PLC在配料生产线上的应用.docx

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PLC在配料生产线上的应用

高等教育自学考试

毕业论文

学生姓名：

考籍号：

专业年级：

工业自动化

题目：

PLC在配料生产线上的应用

指导教师：

评阅教师：

2010年　4月

摘要

PLC的定义有许多种。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：

可编程控制器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。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计

本文基于可编程序控制器PLC和组态软件设计自动配料系统的控制系统和监控系统。

首先，利用德国Siemens公司的S7-200系列PLC对自动配料系统进行控制。

运用与之相配的STEP7编程，通过LAD编程语言编制了下位机的控制程序，从而使该配料系统可以按要求完成自动配料，装料全过程。

其次，自动配料系统的监控系统则实现现场数据的实时监控。

关键词：

可编程序控制器；配料；监控

Abstract

ProgrammableLogicController（PLC）iswidelyusedinindustryforitshighreliabilityandperformance/priceratio.Theconfigurationsoftwarealsoenjoysfastdevelopmentduetothepopularizationofpersonalcomputer,andisrecognizedofthevalueoriginatedfromthemeritssuchasreal-timemultitasking,openness,flexibility,versatility,andreliability.

BasedonPLCandconfigurationsoftware,thecontrolsystemandsupervisorysystemofautomaticingredientsystemaredesignedinthispaper.First,theSiemensPLCS7-200isusedtocontrolautomaticproportionsystem.Theproportioningsystemincludedtherequirementsofautomaticproportioning,weighing,andloading.NexttheZuTaiWangsoftwareisusedtobuildthereal-timesupervisorysystem.Thesystemcanrealizethereal-timedata-logging,aswellasvariousvisual.

Paper’scontentsmainlyincludethattheindustrialcontrolsystemdevelopmentandpresentsituationoutline.Theingredientsystemprincipleofworkandtheingredientcontrolsystem'sdesign,describedwithemphasisincludingthehardwaredesign,theprogrammingenvironmentandsoftwaredesignSIMENSPLCiningredientsystem'sapplicationsomedetails,theconfigurationsoftwareconfigurationkingandinthehostcomputersupervisorysystemsomebasicdesigns,aswellascommunicationbetweenPLCandhostcomputer.

Keywords:

Programmablecontroller；ingredients；monitoring

1概述

1.1PLC在国内外研究动态

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

　　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。

1.2PLC的发展趋势

可编程序控制器，英文称ProgrammableLogicController，简称PC。

但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。

它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。

用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强及编程简单等特点。

可以预料，在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。

现代可编程序控制器有两个方面的发展趋势。

1.2.1微小型PLC

发展微小型PLC，使其体积更小、速度更快、功能更强、价格更低、配置更加灵活。

由于自动控制系统规模的不同，小型化、低成本的PLC将广泛应用于各行各业，其组成由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，例如SIEMENS公司的S7-200的最小配置为CPU221，主机有6DI/4DO（数字量输入/数字量输出），而CPU224主机可扩展7个模块，最大达94DI/74DO，16AI/16AO（模拟量输入/模拟量输出），可满足比较复杂的控制系统的要求。

1.2.2大型PLC

发展大型PLC，使其具有大型网络化、高可靠性、多性能、良好的兼容性等特点。

网络化和强化通信能力是PLC发展的一个重要方面，向上与以太网、MAP网等相连，向下通过现场总线（如PROFIBUS）将多个PLC与远程I/O等相连，构成整个工厂的自动化控制系统。

近年来各公司陆续推出各种智能模块，大大增强了PLC的控制功能。

智能模块是以微处理器为基础的功能部件，其CPU与PLC的CPU并行工作，能够独立完成某些控制功能，如通信控制、高速计数、模拟量输入输出等，使系统设计和调试时间减少，控制精度提高。

好的兼容性是PLC深层次应用的重要保证，SIEMENS公司的S7系列PLC与通用微机兼容，可运行DOS/Windows程序，PLC的编程语言STEP7可运行在Windows环境下，提供了很强的梯形图、语句表的编程、调试和诊断等功能，体现了现代PLC的特点。

2硬件系统设计

本自动配料系统的硬件采用的西门子S7-200，运用与之相配的STEP7编程软件，采用LAD编制了下位机的控制程序。

以下将对硬件设计的过程进行详细的介绍。

2.1S7-200系统概述

西门子公司的SIMATICS7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。

S7-200系列PLC共有5种基本型号的CPU模块，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM，控制点数可以从10点扩展到248点。

其中，CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器，CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统。

所有型号的CPU在内部都集成了1个（CPU221、CPU222、CPU224）或2个（CPU226、CPU226XM）通讯口，该通讯口为标准的RS485口，可在三种方式下工作，即PPI方式、MPI方式和自由通讯口方式。

另外，S7-200可通过增加EM277模块接入Profibus-DP网络，通过CP243-1通讯模块连入工业以太网，通过CP243-2模块使其成为AS-i主站。

2.1.1系统功能概述

S7-200PLC系统是紧凑型可编程控制器。

系统的硬件构架由组成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。

它能够满足各种设备的自动化控制需求。

S7-200除具有PLC基本的控制功能外，更在如下方面有独到之处。

1功能强大的指令集

指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、PID指令、字符串指令、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合的指令等。

2丰富强大的通讯功能

S7-200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过Profibus-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。

在互联网需求已日益成为必需的今天。

强大的通讯无疑会使S7-200为更多的用户服务。

可以说，S7-200的通讯功能已经远远超出了小型PLC的整体通讯水平。

3编程软件的易用性

STEP7-Micro/WIN32编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境。

全中文的界面、中文的在线帮助信息、Windows的界面风格以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手。

2.1.2PLC的基本结构

PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。

1CPU模块

CPU模块主要由微处理器和存储器组成。

在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。

2I/O模块

输入模块和输出模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

（1）输入模块

输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。

S7-200的滤波电路延迟时间可以用编程软件中的系统块设置。

（2）输出模块

S7-200的CPU模块的数字量输出电路的功率元件有驱动直流负载的场效应晶体管和小型继电器，后者既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载，负载电源由外部提供。

输出电流的额定值与负载的性质有关，例如S7—200的继电器输出电路可以驱动2A的电阻性负载，但是只能驱动200W的白炽灯。

输出电路一般分为若干组，对每一组的总电流也有限制。

2.2自动配料系统

2.2.1控制要求

系统启动后，配料装置能自动识别货车到位情况及对货车进行自动配料，当车装满时，配料系统自动关闭。

本设计的突出点是故障检测部分的设计，首先，当某一节传送带发生故障时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止，该节之后的传送带会在一定的延时后停止。

其次，当某节传送带上的物体过重时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止，并且数码显示电路会显示发生故障的电机的号码，该节之后的传送带会在一定的延时后停止。

2.2.2自动配料系统控制图

1自动配料系统图

自动配料的模拟面板如图2.1所示，从图中可以看出四节传送带是本次设计的核心电路，PLC编程也是围绕此面板进行的

图2.1自动配料系统图

自动配料系统的功能是利用四节传送带为小车自动配料，重物通过传送带进行传输，发生故障时系统自动停机。

自动配料实验面板与PLC接线控制对应关系如表2.1所示。

表2.1输入/输出接线列表

面板

SB1

SB2

SQ1

SQ2

PLC

I0.0

I0.1

I0.2

I0.4

I0.5

Q0.0

面板

PLC

Q0.1

Q0.2

Q0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

面板

PLC

Q0.7

Q1.0

Q1.1

I0.6

I0.7

I1.0

面板

I1.2

I1.3

I1.4

I1.5

PLC

I1.1

I1.2

I1.3

I1.4

I1.5

1数码显示电路

LED数码显示电路如图2.2所示。

此电路在整个电路中起辅助性作用，即当四节传送带中的某一节发生故障时，LED显示有故障一节的编号，用户可以清楚的看到。

图2.2LED数码显示电路

LED数码显示面板与PLC控制端口对应关系如表2.2所示。

表2.2LED数码显示电路

面板

PLC

Q2.0

Q2.1

Q2.2

Q2.3

Q2.4

Q2.5

Q2.6

2.2.3I/O地址表

输入地址表（如表2.3所示）

表2.3输入地址表

编号

地址

说明

功能

I0.0

按钮SB1

启动

I0.1

按钮SB2

停止

I0.2

信号S1接入

S1料斗满信号

I0.3

信号SQ1接入

SQ1车未到位信号

I0.4

信号SQ2接入

SQ2车装满信号

输出地址表（如表2.4所示）

表2.4输出地址表

编号

地址

说明

功能

编号

地址

说明

功能

Q0.0

接指示灯D1

车装满D1亮

Q0.5

接指示灯L2

车到位L2亮

Q0.1

接指示灯D2

料斗下口下料D2亮

Q0.6

接指示灯M1

控制电动机M1转

Q0.2

接指示灯D3

料斗满D3亮

Q0.7

接指示灯M2

控制电动机M2转

Q0.3

接指示灯D4

料斗上口下料D4亮

Q1.0

接指示灯M3

控制电动机M3转

Q0.4

接指示灯L1

车未到位L1亮

Q1.1

接指示灯M4

控制电动机M4转

2.2.4配料过程分析

1初始状态

系统启动后，红灯L2（Q0.5）灭，绿灯L1（Q0.4）亮，车未到位，表明允许汽车开进装料。

料斗出料口D2关闭，若料位传感器S1（I0.2）置为“0”（料斗中的物料不满），进料阀开启进料，D4（Q0.3）亮。

当S1置为“1”（料斗中的物料已满），则停止进料（D4灭）。

电动机M1、M2、M3和M4均为“0”。

2装车过程

装车过程中，当汽车开进装车位置时，限位开SQ1（I0.3）置为“1”，红灯信号灯L2（Q0.5）亮，绿灯L1（Q0.4）灭，车到位；同时启动电动机M4（Q1.1），经过3s后，再启动M3（Q1.0），再经3s后启动M2（Q0.7），再经过2s最后启动M1（Q0.6），再经过3s后才打开出料阀，D2（Q0.1）亮，物料经料斗出料。

当车装满时，限位开关SQ2（I0.4）为“1”，D1（Q0.0）亮，料斗关闭（Q0.1复位），3s后M1停止，M2在M1停止3s后停止，M3在M2停止3s后停止，M4在M3停止3s后停止，同时红灯L2灭，绿灯L1亮，表明汽车可以开走。

3故障控制

当某一节传送带发生故障时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止，该节之后的传送带会在一定的延时后停止。

例如，当M2发生故障时，M2、M1会立即停止，M3会在M2和M1停止后5s后停止，M4在M3停止5s后停止。

其次，当某节传送带上的物体过重时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止，该节之后的传送带会在一定的延时后停止。

例如，当M1上有重物时，M1会立即停止，同时数码显示电路会显示“1”，M2在M1停止5s后停止，M3在M2停止5s后停止，M4在M3停止5s后停止。

4停机控制

按下停止按钮SB2，自动配料装车的整个系统终止运行

。

3自动配料系统的设计

3.1PLC编程软件STEP7及其应用

3.1.1PLC的工作原理

PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化的工作。

为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，如图3.1所示。

这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。

图3.1扫描过程

1读取输入

在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像寄存器和输出过程映像寄存器。

CPU以字节为单位来读取输入/输出过程映像寄存器。

在读取输入阶段，PLC把所有外部数字量输入电路的1/0状态读入输入过程映像寄存器。

外接的输入电路闭合时，对应的输入过程映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。

外接的输入电路断开时，对应的输入过程映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通。

2执行用户程序

PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。

在RUN工作模式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序。

在执行指令时，从I/O映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0/1状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的映像寄存器中，因此，各映像寄存器的内容随着程序的执行而变化。

在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入过程映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。

执行程序时，对输入/输出的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的I/O点，这样做有以下好处：

（1）程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出过程映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。

（2）用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得多，这样可以提高程序的执行速度。

3通信处理

在通信请求处理阶段，CPU处理从通信接口和智能块接收到的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候信息传送给通信请求方。

4CPU自诊断测试

自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

5改写输出

CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。

梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像寄存器为1状态。

信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。

若梯形图中输出点的线圈“断电”，对应的输出过程映像寄存器中存放的二进制数为0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。

当CPU的工作模式从RUN变为STOP时，数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态，或保持当时的状态。

6定时器

定时器相当于继电器系统中的时间继电器。

S7—200有三种定时器，它们的时基增量分别为1ms、10ms、100ms。

定时器的当前值寄存器是16位有符号整数，用于存储定时器累计的时基增量值（1～32767）

3.2自动配料系统的设计

自动配料系统的控制是采用PLC实现的，本小节主要介绍的是PLC部分程序的实现过程。

自动配料的流程图如图3.2所示。

图3.2自动配料流程图

3.2.1启动程序

启动时首先按下启动开关SB1，进入初使状态，表明允许汽车开进装料。

料斗出料口D2关闭，若料位传感器S1置为OFF（料斗中的物料不满），进料阀开启进料（D4）。

当S1置为ON（料斗中的物料已满）则停止进料（D4灭）。

料斗装满后开始启动传送带，首先启动最末一条皮带机（D），经3秒延时，再依次启动其它皮带机,即D→C→B→A，最后D2亮，表示开始装车。

程序如表3.1所示：

表3.1启动程序

步序

指令

器件号

说明

步序

指令

器件号

说明

I0.0

SB1自保持

LRD

M0.0

T37

I0.1

Q1.0，1

M3启动

M0.0

TON

T38，+30

延时3秒

M0.0

LRD

读栈

LPS

入栈

T38

I0.2

Q0.7，1

M2启动

Q0.3

D4亮

TON

T38，+30

延时3秒

LRD

读栈

LRD

读栈

I0.2

T39

Q0.2

D3亮

Q0.6，1

M1启动

LRD

读栈

TON

T40，+30

延时3秒

I0.4

LRD

读栈

Q0.4

L1亮

T40

LRD

读栈

Q0.1

I0.4

LPP

出栈

Q0.5

L2亮

I0.5

LRD

读栈

Q0.1，1

I0.4

Q0.0

Q1.1，1

M4启动

M0.1

TON

T37，+30

延时3秒

3.2.2正常时停止程序

停止时先停止最前一条皮带机（A），待料运送完毕后再依次停止其它皮带机，即A→B→C→D。

程序如表3.2所示：

表3.2正常时停止程序

步序

指令

器件号

说明

步序

指令

器件号

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