基于PLC的生产线自动装箱系统设计

常州工学院学士学位论文目录TOC\o"1-2"\h\u4836第一部分设计任务与调研 33371毕业设计的主要任务 36395第二部分设计说明 4255671可编程控制器的结构 4239282可编程控制器的工作原理 5291943理论分析 8163024基于PLC的生产线自动装箱系统 1118026第三部分设计成果 17282121设计成果 17250992作品特点 18100683PLC梯形图程序 183518第四部分结束语 2111682第五部分致谢 2212992第六部分参考文献 23

第一部分设计任务与调研1毕业设计的主要任务对生产线上某种产品自动按指定数量（如12个）装箱，产箱装箱前及装箱后都由传送带传送。生产线自动装箱控制装置示意如任务书图所示，生产产品由传送带A传送，装入由B传送的空箱中。每12个产品装入一箱，当传送带A传送12个产品装入一箱后，传送带B将该箱产品移走，并传送下一个空箱到指定位置等待传送带A传送来的产品。1.1调研目的本设计旨在研究在两传送带下使产品装箱的自动化控制，使其系统能够正常自动运行完成产品的装箱。其过程为对生产线上某种产品自动按指定数量装箱，产箱装箱前及装箱后都由传送带传送。利用PLC进行系统设计、开发。课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。1.2设计思路解决传送带B拖动空箱到达指定位置的控制，可利用光电开关SQ2检测传动带拖动集装箱B是否到达指定位置。传送带B到达指定位置后如何实现制动，到达指定位置后SQ2得电传送带B制动停止，可将电机两相调换接触器接入传送带B电机将其实现制动由于光电开关得电只是瞬时性的所以不必担心会成为反转。传送带B制动后传送带A的启动，在传送带B制动的同时传送带A得电运行。计数到达12个时传送带A如何停止以及如何实现制动，可利用计数器C0计数满12个后得电来启动传送带B，同时传送带A电机反转实现传送带A制动，传送带A制动后传送带B的启动怎么形成一个循环的过程。计数满12的同时传送带B启动，计数器复位，可使上述过程反复循环。第二部分设计说明1可编程控制器的结构PLC实质上是一种专门用于工业控制的通用计算机，虽然各国生产的PLC外型各异，但其控制系统硬件结构基本相同。PLC主要由CPU与存储器模块、输入模块、输出模块和编程器组成。1.1CPU与存储器模块在PLC控制系统中，CPU相当于一个人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出，负责PLC系统协调一致的工作。PLC的存储器分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使PLC具有基本的只能，能够完成PLC设计者规定的各种工作。系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM中，用户不能直接读取。用户程序由用户设计，它决定了PLC输入信号与输出信号之间的具体关系。1.2I/O模块输入模块和输出模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁，起着PLC和外围设备之间传递信息的作用。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等送来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀变频器等执行装置。CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的输入/输出信号电压较高，例如DC24V和AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能会损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模块中，用光电耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部I/O电路。I/O模块除了传递信号外还有电平转换与隔离的作用。1.3编程设备编程设备可以是专用的手持编程器，或者是安装了编程软件的计算机，它们用来生成、编辑、检查和修改用户程序，还可以用来监视用户程序执行情况。手持编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程或者用于现场调试和维护。现在的趋势是用计算机和编程软件来取代手持编程器。使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图和指令表程序，可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。1.4电源PLC一般使用AC220V或DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、DC±12V和DC24V等电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源，驱动PLC负载的交、直流电源一般由用户提供。此外，PLC还为掉电保护提供了后备电池。除上面介绍的几个主要部分外，PLC上还常常配备有连接各种外围设备的接口，并均留有插座，可通过电缆方便地配接诸如串行通信模块、EPROM写入器、打印机、录音机等。2可编程控制器的工作原理PLC有两种基本的工作模式，即运行（RUN）模式与停止（STOP）模式。在运行模式时，PLC通过反复执行用户程序来实现控制功能。为了使PLC得输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断重复执行，直至PLC停机或切换到STOP模式。PLC重复执行用户程序都是以循环扫描方式完成的【1】。2.1扫描当PLC的方式置于“RUN”位置时，即进入运行状态，在程序运行的模式下，PLC用户程序执行采用独特的周期循环扫描工作方式。每一个扫描周期分为读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断和写输出5个阶段【2】。2.2可编程控制器的工作过程PLC的工作过程基本上就是用户程序执行过程，它在系统软件的控制下，依次扫描各输入点状态（输入采样），按用户程序解算控制逻辑（程序执行），然后顺序向各输出点发出相应的控制信号（输出刷新）。除此之外，为提高工作可靠性和及时接受外部控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断（自诊断），处理与编程器、计算机的通信请求（与外设通信）。PLC的扫描工作过程如图1、图2所示：自诊断自诊断自诊断自诊断自诊断自诊断与外设通信与外设通信与外设通信与外设通信与外设通信与外设通信程序执行图2程序执行输出刷新输出刷新图1(1)自诊断PLC每次扫描用户程序前,对CPU、存储器、I/O模块等进行故障诊断，发现故障或异常情况转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，停机并显示出错误信息。(2)与外设通信在自诊断正常后，PLC对编程器、上位机等通信接口进行扫描，如有请求便响应处理。以与上位机通信为例，PLC将接收上位机发来的指令并进行响应操作，如把现场I/O状态、PLC的内部工作状态、各种数据参数发送给上位机，以及执行启动、停机、修改等命令。(3)完成输入采样完成前两步工作后，PLC扫描各输入点，将各点状态和数据（开关的通/断、A/D转换值、BCD码等数据等)读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储，这个过程也称为采样。在一个扫描周期内，即使外部输入状态已发生变化，输入映像寄存器中的内容也不改变。(4)程序执行PLC从用户程序存储器的最低地址（0000H)开始顺序扫描（无跳转情况），并分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入输出映像寄存器中保存，但这个结果在全部程序执行完毕之前不会送到输入端口上。(5)输出刷新在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到寄存器输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，称为输出刷新。PLC重复执行上述五个步骤，按循环扫描工作方式，实现对生产过程和设备的连续控制。直至收到停止命令、停电、出现故障等才停止工作。设上述五个步骤所需时间分别为T1、T2、T3、T4、T5，则PLC的扫描周期为舞步操作时间之和，用T表示：T=T1+T2+T3+T4+T5不同型号的PLC，各步工作时间不同，根据使用说明书提供的数据和具体的应用程序可计算出扫描时间。总之，采用循环扫描的工作方式，是PLC区别于微机和其他控制设备的最大特点，使用者对此应给予足够重视【1】。3理论分析3.1如何实现生产线的自动化此次设计任务是由两个电机分别控制两条传送带的运动以及制动，由传送带B先行拖动空箱到达指定的位置，由光电开关检测空箱是否到达指定位置后，光电开关检测到空箱到达了指定位置后，光电开关得电将连接到控制传送带B的电机反转的接触器得电实现电机反转制动，由于光电开关2得电只是瞬时性的所以不必担心会成为反转。与此同时光电开光得电后控制传送带A的电机得电传送带A运行，此时产品逐个落入空箱内，由光电开光1检测，检测到产品落下后由一个上升沿接入计数器C0计数器开始计数，当计数满12个时，计数器复位。且此时由于计数器同时得电而使得控制传送带A电机的接触器得电实现电机反转制动。同时可将C0的得电来控制传送带B开始运动拖动箱体前行故而使其上述过程反复循环。3.2PLCPLC即为可编程控制器，是一种以CPU为核心的计算机工业控制装置。早期的可编程控制器称做可编程逻辑控制器（programmablelogiccontroller）,简称PLC，用它来代替继电器实现逻辑控制。随着微电子技术、计算机技术、通信技术等的飞速发展，可编程控制器的功能已大大超过了逻辑控制的范围，所以，目前人们都把这种装置称做可编程控制器，简称PC.为了避免与目前应用十分广泛的个人计算机（personalcomputer,简称PC）相混淆，本文仍将可编程控制器简称PLC【1】。3.2.1PLC机型的选择PLC主要有整体式和模块式两种结构类型。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且相对体积较小，一般用于控制系统工艺过程较为固定、环境条件较好、维修较少的小型控制系统中。而模块式PLC的功能扩展灵活方便，一般用于较复杂的控制系统【3】。机型的选择主要由以下几点来选择：合理的结构类型；安装方式；相应的功能要求；响应速度的要求；系统可靠性要求。针对此次基于PLC传送带自动装箱控制系统，根据开关量点数输入输出可大概估测出I/O点数小于256,以及响应速度要求，功能要求等,决定使用西门子S7-200软件进行编程设计。3.3PLC控制过程分析按下启动按钮SB2，接触器KM1得电自锁拖动箱体运行，到达指定位置后光电开关2得电其与Q0.1相连的常闭触点断开，与KM6常开触电闭合实现制动，与传送带A相连的接触器KM2得电闭合传送带A启动运行产品逐个落入箱体。光电开关1得电计数器获得一个上升沿计数器计数一个，当检测到12个时计数器复位，传送带A制动停止，传送带B开始启动运行。工艺流程图：传送带A运行传送带B运行按下启动按纽光电开关2得电传送带A运行传送带B运行按下启动按纽光电开关2得电传送带B停止制动传送带B停止制动传送带A停止，制动传送带A停止，制动光电开关1得电计数器计数计数满12个光电开关1得电计数器计数计数满12个计数器复位计数器复位3.4PLC控制程序的设计控制程序设计是以系统实现的工艺要求、硬件组成和操作方式等条件为依据而设计的。3.4.1设计要求（1）紧密结合生产工艺过程；（2）熟悉控制产品的硬件结构；（3）兼有计算机和自动控制两方面的知识。3.4.2程序设计的方法时序流程图法；步进顺控法；经验法；计算机辅助设计。3.4.3程序设计的过程(1)对系统任务分块分块的目的是把一个复杂的问题分成多个小问题，便于编制程序。（2）编写控制系统的逻辑关系图逻辑关系可以反映出各个控制活动顺序，逻辑关系反映了输入输出的关系；绘制各种电路图；在绘制电路图时需要考虑输入电压电流是否合适以及在特殊条件下运行的可靠性，特别需考虑是否会把高压引导到PLC输入端，这样会对PLC造成较大伤害。编写PLC程序控制程序是整个控制系统的核心，是保证系统工作正常、可靠的关键。仿真调试利用西门子S7-200仿真软件可以对编写的程序进行模拟仿真，控制程序必须经过反复调试、修改、直到符合控制工艺要求。4基于PLC的生产线自动装箱系统4.1主要内容(1)按下控制装置启动按钮后，传送带B先启动运行，拖动空箱体前移至指定位置，达到指定位置后，由SQ2发出信号，使传送带B制动停止。(2）传送带B停车后，传送带A启动运行，产品逐一落入箱内，由传感器检测产品数量，当累计产品数量达到12个时，传送带A制动停车，传送带B启动运行。(3)上述过程周而复始进行，直到按下停止按钮，传送带A和传送带B同时停止。(4)应有必要的信号指示，如电源有电、传送带A工作和传送带B工作等。(5)传送带A和传送带B应有独立点动控制，以便于调试和维修。4.2I/O分配表输入输出启动SB1I0.0控制传送带B运动KM1Q0.1停止SB2I0.1控制传送带A运动KM2Q0.0手动计数复位SB3I0.2传送带A点动KM3Q0.3光电开关1SQ1I0.3传送带B点动KM4Q0.2光电开关2SQ2I0.4传送带A制动KM5Q0.5热继电器FRI0.5传送带B制动KM6Q0.6传送带B点动SB4I0.6电源有电LQ0.4传送带A点动SB5I0.74.3电路主电路图4.4控制电路图4.5硬件接线图4.6PLC梯形图4.7语句表第三部分设计成果设计成果基于PLC的自动装箱系统所编写的梯形图程序经过S7-200仿真软件调试如下图所示：2.作品特点该系统解决了传统以继电器控制硬件电路的方法，采用人机界面取代继电器，通过软件的方式控制硬件电路。由于PLC具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，以及编程简单，维护方便，通讯灵活等优点。但是该设计尚有不足，还有很多的扩展功能没有实现，例如对产品计数错误的检测功能传送带数量少不能适应市场上更高的需求等。该系统经过多次的调试表明该系统性能稳定、可靠、冗余性强，能很好地适用于连续工作。本次设计的生产线自动装箱PLC控制系统，实现了生产线装箱的自动化控制，其硬件结构简单，成本低廉，响应速度快，性能、价格比高，具有良好的市场应用价值。本次设计的生产线自动装箱PLC控制系统，实现了生产线装箱的自动化控制，其硬件结构简单，成本低廉，响应速度快，性能、价格比高，具有良好的市场应用价值。3.PLC梯形图程序

第四部分结束语在此次毕业设计中开始根据控制要求，任务书通过此次任务所需要的I/O点数等最终确定使用西门子S7-2OO软件编写梯形图程序，使用了CAD画主电路控制电路图，通过S7-200仿真软件进行调试。有些地方经历了多次的修改，直至最后能够成功的表达出如期所表现的结果，使PLC程序成功的运行。在查阅资料的过程中通过了向图书馆借阅资料，网上查找资料借鉴参考了多位作者的著作。

在查找了足够的资料后开始着手毕业设计理论部分的写作，在遇到问题时自己通过网上发提问，向指导老师咨询等方式最终都成功地解决了问题。在完成毕业设计理论部分的写作后开始了电路图的绘制和程序的编写。电路图的绘制先在草稿纸上画出电路图在经过多次的修改，再使用绘图软件将其画出来。程序的编写也是先将其在稿纸上书写，通过西门子仿真软件进行监控，运行然而几次结果都不尽人意，最后也经过了多次的修改才得以表达出了期望的结果。本次设计经过多次的调试仿真结果表明该系统性能稳定、可靠、冗余性强，能很好地适用于连续工作。本次设计的生产线自动装箱PLC控制系统，其硬件结构简单，成本低廉，响应速度快，性能、价格比高，具有良好的市场应用价值。该系统解决了传统以继电器控制硬件电路的方法，采用