基于PLC的灌装系统设计.docx

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基于PLC的灌装系统设计

第1章基于PLC的灌装系统设计的原理------1

1.1灌装系统的设计分析------------------------------------------------------------1

1.2灌装系统的设计特点-------------------------------------------------------1

第2章基于PLC的灌装系统的硬件设计-------2

2.1FX-2N系列可编程控制简介-----------------------------------------------2

2.1.1可编程控制器的产生----------------------------------------------------2

2.1.2可编程控制器的定义----------------------------------------------------2

2.1.3可编程控制器的发展趋势-----------------------------------------------3

2.1.4可编程控制器的特点----------------------------------------------------4

2.1.5可编程控制器的主要功能-----------------------------------------------5

2.1.6可编程控制器的基本结构--------------------------------------------6

2.1.7可编程控制器各部分的作用-----------------------------------------7

第3章基于PLC的灌装系统的软件设计及改进措施--------10

3.1PLC输入、输出的分配---------------------------------------------------------10

3.2PLC外部接线图--------------------------------------------------------------10

3.3PLC程序设计流程图及梯形图-----------------------------------12

3.4PLC灌装系统的改进措施------------------------------------13

致谢-------------------------------------------------------------------------------14

参考文献-------------------------------------------------------------------------15

第1章基于PLC的灌装系统设计的原理

1.1灌装系统的设计分析

把蕃茄浆装入储存罐是其加工储存过程中一个重要工序。

人工完成这工序是一个繁重的过程，效率非常低。

为了提高产量，节省人力，同时保障人身安全，蕃茄浆加工厂家需要一个自动化程度很高的灌装控制系统。

可编程控制器（即PLC）可靠性高，组合灵活，编程简单，维修方便，因此，设计一套由PLC组成的蕃茄浆灌装控制系统。

托盘放在输入辊道上，依靠辊子转动到达输入辊道末端，等待任务呼叫。

某位发出任务呼叫，小车在原位的情况下（小车不在原位，必须等到小车回到原位），由输入辊道和小车辊道一起作用把托盘移到小车上，然后小车沿轨道移向任务呼叫位。

到达任务呼叫位之后，再由小车辊道和输出辊道一起作用把托盘移到灌装头下面，开始灌装，同时小车返回原位。

待装满浆后，铲车把托盘移出灌装线，该位再次发出任务呼叫。

3个工位的工作流程一样。

小车在返回原位和移向任务请求位的过程中要经过减速和定位。

当小车碰到减速开关时通过变频器实现电机的减速，处于低速的电机碰到定位开关时马上断电，在电机机械制动的作用下立即停止移动，实现定位。

其中SKI～SK4是每位的定位开关，SK5~SK8是减速开关，S1～S5检测托盘是否到位，S6～S7检测轨道上是否有障碍物。

整个系统通过辊子的转动和小车在轨道上的移动实现罐子的输送。

该控制系统，运行稳定，安全可靠，操作方便，自动化程度高，大大提高生产效率，充分发挥了PLC功能强、编程简单、故障率低、易维护保养等优点。

1.2灌装系统的设计特点

1、控制系统结构简单，通用性强

PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

用PLC改造要比实际电路接线节省许多成本。

2、编程方便，易于使用

PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。

3、体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装。

PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。

第2章基于PLC的灌装系统的硬件设计

CPU单元负责控制整个生产过程，输出模块向外部设备传送输出信号，使不同的执行机构动作。

对执行机构状态的改变，通过行程开关或光电传感器将其信号反馈给输人模块，CPU单元又从输人模块读取数据，根据数据的变化执行不同的控制操作，由此构成了整个控制回路。

根据系统控制要求、所需的I／O点数、工作环境等因素，可编程控制器选用日本三菱公司的FX-2N系列可编程控制器。

2.1FX-2N系列可编程控制器简介

2.1.1可编程控制器的产生

20世纪20年代起，人们把各种继电器，定时器，接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统由于它结构简单，容易掌握，价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广在工业控制领域中一直占主导地位.但是继电接触器控制系统有明显的缺点：

设备体积大靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。

20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：

（1）编程方便，可现场修改程序

（2）维修方便，采用插件式结构

（3）可靠性高于继电器控制装置

（4）体积小于继电器控制盘

（5）数据可直接送入管理计算机

（6）成本可与继电器控制盘竞争

（7）输入可以是交流150V以上

（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等

（9）扩展时原系统改变最小

（10）用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装配过程的需要）

十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。

2.1.2可编程控制器的定义

美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：

可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

定义强调了PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。

这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。

定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。

这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。

它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。

2.1.3可编程控制器的发展趋势

PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。

具体表现在以下几个方面。

（1）向小型化、专用化、低成本方向发展

随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使PLC结构更为紧凑，相当于一本精装本书的大小，操作使用十分方便。

PLC的功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。

（2）向大容量、高速度方向发展

大型PLC采用多微处理器系统，有的采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。

另外，存储容量大大增加。

（3）智能型I/O模块的发展

智能型I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。

（4）基于PLC的编程软件取代编程器

随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机上的编程软件。

编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通行接口的参数等。

（5）PLC编程语言的标准化

与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。

在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用。

PLC的编程语言和指令系统的功能和表达式也不一致，因此各厂家的可编程序控制器互不兼容。

为了解决这一问题，IEC制定了可编程序控制器标准。

标准中共有5种编程语言，允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程能够选择不同的语言来适应特殊的工作。

（6）PLC通信的易用化

PLC的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制。

（7）组态软件与PLC的软件化

个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。

（8）PLC与现场总线相结合

现场总线I/O与PLC可以组成功能强大的、廉价的DCS系统。

（9）开发新型特殊功能模块

I/O组件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大处理能力。

（10）CPU的处理速度进一步加快

目前，PLC的处理速度与计算机相比还比较慢，最高的CPU也不过80486，将来会全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU进行处理、分时处理或分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使PLC的处理速度达到纳秒级。

2.1.4可编程控制器的特点

1、抗干扰能力强，可靠性好

PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。

I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。

具体措施主要有以下几个方面：

1）隔离：

这是抗干扰的主要措施之一。

PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。

这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。

2）滤波：

这是抗干扰的另一个主要措施。

在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。

3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。

另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。

4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。

5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。

6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。

7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。

8）以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。

而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。

2、控制系统结构简单，通用性强

PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

3、编程方便，易于使用

PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯

PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

4、功能完善

PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。

在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。

由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。

5、设计、施工、调试的周期短

用继电器接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。

而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。

6、体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装。

PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信

的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。

7、易于实现网络化

PLC可连成功能很强的网络系统。

8、可实现三电一体化

PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

2.1.5可编程控制器的主要功能

1、条件控制功能

条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。

2、时/记数控制功能

定时/记数控制功能指用PLC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。

3、据处理功能＼

数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。

4、步进控制功能

步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。

5、A/D与D/A转换功能

A/D与D/A转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。

6、运动控制功能

运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。

7、过程控制功能

过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。

8、扩展功能

扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能。

9、远程I/O功能

远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。

10、通信联网功能

通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。

11、监控功能

监控功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。

2.1.6可编程控制器的基本结构

目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。

主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。

其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。

如图2.1所示，PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。

由此可见，PLC基本结构由控制部分输入和输出组成。

图2.1PLC硬件结构图

2.1.7可编程控制器各部分的作用

1、中央处理器

CPU是由控制器和运算器组成的。

运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。

控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。

他的重要功能如下：

（1）诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

（2）采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。

（3）按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。

（4）将存于寄存器中的处理结果送至输出端。

（5）应各种外部设备的工作请求。

2、存储器

PLC的存储器分为两大部分：

一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。

二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。

3、输入输出接口电路

PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。

输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。

4、电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。

5、输入输出I/O扩展接口

若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机单元相连接。

6、PLC的基本工作原理

PLC采用的是循环扫描工作方式。

对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

PLC的扫描全过程如图2.2所示。

图2.2PLC的扫描全过程

（1）输入刷新阶段

在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。

完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。

（2）程序执行阶段

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。

（3）输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。

扫描周期越长，响应速度越慢。

由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。

由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。

反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。

这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，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外设隔离的。

而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。

但是对于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，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。

第3章基于PLC的灌装系统的软件设计及改进措施

3.1PLC输入、输出点的分配

根据输入、输出点分配情况画出PLC输入、输出分配表（表3.1）和PLC外部接线图（表3.2）。

表3.1PLC输入、输出点分配表

名称

代号

输入点

名称

代号

输出点

总启动按钮

SB1

输入轨道电动机用

交流接触器

KM1

总停止按钮

SB2

输出轨道电动机用

交流接触器

KM2

急停按钮

SB3

主电动机用

交流接触器

KM3

定位开关

SK1

从电动机用

交流接触器

KM4

定位开关

SK2

小车右移电动机用

交流接触器

KM5

定位开关

SK3

全速电动机用

交流接触器

KM6

定位开关

SK4

减速电动机用

交流接触器

KM7

减速开关

SK5

灌装电动机用

交流接触器

KM8

减速开关

SK6

X10

减速开关

SK7

X11

减速开关

SK8

X12

检测托盘开关

X15

检测托盘开关

X16

检测托盘开关

X17

检测托盘开关

X20

检测托盘开关

X21

检测障碍物开关

X22

检测障碍物开关

X23

3.2PLC外部接线图：

SB1

3.3PLC程序设计流程图及梯形图

在该系统的程序设计中，一类故障输出的常闭点与复位输出的常开点相串联，串在系统自动启动输出的输人中（二类故障输出点不能串在里面），实现自动只能在一类故障解除、系统复位之后才能启动；为了使托盘能在各部分辊道平稳过渡，在每个过渡过程开始启动主动电机，并延时2S后从动电机启动；某位发出任务请求，小车不在原位，PLC对该位的任务请求要进行记忆，小车回到原位执行该任务后，PLC消除该任务的记忆。

梯形图如图3.4所示。

图3.4

3.4PLC灌装系统的改进措施

系统用到PLC、变频器，必须采用一些抗干扰措施，否则系统工作不稳定甚至无法工作。

首先，PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，并且避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。

其次，为了防止电源条件不好引起的干扰，在PLC的电源模块及输入、输出模块的电源线上，接入噪声滤波器和用于降低噪声的变压器等，而且在变频器一侧也应采取相应的措施。

最后，由于变频器和PLC安装于同

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