（机械电子工程专业论文）基于plc在塑料产品自动生产线中的应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 近几年来，随着我国经济的发展，对p v c 软管的需求量越来越大，快速、 高效、安全成为p v c 软管生产线的发展方向。 本文介绍了p v c 软管自动生产线的机械结构组成，可编程控制器的特点及 工作原理，详细阐述了s i e m e n ss 7 3 0 0 系列p l c 在本系统中的应用，同时描述 了变频器、伺服驱动器以及一些电器元件的特点。确定了以s i e m e n ss 7 3 0 0p l c 为核心的控制系统，完成了挤出机工艺温度和电机速度的集中控制；以触摸屏 实现人机交互，实现对温度和速度的监控。温度和部分速度控制采用p i d 模糊 控制。 本系统解决了温度控制精度低和速度同步不稳定的难点，还充分发挥了p l c 控制灵活、稳定、编程方便的优点，和上位机具有友好交互界面的优点。这种 控制方式的综合控制性能较好，是一种比较理想的控制方式。 关键词：p v c 软管，p l c ，p i d ，触摸屏 a b s t r a ct 1 1 1r e n ty e a r s ，弱c 【l i n a sc c o n o i i l i cd e v e l o p m 既也t 0 l eg r o w 缸gd e m a n df o rp v c ，f 瓠t e 仃i c i e i l t 锄ds a f ep v ct u b ep r o d u c t i o n1 h l e si n t ot h ed i r 鳅i o no f ( 1 e v e l o p m e n t t 1 1 i sa r t i c l ei n t r o d u c e dm ec o m p o s i t i o no fm e c h a i l i c a ls t r u c t u r eo fa u t o m a t i c p r o d u c t i o nl i n eo fpl ct u b e ，t h ec h a f a c t e r i s t i c sa n dm ew o i 乜n gp r i n c i p l eo fp l c ，d e t a i l s t h ea p p l i c a t i o no fs i e m e n ss 7 3 0 0p l ci nn l ep r e s e n ts y s t 锄，a n dd 髓c r i b 伪t h e c h 锄? a c t 甜s t i c so fm ec o n v e r t e r ，m es e r 、，o 越v e 锄：l ds o m eo fe l e 硎c a lc o m p o n e n t s t l l i s a r t i c l ei d e n t i f i e dt h ec 0 代o ft l l ec o n 仃0 ls v s t 锄i ss i e m e n ss 7 - 3 0 0p l c ，t 0m a l 【e t e 脚【p e 阳臼】r e 肌dm ee l e c t r i c a lm o t o rs p e e dc o n c e n l 呻l t e dc o n t r o l ；w i lt h em u l u a lm 删n eo f t h et 0 i u c ：hp a n e lm o l l i t o r i n gt e 脚【p e r a t u r em o t o rs p e e d t h et e m p e r a t u r ea n di n o t o rs p e e d c o n t r o la d o p t st 1 1 e 如z z yc a l c u l a t ep i d t h es y s t e mr e s o l v e dm ed i 西c u l t i e so ft l l el o wt 咖p e r a 臼l r ec o l i 仃o la c c u r a c y 锄ds p e e do f s y n c h r o n o u si n s t a b i l i 饥锄dh 嬲a d v 锄t a g c sc o n 仃d lf l e x i b l e 锄ds 协b i i l i 饥p r 0 孕a i r 蚰i n g c o n 豫1 i 即t o p e r a t i o ne 鹤y 锄d 衔e n d ly t h i sk i l l do fs y s t e mh a s9 0 0 dp e f f l 0 衄觚锄d a d 口l i c a b l ev a l u e ，i ti sak i r l do fb 甜e rc o n 仃o ls 仃a t e 霉；y z 1 1 a n gl i t a 0 ( m e c h a t m 血ce n 百n e 嘶n 曲 d i r e c t c db y s o c i a t ep r o fc l l iy 锄b i i l l ( e y w o r d s ：p v ct u b e ，p l c ，p i d ，t o u c hp a n e lm o n i t o r 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 近几年来，随着我国经济的发展，对p v c 软管的需求量越来越大，快速、 高效、安全成为p v c 软管生产线的发展方向。 本文介绍了p v c 软管自动生产线的机械结构组成，可编程控制器的特点及 工作原理，详细阐述了s i e m e n ss 7 3 0 0 系列p l c 在本系统中的应用，同时描述 了变频器、伺服驱动器以及一些电器元件的特点。确定了以s i e m e n ss 7 3 0 0p l c 为核心的控制系统，完成了挤出机工艺温度和电机速度的集中控制；以触摸屏 实现人机交互，实现对温度和速度的监控。温度和部分速度控制采用p i d 模糊 控制。 本系统解决了温度控制精度低和速度同步不稳定的难点，还充分发挥了p l c 控制灵活、稳定、编程方便的优点，和上位机具有友好交互界面的优点。这种 控制方式的综合控制性能较好，是一种比较理想的控制方式。 关键词：p v c 软管，p l c ，p i d ，触摸屏 a b s t r a ct 1 1 1r e n ty e a r s ，弱c 【l i n a sc c o n o i i l i cd e v e l o p m 既也t 0 l eg r o w 缸gd e m a n df o rp v c ，f 瓠t e 仃i c i e i l t 锄ds a f ep v ct u b ep r o d u c t i o n1 h l e si n t ot h ed i r 鳅i o no f ( 1 e v e l o p m e n t t 1 1 i sa r t i c l ei n t r o d u c e dm ec o m p o s i t i o no fm e c h a i l i c a ls t r u c t u r eo fa u t o m a t i c p r o d u c t i o nl i n eo fpl ct u b e ，t h ec h a f a c t e r i s t i c sa n dm ew o i 乜n gp r i n c i p l eo fp l c ，d e t a i l s t h ea p p l i c a t i o no fs i e m e n ss 7 3 0 0p l ci nn l ep r e s e n ts y s t 锄，a n dd 髓c r i b 伪t h e c h 锄? a c t 甜s t i c so fm ec o n v e r t e r ，m es e r 、，o 越v e 锄：l ds o m eo fe l e 硎c a lc o m p o n e n t s t l l i s a r t i c l ei d e n t i f i e dt h ec 0 代o ft l l ec o n 仃0 ls v s t 锄i ss i e m e n ss 7 - 3 0 0p l c ，t 0m a l 【e t e 脚【p e 阳臼】r e 肌dm ee l e c t r i c a lm o t o rs p e e dc o n c e n l 呻l t e dc o n t r o l ；w i lt h em u l u a lm 删n eo f t h et 0 i u c ：hp a n e lm o l l i t o r i n gt e 脚【p e r a t u r em o t o rs p e e d t h et e m p e r a t u r ea n di n o t o rs p e e d c o n t r o la d o p t st 1 1 e 如z z yc a l c u l a t ep i d t h es y s t e mr e s o l v e dm ed i 西c u l t i e so ft l l el o wt 咖p e r a 臼l r ec o l i 仃o la c c u r a c y 锄ds p e e do f s y n c h r o n o u si n s t a b i l i 饥锄dh 嬲a d v 锄t a g c sc o n 仃d lf l e x i b l e 锄ds 协b i i l i 饥p r 0 孕a i r 蚰i n g c o n 豫1 i 即t o p e r a t i o ne 鹤y 锄d 衔e n d ly t h i sk i l l do fs y s t e mh a s9 0 0 dp e f f l 0 衄觚锄d a d 口l i c a b l ev a l u e ，i ti sak i r l do fb 甜e rc o n 仃o ls 仃a t e 霉；y z 1 1 a n gl i t a 0 ( m e c h a t m 血ce n 百n e 嘶n 曲 d i r e c t c db y s o c i a t ep r o fc l l iy 锄b i i l l ( e y w o r d s ：p v ct u b e ，p l c ，p i d ，t o u c hp a n e lm o n i t o r 声明尸州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p l c 在塑料产品自动生产线中 的应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：静粕渤 翮二捌 日期硼i1 ) 、 日期：! ! ! ! ：! ：) 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 近几年，我国经济的发展将带动塑料制品市场的扩大，特别是包装、农业、建 筑、电子电气等一直是我国塑料制品的重要应用领域。随着人民生活水平的不断 提高和塑料工业的同益发展，人们对塑料制品的依赖程度和性能要求也越来越高晗1 。 日益增长的市场需求，导致塑料加工行业更加积极地去寻找和使用各种有效方法以 达到降低生产成本、提升产品工艺及提高生产效率等目的1 。然而我国的塑料加工 业面临厂家数目太多，市场份额竞争加剧，利润下降，用电成本上升等诸多难题， 基于以上问题，迫使生产设备的自动化程度及生产效率提高，使产品生产赢得时问 赢得市场。这就使越来越多的企业正在计划将其所有自动化控制设备逐步连接到 企业范围内的信息系统中去嫡1 。而可编程序控制器( p l c ) 迎合了这点。 p l c 是近年来发展极为迅速，应用极广，以微处理器为核心，集微机技术、自 动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。他的应用领域极广，渗透到工 业的各个领域，包括从单机到工厂自动化。它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，控制各种类型的生产过程。目前全世界生产p l c 的产家约 有2 0 0 多个，随着p l c 与i p c ，d c s 地结合，p l c 逐渐成为自动化装黄及过程控制系 统最大市场份额的产品。p l c 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗 干扰能力强、编程简单等特点。p l c 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位， 在可预见的将来，是无法取代的。p l c 以其良好的性能满足了自动化生产的广泛需 要，为自动化的发展奠定了坚实的基础晦1 。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 自动化技术的现状与发展 随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，国内外对 自动化生产线技术的研究非常重视，已经进行了大量研究，自动化工业发展极快。 虽然我国对自动化生产线技术的研究十分重视，近年来已在研究和应用上作了大量 工作哺。但是由于( 1 ) 工业企业效益不好，就投资类需求看出，我国还没有很好完 成工业化任务：( 2 ) 微电子技术落后，不能很好支撑工控的发展。工控要配套的集 成电路、电力电子器件，关键外部设备和系统软件等基本依靠进口，致使工控机整 华北电力火学硕士学位论文 机产品开发周期较长：( 3 ) 我国的工控机人才整体水平不高，工控机产品开发和推 广应用对人才要求较高，都要即懂机又懂电，即懂工控机硬软件又懂应用工业工艺 的复合人才h 1 。从而导致了国内自动化生产线市场几乎被r 本和德国垄断，如西门 子，三菱，川崎，本田等等，国内能独立生产自动化生产线的基本没有，针对在当 今我国工业自动化水平还比较低，大量企业的机器设备还需要工人进行手工操做， 这些情况己经成为制约我国科技和生产力进步的沉重枷锁哺1 。所以，采用各种办法 加速我国传统企业的自动化改造，大力发展我国自动化技术己经成为当务之急。在 这种情况下，向大众普及自动化技术知识，宣传自动化技术是十分必要的阳1 。 1 2 2 可编程序控制器的现状与发展 第一台可编程控制器( p l c ) 的设计规范是美国通用汽车公司提出的，当时的目 的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单 易懂。操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间 响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维 修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司( ( d e c ) 于1 9 6 9 年研制成第一台p l c ，型号为p d p 一1 4 ，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了 令人满意的效果，从此丌创了p l c 的新纪元。在短时间内，p l c 在其他工业部门也 得到应用。到2 0 世纪7 0 年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用p l c 代替 继电器控制设备，迈出其实用化阶段的第一步0 1 。 7 0 年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8 位微处理器和位片处理器相继 问世，在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环控制，提高了运算速度， 扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、西德( 原) 和法国相继研制出自己的p l c ， 我国在1 9 7 4 年也开始研制。 7 0 年代末由于超大规模集成电路的出现，使p l c 向大规模、高速性能方向发展， 形成了多种系列化产品。进入八九十年代后，p l c 的软硬件功能进一步得到加强， p l c 已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成 报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。p l c 未来的发展不仅依赖于对新产 品的开发，还在于p l c 与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，p l c 将 在今后的工业自动化中扮演重要角色n 。在未来的工业生产中，p l c 技术和机器人、 c a d c a m 将成为实现工业生产自动化的三大支柱。 目前p l c 朝以下几个方向发展： ( 1 ) 大型网络化：主要朝d c s 方向发展，网络化和强通信能力是p l c 发展的一个 主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机等相连构成特殊的控制 任务。 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 多功能：为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量输入 输出、回路控制、通信控制、机械运动控制，高速技术、中断输入等。 p l c 应用越来越广泛，对自动化生产线技术提出越来越高的要求，同时也为自 动化技术的革新提供了必要条件，使其开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发 展。根据近几年的资料表明：国外的自动生产线中6 0 都采用p l c 来完成，在先进 工业国家中p l c 已成为自动化控制的标准设备，应用几乎覆盖了所有工业企业。可 编程序控制器已经广泛应用于各行各业，用可编程序控制器设计自动控制系统已成 为世界潮流，在我们国家，可编程序控制器的应用范围不断扩大，正处于方兴未艾 之势2 1 。 1 2 3p v c 增强软管的现状与发展 2 0 0 5 年，我国p v c 需求量突破7 5 0 万吨，成为世界上最大p v c 消费国。2 0 1 0 年，我国p v c 需求向1 0 0 0 万靠拢。 九十年代初，我国p v c 需求量由1 9 9 5 年的1 3 7 万吨增至2 0 0 2 年的3 8 8 万吨。 表现消费由1 8 7 万吨至5 6 0 万吨，年均增长率2 2 2 ，成为全球增长最快的国家。 高增长的消费市场引发了p v c 的生产投资热潮。我国p v c 工业现在已经进入新一轮 投资高峰。 从目前p v c 生产发展趋势看，生产朝着高度集中和装置大型化方向发展。一些 生产企业在工程建设是注意与衍生产品同步建设，还有些生产商在相关业务进行了 分工合作，建立上下游一体化合作体系，实现从上游资源到下游产品的产业链整合。 随着我国p v c 市场开放度加大，尤其是外资和合资企业的加盟，市场竞争将会 进一步白热化，p v c 行业将面临着重新洗牌。加大结构调整力度，实现集约化经营 是p v c 工业生产发展的大趋势n 引。 1 3 课题研究内容 本课题运用现在工业自动化技术广泛应用的可编程序控制器来工程，采用指令 丰富，安全可靠的西门子s 7 3 0 0 型p l c 作为主控制系统，其开发周期短，维护方 便。利用p l c 自身所具备的逻辑运算和数据处理功能，通过输入输出模块、a d 模 块、d a 模块和编制p l c 控制程序，实现了塑料产品自动生产线的硬件系统和软件 控制程序的设计。具体来说，有以下几点： 1 研究了塑料产品自动生产线的技术特点，并与原来的生产线进行了比较。 2 塑料产品对环境的影响。由于塑料制品对环境有一定的污染，所以必须分析 它的污染指数。 3 塑料产品自动生产线系统的技术功能分析和总体设计。 3 华北电力人学硕士学位论文 4 生产线的可编程序控制器控制系统的硬件和软件设计。 5 可编程序控制器与自动生产线的结合。控制系统是该生产线得以运行的核心 系统，也是该生产线展示的中心内容，所以大量的使用了传感器等电子元件，充分 体现了自动化技术的各个方面。 6 系统调试。 4 华北电力人学硕十学位论文 第二章p v c 软管自动生产线的总体设计 2 lp v c 软管自动生产线 21 1 p v c 软管自动生产线的组成 该条生产线最基本的组成部分主要山以下儿部分组成：挤h ；设备、定型设备、 牵引设备、眷敷设备和辅助设备。 l 挤出设备 挤出设备主要包括挤出机、机头等。本设计选用单螺杆挤出机、螺旋机头模具。 其操作简单、易改造、适应性j l 、具有良盘f 的性能价格比等优点。掘统f f _ 全世界8 0 以上的塑料是用挤出法加工的，其r f | 单螺卡t 挤出机的使用占有栩当大的比例。该系 统中选用s j 6 5 3 0 系列挤出机，外形如图2l 所示 刚2ls j 6 5 。3 0 系列拼出机 t 要披术参数有： 螺朴直径：6 5 哪；长径比：3 0 ：1 ：主机率：3 0 k w ：产晕3 0 一l l o k g h 2 定牡设备 主耍包括冷却水箱和真空系统，如图2 2 所示，物料征挤出机内需要进行高温 加热，使其融化，当物料从机头挤出时，需要使其成型、冷却，以达到所规定的要 求。水箱的温度值通过p l c 控制，由k 型热电偶采集”“。 真空系统是山真空泵、卒气过滤装胃和电4 t 控制系统组成。该系统直接影响该 华北电力大学硕士学位论文 生产线的速度和精度。本系统选用了进口真空泵( 水环式真空泵) ，确保了真空系 统的可靠性。可通过阀门控制量的大小。 图2 2 定型设备 3 牵引设备 本系统采用一种用于塑料挤出生产线的牵引机柔性动力传递装置，包括电动 机、同步带、同步带轮，其特征是：电动机轴上套装第一同步带轮，经同步带带动 装在同步f 轴上的第一同步带轮同步f 轴一端连接下可伸缩 向轴，另一端连接 第三同步带轮，第三同步带轮经i 刘步带带动第四同步带轮，第四同步带轮装在同步 上轴上，州步上轴另端连接上町伸缩打向轴，上、卜u 帅怕自一向轴分别连接上、 f 减速机进轴，l 、f 减速机出轴连接忙、f 链轮分别带动p 、f 履带链条同步运 行，同步上轴和同步下轴座在座架上。本实用新型能保证上f 腔带扯工作中线速度 同步，在t 履带升降时动力可连续运行，如下图2 3 所示。 图2 3 牵引机 4 辅助设备 辅助设备包括高速混合机和粉未加料机。该生产线中采用s j i r5 0 a 混合机，如 图2 4 所示， 华北电力人学硕十学位论文 图24s h r 一5 0 a 混合机 其主要特点：设计先进、操作方便、安全可靠、体积小、重量轻、效率高，能 耗小、嗓音低。 主要技术参数有： 总容 _ ：5 0 【：有效容积：3 j i ，：电机功率：7 门lk w ：丰轴转速：7 5 0 l5 0 0 ；加 热方式：自摩擦；卸料方式：手动。 加料机选用z j l 0 0 塑科自动加料机，如图25 所示。采用低真窀原理实现塑料 树脂粒子的气流输送，t 与料斗式f 燥机配套，实现干燥供料自动化。特点有：效 率高、噪音低、性能可靠、文明安全。 伸 包f 目z5z j l 0 0 塑料自动加料机 主要技术参数有：( ”最大静压：9 8 h ：( 2 ) 最大m 量? 2 m m 】n ：( 3 ) l b 动机 助率：0 7 5 k w ，转述：2 8 0 0 r m 1n ；( 4 ) 输送能力( 距离为5 m ) ：1 0 0 k g h ：( j ) 吸 气料门容积：j l o l( 6 ) 输送戟管内径：4 0 m m ：( 7 ) 吸7 t 软管内径j o 一0 m m ：( 8 ) 外形尺寸：5 2 0 4 0 0 9 0 5 ：( 9 ) 重量：6 0 k g 。 5 卷耿设备 为了使操作更具简单化，选用了积工位自动卷取机，其：e 要特点有设有双盘 交特 一作，保证乍产连续性：收卷可靠、卸器便利：管材排列均匀。 华北电力人学硕十学位论文 外形如图2 6 所示 2 12 工艺流程 闰2 6 取1 化自动卷取目 塑料颗粒由加料料斗加入机筒，随着螺杆的旋转颗粒在螺槽中向前输送，在 输送过程中受到机简的加热逐渐融化，塑化成溶体，然后被输送到机头。机头是制 品成型的主要部件，熔融物料通过机头后获得所设定的几何形状。塑料从机头出来 后，温度依然较高，需要经过真宅定托和水箱的、冷却，最后一能成为形状同定的 管子。为克服p v c 软管再冷却定型过程中所产7 f 的摩擦力，用牵引装置使管干以均 匀的速度引出。当牵引装置送出冷却定型后的规格达到要求后，由收卷机将p v c 软 管卷起，完成整个的生产工序“”。 2 2 系统需求分析 在设个控制系统时，首先要清楚系统要实现的功能和所戊具备的性能，即 进行系统分析，再决定需要什么样的硬件及软件支持及规模。 2 21 功能需求 控制系统麻具有可靠性高、功能强大、打腱容易及连接方便能够满足开关量控 制等功能；系统能够对模拟信号进行数据采集，并保证在传输过程当中的可靠性； 系统能够提供人机界面助能，对控制过程进行监控：系统能够生成报表并打印等“”。 2 22 实时性需求 在p v c 增强软管自动生产线控制系统中，根据生产工艺流程，对实时性是有要 求的特别是正常生产中，要保证温度稳定，速度均匀，必须实时地对温度传感器 数据和速度进行采集，必要的时候使电机快速停止。 23 系统总体方案设计 华北电力人学硕士学位论文 虽然现有的p v c 增强软管自动生产线控制系统基本能满足当今的需求，但是在 可靠性与性价比两方面存在着不足。根据对p v c 增强软管生产线现场的调研，现有 的p v c 增强软管生产线控制系统存在的不足之处主要有以下几方面： 1 工控机在长期使用过程中容易出现故障，如板卡接触不良，板卡与其插槽配 合出现松动，硬盘由于长期工作出现电气故障或盘面损伤，或与智能仪表通讯出现 故障等。 2 传感器数据采集系统位于中央控制柜中，其测量电路将传感器信号处理后未 立即转换为数字信号，而是直接以模拟量长距离传输到中央控制柜中的模块，这样 在传输过程中会使模拟信号衰减，毕竟模拟量传输没有数值量传输可靠。 3 成本较高，因为工业控制计算机价格昂贵，且并非为p v c 软管生产线控制量 身定做。 基于以上原因和系统分析，本文是一种基于p l c 的p v c 增强软管自动生产线控 制系统，方案如图2 7 所示，采用“p l c + 触摸屏 方式，p l c 作为整个控制系统的 核心，通过开关量、模拟量和触摸屏的实时数据，经过通讯口协议和中断程序的初 始化、数字量与模拟量的相互转换、数据计算和字符转换、配方选择、配料率的调 整等处理后，发送字符和数字等信息至打印机进行打印、交互信息至触摸屏进行显 示监控、输出开关量信号至继电器动作、输入模拟信号至电机转速、判错报警信息 至触摸屏。 p l c输 入 叫开关 r 输 控 i 触摸屏 打印机 出制 l接 柜 口 叫电机 1r 生产资料输出 图2 7 “p l c + 触摸屏 方式 9 华北电力火学硕士学位论文 第三章系统硬件结构设计 不管在机器制造领域还是过程工程领域，想要经济并且柔性的实现工厂自动 化，对于任何一种应用都必须有一个最适宜的方案。如何选择才是最优化的、合适 的和高效的，依据系统控制需要，综合考虑其先进性、成本、组装和安装等因素。 p v c 增强软管自动生产线是一个受多环节制约的复杂系统，有多台电机及不平 衡重量冲击，电网电压波动很大，为达到足够的计量精度，对数字量输入输出端采 取光电隔离及继电器隔离技术，将计算机系统和电气系统隔离开来，同时采用实时 控制系统进行计量控制和时序控制。大量的现场数据通过接口直接输入，输出控制 信号也直接输出至各通道上，完成这些周期性运行的输入和输出任务，硬件应具有 以下功能： 1 周期性的采集输入通道，周期性的将输出控制信号输至通道上。 2 实时监控显示。 3 周期性的采集仪表数据。 4 生成数据报表并打印。 根据整条生产线的流程及实际需求，整个生产线主要的控制及被控参数包括多 点温度、电机转速、主机压力、电流信号采集，设备启停的丌关量控制，电机转速 的模拟量控制，各设备运行状态的监测及报警输出等。 本系统主要硬件由p l c 、触摸屏、变频电机、伺服电机、打印机、传感器及电 器元件组成。硬件结构框图如图3 一l 所示 图3 一l 硬件结构框图 l o 华北电力火学硕士学位论文 3 1 可编程控制器 可编程控制器( p l c ) 是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动化技术和 通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。它将传统的继电器控制技术和现代 计算机信息处理两者的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的 控制设备。国际电委会( i e c ) 1 9 8 7 年2 月颁布的可编程序控制器第三稿中定义：“可 编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它 采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计 数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出( i o ) ，控制各种 类型机械的生产过程。可编程序控制器及其外围设备都按易于与工业系统联成一个 整体，易于扩充功能的原则设计 。简单说，可编程序控制器是一个专门用于工业 控制的通用计算机心引。 1 p l c 的主要特点 ( 1 ) 可靠性高、抗干扰能力强。 p l c 是专为工业控制而设计的，能在一般高温、振动、冲击、粉尘、强电磁干 扰等恶劣环境下工作，平均无故障时问高达几十万小时。 ( 2 ) 功能完善、组合灵活。 p l c 应用微电子技术和微计算机，具有逻辑、定时、计数等顺序控、模拟i 0 、 基本算术运算、通信能力等能。可编程控制器是系列化产品，可根据所控制任务的 不同，选用不同的模块组合。 ( 3 ) 编程方便。 p l c 适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表编程，非常方便。 ( 4 ) 安装、维修简单。 。p l c 安装时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模块上设有运行和故 障指示装置，便于查找故障，大多数模块可以带电插拔，使用户可以在最短的时间 内查出故障并排除心。 2 p l c 的基本结构 p l c 本质上是一台用于控制的专用计算机，因此，它与一般的控制机在结构上 有很大的相似性。p l c 的主要特点是与控制对象有更强的接口能力，也就是说，它 的基本结构主要是围绕适于过程控制的要求来进行设计。 一个可编程序控制器系统的基本组成如图3 2 所示，它包括以下几个部分。 华北电力人学硕士学位论文 图3 2p l c 结构框架图 ( 1 ) c p u 模块 c p u 模块是可编程的核心模块，它主要由微处理器和存储器两部分组成。 ( 2 ) 输入输出模块 输入输出模块是可编程控制器与现场设备连接的接口。 ( 3 ) 编程设备 编程设备是可编程控制器系统中最重要的外围设备，利用它可以输入、检查、 修改、调试用户程序，也可以在线监视可编程控制器的工作情况。 ( 4 ) 电源模块 电源模块将交流电源转换成可编程控制器所需要的直流电源，是可编程控制器 能够正常工作。 3 选型 经过对众多型号p l c 的比较和本项目的设计需求，最终选用德国s i e m e n s 公司 s7 一3 0 0 型可编程控制器。 s 7 3 0 0p l c 是模块化的中小型p l c 系统，能满足中等性能要求的应用，模块化、 无排风扇结构，各种单独的模块之间可以进行广泛的组合以用于扩展。接口模块 ( i m ) 用于多机架配置时连接主机架( c r ) 和扩展机架( e r ) ，s 7 3 0 0 通过分布式 的主机架( c r ) 和二个扩展机架( e r ) 可以操作多达3 2 个模块。中央处理单元( c p u ) 集成有p r o f i b u s d p 和m p i 通讯接口，多点接口( m p i ) 用于同时连接编程器、p c 机和人机界面等。信号模块( s m ) 用于数字量和模拟量的输入输出心列。与其它p l c 相比，它的优点有以下几方面： 1 2 华北电力人学硕士学位论文 ( 1 ) 功能强大的指令集：指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂 数学运算指令、p i d 指令、字符串指令、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合 的专用指令。 ( 2 ) 快速：指令处理及其快速，功能强大的c p u 只需0 3 m s 就可以处理1 0 2 4 个二进制语句，在文字处理方面也同样表现出色。 ( 3 ) 通用：高性能模板和六种c p u 适用于任意场合，模块可扩至3 个扩展机 架。 ( 4 ) 全集成：全部模块化，运行可靠，操作方便。 p v c 增强软管自动生产线系统使用的是s 7 3 1 4 i f m 型c p u ，根据输入和输出点 数需要配置1 个d i l 6 d c 2 4 v 数字量模块，1 个d 0 3 2 d c 2 4 v 0 5 a 的数字量模块，4 个a 1 8 1 2 b i t 模拟量模块，2 个a 0 4 1 2 位模拟量模块。上位机使用工控软件m c g s 软件丌发乜引。 3 1 1c p u 模块 本系统使用的是s 73 1 4 i f m 型c p u 。 3 1 2 电源模块 电源模块选用p s3 0 7 ：5 a ( 6 e s 73 0 7 一l e a 0 0 0 从0 ) p s3 0 7 ：5 a 电源模块的属性：( 1 ) 输出电流5 a ：输出电压为2 4 x d c ；( 2 ) 短路和 断路保护；( 3 ) 与单相交流电源连接( 额定输出电压1 2 0 2 3 0 v a c ，5 0 6 0 h z ) ；( 4 ) 安全隔离符合e n6 0 9 5 0 ；( 5 ) 可用作负载电源。 其结构原理如图3 3 所示，技术参数如表3 一l 所示： 技术参数如表3 一l 所示 图3 3p s3 0 7 ；5 a 方框图 1 3 华北电力大学硕士学位论文 表3 一lp s3 0 7 ；5 a ( 6 e s 73 0 7 1 e a o o o 从o ) 的技术数据 技术数据 尺寸和重量 尺寸w h d ( m m ) 重量 输入参数 输入电压 额定值 电源频率 额定值 允许的范围 额定输入电流 1 2 0 v 时 2 3 0 v 时 冲击电流( 2 5 度时) i 2 t ( 冲击电流时) 输出参数 输出电压 额定值 允许的范围 斜坡上升时间 输出电流 额定值 短路保护 残留纹波 电气参数 安全等级符合i c e 5 3 6 隔离额定值 额定隔离电压( 2 4 v 到l 1 ) 测试电压 安全隔离 电源故障缓冲( 9 3 v 或1 8 7 v 时) 重复率 效率 功耗 功率损耗 诊断 “输出电压工作一显示 8 0 1 2 5 1 2 0 大约7 4 0 9 l2 0 2 3 0 v r a c 5 0 h z 或6 0 h z 4 7 h z 或6 3 h z 2 a l a 4 5 a 1 2 a 2 s 2 4 v d c 2 4 v 5 ，断路保护 最多2 5 秒 5 a ，不支持并连接线 电子，非锁存 1 1 到1 3 l n 最大1 5 0 m v 小p p 使用保护性导体 2 5 0 v a c 2 8 0 0 v d c s e l v 电路 最少2 0 m s 最多l s 8 7 1 3 8 w 通常为1 8 w 是，绿色l e d 3 1 3 数字量i 0 模块 数字量i 0 模块。使用2 个s m 3 1 1 、1 个s m 3 2 l 、1 个s m 3 2 2 模块。 1 4 华北电力人学硕士学位论文 ( 1 ) s m 3 2 l 模块 s m3 2 l ；d i1 6 d c2 4 v 的属性：( 1 ) 1 6 点输入，电器隔离为1 6 组；( 2 ) 额定 输入电压2 4 v d c ；( 3 ) 适用于开关以及2 一3 一4 一线接近开关。 其结构原理如图3 4 所示 图3 4s m3 2 l ；d i l 6 d c2 4 v 方框图和接线图 通道号；状态显示一绿色：背板总线接口 ( 2 ) s m 3 2 2 模块 s m 3 2 2 ：d 0 3 2 xd c 2 4 v 0 5 a 的属性：( 1 ) 3 2 点输出，电气隔离为8 组；( 2 ) 输 出电流为0 5 a ；( 3 ) 额定负载电压2 4 v d c ；( 4 ) 适用于电磁阀、d c 接触器和信号灯。 其结构原理如图3 5 所示， 1 5 华北电力大学硕士学位论文 ， 1 一1 甜3l 2 ：2 本南i r a 本迈n 气n 萄 uu o 芝一r j l 二 礴肾 j 【1 一 j 一一o 2 5 4 l ! 谌吩!e 冒 o 一一i 5 ：( 二! 一一。 。乙一 打 82 8 o 一一 一一o 9 2 9n 广_ u 1 1 0 ii 3 0 3 mu 一一 ll 一一 ， 2 l +一1 斟l 2 一 f n 一- 一1 2 3 2 n ： 3 3u u 。 霹魍 fe3 4 。1 皂一 一一o 1 i j 一一o o 一一 1 53 s o 一一一一o 3 6 一一 剪 一一o 一一o 1 6 暂 3 一叫c 气 l _ 3 9 4 m n u o - 一 ，_ 1 7 o 一一 5 哆5 一一。一 1 8 o 一一 ，扯_ 0 1 皂一 u 2 m加 柏 图3 5s m3 2 2 ：d 0 3 2 d c 2 4 v o 5 a 的方块图和接线图 通道号；状态显示一绿色；背板总线接口 技术参数如表3 2 所示 表3 2s m3 2 2 ：d 0 3 2 d c 2 4 v 0 5 a 技术数据 尺寸和重量 尺寸w h d ( m m )4 0 1 2 5 1 1 7 重量 大约2 6 0 9 模块特性数据 支持同步模式不支持 输出点数 3 2 电缆长度 未屏蔽最长6 0 0 m 屏蔽最长1 0 0 0 m 电压、电流、电位 额定负载电压l + 2 4 v d c 电气隔离 通道和背板总线之间有 通道之f b j有 分成的组数 8 1 6 v v 华北电力人学硕士学位论文 允许的电位差 不同的电路之间7 5 v d c 6 0 v 八c 绝缘测试电压 5 0 0 v d c 电流消耗 背板总线供线最大1 1 0 m a 负载电压供电最大1 6 0 n 俄 模块功率损耗通常为6 6 w 状态、中断、诊断 状态显示每个通道的绿色l e d 中断不支持 诊断功能不支持 3 1 4 模拟量模块 在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、速度、旋转速度、p h 值、 粘度等。为了实现自动控制，这些模拟信号需要被p l c 处理。如下图3 6 所示： 图3 - 6 模拟量模块用途 比如：测量传感器利用线性膨胀、角度扭转或电导率变化等原理来测量物理量 1 7 华北电力人学硕士学位论文 的变化；测量变送器将传感器检测到的变化量转换为标准的模拟信号，如：5 0 0 m v ， 1 0 v ，2 0 m a ，4 2 0 m a 。这些标准的模拟信号将接到模拟输入模块上：必须把模 拟值转换为数字量，才能被c p u 处理。模拟输入模块中的a d c ( 模数转换器) 用来 实现转换功能。模数转换是顺序执行的，也就是说每个模拟通道上的输入信号是轮 流被转换的：模数转换的结果存在结果存储器中，并一直保持到被一个新的转换值 所覆盖。可用“lp 1 w 指令来访问模数转换的结果；传递指令“tp q w 用 来向模拟输出模块中写模拟量的数值( 由用户程序计算所得) ，该数值由模块中的 d a c ( 数模转换器) 变换为标准的模拟信号；采用标准模拟输入信号的模拟执行器 可以直接连接到模拟输出模块上。 ( 1 ) 模拟量输入模块s m 3 3 1 ；a 1 8 1 2 b i t ( 6 s e 73 3 卜7 k f 0 2 0 a b 0 ) 模拟量输入模块s m 3 3 l ：a 1 8 1 2 b i t ( 6 s e 73 3 卜7 k f 0 2 0 a b 0 ) 的属性：( 1 ) 4 个通道中4 点输入；( 2 ) 每个通道可组态：9 b i t + 符号、1 2 b i t + 符号、1 4 b i t + 符号： ( 3 ) 每通道组可组态：电压、电流、电阻、温度；( 4 ) 量程选择：任意；( 5 ) 每 通道组可编程诊断：否；( 6 ) 支持同步模式：是。 其结构原理如图3 7 所示： 图3 7s m 3 3 1 ；a 1 8 1 2 b i t 模块视图和方块图 ( 2 ) 模拟量输出模块s m 3 3 2 ：a 0 4 1 2 位( 6 e s 73 3 2 5 h d 0 0 0 a b 0 ) 模拟量输出模块s m 3 3 2 ：a 0 4 1 2 位( 6 e s 73 3 2 5 h d 0 0 0 a b 0 ) 的属性：( 1 ) 4 输出通道；精度：1 2 位；( 2 ) 输出类型：电压、电流：( 3 ) 支持同步模式：否：( 4 ) 可编程诊断：是；诊断中断：可调整：( 5 ) 替换值输出：可调整 结构原理如图3 8 所示： 1 8 华北电力人学硕士学位论文 财囊示玎一旺 毫曩 出 毫压 出 1 o c h 8 - i _ 渊o s - 瓦一c h l 沉 c h 2 m m q 口 图3 8s m 3 3 2 ：a 0 4 1 2 位模块视图和方块图 3 1 5 位置解码器模块 翎3 s 冬 i - c h 2 q n 8 舢 吾- c h 3 图3 9s m 3 3 8 ：p o s i n p u t 的方框图和接线图 1 9 哪 两 吐伽叁 华北电力人学硕士学位论文 出错l e d 一红色；连接到c p u 接地点：双绞线电缆 位置解码器模块s m 3 3 8 ；p o s i n p u t 的属性：( 1 ) 用于连接多达三个