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饮料罐装生产流水线的PLC控制毕业论文前 言工业现代化的进程，对生产过程的自动控制和信息通信提出了更高的要求。随着计算机和网络通讯技术的发展，企业对生产过程的自动控制和信息通讯提出了更高的要求。工业自动化系统已经从单机的PLC控制发展到多PLC及人机界面（HMI，Human Machine Interface）的网络控制。早期的灌装生产流水线大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方式。这些方式存在一些缺点。例如：灌装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间流量来确定的，计量精度由可编程控制器（PLC）控制确定。并且在本系统还具有数据统计和故障报警功能，能够准确的将生产情况告知用户，使用户能灵活的调整生产方式和方便的了解到设备的即时运行状态。PLC控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点，已经在工业自动化控制领域得到了广泛的应用。1.绪论1.1饮料灌装生产流水线的概述1.1.1生产流水线的概念生产流水线是生产型企业最常用的制造产品的形式，它是由一群人或机器人在一个接一个的完成一项半成品或成品的加工及检验和包装，由于是有些采用行走的输送带承载被加工的物品，因此被称为流水线生产。1.1.2生产流水线的形式及特点(1) 板链式装配流水线特点：承载的产品比较重，和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡；生产的节拍不是很快；以链板面作为承载，可以实现产品的平稳输送。(2) 滚筒式流水线特点：承载的产品类型广泛，所受限制少；与阻挡器配合使用，可以实现产品的连续、节拍运行功能；采用顶升平移装置，可以实现产品的离线返修或检测而不影响整个流水线的运行。(3) 皮带式流水线特点：承载的产品比较轻，形状限制少；和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡转向；以皮带作为载体和输送，可以实现产品的平稳输送，噪音小；可以实现轻型物料或产品较长距离的输送。(4) 差速输送流水线特点：差速输送流水线采用速链牵引，工装板可以自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在两端可以自动顶升，横移过渡。还可以在线可设旋转、专机、检测设备、机械手等。1.2饮料灌装生产流水线模型饮料灌装自动化生产线示意图如图1-1所示。生产线由瓶子传送带和灌装液罐组成，传送带由电动机驱动，可以正转和反转。电动机正转时，传送的瓶子依次通过空瓶、灌装、满瓶和终端4个工位。图1-1饮料灌装生产流水线模型 自动化生产线的控制台可以用普通的控制面板实现，也可以用HMI（人机界面）设备实现。控制面板如图1-2所示。控制面板上有启动/停止按钮、急停按钮、下位/上位选择开关、手动/自动选择开关、正反转点动按钮、故障复位按钮、计数清零按钮及各种指示灯等。完成以上的控制动作，需要通过可编程控制器来对生产线的控制。1.3 PLC基础可编程控制器是工业自动化的基础平台。在工业现场中用于对大量的数字量和模拟量进行控制，例如电磁阀的开闭，电动机的启停、温度、压力、流量的设定，产品的计数与控制等。1.3.1可编程控制器的产生和定义可编程控制器的缩写为PLC（Logical Controller），是将计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，专为工业环境下应用而设计的控制设备。20世纪60年代，生产过程及各种设备的控制主要是继电器控制系统。继电器控制简单、实用，但存在着明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难以实现较复杂的控制特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，一旦动作顺序或生产工艺发生变化时，就必须进行重新设计、布线、装配和调试，所以通用性和灵活性较差。生产上迫切需要一种使用方便灵活、性能完善、工作可靠的新一代生产过程自动控制系统。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数宇公司研制出了第一代可编程序控制器，它具有逻辑运算、定时、计数等顺序等功能。20世纪80年代后，由于计算机技术的迅猛的发展，PLC采用通用微处理器为核心，具有了函数运算、高速计数、中断技术、PID控制等功能，称为PC(Controller) 即可编程控制器。但由于PC（Personal Computer）已成为个人计算机的代名词，为了不与之混淆，人们习惯上仍将可编程控制器称为PLC。经过短短的几十年发展，可编程控制器已经成为自动化技术的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。1982年，国际电工委员会（IEC）制定了PLC的标准，在1987年12月颁布的第三稿中，对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”1.3.2 可编程控制器的特点(1) 可靠性高，抗干扰能力强微机虽然具有很强的功能，单抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化等都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC是专为工业环境应用而设计的，故对于可能受到的电磁干扰、高低温及电源波动等影响，已在PLC硬件及软件的设计上采用了措施。如在硬件方面采用了电和屏蔽，对I/O接口采用了光电隔离，对电源及I/O接口线采用了多种滤波等。而在软件方面采用了故障检测、诊断、信息保护和恢复等手段，一旦发生异常，CPU立即采取有效措施，防止故障扩大，使PLC的可靠性大大提高。(2) 机构简单，应用灵活PLC在硬件结构上采用模块化积木式结构，各种输入输出信号模块、通信模块及一些特殊功能模块品种齐全。针对不同的控制对象，可以方便、灵活地组合成不同要求的控制系统。硬件接线简单，一般不需要很多配套的外围设备。(3) 编程方便，易于使用PLC采用了与继电器控制电路有许多相似之处的梯形图作为主要的编程语言，程序形象直观，指令简单易学，编程步骤和方法容易理解和掌握，不需要具备专门的计算机知识，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可以在短时间内学会。(4) 功能完善，适用性强PLC具有对数字量和模拟量很强的处理功能，如逻辑运算、算术运算、特殊函数运算等。PLC具有常用的控制功能，如PID闭环回路控制、中断控制等。PLC可以扩展特殊功能，如高速计数、电子凸轮控制、伺服电动机定位、多轴运动插补控制等。PLC可以组成多种工业网络，实现数据传送、上位监控等功能。1.3.3 设计PLC控制时，应遵循以下基本原则(1) 最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。(2) 保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。(3) 力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。(4) 适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。实际上PLC控制系统的设计，按照国外发达国家的标准：首先考虑的是系统的安全性、可靠性设计，然后才是根据控制工艺要求进行控制流程设计，然后就是编写切实可行、高效的程序，这里在安全性、可靠性设计要求的前提下，编写相应的PLC程序非常重要，硬件上保证的安全性，以及软件PLC程序中的安全考虑应该同步进行。2. 饮料灌装生产流水线的PLC控制要求和内容及硬件设计2.1 控制任务自动化生产线模型设计了手动和自动两种工作模式。手动模式用于设备的调试和计数统计的复位。自动模式下允许启动生产线运行。控制系统中包括紧急情况的处理以及故障诊断与显示报警功能。(1) 急停功能当设备发生故障时，按下急停按钮，停止设备的一切运行。(2) 手动模式l 在手动模式下，可以通过点动按钮使传送带电动机正转或反转，用于调试设备。l 在手动模式下，可以通过复位按钮对计数统计值进行清零。l 在手动模式下，可以通过选择开关设置下位（PLC）或上位（HMI）控制。(3) 自动模式l 在自动模式下，按下启动按钮，系统启动，电动机正转，传送带运行。l 空瓶子达到灌装位置时，电动机停转，灌装阀门打开。l 灌装时间到，灌装阀门关闭，电动机正转，传送带继续运行。l 在自动模式下，按下停止按钮，系统停止，电动机不转，传送带停止运行。(4) 工件计数统计控制系统可以实现工件的计数统计，包括毛坯数，正品数和废品数。正品数显示在控制面板的数码管上。(5) 模拟量检测灌装液罐的液位由传感器进行监视。液位低于下限时，要打开进料阀门，液位高于上限时，要关闭进料阀门。(6) 故障报警当设备发生故障时，控制系统能够立即响应，控制面板上相应的故障指示灯会闪亮。故障排除后，按下故障复位按钮，生产线才能自动运行。2.2 控制方案设计原则自动化控制系统的被控对象一般为机械加工设备、电器设备、生产线或生产过程。控制方案设计主要包括硬件设计、软件程序设计、施工设计及现场调试等几部分内容。2.2.1 确定系统控制任务与设计要求首先要了解机械运动与电气执行元件之间的关系，仔细分析被控对象的控制过程和控制要求，熟悉工艺流程及设备性能，明确各项任务的要求、结束条件及控制方式。对于较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立的部分，这样可以化繁为简，有利于编程和调试。2.2.2 制定电气控制方案根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定控制系统的工作方式，例如：全自动、半自动、手动、单机运行、多机联线运行等。还要确定控制系统应有的其他功能，例如故障诊断与显示报警、紧急情况的处理、管理功能、网络通信等。2.2.3 确定控制系统的输入输出信号根据被控对象对控制系统的功能要求，明确控制对象输入输出信号的类型及信号数值范围。2.2.3.1 控制对象的类型（1）数字（开关）量型数字量输入对象：按钮、选择开关、行程开关、限位开关、光电开关等各种开关型传感器。数字量输出对象：继电器、电磁阀、电动机起动器、指示灯、蜂鸣器等。（2）模拟量型模拟量输入对象：温度、压力、流量、液位、电动机电流等各种模拟量传感器。模拟量输出对象：电动调节阀、变频器等执行机构。2.2.3.2 控制对象的数值范围（1）数字（开关）量型外部输入信号电压等级：DC24V、DC48125V、AC120/230V。外部负载电压等级：DC24/48V、DC48125V、AC120/230V。（2）模拟量型外部输入传感器信号的类型（如电压、电流、电阻等）及测量的量程范围。外部负载的类型（如电压或电流）及对应的输出值范围。2.2.4 PLC选型与硬件配置(1). PLC选型PLC考虑一下几点：I/O信号的点数：根据已确定的I/O设备统计所需要的I/O信号的点数，选择是否支持扩展机架的CPU。网络通讯的模式：根据控制要求的信号传输方式所需要网络接口的形式，选择支持现场总线的网络、工业以亚太网络或点到点通讯的CPU。如果网络有路由要求，则选择集成了该功能的CPU。(2). 硬件配置考虑到生产规模的扩大、生产工艺的改进、控制任务的增加以及维护重接线的需要，在选择硬件模块时要留有适当的余量。根据已经确定的I/O设备统计所需要的I/O信号的点数和类型，预留10%15%的容量，选择I/O信号模块。根据特殊功能要求选择智能单元.根据通信要求选择通信接口模块。2.2.5 I/O分配通过对输入输出设备的分析、分类和整理，进行相应的I/O地址分配，应尽量将相同类型的信号、相同电压等级的信号地址安排在一起，以便施工和布线，并绘制I/O接线图。2.2.6 控制程序设计按照控制系统的要求进行PLC程序设计是工程设计的核心。程序设计时，应将控制任务进行分解，编写完成不同功能的程序块，包括循环扫描主程序、急停处理子程序、手动运行子程序、自动运行子程序、故障报警子程序等。编写的程序要在实验室进行模拟运行与调试，检查逻辑及语法错误，观察在各种可能的情况下各个输入量、输出量之间的变化关系是否符合设计要求，发现问题及时修改设计。3. S7-300硬件介绍3.1 S7-300硬件模块S7-300/属于模块式PLC，主要由机架、电源模块、CPU模块、信号模块、通信模块、功能模块、接口模块等组成，所有模块均安装在机架上。S7-300系统PLC如图3-1所示。32图3-1 S7-300系列PLC1-电源 2-CPU 3-信号模块13.1.1 CPU图3-2 S7-300 CPU模块a)早期的CPU314 b)新型的CPU314 c)新型的CPU315-2DP1-模式选择器 2-存储器卡 3-指示灯 4-MPI接口 5-DP接口1234b)a)c)5CPU模块如图3-2所示，早期的CPU是指2002年10月以前的产品，2002年10月以后的产品为新型的CPU。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。CPU的主要技术指标有内存空间、运算速度、内部资源（如计数器、定时器的个数）、中断处理能力、通信方式等。S7-300系列PLC从CPU312到CPU319、S7-400系列PLC从CPU412到CPU417有不同的型号，序号越大，功能越强。（1）模式选择器STOP 停止模式，CPU检测所有已经配置的模块或设置为默认地址的模块是否存在，并设置模块到预置的初始模式，停止模式下CPU不执行用户程序。RUN 运行模式，CPU执行用户程序，更新输人、输出信号，响应中断请求，对故障信息进行处理。早期的CPU在运行模式下不能将修改后的程序下载到CPU。RUN-P 早期的CPU有RUN-P模式，CPU允许用户在运行模式下修改程序。MRES 模块复位（Module Reset），CPU清除硬件组态信息和用户程序。(2) 存储器卡CPU内部的装载存储器和工作存储器的类型均为RAM，即掉电后信息会丢失。CPU为存储器卡提供一个插槽，它提供了电源断电情况下可以后备用户信息。当发生断电时利用存储器卡不需要电池就可以保存用户程序及过程数据。对于新型的CPU，由于内部没有集成装载存储器，因此CPU必须插入一个微型存储器卡（MMC，Micro Memory Card）否则无法工作。(3) 状态指示灯SF（红色） 系统错误，CPU内部错误或带诊断功能模块错误BF（红色） 总线错误，（带DP接口的CPU）BATF（红色） 电池故障，电池不足或不存在（2002年10月以前的CPU）DC5V（绿色） 内部5VDC电压指示FRCE（黄色） 强制有效，指示至少有一个输入或输出被强制RUN（绿色） 当CPU启动时闪烁，在运行模式下常亮STOP（黄色） 在停止模式下常亮；存储器复位时闪烁(4) 电池盒对于早期CPU，在前盖下有一个装锂电池的空间，当出现断电时锂电池用来保存RAM中的内容。对于新型的CPU，不需要电池，信息保存在MMC卡中。(5) MPI接口多点接口（MPI，Multipoint Interface）用于连接CPU到编程设备，或用于MPI网络的通讯。(6) DP 接口部分CPU集成了DP通讯接口，CPU型号为CPU31X-2DP或CPU41X-2DP，表明该CPU有2个接口，除了MPI接口外，另1个为DP 接口。DP 接口用于将分布式I/O通过PROFIBUS-DP网络连接到CPU。(7)接口部分CPU集成了点到点通讯接口，Point to Point），CPU型号为CPU31X-2PtP或CPU41X-2PtP，表明该CPU有2个接口，除了MPI接口外，另1个为接口。接口用于二个设备之间的通讯，通讯方式简单，有多种专用的通讯协议可供选用。图3-3 S7-300紧凑型CPUS7-300系列PLC除了标准CPU外还提供了紧凑型CPU，型号为CPU31xC（早期型号为CPU31xIFM）。紧凑型CPU在本机上集成了I/O点和一些特殊功能，如高速计数、频率测量、定位和PID调节等，适合于中小型设备，如包装机、印刷机等设备的控制。3.1.2 信号模块信号模块（SM，Signal Module）如图3-4所示，是联系外部现场设备与CPU模块的桥梁。图3-4 信号模块S7-300 信号模块 有各种不同类型的信号模块可供选择。（1）数字量输入模块DI数字量输入模块按输入点数分为DI32、DI16和DI种类型，按输入电压等级分为DC24V、DC48125V、AC120/230V等多种规格。(2) 数字量输出模块DO数字量输出模块按输出点数分为DO32、DO16和DOI8种类型，按输出电压等级分为DC24V、DC48125V、AC120/230V等多种规格。(3) 数字量输入/输出模块DI/DOS7-300系列PLC配有数字量输入/输出模块，即将输入/输出端子集成在同一个模块上。按输入/输出点数分为DI16/DO16、DI8/DO8和DI8/DX8几种类型，电压等级为DC24V。(4) 模拟量输入模块AI模拟量输入模块按输入通道数分为AI2、AI8、AI16等几种类型，按传感器输入信号的性质分为测电压、测电流、测电阻、测温度等多种类型。(5) 模拟量输出模块AO模拟量输出模块按输出通道数分为AO2、AO4、AO8等几种类型，输出方式有电压和电流两种形式。(6) 模拟量输入/输出模块AI/AOS7-300系列PLC配有模拟量输入/输出模块，即将输入/输出通道集成在同一个模块上。按输入/输出通道数分为AI4/AO2和AI4/AO4两种类型。(7) 前连接器信号模块在使用前需要配备前连接器，传感器和执行器的信号通过前连接器接入模块。这样在更换模块时之需拆下前连接器而不需要重新接线。前连接器如图2-7所示。图3-5前连接器S7-300前连接器 3.1.3通信模块通信处理器（CP，Communication Processor），用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于实现点对点通信。常用的通信处理器有用于分布式现场总线PROFIBUS-DP网络的CP342-5和CP443-5扩展型，用于工业以太网的CP343-1和CP443-1，用于AS-i网络的CP343-2等。3.1.4功能模块功能模块（FM，Function Module）是“智能”信号处理模块。S7-300/400的功能模块主要有高速计数器模块、定位模块、步进电机控制模块，伺服电机控制模块，PID控制器模块等。3.1.5接口模块接口模块（IM，Interface）用来实现中央机架与扩展机架之间的通信。CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳控制系统的全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。在中央机架上安装的接口模块为发送器，在扩展机架上安装的接口模块为接收器。3. 2 S7-300的扩展能力S7系列314及以上型号的CPU最大扩展能力为32个模块如图3-6所示，每个机架（层）最多安装8个模块（不含电源和CPU模块），最多扩展3层机架，。图3-6 S7-300的扩展能力电源必须安装在1号槽，CPU必须安装在2号槽，接口模块必须安装在3号槽。对于信号模块、功能模块和通讯处理器没有插槽限制，也就是说它们可以安装到除1、2、3以外的任何一个槽位。3.3面向槽位的编址方式图3-7 S7-300DI/DO多层机架的地址3.3.1 .S7-300数字量模块的固定编址3.3.2 S7-300模拟量模块的固定编址图3-8 S7-300 AI/AO多层机架的地址4. 硬件接线4.1 模块选择4.1.1 CPU选择带DP端口的CPU315-2DP，可以直接连接PROFIBUS-DP网络。4.1.2 信号模块根据输入/输出点数的要求并考虑预留一定的容量，配置一块数字量输入模块32DI、一块数字量输出模块32DO、一块数字量输入/输出混合模块8DI/8DO、一块模拟量输入模块2AI。4.1.3 电源模块选择一块输入为AC220V、输出为DC24/2A的电源模块。4.2 I/O分配表饮料灌装自动化生产线I/O地址分配表见表4-1CPU内部位存储器地址分配表见表4-2序号名称类型端口地址备注1启动按钮DI10.02停止按钮DI10.13正转点动按钮DI10.24反转点动按钮DI10.35手动、自动选择开关DI10.46下位、上位控制选择开关DI10.57计数清零按钮DI11.08故障源1信号DI11.19故障源2信号DI11.210故障源3信号DI11.311故障复位按钮DI11612急停按钮DI11.713终端位置接近开关DI18.014空瓶位置接近开关DI18.515灌装位置接近开关DI18.616满瓶位置接近开关DI18.717系统运行指示灯DOQ4.118手动模式指示灯DOQ4.219自动模式指示灯DOQ4.320下为控制指示灯DOQ4.421上位控制指示灯DOQ4.522故障1报警指示灯DOQ5.123故障2报警指示灯DOQ5.224故障3报警指示灯DOQ5.325急停指示灯DOQ5.7264位数码显示DOQW627进料阀门DOQ8.028灌装阀门DOQ8.229终端指示灯DOQ8.430电动机正转DOQ8.531电动机反转DOQ8.632蜂鸣器DOQ8.733灌装罐液位传感器AIPIW304表4-1 I/O分布表 表4-2 位存储器地址分配表4.3 I/O接线图4.3.1数字量输入模块32DI的接线图数字量输入模块32DI的接线图，如图4-3所示。图4-3 数字量输入模块32DI的接线图4.3.2数字量输出模块32DO的接线图数字量输出模块32DO的接线图，如图4-4 所示。图4-4 数字量输出模块32DO的接线4.3.3 数字量输入/输出模块8DI/8DO的接线图数字量输入/输出混合模块8DI/8DO的接线图如图4-5所示。图4-5 8DI/8DO的接线图5. 工程软件的设计5.1 S7的编程语言在STEP 7中，有三种编程语言可以用来编程。LAD梯形图和电路图很相似，采用诸如触点和线圈的符号。适用于熟悉电气控制的技术人员和初学者。STL 语句表即汇编语言，适用于熟悉计算机编程语言的程序员。FBD 功能块图使用不同的功能“盒”。盒中的符号表示功能（例如：& 指“与”逻辑操作）。5.2 S7程序结构设计5.2.1 程序块类型（1）组织块（OB, Organization Block）OB是操作系统与用户之间的接口，只有在OB中编写的指令或调用的程序块才能被CPU的操作系统执行。在不同的情况下，操作系统执行不同的OB，例如:系统上电时，执行一次启动组织块（OB100或OB101或OB102），然后将循环执行OB1。除OB1外，还有其他处理中断或错误的组织块。（2）功能（FC，