基于PLC定量给料机控制系统设计

摘要随着工业生产的迅速发展，固体定量给料系统作为一项实用型的技术被广泛应用于冶金、化工、水泥、建材和食品等工业领域。在这样的环境下定量给料机的需求量日益增大。本系统采用电磁阀和流量计给料机作为定量给料设备，给料机采用控制流量来达到定量给料的目的。定量给料系统的PLC控制系统是机电一体化发展的必然结果。本论文针对定量给料机的特点，并PLC控制技术，对定量给料系统进行的研究，其主要内容如下：1、 了解定量给料机控制系统的工作原理；2、掌握PLC的硬件构成，工作原理，完成对PLC的选型；3、设计定量给料机的控制系统；4、用STEP7完成对控制系统的编程。关键词：给料；定量；PLC；控制系统。AbstractWith the rapid development of industrial production，the solid constant feeding system which is a practical technology has been widely used in metallurgy, chemicals, cement, building materials, food and as well as other industry circles. So, in this situation, the demand of constant feeder is increasingly augmented. This system adopts the electromagnetic valve and flowmeter feeder as the constant feeding device, the feeder achieves the goal of constant feeding by controlling the flow. The PLC control system of constant feeding system is the inevitable outcome of the development of mechatronics. This article focuses on the characteristics of constant feeder, and PLC control technology, studies the constant feeding system. The main contents are as follows:1、Understand the operating principle of the constant feeder control system ; 2、Master the PLC hardware structure, working principle, finish the selection of PLC type ; 3、Design the control system of constant feeder ; 4、Finish the programming of the control system with STEP7. Key words: Feeding;Dosing ;Programmable Logic Controller;The control system.目 录摘 要IIIABSTRACTIV目 录V1 绪 论11.1 课题背景11.2 定量给料机国内外发展情况11.2.1 给料系统的分类11.2.2 计算机控制系统21.2.3 自动给料系统特点31.3 课题意义31.4 课题主要内容32 定量给料机的总体方案52.1 给料部分总体方案、基本原理52.2 完成给料的运动分析72.3 定量给料机的总体设计72.4 本章小结83 PLC控制系统的介绍和选择93.1 PLC的概述93.2 西门子PLC简介103.2.1 西门子PLC简单介绍103.2.2 西门子PLC的组成103.3 PLC的工作原理143.4 本章小结144 控制系统的设计154.1 控制系统元件的选择154.2 绘制电气原理图194.3 控制程序的设计204.3.1 I/O分配表204.3.2 接线图214.4 本章小结225 控制系统的编写235.1 STEP7的介绍235.2 系统程序流程图235.3 梯形图的绘制245.4 本章小结306 总结316.1 全文总结316.2 需要提高、改善的方面31致 谢32参考文献331 绪 论1.1 课题背景 随着社会发展，资源越来越匮乏，企业生产材料成本越来越高，单靠增加生产材料、浪费资源来实现获取利润已不可能；同时当今社会已经进入信息化社会，精细化管理，必须要求设备具有智能化功能。人类从无意识浪费资源转向理性开发资源和节约能源，从而必须实行精细化管理。在日常生活中，已经很少简单单体物质了，复合材料在工业、农业、日常生活中起着越来越重要的作用。如常见水泥、家里用的调料等等也是由多种材料按照一定的配比，经过一定的工艺制成的，在现在城市、农村中少不了房屋建设，而一种好的水泥将直接影响房屋建筑的寿命和稳固性，所以设计一个好的定量给料机在给我们生产更加快捷的同时也将会使我们的生活更加美好但随着工业生产的迅速发展中，也导致了定量给料机的需求量日益增大。定量给料系统的单片机控制系统是机电一体化发展的必然结果。现今以应用工业计算机、PLC的自动配料技术已广泛应用于耐火、玻璃、水泥、医疗、建材、饲料、炼钢、筑路及包装生产等各种行业中。日用品中用的洗发液，洗衣粉/剂，灭虫剂等等均为配方产品。以前在这类控制中大多是以继电器，接触器等电器设备来完成每一步的顺序控制，自动化程度低，而且许多地方都需要人来手动完成，不仅工作效率低控制精度也难以提高。特别是随着现代化生产的不断进步，更是对应用于过程生产中的各种自动化控制系统提出了更高的要求。配料工序是企业生产工艺过程中的一道非常重要的工序，配料工序对整个生产过程有非常大的影响，因此实现高精度自动配料对工业企业生产有极为重要的意义。另外对于一些现有的中小企业，特别是一些中小型的冶金企业由于建设之初的自动化水平低或者设备已经老化陈旧，造成对资源的浪费，环境的污染，同时也加大了工人的劳动强度。因此对一些落后的中小企业的自动化改造也是急需解决的问题。当现代社会工业控制现场比较有代表性的定量给料系统的生产厂家有德国布莱本达公司和美国开创公司。这两家公司在中国有着成功的案例，由于垄断性和出于技术性的保密，要购买他们的产品投入需要很高，且不方便后期的维护。此定量给料系统是以提高系统的使用广泛性、低维护成本、投入低、可操作性相对较强的这些原则来进行设计和实现，到最后实现一个低成本，易于维护的定量给料系统。1.2 定量给料机国内外发展情况定量给料多种多样。从供给物料的连续性上看，可以分为间歇式和连续式两种给料系统；从供给物料的方式上看有体积式给料系统和质量（重量）式给料系统；从给料器的工作原理上分可以分为失重式给料和增重式给料；从供给物料的特性上看可以分为粉料、粒料（固态）、液体、混合体的给料3。定量给料机的技术目前国内的厂家大都采用德国申克的技术，但是由于中国在这个行业的机械制造水平大多还处于传统方式，在机械制造过程中零件精准互换性较差，所以许多的问题必须在设备总装完成以后，才能通过检测的手段被发现，这样就会造成工作效率低下，增加零件废品率，增加成本。有些工厂，由于销售价格低，甚至为了降低成本，就干脆省去了检验这一岗位，直接将代工厂做的设备发往客户工厂，这样许多问题就在客户的调试或生产过程中才被发现，造成了许多现场纠纷。以下的篇幅对几种常用的给料系统做简单的介绍。 1.2.1 给料系统的分类1. 间歇式给料系统间歇式给料系统是一种不连续的给料系统。 在正常的情况下，机械不能生产连续化的产品。比较适合小批量的产品，也适合在小的场合使，比如说小型的企业、或者实验室。这种系统自动化程度不高，对机械的要求不高，操作比较复杂，必须有很大的工作量，要大量人力，由于这样操作易于受人为因素影响，所以不容易控制批次的质量，成品之间存在较大的差异性。这样的系统比较难以实现大批次的生产。生产初期投资较少，但是后续会出现很多问题。2. 连续式给料系统连续式给料系统运作方式是用连续式给料器给下面的机械设备供给物料的。它所必需采用的设备是连续式给料器，如固态物料流量计，自动给料器等。这种给料机常见的的工艺是使用几台连续式给料器，按照一定的已经设定好的量，让各种物料下游设备。 这种机械方面较复杂，有较高的自动化，精度比较高，操作比较方面，对人力的需求量比较小，质量稳定，适用于大批量生产和各方面的要求都较高的地方，大的规模生产具有配方的食品，对精度要求比较高的实验设备等。这样的加料方法不太受人为影响，生产出来的质量比较稳定。3. 体积式给料系统 体积式给料系统的运作原理是对下面的机械按照单位时间内的流量而给料的的系统。 料体在特定转速/流速等下给料系统通过测试这些来计算出产量，然后算出体积式给料器的给料量与转速/流速的函数曲线。参照这条曲线函数，可以得出所需的给料量所对应的给料器的转速/流速等，让料体定量给到下面的设备产品机械。 这样的系统设备相对不复杂，有比较简单的操作，需要较少的设备，投资量不大，适合连续运行。但是此系统要求物料的堆积密度相对稳定，对机器的调试很不方便，精度比较低，约 5-10%，不能满足高要求产品生产的要求。4. 质量式给料系统它是按单位时间内失去/增加的质量（重量）来给料的。与体积式给料相比，可以忽略物料的密度变化带来的精度影响。实际上，失重式给料系统和增重式给料系统均属于质量式给料系统的范畴。5. 失重式给料系统失重式给料系统是按单位时间内失去重量的多少来给料的系统。失重式给料系统是通过质量传感器测量单位时间（毫秒级）内失重式给料器中物料减少的重量来计算出加料器每小时的产量，通过 PID 控制器的调节，使喂料器按设定值的产量对下游设备给料。此类系统的特点是可以实现精密计量，精度可控制在 0.5%以内，可实现复杂的配方管理，控制系统先进，所需人工很少，但建设初期成本较高。适用于高品质产品的工业化大生产4。 1.2.2 计算机控制系统现代社会科学发展飞速，计算机控制在现代社会中得到了广泛的运用5。计算机控制系统是使用计算机控制来实现自动化的，这是一种计算机硬件，软件技术与自动控制技术相结合的一种应用技术，它属于离散控制系统。当前，用于工业控制的计算机可分为几类，可编程控制器、基于PC总线的工业控制计算机、基于测控单片机、用于模拟量闭环控制的可编程调节器、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。可编程控制器(PLC)是应用面最广、有足够大强的功能、有较强融合性的工业装置，它已经化身现代的工农业的自动化重要的一员。可编程序控制器（PLC）都有一个编程口。就拿日本进口的三菱PLC为例（包括FX系列和A系列），它的程序编译口为RS-422格式，根据PLC有不一样的型号又分为8针座型编程口和25针座型。对25针口来说，可直接将SC08编程电缆将PLC的编程口和电脑的RS232口一起捆绑起来；对于后者，则还需要用一根用于转换的电缆将PLC 的8针座型编程口和25针型电缆相连。无论何种情况，一旦将PLC用户程序由电脑编程环境传到PLC 用户程序使用区，我们根本没有再去利用其它的程序编译口。这，换句话说，是浪费了PLC。那么，可利用此程序编译口完成电脑和PLC 的通讯人物，利用微型计算机对PLC进行管理，并且监控PLC的工作状态6。 1.2.3 自动给料系统特点自动给料系统是指自动连续给料系统。以下简称为自动给料系统。物料为粉状、颗粒状固态物料。自动给料系统具有几个符合现代化大生产要求的特点： 1）重量传感部分原理先进，精度很高。一般采用数字传感器，精度可以达到百万分之一。 2）物料输送部分线性度高，驱动部分可以达到很高的分辨率。 3）设备自动化程度高。此类系统用于自动化生产，一般具有 PLC 控制、连锁系统等控制系统以满足自动化生产的要求。 4）系统加料精度高。由于采用了先进的加料器和先进的控制系统，整个系统可以达到很高的精度。一般都能达 0.5-1%的精度。在实验室等特殊的领域，应用实验级的加料器，可以达到 0.1-0.5%的精度。稳定度可以达到2个SEGMA。 5）操作简单。一般此类系统具有先进的监控系统和控制器，在调试阶段较复杂，但当调试结束后，所有的参数设置合适后，操作人员所做的仅仅是调用参数，设定产量等简单的操作。 6）可维护性强。由于采用先进控制系统，很容易实现系统故障诊断，可以缩短排除故障的时间。 7）功能强大。利用先进的监控系统，可以实现复杂的配方管理，订单管理，历史管理，系统控制优化，自动开停车管理，连锁管理，远程诊断、检测与控制。 8）投资结构合理。一次性投资较高，由于自动化水平的提高，可以节省运营的人工成本，避免人为因素造成产品质量不稳定，避免重复投资。9）系统较复杂。一个完整的自动给料系统牵扯的领域很广，有机电一体化设备，自动化控制设备，监控设备等等7。1.3 课题意义定量给料系统应用十分广泛，为了提高其精度、自动化程度对其有着重要的现实意义，控制单元包括失重式控制器、变频控制器、重量传感器、速度传感器等组成。控制系统采用PLC来进行控制，并且通过自行设计控制系统，使用软件仿真在所设记系统中实际机械部分的运作方式，从而来判断系统的可行性。本系统开发成本低、实时性好、操作简便、通用性强，实际工程中可在恶劣的工业环境下稳定、可靠的工作，具有一定的应用推广价值。1.4 课题主要内容本课题以PLC控制技术为基础，开发一种以转予给料机、流量控制器器为硬件基础的定量给料系统。该系统实现了流体物料的定量给料控制，具有显示累计流量、运行参数、设定流量等功能。系统操作方便、显示直观，可广泛应用于固体物料的定量给料控制过程中。 本论文内容包括以下几个方面：1. 对所设计的给料机机械部分进行阐述，说明其原理； 2. 分析实现其功能时应有的动作； 3. 对PLC选型，给出系统的硬件接线图； 4. 绘制电器原理图、接线图；5. 设计PLC的梯形图程序，给出控制流程图。2 定量给料机的总体方案2.1 给料部分总体方案、基本原理本定量给料机主要运用于自动定量给料机的机械主体（机械臂），主要运用于固体小颗粒的加料过程，可运用于自动化生产、食品的批量生产、冶金工业等等产业之中。 2.1.1 总体方案定量给料系统一般是利用给料机配合物料计量装置构成的，在生活中有很多种类的给料机，包括带式的、振动型的、气力式的输送装置等等，。例如，以SU6PLC为主控机，这是一个全自动配料控制系统，这个系统拥有各式各样的智能型外设，可以同时测量、控制、管理。重量信号直接通过称重传感器发送出来，然后机械部分再进行配料，然后进行混合，这样就实现了人机交互。在这样的条件下，其实还可以改进定量给料的精度，可以改进所使用的重量传感器、电流信号放大器、A/D转换器；返回指令冗余和开中断指令冗余等8。流量计是定量给料系统的重要环节，其原理是利用物料的动量，流量控制器主要工作原理是，微波探头以5mw的功率发射一种24.125GHz的高频微波信号，当有物体通过时，会有微波信号形成一种反射，主机会根据反射微波信号的变化量，经过计算得出被实测物体的实际流量。整个实验平台有以下几个部分构成：固体流量计、给料机、PLC及控制箱。系统工作原理是这样的：作为控制对象的机械手臂给料机进行给料。给料量的大小由电磁阀控制，而电磁阀的开关由流量控制器控制，当物料速度一定时，流出物体的密度基本保持不变。经过运算，PLC产生合适的控制信号，开关电磁阀。从而完成物料的定量给料。主轴运转遇到限位开关，进行正反转，从而完成循环，整个系统如图2.1所示。 图2.1 物料循环和流量控制 2.1.2 机械部分简介 机械部分主要有几个部分构成： 1. 主轴部分：主要负责送料机能围绕主轴进行转动。 2. 机械臂部分：主要负责送料器能够上下进行运动。3. 送料器：负责控制料体的量，然后完成送料。机械部分简图（如图2.2）所示。图2.2 机械部分示意图1. 主轴传动电机，2. 旋转主轴，3. 料筒，4. 机械臂，5. 手臂传动电机，6. 电磁阀、流量计，7. 料斗。相比于以往人工送料自动定量给料机有许多特点： 1. 本机器可以单动亦可以与其他配套机器连线成全自动生产； 2. 汤量调整方便，精准，简单； 3. 送料精准，动作快，注料效率高；4. 产品投入低，产值高；5. 程序采用西门子PLC控制，动作稳定。 2.1.3 定量给料机定量给料的步骤此定量给料机是通过两个电机控制手臂绕着主轴旋转，手臂上下走动，再通过流量控制器来控制流量，计算出所有的流量，从而来实现定量给料的过程。 1. 取料：送料器就在此时的位置，手臂向下运动，让料进入料筒，进行取料，然后达到下限位开关，手臂抬起来。 2. 送料：手臂达到上限位开关，主轴电机开始工作，开始转动，然后让手臂绕着主轴旋转。3. 定量给料：当主轴旋转到指定的位置，然后电磁阀打开，流量控制器开始工作，当流出的料到达一定值时，电磁阀关闭，定量给料完成。4. 反复运动：当完成一次定量给料任务之后，主轴电机再次反转动作，回到起始的位置，然后开始再次的给料过程。2.2 完成给料的运动分析由于需要给料的部分在整个给料过程中是固定不动的，为了完成定量给料任务，定量给料机的各部分均需完成各自的相对独立的功能。由于各个部分运动相对独立，所以需要对各个部分进行控制，以使各机构在时间和空间上能够协调工作，保证定量给料过程的顺利进行。主轴传动电机的作用是对让机械手臂绕着主轴进行转动，以使得机械手臂和料斗能够先到取料点下去取料，再把料斗里面的料运送到指定的地点。绕中心轴旋转运动通过电动机来实现。机械手臂传动电机的作用是负责料斗在取料以及送料过程中上下的运动。它的运动主要包括在取料时让料斗向下运动，在给料时先抬起料斗，然后主轴电机动作把手臂和料斗运送到给料位置，在定量给料时向下的运动。手臂的上下运动通过手臂传动电机的正转、反转来实现。2.3 定量给料机的总体设计 1. 机械部分设计机械系统主要由主轴、可转动手臂、定量给料系统等构成。主轴主要负责的是让手臂绕着主轴进行转动，进行送料和取料。可转动手臂主要负责的是在主轴限位开关时，先转动下去取料，达到手臂限位下开关时，抬起料斗。 2. 驱动系统设计驱动系统的作用是根据控制系统发出的指令，将存放在料池里面的料舀出，并且按照一定的线路给到需要料的地方，然后达到指定位置，开始放料，最后放料完成的系统。本设计中，主轴的旋转，机械手臂的上下运动是由电气驱动的驱动方式。定量给料系统的定量给料过程是由电磁阀控制的方式，开始给料的时候，打开电磁阀，开始给料，然后通过PLC控制电磁阀的开关，到给料的量一定时电磁阀关闭。 3. 控制系统设计控制系统主要通过可编程控制器PLC来控制实现。PLC是一种工业控制用的专用计算机。它可以按照逻辑条件和一定的时序、顺序产生控制动作，并能够对来自现场的大量开关量、脉冲、计时、计数以及模拟量的越限报警等数字信号进行监视和处理。综上所说，不难看出，PLC控制器有着诸多的优点；因此，PLC是一种较理想的控制工具。2.4 本章小结本章首先从定量给料的功能出发，叙述了定量给料机设计的总体方案。进行了机械部分的简介，驱动部分是由主轴电机和手臂传动电机所提供的，控制部分采用的则是PLC。3 PLC控制系统的介绍和选择3.1 PLC的概述20 世纪 60 年代，为了满足现代化工业生产的需求，美国数字设备公司（DEC）研制成功世界上第一台可编程逻辑控制器（PLC）。1971 年，日本研发了 DSC-8控制器，1973 年西欧各国也研制成功各种可编程序控制器。我国在 1974 年开始研发可编程序控制器。 PLC即就是Programmable Logic Controller，是一种新型的工业和计算机技术相结合的控制装置。在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义： PLC是一种专门的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计9。 PLC 控制系统之所以成为当今应用很广泛的工业控制系统，因为它具有很多适合于工业控制的特点。 1. 可靠性高 PLC 采取了很多可以提高可靠性的措施的设计：1）在硬件上还有在工艺过程中，采取了许多可以提高可靠性的硬件，其高性能芯片是高度集成的，并且对芯片采取了抗老化测试，利用先进的流水工艺制造生产，这些都可以使得PLC的可靠性大大的提高了。 2）在设计方面上，采取掉电保护、故障诊断和信息保护和恢复等其他措施，大大提高了PLC的工作稳定性、安全性。 3）在软件方面，也采用了一系列方法和措施。使用简单和方便的指令集，使用软件对外界进行滤波，斩波。对系统自身进行软件自我诊断、自我恢复等其他措施。 2. 操作简单、可操作性强 PLC 采取了很多可以提高可靠性的措施的设计： 1） 易于组态。与继电器系统的设计实现相比较，PLC 使用特定的组态工具对 PLC 系统的硬件和软件进行优化，进行更好的设定。这其中最简单和最直白的梯形图语言和语句表语言，这种语言清晰简练，方便自己的理解。 2）方便维护。继电器部分维护起来相对较为困难，这一个重要的原因促使PLC迅速产生。PLC可以自己进行诊断，具有遇到故障自己解决功能，有一些时间可以记录起来，当系统生故障时，通过自己系统的功能，迅速找到故障所在地，马上准确的找到故障，并且自己解决故障。 3. 灵活性强 PLC 是一种智能化的、方便、快捷的控制元件，在组态方式，修改程序等方面具有很大的可行性：有相对灵活、多变的组态系统。组态灵活不仅表现在程序的开发阶段，还表现在程序的修改护上。如果生产工艺的要求比较高然后专用的组态语言不能满足它时，还可以用高级语言（如C 语言）开发特殊的应用。可以通过通讯与其他系统连接成一个整体，这些都极大的提高了系统的灵活性。3.2 西门子PLC简介 3.2.1 西门子PLC简单介绍PLC机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几方面：1. 性能与任务相适应 对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型PLC（如西门子公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM1/CPM2系列、三菱的FX系列等）都可以满足要求。 2. 有比较合适的结构、安装起来很方便、机型上应统一 按照物理结构，PLC分为整体式和模块式。整体式每一I/O点的价格相对比较的便宜，所以人们相对来说比较喜欢使用整体式PLC在较小型的工业控制系统里面。但是PLC的在功能和扩展方面都有较大的方便性和灵活性，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地很大相对于前者来说，不仅I/O模块维修时需要换模块、而且发生故障时找发生故障的地方也很快。因此，对于较很杂、使用要求很高的工业场所我们选用模块式PLC。3. 是否满足响应时间的要求 由于现代PLC有足够高的速度处理大量的I/O数据和解算梯形图逻辑，因此对于大多数应用场合来说，PLC的响应时间并不是主要的问题。然而，对于某些个别的场合，则要求考虑PLC的响应时间。为了减少PLC的I/O响应延迟时间，可以选用扫描速度高的PLC，使用高速I/O处理这一类功能指令，或选用快速响应模块和中断输入模块。4. 对联网通信功能的要求 近年来，随着工厂自动化的迅速发展，企业内小到一块温度控制仪表的RS-485串行通信、大到一套制造系统的以太网管理层的通信，应该说一般的电气控制产品都有了通信功能。PLC作为工厂自动化的主要控制器件，大多数产品都具有通信联网能力。选择时应根据需要选择通信方式。 5. 其他特殊要求 考虑被控对象对于模拟量的闭环控制、高速计数、运动控制和人机界面（HMI）等方面的特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的PLC。对可靠性要求极高的系统，应考虑是否采用冗余控制系统或热备份系统。在本定量给料机控制系统设计中采用西门子S7-200的PLC。 3.2.2 西门子PLC的组成 PLC是一种工业控制用的专用计算机，在设计理念上，是计算机控制技术与继电-接触器控制电路相结合的产物，因而它与工业控制对象有非常强的接口能力。10。PLC的基本组成部件如图3.1所示。图3.1 PLC的基本部件1. 中央处理单元CPU 西门子系列 PLC 主要由三个系列，其中 S7-200 适合控制系统相对较小的场合使用，网络功能较弱。而 S7-300 和 S7-400 的网络结构基本一致，功能均很强大，而 S7-200 系列的 PLC 性价比较高，已能基本满足本定量控制器的需求，所以本系统选用 S7-200 系列的 PLC。西门子公司的S7-200的PLC基本可以满足丰富多样的一体化控制的需求。由于具有非常优良的设计、几乎完美的扩展性、低廉的价格还有很多指令集系统，这些都让S7-200可以几乎满足的几乎所有的小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，有很强的适应性和可选择性11。 西门子 S7-200系系列PLC发展至今，经历了两代： 第一代产品的CPU模块为CPU21X，主机都可进行扩展，它其有四种结构不同配置的CPU单元，即CPU212、CPU214、CPU215和CPU216。第二代产品的CPU模块为CPU22X，是在2l世纪初投放市场的。其速度抉，具有极强的通讯能力。其结构配置如表3-1所示。表3-1 S7-200系列CPU特性特性CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM程序存储区2048字2048字4096字4096字8192字数据存储区1024字1024字2560字2560字5120字本机I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出24入/16出 续表3-1特性CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM扩展模块数量02777通讯口1RS-4851RS-4851RS-4852RS-4852RS-485S7-200 CPU22X系列的PLC是S7-200 CPU21X系统的进化产品，由于它具有多种功能模块和人机界面可以提供方便选择，因此很容易组成PLC网络。PLC实质上就是一台专业的工业控制计算机，通常一个主机模块都要安装一个或者多个CPU，那其中必定要有一个主CPU，其余的为辅助CPU，它们协同工作，大大的提高了整体系统的速度和功能，缩短了程序的执行时间。S7-200是一个系列，其中包括多种型号的CPU，以适应不同需求的控制场合。近几年在西门子公司生产了S7-200 CPU22X的很多代PLC设备有：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、还有CPU226XM模块。S7-200 CPU22X系列产品有很强大的指令集、运行速度相对令人满意、通信能力相对令人满意。比如说，CPU226模块的I/O模块的总数为40点，这里面有24个输入点，输出点16点；在用户程序存储量这方面来说，容量也达到了8KB；具有PID控制器功能；有2个RS-485通信口；具有PPI、MPI；运行速度相对令人满意、通信能力相对令人满意，适用于要求较高的中小型工业控制现场。S7-200 PLC任一型号的主机，都可以单独构成基本配置，作为一个独立的控制系统，S7-200 CPU22X系列产品的基本配置如下图所示。S7-200 PLC各型号主机的I/O配置都是固定的，他们具有固定的I/O地址12 。S7-200 CPU22X系列产品的I/O配置及地址分配如下表3-2所示。表3-2 S7系列I/O配置项目CPU221CPU222CPU224CPU226本机数字量输入地址分配6输入8输入14输入24输入本机数字量输出地址分配4输出6输出10输出16输出本机模拟量输入/输出无无无无扩展模块数量无2个模块7个模块7个模块在整个控制过程中，需要用到控制电机启停，紧急停止等7个开关量输入，5个控制电机启停的接触器。目前PLC从被控对象的I/O点数考虑，采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC。考虑到以后的扩展要求，主机选用CPU224型号PLC，该型号具有14输入/10输出，满足系统的开关量输入输出点个数。2. 存储器 PLC的存储器分为系绒程序和用户程序两种存储器。 1）系统程序存储器：系统程序存储器用于放置PLC原来内置的出厂时的系统程序，系统程序在PLC被制造出来的时候已经放置在PROM和EPROM里面。这一部分的存储是相对被保护起来的不能被外界所看见，用户不能修改其中内人，相当于只读。PLC的大部分操作都是在系统程序的作用下来完成的。 2）用户程序存储器：用户程序存储器可以分成程序和数据存储区。程序存储区用来放置用户编写的PLC语言，数据存储区放置的是PLC语言在运行过程里面所涉及到的或者是运行期间所产生的一些数据，包括出入/输出的过程印象、时间计时器、时间定时器的预设值和当前值等。 3. 电源单元 电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源之后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。PLC的电源一般采用开关电源，出入电源范围宽，有很强的的能力不受外界干扰。电源部分有很完美的隔离，使得电源的输入和输出里面不会产生互相的干扰，可以正常工作，以保证外面的干扰不能影响到PLC的运行。 4. 输入/输出单元 在PLC控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入PLC。PLC经过运算、处理后，再将结果输出一个数字值，此时也要把这个值转换成比较合适的对生产过程进行控制的量。所以。在PLC和工业现场中间，必定要建立信息互通。这样的设备就是输入/输出模块。对PLC来讲，信号形式可分为四类，数字量的输入和输出信号、模拟量的输入和输出信号。一般使用的量程是-10V+10V、0+10V、420mA等，可以参考工业现场的需求。 5. 接口单元 接口单元包括扩展接口、通信接口、编程接口和存储器接口等。PLC的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的来往联系。除此之外，PLC与其他的外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元。有以下集中接口：I/O扩展接口、通信接口、编程器接口、存储器接口、其他外部设备接口。 目前，选择一个相对来说比较合适的PLC的流程如下所示：第一步要对要实现的内容进行仔细的考虑分析，寻找出全部的I/O点，包括开关量的I/O点数和模拟量的，并且弄清楚以上I/O点的特性。它们的特性主要包括它们的信号是属于交流的还是直流的，其使用的电压是多大的，其输出是用的什么硬件，在了解了这些之后我们可以选择用多少点还有PLC的I/O是什么性质。 然后来定下I/O的地址分配表，输入输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对于软件的设计，在I/O地址分配表完成之后才能进行一系列的编程设计；对于PLC的接线图来说，要确定了I/O地址以后，才能完整地画出电气接线图。最后根据控制要求绘制程序的流程图，绘制用户程序，装入PLC的用户程序存储器，并进行初步调试。3.3 PLC的工作原理 一般情况下，PLC 重复执行工作循环来完成任务。一个工作循环包括以下三个步骤：输入采样，程序执行和输出刷新三个阶段13。如图3.2所示。 图3.2 PLC工作流程图1. 输入采样阶段在这个阶段里面，PLC按照原有的方式一步一步载入所输入的状态与一些数据，在同时把它们放在I/O映象寄存器中的所对应的地方。在完成输入之后，就进行用户程序执行和输出刷新这两个阶段。在用户程序执行和输出刷新这两个阶段中，就算输入的状态与一些数据产生了细微的改变，I/O映象寄存器中所对应的地方的状态和数据也不随之改变。所以说，假若在输入端给了一个脉冲信号，那么这个该脉冲信号时间长度比需要长于一次扫面所用的时间，这样才能保证在一切情之下，这次输入是有效的。2. 用户程序执行阶段在这个阶段里面，PLC处理起输入的数据或者值起来总是按从上往下的顺序地扫描梯形图。在每一次扫描过程里面，又是从左向右扫描个个逻辑电路，并且遵循先左后右、先上后下逻辑顺序整个梯形图进行计算、载入，在通过计算的答案，更新该逻辑在RAM存储区中所在位置的相应状态，或者更新该线圈在I/O映象寄存器里面所相应的位置的状态信息。3. 输出刷新阶段 当前两个阶段结束以后，PLC用户就进入这个输出状态。在这段时间里面，CPU根据I/O映象寄存器里面所相应的用户状态和数据更新梯形图里面所有逻辑电路的状态，然后给外部的开关和其他的硬件设备一个动作。这就是PLC输出的意义。3.4 本章小结本章主要对PLC的发展历史，各个部分，工作原理等进行了简单的介绍，进行了PLC的CPU选型，对下面章节的控制系统设计做了铺垫。4 控制系统的设计4.1 控制系统元件的选择本定量给料机硬件有以下几个部分构成：电动机，流量器，电磁阀等等，定量给料机主要通过这些硬件实现机械运动。 一、电动机的选择通过对定量给料机主轴转动、手臂运动等采用电力驱动的方式。电动机的选择包括电动机的功率、种类、电压、转速和结构形式选择等。1. 电动机功率的选择电动机的功率反映了它的负载能力，对电动机的选择首先是对电动机功率的选择。如果选择的电动机功率过小，则不能是机械设备在正常工作状态下运行，无法完成相应的生产任务，即使电动机能够勉强拖动机械设备运转，由于电动机在过载条件下运行，会造成电动机损坏或其他机械故障。如果选择的电动机功率过大，则设备投资费用增加，电动机运行效率下降14。电动机的功率选择选择应根据以下原则进行：(1)允许温升 保证电动机在运行时的实际最高温度max不高于电动机绝缘材料所允许的的最高温度a，即 (4.1) (2) 过载能力 电动机热惯性大,在短期内承受高于额定功率的负载时所达到的温度不会高于电动机绝缘材料所允许的最高温度,有一定的过载能力.但是电动机的最大转矩Tmax(对于异步电动机)或最大电流Imax(对于直流电动机)必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩TLmax和最大负载电流ILmax,即 （对于异步电动机 ） (4.2) （对于直流电动机） (4.3)式中：m、i为电动机过载能力系数。 (3) 启动能力 为了保证电动机能够可靠启动,必须使 (4.4) 式中：st为电动机启动能力系数；Tst为电动机的起动转矩。根据负载图按发热理论进行计算来选择电动机的方法，理论依据可靠，但计算过程复杂。而且只是在一些假设的条件下得到的；此外，对于大多数的生产机械来说，找出具有代表性的典型负载图有困难，因此得到的结果差异往往较大。因而，在电动机的功率选择中常用：统计法和类比法。统计法是比较实用的电动机功率选择方法，它是对国内外同类型设备所选用的电动机的额定功率进行统计和分析，并结合我国的实际生产情况，从中找出电动机功率和设备主要参数之间的的关系，并用数学公式加以表达，以此作为设计新设备时选择电动机功率的主要依据。类比法是对经过长期运行考验的同类生产机械的电动机容量调查研究，并对其主要参数和工作条件进行对比，从而确定新设计生产机械所需的电动机的容量。2. 电动机类型的选择满足生产机械对拖动系统启动、调速、制动、正反转、负载等要求，是电动机类型选择的基本原则。在此基础上，对电动机的选择要发挥机械与电气技术的各自优势，力求整个机电传动系统结构简单方便、易于操作管理。（1） 对于不需要进行调速的、对启动性能没有很高要求的机械，应当优先选择一般的异步电动机（如YL、JS、Y系列等）。如果需要很大的启动转矩，那么就可以选择高启动转矩式的异步电动机。（2） 对于要求频繁使用的，且负载压力较大，还有一定调速要求的生产机械，应考虑选用线绕式异步电动机（如YR、YZR系列等）。（3） 对于需要几种速度，而不要求无极调速的生产机械，可选用YD等系列多速异步电动机。（4） 对于需要恒转速运行的生产机械，且需要补偿电网功率因素的场合，应优先考虑选用TD等系列的同步电动机。（5） 对于需要大范围无极调速，且要求经常启动、制动、正反转的生产机械，则可以选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机、同步电动机。3. 电动机额定电压的选择电动机额定电压与供电电压一致是电动机额定电压选择的基本原则，交流电动机额定电压应与供电电网电压一致。直流电动机的额定电压也要与电源电压相一致。4. 额定转速在电动机上的选用对于额定功率相同的电动机，电动机尺寸小、质量低、成本小的情况下，可以选择使用高速电动机较相对较为合适。但由于生产机械工作机构所需转速一定，所以，转速快，传动机构转速比越大，传动机构也越冗杂。为此，在确定额定转速时应全面综合各方面，然后分析做出选择。5. 电动机的结构形式选择根据电动机安装位置的不同，其结构形式可分为卧式（轴是水平的）和立式（轴是竖直的）等种类。根据电动机与工作机构的连接方便和结构紧凑为原则来选择电动机的结构形式。根据电动机工作所适应的环境条件不同，电动机结构还可以分为开启式、防护式、封闭式和防爆式四种。依据以上的原则，本设计系统共需要2台电动机。其中主轴电动机1台，手臂旋转电动机1台，一般情况下无法精确计算，因此我们采用类比法，通过参考其他汽车清洗机的情况。本系统确定选用额定电压为380V。主轴电机功率为0.55KW，手臂电机功率为0.55KW，本设计所选定电动机的额定转速均为1500r/min。二、电磁阀电磁阀的工作原理是，电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同电磁阀的油管，腔中间是阀，对面有两块电磁铁，只要有一面的叙安全得电就会有磁性，然后阀体就会被吸引到那一边，阀体一移动就能控制排油孔的开关，进而来实现油的控制，如果进油孔打开，那么液压油就会流出，就会使得油缸的活塞运动，活塞移动带起活塞杆运动，活塞杆是机械部分跟着运动。这样用控制电磁铁的方法同时控制了阀门的开关。如图4.1所示。图4.1 电磁阀本定量给料机在定量给料这个环节中，需要电磁阀控制送料器给料的开始和停止，因此选用SLO3DFO2N1AV1型直动式电磁阀，其原理是，通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。在定量给料过程中电磁阀主要负责的是控制料斗是否给料。在给料过程中，电磁阀打开，开始给料，当给料结束，电磁阀关闭，定量给料过程结束。三、流量计图4.2 固体流量计MF3000流量控制器主要工作原理是，微波探头以5mw的功率发射一种24.125GHz的高频微波信号，当有物体通过时，会有微波信号形成一种反射，主机会根据反射微波信号的变化量，经过计算得出被实测物体的实际流量。介公司主要推出的微波固体流量计MF3000具有世界上最先进的微波技术，适用于从kg/h到t/h宽范围的金属封闭管道内固体流量测量，该系统用于气力输送或者自由落体的粉末、粉尘、小球状、粒状等固体的流量的在线监测。如图4.2所示。 微波固体流量计MF3000的测量原理基于多普勒效应，其中传感器在管道内微波频率范围内产生均匀的磁场，这些微波被流过管道的颗粒反射，对频率和幅度变化的计算确保固体流量的精确测定。 通过焊接，可将传感器平齐的拧紧在管道内，传感器连接到DIN轨道安装的变送器上，4.20mA，RS232和RS485的输出信号，易于我们对流量的参考和校准。 流量计在定量给料机上有着非常大的作用。在定量给料的过程中，需要流量给料机对料的检测，同时反馈出一个信号给控制系统，放置在PLC的累加器里，当这个累加值达到给定值时，PLC就会控制电磁阀的通断15，流量计技术数据如下表4-1所示。表4-1 MF3000技术数据接触介质的零部件不锈钢1.4307和pa6.6工艺连接焊接法兰外壳材料不锈钢1.4307或st52防护等级IP65结构DIN-轨道，22.5mm辅助电源24V AC/DC功率损耗最大2w接口RS232和RS485微波固体流量计MF3000通过RS485接口与PLC连接。如图4.3所示。 图4.3 固体流量计与PLC的连接 4.2 绘制电气原理图定量给料机的主电路共有两台电动机：M1为主轴电动机，带动手臂绕着主轴作旋转运动；M2为手臂控制电机，用来控制手臂的上下运动以方便取料。定量给料机主轴的正反转是由电机的正反转实现的，主轴电动机M1在交流接触器KM1和KM2的通断状态下来实现正反转。主轴电动机M1的制动方法是反接制动，手臂控制电动机M2在交流接触器KM1和KM2的通断状态下来实现正反转。主电路的工作原理是先使得断路器QF和空气开关都闭合，通入电源。主轴电动机M1由交流接触器KM1、KM2控制，到达限位开关，KM1得电，主轴电动机M1正转，KM2得电，主轴电动机M1反转；手臂控制电动机M2由接触器KM3、KM4控制，到达限位开关，接触器KM3得电，主轴电动机M2正转，接触器KM4得电，主轴电动机M2反转；。热继电器FR1、FR2作过载保护，熔断器FU起着短路保护作用。主电路图如下图4.5所示。 图4.4 主电路图 4.3 控制程序的设计 4.3.1 I/O分配表控制电路的输入信号端有7个，输出信号端有5个，具体I/O分配表如下表4-2所示。表4-2 I/O分配表输入信号输出信号启动按钮SBI0.0主轴电机正转接触器KM1Q0.0主轴电机停止按钮I0.1主轴电机反转接触器KM2Q0.1前限位开关SQ1I0.2手臂控制电机正转接触器KM3Q0.2后限位开关SQ2I0.3手臂控制电机反转接触器KM4Q0.3手臂控制电机停止按钮I0.4电磁阀接通接触器KM5Q0.4上限位开关SQ3I0.5下限位开关SQ4I0.6 4.3.2 接线图通过I/O分配表，画出I/O接线图，如图4.5所示，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别为四个限位开关，SB1、SB2、SB5分别为常闭的停止按钮，KM1、KM2线圈互锁KM3、KM4线圈互锁。 图4.5 接线图4.4 本章小结本章主要叙述了控制系统所要使用的控制元件，绘制了主电路的电气原理图，简单解释了电机工作时的情况，画出了I/O分配表和接线图。5 控制系统的编写5.1 STEP7的介绍 STEP 7软件是西门子公司开发的，可以用S7系列PLC的语言进行编译，是一种可以运用在现在的电脑中，在WINDOWS环境下可以进行工作的一款软件。把它和计算机的串行口连接起来可以进行信息的交流和整合。通过STEP 7编程软件，不仅大大的方便了我们进行梯形图或者语言的编写和检查，编译之后我们还能直观的看到我吗所编写的程序是否有问题，哪里有问题，可以直接进行修改，非常的方便，还可以修改程序里面的变量值，大大的方便了调试工作。当用 STEP 7 创建一个自动化解方案时，有一系列的基本任务。下图5.1所示为大多数项目需要执行的任务，并把这些任务分配到基本程序中。它会对我们整个工程的设计起一个基本的指导作用。图5.1 创建一个项目的基本步骤5.2 系统程序流程图根据I/O分配表和接线图，绘制控制系统的流程图，如下图5.2所示。 图5.2 系统控制流程图5.3 梯形图的绘制 1. 手臂传动电机正反转控制 电机的正反两个方向的切换是通过两个接触器K