PLC传送带自动装箱控制系统设计

.z.目录一．课程设计目的……………………31.1课题背景………………………31.2生产线自动化的发展概括……………………41.2.1国生产线自动化发展概括……………………41.2.2国外生产线自动化发展概括…………41.3本文主要研究容……………41.3.1设计任务书……………41.3.2主要解决的问题………………………4二．课程设计题目描述和要求………………5三．课程设计报告容………………72.1方案论证………………………72.1.1采用传统继电接触器电气控制系统…………………82.1.2采用PLC可编程序控制器控制系统…………………82.1.3方案比较与选择………………………82.2PLC的硬件结构及工作原理…………………102.2.1PLC控制系统组成……………………102.2.2PLC的工作过程………………………112.3控制系统构成图和工作流程………………112.3.1控制系统构成图………………………132.3.2控制系统工作流程图…………………142.4控制系统硬件设计…………152.5控制系统软件设计…………162.5.1控制系统逻辑分析…………………162.5.2控制系统程序设计…………………172.6系统程序调试及结果…………17四.结论…………20五.参考文献……………………21第1章课程设计目的1.1课题背景在我们现在的大背景中，无论是从工厂的生产，到能源的输送，还是到与人民生活息息相关的市政工程，甚至人们的工作和休息的楼宇，随处都可以看到自动化系统的身影。自动化系统不仅早就成为了工业和社会生活的一个组成部分，而且是经济发展水平的重要标志。在自动化生产日渐普及的今天，包装机械的自动化程度直接影响到产品的质量和生产效率。在现代化的工业生产中常常需要对产品进行计数，包装，如果这些繁杂的工作让人工去完成的话不但麻烦，而且效率低，劳动强度大，不适合现代化的生产需要。为了适应现代化的大规模生产*种产品，进一步加快工业现代化的发展，提高国民经济，改善人民的生活水平,就必须设计一套完整的自动化生产线，以便用这自动化的生产线来代替人工完成这些繁杂的工作。而且需要对其进行计数，包装，自动化技术的提高能大幅度的提高经济效益，这在包装业中表现的特别明显。近年来，包装生产线的自动化、电子监测和控制系统持续发展，使的包装企业以高速度、较少的停机时间和包装故障，以及产品损耗减少、工伤和老毛病降低等优点而获得出色的成績。2002年11月3至7日在芝加哥举行的国际PACKE*PO上，我們可以看到多家自动化公司展示的最新的包裝设备和新技术。这些经济实用的自动化技术将会成为未来的发展力量。可见自动装箱技术的应用前景十分广阔。近年来，生产线上的自动化控制应用已越来越多，越来越广泛。随着工业生产自动化水平的不断加快，对控制系统提出了愈来愈严格的要求。随着大规模集成电路广泛应用，控制系统本身也得到长足发展，已由原来的分立元件、继电器控制，发展成为大规模集成电路的微机控制。控制方式也由原来的分散控制发展为集中控制。正是在这种发展的需求下，可编程控制器应运而生。由于可编程控制器（PLC）具有体积小、抗干扰能力强、组态灵活等优点，因而在工业控制系统中得到非常广泛的应用。在自动生产线检测控制系统中，可编程控制器主要用作下位机，检测各状态点的状态，直接控制系统的启、停和其他控制单元的投切，并将各点的状态送给上位机——计算机，计算机综合可编程控制器和其他设备的数据，作出相应的处理和显示。自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。1.2国外生产线自动化发展概况从上世纪30年代开始，机械加工企业为了提高生产效率，采用机械化流水作业的生产方式，大型自动生产线承担的加工对象也随之改变。生产线的控制系统使用的继电器数量很多，在频繁动作情况下寿命较短，使生产线的可靠性降低。为了解决这一问题，1969年美国数字设备公司率先研制出第一台可编程控制器（简称PLC），并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功。70年代出现了计算机群控系统，即直接数控（DNC）系统，由一台较大型计算机控制与管理多台数控机床和数控加工中心能完成多品种，多工序的产品加工。近年来又出现了计算机集成制造系统（CIMS），综合运用计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM），智能机器人等多项高技术。近十几年来，国外PLC技术取得了飞跃，其容量成倍扩大、体积不断缩小、功能不断增强，不但具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有PID等特殊控制功能，可直接进行A/D、D/A转换，还开发管控一体化。1.3主要解决的问题在传统的工业控制中，一般都是由继电器来进行控制的，当今的PLC吸收了微电子技术和计算机技术的成果。在很多领域，PLC已经取代了继电器进行控制。在传统的控制中，传送带的控制通常是通过继电器来完成，维护复杂。本设计介绍了通过PLC来对传送带进行自动控制。该系统有两个传送带，即包装箱传送带和产品传送带。包装箱传送带用来传送产品包装箱，其功能是把已经装满的包装箱运走，并用一只空箱来代替。为使空箱恰好对准产品传送带的末端，以便使产品刚好落入包装箱中，在包装箱传送带的中间装一光电传感器，用以检测包装箱是否到位。产品传送带将产品从生产车间传送到包装箱，当*一产品被送到传送带的末端，会自动落入包装箱，并由另一传感器转换成计数脉冲。依据提出的要求，我们需要解决的关键是对传送带B拖动空箱到指定位置的控制；以及传送带B制动后传送带A的启动和传送带A制动后传送带B的启动，怎么使其形成一个循环的过程，对传送带的控制还应该设置报警功能；同时传送带A和传送带B应有独立点动控制，以便于调试和维修；最后还要对传送带A运送的产品进行指定数量的检测。对于传送带的控制可采用步控指令实现步进控制；而对于传送带的独立点动控制可设置一个手动控制按钮，当其按下时，系统可进行独立点动控制。对于PLC这些都可通过软件完成要求；其中需要用传感器来进行位置检测和产品计数。第2章控制系统的设计2.1.1采用传统继电—接触器电气控制系统由于继电—接触器电气控制线路简单，价格低廉，多年来在各种生产机械的电气控制领域中，应用十分广泛，而且技术上也十分成熟，因此受到大力推广。但是在一些较为复杂的控制系统中，特别是涉及到时序控制的自动控制系统，必须使用大量的中间继电器、时间继电器、接触器等，而且控制线路复杂、器件多、接点多，因而在这类控制系统中可靠性低、可维护性差。2.1.2采用PLC可编程序控制器控制系统PLC可编程序控制器其实就是工业控制计算机，用以取代传统的中间继电器、时间继电器、计数器等，并具有一切计算机控制系统的功能。目前PLC已成为工业控制的标准设备，其应用面几乎覆盖了整个工业企业，广泛应用于化工、石油等企业的现代过程控制中。2.1.3方案比较与选择采用传统据电—接触器电气控制系统，虽然价格低廉，但大量的中间继电器、时间继电器，使得线路复杂、器件多、接点多、可靠性低，而且一旦出现故障，检修困难。用于自动控制系统中，其反应时间、跟踪能力差，有可能使得系统不能正常运行。而采用PLC可编程序控制器，其优点如下：（1）具有高可靠性。PLC除采用优质器件等外，在硬件方面采用了较先进的电源，用以防止由电源回路串入干扰。其部采用了电磁屏蔽，以防辐射干扰。而外部输入/输出电路则一律采用光电隔离，加上常规滤波和数字滤波；软件方面设置了警戒时钟WDT、自诊断等措施。因而使得PLC的平均无故障时间达到30万小时，被称为“永远不坏的控制器”，因而可靠性优于传统继电—接触器电气控制系统。（2）灵活性高、扩展性好、通用性强。它采用程序使得硬件软件化，对于不同的控制系统，只需改变程序即可，因而通用性强。而且现场接口容易，设计周期短。（3）功能强。PLC具有自诊断、监控和各种报警功能既可完成过程控制，又可进行闭环回路的调节控制，而且在将来的工控领域，可以说是无所不能。由于生产线上的恶劣环境和电磁干扰，一般的电子仪器都会受到干扰。而PLC是从取代工厂继电器线路、进行顺序控制发展开来的工业控制产品。PLC由于具有可靠性高、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。在电器控制系统中得到广泛应用。PLC不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成定时、计算、计数和各种闭环控制功能。整个控制系统利用PLC控制传送带实现了空箱传送、产品运输、产品计数等功能。并且有手动控制和自动控制两种控制方式。在生产线自动装箱控制的传送带控制系统应用，可使生产线的控制更加灵活、可靠。进而提高生产效率，突现节约用工，改善工人工作环境，减轻工人劳动强度，节约材料消耗和用工。因此，本文选择PLC控制系统。2.2PLC的硬件结构及工作原理PLC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU,RAM,ROM和输入、输出接口电路等。其部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量→PLC→输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测信号等均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入端子输入到部寄存器中，经PLC部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，作为PLC的输出变量，对外围设备进行控制。PLC的一般部逻辑结构框图如图2-1所示。电磁阀行程开关指示灯编程器或其他设备输入接口电磁阀行程开关指示灯编程器或其他设备输入接口电磁线圈按钮输出接口CPU电磁线圈按钮输出接口CPU继电器触点继电器触点程序存储器程序存储器电源电源图2-1PLC的逻辑硬件结构框图2.2.1PLC控制系统组成①输入部分：如按钮开关、限位开关等，直接与PLC输入端子相连接，用以产生输入控制信号，这些信号一般来自操作台上的人工指令。②控制部分:反复执行根据被控对象的实际控制要求所编制的处理程序，并产生各种输出控制信号。③输出部分:如接触器、电磁阀等，它们与PLC输出端子相连接，用以控制被控对象的动作。2.2.2PLC的工作过程①输入处理:PLC以重复扫描方式执行用户处理程序，在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态(输入信号)读入输入映象寄存器中，然后开始执行用户处理程序.在执行过程中，即使输入信号发生变化，输入映象寄存器的容也不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才重新读取输入状态。②程序控制:在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序，每执行一条程序所需要的信息都从输入映象寄存器和其他部寄存器中读出并参与计算，然后将执行结果写入有关输出映象寄存器中。③输出处理:当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，构成PLC的实际输出并由输出端子送出。随着微电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，已进入过程控制和位置控制等领域，成为一种多功能、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。2.3控制系统构成图和工作流程2.3.1控制系统构成图生产线自动装箱的PLC控制系统图如图2-2所示。启动按钮启动按钮独立点动输入停止按钮光电传感器传送带控制电机指示灯报警器PLC图2-2生产线自动装箱的PLC控制系统图2.3.2控制系统工作流程图1当按下控制装置的自动控制按钮后，传送带B先启动运行，拖动空箱前移至指定位置，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，由传感器检测产品数量达12个时，传送带A制动停止，传送带B启动运行。3上述过程循环地进行，直到按下停止按钮，传送带A和传送带B同时停止，其工作流程图如图2-3所示。4当按下手动选择按钮后，系统停止上述的自动控制运行，而可以手动进行控制传送带A和传送带B的运行，以便于调试和维修。图2-3生产线自动装箱工作流程图2.4控制系统硬件设计根据自动装箱系统的控制要求,系统应有手动控制和自动控制功能。为了避免意外事故或故障的发生，系统设有报警器。系统的具体设计过程如下：（1）I/O点数的估算系统输入信号：自动控制按钮，需要1个输入端；手动控制按钮，需要1个输入端；停止按钮，需要1个输入端；手动控制时，传送带A和传送带B独立点动控制按钮需要2个输入端；产品数量检测信号SQ1和空箱位置检测信号SQ2，需要2个输入端；故障报警消音按钮，需要1个输入端。以上共需8个输入信号点。系统输出信号：传送带A和传送带B，需用2个控制输出端；系统上电指示和手动指示、装箱指示需要3个输出端；一个报警器，需要1个输出端。以上共需6个输出信号点。（2）用户应用程序占用存大小的估算用户应用程序占用多少存与I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等因素有关，因此在程序设计之前只能粗略地估算。根据经验，此应用程序占用存的大小可作如下估算：开关量输入：8*10=80字节；开关量输出：6*8=48字节；定时器/计数器：（2*3+1*3）=9字节。共计137字节，在加上程序存储空间和备用存储空间，初步估计共需1K字节。（3）PC型号的选择,因为本系统是对开关量进行控制的应用系统，而且对控制速度要求不高，所以可选用西门子系列的S7-300型可编程控制器PLC作为控制核心，该单元为20点I/O，12点输入，8点输出，所以满足系统输入、输出点需要。西门子S7-300型系列PLC的特点：·高速计数器能方便的测量高速运动的加工件。·扩展能力增强，最大到12ch的模拟量。·带高速扫描和高速中断的高速处理。·可方便的与西门子的可编程序终端(PT)相连接，为机器操作提供一个可视化界面。·A/D、D/A精度大幅度提高，分辨率为1/6000。·可进行分散控制和模拟量控制。·通讯功能增强，提供置RS232C端口及RS485的适配器。S7-300虽然体积小，但是提供了许多功能。具有强大的模拟量扩展功能，能够带3块模拟量输入输出模块；能够连接触摸屏；提供新的适配器，把外设口转成RS485口。为小型的紧凑型设备提供人机界面(HMI)和高精度的测量方法。采用S7-300将在很小的空间获得许多先进的功能。小机壳会聚了先进的功能和优异的表现。为轻工行业、医疗制冷行业，传送设备和紧凑型的制造商提供更优越的性能和更高的附加值。西门子小型系列PLC具有优异的性能价格比，所组成的控制系统具有如下技术特点：·稳定的性能西门子系列PLC外型小巧结构紧凑，西门子公司长期积累的生产控制经验和严格的技术标准保证了其可靠稳定的性能，即使在恶劣的工业环境下仍然能正常运行。更经过高低温的考验，使得该PLC可以适用在特殊的场合。·通讯功能增强提供置的RS232C端口和RS422端口。西门子完全开放的通讯协议可以方便的实现上位机远程监控功能，用户可以随心所欲自己定制开发通讯监控系统。·高速的程序执行速度更快的程序指令执行速度，使得控制过程精确无误。·很强的扩充能力模拟量可以增加到12路；系统支持DeviceNet协议，具有强大的扩充能力，通过远程端子，可以扩充到256点，方便组成集散控制系统。（4）系统I/O点的分配系统I/O点的分配如表2-1所示。表2-1S7-300I/O分配表输入输出部继电器定时器/计数器00000自动控制按钮01000系统指示灯01006TIM00000001B手动控制输入01001传送带B输出01007TIMOO100002A手动控制输入01002传送带A输出T00200003SQ2输入01003装箱指示00004SQ1输入01004手动指示灯00005停止安钮01005报警器00006手动控制按钮00007消音按钮系统输入/输出接线图如图2-4所示。0000001000000010100100000010000000101001000020100200003010030000401004000050100500006010060000701007自动控制按钮系统指示灯B手动控制输入传送带B输出A手动控制输入传送带A输出SQ2输入装箱指示灯SQ1输入手动指示灯停止安钮报警器手动控制按钮辅助继电器消音按钮辅助继电器220VAC图2-4系统输入/输出接线图（5）传感器的选择近年来，随着生产自动化程度的提高，光电传感器的功能不断完善，现已成为与PLC相配套的系列产品，广泛用于自动包装、打胶、罐装、以及自动装配流水线。针对本文设计要求，我们可采用光电开关来对产品计数和空箱到位检测。这类光电传感器利用光电元件受光照或无光照时“有”“无”电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。为此，要求光电元件灵敏度高，而对光照特性的线性要求不高。这类传感器主要应用于零件或产品的自动记数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器以及光电报警装置等方面。光电开关可分为两类：透射型和反射型两种。透射型光电开关是由分离的发射器和接收器组成并相对放置。发射器发射的红外线直接照射到接收器上，当有物品通过时，将红外线光源切断遮挡住了，接收器收不到红外光，于是就发出一个信号。可用于产品计数。反射型光电开关的接收部分和发射部分合做在一起，利用物体对发射部分发射出的红外线反射回去，由接收部分接收，从而判断是否有物体存在。当有物体通过，接收器接收不到红外光，于是就发出一个信号。可用于空箱是否到位检测。当采用接近开关、光电开关等两线式传感器时，由于传感器的漏电流较大，可能出现错误的输入信号而导致PLC的误动作，此时可在PLC输入端并联旁路电阻Ｒ，如图2-5所示。当漏电流不足lmA时可以不考虑其影响。光电开关光电开关INPLC输入电源R图2-5PLC与光电开关的连接旁路电阻R的计算公式如下：式中：I为传感器的漏电流（mA），UOFF为PLC输入电压低电平的上限值（V），RC为PLC的输入阻抗（KΩ），RC的值根据输入点不同有差异。2.5控制系统软件设计2.5.1控制系统逻辑分析自动装箱系统的控制设计考虑到其动作的连续性以及各个被控制设备动作之间的相互关联性,最佳的实现方案就是采用顺序控制。这样就考虑针对不同的工作状态，进行相应的动作控制输出，从而实现自动装箱系统从传送带B开始工作到产品落入空箱之中并完成精确的计数这样一个周期控制工作的程序实现。设计使用一系列的中间状态信号来传递状态转换信息，完成顺序的交互。因为要求传送带A和传送带B具有点动控制功能，故分别设置自动控制和手动控制两个启动按钮。当按下自动启动按钮时，系统进行自动控制。在自动装箱过程中，当传送带B拖动空箱到达指定位置时，由SQ2发出信号，使传送带B停止；而传送带A启动运行，产品逐一落入箱，由传感器SQ1检测产品数量，当累计产品数量达12个时，传送带A制动停止，同时传送带B启动运行；完成整个循环工作。当按下手动控制按钮时，若按下传送带B独立点动输入按钮，传送带B就工作；若按下传送带A独立点动输入按钮，传送带A就开始工作。两者完全独立。2.5.2控制系统程序设计（1）程序流程图如下：初始初始初始初始按下手动控制按钮按下自动控制按钮按下手动控制按钮按下自动控制按钮NNNNYYYY传送带B启动传送带B启动A手动输入B手动输入A手动输入B手动输入NNNNNSQ2检测到位信号NSQ2检测到位信号YYYY传送带A启动传送带B启动Y传送带A启动传送带B启动Y传送带B停止传送带B停止传送带A启动传送带A启动NSQ1计数12次到NSQ1计数12次到YY传送带A停止传送带A停止图2-6系统自动控制流程框图图2-7系统手动控制流程图（2）程序梯形图如下：A工作输出辅助继电器B工作输出跳转结束A工作输出B工作输出跳转A工作输出辅助继电器B工作输出跳转结束A工作输出B工作输出跳转报警器装箱指示报警器装箱指示图2-8控制系统程序梯形图-.z.程序助记符如下：A"故障复位"//PID复位；=L0.0BLD103AM11.6；=L0.1BLD103AM11.0；=L0.2BLD103AM11.1=L0.3BLD103AM11.2=L0.4BLD103AM11.3=L0.7BLD103A"自动启动"；JNB_001CALL"CONT_C",DB41//；_RST:=L0.0MAN_ON:=L0.1PVPER_ON:=L0.2P_SEL:=L0.3I_SEL:=L0.4INT_HOLD:=I_ITL_ON:=D_SEL:=L0.7CYCLE:=T*20MS/SP_INT:=MD20；PV_IN:=MD24PV_PER:=MAN:=GAIN:=MD28//比例参数设置值；TI:=MD32/TD:=MD36TM_LAG:=DEADB_W:=0.000000e+000LMN_HLM:=2.764800e+004LMN_LLM:=0.000000e+000PV_FAC:=PV_OFF:=LMN_FAC:=1.000000e+000//控制器输出量的系数；LMN_OFF:=0.000000e+000I_ITLVAL:=DISV:=0.000000e+000LMN:=MD44LMN_PER:=QLMN_HLM:=M11.5QLMN_LLM:=M11.4LMN_P:=LMN_I:=LMN_D:=PV:=ER:=_001:NOP02.6系统程序调试及结果在计算机上，运行C*-Programmer编程软件，打开自动装箱控制程序。断电情况下连接好PC/PPI电缆，按照I/O分配表，用实验连线导线将PLC主机模块输入、输出接口与实验板接口一一对应连接，并将PLC主机模块的电源端与实验模块的电源端相连接。下载程序文件到PLC,监控后运行，使PLC进入运行方式。1、按下自动控制按钮00000后，系统指示灯01000亮；同时传送带B启动运行（01001指示灯亮）。2、当SQ2空箱到位检测信号到（00003按钮输入），传送带B停止运行（01001指示灯灭）。同时传送带A启动运行（01002指示灯亮）。3、当SQ1送入12个计数脉冲时（00004按钮12次输入）及累计产品数量达12个时，传送带A停止（01002指示灯灭），同时传送带B启动运行（01001指示灯亮）。4、当SQ2到位信号到（00003按钮输入），系统循环工作。5、当按下手动控制按钮00006时，系统立刻进入手动控制状态。手动指示灯01004亮，系统指示灯仍亮。当按下传送带B或传送带A的手动控制按钮00001和00002时，传送带B或传送带A启动运行。两者完全可独立控制。6、无论系统何种运行状态，自动控制状态和手动控制状态可互相转换。手动指示灯01004可显示系统状态。7、当按下停止按钮00005时，系统停止运行，系统指示灯01000灭。该结果完全满足设计的要求，借助实验室的设备完全模拟了生产线自动装箱控制过程。-.z.四.小结对于本次设计，成功采用PLC控制多个传送带的工作，完成了本次设计任务的基本要求，经过多次的调试，该系统性能稳定、可靠、冗余性强，可以很好地适用于连