基于PLC的自动加料机控制系统的结构毕业论文

毕 业 论 文 正 文第1页 哈尔滨职业技术学院印制 摘要 在现代科学技术的很多领域中，自动控制系统起着越来越重要的作 用，并且随着生产和科技的发展，自动化水平也越来越高，应用领域也 越来越多。所以自动化控制已成为未来发展的必然趋势。 自动供料系统是常见的工业生产环境，因为异步电动机的各种优点 所以自动供料机的马达常选用异步电动机。异步电动机突出的优点是结 构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。其工 作原理是当电动机的三相定子绕组，通入三相对称交流电后，将产生一 个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电 流，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机 转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场 方向相同。本设计就是以 PLC 控制三相异步电动机来实现对物料供给的 控制。 文中阐述了基于 PLC 的自动加料机控制系统的结构，介绍了 PLC 的 结构和技术特点、自动加料机的工艺技术要求、硬件的选择、PLC 模块 I/O 端口的分配、程序结构。 关键词：自动供料系统；PLC；梯形图；程序设计 毕 业 论 文 正 文第1页 哈尔滨职业技术学院印制 目目录录 绪论.1 一、课题设计的背景.2 （一）本课题设计目的和意义2 （二）本课题设计的要求2 二、系统控制方案的确定.4 （一）系统设计的思路4 （二）系统控制方案4 三、可编程控制器概述.6 （一）PLC 简介.6 （二）PLC 的结构及特点.7 （三）PLC 的应用.8 （四）PLC 的发展.10 四、系统硬件设计.11 （一）PLC 的选择.11 （二）电动机的选择12 （三）其他器件的选择12 （四）硬件连接图的绘制13 五、系统软件设计.15 （一）PLC 梯形图概述.15 （二）系统流程图设计16 （三）梯形图的设计17 （四）系统程序调试19 结论.21 参考文献.22 致谢.23 毕 业 论 文 正 文第1页 哈尔滨职业技术学院印制 绪论 随着科学技术的不断进步，整个国家自动化水平和信息化水平的长 足发展，社会对这方面的要求越来越多。以前的工厂都是利用人工的方 式进行生产加工，这样的工作的方式，不仅没有安全保障，而且没有很 高的经济效益。 改革开放以来，国内的发展形式越来越好，竞争也越来越激烈，高 科技设备逐渐代替了以前的手工操作方式，自动化设备也越来越多，自 动控制系统用的越来越多。公司面对的压力也越来越大，不仅要考虑国 内的对手，国外的竞争逐步加大，随着信息科技、市场经济的迅猛发展， 国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，尤其是随着高新科 技的日新月异，产品的类型、工艺外形越来越复杂，再加上企业经营与 发展必会面对劳工的短缺、人工成本要省力化、合理化与自动化的发展 趋势，传统的手工送料已经不能满足要求，这时自动加料机就应运而生。 在今天现代科学技术的许多领域中，什么是加料机呢？顾名思义，加料 机就是专门用于粒料，粉料，片状料，带状等材料的自动化、数控化、 精确化的输送机器，送料机是借助于机器运动的作用力加于材料，对材 料进行运输的机器。 特别是近年来，各项技术的不断发展，如自动控制技术、电力电子 技术、检测技术和信息技术，使得这些应用的领域越来越多。作为辅助 装置的送料机构自动化水平也需要越来越高。 综上所述，在本着节约资金、降低成本、提高生产效率、保障人身 安全、实现自动化运作的情况下对加料机构进行设计，研究出更加适合 于工作环境的自动化加料机构。 毕 业 论 文 正 文第2页 哈尔滨职业技术学院印制 一、设计的背景 在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作 用，并且随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。自动控 制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。本 设计的自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的，这样 就大大提高了工作的效率，整个过程又快又稳。 （一）设计目的和意义 由于自动化在当今时代发展越来越快，自动化水平也不断的提高， 所以 PLC 已成为了广泛的应用，PLC 加料控制系统是工业流程中的一环， 他通过 PLC 控制，接触器、传感器等配合。再辅以开关元件、热继电器 等元件设备，以达到自动下料、称量、并将原料运走的全程自动运作。 其中操作人员只需控制启动与停止按钮即可，并可在任何时候按下停车 按钮，系统将在完成当前流程后再停车于初始状态，不用考虑因停车时 间不对、原料滞留而引起的下次启动时过程错误，从而降低了对工作人 员的操作要求及其劳动强度。 （二）设计的要求 1按下启动按钮后，接通上输送带电动机（进料电动机）M3，上输 送带运转，开始向秤斗进料。 2当称斗中的原料达到设定重量，料位开关 S3 动作，M3 停止运行， 停止进料，同时接通下输送带电动机（进料达到）M4（出料电动机）和 开闸电动机 M1，使下输送带运转，斗秤闸门打开，将料输出至下传送带。 毕 业 论 文 正 文第3页 哈尔滨职业技术学院印制 3当闸门完全打开，碰撞闸门上限位开关 S1，切断 M1，M1 停止运 行。 4当称斗中原料下完，料位开关 S4 动作，接通关闸电动机 M2，关 闭闸门。 5当闸门完全关闭，碰撞闸门下限位开关 S2，切断 M2，M2 停止运 行，接通 M3，料仓重新开始下料。 6按下停止按钮时，应等秤斗中的原料下完，再延时 10S，待传送 带上的原料输送完毕，自动切断电源，停止系统。 7如果出现故障，可直接切断电源，停止一切动作。 毕 业 论 文 正 文第4页 哈尔滨职业技术学院印制 二、系统控制方案的确定 （一）系统设计的思路 在自动供料系统设计过程中主要考虑以下几点： 1深入了解和分析自动供料系统的工艺条件和控制要求。 2确定 I/O 点数。根据自动供料系统功能要求，确定系统所需的用 户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出 设备有指示灯等。 3根据 I/O 点数选择合适的 PLC 类型。 4分配 I/O 点，分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或 者输入输出端子的接线图。 5设计自动供料系统的梯形图程序，这是整个异步电机控制系统设 计的核心工作。 6将 PLC 程序经过计算机模拟运行，查找错误，使系统程序更加完 善。 7PLC 软、硬件设计完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调 试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。 （二）系统控制方案 实现基于 S7-200 供料系统控制设，进行供料控制系统研究和分析； 进行 PLC 应用研究和分析；进行加料 PLC 系统硬件设计，PLC 软件编程 设计，对程序进行调试。三个电机均采用三相交流异步机，其中传送带 电机 M3、M4 功率为 4000 瓦，额定电压为 380V，额定电流为 10A，M1 功 率为 2000 瓦，额定电压为 380V，额定电流为 5A。 毕 业 论 文 正 文第5页 哈尔滨职业技术学院印制 供料系统工艺过程与控制要求：启动后，M3 得电，输送带运转和开 始进料。当称斗中的原料达到设定重量，S3 动作，接通 M4，切断 M3， 停止进料，同时 M1 得电，M1 电机正转，打开称斗闸门，下料至传送带， 当闸门完全打开，碰撞 S1，切断 M1。当称斗中原料下完，S4 动作，接 通 M1 电机的反转，关闭闸门，当闸门完全关闭，碰撞 S2，切断 M1，接 通 M3，料仓重新开始下料。当按停车时，应等称斗中的原料下完，再延 长 10 秒，待传送带上的原料输送完毕，才切断电源。如图 2.1 所示。 称斗 料仓 满信号 S3 空信号 S4 S3S4 称门开信号 S1称门闭信号 S2 闸门开 M1 闸门闭 M1 M4 图 2.1 加料系统原理图 M3 毕 业 论 文 正 文第6页 哈尔滨职业技术学院印制 三、可编程控制器概述 （一）PLC 简介 可编程控制器（Programmable Controller）是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（Programmable Logic Controller）简称 PLC，它主要用来代替 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 PC。 但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将 可编程控制器简称 PLC。 在 60 年代， 汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控 制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重 新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样 继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料 甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在 1969 年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了 十项招标指标，即 1编程方便，现场可修改程序； 2维修方便，采用模块化结构； 3可靠性高于继电器控制装置； 4体积小于继电器控制装置； 5数据可直接送入管理计算机； 6成本可与继电器控制装置竞争； 7输入可以是交流 115V； 毕 业 论 文 正 文第7页 哈尔滨职业技术学院印制 8输出为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； 9在扩展时，原系统只要很小变更； 10用户程序存储器容量至少能扩展到 4K。 1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台 PLC，在美国通用 汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简 单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系 列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到 1971 年，已经成功地 应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。 这一新型工业控制装置的出现， 也受到了世界其他国家的高度重视。 1971 日本从美国引进了这项新技术， 很快研制出了日本第一台 PLC。 1973 年，西欧国家也研制出它们的第一台 PLC。我国从 1974 年开始研制。于 1977 年开始工业应用。 （二）PLC 的结构及特点 基本结构：各种 PLC 的组成结构基本相同，主要有 CPU,电源，储存 器和输入输出接口电路等组成。 1中央处理器：中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组 成。CPU 是 PLC 的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系 统输出。 2储存器：PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。系统 存储器用于存放 PLC 的系统程序， 用户存储器用于存放 PLC 的用户程序。 3输入输出接口单元：PLC 的输入接口电路的作用是将按钮、行程 开关或传感器等产生的信号输入 CPU；PLC 的输出接口电路的作用是将 CPU 向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接 触器线圈等电器的通、断电。PLC 的输入输出接口电路一般采用光耦合 毕 业 论 文 正 文第8页 哈尔滨职业技术学院印制 隔离技术，可以有效地保护内部电路。 4输入接口电路：PLC 的输入接口电路可分为直流输入电路和交流 输入电路。直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接与接近开关、光 电开关等电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶 劣环境下使用。交流输入电路和直流输入电路类似，外接的输入电源改 为 220V 交流电源。 5输出接口电路：输出接口电路通常有 3 种类型：继电器输出型、 晶体管输出型和晶闸管输出型。 6扩展接口和通信接口：PLC 的扩展接口的作用是将扩展单元和功 能模块与基本单元相连，使 PLC 的配置更加灵活，以满足不同控制系统 的需要。 7电源：PLC 一般使用 220V 交流电源或 24V 直流电源，内部的开 关电源为 PLC 的中央处理器、 存储器等电路提供 5V、 12V、 24V 直流电源， 使 PLC 能正常工作。 特点：使用灵活、通用性强；可靠性高、抗干扰能力强；接口简单、 维护方便；编程软件简单易学；适用性好，具有柔性；体积小、功耗小、 性价比高等特点。 （三）PLC 的应用 PLC 的应用领域，最初，PLC 主要用于开关量的逻辑控制。随着 PLC 技术的进步，它的应用领域不断扩大。如今，PLC 不仅用于开关量控制， 还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进 行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与处理。PLC 已 日益成为产业控制装置家族中一个重要的角色。但归纳起来，PLC 的主 要应用有以下五个方面： 毕 业 论 文 正 文第9页 哈尔滨职业技术学院印制 1.开关逻辑量控制 开关逻辑量控制是 PLC 最基本的应用，即用 PLC 取代传统的继电器 控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。如机床电气控制、电动机控制、 注塑机控制、电镀流水线、电梯控制等等。总之，PLC 既可以用于单机 控制，也可以用于多机群和生产线的控制。 2.模拟量过程控制 除了数字量之外，PLC 还能控制连续变化的模拟量，如温度、压力、 速度、流量、液位、电压和电流等均为模拟量。通过各种传感器将相应 的模拟量转换为电信号， 然后通过 A/D 模块将他们转换为数字量送到 PLC 内部 CPU 处理，处理后的数字量在经过 D/A 模块转换为模拟量进行输出 控制。若使用专用的智能 PID 模块，可以实现对模拟量的闭环控制。 3.机械件位置控制 位置控制是指 PLC 使用专用的位置控制模块来控制步进电机或伺服 电机，从而实现对各种机械构件的运动控制，如控制构件的速度、位移、 运动方式等。PLC 位置控制的典型应用有机器人的运动控制、机械手的 位置控制、电梯运动控制等，PLC 还可以和计算机数控装置组成数控机 床，以数字控制方式控制零件的加工、金属的切削等，实现高精度的加 工。 4.现场数据采集处理 目前 PLC 都具有数据处理指令、数据传送指令、算术和逻辑运算指 令和循环移位与移位指令，所以由 PLC 构成的监控系统，可以方便的对 毕 业 论 文 正 文第10页 哈尔滨职业技术学院印制 生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。数据处理通常用于诸如柔 性制造系统、机器人和机械手的控制系统等大中型控制系统中。 5.通信联网、多级控制 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机之间通信，要采用其专用通信模 块，并利用 RS-232 或 RS-422A 接口，用双绞线经过同轴电缆或光缆将它 们连接成网络。并由一台计算机与多台 PLC 组成的分布式控制系统，进 行 “集中管理， 分散控制” ， 建立工厂的自动化网络。 PLC 还可以连接 CRT 显示器或打印机，实现显示和打印。 （四）PLC 的发展 21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果 会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存 储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小 型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规 格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控 制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国 际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出 现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它 工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方 向。目前的计算机集散控制系统 DCS（Distributed Control System） 中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控 制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及 工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 毕 业 论 文 正 文第11页 哈尔滨职业技术学院印制 四、系统硬件设计 （一）PLC 的选择 PLC 输入输出地址分配：控制系统的 I/O 地址分配、元器件代码、 说明见下方表格所示。其中 SB1、SB2 为按钮；S1S4 为传感器触点。 KM1、KM2 对应电动机 M1 正反转；KM3、KM4 控制电机 M3、M4，以带动传 送带转动。根据课题的控制要求，绘制 I/O 分配表，如表 4.1 所示。 表 4.1 系统的 I/O 分配表 输入输出 端口元器件说明端口元器件说明 I0.0SB1启动按钮Q0.0KM1闸门开、既电动机M1正转 I0.1SB2停止按钮Q0.1KM2闸门闭、既电动机M1反转 I0.2S1传感器S1、既称门开信号Q0.2KM3送料入称斗、既电动机M3运动 I0.3S2传感器S2、既称门闭信号Q0.3KM4运走原料、既电动机M4运动 I0.4S3传感器S3、既称斗满信号 I0.5S4传感器S4、既称斗空信号 PLC 的选择：通过对系统控制要求的分析可知，系统共有开关量输 入点六个、开关量输出点四个。再考虑一定的输入输出点余量，所以选 用西门子 S7200 系列的 CPU222（8DI/6DO） 。由于系统无模拟量输入输 出要求，故无需再选用扩展模块。如图 4.1 所示。 图 4.1 西门子 S7222 毕 业 论 文 正 文第12页 哈尔滨职业技术学院印制 （二）电动机的选择 由于经常启动、制动和反转的生产机械，选择额定转速时则应主要 考虑缩短启、制动时间以提高生产率。启、制动时间的长、短主要取决 于电动机的飞轮矩和额定转速，应选择较小的飞轮矩和额定转速。 据上所述电动机选取额定电压为 380V,额定功率为 4KW、额定转速 720min/r 的鼠笼式三相异步电动机。如图 4.2 所示。 图 4.2 鼠笼式三相异步电动机 （三）其他器件的选择 接触器的选择：由三个电动机均采用异步三相交流电机，故采用 AC 3 型接触器；其中传送带电机 M3、M4 的功率为 4KW，额定电压为 380V， 故 KM3、KM4 采用 CJX212 型接触器（12A） ；而带动闸门开关的电动机 M1 为 2KW，额定电压为 380V 电机，故采用 CJX212 型接触器（9A）作 毕 业 论 文 正 文第13页 哈尔滨职业技术学院印制 为 KM1、KM2。 热继电器的选择： 由于 M3、 M4 的额定电流为 10A， 于是采用 TKE02W C（913A）型热继电器，调制 9.510.5A 既可；又 M1 的额定电流为 5A，故采用 TKE02SC（46A）型热继电器，调至 4.755.25A 既可。 （四）硬件连接图的绘制 1主电路图 三台电动机分别为 MA1、MA2、MA3。主电路如图 4.3 所示。 图 4.3 自动加料的 PLC 控制系统主电路 2PLC 外部接线图 自动供料的 PLC 控制系统外部接线图，如图 4.4 所示。 毕 业 论 文 正 文第14页 哈尔滨职业技术学院印制 图 4.4 自动加料的 PLC 控制系统接线图 毕 业 论 文 正 文第15页 哈尔滨职业技术学院印制 五、系统软件设计 （一）PLC 梯形图概述 梯形图是使用得最多的图形编程语言， 被称为 PLC 的第一编程语言。 梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有观点易懂的优点，很容易 被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电 路或程序，梯形图的设计称为编程。 PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电 器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器， 而是一些存储单元（软继电器） ，每一软继电器与 PLC 存储器中映像寄存 器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“l”状态，则表示梯形图 中对应软继电器的线圈“通电” ，其常开触点接通，常闭触点断开，称这 种状态是该软继电器的“l”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状 态，对心软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为 “O”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。 梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，在分析梯形图的逻辑 关系时， 为了借用继电器电路图的分析方法， 可以想象左右两侧母线 （左 母线和右母线）之问有一个左正右负的直流电源电压，母线之问有“能 流”从左内右流动。右母线可以不画出。 根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中符线圈对应的 编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左 至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解 算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬 时外部输入触点的状态来进行的。 毕 业 论 文 正 文第16页 哈尔滨职业技术学院印制 （二）系统流程图设计 根据木课题的控制要求和安全要求， 所设汁的程序按照图 5.1 所示。 图 5.1 系统流程图 毕 业 论 文 正 文第17页 哈尔滨职业技术学院印制 （三）梯形图的设计 本系统运用 SEPT7-Micro/WIN SMART 编程软件进行梯形图顺控程序 编写，在编写梯形图的过程中遵循以下编程规则： 1每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使 用时没有数量限制。 2梯形图每行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许 再有触点） 。 3线圈不能直接接在左边母线上。 4在一个程序中，同一编号的线圈如果使用 2 次，称双线圈输出， 它容易引起误操作，应避免。 5在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析 PLC 的周期扫描 原理和逻辑上的因果关系，假定梯形图中有“电流”流动，在这个“电 流”只能在梯形图中但方向流动即从左到右流动，层次的改变只能 从上到下。 设计的梯形图如图 5.2 所示， 其中启动条件由 I0.0 （启动按钮按下） 闭合、或未停车及称门完全闭合信号（I0.3+M0.0）所决定。而且用计时 器 T37 做十秒的延时以控制运走传送带电机 M4 的运行。 以保证斗称中原 料下完后传送带再运行一段时间把已下原料全部运走。而停止按钮则使 中间继电器 M0.0 失电，即使称门完全关闭（I0.3 闭合） ，也无法再次启 动。 毕 业 论 文 正 文第18页 哈尔滨职业技术学院印制 图 5.2 系统梯形图 毕 业 论 文 正 文第19页 哈尔滨职业技术学院印制 程序分析：按下启动按钮 SB1(I0.0)后，Q0.2 接通（进料） ，进料达 到之后，S3（I0.4）动作，则 Q0.2 断开（停止进料） ，同时 Q0.3(出料)、 Q0.0(开闸)接通。开闸最大时门上限开关 S1(I0.2)动作，Q0.0 断开。下 完料之后，S4(I0.5)动作，Q0.1(关闸)接通，当闸门关闭时，S2(I0.3) 动作,Q0.1 断开，同时接通 Q0.2 又开始进料。如果不按下停止按钮 SB2(I0.1)，则可以循环。如果按下停止按钮 SB2（I0.1） ，则 M0、M2 辅 助继电器接通，Q0.2 断开。同时 Q0.3(出料)、Q0.0(开闸)接通。开闸最 大时门上限开关 S1(I0.2)动作， Q0.0 断开。 下完料之后， S4(I0.5)动作， Q0.1(关闸)接通，M1 辅助继电器接通，定时器 T0 接通计时，当闸门关 闭时， S2(I0.3)动作， Q0.1 断开， 同时 10S 计时到的， Q0.3 也运料完毕， 系统全部断开。 （四）系统程序调试 使用 Micro/win32 软件输入梯形图后，编译、连接、检查无误后下 载入 PLC 之后打开模拟坚实按钮，观察程序运行。 I0.0 得电、中间继电器 M0.0 得电并自锁、Q0.2 得电并自锁； I0.4 得电、Q0.2 被断开、Q0.0 得电并自锁、Q0.3 得电并自锁； I0.2 得电、Q0.0 失电断开； I0.5 得电、Q0.1 得电并自锁、中间继电器 M0.1 得电并自锁，使得 开通延时继电器 T37 得电并开始计时； I0.3 得电、Q0.1 失电断开、并使得 Q0