（电力电子与电力传动专业论文）基于PLC的堆垛机自控系统的设计.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e e p l e ，s l i v i n gs t a n d a r d , t h ec a n n e db e e rh a sb e c o m i n gm o r e a n dm o p o p u l a rw i t h0 0 l s u m e r s a n dt h eb e e r p l a n t s n s c o n e n i e n tt ob e t r a n s p o r t e d , n o - e x p l o d i n g , a n d i ti s a h p r o f , v e r d u r e , c a nb es t o r a g e df o ral o n gt i m e h i g hq u a l i t ya n dl a r g uc a p a c i t yh a v e b e c o m et h cd e v e l o p m e n tt r e n di nt h eb e e rm a r k e ti nt h ef u t u r e t h cc o m p e t i t i o ni nb e e r m a r k e ti sm o r ea n dm o r ev e h c m e n t , a n dt h er e q u e s to fp r o d u c t i o np r o c e s si sm o r ea n d m o r es t r i c t l y mt h e s i sd e s i g n sas u i to fs y s t e mo fs t a c k c rb a s e do np l ca n dr e a l i z e s t h ea u t o m a t i cc o n t r o la n dc o m p u t e rm a n a g e m e n l t h es y s t e mi sm a d eo fi n d u s t r i a lc o m p u t e r , p l c , t r a n s d u c e r , m o t o r sa n da l lk i n d so f s e n s o r s 肌cs y s t e mu s et h es 7 3 0 0p l cm a d eb ys i m e n sa si t sk e r n e ld e v i c e , w h i c h h a sp o w e r f u lf u n c t i o n , s t e a d yc a p a b i f i t ya n db e e nw i d e l yu s e di nm o d e mi n d u s u i a l a u t o m a t i o np r o d u c t i o na n dd ow e l li nt h i sf i e l 正 m t h e s i st a k e st h ec o n t r o ls y s t e mo ft h es t a c k e ra sab a c k g r o u n d w ea p p l yt h e a d v a n c e dc o n t r o lt e c h n i q u ei nt h ec o n u o ls y s t e ms u c h 鹞t h et e c h n i q u e0 fp l c , t h e c o m p u t e rt e c h n i q u e , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n ds oo nt h ct h e s i si n t r o d u c e t h es y s t e mf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ei n c l u d et h ed e s i g no fo u t l i n ea n d c o m p o n e n t s n cs o f t w a r ei n c l u d ed e s i g no f p r o g r a ma n di n t e r f a c e t h cm a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si sa sf o u o w s ： 1 f 1 砖s e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ep l c ，sw o r kp r i n c i p l e , w o r km o d e , d e v e l o p m e n t t r e n da n dt h eo r g a n i z a t i o ns t r u c t u r eo fs n l e r si n d u s t r ya u t o m a t i o nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k t h et h i r dc h a p t e ra n a l y z e st h es t a t t ：k c t sc o n t r o lt e c h n i q u e sf l o w , a n di n t r o d u c e s t h e & s i g no fh a r d w a r e ，i n c l u d i n gc h o o s i n gm o d u l e , c o n f i g u r i n gn e t w o r k , s e t t i n g p a r a m e t e r sa n ds oo n 1 1 f o u r t hc h a p t e r 啪p l c t e st h es o f t w a r e , u s e ss n p 7t od e s i g n t h ef u n c t i o nb l o c k sb a s e do nt h es u u c t u r ep r o g r a m m cm c t h o d 1 1 ”6 f mc h a p t e r c o m p l e t e st h ei n t e r f a c e , u s e sw i n c c t or e a l i z et h cs u i t e m a 蛾f u n c t i o no ft h es t a c k i n g p r o c e s s t h es i x t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ea u t o m a t i cc o n t r o ln e t w o r ko ff a c t o w t h eo p e r a t i o na n de x p e r i m e n td e m o n s t r a t e st h a tt h es y s t e mc a nm a k et h ew o r ko f s t a c k e rs y s t e ma u t o m a t e di ns o m ed e g r e e i ti sg o o df o rg u a r a n t e e i n gt h eb e s ts t a t eo f t h es t a c k e ra n di m p r o v i n gt h el e v e lo ft h em a n a g e m e n t i tj sa l s of a c i l i t yt om o u n ta n d m a i n t a i n , r e l i a b l et oo p e r a t e , a n dp r e c i s et os u p e r v i s ea n dc o n t r 0 1 t h es u p e r v i s o r y s o f t w a r eh a sa b u n d a n tf u n c t i o n , k i n di n t e r f a c ea n dc o n v e n i e n c et ou s c k e y w o r d s ：p l c , p r o f i b u s , c o n f i g u r e , c o m m t m i c a t i o n , s u r v e i l l a n c es y s t e m 讯l l 亡工案火洛 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：金天仓日期：五o o , 6 月日 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，即：学校有权保留 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 权湖北工业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。 学位论文作者签名：瞅仓 日期蚓年幻日 指导教师签名： 日期坤6 月严日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 随着科学技术和工业生产的飞速发展。现代物流技术领域内出现了一种新型 仓储方式一自动化立体仓库。自动化立体仓库系统是一种用立体货架储存物资，由 计算机控制管理和自动控制的堆垛机进行存取作业的仓库它占地面积小、自动 化程度利用率高，因此被广泛运用在机场码头、造纸、食品服装，化工制药、啤 酒厂和其他行业的扬流系统中自动立体仓库作为物资存储和物流调节的重要手 段及现代物流系统的重要组成部分，不但在现代经济中起着非常重要的作用，而 且在一定程度上体现着一个国家的经济发展水平 1 1 自动化立体仓库简介 1 1 1 国外发展状况 立体仓库是存储的机电一体化高科技集成系统，它集机械、电子计算机、通 信、网络、传感器和自动控制等多种技术于一体，以搬运机械化、控制自动化、 管理微机化、信息网络化为特征，成为现代化物流设计中产品生产与存储的枢纽 自动化立体仓库系统主要由货物储存系统、货物存取系统、运输系统、控制和管 理等系统所构成，它采用p l c 控制、变频器调速、光电检测定位、步进驱动控制及 计算机管理等一系列自动控制技术它己经在世界范围内的仓储领域得到广泛应 用 1 1 据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化立体仓库2 0 0 0 0 多座，日本拥有 3 8 0 0 0 多座，德国拥有1 0 0 0 0 多座，英国有4 0 0 0 多座，前苏联有1 5 0 0 多座圈髑。9 0 年 代后，堆垛机在使用范围和性能上有了很大的发展 4 1 1 s l 饲。 1 1 2 国内研究动态及发展水平 我国自动化立体仓库的设施一向比较落后，上世纪6 0 年代才出现机械化物料搬 运，从7 0 年代才开始自行设计仓库中的各种设备，8 0 年代初引进国外先进技术设 计生产，到9 0 年代我国才进入自动化立体仓库的发展时期，设备的生产和使用才 有了较大的发展，开始使用电子计算机管理，仓库实现了半自动化和自动化。目 前，我国己建成并投入使用的自动化立体仓库已有数百座，在堆垛机、输送机、 分配机的设计制造及控制方面积累了丰富的经验，取得不少的进步；但与国外厂 商相比，在自动化程度、信息处理，可靠性方面还存在很大的差距。因此，我国 湖北工业大学硕士学位论文 必须投入大量人力物力才能建成具有世界先进水平的自动化立体仓库。 1 2 堆垛机控制系统简介 堆垛机是自动化立体仓库的主要设备，仓库中的所有货物的出入库等作业都 要通过堆垛机来完成。 从功能上堆垛机可以分为以下几部分：三维动作控制即控制在水平、垂直、 左右方向的运行；位置控制即堆垛机的在货架的定位；通讯功能即堆垛机与上位机 和其他仓库设备的通讯；保护报警功能即提供各种电气机保护，保证堆垛机运行 安全：人机界面功能即通过人机界面向操作人员提供堆垛机的状态信息 从机构上堆垛机一般由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架 和电气设备等基本设备组成 可编程控制器( p l c ) 专为工业环境下应用而设计，通过数字或模拟输入输出 控制各类型的机械或生产控制可编程控制器具有体积小，可读性好，抗干扰能力 强，可靠性高，易于使用等优点，并且在功能实现上可以根据用户要求的变化只 需要在软件上调整即可在自动化立体仓库中，采用集中式控制、分布式控制或 远程通讯网络控制，由中央控制计算机通讯网络和堆垛机、输送机等直接控制的 p l c 组成控制系统 1 3 工业组态软件简介 。组态”的概念是伴随着集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 简称d c s ) 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的在工业控制技术的不 断发展和应用过程中，p c ( 包括上位机) 具有的优势主要体现在川： 1 p c 技术发展速度快，各种相关技术己经成熟； 2 p c 构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本： 3 p c 的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强； 4 p c 的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持 在p c 技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地 位。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统 监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建 工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。 组态软件能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且提供分布式数据管理 和网络功能。相比原有的h m i ( x 机接口软件，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 的概念， 2 湖北工业大学硕士学位论文 组态软件是一个使用户快速建立自己的h m i 的软件工具在组态软件出现之前t 工控领域的用户通过手上或委托第三方编写h m i 应用，开发时间长，效率低，可靠 性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满 足需求，很难与外界进行数据交换，升级和增加功能都受到严重的限制组态软 件的出现，把用户从这些困境中解脱出来。可以利用组态软件的功能，构建一套 最适合自己的应用系统随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、s c a d a 、 通讯及联网、开放数据接口、对i 帕设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着 技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。 1 4 课题来源及研究内容 i 4 1 课题背景来源 随着消费方式的变化，罐装啤酒正被越来越多的消费者接受，逐渐成为国内 啤酒市场一股新生的力量。据有关统计数据显示，近年来，国内罐装啤酒市场的 增长速度平均维持在1 0 - 1 5 。远远高于整个啤酒市场年均7 的增长速度2 0 0 5 年国内罐装啤酒的总量已经达到了3 0 亿罐。除百威、嘉士伯等国际知名啤酒品牌 外，青岛、燕京、雪花，蓝带、艾尔、哈啤等国内啤酒企业也纷纷加大了罐啤的 推广力度 随着国内生活水平的提高，罐装啤酒正逐渐成为国内家庭啤酒消费的主流产 品，高品质、大容量将成为啤酒市场未来的发展趋势。与此同时，伴随啤酒行业 微利时代的来临，罐装啤酒也成为啤酒企业新的利润点在此背景下，武汉百威 啤酒厂把5 0 0 m l 罐装啤酒作为力推产品。力求打破现有国内罐装啤酒市场3 5 5 m i 主导的天下 图i i 百威啤酒厂生产车间分布图 图1 1 所示的是武汉百威啤酒厂生产车问的分布图。目前，包装箱听线堆垛 机只具备堆垛3 5 5 m l 罐装包装箱的功能，生产线采用人工巡视各个控制点的情况， 3 湖北工业大学硕士学位论文 发现问题再加暖手工调节。这样远远不能满足啤酒生产规模日益增大，罐装质量、 罐装耪度日益提高的要求。人工巡检存在一定的不确定因素，如操作人员发现阔 题的时间延迟、眼睛观察的误差、工人的责任心等都影响生产过程各参数的精确 度。 鉴于上述原因，我们设计了基于p l c 的堆垛机控制系统，该系统是集网络通信 技术、监控技术于一体的计算机监控系统。项目中作为底层单元的p i j ：完成对现场 开，关量的控制处理，设计程序使其同样也具备堆垛5 m l 罐装包装箱的功能；上 位机监控系统实现对车间堆垛机的远程监控：包括提供工艺流程图显示、动态数 据画面显示、报表编制、窗口技术以及生产管理等多种功能。各测控点的过程参 数、生产流程的动态图形以及图像实时显示在监视操作站的计算机屏幕上，各级 调节决策人员可以及时了解生产作业进程情况，理顺各个生产环节，统计分析每 日的生产进度，准确判断事故发生的原因。提高劳动生产率 本文以百威啤酒厂包装箱昕线改造为例，提出一种采用计算机监测控制的系 统。本系统根据堆剁机具体的要求和特点构建而成，及时掌握堆剁机的运行参数 及运行状态，了解整个控制过程所发生的一切并能快速做出反映，从而实现监测、 管理一体化，提高工作质量与效率该系统利用微型计算机良好的人机对话界面 和数据处理功能，实现对p u 、进行监控，充分发挥p l c 可靠、灵活的控制性能和计 算机在管理、监控等方面的优势，提高整个控制系统的整体自动化程度 1 。4 2 本课题研究的内容 本文研究的主要内容： ( 1 ) 分析吾动作的控制工艺。了解其工作过程及工艺要求，总结备机构的动 # 顺序。 用流程图的形式表示出来。 ( 2 ) 皖成控制系统的硬件设计，包括器件选择、硬件网络组态和参数设置。 ( 3 ) 完成控制系统的软件设计，根据结构化编程的思想。设计其实现功能的程序并 通过模拟调试。 ( 4 ) 控制系统的上位监控系统的设计，包括动态现场显示，运行参数状态，报表编 制，报警设计和调试。 岱) p l c 和上位祝的通讯。 ( 6 ) 分析当前工厂自动化控制系统的现状，探讨了p i e 与d c s 、d c s 与f c s 集成 的可行性和具体方案。 4 湖北工业大学硕士学位论文 1 5 论文的设计过程和体系结构 本课题研究的步骤从课题调研开始，到调试运行通过的流程框图大致如图1 2 所 示。 图1 2 总体设计流程框图 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章p l c 可编程逻辑控制器技术 2 。1p l c 的定义 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 是6 0 年代末发明的工业控 制器件，是美国数字公司( d e c ) 为美国通用公司( g m ) 研制开发并成功应用于汽车生 产线上当时人们把这第一台可编程控锚器i 做可编程序逻辑控制器p l c 或p c ，只 是用来取代继电接触控制，仅有执行继电器逻辑、计时、计数等较少的功能。 7 0 年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们把微机技术应用到可编程控 制器中，使得它兼有计算机的一些功能。不但用逻辑控制编程取代了硬件连线逻 辑，还增加了运算，数据传送与处理及对模拟量进行控制等功能，使之真正成为 一种电子计算机工业控制设备 1 9 8 0 年美国电气制造商协会( n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t o r ya s s o c i a t i o n 简称n e m a ) 把这种新的控制设备正式命名为可编程序控制器p c 。为了与个人计算 机的专称p c 相区别，故常常把可编程序控制器简称为p l c 1 9 8 7 年美国电气制造 商协会给出的可编程序控制器的定义为：可编程序控制器是一种带有指令存储器 和数字或模j 耋【i l o 接口，以位运算为主，能完成逻辑，顺序，计时，计数和算术 运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置嗍。随着科学技术的进步和可 编程控制器的不断发展，功能不断增强，其定义也会发生改变 2 2p l c 的基本结构和功能 2 2 1p l c 的基本结构 p l c 实质是一种专用于工业控制的计算机，它采用了典型的计算机结构，主要 由c p u 、r a m 、r o m 和输入输出接口电路等组成，其硬件结构基本上与微型计算机相 同，其基本结构如图2 1 所示： 6 湖北工业大学硕士学位论文 图2 1p l c 的基本组成 ( 1 ) 输入部件 这是p l j c 与输入控制信号连接起来的部件。输入部件接受从开关、按钮、继电 器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成中央处理器能够接 受和处理的数字信号。 ( 2 ) 输出部件 这是p l c 与被控设备连接起来的部件。输出部件接受进过中央处理器处理过的 输出数字信号，并将它转换成被控设备或显示装置所能接受的电压或电流信号， 以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。 ( 3 ) 中央处理单元 中央处理单元包括微处理器、系统程序存储器和用户程序存储器。微处理器 是p l c 的核心部件，整个p l c 的工作过程都是在中央处理单元的统一指挥和协调下 进行的，它的主要任务是按一定的规律和要去读入被控对象的各种工作状态，然 后根据用户所编制的应用程序的要求去处理有关数据，最后在向被控对象送出相 应的控制信号。 存储器是保存系统程序和用户程序的器件。系统存储器主要用于存放系统正 常工作所必须的程序，如管理、监控、指令解释程序，这些程序与用户无直接的 关系。用户存储器主要用于存放用户按控制要求所编制的程序，可以通过编程器 进行必要的修改。 ( 4 ) 电源部件 电源部分将外部接入的交直流电源转换成c p u 、存储器等电子电路工作所需的 直流电源。p l c 的电源在整个系统中起着十分重要得作用，它的好坏直接影响p l c 7 湖北工业大学硕士学位论文 的功能和可靠性。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因 此p l c 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。目前大部分p l c 使用开关式稳压 电源。 ( 5 ) 编程器 编程器是p l c 必不可少的重要外围设备。主要用于对用户程序进行输入、检查、 调试和修改，并用来监视p l c 的工作状态。 2 2 2p l c 的功能 p l c 是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化( f a ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 内占重要地位。 p l c 系统一般由以下基本功能构成嘲： ( 1 ) 控制功能 逻辑控制：p l c 具有与，或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继 电器进行开关量控制 定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：接通延时、 关断延时和定时脉冲等方式。 计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。 顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台p l c 可作为多部 步迸控制器使用。 ( 2 ) 数据采集、存储与处理功能 数学运算功能： 基本算术：加、减、乘、除。 扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算 比较：大于、小于和等于。 数据处理：选择、组织、规格化、移动和先入先出。 模拟数据处理：p i d 、积分和滤波。 ( 3 ) 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位数和 精度可以根据用户要求选择。 具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。 ( 4 ) 通信、联网功能 现代p l j c 大多数都采用了通信、网络技术，有r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口，可进行远程 控制，多台p l c 可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号 8 湖北工业大学硕士学位论文 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 通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据 的转移 在系统构成时，可由一台计算机与多台p l c 构成。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一般s c a d a 系统，现场端和远程端 也可以采用p l c 作现场机。 ( 5 ) 人机界面功能 提供操作者以监视机器设备工作过程必需的信息允许操作者和p c 系统与其 应用程序相互作用，以便作决策和调整。实现人机界面功能的手段：从基层的操作 者屏幕文字显示，到单机的c r t 显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个 人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。 ( 6 ) 编程、调试等 使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编 程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。 2 3p l g 的工作原理及方式 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置， 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【1 q n 们p l c 的c p u 则采用顺 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 类触点的动作时问一般在l o o m s 以上，而p l c 扫描用户程序的时间一般均小于 l o o m s 。因此，p l c 采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，p l c 与继电器控制装置的处理结果上就没有什 么区别了。 p l c 是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的即在p l c 运行时，c p u 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号( 或地址 号) 作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户 程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次 9 湖北工业大学硕士学位论文 扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作 p i l ：的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。见图2 2 。 t 槲出i 蟠 图2 2p i l ：扫描周期示意图 p l c 在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输 入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即 刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。 p l c 在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经 相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有 的内容随着程序的执行而改变。 输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷 新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式( 继电器、晶体管或晶闸管) 输出， 驱动相应输出设备工作。 一般来说，p l c 的扫描周期还包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊 断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。p l c 的i 0 响 应比一般微机组成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期， 一般均大于一个扫描周期甚至更长在进行程序设计时，这是必须要考虑的一个 因素 以上是一般的p l c 的工作原理，但在现代出现的比较先进的p l c 中，输入映像 刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作，提高了p l c 的 执行效率。在实际的工控应用之中，编程人员应当知道以上的工作原理，才能编 写出质量好、效率高的工艺程序。 2 4s i m a t i on e t 工业通信网络结构 随着自动控制，计算机、通信、网络等技术的发展，依靠强大的工业通信网 络，企业的信息管理系统可以将整个工厂的生产流程和自动化控制系统纳入到统 一的信息管理平台上，实现对生产、物流、销售的集成处理，为企业管控一体化 提供坚实的基础。 企业完整的自动控制系统的通信网络可以分为三级：企业级、车间级和现场级。 ( 1 ) 企业级通信网络是整个自动化网络的最高层，用于企业的上层管理，为企业 湖北工业大学硕士学位论文 提供生产、经营、管理等数据，通过信息化优化企业资源，提高管理水平在这 个层次的网络中，i t 技术如i n t e r n e t 和i n t r a n e t 的应用十分广泛 ( 2 ) 车闻级通信网络介于企业级和现场级之间，解决车间内不同工艺段之问的通 信，将处理器与处理器之间的信息交流、控制算法、处理器与输入输出接口之间 的信息交流集成。要求通信网络能够高速传递大量信息数据和少量控制数据，同 时具有较强的实时性。 ( 3 ) 现场级通信网络处于工业网络系统的最底层，直接连接现场的各种设备，包 括i o 设备、传感器、变送器、变频与驱动等装置 西门子自动化与驱动集团提出“全集成自动化”( t o t a l l yi n t e g r a t e d a u t o m a t i o n ，t i a ) 这一崭新的概念革命性的包括了“制造”与“过程”领域的 众多知识与经验，为生产提供了一种优秀的解决方案。t i 顺应自动化变革的趋势， 将公司的供应链、企业生产现场和管理层整合在一起，实现了企业信息系统的横 向和纵向集成，使企业获得最高的生产力和产品品质量，从而增强企业核心竞争 力通过全集成自动化，用户可以实现整个产品范围( 从自动化系统以及驱动技 术直到现场设备) 的高度集成【1 2 】嘲。 s i a t i cn e t 包括工业以太网、p r o f i b u sa s i 和e i b 总线，是西门子工业网 络解决方案的统称。根据车间级网络和现场级网络的不同通信需求，不同的层次 提供完善的通信解决方案：现场控制信号，如i 0 、传感器、变频器，直接连接到 p r o f i b u s d p 上，也可以连接到a s i 或者e i b 总线上在通过转换器接到p r o f i b u s d p 上；控制器和控制室之间的数据通信通过工业以太网来实现。 ( 1 ) 工业以太网 s i m a t i cn e t 的顶层为工业以太网，它是基于国际标准工e e e 8 0 2 3 的开放 式网络。以太网可以实现管理控制网络的一体化，可集成到因特网，为全球联网 提供了条件。以太网在局域网( l 领域中的市场占用率高达8 0 ，通过广域网伪 i s d n 或n t e r n e d ，可实现全球性的远程通信。网络规模可达1 0 2 4 站，距离可 达1 5 x m ( 电气网络) 或2 0 0 k m ( 光纤网络) 。符合工e e e s 0 2 3 u 标准的1 0 0 m b p s 的 高速以太发送信息显著加快，占用总线的时间极短。 工业以太网将控制网络集成到信息技术( n ) 中，可与使用t c p i p 协议的计算 机传输数据，可使用e m a i l 和w e b 技术，用户可在工业以太网的s o c k e t 接 口上编制自己的协议，可在网络中的任何一点进行设备启动和故障检查，冗余网 络可构成冗余系统。 西门子可提供以太网通信模块或通信处理器，远程访问路由器可在广域网连 接的两个以太网之间实现远程通信。 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 现场总线p r o f i b u s 西门子通信网络的中间层为工业现场总线p r o f i b u s ，它是用于车间级和现 场级的国际标准，p r o f i b u s 是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各 样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息p r o f i b u s 己被纳入现场总线的 国际标准c 6 1 1 5 8 和e n 5 0 1 7 0 ，已有5 0 0 多家制造厂商提供种类繁多的带有 p r o f i b u s 接口的现场设备，用户可以自由地选择最合适地产品，p r o f i b u s 在 全世界拥有大量的用户。p r o f i b u s 可用于分布式珊设备、传动装置、可编程序 控制器和基于p c 的自动化系统 p r o f i b u s 由3 个系列组成：p r o f i b u s d r p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s p r o f i b u s - d p 特别适合用于可编程序控制器与现场级分散的远程设备之 间的快速数据交换通信，即插即用，如用于西门子的e t 2 0 0 分布式加系统主站 之间的通信为令牌方式，主站与从站之间为主从方式，以及这两种方式的混合 使用编程软件s t e p 7 - m i c r o w i n 3 2 或s 咖cn e t 软件，可对网络设备组态或 设置参数，可启动或测试网络中的节点。 p r o f i b u s - p a 用于与过程自动化的现场传感器和执行器进行低速数据传输， 响应时间的典型值为2 0 0 m s ，可用于危险区域的现场设备。在危险区域每个d 肌 a 链路可连接1 5 个现场设备。在非危险区域每个d p p a 链路可连接3 1 个现场设备。 p r o f i b u s f m s 用于不同供应商的自动化系统之间传输数据，处理单元级河 编程序控制器和p o 的通用的控制层多主站数据通信，为解决复杂的通信任务提供 了很多的灵活性。 o ) a s - i 接口和e i b 西门子通信网络的底层包括 a s 4 接口和e i b 。删s 1 勰u se i b 是楼字安装总 线系统，符合国际标准a n l 2 4 7 a s - i 是传感器和执行器通信的国际标准( n , q 5 0 2 9 5 ) ，响应时间小于5 m s ，使用 未屏蔽的双绞线，由总线提供电源，最长通信距离为3 0 0 米，最多接6 2 个从站。 a s i 接口用两芯电缆连接现场的传感器和执行器，当前主要的传感器和执行器生 产厂家都支持a s - i 接口，其电气和技术规范对所有的公司公开a s - i 接口是单主 站系统，西门子的s i m a t i c 系统提供通信处理器作为主站，控制过程或现场通信。 采用d p a s - i 接口链接模块可将a s i 接口作为p r o f i b u s d p 的子网， 2 5p l c 的发展趋势 由于c i m s 、t 程自动化和过程控制等大系统和复杂的应用要求，p l c 的主要发 湖北工业大学硕士学位论文 展趋势为： ( 1 ) 高功能、高速度和大容量提高p l c 的处理能力，使p l c 具有更好的响应速度 和更大的存储容量。目前，有的p l c 的扫描速度可达0 i m s k 步左右p k c 的扫描速 度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的p l c 最高可达几十兆字节 ( 2 ) 网络化和强化通信能力。网络动态化己经很成功，并且现场总线技术 ( p r o f i b u s ) 在工业控制中也得到了越来越来越广泛的应用使得p l c 通过现场总线 能构成更加灵活实用的分布式网络；加强p i 上联网通信的能力，是p l c 技术进步的 潮流p l c 的联网通信有两类：类是p l c 之间联网通信，各p l c 生产厂家都有自己 的专有联网手段；另一类是p l c 与计算机之间的联网通信，一般p l c 都有专用通信 模块与计算机通信为了加强联网通信能力，p l c 生产厂家之间也在协商制订通用 的通信标准，以构成更大的网络系统，p l c 已成为集散控制系统( d c s ) 不可缺少 的重要组成部分 ( 3 ) 编程语言多样化在p l c 系统结构不断发展的同时，p l c 的编程语言也越来越 丰富，功能也不断提高。除了大多数p l c 使用的梯形图语言外，为了适应各种控制 要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计 算机兼容的高级语言( 队s i c 、c 语言等) 等。多种编程语言的并存、互补与发展 是p l c 进步的一种趋势。 ( 4 ) p l c 与工控机联合。p l c 和其他控制系统之间界限越来越模糊，在应用方向也 出现了类似的情况最流行的向p c 技术融合。p l j c 日益加速渗入到i ) c s 中，p l c 自身 控制也分散化相对p c 为基础的控制器，优势在小型p l c 上 ( 5 ) 增强外部故障的检测与处理能力根据统计资料表明：在p l c 控制系统的故障 中，c p u 占5 ，i o 接口占l 蹋。输入设备占4 5 ，输出设备占3 潞，线路占5 。前二 项共2 0 故障属于p l c 的内部故障，它可通过p l j c 本身的软、硬件实现检测、处理； 而其余8 0 的故障属于p l c 的外部故障。因此，p l c 生产厂家都致力于研制，发展用 于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。 2 6 变频器基本原理 变频调速的基本控制方式： 异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为：n 1 = 6 0 f i n p ( 2 - 1 ) 式中i l l 一同步转速( r r a i n ) ； f l 一定子频率m z ) ； n p 一磁极对数 湖北工业大学硕士学位论文 而异步电动机的轴转速为：n - - n l ( 1 - s ) = 6 0 f l c l - , s ) n p( 2 - 2 ) 式中s 一异步电动机的转差率： s = ( n r n ) n l ( 2 - 3 ) 可见改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行但 对晃步电动机进行调速控制时，要使电动机的主磁通保持额定值不变因为磁通 太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下。电磁转矩小，电动机的负载能力下 降：磁通太强。则处于过励磁状态，使励磁电流过大，限制了定予电流的负载分量， 为使电动机不过热，负载能力也要下降。异步电动机的气隙磁通( 主磁通) 是定、 转子合成磁动势产生，下面说明怎样才能使气隙磁通保持恒定。 由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为： e1-444flnlf_(2-4) 式中e l 一定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值0 , 9 ； ， f 1 一定子频率( i i 哟； n l 一定子相绕组有效匝数； f 。一每极磁通量阿哟 由上式可见f 。的值是由e 1 和f l 共同决定的，对e 1 和f l 进行适当的控制，就可以 使气隙磁通f 。保持额定值不变。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章堆垛机控制系统硬件设计方案 3 。1 控制工艺过程概述 罐装包装箱堆垛工艺如下： ( 1 ) 包装箱分流：将传送带送来的包装箱经过计数器记数分流至传送带a 道 ( 单数) 和传送带b 道( 双数) ，见图3 1 。 图3 1 分流 ( 2 ) 包装箱换向：按照设计的工艺对a 道和b 道的包装箱进行升降挡板，使其 按照规定的要求换向，见图3 2 图3 2 换向 湖北工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 单双层图案的固定及推送；用升降板固定a 道和b 道的包装箱组成图案， 然后由推板全推或半推推至托盘，见图3 3 图3 3 图案固定及推送 ( 4 ) 托盘至货盘的堆垛，分层及输送：托板完成上升和下降，前进和后退的工 作，并由夹具将包装箱送至货盘堆剁，觅图3 4 。 图3 4 堆垛分层和运输 湖北工业大学硕士学位论文 3 2 硬件系统设计与选型 随着计算机网络技术的发展以及工业自动化程度的提高，为适应控制与信息 管理功能相结合的需要，用户对控制过程提出了越来越高的要求，不但要实现控 制过程，而且要实现对过程参数的监控、分析、统计、修改等要求1 1 4 】把个人计 算机连入p l c 网络，可以向用户提供诸如工艺流程图显示、实时数据画面显示、 报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能，为p l c 网络提供良 好的人机界面 堆垛机控制系统以个人计算机为上位机，数台p l c 为下位机的小型分布式控 制系统，充分利用p c 机强大的人机接口功能、丰富的应用软件和低廉的价格来共 同实现管理控制一体化该控制系统的硬件包括上位机监控部分和下位机数据采 集与控制部分根据西门子工业通讯网络结构，可以通过基于p r o f i b u s 的现场级、 车间级和管理级的通讯连接来实现。 3 2 1 基于p r o fib u s 的现场级与车间级控制系统的组建 3 2 i 1 方案的实现 现场级和车间级自动化监控与信息集成是工厂自动化及计算机集成制造系统 不可缺少的重要部分。现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层 设备单机控制、在线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产，运行 数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设 备生产及运行数据信息传送到工厂管理级，向工厂级m i s 系统数据库提供数据 同时也可接受工厂管理级下达的生产管理及调度命令并执行之因此，现场级与 车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及c i m s 系统的基础 传统的现场级与车间级监控系统多是基于p l c 分布式监控系统。其主要特点， 是现场设备与控制器之间的连接是一对一所谓加接线方式，信号传递4 -