饮料灌装机流水线的PLC控制系统设计

1、内容摘要作为通用工业控制计算机，可编程控制器实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，在世界工业控制中发挥着越来越重要的作用。而现代社会对灌装食品的安全要求越来越高，为使灌装出的食品整齐、美观并且具有良好的包装质量，要求灌装机具有精确的动作、定位精度及较高的生产率和一定的柔性，因此对灌装机的控制要求是越来越高。传统的继电器已经不能满足现代生产的要求了。所以研制高效、经济且有一定柔性的新型灌装机械是非常迫切的。本课题利用PLC 的功能和特点设计出了一款饮料灌装生产流水线控制系统。主要用了西门子S7-200PLC ，传感器，继电器等。采用 PLC 是用了它的自动控制能力好的特点，这样可以在生产过

2、程中无需有人控制。设计了以 S7-200系列 PLC 为基础的灌装机控制系统，硬件设计包括控制系统的硬件配置、输入输出点分配、计数显示和PLC 外部接线图的绘制；软件设计包括梯形图、语句表设计和控制系统流程图的绘制和七段码显示。关键词：工业控制：可编程控制器；系统硬件接线图；I/O 端口分配表目 录第1章 引言 ························

3、;····················· 11.1 设计内容 ···························

4、···············11.2 控制要求 ·································&#

5、183;········1第2章 系统总体方案设计 ································22.1 PLC的工作原理 ····

6、3;································22.2可编程序控制器的组成 ···············&

7、#183;···············22.3可编程序控制器的特点 ·······························32.4

8、可编程控制器PLC 的应用 ···························42. 5系统可靠性设计 ··················

9、83;·················5第3章 PLC控制系统设计 ······························

10、·73.1 确定I/O信号数量，选择PLC 类型 ·····················73.2 I/O地址的分配与编号 ·····················&

11、#183;··········83.3 PLC外部接线图 ·····································

12、;·93.4 七段码显示器示意图·································103.5七段码显示器显示数字09··········

13、3;················103.6控制流程图 ································

14、;·········113.7程序梯形图编制······································12 结论

15、 ··················································

16、;····21 设计总结 ············································

17、83;····22 谢辞 ············································

18、83;·········23 附录1 ·······································&#

19、183;············24 附录2 ····································&

20、#183;···············31 参考文献 ·································

21、;················32第1章 引言1.1设计内容：饮料灌装机的PLC 控制系统设计1.2控制要求：（1）系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或灌装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止；瓶子装满饮料后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。（2）当瓶子定位在灌装设备下时，停顿 1s，灌装设备开始工作，灌装过程为 5s 钟，灌装过程应有报警显示，

22、5s 后停止并不再显示报警；报警方式为红灯以0.5s 间隔闪烁。（3）用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数，一旦启动系统后，必须记录空瓶数和满瓶数，设最多不超过99999999瓶。（4）若12瓶为一箱，显示产品箱数。（5）可以手动对计数值清零（复位）。第2章：系统总体方案设计2.1 PLC的工作原理PLC 英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算, 顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过

23、数字或模拟式输入/输出控制各种机械或生产过程。PLC 采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。当PLC 运行时，CPU 根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。实际上，PLC 扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。如图2-1： 图2-1 PLC 循环扫描工作图2.2 可编程序控制器的组成可编程序控制器硬件由中央处理器、电源

24、、输出组件、输入组件、输入输出、编程器六部分构成:中央处理器（ Central Processor Unit 简称CPU ）：它是可编程序控制器的心脏部分。CPU 由微处理器（Microproce-ssor ）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。电源 （Power Supply）：给中央处理器提供必需的工作电源。 输入组件（Inputs ）：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。 输出组件（Outputs ）：输出组件接收CPU 的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，

25、传送控制命令给现场设备的执行器。输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。编程器（Programmer ）：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。2.3 可编程序控制器的特点现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程序控制器一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。它

26、的主要特点如下：(1抗干扰能力强，可靠性高。 微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I 0 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使PLC 具有较高的抗干扰能力。PLC 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。 继

27、电器接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。而PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。(2控制系统结构简单，通用性强。PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC 构成的控制系统中，只需在PLC 的端子上接入相应的输入输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC 装置用于不

28、同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。PLC 的输入输出可直接与交流220 V ，直流24V 等强电相连，并有较强的带负载能力。(3编程方便，易于使用。PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯。PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。(5功能完善。PLC 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入输出。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现定时、计

29、数、锁存、比较、跳转和强制I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此PLC 具有极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。2.4可编程控制器PLC 的应用目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、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，使用情况大致可归纳为如下几类。(1开关量的逻辑控制。这是PLC 最基本、最广泛的

30、应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、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。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2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（Analog ）和数字量（Digital ）之间的A/D转换及D/A转换。PLC 厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 (3运动控制。PLC 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

31、器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4过程控制。过程控制是指对温度、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。大中型PLC 都有PID 模块，目前许多小型PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的PID 子程序。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。(5数据处理。现代PLC 具有数学运算（含

32、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，或将它们打印制表。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。(6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，工厂自动化网络发展得很快，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。新近生产的PLC 都具有通信接口，通信非常方便。2.5

33、系统可靠性设计用PLC 实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC 在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC 工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC 了。 （1）在硬件方面：PLC 的输入输出电路与内部CPU 是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU 板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC 程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。PLC 使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC 能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC 耐振动

34、、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC 可高达80-90度。有的PLC 的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU 、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。（2）在软件方面：PLC 的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的冒险竞争，其控制结果总是确定的

35、；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC 对应急情况的及时响应，使PLC 能可靠地工作。为监控PLC 运行程序是否正常，PLC 系统都设置了看门狗（Watchingdog ）监控程序。运行用户程序开始时，先清看门狗定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms ），则报警。严重超时，还可使PLC 停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC 将正常工作。显然，有了这个看门狗监控程序，可保证PLC 用户程序的正常运行，可避免出现死循环而影响其工作的可靠性。PLC 还有很多防止及检测故障的指

36、令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC 的工作状况，以及PLC 所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。PLC 每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。正是PLC 在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC 具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。曾有人做过为什么要使用PLC 的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC 工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC 能可靠工作，作为它的首选指标。第3章：PLC

37、 控制系统设计3.1 确定I/O信号数量，选择PLC 类型本设计采用PLC 来实现对饮料罐装生产流水线的控制。随着PLC 技术的发展，PLC 产品的种类也越来越多。不同型号的PLC ，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC ，对于提高PLC 控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC 的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。根据对生产流水线控制系统的控制要求分析, 其输入信号有系统的开启、 停止按钮信号和手动清零按钮信号; 输出信号有传送带驱动信号、警示灯信号和数码

38、管信号。综合七段码显示原理及位选原理确定, 系统所需的输入点数为6, 输出点数为12, 所以该系统属于小型单机控制系统。 选用西门子的S7-200系列CPU226型号PLC 。3.2 I/O地址的分配与编号表3-1 I/O分配表 3.3 PLC外部接线图图3-1 PLC外部接线图 93.4 七段码显示器示意图图3-2 七段码显示器示意图 3.5七段码显示器显示数字09表3-2七段码显示器显示数字09 103.6控制流程图图3-3 控制流程图 113.7程序梯形图编制主程序 12 13 14 15 16 17 18 结论由于使用的是以PLC 作为核心的控制元件, 使得电路的可靠性比较高, 功能也

39、比较强大, 而且可以随时的更新系统, 进行不同状态的组合，并且用PLC 编程方便灵活。美中不足的是PLC 的价格都普遍比较昂贵，使用PLC ，还要考虑经济指标。经济是基础，经济上不合算，不能带来经济效益，使用PLC 也就没有基础。所以，这个指标也是重要的。经济指标最简单的就是看价格。一般讲，同样技术性能的PLC ，价格低其经济指标就好。设计总结经过本次课程设计，让我更加深刻的学习和巩固了电气控制及PLC 这门课程，不仅从理论上掌握了课堂上没有学懂的知识，还从实践中拓宽了我的知识面，让我对我们专业的知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是如此的强，可以通过平时学的知识自己设

40、计很多有意思的电子产品，不仅能培养我们的兴趣爱好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。在这次课程设计中遇到了很多问题，也获得了很多意想不到的知识。在每次突破一个问题后都有种久违的满足感，甚至对每发现一个问题都有种莫名的兴奋。虽然这次的课程设计整整花了我一个多星期的时间，每天从早到晚，头脑中就只有这个设计，甚至屡次因为忙于修改方案，调试程序，想解决问题的方法而忘记吃饭、休息，这种感觉不像高中时段那样被人追着学习，而这是自主的去思考突破，是自身的能动力起了作用。因此，这次的课程设计很有意义。感谢我们院上的领导为我们精心安排了这次课程设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以外的许多东西，比

41、如吃苦耐劳的精神、专研问题的韧劲等等，在此特别感谢我们PLC 课程的王宗才老师每天来到教室为我们传授丰富的知识和经验，感谢王老师的悉心教导才有了我们的设计取得突破性进展。通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC 的基本原理、PLC 应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。谢辞感谢学校为我们精心安排了这次课程设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以外的许多东西，比如吃苦耐劳的精神、专研问题的韧劲等等。特别感谢我们课程设计的王宗才老师每天来到教室为我们传授丰富的

42、知识和经验，感谢王老师的悉心教导才有了我们的设计取得突破性进展。附录1Network 1 / 网络标题 / 网络注释LD I0.0O M0.0AN I0.1= M0.0Network 2LD M0.0CALL SBR0CALL SBR1NOTR Q0.0, 1END_ORGANIZATION_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK 生产:SBR0 TITLE=子程序注释 BEGINNetwork 1 / 网络标题 / 网络注释LD SM0.0= Q0.0Network 2LD I0.2S S0.0, 1Network 3LSCR S0.0Network 4LD SM0.0TON T37,

43、 10Network 5LD T37SCRT S0.1Network 6SCRENetwork 7LSCR S0.1Network 8LD SM0.0LPSA SM0.5= Q0.1LPPTON T38, 50LD T38SCRT S0.2Network 10SCRENetwork 11LSCR S0.2Network 12SCRENetwork 13LD SM0.0CRETEND_SUBROUTINE_BLOCKSUBROUTINE_BLOCK 记数显示:SBR1 TITLE=子程序注释BEGINNetwork 1 / 网络标题 / 网络注释LD I0.5= M0.1Network 2LD

44、I0.3EUINCD VD0Network 3LD M0.1ANDD 0, VD0Network 4LD I0.3EULD C0O M0.1CTU C0, 12Network 5LD C0= M0.2Network 6LDN M1.1AN M1.2AN M1.3AN M1.4AN M1.5AN M1.6AN M1.7AN M2.1 = M1.0 Network 7 LD M0.2 RLW MW10, 1 Network 8 LD M2.2 LPSEU= M2.3 LPPR M1.1, 10 Network 9 LDN M3.1 AN M3.2 AN M3.3 AN M3.4 AN M3.5 A

45、N M3.6 AN M3.7 AN M4.0 AN M4.1 = M3.0 Network 10 LD M2.3 RLW MW12, 1 Network 11 LD M4.2 EU= M4.3R M3.1, 10 Network 12 LDN M5.1 AN M5.2 AN M5.3 AN M5.4 AN M5.5 AN M5.6 AN M5.7 AN M6.0 AN M6.1 = M5.0 Network 13RLW MW14, 1 Network 14 LD M6.2R M5.1, 10 Network 15 / 0LD M1.0A M7.0 LD M3.0A M7.1 OLDLD M5.

46、0A M7.2 OLDMOVW +63, QW0 Network 16 / 1LD M1.1A M7.0 LD M3.1A M7.1 OLDLD M5.1A M7.2 OLDMOVW +6, QW0 Network 17 / 2LD M1.2A M7.0 LD M3.2A M7.1 OLDLD M5.2A M7.2 OLDMOVW +91, QW0 Network 18 / 3LD M1.3A M7.0 LD M3.3A M7.1OLDLD M5.3A M7.2 OLDMOVW +79, QW0 Network 19 / 4LD M1.4A M7.0 LD M3.4A M7.1 OLDLD M5.4A M7.2 OLDMOVW +102, QW0 Network 20 / 5LD M