装瓶流水线PLC课程设计

目录 摘 要 1 1 PLC 简介 2 1 1 PLC 的概况 2 1 2 PLC 的基本机构和特点 2 1 3 PLC 的工作原理 2 1 4 PLC 的应用领域 3 1 5 PLC 的结构 4 2 软件介绍 6 2 1 三菱单片机 FX2n 系列简介 6 2 1 三菱单片机 FX2n 在装瓶流水线中的作用 6 3 装瓶流水线的 PLC 控制系统设计 7 3 1 设计任务 7 3 2 硬件选型 7 3 3 控制内容 8 3 4 设备选型 9 3 5 梯形图 10 3 6 程序表 11 4 装瓶流水线的 PLC 监控系统设计 12 4 1 调试过程及结果 12 4 2 监控系统软件设计 14 总 结 18 致 谢 19 参考文献 20 附 录 A 21 装瓶流水线的 PLC 控制 1 摘 要 现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应 生产出小批量 多品种 多规 格 低成本和高质量的产品 为了满足这一要求 生产设备和自动生产线的控制系统 必须具有极高的可靠性和灵活性 可编程序控制器正式顺应这一要求出现的 它是以 微处理器为基础的通用工业控制装置 本次设计以可编程控制器为主要设计对象 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 这次的课程设计是装瓶流水线的 PLC 控制 它是利用 PLC 对高速自动装瓶机的 自动控制 来完成封盖动作 关键词 装瓶流水线的 PLC 控制 PLC 控制 PLC 结构 PLC 原理 装瓶流水线的 PLC 控制 2 1 PLC 简介 1 1 PLC 的概况 可编程控制器是以微处理器为基础 综合计算机技术 自动控制技术和通讯技术 而展起来的一种新型工业控制装置 它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理 两者的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要 应用最多的控制设备 并已跃居 工业生产自动化三大支柱 可编程控制器 机器人 计算机辅助设计与制造 的首位 可编程控制器 简称 PLC 是在继电器控制和计算机技术的基础上开发了出来 并 逐渐发展成以微处理器为核心 集计算机技术 自动控制技术及通讯技术于一体的一 种新型工业控制装置 可编程控制器以其可靠性高 组合灵活 编程简单 维护方便等独特优势被日趋 广泛应用于国民经济的各个控制领域 它的应用深度和广度已成为一个国家工业先进 水平的重要标志 由于早期的可编程控制器只是用来取代继电器控制执行逻辑运算 计时 计数等 顺序控制功能 因此人们称之为可编程序逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 1 2 PLC 的基本机构和特点 PLC 主要由 CPU 模块 输入模块 输出模块和编程设备组成 大部分 PLC 还可以配 备特殊功能模块 用来完成某些特殊任务 PLC 的主要特点 它采用可编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺 序控制 定时 计数和运算操作命令 并通过数字式 模拟式的输入和输出 控制各 种类型的机械或生产过程 编程方法简单易学 功能强 性能价格高 硬件功能齐全 用户使用方便 适应性强 可靠性高 抗干扰能力强 系统的设计 安装 调试工作量少 维修工作量小 维修方便 体积小 能耗低 1 3 PLC 的工作原理 PLC 采用的是循环扫描的工作方式 分为采样输入 程序执行和输出刷新三个阶段 装瓶流水线的 PLC 控制 3 三个阶段称为一个扫描周期 PLC 完成一个周期后 又重复这个过程 周而复始 PLC 工作过程示意图如下 扫描输入端送 输入状态寄存器 输出状态寄 存器的状态输出 第一条指 令 第二条指 令 最后一条 指令 用户程序存 储器 图 1 1 PLC 工作过程示意图 1 4 PLC 的应用领域 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械 制造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 使用情况大致可 归纳为如下几类 1 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实现逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流水线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流水线等 2 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位和速度 等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 Analog 和数字 量 Digital 之间的 A D 转换及 D A 转换 PLC 厂家都生产配套的 A D 和 D A 转换模 块 使可编程控制器用于模拟量控制 装瓶流水线的 PLC 控制 4 3 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期直接用于开 关量 I O 模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动控制模块 如可 驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界上各主要 PLC 厂家的产品 几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机器人 电梯等场合 4 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制计算机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID 调节是一般闭环控制系 统中用得较多的调节方法 大中型 PLC 都有 PID 模块 目前许多小型 PLC 也具有 此功能模块 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序 过程控制在冶金 化工 热 处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 5 数据处理 现代 PLC 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数 据转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 这些数 据可以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定的控制操作 也可以利用通信功 能传送到别的智能装置 或将它们打印制表 数据处理一般用于大型控制系统 如 无人控制的柔性制造系统 也可用于过程控制系统 如造纸 冶金 食品工业中的 一些大型控制系统 6 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信 随着计算机控制的 发展 工厂自动化网络发展得很快 各PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能 纷 纷推出各自的网络系统 新近生产的PLC 都具有通信接口 通信非常方便 1 5 PLC 的结构 PLC 的类型繁多 功能和指令也不尽相同 但结构与工作原理则大同小异 通 常由主机 输入 输出接口 电源 编程器扩展接口和外部设备接口等几个主要部 分组成 装瓶流水线的 PLC 控制 5 图 1 2 PLC 结构图 装瓶流水线的 PLC 控制 6 2 软件介绍 2 1 三菱单片机 FX2n 系列简介 FX2n 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列 由于 FX2n 系列具备如下特 点 最大范围的包容了标准特点 程式执行更快 全面补充了通信功能适合世界各国 不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块 它可以为你的工厂自动化应用提 供最大的灵活性和控制能力 为大量实际应用而开发的特殊功能 开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要 模拟 I O 高速计数器 定位控制达到 16 轴 脉冲串输出或为 J 和 K 型热电偶或 Pt 传感器开发了温 度模块 对每一个 FX2n 主单元可配置总计达 8 个特殊功能模块 网络和数据通信 连接到世界上最流行的开放式网络 CC Link Profibus Dp 和 DeviceNet 或者采用 传感器层次的网络解决您的通信需要 其它功能 内置式 24V 直流电源 快速断开端 子块 时钟功能和小时表功能 24V 400mA 直流电源可用于外围设备 如传感器或其 它元件 因为采用了优良的可维护性快速断开端子块 即使接着电缆也可以更换单元 在所有的 FX2NPLC 中都有实时时钟标准 时间设置和比较指令易于操作 小时表 功能对过程跟踪和机器 维护提供了有价值的信息 2 1 三菱单片机 FX2n 在装瓶流水线中的作用 机型的选择 面对众多厂家提出的多种系列 功能各异的 PLC 产品 其结构 性 能 价格各不相同 三菱 FX2N 16MR 001 型号 其输入输出点分别为 8 FX2N 是 FX 系 列中功能最强 速度最高的微型 PLC 他的基本指令执行时间高达 0 08us 内置的用 户存储器为 8K 步 可扩展到 16K 步 最大可以扩展到 256 个 I O 点 有多种特殊功能 模块或功能扩展板 可为装箱机提供最大的方便和控制能力 3 装瓶流水线的 PLC 控制系统设计 3 1 设计任务 装瓶流水 PLC 控制 有 A1 A10 选瓶 装瓶 盖盖 贴签 传送 成品入库生产 线操作工序 用 10 盏灯来模拟 并有启动 停止 移位 复位按钮进行操作 如下图 装瓶流水线的 PLC 控制 7 所示 采用 S7 200PLC 进行控制 实现手动 自动等四种以上的装瓶流水线工序控制 设计出硬件系统的结构图 接线图 时序图 系统有启动 停止 移位 复位功能按钮 运用移位等功能指令进行 PLC 控制程序设计 并有主程序 子程序和中断程序 程序 结构与控制功能自行创新设计 用组态王监控组态软件 设计出上位监控系统 进行 系统调试 实现装瓶流水线的控制要求 完成课程设计说明书 3 2 硬件选型 按照 I O 点的分配和项目描述的控制要求 设计出 PLC 硬件系统的结构图 接 线图 时序图 一 结构示意图 图 2 1 瓶装流水线的 PLC 控制结构图 二 I O 分配 表 2 2 I O 分配表 输入信号输出信号 信号元件及作 用 PLC 输入口地址信号元件及作用PLC 输出口地 址 启动 停止带锁 按钮 0 00 选瓶操作工序 A1 1 00 移位按钮 0 01 装瓶操作工序 A2 1 01 复位按钮 0 02 盖盖操作工序 A3 1 02 贴签操作工序 A4 1 03 传送工序 A5 1 04 装瓶流水线的 PLC 控制 8 传送工序 A6 1 05 传送工序 A7 1 06 传送工序 A8 1 07 传送工序 A9 1 08 成品入库工序 A10 1 09 接 OV DC 1M 接 24V DC1L 2L 三 外部硬件系统接线图 图 X0 X1 X2 X3 X4 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 AC 220V COM S1 ON S2 S3 B1 Y HI H2 H3 M COM0 X5 S4 系统外围接线图 3 3 控制内容 1 手动控制方式 1 装瓶流水线控制系统有 10 道操作工序 用 10 盏灯来模拟 即 A5 A1 传送 选瓶 A6 A2 传送 装瓶 A7 A3 传送 盖盖 A8 A4 传送 贴签 A9 传送 A10 入库 2 启动 停止 移位为控制输入 控制系统的工作状态 3 按下启动按钮 手动移位完成一道操作工序 循环两次 4 按下复位按钮 系统回到第一道工序 5 按下停止按钮 系统停止工作 2 自动控制方式 1 装瓶流水线控制系统有 5 道操作工序 用灯来模拟 即 A5 A1 传送 选瓶 A6 A2 传送 装瓶 A7 A3 传送 盖盖 装瓶流水线的 PLC 控制 9 A8 A4 传送 贴签 A9 传送 A10 入库 2 启动 停止 移位为控制输入 控制系统的工作状态 3 按下启动按钮 每 5S 完成一道操作工序 循环两次 4 按下复位按钮 回到初始工序 重新开始运行 5 按下停止按钮 系统停止工作 3 4 设备选型 在 PLC 系统设计时 首先应确定控制方案 下一步工作就是 PLC 工程设计选型 工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据 因此 工程设计选型和估算时 应详细分析工艺过程的特点 控制要求 明确控制任务和范围确定所需的操作和动作 然后根据控制要求 估算输入输出点数 所需存储器容量 确定 PLC 的功能 外部设 备特性等 最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系统 输入输出 I O 点数的估算 I O 点数估算时应考虑适当的余量 通常根据童年 估计的输入输出点数 再增加 10 20 的可扩展 余量后 作为输入输出点数估算数 据 实际订货时 还需根据制造商 PLC 的产品特点 对输入输出点数进行圆整 根据 估算的方法故本课题的 I O 点数为输入 5 点 输出 5 点 存储器容量是可编程序控制器本身提供的硬件存储单元大小 程序容量是存储器 中用户应用项目使用的存储单元的大小 因此程序容量小于存储容量 设计阶段 由 于用户应用程序还未编制 因此 程序容量在设计阶段是未知的 需在程序调试后才 知道 为了设计选型时能对程序容量有一定估算 通常采用存储器容量的估算来代替 存储器内存储量的估算没固定的公式 许多文献资料中给出了不同的公式 大体 上都是按数字量 I O 点数的 10 15 倍 加上模拟 I O 点数的 100 倍 以此数为内存的 总字数 16 位为一个字 另外再按此数的 25 考虑余量 因此本课题的 PLC 内存容 量选择应能存储 2000 条梯形图 这样才能在以后的该着中有足够的空间 装瓶流水线的 PLC 控制 10 3 5 梯形图 装瓶流水线的 PLC 控制 11 3 6 程序表 见附录 A 装瓶流水线的 PLC 控制 12 4 装瓶流水线的 PLC 监控系统设计 4 1 调试过程及结果 先将 PLC 程序传入程序控制器中 然后对各个输入 I O 给信号处理 看各个输出 口是否有相应的输出 如果没有按照设计要求输出 对程序进行更改 直到各输出口 有相应的输出 如果有条件的话 用编程软件将程序输入 PLC 中 在确认 PLC 的电源 外部接线和程序输入无误的情况下 接通电源 按照流程图的顺序对系统进行调试 最后使整个系统能准确 可靠的工作 用 GX developer 的 simulator 进行仿真 具体步骤如下 1 进入仿真环境 装瓶流水线的 PLC 控制 13 图 3 1 仿真图 2 加载程序进行逻辑功能调试 装瓶流水线的 PLC 控制 14 图 3 2 仿真环境程序加载图 4 2 监控系统软件设计 MCGS 组态软件介绍 MCGS Monitor and Control Generated System 是一套基于 Windows 平台的 用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统 可运行于 Microsoft Windows 95 98 Me NT 2000 等操作系统 MCGS 为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台 能够完成现场数据 采集 实时和历史数据处理 报警和安全机制 流程控制 动画显示 趋势曲线和报 表输出以及企业监控网路等功能 使用 MCGS 用户无需具备计算机编程的知识 就可以再短时间内轻而易举地完成 一个运行稳定 功能全面 维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作 MCGS 具有操作简单 可视性好 可维持性强 高性能 高可靠性等突出特点 已 成功应用于石油化工 钢铁行业 电力系统 水处理 环境监控 机械制造 交通运 输 能源原材料 农业自动化 航空航天等领域 经过各种现场的长期实际运行 系 统稳定可靠 MCGS5 1 软件系统包括组态环境和运行环境两个部分 组态环境相当于一套完整的 工具软件 帮助用户设计和构造自己的应用系统 运行环境则按照组态环境中构造的 组态工程 以用户指定的方式运行 并进行各种处理 完成用户组态设计的目标和功 装瓶流水线的 PLC 控制 15 能 MCGS 组态软件 以下简称 MCGS 由 MCGS 组态环境 和 MCGS 运行环境 两个 系统组成 两部分互相独立 又紧密相关 图 3 3 MCGS 功能流程图 MCGS 组态环境是生成用户系统的工作环境 由可执行程序 McgsSet exe 支持 其 存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中 用户在 MCGS 组态环境中完成动画设计 设备 连接 编写控制流程 编制工程打印报表等全部组态工作后 生成扩展名为 mcg 的工 程文件 又称为组态结果数据库 其与 MCGS 运行环境一起 构成了用户应用系统 统 称为 工程 MCGS 运行环境是用户应用系统的运行环境 由可执行程序 McgsRun exe 支持 其存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中 在运行环境中完成对工 程的控制工作 MCGS 组态软件所建立的工程由主控窗口 设备窗口 用户窗口 实时数据库和运 行策略五部分构成 每一部分分别进行组态操作 完成不同工作 具有不同的特性 主控窗口 是工程的主窗口或主框架 在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多 个用户窗口 负责调度和管理这些窗口的打开或关闭 主要的组态操作包括 定义工 程的名称 编制工程菜单 设计封面图形 确定自动启动的窗口 设定动画刷新周期 指定数据库存盘文件名称及存盘时间等 设备窗口 是连接和驱动外部设备的工作环境 再本窗口内配置数据采集与控制 输出设备 注册设备驱动程序 定义连接与驱动设备用的数据变量 用户窗口 本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面 诸如 生成各种动画显 示画面 报警输出 数据与曲线图表等 装瓶流水线的 PLC 控制 16 实时数据库 是工程各个部分的数据交换与处理中心 它将 MCGS 工程的各个部分 连接成有机的整体 在本窗口内定义不同类型和名称的变量 作为数据采集 处理 输出控制 动画连接及设备驱动的对象 运行策略 本窗口主要完成工程运行流程的控制 包括编写控制程序 即 if then 脚本程序 选用各种功能构件 如 数据提取 定时器 配方操作 多 媒体输出等 如图所示 可以由它实现对工业生产的仿真上位监控工程 图 3 4 MCGS 运行策略组态图 实时数据库的变量设置 装瓶流水线的 PLC 控制 17 图 3 5 实时数据库的变量设置图 脚本程序的设定 通过脚本程序设定控制上位监控的仿真界面 由运行策略进入设定 如下图 图 3 6 脚本程序控制结构图 装瓶流水线的 PLC 控制 18 总 结 实际试验和生产表明 该控制系统能够达到生产所提出的速度和效率要求 并且 该控制系统扩展性和通用性良好 由该装瓶机控制系统可见 一般药品包装动作均可 分为以下几个模块 1 药品容器供应 如药瓶供应 2 药品供应 如药丸药粒等供应 3 密封方案实现 如瓶盖供应与封盖 4 成品半成品运输 如主传动链 连接各个动 作阶段 直至完成装瓶 5 最终封装 如装箱等 PLC 的逻辑控制能力强 处理数字 与模拟信号能力稳定快速 而且对于基于时间的顺序动作控制能力尤其强 因此是医 药行业中自动药品包装机械的理想控制平台 只要药品包装的各个动作能通过机械方 式实现 就能够找到相应的控制系统来实现自动化 典型的自动控制动作有 1 精确 的位置控制可由高精度的步进电机或伺服电机实现 以及通过设计闭环控制系统使用 传感技术实现 2 运动的控制可由各种电机实现 3 单向或双向的冲击动作可由气 压系统实现 液压系统还可以完成带负载的有位置要求的动作 4 对于各种动作所需 要的条件判断可利用各种传感技术输入信号至 PLC 来实现等 由此可见 该自动装瓶 机的控制系统稍加改进 能实现各种异型瓶 异型粒的自动包装 在药品包装行业中 能够实现绝大多数的包装机械的自动化 另外 该自动装瓶机所有动作均可由气缸和 步进电机来完成 因此也可由数字量的输入输出控制来完成 现在多元化的产品和市 场要求可能在产品包装中需要能够处理模拟量的控制系统 如精确可调或连续的位置 量 参量等 PLC 的功能同样可以处理模拟量的控制 因此 该系统的通用性和可扩展 性相当不错 装瓶流水线的 PLC 控制 19 致 谢 在老师的耐心指导下 经过一个多星期的努力基于软 PLC 的多种液体混合控制设计 终于完成了 老师在设计过程中给予的帮助 对我们小组的设计给予了细致的指导和 建议 对我们的辅导耐心认真 使我的这次设计能顺利完成 这次设计使我们把理论和 实际有机的结合起来 锻炼了分析解决实际问题的本领 在这次的设计报告中 让我懂得了一个铁一般的事实 那就是团结就是力量 真心的感谢老师 装瓶流水线的 PLC 控制 20 参考文献 1 廖常初 PLC 基础及应用 M 北京 机械工业出版社 2004 2 吕景泉 可编程控制器及其应用 M 北京 机械工