沙模生产PLC控制系统

沈阳理工大学学士 学位 论文 I 摘 要 可编程控制器 (以微处理器为核心、集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性好、性能价格比高等特点，已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用，成为实现工业自动化的一种强有力工具。 本课题研究的内容就是利用 术实现 沙模生产 控制，设计其电气控制系统 。本文综述了 制系统的一般结构；简述了 制系统设计的原则、内容和步骤。针对 沙模生产控制系统 的特点和 总控制箱的控制 要求，采用了德国西门子公司 列中 为系统控制器，重点阐述了该系统的硬件、软件的设计方法，并 能接受监控计算机的控制命令以完成对 横向主气缸、沙箱横气缸、沙箱纵气缸、射沙口、射沙五组动作 的时间控制 。 经过运行实践表明，以 制的系统可靠性和实时性良好，完全满足系统设计要求 。 关键词 ：可编程控制器 ； 沙模生产控制系统 ； 西门子 阳理工大学学士 学位 论文 is a of is in as It is in of as of so a to is to LC to LC LC of of a 7as a on s to LC 7阳理工大学学士 学位 论文 录 1 绪论 . 1 课题背景及意义 . 1 国内外研究现状 . 1 2 系统的简介 . 2 系统要求功能的分析 . 2 统设计方案的概述 . 3 3 系统的硬件和软件介绍 . 4 系统的硬件 . 4 概述 . 4 特点 . 7 功能 . 7 西门子 . 8_系统的软件 . 11 组态软件 . 11 7程软件 介 . 14 程软件的主要功能 . 14 程软件的使用 . 18 4 沙模生产 制系统设 计 . 25 系统的硬件设计 . 25 选型 . 25 西门子 选型 . 25 I/O 分配表 . 26 系统的电气图 . 28 系统的 序设计 . 33 系统程序流程图 . 33 系统的编程思路 . 33 程序设计 . 34 态 . 38 沈阳理工大学学士 学位 论文 建立项目 . 38 画面编辑 . 39 5 间通讯的实现 . 42 数据通讯原理 . 42 并行通讯与串行通讯 . 42 串行通讯的工作情况 . 42 讯原理 . 43 讯术语 . 43 间的通讯原理 . 44 建立 接 . 45 配置通讯协议 . 46 建立项目 . 48 载入项目 . 50 通讯组态 . 51 建 立项目 . 51 添加逻辑连接 . 52 添加程序变量 . 53 结论 . 58 致谢 . 59 参考文献 . 60 附录 A 英文原文 . 61 附录 B 中文翻译 . 69 附录 C 系统设计程序 . 74 沈阳理工大学学士 学位 论文 1 1 绪论 题背景 及意义 沙模，又称铸模， 是指为了获得零件的结构形状，预先用其他容易成型的材料做成零件的结构形状，然后再在砂型中放入模具，于是砂型中就形成了一个和零件结构尺寸一样的空腔，再在该空腔中浇注流动性液体，该液体冷却凝固之后就能形成 和模具形状结构完全一样的零件了。 模具已经在我们生活当中起了不可替代的作用 ， 我们的生活用品大部分离不开模具，如电脑，电话机，传真机 ， 键盘，杯子等等 。 另外像汽车和摩托发动机的外罩也是用模具做出来的 。沙漠属于模具中的一种，为一次性物料，浇铸后需要将砂芯捣碎。沙模广泛应用于汽车发动机铸铝件生产等方面。正是由于铸模用的砂可以重复使用，成本低廉，因此如何控制沙模生产，使之生产速度快，产品精度高，变得尤为重要 2。 国内外研究现状 我国模具行业专业化程度还比较低，模具自产自配比例过高。国外模具自产自配比 例一般为 30%，我国冲压模自产自配比例为 60%。现在，技术要求高、投入大的模具，其专业化程度较高，例如覆盖件模具、多工位级进模和精冲模等。专业化程度较高的汽车覆盖件模具和多工位、多功能精密冲模的专业生产企业的分布有不少并不跟随冲压件能力分布而分布，而往往取决于主要投资者的决策。 近年来，我国铸造模具材料行业跟随着市场的大环境的不断发展取得了 非常不错的成绩， 并在某些技术方面有所突破。但是，以目前的市场情况来看，我国的铸造模具材料行业与国外先进国家相比仍然存在巨大的差距 。 现代科学技术的发展，各种智能装置用于生产 ， 大程度上改善了沙模生产 统的功能，为目前自动控制技术用于生产提供了优化组合和系统集成的技术基础 6。 沈阳理工大学学士 学位 论文 2 2 系统的简介 系统要求功能的分析 1. 总控制箱要求性能稳定，连续工作 48 小时无故障。 2. 总控制箱通过设定的时间分别控制 10 台机器（每台 5 个继电器） 50 个继电器开关的开和关。 3. 每台机器均配有手动自动转换，启动，急停，三组开关。工作环境为 12V 直流电源。 4. 如将转换开关拨至自动挡，机器开始由总控制箱控制，按下启动按钮，机器自 动运行，分别按预先设置的时间完成 5 组动作，动作由 5 个继电器控制。继电器的开与关相对独立，互不干扰。以下表格显示了机器 的开启和关闭时间 。 表 器开启关闭时间设定 名称 横向主气缸 沙箱横气缸 砂箱纵气缸 射沙口 射沙 开启时间设定 （ s） 0 249 8 10 10 关闭时间设定 （ s） 250 20 18 16 12 5. 如将手动开关拨至手动挡，总控制器不对机器进行控制，由机器上的手动开关进行控制，电源由总控制器提供 12V 直流电源。 6. 在自动状态下，如遇紧急情况，需要停止时，按下急停开关。动 作停止，即刻恢复到起始状态。 7. 总控制箱提供 12V 电源为持续提供，不需控制。 8. 操作界面要求如下 。 1) 要求美观大方； 2) 单台设置界面要输入密码才可进行更改设置； 3) 十台机器主界面中，要有每台机器的运行次数； 4) 单台运行界面中要显示当前时间（ *秒），如方便最好有首次工作时间 *：*： *； 5) 如方便总控制箱最好可对机器进行分步操作。 沈阳理工大学学士 学位 论文 3 统设计方案的概述 根据控制要求，采 用 系统采用 C/为控制核心。中央处理单元选用 24，数字量扩展模块选用两个 23 和两个转换开关位于自动挡时，机器开始由总控制箱控制，按下启动按钮，机器自动运行。 照时间设定控制横向主气缸、沙箱横气缸、砂箱纵气缸、射杀口、射沙的开启和关闭。 沙模生产的系统框图见图 图 统框图 控 向主气缸 沙箱横气缸 沙箱纵气缸 射沙口 射沙 沈阳理工大学学士 学位 论文 4 3 系统的硬件和软件介绍 系统的 硬件 概述 可编程控制器 (称 现代 工业控制中占有重要地位。本文对其基础知识进行简要介绍。可编程控制器（ 计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ 简称 主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 是为了避免与个人计算机（ 简称混淆，所以将可编程控制器 简称 应用广、功能强大、使用方便，是现代工业自动化的主要设备之一。经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中， 其他领域，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。 1、 组成 组成部件及作用 （ 1） 是 核心部分。 与通用微机 样， 统中的作用类似于人体的神经中枢。其功能： （ a）用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄 存器或数据寄存器； （ b）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据； （ c）诊断电源和 部电路的工作状态及编程过程中的语法错误； （ 2） 存储器 系统程序存储器 存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令、解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数，不能由用户直接存取。 用户程序存储器 存放用户程序。即用户通过编程器输入的用户程序，可沈阳理工大学学士 学位 论文 5 以由用户直接存取。 功能存储器（数据区） 存放用户数据 注意： 用户存储器通常以字（ 16 位 /字）为单位来表示存储容量。系统程序直接关系到 性能，不能由 用户直接存取，所以，通常 品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量，是指用户程序存储器而言。 （ 3） I/O 输入 /输出部件（ I/O 模块：接口电路、 I/O 映像存储器） I/O 输入 / 输出部件 现场 I/O 装置或其他外部设备之间的连接部件。 供了各种操作电平与驱动能力的 I/O 模块，以及各种用途的 I/O 组件供用户选用：输入 /输出，电平转换，电气隔离，串 /并行转换，数据传送， A/D、D/A 转换，误码校验，其他功能模块。 I/O 模块可与 在一起，也可远程放置。通常， I/O 模块上还具有状态显示 和 I/O 接线端子排。 (4) 编程器等外部设备 编程器 发应用、监测运行、检查维护不可缺少的工具 。 作用：用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视 。 通过键盘和显示器去检测 部状态和参数 。 通过通讯端口与 系，实现与 人机对话 。 分类：简单型 只能联机编程；只能用指令清单编程 智能型 既可联机（ 也可脱机（ 程；可以采用指令清单（语句表）、梯形图等语言编程。常可直接以电脑作为编程器，安装相关的编程软件编程 。 注意：编程器不直接加入现 场控制运行。一台编程器可开发、监护许多台 其他外设：磁盘、光盘、 入器（用于固化用户程序）、打印机、图形监视系统或上位计算机等等。 (5) 电源 内部电源 开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。 外部电源 可用一般工业电源，并备有锂电池（备用电池），使外部电源故障时内部重要数据不致丢失。 2、 工作原理 最初研制生产的 要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装沈阳理工大学学士 学位 论文 6 置，但这两者的运行方式是不相同的： 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在 100上，而 描用户程序的时间一般均小于 100此， 用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 扫描技术。这样在对于 I/O 响应要求不高的场合， 继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 当 入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间， 一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 （ 1） 输入采样阶段 在输入采样阶段， 扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程 序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （ 2） 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段， 是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 沈阳理工大学学士 学位 论文 7 （ 3） 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后， 进入输出刷新阶段。在此期间， 照I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 真正输出 1。 特点 1、高可靠性 所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 部电路之间电气上隔离。各输入端均采用 波器，其滤波时间常数一般为1020模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。采用性能优良的开关电源。对采用的器件进行严格的筛选。良好的自诊断功能，一旦电源或其他 软、硬件发生异常情况， 即采用有效措施，以防止故障扩大。大型 可以采用由双 成冗余系统或有三 成表决系统 ,使可靠性更进一步提高。 2、丰富的 I/O 接口模块 对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀 直接连接；另外为了提高操作性能，它还有多种人 了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块 ，等等。 （ 1）采用模块化结构 （ 2）编程简单易学 （ 3）安装简单维修方便 需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行使用时只需将现场的各种设备与 应的 I/O 端相连接即可投入运行各种模块上均有运行和故障指示装置便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。 功能 功能 ： （ 1） 数据采集与输出。 （ 2） 控制功能。 沈阳理工大学学士 学位 论文 8 包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。 （ 3） 数据处理功能。 包括基本数学运算、比较、对字节的运算、 算、滤波等。 （ 4） 输入 /输出接口调理功能。 具有 A/D、 D/A 转换功能，通过 I/O 模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。 （ 5） 通信、联网功能。 现代 多数都采用了通信、网络技术，有 口，可进行远程 I/O 控制，多台 彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台 成 集中管理、分 散控制 的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的统，现场端和远程端也可以采用 现场机 。 （ 6） 支持人机界面功能。 提供操作者以监视机器 /过程工作必需的信息。允许操作者和 统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。 （ 7） 编程、调试等，并且大部分支持在线编程 10 西门子 7用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入 状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使 为各种控制应用的理想解决方案。它集成 6 输入 /4 输出共 10 个数字量 I/O 点，无 I/O 扩展能力。拥有 6K 字节程序和数据存储空间， 4 个独立的 30速计数器， 2 路独立的 20速脉冲输出以及 1 个 讯 /编程口，具有 讯协议、 讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控 制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如： 冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、沈阳理工大学学士 学位 论文 9 图 7型 中央空调、电梯控制、运动系统等 。 1、 介 一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量 I/O 点集成在一个紧凑的封装中，组成一个功能强大的 图 示。 西门子提供多种类型的 适应各种应用的要求。不同类型的 有不同的数字量 I/O 点 数和内存容量等规格参数。 列是一种紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架由构成系统的 块和丰富的扩展模块组成。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。 具有 本的控制功能外，更在以下方面具有独到之处，这些也是 遍受欢迎的原因。 (1) 功能强大的指令集 (2) 丰富强大的通讯功能 (3) 编程软件的易用性 (4) 不断地创新 目前，提供的 ： 21、 22、 24、 26 和26格如表 列。 表 7格 特性 21 22 24 26 26形尺寸（ 90*80*62 90*80*62 0*62 190*80*62 190*80*62 程序存储区 2048 字 2048 字 4096 字 4096 字 8192 字 沈阳理工大学学士 学位 论文 10 数据存储区 1024 字 1024 字 2560 字 2560 字 5120 字 掉电保护时间 50 小时 50 小时 190 小时 190 小时 190 小时 本机 I/O 6 入 /4 出 8 入 /6 出 14 入 /10 出 24 入 /16 出 24 入 /16 出 扩展模块数量 0 2 7 7 7 高速计数器 单相 4 路 30 路 30 路 30 路 30 路 30 相 2 路 20 路 20 路 20 路 20 路 20 冲输出（ 2 路 20 路 20 路 20 路 20 路 20 拟电位器 1 1 2 2 2 实时时钟 配 时钟卡 配时钟卡 内置 内置 内置 通讯口 1 点数运算 有 I/O 映象区 256（ 128 入 /128） 布尔指令执行速度 令 对于每个型号，西门子提供直流（ 24V）和交流（ 120 220V）两种电源供电的 型。如 24 C/ 24 C/个类型都有各自的定货号。 C/明 直流供电，直流数字量输入，数字量输出点是晶体管 直流电路的类型。 C/明 交流供电，直流数字量输入，数字量输出点是继电器触电的类型。 2、 字量扩展模块 简介 当 成的数字量 I/O 点数或 I/O 信号不能满足实际应用需要时，可考虑增加 字量扩展模块 。 字量扩展模块 根据模块功能分为 以下三个类型： 字量输入模块 O:数字量输出模块 I/字量混合输入 /输出模块 7字量扩展模块 规格如表 列 沈阳理工大学学士 学位 论文 11 表 7字量扩展模块 规格 功能 输入模块 输入点数 输入类型 字量输入模块 84V 20V/230V 64V O 字量输出模块 44V 电器 电器 20V/230V I/字量输入 /输出模块 44V 4V 电器 4V 4V 电器 664V 4V 电器 224V 4V 电器 、 通讯和网络功能 供了多种通讯和网络功能，包括 络通讯功能、 由口通讯功能、以太网通讯功能和 程通讯功能。程软件 上版本提供了 站指令库。 站指令库都使用 自由口通讯模式编程实现。 持的 由口通讯模式都是建立在 件的基础上 3。 系统的软件 组态软件 、组态软件概述及功能 组态软件是数据采集监控系统 软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。它具有丰富的设置项日，使用方式灵活，功能强大。组态软件由早先单一的人机界面向数据处 理沈阳理工大学学士 学位 论文 12 监控组态软件部分地与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台。 LE 出现 ，以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间互连，降低了 开发 I/O 设备驱动软件的工作量。 I/O 驱动软件也逐渐向标准化的 方向发展。 实时数据库的作用进一步加强。实时数据库是 统的核心技术。从软件技术上讲 ， 统的实时数据库 ，实质上就是一个可统一管理酌、支持变结构的、支持实时计算的数据结构模型。在实时数据库技术中，还有对工业标准的支持 (如 范等 )支持，等等。 目前看到的所有组态软件都能实现类似的功能 ，几乎所有运行于 32 位台的 组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构 ，并对工业控制系统中 的各种资源 (设备、标签量、画面等 )进行配置和编辑 ，处理数据报 警及系统报警，提供多种数据驱动程序，各类报表的生成和打印输出，使用脚本语言提供二次开发的功能，存储历史数据并支持历史数据的查询，等等 5。 2、 发展 西门子公司的 窗控制中心 )的简称 。 自从问世至今， 国内的组态监控软件市场上取得了非凡的成就，尤其是在钢铁、烟草、汽车、市政等行业。秉承西门子一贯的创新精神，过去的几年里不断的推陈出新，从 到 及到 09年西门子推出的全新版本 得到了工控市场广大用户的钟爱。 软件包专为使用 7 组件而设计 。 3、 概述 西门子 称 1996 年进入世界工控组态软件市场。由于其优良的性能，及与西门子 7 等系列 无缝集成，成为 件中的后起之秀，在中国国内得到广泛应用。 行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项 目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者沈阳理工大学学士 学位 论文 13 提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可将 为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。它具有着广阔的前景，借助于模块化的设计，可以灵活的扩展，不仅可以用于单用户系 统，而且能构成多用户系统。 4、 基本功能 有以下主要功能： （ 1） 过程监控 作为通用型组态软件， 实现对工业现场生产过程设备的数据采集、监视和控制的人机界面 口。 （ 2） 与 设备通信 过驱动程序实现与 设备通信，并进而实现过程监控功能。 （ 3） 编程接口 态灵活方便，画面动画效果强，可以实现复杂的输入输出功能。 （ 4） 报警功能 组态工业级报警功能，实现故障设备信息报警，及时提供设备预警信息和安排维修人员抢修 。 （ 5） 趋势功能 供逼真的曲线和表格功能，供值班、调度等管理部门分析设备运行状况提供决策参考。 （ 6） 报表功能 供强大的报表生成和打印功能，为过程控制提供了实用的工具。 （ 7） 二次开发功能 作为一款优秀的组态软件， 供了丰富的功能强大的二次开发功能，以大大扩展现有组态功能。 4、 变量分类 变量分为内部变量和过程变量。与外部控制器（如 有过程连接的变量叫做内部变量。内部变量可以无限制使用。与外部控制器具有过程连接的变量叫做过程变量， 也称外部变量。 指授权使用的过程变量。如果购买的 有 1024 个 权，则 目在运行状态下，最多只能有 1024 个过程变量。过程变量的数目和授权使用的过程变量（ 阳理工大学学士 学位 论文 14 数目显示在 理器的状态栏中。 5、 系统组成 含九大部件： （ 1） 变