基于西门子PLC200及组态王的配料生产线控制系统设计.doc

毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题 目：基于西门子 PLC200 及组态王的配料生产线控制 系统设计 （英文）：Design of Ingredients Production Line Control System Based on Siemens PLC200 and Kingview 院 别： 自动化学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： xxx 学 号： xxx 指导教师： xxx 日 期： 2012 年 5 月 基于西门子基于西门子 PLC200 及组态王的配料生产线控及组态王的配料生产线控 制系统设计制系统设计 摘要摘要 随着社会的进步、科技日新月异，从 18 世纪 60 年代的以蒸汽机为主要动力的工 业革命开始直到现在，工业的生产线经历过了 300 多年的发展历史，已经发展到了今 天的全自动化大批量生产。可以说现代工业已经离不开自动化的生产线了，自动化生 产线不仅可以大幅度地提高生产效率，而且还可以提高精度、提高合格率、减轻人的 工作量等好处。在工业如此发达的今天，生产线控制系统逐渐地由 PLC 控制代替原来 的单片机或机械电气控制，其许多功能是传统的控制技术无法实现的。 本设计针对我国一些小型企业的配料生产线控制系统现状，将西门子 S7-200 系列 的 PLC 应用于小型的配料生产线，再由组态王作为人机交互的界面作为远程控制和监 控作用。本设计通过合理的选择和编程，不仅可以提高配料生产线的生产效率、降低 成本、提高安全可靠性，还可以根据不同的配料合理调整 PLC 程序的参数，而且可以 直接通过组态王监控、控制和调整参数，实现远程控制，提高人性化。 关键词：关键词：生产线；PLC；组态王 Design of Ingredients Production Line Control System Based on the Siemens PLC200 and Kingview ABSTRACT With the progress of society and the great changes of science and technology, from the 1760s when the steam engine is acted as the main power of the beginning of the industrial revolution to now, industrial production lines have experienced 300-year developmental history, and has developed into fully automated mass production currently. It can be said that modern industry has been inseparable from the automated production line. Automatic production line not only can greatly improve the production efficiency, but also can improve the precision, boost qualified rate, reduce the workload. Nowadays industry is developed, and production line control system is r gradually replaced the original single chip computer or electrical machinery control with the PLC control. Many of its functions can not be achieved just through traditional control technology . This paper aims to small business ingredient production line control system in our country, and applys the PLC of Siemens S7-200 series to small batch production line, and treats kingview as a human-computer interaction interface for remote control and monitoring function. This paper through the reasonable selection and programming, can not only improve the batching production efficiency, reduce the cost, improve the safety and reliability, and make reasonable adjustment of PLC program parameters according to the different ingredients , but also can directly via the kingviews monitor, control and adjustment of parameters, to realize the remote control and improve humanization. Key words: Production Line; PLC; Kingview 目目 录录 1 绪论.1 1.1 配料生产线的发展概括.1 1.2 单片机控制系统特点与存在问题.2 1.3 PLC 控制配料生产线的特点.2 1.4 组态王的特点.3 1.5 课题研究的意义和目的.4 2 可编程逻辑控制器（PLC）概要.5 2.1 PLC 简介.5 2.2 可编程控制器(PLC)的特点 .5 2.2.1 硬件的可靠性.5 2.2.2 编程简单，使用方便.6 2.2.3 接线简单，通用性好.6 2.2.4 可连接为控制网络系统.6 2.2.5 易于安装，便于维护.7 2.3 PLC 的硬件结构.7 2.3.1 中央处理单元（CPU）.7 2.3.2 存储器（RAM、ROM） .8 2.3.3 输入输出单元（I/O 单元）.8 2.3.4 电源.8 2.3.5 编程器.9 2.4 PLC 的工作原理.9 3 配料生产线系统分析.10 3.1 配料生产线系统的概述与分类.10 3.2 配料生产线系统的组成.11 3.3 配料生产线的控制要求.12 3.4 配料生产线控制系统的流程图.13 3.5 配料生产线控制系统的性能及特点.14 3.6 配料自动控制过程.14 4 配料生产线控制系统的硬件设计.16 4.1 配料生产线的工艺.16 4.2 可编程控制器 PLC 的选型.17 4.2.1 输入输出（I/O）点数的确定.17 4.2.2 内存估计.18 4.2.3 PLC 的类型.18 4.2.4 输入输出模块的选择.18 4.2.5 电源的选择.18 4.2.6 经济性的考虑.19 4.2.7 机型的选择.19 4.3 变频器的选择.20 4.3.1 变频器的概述.20 4.3.2 传送带和搅拌机的电机调速系统.20 4.3.3 变频器型号的选择.21 4.4 电机的选择.21 4.4.1 电机选择的基本内容.21 4.4.2 连续工作制的电机容量选择.23 4.4.3 电机型号的选择.24 4.4.4 系统的硬件框图.25 5 配料生产线控制系统的软件设置.27 5.1 编程软件 STEP7 的概述.27 5.2 程序设计常用方法.28 5.2.1 经验设计法.28 5.2.2 逻辑设计法.28 5.2.3 顺序控制法.28 5.3 PLC 地址分配.29 5.3.1 输入/输出的分配如下 .29 5.3.2 PLC 外部接线图.30 5.3.3 PLC 符号表.31 5.4 各程序段模块分析 .31 5.4.1 初始化参数.31 5.4.2 三种启动方式.32 5.4.3 传送带 1 号运料.34 5.4.4 搅拌配料与运走配料.35 5.4.5 程序的循环设定.38 5.4.6 指示灯和报警部分.40 6 系统监控画面编程.43 6.1 组态王的简介.43 6.2 组态王与 PLC 的通讯.45 6.3 组态变量.46 6.4 主画面.47 6.5 实时趋势画面.49 6.6 参数调节画面.49 6.7 编程语言.51 7 结论与展望.53 7.1 结论.53 7.2 心得.53 7.3 展望 .54 广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 0 1 绪论绪论 1.1 配料生产线的发展概括配料生产线的发展概括 随着计算机技术和微电子技术的发展，微机配料控制系统的发展经历了人工手动 控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计算机集中 控制等几个阶段。 在第一个阶段，微机配料设备庞大，各设备之间互不联系，或者联系甚少，由现 场的操作人员只能监视和操作一个至两个计量称，并且手工记录配料的相关数据，在 很大程度上产品的质量取决于操作员的熟练程度。 在第二阶段，随着电子管、晶体管技术的飞速发展，逐渐出现了各种小型化的微 机配料电动组合仪表。但电动组合仪表也存在着两大问题:一是电噪声的问题比较严重， 为克服噪声，不得不采用极为复杂的电子线路;另一个问题是由于微机配料系统所控对 象、所处环境常常都很恶劣，电子元器件的老化严重，抗干扰的能力和可靠性不高。 单片机配料系统是在大规模集成芯片技术成熟的基础上应运而生的。单片机配料系统 较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低，可靠性大大的提高。而且满足了用户实 用性的要求。所以迄今为止，单片机配料系统仍然在一定程度上占据了中小型企业配 料生产的主控地位。同时随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的 迅猛发展，基于 STD 总线或 PC 总线的工业控制计算机（例如：PLC）应用提上了日 程，并且迅速的在中国形成热潮，主要是因为工业控制计算机可靠性高，小巧结构， 组成系统功能灵活，组态方便，具有小型化、模块化、组合化、标准化的特点。随着 工业控制计算机的广泛应用，基于工控机的配料系统也出现在工业场合。这种配料系 统大多采用集中控制方式，计算机除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存 储、报表打印等功能外，还要完成对各对象的直接控制和数据采集任务。 近些年来，随着电工电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传 动技术面临着一场历史革命，即采用交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取 代模拟控制技术己成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程 以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调 速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点 而被国内外公认为最有发展前途的调速方式但在总体上，我国在配料控制系统上存在 技术落后、企业平均规模小、综合生产水平低等问题。因此，提高配料的自动化程度 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 1 和产品的质量， 成为当前十分紧迫的问题。 1.2 单片机控制系统特点与存在问题单片机控制系统特点与存在问题 单片机虽然有一个五脏俱全的微计算机但由于本身无自开发能力，必须借助开发 工具来开发应用软件，以及对硬件系统进行诊断。另外，单片机内的 ROM 比较小，所 以在设计中系统必须在外面配置 EPROM 电路和扩展电路，所以在该项目中运用该方 案必须完成(1)硬件电路的设计、组装、调试；（2）应用软件的编制、调试；(3)应用 软件的链接调试、固化、脱机运行。系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏 磨损，造成接触不良，因而故障率较高。 依据单片机目前的发展状况，该方案的优点是：(1)成本较低，由于现在单片机的 价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比 较低。(2)可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。(3)由于现 存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作 量。 其缺点为：(1)系统硬件设计相对比较复杂，运用该方案，该系统硬件设计包含扩 展电路部分和系统配置电路部分，所以该系统电路设计工作量相对较大，影响系统开 发的时间。(2)系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，虽然注意了芯片、器件选 择、去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽。但由于工厂的条件比较差，很难 保证系统的可靠性和稳定性。(3)系统需要自己设计电源，而且不能保证系统的可靠运 行。(4)维护维修相对比较麻烦，维修需要的时间也相对较长。 1.3 PLC 控制配料生产线的特点控制配料生产线的特点 随着社会的不断发展，工业自动生产线越来越发达， PLC 在工业配料生产线控制 上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。由于 PLC 具有逻辑运算，计数和定时以 及数据输入输出的功能。在配料生产控制过程中，各种逻辑开关控制与 PLC 很好的结 合，很好的实现了对生产线的控制。 本文主要讨论研究利用西门子公司可编程控制器对配料生产线的控制，形成配料 生产线控制系统，并用组态王进行远程控制和监控。 可编程控制器充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同 时照顾到现场电气维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达 广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 2 方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结 构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学、调试和查错都很容易。用户买到所需要 的 PLC 后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可以 灵活而方便地将 PLC 应用于生产实践，而且用户程序的编制、修改和调试都不需要具 有专门的计算机编程语言知识。PLC 现在已经成为现代工业控制三大支柱 （PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修 改控制程序、具有远程通信联网功能、易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备 高速记数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代有大量中间继电器、时间继电器、 记数继电器等组成的继电-接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、轻工、电子、 纺织、食品、交通等各行各业都得到广泛的应用。 总之，配料生产线的控制是比较复杂的，在计算机诞生前的几十年里，继电器控 制系统为生产线控制的发展起到了巨大的作用，然而其控制性能与自身的功能已经无 法满足与适生产线控制的要求和发展，与 PLC 相比较，存在质的差别。生产线使用继 电接触器控制的时代，很难设计出质量优良的配料生产线控制系统，而现在，可编程 控制器的使用为配料生产线的控制提供了更广阔的空间。PLC 是专门为工业过程控制 而设计的控制设备，使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可 靠、抗干扰性能增强、机械与电气部件被机结合在一个设备内，把仪表、电子和计算 机的功能综合在一起。因此它已成为生产线运行中的关键技术。 1.4 组态王的特点组态王的特点 随着现代工业的发展，远程监控和操作越来越重要。组态王开发监控系统软件， 是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取 代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等 优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监 控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在 自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、 数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设 计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且， 它能充分利用 Windows 的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 3 制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有 丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 本设计就是用组态王与 PLC 通讯，实现对配料生产线的监控与远程操作、参数调 节等功能。 1.5 课题研究的意义和目的课题研究的意义和目的 随着人类的进步、社会的发展、科技的创新，自动化生产在现代工业生产中，已 经逐步代替手工生产。现代的生产流水线已经越来越自动化了，尤其是生产线上的配 料添加。 在现代工业生产中，经常需要将多种原料按一定的比例混合，以制造某种产品， 这种将一种原料与其它几种原料按事先设定的比例进行混合配料，然后自动送到搅拌 机进行生产的配料生产线控制系统在工业生产过程中有着广泛的应用，它能根据事先 设定的配料单，将各种不同的原料通过称料传感器把不同的配料进行称量。 随着计算机、工控系统、控制系统等相关技术的不错发展和完善，自动化系统得 到了极大的完善。然而配料系统在诸多行业的工业生产过程中占有极其重要的地位， 配料工序的合理性、稳定性、准确性以及快速性直接影响到了以后的各生产环节。现 在 PLC 由于它的可靠性高、效率高、稳定性好、编程容易等优点，使得它在市场上得 到了极大的应用。PLC 的极大应用提高了产品的质量和生产效率，在整个配料行业具 有广阔的应用前景。 本论文设计采用西门子 PLC200 控制配料生产线，运用 PLC 与传感器结合，实现 配料生产线的自动配料生产。该生产线主要由料仓、仓壁振动器、喂料器、传送带、 中间仓、混合仓、搅拌机组成，各振动器、搅拌机和传送带由电机拖动，采用变频器 实现电机调速，中间仓和混合仓卸料门则由电磁阀控制。当某台电机过载时电铃报警 并禁止所有输出，故障排除后才能继续工作。另外用组态王实现这套系统的监控和远 程控制，设计出性价比最高的一套配料生产线控制系统，投入社会。 广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 4 2 可编程逻辑控制器（可编程逻辑控制器（PLC）概要）概要 2.1 PLC 简介简介 PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的 新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁 布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： PLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程 的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等 面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用 可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和 算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机 械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体， 易于扩展其功能的原则而设计。 2.2 可编程控制器可编程控制器(PLC)的特点的特点 2.2.1 硬件的可靠性硬件的可靠性 PLC 是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的 PLC 能置于有很 强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。 在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简 化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格 的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出 电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，用提高了抗干扰性能；各 个 I/O 端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏 蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信 号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影 响各机的正常运行。 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 5 由于 PLC 本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部 件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。 2.2.2 编程简单，使用方便编程简单，使用方便 用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水 平的计算机硬件和软件知识。 PLC 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前打 多数 PLC 均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾 及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受， 易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。 这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比， 虽然在 PLC 内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备 来说，这是微不足道的。 2.2.3 接线简单，通用性好接线简单，通用性好 PLC 的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与 PLC 输入端子连接，将接 受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与 PLC 输出端子连接。接 线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC 的编程逻 辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。这 种性能使 PLC 具有很高的经济效益。 用于连接现场设备的硬件接口实际上是 PLC 的组成部分，模块化的自诊断接口电 路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人 员与技术人员易于是用。 2.2.4 可连接为控制网络系统可连接为控制网络系统 PLC 可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从 方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为 5002500m；另一类为高速 网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为 1M10Mbps，传输距离为 5001000m， 网上结点可达 1024 个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和 计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。 广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 6 2.2.5 易于安装，便于维护易于安装，便于维护 PLC 安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所 需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到 PLC 系统的情况下，PLC 小的模块结构 使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出 设备连向接线端即可。 在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆获 双扭线连向 CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统 不同部分可在到达安装场地前由 PLC 制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技 术人员的现场安装时间。 从一开始，PLC 便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的，维护 时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指 示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是 ON 还是 OFF，还可写编程指令 来报告故障。 PLC 的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后，其 作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC 的潜在优点还取决于应 用时的创造性。 2.3 PLC 的硬件结构的硬件结构 2.3.1 中央处理单元（中央处理单元（CPU） CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装 置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工 作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令， 经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总 线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及 数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度，IO 数量 基于西门子 PLC200 与组态王的配料生产线控制系统设计 7 及软件容量等，因此限制着控制规模 2.3.2 存储器（存储器（RAM、ROM） 存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称 为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储 器称为数据存储器。常用的存储器有 RAM、EPROM 和 EEPROM。RAM 是一种可进 行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在 RAM 中的用户程序 可方便地修改。RAM 存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用 锂电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM 都是只读 存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。 2.3.3 输入输出单元（输入输出单元（I/O 单元）单元） PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输 入模块将电