水泥灌装生产线的PLC控制

1、ZHANGJIAJIE INSTITUTE OF AERONAUTICAL ENGINEERING 张家界航空工业职业技术学院毕业设计（论文）课题名称学生姓名学 号专业名称指导教师完成日期 年 月 日目 录摘 要3第1章 绪论11.1 设计内容：11.2 控制要求：11.3 灌装流水线示意图1第2章 PLC介绍22.1 PLC的功能和应用22.1.1 PLC功能介绍22.1.2 PLC的应用3第三章 S7-200概述53. 1 CPU性能简介53.2 结构63.3 功能7第4章：系统总体方案设计84.1 PLC的基本工作原理84.1.1扫描84.1.2程序执行过程84.1.3 PLC对输入/输

2、出的处理规则10第5章：PLC控制系统设计115.1系统流程流程图115.2 确定I/O信号数量，选择PLC类型115.2.1 PLC控制系统外部接线图125.3程序梯形图编制135.4系统可靠性设计16第6章. 调试说明18第7章 结论和展望19致 谢20参考文献21摘 要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。饮料生产线比较复杂，生产环节也很多。其中饮料的灌装就是饮料生产线上重要的生产环节。控制系统主要由一台PLC、交流异步电机、液罐、多个灌装状态检测传感器、故障报警蜂鸣器、产量统计显示器等组成。其中电机用来控制运送饮料瓶的传送带部分。本控制系统

3、有两个特点：一是输入、输出设备比较多；二是所需实现的控制是顺序逻辑控制、模块控制以及计算统计功能。西门子S7-200系列PLC在模块控制、高速计数和计算方面的功能较强，实现比较方便。因此本系统选用了S7-200型号的PLC进行控制，既满足了控制系统所需的I/O点数，又满足了被控对象的控制要求。采用PLC控制水泥灌装生产线，实现了饮料生产线的自动化、智能化。对劳动生产率的提高，饮料质量和产量的提高具有深远的意义。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

4、发展到多PLC及人机界面（HMI，Human Machine Interface）的网络控制。关键词 S7-200可编程序控制器（PLC）/自动化/智能化第1章 绪论1.1 设计内容：水泥灌装机的PLC控制系统设计1.2 控制要求：（1）系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或灌装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止；瓶子装满水泥后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。（2）当瓶子定位在灌装设备下时，停顿 1s，灌装设备开始工作，灌装过程为 5s 钟，灌装过程应有报警显示，5s 后停止并不再显示报警；报警方式为红灯

5、以0.5s 间隔闪烁。（3）用两个传感器和若干个加法器检测并记录空瓶数和满瓶数，一旦启动系统后，必须记录空瓶数和满瓶数，设最多不超过99999999瓶。（4）可以手动对计数值清零（复位）。1.3 灌装流水线示意图21第2章 PLC介绍可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。目前已被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。2.1 PLC的功能和应用2.1.1 PLC功能介绍PLC可用于单台机电设备的控制，也可用于生产流水线的控制。使用者可以根据生产过程和工艺要求设计控制程序，

6、然后将程序通过编程器送入PLC。程序投入运行后，PLC就在现场输入信号（按钮、行程开关、光电开关或其它传感器）的作用下，按照预先送入的程序控制现场的执行机构（电机、电磁阀等）按一定规律动作。近年来，PLC把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体。它能完成以下功能 ：条件控制（逻辑控制）PLC设置了与（AND）、或（OR）、非（NOT）等逻辑指令，能处理继电器接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此，它可以代替继电器进行开关控制。定时控制PLC为用户提供了若干个计时器（定时器），并设置了计时指令。计时器的计时值可以由用户在编程时设定，也可以用拨盘开关来设定。计时器的计时值可以在运行中被

7、读出，也可以在运行中被修改，使用灵活，操作方便。程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计时值对某个操作进行限时控制和延时控制，以满足生产工艺要求。计数控制PLC为用户提供了若干个计数器，并设置了计数指令。计数器的计数值可以由用户在编程时设定，也可以用拨盘开关来设定。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中被修改，使用灵活，操作方便。程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计数值对某个输入信号计数，并对某个操作进行计数控制，以满足生产工艺要求。步进控制PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可以用于步进控制，即在一道工序完成以后，再进行下一步工序。有些型号的PLC，还专门设置了用于步进控制的步

8、进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用极为方便，因此更容易实现步进控制的要求。A/D、D/A转换有些PLC还具有A/D、D/A转换功能，完成对模拟量的控制和调节。数据处理有些PLC还具有数据处理功能，它具有并行运算指令，能进行数据并行传送，BCD的加、减、乘、除、开方等运算，还能进行字与、字或、求反、逻辑移位、算术移位，检索数据、比较、数制转换、16-4编码、4-16编码、译码等操作，还可以对数据存储器进行见解寻址，PLC还可以与打印机相连，打印出程序和有关数据及梯形图。通讯联网有些PLC采用了通讯技术，可以进行远程的I/O控制，多台PLC之间可以进行同位链接，PLC还可以与上位机进行链接，接

9、受计算机命令，并将执行结果告诉计算机。由一台计算机和若干台PLC可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，以完成较大规模的复杂控制。PLC与上位机链接对计算机的要求是：具有RS-232接口；使用ASC-码字符。监控PLC配置了较强的监控功能。它能记忆某些异常情况，或在发生异常情况时自动中止运行。在控制系统中，操作人员通过监控命令可以监控有关部分的运行状态，可以调整计时、计数等设定值。为调试和维护提供了方便。PLC还可以连接打印机，对程序和数据进行硬拷贝。2.1.2 PLC的应用目前，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、环保以及文化娱乐等

10、各行各业，PLC性价比的不断提高，其应用范围不断扩大，大致可归纳为如下几类：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控制系统，实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控、自动化和平线的控制等，例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等等。位置控制大多数的PLC制造商，目前都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能可广泛用于各种机械。过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量与数字量之间的A/D、D/A转换，并对模拟量进行闭环PID控制，

11、现代的大、中型PLC一般PID控制模块，这一功能可用PI子程序来实现，也可用专用的智能PID模块实现。数据处理现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，也能完成数据的采集、分析和处理，这些数据可通过通信接口传送到其它智能装置，进行处理。通信联网PLC的通信包括PLC相互、PLC与上位机、PLC和其它智能设备间的通信，PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转换器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块功能各自放置在现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理信

12、息的分布式网络系统。在计算机集成制造系统中的应用近年来，计算机集成制造系统CIMS广泛应用于工业生产过程中，一般的CIMS系统可划分为六级子系统：现场级，包括各种设备；设备控制级，接受各种参数的检测信号，按照要求的控制规律实现各种操作控制；过程控制级，完成各种数学模型的建立，过程数据的采集处理；以上三级属于生产控制级，也称为EIC综合控制系统，由此向上的四、五、六级分别为在线作业管理、计算和业务管理及长期经营规划管理，通称为管理信息系统。EIC综合控制系统是一种先进的工业过程自动化系统，它包括三个方面的内容:电气控制，以电机控制为主，包括各种逻辑连锁和顺序控制；仪表控制，实现以PID为代表的各

13、种回路控制功能，包括各种工业过程参数的检测和处理；计算机系统，实现各种模型的计算、参数的设定、过程的显示和各种操作运行管理。PLC就是实现EIC综合控制系统的整机设备，由此可见，PLC在现代工业中的地位是十分重要的。第三章 S7-200概述S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器(Micro PLC)。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案3. 1 CPU性能简

14、介S7-200 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的Micro PLC。参见图1-1。在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。图11西门子公司提供多种类型的CPU以适应各种应用。表3.1中对CPU的一些特性作了简单比较。表3.13.2 结构1.S7-200可编程序控制器是模块化结构设计，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。中央处理单元（CPU） 各种CPU有各种不同的性能，上面已经提到过。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

15、块（FM） 用于高速计数，定位操作（开环或闭环控制）和闭环控制。2. 根据用户要求，还可以提供以下设备：负载电源模块（PS） 用于将S7-300连接到120/230伏交流电源，或24/48/60/110伏直流电源。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）和三个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块，运行时无需风扇。SIMATIC M7自动计算机 AT-兼容的计算机用于解决对时间要求非常高的技术问题。它既可作为CPU，也可作为功能模块使用。3.3 功能1. S7-200的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护。1) 高速

16、的指令处理 0.60.1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S7-200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S7-200中要求数据，S7-200按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-200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（如：超时、模块更换等

17、）。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。第4章：系统总体方案设计4.1 PLC的基本工作原理4.1.1扫描PLC是一种存贮程序控制器，用户根据某一具体的控制要求，编制好程序后，用编程器键入到PLC的用户程序存贮器中寄存。PLC的控制作用就是通过用户程序来实现的。当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。CPU的运算处理速度极高，使得外部出现

18、的结果从宏观来看似乎是同时完成的。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描是一种形象化的术语，用作描述CPU是如何完成分配给它的各种任务的方式。扫描从0000号存贮地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存贮地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始地重复。顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了非常有理的保证。一方面，所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，还可以通过CPU设置的定时器来监视每

19、次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成故障的影响。4.1.2程序执行过程PLC的工作过程就是程序执行过程。PLC投入运行后，便进入程序执行过程，它分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新，如图2.1所示。1.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态读入到输入映象寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样，或称输入刷新。接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映象寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。 图2.1 PLC程序执行过程2.程序执

20、行阶段在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序进行扫描。每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其它元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元素映像寄存器中。这就是说，对于每个元素来说，元素映像寄存器中寄存的内容，会随程序执行的进程而变化。3.输出刷新阶段当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元素映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备，这就是PLC的实际输出。PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期。工作周期的长短与程序的长短有关。PLC在每次扫描

21、中，对输入信号采样一次，对输出刷新一次。这就保证PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存电路的内容或数据保持不变。4.1.3 PLC对输入/输出的处理规则总结上面分析的程序执行过程，可得出PLC对输入/输出的处理规则如图2.2所示。对应于图中的数字标号说明如下： 1.输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在上一个工作周期的输入采样阶段所刷新的状态。2.输出映像寄存器的状态，由程序中输出指令的执行结果决定。3.输出锁存电路中的数据，由上一个工作周期的输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据来确定。4.输出端子上的输出状态，由输出锁存电路中的数据来确定。5.程序执行中所需的输入、输出状态（数据）

22、，由输入映像寄存器和输出映像寄存器读出。第5章：PLC控制系统设计5.1系统流程流程图图3.1 水泥罐装生产流水线系统流程5.2 确定I/O信号数量，选择PLC类型本设计采用PLC来实现对水泥罐装生产的控制。随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。根据对生产流水线控制系统的控制要求分析,其输入信号有系统的开

23、启、 停止按钮信号和手动清零按钮信号;输出信号有传送带驱动信号、警示灯信号和数码管信号。表3-1 I/O分配表控制信号信号名称元件名称代号地址编码输入信号系统启动信号常开按钮SB1I0.0系统停止信号常闭按钮SB2I0.1位置检测信号继电器K1I0.2满瓶信号继电器K2I0.3空瓶信号继电器K3I0.4手动清零常开按钮SB3I0.5输出信号传送带电机驱动信号接触器KMQ0.0警示灯信号信号灯HLQ0.15.2.1 PLC控制系统外部接线图5.3程序梯形图编制计数程序5.4系统可靠性设计用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事

24、实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。（1）在硬件方面：PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80-90度。有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备

25、份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。（2）在软件方面：PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的冒险竞争，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了看门狗（Watch

26、ingdog）监控程序。运行用户程序开始时，先清看门狗定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个看门狗监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现死循环而影响其工作的可靠性。PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。PLC每次上电后，还都要运行自检程序

27、及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。第6章. 调试说明（1）在电脑上安装STEP7/-Micro/WIN软件，程序编好后，将程序输STEP7/-Micro/WIN软件中，在电脑上进行初步仿真调试。（2）先将PLC程序传入程序控制器中。（3）对

28、各个输入I/O口给信号处理，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。（4）如果条件允许的话，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，按照流程图的顺序进行调试，最终使整个系统能准确、可靠的工作。第7章 结论和展望经过了这一段的学习和工作，我终于完成了水泥灌装生产线的PLC控制的论文。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是自己所学知识的尝试与挑战，这也是我在大学期间完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从对PLC控制自动化系统的设计所需技术和知识很不了解的状态，我开始了独立的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩的作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都是对我不断努力的肯定。从中我也充分认识到了PLC在工业现场应用的重要性，以及它为我们生活带来的便利。虽然我的设计作品不是很完善，还有一些不足之处，但我可以自豪的说，这里面的每一段程序，都是自己不懈努力成果。当我看到自己的程序，能够稳定的通过调试。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的