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华南理工大学 学位论文原创性声明 l l l l l l l l1l u l l l l l l l l l ll l l l l l l l l l l l l l l l1 1 1 1 1 y 18 1 5 10 6 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：印锄君 日期：勿秒仁年修月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密叼，在剪解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 矸锄移 抄劲见 日期：历晔年月，尸日 日期：y 吁年i 乙月口日 摘要 摘要 人造大理石由于其美观大方、易加工、价格便宜等特点，在现代的装饰上 应用得越来越广泛。但目前生产人造大理石的工厂大部分还处于手工操作的阶 段，生产效率和产品质量都跟不上市场的需求。生产企业为了满足市场的需要， 决定投产具有高可靠性和灵活性的生产流水线。本论文课题正是基于这样的背 景下产生的。 本文首先对现代可编程控制技术的应用现状、发展趋势进行介绍，阐述选 择欧姆龙可编程控制器的原因，并简要介绍了人造大理石生产线的概况。然后 对人造大理石生产线的工艺流程、机械结构和电气系统的总体方案的设计进行 了描述。接着详细陈述了生产线电气控制系统的设计过程和可编程控制器的编 程过程。 由于考虑到生产线使用的微波设备功率较大，在控制现场不可避免的会产 生电磁干扰现象，因此，对此现象进行了详细的介绍和分析，并提出了适合本 系统使用的抗干扰措施。这种抗干扰的分析和解决方案，对使用可编程控制器 的类似场合有很好的参考价值。 本设计采用简洁的工艺流程方案，是为了节约生产成本，减少机械部分和 电气部分发生故障的几率，提高生产效率，是同类生产线布置的很好的样板。 本设计中综合运用了可编程控制器( p l c ) 、变频器等现代控制部件，其应用方 式对类似设备和一般的工业场合都有借鉴作用。此外，本文中对系统的整体设 计思想和一些关键技术的处理以及解决问题的方法都作了一定的介绍，这对以 后同类产品的设计制造有启发性作用。 关键词：可编程序控制器；人造大理石生产流水线；抗干扰 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s c a g l i o l ai sa p p l i e dm o r ea n dm o r ei nm o d e r nd e c o r a t i o nd u et o i t s b e a u t y ，e a s yp r o c e s sa n dl o wp r i c e b u tm o s ts c a g li o l ai sp r o d u c e db y h a n da tp r e s e n t ，i t sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t yc a n t m a t c ht h er e q u i r e m e n t so ft h em a r k e t s o ，t h ep r o d u c e r sw o u l dli k et o s e tu par e l i a b l ea n df l e x i b l es c a g l i o l ap r o d u c t i o nl i n et om e e tt h e n e e d so fm a r k e t t h er e s e a r c ht o p i co ft h i st h e s i sc o m e sf r o mt h ea b o v e b a c k g r o u n d f i r s t ，t h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o n a n d d e v e l o p i n g t r e n do ft h e p r o g r a m m a b l ec o n t r o lt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ，t h ec h o s e nr e a s o n so f o m l o np l cs t a t e d ，a n dt h es c a g l i o l ap r o d u c t i o n1 i n ep r e s e n t e d i n b r e v i t y t h e n ，t h ep r o d u c t i o np r o c e s sf l o w ，t h ed e s i g no ft h em e c h a n i c a l a n de l e c t r i c a ls y s t e m sa r ei n t r o d u c e d a sf o l l o w ，t h ed e s i g nm e t h o do f t h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mo ft h ep r o d u c t i o n1i n ea n dt h ep r a c t i c a l p r o g r a m m i n go ft h e p l cc o n t r o l a r es t a t e d i ti su n a v o i d a b l et oc a u s e st h ee l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c eo n s i t ed u et ot h em i c r o - w a v eo v e n sb i gp o w e ri nt h ep r o d u c t i o nl i n e ， s o ，t h ee l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c ei sa n a l y s e di nd e t a i l sa n dt h e a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e si st a k e nf o rt h i ss y s t e m t h ea n a l y s i sa n d t h em e a s u r e sa r ev e r yu s e f u lf o rsi m il a rp l ca p p l ic a tio n s ap i t h ys t y l ei sa d o p t e di nt h ep r o c e s sf l o wt os a v et h ep r o d u c t i o n c o s t ，r e d u c et h ef a u l tr a t eo fm e c h a n i c a l a n de l e c t r i c a lp a r t s ，a n d i m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y s o ，i ti sag o o de x a m p l ef o rs i m i l a r p r o d u c t i o n1 i n el a y o u t s t h i sd e s i g ni n t e g r a t e s s o m em o d e r nc o n t r o l d e v i c e s ，s u c ha sp l ca n df r e q u e n c yc o n v e r s i o nd e v i c e ，t ow o r kt o g e t h e r ， a n dt h ea p p l i c a t i o nc a nb eu s e da sr e f e r e n c et os i m i l a re q u i p m e n ta n d n o r m a li n d u s t r i a lc o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，t h ed e s i g nc o n c e p to fw h o l e s y s t e m ，p r o c e s so fk e yt e c h n o l o g y ，m e t h o d o fs o l v i n g p r o b l e ma r e d e s c r i b e di nt h i st h e s i s ，w h i c ha l s oc a nb eu s e da sg o o dr e f e r e n c ef o r t h es i m i l a rd e s i g n k e yw o r d sp l c ，s c a g l i o l ap r o d u c t i o n1 i n e ，a n t i i n t e r f e r e n c e ； - i i - 目录 目录 摘要1 a b s t r a c t ii 第一章绪论5 1 1 可编程控制技求的现状及发展趋势5 1 1 1 可编程控制技术的现状5 1 1 2 可编程逻辑控制器的发展趋势6 1 2 人造大理石生产线简介一7 1 3 本文的研究内容和意义9 第二章系统总体设计1 1 2 1 系统总体设计的方案选择1 1 2 2 机械部分简要介绍1 2 2 3 电控系统的总体设计1 3 2 3 1 功能设定13 2 3 2 总体结构关系l3 2 3 3 电控系统主要器件选择1 4 2 4 本章小结15 第三章p l c 控制系统软件设计1 6 3 1p l c 的工作原理16 3 1 1p l c 的组成和结构1 6 3 1 2p l c 的工作过程18 3 2p l c 编程语言及其程序设计的一般方法2 0 3 2 1p l c 的编程语言2 0 3 2 2p l c 程序设计的一般方法2 l 3 3 生产线控制系统的p l c 编程。2 2 3 3 1p l c 的i o 地址分配2 2 3 3 2 梯形图程序设计2 3 3 4 梯形图程序编写和下载2 7 3 5p l c 程序的运行与调试3 1 3 6 本章小结3 1 第四章系统抗干扰措施3 2 4 1 电磁兼容性概述3 2 一一 华南理工大学硕士学位论文 4 2 干扰源及干扰形式3 2 4 3 系统的抗干扰措施3 4 4 3 1 p l c 本身抗干扰措施3 4 4 3 2 使用者的抗干扰措施3 5 4 4 本章小结3 8 结论3 9 参考文献4 0 致谢4 3 附件一4 4 附件二4 5 - w 第一章绪论 第一章绪论 1 1 可编程控制技求的现状及发展趋势 1 1 1 可编程控制技术的现状 在现代工业设备及自动化项目中，会遇到大量的开关量、脉冲量以及模 拟量等控制装置。如电机的启动与停止；电磁阀的开闭；i 件的位置、速度、 加速度等的测定；产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制 等等。 传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。众所 周知，这种控制方式虽然造价便宜，但却存在着许多致命弱点：如只能适用 于简单的逻辑控制；仅适用于某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动 或优化，只能通过硬件的重新组合来实现。 目前工业界比较有代表性的控制方式主要有下几个类别： 1 单板机控制系统 单板机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受c p u 、内 存容量及i 0 接口的限制：软件上主要受限于与c p u 类型有关的汇编语言。 一般说来单板机或单片机系统的应用只是为某个特定产品服务的。其通用 性、兼容性和扩展性都相当差。 2 工业控制机( ip c ) 工业控制机是从p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的基础上通过应用推广发展 起来的。由于它是由微机及芯片的专业厂家开发出来的，所以其硬件品种兼 容性强且总线标准化程度高，其软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支 持，运行速度快、实时性强，可适用于模型复杂的项目。能把控制任务和图 文显示功能集成在一起。但工业控制机有两个方面的缺点：第一有较长的装 置访问时间；第二i 0 控制点数不能随意扩展。 3 计算机集散控制系统 计算机集散控制系统是由回路仪表控制系统发展起来的。它的优势在于 模拟量的处理和回路调节功能。自7 0 年代初期问世以来，得到了迅速的发 展。微处理器特别是单片机的出现和通信技术的成熟，使得计算机集散控制 系统把顺序控制装置、数据采集装置、过程控制的模拟量仪表有机地结合在 一起，形成了可满足各种不同要求的集散型控制系统。 华南理工大学硕士学位论文 4 传统的可编程逻辑控制器( p l o ) 传统的可编程逻辑控制器的最初控制概念和设计思想是将计算机软件 的控制思想代替继电器逻辑。其硬件的构成与微机相似。在可编程逻辑控制 器发展的初期，其主要的开发意图和应用领域是数字式控制，它按照用户程 序存储器里的指令安排，通过输入接口采集现场信息，执行逻辑或数值运算， 然后通过输出接口去控制各种执行机构动作。然而经历了3 0 多年的发展之 后，传统的p l c 也具有了逻辑顺序控制、模拟量处理、回路调节技术等三 个功能m 羽。 1 1 2 可编程逻辑控制器的发展趋势 随着计算机科学的发展和工业自动化的愈来愈高的需求，可编程控制技 术得到了飞速的发展。仅仅将p l c 理解为开关量控制的话，那就是一个错误 的概念了。综合国外特别是欧洲及国内的发展动态，其发展趋势主要有以下 几个方面口一】： 1 标准化 一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于 其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另 一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。目前，世界上各可编程控制产品 的厂家都制定了其相应的技术标准。例如，美国有n e m a 标准，日本有j i s 标准，德国、奥地利有d i n 标准。按照这些标准，各种型号的p l c 产品对工 业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只 能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。在p l c 的发展过程中， 特别是给工业自动化带来的困扰是，虽然p l c 的基本语言梯形图和指令表分 别是在接触器、继电器以及汇编语言的基础上建立起来的，但是各厂家无论 是从语言结构、语言功能还是从语言表述上都有不同程度的区别。为了使各 p l c 厂家的产品有一个共同的参考平面，近年来，由国际电工技术委员会i e c 正式颁布的可编程控制器的最新标准i e c 6 11 3 1 ( 1 9 9 8 年前为。i e c l1 3 1 ”) ， 对推动p l c 的国际标准化起了很大的促进作用，已逐渐成为在工业自动化中 影响最大的国际标准。 2 向两极化发展 当今p l c 发展的一个基本特征就是向小型化、超小型化发展。小型化、 系列化、低成本是p l c 的一大优势。超小型机几乎占了p l c 市场的1 4 ，具 有广阔的市场。一些超小型p l c ，具有超小体积，也具有更强的功能。 如 第一章绪论 o m r o nc p m i ad c1 0 点的机种几乎与p c 卡同样大小( 6 6 m m x9 0 r a m ) ，但它 具有中断输入、脉冲锁存输入、商速计数、间隔定时中断、模拟量输入、与 计算机、p t 链接等功能。 p l c 的另一基本特征是向高速度、高性能、高可靠的中、大型方向发展。 当今的p l c 已经走出了原来设备逻辑应用控制领域，迅速向工业控制的各个 领域渗透。如o m r o n 的c v 5 0 0 c v l 0 0 0 c v 2 0 0 0 c i 系列产品，其速度为每 千条基本指令的扫描时间为0 1 2 5 m s ，采用s f c ( 顺序功能图) 语言，具有 高功能通讯网络s y s m a cn e t ，s y s m a cl i n k ，s y s m a c b u s 2 ，使用f i n s ( o m r o n 通信系统协议) ，实现多层、远程及监控，还可通过c v s o o - - e n t o i 与以太网 ( e t h e r n e t ) 通讯。在可靠性方面，近年来有些公司研制了二重冗余、三重 冗余p l c 系统或双机热备用系统。如o m r o n 的c v m i d 就是一个双机热备用系 统射。 3 通讯网络化 过去p l c 一般限于设备级逻辑控制、提供简单的慢速通讯( 只支持 r s 2 3 2 、4 8 5 、多采用m o d - - b u s 协议，通信速率一般在几k b i t s 或几十 k b i t s ) 。目的是将系统的控制状态和设备运行的状态传给监视设备，供操 作人员监视或将操作员修改的指令传到p l c 。不管通讯和监视设备工作与 否，p l c 自身都能完成其控制功能。当今的p l c 都提供高速的通信网络( 如 i n t e r n e t 等) ，将过程控制、信号管理、通信网络融为一体，向大型化、网 络化的综合自动化系统发展。“p l c + 网络+ p c + s c a d a 软件 己形成一种非 常流行的应用方式。 4 开放的图形软件 过去的p l c 提供的显示功能极其简单，多数采用数值列表方式或简单的 线图显示。现在，一大批专业监控( s c a d a ) 软件商在w i n d o w s 系统平台上 开发了许多功能非常强的监视软件，这些软件一般支持多种p l c 连接，具有 丰富的图形显示功能，历史数据记录与趋势显示功能、状态报警显示功能、 p l c 图形组态功能等，如日本三菱公司的g t 图形显示终端、欧姆龙公司的 p t 图形显示终端等乜钔。 除此以外，为了设计和使用方便，几乎每个p l c 制造商都提供了方便的梯形图编 程软件，如日本三菱的f x w i n 编程软件，o m r o n 的s y s m a c 编程软件等，用户可 直接在个人电脑上进行编程或程序调试，这使得p l c 的使用变得非常简便，其应用迅 速普及，广泛深入到工业控制的各个领域，成为现代工业制造体系中不可或缺的一个 重要组成部分。 1 2 人造大理石生产线简介 以上介绍了可编程控制技术的一些概要情况，下面就具体结合人造大理 一7 一 华南理工大学硕士学位论文 石生产线电控系统的设计来看一下它的实际应用。 大理石是一种用途非常广泛的理想装饰材料，它可以用来装饰大型广 场、营业所、大厅、超级市场、高档饭店等等，是现代建筑材料中不可或缺 的原料之一。然而，天然大理石一般价格昂贵，资源有限，而且很难找到纹 理一致的可直接用于建筑装饰的天然大理石。 人造大理石有着天然大理石无法相比的优势，可保证大面积使用时花色 一致，整体装饰效果好。有机人造大理石色泽艳丽，使用者或设计者可根据 自己个性及风格选择花色品种。由于其特有的优点，我国各城市逐渐大量使 用，从近几年的发展使用趋势来看，人造大理石有着广阔的发展前景。 人造大理石的生产一般是采取天然大理石原料，加入有机或无机粘合材 料，在一定的工艺条件下，应用专用设备加工而成。某厂人造大理石生产流 水线的自动控制系统中，为了保证生产线的可靠性，与其所要求的功能匹配 和为了降低生产成本，提高生产效率，我们采用p l c 对生产线进行自动控制， 并实时监测设备的运行状态。 人造大理石生产线是顺序控制式流水线，从原料到成品，中间经过了多 道工序：注料振动抽真空加热保温冷却脱模，如 图卜1 所示。 十 冷却 一 脱模 i i 冷 注3 i | 5 却 tt l t 保温+ 一 一微波炉加热+- 振动，抽真空 图1 - 1 生产流水线布置图 f i g 1 - 1 t h el a y o u to f p r o d u c tl i n e 8 - 第一章绪论 人造大理石生产线各个部分简要功能如下： 1 注料 在流水线的起始阶段，注料机构自动注料，玻璃模具在注料口下方均速 直线运动，物料被装入模具内。 2 振动、抽真空 当已注料的模具被运送到振动区时，采用工频振动器进行振动，使物料 充分混合均匀。同时真空箱气阀传动电机动作进行抽真空，为下一步的加热 动作做准备。 3 微波炉加热 在此区域内，微波炉不断地进行设定温度的加热，同时传动带带动物料 从其中穿过，实现物料的加热以促使其发生化学反应。 4 保温 该段安装有热交换风扇，使温度均匀保持在6 5 。c 7 0 。c 之间，对前一 道工序加热后的物料进行充分的保温，使前一道工序的化学反应更为充分， 均匀。 5 冷却 采用冷却风扇对从保温区出来的物料进行充分降温，使物料在到达脱模 区前冷却变硬，可顺利从模具中脱离。 6 脱模、出产品 当物料经过上述工序已经成型后，采用机械手动作把成品从模具中提取 出来，然后平移至放料区放下物料。空出的模具继续运行在流水线上，为下 一块大理石的生产做准备。 整条流水线需满足以下要求：1 ) 每分钟可生产一块物料。2 ) 能承载及 运送单块不少于1 8 0 k g 的模具及物料( 每块模具及物料间距为1 米) 。 1 3 本文的研究内容和意义 综上所述，本文的研究目的是研究采用p l c 如何实现人造大理石生产 线的自动化改造，保证生产线的可靠运行，降低生产成本和提高生产效率。 其主要研究内容包括以下几个方面： 1 对可编程控制系统的现状和发展趋势作一简单介绍，明确大理石生产 线的基本概况。 2 生产线机械部分和电气控制部分总体结构的设计，包括总体设计方案 选择、控制部件的选取和总体布置等。 3 可编程控制部分的设计，包括i o 接口信号的确定、控制程序的设计、 一9 一 华南理工大学硕士学位论文 编写与调试运行。 4 系统抗干扰措旌的选取和实施，包括常用的抗干扰方法和抗干扰原则 的介绍。 5 大理石生产线运行状况介绍，包括系统特点、改造后的优缺点、运行 可靠性等。 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 2 1 系统总体设计的方案选择 根据系统的应用背景和功能要求，现在可以对系统的总体方案进行选型。 大体上来说，本控制系统从控制功能和复杂性方面而言应是中小型系统，所以 在综合考虑成本和实现难易度以及操作适应性等各个方面后，决定选择p l c 作 流水线控制核心，协调各功能模块的顺利衔接和实现各种控制，包括电机的变 频调速控制、微波炉加热及温度控制、生产线的紧急停机、手动运行、自动运 行等。按工作元器件的功能分类，本生产线可以分为以下几个部分： 1 传送系统 本生产线采用链条传动机构作为基本传动单元。各道工序功能模块都包括 有链条电机和传动电机作链条传动的动力装置，同时由于生产线作矩形框布 置，在矩形框的四个转角处还专门设立的升降电机以实现流水线在拐角处的顺 畅衔接。 2 气动系统 气压伺服控制是以气体为工作介质，实现能量传递、转换、分配及控制的 一门技术。气动系统因其节能、无污染、结构简单、价格低廉、高速、高效、 工作可靠、寿命长、适应温度范围广、工作介质具有防燃、防爆、防电磁干扰 等一系列的优点而得到了迅速的发展。众多的报道表明，气动技术是实现现代 传动和控制的关键技术，它的发展水平和速度直接影响机电产品的数量和水 平。 气动伺服控制系统按其采用的电气转换元件的不同可分为电气比例伺服 系统和电气开关伺服系统。电气比例伺服系统模拟信号控制的比例阀或伺服 阀作电气信号转换元件。这类系统控制精度高、响应较快，但伺服阀或比例 阀造价昂贵，因而系统成本高，而且对工作环境要求严。电气开关伺服系统采 用数字信号控制的开关阀作电气信号转换元件。这类系统成本低对工作环境 要求不高，且易于计算机控制；但获得宽频带、高精度比较困难。 本控制系统中的气动系统主要用于抽真空工序和机械手吸盘动作。该系统 由驱动装置、控制元件和执行元件组成。 3 检测系统 本系统的监测元件主要包括光电传感器、接近开关和温度传感器，实时监 华南理工大学硕士学位论文 测生产线的运行状况并反馈给p l c 进行控制。 4 控制系统 本系统的控制核心是p l c ，主要包括各传动电机和升降电机的启停控制、 变频器变频调速控制、微波炉加热控制和机械手的动作控制。 2 2 机械部分简要介绍 本大理石生产线为了节省占地面积，采用矩形框布置进行循环操作，按工 序可划分为六个区域：注料区、振动和抽真空区、加热区、保温区、冷却区以 及脱模区。实际工作时，物料被装在模具内随生产线的传动机构不断流经各工 序区域，每经过一个工序区域就实现该工序的加工，从而不断生产出大理石n 引。 整条生产线都采用链条传动机构，每个区域都设有电机、减速器和链条以 实现链条传动带的运动。在生产线的四个转角处都设置有一个升降电机和凸轮 机构，以实现物料及模具在拐弯处的顺利传动。整条流水线的平面布置图见 图1 - 1 。下面按工序分别介绍各部分的机械结构。 1 注料 在流水线的起始阶段，已配好的物料被放入注料机构中，玻璃模具在注料 口下方均速直线运动，注料器自动注料，此段要求模具定位准确，不能歪斜。 2 振动、抽真空 在此段采用工频振动器进行振动，每块物料振动时间不少于两分钟，使物 料充分混合均匀。真空箱气阀传动电机动作进行抽真空，为下一步的加热动作 做准备。同时物料在此处进行速度调整，将速度调整为跟微波炉传送带速度相 同，为下一步进行微波炉加热做准备。 3 微波炉加热 在此区域内，微波炉不断地进行设定温度的加热，同时传动带带动物料从 其中穿过，实现物料的加热以发生化学反应。 4 保温 该区分为炉后3 米调整区和炉后保温区两个区域。在炉后3 米调整区内， 以两种速度运行，当物料从微波炉出来时以跟微波炉相同速度运动，当物料脱 离微波炉后则以与炉后保温区相同的速度运动。在炉后保温区段，要求温度保 持在6 5 - 7 0 之间，温度为自动控制，电加热。整个保温区保温时间为2 0 分钟。保温区安装有热交换风扇，使温度均匀。 5 冷却 采用冷却风扇对从保温炉出来的物料进行充分降温，使物料在到达脱模区 前冷却变硬，可顺利从模具中脱离。利用p l c 程序控制冷却区传动电机的传 第二章系统总体设计 送速度控制物料的降温时间。 6 脱模、出产品 机械手动作，采用真空吸盘把物料牢固的吸住从模具中提取出来，然后平 移至放料区放下物料。机械手可以左右或上下移动，其抓取动作由真空阀实现。 在此区域要求模具精确定位。空出的模具继续保持在流水线上，为下一块大理 石的生产做准备。 整条流水线需满足以下要求：1 ) 每分钟可生产一块物料。2 ) 能承载及运送 单块不少于1 8 0 k g 的模具及物料( 每块模具及物料间距为l 米) 。 2 3 电控系统的总体设计 本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机 械部分的配合需求以及国标中的有关规定，在具体实现的过程中，又以系统的 可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易 于使用的设备。基于以上考虑，本系统电气控制部分的总体设计如下： 2 3 1 功能设定 1 运行方式分为手动、半自动、全自动。 2 运行参数可调整。 3 具有现场运行情况的动态图形及参数显示功能。使操作者能随时了解到 系统的运行情况。 4 具有紧急报警功能。 2 3 2 总体结构关系 p l c 接收光电传感器、按钮、行程开关和其它开关量信号的输入，并了解 传动电机、变频器、温度控制器、空压机等的运行情况，及时发出信号去控制 接触器、继电器、变频器等电气元件，进而控制各电机的运行，同时控制相应 指示灯的显示等，保证系统正确、可靠、安全地运行。p l c 可以完成手动、半 自动、全自动功能的控制。 华南理工大学硕士学位论文 2 3 3 电控系统主要器件选择 1 p l c 的选型 目前p l c 使用性能较好的有德国s i e m e n s 公司，日本的三菱、欧姆龙 ( o m r o n ) ，美国的a b 公司。在世界小型p l c 市场上，日本产品约占市场份 额的7 0 ，居垄断地位。o m r o n 的p l c 产品销量在日本位居第二，仅次于 三菱。o m r o n 以其明显的低价位及完善的售后服务系统使其小型p l c 的销量 在中国居于榜首。除了价位低之外，o m r o n 小型p l c 还有两个明显的特点深 受用户欢迎。其一是o m r o n 小型p l c 梯形图与语句表并重，配置的指令系 统较强，特别是提供功能指令，使用户感到使用方便，在开发较复杂控制系统 的能力方面也优于欧美的小型p l c 产品。其二是o m r o n 为p l c 配置的通信 系统便宜、简单、实用，降低了整个p l c 网络的造价。因此拟选用o m r o n 的c p m l a 系列p l c e 8 , 7 , 8 , 3 0 ，。 本系统输入信号主要包括：光电传感器、接近开关、各启停按钮、复位及 报警信号等；输出信号主要有各电机的控制继电器、报警输出、真空阀输出等。 具体i o 数目见表2 1 表2 1 输入输出数目 t a b l e2 - it h ei n p u t o u t p u tn u m b e r 输入 名称 数目 光电传感器 1 2 接近开关6 启停按钮 1 0 复位按钮、保护开关、报警信号等 8 输出 名称数目 电机继电器 2 0 变频器 l 报警输出 1 真空箱电机及真空阀 2 由表2 1 知，整个系统的输入共3 6 点，输出共2 4 点，总数为6 0 ，按余量 为2 5 计算，应该选用8 0 个点的p l c 。又由于o m r o n 的c p m i a 型p l c 最大点数 为4 0 点，故需增加两个2 0 个点的i o 模块以扩充其输入输出点数。最后， 选定p l c 为o m r o n 的c p m i a 一4 0 c d r 加两个2 0 个点的i o 模块”。 本系统的气动件全部采用s m c 公司的产品。 4 光电传感器、接近开关的选择 本系统的光电传感器、接近开关全部采用o m r o n 公司的产品心引。 2 4 本章小结 本章主要对人造大理石生产线的总体方案设计进行了介绍，包括机械部分 和电气控制部分的设计。确定生产线采用矩形框布局，物料被装入磨具内随传 送带不断流经各工序，从而完成人造大理石的生产。初步确定系统中控制信号 的i 0 点数，选用0 m r o n 公司的c m p l a - 4 0 作为控制系统核心，外部扩展两个 2 0 个点的i o 模块，对系统中的其他电气元件如电机、气阀、光电传感器等进 行了选型。 华南理工大学硕士学位论文 第三章p l c 控制系统软件设计 3 1 p l c 的工作原理 p l c 是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于普通的计 算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置， 它在系统构成，硬件配置，软件编制以及i o 通道，用户界面诸多方面都有其 特殊性。 3 1 1p l c 的组成和结构 图3 1p l c 的硬件配置 f i g 3 - 1 t h es t r u c t u r eo fp l ch a r d w a r e p l c 的硬件配置如图3 1 。它是一种通用的可编程控制器( 也叫做独立型 p l c ) ，主要由中央处理单元c p u 、存储器、输入输出( i 0 ) 模块以及供电电 源组成。由于p l c 实现的任务主要是动作要求不特别快的顺序控制，因此，在 一般情况下，不需使用高速微处理器。另外，它的硬件设备是通用的，用户只 要按需要组合，并改变在存储器内的程序，就可以用于各种类型的工业控制场 所。p l c 的各部分都通过总线联接起来。其组成部分和主要功能如下，： 1 中央处理单元c p u 同一般微处理机一样，中央处理单元是可编程控制器的核心部件，它通过 输入装置将外部设备的状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输 出装置去控制外设。p l c 的c p u 通常采用位片式微处理器或通用微处理芯片。 如a m d 2 9 0 3 、z 8 0 a 、8 0 8 5 、8 0 5 1 、8 0 8 6 、6 8 0 0 0 等。为了进一步提高p l c 的功 第三章p l c 控制系统软件设计 能，近年来采用了多c p u 控制，如用一个c p u 分管逻辑运算及专用的功能指令， 用另一个c p u 管理输入输出模块，还有的p l c 采用单独的c p u 作为故障处理 和诊断等。这样，就可以增强p l c 的功能，并提高工作速度。 中央处理器的功能是： c p u 按系统程序所赋予的功能，接受并存储从编程器输入的用户程序 和数据； c p u 按扫描工作方式查询现场装置的各种信号状态或数据，并存入输 入过程状态寄存器或数据寄存器中；从存储器中逐条读取指令，并存 入指令寄存器中； 将指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的任务，产生 响应的控制信号，启闭有关控制门电路，并根据运算结构更新有关标 志和输出映像寄存器的内容，以实现输出控制、制表、打印或数据通 讯： 执行系统诊断程序，诊断电源故障、p l c 内部电路的工作状态异常和 编程过程中的语法错误。 2 存储器 可编程控制器中存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。常用的 存储器形式有c o m s r a m 、e p r a m 和e e p r a m 。p l c 中的存储器可以分为： 系统存储器。系统存储器用以存储制造厂家编写的系统程序。所谓系 统程序是指控制和完成p l c 机各种功能的程序，如控制器的监控程序、 基本指令和功能指令编译程序、系统诊断程序、通讯管理程序等。机 器出厂时，厂家把这些程序存入e p r o m 存储器或e e p r o m 存储器。用户 不能访问和修改存储器这部分的内容。 用户存储器。用户存储器主要用来存放用户的应用程序。用户程序是 指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程 序由使用者通过编程器输入到p l c 机的c m o s r a m 储存器中，以便于用 户随时修改。也可将用户程序存放在e e p r o m 中。为确保p l c 机控制系 统的可靠性，c m o s r a m 存储器有预防电源掉电故障的锂电池保护措施， 以防电源掉电后破坏它的存储内容。 数据存储器。数据存储器用来存放p l c 的数据。包括输入、输出、辅 助继电器状态的映像区，定时器、计数器、移位寄存器、状态寄存器、 数据寄存器和特殊功能寄存器等状态的映像寄存器。由于数据在控制 器应用中是经常变化、经常存取的，因此数据存储器一般选用c m o s r a m ， 以满足随即存取的要求。 华南理工大学硕士学位论文 3 输入输出( i 0 ) 模块 输入输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接 口。p l c 的i o 可以直接加到执行件上。它通过外部过程信号转换成控制器内 部的电平信号，或使内部信号电平与外部执行机构相匹配。由于所控制对象的 不同，其接受的输入信号电压和控制的输出信号电源也各异，如直流2 4 v 、交 流li o v 或2 2 0 v ，因此，p l c 提供了各种操作电平、驱动能力以及各种功能的 i o 模块供用户选用，如输入、输出电平转换、串并行转换、数据传送、数据 转换、a d 和d a 转换以及其它的功能控制模块等n 。 i o 模块要求具有抗干扰性能，并与外部回路隔离，因此，多数都采用光 电隔离回路、消抖动回路、多级滤波器等措旋。i o 模块可以制成各种标准模 块，根据输入、输出点数来增减、变换、互换和结合。i o 模块还配有各种发 光二极管以指示各种运行状态。 4 电源 电源单元将外部供电电压( 1i o v 、2 2 0 v ) 转换成c p u 所需要的5 v 工作电 压。由于p l c 直接在工业现场应用，因此对电源的技术要求较高。为防止来自 交流电源的和干扰，一般要采用多级滤波器，并使交流电源和内部直流电源之 间有必要的隔离，并采用稳压电源以适应电网波动和缓慢变化的影响。此外还 要求电源对过电压有一定的防护能力，以避免在电压突变时损坏p l c 。 5 编程器 编程器通过编程语言将用户程序送入p l c 。因此，编程器是p l c 的主要辅 件，编程器用作用户程序的编制、调试、监视、修改和编辑、并最后将程序固 化在e p r o b t 中。编程器还可通过其键盘去调用和显示p l c 的一切内部状态和参 数，并通过通讯接口与c p u 联系。目前编程器主要有以下三种类型：便携式编 程器、图形编程器以及用于i b m p l c 及其兼容机的编程器n 纠。 3 1 2p l c 的工作过程 可编程控制器采用循环执行的工作方式，即循环扫描，也就是用户程序执 行完一次之后，又返回去执行第二次、第三次直到停机。其工作原理见图 3 - 2 。基本扫描周期包含五个步骤：1 、将输入信号读入输入映像区；2 、执行 用户程序；3 、通讯事务的处理；4 、p l c 内部事务的处理；5 、输出信号的刷新。 除了这五个基本步骤之外，p l c 可随时响应用户的中断请求，并按预先设定的 中断优先级别依次执行，从这个意义上讲，每个扫描周期所占有的时间并不完 全相同。 第三章p l c 控制系统软件设计 图3 - 2p l c 的内部工作原理 f i g 3 2 t h ei n t e r n a lp r i n c i p l eo fw o r ki np l c 1 输入信号的读入。在输入采样阶段，p l c 以扫描方式顺序读入所有输入 端的状态并存入内存中各对应的输入映像区中相应的寄存器。输入映像区是以 字节为单位的寄存器，它的每一位对应于一个数字量输入结点，p l c 把各个输 入结点的状态值采样送入输入映像存储器后，在执行用户程序的过程中，不再 理会输入结点的状态变化，它所处理的输入数据只是输入映像存储器中的值。 直到进入下一个扫描周期的输入采样阶段，才会重新读入输入端的新内容。 2 程序的执行。p l c 在每个扫描周期中，都从主程序的第一条指令开始执 行，直到主程序结束为止，其中子程序是由主程序中的“调用 指令来调用的， 因此可看成是主程序的一部分。如果在主程序中开放( 使能) 了中断，则在执 行主程序的任意时刻产生中断请求时，可随时得到响应。所以中断服务程序并 非在每个扫描周期中都执行，但也可能在一个扫描周期中执行多次，它的执行 与主程序是“异步 的。 3 通讯事务的处理。p l c 对通讯端口信号处理，是在每个扫描周期中定时 执行的，以便处理数据的传输等事务。如果系统没有接通讯模块，则自动跳过 这个步骤。 4 内部事务的处理。这里所指的内部事务主要是指p l c 定期检查系统中 系统程序和用户程序区，并检查i 0 模板的状态，总之它检查的是p l c 内部的 硬件系统，这是为提高p l c 的可靠性而设置的。 5 输出信号的刷新。p l c 在执行用户程序的过程中，只把计算所得的输出 信号存入输出映像区，而不直接送到输出结点( 对象) 上，只有在每个扫描周 期的最后一个步骤，才统一将输出映像区中的输出信号同时送到输出结点( 对 象) 上，这样有利于各控制对象动作之间的互锁和控制。输出映像存储器也是 以字节为单位的寄存器，它的每一位对应于一个数字输出量结点。 使用输入映像寄存器和输出映像寄存器的概念是p l c 不同于一般控制