基于组态软件的包装生产线控制系统设计

PAGE1 过程控制系统课程设计题目:基于组态软件的包装生产线控制系统设计院系名称：电气工程学院专业班级：自动1503学生姓名：学号：指导教师：评分标准1：方案合理性（30分）评分标准2：硬件与软件正确性（30分）评分标准3：系统组态完善性（20分）评分标准4：报告规范性（20分）总评成绩折合等级评语：指导老师签名：日期：摘要本次课程设计是设计一个包装生产线，在无人干涉的情况下完成一系列的动作，使传送带上的物品每四个进行一次挡板隔离，并将物品用驱动推动器推动向前，重复上述的动作完成包装生产线。此次课程设计中的主要环节为：主电路设计、器件选型、PLC程序编写、组态仿真。设计采用了PLC控制电机进行正反转。输入部分由按钮开关和限位开关完成信号的输入，输出部分由接触器来改变电机运行状态。本次课程设计还采用了MCGS来进行上位机与下位机的通信。通过MCGS的界面能够改变电动机的运行状态和系统的开关，能够监视电动机的运行状态。本次组态中用页面中的指示灯代表电机的正反转。当电机运行时指示灯为绿色，停止时为红色。组态程序中循环周期为200ms，同时这也是仿真中脉冲的周期。主电路的设计需要保证系统的安全性，因此必须加入热继电器和熔断器等器件防止电路的短路和过载。组态仿真需要建立合理的模型，需要做好PC机和PLC的通信连接。关键词：包装流水线PLCMCGS目录1系统概述 11.1包装生产线简介 11.2包装生产线设计要求 12方案论证 32.1包装生产线工作流程 32.2整体方案说明 33硬件设计 43.1系统的原理方框图 43.2主电路图 43.3IO分配表 53.4IO接线图 63.5元器件选型 63.6器件列表 74软件设计 84.1主流程图 84.2梯形图 95组态软件仿真 115.1新建工程 115.2画面设计 125.3变量定义 135.4变量连接 135.5与PLC设备连接 155.6添加实时曲线 175.7添加组态程序 185.8添加报警 195.9动画运行 20设计心得 22参考文献 23附录一组态程序 241系统概述1.1包装生产线简介包装生产线是新一代的自动化流水线，具有生产速度高、包装质量好、兼容性好性能稳定等优点，是一种机、电、仪、气、机器人一体化的高科技产品，在纸箱的后道包装中有广泛的应用，可将各种待包物品在纸箱后包装过程中的空纸箱配送、纸箱成形、物品列整输送、机械手装箱、自动拆盖上下封箱。自动包装生产线在无人干涉的状况下按规则的顺序或指令主动进行操作或节制的进程，其目的是“稳，准，快”。自动化包装技能普遍用于工业、农业、军事、科学研讨、交通运输、贸易、医疗、效劳和家庭等方面。采用自动生产线不仅可以把人从沉重的体力劳动、局部脑力劳动以及恶劣、风险的任务情况中解放出来，并且还能扩展人的器官功用，极大地提高劳动生产效率，加强人类看科技和革新世界的才能。自动化技术的提高能大幅度的提高经济效益。1.2包装生产线设计要求包装生产线示意图和控制时序图如图1.1所示，包装物品是放在传送带1上，由于放置的时间是任意的，所以有些包装离得很远，而有的包装靠在一起。传送带1的电动机转动一圈，旋转编码器E6A发出一个脉冲，根据一个包装所能产生的脉冲数，并对这些脉冲进行计数，这样不管包装密集还是分开的，都能精确地求得包装的个数。当光电检测器(SPl)接通，且旋转编码器E6A发出4个脉冲，即有一个包装传送到传送带2。当有4个包装物品传送到传送带2时，电动机M1正转驱动挡板上升，阻止后面的包装。挡板上升到位时，碰到限位开关SQ3，M1停转，挡板停止上升。电动机M2正转，驱动推动器向前，将4个包装推出传送带2。当推动器到达前部位置时，前部限位开关SQ2接通，M2反转，驱动推动器后退，当推动器返回到位时，碰到后部限位开关SQl，M2停转，推动器回到初始位置同时M1反转驱动挡板下降，下降到位碰到下部限位开关SQ4，M1停转，挡板回到初始位置。图1.1包装生产线示意图和控制时序图2方案论证2.1包装生产线工作流程（1）启动开关I0.1打开。（2）旋转编码器I0.0动作，每转动一圈就是一个脉冲，在光电检测器I0.2接通时接收发出16个脉冲。（3）I0.5动作，电机M1正转，挡板离开SQ4上升到SQ3。（4）I0.4动作，电机M2正转，推动器离开SQ1向前到SQ2。（5）I0.3动作，电机M2反转，推动器离开SQ2向后到SQ1。（6）I0.6动作，电机M1反转，挡板离开SQ3下降到SQ4，可循环也可以用I0.7直接结束。2.2整体方案说明（1）包装生产线的挡板电机M1和推动器电机M2起、停控制，电动机要采用正、反转控制。（2）旋转编码器E6A的频率要保证光电检测器能够识别，计数器能够顺利记录到16个脉冲来识别四个包装。（3）主电路其内部设有过载保护开关，为常闭触点，作为电动阀过载保护信号，PLC控制电路考虑该信号逻辑关系。（4）电动机均采用热继电器实现过载保护，用以完成各个电动机系统的过载保护。（5）电路中设有自锁。（6）主电路用熔断器，实现短路保护。（7）PLC的CPU224型号根据输入输出确定。（14个输入，10个输出，最多可以有7个扩展模块，内置时钟）3硬件设计3.1系统的原理方框图系统的原理方框图如图3.1所示由编程软件STEP7编写梯形图，编写完毕后，输入PLC中。PLC由220V交流电供电，由开关或限位开关提供输入信号。其输出电压为24V直流电，由线圈通电产生磁力吸合触点使电动机发生动作。PLC在运行时可经组态王软件与上位机进行互动，经组态页面对PLC进行监控和操作。图3.1PLC硬件系统结构框图3.2主电路图QF为三相电源的总开关，FU1、FU2为熔断器为电路进行短路保护或严重过载保护，FR1和FR2为热继电器为主电路提供过载保护，接触器KM1~KM4控制电动机M1和M2正转和反转。图3.2主电路图3.3IO分配表PLC输入输出接口地址分配表见表3.1。表3.1I/O分配表输入输出I0.0：旋转编码器E6AQ0.0：电动机M1正转升起挡板I0.1：启动开关Q0.1：电动机M1反转降下挡板I0.2：光电检测器SPlQ0.2：电动机M2正转向前驱动推动器I0.3：推动器后部限位开关SQlQ0.3：电动机M2反转向后驱动推动器I0.4：推动器前部限位开关SQ2I0.5：挡板上部限位开关SQ3I0.6：挡板下部限位开关SQ4I0.7：停止开关3.4IO接线图根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，如图3.3所示。在接线过程中要注意，在实验室的试验箱中输入公共端1M/2M要求连接24VDC电源的的正极，此时输入端是低电平有效；输出公共端为1L，此时输出端输出的是高电平有效。图3.3IO接线图3.5元器件选型3.5.1PLC的选型本设计采用西门子S7-200PLC,使用CPU224模块，其输入/输出接口（I/O）数量分别为输入端口14个，输出端口10个，可以满足本设计的I/O使用需求。3.5.2按钮开关SB按钮开关是一种结构简单，应用十分广泛的主令电器。在电气自动控制电路中，用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器、电磁起动器等。本次课设采用杭州三利开关按钮LAY37型。3.5.3熔断器FU熔断器其实就是一种短路保护器，主要进行短路保护或严重过载保护。根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。本次课设可采用正泰熔断器，电流大小需参考电机大小。3.5.4交流接触器KM接触器是由电磁系统（铁芯，电磁线圈）触头系统（常开触点和常闭触头）和灭弧装置组成。本次课设可采用正泰220V三相交流接触器。3.5.5热继电器FR热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。本次课设采用了正泰温度过载保护继电器JR36-20型号。3.5.6低压断路器QF小型断路器适用于交流50/60Hz额定电压230/400V，额定电流至63A线路的过载和短路保护之用，也可以在正常情况下作为线路的不频繁操作转换之用。本次课设选用施耐德3P断路器。3.6器件列表本次课程设计所需元器件如表3.2所示。表3.2器件清单电路元器件符号数目低压断路器QF1熔断器FU2热继电器FR2PLCS7-2001交流接触器KM4行程开关SQ4按钮开关SB24软件设计4.1主流程图本次课程设计的控制流程图如图4.1所示，按下启动键后，由计数器对SP1导通时E6A发出的脉冲进行计数，记够16次后M1正转升起挡板，接下来由限位开关控制完成一系列电动机动作。动作完成后，若按停止键则程序结束，否则开始下一次循环。图4.1主流程图4.2梯形图按下启动开关I0.1后M0.0自锁，系统启动按下停止开关I0.7后M0.0断开，系统停止电动机停转。由C20进行对旋转编码器E6A脉冲数目计数，记到16时自动清零。且当Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3接通时使C20停止计数。C20计数完成后，Q0.0自锁电动机M1正转升起挡板碰到挡板上部限位开关SQ3，Q0.0断开进行下一状态；Q0.2自锁电动机M2正转向前驱动推动器碰到推动器前部限位开关SQ2，Q0.2断开进行下一状态；Q0.3自锁电动机M2反转向后驱动推动器碰到推动器后部限位开关SQl，Q0.3断开进行下一状态；Q0.1自锁电动机M1反转降下挡板碰到挡板下部限位开关SQ4，Q0.1断开，一个运行周期完毕。5组态软件仿真5.1新建工程（1）双击桌面MCGS组态环境图标，进入组态环境。在文件中选择“新建工程”。（2）单击“用户窗口”选项卡，进入“用户窗口”页。单击“新建窗口”按钮，出现如图5.1所示“窗口0”图标。图5.1新建窗口（3）单击页面右侧“窗口属性”按钮，进入“用户窗口属性设置”窗口如图5.2所示。在此窗口中修改窗口名称、窗口标题、窗口背景。图5.2设置用户窗口属性5.2画面设计（1）建立画面单击工具条中的“工具箱”图标，弹出绘图工具箱，将所需的元器件及其按钮拖入窗口完成画面的建立，如图5.3所示。图5.3组态画面（2）编辑画面对画面中的按钮或元器件进行双击，将弹出“标准按钮构件属性设置”窗口，如图5.4所示。在在此窗口中可对按钮进行相应的设置。图5.4“标准按钮构件属性设置”窗口5.3变量定义（1）单击工作台右侧的“新增对象”按钮，在数据对象列表中立刻出现一个新的数据对象。（2）选中该数据对象，然后单击“对象属性”按钮或双击该数据对象，弹出“数据对象属性设置窗口”。（3）在此窗口中进行相应修改后，单击确定按钮，重复上述上述过程将所有对象进行修改。如图5.5所示。图5.5数据对象5.4变量连接（1）按钮连接双击“启动”按钮，弹出“属性设置”窗口。单击“操作属性”选项卡，显示该页。单击第一个下拉列表框，单击“取反”，单击第二个下拉列表框的“？”，双击“SQ1”，如图5.6所示。图5.6按钮操作属性连接（2）指示灯动画连接双击指示灯，弹出“单元属性设置”窗口，单击动画连接选项卡，出现“？”和“>”按钮，进入指示灯动画连接窗口如图5.7所示。图5.7指示灯动画连接5.5与PLC设备连接（1）建立连接单击工作台中的“设备窗口”选项卡，进入“设备窗口”页，如图5.8所示。图5.8设备窗口界面双击“设备工具箱”中的“串口通信父设备”，串口设备的驱动程序被添加到“设备组态”窗口中。双击“设备工具箱”中的“西门子S7-200PPI”，西门子S7-200系列PLC的驱动程序被添加到“设备组态”窗口中，双击“设备0-[串口通信父设备]”，进入“串口通信父设备属性设置”窗口，修改相关设置如图5.9所示。图5.9串口通信父设备属性设置窗口双击“设备1-[西门子S7-200PPI]”，进入“设备1-[西门子S7-200PPI]”属性设置窗口，在此窗口下可执行增加通道或删除通道等操作。如图5.10所示。图5.10“西门子S7-200PLC通道属性设置”窗口（2）进行通道连接在“设备属性设置”窗口中单击“通道连接”标签，进入通道连接设置。选中通道1对应的数据对象输入框，在其中打入“Q0”或右键选中“Q0”。选中通道2对应的数据对象输入框，在其中打入“Q1”或右键选中“Q1”。重复上述步骤，将所有变量完成通道连接。如图5.11所示。图5.11通道连接画面5.6添加实时曲线打开“工具箱”，找到实时曲线的符号，在界面中拖动为合适的大小。然后双击实时曲线的窗口弹出实时曲线的设置对话框。单击“标注属性”，如图5.12所示，将时间单位修改为“秒钟”，最大值修改为“2”。5.12实时曲线中的标注属性设置单击“画笔属性”，如图5.13所示将Q0~Q3添加进去，选择合适的颜色以便区分。5.13实时曲线中的标注画笔属性5.7添加组态程序单击“运行策略”选项卡，如图5.14所示找到“循环策略”双击打开。图5.14运行策略弹出“策略组态：循环策略”页面，如图5.15，右键“按照设定时间循环运行”，单击“新增策略行”，在“策略工具箱”中找到“脚本程序”单击放入“策略组态：循环策略”页面图5.15“策略组态：循环策略”页面双击“策略组态：循环策略”页面中的“脚本程序”，打开组态程序编写页面，如图5.16所示。图5.16脚本程序5.8添加报警单击“实时数据”找到“C20”双击后弹出“数据对象属性设置”，单击报警属性，勾中“上限报警”后，将报警值修改为16。如图5.17所示。图5.17报警属性在“工具箱”中找到“报警显示”在页面中拖动为合适大小。双击拖动出来的构件弹出5.18所示的对话框，选择合适的报警颜色及报警的最大次数。图5.18报警显示构件属性设置5.9动画运行在组态页面上打上自己的名字及学号，合理的对各个构件进行布局，形成最终的组态页面如图5.19所示。图5.19最终组态页面点击“文件”再点击“进入组态环境”即可进入组态运行环境。进入组态环境后，单击启动将单击SP1，再单击E6A模仿16次脉冲。等待一段时间后计数器记够16，进行一次报警。M1正转指示灯变绿。点击SQ3，报警清除，M1正转指示灯变红，M2正转指示灯变绿。如图5.20所示。接下来的仿真步骤在此不再一一叙说。图5.20组态运行画面设计心得通过本次课程设计，我将书本上学过的知识（自动控制原理、过程控制系统等）应用于实际控制系统的组建之中，通过选择适当的仪表，应用组态软件构建一个包装流水线控制系统。在实际的工程实践中，我受益非浅，学习到了许多新的知识，掌握了实际操作的技能，特别是能够将书中的知识与实际设计联系起来，使对自动控制的理解上升到一个新的台阶。在本次课程设计中，除了锻炼自己的能力外，也积累了不少的经验，同时发现有不少值得改进的地方，现总结如下：完成了电气控制系统硬件和软件的设计工作，使系统能够按预期的目标正常地运行。程序设计时结构清晰，易于检查和修改。而且为以后软件的维护和改进提供了方便。组态程序需要严谨，不能有漏洞。在实际的工作岗位上，将要设计不同的控制系统，工业现场的过程控制系统不同于实验室中的控制系统的设计，更不同于书本中的理论和公式，要根据工业生产的实际情况进行设计，将面临远比实验室复杂的多的现场环境，设计系统未必是最先进的、最现代化，但必须是有效、可行、可靠。参考文献[1]张炳良，方宝生．PLC技术在带式输送机自动控制系统中的应用与研究[J]．煤炭工程，2016，（06）：69－70．[2]孟祥忠.基于组态软件的PLC系统设计方案选取原则[J].科技制造装备，2011，（10）：76－78．[3]林小峰．可编程控制器及应用[M]．北京：高等教育