仅具备逻辑控制、定时、计数等功能。

随着电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期出现了微型计算机，微机技术被应用到PLC中，使得PLC不仅具有逻辑控制的功能，而且还增加了运算、数据传送和处理等功能，成为具有计算机功能的工业控制装置。

1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为可编程控制器，现在人们普遍称可编程控制器为PLC而不是PC是为了避免与广泛使用的个人计算机的简称PC相混淆。

国际电工委员会（mc）于1982年11月和1985年1月颁布了可编程控制器标准第一稿和第二稿，对可编程控制器作了如下的定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计．它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。

”

总之，可编程控制器是一台计算机，是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入腧出接口，并且具有较强的驱动能力。

可编程控制器产品并不是针对某一具体工业应用，其灵活、标准的配置能够适应工业上的各种控制。

在实际应用时，其硬件可根据需要选用配置，其软件则需要根据控制要求进行设计。

1.1.2PLC的发展

PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。

它具方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。

据统计，当今世界PLC生产厂家约150家，生产300多个品种。

2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50%，PLC将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。

PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。

新一代的PLC具有PID调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。

但PLC也面临着其它行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面：

1.微型、小型PLC功能明显增强

很多有名的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的PLC。

三菱的FXOS14点（8个24VDC输入，6个继电器输出），其尺寸仅为58mm×89mm，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使PLC的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。

　　2.集成化发展趋势增强

由于控制内容的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展，PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成等，并强化了通讯能力和网络化，尤其是以PC为基的控制产品增长率最快。

PLC与PC集成，即将计算机、PLC及操作人员的人—机接口结合在一起，使PLC能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和PLC的模块交互存取数据。

以PC机为基的控制容易编程和维护用户的利益，开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。

　　3.向开放性转变

PLC曾存在严重的缺点，主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语文结构不一致，使各种PLC互不兼容。

国际电工协会（IEC）在1992年颁布了IEC1131-3《可编程序控制器的编程软件标准》，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。

现在开发以PC为基、在WINDOWS平台下，符合IEC1131-3国际标准的新一代开放体系结构的PLC正在规划中。

在全球PLC制造商中，根据美国AutomationResearchCorp（ARC）调查，世界PLC领导厂家的五霸分别为Siemens（西门子）公司、Allen-Bradley（A-B）公司、Schneider（施耐德）公司、Mitsubishi（三菱）公司、Omrom（欧姆龙）公司，他们的销售额约占全球总销售额的三分之二。

从西门子公司的SIMATICS7-400的性能可对PLC窥见一斑：

SIMATICS7-400是匣式封装模块，可卡在导轨上安装，由I/O总线和通信总线建立电气连接，模块可在工作或加电时替换或插、拔，可快速安装维护，修改方便，其主要性能为：

1）CPU存储器容量64K字节，可扩展到1.6M字节；

2）位和字处理速度80ns至200ns；

3）最高系统计算能力可以有4个CPU同时计算；

4）一个中央框（CR）可扩展直到21个扩展框；

5）每个CPU上多点接口（MPI）能力，如可同时连接文字显示或操作员以及编程器件；

6）CPU上的SINEC-L2-DP附加有分散I/O的集成性能；

7）提供与计算机和其它Siemens产品或系统的连接接口；

　8）高可靠性,完善的自诊断和清除故障功能。

1.2PLC的组成和基本工作原理

1.2.1PLC的组成

PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。

PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。

　　图1PLC的基本组成

（1）中央处理器

　中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。

CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。

（2）存储器

PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。

1）系统程序存储器

PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。

系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。

系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。

ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。

EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。

2）用户程序存储器

用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。

通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。

3）数据存储器

PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。

RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。

　（3）接口

　输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。

PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。

晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。

现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。

输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

（4）编程器

　编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。

　编程器有简易编程器和图形编程器两种。

简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。

图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。

　目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。

（5）电源

PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。

PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。

1.2.2PLC的基本工作原理

（1）PLC的工作方式

PLC虽然以微处理器为核心，具有微型计算机的许多特点，但它的工作方式却与微型计算机有很大的不同，微型计算机一般采用等待命令或中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序或中断服务程序，无键按下，则继续扫描等待。

PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。

当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。

然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。

实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。

1）自诊断

每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。

自诊断内容包括I/O部分、存储器、CPU等，并通过CPU设置定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，如果发现异常，则停机并显示出错。

若自诊断正常，则继续向下扫描。

2）通讯服务

PLC检查是否有与编程器、计算机等的通讯要求，若有则进行相应处理。

3）输入处理

PLC在输入刷新阶段，首先以扫描方式按顺序从输入缩存器中写入所有输入端子的状态或数据，并将其存入内存中为其专门开辟的暂存区——输入状态映像区中，这一过程称为输入采样，或是如刷新，随后关闭输入端口，进入程序执行阶段，即使输入端有变化，输入映像区的内容也不会改变。

变化的输入信号的状态只能在下一个扫描周期的输入刷新阶段被读入。

4）输出处理

同输入状态映像区一样，PLC内存中也有一块专门的区域称为输出状态映像区。

当程序的所有指令执行完毕，输出状态映像区中所有输出继电器的状态就在CPU的控制下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定的输出方式输出，推动外部的相应执行器件工作，这就是PLC输出刷新阶段。

5）程序执行

PLC在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行每条指令。

从输入状态映像区读出输入信号的状态，经过相应的运算处理等，将结果写入输出状态映像区。

通常将自诊断和通讯服务合称为监视服务。

输入刷新和输出刷新称为I/O刷新。

可以看出，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入采样阶段进行，对输出赋的值也只有在输出刷新阶段才能被送出，而在程序执行阶段输入、输出会被封锁。

这种方式称做集中采样、集中输出。

（2）扫描周期

扫描周期即完成一次扫描（I/O刷新、程序执行和监视服务）所需要的时间，由PLC的工作过程可知，一个完整的扫描周期T应为：

T=（输入一点时间×输入点数）+（运算速度×程序步数）

+（输出一点时间×输出点数）+监视服务时间

扫描周期的长短主要取决于三个要素：

一是CPU执行指令的速度；而是每指令占用的时间；三是执行指令条数的多少，即用户程序的长度。

扫描周期越长，系统的响应速度越慢。

现在厂家生产的基型PLC的一个扫描周期大约为10ms，这对于一般的控制系统来说完全是允许的，不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力，这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行。

PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短期的，由于系统响应慢，往往要几个扫描周期才响应一次，多次扫描因瞬时干扰而引起的误动作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。

但是对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时还需要采取一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应带来的不良影响。

总之，采用循环扫描工作方式，是PLC区别于微型计算机和其他控制设备的最大特点。

1.3PLC的性能、特点及分类

1.3.1PLC的性能指标

1.I/O总点数

I/O总点数是衡量PLC接入信号和科输出信号的数量。

PLC的输入输出有开关量和模拟量两种。

其中开关量用最大I/O点数表示，模拟量用最大I/O通道数表示。

2.存储器容量

存储器容量是衡量可存储用户应用程序多少的指标，通常以字或千字为单位。

约定16位二进制数为一个字（即两个8位的字节）每1024个字为1千字。

PLC中通常以字为单位。

来存储指令和数据，一般的逻辑操作指令每条占1个字，定时器、计数器、移位操作等指令占2个字，而数据操作指令占2-4个字。

有些PLC的用户程序存储器容量用编程的步数来表示，每一条语句占一步长。

3.编程语言

编程语言是PLC厂家为用户设计的用于实现各种控制功能的编程工具，它有多种形式，常见的是梯形图编程语言及语句表编程语言，另还有逻辑图编程语言、布尔代数编程语言等，它的功能强否主要取决于该机型指令系统的功能与否。

一般来讲，指令的种类和数量越多，功能越强。

4.扫描时间

扫描时间是指执行1000条指令所需要的时间。

一般为10ms左右，小型机可能大于40ms。

5.内部寄存器的种类和数量

内部寄存器的种类和数量是衡量PLC硬件功能的一个指标。

它主要用于存放变量的状态、中间结果和数据等，还提供大量的辅助寄存器如定时器/计数器、移位寄存器和状态寄存器等，以便用户编程使用。

6.通信能力

通信能力是指可编程序控制器与可编程序控制器、可编程序控制器与计算机之间的数据传送及交换能力，它是工厂自动化的必备基础。

目前生产的可编程序控制器不论是小型机还是中大型机，都配有一至两个、甚至多个通信端口。

7.智能模块

智能模块是指具有自己的CPU和系统的模块。

它作为PLC中央处理单元的下位机，不参与PLC的循环处理过程，但接受PLC的指挥，可独立完成某些特殊的操作。

如常见的位置控制模块、温度控制模块、PID控制模块和模糊控制模块等等。

1.3.2PLC的特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强

（2）硬件配套齐全，功能完善，适用性强

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎

（4）系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造

（5）体积小，重量轻，能耗

1.3.3PLC的分类

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。

对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

1．按结构形式分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

2．按功能分类

 根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。

3．按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

1.4PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1、开关量的逻辑控制

2、模拟量控制

3、运动控制

4、过程控制

5、数据处理

6、通信及联网

2三菱FX2N系列PLC和变频器

三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。

除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

2.1FX2N基本单元

FX2N系列基本单元按输入输出点数有16点、32点、48点、64点、80点与128点，用户存储器容量可扩展到16k步，FX2N各基本单元规格见表2。

表2 FX2N系列基本单元（AC电源DC输入）

型    号

输入点数

输