自动配料装车系统控制 自动配料装车的PLC控制系统设计.doc

PAGE I前 言可编程程序控制器（PLC, Programmable Logic Controller）因其高可靠性和较高的性价比，而在工业控制中被广泛应用。力控组态软件由于计算机的普及和其本身价值（实时多任务、开放性、灵活性、通用性和可靠性）的被认知，也在快速的发展中。本文基于可编程序控制器PLC和力控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采用了力控组态软件对上位机监控软件组态，实现现场数据的实时监控。本文的主要内容包括对生产过程控制系统发展和现状的概述、配料系统工作原理和配料控制系统的总体设计，重点描述了包括硬件设计、编程环境及软件设计在内的西门子PLC在配料系统中应用的一些细节、组态软件及其在上位机监控系统中一些基本设计，以及PLC与上位机之间的通讯。关键词：可编程序控制器；配料；组态软件目 录 TOC \o 1-3 \h \z \u 前 言 I 第 1 章概 述 1 1.1可编程控制器的发展及前景 1 1.2可编程控制器的定义 1 1.3可编程控制器的基本组成及功能 2 1.4组态软件的发展 2 第 2 章任务简介及方案选择 3 2.1任务简介 3 2.2方案选择 4 2.3方案构思框架 5 2.4PLC型号的选择 6 2.5监控软件的选择 7 第 3 章系统硬件设计 8 3.1主电路设计 8 3.2PLC的外部接线设计 9 第 4 章系统软件设计 11 4.1工作流程图以及顺序功能图的设计 11 4.2梯形图程序的设计 15 4.3力控组态的设计 15 第 5 章系统调试 17 5.1下位机调试过程 17 5.2上位机力控调试过程 20 5.3故障分析解答 22 第 6 章总结 23 谢辞 24 参考文献 25 附录A 26 电气信息学院课程设计评分表 36湖 南 工 程 学 院PAGE 14概 述可编程控制器的发展及前景1968年由美国通用汽车公司（GE）提出了研制可编程序控制器（即可编程控制器）的基本设想，希望尽量减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件和接线，减少系统维护和升级时间，降低成本。

希望将计算机的优点与继电器控制系统简单易懂、操作方便，价格便宜等优点相结合，设计一种通用的控制装置来满足生产需求。1969年由美国数字设备公司（DEC）研制成功世界上第一台可编程控制器，有逻辑运算、定时、计算功能，称为PLC（programmable logic controller）。1980年后，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。 可编程控制器最初是用于替代继电器控制系统的新型控制器，现在的PLC功能更加完善，除了开关逻辑控制的场合能够大显身手外，在要求有模拟量闭环控制的场合，也不会比单片机孙色。单片机能够完成的工作PLC都能完成。而且PLC更适用工业生产现场环境，具有更高的可靠性及较好的电磁兼容性可编程控制器的定义国际电工委员会（IEC）1985年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。可编程控制器的基本组成及功能尽管PLC种类繁多，有着不同的结构和分类，但其基本组成是相同的。

都是由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出单元（I/O单元）、电源单元、编程器等组成。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计”。组态软件的发展监控组态软件是在信息化大社会的大背景下，随着IT技术的不断发展而诞生、发展起来的，在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。自2000年以来，国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞速的发展，应用领域日益扩展，用户和应用工程师数量不断增多，充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。课题主题是基于上述之上的，关于设计自动配料装车系统，下面对于其课题介绍和方案的选择以及确定进行详细介绍任务简介及方案选择 任务简介有一个配料系统有四条传送带的传送系统，分别用四台电动机带动，控制要求如下：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，配料系统能自动关闭。1.初始状态系统启动后，红灯L2灭，绿灯L1亮，表明允许汽车开进装料。

料斗出料口D2关闭，若传感器S1置为OFF（料斗中的物料不满），进料阀开启进料（D4亮）。当S1置为ON（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OFF。2.装车控制当汽车开进装车位置时，限位开关SQ1置为ON，红灯信号灯L2亮，绿灯L1灭；同时启动电机M4，经过1S后，再启动M3，再经1S后启动M2，再经过1S最后启动M1，再经过1S后才打开出料阀（D2亮），料斗出料。当车装满时，限位开关SQ2为ON，料斗关闭，1S后M1停止，M2在M1停止1S后停止，M3在M2停止1S后停止，M4在M3停止1S后最后停止。同时红灯L2灭，绿灯L1亮，表明汽车可以开走。3.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。试设计满足控制要求的PLC控制系统。面板如图2-1所示。图2-1 面板这次课程设计的扩展的一小部分，控制原理如下：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，同时料斗出料阀门会关闭，该传送带节之后的传送带会在一定的延时后停止。整个系统是以PLC为核心设计的，利用力控组态进行监控，可实现静态观测和动态模拟。并且通过PLC控制可以实现上位机和下位机的操作。

方案选择当前自动配料解决方案有三种：以单片机为主控制机的自动装置、以PLC为主控制器的自动配料装置、智能自动配料装置。各种方式优缺点如下：以单片机为主控制机的自动装置。在当代工业生产中，以单片机为控制机的自动装置层出不穷，广泛应用于工业控制中。单片机以其价格便宜、轻巧占据市场，其功能和开发工具也相对比较完善，其完成的系统后期维护困难。以单片机开发的智能控制设备，成本低，开发方便，功能灵活，有成熟的开发体系，完善的功能。但其抗干扰能力有限，无法胜任于较为恶劣的工业环境。可以与计算机通讯，但需要较复杂的编程。由于单片机技术的限制,系统难以制作更高级的统一控制画面。以PLC为主控制器的自动配料装置。PLC组成的控制系统，性能相对稳定，抗干扰能力强，符合工业级标准，适合于恶劣的工业环境。PLC本身输入输出点数可以灵活配置，并能自由选择添加输入输出。其逻辑控制功能强，可长期运行于工业现场，其自身保护能力较高。并可以与上位机建立通讯连接，完成两者的数据交换；也可以通过串口上网模块通过网络交换数据。其完善的功能，灵活的配置，简单的编程，可靠的工作，使其广泛用于工业现场。由于ＰＬＣ技术的成熟，容易制作上一层的监控页面。

专用自动配料装置。专业自动配料装置简单易用，适合于小型控制中，能够完成简单的控制要求，其精确度较高。但专用仪表价格较贵，不利于系统的扩展。对成型系统扩展、维护相当困难。在工业控制中，难以用于生产数据频繁变动和复杂逻辑算法的控制。工业中常用于作为现场智能IO直接控制现场设备，并通过数据线将简单的数据传递到上层大型智能控制设备。通过上面三种常用工业控制方案中，可以得到以单片机为主控制机的自动装置和智能自动配料装置，难以满足本设计的要求，所以选用以PLC为主控制器的自动配料系统方案。方案构思框架方案构思框架如图1-1所示检查修改程序检查修改程序I/O地址分配完成编制报告联机调试设计硬件系统接线图和控制柜调试程序程序设计检查硬件接线了解被控系统、选择PLC型号和监控软件、确定硬件配置、I/O设备选择 ，设计外部硬件接线图满足要求？满足要求？NYNY图2-1 系统设计构思 PLC型号的选择首选德国西门子的PLCS7系列，S7-200属于小型PLC，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，针对系统控制，这里选择S7-200比较合适，S7-200具有以下特点：功能强，先进的程序结构，灵活方便的寻址方法，功能强大、使用方便的编程软件，简化复杂编程任务的向导功能，强大的通信功能，品种丰富的配套人机界面，有竞争力的价格，完善的网上技术支持。

S7-200有5种CPU模块，最多可以带7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最存储容量达30KB以上。集成了6个具有12种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器/脉冲宽度调制器。CPU 224 XP集成有两路模拟量输入，一路模拟量输出，两个RS-485通信口，高速脉冲输出频率高达100 kHz，高速计数器频率高达200 kHz，有PID自整定功能。这种新型CPU增强了S7-200在运动控制、过程控制、位置控制、数据监视和采集以及通信方面的功能。CPU 224XP的高速计数器的最高计数频率为200 kHz，高速输出的最高频率为100 kHz。CPU 224是具有较强控制功能的控制器。CPU 221无扩展功能，适于作小点数的微型控制器。CPU 222有扩展功能。CPU 226适用于复杂的中小型控制系统，可扩展到248点数字量和35路模拟量，有两个RS-485通信接口。通过以上比较，选择CPU 224XP CN 为最佳CPU。 监控软件的选择由于力控6.0监控组态软件是北京三维力控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端产品，是力控科技全体研发工程师集体智慧的结晶。

该软件主要定位于国内高端自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台，对历史数据库、人机界面、I/O驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件。力控6.0面向. NET开发技术，开发过程采用了先进软件工程方法：“测试驱动开发”，测试用例覆盖率为99.5%，产品品质将得到充分保证，在数据处理性能、容错能力、界面容器、报表等方面产生了巨大飞跃。避免了目前市场上各类软件不是操作过于复杂或者就是功能过于简单的弊病，在提高产品功能的前提下，即保证了产品的灵活性，又保证了使用的简单性，使您快速构建工程项目。对于初学监控组态软件的学者来说，力控提供了丰富的帮助功能以及简单的操作，容易上手，建立工程容易的力控软件是一种不错的选择 系统硬件设计硬件电路的设计主要包括控制系统的主电路和PLC的外部接线图的设计以及电路中包含的元件清单及I/O地址功能的分配。主电路设计根据系统控制要求：一个配料系统有四条传送带，分别用四台电动机带动。设计的主电路如下图3-1所示：图3-1 控制系统主电路主电路的元件清单如下表3-1所示：符号名称型号以及规格单位数量1~4M电动机Y112-4/4KW/380V台41~4QF低压断路器DZ47-C10A/3P个41~4KF交流接触器CJX2-25-31 22OV个41~4FR热继电器JKS1-09-25Z 13-18A个4表3-1 元件清单PLC的外部接线设计其PLC的外部接线图如图3-2所示：图3-2 PLC外部接线图自动配料装车系统实验面板与PLC接线控制对应输入输出接线关系如表3-2所示。

输入面板PLC力控功能描述1SB1I0.0M3.0启动2SB2I0.1M3.1停止3S1I0.2M3.2料斗满检测4SQ1I0.3M3.3车到位检测5SQ2I0.4M3.4车装满料检测6AI0.5M3.5电动机M1（A）点故障7BI0.6M3.6电动机M2（B）点故障8CI0.7M3.7电动机M3（C）点故障9DI1.0M4.0电动机M4（D）点故障输出面板PLC力控功能描述1D1Q0.0Q0.0车装满指示灯2D2Q0.1Q0.1料斗出料阀门开指示3D3Q0.2Q0.2料都满指示4D4Q0.3Q0.3料斗进料阀门开指示5L1Q0.4Q0.4允许车开进或开出指示6L2Q0.5Q0.5车正在装料指示7M1Q0.6Q0.6M1运行指示8M2Q0.7Q0.7M2运行指示9M3Q1.0Q1.0M3运行指示10M4Q1.1Q1.1M4运行指示表3-2 输入输出关系系统软件设计工作流程图以及顺序功能图的设计整个系统包括配料部分和送料装车部分。配料系统工作过程：按下启动按钮，检测料斗是否满，如果若传感器S1置为OFF，表示料斗中的物料不满，进料阀开启进料（D4亮）。如果当S1置为ON表示料斗中的物料已满，则停止进料（D4灭）。

值得注意的是，在送料装车过程中，当D2阀门打开的时候，会检测到S1为为OFF状态。配料部分系统的工作流程图如下图4-1所示开始开始料斗是否满YN料斗开始进料检测信号检测信号图图4-1工作流程图送料装车系统工作过程按下启动按钮，允许车开进来，此时Q0.4亮，Q0.5灭，表示允许车开进来，与此同时的其它电动机都处于OFF状态。当汽车开进装车位置时，限位开关SQ1置为ON，红灯信号灯L2亮，绿灯L1灭；同时启动电机M4，经过1S后，再启动M3，再经1S后启动M2，再经过1S最后启动M1，再经过1S后才打开出料阀（D2亮），料斗出料。如果在启动的过程中检测到A故障，则M1停止，1秒后M2停止，1秒后M3停止，1秒后M4停止。如果在启动过程中检测到B故障，此时M1还没有启动，则M2停止，1秒后，M3停止，一秒后,M4停止。如果在启动的过程中检测到C故障，此时M1和M2还没有启动，则M3停止，1秒后，M4停止。如果检