基于西门子PLC200及组态王的配料生产线控制系统设计.docx
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基于西门子PLC200及组态王的配料生产线控制系统设计
毕业设计（论文）
题目：
基于西门子PLC200及组态王的配料生产线控制系统设计
（英文）：
DesignofIngredientsProductionLineControl
SystemBasedonSiemensPLC200andKingview
院别：
自动化学院
专业：
电气工程及其自动化
姓名：
xxx
学号：
xxx
指导教师：
xxx
日期：
2012年5月
基于西门子PLC200及组态王的配料生产线控制系统设计
摘要
随着社会的进步、科技日新月异，从18世纪60年代的以蒸汽机为主要动力的工业革命开始直到现在，工业的生产线经历过了300多年的发展历史，已经发展到了今天的全自动化大批量生产。
可以说现代工业已经离不开自动化的生产线了，自动化生产线不仅可以大幅度地提高生产效率，而且还可以提高精度、提高合格率、减轻人的工作量等好处。
在工业如此发达的今天，生产线控制系统逐渐地由PLC控制代替原来的单片机或机械电气控制，其许多功能是传统的控制技术无法实现的。
本设计针对我国一些小型企业的配料生产线控制系统现状，将西门子S7-200系列的PLC应用于小型的配料生产线，再由组态王作为人机交互的界面作为远程控制和监控作用。
本设计通过合理的选择和编程，不仅可以提高配料生产线的生产效率、降低成本、提高安全可靠性，还可以根据不同的配料合理调整PLC程序的参数，而且可以直接通过组态王监控、控制和调整参数，实现远程控制，提高人性化。
关键词：
生产线；PLC；组态王
DesignofIngredientsProductionLineControlSystemBasedontheSiemensPLC200andKingview
ABSTRACT
Withtheprogressofsocietyandthegreatchangesofscienceandtechnology,fromthe1760swhenthesteamengineisactedasthemainpowerofthebeginningoftheindustrialrevolutiontonow,industrialproductionlineshaveexperienced300-yeardevelopmentalhistory,andhasdevelopedintofullyautomatedmassproductioncurrently.Itcanbesaidthatmodernindustryhasbeeninseparablefromtheautomatedproductionline.Automaticproductionlinenotonlycangreatlyimprovetheproductionefficiency,butalsocanimprovetheprecision,boostqualifiedrate,reducetheworkload.Nowadaysindustryisdeveloped,andproductionlinecontrolsystemisrgraduallyreplacedtheoriginalsinglechipcomputerorelectricalmachinerycontrolwiththePLCcontrol.Manyofitsfunctionscannotbeachievedjustthroughtraditionalcontroltechnology.
Thispaperaimstosmallbusinessingredientproductionlinecontrolsysteminourcountry,andapplysthePLCofSiemensS7-200seriestosmallbatchproductionline,andtreatskingviewasahuman-computerinteractioninterfaceforremotecontrolandmonitoringfunction.Thispaperthroughthereasonableselectionandprogramming,cannotonlyimprovethebatchingproductionefficiency,reducethecost,improvethesafetyandreliability,andmakereasonableadjustmentofPLCprogramparametersaccordingtothedifferentingredients,butalsocandirectlyviathekingview'smonitor,controlandadjustmentofparameters,torealizetheremotecontrolandimprovehumanization.
Keywords:
ProductionLine;PLC;Kingview
1绪论
1.1配料生产线的发展概括
随着计算机技术和微电子技术的发展，微机配料控制系统的发展经历了人工手动控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计算机集中控制等几个阶段。
在第一个阶段，微机配料设备庞大，各设备之间互不联系，或者联系甚少，由现场的操作人员只能监视和操作一个至两个计量称，并且手工记录配料的相关数据，在很大程度上产品的质量取决于操作员的熟练程度。
在第二阶段，随着电子管、晶体管技术的飞速发展，逐渐出现了各种小型化的微机配料电动组合仪表。
但电动组合仪表也存在着两大问题:
一是电噪声的问题比较严重，为克服噪声，不得不采用极为复杂的电子线路;另一个问题是由于微机配料系统所控对象、所处环境常常都很恶劣，电子元器件的老化严重，抗干扰的能力和可靠性不高。
单片机配料系统是在大规模集成芯片技术成熟的基础上应运而生的。
单片机配料系统较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低，可靠性大大的提高。
而且满足了用户实用性的要求。
所以迄今为止，单片机配料系统仍然在一定程度上占据了中小型企业配料生产的主控地位。
同时随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的迅猛发展，基于STD总线或PC总线的工业控制计算机（例如：
PLC）应用提上了日程，并且迅速的在中国形成热潮，主要是因为工业控制计算机可靠性高，小巧结构，组成系统功能灵活，组态方便，具有小型化、模块化、组合化、标准化的特点。
随着工业控制计算机的广泛应用，基于工控机的配料系统也出现在工业场合。
这种配料系统大多采用集中控制方式，计算机除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存储、报表打印等功能外，还要完成对各对象的直接控制和数据采集任务。
近些年来，随着电工电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即采用交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术己成为发展趋势。
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式但在总体上，我国在配料控制系统上存在技术落后、企业平均规模小、综合生产水平低等问题。
因此，提高配料的自动化程度和产品的质量，成为当前十分紧迫的问题。
1.2单片机控制系统特点与存在问题
单片机虽然有一个五脏俱全的微计算机但由于本身无自开发能力，必须借助开发工具来开发应用软件，以及对硬件系统进行诊断。
另外，单片机内的ROM比较小，所以在设计中系统必须在外面配置EPROM电路和扩展电路，所以在该项目中运用该方案必须完成
（1）硬件电路的设计、组装、调试；
（2）应用软件的编制、调试；（3）应用软件的链接调试、固化、脱机运行。
系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
依据单片机目前的发展状况，该方案的优点是：
（1）成本较低，由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。
（2）可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。
（3）由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。
其缺点为：
（1）系统硬件设计相对比较复杂，运用该方案，该系统硬件设计包含扩展电路部分和系统配置电路部分，所以该系统电路设计工作量相对较大，影响系统开发的时间。
（2）系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，虽然注意了芯片、器件选择、去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽。
但由于工厂的条件比较差，很难保证系统的可靠性和稳定性。
（3）系统需要自己设计电源，而且不能保证系统的可靠运行。
（4）维护维修相对比较麻烦，维修需要的时间也相对较长。
1.3PLC控制配料生产线的特点
随着社会的不断发展，工业自动生产线越来越发达，PLC在工业配料生产线控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。
由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。
在配料生产控制过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对生产线的控制。
本文主要讨论研究利用西门子公司可编程控制器对配料生产线的控制，形成配料生产线控制系统，并用组态王进行远程控制和监控。
可编程控制器充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时照顾到现场电气维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学、调试和查错都很容易。
用户买到所需要的PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可以灵活而方便地将PLC应用于生产实践，而且用户程序的编制、修改和调试都不需要具有专门的计算机编程语言知识。
PLC现在已经成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代有大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的继电-接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、轻工、电子、纺织、食品、交通等各行各业都得到广泛的应用。
总之，配料生产线的控制是比较复杂的，在计算机诞生前的几十年里，继电器控制系统为生产线控制的发展起到了巨大的作用，然而其控制性能与自身的功能已经无法满足与适生产线控制的要求和发展，与PLC相比较，存在质的差别。
生产线使用继电接触器控制的时代，很难设计出质量优良的配料生产线控制系统，而现在，可编程控制器的使用为配料生产线的控制提供了更广阔的空间。
PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠、抗干扰性能增强、机械与电气部件被机结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。
因此它已成为生产线运行中的关键技术。
1.4组态王的特点
随着现代工业的发展，远程监控和操作越来越重要。
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
本设计就是用组态王与PLC通讯，实现对配料生产线的监控与远程操作、参数调节等功能。
1.5课题研究的意义和目的
随着人类的进步、社会的发展、科技的创新，自动化生产在现代工业生产中，已经逐步代替手工生产。
现代的生产流水线已经越来越自动化了，尤其是生产线上的配料添加。
在现代工业生产中，经常需要将多种原料按一定的比例混合，以制造某种产品，这种将一种原料与其它几种原料按事先设定的比例进行混合配料，然后自动送到搅拌机进行生产的配料生产线控制系统在工业生产过程中有着广泛的应用，它能根据事先设定的配料单，将各种不同的原料通过称料传感器把不同的配料进行称量。
随着计算机、工控系统、控制系统等相关技术的不错发展和完善，自动化系统得到了极大的完善。
然而配料系统在诸多行业的工业生产过程中占有极其重要的地位，配料工序的合理性、稳定性、准确性以及快速性直接影响到了以后的各生产环节。
现在PLC由于它的可靠性高、效率高、稳定性好、编程容易等优点，使得它在市场上得到了极大的应用。
PLC的极大应用提高了产品的质量和生产效率，在整个配料行业具有广阔的应用前景。
本论文设计采用西门子PLC200控制配料生产线，运用PLC与传感器结合，实现配料生产线的自动配料生产。
该生产线主要由料仓、仓壁振动器、喂料器、传送带、中间仓、混合仓、搅拌机组成，各振动器、搅拌机和传送带由电机拖动，采用变频器实现电机调速，中间仓和混合仓卸料门则由电磁阀控制。
当某台电机过载时电铃报警并禁止所有输出，故障排除后才能继续工作。
另外用组态王实现这套系统的监控和远程控制，设计出性价比最高的一套配料生产线控制系统，投入社会。
2可编程逻辑控制器（PLC）概要
2.1PLC简介
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
2.2可编程控制器（PLC）的特点
2.2.1硬件的可靠性
PLC是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。
在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。
例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，用提高了抗干扰性能；各个I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。
由于PLC本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。
2.2.2编程简单，使用方便
用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。
PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。
例如，目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。
这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这是微不足道的。
2.2.3接线简单，通用性好
PLC的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。
接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。
PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。
这种性能使PLC具有很高的经济效益。
用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于是用。
2.2.4可连接为控制网络系统
PLC可连成功能很强的网络系统。
网络可分为两类：
一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为500—2500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M—10Mbps，传输距离为500—1000m，网上结点可达1024个。
这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。
2.2.5易于安装，便于维护
PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。
在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。
长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。
从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。
由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。
PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。
一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。
2.3PLC的硬件结构
2.3.1中央处理单元（CPU）
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，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、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。
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，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模
2.3.2存储器（RAM、ROM）
存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
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；存放工作数据的存储器称为数据存储器。
常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。
RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。
RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。
掉电时，可有效地保持存储的信息。
EPROM、EEPROM都是只读存储器。
用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。
2.3.3输入输出单元（I/O单元）
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（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
2.3.4电源
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。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
2.3.5编程器
编程器是PLC的最重要外围设备。
利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。
除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。
利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。
2.4PLC的工作原理
PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式。
PLC则采用循环扫描工作方式。
在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。
如此周而不断循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。
所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。
这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O（输出）刷新”。
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端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。
反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产
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