基于西门子PLC200及组态王的配料生产线控制系统设计

毕 业 设 计 论 文 题 目 基于西门子 PLC200 及组态王的配料生产线控制 系统设计 英文 Design of Ingredients Production Line Control System Based on Siemens PLC200 and Kingview 院 别 自动化学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 xxx 学 号 xxx 指导教师 xxx 日 期 2012 年 5 月 基于西门子 PLC200 及组态王的配料生产线控 制系统设计 摘要 随着社会的进步 科技日新月异 从 18 世纪 60 年代的以蒸汽机为主要动力的工 业革命开始直到现在 工业的生产线经历过了 300 多年的发展历史 已经发展到了今 天的全自动化大批量生产 可以说现代工业已经离不开自动化的生产线了 自动化生 产线不仅可以大幅度地提高生产效率 而且还可以提高精度 提高合格率 减轻人的 工作量等好处 在工业如此发达的今天 生产线控制系统逐渐地由 PLC 控制代替原来 的单片机或机械电气控制 其许多功能是传统的控制技术无法实现的 本设计针对我国一些小型企业的配料生产线控制系统现状 将西门子 S7 200 系列 的 PLC 应用于小型的配料生产线 再由组态王作为人机交互的界面作为远程控制和监 控作用 本设计通过合理的选择和编程 不仅可以提高配料生产线的生产效率 降低 成本 提高安全可靠性 还可以根据不同的配料合理调整 PLC 程序的参数 而且可以 直接通过组态王监控 控制和调整参数 实现远程控制 提高人性化 关键词 生产线 PLC 组态王 Design of Ingredients Production Line Control System Based on the Siemens PLC200 and Kingview ABSTRACT With the progress of society and the great changes of science and technology from the 1760s when the steam engine is acted as the main power of the beginning of the industrial revolution to now industrial production lines have experienced 300 year developmental history and has developed into fully automated mass production currently It can be said that modern industry has been inseparable from the automated production line Automatic production line not only can greatly improve the production efficiency but also can improve the precision boost qualified rate reduce the workload Nowadays industry is developed and production line control system is r gradually replaced the original single chip computer or electrical machinery control with the PLC control Many of its functions can not be achieved just through traditional control technology This paper aims to small business ingredient production line control system in our country and applys the PLC of Siemens S7 200 series to small batch production line and treats kingview as a human computer interaction interface for remote control and monitoring function This paper through the reasonable selection and programming can not only improve the batching production efficiency reduce the cost improve the safety and reliability and make reasonable adjustment of PLC program parameters according to the different ingredients but also can directly via the kingview s monitor control and adjustment of parameters to realize the remote control and improve humanization Key words Production Line PLC Kingview 目 录 1 绪论 1 1 1 配料生产线的发展概括 1 1 2 单片机控制系统特点与存在问题 2 1 3 PLC 控制配料生产线的特点 2 1 4 组态王的特点 3 1 5 课题研究的意义和目的 4 2 可编程逻辑控制器 PLC 概要 5 2 1 PLC 简介 5 2 2 可编程控制器 PLC 的特点 5 2 2 1 硬件的可靠性 5 2 2 2 编程简单 使用方便 6 2 2 3 接线简单 通用性好 6 2 2 4 可连接为控制网络系统 6 2 2 5 易于安装 便于维护 7 2 3 PLC 的硬件结构 7 2 3 1 中央处理单元 CPU 7 2 3 2 存储器 RAM ROM 8 2 3 3 输入输出单元 I O 单元 8 2 3 4 电源 8 2 3 5 编程器 9 2 4 PLC 的工作原理 9 3 配料生产线系统分析 10 3 1 配料生产线系统的概述与分类 10 3 2 配料生产线系统的组成 11 3 3 配料生产线的控制要求 12 3 4 配料生产线控制系统的流程图 13 3 5 配料生产线控制系统的性能及特点 14 3 6 配料自动控制过程 14 4 配料生产线控制系统的硬件设计 16 4 1 配料生产线的工艺 16 4 2 可编程控制器 PLC 的选型 17 4 2 1 输入输出 I O 点数的确定 17 4 2 2 内存估计 18 4 2 3 PLC 的类型 18 4 2 4 输入输出模块的选择 18 4 2 5 电源的选择 18 4 2 6 经济性的考虑 19 4 2 7 机型的选择 19 4 3 变频器的选择 20 4 3 1 变频器的概述 20 4 3 2 传送带和搅拌机的电机调速系统 20 4 3 3 变频器型号的选择 21 4 4 电机的选择 21 4 4 1 电机选择的基本内容 21 4 4 2 连续工作制的电机容量选择 23 4 4 3 电机型号的选择 24 4 4 4 系统的硬件框图 25 5 配料生产线控制系统的软件设置 27 5 1 编程软件 STEP7 的概述 27 5 2 程序设计常用方法 28 5 2 1 经验设计法 28 5 2 2 逻辑设计法 28 5 2 3 顺序控制法 28 5 3 PLC 地址分配 29 5 3 1 输入 输出的分配如下 29 5 3 2 PLC 外部接线图 30 5 3 3 PLC 符号表 31 5 4 各程序段模块分析 31 5 4 1 初始化参数 31 5 4 2 三种启动方式 32 5 4 3 传送带 1 号运料 34 5 4 4 搅拌配料与运走配料 35 5 4 5 程序的循环设定 38 5 4 6 指示灯和报警部分 40 6 系统监控画面编程 43 6 1 组态王的简介 43 6 2 组态王与 PLC 的通讯 45 6 3 组态变量 46 6 4 主画面 47 6 5 实时趋势画面 49 6 6 参数调节画面 49 6 7 编程语言 51 7 结论与展望 53 7 1 结论 53 7 2 心得 53 7 3 展望 54 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 0 1 绪论 1 1 配料生产线的发展概括 随着计算机技术和微电子技术的发展 微机配料控制系统的发展经历了人工手动 控制 机械电气控制 单片机控制 工业控制计算机集中 控制等几个阶段 在第一个阶段 微机配料设备庞大 各设备之间互不联系 或者联系甚少 由现 场的操作人员只能监视和操作一个至两个计量称 并且手工记录配料的相关数据 在 很大程度上产品的质量取决于操作员的熟练程度 在第二阶段 随着电子管 晶体管技术的飞速发展 逐渐出现了各种小型化的微 机配料电动组合仪表 但电动组合仪表也存在着两大问题 一是电噪声的问题比较严重 为克服噪声 不得不采用极为复杂的电子线路 另一个问题是由于微机配料系统所控对 象 所处环境常常都很恶劣 电子元器件的老化严重 抗干扰的能力和可靠性不高 单片机配料系统是在大规模集成芯片技术成熟的基础上应运而生的 单片机配料系统 较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低 可靠性大大的提高 而且满足了用户实 用性的要求 所以迄今为止 单片机配料系统仍然在一定程度上占据了中小型企业配 料生产的主控地位 同时随着我国经济的发展 工业生产规模的扩大 计算机技术的 迅猛发展 基于 STD 总线或 PC 总线的工业控制计算机 例如 PLC 应用提上了日 程 并且迅速的在中国形成热潮 主要是因为工业控制计算机可靠性高 小巧结构 组成系统功能灵活 组态方便 具有小型化 模块化 组合化 标准化的特点 随着 工业控制计算机的广泛应用 基于工控机的配料系统也出现在工业场合 这种配料系 统大多采用集中控制方式 计算机除具有工艺流程控制 工况实时显示 提供数据存 储 报表打印等功能外 还要完成对各对象的直接控制和数据采集任务 近些年来 随着电工电子技术 计算机技术 自动控制技术的迅速发展 电气传 动技术面临着一场历史革命 即采用交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取 代模拟控制技术己成为发展趋势 电机交流变频调速技术是当今节电 改善工艺流程 以提高产品质量和改善环境 推动技术进步的一种主要手段 变频调速以其优异的调 速和起制动性能 高效率 高功率因数和节电效果 广泛的适用范围及其它许多优点 而被国内外公认为最有发展前途的调速方式但在总体上 我国在配料控制系统上存在 技术落后 企业平均规模小 综合生产水平低等问题 因此 提高配料的自动化程度 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 1 和产品的质量 成为当前十分紧迫的问题 1 2 单片机控制系统特点与存在问题 单片机虽然有一个五脏俱全的微计算机但由于本身无自开发能力 必须借助开发 工具来开发应用软件 以及对硬件系统进行诊断 另外 单片机内的 ROM 比较小 所 以在设计中系统必须在外面配置 EPROM 电路和扩展电路 所以在该项目中运用该方 案必须完成 1 硬件电路的设计 组装 调试 2 应用软件的编制 调试 3 应用 软件的链接调试 固化 脱机运行 系统触点繁多 接线线路复杂 且触点容易烧坏 磨损 造成接触不良 因而故障率较高 依据单片机目前的发展状况 该方案的优点是 1 成本较低 由于现在单片机的 价格相对都比较低 而且外围电路的元器件价格也不高 所以整体设计起来 成本比 较低 2 可以对外部存储容量根据需要进行扩展 设计可以相对比较灵活 3 由于现 存有许多已经设计很完善的子程序 在系统软件设计中可以直接调用 减少较大工作 量 其缺点为 1 系统硬件设计相对比较复杂 运用该方案 该系统硬件设计包含扩 展电路部分和系统配置电路部分 所以该系统电路设计工作量相对较大 影响系统开 发的时间 2 系统的抗干扰能力相对较差 在系统设计中 虽然注意了芯片 器件选 择 去耦滤波 电路板的布线 通道隔离以及屏蔽 但由于工厂的条件比较差 很难 保证系统的可靠性和稳定性 3 系统需要自己设计电源 而且不能保证系统的可靠运 行 4 维护维修相对比较麻烦 维修需要的时间也相对较长 1 3 PLC 控制配料生产线的特点 随着社会的不断发展 工业自动生产线越来越发达 PLC 在工业配料生产线控制 上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能 由于 PLC 具有逻辑运算 计数和定时以 及数据输入输出的功能 在配料生产控制过程中 各种逻辑开关控制与 PLC 很好的结 合 很好的实现了对生产线的控制 本文主要讨论研究利用西门子公司可编程控制器对配料生产线的控制 形成配料 生产线控制系统 并用组态王进行远程控制和监控 可编程控制器充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求 同 时照顾到现场电气维护人员的技能和习惯 摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 2 方式 独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结 构 使用户程序的编制清晰直观 方便易学 调试和查错都很容易 用户买到所需要 的 PLC 后 只需按说明书或提示 做少量的安装接线和用户程序的编制工作 就可以 灵活而方便地将 PLC 应用于生产实践 而且用户程序的编制 修改和调试都不需要具 有专门的计算机编程语言知识 PLC 现在已经成为现代工业控制三大支柱 PLC CAD CAM ROBOT 之一 以其可靠性 逻辑功能强 体积小 可在线修 改控制程序 具有远程通信联网功能 易与计算机接口 能对模拟量进行控制 具备 高速记数与位控等高性能模块等优异性能 日益取代有大量中间继电器 时间继电器 记数继电器等组成的继电 接触控制系统 在机械 化工 石油 冶金 轻工 电子 纺织 食品 交通等各行各业都得到广泛的应用 总之 配料生产线的控制是比较复杂的 在计算机诞生前的几十年里 继电器控 制系统为生产线控制的发展起到了巨大的作用 然而其控制性能与自身的功能已经无 法满足与适生产线控制的要求和发展 与 PLC 相比较 存在质的差别 生产线使用继 电接触器控制的时代 很难设计出质量优良的配料生产线控制系统 而现在 可编程 控制器的使用为配料生产线的控制提供了更广阔的空间 PLC 是专门为工业过程控制 而设计的控制设备 使得它的体积大大减小 功能不断完善 过程的控制更平稳 可 靠 抗干扰性能增强 机械与电气部件被机结合在一个设备内 把仪表 电子和计算 机的功能综合在一起 因此它已成为生产线运行中的关键技术 1 4 组态王的特点 随着现代工业的发展 远程监控和操作越来越重要 组态王开发监控系统软件 是新型的工业自动控制系统 它以标准的工业计算机软 硬件平台构成的集成系统取 代传统的封闭式系统 它具有适应性强 开放性好 易于扩展 经济 开发周期短等 优点 通常可以把这样的系统划分为控制层 监控层 管理层三个层次结构 其中监 控层对下连接控制层 对上连接管理层 它不但实现对现场的实时监测与控制 且在 自动控制系统中完成上传下达 组态开发的重要作用 尤其考虑三方面问题 画面 数据 动画 通过对监控系统要求及实现功能的分析 采用组态王对监控系统进行设 计 组态软件也为试验者提供了可视化监控画面 有利于试验者实时现场监控 而且 它能充分利用 Windows 的图形编辑功能 方便地构成监控画面 并以动画方式显示控 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 3 制设备的状态 具有报警窗口 实时趋势曲线等 可便利的生成各种报表 它还具有 丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式 数据链接功能 本设计就是用组态王与 PLC 通讯 实现对配料生产线的监控与远程操作 参数调 节等功能 1 5 课题研究的意义和目的 随着人类的进步 社会的发展 科技的创新 自动化生产在现代工业生产中 已 经逐步代替手工生产 现代的生产流水线已经越来越自动化了 尤其是生产线上的配 料添加 在现代工业生产中 经常需要将多种原料按一定的比例混合 以制造某种产品 这种将一种原料与其它几种原料按事先设定的比例进行混合配料 然后自动送到搅拌 机进行生产的配料生产线控制系统在工业生产过程中有着广泛的应用 它能根据事先 设定的配料单 将各种不同的原料通过称料传感器把不同的配料进行称量 随着计算机 工控系统 控制系统等相关技术的不错发展和完善 自动化系统得 到了极大的完善 然而配料系统在诸多行业的工业生产过程中占有极其重要的地位 配料工序的合理性 稳定性 准确性以及快速性直接影响到了以后的各生产环节 现 在 PLC 由于它的可靠性高 效率高 稳定性好 编程容易等优点 使得它在市场上得 到了极大的应用 PLC 的极大应用提高了产品的质量和生产效率 在整个配料行业具 有广阔的应用前景 本论文设计采用西门子 PLC200 控制配料生产线 运用 PLC 与传感器结合 实现 配料生产线的自动配料生产 该生产线主要由料仓 仓壁振动器 喂料器 传送带 中间仓 混合仓 搅拌机组成 各振动器 搅拌机和传送带由电机拖动 采用变频器 实现电机调速 中间仓和混合仓卸料门则由电磁阀控制 当某台电机过载时电铃报警 并禁止所有输出 故障排除后才能继续工作 另外用组态王实现这套系统的监控和远 程控制 设计出性价比最高的一套配料生产线控制系统 投入社会 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 4 2 可编程逻辑控制器 PLC 概要 2 1 PLC 简介 PLC 即可编程控制器 Programmable logic Controller 是指以计算机技术为基础的 新型工业控制装置 在 1987 年国际电工委员会 International Electrical Committee 颁 布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller 中文全称为可编程逻辑控制器 定义 是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可编程 的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等 面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用 可以编制程序的存储器 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 2 2 可编程控制器 PLC 的特点 2 2 1 硬件的可靠性 PLC 是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的 一个设计良好的 PLC 能置于有很 强的电噪声 电磁干扰 机械振动 极端温度和湿度很大的环境中 在硬件设计方面 首先是选用优质器件 再就是采用合理的系统结构 加固 简 化安装 使它易于抗振动冲击 对印制电路板的设计 加工及焊接都采取了极为严格 的工艺措施 而且在电路 结构及工艺上采取了一些独特的方式 例如 在输入 输出 电路中都采用了光电隔离措施 做到电浮空 既方便接地 用提高了抗干扰性能 各 个 I O 端口都除采用了常规模拟器滤波以外 还加上了数字滤波 内部采用了电磁屏 蔽措施 防止辐射干扰 采用了较先进的电源电路 以防止由电源回路串入的干扰信 号 采用了较合理的电路程序 一旦某模块出现故障 进行在线插拔 调试时不会影 响各机的正常运行 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 5 由于 PLC 本身具有很高的可靠性 所以发生故障的部位大多集中在输入 输出的部 件上 以及如传感器件 限位开关 光电开关 电磁电机等外围装置上 2 2 2 编程简单 使用方便 用微机实现自动控制 常使用汇编语言编程 难于掌握 要求使用者具有一定水 平的计算机硬件和软件知识 PLC 采用面向控制过程 面向问题的 自然语言 编程 容易掌握 例如 目前打 多数 PLC 均采用的梯形图语言编程方式 既继承了传统控制线路的清晰直观感 又顾 及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受 易于编程 程序改变时也容易修改 很灵活方便 这种面向控制过程 面向问题的编程方式 与目前微机控制常用的汇编语言相比 虽然在 PLC 内部增加了解释程序 增加了程序执行时间 但对大多数的机电控制设备 来说 这是微不足道的 2 2 3 接线简单 通用性好 PLC 的接线只需将输入信号的设备 按钮 开关等 与 PLC 输入端子连接 将接 受输出信号执行控制任务的执行元件 接触器 电磁阀等 与 PLC 输出端子连接 接 线简单 工作最少 省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦 PLC 的编程逻 辑提供了能随要求而改变的 接线网络 这样生产线的自动化过程就能随意改变 这 种性能使 PLC 具有很高的经济效益 用于连接现场设备的硬件接口实际上是 PLC 的组成部分 模块化的自诊断接口电 路能指出故障 并易于排除故障与替换故障部件 这样的软硬件设计就使现场电气人 员与技术人员易于是用 2 2 4 可连接为控制网络系统 PLC 可连成功能很强的网络系统 网络可分为两类 一类是低速网络 采用主从 方式通信 传输速率从几千波特到上万波特 传输距离为 500 2500m 另一类为高速 网络 采用令牌传送方式通信 传输速率为 1M 10Mbps 传输距离为 500 1000m 网上结点可达 1024 个 这两类网络可以级连 网上可兼容不同类型的可编程控制器和 计算机 从而组成控制范围很大的局部网络 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 6 2 2 5 易于安装 便于维护 PLC 安装简单而且功能有效 其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所 需空间的一半的地方 在从继电器系统改换到 PLC 系统的情况下 PLC 小的模块结构 使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端 其实改换很方便 只要将输入 输出 设备连向接线端即可 在大型安装中 长距离输入 输出站点安放在最优地点 长距离站通过同轴电缆获 双扭线连向 CPU 这种配置大大减少了物料和劳力 长距离子系统方法也意味着系统 不同部分可在到达安装场地前由 PLC 制造商预先连好线 这一方法大大减少了电气技 术人员的现场安装时间 从一开始 PLC 便以易维护作为设计目标 由于几乎所有器件都是固态的 维护 时只需更换模块级插入式部件 故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中 就能指 示器是否正常工作 借助于编程设备可见输入 输出是 ON 还是 OFF 还可写编程指令 来报告故障 PLC 的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分 一旦安装后 其 作用立即显现 其收益也马上实现 向其他智能设备一样 PLC 的潜在优点还取决于应 用时的创造性 2 3 PLC 的硬件结构 2 3 1 中央处理单元 CPU 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 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 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 7 及软件容量等 因此限制着控制规模 2 3 2 存储器 RAM ROM 存储器主要用于存放系统程序 用户程序及工作数据 存放系统软件的存储器称 为系统程序存储器 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器 存放工作数据的存储 器称为数据存储器 常用的存储器有 RAM EPROM 和 EEPROM RAM 是一种可进 行读写操作的随机存储器存放用户程序 生成用户数据区 存放在 RAM 中的用户程序 可方便地修改 RAM 存储器是一种高密度 低功耗 价格便宜的半导体存储器 可用 锂电池做备用电源 掉电时 可有效地保持存储的信息 EPROM EEPROM 都是只读 存储器 用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序 2 3 3 输入输出单元 I O 单元 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 所能管理的基本配 置的能力 即受最大的底板或机架槽数限制 2 3 4 电源 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 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 8 2 3 5 编程器 编程器是 PLC 的最重要外围设备 利用编程器将用户程序送入 PLC 的存储器 还 可以用编程器检查程序 修改程序 监视 PLC 的工作状态 除此以外 在个人计算机 上添加适当的硬件接口和软件包 即可用个人计算机对 PLC 编程 利用微机作为编程 器 可以直接编制并显示梯形图 2 4 PLC 的工作原理 PLC 具有微机的许多特点 但它的工作方式却与微机有很大不同 微机一般采用 等待命令的工作方式 PLC 则采用循环扫描工作方式 在 PLC 中 用户程序按先后顺 序存放 CPU 从第一条指令开始执行程序 直至遇到结束符后又返回第一条 如此周 而不断循环 每一个循环称为一个扫描周期 一个扫描周期大致可分为 I O 刷新和执 行指令两个阶段 所谓 I O 刷新即对 PLC 的输入进行一次读取 将输入端各变量的状态重新读入 PLC 中存入内部寄存器 同时将新的运算结果送到输出端 这实际是将存入输入 输 出状态的寄存器内容进行了一次更新 故称为 I 输入 O 输出 刷新 由此可见 若输入变量在 I O 刷新期间状态发生变化 则本次扫描期间输出端也 会相应的发生变化 或者说输出队输入产生了响应 反之 若在本次 I O 刷新之后 输入变量才发生变化 则本次扫描输出不变 即不响应 而要到下一次扫描期间输出 才会产生响应 由于 PLC 采用循环扫描的工作方式 所以它的输出对输入的响应速度 要受扫描周期的影响 扫描周期的长短主要取决于这几个因数 一是 CPU 执行指令的 速度 二是每条指令占用的时间 三是指令条数的多少 即程序的长短 对于慢速控制系统 响应速度常常不是主要的 故这种方式不但没有坏处反而可 以增强系统抗干扰能力 因为干扰常是脉冲式的 短时的 而由于系统响应较慢 常 常要几个扫描周期才响应一次 而多次扫描后 瞬间干扰所引起的误动作将会大大减 少 故增加了抗干扰能力 但对控制时间要求较严格 响应速度要求较快的系统 这一问题就需慎重考虑 应对响应时间作出精确的计算 精心编排程序 合理安排指令的顺序 以尽可能减少 周期造成的响应延时等的不良影响 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 9 3 配料生产线系统分析 3 1 配料生产线系统的概述与分类 自动化称重配料控制系统 又称自动配料生产线系统 通常是由自动配料电气控 制系统和受控的给料装置 设备 监控系统所组成 与人工配料相比它不仅能够在生 产中节省大量的劳动成本 劳动强度 减少环境对人体的危害 还可以提高终端产品 的稳定性 精确度 效率 为生产企业带来巨大效益 对于不同物料的配料 需要定 制设计相应的控制系统 自动配料生产线广泛应用于水泥 钢铁 玻璃 煤矿 制药 饲料 建材 PVC 塑胶 橡胶 复合肥 制砖 食品 印染等众多行业 现代自动配料系统中常用到静态模式及动态配料模式 动静态组合模式 对于不 同系统模式 配料系统选型要根据生产工艺要求进行选型 1 静态配料模式 静态配料模式用于无连续配料要求的现场 这些现场对配料的时 间不高 可按批次进行配料 批次允许存在一定的时间间隔 如高炉槽下上料前后两 批时间间隔为三到五分钟 每批料由多种物料组成 物料所占比率根据工艺要求在一 段时间内相对固定 对单批料的组成比例要求并不严格 只要在较多批中物料组成比 例能达到工艺要求即可 静态配料模式下 各种物料分部存放在不同料仓 料仓给料一般采用电振给料 螺旋给料或门式给料等形式 计量一般采用计量仓 并配装有压式或拉式重力传感器 进行力转换 信号经二次仪表放大处理后进入 PLC 或 DCS 等来完成计量 在一些对时 间要求宽的场合 可以采用一个计量小车进行统一计量 计量小车沿轨道运行 依次 定位到各料仓下按比例进行物料配加 各种物料的配加量采用减差发计算 亦有采用 单一固定计量仓方式的 各料仓以环状分布在一个计量仓周围 各物料的计量也采用 减差法 物料自溜槽或皮带输送机依次按比例配加到计量仓 计量后的物料经过集中后 一般形成层状或段状分布 经输送设备 如皮带或小 车 输送到受料口 进行下一工序 即完成一批料的配加 由于物料计量 输送 加 入等环节在 时间上可以重叠 在控制流程上可以采用并行方式 以节省上料时间 提 高上料速度 2 动态配料模式 动态配料适用于连续配料要求的现场 如烧结配料 焦化配料 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 10 这些现场对配料的连续性要求较高 一般不允许出现中间配料停止的情况 对各种物 料的配比要求比较严格 动态配料系统计量一般采用电子皮带秤或核子秤作为计量设 备 主机都带有 PID 调节及报警功能 可以实现一个仓的自动控制 对于整个自动配 料系统而言 配料秤一般作为计量仪表使用 有些自动控制功能比较强 的配料秤可以 利用其自控功能 配料秤通过现场总线与控制主机进行联系 构成一个分散式的体系 配料秤在体系中作为一个子站或从站 电子皮带秤的计量原理及选型电子皮带秤利用计量皮带带来运输物料 当物流进 过称量段时 由称量段进行连续采样 由传感器将力电转换为 MV 级信号 经放大器 放大为电流信号后进行远传 电流信号可以与秤主机连接或直接与计算机系统连接 秤主机或计算机完成零点校验 标定 测试 控制等功能 称量段是由一段皮带 一组称量拖量 支撑框架及力传感器组成 机构上有全悬 浮式 杠杆平衡式等多种形式 全悬浮式称架结构一般采用 4 只传感器 半悬浮式一 般采用 1 或 2 只传感器 杠杆平衡式一般采用 1 只传感器 传感器有拉式和压式两种 根据称架结构的设计可以选用不同的传感器 多传感器设计时各传感器可以采用并行 和串行两种连接方式 对电子皮带秤而言 其秤架结构的设计与传感器的选择是整体计量精度的重要影 响因素 秤架要具备足够强度 性变小 重量轻 传感器要根据实际的负荷选择 有 时会出现传感器选择会过大 信号空间过窄 信噪比小 导致计量精度差 波动大等 后果 全悬浮式和半悬浮式称架由于其称架的重量加在传感器上 传感器量程比较大 相对灵敏度较差 此时要综合考虑称架及物流负荷的情况选择传感器 既要满足最大 物料负荷的要求 还要尽量提高相对灵敏度 满足计量精度的要求 3 2 配料生产线系统的组成 随着工业的发展 配料生产线发展到现在也是多种多样 各种配料生产线的控制 系统也是根据实际情况有所改动 但是万变不离其中 本设计从最基本的配料生产线 控制系统出发 走大众化路线 设计一套最普遍最基本的配料生产线控制系统 本配料生产线控制系统的设计是采用西门子 PLC200 和组态王组态软件为工具 实现配料系统的自动控制 该生产线主要由 1 号和 2 号料仓 仓壁振动器 喂料器 1 号和 2 号传送带 中间仓 混合仓 搅拌机组成 各振动器 搅拌机和传送带由电机 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 11 拖动 中间仓和混合仓卸料门则由电磁阀控制 当某台电机过载时电铃报警并禁止所 有输出 故障排除后才能继续工作 一套控制系统必然少不了各种传感器 本系统主要采用称料传感器对配料的量进 行控制 一旦任意一个料仓下料达到设定值 该料仓的称重传感器就会起作用 停止 下料 当 2 个料仓的下料都达到设定值 这时 2 个料仓都会停止下料 然后启动 1 号 传送带 把料送到下一个环节 3 3 配料生产线的控制要求 控制系统要求有自动 单周期和手动三种工作方式 在自动工作方式下 按下启 动按钮能连续不断的循环工作 直到按下停止按钮停止工作 在单周期工作方式下 按下启动按钮后工作一个周期自动停止工作 手动工作方式下 可手动调整 1 号传送 带 2 号传送带和搅拌机 每个工作周期的工作过程如下 1 按下启动按钮后 两个仓壁振动器和两个喂料振动器同时启动 料仓 1 和料仓 2 同时开始下料 将配料喂入称料仓 2 当称料传感器 SQ1 和 SQ2 接通时 对应的仓壁振动器和喂料振动器停止工作 停止喂料 同时启动 1 号送料传送带 3 延时 10 秒后启动两个排料振动器进行排料 将称料仓中的配料通过 1 号传送带 送入中间仓 4 延时 300 秒后启动搅拌机 1 号送料传送带停止工作 5 延时 3 秒后打开中间仓门 将中间仓中的配料放入混合仓通过搅拌机混合均匀 6 延时 300 秒后 开启混合仓卸料门 启动 2 号传送带将混合均匀的配料送走 7 延时 300 秒后 全部停止工作 一个周期结束后回到初始状态或继续进入下一个 周期 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 12 3 4 配料生产线控制系统的流程图 图3 1 系统流程图 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 13 3 5 配料生产线控制系统的性能及特点 本设计采用了多重连锁功能 远程控制与监测功能 变频器调速功能以及过载 短路保护功能 1 多重连锁功能 本系统采用自动控制按钮 单周期运行按钮和手动按钮之间的互 相连锁 一旦按下任意一个按钮 在没停止的情况下再按其它的按钮无效 除此之外 还采用了各个环节和开始按钮的连锁 一旦选用自动按钮或者单周期按钮 在没停止 之前或者一个周期未结束之前 再按下任意一个开始按钮无效 2 远程控制与监测功能 用组态王对该系统实现人机交互的界面 实现远程控制系 统的功能 包括参数的调节 开关按钮的控制等 除此之外还能观看到系统的动态模 拟画面 3 过载 短路保护功能 本系统同了热继电器对电机进行过载与短路保护 一旦电 机过载 就会引起热继电器的动作 从而切断电源并且报警 4 变频器调节 本系统的电机调速采用变频器调速 3 6 配料自动控制过程 配料自动控制是整个系统的关键 它是保证配料比例在误差范围内的重要保证 是保证成品质量的重要手段 本配料系统的控制具有自动 单周期和手段三种控制方 式 手动控制比较简单 在此不予讨论 以下主要讨论自动控制模式 自动控制模式 的配料控制流程如下 1 选称 如生产某种产品 根据配方需要几种原料 有些产品的原料是单种存放的 需要选择转载这几种原料的原料线 本文称为选称 2 测料 对选择的电子秤的储料仓 进行料检测 若高出高料位 则发出超料警报 停止向料仓排料 3 设定原料的比例 不同产品中各种原料的比例是不固定的 因此要生产某种产品 需要配置他们不同的比例 4 设定原料误差范围 5 设定电子秤承受的测量范围 一般是以电子秤量程的 60 作为电子秤测量的 设定值 根据产品原料比例 计算每种原料的出料当量 以一分钟生产的混料为基准 当量除以电子秤的设定值 得到原料出料的当料 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 14 6 启动每个配料皮带的电机 代各电机转速稳定后 打开各原料出料扣控制阀门 注意应逐步调大 一分钟调节以此 根据电子秤测量的值 一分钟测 30 次 求平均值 逐步调节到合适为止 7 进入监控程序 待控制稳定后 进入系统的微调控制过程 只需微调各出料的控 制阀门 维持系统在各原料的误差范围内 超出范围 系统自动调节出料阀门的开启 程度 两分钟后 若问题依然存在 则系统自动报警 通知工作人员进行错误处理 若操作人员处理失败 5 分钟后系统自动停机处理 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 15 4 配料生产线控制系统的硬件设计 4 1 配料生产线的工艺 本配料生产线控制系统的组成有 料仓 称料仓 管道 1 号传送带 电机 中间 仓 搅拌机 混合仓 2 号传送带 整个控制系统的流程是 首先由各个料仓下料到称 料仓 通过事先设定的参数 当配料的重量达到设定值时 称料仓里面的传感器就会 输出信号 停止下料 开启 1 号传送带 延时一段时间后 启动排料振动器把称料仓 的配料排到 1 号传送带 通过 1 号传送带传送到中间仓门 通过参数的设定 等到所 有的配料都排进中间仓门后 开启搅拌机 延时一段时间开启中间仓门 配料进入到 混合仓门进行搅拌阶段 然后等到搅拌机运行时间到 就开启混合仓门 把配料排进 2 号传送带 最后 2 号传送带把配料送走 本系统采用的料仓是装有仓壁振动器和喂料振动器的料仓 通过振动器的振动 把配料喂进称料仓 而称料仓则是带有称料传感器和排料振动器的特殊仓 通过称料 传感器的信号输出 从而启动 1 号传送带 停止料仓下料 再延时一段时间 称料仓 的排料振动器就会开启 进行排料 把配料排到 2 号传送带 中间仓门和混合仓门都 是采用电磁阀控制阀门开启关闭的仓门 本系统主要的硬件是 PLC 电机和变频器 接下来重点介绍 图4 1 配料生产线工艺流程图 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 16 4 2 可编程控制器 PLC 的选型 4 2 1 输入输出 I O 点数的确定 一个单线圈电磁阀用可编程控制器时需两个输入及一个输出 一个双线圈电磁阀 需三个输入及两个输出 一个比例式电磁阀需三个输入及五个输出 一个按钮需一个 输入 一个光电开关要占用一个或两个输入点 一个信号占用一个输出点 而波段开 关 有几个波段就占用几个输入点 一般情况 各种位置开关都要占用两个输入点 I O 点数估算时应考虑适当的余量 通常根据统计的输入输出点数 再增加 10 20 的可扩展余量后 作为输入输出点数估算数据 实际订货时 还需根据制造厂商 PLC 的产品特点 对输入输出点数进行圆整 本设计采用 PLC 构成的配料生产线控制系统 按照该系统的组成 本系统设有电 磁阀控制的中间仓门和混合仓门共 2 个 这 2 个电磁阀采用单线圈电磁阀每个占用 1 个输出点 各振动器 搅拌机和传送带由电机拖动 每个电机占用 1 个输出点 总体 来说设置 1 个自动开始按钮 1 个单周期循环按钮 1 个手动调节搅拌机按钮 1 个停 止按钮 2 个称料传感器输入点 一个热继电器输动开始按钮 一个手动调节 1 号传送 带按钮 一个手动调节 2 号传送带按钮 一个手入点 一共输入点 10 个 输出点就有 1 2 号仓料喂料振动器 2 个 排料振动器 1 个 搅拌机 1 个 中间仓门 1 个 混合仓 卸料门 1 个 1 号和 2 号传送带 2 个 指示灯 3 个 报警蜂鸣器 1 个 共 12 个 综上所述 输入点共有 10 个 输出点共有 12 个 经验设计法也叫凑试法 在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上 根据被 控对象对控制系统的具体要求 凭经验进行选择 组合 这种方法对于一些简单的控 制系统的设计是比较凑效的 可以收到快速 简单的效果 经验设计法的具体步骤如 下 1 确定输入 输出电器 2 确定输入和输出点的个数 选择 PLC 机型 进行 I O 分配 3 做出系统动作工程流程图 4 选择 PLC 指令并编写程序 5 编写其它控制控制要求的程序 6 将各个环节编写的程序合理地联系起来 即得到一个满足控制要求的程序 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 17 4 2 2 内存估计 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小 程序容量是存储 器中用户应用项目使用的存储单元的大小 因此程序容量小于存储器容量 设计阶段 由于用户应用程序还未编制 因此 程序容量在设计阶段是未知的 需在程序调试之 后才知道 为了设计选型时能对程序容量有一定估算 通常采用存储器容量的估算来 替代 存储器内存容量的估算没有固定的公式 许多文献资料中给出了不同公式 大体 上都是按数字量 I O 点数的 10 15 倍 加上模拟 I O 点数的 100 倍 以此数为内存的 总字数 16 位为一个字 另外再按此数的 25 考虑余量 4 2 3 PLC 的类型 PLC 按结构分为整体型和模块型两类 按应用环境分为现场安装和控制室安装两 类 按 CPU 字长分为 1 位 4 位 8 位 16 位 32 位 64 位等 从应用角度出发 通 常可按控制功能或输入输出点数选型 整体型 PLC 的 I O 点数固定 因此用户选择的余地较小 用于小型控制系统 模 块型 PLC 提供多种 I O 卡件或插卡 因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I O 点数 功能扩展方便灵活 一般用于大中型控制系统 4 2 4 输入输出模块的选择 可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备 按钮 限位开关 接近开关 等 的高电平信号为机器内部电平信号 模型类型分直流 5 12 24 48 60V 几种 交流 115V 和 220V 两种 模块输出的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号 输出模块同 时接通点数的电流累计值必须小于公共段所允许通过的电流值 输出模块的电流值必 须大于负载电流的额定值 4 2 5 电源的选择 PLC 的供电电源 除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选 用外 一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源 与国内电网电压一致 重要的 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 18 应用场合 应采用不间断电源或稳压电源供电 如果 PLC 本身带有可使用电源时 应核对提供的电流是否满足应用要求 否则应 设计外接供电电源 为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC 对输入和输出信号的 隔离是必要的 有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离 由于计算机集成芯片技术的发展 存储器的价格已下降 因此 为保证应用项目 的正常投运 一般要求 PLC 的存储器容量 按 256 个 I O 点至少选 8K 存储器选择 需要复杂控制功能时 应选择容量更大 档次更高的存储器 4 2 6 经济性的考虑 选择 PLC 时 应考虑性能价格比 考虑经济性时 应同时考虑应用的可扩展性 可操作性 投入产出比等因素 进行比较和兼顾 最终选出较满意的产品 输入输出点数对价格有直接影响 每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用 当点数增加到某一数值后 相应的存储器容量 机架 母板等也要相应增加 因此 点数的增加对 CPU 选用 存储器容量 控制功能范围等选择都有影响 在估算和选用 时应充分考虑 使整个控制系统有较合理的性能价格比 4 2 7 机型的选择 选择 PLC 时 应考虑性能价格比 考虑经济性时 应同时考虑应用的可扩展性 综上所述 根据具体情况 我们选择 SIMATIC 小型 S7 200 系列 PLC S7 200 的 CPU226CN 输入 输出点数为 24 16 足以满足要求 它适用于各行各业 各种场合 中的检测 监测及控制的自动化 S7 200 系列的强大功能使其无论在独立运行中 或 相连成网络皆能实现复杂控制功能 S7 200 系列出色表现在以下几个方面 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌 握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模 块等 S7 200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能 使用范围可覆盖从替代 继电器的简单控制到更复杂的自动化控制 应用领域极为广泛 覆盖所有与自动检测 自动化控制有关的工业及民用领域 包括各种机床 机械 电力设施 民用设施 环 境保护设备等等 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 19 4 3 变频器的选择 4 3 1 变频器的概述 变频技术是电力电子技术的主要组成部分 它主要应用在交流电机的调速和供电 电源两个领域 过去 调速传动方式的主流是晶闸管直流电动机传动系统 但直流电 动机本身存在一些固有的缺点 如受使用环境的条件限制 需要定期维护最高速度和 容量受限制等 而交流调速传动系统除了可克服直流高速传动系统的缺点外 还具有 交流电动机结构简单 可靠性高 节能 高精度 快响应等优点 在交流调速传动的 各种方式中 变频调速就是应用最多的一种 因为在交流电动机的转差功率中 转子 铜损部分的消耗是不可避免的 采用变频调速的方式无论电动机转速高低 转差功率 的消耗基本不变 系统效率是各种交流调速方式中最高的 所以采用变频调速具有显 著的节能效果 变频技术的产生与发展为交流调速开拓了广阔的天地 国外交流调速 在电气传动行业内已占绝对优势 虽然国内直流调速还在大量使用 但近年来凡新建 的电气传动系统均采用交流调速 其发展势头是迅速的 变频技术在供电电源方面的 应用主要是 1 将过去用发电机变压器产生交流电源的地方 如中频电源 不停电电源 等 用变频电源取代 2 将计算机 电焊机 电子装置等用直流电源的地方改为变频技 术为核心的开关电源 变频技术在电源中的应用 极大地减小了电源装置的体积 提 高了效率 产生了巨大的经济效益 4 3 2 传送带和搅拌机的电机调速系统 在配料生产线系统上 各振动器 传送带和搅拌机由电机拖动 振动器和传送带 的电机速度直接关系到生产效率 振动器 传送带和搅拌机在实际的运行中要根据实 际情况调速 要配合其它环节的时间进行调速 不能过快也不能过慢 在下料过程中 不同的料和不同的量都需要传送带和搅拌机速度要合适 所以在配料生产线的系统中 经常要调节传送带和搅拌机的速度 考虑到变频器的调速系统比较稳定 而且精度很 高 所以选用了变频器作为配料生产线的传送带和搅拌机的电机调速系统 在过去 生产线对传送带电机的调速没有很注重 一般应用变极方式实现电机的 调速 因为这种系统只能实现有级调速 无法对电机的转速和加 减速进行准确的控 制 所以此方式的舒适感和平层精度都较差 后来又采用交流调压调速控制的电机 广东技术师范学院本科毕业设计 论文 20 进行速度闭环控制 其舒适感和平层精度都有较大提高 但它却很难实现精确控制 并且能耗大 输入功率因数也低 影响了系统的整体性能 对于高速电电机 过去主 要采用晶闸管直流调速系统 存在维护难等问题 并且调速系统的功率因数也不高 与前述方式相比较 变频调速则是各种调速方法中效率 性能均较好的一种 4 3 3 变频