装配流水线PLC控制系统设计.docx
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装配流水线PLC控制系统设计
毕业设计（论文）
令狐采学
题目：
装配流水线PLC控制系统设计
系（院）：
工业与信息化学院专业：
电气自动化
姓名：
杨晨学号：
1201040219
校内指导教师：
李焦明职称：
教授
校外指导教师：
职称：
2015年5月18日
摘要
可编程控制器（PLC）是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发而来的，是一种数字运算操作的电子系统。
它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备的或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
近年来，在机电、冶金、轻工、纺织、医药、交通等行业的成功应用原则，可编程控制器是大有发展前途的工业控制装置。
它与SCADA、DCS、MES、ERP等相互集成，互相补充，综合应用，将对我国工业过程控制领域产生巨大的影响。
本文是基于这种大前提下，从PLC的基本结构、程序设计步骤入手，将现在使用比较广泛的西门子S7-200系统的PLC技术用于生产流水线系统控制中，传送带共有A、B、C、D、E、F、G7个个工位，工件从1号位装入，分别在A（操作1）、B（操作2）、C（操作3）三个工位完成三种装配工作，最后送入仓库H，其他工位用于传送工件。
关键词：
装配流水线梯形图控制系统s7-200
序言1
第一章可编程序控制器技术2
1.1可编程控制器的概述2
1.1.1PLC的产生和定义2
1.1.2PLC的发展和市场情况2
1.1.3PLC的特点3
1.1.4PLC的优点4
1.2PLC的构成和工作原理6
1.2.1PLC的构成6
1.2.2PLC的工作原理如图1-2。
7
第二章装配流水线系统的设计8
2.1PLC机型的选择8
2.2S7-200可编程控制器9
2.3S7-200的系统基本组成10
2.4S7-200的系统的工作方式及特点10
2.4.1S7-200的系统的工作方式10
2.4.2S7-200的系统的特点11
2.5装配流水线控制要求11
2.6输入/输出地址分配11
2.7控制程序的语句表12
2.8装配流水线控制系统梯形图14
总结20
参考文献21
序言
“可编程逻辑控制器（ProgrammableController）是专门在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器，它能够用存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，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。
可编程控制器极其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩大展其功能的原则设计。
”为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制简称PLC。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
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。
在20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是继电器控制装置构成的，为了改变这一现状，1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司），制成一种通用控制装置。
1969年，美国数字设备公司（DEC公司）研制出第一台可编程控制器。
1971年起，各个国家都研制出他们的PLC，我国从1974年开始研制，于1977年开始应用于工业中。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
经过多次的应用，人们发现它有可靠性高，抗干扰能力强；通用性强，使用方便；功能强，适应面广；编程方法简单，容易掌握；PLC控制系统的设计、安装、调试、维护方便；体积小、重量轻、功耗低的特点。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但PLC产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
PLC的发展与微电子技术和计算机技术密切相关，随着可编程控制器的应用领域不断扩大，它本身也在不断发展。
一、小型化方向发展。
今后的小型PLC也将增加模拟量处理功能，而且将有灵活的组态特性，并能与其他机型连用。
二、大型化方向发展。
主要有以下几个方面：
功能不断加强；应用范围不断扩大；性能不断提高；编程软件的多样化和高级化；构成形式的分散化与集散化。
本文是基于这种大前提下，从PLC的基本结构、程序设计步骤入手，将现在使用比较广泛的西门子S7-200系统的PLC技术用于生产流水线系统控制中。
第一章可编程序控制器技术
1.1可编程控制器的概述
1.1.1PLC的产生和定义
（1）PLC的产生
1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制器，并成功的应用在美国通用汽车通用公司（GM）的生产线上。
但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（programmablelogiccontroller）。
70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关上的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmablecontroller）。
但由于PC容易与个人计算机（personalcomputer）相混淆，故人们仍习惯的用PLC作为可编程控制器的缩写。
（2）PLC的定义
1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：
可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它还采用了可以编程序的存储器，用来其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各类型机械的生产过程。
PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以他在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。
继电气在控制系统中主要起两种作用：
（1）逻辑运算
（2）弱点控制强电。
PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。
1.1.2PLC的发展和市场情况
（1）PLC的发展
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
目前的计算机集散控制系统。
PLC说穿了其实就是单片机功能的集成化，稳定性比起单片机更好，功能更齐全，对于工程人员的编程也相对简单。
单片机的有点在于，成本低，体积小，但是稳定性差，所以PLC是目前工业控制器使用最为普遍的一种可编程序控制器的总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。
（2）PLC的市场情况
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。
在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的——离散量的数据采集监视。
由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。
在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，除了这些，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。
在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。
目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。
在这时期，PLC在处理模拟能量能力、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、抗扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
1.1.3PLC的特点
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、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。
如注塑
（2）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（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC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。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、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。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
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。
（5）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，或将它们打印制表。
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。
（6）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，工厂自动化网络发展得很快，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。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
1.1.4PLC的优点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
工业生产一般对控制设备要求很高，应具有很强的抗干扰能力和高的可靠性，能在恶劣的环境中可靠地工作，平均故障间隔时间长，故障修复时间短。
这是PLC控制优于微机控制的一大特点。
例如日本的三菱公司F1、F2系列平均故障间隔时间长达30万h，而A系列的可靠性比F1、F2系列更高。
PLC控制系统的故障通常有两种：
一种是偶发性故障，即由于恶劣环境（电磁干扰、超高温、过电压、欠电压）引起的，这类故障只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统本应随之恢复正常，但因PLC受外界影响后，内部存储的信息被破坏，必须从初始状态重新起动。
另一类是永久性故障，是由于元器件不可恢复的损坏引起的。
在PLC设计中，可以从硬件和软件两方面采取措施，防止以上故障的发生，以提高其可靠性。
主要措施有：
①硬件措施：
（屏蔽：
对电源变压器、CPU编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。
滤波:
对供电系统及输入/输出线路采用多种形式的滤波，如LC式π型滤波网络，以消除高频干扰和削弱各种模块之间的相互影响。
电源的调整与保护:
对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压影响。
隔离:
在微处理器与输入/输出电路之间，采用光电隔离，有效地隔离输入/输出间电的联系，减少故障和误动作的可能。
联锁:
所有输出模块都受开门信号控制，而这个信号只在规定的各种条件都满足时才有效，这样就有效地防止了产生不正常输出的可能性。
采用模块式结构：
这种结构有助于故障情况下短时修复。
设置环境检测和诊断电路:
这种分电路与软件配合，可以实现灵活保护与故障指示等功能。
）
②软件措施：
（故障检测:
软件定期地检测外界环境，对诸如掉电、强干扰信号等情况能及时进行处理。
信息保护和恢复:
对偶发性故障只要故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息，一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的工作。
设置了警戒时钟WDT:
如果程序每循环执行时间超过了WDT规定时间，预示了程序进入死循环，立即报警。
加强对程序的检查和检验:
一旦程序有错，立即报警并停止执行。
对程序及动态数据进行电池后备:
停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会因此而丢失。
这样，PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高。
例如美国通用电器公司制成的PC控制模块平均无故障率可达1千万小时之多，组成系统后的平均无故障率可达4至5千万小时。
这是PLC优于微机的另一个特点。
（2）通用性强，控制程序可变，使用方便
PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。
用户在硬件确定后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只需改编程序就可以满足要求。
因此，PLC除了应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
（3）功能完善，适应面广
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入与输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可以控制一台生产机械、一条生产线，又可以控制一个生产过程，使用水平大大地提高了不少。
（4）编程简单，容易掌握
目前大多数PLC采用继电控制形式的“梯形图编程方式”，即有传统控制线路的清晰直观，又适合电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，易于接受，与常用的汇编语言相比，更受欢迎。
PLC是为车间操作人员而设计的，一般只要很短时间的训练即能学会使用。
而微电脑控制系统则要求具有一定知识的人员操作。
当然，PLC的功能开发，需要有软件专家的帮助。
梯形图语言和编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。
同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。
与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。
（5）减少了控制系统的设计及施工的工作量
由于PLC采用软件编程来达到控制功能，而不同于继电器控制采用接线来达到控制功能，同时PLC又能率先进行模拟调试，并且操作化功能和监视化功能很强，这些都减少了许多的工作量。
同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。
并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。
（6）体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。
并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
（7）扩充方便，组合灵活
PLC产品具有各种扩充单元，可以方便地适应不同工业控制需要的不同输入输出点急不同输入输出方式的系统。
（8）控制程序可变，具有很好的柔性
在生产工艺流程改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只要改变程序就可以满足要求。
所以PLC取代继电器控制，而且具有继电器所不具备的无可比拟的优点。
因此PLC除应用于单机控制外，在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS），以至工厂自动化（FA）中也被大量采用。
1.2PLC的构成和工作原理
1.2.1PLC的构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
如图1-1所示：
图1-1模块式PLC
（1）中央处理单元CPU的构成
CPU是PLC的核心，其神经中枢的作用，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送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，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，去指挥有关的控制电路。
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，因此限制着规模。
（2）I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AO）等模块。
除了通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
（3）电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
（4）存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存储系统程序、用户程序、逻辑变量、系统组态和其他一些信息。
系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC制造厂家用相应CPU的指令系统编写的，并固化到ROM中。
用户程序存储器用来存放由变成器或其他编程设备输入的用户程序。
用户程序由使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求而编写，可通过变成器或编程软件修改。
在PLC中使用的两种类型存储器：
一种是只读类型的存储器，如ROM、PROM、EPROM和EEPROM等；另一种是可读写的随机存储器RAM。
1.2.2PLC的工作原理
PLC的一个扫描周期必经输入处理、程序执行和输出处理三个阶段。
PLC在输入处理阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出处理阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
第二章装配流水线系统的设计
2.1PLC机型的选择
机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。
具体应考虑的因素如下所述。
（1）结构合理
对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC;否则，选用模块式结构的PLC。
（2）功能强、弱适当
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC。
如西门子公司的S7-200系列机或欧姆龙公司的COM10
对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档PLC。
如西门子公司的S7-300或S7-400。
对于控制比较复杂、控制功能要求较高的工程项目，如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中档机或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。
（3）机型统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。
整体式结构体积小、价格便宜，但由于整体式结构的PLC功能有限，一般大型的控制系统都使用模块结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。
一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。
同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训;其外部设备通用也有利于资源共享。
若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中协调管理。
（4）PLC的环境适应性
由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下，可靠地工作。
尽管如此每种PLC都有自己的环境技术条件，我们在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。
针对本课题的特点和性能要求，采用了德国西门子公司S7-200系列中的S7-226作为系统控制器（如表2-1）。
该型号的PLC有良好性价比，具有16个输出24个输入口，满足该系统要求，同时提供了良好的开发平台以及大量的相关参考资料，在小型PLC控制系统中得到了广泛的应用。
本设计采用西门子S7—200CPU226的可编程控制器。
表2-1S7-226的可带扩展模块数
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
—
S7-200CPU222
8
6
2个扩展模块
S7-200CPU224
14
10
7个扩展模块3
S7-200CPU226
24
16
7个扩展模块
S7-200CPU226XM
24
16
7个扩展模块
2.2S7-200可编程控制器
SIMATIC是德国西门子公司发明的一个对自己的自动化产品的一个称呼。
该公司生产的可编程序控制器在我国的应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
它的的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-4
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