基于PLC的自动焊锡机及组态王仿真毕业论文.doc

基于PLC的自动焊锡机控制系统的设计摘 要随着现代技术的迅速发展，各种机械的应运而生，自动化已成为了社会发展的必然趋势，自动焊锡机也成为了工业生产中必不可少的产物。为了提高自动控制系统的可靠性和设备的工作效率，设计了一套以PLC为核心控制器的自动焊锡机控制系统，用来取代以往的较复杂的继电器接触器控制。系统的核心部分采用了德国西门子公司生产的S7200型PLC，因为在核心控制部分采用的是软件程序控制，从而在保证自动焊锡机正常运行这个要求的情况下，大大的提高了自动焊锡机故障检查与维修的方便性和容易性，同时还克服了手动操作带来的一些人为干扰因素，取得了良好的预期效果。关键词：PLC，自动焊锡机，西门子Design of automatic soldering machine control system based on PLC ABSTRACTWith the rapid development of modern technology, all kinds of machinery came into being, automation has become an inevitable trend of social development, automatic soldering machine has also become an essential product of industrial production.In order to improve the reliability of the automatic control system and equipment efficiency, the design of automatic soldering machine control system of a PLC as the core controller, is used to replace the more complex relay - contactor control. The core of the system with the production of Germanys Siemens S7-200 PLC, as used in the core part of the software program control, thus ensuring the case of automatic soldering machine uptime requirements, greatly improves the automatic soldering machines convenience and ease of troubleshooting and maintenance, but also to overcome the manual operation to bring some human disturbance factors, achieved the desired effect.KEY WORDS: PLC, Automatic soldering machine, Siemens目录前言1第1章 概论21.1 课题背景21.2 自动焊锡机的意义21.3 可编程控制器概述31.4 自动焊锡机的发展方向61.5 课题要求7第2章 硬件设计82.1 系统框架图82.2 焊锡机示意图82.3 焊锡机主电路图92.4 控制系统对应设备及功能112.4.1 I/O点数统计112.4.2 I/O储存器容量的估算112.4.3 CPU功能与结构的选择122.4.4 I/O地址分配122.5 外部接线图13第3章 软件设计153.1 内部元件地址分配表153.2 PLC顺序功能图设计153.3 系统梯形图163.4 系统指令语句表20第4章 组态设计224.1组态概述224.2组态设计234.2.1 I/O设备建立234.2.2 画面创建254.2.3 系统运行294.3 组态设计小结31第5章 软硬件调试325.1程序调试325.2程序仿真33结 论34谢 辞35参考文献36外文资料翻译38前言众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。焊接又与其它工业加工过程不一样，手工焊接时，有经验的焊工可以以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊笔的位置、姿态和行走的速度，以适应焊点及焊接轨迹的变化，所以，焊接工的工作是个有一定技术含量的工作岗位，对工厂来说，要招聘一个熟练的焊接工，就目前的工人心态及工厂对员工的成本核算成为一个正负交错对立的局面，这是手工焊接的一个瓶颈。所以在这里提出了基于PLC的自动焊锡机的课题研究。当下，很多的国内外研究单位都在从事自动焊锡机的研究，有很多的方面的问题都要求研究者的考虑，所以在这里提出了基于PLC的控制理论。首先，在设计理论上有比较成熟的理论依据和实践经验。其次，基于PLC的控制设计，在操作上更简单，更具人性化，效率高，在实际生产上也具有相当大的意义，提高生产效率的同时也使生产变的简单化，高效化。在这个设计中我们在基于PLC的基础上，借助于步进电机的实际执行来达到我们需要的控制要求，在设计过程中比较容易熟悉和掌握使用。所以考虑各种因素我们认为基于PLC的自动焊锡机控制设计的课题很据有实际意义。我们采用是的仿真模拟来评估实际的应用，所以研究主要内容是着手于软件的编写、外部主电路的规划、采用的编程仿真软件及仿真结果的重点分析，最后就是利用组态王软件和PLC系统的通信，完成控制过程的动态显示效果。做到这些就可以针对于那些不足的地方加以改正，以达到实用的效果。 第1章 概论1.1 课题背景焊接技术就是高温或高压条件下，使用焊接材料（焊条或焊丝）将两块或两块以上的母材（待焊接的工件）连接成一个整体的操作方法。焊接是通过加热、加压，或两者并用，使同性或异性两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。过去的焊接技术长期停留在人工手动的焊锡机上，使用的热源温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接。并且由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有 毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。然而自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。自动焊锡机也就应运而生了，自动焊锡机可以三度空间全方位调节，使烙铁和锡线均不需假作业员之手，它完全代替了您的双手，手臂可以调整至您想要的任意焊接之位。自动送锡系统：您只需轻踩脚踏开关，锡线将自动的、定速、定量的伸到烙铁头 温 度： 采用手动数字式温度设定一目了然，自动恒温控制方式。高度可靠的金属防静电模式设计，焊接敏感组件更安全。轻巧灵活，不占空间，温度，送锡速度，锡点大小可调。特别适合各类电子连接器，LED灯串，视频音频线插头，耳机线，电脑数据线，小型线路板及小型电子元器件在线束中间的焊接和对接等。自动焊锡机一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。1.2 自动焊锡机的意义现代焊锡机已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头，接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。接头的基本形式有对接、搭接、丁字接（正交接）和角接等。 未来的焊锡机，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。 另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件。1.3 可编程控制器概述可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因此在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一1。可编程序控制器是一种存储器控制器，支持控制系统工作的程序存放在存储器中利用程序来实现逻辑控制，完成控制任务。在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高2。它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它的内部存储器可以执行逻辑运算、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或输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技(Computer Control Communication)相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大。 可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(DEC )为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子(SIEMENS)公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍:1982年美国PLC用户中，有48%来自自动程序操作部门(如汽车、拖拉机工业、机械工业等)、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门“。近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用3。如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和德国的PLC。 CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容4。PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的PLC在一个周期中可完成以下4个扫描过程5。1.自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能。自监视功能主要由时间监视器完成。WDT是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。WDT的定时可由用户修改，一般在100200ms之间。其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。2.与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。3.用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包换扫描过程。该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短，会影响过程所用的时间6。4.读输入与写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一时间，每个扫描周期内都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。CPU在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器：一个为输入映像寄存器，另一个为输出映像寄存器。用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器中。在输入扫描过程中，CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器；在输出过程中，CPU把输出映像寄存器的值锁定到实际输出点。为了现场调试方便，PLC具有I/O控制功能，用户可以通过编程器封锁或开放IO。封锁IO就是关闭IO扫描过程7。 在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映像寄存器中。在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变输入端子状态变化只能在下一个工作周期的输入阶段才被集中读入8。由上述分析得出循环扫描有如下特点：(1)扫描过程周而复始地进行，读输入、写输出和用户程序是否执行是可控的。(2)输入映像寄存器的内容是设备驱动的，在程序执行过程中的一个工作周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像积存的值来控制程序的执行。(3)程序执行完后的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出值，而在程序执行阶段，输出映像寄存器的值即可以作为控制程序执行的条件，同时又可以被程序修改用于存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。此时的修改不会影响输出锁存器的现在输出值，这是与输入映像寄存器完全不同的。(4)对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。由于输出映像寄存器的值可以作为程序执行的条件，所以程序的下一个扫描周期的集中输出结果是与编程顺序有关的，即最后一次的修改决定了下一个周期的输出值，这是编程人员要注意的问题9。各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。各PLC厂家为了缩小延迟采取了很多措施，编程人员应对所使用型号的PLC的延迟时间的长短很清楚，它是进行PLC选型时的重要指标。1.4 自动焊锡机的发展方向全自动焊锡机，顾名思义是一种焊锡焊接设备，所以除了机械手运动功能外，其主要还是要完成焊锡作业。所以焊锡机器人的核心部分是焊接系统。焊锡系统主要构成为自动送锡机构和温控、发热体、烙铁头。目前国内市场主流可见的优林、阿波罗及一些国内等品牌焊锡机器人已经成功应用于汽车电子、数码、电子、电声、LCD、线路板等生产行业，并突破了线材行业的USB自动焊接方案。现在很多的国家都在研究自动焊锡机器人，基于PLC的理论基础，从另外的科学点出发，找出更加优化实用性强的产品。在当今的社会，自动焊锡机的应用已经涉及到了我们生活的方方面面，也为我们的正常生活带来了不可或缺的方便，所以，加快研究更加先进的自动焊锡机使我们的责任。随着自动焊锡机器人的出现，将会在科学生产领域再一次刮起一次旋风，是很多的平时比较繁杂甚至是危险的焊锡工作带来了一次解放。自动焊锡机器人是借助过去的自动焊锡机的理论基础，在新的要求新的科技的帮助下应运而生的产物。此外，焊锡机器人能够有更高的生产效率，提供多种编程指令，采用专门设计的烙铁头，配合精密的控制系统，使烙铁的加温曲线更加平滑，焊接质量更为稳定。更加难能可贵的是，现在的自动焊锡机从工艺上更加精益求精，比如在产品的第一次生产他们会主动的记录焊接的相关数据并打印出来，以供工作人员参考，由此，自动焊锡机已将以往需要几次工序的过程一次完成，大大提高了工作效率。所以，自动焊锡机以后将会向更加智能化、更加人工模拟化的方式转变，通过的系统的管理，实现最优控制，最优生产10。1.5 课题要求 本次的设计的主要内容如下所述。自动焊锡机的控制过程为：启动机器，除渣机械手电磁阀得电上升，机械手上升到位碰SQ7，停止上升；左行电磁阀得电，机械手左行到位碰SQ5，停止左行；下降电磁阀得电，机械手下降到位碰SQ8，停止下降；右行电磁阀得电，机械手右行到位碰SQ6，停止右行。托盘电磁阀得电上升，上升到位碰SQ3，停止上升；托盘右行电磁阀得电，托盘右行到位碰SQ2，托盘停止右行；托盘下降电磁阀得电，托盘下降到位碰SQ4，停止下降，工件焊锡，焊锡时间到；托盘上升电磁阀得电，托盘上升到位碰SQ3，停止上升；托盘左行电磁阀得电，托盘左行到位碰SQ1，托盘停止左行；托盘下降电磁阀得电，托盘下降到位碰SQ4，托盘停止下降，工件取出，延迟5s后自动进入下一循环。第2章 硬件设计2.1 系统框架图此次设计主要是由PLC控制电机的动作来实现我们要达到的目的，其中包括上升下降控制电机和左行右行控制电机。另外还有四组限行开关，包括除渣机械手上下左右限行开关和焊锡操作盘上下左右限行开关。整个控制系统是由PLC中心控制操作的，在机械手和焊盘工作时主要是上升下降左行右行，他们之间的关系表示如图2-1所示。图2-1 控制系统框图2.2 焊锡机示意图如图2-2所示，SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，SQ1为焊盘左行限位开关，SQ2为焊盘右行限行开关，SQ3为焊盘上升限位开关，SQ4为焊盘下降限位开关，SQ5为机械手左行限位开关，SQ6为机械手右行限位开关，SQ7为机械手上升限位开关，SQ8为机械手下降限位开关，Y0为机械手上升，Y1为机械手下降，Y2为机械手左行，Y3为机械手右行，Y4为焊盘上升，Y5为焊盘下降，Y6为焊盘左行，Y7为焊盘右行。图2-2 自动焊锡机示意图2.3 焊锡机主电路图整个控制过程主要是四个电机的正反转，包括除渣机械手的上下左右移动以及焊盘机械手的上下左右移动，在外部三相电输入带动下，通过电机的转向的改变来完成控制系统的要求动作，其中包括8个接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8，KM1和KM2控制机械手上升下降的电机正反转，KM3和KM4控制机械手左行右行的电控的正反转，KM5和KM6控制焊盘机械手上升下降的电机正反转，KM7和KM8控制焊盘机械手左行右行的电机正反转，整个系统主电路图如图2-3所示。图2-3 系统主电路图图2-3中KM1和KM2为控制机械手上下移动电机的继电器常开开关，KM3和KM4是控制机械手左右移动电机的几点去常开触点，KM5和KM6是控制焊盘机械手上下移动电机的常开触点，KM7和KM8是控制焊盘机械手左右移动电机的常开触点。当继电器吸合，相对应的触点将会做出相应的动作，然后电机也会进行正反转来达到系统给予的目标动作。2.4 控制系统对应设备及功能根据控制过程中要实现上升下降左行右行等控制要求，对控制所需的外部设备初步设计如表2-1所示。表2-1 I/O点分配输入点输出点启动按钮机械手电机上升停止按钮机械手电机下降机械手上升限行开关机械手电机左行机械手下降限行开关机械手电机右行机械手左行限行开关焊盘电机上升机械手右行限行开关焊盘电机下降焊盘上升限行开关焊盘电机左行焊盘下降限行开关焊盘电机右行焊盘左行限行开关工件焊接焊盘右行限行开关2.4.1 I/O点数统计I/O点数是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上20%30%的备用量。该系统有11个数字输入点6个数字输出点。2.4.2 I/O储存器容量的估算PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于12KB之间。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等11。因此在程序设计之前只能粗略地估算。根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下：开关量输入元件：1020B/点开关量输出元件：510B/点定时器/计数器：2B/个模拟量：100150B/个通信接口：一个接口一般需要300B以上12根据上面算出的总字节数再考虑增加25%左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。该系统有11个数字输入点6个数字输出点，需内存280B，有定时器6个，计时器2个，需内存16B，考虑余量后需要内存370B。2.4.3 CPU功能与结构的选择PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求、PLC结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。全自动洗衣机控制所要求的控制功能简单，小型PLC就能满足要求了13。该控制系统CPU模块可采用CPU-224（AC/DC/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带14个数字量输入点和10个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块14。综上所述此次设计选用西门子S7-200型PLC。2.4.4 I/O地址分配经过上面所有的分析得出以及题目控制要求的表述，我们得出所有的I/O口的分配地址和对应的外部设备。由控制要求列出自动焊锡机的输入分配表，如表2-2所示。表2-2 自动焊锡机输入/输出地址分配表输入地址对应的外部设备输出地址对应的作用I0.0启动按钮SB1Q0.0机械手上升Y0I0.1机械手上升限位开关SQ7Q0.1机械手左行Y2I0.2机械手左行限位开关SQ5Q0.2机械手下降Y1I0.3机械手下降限位开关SQ8Q0.3机械手右行Y3I0.4机械手右行限位开关SQ6Q0.4焊盘上升Y4I0.5焊盘上升限行开关SQ3Q0.5焊盘右行Y7I0.6焊盘右行限位开关SQ2Q0.6焊盘下降Y5I0.7焊盘下降限位开关SQ4Q0.7焊盘左行Y6I1.0焊盘左行限位开关SQ1Q1.0工件焊接I1.1停止按钮SB22.5 外部接线图根据全自动焊锡机的控制要求，对系统控制的I/O点数进行了统计和PLC型号进行了选择。本课题是基于PLC的控制，所以在外部接线图中必须要有所有的I/O分配地址点、接触器的名称及对应动作关系。 现根据以上的统计和选择的PLC的外部接线设计如图2-4所示。图2-4 外部接线图在图2-4中，显示出了所有的输入输出地址分配，所有的系统动作名称，还有PLC上的接线点和系统中使用到的限位开关。第3章 软件设计3.1 内部元件地址分配表在设计自动焊锡机时用到了一些内部元件，用他们对系统的控制进行更佳的完善，包括两个定时器T37、T38，分别是对工件焊接时间进行计时和工件焊接完成取下焊接好的工件后的延迟时间计时。现在对控制中要用到的内部元件地址分配表归纳如表3-1所示。表3-1 内部元件地址分配表定时器对应的作用T37工件焊接时间计时T38每次动作完成延迟时间计3.2 PLC顺序功能图设计顺序功能图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，他是一种通用的技术语言，通过他的绘制在直观上看系统的流程更加清晰透明。此外，绘制顺序功能图为后期的程序编写提供方便，让程序的编写整个过程一目了然，即便哪里出现错误页很容易快速找到错误来源，便于后期检查修改。自动焊锡机控制系统PLC控制状态流程如图3-1所示。图3-1 系统顺序功能图3.3 系统梯形图1.梯形图的特点梯形图是PLC模拟继电器控制系统的编程方法。它由触点、线圈或功能方框等构成，梯形图左、右的垂直线称为左、右母线。画梯形图时，从左母线开始，经过触点和线圈（或功能方框），终止于右母线。在梯形图中，可以把左母线看作是提供能量的母线。触点闭合可以使能量流过，直到下一个元件；触点断开将阻止能量流过。这种能量流，我们称之为“能流”。实际上，梯形图是CPU仿真继电器控制电路图，使来自“电源”的“电流”通过一系列的逻辑控制条件，根据运算结果决定逻辑输出的模拟过程15。梯形图中的基本编程元素有触点、线圈和方框。触点：代表逻辑控制条件。触点闭合时表示能量可以流过。触点分常开触点和常闭触点两种形式。线圈：通常代表逻辑“输出”的结果。能量流到，则该线圈被激励。方框：代表某种特定功能的指令。能量流通过方框时，则执行方框所代表的功能。方框所代表的功能有很多种，例如：定时器、计数器、数据运算等。梯形图中，每个输出元素可以构成一个梯级。每个梯形图网络由一个或多个梯级组成16。2.梯形图绘制原则(1) 梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每个继电器器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。每一个逻辑行起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于继电器线圈或右母线。注意：左母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与右母线之间不能有任何点，应直接连接。(2) 一般情况下，在梯形图中某个编号继电器线圈只能出现一次，而继电器触点可无限引用。有些PLC，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出。 (3) 在每个逻辑行中，串联触点多的支路应放在上方。如果将串联触点多的支路放下方，则语句增多，程序变长。(4) 在每个逻辑行中，并联触点多的支路应放在左边。如果将并联触点多的支路放右边，则语句增多，程序变长。(5) 梯形图中，不允许一个触点上有双向“电流”通过17。3.系统梯形图根据以上的梯形图的基础知识、注意事项、特点及上节中的控制状态流程图，现利用STEP7-Micro/WIN编程软件做出自动焊锡机控制系统梯形图。STEP7-Micro/WIN编程软件是专为西门子S7-200而设计的，在个人计算机的WINDOWS操作系统下运行，功能强大、使用方便、简单易学。其编写好的程序可通过专用编程线缆下载的PLC中运行。也可以导出后在仿真软件中进行测试18。根据在西门子系统的编写的程序语言，得出了自动焊锡机的梯形图。整个系统的梯形图如图3-23-4所示。图3-2 梯形图图3-3 梯形图图3-4 系统梯形图3.4 系统指令语句表根据自动焊锡机控制要求和系统程序梯形图得出指令表如下：LDM1.4AT38OSM0.1OM0.0ANM0.1=M0.0LDI0.0AM0.0OM0.1ANI1.1ANM0.2=M0.1=Q0.0LDI0.1AM0.1OM0.2ANM0.3=M0.2=Q0.1LDI0.2AM0.2OM0.3ANM0.4=M0.3=Q0.2LDI0.3AM0.3OM0.4ANM0.5=M0.4=Q0.3LDI0.4AM0.4OM0.5ANM0.6=M0.5LDI0.5AM0.5OM0.6ANM0.7=M0.6=Q0.5LDI0.6AM0.6OM0.7ANM1.0=M0.7LDI0.7AM0.7OM1.0ANM1.1=M1.0=Q1.0TONT37,+30LDM1.0AT37OM1.1ANM1.2=M1.1LDM0.5OM1.1=Q0.4LDI0.5AM1.1OM1.2ANM1.3=M1.2=Q0.7LDI1.0AM1.2OM1.3ANM1.4=M1.3LDM0.7OM1.3=Q0.6LDI0.7AM1.3OM1.4ANM0.0=M1.4TONT38,+50 第4章 组态设计4.1组态概述组态定义：在使用工控软件中，我们经常提到组态一词，组态英文是“Configuration”，其意义究竟是什么呢？简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要组装一台电脑，事先提供了各种型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘、光驱等，我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间，因为它一般要比硬件中的“部件”更多，而且每个 “部件” 都很灵活，因为软部件都有内部属性，通过改变属性可以改变其规格（如大小、性状、颜色等）。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用BASIC , C , FORTRAN等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成19。组态用途：组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如DCS(集散控制系统)组态，PLC（可编程控制器）梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。其实在其他行业也有组态的概念，人们只是不这么叫而已。如AutoCAD，PhotoShop，办公软件(PowerPoint)都存在相似的操作，即用软件提供的工具来形成自己的作品，并以数据文件保存作品，而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。但是不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。组态工具的解释引擎，要根据这些组态结果实时运行。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。但是为了提供一些灵活性，组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的甚至支持VB。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：（Rockwell)-SE,ABB-OptiMax，爱默生DeltaV,WinCC，iCentroView, iFix，Wonderware Intouch，组态王（KINGVIEW），紫金桥（RealInfo），力控，易控，巨控组态（giantview），天工组态等。本次设计仿真组态中，我们用到时软件组态王20。4.2组态设计4.2.1 I/O设备建立打开组态王软件，在新建工程里建立工程，其中最主要的是设备的建立，我们在实验中用到的是COM1口，所以在选择的时候选择了COM1口，通信设备选择的是西门子S7-200系列的PPI。地址选择的是2，新建组态如图4-1所示。图4-1 新建I/O设备由图4-1可以清楚的看到，所有的工程的界面任务栏，有设备项下拉菜单的COM口。其他的选项无需修改直接使用，在建立画面之前，要做好所有的要用到的数据，其中包括I/O接口，内部数据等。对于全自动焊锡机的组态数据词典建立如图4-2所示。图4-2 组态数据词典建立图 如图4-2，在组态的建立中，我们先把那些需要用到的数据量建立存库，有些是I/O离散型，有些内部整形，根据不同的作用建立，这里我们用到了SB1、SB2、SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7、SQ8和Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7，前面几个是系统启动停止限位开关，属于离散型变量，所以设为I/O离散，后面几个是系统的输出变量，主要是控制电机的正反转，也设为I/O离散型，为了便于在组态中更加直观的显示整个控制系统的实现操作，我们在其中加入了一些内部整形变量，包括“机械手上下”控制除渣机械手砥柱的上下移动，“机械手左右”控制除渣机械手的左右移动，“机械手上下1”控制除渣机械手的上下移动，“焊盘上下”控制焊盘砥柱的上下移动，“焊盘左右”控制焊盘左右移动，“焊盘上下1”控制焊盘上下移动。这些内部整形变量是辅助系统的输出变量来完成显示的。其中也包括一些指示灯，直接和I/O的输出输入相连接，以达到系统的每个步骤的清晰显示。系统的输出数据也使用I/O的离散变量来实现，在程序的运行中，当有输出数据变化时，数据词典中的变量也随之变化，并且由此来驱动内部整形数据流变量的变化，从而实现组态里的动画显示。4.2.2 画面创建组态画面的建立窗口如图4-3所示。图4-3 自动焊锡机组态开发界面在工程和数据词典全部建立之后，从顶部的画面处，点击进入系统的开发界面。如上图4-3所示。在这个窗口我们建立我们需要的动画画面，做好焊锡机的焊盘机械手、除渣机械手、锡炉还有两个机械手的底座，最上面的一排开关盒最下面的几个指示灯。开关包括启动、停止、除渣机械手焊盘机械手的上下左右位限。为了画面的逼真和美观，特让底座和竖杆使用相同的黑色，这样可以使系统在运行时，竖杆移动和底座的颜色相同，看起来更加真实。而指示灯分别是工件焊接、系统运行、系统停止，在工作状态时，分别显示不同的灯，工件焊接指示灯在没有工作时是关闭状态，在工件焊接的3秒钟时间里，指示灯“工件焊接”是闪烁状态。做好这些只是动画的建立，要想达到控制的要求，要用这些动画画面组建和数据词典建立联系，让每一个画面部件都能按想要的动作运行，建立画面如图4-4所示。图4-4 动画组态在这个界面中进行组态设计，根据控制的操作动画与要求来作图，画出所有需要的画面，然后进行一一组态，把每个需要的变量和输入输出联系起来，达到PLC控制的最基本条件。为了便于观察，特在这里加入了三个指示灯，“工件焊接”表示工件的焊接时间计时，在工件焊接时这个指示灯就会闪烁直到焊接完成，“系统运行”表示系统的运行状态时开放的，可以进行控制操作，“系统停止”表示系统为停止运行状态，进行操作无效，并且不管系统运行什么动作，按下这个按钮，系统将会强制停止。其他的按钮都是外部I/O接口对应连接。双击动画部件，就会弹出类似于上图的对话框。在这里我们要重点提出，里面有两个有上下左右移动动作的画面，所以要用到里面的“水平移动”“垂直移动”两个控制变量。再联系前面我们建立的数据词典中的内部整形变量，配合组态中的命令语言，就可以控制画面里的动画运动动作，其中命令语言如图4-5所示。图4-5 内部命令语言在本次组态设计中，有些动作如机械手的上下左右移动不能同过PLC控制语言直接实现，所以在组态中假如一些内部整形变量，这样动画更加直观。像本系统中每次有移动的动作都会有与之对应的内部语言执行对应的动作，以便于视觉上更加逼真的效果。如：外部的除渣机械手上升动作，此时与这个动作对应的是变量Y0，经程序执行后，Y0的端口Q0.0就被置到1位置，根据内部语言if(本站点SB2=0&本站点SB1=1&本站点Y0=1) 本站点机械手上下=本站点机械手上下+10; 本站点机械手上下1=本站点机械手上下1+10;if(本站点SB2=0&本站点SB1=1&本站点Y2=1) 本站点机械手左右=本站点机械手左右+10;if(本站点SB2=0&本站点SB1=1&本站点Y1=1) 本站点机械手上下1=本站点机械手上下1-10; 本站点机械手上下=本站点机械手上下-10;if(本站点SB2=0&本站点SB1=1&本站点Y3=1) 本站点机械手左右=本站点机械手左右-10;if(本站点SB2=0&本站点SB1=1&本站点Y4=1) 本站点焊盘上下=本站点焊盘上下+10; 本站点焊盘上下1=本站点焊盘上下1+10;if(本站点SB2=0&本站点SB1=1&本站点Y7=1) 本站点焊盘左右=本站点焊盘左右+10; if(本站点SB2=0&本站点SB1=1&本站点Y5=1) 本站点焊盘上下=本站点焊盘上下-10; 本站点焊盘上下1=本站点焊盘上下1-10;if(本站点SB2=0&本站点SB1=1&本站点Y6=1) 本站点焊盘左右=本站点焊盘左右-10;if(本站点SB2=1)本站点SB1=0;以上便是组态中的所有的命令语言，命令语言的编写主要是用于控制组态内部的组件的移动动作，以及和外部PLC进行通信连接。如上面的这段命令语言，主要是实现组态和PLC通信连接时要进行的动作，有除渣机械手的上升下降移动动作，除渣机械手焊盘机械手的上升下降和左行右行动作，除此之外，还有描述工件焊接的闪烁指示灯等等，总之，命令语言的编写是辅助PLC程序流程的图像直观化，也就是组态王软件更好的进行对控制过程的表现。4.2.3 系统运行所有的画面建立完毕，连接没有问题，通信保证准确，命令语言能达到要求的情况下，PLC语言程序下载到西门子S7-200后，进行系统的运行操作实验。数据词典设计完成，图像组件连接之后，就要进行PLC和组态的通信了，系统的运行图如图4-6所示。图4-6 组态系统运行图按下启动按钮，系统处于运行状态，此时显示“系统运行”状态，这里进行第一个动作除渣机械手上升电机得电，运行如图4-7所示，图中显示机械手上升动作。图4-7 除渣机械手得电上升此时除渣机械手得电继续上升，当运行到机械手上升限位开关时，停止上升，机械手左行电机得电，除渣机械手开始左行，只有当左行位碰开关触动时才会停止左行，左行状态如图4-8所示。图4-8 除渣机械手左行图4-9 工件焊接图4-9中显示的是焊盘运行到右限下限时的状态，此时进行工件的焊接，指示灯闪烁如上图。组态完成后和PLC进行通信连接，PLC运行，就可以在这个界面操作控制系统了，在这里的限位按钮开关为“读写”属性，可以实现现场的控制。同时也可以在PLC上进行手动控制。4.3 组态设计小结经过仔细的组态试验，本组态系统完全符合自动焊锡机的控制要求，能完成所有的自动焊锡机将会出现的操作和动作，同时也证明组态的使用能带给学习者从其他地方得不到的视觉直观效果，组态王是一款适应性很强的组态软件，可以很好的在设计上减少我们走的弯路，更可以直观的显示我们在编写PLC语言程序时犯下的错误，也能让学习变的直接了断。第5章 软硬件调试5.1程序调试在西门子S7-200中对程序进行写入编辑，程序输入完成后，点击全部编译，程序运行无误，显示全部正确。然后把PLC停止在“STOP”状态，把写好的远程系下载进去，上电复位，进行全程监测。首先按下启动按钮I0.0，系统上电，中间继电器M0.1线圈得电，同时输出Q0.0，除渣机械手上升电机得电上升。按下除渣机械手上行限位I0.1，表示机械手运行到了上限，除渣机械手上升停止，M0.2线圈得电，同时输出Q0.1，除渣机械手得电左行。按下除渣机械手左行限位I0.2，表示到达左行限位，除渣机械手停止左行，M0.3线圈得电，同时输出Q0.2，表示除渣机械手得电下降，按下I0.3，表示到达下降限位，除渣机械手停止下降，M0.4线圈得电，同时输出Q0.3，表示除渣机械手右行。按下右行限位开关I0.4，M0.4掉电，输出Q0.3结束，机械手停止右行。同时因为M0.6的常闭触点闭合状态，所以M0.5线圈得电，输出Q0.4，表示焊盘机械手得电上升，按下I0.5，表示焊盘上升碰到限位开关，M0.7掉电状态，M0.7的常闭触点接通状态，所以M0.6得电，同时输出Q0.5，表示焊盘机械手得电右行，按下I0.6，表示焊盘右行碰到限位开关，M