8路调速秤PLC控制系统梯形图设计毕业论文.doc

目录 8 路调速秤路调速秤 PLC 控制系统梯形图设计控制系统梯形图设计 毕业论文毕业论文 目 录 摘 要.I ABSTRACT .II 第 1 章 总体设计方案.1 1.1 调速配料系统的基础结构及工作原理.1 1.1.1 系统结构.1 1.1.2 秤体结构.1 1.2 调速秤配料系统的实现方法 .2 1.3 本章小结.3 第 2 章 调速秤配料系统的总体设计.4 2.1 系统工作原理及工作过程.4 2.2 系统整体工作框图.4 2.3 系统整体电气连接图.5 2.4 本章小结.5 第 3 章调速秤配料系统中的 PLC 硬件选型与设计.6 3.1 PLC 的基本知识.6 3.2 S7-300 简介.8 3.3 PLC 的选型要点.10 3.4 PLC 的中央处理器 CPU 的选型.12 3.5 PLC 数字量输入/输出模块的选型与线路连接.13 3.6 PLC 的模拟量输入模块的选型与线路连接.13 3.7 模拟量输出模块的选型与线路连接.15 3.8 PS307 电源模块容量计算及选型.15 3.9 本章小结.16 第 4 章 传感器和变频器的设计与选型.17 4.1 传感器.17 4.1.1 传感器的基本知识.17 4.1.3 测速传感器.22 4.2 本章小结.25 第 5 章 调速秤监控组态设计.26 5.1 WINCC 工程的建立.26 5.2 变量的建立.26 5.3 组态画面的建立.29 第 6 章 各环节梯形图设计.38 6.2 中断程序 OB35.41 6.3 初始化程序 OB100.45 6.3 控制输入功能模块 FB111 调速秤多检测重调用和调速秤检测.47 目录 - II - 6.4 PID 运算 FB130.51 6.5 报警功能 FB140 调速秤报警调用块和调速秤报警功能块.55 FB141 调速秤报警功能块.58 6.6 累计功能 FB150.60 6.7 数据输出 FC9.62 6.8 测皮重 FB161.63 6.10 运行初始化 FC10.67 6.11 仿真模块 FB610.68 6.13 本章小结.70 参考文献.72 注 释.55 附 录.55 目录 第 1 章 总体设计方案 第 1 章 总体设计方案 1.1 调速配料系统的基础结构及工作原理 图 1-1 调速秤 1.1.1 系统结构 定量给料机系统包括机械和电器两大部分。机械部分主要是秤体、电机、 减速机、皮带以及料斗等。秤体上装有称重传感器、测速传感器、跑偏开关和 接线盒等。 电器部分包括控制柜内的 S7-300PLC、空气开关、电源、接触器、继电器、 阻容滤波器、防回流二极管、变频器和接线端子等。 1.1.2 秤体结构 (1) 机架：是定量给料机的基础部件，各功能部件均安装在此机架上，构 成定量给料机的机械秤体。 (2) 驱动装置：包括电机和减速机，电机通过法兰与减速机相连。减速机 具有体积小，速比大的特点并且是通过空心轴与主动滚筒连接，不采用联轴器， 具有结构紧凑、调节方便的优点。速度传感器安装在电机轴端，直接测出电动 机实际的速度。 (3) 称重装置：由称重框架和称重托辊棒组成。皮带上的物料重量通过称 重托辊棒作用到称重传感器上，框架设有配重装置与标定砝码支座，整个称重 河北联合大学轻工学院 - 2 - 系统无水平和侧向位移，无摩擦影响，不需维护。 (4) 主、从动滚筒及环形橡胶运输带：完成物料的输送与喂料。 (5) 托辊：用于承受仓压及保证物料在称重过程中的平稳性。 (6) 卸料罩：保证物料顺利进入生产流程，防止粉尘污染环境。 (7) 挡料装置：防止物料从漏斗闸门流出后散落、外溢，保证设备正常运 转。 (8) 皮带外表面清扫装置及梨形内表面清扫器：防止皮带沾料，有利于提 高计量精度并能防止皮带因卡料造成损坏。 (9) 跑偏自动开关：皮带跑偏超过允许值时报警，防止造成生产设备事故。 (10) 标定砝码：用于给料机的静态、动态标定。 (11) 供料料斗：根据物料不同的特性，配有用于散状物料的 T 型料斗，用 于易起拱物料的带有振动器的 V 型料斗，用于倾泻性物料的 S1 和 S2 型料斗。 (12) 自动张紧装置：保证皮带具有恒定的张力，利于提高精度稳定性。 1.2 调速秤配料系统的实现方法 通过产臂上皮带装置及料的重量测定流量，由电磁振动给料机控制给料量， 连续计量秤。称重给料机将经过皮带上的物料，通过称重秤架下的称重传感器 进行检测重量，以确定皮带上的物料重量；速度传感器检测出速度值，重量信 号送入皮带给料机控制器，产生并显示累计量/瞬时量。给料控制器将该量与速 度值相乘并乘一比例系数,由控制器输出信号控制变频器，实现定量给料的要求。 可由上位PC机设定各种相关参数，并与PLC实现系统的自动控制。它可以采用 两种运行方式：自动方式和手动方式。 第 1 章 总体设计方案 图 1-2 调速秤控制系统 1.3 本章小结 本章简单介绍了调速配料系统的总体设计方案，是我们对体统有一个直观 的了解 第 2 章 调速秤配料系统的总体设计 - 4 - 第 2 章 调速秤配料系统的总体设计 2.1 系统工作原理及工作过程 我们要实现的是八路调速秤配料的控制系统。该系统共有八路上料，每一 路的上料都是有一定的配比，受到各个参数的约束。 它的基本工作原理是：当 系统开始运行，八路上料系统根据需要开始上料，每一路的上料与否以及根据 产品配比的要求下料多少，是受 PLC 控制的。每一路上料的实际多少是由称重 传感器测量，皮带传送速度由接近开关测出，将测得的数据送到 PLC 由预先使 用 STEP7 编写好的程序进行处理，其中速度和重量是相乘的关系，这样可以得 到每一路每一个小时下料的吨位。这个每小时的吨位与要求的吨位对比形成负 反馈，反馈到 PLC，经过预置程序的控制以及使用 PID 控制算法处理调节执行 机构变频器控制电动机，使整个系统达到预先的要求，从而生产出合格的产品。 这就是整个皮带秤配料系统的工作原理的简单介绍。 2.2 系统整体工作框图 如图所示，由上位机通过 Wincc 组态软件或者可编程控制器控制整个系 统的启停。主体“调速秤”通过线路与三样设备连接：称重传感器、测速传感器、 变频器。 其中前两个设备的主要功能是信号采集，称重传感器采集各路皮带秤重量 的数据，转换成相应的电信号（0-10V） ，反映到可编程序控制器中，由其中的 332 模拟量采集模块接收模拟信号，按照事先编制的程序进行运算，从而得到 各路配料的实际称重和给定值之间的误差。然后的应用算法是根据 PID 算法控 制进行控制，PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、易 于掌握、可靠性高等优点，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于不可建立 精确数学模型的控制系统。本系统的核心控制算法也是基于 PID 控制算法。实 现该系统控制流程的方式主要分两种： (1)通过 STEP7 编写好的程序由 PLC 按照 wincc 配比中设定的值进行 PID 控制。完成 8 路的自动配料。 (2)通过手动控制，在变频器上输入频率参数，完成 8 路的自动配料。 变频器的功能则是按照信息指令调节圆盘给料机电机的频率，达到对单路 皮带运料的速度进行控制配比的目的。对各路皮带秤进行总体调节，即可完成 按工业要求进行配比工作。 河北联合大学轻工学院 这时，PLC 要完成两个工作：第一，要通过线路将各信号上传到上位机， 由上位机的组态软件 WinCC 接收，从而使工作人员可以完成组态监控工作；第 二，PLC 向下将控制信号传送到各路变频器，变频器经过信号转换来控制皮带 秤的圆盘给料机电机转速，实现各路配料按要求配比。在此过程中，工作人员 可以通过上位机的组态画面实时监控系统的运行情况，一旦系统发生意外!异常异常 的公式结尾的公式结尾情况，或进行定期不定期维护，即可由上位机对 PLC 进行控制。 2.3 系统整体电气连接图 1 1 322345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2224 25 26 27 28 2930 311 A AF F 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 23 C C P PU U 8 8# # - - 8 8# # + + 8 8# # + + 8 8# # - - 7 7# # - - 7 7# # + + 7 7# # + + 7 7# # - - 6 6# # - - 6 6# # + + 6 6# # + + 6 6# # - - 5 5# # + + 5 5# # - - 5 5# # - - 5 5# # + + 3 3# # + + 3 3# # - - 3 3# # - - 3 3# # + + 2 2# # + + 2 2# # - - 2 2# # - - 2 2# # + + 1 1# # - - 1 1# # + + 1 1# # + + 1 1# # - - 4 4# # + + 4 4# # - - 4 4# # - - 4 4# # + + 12345678 1#2#3#4#5#6#7# 8# 1#2#3#4#5#6#7#8# 运 行 指 示 灯 报 警 铃 变频器手动或自动控制选择1#-8#变频器停止或启动选择1#-8# 1#2#3#4#5#6#7#8# 振动下料停止或启动选择1#-8# S SMM 3 32 23 3 S SMM 3 32 21 1 S SMM 3 32 23 3 24V DC 24V DC G N D G N D G N D G N D G N D G N D G N D G N D 8 8 8# 电 振 给 料 机 启 停 7# 电 振 给 料 机 启 停 6# 电 振 给 料 机 启 停 5# 电 振 给 料 机 启 停 4# 电 振 给 料 机 启 停 3# 电 振 给 料 机 启 停 1# 电 振 给 料 机 启 停 8# 变 频 器 启 停 7# 变 频 器 启 停 6# 变 频 器 启 停 5# 变 频 器 启 停 4# 变 频 器 启 停 3# 变 频 器 启 停 2# 变 频 器 启 停 1# 变 频 器 启 停 2# 电 振 给 料 机 启 停 322345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2224 25 26 27 28 29 30 311 A AF FV V 23 8 8# # 8 8# # - - 8 8# # + + 7 7# # + + 7 7# # - - 7 7# # 6 6# # + + 6 6# # - - 6 6# # 5 5# # - - 5 5# # + + 5 5# # 3 3# # - - 3 3# # + + 3 3# # 2 2# # - - 2 2# # + + 2 2# # 1 1# # + + 1 1# # 4 4# # - - 4 4# # + + 4 4# # 1 1# # - - 12345678910 11 12 13 14 15 16 17 182021 22 23 2419 输出输出 图 2-1 系统整体电器连接图 如图2-1所示，为系统的总体硬件连接图，其中最左部分为工控机，通过 上位机软件 Wincc 可以控制控制器 PLC,同时系统的一些信息可以及时的反映在 上位机的画面中，中间为 PLC，它由 CPU 模块，模拟量输入输出模块和测速模 块组成，最右边为变频器，通过变频器来控制各路电机，从而控制速度。 2.4 本章小结 本章介绍了整套系统设计原理，结构，方式以及理念。着重介绍了系统硬 件方面的设计。 第 3 章 调速秤配料系统的 PLC 硬件选型与设计 - 6 - 第 3 章调速秤配料系统中的 PLC 硬件选型与设计 由于可编程序控制器在工业控制领域中所占的核心地位和日趋升高的发展 行势。本章对配料系统中的 PLC 进行了详细的介绍，并对可编程控制器 S7-300 的各个模块进行了细致的选型及设计。 3.1 PLC 的基本知识 PLC 即可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境 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。分为：小型 PLC、中型 PLC、大型 PLC。 （1）PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与 微型计算机相同如图 3 所示。 图 3-1 PLC 的结构 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能 接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、1/0 以及警戒 定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 存储器 系统程序存储器系统程序存储器电源 编程器 中央处理单元 CPU 输 入 点 输 出 点 河北联合大学轻工学院 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 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。一般交流电压波动在 +10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去。 输入输出元件 (I/O 模块) I/O 模块是 CPU 与现场装置或其它外部设备之间的连接部件。将外部输入 信号变换成 CPU 能接受的信号，或将 CPU 的输出信号变换成需要的控制信号 去驱动控制对象，以确保整个系统正常工作。 编程器和外部设备 （2）PLC 的工作原理 PLC 采用了一种不同于一般计算机的运行方式即扫描方式。 工作过程 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程 序执行和输出刷新三个阶段，如图 4 所示。完成上述三个阶段称作一个扫描周 期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 图 3-2 PLC 的工作过程 扫描周期 PLC 的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图 3.3 所示。一个周期等于自诊 断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间之和。 第第N个个扫扫描描周周期期 第第（n-1）个个 扫扫描描周周期期 第第（n+1）个个 扫扫描描周周期期 输输入入采采样样 输输出出刷刷新新 用用户户程程序序执执行行 输输入入采采样样 输输出出刷刷新新 图图 3.2 PLC的工作过程 故 障 上 电 R U N 自 诊 断 通 讯 输 入 采 样 用 户 程 序 执 行 输 出 刷 新 第 3 章 调速秤配料系统的 PLC 硬件选型与设计 - 8 - 图 3.3 PLC 的扫描周期 (3)可编程序控制器的主要功能和应用 可编程控制器的设计思想是尽可能地利用当前先进的计算机技术去满足用 户的需要，PLC 与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的与外 部物理世界的接口(即 I/0 点)外，其它的逻辑功能均在其内部实现。这些逻辑功 能不仅可以取代，而且远远超过诸如中间继电器、时间继电器等硬件逻辑所能 达到的功能，从而为 PLC 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基础。 PLC 的功能可分类如下: 逻辑控制 定时控制 计数控制 步进(顺序)控制 PID 控制 数据控制:PLC 具有数据处理能力 通信和联网 其它:PLC 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如:定 位控制模块，CRT 模块等等。 (4)PLC 的编程语言 PLC 与微机一样，是以指令程序的形式进行工作的，各种型号的 PLC 一般 均以梯形图语言为主，同时也兼顾一些其它形式的编程语言。以下列出了三种 编程语言。 梯形图 (LAD) 指令语句表 (STL) 逻辑功能图(FBD) 图 3.4 PLC 的编程语言 3.2 S7-300 简介 PLC 选型依据 ： 1)具有足够大的暂存器空间且独家提供档案暂存器空间，保证系统的配料配方 量足够多足够大，透过专用指令操作保证配方的绝对安全 2)通讯功能强大，通讯协议编程简单方便 3)可扩展多个通讯口，为系统延伸控制与联网提供硬件支持 4)经济实惠，运行可靠稳定性要好 (1)概述 河北联合大学轻工学院 西门子 S7-300 可编程序控制器是模块化中型 PLC 系统，各种单独的模块 之间可进行广泛组合以用于扩展，能满足中等性能要求。 (2)S7-300 的组成 S7-300 主要组成部分有:导轨、中央处理单元模板、接口模板 (IM)、信号 模板(SM)、功能模板 (FM)等。S7-300 组成如图 7 所示。 图 3.5 S7-300 的组成 负载电源模块 (PS):用于将 SIMATIC S7-300 连接到 120/220 V 交流电 源，或 24/48/60/110 V 直流电源。 中央处理单元 (CPU) 不同的 CPU 有不同的性能，有的 CPU 上集成有输入/输出点，有的 CPU 上集成有 PROPIBUS-DP 通讯接口等。 信号模块 (SM):用于数字量和模拟量输入/输出。 通讯处理器 (CP):用于连接网络和点对点连接 功能模块 (FM):用于高速计数，定位操作 (开环或闭环定位)和闭环控 制。 接口模块 (IM):用于多机架配置时连接主机架 (CR)和扩展机架 (ER) 。S7-300 通过分布式的主机架 (CR)和 3 个扩展机架 (ER)，可以操作多达 32 个模块。运行时无需风扇。 （3）S7-300 的类型 标准型 :温度范围从 0到 60 环境条件扩展型:温度范围从-25 到+60拥有很强的耐振动和污染特 性。 （4） S7-300 的功能 SIMATIC S7-300 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护。 高速的指令处理 :0.60.1s 的指令处理时间在中等到较低的性能要求 范围内开辟了全新的应用领域。 浮点数运算:用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 方便用户的参数赋值 :一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行 参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。 人机界面 (HMI):方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内。 因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面 (HMI)从 S7-30O 中 CPUPSSMSMSMSMSMSMSMSM 第 3 章 调速秤配料系统的 PLC 硬件选型与设计 - 10 - 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 。 诊断功能 :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)。 口令保护: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。 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。这样就防止非法删除或改写用户程序 (5) S7-300 的通讯 方便用户的 STEP7 的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、 简单。 SIMATIC S7-300 具有多种不同的通讯接口: 多种通讯处理器用来连接 AS-1 接口、和工业以太网总线系统。 串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统。 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。 CPU 支持下列通讯类型: 过程通讯 通过总线 (AS-1 或 PROFIBUS) 数据通讯 在自动控制系统之间或人机界面 (HMI)和几个自动控制系统之间，数据通 讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用 。 3.3 PLC 的选型要点 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 河北联合大学轻工学院 PLC 和设计相应的控制系统。 （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调整。 （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。 （3）机型的选择 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。 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。 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 第 3 章 调速秤配料系统的 PLC 硬件选型与设计 - 12 - 选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220V 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。 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