全自动配料系统设计 自动配料模拟控制系统设计

自动配料模拟控制系统设计

引言

自动配料控制系统是采用PLC控制方式以及新颖的变频调速喂料机构，配合配料控制软

件包，实现物料传送、配料控制、配方设计、生产数据管理等功能。并可以通过网络实现多

个配料系统的集合控制。

自动配料控制系统设计步骤:

1．主电路设计，并画出接线示意图。

2.分配I/O地址，列出分配表。

3.设计系统控制的程序框图。

4.根据程序框图设计该系统的控制梯形图。

5.上机调试通过。

6.利用PLC系统进行模拟运行

1自动配料控制系统结构和工作原理

1.1自动配料控制系统方案

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。

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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。

1.2自动配料控制系统基本结构

自动配料的模拟面板如图1.1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1.1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1.1.1所示。

表1.1.1输入/输出接线列表

面板SB1SB2S1SQ1SQ2D1

PLCI0.0I0.1I0.2I0.4I0.5Q0.0

面板D2D3D4L1L2M1

PLCQ0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6

面板M2M3M4ABC

PLCQ0.7Q1.0Q1.1I0.6I0.7I1.0

面板DI1.2I1.3I1.4I1.5

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面板SB1SB2S1SQ1SQ2D1

PLCI1.1I1.2I1.3I1.4I1.5

1.DOP数码显示电路

DOP数码显示电路如图1.2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，数码显示有故障一节的编号，用户可以清楚的看到。

DOP数码显示面板与PLC控制端口对应关系如表1.2所示。

表1.2数码显示电路

面板ABCDEFG

PLCQ2.0Q2.1Q2.2Q2.3Q2.4Q2.5Q2.6

1.3控制系统工作过程

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

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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。

2自动配料模拟控制系统中的PLC应用

2.1PLC的发展历史

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照

逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气

动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要

求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化

的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，

可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

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。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在

这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、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、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

2.2 PLC的硬件和软件

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2.2.1 PLC的硬件构成

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。

CPU的构成：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。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够

的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震

荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并

存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

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。

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（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

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配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

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。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用

的为24VAC）。

2.2.2 PLC的软件构成

（1）.系统软件

系统软件包含三个部分：

一.系统管理程序。其作用一是运行时间管理，控制可编程控制器何时输入，何时输出，

何时计算，何时自检，何时通信。二是存储空间管理，规定个中参数，程序的存放位置，以

生成用户环境。三是系统自检程序，包括各种系统出错检验，用户程序语法检验，句法检验，

警戒时钟运行。

二.用户指令解释程序。用户指令解释程序是联系高级语言程序和机器码的桥梁。

三.标准程序模块及其调用程序。这是许多独立的程序块，各程序块具有不同的功能。

（2）.用户程序

用户程序即是应用程序，使PLC的使用者针对具体控制要求编制的程序。根据不

同的控制要求编制不同的程序，这相当于改变PLC的用途，相当于继电器控制设备的硬接线

线路，也正是所谓“可编程”一词的基本含义。

2.3 PLC系统的辅助设备

1.编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、

对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

2.机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式

操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

3.输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，

输入模拟量的电位器，打印机等。

2.4 PLC的通信联网

依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在

自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之

间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还

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有一些内置有支持各自通信协议的接口。

2.5 PLC的注意事由

保证PLC的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。

1. 工作环境

温度:PLC要求环境温度在0~55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周

通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、

下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55℃，要安装电

风扇强迫通风。

湿度:为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。

震动:应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。

当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施。

空气:避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或

腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装

置。

电源:PLC供电电源为50Hz、220（110%）V的交流电，对于电源线来的干扰，PLC本身

具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安

装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电

源输入端串接LC滤波电路。

2.6 控制系统硬件I/O 地址分配

SB1

SB2

S1

SQ1

SQ2

M1

M2

M3

M4

D3

D4

L1

L2

PLC

7-200

图1.2 结构图

1.输入地址表（如表1.3 所示）

表1.3 输入地址表

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编号 地址 说明 功能

1 I0.0 按钮SB1 启动

2 I0.1 按钮SB2 停止

3 I0.2 信号S1 接入 S1 料斗满信号

4 I0.3 信号SQ1 接入

SQ1 车未到位信

号

5 I0.4 信号SQ2 接入 SQ2 车装满信号

1. 输出地址表（如表1.4 所示）

编

号

地

址

说明 功能

编

号

地址 说明 功能

Q0.

接指示灯

D1

车装满D1 亮 6 Q0.5

接指示灯

L2

车到位L2 亮

Q0.

接指示灯

D2

料斗下口下

料D2 亮

7 Q0.6

接指示灯

M1

控制电动机

M1 转

Q0.

接指示

灯D3

料斗满D3 亮 8 Q0.7

接指示灯

M2

控制电动机

M2 转

Q0.

接指示灯

D4

料斗上口下

料D4 亮

9 Q1.0

接指示灯

M3

控制电动机

M3 转

Q0.

接指示灯

L1

车未到位L1

亮

10 Q1.1

接指示灯

M4

控制电动机

M4 转

表1.4 输出地址表

3 自动配料控制系统

3.1 自动配料系统启动

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

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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

0 LD I0.0

SB1 自保

持

22 LRD

1 O M0.0 23 A T37

2 AN I0.1 24 S Q1.0，1 M3 启动

3 = M0.0 25 TON T38，+30

延时3

秒

4 LD M0.0 26 LRD 读栈

5 LPS 入栈 27 A T38

6 AN I0.2 28 S Q0.7，1 M2 启动

7 = Q0.3 D4 亮 29 TON T38，+30

延时3

秒

8 LRD 读栈 30 LRD 读栈

9 A I0.2 31 A T39

10 = Q0.2 D3 亮 32 S Q0.6，1 M1 启动

11 LRD 读栈 33 TON T40，+30

延时3

秒

12 AN I0.4 34 LRD 读栈

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

过程如图3.6 所示。

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10

开始

料斗配料

料斗是否装

启动开关

同时启动

传感器A 传感器B 传感器C 传感器D

是否有故障

是否停

车是否装

M1 M2 M3 M4

数码显示

结束

否

是

否

否

否

是

是

是

图3.6 自动配料流程图

3.2 停止程序

3.2.1 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3.7 所示：

表3.7 正常时停止程序

步序 指令 器件号 说明 步序 指令 器件号 说明

0 LD I0.1

按下停止

按钮

10 LD T42

1 O M0.2 11 R Q0.7，1 M2 停机

2 AN I0.0 12 TON T43，+30

延时3

秒

3 = M0.2 13 LD T43

4 LD M0.1 14 R Q1.0，1 M3 停止

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步序 指令 器件号 说明 步序 指令 器件号 说明

5 O M0.2 15 TON T44，+30

延时3

秒

6 TON T41，+30

延时3 秒

停机

16 LD T44

7 LD T41 17 R Q1.1，1 M4 停止

8 R Q0.6，1 M1 停止 18 R Q0.5，1

9 TON T42，+30 延时3 秒 19 = M0.3

3.2.2 有故障时停止程序

某条传送带发生故障时，该皮带机及其前面的传送带立即停止，而传送带以后的传送带

待运完后才停止。例如，M1 有故障时，M1 立即停止，经过3 秒后，M2 停，再过3 秒M3 停，

再过3 秒M4 停。部分程序如表3.8 所示：

表3.8 有故障停止程序

步序 指令 器件号 说明 步序 指令 器件号 说明

0 LD I0.6 M1 有故障 8 TON T47，+50

定时5

秒

1 R Q0.6，1 M1 停止 9 LD T47

2 = M0.4 10 R Q1.0，1 M3 停止

3 LD M0.4 启动定时 11 LD T47

启动定

时

4 TON T46，+50 定时5 秒 12 TON T48，+50

定时5

秒

5 LD T46 13 LD T48

6 R Q0.7，1 M2 停止 14 R Q1.1，1 M4 停止

7 LD T46 启动定时

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3.2.3 有重物时停止程序

当某条皮带机上有重物时，该皮带机前面的皮带机停止，该皮带机运行5 秒以后的皮带

机待料运完后才停止。例如，M3 上有重物，M1、M2 立即停，经过5 秒，M3 停，再过5 秒，

M4 停。部分程序如表3.9 所示：

表3.9 有重物时停止程序

步序 指令 器件号 说明 步序 指令 器件号 说明

0 LD I1.4 M3 有重物 8 R Q0.7，1 M2 停止

1 LDN I1.3 9 T59，+50

定时5

秒

2 AN I1.2 10 LD T59

3 LD T52 11 R Q1.0，1 M3 停止

4 A T56 启动定时 12 TON T60，1

定时5

秒

5 OLD13 LD T60

6 ALD14 R Q1.1，1 M4 停止

7 R Q0.6，1 M1 停止

如果存在几个皮带机上都有重物时，则存在优先级问题，即前面的优先级高于后面的。

例如，M2 与M3 上同时有重物，在停机时应按M2 上有重物进行处理。

3.3 DOP 数码显示及复位程序

当四节传送带出现故障时，数码电路会显示出现故障皮带机的编号，故障排除后显示消

失。例如，当M2 出现故障时，数码电路会显示2，故障排除后数码2 消失。部分程序如表

3.10、3.11 和3.12 所示：

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表3.10 DOP 数码显示主程序

步序 指令 器件号 说明 步序 指令 器件号 说明

0 LD I0.7 M2 有故障 4 AN I0.7

复位按

钮

1 AN I0.1 互锁 5 AN I1.0

复位按

钮

2 CALL SBR-1 调用 6 AN I1.1

复位按

钮

3 LDN I0.6 复位按钮 7 CALL SBR-4 调用

表3.11 显示数字2 子程序

步序 指令 器件号 说明 步序 指令 器件号 说明

0 LND M0.7 4 S Q2.3，1 置1

1 S Q2.0，1 置1 5 S Q2.4，1 置1

2 S Q2.1，1 置1 6 R Q2.5，1 置0

3 R Q2.2，1 置0 7 S Q2.6，1 置1

表3.12 复位子程序

步序 指令 器件号 说明 步序 指令 器件号 说明

0 LDN M0.7 4 R Q2.3，1 置0

1 R Q2.0，1 置0 5 R Q2.4，1 置0

2 R Q2.1，1 置0 6 R Q2.5，1 置0

3 R Q2.2，1 置0 7 R Q2.6，1 置0

4 自动配料控制系统运行调试

4.1 控制系统调试

输入程序，编译无误后，运行程序。依次按表3.13 中的顺序按下各按钮记录观察到的

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现象。

表3.13 系统测试结果

输入 输出现象

按下启动按钮SB1 D4 亮，L1 亮表示系统启动

按下开关S1 D4 灭，D3 亮，表示料仓装满可以开始装车

按下开关SQ1

L2、M4 同时亮，M3、M2、M1 依次启动最后D2 亮，

开始装车

按下M1 有故障按钮（A）

M1 灯立即灭，LED 显示1，之后M2、M3、M4 间隔

5 秒灭

按下M2 有故障按钮（B）

M1、M2 立即灭，数码显示2，之后M3、M4 间隔5

秒灭

按下M3 有故障按钮（C）

M1、M2、M3 立即灭，数码显示3，然后间隔5 秒

M4 灭

按下M4 有故障按钮（D） M1、M2、M3、M4 立即灭，LED 显示4

按下M1 有重物按钮

（I1.2）

M1、M2、M3、M4 每间隔5 秒灭一个

按下M2 有故障按钮

（I1.3）

M1 立即灭，之后M2、M3、M4 每间隔5 秒灭一个

按下M3 有故障按钮

（I1.4）

M1、M2 立即灭，之后M3、M4 每间隔5 秒灭一个

按下M4 有故障按钮

（I1.5）

M1、M2、M3 立即灭，5 秒后M4 灭

按下停止按钮（SB2） M1、M2、M3、M4 每隔5 秒灭一个灯

重复上步骤观察 经过多次观察，测试结果同上

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4.2 控制系统外部实物接线

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总结

自动配料控制系统具有运行可靠、功能齐全、投资低、升级方便等特点，采用全汉化

操作界面，在线组态，形象直观，易于操作。控制系统提供了较完善的系统运行信息和产

品信息，为现场操作人员创造了高效率的工作环境，实现了较为先进的过程控制和管理技

术水平，并减轻了系统维护的工作量。

自动配料控制系统各项指标均满足技术要求，并极大地改善了操作员的劳动强度，明

显地提高了生产效率精细化工的自动配料监控系统，采用DCS 集散控制方式分析监控系统

的结构和功能，研究其控制过程，实现人机对话自动控制、集中管理、实时记录、显示与

报警等功能。在精细化工生产工艺中，自动配料系统是一道非常重要的工序，它由前、后