基于PLC的自动送料装车控制系统.doc
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基于PLC的自动送料装车控制系统.doc
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洛阳理工学院毕业设计(论文)
基于PLC的自动送料装车控制系统设计
摘要
可编程序逻辑控制器(Programmablelogiccontroller)简称PLC,由于PLC的可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单,所以PLC的应用领域在迅速扩大。
尤其是近几年来,PLC的成本下降,功能又不段增强,所以,目前PLC在国内外已被广泛应用于各个行业。
本设计是为了实现送料小车的手动和自动化的转化,改变以往小车的单纯手动送料,减少了劳动力,提高了生产效率,实现了自动化生产。
而且本送料小车的设计是由于工作环境恶劣,不允许人进入工作环境的情况下而产生的。
首先,用PLC编程实现送料系统的基本功能。
其次,画出组态仿真画面,定义组态变量,对组态中的一些基本量如(管道中物料的流动)进行仿真。
然后,把PLC程序和组态结合,通过数据连接,实现通信。
最后,运行PLC程序及组态仿真程序,实现组态对整个系统实时监控。
在实现组态控制时,本文详细的介绍了组态王软件的编程及通信,使读者很容易的了解组态王软件运行仿真过程。
关键词:
PLC,组态王,监控,仿真
DesignofautomaticloadingcontrolsystembasedonPLC
ABSTRACT
ProgrammablelogiccontrollerreferredtoPLC,becauseofthehighreliabilityPLCadaptability,flexibility,environment,useconvenient,simplemaintenance,sotheapplicationofPLCintherapidlyexpanding.Especiallyinrecentyears,thecostofPLCdownandfunctionincreasing,so,atthemoment,PLCathomeandabroad,hasbeenwidelyusedinvariousindustries.Inordertoachievethedesignofthecarfeedthetransformationofmanualandautomated,simpletochangethepast,carmanualfeed,areductionoftheworkforce,increasedproductivity,automatedproduction!
Feedingandthecarisdesignedtobeasaresultofbadworkingconditionsarenotallowedtoentertheworkingenvironmentofthecircumstancesformed.First,programswithPLCrealizesfeedsystem'sbasicfunction.Next,drawstheconfigurationsimulationpicture,thedefinitionconfigurationvariable,like(inpipelinematerialflowing)carriesonthesimulationtoconfigurationsomefundamentalquantities.Then,thePLCprocedureandtheconfigurationunion,throughthedataconnection,realizesthecorrespondence.Finally,movesthePLCprocedureandtheconfigurationsimulatedprogram,realizestheconfigurationreal-timemonitoringoverallsystem.Whenrealizestheconfigurationcontrol,thisarticledetailedintroductionconfigurationkingsoftware'sprogrammingandthecorrespondence,causedthereaderveryeasytounderstandtheconfigurationkingsoftwaremovementsimulationprocess.
KEYWORDS:
PLC,configuration,monitoring,simulation
目录
前言 1
第1章 概述 2
1.1可编程控制技术的发展状况 2
1.2基于PLC控制的自动送料装车系统简介 3
1.3PLC的特点 3
1.4PLC的应用领域 4
第2章系统硬件设计 6
2.1系统硬件的设计 6
2.1.1自动送料装车系统控制工艺要求 6
2.1.2主电路的设计 7
2.1.3I/O地址分配 7
2.1.4PLC外部接线图的设计 8
第3章系统软件设计 10
3.1系统功能的分析与设计 10
3.2系统结构的分析与设计 11
3.2.1I/O信号的分析与设计 11
3.2.2数据结构的分析与设计 12
3.3程序设计的常用方法 12
3.4PLC程序设计 14
3.4.1PLC程序流程图 14
3.4.2PLC梯形图设计 15
3.5组态监控系统设计 17
3.5.1监控系统的形成背景 17
3.5.2组态王工程的建立 18
3.5.3组态画面的建立 20
3.54定义IO设备 23
3.5.5构造数据库 24
3.5.6建立动画连接 26
3.5.7应用程序命令语言 27
第4章系统软硬件调试 30
4.1软件调试概述 30
4.2通信协议 31
4.3PLC软件测试 32
4.3.1PLC程序的模拟调试 32
4.3.2PLC程序下载 32
4.4组态调试 34
4.4.1组态通讯调试 34
4.4.2组态监控仿真 35
4.4.3导航菜单 37
结论 39
谢辞 41
参考文献 42
外文资料翻译 43
41
前言
1968年,美国通用汽车公司首先提出可编程控制器的概念。
在1969年,美国数字设备公司(DEC)终于研制出世界上第一台PLC。
这是由一种新的控制系统代替继电器的控制系统,它要求尽可能地缩短汽车流水线控制系统的时间,其核心采用编程方式代替继电器方式来实现生产线的控制。
这种控制系统首先在美国通用汽车的生产线上使用,并获得了令人满意的效果。
传统的运料小车大都是继电器控制,而继电器控制有着接线繁多,故障率高的缺点,且维护维修不易等缺点。
作为目前国内控制市场上的主流控制器,PLC在市场、技术、行业影响等方面有重要作用,利用PLC控制来代替继电器控制已是大势所趋。
从送料小车的工艺流程来看,其控制系统属于自动控制与手动控制相结合的系统,因此,此送料小车电气控制系统设计具有手动和自动两种工作方式。
我在程序设计上采用了模块化的设计方法,这样就省去了工作方式程序之间复杂的联锁关系,从而在设计和修改任何一种工作方式的程序时,不会对其它工作方式的程序造成影响,使得程序的设计、修改和故障查找工作大为简化。
本设计从自动送料装车系统的工艺出发,选择了西门子(SIEMENS)S7-200系列CPU226作为主要的编程对象,实现自动送料装置的基本运行,然后又详细地介绍了组态王6.5(KingView6.5)软件的功能及命令语言的编辑,实现了对系统的监控功能,并且对一些变量实现了远程控制。
第1章概述
1.1可编程控制技术的发展状况
可编程控制器(ProgrammableLogicController)简称PC或PLC,是60年代末发明的工业控制器件,是美国数字公司(DEC)为美国通用公司研制开发并应用汽车生产线上,取得了极佳的效果,可编程控制器自此诞生。
随着计算机技术的飞速发展,PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化,其控制技术也不断朝着智能化方向发展,同时推动了先进制造技术的相应发展。
现代PLC已经成为真正的工业控制设备。
最初,PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。
但不久,西德的西门子(SIEMENS)公司、BBC公司就开始研制PLC,当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。
70年代初,日本的欧姆龙(OMRON)也推出了他们的PLC。
三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。
70年代中期,美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。
由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强,适合于大批量生产的装置,所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计,所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便,实现了低水平的操作、高性能的控制,所以在机械制造业深受欢迎。
小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域,其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战,更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。
据国外资料介绍:
1982年美国PLC用户中,有48%来自自动程序操作部门(如汽车、拖拉机工业、机械工业等)、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门。
近年来,随着我国对外开放,日、美、西德等国生产的PLC已通过多种途径进入了我国,引起了各方面的重视并得到应用。
如宝钢工程应用了数百台PLC,首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。
1.2基于PLC控制的自动送料装车系统简介
自动送料装车系统是用于物料输送的流水线设备,主要是用于煤粉、细砂等材料的运输。
自动送料装车系统一般是由给料器、传送带、小车等单体设备组合来完成特定的过程。
这类系统的控制需要动作稳定,具备连续可靠工作的能力。
通过三台电机和三个传送带、料斗、小车等的配合,才能稳定、有效率地进行自动送料装车过程。
本次自动送料装车系统采用了PLC控制。
从送料小车运行的工艺流程来看,其控制系统属于自动运行的控制系统,因此,此送料小车的电气控制系统设计采用自动扫描循环工作方式。
而在程序设计上采用整体式设计方法,这样就可以使读者一目了然地看懂整个程序,从而在一定程度上省去了使用人员阅读并分析程序的大量宝贵时间,同时也使得程序的设计、修改和故障查找工作大为简化。
自动送料装车系统控制系统的软件部分(信号显示和故障显示)均采用经验设计法,而自动程序则采用顺序控制法设计。
为了使整个控制过程更加完善,本设计采用北京亚控公司的组态王6.5仿真软件对整个系统进行组态模拟仿真,以进一步充分检验并修改系统硬件与软件。
下面我们先介绍一下PLC的特点。
1.3PLC的特点
1.可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2.配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5.体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
1.4PLC的应用领域
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。
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。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
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。
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。
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。
第2章系统硬件设计
自动化系统所使用的各种类型PLC中,有的是集中安装在控制室,有的是安装在生产现场和各电机设备上,它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。
PLC控制系统的硬件设计主要是指硬件选型,近十几年来,国内外众多厂家提供了多种系列、功能各异的PLC产品,已有几十个系列、几百种型号。
PLC品种繁多,其结构形式、性能、I/O点数、用户程序内存容量、运算速度、指令系统、编程方法和价格各有不同,使用场合也各有侧重。
因此,PLC的合理选择,对提高PLC控制系统的技术、经济指针以及对于控制系统都有着重要作用。
要提高PLC控制系统可靠性,一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力,另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视,多方配合才能完善解决问题,有效地增强系统的抗干扰性能。
2.1系统硬件的设计
2.1.1自动送料装车系统控制工艺要求
基于PLC控制的自动送料装车系统的控制要求如下:
初始状态:
红灯L2灭,绿灯L1亮,表示允许汽车进来装料。
此时,进料阀门(K1),送料阀门(K2),电动机(M1、M2、M3)皆为OFF状态。
当汽车到来时,车辆检测开关S2接通,红灯L2亮,绿灯L1灭,电动机M3运行,电动机M2在M3接通2秒后运行,电动机M1在M2启动2秒后运行,依次顺序起动整个送料系统。
当电动机M3运行后,进料阀门K1打开给料斗进料。
当料斗中物料装满时,料斗检测开关S1接通,此时进料阀门K1关闭(设1料斗物料足够运料小车装满一车)。
料斗出料阀门K2在电动机M1运行2秒及料斗装满后,打开放料,物料通过传送带PD1、PD2和PD3的传送,装入汽车。
当运料小车装满后,称重开关S3动作,送料阀门K2关闭,同时电动机M1延时2秒后停止,电动机M2在M1停止2秒后停止,电动机M3在M2停止2秒后停止。
此时绿灯L1亮,红灯L2灭,表示汽车可以开走。
2.1.2主电路的设计
主电路的设计对于本次设计小车自动送料装车系统设计相当重要,只有在主电路设计正确且简便的基础上,系统控制电路及软件设计才能精简方便。
根据系统的控制工艺要求,我所设计的电气控制系统主回路原理图如图2-1所示。
图中,M1,M2,M3为三台皮带传输送料电动机,交流接触器KM1~KM3通过控制三台电动机的运行来控制三个传送带,从而进行对物料的传输。
FR1,FR2,FR3为起过载保护作用的热继电器,用于物料传输过程中当传送带过载时断开主电路。
FU1为熔断器,起过电流保护作用。
图2-1自动送料装车系统主电路原理图
2.1.3I/O地址分配
此次设计,系统占用12个PLC的I/O端口,分别是5个输入端口和7个输出端口,具体的I/O分配如表2-1所示。
表2-1自动送料装置系统I/O地址表
输入
输出
启动
I0.0
电机M3
Q0.0
称重开关
I0.1
电机M2
Q0.1
下限料位
I0.2
电机M1
Q0.2
紧急停止
I0.3
料斗开关K2
Q0.3
上限料位
I0.4
进料阀门K1
Q0.4
红灯L2
Q0.5
绿灯L1
Q0.6
2.1.4PLC外部接线图的设计
该控制系统核心部分是以德国西门子CPU226为主,CPU模块采用整体式结构,它的体积小、价格低,CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱形机壳内,前盖下面有模式选择开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。
I/O模块中输入8点,输出10点,可实现高速输入输出响应,内部具有高速计数和中断处理功能。
PLC的输入输出端子均接到相应的接线端子排,输入输出信号通过这些接线端子排可由其它地方直接引入,这些接线端子排的布置与PLC的输入输出端子以及电源端、接地端和公共端的实际位置一一对应。
I/O模块接口将输入输出信号引入到控制台上。
PLC外部硬件接线图如图2-2所示(PLC外部接线图)。
PC/PPI编程电缆上标有PC的RS一232端连接电脑的RS一232通信接口,标有PPI的RS一485端连接到CPU模块的通信口,并拧紧两边接口的螺丝。
PC/PPI编程电缆通常在试验中下载梯形图程序时使用。
根据设计要求,如图2-2为PLC外部接线图的设计。
图2-2PLC自动送料I/O接线图
第3章系统软件设计
3.1系统功能的分析与设计
PLC软件功能的分析与设计实际上是PLC控制系统的功能分析与设计中的一个重要组成部分。
对于控制系统的整体功能要求,可以通过硬件途径、软件途径或者软硬件结合途径来实现。
因此,在正式编写程序之前,首先要站在控制系统的整体角度上,进行系统功能要求的分配,弄清楚哪些功能是要通过软件的执行来实现的,即明确应用软件所必须具备的功能。
对于一个实用软件,大体上可以从以下两个方面来考虑:
(1)控制功能;
(2)自诊断功能。
作为PLC控制系统,其最基本的要求就是如何通过PLC对被控对象实现人们所希望的控制,所以对于以上两方面,控制功能是最基本的,必不可少。
对于一些简单的PLC控制系统或许仅此功能就可以了,但对于本次自动送料装车系统的设计远远不够。
该系统最主要的功能就是实现物料的自动输送及装载功能,但怎样实现呢?
这就要靠及时准确地控制检测开关、阀门、皮带传输送料电动机等元器件来实现。
但是针对不同的元器件,我们要根据需要设计出不同的功能。
比如用皮带传输送料电动机用于传输物料、用阀门打开与闭合控制物料的进出等。
在进行功能的分析、分配之后,要进行具体功能的设计,对于不同的PLC控制系统,其主要依据是根据被控对象和生产工艺要求而定。
在该系统中,设法搞清被控设备(运料小车、皮带传输送料电动机、称重检测装置、物料检测装置等)的动作时序、控制条件、控制精度等等,做出明确具体的规定,分析这些规定是否合理、可行。
再者就是,要弄清楚,如果电动机出现轴承损坏;发热;绕组对地及相间短路等故障时,我们应该对其做出相应的保护。
如果经过分析后,认为达不到预期效果(自动传输物料和物料自动装载以及故障报警显示与处理),则要对其进行修订,其中也可能包括与之配合的硬件系统,直至所有的控制功能都被证明是合理可行为止。
第二部分是自诊断功能。
它包括PLC自身工作状态的自诊断和系统中被控设备工作状态的自诊断两部分。
对于前者可利用PLC自身的一些信息和手段来完成。
而对于后者,则可以通过分析被控设备接收到的控制指令及被控工作的反馈信息,来判断被控设备的工作状态。
例如在本设计中,我们用三个热继电器FR1~FR3来实现故障报警及处理。
具体表现为当三个传送带PD1、PD2和PD3中任意一个或多个发生过载时,系统通过不同的信号灯的状态变化实现自动报警,并通过在程序中控制其它被控对象的运行状态来及时准确的处理相应故障。
3.2系统结构的分析与设计
3.2.1I/O信号的分析与设计
PLC的工作环境是工业现场,工业现场的检测信号(如:
料斗检测信号、车辆检测信号、称重和故障信号等)多种多样,有模拟量(如:
运料小车、物料等),也有开关量(如红灯、绿灯、进/送料阀门等),PLC就以这些现场数据作为对被控对象进行控制的源信息。
同时,PLC又将处理的结果送给被控设备或工业生产过程,驱动各种执行机构(进/送料阀门、皮带传输送料电动机)实现控制。
因此对I/O信息的分析,就是对后面编程所需要的I/O信号进行详细的分析和定义,并以I/O信息表的形式提供给编程人员。
I/O信号分析的主要内容有:
(1)定义每一个输入信号并确定它的地址。
该设计中以I/O地址表和
PLC外部接线图的形式给出,图中也包含对每一个输入点所做的简洁说明,使其一目了然。
(2)定义每一个输出信号并确定它的地址。
该设计中以I/O地址表和
PLC
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