基于PLC的生产流水线电气控制系统设计.docx
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基于PLC的生产流水线电气控制系统设计
江苏科技大学
本科毕业设计（论文）
学院电子信息学院
专业电气工程及其自动化
学生姓名
班级学号
指导西席
二零年六月
江苏科技大学本科结业论文
基于PLC的生产流水线电气控制系统设计
TheDesignofTheElectricalControlSystemofProductionLinesBasedonPLC
江苏科技大学
结业设计（论文）任务书
学院名称：
电子信息学院专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
学号：
0
指导西席：
职称：
结业设计（论文）题目：
基于PLC的生产流水线电气控制系统设计
一、结业设计（论文）内容及要求（包罗原始数据、技能要求、到达的指标和应做的实验等）
随着科学技能的不停生长，生产工艺不停提出新的要求，控制技能从手动控制到自动控制，从简朴的控制设备到庞大的控制系统，从有触点的硬接线控制系统到以盘算机为中心的存储控制系统。
可编步伐控制器（PLC）的出现给产业控制系统带来重大厘革。
凭据所学的PLC的设计知识和要领、配合变频器、步进电机等设备实现了生产线上事情台的正向运行、反向运行以及多段速运行。
这一控制系统的实现和应用，充实体现了PLC系统在产业现场的应用，亦使其应用的范畴越发遍及。
接纳西门子S7系列PLC与变频器而设计的生产流水线控制系统的方案。
二、完成后应交的作业（包罗种种说明书、图纸等）
1.结业设计论文一份（不少于1.5万字）；
2.外文译文一篇（不少于5000英文单词）；
3.数据光盘一张。
三、完成日期及进度
2013年3月13日至2013年6月19日，共12周。
进度摆设：
1.3.13-3.20，查阅资料、调研，完成开题陈诉；
2.3.21-3.28，了解题目要求确定设计方案；
3.3.29-4.15，开端完成软硬件电路设计；
4.4.16-5.10，完成硬件电路设计及调试；
5.5.11-6.10，完善系统调试、交论文；
6.6.11-6.19，准备结业设计答辩；
7.6.19，结业答辩；
四、主要参考资料（包罗书刊名称、出书年月等）:
1邹继斌,无位置传感器无刷直流电机驱动电路的研究[[J],微电机，1999，32
（2）：
161
2王永.“反电势法”无刷直流电机控制系统研究.东南大学硕士论文,2004：
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744752
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5Kuang-YaoCheng,Chen-YuWang,Ying-YuTzou.ASICImplementationofaProgrammableServoControlICwithDigitalPhase-LockedLoop.IEEE33rdAnnualPowerElectronicsSpecialistsConference,PESC’02,Cairns,Australia,2002:
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6张立科,VHDL应用开发技能与工程实践,人民邮电出书社,2005
7陈伯时,电力拖动自动控制系统,机器产业出书社，2003：
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8叶金虎.无刷直流电动机的设计（ⅩⅢ）[J].微特电机,2006,（01）
9辛小南,贺莉.无刷直流电动机控制系统的仿真[J].微特电机,2011,（02）
系（教研室）主任：
（签章）年月日
学院主管领导：
（签章）年月日
摘要
生产流水线是在一定的线路上连续输送货品搬运机器，又称输送线大概输送机。
可编程逻辑控制器（PLC），一种数字运算操纵的电子系统，专为在产业情况应用而设计的，被誉为今世产业自动化的主要支柱之一。
随着科学技能的生长，以PLC作为根本控制单位的电气控制系统在现代化自动生产流水线及治理中优越性越来越明显。
本课题主要是研究利用西门子S7-200PLC配合西门子MICROMASTERVECTOR变频器、电机等设备实现生产流水线某一部门控制电机的正向、反向以及多段调速运行，使其具备启停、调试、单选等功效。
PLC使用方便、编程简朴、现场调试容易、情况要求低、抗滋扰能力和可靠性能力强，结合以上特点，本课题接纳软件与硬件相结合的要领，接纳相对优越的设计思路，探求PLC、变频器、电机之间的控制干系，通过仿真实现以及硬件调试验证了可靠性。
要害词：
PLC；变频器；多段调速；自动化；流水线
Abstract
Theproductionlineis,inacertainlinecontinuouslytransportinggoodsandhandlingmachinery,alsoknownastheconveyinglineorconveyor.Programmablelogiccontroller（PLC）,adigitalelectroniccomputersoperatingsystem,designedforapplicationsinindustrialenvironments,knownasoneofthemainpillarsofcontemporaryindustrialautomation.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,asthebasiccontrolunittothePLCelectricalcontrolsysteminmodernproductionlinesandmanagementsuperiorityisincreasinglyevident.ThemainsubjectofstudywithSiemensS7-200PLC,theSiemensMICROMASTERVECTORdrive,motorandotherequipmenttoachieveacertainpartoftheproductionlinecontrolmotorforward,reverse,andmulti-speedrun,ithastostartandstop,debugging,radioandotherfunctions.PLCeasytouse,simpletoprogram,easyon-sitecommissioning,lowenvironmentalrequirements,andstronganti-interferenceabilityandreliabilitycapabilities,combinedwiththeabovecharacteristics,thesubjectusingacombinationofsoftwareandhardware,theuseofrelativelysuperiordesignideas,andexplorethecontrolrelationshipbetweenPLC,frequencyconversionandmotor.Ithasbeenverifiedthereliabilitythroughsimulationandhardwaredebug.
Keywords:
PLC;converter;multi-stagespeed;automation;pipeline
第一章绪论
1.1研究配景
在可编程逻辑控制器（PLC）问世之前，继电器在产业控制领域中占主导职位，继电器控制系统有体积大、功耗多、可靠性差等十明白显的缺点，尤其当生产工艺产生变革时，就必须重新设计与安装，会造成时间和资金的严重浪费。
为了改变这种现状，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC。
经过40多年的生长，可编程逻辑控制器在美国、德国等产业发达国度已成为重要的财产之一，生产厂家不停涌现，品牌不停翻新产值产量大幅度上升而代价则不停下降。
目前，PLC在机器制造、石油化工、轻产业等领域的应用得到了长足的生长。
近年来我国在PLC方面的研制、生产和应用生长很快，在应用方面作用尤为突出。
20世纪70年代末80年代初，随着外洋成套设备、专用设备的引进，我国引进了不少外洋的PLC。
今后，在传统设备的改革以及新设备的设计中，PLC的应用逐年增多，并且取得了显著的经济效益。
目前，PLC在海内的应用越来越遍及，其在我国产业自动化领域的优势及作用越来越明显[1]。
21世纪，PLC将会有更大的生长。
盘算机技能的新结果必将更多地应用于可编程逻辑控制器的设计和制造上，PLC也会有运算速度更快、储存容量更大、更智能的型号和品种出现，品种会更富厚、范围会更齐全。
1.2研究目的及意义
随着科学技能的生长，PLC技能在许多领域得到了遍及的应用，尤其是在现代产业的系统控制方面，PLC的功效强、可靠性高、编程简朴、使用方便、体积小巧，被誉为今世产业自动化的主要支柱之一。
随着当今社会越来越快的生长步调，生产流水线控制系统将需要实现更多越发稳定的功效，以PC机作为上位机、以PLC作为根本控制单位的集控制和治理于一身的控制系统在现代化生产流水线及治理中越来越显示出优越性，PLC易学易懂、控制简朴，可以提高自动化生产流水线的生产效率。
PLC用存储逻辑取代了接线逻辑，这使得控制设备外部的接线大大的淘汰，也使得控制系统设计的周期大大的缩短，使同一设备经过改变步伐从而改变生产历程成为可能，这也很适合小批量、多品种的生产领域。
因为PLC，流水线的自动化水平更高、生产效率更高。
因此基于PLC的生产流水线电气控制系统的研究具有非常实用的意义，该研究一定会有很大的生长和应用空间。
此课题研究的目的是在掌握一定的PLC知识的底子上，培养掌握知识、运用知识解决问题的能力，培养一定的工程意识和创新意识，学会和熟悉一定的工程设计要领，为进一步的学习和能力的培养奠基底子。
1.3本文的主要内容
本文主要对生产流水线、PLC、变频器进行了相关介绍，对西门子S7-200PLC和MICROMASTERVECTOR（MMV）变频器组成的控制系统做了详细论述。
通过对设计目标、设计思路的阐发，接纳了硬件与软件相结归并配合仿真的要领，利用PLC、变频器以及电机之间的控制干系，研究设计了生产流水线某一控制电机的电气控制系统，其中硬件设计部门有PLCI/O地点分派、S7-200接线图、变频器多段速控制及参数设置、变频器接线图等；软件设计部门有SCR指令的应用、步伐的设计编写、仿真结果等。
该控制系统具备启停、调试、单选等根本功效，电机动员的生产流水线某一部门事情台能实现正转、反转以及多段速运行。
通过仿真验证了该系统的实际性与可靠性。
第二章生产流水线电气控制系统设计
2.1生产流水线简介
生产流水线是在一定的线路上连续输送货品搬运机器，又称输送线大概输送机。
生产流水线大抵可以分为以下七类：
皮带流水线、板链线、网带线、倍数链线、插件线、滚筒流水线及悬挂线。
常用的有：
（1）板链式装配流水线
特点：
其承载的产物可以比力重，因为和生产线同步运行，所以可以实现产物的爬坡；因为是以链板面作为承载，所以生产的节拍不是很快，可以实现产物的平稳输送。
（2）滚筒式流水线
特点：
其可以承载类型遍及的产物，所受限制少；和阻挡器配合使用，从而可以实现产物连续、积放以及节拍运行的功效；接纳了顶升平移的装置，能实现产物的离线检测以及返修但不影响整个流水线的运行。
（3）皮带式流水线
特点：
其能承载的产物比力轻，但是在形状方面限制少；因为和生产线同步运行，所以可以实现产物的爬坡转向；其以皮带作为输送载体，可以实现产物的平稳输送并且噪音小；另外还可实现轻型物料或着较长距离产物的输送。
（4）差速输送流水线
特点：
接纳倍速链牵引，工装板可自由传送，接纳阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在两端可自动顶升，横移过渡，还可设旋转、检测设备、机器手等。
流水线是加工量到了一定命量后的一定选择，其输送能力大，运距长，可以淘汰工件的搬运，提高加工效率，有利于提高产物质量，淘汰加工用度，所以应用十分遍及。
图2-1某一生产流水线浅易示意图
参照图2-1，当流水线需要启动时，3个电动机的启动顺序为：
3号、2号、1号；当流水线需要停止时，3个电动机的停止顺序为：
1号、2号、3号。
电机的启停由电气控制系统进行控制。
2.2设计目标
生产流水线事情台由电机动员，本课题的电气控制系统设计针对生产流水线当中某一电机，最终需要实现电机的正向、反向以及多段速运行，使其具备启停、调试、单选等功效。
电机多段速运行情况如下图所示。
图2-2电机多段速运行示意图
具体目标如下：
电机启动，当电机自动运行时将分五档速度连续运转，正转一档速度（300r/min）、正转二档速度（900r/min）、正转三档速度（1500r/min），反转四档速度（600r/min）、反转五档速度（1500r/min）；当电机进行调试时以一档速度（300r/min）运行，可实现正反转调试；别的，在单选状态下，电机可以以任意一级速度恒速正转运行；需要时电机可以随时停止。
2.3设计思路及实现
凭据公式f=nP/60可知，对付一台电机，转速n与频率f成一一对应干系，故可以利用变频器控制频率的变革从而来实现电机的多段速运行[2]。
另一方面，通过对变频器事情原理的理解可知，控制变频器开关量的输入可以实现多个牢固频率的输出。
所以，公道运用PLC，其输出信号作为变频器开关量的输入控制信号，变频器控制电机运行于多档转速即可组成PLC配合变频器的电气控制系统，通过软件与硬件结合，即可到达设计目标。
通过对设计目标的阐发，结合PLC输入开关元件，该生产流水线某一部门控制电机的电气控制系统实现内容如下：
按下SB1，电动机启动；按下SB12，电动机自动多段速连续运行，事情台运行；按下SB2，电动机停止，事情台停止运行；按下SB4，电动机正转；按下SB5，电动机反转；按下SB3，调试，电动机以一档转速运行；按下SB6，单选，电动机以任意一级速度恒速运行；按下SB7，电动机以一速运行；按下SB8，电动机以二速运行；按下SB9，电动机以三速运行；按下SB10，电动机以四速运行；按下SB11，电动机以五速运行。
凭据以上阐发，生产流水线中某一部门由PLC和变频器组成的控制系统示意图如下：
图2-3PLC和变频器组成的控制系统示意图
第三章控制系统的硬件设计
3.1西门子S7-200PLC
3.1.1PLC的组成及事情原理
可编程逻辑控制器（PLC）主要由中央处置惩罚单位、存储器、输入输出模块、电源和外部设备等几部门组成[3]。
（1）中央处置惩罚单位（CPU）
与通用盘算机中的CPU一样，PLC中的CPU是PLC整个系统的焦点。
其主要由运算器、控制器、寄存器以及地点总线、数据总线、控制总线组成，另有外围芯片、接口及有关电路。
CPU决定了整个系统的控制范围、事情速度、内存容量等。
PLC中所配置的CPU随机型差别而差别，一般有三大类：
一类为通用微处置惩罚器，如8086、80286等；一类为单片微处置惩罚器，如8051、8096等；另有一类是位处置惩罚器，如AMD2900、AMD2903等。
一般情况下，PLC档次越高，CPU位数越多，储存容量也越大。
有时，为了提高PLC的控制性能，系统接纳多个PLC，其智能模块由单独的CPU进行控制。
CPU中控制器控制PLC事情，它读取指令、解释指令、执行指令；运算器用于算术或逻辑运算，由控制器指挥事情；寄存器主要储存运算的中间结果，也是由控制器指挥事情。
PLC中CPU按系统步伐赋予的功效，指挥PLC进行事情，主要有：
吸收从编程器输入的用户步伐以及数据。
对PLC内部电路事情妨碍、电源以及编程存在的语法错误等问题进行诊断。
通过输入接口来吸收现场的状态或数据，并且将其存入到数据寄存器或输入映像寄存器中。
从存储器中逐条一一读取用户步伐，解释然后执行。
凭据执行结果，更新标记位的状态以及输出映象寄存器中的内容，通过输出单位来实现输出控制。
（2）存储器
存储器主要用于存储步伐以及数据，是PLC不可缺少的组成单位。
PLC中的存储器一般包罗系统步伐储存器和用户步伐储存器两部门。
系统步伐储存器存储系统的监控步伐，一般情况下接纳只读存储器（ROM），其具有掉电不丢失信息的特性；用户步伐存储器用于存储凭据工艺要求或控制功效而设计的控制步伐，在早期一般接纳随机读写存储器（RAM），其需要后备电池用来在掉电后生存步伐。
目前倾向于接纳电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存，从而免去了后备电池的麻烦。
一般而言，多数PLC可以扩展存储器容量。
系统步伐是PLC的制造厂家编写的，和PLC硬件组成有关，其完成系统诊断、解释命令、调用治理功效子步伐、逻辑运算及参数设定等种种功效，提供PLC运行的平台。
系统步伐干系到PLC的性能，在PLC使用历程中不会变更，是由制造厂家直接固化在只读存储器中的，用户不能访问和修改。
用户步伐是随PLC控制的东西而定的，是由用户凭据东西生产工艺控制要求而体例的应用步伐。
为方便读出、查抄和修改，用户步伐一般存于静态RAM中。
为防备滋扰对RAM中步伐的破坏，当用户步伐运行正常并且不需要改变时可将其固化在只读存储器中。
现在许多PLC直接接纳EEPROM作为用户存储器。
在PLC运行历程中经常变革以及存取的一些数据叫做事情数据，其存放在RAM中以适应随机存取的要求。
在PLC的事情数据存储器中，有存放输入输出继电器、定时器、帮助继电器等逻辑器件的存储区，用户步伐的初始设置和运行情况决定了这些器件的状态。
因为系统步伐以及事情数据与用户没有直接联系，所以在PLC产物样本大概使用手册中列出的存储器形式及容量都是指用户步伐存储器。
当PLC的用户存储器容量不敷用时，许多PLC还提供存储器扩展功效。
（3）输入/输出模块
输入模块和输出模块通常也称为I/O模块或I/O单位，是PLC与生产现场之间的连接部件。
起着PLC与外部设备之间通报信息的作用。
PLC提供了具有种种事情电平、驱动能力和连接形式的I/O模块可供用户选用，如电气断绝、串/并行变更、电平转换、开关量输入/输出、数/模转换、模/数转换及其他功效模块等。
PLC通过输入模块可以检测被控东西的数据，以这些数据作为PLC进行控制的依据，同时，PLC又通过输出模块将处置惩罚结果送给被控东西从而实现控制目的。
因为外部输入和输出设备所需要的信号电平是多样的，而PLC内部CPU处置惩罚的信号只能是尺度电平，所以要通过I/O模块实现这种转换。
I/O模块一般都有光电断绝和滤波功效来提高抗滋扰能力。
别的，I/O模块上通常有状态显示，便于维护。
I/O模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。
I/O模块上通常另有I/O接线端子排和状态显示，便于用来链接和监督。
开关量模块按电压分有220VAC、110VAC、24VDC等规格；凭据断绝方法分有晶闸管输出、继电器输出、晶体管输出等类型。
模拟量模块凭据信号类型分有电流型、电压型等规格；凭据精度分有12位、14位等规格。
（4）电源
PLC中差别的电路单位需要差别的事情电源，在整个PLC系统中电源起着十分重要的作用。
PLC一般都配有开关式稳压电源，用来给PLC的内部电路以及各模块的集成电路提供事情电源。
有些机型还向外提供24V的直流电源，用于给外部输入信号或传感器供电，淘汰了外部连线，为用户提供了方便。
在有些PLC中把CPU与电源合二为一，而有些是离开的。
在输出类型上，有110V大概220V的交换输入，另有24V的直流输入。
（5）外部模块
编程设备。
常见的有浅易手持编程器、基于PC的编程软件、智能图形编程器等。
编程设备用于输入和编辑用户步伐，设定一些系统参数、监控PLC及其控制系统的状态。
编程设备是PLC在应用系统设计与调试、监控运行、查抄维护中不可或缺的部件，但其不直接地到场现场控制。
其他外设。
除了编程设备外，PLC另有用来记载步伐和信息的盒式磁带机、用来打印步伐和报表的打印机、用来显示或监督系统中相关部门运行状态的图形监控器等外部设备。
当PLC处于停止事情模式时，PLC只进行内部处置惩罚和通信办事等内容。
在运行模式下，PLC通过重复执行反应控制要求的用户步伐来实现控制功效，为了使PLC的输出实时地响应随时可能变革的输入信号，用户步伐不是只执行一次，而是不停地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP事情模式。
PLC这种周而复始的事情方法称为循环扫描事情方法。
当PLC投入运行后，它的事情历程一般分为三个阶段，也就是输入采样、用户步伐执行和输出刷新三个阶段[4]。
完成这三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入采样阶段
在此阶段，PLC以扫描方法依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单位内。
采样结束后转入用户步伐执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，纵然输入状态和数据产生变革，I/O映象区中相应单位的状态和数据也不会改变。
（2）用户步伐执行阶段
在此阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次扫描梯形图。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点组成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点组成的控制线路进行逻辑运算，然后凭据逻辑运算的结果，刷新系统RAM存储区中该逻辑线圈对应位的状态，大概刷新I/O映象区中该输出线圈对应位的状态，大概确定是否要执行该梯形图所划定的特殊功效指令。
在用户步伐执行历程中，只有输入点在I/O映象区内的数据和状态不会产生变革，而输出点和软设备在系统RAM存储区大概I/O映象区内的状态和数据都可能产生变革，并且排在上面的梯形图，其步伐执行结果会对排在下面的梯形图起作用，相反，排在下面的梯形图，其被刷新的状态或数据只能到下一个扫描周期才气对排在其上面的步伐起作用。
（3）输出刷新阶段
在扫描用户步伐结束以后，PLC就会进入输出刷新阶段。
在此阶段，CPU凭据I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外部设备。
这时才是PLC的真正输出。
3.1.2S7-200PLC简介
西门子S7系列PLC体积小、速度快、尺度化，具有网络通信能力，功效强，可靠性高[5]。
其中，S7-200系列是整体式的，CPU模块、I/O模块和电源模块都在一个模块内，称为CPU模块。
同一机
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