基于组态软件的多级皮带机PLC控制系统设计毕业设计论文.doc

理工学院本科生毕业设计（论文）基于组态软件的多级皮带机PLC控制系统设计 PLC Control System Design of Multistage Belt Conveyor Based on Configuration Software总计：毕业设计（论文）36 页表 格： 2 个插 图 ： 16 幅 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于组态软件的多级皮带机PLC控制系统设计PLC Control System Design of Multistage Belt Conveyor Based on Configuration Software 学 院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 理工学院 Institute of Technology基于组态软件的多级皮带机PLC控制系统设计基于组态软件的多级皮带机PLC控制系统设计电气工程及其自动化专业 摘 要为了解决对多级皮带机运输系统实时监控和自动化控制问题，本文以四级皮带机为例设计多级皮带机PLC控制系统。首先，根据控制要求，分析控制流程，设计以PLC为核心控制器的硬件电路，再采用欧姆龙PLC编写程序，在实验箱上进行调试；同时，通过上位机组态软件，根据控制对象和要求,建立组态监控界面，实现组态界面与现场数据的实时通信、交换和显示，从而最终实现上位机组态软件对下位机PLC控制系统的实时监控和管理，完成最终的基于组态软件的多机皮带机PLC控制系统的设计。关键词 欧姆龙PLC；皮带机；组态软件；监控系统 PLC Control System Design of Multistage Belt Conveyor Based on Configuration SoftwareElectrical Engineering and Automation Specialty Abstract：This paper takes four-stage belt conveyor for an example to design multi-stage PLC control system in order to solve the problems about real-time monitoring and automation controlling for the transportation system of multilevel belt conveyor. Firstly, according to the control requirements, analyzing control flow, this paper designs the hardware circuit with PLC control process for core, and then uses Omron PLC to program, debugs in the experiment box; Meanwhile, according to the control object and request, this paper establishes configuration control interface through the configuration software of upper unit, realizes the real-time communication, exchanging and displaying of the configuration interface with field data , achieves the upper units configuration software real-time monitoring and management for the lower PLC control system, finishes the PLC Control System design of multistage belt conveyor based on configuration software finally. Key words: Omron PLC; belt conveyor; configuration software; monitoring system目 录1 引言11.1 本课题设计意义11.2 本课题的主要设计内容及控制要求22 相关软件介绍及监控系统总体设计22.1 欧姆龙PLC简介22.2 组态王6.5仿真软件特点52.3 监控系统的组成结构63 系统硬件设计73.1 皮带输送机工作原理73.1.1 多级皮带机系统双向启动控制原理83.1.2 “顺流启动”的控制原理83.2 设备选择93.3 控制系统主电路的设计103.4 PLC 开关量及外部接线的设计114 系统软件设计124.1 PLC程序设计124.1.1 系统功能的分析与设计124.1.2 I/O信号的分析与PLC梯形图设计134.2 组态软件的设计155 软件调试195.1 软件测试具体步骤195.1.1 程序下载195.1.2 组态调试及注意事项205.2 系统组态运行结果21结束语24参考文献25附录一26附录二30致谢31II1 引言在现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展最快的两个分支，计算机控制技术是这两个分支相结合的产物，它是工业自动化的重要支柱。工业自动化的广泛使用能够提高工厂装备的技术水平、节约能源、降低能耗、促进生产的柔性化和集成化；控制环境污染、改善劳动条件、保证生产安全可靠；提高产品质量、发展品种、提高劳动生产率以及产品的国际竞争力。随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对自动化监控系统的人性化互动与系统定义要求也越来越高。仅仅实现对现场设备的控制已经无法满足工业自动化的要求，在对现场设备进行控制的同时实现对其运行状况的实时监视具有更多的实际意义，因此对工业现场进行自动检测控制和监视管理的工业监控系统应运而生。工控组态软件成为开发工业自动化监控系统的一件有力武器。基于组态的自动化控制系统人机对话界面简单明了，宜于操作，实时性好，开发周期短，便于修改、扩充、升级。并且它能够很好的解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己控制对象和控制目的任意组太，实现组态界面与现场数据的实时通信、交换和显示，从而最终实现对现场情况的实时监控和管理，完成最终的自动化控制工程。基于组态软件的自动化控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点.目前，已在工业自动化领域中广泛应用，采用工控组态软件和PLC相结合进行标准设计和监控已成为工业自动控制领域一个必然的趋势。1.1 本课题设计意义皮带机是皮带输送机的简称，也叫带式输送机。皮带机运用输送带的连续或间歇运动来输送各种轻重不同的物品，既可输送各种散料，也可输送各种纸箱，包装袋等货件，可单机输送，也可多机组合成水平或倾斜的运输系统来输送物料，用途广泛。带式输送机具有输送距离长、运量大、连续输送等优点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中化控制。 多机皮带机的控制方式也多种多样，它可以由单片机，PLC以及计算机来控制，由于以PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动的首选控制装置。为了保证皮带机工作正常、物料的安全运输及工作人员的生命安全，对皮带机运输系统的全程实时监控是一项非常重要的工作，对皮带机生产现场迫切需要一种可靠、准确、安全的工业监控系统，来对物料的卸、堆、取、装等生产流程进行全面的监视与控制。而传统的自动化控制方式根本无法满足生产的不间断运行、控制实时性和安全性等要求。所以开展皮带机监控系统的研究，是提高工业生产过程自动化水平和经济效益，适应生产发展的需要，也是促进国民经济的需要。运用现代通信技术、工业控制网络技术和采组态监控软件相结合，把先进的工业生产自动监控理念应用于实际的皮带机监控系统，用一台微型计算机作为监控系统的上位机，通过组态软件、工业控制网络和PLC相连，实现对现场数据的巡回采集、集中处理，从而最终实现对工业自动化系统的分散检测控制与集中监控管理1。1.2 本课题的主要设计内容及控制要求本次课题的任务是基于组态的多级皮带机PLC控制系统的设计、安装、调试，根据要求下面以四级皮带机为例来说明具体的设计内容和控制要求。设计内容如下：（1）控制系统的总体方案设计。（2）PLC控制系统的软、硬件设计。（3）利用组态王6.5仿真软件对多级皮带机双向启动系统进行画面组态。（4）系统测试、联调及模拟调试。控制要求如下：（1）某一生产线由四级皮带运输机组成，四级皮带机分别由分别M1,M2,M3,M4四台电动机拖动，有顺流启动和逆流启动两种启动控制方式，并且这两种控制程序可以随时切换。（2）顺流启动时，当有料进入皮带机后通过一号皮带机上的物料检测传感器1让皮带机运行，并按照M1M2M3M4的顺序启动，间隔时间均为3秒钟。若无料进入皮带，则通过压力传感器1的检测30秒后让皮带机按M4M3M2M1的顺序依次停止否则继续运行，如此循环往复。当某条皮带机发生故障时，所有皮带机都立即停止运行。逆流启动时要求一样。（3）为防止在运行时传感器误动作，要求按下系统保护按钮后，系统才处于待运行状态，否则传感器不动作。（4）为保障以外发生时的安全，还要有急停按钮，当急停按钮按下时所有的电机立即停止运行。（5）要有必要的短路、过载、连锁保护。2 相关软件介绍及监控系统总体设计2.1 欧姆龙PLC简介（1）OMRON C系列PLC简介日本OMRON（立石公司）电机株式会社是世界上生产PLC的著名厂商之一。SYSMAC C系列PLC产品以其良好的性能价格比被广泛地应用于化学工业、食品加工、材料处理和工业控制过程等领域，其产品在日本其销量仅次于三菱，居第二位，在我国也是应用非常广泛的PLC之一。OMRON C系列PLC产品门类齐、型号多、功能强、适应面广。大致可以分成微型、小型、中型和大型四大类产品。整体式结构的微型PLC机以C20P为代表的机型。叠装式结构的微型机以CJ型机最为典型。OMRON 中型机以C200H系列最为典型。小型PLC机以P型机和CPM型机最为典型，体积更小、指令更丰富、性能更优越，通过I/O扩展可实现10-140点输入输出点数的灵活配置，并可连接可编程终端直接从屏幕上进行编程，CPM型机是OMRON产品用户目前选用最多的小型机。在一般的工业控制系统中，小型PLC机要比大、中型机的应用更广泛。在电气设备的控制应用方面，一般采用小型PLC机都能够满足需求。本设计我们采用OMRON公司CPM1A系列小型机作为主要设备。与所有小型机一样，CPM1A系列PLC采用整体式结构， 内部由基本单元、电源、系统程序区、用户程序区、输入/输出接口、I/O扩展单元、编程器接口及其它外部设备组成。PLC基本组成结构图如图1所示。图1 PLC的基本组成结构图可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）通常称为可编程控制器，英文缩写为PLC或PC，是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理技术的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备。目前已广泛用于冶金、能源、化工、交通、电力等行业，并已跃居现代工业控制三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）的首位。（2）PLC工作原理各种PLC都采用扫描工作方式，具体工作过程大同小异。第一部分是上电处理。机器通电后，对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，1/0模块配置检查和其它初始化处理等。第二部分是扫描过程，分为三个阶段:输入采样阶段：在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。在输入采样阶段，PLC把所有的外部输入电路的ON/OFF状态读入到输入映像寄存器，此时，输入映像寄存器被刷新。外部的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，反之，外部的输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为“0”状态。接着进入程序执行阶段，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不变，直到下一扫描周期的输入采样阶段才读入这变化。执行用户程序阶段：PLC的用户程序由若千条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。根据梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右、先上后下的顺序逐句扫描。程序执行时，若没有跳转和中断指令，CPU从第一条开始，逐条顺序的执行，直到遇到结束指令。输出刷新阶段：CPU在执行完用户程序后，将输出映像寄存器的0/l状态传送到输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外部负载。为“1”状态时，对应的线圈通电，其常开触点闭合，常闭触点断开。为“O”状态时，对应的线圈断电，其常开触点断开，常闭触点闭合。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，PLC内部设置了一个监视定时器WDT，其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期，PLC在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。正常情况下，监视定时器不会动作，当检查出异常时，监视定时器动作，运行停止，并显示出来。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。（3） PLC的主要特点可靠性高，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。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。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。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2。 2.2 组态王6.5仿真软件特点组态软件是工业应用软件的一个组成部分，它是目前国内较为流行的通用组态软件，具有较好的图形界面，可以方便地构造自己的数据采集系统。它能通过PLC进行数据通信；具有报警、故障查询及打印功能；组态画面真实反映实时状态；可方便地进行配方的设定与修改；此外该软件还设有不同的访问权限，可让不同权限的人操作不同的内容。组态软件已经越来越多的应用在企业信息化系统中和生产控制系统之中。（1）工程管理对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较烦琐的事情。组态王工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，资料词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。另外，组态王6.5开发系统提供工程加密，画面和命令语言导入、导出功能。 （2）画面制作系统支持无限色和过渡色 组态王6.5调色板支持无限色，支持二十四种过渡色效果， 组态王的任一种绘图工具都可以使用无限色，大部分图形都支持过渡色效果，巧妙地利用无限色和过渡色效果，可以使您轻松构造面无限逼真、美观的画面。 图库 使用图库具有很多好处：降低了工程人员设计接口的难度，缩短开发周期；用图库开发的软件将具有统一的外观，方便工程人员学习和掌握。按钮和图形组态王6.5支持按钮的多种形状和多种效果，并且支持位图按钮， 用户可以构造无限漂亮的按钮。可视化动画连接向导（3）报警和事件系统组态王6.5报警系统全新改版，具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。组态王分布式报警管理提供多种报警管理功能。包括：基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能，以及通过网络的远程报警管理 （4）报表系统 组态王6.5提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表。（5）控件组态王6.5支持Windows标准的Active X控件（主要为可视控件），包括Microsoft提 供的标准Active X控件和用户自制的Active X控件。（6）安全系统组态王6.5采用分级和分区保护的双重保护策略。新增用户组和安全区管理，999个不同级别的权限和64个安全区形成双重保护，另外组态王能记录程序运行中操作员的所有操作3。2.3 监控系统的组成结构皮带机监控系统依据分散检测控制、集中监控管理的原则，设计为以工业通信网络为纽带、由上位机监控系统和下位机控制系统两部分组成的高可靠性实用系统。本皮带机监控系统实际上是一个由集中监控层和设备控制层构成的二级集散控制系统。作为集中监控层的上位机监控系统，主要是工控机和触摸屏，提供友好、丰富的人机操作界面，处理自动化任务，实现系统状态动态显示、设备工作信息采集、工艺流程控制及报表输出等功能，进行系统全面的监控和管理，并通过监控级工业网络与下位机交换信息;作为设备控制层的下位机控制系统，主要是可编程控制器，与现场电气设备和执行机构直接连接，执行可靠、有效、具体的分散控制。在监控系统的运行过程中，下位机PLC通过传感器采集监控对象的状态数据，采集到的信号由屏蔽信号电缆从现场传送到PLC控制柜的接线端子板上，再经由中间继电器中转送入PLC的输入模块，完成现场信号的采集过程;上位机通过与下位机PLC通信实时获取监控对象的状态数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观地显示在上位机屏幕上，另一方面按照工艺流程要求和操作人员的指令将控制数据送入PLC的输出模块，按PLC的用户程序对数据进行运算处理后再通过执行器驱动对应监控对象的电机、电磁阀等工作，完成现场设备的控制过程。监控系统的工作原理如图2所示。图2 监控系统的工作原理图（1）上位机监控系统现场是由一台微型计算机作为上位机，通过组态软件，建立组态界面，实现数据与PLC的实时通信、交换和显示，从而最终实现上位机组态软件对下位机PLC控制系统的实时监控和管理。基于组态软件的多级皮带机PLC控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点。目前，已在工业自动化领域中广泛应用，采用工控组态软件和PLC相结合进行标准设计和监控已成为工业自动控制领域一个必然的趋势4。（2）下位机控制系统下位机控制系统实时采集现场设备的各种数据，同时接受上位机发出的流程控制命令对各生产设备按工艺流程要求进行有效控制。下位机控制系统的主要控制对象为皮带输送机（本设计以四级皮带机为控制对象）。（3）监控界面设计监控界面是整个监控系统的主要组成部分，是系统进行实时监控的主要人机接口(HMI)，监控界面的友好程度是衡量监控系统质量的重要指标。监控界面的设计首先应满足生产工艺流程的要求，同时界面要友好，形象逼真，便于操作管理。由于皮带机的生产规模大，生产线长，需要监控的大型设备多，所以监控系统要实现全局生产的实时监控就必须按照现场设备的物理位置和功能特点设计多个监控界面。监控界面被分为三类:工艺流程图界面(主监控界面)、逆流控制界面(流程控制界面)、顺流监控界面(流程控制界面) 5。系统监控界面一般分为三个部分:总览部分、现场画面部分和按钮部分。在总览部分一，可组态画面标题、启动运行方式选择:在按钮部分可组态每个画面中显示的固定按钮;在现场部分可组态当前监控的各机构的具体情况。3 系统硬件设计3.1 皮带输送机工作原理皮带输送机又称胶带输送机，也称带式输送机(belt conveyer)。通用带式输送机由输送带、托辊、滚筒及驱动、制动、张紧、改向、装载、卸载、清扫等装置组成。 目前输送带除了橡胶带外，还有其他材料的输送带(如PVC、PU、特氟龙、尼龙带等)。带式输送机由驱动装置拉紧输送带,中部构架和托辊组成输送带作为牵引和承载构件，借以连续输送散碎物料或成件品，是一种以摩擦驱动方式连续运输物料的机械。应用它可以将物料在一定的输送线上，从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。它既可以进行碎散物料的输送，也可以进行成件物品的输送，与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。所以带式输送机广泛应用于现代化的各种工业企业中，可以单机输送，也可多机组合成水平或倾斜的运输系统来输送物料。另外带式输送机具有输送距离长、运量大、连续输送、结构简单、维修方便、成本低、通用性强、运行可靠，易于实现自动化和集中化控制等优点，现已被广泛地应用在冶金、煤炭、交通、水电、化工等部门。3.1.1 多级皮带机系统双向启动控制原理在矿山胶带运输系统中，其连锁控制大都采用“逆流启动”的方式。即从料流的终端开始，逆料流方向依次启动每台胶带运输机，首端胶带运输机最后启动。如果参加连锁的胶带机数量较多，则系统的启动时间有时长达几十分钟，此时设备空运转，造成机械磨损和能源损耗。为了解决这个问题，长期以来，人们一直探求“顺流启动”的控制方式。即从料流的始端开始，根据料流情况，顺料流方向，依次启动每台胶带运输机。但是，从胶带运输工艺的特点可知，当“紧急停车”(如事故停车)后，由于胶带上载满物料，重新启动时必须改为“逆料流启动”。这就是说，一个“顺流启动”控制系统必须具备“顺流启动”和“逆流启动”两种控制程序，而且这两种控制程序可根据需要随时转换，以满足工艺要求。由于胶带运输机绝大部分采用继电器控制系统，其控制程序随其硬件接线一次性施工而固化，从运行管理角度讲，要想随心所欲地改变控制程序是不可能的。但是，PLC具有“可编程序”的功能，使得“顺流启动”这一难题迎刃而解。3.1.2 “顺流启动”的控制原理本设计以四级皮带输送机为例来说明多级皮带机双向启动系统的控制原理。四级皮带运输系统的工艺流程如图3所示。图中Bl、B2、B3、B4.Bn，分别表示胶带机代号，箭头表示料流方向。“顺流启动”的控制工艺流程如图3所示。（1）先启动B1，并同时给料。当物料随胶带运转而到达距转载点一定距离时，由程序启动B2，如果B2因其它原因拒启动或启动失败，B1必须在物料到达转载点之前停车。图3 多机皮带机工艺流程图（2）系统处于正常运行中，如果其中一台胶带机突然停机，逆料流方向，其上部胶带机应立即停车，其下部胶带机可继续运行。（3）系统正常停机的程序是按料流方向依次延时停机，以保证停机后胶带机空载。（4）系统有载运行时突然停机后，再次启动时，必须转为“逆料流启动”程序，以保证转载点不发生“堵漏”。综上所述，“顺流启动”控制方式的关键是相邻胶带之间的关系。现以图3中的B2为例，详细分析Bl、B2和B3之间各个参数的相互联系与制约关系。在正常情况下，系统开车前，所有皮带都是停止的，首先启动Bl，并开始下料。当物料从O1到达Nl时，命令B2启动，当物料到达Ml时，如果B2启动不成功，Bl应立即停机。如成功，则系统继续运转。同理，当物料到达N2时，启动B3，到达M2时，根据B3的启动情况决定系统停机或运行。根据上述，为量化物理过程，有必要引入两个定义。启动信号：“顺流启动”的关键是“料来了才启动”。因此，必须取一个代表“料流”的信号作为动信号。如图3所示，B2的启动信号(脉冲)是物料到达N1时发出的。为突出问题的实质，把这段时间(TQBZ)称为B2的“启动信号”。其值按下式计算。TQB2=ALl/V1 (1)式中L1为Bl的长度;V1为Bl的运行速度;A为系数，取值0.6一0.8。由图3可知，TQB2的意义是物料从O1点到达M1点的时间。也就是说，在物料到达M1点(而不是N1点)时，B2就开始启动。显然，这一信号比真正的料流信号超前一段时间，使B2有足够的启动时间，从而保证系统运行的可靠性。运行信号：从上述的控制原则(2)可知，在系统启动运行后，B2的运行受B3的制约，即B3停，B2随之停。因此，B2的控制程序中要有一个B3运行状态的信号。或者说，只有B3启动并能正常运行，才允许B2继续运行。但是，在“顺流启动”方式中，要求B2先于B3启动运行。很显然B2与B3在“启动”与“运行”两种工作状态下，其控制原则恰是相反的。如图3所示，物料从O2到达O3这段时间内，B2的运行不受B3制约，可以运行。因此，在这段时间内发出一个信号允许B2运行。为突出问题的实质，把时间参数称作“允许运行信号”。为了保证系统运行的可靠性，把物料从O2到达M2的这段时间(TYB2)作为B2的“准许运行信号”。其值按下式计算。TYB2=BL2/V2 (2)式中L2为B2的长度;V2为B2的速度;B为系数，取值0.6一0.8。(1)、(2)式中A必须小于B。另外A、B应从胶带机的长度、运行速度及电机启动时间等参数统筹考虑，以保证系统运行的可靠性6。3.2 设备选择（1）PLC机型与容量的选择PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量仿真量控制的工程项目，一般其控制速度无须考虑，常选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求，如西门子公司S7-200系列或欧姆龙公司CPM1A系列。本设计选用整体式结构，欧姆龙公司CPM1A系列PLC。PLC容量包括两方面：一是I/O点数；二是用户内存容量（字数）7。PLC容量的选择除了满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。I/0点数也应留有适当的裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点数太多，反而使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%-15%考虑备用量。本次设计中，实验室提供的CPU型号为CPM1A-CDR20-A，它有20个I/O点数，实际应用只需要10个输入点和8个输出点共18个I/O点数，剩下的I/O点数就可以作为裕量使用。（2）其他设备选择 根据控制要求，本设计使用OMRON CX-Programmer软件进行PLC编程，选用CPM1A-CDR20-A可编程控制器对多机皮带机控制系统进行控制，同时用一台计算机作为上位机和组态软件相结合，实现对多机皮带机控制系统的监控和管理，最后通过PLC可编程控制器模拟实验箱对控制系统运行结果进行模拟显示。3.3 控制系统主电路的设计主电路的设计对于本次设计-多级皮带机双向启动控制系统的设计相当重要,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，本设计以四级皮带机为例，设计的电气控制系统主回路原理图如图4所示。图4 系统主回路原理图图中M1，M2，M3，M4为三四台皮带传输送电动机，交流接触器KM1-KM4通过控制四台电动机的运行来控制四个皮带输送机，从而进行对物料传输。FR1，FR2，FR3，FR4为起过载保护作用的热继电器，用于物料传输过程中当皮带传输机过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。其他电动阀门在本设计的其他地方再做详细介绍。3.4 PLC 开关量及外部接线的设计（1）该系统占用PLC的20个I/O口，10个输入点，8个输出点，具体的I/O分配见表1所示。表1 多机皮带机双向启动控制系统I/O地址表输入通道地址DIZHI输出通道地址急停按钮00000皮带机1开01000系统启动按钮00001皮带机2开01001顺流启动00002皮带机3开01002逆流启动00003皮带机4开01003物料检测100004一级皮带机故障显示01004物料检测200005一级皮带机故障显示01005一级皮带机故障00006一级皮带机故障显示01006二级皮带机故障00007一级皮带机故障显示01007三级皮带机故障00008四级皮带机故障00009（2）本设计的PLC外部接线图如图5所示。图5 PLC外部接线图图中CPM1A-20CDR-APLC的输入端电源为24V(DC)，输出端电源为交流220V。另外，由于PLC输出端接的是继电器感性负载，所以，为了抑制线路断开时电感负载产生的感应高电压对PLC输出电路产生破坏，在负载两端并联了保护电路8，可抑制高电压的产生。对于交流负载，常在感性负载两端并联RC吸收线路。一般取R:0.5W、100120；C：0.1Uf。4 系统软件设计4.1 PLC程序设计 4.1.1 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。该系统最主要的功能就是实现多级皮带机的双向启动,要靠及时准确地控制物料检测开关、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带动皮带机传输物料、用物料检测传感器来控制皮带机的启动与停止等。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。该控制系统的工作原理在前面已介绍过，具体控制原理的流程图如图6所示。当系统启动后，如果选择顺流启动（顺流启动和逆流启动可随时切换），且物料检测传感器检测到有物料，则皮带机1启动，如果没有出现故障报警，则开始运行，TY时间后，皮带机2启动，如果没有故障报警，则运行TY时间后，皮带机3启动，这样依次直到皮带机4步入正常运行，如果有物料（物料检测传感器检测），则皮带机一直运行下去，如果没有则间隔TY时间逆序停止。并且在运行中只要有故障报警，则整个系统立即停止运行。逆流启动时控制原则和顺流时完全相同。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9。在本设计中，我们用四个个热继电器FR1-FR4来实现故障报警及处理。具体表现为当四个传送带中任意一个或多个发生故障时，系统通过四个不同的信号灯显示来实现故障报警，并通过急停按钮停止系统运行，处理相应故障。图6 四级皮带机控制原理流程图4.1.2 I/O信号的分析与PLC梯形图设计 PLC的工作环境是工业现场，工业现场的检测信号（如：物料检测信号、故障信号等）多种多样，有模拟量（如物料、皮带机），也有开关量，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（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10。具体I/O口前面已信号分析的主要内容如下。（1） 定义每一个输出信号并确定它的地址。该设计中具体I/O地址表和PLC外部接线图在前面已给出。（2）审核上述分析设计是否能满足系统规定的功能要求。若不满足，则需修改，直至满足为止。为了保障系统安全，程序中设计了急停按钮00000，只要任意以及皮带机故障报警，就可以按下急停按钮使整个系统停止运行。另外顺流启动和逆流启动，通过一条跳转指令实现切换。主程序梯形图如图7所示。 图7 主程序梯形图当系统启动后，按下顺流启动按钮00002，且有物料来时（物料检测开关00004闭合），顺流启动程序运行，实现该控制的程序梯形图如图8所示。 图8 顺流启动程序梯形图当系统启动后，按下逆流启动按钮00003，且有物料时（物料检测开关00005闭合），逆流启动程序开始运行，实现该控制的程序梯形图如图9所示。 图9 逆流启动程序梯形图本设计总体的PLC程序梯形图如附录图10所示。4.2 组态软件的设计对于多级皮带机的双向启动控制系统来说，组态设计是非常重要的一步。在设计好硬件设备和软件程序之后，我们还不能断定我们的设计是否合理，这就需要一个平台去验证，而组态王6.5就能满足我们的需要。（1）建立组态王新工程要建立新的组态王工程，首先为工程指定工作目录（或称“工程路径”）。“组态王6.5”用工作目录标识工程，不同的工程应置于不同的目录。工作目录下的文件由“组态王6.5”自动管理。创建工程路径具体操作如下：启动“组态王6.5”工程管理器（ProjManager），选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮，在弹出图框中单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”， 在弹出图框中的工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”，在工程名称文本框中输入工程的名称“多机皮带机”，工程名称长度应小于32个字节，工程描述长度应小于40个字节。单击“完成”完成工程的新建。系统会弹出对话框，询问用户是否将新建工程设为当前工程，在弹出图框中单击“否”按钮，则新建工程不是工程管理器的当前工程，如果要将该工程设为新建工程，还要执行“文件设为当前工程”命令；定义的工程信息会出现在工程管理器的信息表格中。双击该信息条或单击“开发”按钮或选择菜单“工具切换到开发系统”，进入组态王的开发系统。（2）创建组态画面进入组态王6.5开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王6.5”提供的类型丰富的图形对象组成的。创建具体操作如下。定义新画面进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标。在“画面名称”处输入新的画面名称，如“多机皮带机双向启动控制系统”，其它属性目前不用更改，点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统11。编辑画面在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择相应图标，按照相关步骤，绘制组态监控画面如图11所示。选择“文件全部存”命令保存现有画面。 图11 组态监控画面定义IO设备组态王6.5把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括：下位机（PLC、模块、模拟试验箱等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows应用程序，它们之间一般通过DDE交换数据；外部设备还包括网络上的其他计算机。只有在定义了外部设备之后，组态王6.5才能通过I/O变量和它们交换数据。为方便定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成设备的连接。该课题设计中使用欧姆龙CPM1A系列PLC和组态王6.5进行通信。CPM1A系列 PLC可以通过PLC为组态王提供数据。本设计选择PLC连接在计算机的COM1口。定义I/O设备的具体步骤如下。继续上面的工程。选择工程浏览器左侧大纲项“设备COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”。在弹出图框中选择“欧姆龙PLC”的“C系列”的“HostLink”项，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，为外部设备取一个名称，输入新IO设备，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，为设备选择连接串口COM1，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，填写设备地址。 在弹出图框中设置通信故障恢复参数(一般情况下使用系统默认设置即可)，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，请检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。设备定义完成后，在工程浏览器的右侧可看到新建的外部设备“新IO设备”。在定义数据库变量时，只要把IO变量连结到这台设备上，就可以和组态王6.5交换数据了。构造数据库数据库是“组态王6.5”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在TouchVew运行时，它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息12。构造数据库具体步骤如下。继续上面的工程。选择工程浏览器左侧大纲项“数据库数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框。此对话框可对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作。在“变量名”处输入变量名，例如对变量“系统启动”的定义如下：在“变量类型”处选择“IO离散”；连接设备选择“dianj”；寄存器选“IR000.01”；数据类型“Bit”；采集频率设为“100ms”；读写属性“读写”；其它属性不用更改，单击“确定”即可。其它数据库可根据以上方法一一构造，且采集频率都设为“100ms”； 读写属性可根据实际情况选择。具体构造完的数据库如附录图12所示。建立动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来，或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值。“组态王6.5”提供了21种动画连接方式如表2所示。表2 动画连接方式表属性变化线属性变化、填充属性变化、文本色变化位置与大小变化填充、缩放、旋转、水平移动、垂直移动值输出模拟值输出、离散值输出、字符串输出值输入模拟值输入、离散值输入、字符串输入特殊闪烁、隐含滑动杆输入水平、垂直命令语言按下时、弹起时、按住时一个图形对象可以同时定义多个连接，组合成复杂的效果，以便满足实际中任意的动画显示需要。建立动画连接的具体步骤如下：继续上面的工程。双击图形某对象，可弹出“动画连接”对话框，用鼠标单击“填充”按钮，弹出对话框。单击“确定”，再单击“确定”返回组态王6.5开发系统。为了让图形动起来，需要使该变量能够动态变化，选择“编辑画面属性”菜单命令，弹出对话框。单击“命令语言”按钮，弹出画面命令语言对话框。在编辑框处输入相对应的命令语言。可将“每3000毫秒”改为“每500毫秒”，此为画面执行命令语言的执行周期。单击“确认”，及“确定”回到开发系统13。其它被控对象与此类似可一一进行动画连接，最终编辑好的整个仿真系统的命令语言如下所示。if(本站点顺启M1=1 | 本站点逆启M1=1) 本站点皮带1=1;else 本站点皮带1=0;if(本站点顺启M2=1 | 本站点逆启M2=1) 本站点皮带2=1;else 本站点皮带2=0;if(本站点顺启M3=1 | 本站点逆启M3=1) 本站点皮带3=1;else 本站点皮带3=0;if(本站点顺启M4=1 | 本站点逆启M4=1) 本站点皮带4=1;else 本站点皮带4=0;if(本站点顺启M1=1 | 本站点顺启M2=1 | 本站点顺启M3=1 | 本站点顺启M4=1)本站点顺流=1;else 本站点顺流=0;if(本站点逆启M1=1 | 本站点逆启M2=1 | 本站点逆启M3=1 | 本站点逆启M4=1)本站点逆流=1;else 本站点逆流=0;if(本站点皮带1=1 & 本站点顺流=1) 本站点角度一=本站点角度一+12;if(本站点角度一360) 本站点角度一=0;if(本站点皮带2=1 & 本站点顺流=1) 本站点角度二=本站点角度二+12;if(本站点角度二360) 本站点角度二=0;if(本站点皮带3=1 & 本站点顺流=1) 本站点角度三=本站点 角度三+12;if(本站点角度三360) 本站点角度三=0;if(本站点皮带4=1 & 本站点顺流=1) 本站点角度四=本站点角度一+12;if(本站点角度四360) 本站点角度四=0;if(本站点皮带1=1 & 本站点逆流=1) 本站点角度一=本站点角度一-12;if(本站点角度一=0) 本站点角度一=360;if(本站点皮带2=1 & 本站点逆流=1) 本站点角度二=本站点角度二-12;if(本站点角度二=0) 本站点角度二=360;if(本站点皮带3=1 & 本站点逆流=1) 本站点角度三=本站点角度三-12;if(本站点角度三=0) 本站点角度三=360;if(本站点皮带4=1 & 本站点逆流=1) 本站点角度四=本站点角度四-12;if(本站点角度四=0) 本站点角度四=360; 编辑系统画面命令语言好后，单击“确定”，再单击“确定”返回组态王6.5开发系统。选择“文件全部存”菜单命令。至此，该控制系统的组态界面的设计工作基本完成，而组态的运行和调试将在下一章中详细介绍。5 软件调试 在长期的软件开发实践中，人们积累了许多成功的经验，同时也总结出许多失败的教训。在此过程中，软件测试的重要性正逐渐被人们所认识，现在软件测试成本在整个软件开发成本中已占有很高的比重。各种不同的软件有不同的测试方法和手段，但测试的内容却大体相同：（1）检查程序:按照需求规格说明书检查程序。（2）寻找程序中的错误:寻找程序中隐藏有可能导致失控的错误。（3）测试软件:测试软件是否满足用户需求。（4）程序运行限制条件:程序运行的限制是什么，弄清楚该软件不能做什么。（5）验证软件文件。为了保证软件的质量能满足以上要求，通常可以按单元测试、集成测试、确认测试和现场系统测试等四个步骤来完成。5.1 软件测试具体步骤5.1.1 程序下载（1）选择工作模式选择菜单栏中的“PLC”“运行”或者“PLC”“停止”可进入相对的PLC模式；单击工具栏中的“运行”按钮或“停止”按钮，也可进入相应模式；还可以手工改变位于PLC上的开关或在程序内插入停止指令。当PLC处于停止模式时，可利用图状态或程序状态查看操作数的当前值，也可以利用图状态或程序状态强迫数值(此操作只在梯形图和功能块图程序状态中使用)，还可以利用图状态写入数值或写入和强迫输出，执行有限数目的扫描，通过状态图或程序状态查看影响。在停止模式下，虽然能报告操作数状态，但PLC无法执行用户程序，达不到预期的控制效果。如果想观察程序状态的连续更新，需将PLC转回运行模式。 （2）打开程序状态选择“排错”菜单中的“程序状态”，打开输出窗口，或单击调试工具条中的“程序状态”按钮，短暂停顿后，程序编辑器窗口开始显示状态。如果操作数数值等于1(位打开)，布尔指令(触点、线圈)将被显示成彩色块，非布尔操作数则以通信速度允许的最快速度显示并更新14。（3）执行有限次扫描单次扫描 通过指定PLC运行的扫描次数，可以监控程序在改变进程变量时的情况。PLC不支持对运行模式执行循环次数。任何时候PLC从停止模式进入运行模式，该扫描的第一扫描位(SM0.1)将被激活。由于PLC执行的速度很快，从程序状态很难监控到此位的变化，因此可以使用“单次扫描”命令，它使PLC从停止模式转变成运行模式。执行单个扫描，然后再转回停止模式。由于PLC只执行一次扫描，与第一扫描逻辑相关的状态信息不会消失，因此可以查看此信息，进而监控程序。可在程序编辑器窗口显示要监控的程序部分，确定打开程序状态，将PLC置于停止模式，使用“单次扫描”命令。多次扫描 单次扫描并不能完全收集系统连续执行时系统状态信息的变化，需要连续或间断地收集状态信息。可以指定PLC执行有限次的程序扫描(从1次扫描至65 355次扫描)。当PLC处于停止模式时，可利用多次扫描一次或多次扫描。确定PLC为停止模式后，选择菜单栏中的“排错”,“多次扫描”，出现执行扫描对话框，在执行扫描对话框中输入所要进行的扫描次数，单击“确认”按钮。