基于plc的生产线自动装箱系统的设计Word格式文档下载.docx
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D）作为西门子股份公司最大的集团之一，预计,这5000名新员工中有很大一部分是为满足该集团迅猛发展需要的。
1。
2国外生产线自动化发展概况
在一些工业发达国家中，配电自动化系统受到了广泛的重视，国外的配电自动化系统已经形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统（DMS）,其功能已多达140余种。
国外著名电力系统设备的制造厂家基本都涉足配电自动化领域,如德国西门子公司、法国施耐德公司、美国COOPER公司、摩托罗拉公司、英国ABB公司、日本东芝公司等,均推出了各具特色的配电网自动化产品。
日本是配电自动化发展得比较快的国家。
到1986年，全国9个电力公司的41610条配电线路已有35983条（86.5％）实现了故障后的按时限自动顺序送电,其中2788条（6。
7％）实现了配电线开关（指柱上开关）的远方监控（包括一般的和计算机监控）。
日本从50年代开始在配电线上采用自动隔离故障区，并向健全区（无故障区）恢复送电的按时限顺序送电装置;
60～70年代研究开发了各种就地控制方式和配电线开关的远方监视控制装置；
70年代后半期开始利用计算机构成自动控制系统；
其后由于电子技术、计算机技术及信息传送技术的发展,配电自动化计算机系统及配电线远方监视控制系统在实际应用上得到很大的发展。
新加坡公用电力局（PUB）在80年代中期投运并在90年代加以发展和完善的大型配电网的SCADA系统，其规模最初覆盖其22KV配电网的1330个配电站，目前已将网络管理功能扩展到6.6KV配电网，进而覆盖约4000个配电站。
芬兰“EspooSahko”电力配电公司的配电自动化覆盖了该公司的85000个用户，8座110/20KV的一次变电站，1100KM的20KV馈电线和1400个20/0.4KV的配电变电站。
从国外配电自动化系统采用的通信方式看，尚没有一种通信技术可以很好地满足于配电系统自动化所有层次的需要。
在一个配电自动化系统内，往往由多种通信技术组合成综合的通信系统,各个层次按实际需要采用合适的通信方式。
第二章PLC理论基础
2.1PLC基础知识
2。
1PLC的发展历程
在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作，按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美同数字公司研制出了基于集成电路和电子技术控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
个人训算机（简称PC）发展起火后，为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
上个世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40％，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
1.2PLC的构成
PLC虽然外观各异，但是其硬件结构却大体相同.主要有中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入输出器件（I/O接口），电源及编程设备几大部分构成（如图2-1）。
这些模块可以按照一定规则组合配置.
图2-1单元式PLC结构框图
2.1。
3CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中,同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的数据、控制及状态总线构成。
CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作.寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I／O数量及软件容量等,因此限制着控制规模。
4I/O接口
输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分.输入输出接口用来接收生产过程的各种参数。
输出接口用来可编程控制器运算后的控制信息，并通过机外的执行机构完成丁业现场的各种控制.生产现场对可编程控制器接口的要求一是要有较好的抗十忧能力，二是要能满足工业现场各类信号的匹配要求，因此厂家为可编程控制器设计了不同的接口单元。
主要有以下几种：
（1）开关量输入接口。
（2）开关量输出接口.
（3）模拟量输入接口。
（4）模拟量输出接口.
（5）智能输入输出接口。
5电源
可编程控制器的电源包括为可编程控制器各工作单元供电的开关电源以及掉电保护电路供电的后备电源，后备电源一般为电池。
2.1.6存储器
存储器是可编程控制器存放系统程序，用户程序及运算的单元。
和计算机一样，位置都有严格的划分。
由于可编程控制器是为了熟悉继电接触器系统的工程技术人员使用的，可编程控制器的数据单元都叫继电器。
不同的用途的继电器在存储区中占有不同的区域。
每个存储单元有不同的地址编号。
7外部设备
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器,日前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器.也就是我们系统的上位机。
可编程控制器还配有其他的一些外部设备：
盒式磁带机，打印机，EPROM写入器和高分辨率大屏幕彩色图形监控系统.
8PLC的通信联网
依靠先进的丁业网络拄术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据.因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器"
的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS—232接口,还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPl）的数据通讯、PROFIBUS或工业以太网进行联网.
9PLC控制系统的设计基本原则
（1）最大限度的满足被控对象的控制要求。
（2）在满足控制要求的前提下,力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便.
（3）保证控制系统安全可靠。
（4）考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当的留有余量。
2PLC软件系统及常用编程语言
10PLC软件系统
PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。
系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言,诊断机器故障.系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预.用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制.FXGPWIN是用于三菱可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包,也就是用户程序，我们就是使用FXGPWIN来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视.
PLC提供的编程语言
PLC采用最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是指令表。
采用梯形图编程,因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；
采用指令形式便于实验,因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程.
虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的c语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等.不管怎么样,各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。
l、编程指令
指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号.从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全札同的。
同时PLC也有编译系统，它叫以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码,或图形符号。
常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令.常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。
2、指令系统
一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。
它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。
一般讲，功能强、性能好的PLC,其指令系统必然十分丰富，所能干的事也就多。
我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统。
3、程序
PLC指令的有序集合,PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。
用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供.用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达.
4、梯形图
梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图,用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。
它的连线有两种：
一为母线，另一为内部横竖线。
内部横坚线把一个个梯形图符号指令近成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。
最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。
母线是用来连接指令组的。
5、梯形图与指令表的对应关系
指令表指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。
一般讲，其顺序为：
先输入,后输出（含其他处理）：
先上，后下；
先左,后右。
有了梯形图就可将其翻译成指令表程序。
反之根据指令表，也可画出与其对应的梯形图。
6、梯形图与电气原理图的关系
如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可以建立起一定的对应关系.如梯形图的输出（OUT）指令，对应于继电器的线圈,而输入指令（如LD，AND,OR）对应于接点，互锁指令（IL、ILC）可看成总开关，等等。
这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句表程序。
有了这个对应关系，用PLC程序代表继电逻辑是很容易的。
这也是PLC技术对传统继电控制技术的继承。
PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员,为了适应他们的传统习惯和掌握能力,通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。
国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC1131—3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：
顺序功能图（sequentialfunctionchat）、梯形图（Ladderdiagram）、功能块图（Functionblackdiagram）、指令表（Instructionlist）、结构文本（structuredtext）。
梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，顺序功能图是一种结构块控制流程图。
梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点,很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
2PLC工作原理
1PLC的工作原理
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扫描力式,当有按键按下或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.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厅外，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。
如图2—2所示。
输入采样程序执行输出刷新
一个扫描周期
图2-2PLC工作循环示意图
2.2。
2工作方式
（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检杏是否有与编程器、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。
3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X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；
二是每条指令占用的时间；
三是执行指令条数的多少,即用户程序的长度。
第三章控制系统的设计
3。
1继电器控制主电路
FU1
L1
L2
L3
QS
KM2KM1
FR1FR2
图3—1继电器的主电路
3.2梯形图设计
梯形图是PLC最常用的一种编程语音，因为它直观易懂用计算机就可以编辑，以下是对本设计的梯形图设计。
图3—2原理梯形图
本梯形设计图分为15个网络块：
网络1为开始块;
网络2—网络7为传送带一的控制操作,即机械手将货物从传感器SQ1的位置装入箱子里;
网络8-网络14为传送带二的操作控制,即机械手二将装有货物的箱子从传送带一搬运到传送带二上;
网络15为整个流水线结束控制块。
3.3流程图
图3-3操作流程图
第四章操作分析
4。
1硬件整体接线
图4-1plc硬件接线图
接线说明：
启动按钮SA0
传感器SQ1
传感器SQ2
停止按钮SA1
输入端
I0.0
I0。
1
I0.2
3
电磁阀
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
电动机
M1
M2
输出端
Q0.1
Q0。
2
Q0.3
4
Q0.5
Q0.6
Q0.0
7
4.2STEP7—Micro/WIN编程
对于不同的设计所用到的知识不用它们对应的编程软件也不同,本设计运用了STEP7—Micro/WIN编辑软件。
图4—2编程软件示意图
仿真编程：
TITLE=
//PROGRAMCOMMENTS
//PressF1forhelpandexampleprogram
//
Network1//NETWORKTITLE（singleline）
//NETWORKCOMMENTS
LDI0。
EU
LDQ0。
ED
OLD
SQ0。
0，1
SM1.0，1
Network2
AM1。
LDQ0.4
ANT40
ANI0.3
RQ0.0，1
=Q0。
TONT37,45
SM0.4，1
Network3
LDT37
OQ0.5
OT41
LPS
ANT51
ANT39
5
LRD
ANT41
TONT38，45
LPP
ANT37
=M0.6
Network4
LDT38
OQ0.6
OM0。
6
ANI0。
ANT50
TONT39，25
TONT40，50
TONT41，75
TONT50，120
TONT51，140
Network5
OV0.0
ANQ0.0
=V0。
Network6
LDV0。
AQ0.5
SQ0.0，1
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LDI0.2
AM0.4
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=M0.7
TONT52,15
Network8
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OQ0.2
ANQ0.5
ANQ0。
2，1
ANM0.0
TONT42，40
RQ0。
0,1
RM0.4，1
Network9
LDT43
RQ0.2,1
Network10
LDT42
OQ0.3
ANT46
=Q0.3
TONT43,10
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Network11
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OQ0。
ANT48
TONT45,45
Network12
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SQ0.2，1
=M0.0
TONT46，45
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Network13
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OM0.2
=M0.2
TONT48，25
Network14
ANT49
=Q0.7
TONT49，100
Network15
LDI0.3
RQ0
升级会员 