PLC自动生产线监控系统设计

1、PLC自动生产线监控系统设计电气工程及其自动化专业 梁文佳指导教师 郭屹松 副教授摘 要 论文介绍了YL-335B生产线的功能和控制需求。采用了结构化的编程方式设计了供料站、加工站、装配站、分拣站、输送站五个单站的PLC控制程序。各站均使用了PLC控制电磁换向阀得电或失电，从而控制气缸伸缩、旋转的气动控制。在分拣站PLC程序中,设计了根据材料属性及颜色的分拣算法,使用了PLC模拟量模块控制变频器，实现了三相异步电机无极变速，拖动皮带的一维位置控制。在输送站机械手的一维直线位置控制中，采用西门子提供的脉冲输出MAP指令库设计程序。组建了RS485串行通信下的主从网络，编制了PLC网络读写程序用于

2、主从站之间交换数据。组态了上位机监视控制系统，实现了控制功能。关键词 PLC，自动线，MAP库，监控组态，MCGS1 前言现代科学技术日新月异，随着信息技术、工业技术以及其他科学技术的飞速发展，传统地仅仅依靠手工的机械生产行业受到了自动化的巨大冲击。应用先进的工业自动化技术、计算机技术、电工电子技术、气动技术和PLC技术实现企业工厂的自动化生产，不仅能节约劳动力，同时也缩短了产品生产周期、提高了产品质量。2 硬件组成与控制需求2.1硬件组成控制对象是在铝合金导轨实训台上安装供料单元、加工单元、装配单元、分拣单元、输送单元五个工作单元。其中每一个单元都可以自成一个独立的系统，同时也都是一个机电一

3、体化系统。输送单元和装配单元中采用了机械手装置，输送单元和分拣单元中采用了电机驱动。各个单元的执行机构都是以气动执行机构为主，而且输送单元的机械手装置的整体运动是用精密定位的位置控制、步进电机驱动，这个驱动系统能实现多定位点、长行程控制，构成典型的一维位置控制系统。分拣单元的传送带是由通用变频器驱动三相异步电动机的交流传动装置来驱动的。在控制方面，自动线试验平台采用基于RS485串行通信的PLC网络控制方案，即每一工作单元由一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。2.2控制功能供料站提供工件并对物料状态实时灯光提示、加工站对物料冲压加工、输送站机械

4、手运输零件、装配站装配小零件、分拣站根据条件分拣、触摸屏监视并控制生产线。2.3.控制需求控制需求为以下5点：1、选择PLC型号，并完成I/O点的规划。2、编制各单元的PLC程序实现单站的基本功能。3、组态上位机画面实现对生产线实时状态的监视和控制。4、组建通讯网络，实现单元间PLC交换数据。5、组建上位机与主站PLC的通讯，主从站PLC间的通讯，实现全自动线的一体化联动完成生产功能。3 软件设计3.1 I/O分配PLC的I/O分配是程序编制的首要任务。DI、DO分配采用与试验台上各机械装置安装位置顺序相适应的方法。五个站中的M存储器分配使用同一点代表同一意义的方法。为了组网的需要，表1给出了

5、本设计中常用V存储器的分配。表1 常用V存储器位分配表主站网络写信号主站网络读信号通道意义通道意义通道意义V1000.0全线运行V1001.0未使用V10n0.0准备就绪信号V1000.1未使用V1001.1未使用V10n0.1完成主站请求信号V1000.2全线急停指令V1001.2请求供料V10n0.2本地急停状态信号V1000.3未使用V1001.3请求加工V10n0.3未使用V1000.4全线联机状态V1001.4请求装配V10n0.4本地联机模式信号V1000.5系统复位中V1001.5请求分拣V10n0.5本地运行状态信号V1000.6系统准备就绪V1001.6供料站料不足V10n0

6、.6本地料不足信号V1000.7HMI联机V1001.7供料站缺料V10n0.7本地缺料信号（注：其中n=2,3,4,5，代表各从站地址号，例V1030.2位供料站本地急停信号）3.1 供料站PLC程序设计3.1.1 主程序设计在设计本自动线系统程序时，考虑到其共性和差异性，在每站主程序中使用了相似的程序结构和编写思路，这样的设计可以使得程序方便的被移植到另一个站，减少程序编制的时间，使得结构更加清晰。主程序的顺序执行功能如图1所示。初始化各寄存器联机方式选择初态检查启动停止指令调用运行控制执行停止指令料状态标志位指示灯反馈给上位机信号图1 主程序结构图初始化寄存器是使用SM0.1对所有的状态

7、继电器S和位存储器M复位。对初态检查标志位M5.0置位，使能相应网络中初态检查程序。该网络可保证所用到的M寄存器和S寄存器不被上电前保持的状态影响。联机方式标志位M3.4的置位或复位，代表了单机或联机模式，由RS复位优先指令来实现。初态检查是系统正常启动的前提条件，M2.0表示检查结果。各站都有自己需要满足的条件，如供料站启动前需满足的条件有：顶料气缸缩回到位、推料气缸缩回到位、料仓中有足够的料、出料台上没有料四个条件。在条件满足、在非运行模式、初态检查M5.0有效时，对准备就绪标志位M2.0置一，否则复位M2.0。准备就绪标志对系统的启动有着重要的作用。启动和停止指令分为单机模式和联机模式。

8、联机模式的启停信号来源于上位机画面，通过触摸屏操作。停止指令并不立即停止设备，而是等待某一工序完成后再停止。调运行控制是调用子程序，实现真正设备动作的程序。料状态程序用于指示灯显示当前物料状态，分缺料、料不足等报警信号。指示灯实现不同频率的闪烁灯功能，2Hz方波产生程序为：LDW= T33, 50 TON T33, 25。反馈给上位机信号是将本站的状态为由V存储器来表示。供料站、加工站、装配站、分拣站的主程序都是与此思路类似，不同在于控制子程序不同，在此不再赘述。3.1.2 控制子程序设计子程序只有有限步骤。循环执行S0.0、S0.1、直到最后一步Sn.n，执行完之后在条件满足的情况下跳转到S

9、0.0开始下一个周期。为了程序容易移植且更加明了。采用一个步骤只执行一个单独动作，然后检测该动是否达到预期，达到预期短暂延时跳转到下一步的程序编制思想。3.2 分拣站分拣算法分拣站运行控制子程序示意图如图2所示。S0.0开始步、检查是否满足动作条件S0.1启动电机、设定频率S0.2分拣白色芯金属料 白色芯塑料 黑色芯塑料S1.3停止电机杆三推出再缩回S1.2停止电机杆二推出再缩回S1.1停止电机杆一推出再缩回S0.3 分拣完成图2 分拣站运行控制子程序示意图若使用模拟量控制，在S0.1步中需要设定频率。若希望频率为15HZ，则需要使用乘法指令MUL_I，用15乘以640结果存放在VW0，然后使

10、用传送指令将VW0的值送到AQW0。在联机模式下，触摸屏上的频率输入框会修改主站变量存储器VW1002。该字将通过网络读写下发到各站，分拣站将该值送到累加器AC0，然后用该值乘以640结果存放在VW0，然后使用传送指令将VW0的值送到AQW0。同时设计中对频率上下限做了限制为20-40Hz。电机拖动皮带走过的距离通过安装在电机对面的同轴的编码器反馈给PLC，由于物理安装位置已经确定，可以通过手动单击按钮来测定脉冲当量，确定从入料口到各定位点的脉冲量，并将该值存放在数据块中。数值如表3-10所示。此时还需要配置高速计数器HC0以达到对编码器输出的脉冲进行计数的目的。3.3 网络的组态网络组态如图

11、3所示，数字为其站地址。ON为在通讯链的末尾加上终端匹配电阻，以减少其共模干扰。1输送站2供料站3加工站4装配站5分拣站 OFF OFF OFF ONHMIAB图3 网络组态示意图通过配置网络读写程序实现每个从站的变量存储区VB1000、VB1001、VB1002和VB1003与主站的VB1000、VB1001、VB1002和VB1003数据同步。主站的VB1020、VB1021与供料站VB1020、VB1021同步，主站的VB1030、VB1031与加工站VB1030、VB1031同步，主站的VB1040、VB1041与装配站VB1040、VB1041同步，主站的VB1050、VB1051与

12、分拣VB1050、VB1051同步。3.4 输送站主程序输送站的主程序设计同供料站相似，子程序设计有所不同。输送站有多个子程序，分别为通信子程序、MAP设置子程序、初态复位子程序、寻原点子程序、急停处理子程序、运行控制子程序、抓取子程序、放下子程序等子程序。程序调用示意图如图4所示。主程序（OB1）循环扫描通信MAP设置NET_EXE（用于网络读写交换数据）Q0_0_CTRLQ0_0_StopQ0_0_MoveAbsolute（屏幕点动右移）Q0_0_MoveAbsolute（屏幕点动左移）初态复位寻原点Q0_0_Home Q0_0_LoadPosQ0_0_MoveAbsolute急停处理Q0

13、_0_MoveAbsolute运行控制抓取Q0_0_MoveAbsolut放下图4 输送站程序调用示意图3.4.1寻原点的实现初态复位子程序包括使输送站机械手装置各气缸返回初始位置，返回成功后即调用寻原点。寻原点子程序采用五步来完成，如图3-31所示。分别为错位、寻原点、调整、装载原点值、完成。错位目的是在机械手已经在原点但是位置不准确时，先错开一定距离为后续寻原点做准备，该步使用一次Q0_x_MoveAbsolute功能块。寻原点完成寻找参考点的过程，该步使用一次Q0_x_Home.寻找到参考点之后往往需要做适当调整，即进入调整步，调整是根据现场情况，使用一次Q0_x_MoveAbsolut

14、e功能块。调整完成时此时原点已经确定，需装载0值，完成后进入完成步，即返回主程序。3.4.2机械手移动的实现运行控制子程序中调用Q0_x_MoveAbsolute功能块实现定位控制。当需要前往某一站执行任务时，如图3-32所示只需要四步：第一步，前往该站，此时不需考虑当前机械手在该站的左侧还是右侧，即不需要考虑本次运动的方向，只需要将撤离站的绝对位置值（a/b/c/d）作为参数输入给Q0_x_MoveAbsolute功能块即可，功能块会自动判断方向前往该站。第二步，到达该站之后即执行抓取，抓取完成之后进入下一步。第三步，同第一步类似，前往目标站，只需将目标步的绝对位置值（a/b/c/d）作为参

15、数输入给Q0_x_MoveAbsolute功能块即可，功能块会自动判断方向前往该站。第四步，到达该站之后即执行放下，放下完成之后即完成本次响应。3.5 上位机组态3.5.1 设备连接在可选设备列表中，双击“通用串口父设备”，然后双击“西门子_S7200PPI”在下发出现“通用串口父设备”，“西门子_S7200PPI”，并配置相应参数：串口端口号（1255）设置为： 0 - COM1；通讯波特率设置为：8 -19200；数据校验方式设置为：2偶校验；其它设置为默认。双击“西门子_S7200PPI”，进入设备编辑窗口。默认右窗口自动生产通道名称I000.0I000.7，可以单击“删除全部通道”按钮

16、给以删除。然后单击快速连接变量。3.5.2 画面组态欢迎画面组态如图5所示。运行界面画面如图6所示 图5 欢迎界面 图6 全线运行调试界面供料站装配站测试界面如图7所示，机械手测试界面如图8所示。 图7 测试界面 图8 街携手测试界面4 结论与展望4.1 结论本文实现了预期控制要求。实现了各站的基本功能。实现了RS485串行通信下的主从网络之间交换数据的功能。实现了整个自动生产线联机工作模式下，五站采用串行通信组成主从网络联动的功能，组态的上位机监视控制系统，系统实现了用户安全权限、全自动生产线状态监视、单站测试、报警显示等功能。4.2 对进一步研究的展望由于本人的知识积累、时间精力和研究能力

17、有限，本人的工作还有很多不成熟的地方，还有一些地方需要进行提高和改进，主要包括：（1）编程软件使用S7-300，S7-300是一种通用性的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合。模块化、无风扇结构、易于实现分布式配置以及易于掌握等特点，使得S7-300在各种工业领域中实施各种控制任务时，成为一种即经济又切合实际的解决方案。其高速指令处理、人机界面、诊断功能、口令保护功能能更好解决控制任务。（2）由于此系统是一个单一的生产线，所针对的情况是只能逐一的去加工每个零件，也就是说，只有等到一个零件加工结束后再加工下一个零件，因此，这方面也是需要改进的。参 考 文 献1.李子昀. 基于PLC的自动生产

18、线实验平台的研究: 硕士学位论文. 湖南: 中南大学. 2010 2.朱春凤. 多工位自动生产线的PLC控制系统设计: 专业硕士学位论文. 河北: 华北电力大学. 2013.33.Saco R., Pires E., Godfrid C. ,Real Time Controlled Laboratory Plant for Control Edueation J. Frontiers in Edueation. 20024.段波, 李波等. 基于PLC的工厂生产流水线控制系统的开发J. 科学技术与工程, 2010,10(6)5.Xiao Jun; Ma Wen. A PLC-Based Con

19、trol System in Wheelset Disassembly Machine J, Control and Industrial Engineering (CCIE), 2010, V32 (5) :22-286.吴峥.基于MCGS组态软件与PLC的自动供水系统设计与实现 工程硕士学位论文. 厦门：厦门大学 2013.107.吴竺. SCADA系统在城市燃气输配中的应用硕士学位论文. 上海: 同济大学. 2005.8.范国强. 工控软件在自动化系统中的应用J. 芜湖职业技术学院学报, 2007: 46-479.北京昆仑通态. MCGS用户指南Z. 北京: 北京昆仑通态自动化软件科技有

20、限公司, 200510.Lee K B, Schneerman R. D. Internet-based Distributed Measurement and Control Applications J. IEEE Instrumentation Measurement Magazine,1999(5):23-211.钟伟红, 关宏伟. 工控组态软件的现状及发展J. 安徽电子信息职业技术学院学报,2006,5(4): 94-96.12.黄宁. S7-200PLC在自动生产线中的应用. 自动化技术与应用. 2009.vol2813.R. Brent Seale, S. H. Flint, A

21、.James McQuillan, et al. Effect of NaOH (caustic wash) on the viability, surface characteristics and adhesion of spores of a Geobacillus sp. isolated from a milk powder production lineJ. Letters in Applied Microbiology, DEC 2010, V52 (2):104-10814.赵慧. 基于PLC自动生产线的电气控制系统设计硕士学位论文. 湘潭: 湖南工程学院, 200815.刘美

22、俊, 胡俊达, 章绍东等. PLC在机加工自动线中的应用J. 组合机床与自动化加工技术, 2003, (2): 13-1516.Gergely, Eugen Ioan, Coroiu et al. Methods for Validation of PLC SystemsJ, Journal of Computer Science and Control Systems,2011, V4(1):231-240 17.松下电机.松下Minas A5 系列AC 伺服驱动器技术资料选编M. 北京: 200718.张慧芳.设备控制系统伴随PLC技术的同步发展J. 可编程控制器与工厂自动化 (PLC F

23、A), 2008 (007): 36-38.19.L. Mohan, S. Ashok. PLC based peak load control for chemical industriesJ, World Journal of Engineering, 2011, V8(1):35- 43Abstract This paper introduced the function of YL-335B. This paper designed PLC control program of every single station. Each station uses PLC control solen