正文基于PLC的选煤厂生产设备集中监控系统研究与实现.doc

第 1章 绪论随着我国产品行业规模的不断发展，产品呈现出种类数目不断增多、丰富的局面。尤其是产品的生产质量的不断提高，对产品的传送技术提出了更高的要求，特别是对产品选煤厂生产线控制系统提出了更新更高的要求。在当前各种多功能选煤厂生产线控制设备逐渐进入各企业的情况下，我们有必要对国产选煤厂生产线控制系统的应用现状及发展作进一步探讨。在工业生产中，常常需要对产品进行计数、传送。如果用人工完成不但麻烦，而且效率低，劳动强度大。随着微型计算机控制的普及，特别是PLC的应用，给该类系统的设计带来了极大的便利，在本次设计中，将主要介绍单片机控制传送系统的设计方法。1.1 选煤厂生产线控制系统的发展概述1.1.1 我国传送机的发展我国早期的产品选煤厂生产线输送工序主要是采用手工传送，后来随着科学技术的发展，人们逐渐采用机械化装箱。我国最早使用的选煤厂生产线输送机主要是从国外进口的，20 世纪70 年代中期，天津力生制药厂就曾经进口过意大利生产的全选煤厂生产线输送机，但由于当时我国传送材料的质量及产品制作工艺等都达不到机器传送的要求，使得选煤厂生产线输送机一直无法正常使用。所以，全选煤厂生产线输送机在我国的应用一直无法得到广泛的推进，以致我国产品生产在很长的一段时间内不得不放弃选煤厂生产线输送机而采用手工操作，使生产效率极端低下。20 世纪80 年代后，相关技术水平获得了飞速发展，传送材料的质量及箱子制作工艺等方面的技术有了明显的进步，全选煤厂生产线输送机开始得到了应用与推广。也正是此时，产品选煤厂生产线输送机改变了国外产品一统天下的局面，国产产品选煤厂生产线输送机开始面市并获得了广泛的应用。20 世纪90 年代末期，一些生产量大的生产企业相继开始采用国产的全选煤厂生产线输送机来代替手工传送，同时国内一些相关的企业也在研制与生产功能更加全面的全自动产品选煤厂生产线输送机。1.1.2 国产选煤厂生产线输送机所面临的问题目前，影响我国传送产业发展的主要问题是,产品结构和产业布局不尽合理，中低档产品和设备占较大比重；政府和企业研发资金投入不足，产业技术水平不高，性能要求高的选煤厂生产线输送设备和原辅料主要依赖进口；企业规模小，效益差，产业集中度低，竞争实力不强；法规不健全，标准水平滞后。这种状况，难以适应现代自动传送工业向高技术、国际化、规模化、环保化发展的需要，无法满足我国经济持续、健康、稳定、快速发展对传送工业的需要，不能适应我国产品参与国际大循环的需要。所以我国的选煤厂生产线输送机应在质量方面、适应性方面、可靠性方面以及工作效率方面来缩小我们与国外的差距，实现传送自动化。整体的自动化传送方案的解决，对自动化是一种全新的飞跃，随着这种趋势的发展，各行业都会加入其中，发挥它强大的功能。1.2 总体方案说明图1-1 选煤厂生产线输送控制原理图如图1-1所示，系统有两个选煤厂生产线，即传送选煤厂生产线1和产品选煤厂生产线2。传送箱选煤厂生产线1用来传送产品传送箱，其功能是把已经装满的箱子运走，并且用一只空箱子来代替。为使空箱恰好对准产品选煤厂生产线的末端，使传来的产品刚好落入箱中，在传送箱选煤厂生产线1的中间安装一个光电传感器1，用于检测传送箱是否到位。产品选煤厂生产线2将产品从生产车间传送到传送箱。当某一产品被送带选煤厂生产线的末端，会自动落入箱内，并有检测器2转换成计数脉冲。1.3 国产选煤厂生产线输送发展中所面临的问题1.3.1 从产品质量、性能及应用方面看国产选煤厂生产线输送的差距（1）在质量方面，由于自动选煤厂生产线输送是机械中较为复杂的机械，它包罗了机、电、气、光和其它技术于一体，而目前国内选煤厂生产线输送制造厂无论是产品的最初设计水平，还是后来的加工与装配水平，都与国外同行有着十几年的差距，无法生产出真正有竞争力的产品。（2）在适应性方面，国产自动选煤厂生产线输送的功能比较单一，适应面也比较窄，对待装的形状与体积等均有较严格的规定，一般只适用于一二种，而国内同一生产企业所生产的规格各不相同，产量也不同，这就给相关工作带来一定的困难。而国外选煤厂生产线输送生产厂商特别注重这方面的问题，他们所生产的设备功能更加灵活多变，适用范围也更广。（3）在运行可靠性方面，进口自动选煤厂生产线输送也要高出国产一截，部分国产选煤厂生产线输送的故障率较高。因此，许多生产企业不得不购买多台国产自动选煤厂生产线输送，以防因维修机器而影响正常生产。（4）在工作效率方面，由于国产选煤厂生产线输送的运行速度大多在中低档水平，且自动化程度一般，其生产效率自然不如以生产高档产品著称的国外同类产品，这样就等于无形中增加了企业的成本，降低了企业的利润，造成了极大的浪费。总之，目前国产自动选煤厂生产线输送还存在着适应传送物种类单一、纸盒尺寸的变化范围小、生产速度普遍停留在中低速水平等不完善之处。1.3.2 从整个行业看国产选煤厂生产线输送所存在的问题（1）选煤厂生产线输送的研制是一个复杂的系统工程，需要有雄厚的技术力量、精密的生产工艺等多方面的要求，而目前我国在这方面的投入甚少，行业中的产品生产与基础研究经费的投入比例严重失调，生产厂家只顾眼前利益，不愿投入资金进行基础研究。可以说，选煤厂生产线输送的研发力量薄弱与经费严重不足造成其技术含量低下，无法与国外同类产品竞争，且只能靠低价维持其市场竞争力，无法长期占领市场的现状。（2）在行业中，选煤厂生产线输送低水平重复太多，应变能力不强，国内的大部分生产厂商规模都很小，且大多生产同种类型的设备，在市场上进行低价恶性竞争，而一旦遇上市场要求变动，又无法及时转型，从而极易被市场所淘汰。第2章 PLC原理介绍及设备总体结构介绍2.1 PLC发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2.2 PLC 的应用现状自20 世纪60 年代中期以来PLC 产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用, 尤其近20 年来计算机和信息技术的飞速发展, 不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格, 使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步, 也使PLC 的广泛应用成为可能。下面通过两组数据(引自工控网) 说明PLC 的应用现状。PLC 在冶金行业的市场将持续增加2003 年中国的工业出现了快速增长, 工业产值同比增长在12% 以上, 而且中国的最大钢铁出口对象美国在2003 年下半年取消了钢铁附加税, 中国钢材对其出口也将迅速回升。这些有利因素刺激了中国冶金行业的投资。据调查, 中国冶金行业对设备的投资同比增长接近50%。冶金设备的大量增长带动了PLC 在该行业的增长, 2003 年PLC 在冶金行业的市场达到216 亿元, 2004 年有望达到3 亿元。PLC 在纺织行业的应用分析。在中国, PLC 在纺织机械上的运用已经有17 年的历史了, 从最早的进口合成纤维生产设备到目前的中小型纺机, PLC 无处不在。占各类纺织机械60% 以上的织机平均每台带有一个小型的PLC, 主要用于检测、报警、速度控制和机器启停控制。纺机的比例在纺织机械中不到5% , 却用到更多的PLC, 单台纺纱机最多用到17 台PLC, 主要是60 个IO 点以下的微型产品。梳棉机也用微小型PLC 控制。其它各类纺织机械基本上都采用PLC 控制, 只有一些相对简单的设备采用单片机或者其它控制方式。纺织机械的辅助设备也主要由PLC 控制, 如循环水系统、空调系统、蒸气系统、废水处理系统、传送线等。实际上PLC 在中国的应用已分布到各行各业, 根据工控网的调查, 2003 年中国控制类产品市场PLC的占有率已超过50% , 而且保持着10% 15% 的发展速度。2.3 PLC 控制系统的发展前景现在, 虽然出现了性能更加优越的 DCS 和 FCS 控制系统, PLC 控制也终将会被先进的 FCS 控制所取代,但是目前以及今后相当长的一段时间, PLC 还会与 DCS 和 FCS 共存,这主要基于以下原因:(1) 现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展,但这并不意味着要将现有控制系统推倒重来。企业投入大量的人力和财力建立起来的 PLC 控制系统已经成型,如果要完全推翻再建立新的 DCS 或 FCS 控制系统,需要更大的资金投入,将造成很大的浪费。(2) 基于以上市场需求,许多软件厂商(例如: 华富惠通软件公司) 正在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络,开发控制系统软件,帮助企业实现工厂自动化、信息化,为企业提供控制系统与管理网络的集成。(3) 目前, PLC 的功能增强、结构优化, IO 模块趋向分散化、智能化,编程工具和编程语言更具标准化和高级化。(4) PLC 的联网通信能力增强, 向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。(5) 现在的 PLC 系统与 DCS 技术、现场总线IO技术相结合,结构开放、扩展方便、技术先进、价格低廉。由以上分析可以预见,未来 PLC 将朝着多功能化、集成化、智能化、标准化、开放化的方向发展,故 PLC 虽然面临其它自动化控制系统的挑战,但同时也在吸收它们的优点, 互相融合,不断创新,在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存,共同发展。2.4 可编程序控制器PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。（1） 按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。1.整体式 PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。2.模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。（2） 按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。1.低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。2.中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。3.高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。（3） 按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。 1.小型PLCI/O点数小于256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。2. 中型PLCI/O点数2562048点；双CPU，用户存储器容量28K。 3.大型PLCI/O点数 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K .2.5 CPU的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。2.5.1 CPU的构成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。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。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数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2.5.2 I/O模块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。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。2.5.3 电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.5.4 PLC系统的其它设备编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。2.5.5 PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。2.6 PLC的选型方法在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。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照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选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，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。2.6.1 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，通常根据统计的输入输出点数，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，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。2.6.2 存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能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器容量。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，需在程序调试之后才知道。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替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015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。2.7 机型的选择2.7.1 PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。2.7.2 输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。2.7.3 电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离2.7.4 存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器第3章 选煤厂生产线控制系统设计以及PLC的选取可编程控制器（Programmable Logical Controller）是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置，由于它具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便以及体积小，重量轻等优点，使其在自动化控制的各个领域得到了广泛的应用。近年来由于微电子技术的发展和进步，使具有完全功能的超大规模集成电路的价格日趋便宜，同样也促进可编程控制器成本大大降低，对于采用可编程控制器来代替传统继电器接触器电气控制的系统来改造传统机床，无论从经济上，还是可靠性，维修性，工作寿命上来说，都是十分经济和划算的，也是可行的优选方案。鉴于以上原因，本文设计了一个基于PLC的自动传送机。3.1 PLC的选取及介绍由于本文设计采用的机型是西门子生产的S7-200系列PLC，下面对它进行简单介绍。德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。3.1.1 SIMATIC S7-200 PLCS7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用3.1.2 SIMATIC S7-300 PLCS7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。3.1.3 SIMATIC S7-400 PLCS7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。3.1.4 工业通讯网络通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间完全兼容。3.1.5 人机界面（HMI）硬件HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200（可显示中文），OP3，OP7，OP17等；图形/文本操作面板OP27，OP37等，触摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。个人计算机（PC）也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件（如ProTool）组态才能配合PLC使用。3.1.6 SIMATIC S7工业软件西门子的工业软件分为三个不同的种类：（1）编程和工程工具 编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程、组态、模拟和维护等控制所需的工具。STEP 7标准软件包SIMATIC S7是用于S7-300/400，C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的S7-200系列PLC的编程、在线仿真软件。（2）基于PC的控制软件 基于PC的控制系统WinAC允许使用个人计算机作为可编程序控制器（PLC）运行用户的程序，运行在安装了Windows NT4.0操作系统的SIMATIC工控机或其它任何商用机。WinAC提供两种PLC，一种是软件PLC，在用户计算机上作为视窗任务运行。另一种是插槽PLC（在用户计算机上安装一个PC卡），它具有硬件PLC的全部功能。WinAC与SIMATIC S7系列处理器完全兼容，其编程采用统一的SIMATIC编程工具（如STEP 7），编制的程序既可运行在WinAC上，也可运行在S7系列处理器上。（3）人机界面软件 人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面（HMI）或SCADA系统，支持大范围的平台。人机界面软件有两种，一种是应用于机器级的ProTool，另一种是应用于监控级的WinCC。ProTool适用于大部分HMI硬件的组态，从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP 7中的ProTool有效地完成组态。ProTool/lite用于文本显示的组态，如：OP3，OP7，OP17，TD17等。ProTool/Pro用于组态标准PC和所有西门子HMI产品，ProTool/Pro不只是组态软件，其运行版也用于Windows平台的监控系统。WinCC是一个真正开放的，面向监控与数据采集的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）软件，可在任何标准PC上运行。WinCC操作简单，系统可靠性高，与STEP 7功能集成，可直接进入PLC的硬件故障系统，节省项目开发时间。它的设计适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量的通信接口和全面的过程信息和数据处理能力，其最新的WinCC5.0支持在办公室通过IE浏览器动态监控生产过程。3.2 S7-200系列PLC的硬件配置S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。3.2.1 基本单元S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见表3-1：表3-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型 号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU22164S7-200CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU22624162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU226XM24162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点3.2.2 扩展单元S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表3-2所示。表3-2 S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数类 型型 号输入点输出点数字量扩展模块EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM235313.2.3 编程器PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。3.2.4 程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。3.2.5 写入器写入器的功能是实现PLC和EEPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。3.2.6 文本显示器文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。3.3 总体方案确定根据“选煤厂生产线输送”这一目的要求，做如下设计安排：第一，设计一个自动传送产品的选煤厂生产线，使从生产线过来的产品能自动进入预定位置；第二，设计一个自动传送箱子的选煤厂生产线，使空箱子能够自动进入，并达到指定位置。装满产品后能自动退出。按照前两项设计其原理图如图1-1所示：图1-1 选煤厂生产线输送控制原理图如图1-1所示，系统有两个选煤厂生产线，即传送选煤厂生产线1和产品选煤厂生产线2。传送箱选煤厂生产线1用来传送产品传送箱，其功能是把已经装满的箱子运走，并且用一只空箱子来代替。为使空箱恰好对准产品选煤厂生产线的末端，使传来的产品刚好落入箱中，在传送箱选煤厂生产线1的中间安装一个光电传感器1，用于检测传送箱是否到位。产品选煤厂生产线2将产品从生产车间传送到传送箱。当某一产品被送带选煤厂生产线的末端，会自动落入箱内，并有检测器2转换成计数脉冲。根据以上传送过程描述，系统共需要3个输入点，10个输出点，分别为光电传感器输入，计数器复位端口，急停开关输入，8421数码管输出，M1，M2转动，停止输出.输入设备输入点编号输出设备输出点编号光电传感器1（计数）I0.0M1转动Q0.0计数器复位I0.1M1停止Q0.1急停开关I0.2M2转动/停止Q0.2光电传感器2IO.48421数码管显示启动开关IO.53.4 传感器选择与设计3.4.1 光电开关的原理光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。光电开关具有如下特点:输出回路和输人回路是电隔离的(即电绝缘)，体积小、精度高、检测距离远，防水、防腐蚀、防震动，抗光、电、磁等干扰。所以它可以在冶金、纺织、烟草、造纸、化工、电力、保安等各种行业得到应用。光电 开 关 (光电传感器)利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输人电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如图3-2， 图3-2 光电传感器工作原理光电开关在一般情况下由三部分构成，它们分为发送器接收器和检测电路.光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化:利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化;利用光束来反射物体;使光束发射经过长距离后瞬间返回。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管(LED)和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间断地运行。接收器由光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光栏等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。光电开关的种类也很多，根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。3.4.2 光电开关应用设计这里要采用对射式光电开关，由一个发光器和一个收光器组成。若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。它的检测距离可达几米至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。实际应用如图3-3， 图3-3 材料块计数结构图首先将发射器和接收器面对面安装好，注意它们必须保持在一个水平面而且高度一致。发射端的光电开关有两根线，只要供上12-240V直流或24-240V的交流电即可正常工作，正常工作的表现为光电开关上的红色指示灯亮。接收端有五根线，其中两根线的颜色和发射端的两根线的颜色一样为电源供电，另外三根线中有一根为公共端(检测线上接+5V电源)，一根为常开端，一根为常闭端，视光电开关的型号而定用常开或常闭将5V的电源提供给计算机。电源工作正常的情况下，把发射端和接收端对在一条线上后，两端的光电开关指示灯全亮，否则可能接收端的指示灯不会亮，正常检测时两个光电开关上的指示灯应该全亮。把电源线和信号线接好后，进行调试。调节发射器和接收器的位置，使中心对正，如果指示灯亮或者用手遮掩能听到“嗒嗒”的响声，表明已经对正，固定其位置。西门子PLC有增计数和减计数两种模式。这里我们对光电传感器的输出脉冲进行增计数，假设造粒数为N，当对光电编码器输出脉冲数设定数值时，停止M1转动，并启动M2。梯形图程序如图3-4所示：图3-4 计数梯形图3.4.3 数码显示部分设计在PLC上有很多指示灯，可以观察PLC的CPU单元，I/O单元，特殊单元及通信单元的工作情况。但PLC的内部数据PLC本身无法显示。为此，要用PLC的外设如简易编程器，数据访问器，高档及低档人机界面等，可以通过PLC的外设口与PKC相连，用以显示与修改PLC的内部数据。但是这些设施价格较贵，而且使用不方便。此外，还可以使用输出点驱动数码管做数据显示，而且数码管还可以通过数据脉冲选通的方法显示数据，以节省输出点的使用。数码管显示分为动态显示和静态显示，为了接生I/O口，我们采用动态数码显示。接口如图3-5从图知，每个数码管都有4个8421二进制码输入端，每个管的这4个端又分别相连。8421端与PLC的4个半导体的输出点相接（继电器触点速度低，而且不适合经常通断，故不适于显示数据）.图中每个数码管分别有一个选通信号输入端，图3-5数码管显示图StrobeA,StrobeB等。硬件设计成当选通信号有效时，8421端的当时数据有效；当选通信号无效时，8421端的原数据保持。有此硬件，用8个PLC的输出点，4个用于接8421端，4个用与接4个选通端，即可实现一个字的数据显示。控制梯形图如图3-6示。瓶子定位检测传感器仍然使用光电传感器，把定位光电传感器安装在下造口正下方的偏右半个瓶底直径的距离，这样在瓶子挡住发射器发出的红外线时，瓶口中心刚好在下造口正下方。当挡住红外线时，红外线接收机输出高电平，即PLC的I0.4口在输入的上升沿就是M2停止，M1转动的时候图3-6 数码管控制梯形图第4章 电机控制系统的设计4.1 直流电机M1控制系统4.1.1 电机的选取直流电动机按励磁方式不同可分为他励、并励、串励和复励四种。下面一常用的他励和并励电动机为例介绍其机械特性、起动、反转和调速，他励和并励电动机只是连接方式上的不同，两者的特性是一样的。图4-1是他励和并励直流电动机的接线原理图，图4-1 并励，他励接线电路图他励电动机的励磁绕组与电枢是分离的，分别由励磁电源电压Uf和电枢电源电压U两个直流供电；而在并励电动机中两者是并联的，由同一电压U供电。并励电动机的励磁绕组与电枢并联，其电压与电流间的关系为：U=E+RaIa 即：Ia= （Ra为 电枢电压）If= I=Ia+IfIa当电源电压U和励磁电路的电阻Rf（包括励磁绕组的电阻和励磁调节电阻）保持不变时，励磁电流If以及由它所产生的磁通也保持不变，即=常数。则电动机的转距也就和电枢电流成正比，T= KTIa= KIa这是并励电动机的特点。当电动机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡时，电动机将等速转动；当轴上的机械负载发生变化时，将引起电动机的转速、电流及电磁转距等发生变化。，称为：n= = = n0并励电动机在稳定运行时，其电枢电流位：Ia ，因电枢电阻Ra很小，所以电动机在正常运行时，电源电压U与反电动势E近似相等.在起动时，n=，所以EkEn。这时电枢电流及起动电流为Iast= ，由于Ra很小，因此起动电流Iast可达额定电流IN的1020倍，这时不允许的。同时并励电动机的转距正比于电枢电流Ia，这么大的起动电流引起极大的起动转距，会对生产机械的传动机构产生冲击和破坏。限制起动电流的方法就是在起动时的电枢电路中串接起动电阻Rst，见图。这时起动电枢中的起动电流的初始值为：Iast=则起动电阻为：Rst= Ra一般：Iast=（1.52.5）IN起动时，可将起动电阻Rst放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，再把它逐段切除。注意：直流电动机在起动或工作时，励磁电路一定要保持接通，不能断开（满励磁起动）。否则，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能发生以下：要改变电动机的转动方向，就必须改变电磁转距T的方向， 可通过改变磁通（励磁电流）或电枢电流Ia的方向实现。4.1.2 并励电动机的调速电动机的调速就是在同一负载下获得不同的转速，以满足不同的要求。由转速公式：n= 可知常用的调速方式有调磁调速和调压调速两种。4.1.3 改变磁通（调磁调速 ）当保持电源电压U为额定值不变时，调节励磁电路的电阻，改变励磁电流If而改变磁通。由式n= 可见，当磁通减小时，n0升高了，转速降也增大了；但与2成正比，所以磁通愈小，机械特性曲线也愈陡，但仍有一定的硬度。见图4-2图4-2 磁通调速曲线由于电动机一般是在额定状态下运行的，它的磁路已接近于饱和，所以在一定负载下，通常是减小磁通调速（N），转速上调（nnN）。调磁调速是恒功率调速，即转速升高后，输出转距必须减小，否则电枢电流Ia会超过原来的额定电流，使电动机发热烧坏。调磁调速的优点：1. 调速平滑，可得到无级调速；2. 调速经济，控制方便；3. 机械特性较硬，稳定性较好。 对专门生产的调磁调速的电动机，其调速幅度可达到34倍4.1.4 改变电压U（调压调速 ）当保持他励直流电动机的励磁电流If为额定值时，降低电枢电压U，使转速n降低。由式n= 可见，在一定负载下，U愈低，转速n愈小，但机械特性的硬度不变，见图4-3，图4-3 电压调速曲线一般电动机都处在额定状态下运行，再进行调压调速时，为保证电动机的绝缘，一般是将电动机的电压下调UU N，而转速也下调nnN。调压调速是在额定电流下调速，是恒转距调速。调压调速的优点：1. 机械特性较硬，电压降低后硬度不变，稳定性较好。2. 调速幅度较大，其调速幅度可达到610倍。3. 可均匀调节电枢电压，得到平滑的无级调速。这里采用电压调节方式实现对直流伺服电机