PLC冰柜测试输送生产线控制系统设计

1、XXXXXXXXXXXXXX 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： XXXXXXXXXXXX 专 业： XXXXXXXXXXXXX 学 生： XXX 指导教师： XXX 完成日期 2011 年 5 月 XXXXXX 本科生毕业设计（论文） 冰柜测试输送生产线控制系统设计 Control System Design of Freezer Test Transfer Production Line 总计： 毕业设计（论文） 38 页 表 格： 5 个 插 图： 22 幅 冰柜测试输送生产线控制系统设计 摘 要本论文是设计一个由 PLC 控制的冰柜测试输送生产线。主要是以 PLC 为 控制核心，变频

2、器为辅助元件，电机作为执行元件。首先通过对系统控制要求的分析， 画出程序流程图，之后在相应的编程软件中编写控制程序，从而通过 PLC 控制冰柜箱 体在多条生产线中的进出功能，确保安全、畅通地按照既定工艺进行箱体传送。通过 分析，分别对其硬件设计，PLC 选用西门子 S7-300。软件环境是应用西门子公司专门 为 S7-300/400 系列 PLC 设计开发的 STEP7 软件。本课题通过软、硬件的设计满足了相 关规程要求，提高了系统的准确性、安全性，通过调式基本达到了预期的效果。 关键词可编程逻辑控制器；控制系统；编程；仿真系统 Control System Design of Freezer

3、 Test Transfer Production Line Abstract: This paper designs a controlled by PLCs deep freezers test conveying line. This design mainly takes the PLC as control core, inverter as auxiliary components, motor as executive components etc. Firstly draw the program flow chart according to the analysis of

4、the systems require on controlling, then design the program in the corresponding software so as to reach the function of controlling the freezer cabinet getting in and out in several production by the PLC, and ensure cabinets can be transmitted safety and free according to the established process. A

5、 series of other hardware of control requirements through analysis and draw the program flow chart and in the corresponding software written by PLC control procedures to control in the cooler cabinet many production and function, ensure safe and smooth in accordance with established process cabinet

6、to transmit. Through the analysis of its hardware design, respectively, and selects Siemens S7-300 series PLC. Software development is the application of Siemens S7-300 / specially for design and development of 400 series PLC STEP7 software. This topic through the software and hardware design meets

7、the relevant instruction, to improve the accuracy, security system, through adjusted achieve the expected effect. Key words: Programmable logic controller；control system；programming；simulation debugging 目 录 1 引言.1 1.1 课题的背景 .1 1.2 课题的意义、目的 .1 1.3 课题相关技术 .2 2 控制系统的总体设计方案.3 2.1 控制系统的组成 .3 2.2 系统的基本控制要

8、求 .3 3 冰柜测试输送生产线控制系统的硬件设计.5 3.1 主回路的设计 .5 3.1.1 电机的功率.5 3.1.2 变频器的选择与参数设置.5 3.1.3 主回路电路图.7 3.2 控制回路设计 .8 3.2.1 PLC 的选型.8 3.2.2 输入输出端口分配.9 3.2.3 PLC 接线图.11 4 控制系统软件设计.13 4.1 可编程控制器 .13 4.1.1 可编程控制器的工作原理及编程语言.13 4.2 程序流程图 .14 4.3 程序的设计与分析 .15 5 系统软件仿真设计.18 5.1 S7-300 PLC 编程环境.18 5.2 S7-PLCSIM 仿真软件.21

9、附录.23 1 引言 1.1 课题的背景 随着中国经济的高速发展，中国人民生活水平的不断提高，冰柜作为日常家用电 器广泛的进入百姓家中,智能化、个性化成为未来冰柜发展趋势。 为了使消费者在使用冰柜过程中更加方便简易，功能更加完善，智能化冰柜最终 迎合人们的消费需求。从目前冰柜市场来看，冰柜行业的智能之争从来没有停息过， 无论是国产品牌还是进口品牌，都在智能技术上大做文章，纷纷推出科技含量很高、 极具竞争力的产品。从目前冰柜市场来看，随着生活品质的进一步提高，人们对冰柜 的消费需求已经从只看重冰柜能否延长食物保质期，逐渐发展到大容量、保鲜、营养、 健康、环保等多方面并重。在这种形式下，企业更注重

10、进行技术改革，智能化、个性 化的冰柜应运而生，而此时对冰柜的生产也有了更高的要求，为此就需要生产线实现 智能化、自动化，从而对输送设备就要有更高的要求。 国际范围内输送机的技术与设备主要有这样几个特点。一是机械大型化，主要技 术参数与机械均向大型化发展，以满足高产、高效、集约化生产的需要。二是动态分 析技术和机电一体化、计算机监控等高新技术，采用大功率软起动与自动张紧技术， 对输送机进行动态监控与监测，大大地降低了输送带的动张力，设备运行性能好，运 输效率高。三是采用多机驱动与中间驱动及其功率平衡、输送机变向运行等技术，使 输送机单机运行长度在理论上突破限制，并确保输送系统设备的通用性、互换性

11、及其 单元驱动的可靠性。四是新型、高可靠性关键元部件技术。如先进的大功率驱动装置 与调速装置、高寿命高速托辊、自清式滚筒装置、高效贮带装置、快速自移机尾等。 如英国产的 FSW1200 工作面顺槽带式输送机就采用了液粘差速或变频调速装置运输能 力出众，并且机尾可随工作面推移而自动快速自移、人工作业少、生产效率高。 1.2 课题的意义、目的 近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及 PLC 方面国际标准的制定，一项打破传 统 PLC 局限性的新兴技术发展起来了，这就是软 PLC 技术。其特征是在保留 PLC 功能 的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用放的通信接口，如以太网、高速 串口等；采

12、用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准；全部用软件来实现 传统 PLC 的功能。 其优点是软 PLC 解决了传统 PLC 的兼容性差、通用性差等问题，具有多方面的优 势，软 PLC 的硬件体系结构不再封闭，用户可以自己选择合适的硬件组成满足要求的 软 PLC；传统 PLC 的指令集是固定的，而实际工业应用中可能需要定义算法。软 PLC 指 令集可以更加丰富，用户可以使用符合标准的操作指令；传统 PLC 限制在几家厂商生 产，具有私有性，因此很难适应现有标准计算机网络，常常是 PLC 与计算机处在不同 类型的网络中。软 PLC 不仅能加入到已存在的私有 PLC 网络中，而且可以加入到标准

13、 计算机网络中。这使得现有计算机网络的很多研究成果很容易地应用到 PLC 控制技术 中。 在工控现场，可编程序控制器和变频器的综合使用越来越显得重要。尤其对电气 专业的学生，系统掌握一种 PLC 和变频器的使用对于日后工作会有很大帮助。 冰柜产品安装完成之后，有一道通电进行各种电气性能测试的工序。本课题设计 一个由 PLC 控制的冰柜测试输送生产线，主要控制冰柜箱体在多条生产线中的进出功 能，确保安全、畅通地按照既定工艺进行箱体传送。通过此控制系统的设计，掌握 PLC 在工业控制中的具体应用，以及掌握电气保护方面的设计，了解工业控制现场中的相 关控制器件及性能和使用。 虽然自动化生产线本身并不

14、直接创造效益，但它对企业生产效益起着明显的提升 作用： 提高生产效率； 提高产品质量； 提高生产线的安全性； 减少生产过程中能源损耗。 1.3 课题相关技术 可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而 设计。它采用可编程序的存储器，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、模拟式的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程1。 PLC 的用户界面十分友好，给使用者带来很大的方便。PLC 提供标准通讯接口，可 以方便地构成 PLC-PLC 网络或计算机-PLC 网络。PLC 应用程序的编制和调试非常方便， PLC 的梯形

15、图语言与继电器控制线路图很相似，很容易掌握。PLC 具有监控功能，利用 编程器或监视器可以对 PLC 的运行状态、内部数据进行监视或修改。PLC 控制系统的维 护非常简单，利用 PLC 的诊断功能和监控功能，可以迅速查找到故障点，对大多数故 障都可以及时予以排除。 变频器是利用电力电子器件把工频电源变换成各种频率可调的交流电源以实现电 动机的变速运行的设备，是运动控制系统中的功率变换器。 变频器是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速 性能之外，变频器还具有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调 速装置。自 20 世纪 80 年代被引进我国以来，变频器作为

16、节能应用与速度工艺控制中 越来越重要的自动化设备，得到快速发展和广泛应用。 2 控制系统的总体设计方案 2.1 控制系统的组成 本课题控制系统的硬件主要由 PLC 为核心控制单元，再加上外围的电路和变频器 等作为辅助设备，实现冰柜自动测试的输送。 可编程控制器主要由中央处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、电源、输入/输出接 口、外部设备接口及 I/O 扩展接口几大部分构成。 CPU 是 PLC 的核心部件，主要用来运行用户程序、监控输入输出接口状态以及 进行逻辑判断和数据处理。PLC 的存储器可以分为两类：一类是系统程序存储器，主要 存放系统管理、监控程序；另一类是用户程序及数据存储器

17、，主要存放用户编制的应 用程序和各种数据。PLC 的电源是指为 CPU、存储器、I/O 接口等内部电子电路工作所 配备的直流开关电源。输入/输出接口是 PLC 与现场输入输出设备或其他外部设备之间 的连接部件，PLC 通过输入接口把工业设备或生产过程的状态或信息（如按钮、各种继 电器触点、行程开关、各种传感器等）读入中央处理器；输出接口是将 CPU 处理的结 果通过输出电路去驱动输出设备（如指示灯、电磁阀、继电器、接触器等）。PLC 的外 部设备主要有编程器、操作面板、文本显示器、打印机等。I/O 扩展接口是用于扩展输 入/输出单元，它使 PLC 的控制规模配置更加灵活，可以配置开关量的 I/

18、O 单元，也可 以配置如模拟量、高速计数等特殊 I/O 单元及通讯适配器等2。 变频器是运动控制系统中的功率变换器，当今的运动控制系统是包含了多种学科 的技术，总的发展趋势是驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化，智能 化和网络化。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和 幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件3。 2.2 系统的基本控制要求 该系统工作原理是通过 PLC 与变频器等设备相互配合，由自动执行装置(包括各种 执行器件，机构，如电机，电磁铁，电磁阀，气动，液压等)，经各种检测装置(包括 各种检测器件，光电传感器，仪表等)，检测各装置的工作进程，工作状

19、态，经逻辑， 数理运算，判断，按生产工艺要求的程序，确保箱体安全、畅通地按照既定工艺进行 传送，自动进行生产作业的流水线。 系统电源模块：AC380V/50HZ； 系统核心控制功能模块：利用 PLC 实现对电动机运行与控制； 系统扩展模块：通过西门子变频器实现对电动机速度的调节； 辅助功能模块：利用移载机与光线传感器的配合实现相关控制要求。 冰柜测试输送生产线电气控制系统硬件框图如图 1 所示 。 图 1 电气控制系统硬件框图 基本控制要求： 共有四条平行的冰柜测试板链线，每条线速度可调且能实现三种进出箱工况。 只进不出； 只出不进； 同进同出。 垂直并紧挨着四条板链线的两旁各有一段辊道，分别

20、由一个电机驱动，且速度可 调。一侧是进箱辊道，另一侧是出箱辊道。辊道与板链接口处是移载机，可由气缸推 动上下移动且电气驱动皮带传动接送箱体。当没有箱体在辊道上运行时，移载机（分 布在辊道下）不顶起；当有冰柜向板链上进或从板链上出时，移载机顶起，然后皮带 运行，准备接送箱动作，完成后，移载机落下。同一时间只能有一条板链线实现第三 种工况，同一时间可有两条板链线分别进出。根据生产工艺要求，设计控制系统主回 路电气图（要求各辊道速度可调）、和控制回路电路图及 PLC 接线图。编写 PLC 控制 程序并仿真调试，不能有箱体冲撞发生。 设计应尽可能考虑到在生产实践中出现的问题，并采用最适当的解决方案。系

21、统 主要是利用 PLC 接收来自光电开关的信号来判断箱体的位置和数量，从而做出判断通 过 PLC 来控制辊道电机和板链电机的动作，最终达到箱体输送自动化的效果。设计中 尽量减少 PLC 的 I/O 口点数，在不影响系统功能下能共用一个操作按钮的情况下就只 使用一个按钮，能共用一个光电开关的就只使用一个光电开关，这样一来使得本设计 的操作面板简洁明了，同时又使得本设计具有良好的经济性，提高了产品性价比。系 统要求各板链、辊道速度均可调节，系统的调速采用变频调速的方式。冰柜测试输送 生产线布局如图 2 所示。 图 2 冰柜测试输送生产线布局图 3 冰柜测试输送生产线控制系统的硬件设计 3.1 主回

22、路的设计 3.1.1 电机的功率 根据控制要求所述共有四条平行的冰柜测试板链线，每条线速度可调，垂直并紧 挨着四条板链线的两旁各有一段辊道，分别由一个电机驱动，且速度可调。辊道占用 两台电机，板链占用四台电机，共六台电机分别和六台变频器相连。 设计中用到三种不同类型的电机，其转速和控制设备均不相同，控制滚道和板链 线的电机需要大容量的电机，控制移载机皮带的电机容量比较小。电机的功率如表 1 所示。 表 1 电机功率表 功率台数用途 1.5KW2 辊道 2.2KW4 板链 0.45KW8 移载机皮带 3.1.2 变频器的选择与参数设置 （1）变频器的选择 本系统采用西门子 MM440 变频器。M

23、M440 是一种集多种功能于一体的变频器，它能 适用于电动机需要调速的各种场合。利用变频器的基本操作面板可以更改、设定各个 参数及变频器的操作方式。MM440 的功能非常强大，可以选择和设定的参数很多，主要 的参数有：变频器参数、电动机参数、命令和数字 I/O 参数、模拟 I/O 参数、设定值 通道、电动机控制参数、通讯参数、报警、警告和监控参数、PI 控制参数等4。 （2）变频器的参数设置 MM440 在缺省设置时，用 BOP 控制电动机的功能是被禁止的。如果要用 BOP 进行 控制，参数 P0700 应设置为 1，参数 P1000 也应设置为 1。用基本操作面板(BOP)可 以修改任何一个

24、参数。修改参数的数值时，BOP 有时会显示“busy”，表明变频器正忙 于处理优先级更高的任务。下面就以设置 P1000=1 的过程为例，来介绍通过基本操作 面板(BOP)修改设置参数的流程，见表 25。 表 2 基本操作面板(BOP)修改设置参数流程 操作步骤BOP 显示结果 1 按键，访问参数 2 按键，直到显示 P1000 3 按键，直到显示 in000，即 P1000 的第 0 组值 4 按键，显示当前值 2 5 按键，达到所要求的值 1 6 按键，存储当前设置 7 按键，显示 r0000 8 按键，显示频率 恢复变频器工厂缺省值，设定 P0010=30，P0970=1。按下“P”键,

25、变频器开始复位 到工厂缺省值。 设置电动机参数，由于电机的参数不同设置也不同，所以在这里不再描述。所有 电电动机参数设置完成后，设 P0010=0，变频器当前处于准备状态，可正常运行。 多段速功能，也称作固定频率，就是设置参数 P1000=3 的条件下，用开关量端子 选择固定频率的组合，实现电机多段速度运行。 设置变频器 2 段固定频率控制参数，见表 3。 表 3 变频器参数设置 参数号出厂值设置值说明 P000311 设用户访问级为标准级 P000407 命令和数字 I/O P070022 命令源选择由端子排输入 P000312 设用户访问级为拓展级 P000407 命令和数字 I/O P0

26、70111 ON 接通正转，OFF 停止 P0702115 选择固定频率 P0703115 选择固定频率 P000311 设用户访问级为标准级 P0004210 设定值通道和斜坡函数发生器 P100023 选择固定频率设定值 P000312 设用户访问级为拓展级 P0004010 设定值通道和斜坡函数发生器 P1002520 选择固定频率 1(Hz) P10031050 选择固定频率 2(Hz) 变频器的运行操作。当数字输入端口“5”为“ON”，允许电动机运行。 第 1 频段控制。当变频器数字输入端口“6”为“ON”，端口“7”为“OFF”，变 频器工作在由 P1002 参数所设定的频率为 2

27、0Hz 的第 1 频段上。 第 2 频段控制。当变频器数字输入端口“6”为“OFF”，“7”为“ON”，变频器 工作在由 P1003 参数所设定的频率为 50Hz 的第 2 频段上。 电动机停车。当变频器数字输入端“6”、“7”均为“OFF”，电动机停止运行。 或在电动机正常运行的任何频段，将数字输入端口“5” 为“OFF”，电动机也能停止 运行。 变速问题。当 2 个频段的频率值均不能满足要求时，可根据用户要求将 P1002 和 P1003 参数进行修改。当电动机需要反向运行时，只要将向对应频段的频率值设定为负 就可以实现。 3.1.3 主回路电路图 变频器的 L1、L2、L3 为输入端，直

28、接连 50Hz 三相 380V 交流电源。输出端 U、V、W 则直接连到交流电动机上，变频器的输出也为三相交流电，PLC 与变频器的链 接如图 3 所示。 图 3 主回路电路图 3.2 控制回路设计 3.2.1 PLC 的选型 西门子公司在 20 世纪末推出的 SIMATIC S7-300 系列 PLC，性能价格比高，电磁兼 容性强，抗振动冲击性强，具有非常好的工业环境适应性，广泛应用于冶金、石油、 化工、运输、轻工、电力、汽车、通用机械、专用机床、制造业、食品加工、包装机 械、组织机械、智能建筑等多方面领域6。 S7-300 是模块化 PLC 系统，能满足中等性能控制要求。各种单独的模块之间

29、可进 行广泛组合构成不同的系统。与 S7-200 PLC 相比，S7-300 PLC 采用模块化结构，具备 高速的指令运算速度。用浮点运算有效的实现了更加复杂的算数运算,一个带标准用户 接口的软件工具方便用户给所有的模块进行参数赋值，人机界面服务已经集成在 S7- 300 操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面从 S7-300 PLC 中 读取数据。S7-300 操作系统自动的处理数据的传送，中央处理器(CPU)的智能化诊断系 统连续监视系统各部分功能是否正常，记录错误和系统特殊事件(如超时、模块更新等)， 多级口令保护可以使用户有效保护其程序技术，防止未经允许的复制

30、和修改，S7-300 PLC 设有操作方式选择开关，选择开关像钥匙一样可以拔出，拔出后就不能改动操作方 式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。S7-300 具有强大的通信功能，通过 STEP7 编程软件的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。此外， S7-300 PLC 还具有多种不同的通信接口，通过各种通信处理器来连接 AS-I 总线接口和 工业以太网总线系统7-8。 PLC 的基本组成包括:中央处理器 (CPU)、存储器、输入/输出(I/O)模块和电源模 块,本课题根据控制系统所需要的输入输出点数、信号种类和通信几方面考虑，选择所 需的 S7-300 硬件模块，如表 4 所

31、示。 表 4 PLC硬件模块 名称型号 电源模块 PS 307 2 A CPU模块CPU314（适用于程序量中等要求的应用） 数字量输入 SM321 32点 数字量输出 SM322 32点 中央处理器(CPU)是 PLC 的神经中枢，是系统的运算、控制中心。完成接收并存储 用户程序和数据；诊断电源、PLC 内部电路工作状态和编程过程中的语法错误，完成用 户程序中规定的逻辑运算和算术运算任务等。 存储器是 PLC 存放系统、用户程序和运行数据的单元。包括系统程序存储区、系 统 RAM 存储区、用户程序存储区。选型时应根据数字量 I/O 点数的 1015 倍，加上模 拟 I/O 点数的 100 倍

32、，以此数为内存的总字数，另外在按此数的 25%余量考虑。 输入/输出模块是 CPU 与现场 I/O 设备或其他外部设备的桥梁。I/O 进行选型时， 通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%余量。 3.2.2 输入输出端口分配 （1）S7-300 的 I/O 编址 S7-300 PLC 的信号模块能插在每个机架的第 4-11 槽里，这样就给每个信号模块确 定了一个具体的模块起始地址，该地址取决于它所在的槽和机架。实际 PLC 系统应根 据控制对象及控制要求选取模块，并将机架数量和槽位号相应缩减9。 S7-300 的信号模块的字节地址与模块所在的机架号和槽号有关，与地址和信号线 接在模块上

33、的哪个端子有关。对于数字量模块，从 0 号机架的 4 号槽开始，每个槽位 配 4B(4 个字节)的地址，相当于 32 个 I/O 点。最多可能有 32 个数字量模块，共占用 324B=128B。 （2）光电开关 光电开关常用作物体位置检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定 长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护 等诸多领域，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及 抗光、电、磁干扰能力强10。 辊道上和移载机上所装的是镜面反射型光电开关，为避免外界的干扰，可根据实 际情况将监测范围调小。板链上装的是对射式光电开光，以保证计数的

34、准确性。 （3）冰柜测试输送生产线输入输出端口分配如表 5 所示。 表 5 输入输出端口分配 序 号 名称 元件 符号 输入 点 序 号 名称 元件 符号 输出 点 1 开始按钮 SB1I0.01 进辊道 HL1Q0.0 2 移载机 1 进光感 SQ1I0.12 板链 1 HL2Q0.1 3 板链 1 进光感 SQ2I0.23 板链 1 检测 HL3Q0.2 4 板链 1 进安全光感 SQ3I0.34 出辊道 HL4Q0.3 5 板链 1 满光感 SQ4I0.45 进移载机 1 KM1Q0.5 6 移载机 1 出光感 SQ5I0.56 出移载机 1 KM2Q0.6 7 板链 1 出安全光感 S

35、Q6I0.67 板链 1 出过程指示 HL5Q0.7 8 关闭 1 SB2I0.78 板链 2 HL6Q1.1 9 移载机 2 进光感 SQ7I1.19 板链 2 检测 HL7Q1.2 10 板链 2 进光感 SQ8I1.210 移载机 2 进 KM3Q1.5 11 板链 2 进安全光感 SQ9I1.311 移载机 2 出 KM4Q1.6 12 板链 2 满光感 SQ10I1.412 板链 2 出过程指示 HL8Q1.7 13 移载机 2 出光感 SQ11I1.513 板链 3 HL9Q2.1 14 板链 2 出安全光感 SQ12I1.614 板链 3 检测 HL10Q2.2 15 关闭 2

36、SB3I1.715 移载机 3 进 KM5Q2.5 16 移载机 3 进光感 SQ13I2.116 移载机 3 出 KM6Q2.6 17 板链 3 进光感 SQ14I2.217 板链 3 出过程指示 HL11Q2.7 18 板链 3 进安全光感 SQ15I2.318 板链 4 HL12Q3.1 19 板链 3 满光感 SQ16I2.419 板链 4 检测 HL13Q3.2 20 移载机 3 出光感 SQ17I2.520 移载机 4 进 KM7Q2.5 21 板链 3 出安全光感 SQ18I2.621 移载机 4 出 KM8Q3.6 22 关闭 3 SB4I2.722 板链 4 出过程指示 HL

37、14Q3.7 23 移载机 4 进光感 SQ19I3.1 24 板链 4 进光感 SQ20I3.2 25 板链 4 进安全光感 SQ21I3.3 26 板链 4 满光感 SQ22I3.4 27 移载机 4 出光感 SQ23I3.5 28 板链 4 出安全光感 SQ24I3.6 29 关闭 4 SB5I3.7 30 关闭进辊道 SB6I4.0 31 板链 1 手动 SB7I4.1 32 板链 2 手动 SB8I4.2 33 板链 3 手动 SB9I4.3 34 板链 4 手动 SB10I4.4 35 进辊道手动 SB11I4.5 36 出辊道手动 SB12I4.6 37 关闭出辊道 SB13I4

38、.7 38 进辊道速段 1 SB14I5.0 39 进辊道速段 2 SB15I5.1 40 出辊道速段 1 SB16I5.2 41 出辊道速段 2 SB17I5.3 42 板链 1 速段 1 SB18I5.4 43 板链 1 速段 2 SB19I5.5 44 板链 2 速段 1 SB20I5.6 45 板链 2 速段 2 SB21I5.7 46 板链 3 速段 1 SB22I6.0 47 板链 3 速段 2 SB23I6.1 48 板链 4 速段 1 SB24I6.2 49 板链 4 速段 2 SB25I6.3 3.2.3 PLC 接线图 根据 I/O 分配表可知，需要 49 个数字量输入（其

39、中包括 25 个按钮输入，24 个传 感器输入），34 数字量输出（其中 12 个输出直作为调速端口与变频器直接相连）， PLC 外部输入接线如图 4、图 5 所示。 图 4 外部输入接线图 图 5 输出外部接线图 4 控制系统软件设计 4.1 可编程控制器 4.1.1 可编程控制器的工作原理及编程语言 PLC 采用循环扫描工作方式，工作过程一般包括 5 个阶段：内部处理、与编辑器等 的通信处理、输入扫描、执行用户程序、输出处理，其工作过程如图 6 所示。图 4-1 中当 PLC 处于 RUN（运行）时，执行所有阶段；当处于 STOP（停止）时，不执行后 3 个阶段，此时可进行通信处理11。

40、可编程控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程主要是： （1）输入处理：程序执行前，PLC 将全部输入端子的通、断状态写入输入映像寄 存器。在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不变，直到下一 扫描周期的输入处理阶段才读入这些变化。 （2）程序处理：对应用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其它软元 件的映像寄存器中将有关软元件的通、断状态读出，从 0 步开始顺序运算，每次运算 结果都写入到有关的映像寄存器中，各软元件的内容随着程序的执行在不断变化。输 出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。 图 6 PLC 工作原理图 （3）输出处理：全部指令执行完毕，

41、将输出映像寄存器的通、断状态向输出锁存 寄存器传送，成为 PLC 的实际输出。PLC 的外部输出触点对输出软元件的动作有一个响 应时问，即要有一个延迟才动作。 编程器是 PLC 的重要编程设备。它不仅可以用来编写程序，还可以用来输入数据、 检查和监控 PLC 的运行。随着计算机技术的发展 PLC 的编程环境越来越完善，使 PLC 的学习、设计、调试更方便，更快捷。SIEMENS 公司设计的 STEP7 就是专门为 S7- 300/400 系列 PLC 设计的编程环境12。 4.2 程序流程图 通过对辊道、板链工作过程分析，绘制程序流程图如图 7 所示。 进进箱箱进进箱箱进进箱箱进进箱箱 检检测

42、测完完毕毕 是是否否有有板板链链 正正在在岀岀箱箱 等等待待等等待待等等待待等等待待 岀岀箱箱岀岀箱箱岀岀箱箱岀岀箱箱 NNNN YYYY 检检测测完完毕毕检检测测完完毕毕检检测测完完毕毕 是是否否有有板板链链 正正在在岀岀箱箱 是是否否有有板板链链 正正在在岀岀箱箱 是是否否有有板板链链 正正在在岀岀箱箱 板板链链#1板板链链#2板板链链#3板板链链#4 运运行行 图 7 程序流程图 当程序运行后，四条并行的板链将会等待感应箱体的进入，进箱过程如图 8 所示， 当某板链移载机感应到箱体到位，移载机便会启动同时板链也开始启动，移载机通过 气缸装置将箱体顶起，到位后再通过皮带送至板链，箱体安全到

43、位后，移载机关闭下 降，送箱的同时板链末尾端的传感器也在时刻检测着箱体是否放满，如没有放满，将 会重复以上流程。如果该板链箱体放满，该板链将不再接收箱体，进入检测环节，其 它板链将会正常接箱。当检测完毕后（不合格的箱体将会被工作人员做上标记，出箱 后将会被筛出）。之后进行出箱，流程如图 7 所示，出箱时首先检测是否有其它板链 正在出箱，因为同一时间只能有一条板链出箱，如有其它板链正在出箱，该板链将会 继续等待，只有当没有板链出箱时，该板链才会出箱，出箱流程如图 9 所示，出箱时 出辊道启动，板链和移载机同时启动，移载机将箱体接到位后，板链停止移载机下降， 箱体安全离开移载机后，为一个循环。之后

44、判断箱体是否全部送出，如果全部送出则 为一个循环，板链重新回到送箱流程。 检检测测到到位位 冰冰柜柜由由辊辊道道进进入入 移移载载机机动动作作 冰冰柜柜送送至至板板链链 板板链链放放满满 板板链链检检测测 继继续续前前行行 Y Y N N N N Y Y 进进箱箱 图 8 板链进箱流程图 箱箱体体到到位位 板板链链与与移移载载机机同同时时动动作作 板板链链停停止止动动作作 移移载载机机关关闭闭 是是否否出出箱箱完完毕毕 箱箱体体出出箱箱到到位位 板板链链继继续续送送箱箱 Y Y N N N N Y Y 出出箱箱 进进箱箱 图 9 板链出箱流程图 4.3 程序的设计与分析 （1）冰柜在辊道上如何

45、安全的送至检测板链线，程序如图 10 所示。 图 10 程序图 当移载机感应到冰柜到位后，移载机启动，同时板链也随之启动，只有当板链进 光电传感器检测到下降沿后，也就保证了冰柜已安全送至板链，这时才关闭移载机， 板链延时 3s 关闭，为下一箱体送入留出安全距离。 （2）箱体之间的碰撞问题，程序如图 11 所示。 图 11 程序图 在每台移载机前方安全距离处都装有光线传感器，当有箱体正由移载机送往板链 的过程中，如果有其他箱体触发安全距离处的传感器会使 M0.3 接通，使进辊道电机暂 时关闭，直到移载机和板链都不动作时，进辊道电机才会重新自动接通。 （3）如何实现同一时间板链的同进同出，程序如图

46、 12 所示。 图 12 程序图 板链同进同出时，应以出为主，这样才不会使箱体之间发生碰撞，所以在出的过 程中板链的运动只配合出移载机运转，当检测时间到，接通 M0.5 后，进移载机便不能 控制板链，只能配合板链，这样就达到了同进同出且不会出现安全问题。 （4）何如解决同进同出时计数器问题，程序如图 13 所示。 图 13 程序图 为保证检测过的箱体全部安全送出，需加入计数器，以保证出箱的准确性，但如 果只有一个计数器，同进同出时，既有出又有进，计数器将发生混乱，所以在检测时 间到时将记好的数据保存并传送到另一计数器，并将前计数器清零，这样就不会影响 进出时的计数混乱问题。 （5）只能有一条板

47、链出箱，程序如图 14 所示。 图 14 程序图 当有板链正在出箱，是不允许有其它板链再次出箱，所以板链之间的出箱是互锁 的，以保证出箱的唯一性。 以上是对在冰柜输送生产线控制过程中所遇到的关键问题及解决方案。 5 系统软件仿真设计 系统软件仿真设计包括 S7-300 PLC 的编程环境和 S7-PLCSIM 仿真软件的使用。 S7-300 PLC 的编程环境是在 STEP7 中，首先通过 STEP7 创建新的项目并设定一些 PLC 必要的参数，之后在所需的各种块中编写程序。编写完程序，检查无错误语言后，再 通过 S7-PLCSIM 仿真软件进行仿真，S7-PLCSIM 仿真软件与 STEP7

48、 两者相互关联，通过 STEP7 将编好的程序下载到 S7-PLCSIM 仿真软件中进行仿真，之后通过观测仿真结果是 否符合系统控制要求而对其进行修整13。 5.1 S7-300 PLC 编程环境 （1）STEP7 项目的创建 STEP7 安装成功后，将在 Windows 桌面上 SIMATIC Manager （SIM 管理器）图标， 双击该图标后，激活 STEP7 助手，出现如图 15 所示。 图 15 设备配置向导 （2）设定 CPU 型号 在图 14 中单击“下一个”按钮，出现 CPU 设定界面，如图 16 所示。 图 16 CPU 型号 （3）组织块和编程语言的选择 为进一步选择其他组织块和编程语言，在图 16 中单击“下一步”按钮，出现图 17 所示界面。此时供选择的其他块有：OB10、OB35、OB40、OB100。选择的编程语言是 LAD(梯形图) 14。 图 17 组织块与编程语言 （4）硬件模块组态 在进入 STEP7 之后，应先对硬件进行选择，然后才能开始编程。进行硬件选择的 方法为：启动 SIMATIC Manager 后，即可进入 STEP7 操作界面，界面有标题栏、菜单 栏、工具栏、项目窗口栏等部分组成。 在所创建的项目窗口中，单机 CPU 项目栏，再双击有窗口中的“硬件”，即