三菱PLC的流水线送料台设计

第一章 绪论1.1 课题的由来与现实意义选此课题的灵感是因为我最近在一公司里上班得来的，那是一家纺织厂，公司里面的设备大多都是PLC控制的机器，节省了很多人力。这让我感触良多，于是这让我决定做一个关于PLC流水线的送料台来做自己的毕业设计。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，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。配料工人收到每天的生产作业表后, 将依次对每种原料进行称重根据配料的多少, 先计算每种成分的重量,然后在各种成分的料桶中取料,送到电子称上进行称重,最后进行包装在这个过程中工人工作繁重,出错率高,称重重量无监测,生产数据无纪录等不能保证企业的生产工艺文中以PC机编程,可编程逻辑控制器(PLC),现场总线技术等现代工控技术为基础,开发了以PC机为上位机, 以PLC作为下位机的自动配料系统在整个生产过程中,一旦生产计划制定完成,计算机将按照计划对每种原料进行称重,不再需要人工来干预在这个过程中工人只是进行取料,由计算机通过电子称发来的数据校核重量,减轻了工人的工作负担,提高了工作效率1.2 设计内容及要求本课题的主要设计内容有：确定送料台控制系统的总体设计方案；确定PLC I/O元件，列出PLC输入输出元件分配表；编写PLC梯形图。1.2.1 设计目的：A 熟练掌握PLC的指令系统，学会定时器在实际中的应用。B 通过设计牢固掌握用步进步退控制设计梯形图的方法、步骤及绘制梯形图所遵循的规则和设计技巧。C 学会PLC输入/输出点的分配、接线。对PLC有系统的了解。1.2.2 设计要求：某车间有5个工作台。送料台往返于工作台之间送料。每个工作台设有一个到位行程开关(SQ)和一个呼叫按钮(SB)。具体控制要求：A 送料台开始应能停留在流水线的初始到位位置。B 此时如有工作台按下呼叫按钮则送料台前进至所呼叫工作台的行程开关处停止，过50秒后送料台自动前进至流水线顶端卸料处卸料，卸料50秒后返回原位。C 送料台带重量检测报警功能，如装料时负重大于600KG或小于500KG则报警灯呈0.5秒闪烁，并带有报警声。第二章 PLC的简介2.1 PLC的产生与发展可编程控制器（Programmable Logic Controller）于1969年面世发展到现在已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司研制的。早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。这个时期的可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备中不断扩大了可编程控制器的应用。目前，我国已可以生产中、小型可编程控制器。随着我国四个现代化进程的深入，可编程控制器在我国酱油更广阔的应用天地。2.2 PLC的组成PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图2-1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2-2所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。图2-1 整体式PLC组成框图图2-2 模块式PLC组成框图尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。A 中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU 随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等) 。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8 个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：a 接收从编程器输入的用户程序和数据。b 诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。c 通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。d 从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。e 根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。B 存储器存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC 的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。C 输入/输出单元输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口。常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：是继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/ 输出（I/O）点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。D 通信接口PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。 与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。E 智能接口模块智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。F 编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。G 电源PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15% 的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。H 其它外部设备除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。为了使调试好用户程序不易丢失，经常用EPROM写入器将PLC内RAM保存到EPROM中。PLC内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器作成的存储盒等来存储PLC的用户程序，这些存储器件称为外存储器。外存储器一般是通过编程器或其它智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。人/机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。最简单、最普遍的人/机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等器件构成。对于PLC系统，还可采用半智能型CRT人/机接口装置和智能型终端人/机接口装置。半智能型CRT人/机接口装置可长期安装在控制台上，通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT上显示出来；而智能型终端人/机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与PLC相连，也可作为独立的节点接入PLC网络。2.3 PLC的特点根据PLC的特点，可以将其应用形式归纳为如下几类：A 开关逻辑控制。这是PLC的最基本最广泛的应用领域。PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。B 模拟量控制。在工业生产过程中，有许多连续变化的量都是模拟量，而PLC中所处理的是数字量，为了能接受模拟量输入和输出模拟量信号，PLC中配制有A/D和D/A转化模块，将现场的模拟量经过转化变为数字量，经微处理器进行处理，数字量又经D/A转换变成模拟量去控制被控制对象，这样就可实现PLC对模拟量的控制。C 闭环过程控制。D 定时控制。PLC具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个定时器，其定时的时间可以由用户在编写程序时设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时或延时的控制。E 计数控制。计数控制也是控制系统不可缺少的，PLC同样也为用户提供了几十个甚至上百个定时器，设定方式如同定时一样。若用户需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速技术模块。F 顺步控制。在工业控制中，采用PLC实现顺序控制，可以由移位寄存器和步进指令编写程序，也可以采用顺序控制的标准化语言顺序功能图SFC编写程序，使得PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出时更加容易。G 数据处理。现代PLC都具有数据处理能力，它不仅能进行算术运算和数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示和打印以及数据通信等。对于大、中型PLC还可以进行浮点运算、函数运算等。H 通信和联网。PLC的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制，实现了工厂自动化。这是由现代的PLC一般通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信，从而可以方便可靠的搭成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。由此可见PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。（图2-3为三菱FX2N-16MR型PLC）图2-3第三章 流水线的简介3.1 流水线的由来从前在英格兰北部的一个小镇里，有一个名叫艾薇的人开的鱼和油煎土豆片商店。在店里面，每位顾客需要排队才能点他（她）要的食物（比如油炸鳕鱼，油煎土豆片，豌豆糊，和一杯茶）。然后每个顾客等着盘子装满后坐下来进餐。 艾薇店里的油煎土豆片是小镇中最好的，在每个集市日中午的时候，长长的队伍都会排出商店。所以当隔壁的木器店关门的时候，艾薇就把它租了. 他们没办法再另外增加服务台了；艾薇的鳕鱼和伯特的油煎土豆片是店里面的主要卖点。但是后来他们想出了一个聪明的办法。他们把柜台加长，艾薇，伯特，狄俄尼索斯和玛丽站成一排。顾客进来的时候，艾薇先给他们一个盛着鱼的盘子，然后伯特给加上油煎土豆片，狄俄尼索斯再给盛上豌豆糊，最后玛丽倒茶并收钱。顾客们不停的走动；当一个顾客拿到豌豆糊的同时，他后面的已经拿到了油煎土豆片，再后面的一个已经拿到了鱼。一些穷苦的村民不吃豌豆糊-但这没关系，这些顾客也能从狄俄尼索斯那里得个笑脸。 这样一来队伍变短了，不久以后，他们买下了对面的商店又增加了更多的餐位。这就是流水线。将那些具有重复性的工作分割成几个串行部分，使得工作能在工人们中间移动，每个熟练工人只需要依次的将他的那部分工作做好就可以了。虽然每个顾客等待服务的总时间没变，但是却有四个顾客能同时接受服务，这样在集市日的午餐时段里能够照顾过来的顾客数增加了三倍。3.2 流水线定义流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械，又称输送线或者输送机。按照输送系列产品大体可以分为：皮带流水线、板链线、倍数链线、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线。一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。流水线输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。3.3 流水线的安装注意事项流水线的平面设计应当保证零件的运输路线最短，生产工人操作方便，辅助服务部门工作便利，最有效地利用生产面积，并考虑流水线安装之间的相互衔接。为满足这些要求，在流水线平面布置时应考虑流水线的形式、流水线安装工作地的排列方法等问题。流水线安装时工作地的排列要符合工艺路线，当工序具有两个以上工作地时，要考虑同一工序工作地的排列方法。一般当有两个或两个以上偶数个同类工作地时，要考虑采用双列布置，将它们分列在运输路线的两例。但当一个工人看管多台设备时，要考虑使工人移动的距离尽可能短。流水线安装的位置涉及到各条流水线间的相互关系，要根据加工部件装配所要求的顺序排列，整体布置要认真考虑物料流向问题，从而缩短路线，减少运输工作量。总之，要注意合理地、科学地进行流水生产国程空间组织。（图3-1为工作中的流水线）图3-1第四章 流水线送料台的设计4.1 PLC I/O地址分配输入/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。对软件设计来说，I/O地址分配以后才能编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O分配地址以后，才可以绘制电气接线图，装配图，让装配人员根据线路图安装控制柜。分配输出点地址时，要注意负载类型的问题。在进行I/O地址分配时最好把I/O点的名称、代码和地址以表格的形式列写出来。控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如表4-1表4-1输入信号输出信号名 称代 号输入点编号名 称代 号输出点编号1号台按钮SB1X1前进电动机M1Y12号台按钮SB2X2后退电动机M2Y23号台按钮SB3X3卸料电动机M3Y34号台按钮SB4X4警报灯HL1Y115号台按钮SB5X5警报蜂鸣器B1Y121号台限位SQ1X11运行指示灯HL2Y202号台限位SQ2X123号台限位SQ3X134号台限位SQ4X145号台限位SQ5X15起始位置限位SQ6X16卸料位置限位SQ7X17重量感应器（已设定大于600KG或小于500KG会闭合）A1X204.2 PLC外部接线图图4-14.3 PLC的状态流程图图4-24.4 PLC的梯形图程序4.4.1 梯形图程序简要说明梯形图S20,S25-S28为1号台工作程序范围。S21，S29-S32为2号台工作程序范围。S22,S33-S36为3号台工作程序范围。S23，S37-S40为4号台工作程序范围。S24，S41-S44为5号台工作程序范围。上电后送料台工作灯常亮直到断电熄灭，工作台停在初始位置，此时按下1号台呼叫按钮SB1，梯形图上X1闭合，此时按其他工作台按钮互不干扰，进入1号台工作程序范围，送料台前进至1号台限位开关，梯形图上X11闭合，工作台开始计时50秒，工作人员在时间内没装完料或者料的重量小于500KG的话，工作台警报灯会呈0.5秒闪亮并且蜂鸣报警器响起，如果料超过600KG的话亦然。50秒后，料的重量如果大于500KG小于600KG的话送料台继续前进，至卸料处限位开关，梯形图上X17闭合，开始卸料50秒，50秒后小车后退，至初始位置限位开关，梯形图上X16闭合，程序复位至初始S0处，此时既可开始其他工作台的工作(由于考虑到2-5号工作台的工作步骤和1号台差不多因此不再详细说明)。小 结用PLC做设计对我来说不是第一次了。所以，在这次的设计中，我没有遇到什么编写程序上的困难，从确定输入输出，到程序调试都是一次成功的，而花费我大量时间的是查找相关方面的资料，由于以前没接触过流水线这方面的知识，使得刚开始做的时候有种无从下手的感觉，但是最后经过不懈的努力，还是圆满完成了这次课题。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。经过我姑父厂里的一个老技工浏览后，觉得我的设计引入到正式的流水线上时，可以使得公司节省更多的财力和电力，但也有设计的不足之处。感觉这次课程设计使我受益匪浅，不仅巩固了已有的知识，还学到了书本上没有的知识，收获巨大。致 谢在此次毕业设计中，我遇到过不少的专业问题，通过老师的指导和同学的交流之后，还是解决了这些问题，顺利完成了这次毕业设计。虽然经历了不少艰辛，但是对我的好处还是很多的。虽然这次设计也许做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。在这里我要感谢吴尉尉老师的悉心指导，我每次遇到问题吴老师都会耐心的教导我，在此我对您表示深深的敬意！谢谢！参 考 文 献1 求是科技编著.PLC应用开发技术与工程实践M.北京:人民邮电出版社,2005.2 张万忠.可编程控制器应用技术M.北京:化学工业出版社,2002.3 王炳实.机床电器控制M.机械工业出版社,2006.4 王振民.PLC原理及应用M.大庆石油学院.14-61.5 谢克明.夏路易.可编程控制器原理与程序设计M.北京:电子工业出版社,2005:1-20.6 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2003:80-96.7 殷洪义.可编程控制器选择设计与维护M.北京:机械工业出版社,2002:24-49.页码 共 20 页 第 20 页