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南京理工大学紫金学院毕业设计说明书(论文)作 者: 崔其兵学 号： 080405106系：电子工程与光电技术系专 业: 电气工程及其自动化题 目:基于PLC的车间生产流水线产品运输控制 王玉珏指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2012 年 5 月南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕业设计（论文）评语学生姓名： 班级、学号： 题 目： 综合成绩： 指导者评语： 指导者(签字)： 年 月 日毕业设计（论文）评语评阅者评语： 评阅者(签字)： 年 月 日答辩委员会（小组）评语： 答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日毕业设计说明书（论文）中文摘要 随着自动化生产的提高, PLC在生产控制系统中的应用越来越广泛。本次设计的要求是对车间生产流水线产品的运输控制，由于传统的继电器控制存在自身的不足，已经不能完全满足本次设计的要求，PLC的特点是具有强大的控制能力、高精度、高可靠性, 具有复杂的逻辑能力和运算能力, 因此可充分满足对流水线的控制需求。本次设计采用西门子S7-200PLC，论述了产品运输控制系统的软硬件设计方案及其控制原理，实现了装料、卸料过程的自动控制，再运用组态王软件进行全程监控。关键词 PLC 流水线 程序 组态王 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title PLC control the transportation of the products of the workshop production lines AbstractWith the improvement of automated production, the PLC applications are used in the production control system increasingly. Thisdesign requirementsto controlthetransportoftheworkshopproductionlineproducts. Because of the traditionalrelay controlhas its own shortcomings, can not meetthedesign requirements fully, thecharacteristicsofthe PLC are theability to control,precision,high reliability,complex logicand computing capacity,and meettheneedsofthepipelinecontrol fully. This designusesthe SiemensS7-200 PLC, discusses the design methods of a motor wagon of transport materials control system hardware and software, and control theory for it, has shipped materials process automatic, and use the Kingview to monitor the entire process.Keywords PLC Production line Program Kingview 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 （空2行） 目 次 （4号黑体，居中）1 引言（或绪论）（作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同） 12 （正文第2章） Y2.1 （正文第2章第1条） Y2.2 （正文第2章第2条） Y2.X （正文第2章第X条） Y3 （正文第3章） Y（略）X （正文第X章） Y结论 Y致谢 Y参考文献Y附录A （必要时） Y附录B （必要时） Y图1 （必要时） Y图2 （必要时） Y表1 （必要时） Y表2 （必要时） Y注：1. 目次中的内容一般列出“章”、“条”二级标题即可；2X、Y表示具体的阿拉伯数字；3页眉中的页码用罗马数字（、）表示。本科毕业设计说明书（论文） 第 37 页 共 35 页1 绪论1.1 课题的背景和意义当前企业现代化生产规模不断扩大和深化，使得生产物的输送成为生产物流系统中的一个重要环节。车间生产流水线产品运输控制是企业现代化生产的重要组成部分，80年代以来，面对激烈的市场竞争，人们在车间生产运输工作中所惯用的那种人工方式，已不能适应快速增长的工作需要。在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个工艺生产过程全盘自动化，这就离不开车间生产流水线产品运输控制系统。在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定的时间停留，以满足生产工艺要求。传统的生产流水线产品运输大多是继电器控制，而继电器控制有着接线繁多，故障率高的缺点，且维护维修不易等缺点。用PLC程序实现车间生产流水线产品运输控制，不仅具有程序设计简易、方便、可靠性高等特点，而且程序设计方法多样。目前，PLC在工业控制中获得了巨大的成功，因此可以预见，基于PLC的车间生产流水线产品运输控制系统具有广阔的应用前景。1.2 课题国内外发展的状况由于自动化的不断发展，使得车间生产线的产品运输控制得到不断的改善，生产效率也不断提高，国内外车间生产流水线产品运输控制系统经历了以下几个阶段：a) 手动控制：在20世纪60年代末70年代初期，便有一些工业生产采用PLC来实现产品运输控制，但是由于当时的技术还不够成熟，只能够用手动的方式来控制机器，而且早期运输控制系统多为继电器接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。b) 自动控制：在20世纪80年代，随着计算机的价格下降，这时的大型工控企业将PLC充分地与计算机相结合，自动化设备终于实现了PLC在车间产品运输控制系统方面的应用。c) 全自动控制：当前由于PLC技术不断向高性能、高速度、大容量发展，大型PLC大多采用多CPU结构。将PLC运用到车间生产流水线产品运输控制系统，可实现产品运输的全自动控制，降低系统的运行费用。基于PLC的车间生产流水线产品运输控制系统具有连线简单，控制速度快，精度高，可靠性好，可维护性好和改造方便等优点。1.3 本次课题设计应达到的目的本次课题设计以某食品生产车间的四个工作台和一个成品库（直线排列），为研究对象。操纵工将食品包装成袋，然后呼叫小车把包装袋送到成品库，小车往返于各个工作台之间，根据请求在某个工作台限时限量装袋，当小车装满60袋时，就自动开往成品库卸袋。待卸袋完毕，再根据请求开往某站继续工作，由此往返。设计使用PLC实现以上控制要求，并运用组态软件进行全程监控。生产车间加工现场如图1.3.1所示：成品库4号站3号站2号站1号站图1.3.1 生产车间加工现场1.4 本次课题设计的任务内容和要求a) 每个工作台都有一个呼叫按钮。需要小车过来装袋时，按一下按钮，系统接到呼叫信号就登记下来，同时本站呼叫记忆灯点亮，说明信号已经接到。小车会根据自己的忙闲程度决定什么时候来到。b) 装袋时有两个要求，一是每次最多装10袋，二是每次最长停留8s，也就是说不到8s就把10袋都装完了，这时如有其他呼叫等待，小车就离开这里。如果用尽8s却装不到10袋，那如果已有呼叫信号，小车也照样离开这里。目的是避免压车。c) 如10袋已装完，8s时间也到了仍没有别的工作台呼叫。本台可以继续装料，但一旦有别的工作台呼叫信号，小车立即出发离开这里。d) 数码管显示小车所处的站台。e) 只要车上装满60袋，对所有呼叫信号都不应答只保留登记顺序，小车直接开往成品库。待卸料完毕后重新登记顺序继续应接。f) 小车到成品库卸袋，共需10s，时间到后认为卸料完毕。2 可编程控制器（PLC）概况2.1 可编程控制器（PLC）的定义国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器(PLC)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。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。2.2 可编程控制器（PLC）的发展1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；1971年，日本研制出第一台DCS-8；1973年，德国研制出第一台PLC；1974年，中国研制出第一台PLC。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。2.3 可编程控制器（PLC）的特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点：a) 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。b) 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。c) 能适应各种恶劣运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。2.4 可编程控制器（PLC）的结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相似。2.4.1 基本结构a) 电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。b) 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。c) 存储器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。d) 输入输出接口电路现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。e) 功能模块f) 通信模块2.4.2 结构分类根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认，其特点是系统构成的灵活性较高，可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也较高。模块式结构如图2.4.1所示： 机 架编程器现场设备上位机电源模块CPU模块通信模块输入模块输出模块特殊功能模块图2.4.1 模块式结构整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。整体式结构如图2.4.2所示：电源中央处理器（CPU）输入/输出单元存储器系统总线编程器图2.4.2 整体式结构2.5 可编程控制器（PLC）的工作原理PLC采用循环扫描技术，可以分为3个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。在输入采样中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。在执行阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。在输出刷新中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号，开始控制外部设备。2.6 可编程控制器（PLC）的应用领域a) 开关量的逻辑控制，是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。b) 运动控制，可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。c) 模拟量控制，在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的A/D转换及D/A转换。d) 数据处理，现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。e) 过程控制，过程控制是指对速度、温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。f) 通信及联网，PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。最新生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。PLC的应用领域仍在扩展，在日本，PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关连的机器、与环境关连的机器，而且均有急速的上升趋势。PLC正逐渐从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展。3 基于PLC的控制系统设计3.1 基于PLC控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和工艺需要，从而提高产品质量和生产效率。因此，在设计PLC应用系统时，应遵循以下基本原则： a) 充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求；b) 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便；c) 保证控制系统安全可靠；d) 应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I/O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。 3.2 基于PLC控制系统设计的一般步骤设计PLC控制系统时，首先是进行PLC系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。 PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：a) 控制要求分析，制定控制方案首先需要分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。 b) 确定I/O设备其次根据系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）由此确定PLC的I/O点数。 c) 选择PLCPLC选择时主要包括PLC机型、容量、I/O模块、电源的选择。 d) I/O地址分配根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出I/O设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I/O接线图和编制程序。 e) 软件及硬件设计进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。 f) 联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。开始时，先不带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等负载）进行调试。利用编程器的监控功能，采用分段调试的方法进行。各部分都调试正常后，再带上实际负载运行。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部分程序即可，全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改则应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。 g) 整理技术文件包括设计说明书、电气安装图、电气元件明细表及使用说明书等。基于PLC控制系统设计步骤如图3.2.1所示：设计开始控制要求分析确定I/O设备选择PLC分配PLC的I/O地址设计软件及硬件联机调试整理技术文件设计结束图3.2.1 基于PLC控制系统设计步骤3.3 PLC控制系统硬件配置硬件系统设计除了PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施外，主要考虑安全性和系统供电可靠性设计。3.3.1 安全性设计很多国家和国际组织发表的技术标准中均有明确的安全规定。在以下3种情况下将发挥安全保护作用:a) PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时；b) PLC失控时；c) 操作人员需要紧急干预时。3.3.2 系统供电可靠性设计a) 供电系统的保护措施和抗干扰:用隔离变压器；b) 供电系统的突然断电保障:用UPS电源。3.3.3 电源模块的选择： PLC的CPU所需的工作电源一般都是5V直流电源，一般的编程接口和通信模块还需要5.2V和24V直流电源。这些电源都由可编程控制器本身的电源模块供给，所以在实际应用中要注意电源模块的选择。a) 电源模块的输入电压。PLC的电源模块有3种输入电压，即220VAC、110VAC和24VDC，在实际应用中要根据具体情况进行选择。 b) 电源模块的输出功率。在选择电源模块时，其额定输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块及各种智能模块等总的消耗功率，并且要留有30%左右的余量。一个电源模块既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25V。 c) 扩展单元中的电源模块。在有的系统中，由于扩展单元中含有智能模块及一些特殊模块，就要考虑在扩展单元中安装相应的电源模板。3.4 PLC的选型 3.4.1 PLC容量的选择a) 总I/O点数量和性质根据开关量、模拟量、直流信号、交流信号，工作电源。输出是用继电器型还是晶体管或是可控硅型，如运动控制时的高速脉冲输出。使用无触点的晶体管输出的PLC。如输出既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，可用继电器输出。b) 对用户存储器容量进行估算一个程序段中，接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。用户程序所需内存容量受到内存利用率、开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数和用户编程水平等几个主要因素的影响。高的内存利用率给用户带来好处，同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。另外，同样的程序可缩短扫描周期时，从而提高系统的响应。内存字数的估算（小型PLC的内存为12KB）开关量输入输出：所需内存字数 = 开关量(输入十输出)总点数10 模拟量输入时：所需内存字数 = 模拟量点数X100模拟量输入/输出同时存在：所需内存字数=模拟量点数 200经验计算公式：总存储器字数=(开关量输入输出总点数) 10十 模拟量点数 150。然后按计算存储器字数的25%考虑余量。每个I/0点及有关功能元件占用的内存大致如下：开关量输入元件：1020B /点；开关量输出元件：5l0B/点；定时器/计速器：2B/个；模拟量：100150B/点；通信接口：一个接口一般需要300B以上。根据上面算出的总字节数再考虑25%左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。3.4.2 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地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。在进行I/O地址分配时最好先列I/O分配表。3.4.3 响应时间对于过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。PLC顺序扫描的工作方式，使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。4 车间生产流水线产品运输控制系统设计方案可行性分析目前车间生产流水线产品运输控制系统有多种设计方案，一般可以通过继电器-接触器控制，单片机控制，PLC控制:4.1 三种控制方案的优缺点比较4.1.1 继电器-接触器控制a) 优点：由按钮，继电器、接触器组成的复杂车间生产流水线产品运输控制系统，可以实现集中控制与远距离控制,目前继电器、接触器控制仍是最基本的电气控制形式之一，价格方面经济实惠；b) 缺点：由按钮，继电器，接触器等低压控制器组成了继电器-接触器控制线路，由于该控制形式是固定接线，系统构成后，想再改变或增加功能、较为困难；另外继电器的触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制；又由于采用有接触点的开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。4.1.2 单片机控制a) 优点：将单片机应用到车间生产流水线产品运输控制控制系统，由于单片机有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低功耗、低电压的特点，便于生产便携式产品；b) 缺点：单片机控制系统电路中需要加入A/D，D/A转换器，线路复杂，还要分配大量的中断口地址；单片机控制电路也易受外界环境的干扰，具有不稳定性；而且单片机编程方法复杂，不容易学习，一般只应用于简单的流水线产品运输控制系统。4.1.3 PLC控制a) 优点：将PLC应用到车间生产流水线产品运输控制系统，可实现产品运输的自动化控制，降低系统的运行费用；可编程控制器（PLC）具有能力强，可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，而且 PLC中每只软继电器的触点数理论是无限制的，因此其灵活性和可扩展性很好，是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制设备。4.2 工作方式比较在继电器-接触器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环 扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，同它们在梯形图中的位置有关，这种工作方式称为串行工作方式。4.3 控制速度比较继电器-接触器控制系统依靠机械触点的动作实现的，工作频率低，触点的开关动作一般在几十毫秒数量级，且机械触点还会出现抖动问题。PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级，因此速度较快，PLC内部还有严格的同步控制，不会出现触点抖动问题。4.4 可靠性和可维护性比较继电器-接触器控制系统使用了大量的机械触点，连线多，触点开闭时存在机械磨损、电弧烧伤等现象，触点寿命短，所以可靠性和可维护性较差。PLC采用半导体技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高。PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。4.5 方案确定经过方案对比，本次控制系统设计采用PLC对车间生产流水线产品运输进行控制，为了能够实现自动往返，采用了高速计数器进行计数。同时，根据行走的方向进行增、减计数（当正向行走时进行加计数，反向则进行减计数）。在程序设计中，采用高速计数器（HSC）指令，开通旋转编码器计数，用以计算产品运输行走的距离，实现准确停靠。此外，该控制系统具有自动、手动两种工作方式，并设计了联网模式和离网模式。在联网模式下，PLC与上位机通信，接受上位机的指令，使小车进行自动行走与回零运行。当上位机故障运行时，采用离网手动运行，保证了系统的可靠性。5 基于PLC的车间生产流水线产品运输控制系统的硬件设计5.1 硬件选型5.1.1 PLC选型在本次系统设计中，所用到的输入点数分别是：高数计数器、开始按钮、停止按钮、1号站呼叫按钮、2号站呼叫按钮、3号站呼叫按钮、4号站呼叫按钮、装料按钮、传感器共计10个；输出点数分别是：电机正转、电机反转、正转信号灯、反转信号灯、1号站呼叫灯、2号站呼叫灯、3号站呼叫灯、4号站呼叫灯、数码管的7个引脚共计16个。在对上述I/O点数以及结合系统功能进行综合分析后，决定采用西门子S7-200 CPU226模块。S7-200PLC的CPU模块如图5.1.1所示图5.1.1 S7-200PLC的CPU模块CPU226模块的I/O总数为40点，其中输入点24点，输出点16点；可带7个扩展模块；用户程序存储容量为8KB；内置高数计数器，具有PID控制器的功能；有2个高速脉冲输出端和2个RS-485通信口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由口协议的通信能力；运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。5.1.2 其他硬件选型a) LED数码管本次系统设计要求数码管显示小车所处的站台，即在1号站时，数码管显示1；2号站时显示2；3号站时显示3；4号站时显示4；成品库时显示5。本次系统设计采用共阴极数码管。共阴极、共阳极LED数码管引脚图如图5.1.2所示图5.1.2 共阴极、共阳极LED数码管引脚图b) 旋转编码器旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。本次设计中，工作台之间的距离，停靠位置由旋转编码器决定。旋转编码器每发出1000个码就是一个工作台位置，这样4个工作台加一个成品库，共需要4000个码。第一个工作台用传感器设置一个基准位置开关。根据上面的设计要求，本次系统设计采用增量式编码器。旋转编码器如图5.1.3所示图5.1.3 旋转编码器旋转编码器原理图如图5.1.4所示图5.1.4 旋转编码器原理图c) 高数计数器在硬件设计中，采用高数计数器（HSC）指令，开通旋转编码器计数，因为是实验室模拟运行，所以没有考虑小车停靠时的减速段，也就是直接起，直接停，使用的是直流24V小型电动机。S7-200 CPU具有集成的、硬件高速计数器，高速计数器可以被配置为12种模式中的任意一种，但并不是所有计数器都能使用每一种模式。CPU221和CPU222可以使用4个30kHz单相高速计数器或2个20kHz的两相高速计数器，而CPU224和CPU226可以使用6个30kHz单相高速计数器或4个20kHz的两相高速计数器。高数计数器有四种基本类型：带有内部方向控制的单相计数器，带有外部方向控制的单相计数器，带有两个时钟输入的双相计数器和A/B相正交计数器。在正交模式下，你可以选择一倍速或者四倍速计数速率。对于操作模式相同的计数器，其计数功能是相同的。本次设计选用的类型是A/B相正交计数器。高速计数器的模式及输入点见表5.1.5表5.1.5 高速计数器的模式及输入点模式描述输入点备注HSCOI0.0I0.1I0.2(1)HSC1I0.6I0.7I1.0I1.1(2)HSC2I1.2I1.3I1.4I1.5(2)HSC3I0.1(1)HSC4I0.3I0.4I0.5HSC5I0.40带有内部方向控制的单相计数器时钟1时钟复位2时钟复位启动3带有外部方向控制的单相计数器时钟方向4时钟方向复位5时钟方向复位启动6带有增减计数时钟的双相计数器增时钟减时钟7增时钟减时钟复位8增时钟减时钟复位启动9A/B相正交计数器时钟A时钟B10时钟A时钟B复位11时钟A时钟B复位启动12只有 HSC0 和 HSC3 支持模式 12。HSC0 计数高速脉冲输出 Q0.0；HSC3 计数高速计数脉冲输出 Q0.1。高速计数器的实际输入要根据用户选择的高速计数器号和模式来确定，如上表5.1.5。例：如果选择了HSC0的模式1，则外部高速计数输入点应接在I0.0，外部复位点应接在I0.2。 如果用户使用了多个高速计数器，则被某一高速计数器占用了的输入点，其它高速计数器不能再使用。如HSC0的模式3已经占用了I0.1作为外部方向控制点，那么HSC3高速计数器就不能再使用了，因为它的计数输入点也是I0.1，与之冲突了。5.2 I/O分配系统I/O分配见表5.2.1表5.2.1 系统I/O分配表I/O用途I/O用途I0.0、I0.1高速计数器HSCQ0.0电机反转（KM1）I0.2停止按钮（SB1）Q0.1电机正转（KM2）I0.3开始按钮（SB2）Q0.2反转小信号灯（HL1）I0.41号站呼叫按钮（SB3）Q0.3正转小信号灯（HL2）I0.52号站呼叫按钮（SB4）Q0.41号站呼叫灯（HL3）I0.63号站呼叫按钮（SB5）Q0.52号站呼叫灯（HL4）I0.74号站呼叫按钮（SB6）Q0.63号站呼叫灯（HL5）I1.1装料按钮（SB7）Q0.74号站呼叫灯（HL6）I2.1传感器（SQ1）Q1.0 Q1.6数码管显示5.3 车间生产流水线产品运输PLC接线图车间生产流水线产品运输控制系统PLC接线如图5.3.1所示图5.3.1 车间生产流水线产品运输PLC接线图6 基于PLC的车间生产流水线产品运输控制系统的软件设计6.1 STEP7-Micro/WIN32编程软件STEP7-Micro/WIN32编程软件是专为西门子公司S7-200系列小型机而设计的编程工具软件，使用该软件可根据控制系统的要求编制控制程序并完成与PLC的实时通信，进行程序的下载与上传及在线监控。STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是创建、编辑、调试用户程序、组态系统等。STEP7-Micro/WIN32窗口组建如图6.1.1所示图6.1.1 STEP7-Micro/WIN32窗口组建a) 操作栏显示编程特性的按钮控制群组“视图”：选择该类别，为程序块、符号表，状态图，数据块，系统块，交叉参考及通讯显示按钮控制。“工具”：选择该类别，显示指令向导、文本显示向导、位置控制向导、EM 253控制面板和调制解调器扩展向导的按钮控制。注释：当操作栏包含的对象因为当前窗口大小无法显示时，操作栏显示滚动按钮，使您能向上或向下移动至其他对象 。b) 指令树提供所有项目对象和为当前程序编辑器（LAD、FBD或STL）提供的所有指令的树型视图。用户可以用鼠标右键点击树中“项目”部分的文件夹，插入附加程序组织单元（POU）；也可以用鼠标右键点击单个POU，打开、删除、编辑其属性表，用密码保护或重命名子程序及中断例行程序。可以用鼠标右键点击树中“指令”部分的一个文件夹或单个指令，以便隐藏整个树。一旦打开指令文件夹，就可以拖放单个指令或双击，按照需要自动将所选指令插入程序编辑器窗口中的光标位置。可以将指令拖放在自己“偏好”的文件夹中，排列经常使用的指令。c) 交叉参考允许用户检视程序的交叉参考和组件使用信息。d) 数据块允许用户显示和编辑数据块内容。e) 状态图窗口允许用户将程序输入、输出或变量置入图表中，以便追踪其状态。您可以建立多个状态图，以便从程序的不同部分检视组件。每个状态图在状态图窗口中有自己的标签。f) 符号表全局变量表窗口允许用户分配和编辑全局符号（即可在任何POU中使用的符号值，不只是建立符号的POU）。您可以建立多个符号表。可在项目中增加一个S7-200系统符号预定义表。g) 输出窗口在用户编译程序时提供信息。当输出窗口列出程序错误时，可双击错误信息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。当您编译程序或指令库时，提供信息。当输出窗口列出程序错误时，您可以双击错误信息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。h) 状态条提供用户在STEP 7-Micro/WIN中操作时的操作状态信息。i) 程序编辑器窗口包含用于该项目的编辑器（LAD、FBD或STL）的局部变量表和程序视图。如果需要，用户可以拖动分割条，扩展程序视图，并覆盖局部变量表。当您在主程序一节（MAIN）之外，建立子程序或中断例行程序时，标记出现在程序编辑器窗口的底部。可点击该标记，在子程序、中断和OB1之间移动。j) 局部变量表包含用户对局部变量所作的赋值（即子程序和中断例行程序使用的变量）。在局部变量表中建立的变量使用暂时内存；地址赋值由系统处理；变量的使用仅限于建立此变量的POU。k) 菜单条允许用户使用鼠标或键击执行操作。您可以定制“工具”菜单，在该菜单中增加自己的工具。l) 工具条为最常用的STEP 7-Micro/WIN操作提供便利的鼠标访问。用户可以定制每个工具条的内容和外观。6.2 控制系统程序设计6.2.1 内部继电器地址与用途内部继电器地址与用途见表6.2.1表6.2.1 内部继电器地址与用途内部继电器地址用途内部继电器地址用途M0.0开始按钮按下，得电并自锁M1.4小车到达成品库得电，起动计时器T38M0.11号站呼叫时，得电自锁M1.5T38得电后自锁SM0.0常ON状态M2.1小车在1号站，有呼叫时得电M0.22号站呼叫时，得电自锁M2.2小车在4号站或成品库，有呼叫时得电M0.33号站呼叫时，得电自锁M1.0到达1号站时得电并断开1号站呼叫灯M0.44号站呼叫时，得电自锁M2.0到达2号站时得电并断开2号站呼叫灯M0.5每到一站，得电并接通时间继电器M3.0到达3号站时得电并断开3号站呼叫灯M0.62号站到时得电并截车M4.0到达4号站时得电并断开4号站呼叫灯M0.73号站到时得电并截车M5.08s时间到或装满10件，得电反转M1.11号站到时得电并截车M6.08s时间到或装满10件，得电正转M1.24号站到时得电并截车SMB37监控高数计数器HSC0M1.360件装料完成，得电并直接送至成品库6.2.2 梯形图设计a) 启动及计数功能的实现如图6.2.2所示图6.2.2 启动及计数功能如图6.2.2所示，按开始按钮SB2，I0.3闭合，使M0.0得电自锁。小车到达1号站时，传感器开关SQ1动作，I2.1闭合，配合紧随其后的跳变触点，激活了高速计数器初始化程序，初始化过程中，决定了高数计数器的工作状态，开启0号高速计数器，按第9个模式计数。b) 1号站呼叫状态实现如图6.2.3所示图6.2.3 1号站呼叫状态实现如图图6.2.3所示，1号站呼叫、登记、保持、记忆灯亮。到站截车，记忆灯灭，说明呼叫信号已响应。c) 停车装料如图6.2.4所示6.2.4 停车装料如图6.2.4所示，小车停下后，开始装料，I1.1闭合1次就是一件，装到10件后，如有其他站呼叫，立即响应，离开此站。d) 小车装满60袋如图6.2.5所示图6.2.5 小车装满60袋 如图6.2.5所示，定时定量装料设定值已到，或车上已装满60件，此刻将复位所有呼叫信号，不再