毕业论文基于PLC的车间生产流水线运输控制设计文档格式.docx
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1绪论
1.1课题的背景和意义
当前企业现代化生产规模不断扩大和深化，使得生产物的输送成为生产物流系统中的一个重要环节。
车间生产流水线产品运输控制是企业现代化生产的重要组成部分，80年代以来，面对激烈的市场竞争，人们在车间生产运输工作中所惯用的那种人工方式，已不能适应快速增长的工作需要。
在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个工艺生产过程全盘自动化，这就离不开车间生产流水线产品运输控制系统。
在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定的时间停留，以满足生产工艺要求。
传统的生产流水线产品运输大多是继电器控制，而继电器控制有着接线繁多，故障率高的缺点，且维护维修不易等缺点。
用PLC程序实现车间生产流水线产品运输控制，不仅具有程序设计简易、方便、可靠性高等特点，而且程序设计方法多样。
目前，PLC在工业控制中获得了巨大的成功，因此可以预见，基于PLC的车间生产流水线产品运输控制系统具有广阔的应用前景。
1.2课题国内外发展的状况
由于自动化的不断发展，使得车间生产线的产品运输控制得到不断的改善，生产效率也不断提高，国内外车间生产流水线产品运输控制系统经历了以下几个阶段：
a）手动控制：
在20世纪60年代末70年代初期，便有一些工业生产采用PLC来实现产品运输控制，但是由于当时的技术还不够成熟，只能够用手动的方式来控制机器，而且早期运输控制系统多为继电器—接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。
b）自动控制：
在20世纪80年代，随着计算机的价格下降，这时的大型工控企业将PLC充分地与计算机相结合，自动化设备终于实现了PLC在车间产品运输控制系统方面的应用。
c）全自动控制：
当前由于PLC技术不断向高性能、高速度、大容量发展，大型PLC大多采用多CPU结构。
将PLC运用到车间生产流水线产品运输控制系统，可实现产品运输的全自动控制，降低系统的运行费用。
基于PLC的车间生产流水线产品运输控制系统具有连线简单，控制速度快，精度高，可靠性好，可维护性好和改造方便等优点。
1.3本次课题设计应达到的目的
本次课题设计以某食品生产车间的四个工作台和一个成品库（直线排列），为研究对象。
操纵工将食品包装成袋，然后呼叫小车把包装袋送到成品库，小车往返于各个工作台之间，根据请求在某个工作台限时限量装袋，当小车装满60袋时，就自动开往成品库卸袋。
待卸袋完毕，再根据请求开往某站继续工作，由此往返。
设计使用PLC实现以上控制要求，并运用组态软件进行全程监控。
生产车间加工现场如图1.3.1所示：
图1.3.1生产车间加工现场
1.4本次课题设计的任务内容和要求
a）每个工作台都有一个呼叫按钮。
需要小车过来装袋时，按一下按钮，系统接到呼叫信号就登记下来，同时本站呼叫记忆灯点亮，说明信号已经接到。
小车会根据自己的忙闲程度决定什么时候来到。
b）装袋时有两个要求，一是每次最多装10袋，二是每次最长停留8s，也就是说不到8s就把10袋都装完了，这时如有其他呼叫等待，小车就离开这里。
如果用尽8s却装不到10袋，那如果已有呼叫信号，小车也照样离开这里。
目的是避免压车。
c）如10袋已装完，8s时间也到了仍没有别的工作台呼叫。
本台可以继续装料，但一旦有别的工作台呼叫信号，小车立即出发离开这里。
d）数码管显示小车所处的站台。
e）只要车上装满60袋，对所有呼叫信号都不应答只保留登记顺序，小车直接开往成品库。
待卸料完毕后重新登记顺序继续应接。
f）小车到成品库卸袋，共需10s，时间到后认为卸料完毕。
2可编程控制器（PLC）概况
2.1可编程控制器（PLC）的定义
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程控制器（PLC）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。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
2.2可编程控制器（PLC）的发展
1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；
1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；
1971年，日本研制出第一台DCS-8；
1973年，德国研制出第一台PLC；
1974年，中国研制出第一台PLC。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。
2.3可编程控制器（PLC）的特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点：
a）系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；
也能进行连续过程的PID回路控制；
并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。
b）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
c）能适应各种恶劣运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。
2.4可编程控制器（PLC）的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相似。
2.4.1基本结构
a）电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
b）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
c）存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
d）输入输出接口电路
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
e）功能模块
f）通信模块
2.4.2结构分类
根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。
模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。
模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，其特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也较高。
模块式结构如图2.4.1所示：
图2.4.1模块式结构
整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。
这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。
整体式结构如图2.4.2所示：
图2.4.2整体式结构
2.5可编程控制器（PLC）的工作原理
PLC采用循环扫描技术，可以分为3个阶段：
输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
在输入采样中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。
在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。
从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。
在输出刷新中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。
2.6可编程控制器（PLC）的应用领域
a）开关量的逻辑控制，是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
b）运动控制，可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
c）模拟量控制，在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的A/D转换及D/A转换。
d）数据处理，现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；
也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
e）过程控制，过程控制是指对速度、温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
f）通信及联网，PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
最新生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
PLC的应用领域仍在扩展，在日本，PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关连的机器、与环境关连的机器，而且均有急速的上升趋势。
PLC正逐渐从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展。
3基于PLC的控制系统设计
3.1基于PLC控制系统设计的基本原则
任何一种电气控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和工艺需要，从而提高产品质量和生产效率。
因此，在设计PLC应用系统时，应遵循以下基本原则：
a）充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求；
b）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便；
c）保证控制系统安全可靠；
d）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I/O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。
3.2基于PLC控制系统设计的一般步骤
设计PLC控制系统时，首先是进行PLC系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。
然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。
最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。
PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：
a）控制要求分析，制定控制方案
首先需要分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。
b）确定I/O设备
其次根据系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）由此确定PLC的I/O点数。
c）选择PLC
PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I/O模块、电源的选择。
d）I/O地址分配
根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；
根据所选的PLC的型号列出I/O设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I/O接线图和编制程序。
e）软件及硬件设计
进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。
由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。
f）联机调试
联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。
开始时，先不带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等负载）进行调试。
利用编程器的监控功能，采用分段调试的方法进行。
各部分都调试正常后，再带上实际负载运行。
如不符合要求，则对硬件和程序作调整。
通常只需修改部分程序即可，全部调试完毕后，交付试运行。
经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改则应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
g）整理技术文件
包括设计说明书、电气安装图、电气元件明细表及使用说明书等。
基于PLC控制系统设计步骤如图3.2.1所示：
图3.2.1基于PLC控制系统设计步骤
3.3PLC控制系统硬件配置
硬件系统设计除了PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施外，主要考虑安全性和系统供电可靠性设计。
3.3.1安全性设计
很多国家和国际组织发表的技术标准中均有明确的安全规定。
在以下3种情况下将发挥安全保护作用:
a）PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时；
b）PLC失控时；
c）操作人员需要紧急干预时。
3.3.2系统供电可靠性设计
a）供电系统的保护措施和抗干扰:
用隔离变压器；
b）供电系统的突然断电保障:
用UPS电源。
3.3.3电源模块的选择：
PLC的CPU所需的工作电源一般都是5V直流电源，一般的编程接口和通信模块还需要5.2V和24V直流电源。
这些电源都由可编程控制器本身的电源模块供给，所以在实际应用中要注意电源模块的选择。
a）电源模块的输入电压。
PLC的电源模块有3种输入电压，即220V
AC、110V
AC和24V
DC，在实际应用中要根据具体情况进行选择。
b）电源模块的输出功率。
在选择电源模块时，其额定输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块及各种智能模块等总的消耗功率，并且要留有30%左右的余量。
一个电源模块既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25V。
c）扩展单元中的电源模块。
在有的系统中，由于扩展单元中含有智能模块及一些特殊模块，就要考虑在扩展单元中安装相应的电源模板。
3.4PLC的选型
3.4.1PLC容量的选择
a）总I/O点数量和性质
根据开关量、模拟量、直流信号、交流信号，工作电源。
输出是用继电器型还是晶体管或是可控硅型，如运动控制时的高速脉冲输出。
使用无触点的晶体管输出的PLC。
如输出既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，可用继电器输出。
b）对用户存储器容量进行估算
一个程序段中，接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。
用户程序所需内存容量受到内存利用率、开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数和用户编程水平等几个主要因素的影响。
高的内存利用率给用户带来好处，同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。
另外，同样的程序可缩短扫描周期时，从而提高系统的响应。
内存字数的估算（小型PLC的内存为1~2KB）
开关量输入输出：
所需内存字数=开关量（输入十输出）总点数×
10
模拟量输入时：
所需内存字数=模拟量点数X100
模拟量输入/输出同时存在：
所需内存字数=模拟量点数×
200
经验计算公式：
总存储器字数=（开关量输入输出总点数）×
10十模拟量点数×
150。
然后按计算存储器字数的25%考虑余量。
每个I/0点及有关功能元件占用的内存大致如下：
开关量输入元件：
10—20B/点；
开关量输出元件：
5—l0B/点；
定时器/计速器：
2B/个；
模拟量：
100~150B/点；
通信接口：
一个接口一般需要300B以上。
根据上面算出的总字节数再考虑25%左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。
3.4.2I/O地址分配
输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
对软件设计来说，I/O地址分配以后才可进行编程；
对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。
在进行I/O地址分配时最好先列I/O分配表。
3.4.3响应时间
对于过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。
PLC顺序扫描的工作方式，使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。
4车间生产流水线产品运输控制系统设计方案可行性分析
目前车间生产流水线产品运输控制系统有多种设计方案，一般可以通过继电器-接触器控制，单片机控制，PLC控制:
4.1三种控制方案的优缺点比较
4.1.1继电器-接触器控制
a）优点：
由按钮，继电器、接触器组成的复杂车间生产流水线产品运输控制系统，可以实现集中控制与远距离控制,目前继电器、接触器控制仍是最基本的电气控制形式之一，价格方面经济实惠；
b）缺点：
由按钮，继电器，接触器等低压控制器组成了继电器-接触器控制线路，由于该控制形式是固定接线，系统构成后，想再改变或增加功能、较为困难；
另外继电器的触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制；
又由于采用有接触点的开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。
4.1.2单片机控制
将单片机应用到车间生产流水线产品运输控制控制系统，由于单片机有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低功耗、低电压的特点，便于生产便携式产品；
单片机控制系统电路中需要加入A/D，D/A转换器，线路复杂，还要分配大量的中断口地址；
单片机控制电路也易受外界环境的干扰，具有不稳定性；
而且单片机编程方法复杂，不容易学习，一般只应用于简单的流水线产品运输控制系统。
4.1.3PLC控制
将PLC应用到车间生产流水线产品运输控制系统，可实现产品运输的自动化控制，降低系统的运行费用；
可编程控制器（PLC）具有能力强，可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，而且PLC中每只软继电器的触点数理论是无限制的，因此其灵活性和可扩展性很好，是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制设备。
4.2工作方式比较
在继电器-接触器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。
PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，同它们在梯形图中的位置有关，这种工作方式称为串行工作方式。
4.3控制速度比较
继电器-接触器控制系统依靠机械触点的动作实现的，工作频率低，触点的开关动作一般在几十毫秒数量级，且机械触点还会出现抖动问题。
PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级，因此速度较快，PLC内部还有严格的同步控制，不会出现触点抖动问题。
4.4可靠性和可维护性比较
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