毕业设计（论文）-针剂灌装输送线的PLC控制系统

2012年合肥学院毕业设计论文PAGE１论文题目：针剂灌装输送线的PLC控制系统学科专业：机械设计制造及其自动化作者姓名：导师姓名：完成时间：针剂灌装输送线的PLC控制系统摘要本文选用西门子S7-200PLC对针剂灌装输送线进行控制设计。首先，通过对运动框图、状态流程图、电气原理图、梯形图和控制程序进行设计，以实现机械所要求的功能。然后，对程序进行模拟调试来检查程序的运行情况。最后，运用MCGS组态软件对所有动作进行模拟仿真，以达到直观效果。关键词：西门子PLC；针剂灌装输送线；控制程序；MCGS；模拟仿真FillinginjectionconveyorlineofPLCcontrolsystemABSTRACTInthispaperchoosingtheSiemensS7-200PLCtocontrolthefillinginjectionconveyorline.Firstly,thefollowingpartshavebeendesigned:themovementchart,theflowchart,theelectricaldiagramofthestateprinciplechart,theladderdiagramandthecontrolprogram,inordertorealizethefunctionofmechanicalrequired.Then,themistakesofprogramcanbefoundbysimulatingtheprogram.Finally,MCGSconfigurationsoftwareisusedtosimulatealltheactions,soastoachievevisualeffect.Keywords：SiemensPLC；Fillinginjectionconveyorline；Controlprogram；MCGS；Simulation目录TOC\o"1-3"\h\u2124第一章前言 112483第二章设计任务 2149692.1、课题内容 249872.2、控制要求 2265502.3、课题意义、基本要求、重点需要研究的问题 218481第三章总体设计方案 3241773.1、针剂灌装输送线的工作原理 3181863.1.1、针剂灌装输送线的基本结构 3214713.1.2、针盘的定位原理 3162393.1.3、微波液位仪原理 4217023.1.4、红外发光二极管原理 587323.2、针剂灌装输送线运动框图 545343.3、选择电器元件 5320063.4、电控系统原理图设计 82542第四章、PLC设计 10161594.1、选择PLC 10293104.2、针剂灌装输送线PLC状态流程图 11275164.3、控制面板图 11254464.4、I/O点的编号分配和PLC外部接线图 12159784.5、梯形图 15252844.6、指令表 167287第五章MCGS组态软件 17261855.1、MCGS的简介 1788305.2、MCGS的组态过程 17260045.3、数据连接 20100225.4、工程下载模拟仿真 2411297第六章设计总结 25167796.1、毕业设计中的成果 25204606.2、毕业设计中仍需改进之处 2517885第七章致谢词 276653参考文献 28第一章前言面对当今国内医疗领域对医药安全的要求和价格昂贵的现状，我们根据市场需求设计了一整套针剂灌装输送线PLC控制系统。该系统集针剂的加液和封装系统，自动化程度高，采用西门子S7-200系列PLC来控制。该系统突破了传统——医务人员在给病人注射药液时，会导致药液的污染同时由于人为因素很难将瓶中药液吸完，而导致药液的浪费。该系统实现了将药液按要求加到针管中并对管口进行封装，整个过程均在无污染环境下进行，无人的介入，从而保证了安全无污染要求。对加液量进行精确控制，避免了药液的浪费同时保证了对病人的治疗效果。医生在给病人注射时，只须将注射杆安装到注射塞上并将药液全部注射到病人体内即可。注射过程简单，快捷，方便，特别是在紧急抢救病人是显得尤为重要。本文以国内传统医疗器械为背景，对针剂灌装输送线进行控制。通过对状态流程图、运动框图、电器原理图、控制程序等的设计，以满足生产功能要求。进行模拟调试来检查、修改和完善控制程序。最后，使用MCGS组态软件对灌装输送线进行图形对象的组态设置、建立与实时数据库的连接，来完成图形界面的设计工作，工程下载并进行模拟仿真。第二章设计任务2.1、课题内容针剂灌装输送线的PLC控制系统梯形图控制程序设计并画出电气接线图。2.2、控制要求（1）系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则针盘驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或罐装设备下的传感器检测到针管时停止；针管装满饮料后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个针管或停止开关动作。（2）当针管定位在灌装设备下时，延时4秒，灌装设备开始工作，罐装过程为4秒钟。（3）驱动电机正、反转实现加液杆和活塞杆的上、下移动，并设有上、下限位开关。（4）可以手动对计数值清零（复位）。2.3、课题意义、基本要求、重点需要研究的问题（1）通过本设计，了解和掌握目前工业自动化控制中常用的PLC系统的完整设计方法，真正做到理论联系实际。（2）要求完成针剂灌装输送线的西门子系列PLC控制系统，包括控制程序、电气原理图和电器接线图的设计。（3）重点需要研究的问题是西门子系列PLC的编程方法，控制程序的编制和联机调试。第三章总体设计方案3.1、针剂灌装输送线的工作原理3.1.1、针剂灌装输送线的基本结构针剂灌装输送线的基本结构如图3.1.1所示。整个输送线由针盘、液压缸、灌装装置、驱动电机、定位传感器等组成。电动机的启动和停止，灌装装置向上、向下移动和活塞杆吸、排液都是由PLC控制的。3.1.2、针盘的定位原理针盘的定位原理如图3.1.2所示，用光电传感器来控制。开始时，针盘中的针管没有挡住光源，此时光线较强，光电元件电阻较高，从而产生一个高电平，使相应的继电器动作，电动机M3转动，针盘前移。当光源被针管挡住时，此时光线较弱，光电元件电阻较小，从而产生一个低电平，相应的继电器又动作，电动机M3停转。用此法针盘定位定位准确、精度高、简单。图3.1.1针剂灌装输送线基本结构示意图图3.1.2针剂灌装输送线基本结构示意图3.1.3、微波液位仪原理微波液位仪原理如图3.1.3所示：相距为S的发射天线和接收天线，相互构成一定角度。波长为λ的微波从被测液面反射后进入接受天线。接收天线接收到的微波功率将随着被测液面的高低不同而异。当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测到接收功率，就可得到被测液面的高度。图3.1.3微波液位仪原理图3.1.4、红外发光二极管原理常用的红外发光二极管（如SE303·PH303），其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93m）。当红外线接收管受到红外线的照射时，其本身的电阻很小，呈低阻值，电路导通。当红外发射头与接收头中间没有物品挡住时红外接收到红外线照射，呈现低电阻，发出一个高电平信号。当有物体经过红外发射与接收的中间时，由于红外线被挡住，红外接收管呈现大的阻值，电路断断开，这时红外接收管发出一个低电平信号。当物体过完之后又回到原来的状态。3.2、针剂灌装输送线运动框图针剂灌装输送线运动框图说明：如图3.2所示按下启动按钮SB0后，电动机M3启动正转，针盘前移到指定位置时，传感器检测到针筒，此时电动机M3停转。之后电动机M1开始正转，实现吸液动作，当碰到下限行程开关时，电动机M1停转。之后电动机M2正转，加液杆下移到指定位置时，电动机M1反转，活塞杆上移实现排液动作，加液完毕后，电动机M2反转，加液杆上移到初始位置。三个电动机之间动作均无运动干涉，外加延时环节。当针盘完成20个小循环时，按下针盘复位按钮，使针盘回到初始位置，人为拿下针盘并装上空的针筒后，按下SB0启动按钮，如此循环下去。如果遇到紧急情况，可按下SB1紧急停止按钮。3.3、选择电器元件（1）电动机的选择电动机M1型号为Y132M-4，额定电压为交流380V，额定电流为15A，频率为50HZ，功率为7.5KW，转速为1440r/min。电动机M3型号为Y90S-4，额定电压为交流380V，额定电流为2.8A，频率为50HZ，功率为1.1KW，转速为1440r/min。电动机M2选与电动机M1一样的型号即可。(2)熔断器的作用在低压配电系统和电力拖动系统中起过载和短路保护作用的电路。使用时，熔体串接于被保护的电路中，当流过熔断器的电流大于规定值时，以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现过载和短路保护作用。熔断器的选择原则主要是选择熔断器的类型、额定电压、熔断器的额定电流及熔体的额定电流等。图3.2针剂灌装输送线运动框图（3）热继电器FR1、FR2、FR3主电动机M1的额定电流15A，FR1可以选用JR16，热元件电流为20A，电流整定范围为14～22A工作时将额定电流调整为15A。同理，FR3可选用JR10-10型热继电器，热元件电为2A，电流整定范围为0.45～2A工作时将额定电压调整为1.1A。FR2的型号和FR1相同。(4)行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4行程开关主要用于检测工作机械的位置，发出命令以控制其运动方向或行程。（5）导线的选择主回路中导线截面积较大，不用考虑机械强度而只按允许载流量选择。机床上电源和主电动机使用BVR10软线，快速移动电动机使用BVR2.5软线，其它的控制线路均采用BVR2.5软线。电器元件及其型号如表1所示。表1电器元件明细表符号名称型号数量M1活塞杆吸排液电动机Y132M—41M2灌装装置电动机Y132M—41M3针盘前移电动机Y90S—41FU1熔断器NS100N1FU2断路器NS80N1SQ1～SQ4行程开关LX324H光传感器开关1S照明灯开关1FR1热继电器JR10-101FR2热继电器JR10-101FR3热继电器JR161SB0～SB10按钮LA10-1K113.4、电控系统原理图设计图3.4所示为针剂灌装输送线电控系统原理图图3.4针剂灌装输送线电控系统原理图图中分为主电路和辅助电路两部分。通过控制电动机M1、M2、M3、的正、反转，来实现系统的各个动作。电动机的过载保护分别由三个热继电器提供且分别具有启-保-停电路。(2)电机M1的控制开始电机M1正转，活塞杆下移实现液压缸的吸液动作，到达下限时，SQ1按下，电机M1停转并延时后，电机M1再反转，活塞杆上移实现液压缸排液动作，到达上限时，SQ2按下，电机M1停转。（2）电机M2的控制开始电机M2正转，加液杆下移，到达下限时，SQ3按下，电机M2停转并延时后，电机M2再反转，加液杆上移，到达上限时，SQ4按下，电机M2停转。（4）电机M3的控制开始电机M3前移，当针筒经过激光传感器时，产生一个高频信号，电机M3停转，当按下复位按钮时，针盘回到初始位置。第四章、PLC设计4.1、选择PLC在PLC选型时，几经比较，本篇选择了西门子S7-200系列PLC最新品种——S7-22X系列，该型号的PLC指令丰富，功能强大，在国能市场占有上正处于上升趋势。S7系列PLC分为S7-200小型机、S7-300中型机、S7-400大型机。S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型机，其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。从CPU模块的功能来看，SIMATICS7-200系列小型PLC发展至今，大致经历了两代：

第一代产品，其CPU模块为CPU21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同配置的CPU单元：CPU212，CPU214，CPU215和CPU216，本书不介绍该产品。第二代产品，其CPU模块为CPU22X，主机都可进行扩展，它具有五种不同配置的CPU单元：CPU221，CPU222，CPU224和CPU226和CPU226XM，除CPU221之外，其它都可加扩展模块，是目前小型PLC的主流产品。本书将介绍CPU22X系列产品。

对于每个型号，西门子厂家都提供有产品货号，根据产品货号可以购买到指定类型的PLC。以下图4.1为西门子CPU22X主机外形图。图4.16CPU22X主机外形图4.2、针剂灌装输送线PLC状态流程图针剂灌装输送线PLC状态流程图如图4.2所示。状态流程图说明：针剂灌装输送线分17个输入口、7个输出口，12个状态，控制三个电动机的正转、停止、反转，外加照明灯和针盘的复位开关等。当相应的输出口获得高电平时，相应的输出口位置1，则有PLC控制电动机的启动，清0时，则电动机停止。4.3、控制面板图根据设计要求及考虑到工人工作的要求，设计控制面板布置情况如图9所示。图4.3针剂灌装输送线控制面板图4.2针剂灌装输送线状态流程图4.4、I/O点的编号分配和PLC外部接线图（1）I/O点的编号分配如表2所示。表2I/O点的编号分配表（2）PLC外部接线图如图4.4所示。图4.4针剂灌装输送线外部接线图4.5、梯形图针剂灌装输送线控制梯形图如图4.5所示。图4.5针剂灌装输送线梯形图4.6、指令表根据梯形图所得指令表如下所示：第五章MCGS组态软件5.1、MCGS的简介MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成拥护组态设计的目标和功能。运行环境必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem,通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft(各种32位Windows平台上)运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。MCGS组态环境有用户窗口、主控窗口、设备窗口、实时数据库和运行策略5大窗口，各窗口间的运行关系如图5.1所示。图5.15.2、MCGS的组态过程1.工程的建立：打开MCGS嵌入版组态环境，点击【文件】中下拉菜单中的【新建工程】，打开新建工程设置对话框，将类型设为“TPC7062KW”，点击确定。新建一个窗口，双击该窗口进入动画组态窗口，双击该动画组态窗口进入用户窗口属性设置，更改窗口名称为“针剂灌装输送线控制画面”。演示工程画面建立：(1)双击开始新建工程“针剂灌装输送线控制画面”，打开MCGS组态窗口。点击右边工具箱中的“标签”，在窗口内建立适合大小的输入框，双击该输入框，改变该输入框的“填充颜色”和扩展属性中的“文本内容输入”。(2)点击右边工具箱中的“标准按钮”，在窗口内建立适合大小的按钮，双击该按钮，打开“标准按钮构件属性设置”对话框，在基本属性一栏对按钮文本、文本颜色、状态等进行设置。（3）点击右边工具箱中的“插入原件”，选择相应的指示灯，在窗口内建立适合大小的指示灯，双击该指示灯按钮，打开“单元属性设置”对话框，在数据对象一栏对数据连接对象进行设置，将其与电源连接。（4）以下为组态窗口整个运动控制画面，在图形绘制过程中可以使用拷贝、粘贴的方法，然后将其文本修改为所需的内容即可。.5.3、数据连接双击标准按钮，打开“标准按钮构件属性设置”对话框，在操作属性一栏，选择“数据对象值操作”，再对其他数据对象进行设置。2、双击窗口中的运动构件，打开“动画组态属性设置”对话框，在“垂直移动”和“水平移动”一栏，对“表达式”和“垂直移动连接”、“水平移动连接”进行设置。3、打开脚本程序对话框，编辑脚本程序并进行数据连接。以下为该工程动画组态的脚本程序：if电源=1thenif吸液=1thenif活塞杆垂直进给<30then活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给+30else活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给endifelse活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给endifif排液=1thenif活塞杆垂直进给>0then活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给-30else活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给endifelse活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给endifif自动=1thenif水平移动<40then水平移动=水平移动+40else水平移动=水平移动-80endifelse水平移动=水平移动endifif向右=1thenif水平移动<80then水平移动=水平移动+10else水平移动=水平移动endifelse水平移动=水平移动endifif向左=1thenif水平移动>-80then水平移动=水平移动-10else水平移动=水平移动endifelse水平移动=水平移动endifif向下=1thenif活塞杆垂直进给<60then活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给+5else活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给endifelse活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给endifif向上=1thenif活塞杆垂直进给>0then活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给-5else活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给endifelse活塞杆垂直进给=活塞杆垂直进给endifif向前=1thenif横向进给<40then横向进给=横向进给+5else横向进给=横向进给endifelse横向进给=横向进给endifelse向左=0向右=0吸液=0排液=0向上=0向下=0自动=0转动=0endif4、对各个变量数据的数据类型进行设置，进行数据连接。以下为各个数据变量分配表。5.4、工程下载模拟仿真点击“工程下载并进入运行环境”按钮，打开下载配置对话框。2、在载配置对话框中点击“工程下载”后，再点击“模拟运行”，弹出提示信息，点击“确定”即可。3、进入模拟运行画面，进行模拟运行。第六章设计总结毕业设计是对我们大学所学知识的一次综合性应用，是一次真正的理论联系实际。在这次长达两个月的设计中，我们这个小组在指导老师的带领下并充分发挥自己的智慧，付出了很大的努力，最终收获了果实。6.1、毕业设计中的成果首先，通过这次设计让我认识到了，在工业自动化中应用极其广泛的可编程序控制器（简称PLC）和监控组态软件（MCGS），它们的使用以及通信连接，以及能够较为熟练的运用这些知识进行相关工作。这些知识的学习对于一个机械设计制造及自动化专业的学生来说，是相当重要的。因为可编程序控制器是当今工业领域使用最广泛的自动控制装置，而且它有很大的发展潜力——正向着网络化、智能化、集成化、信息化和开放化方向发展。其次，通过这个针剂灌装输送线控制系统及其MCGS的仿真设计，使得我能把大学四年所学的机械类知识都很好的串联起来。从最基础的机械制图到机械设计，从最原始的手工制图到AUTOCAD制图，从设计到工艺再到控制原理等，几乎所有的科目都系统的梳理了一遍。我对大学所学知识有了一个全新的认识，也对机械这一传统行业有了更近一步的了解，让我懂得了什么是真正的机械设计，即采用最简单、最合理、最经济、最人性化的方案来满足所需要动作。再次，我这次设计的课题是以往没有涉及到的课题，一切都需要从零开始，所以面临的压力很大，挑战，困难很多。但是，我都一点点的克服了。通过这次对针剂灌装输送线控制系统的设计，我了解了研究开发一个新课题的过程。从提出课题，到收集、整理资料，到提出一个初步方案，到研究方案的可行性，到开发，再到成型，到试生产，到产品的性能检验，到提出改进方案，最终才能修改定型。中间的步骤之多，之复杂，没有经历过的人很难有所感受。6.2、毕业设计中仍需改进之处首先，这次设计中，对全新的MCGS组态软件，自己花了较长的时间去自学该软件，但是在使用过程中，仍然没有很好的掌握MCGS，设计中仍然存在一些问题，使得本次设计中涉及到MCGS仿真部分没有达到最理想的效果。其次，由于这次设计中的针剂灌装输送线机床现在还没有最终成型，所以有东西也是凭自己的想象来设计，有很多细节的东西都没考虑到，比如液压缸再加液时的误差问题等，在设计时，可能会存在一些偏差。这一点做的不是很好。总之，这次设计中存在一些问题，但我还是坚持把做完了，并且锻炼了自身的耐心。这次设计给了我们独立分析问题，解决问题的机会，让我们初步了解构思、设计过程，为我们将来的工作、学习带来了一笔财富。通过与同学的合作，共同研究，培养我们的团队协作意识。尤其值得一提的是，这次设计把大学四年来所学的知识有了一个整体的认识。让我明白了，为什么毕业设计是这么的重要。因为它就是一把尺子，衡量一下你在大学四年中学到了多少宝贵的知识。还有，这也是我们离开校园，走向社会之前的最后一次测试。第七章致谢词在此次毕业设计即将结束之际，首先感谢系领导给予我们这次设计的大力支持，让我们有充分的师资力量和时间完成在校期间的最后一次设计——毕业设计。同时我们也尽自己所能，不辜负领导对我们的关怀和期望。从毕业设计到工厂师兄，系领导一直给我们最宽裕的待遇，以及指导老师的精心指导。本次设计着眼于设计体系和设计内容的新颖上，让使学生的素质、知识和能力都更好的适应市场经济和新技术发展的需要，增强学生的适应性、工程完成能力和创造性，而且把提高水平和质量作为重点。此次设计完成以后，我提高了自己的动手能力以及综合运用所学知识的能力，对自己未来的工作都有很大的帮助。本次毕业设计历时几个月。在这段时间里，在王锡明老师无微不至的关怀和孜孜不倦的指导下，我们这组每一位同学的设计都能如期完成，其中不乏有优秀的杰作，但不管结果如何，可以肯定我们大家都付出了努力。在21世纪的今天，以高素质教与学为基准的对话，老师做到了，辛苦不会白费，我们在用成绩来证明和维护指导老师的付出是有价值的同时，努力奋斗的精神更加深刻的铭记在心中，这是大家不可以也难以忘怀的。在此要特别感谢我的指导老师王锡明和工厂工程师程师兄。在做毕业设计的期间，王老师和程师兄给予了我们很大的帮助。由于我们经验不足，也因为这是我们第一次做这样的大设计，期间遇到了不少的难题，通过王老师渊博的学识，庖丁解牛般的分析，极具亲和力的讲解，让我们的难题一个一个的消失，并且又使我们学到了很多新的知识。程师兄身处生产一