基于PLC的生产流水线电气控制系统设计解读.docx
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基于PLC的生产流水线电气控制系统设计解读
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
基于PLC的生产流水线电气控制系统设计
TheDesignofTheElectricalControlSystemofProductionLinesBasedonPLC
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：
基于PLC的生产流水线电气控制系统设计
1、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。
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；
四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:
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（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：
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744752
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15-18
5Kuang-YaoCheng,Chen-YuWang,Ying-YuTzou.ASICImplementationofaProgrammableServoControlICwithDigitalPhase-LockedLoop.IEEE33rdAnnualPowerElectronicsSpecialistsConference,PESC’02,Cairns,Australia,2002:
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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
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S7-200PLC配合西门子MICROMASTERVECTOR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
Abstract
Theproductionlineis,inacertainlinecontinuouslytransportinggoodsandhandlingmachinery,alsoknownastheconveyinglineorconveyor.Programmablelogiccontroller（PLC）,adigitalelectroniccomputersoperatingsystem,designedforapplicationsinindustrialenvironments,knownasoneofthemainpillarsofcontemporaryindustrialautomation.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,asthebasiccontrolunittothePLCelectricalcontrolsysteminmodernproductionlinesandmanagementsuperiorityisincreasinglyevident.ThemainsubjectofstudywithSiemensS7-200PLC,theSiemensMICROMASTERVECTORdrive,motorandotherequipmenttoachieveacertainpartoftheproductionlinecontrolmotorforward,reverse,andmulti-speedrun,ithastostartandstop,debugging,radioandotherfunctions.PLCeasytouse,simpletoprogram,easyon-sitecommissioning,lowenvironmentalrequirements,andstronganti-interferenceabilityandreliabilitycapabilities,combinedwiththeabovecharacteristics,thesubjectusingacombinationofsoftwareandhardware,theuseofrelativelysuperiordesignideas,andexplorethecontrolrelationshipbetweenPLC,frequencyconversionandmotor.Ithasbeenverifiedthereliabilitythroughsimulationandhardwaredebug.
Keywords:
PLC;converter;multi-stagespeed;automation;pipeline
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S7-200PLC和MICROMASTERVECTOR（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PLCI/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。
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
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=nP/60可知，对于一台电机，转速n与频率f成一一对应关系，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[2]。
另一方面，通过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2-3PLC和变频器组成的控制系统示意图
第三章控制系统的硬件设计
3.1西门子S7-200PLC
3.1.1PLC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：
接收从编程器输入的用户程序以及数据。
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。
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。
从存储器中逐条一一读取用户程序，解释然后执行。
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。
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220VAC、110VAC、24VDC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
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。
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[4]。
完成这三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，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。
3.1.2S7-200PLC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[5]。
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。
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