PLC在电镀生产线中的应用.doc

毕业设计说明书 PLC 在电镀生产线控制系统中的应用设计 学 院 学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师 2011 年 6 月 中 文 摘 要 II 摘 要 电镀行车生产线自动化的程度在德国 意大利 美国等国家的发展水平已 经较高 而在我国尚处于发展阶段 本课题以行业现状为出发点 结合其他行 业自动控制技术的应用情况 提出了基于 PLC 的电镀行车自动生产线的设计 并通过应用机械 可编程序控制器 PLC 等多项专门技术开发的自动生产系统 本文首先分析和制定了该生产线的整体设计思想和方案 确保了该生产线系统 具备真正的自动化生产能力且结构简单 在该生产线的控制系统中 采用了高 可靠性 高稳定性 编程简单 易于使用 而且广泛应用于现代工业企业生产 线过程控制中的控制器 PLC 重点分析了系统软硬件设计部分 并给出了系统主电路图 PLC 控制 I O 端口分配表以及整体程序流程图等 实现了电镀生产自动化 提高了生产效率 降低了劳动强度 为适应现代传统的工业控制系统 我们还采用了基于组态王 软件的系统作为上位机 配合下位机 PLC 完成了该系统的实时监控系统功能 更好的使该自动生产系统融入到现代工业控制领域中 关键词 PLC 电镀生产线 控制系统 组态王 Abstract III Abstract Plating production line driving the degree of automation in Germany Italy the United States and other countries have higher levels of development while in China is still in development stage The topics to the industry status quo as the starting point combined with other industry application of automatic control technology proposed PLC based automatic electroplating production line design lane and through the application of mechanical programmable logic controller PLC and many other specialized technology developmentautomated production systems Firstly analysis and development of the production line s overall design concept and programs to ensure that the production line automation system with real ability and a simple structure In the production line control system using a high reliability high stability simple programming and easy to use and is widely used in modern industrial process control of production line controller PLC Key parts of the system hardware and software design and the system hardware wiring diagram PLC control I O port allocation table and the overall program flow etc to achieve a plating production automation improve productivity and reduce labor intensity In order to adapt the modern tradition industry control system we also used based on the configuration king software system had taken on the position machine coordinate lower position machine PLC has completed this system real time monitoring system function better caused this automatic production system to integrate to the modern industry control domain in Key words PLC Electroplating production line Control System Configuration King 目录 IV 目 录 摘 要 ABSTRACT 英文摘要 目 录 IV 前 言 1 第一章 绪论 3 1 1 PLC 的发展和历史趋势 3 1 2 PLC 的分类 4 1 3 PLC 系统组成及各部分的功能 7 1 4 PLC 的基本工作原理 8 1 5 电镀生产线的控制系统概述与选题背景意义 9 1 5 1 基于 PLC 的电镀行车的控制系统的概述 9 1 5 2 课题的选题背景及意义 9 1 6 控制对象的设计要求详述 10 第二章 系统的硬件设计 12 2 1 系统总体设计 12 2 1 1 应用系统总体方案设计 12 2 1 2 系统硬件设计根据 12 2 1 3PLC 的机型选择 12 2 2 I O 分配表及其端子接线图 14 2 3 主电路的设计 16 2 5 电镀生产线的工作流程图 18 第三章 系统的软件设计 20 3 1 软件的组成及应用 20 3 1 1 PLC 内部资源 20 3 1 2 PLC 编程语言 21 3 1 3 组态软件 22 3 2 组态王软件设计 24 目录 V 第四章 梯形图 35 结 论 39 参考文献 40 致谢及声明 41 前言 1 前言前言 我们设计的工作过程是这样的 电镀生产线的一侧 工人将待加工零件 装入吊篮 并发出信号 行车的左行和右行 前进与后退以及上升与下降的运 动分别由电动机 M1 M2 M3拖动通过电动机的正反转实现两个方向的运动 按 工艺要求在需要停留的槽位停止 这由位置控制指令信号既固定于轨道一侧的 限位开关发出来控制吊篮与槽位的对位 通过程序指令 由延时继电器控制在 各个槽位的停留时间 停留一定时间后自动提升 如此完成电镀工艺规定的每 一道工艺 直至生产线的末端自动返回原位 卸下处理器件 并进行计数 重 新装料发出信号进入下一加工循环 电镀生产线按照其工艺要求和规模一般设计有两台行车 三台行车和四台 行车工作 每台行车都根据已编制好的各自的程序运行 对于行车的自动控制 早期是采用继电器逻辑电路和顺序控制器 发展至今其控制方式已采用可编程 控制器 PLC 作为核心控制部件 其控制更为安全 可靠 方便 灵活 自动化 程度更高 一件电镀产品的质量除了要有好的成熟的电镀工艺和品质好的镀液添加剂 外 如何保证电镀产品严格按照电镀工艺流程运行和保证产品的电镀时间则是 决定电镀产品质量和品质的重要因素 在电镀生产线上采用自动化控制不但可 以使电镀产品的质量和品质得到严格的保证 有效的减少废品率 而且还可以 提高生产效率和减轻工人的劳动强度 有着非常好的经济效益和社会效益 电 镀生产线上对行车的自动控制则是电镀生产线自动化控制的关键 随着集成电路和计算机技术的迅猛发展 存储控制程序逐步替代接线程序 控制 成为工业控制系统的主流发展方向 所谓程序控制 就是将控制逻辑程 序语言的形式存放在存储器中 通过执行存储器中的程序实现系统的控制要求 这样的系统称为存储程序控制系统 在存储程序控制系统中 控制程序的修改 不需要改变控制器内部的接线 而只需通过通过编程器中的某些程序语言内容 前言 2 可编程控制器就是一种存储程序控制器 其输入设备和输出设备与继电器 控制系统相同 但它们直接连接到可编程控制器的输入端子和输出端子 在可 编程控制器构成的控制系统中 实现一个控制任务 同样需要针对具体的控制 对象 分析控制系统要求 确定所需用户的输出输入设备 然后运行相应的程 序语言便指出相应的程序 利用编程器和其他设备写入可编程控制器的存储器 中 每条程序语言确定一个顺序 运行时 CPU 一次读取查出其中的程序语句 对它们的内容解释并加以执行 执行结果用以输出设备 两支被控制对象工作 可编程控制器时通过软件实现控制逻辑的 能够使用不同控制任务的需要 通 用性强 使用灵活 可靠性强 第一章 绪论 3 第一章 绪论 1 1 PLC的发展和历史趋势 PLC 发展至今已有近 40 年的历史 随着半导体技术 计算机技术和通信 技术的发展 工业控制领域已有翻天覆地的变化 PLC 亦再不断的发展 正朝 着新的技术发展 一是 PLC 网络化技术的发展 其中有两个趋势 一方面 PLC 网络系统已 经不再是自成体系的封闭系统 而是迅速向开放式系统发展 各大品牌 PLC 除 外形成自己各具特色的 PLC 网络系统 完成设备控制任务之外 还可以与上位 计算机管理系统联网 实现信息交流 成为整个信息管理系统的一部分 另一 方面 现场总线技术得到广泛的采用 PLC 与其他安装在现场的智能化设备 比如智能仪表 传感器 智能型电磁阀 智能型驱动执行机构等 通过一根传 输介质 比如双绞线 同轴电缆 光缆 链接起来 并按照同一通信规约互相 传输信息 由此构成一个现场工业控制网络 这种网络与单纯的 PLC 远程网络 相比 配置更灵活 扩展更方便 造价更低 性能价格比更好 也更具开放意 义 二是 PLC 向高性能小型化方向发展 PLC 的功能正越来越丰富 而体积 则越来越小 比如三菱的 FX IS 系列 PLC 最小的机种 体积仅为 60 90 75mm 相当于一个继电器 但却具有高速计数 斜坡 交替输出及 16 位四则运算等能力 还具有可调电位器时间设定功能 PLC 已不再是早期那种 只能进行开关量逻辑运算的产品了 而是具有越来越强的模拟量处理能力 以 及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力 如浮点数运算 PID 调 节 温度控制 精确定位 步进驱动 报表统计等 从这种意义上说 PLC 系 统与 DCS 集散控制系统 的差别越来越小了 用 PLC 同样可以构成一个过 程控制系统 三是 PLC 操作向简易化方向发展 目前 PLC 推广的难度之一就是复杂的 编程使得用户望而却步 而且不同厂商 PLC 所有编程的语言也不尽相同 用户 第一章 绪论 4 往往需要掌握更多种编程语言 难度较大 PID 控制 网络通信 高速计数器 位置控制 数据记录 配方和文本显示器等编程和应用也是 PLC 程序设计中的 难点 用普通的方法对它们编程时 需要熟悉有关的特殊存储器的意义 在编 程时对它们赋值 运行时通过访问它们来实现对应的功能 这些程序往往还与 中断有关 编程的过程既繁琐又容易出错 阻碍了 PLC 的进一步推广应用 PLC 的发展必然朝着操作简化对复杂任务的编程 在这一点上西门子就充当了 先行者 西门子 S7 200 的编程软件设计了大量的编程向导 只需要在对话框中 输入一些参数 就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序 大大方便了用 户的使用 近 10 年来 随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大 越来越多 的中小设备开始采用 PLC 进行控制 PLC 在我国的应用增长十分迅速 随着中 国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高 今后一段时期内 PLC 在我国 仍将保持高速增长势头 1 2 PLC的分类 世界上 PLC 产品可按地域分成三大流派 一个流派是美国产品 一个流派 是欧洲产品 一个流派是日本产品 美国和欧洲的 PLC 技术是在相互隔离情况 下 独立研究开发的 因此美国和欧洲的 PLC 产品有明显的差异性 而日本的 PLC 技术是由美国引进的 对美国的 PLC 产品有一定的继承性 但日本的主推 产品定 位在小型 PLC 上 美国和欧洲以大中型 PLC 而闻名 而日本则以小型 PLC 著称 美国 PLC 产品 美国是 PLC 生产大国 有 100 多家 PLC 厂商 著名的有 A B 公司 通用 电气 GE 公司 莫迪康 MODICON 公司 德州仪器 TI 公司 西屋公 司等 其中 A B 公司是美国最大的 PLC 制造商 其产品约占美国 PLC 市场的 一半 A B 公司产品规格齐全 种类丰富 其主推的大 中型 PLC 产品是 PLC 5 系列 该系列为模块式结构 CPU 模块为 PLC 5 10 PLC 5 12 PLC 第一章 绪论 5 5 15 PLC 5 25 时 属于中型 PLC I O 点配置范围为 256 1024 点 当 CPU 模块为 PLC 5 11 PLC 5 20 PLC 5 30 PLC 5 40 PLC 5 60 PLC 5 40L PLC 5 60L 时 属于大型 PLC I O 点最多可配置到 3072 点 该系列 中 PLC 5 250 功能最强 最多可配置到 4096 个 I O 点 具有强大的控制和信息 管理功能 大型机 PLC 3 最多可配置到 8096 个 I O 点 A B 公司的小型 PLC 产品有 SLC500 系列等 GE 公司的代表产品是 小型机 GE 1 GE 1 J GE 1 P 等 除 GE 1 J 外 均采用模块结构 GE l 用于开关量控制系统 最多可配置到 112 个 I O 点 GE 1 J 是更小型化的产 品 其 I O 点最多可配置到 96 点 GE 1 P 是 GE 1 的 增强型产品 增加了部分功能指令 数据操作指令 功能模块 A D D A 等 远程 I O 功能等 其 I O 点最多可配置到 168 点 中型机 GE 它比 GE 1 P 增加了中断 故障诊断等功能 最多可配置到 400 个 I O 点 大型机 GE 它比 GE 增加了部分数据处理 表格处理 子程序控制等功能 并 具有较强的通信功能 最多可配置到 2048 个 I O 点 GE P 最多可配 置到 4000 个 I O 点 德州仪器 TI 公司的小型 PLC 新产品有 510 520 和 TI100 等 中型 PLC 新产品有 TI300 5TI 等 大型 PLC 产品有 PM550 530 560 565 等系 列 除 TI100 和 TI300 无联网功能外 其它 PLC 都可实现通信 构成分布式控 制系统 莫迪康 MODICON 公司有 M84 系列 PLC 其中 M84 是小型机 具有 模拟量控制 与上位机通信功能 最多 I O 点为 112 点 M484 是中型机 其 运算功能较强 可与上位机通信 也可与多台联网 最多可扩展 I O 点为 512 点 M584 是大型机 其容量大 数据处理和网络能力强 最多可扩展 I O 点 为 8192 M884 增强型中型机 它具有小型机的结构 大型机的控制功能 主 机模块配置 2 个 RS 232C 接口 可方便地进行组网通信 欧州的 PLC 产品 德国的西门子 SIEMENS 公司 AEG 公司 法国的 TE 公司是欧洲著 名的 PLC 制造商 德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名 在中 大 第一章 绪论 6 型 PLC 产品领域与美国的 A B 公司齐名 西门子 PLC 主要产品是 S5 S7 系列 在 S5 系列中 S5 90U S 95U 属于 微型整体式 PLC S5 100U 是小型模块式 PLC 最多可配置到 256 个 I O 点 S5 115U 是中型 PLC 最多可配置到 1024 个 I O 点 S5 115UH 是中型机 它 是由两台 SS 115U 组成的双机冗余系 统 S5 155U 为大型机 最多可配置 到 4096 个 I O 点 模拟量可达 300 多路 SS 155H 是大型机 它是由两台 S5 155U 组成的双机冗余系 统 而 S7 系列是西门子公司在 S5 系列 PLC 基础 上近年推出的新产品 其性能价格比高 其中 S7 200 系列属于微型 PLC S7 300 系列属于于中小 型 PLC S7 400 系列属于于中高性能的大型 PLC 本的 PLC 产品 日本的小型 PLC 最具特色 在小型机 领域中颇具盛名 某些用欧美的中 型机或大型机才能实现的控制 日本的小型机就可以解决 在开发较复杂的控 制系统方面明显优于欧美的小型机 所以格外受用户 欢迎 日本有许多 PLC 制造商 如三菱 欧姆龙 松下 富士 日立 东芝等 在世界小型 PLC 市场 上 日本产品约占有 70 的份额 欧姆龙 OMRON 公司的 PLC 产品 大 中 小 微型规格齐全 微 型机以 SP 系列为代表 其体积极小 速度极快 小型机有 P 型 H 型 CPM1A 系列 CPM2A 系列 CPM2C CQM1 等 P 型机现已被性价比更高的 CPM1A 系列所取代 CPM2A 2C CQM1 系列内置 RS 232C 接口和实时时钟 并具有软 PID 功能 CQM1H 是 CQM1 的升级产品 中型机有 C200H C200HS C200HX C200HG C200HE CS1 系列 C200H 是前些年 畅销的高性能中型 机 配置齐全的 I O 模块和高功能模块 具有较强的通信和 网络功能 C200HS 是 C200H 的升级产品 指令系统更丰富 网络功能更强 C200HX HG HE 是 C200HS 的升级产品 有 1148 个 I O 点 其容量是 C200HS 的 2 倍 速度是 C200HS 的 3 75 倍 有品种齐全的通信模块 是适 应信息化的 PLC 产品 CS1 系列具有中型机的规模 大型机的功能 是 一种 极具推广价值的新机型 大型机有 C1000H C2000H CV CV500 CV1000 CV2000 CVM1 等 第一章 绪论 7 C1000H C2000H 可单机或双机热备运行 安装带电插拔模块 C2000H 可在 线更换 I O 模块 CV 系列中除 CVM1 外 均可采用结构化编程 易读 易调 试 并具有更强大的通信功能 松下公司的 PLC 产品中 FPO 为微型机 FP1 为整体式小型机 FP3 为 中型机 FP5 FP10 FP10S FP10 的改进型 FP20 为大型 机 其中 FP20 是最新产品 松下公司近几年 PLC 产品的主要特点是 指令系统功能强 有的 机型还提供可以用 FP BASIC 语言编程的 CPU 及多种智能 模块 为复杂系统 的开发提供了软件手段 FP 系列各种 PLC 都配置通信机制 由于它们使用的 应用层通信协议具有一致性 这给构成多级 PLC 网络和开发 PLC 网络应用程 序带来方便 三菱公司的 PLC 是较早进入中国市场的产品 其小型机 F1 F2 系列是 F 系 列的升级产品 早期在我国的销量也不小 F1 F2 系列加强了指令系统 增加 了 特殊功能单元和通信功能 比 F 系列有了更强的控制能力 继 F1 F2 系列之 后 20 世纪 80 年代末三菱公司又推出 FX 系列 在容量 速度 特殊功能 网络 功能等方面都有了全面的加强 FX2 系列是在 90 年代开发的整体式高功 能小型机 它配有各种通信适配器和特殊功能单元 FX2N 几年推出的高功能 整体式小 型机 它是 FX2 的换代产品 各种功能都有了全面的提升 近年来 还不断推出满足不同要求的微型 PLC 如 FXOS FX1S FX0N FX1N 及 系列 等产品 三菱公司的大中型机有 A 系列 QnA 系列 Q 系列 具有丰富的网络功能 I O 点数可达 8192 点 其中 Q 系列具有超小的体积 丰富的机型 灵活的安装 方式 双 CPU 协同处理 多存储器 远程口令等特点 是三菱公司现有 PLC 中最高性能的 PLC 1 3 PLC系统组成及各部分的功能 1 CPU 运算和控制中心 它在整个系统中起 心脏 作用 2 存储器 第一章 绪论 8 具有记忆功能的半导体电路 分为系统程序存储器和用户存储器 系统程序存储器用以存放系统程序 包括管理程序 监控程序以及对用 户程序做编译处理的解释编译程序 由只读存储器 ROM 组成 厂家使用的 内容不可更改 断电不消失 用户存储器 分为用户程序存储区和工作数据存储区 由随机存取存储 器 RAM 组成 3 输入 输出接口 1 输入接口 输入接口电路工作过程 当开关合上 二极管发光 然后三极管在光的照 射下导通 向内部电路输入信号 当开关断开 二极管不发光 三极管不导通 向内部电路输入信号 也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成 PLC 内部所能接受的数字信号 2 输出接口 输出接口工作过程 当内部电路输出数字信号 1 有电流流过 继电器线 圈有电流 然后常开触点闭合 提供负载导通的电流和电压 当内部电路输出 数字信号 0 则没有电流流过 继电器线圈没有电流 然后常开触点断开 断 开负载的电流或电压 也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信 号使负载动作或不动作 1 4PLC的基本工作原理 PLC 采用 顺序扫描 不断循环 的工作方式 1 每次扫描过程 集中对输入信号进行采样 集中对输出信号进行刷 新 2 输入刷新过程 当输入端口关闭时 程序在进行执行阶段时 输入 端有新状态 新状态不能被读入 只有程序进行下一次扫描时 新状态才被读 入 第一章 绪论 9 3 一个扫描周期分为输入采样 程序执行 输出刷新 4 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的 5 扫描周期的长短由三条决定 1 CPU 执行指令的速度 2 指令本 身占有的时间 3 指令条数 6 由于采用集中采样 集中输出的方式 存在输入 输出滞后的现象 即 输入 输出响应延迟 1 5 电镀生产线的控制系统概述与选题背景意义 1 5 1 基于PLC的电镀行车的控制系统的概述 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 它具有可靠性高 抗干扰能力强 配套齐全 功能完善 适用性强 易学易用 深受工程技术人员欢迎 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 体积小 重量轻 能耗低等特点 一件电镀产品的质量除了要有好的成熟的电镀工艺和品质好的镀液添加剂 外 如何保证电镀产品严格按照电镀工艺流程运行和保证产品的电镀时间则是 决定电镀产品质量和品质的重要因素 在电镀生产线上采用自动化控制不但可 以使电镀产品的质量和品质得到严格的保证 有效的减少废品率 而且还可以 提高生产效率和减轻 工人的劳动强度 有着非常好的经济效益和社会效益 电镀生产线上对行车的自动控制则是电镀生产线自动化控制的关键 因此用 PLC 来设计整个控制系统是不错的选择 1 5 2 课题的选题背景及意义 电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面 以形成均匀 致 密 结合力良好的金属层的过程 简单的理解 是物理和化学的变化和结合 随着工业化生产的不断细分 新工艺新材料的不断涌现 在实际产品得到 应用的设计效果也日新月异 电镀是我们在设计中经常要涉及到的一种工艺 而电镀效果是我们使用时间较长 工艺也较为成熟的一种效果 对于这种工艺 第一章 绪论 10 的应用在我们的产品上已经非常多 而通过这种的处理我们通常可以得到一些 金属色泽的效果 如高光 亚光等 搭配不同的效果构成产品效果的差异性 通过这样的处理为产品的设计增加一个亮点 电镀工艺的应用我们一般作以下 用途 a 防腐蚀 b 防护装饰 c 抗磨损 d 电性能 根据零件工作要求 提供导电 或绝缘性能的镀层 e 工艺要求 一件电镀产品的质量除了要有好的成熟的电镀工艺和品质好的镀液添加剂 外 如何保证电镀产品严格按照电镀工艺流程运行和保证产品的电镀时间则是 决定电镀产品质量和品质的重要因素 在电镀生产线上采用自动化控制不但可 以使电镀产品的质量和品质得到严格的保证 有效的减少废品率 而且还可以 提高生产效率和减轻工人的劳动强度 有着非常好的经济效益和社会效益 电 镀生产线上对行车的自动控制则是电镀生产线自动化控制的关键 电镀生产线按照其工艺要求和规模一般设计有两台行车 三台行车和四台 行车工作 每台行车都根据已编制好的各自的程序运行 对于行车的自动控制 早期是采用继电器逻辑电路和顺序控制器 发展至今其控制方式已采用可编程 控制器 PLC 作为核心控制部件 其控制更为安全 可靠 方便 灵活 自动化 程度更高 用 PLC 辅以变频器对电镀自动生产线行车进行自动控制 具有结构简单 编程方便 操作灵活 使用安全 工作稳定 性能可靠和抗干扰能力强的特点 是一种很有效的自动控制方式 是电镀生产实现高效 低成本 高质量自动化 生产的发展方向 1 6 控制对象的设计要求详述 电镀的工作流程如图 1 1 启动 吊钩上升 上限行程开关闭合 右行至 1 号槽上方 XK1 行程开关闭合 吊钩下降进入 1 号槽 下限行 程开关闭合 电镀延时 吊钩上升 由 6 号槽内吊钩上升 然后左行 至左限位 吊钩下降至原位 即原位 按照要求 我们要实现以下工作方式 1 原位 表示设备处于初始状态 吊钩在下限位置 行车在左限位置 2 连续工作 当吊钩回到原点后 延时一段时间 装卸零件 自动上升 第一章 绪论 11 右行 按照工作流程要求不停的循环 3 单周期工作 设备始于原点 按下启动按钮 设备工作一个周期 然 后停于原点 要重复第二个工作周期 必须再按一下启动按钮 第二章 系统的硬件设计 12 第2章 系统的硬件设计 2 1系统总体设计 2 1 1应用系统总体方案设计 PLC 控制系统类型 由 PLC 构成的单机控制系统 由 PLC 构成的集中控制系统 由 PLC 构成的分布式控制系统 用 PLC 构成远程 I 0 控制系统 系统的运行方式 手动运行方式 自动运行方式 2 1 2系统硬件设计根据 工艺要求 设备状况 控制功能 I 0 点数和种类 系统的先进性 2 1 3PLC的机型选择 合理的结构型式 整体式 PLC 的每一个 I O 点的平均价格比模块式的便宜 且体积相对较 小 一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中 而模块式 PLC 的功能 扩展灵活方便 在 I O 点数 输入点数与输出点数的比例 I O 模块的种类等 方面选择余地大 且维修方便 一般于较复杂的控制系统 安装方式的选择 第二章 系统的硬件设计 13 PLC 系统的安装方式分为集中式 远程 I O 式以及多台 PLC 联网的分布 式 集中式不需要设置驱动远程 I O 硬件 系统反应快 成本低 远程 I O 式适用于大型系统 系统的装置分布范围很广 远程 I O 可以分散安装在现 场装置附近 连线短 但需要增设驱动器和远程 I O 电源 多台 PLC 联网的 分布式适用于多台设备分别独立控制 又要相互联系的场合 可以选用小型 PLC 但必须要附加通讯模块 应用功能要求 一般小型 低档 PLC 具有逻辑运算 定时 计数等功能 对于只需要开关 量控制的设备都可满足 对于以开关量控制为主 带少量模拟量控制的系统 可选用能带 A D 和 D A 转换单元 具有加减算术运算 数据传送功能的增强型低档 PLC 对于控制较复杂 要求实现 PID 运算 闭环控制 通信联网等功能 可视 控制规模大小及复杂程度 选用中档或高档 PLC 但是中 高档 PLC 价格较贵 一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合 响应速度要求 PLC 是为工业自动化设计的通用控制器 不同档次 PLC 的响应速度一般都 能满足其应用范围内的需要 如果要跨范围使用 PLC 或者某些功能或信号有 特殊的速度要求时 则应该慎重考虑 PLC 的响应速度 可选用具有高速 I O 处理功能的 PLC 或选用具有快速响应模块和中断输入模块的 PLC 等 系统可靠性的要求 对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足 对可靠性要求很高的系统 应考虑 是否采用冗余系统或热备用系统 机型尽量统一 一个企业 应尽量做到 PLC 的机型统一 主要考虑到以下三方面问题 机型统一 其模块可互为备用 便于备品备件的采购和管理 机型统一 其功能和使用方法类似 有利于技术力量的培训和技术水平 第二章 系统的硬件设计 14 的提高 机型统一 其外部设备通用 资源可共享 易于联网通信 配上位计算 机后易于形成一个多级分布式控制系统 根据自动化电镀生产线的控制要求以及以上根据 我们采用了德国西门子 PLC S7 200 CPU226 型号 此类型 PLC 无论独立运行 还是联接网络都能完成 各种控制任务 它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动 控制 其应用领域包括各种机床 纺织机械 塑料机械 电梯等行业 S7 200 CPU226 通讯功能完善 具有极高的性能价格比是很突出的特点 也是我们采 用它的主要原因 PLC 为此系统的控制核心 此系统的输入信号有两部分 一部分是原点 单周期 连续等面板控制按钮 另一部分是多种行程开关 这 些面板按钮信号和传感器信号作为 PLC 的输入变量 经过 PLC 的输入接口输 入到内部数据寄存器 然后在 PLC 内部进行逻辑运算或数据处理后 以输出 变量的形式送到输出接口 从而驱动电机来控制行车的运行和吊钩的升降 2 2 I O分配表及其端子接线图 在本次系统设计中 我们定义的 I O 分配表如表 2 1 所示 将 18 个输入 信号和 8 个输入信号按各自的功能类型分好 并与 PLC 的 I O 点一一对应 编 排地址如下表 数字量扩展模块的地址分配是从最靠近 CPU 模块的数字量模块 开始 在本机数字量地址的基础上从左到右按字节连续递增 本模块高位实际 位数未满 8 位的 未用位不能分配给 I O 链的后续模块 模拟量扩展模块的地 址是从最靠近 CPU 模块的模拟量模块开始 在本机模拟量地址的基础上从左到 右按字递增 我们定义的 I O 端子接线图如图 2 1 所示 由图表可以看出 PLC 控制系统 的输入信号有 18 个 均为开关量 其中单操作按钮开关 3 个 行程开关 6 个 限位开关 6 个 选择工作方式开关 3 个 PLC 控制系统的输出信号有 8 个 其 中 2 个用于驱动吊钩电机正反转接触器 KM1 KM2 2 个用于驱动行车电机正反 转接触器 KM3 KM4 2 个用于驱动电机正反转接触器 KM5 KM6 1 个用于 原位指示 1 个用于运行指示 第二章 系统的硬件设计 15 表 2 1 I O 分配表 序号输 入序号输 出 1I0 0 上限位 19Q0 0 上升 2I0 1 下限位 20Q0 1 下降 3I0 2 左限位 21Q0 2 左行 4I0 3 右限位 22Q0 3 右行 5I0 4 前限位 23Q0 4 前进 6I0 5 后限位 24Q0 5 后退 7I0 6 原点开关 25Q0 6 原位 8I0 7 启动开关 26Q0 7 运行 9I1 0 停止开关 10I1 1 单周期开关 11I1 2 连续工作开关 12I1 3 步进开关 13I1 4 XK1行程开关 14I1 5 XK2行程开关 15I1 6 XK3行程开关 16I1 7 XK4行程开关 17I2 0 XK5行程开关 18I2 1 XK6行程开关 第二章 系统的硬件设计 16 I0 2 I0 1 I0 0 I0 3 I0 4 I0 5 I0 6 I0 7 I1 0 I1 1 I1 2 I1 3 I1 4 I1 5 I1 6 I1 7 I2 0 I2 1 上限 下限 左限 右限 前限 后限 原点 开关 启动 开关 停止 开关 单周 期 连续 步进 XK1 XK2 XK3 XK4 XK5 XK6 24V Q0 0 Q0 1 Q0 2 Q0 3 Q0 4 Q0 5 Q0 6 Q0 7 S7 200 CPU226 图 2 1 I O 端子接线图 2 3主电路的设计 电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分 电气原理图是根据电气控制系统的工作原理 采用电器元件展开的形式 利用图形符号和项目符号表示电路各电器元件中导电部件和接线端子连接关系 的电路图 电气原理图并不按电器元件实际布置来绘制 而是根据它在电路中 第二章 系统的硬件设计 17 所起的作用画在不同的部位上 电气原理图具有结构简单 层次分明的特点 适合研究和分析电路工作原理 在设计研发和生产现场等方面得到广泛应用 图 2 2 电镀生产线主电路图 2 4 电源的设计 u 1u 2 VD 1 VD 2 VD 3 VD 4 C Ic R IR d Ud 2 3 电容滤波的单相桥式不可控整流电路 假设该电路已工作于稳态 在 U2正半周过零点至 wt 0 期间 因 U2 Ud 故 二极管均不导通 电容 C 向 R 放电 提供负载所需电流 至 wt 0 之后 U2将 要超过 Ud 使得 VD1和 VD4开通 Ud U2 交流电源向电容充电 同时向负载 R 供电 第二章 系统的硬件设计 18 当空载时 R 趋于无穷大 放电时间常数为无穷大 输出电压最大 Ud 1 414U2 通常在设计时根据负载的情况选择电容 C 值 使 RC 1 5 2 5T T 为交流电源的周期 此时输出的电压为 Ud 1 2U2 在本设计中 根据电镀生产线的工艺要求 只需用三台电机分别控制行车 的左行 右行和行车的前进 后退以及吊钩的上升 下降 主电路如图 2 2 图 2 2 中 接触器 KM1 KM2控制电动机 M1的正 反转 实现行车的左行 右行 接触器 KM3 KM4控制电动机 M2的正 反转 实现行车的前进和后退 接 触器 KM5 KM6控制电动机 M3的正反转实现吊钩的上升和下降 2 5 电镀生产线的工作流程图 我们根据设计要求绘制了整个系统的工作流程图 以便可以更清楚的认识 该生产线的生产全过程 整个系统的工作流程图 如图 2 3 所示 行车动作无非就是上下左右前后受控移动 按照指定的顺序 即动作表 完 成一系列的动作 要求有几套动作表可以选择 动作可以静态修改 也可以在 运行时由上位机动态修改 在这里 我们把行车的一个动作定义为 到几号 工位上升 再到几号工位下降 或者是 延时几秒 每个动作表由若干个 动作字组成 放在 PLC 的数据寄存器里 动作表由 PLC 程序初始化 也可以 在运行时通过串行通讯由上位机读取和修改 PLC 程序在运行时只是不断地解 释和执行动作表 第二章 系统的硬件设计 19 开始 初始化 手动 单周期运行否 烘干清水槽回收液渡2槽回收液槽渡1槽 30S30S30S280S50S50S 6 5 4 3 2 1 N N N Y Y 返回 图 2 4 电镀生产线工作流程图 第三章 系统的软件设计 20 第三章 系统的软件设计 3 1 软件的组成及应用 3 1 1 PLC内部资源 内部根据软元件的功能不同 分成了许多区域 如输入 输出继电器区 定时器区 计数器区 特殊继电器区等 下面分别介绍下 1 定时器 电气自动控制的大部分领域都需要用定时器进行时间控制 灵活地使用定时器可以编制出复杂动作的控制程序 它是 PLC 中重要的编程元 件 是累计时间增量的内部器件 定时器的工作过程与继电 接触器控制系统的时间继电器基本相同 但它 没有瞬动触点 使用时要提前输入时间预设值 当定时器的输入条件满足时开 始计时 当前值从 0 开始按一定的时间单位增加 当定时器的当前值达到预设 值时 定时器触点动作 利用定时器的触点就可以得到控制所需的延时时间 2 计数器 计数器可用来累计输入脉冲的个数 经常用于对产品进行计 数或者进行特定功能的编程 使用时要提前输入它的特定植 当输入触发条件 满足时 计数器开始累计它的输入端脉冲电位上升延的次数 当计数器计数达 到预定的设定值时 其常开触点闭合 常闭触点断开 3 输入继电器 输入继电器一般都有一个 PLC 的输入端子与之对应 它 用于接受外部的开关信号 当外部的开关信号为闭合时 输入继电器的线圈得 电 在程序中常开触点闭合 常闭触点断开 4 输出继电器 输出继电器一般都有一个 PLC 上的输出端子与之对应 当通过程序使得输出继电器线圈得电时 PLC 上的输出端开关闭合 它可以作 为控制外部负载的开关信号 同时在程序中其常开触点闭合 常闭触点断开 第三章 系统的软件设计 21 5 内部位存储器 内部位存储器的作用和继电 接触器控制系统中的中间 继电器相同 它在 PLC 中没有输入 输出端与之对应 因此它的触点不能驱动 外部负载 这是与输出继电器的主要区别 它主要起逻辑控制作用 以上几个是我们在本次系统设计的过程中可能需要用到的 PLC 软元件 另 外 PLC 还有很多其它的软元件 3 1 2 PLC编程语言 PLC 是通过运行编写的用户程序实现控制任务的 PLC 中的程序由系统程 序和用户程序两部分组成 系统程序由 PLC 生产厂家提供 它支持用户程序的 运行 用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序 S7 200 系列 PLC 的编程语言非常丰富 有梯形图 语句表 功能块图和顺序功能图等 用 户可以选择一种编程语言 如果需要 也可混合使用几种语言编程 这些编程 语言都是面向用户的 它使控制程序的开发 输入 调试和修改工作大大简化 我们在本次设计中选择梯形图编程 以下我们详细介绍下梯形图的概念 梯形图左边有一条垂直的线称作左母线 右边一条虚线称为右母线 母线 之间是触点的逻辑连接和线圈的输出 PLC 梯形图具有以下一些特点 1 PLC 的梯形图是 从上到下 按行绘制的 两侧的竖线类似电气控制图 的电源线 通常称做母线 Bus Bar 大部分梯形图只保留左母线 梯形图 的每一行是 从左到右 绘制 左侧总是输入接点 最右侧为输出元素 触点 代表逻辑 输入 条件 如开关 按纽 内部条件等 线圈通常代表逻辑 输 出 结果 如指示灯 接触器 中间继电器 电磁阀等 对 S7 200 系列的 PLC 来说 还有一种输出 盒 功能框 它代表附加的指令 如定时器 计数 器或数学运算等功能指令 2 电气控制电路左右母线为电源线 中间各支路都加有电压 当支路接 通时 有电流流过支路上的触点与线圈 梯形图中的假想电流在图中只能作单 第三章 系统的软件设计 22 方向的流动 即只能从左向右流动 层次改变 接通的顺序 也只能先上后下 与程序编写时的步序号是一致的 3 梯形图中的输入接点如 I1 0 I0 1 等 输出线圈 Q0 0 Q0 1 等不是 物理接点和线圈 而是输入 输出存储器中输入 输出点的状态 并不是接线 时现场开关的实际状态 输出线圈只对应输出映像区的相应位 该位的状态必 须通过 I O 模块上对应的输出单元才能驱动现场执行机构 4 梯形图中使用的各种 PLC 内部器件 如辅助继电器 定时器 计数器 等 也不是真的电器元件 但具有相应的功能 因此通常按电气控制系统中相 应器件的名称称呼它们 梯形图中每个继电器和触点均为 PLC 存储器中的一位 相应位为 1 表示继电器线圈通电 常开接点闭合或常闭接点断开 相应 位为 0 表示继电器线圈断电 常开接点断开或常闭接点闭合 5 梯形图中的继电器触点既可常开 又可常闭 其常开 常闭触点的数 目理论上是无穷多个 受存储容量限制 也不会磨损 因此 梯形图设计中 可不考虑触点数量 这给设计者带来很大方便 对于外部输入信号 只要接入 一个信号到 PLC 即可 6 电气控制电路中各支路是同时加上电压并行工作的 而 PLC 是采用循 环扫描方式工作 梯形图中各元件是按扫描顺序依次执行的 是一种串行处理 方式 由于扫描时间很短 一般不过几十毫秒 所以控制效果同电气控制电 路是基本相同的 但在设计梯形图时 对这种并行处理与串行处理的差别有时 候应予注意 特别是那些在程序执行阶段还要随时对输入 输出状态存储器进 行刷新操作的 PLC 不要因为对串行处理这一特点考虑不够而引起偶然的误操 作 3 1 3 组态软件 计算机技术和网络技术的飞速发展 为工业自动化开辟了广阔的发展空间 我们可以方便快捷地组建优质高效的监控系统 并且通过采用远程监控及诊断 双机热备等先进技术 使系统更加安全可靠 第三章 系统的软件设计 23 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件 它们是在自动控制系 统监控层一级的软件平台和开发环境 使用灵活的组态方式 为用户提供快速 构建工业自动控制系统监控功能的 通用层次的软件工具 组态软件应该能支 持各种工控设备和常见的通信协议 并且通常应提供分布式数据管理和网络功 能 对应于原有的 HMI 人机接口软件 Human Machine Interface 的概念 组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的 HMI 的软件工具 或开发环境 在组态软件出现之前 工控领域的用户通过手工或委托第三方编写 HMI 应用 开发时间长 效率低 可靠性差 或者购买专用的工控系统 通常是封闭的系 统 选择余地小 往往不能满足需求 很难与外界进行数据交互 升级和增加 功能都受到严重的限制 组态软件的出现 把用户从这些困境中解脱出来 可 以利用组态软件的功能 构建一套最适合自己的应用系统 随着它的快速发展 实时数据库 实时控制 SCADA 通讯及联网 开放数据接口 对 I O 设备的 广泛支持已经成为它的主要内容 随着技术的发展 监控组态软件将会不断被 赋予新的内容 组态软件 对应全称为 Human and Machine Interface Man and Machine Interface Supervisory Control and Data Acquisition 中文翻译为 人 机界面 监视控制和数据采集软件 一般英文简称有三种分别为 HMI MMI SCADA 目前组态软件的发展迅猛 已经扩展到企业信息管理系统 管理和控制一体化 远程诊断和维护以及在互联网上的一系列的数据整合 组态软件的功能和特点可归纳如下 概念简单 易于理解和使用 功能齐 全 便于方案设计 实时性与并行处理 建立实时数据库 便于用户分步组态 保证体统安全可靠运行 利用丰富的 动画组态 功能 快速构造各种复杂生 动的动态画面 引入 运行策略 的概念 它具有以下几个方面的特点 1 可视化操作界面 真彩显示图形 支持渐进色 丰富的图库 动画连 接 2 无与伦比的动力和灵活性 拥有全面的脚本与图形动画功能可以对画 面中的一部分进行保存 以便以后进行分析或打印 第三章 系统的软件设计 24 3 变量导入导出功能 变量可以导出到 Excel 表格中 方便的对变量名称 等属性进行修改 然后再导入新工程中 实现了变量的二次利用 节省了开发 时间 4 强大的分布式报警 事件处理 支持实时 历史数据的分布式保存 强大的脚本语言处理 能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理 5 全新的 W