南京理工大學紫金學院畢業設計說明書(論文)作 者: 崔其兵學 號： 080405106系：電子工程與光電技術系專 業: 電氣工程及其自動化題 目:基于PLC的車間生產流水線產品運輸控制 王玉玨指導者： (姓 名) (專業技術職務)評閱者： (姓 名) (專業技術職務)2012 年 5 月南 京 理 工 大 學 紫 金 學 院畢業設計（論文）評語學生姓名： 班級、學號： 題 目： 綜合成績： 指導者評語： 指導者(簽字)： 年 月 日畢業設計（論文）評語評閱者評語： 評閱者(簽字)： 年 月 日答辯委員會（小組）評語： 答辯委員會（小組）負責人(簽字)： 年 月 日畢業設計說明書（論文）中文摘要 隨著自動化生產的提高, PLC在生產控制系統中的應用越來越廣泛。本次設計的要求是對車間生產流水線產品的運輸控制，由于傳統的繼電器控制存在自身的不足，已經不能完全滿足本次設計的要求，PLC的特點是具有強大的控制能力、高精度、高可靠性, 具有復雜的邏輯能力和運算能力, 因此可充分滿足對流水線的控制需求。本次設計采用西門子S7-200PLC，論述了產品運輸控制系統的軟硬件設計方案及其控制原理，實現了裝料、卸料過程的自動控制，再運用組態王軟件進行全程監控。關鍵詞 PLC 流水線 程序 組態王 畢業設計說明書（論文）外文摘要Title PLC control the transportation of the products of the workshop production lines AbstractWith the improvement of automated production, the PLC applications are used in the production control system increasingly. Thisdesign requirementsto controlthetransportoftheworkshopproductionlineproducts. Because of the traditionalrelay controlhas its own shortcomings, can not meetthedesign requirements fully, thecharacteristicsofthe PLC are theability to control,precision,high reliability,complex logicand computing capacity,and meettheneedsofthepipelinecontrol fully. This designusesthe SiemensS7-200 PLC, discusses the design methods of a motor wagon of transport materials control system hardware and software, and control theory for it, has shipped materials process automatic, and use the Kingview to monitor the entire process.Keywords PLC Production line Program Kingview 本科畢業設計說明書（論文） 第 頁 共 頁 （空2行） 目 次 （4號黑體，居中）1 引言（或緒論）（作為正文第1章，小4號宋體，行距18磅，下同） 12 （正文第2章） Y2.1 （正文第2章第1條） Y2.2 （正文第2章第2條） Y2.X （正文第2章第X條） Y3 （正文第3章） Y（略）X （正文第X章） Y結論 Y致謝 Y參考文獻Y附錄A （必要時） Y附錄B （必要時） Y圖1 （必要時） Y圖2 （必要時） Y表1 （必要時） Y表2 （必要時） Y注：1. 目次中的內容一般列出“章”、“條”二級標題即可；2X、Y表示具體的阿拉伯數字；3頁眉中的頁碼用羅馬數字（、）表示。本科畢業設計說明書（論文） 第 37 頁 共 35 頁1 緒論1.1 課題的背景和意義當前企業現代化生產規模不斷擴大和深化，使得生產物的輸送成為生產物流系統中的一個重要環節。車間生產流水線產品運輸控制是企業現代化生產的重要組成部分，80年代以來，面對激烈的市場競爭，人們在車間生產運輸工作中所慣用的那種人工方式，已不能適應快速增長的工作需要。在現代化工業生產中，為了提高勞動生產率，降低成本，減輕工人的勞動負擔，要求整個工藝生產過程全盤自動化，這就離不開車間生產流水線產品運輸控制系統。在自動化生產線上，有些生產機械的工作臺需要按一定的順序實現自動往返運動，并且有的還要求在某些位置有一定的時間停留，以滿足生產工藝要求。傳統的生產流水線產品運輸大多是繼電器控制，而繼電器控制有著接線繁多，故障率高的缺點，且維護維修不易等缺點。用PLC程序實現車間生產流水線產品運輸控制，不僅具有程序設計簡易、方便、可靠性高等特點，而且程序設計方法多樣。目前，PLC在工業控制中獲得了巨大的成功，因此可以預見，基于PLC的車間生產流水線產品運輸控制系統具有廣闊的應用前景。1.2 課題國內外發展的狀況由于自動化的不斷發展，使得車間生產線的產品運輸控制得到不斷的改善，生產效率也不斷提高，國內外車間生產流水線產品運輸控制系統經歷了以下幾個階段：a) 手動控制：在20世紀60年代末70年代初期，便有一些工業生產采用PLC來實現產品運輸控制，但是由于當時的技術還不夠成熟，只能夠用手動的方式來控制機器，而且早期運輸控制系統多為繼電器接觸器組成的復雜系統，這種系統存在設計周期長、體積大、成本高等缺陷，幾乎無數據處理和通信功能，必須有專人負責操作。b) 自動控制：在20世紀80年代，隨著計算機的價格下降，這時的大型工控企業將PLC充分地與計算機相結合，自動化設備終于實現了PLC在車間產品運輸控制系統方面的應用。c) 全自動控制：當前由于PLC技術不斷向高性能、高速度、大容量發展，大型PLC大多采用多CPU結構。將PLC運用到車間生產流水線產品運輸控制系統，可實現產品運輸的全自動控制，降低系統的運行費用?；赑LC的車間生產流水線產品運輸控制系統具有連線簡單，控制速度快，精度高，可靠性好，可維護性好和改造方便等優點。1.3 本次課題設計應達到的目的本次課題設計以某食品生產車間的四個工作臺和一個成品庫（直線排列），為研究對象。操縱工將食品包裝成袋，然后呼叫小車把包裝袋送到成品庫，小車往返于各個工作臺之間，根據請求在某個工作臺限時限量裝袋，當小車裝滿60袋時，就自動開往成品庫卸袋。待卸袋完畢，再根據請求開往某站繼續工作，由此往返。設計使用PLC實現以上控制要求，并運用組態軟件進行全程監控。生產車間加工現場如圖1.3.1所示：成品庫4號站3號站2號站1號站圖1.3.1 生產車間加工現場1.4 本次課題設計的任務內容和要求a) 每個工作臺都有一個呼叫按鈕。需要小車過來裝袋時，按一下按鈕，系統接到呼叫信號就登記下來，同時本站呼叫記憶燈點亮，說明信號已經接到。小車會根據自己的忙閑程度決定什么時候來到。b) 裝袋時有兩個要求，一是每次最多裝10袋，二是每次最長停留8s，也就是說不到8s就把10袋都裝完了，這時如有其他呼叫等待，小車就離開這里。如果用盡8s卻裝不到10袋，那如果已有呼叫信號，小車也照樣離開這里。目的是避免壓車。c) 如10袋已裝完，8s時間也到了仍沒有別的工作臺呼叫。本臺可以繼續裝料，但一旦有別的工作臺呼叫信號，小車立即出發離開這里。d) 數碼管顯示小車所處的站臺。e) 只要車上裝滿60袋，對所有呼叫信號都不應答只保留登記順序，小車直接開往成品庫。待卸料完畢后重新登記順序繼續應接。f) 小車到成品庫卸袋，共需10s，時間到后認為卸料完畢。2 可編程控制器（PLC）概況2.1 可編程控制器（PLC）的定義國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器(PLC)是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。2.2 可編程控制器（PLC）的發展1968年美國通用汽車公司提出取代繼電器控制裝置的要求；1969 年，美國數字設備公司研制出了第一臺可編程邏輯控制器PDP14 ，在美國通用汽車公司的生產線上試用成功，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這是第一代可編程邏輯控制器，稱Programmable，是世界上公認的第一臺PLC。1969年，美國研制出世界第一臺PDP-14；1971年，日本研制出第一臺DCS-8；1973年，德國研制出第一臺PLC；1974年，中國研制出第一臺PLC。隨著集成電路技術和計算機技術的發展，現在已有了第五代PLC產品。2.3 可編程控制器（PLC）的特點可編程邏輯控制器具有以下鮮明的特點：a) 系統構成靈活，擴展容易，以開關量控制為其特長；也能進行連續過程的PID回路控制；并能與上位機構成復雜的控制系統，如DDC和DCS等，實現生產過程的綜合自動化。b) 使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統開發周期短，現場調試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。c) 能適應各種惡劣運行環境，抗干擾能力強，可靠性強，遠高于其他各種機型。2.4 可編程控制器（PLC）的結構PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相似。2.4.1 基本結構a) 電源可編程邏輯控制器的電源在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。b) 中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。為了進一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，近年來對大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。c) 存儲器存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器；存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。d) 輸入輸出接口電路現場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現場控制的接口界面的輸入通道?，F場輸出接口電路由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，可編程邏輯控制器通過現場輸出接口電路向現場的執行部件輸出相應的控制信號。e) 功能模塊f) 通信模塊2.4.2 結構分類根據結構形式的不同，PLC的基本結構分為整體式和模塊式結構兩類。模塊式（又稱組合式）結構的PLC是將中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等分別做成相應的模塊，應用時將這些模塊根據控制要求插在機架上，各模塊間通過機架上的總線相互聯系。模塊式的PLC安裝完成后，需進行登記，以便PLC對安裝在總線上的各模塊進行地址確認，其特點是系統構成的靈活性較高，可以構成不同控制規模和功能的PLC，但同時價格也較高。模塊式結構如圖2.4.1所示： 機 架編程器現場設備上位機電源模塊CPU模塊通信模塊輸入模塊輸出模塊特殊功能模塊圖2.4.1 模塊式結構整體式（又稱箱體式）結構的PLC由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在同一機體內。這種結構的特點是結構簡單、體積小、價格低、輸入/輸出點數固定、實現的功能和控制規模固定，但靈活性較低。整體式結構如圖2.4.2所示：電源中央處理器（CPU）輸入/輸出單元存儲器系統總線編程器圖2.4.2 整體式結構2.5 可編程控制器（PLC）的工作原理PLC采用循環掃描技術，可以分為3個階段：輸入采樣階段、程序執行階段和輸出刷新階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。在輸入采樣中，PLC先進行自我診斷，然后與編程器或計算機通信，同時中央處理器掃描各個輸入端并讀取輸入信號的狀態和數據，并把它們存入相應的輸入存儲單元。在執行階段中，PLC按照由上到下的次序逐步執行程序指令。從相應的輸入存儲單元讀入輸入信號的狀態和數據，然后根據程序內部繼電器、定時器、計數器數據寄存器的狀態和數據進行邏輯運算，得到運算結果，并將這些結果存入相應的輸出存儲器單元。在輸出刷新中，PLC將相應的輸出存儲單元的運算結果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊向外部沒備傳送輸出信號，開始控制外部設備。2.6 可編程控制器（PLC）的應用領域a) 開關量的邏輯控制，是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。b) 運動控制，可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。c) 模擬量控制，在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量和數字量之間的A/D轉換及D/A轉換。d) 數據處理，現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。e) 過程控制，過程控制是指對速度、溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。f) 通信及聯網，PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發展，工廠自動化發展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。最新生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。PLC的應用領域仍在擴展，在日本，PLC的應用范圍已從傳統的產業設備和機械的自動控制，擴展到中小型過程控制系統、遠程維護服務系統、節能監視控制系統，以及與生活關連的機器、與環境關連的機器，而且均有急速的上升趨勢。PLC正逐漸從傳統的應用于離散的制造業向應用到連續的流程工業擴展。3 基于PLC的控制系統設計3.1 基于PLC控制系統設計的基本原則任何一種電氣控制系統都是為了實現生產設備或生產過程的控制要求和工藝需要，從而提高產品質量和生產效率。因此，在設計PLC應用系統時，應遵循以下基本原則： a) 充分發揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求；b) 在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統簡單、經濟、使用及維修方便；c) 保證控制系統安全可靠；d) 應考慮生產的發展和工藝的改進，在選擇PLC的型號、I/O點數和存儲器容量等內容時，應留有適當的余量，以利于系統的調整和擴充。 3.2 基于PLC控制系統設計的一般步驟設計PLC控制系統時，首先是進行PLC系統的功能設計，即根據被控對象的功能和工藝要求，明確系統必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應用系統的功能分析，即通過分析系統功能，提出PLC控制系統的結構形式，控制信號的種類、數量，系統的規模、布局。最后根據系統分析的結果，具體的確定PLC的機型和系統的具體配置。 PLC控制系統設計可以按以下步驟進行：a) 控制要求分析，制定控制方案首先需要分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對 PLC控制系統的控制要求。 b) 確定I/O設備其次根據系統的控制要求，確定用戶所需的輸入（如按鈕、行程開關、選擇開關等）和輸出設備（如接觸器、電磁閥、信號指示燈等）由此確定PLC的I/O點數。 c) 選擇PLCPLC選擇時主要包括PLC機型、容量、I/O模塊、電源的選擇。 d) I/O地址分配根據生產設備現場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規格、數量；根據所選的PLC的型號列出I/O設備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部I/O接線圖和編制程序。 e) 軟件及硬件設計進行PLC程序設計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，PLC控制系統的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。 f) 聯機調試聯機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統調。開始時，先不帶上輸出設備（接觸器線圈、信號指示燈等負載）進行調試。利用編程器的監控功能，采用分段調試的方法進行。各部分都調試正常后，再帶上實際負載運行。如不符合要求，則對硬件和程序作調整。通常只需修改部分程序即可，全部調試完畢后，交付試運行。經過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改則應將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。 g) 整理技術文件包括設計說明書、電氣安裝圖、電氣元件明細表及使用說明書等?；赑LC控制系統設計步驟如圖3.2.1所示：設計開始控制要求分析確定I/O設備選擇PLC分配PLC的I/O地址設計軟件及硬件聯機調試整理技術文件設計結束圖3.2.1 基于PLC控制系統設計步驟3.3 PLC控制系統硬件配置硬件系統設計除了PLC及外圍線路的設計、電氣線路的設計和抗干擾措施外，主要考慮安全性和系統供電可靠性設計。3.3.1 安全性設計很多國家和國際組織發表的技術標準中均有明確的安全規定。在以下3種情況下將發揮安全保護作用:a) PLC或機電元件檢測到設備發生緊急異常狀態時；b) PLC失控時；c) 操作人員需要緊急干預時。3.3.2 系統供電可靠性設計a) 供電系統的保護措施和抗干擾:用隔離變壓器；b) 供電系統的突然斷電保障:用UPS電源。3.3.3 電源模塊的選擇： PLC的CPU所需的工作電源一般都是5V直流電源，一般的編程接口和通信模塊還需要5.2V和24V直流電源。這些電源都由可編程控制器本身的電源模塊供給，所以在實際應用中要注意電源模塊的選擇。a) 電源模塊的輸入電壓。PLC的電源模塊有3種輸入電壓，即220VAC、110VAC和24VDC，在實際應用中要根據具體情況進行選擇。 b) 電源模塊的輸出功率。在選擇電源模塊時，其額定輸出功率必須大于CPU模塊、所有I/O模塊及各種智能模塊等總的消耗功率，并且要留有30%左右的余量。一個電源模塊既要為主機單元又要為擴展單元供電時，從主機單元到最遠一個擴展單元的線路壓降必須小于0.25V。 c) 擴展單元中的電源模塊。在有的系統中，由于擴展單元中含有智能模塊及一些特殊模塊，就要考慮在擴展單元中安裝相應的電源模板。3.4 PLC的選型 3.4.1 PLC容量的選擇a) 總I/O點數量和性質根據開關量、模擬量、直流信號、交流信號，工作電源。輸出是用繼電器型還是晶體管或是可控硅型，如運動控制時的高速脈沖輸出。使用無觸點的晶體管輸出的PLC。如輸出既有交流220V的接觸器、電磁閥，又有直流24V的指示燈，可用繼電器輸出。b) 對用戶存儲器容量進行估算一個程序段中，接點數與存放該程序段所代表的機器語言所需的內存字數的比值稱為內存利用率。用戶程序所需內存容量受到內存利用率、開關量輸入/輸出點數、模擬量輸入/輸出點數和用戶編程水平等幾個主要因素的影響。高的內存利用率給用戶帶來好處，同樣的程序可以減少內存量，從而降低內存投資。另外，同樣的程序可縮短掃描周期時，從而提高系統的響應。內存字數的估算（小型PLC的內存為12KB）開關量輸入輸出：所需內存字數 = 開關量(輸入十輸出)總點數10 模擬量輸入時：所需內存字數 = 模擬量點數X100模擬量輸入/輸出同時存在：所需內存字數=模擬量點數 200經驗計算公式：總存儲器字數=(開關量輸入輸出總點數) 10十 模擬量點數 150。然后按計算存儲器字數的25%考慮余量。每個I/0點及有關功能元件占用的內存大致如下：開關量輸入元件：1020B /點；開關量輸出元件：5l0B/點；定時器/計速器：2B/個；模擬量：100150B/點；通信接口：一個接口一般需要300B以上。根據上面算出的總字節數再考慮25%左右的備用量，就可估算出用戶程序所需的內存容量，從而選擇合適的PLC內存。3.4.2 I/O地址分配輸入/輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進行PLC控制系統設計的基礎。對軟件設計來說，I/O地址分配以后才可進行編程；對控制柜及PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據線路圖和安裝圖安裝控制柜。在進行I/O地址分配時最好先列I/O分配表。3.4.3 響應時間對于過程控制，掃描周期和響應時間必須認真考慮。PLC順序掃描的工作方式，使它不能可靠地接收持續時間小于掃描周期的輸入信號。4 車間生產流水線產品運輸控制系統設計方案可行性分析目前車間生產流水線產品運輸控制系統有多種設計方案，一般可以通過繼電器-接觸器控制，單片機控制，PLC控制:4.1 三種控制方案的優缺點比較4.1.1 繼電器-接觸器控制a) 優點：由按鈕，繼電器、接觸器組成的復雜車間生產流水線產品運輸控制系統，可以實現集中控制與遠距離控制,目前繼電器、接觸器控制仍是最基本的電氣控制形式之一，價格方面經濟實惠；b) 缺點：由按鈕，繼電器，接觸器等低壓控制器組成了繼電器-接觸器控制線路，由于該控制形式是固定接線，系統構成后，想再改變或增加功能、較為困難；另外繼電器的觸點數量有限，所以繼電器控制系統的靈活性和可擴展性受到很大限制；又由于采用有接觸點的開關動作，工作頻率低，觸點易損壞，可靠性差。4.1.2 單片機控制a) 優點：將單片機應用到車間生產流水線產品運輸控制控制系統，由于單片機有優異的性價比、集成度高、體積小、可靠性高、控制功能強、低功耗、低電壓的特點，便于生產便攜式產品；b) 缺點：單片機控制系統電路中需要加入A/D，D/A轉換器，線路復雜，還要分配大量的中斷口地址；單片機控制電路也易受外界環境的干擾，具有不穩定性；而且單片機編程方法復雜，不容易學習，一般只應用于簡單的流水線產品運輸控制系統。4.1.3 PLC控制a) 優點：將PLC應用到車間生產流水線產品運輸控制系統，可實現產品運輸的自動化控制，降低系統的運行費用；可編程控制器（PLC）具有能力強，可靠性高、配置靈活、編程簡單等優點，而且 PLC中每只軟繼電器的觸點數理論是無限制的，因此其靈活性和可擴展性很好，是當代工業生產自動化的主要手段和重要的自動化控制設備。4.2 工作方式比較在繼電器-接觸器控制電路中，當電源接通時，電路中所有繼電器都處于受制約狀態即該吸合的繼電器都同時吸合，不該吸合的繼電器受某種條件限制而不能吸合，這種工作方式稱為并行工作方式。PLC的用戶程序是按一定順序循環執行，所以各軟繼電器都處于周期性循環 掃描接通中，受同一條件制約的各個繼電器的動作次序決定于程序掃描順序，同它們在梯形圖中的位置有關，這種工作方式稱為串行工作方式。4.3 控制速度比較繼電器-接觸器控制系統依靠機械觸點的動作實現的，工作頻率低，觸點的開關動作一般在幾十毫秒數量級，且機械觸點還會出現抖動問題。PLC通過程序指令控制半導體電路來實現控制，一般一條用戶指令的執行時間在微秒數量級，因此速度較快，PLC內部還有嚴格的同步控制，不會出現觸點抖動問題。4.4 可靠性和可維護性比較繼電器-接觸器控制系統使用了大量的機械觸點，連線多，觸點開閉時存在機械磨損、電弧燒傷等現象，觸點壽命短，所以可靠性和可維護性較差。PLC采用半導體技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，其壽命長、可靠性高。PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并能動態地監視控制程序的執行情況，為現場調試和維護提供了方便。4.5 方案確定經過方案對比，本次控制系統設計采用PLC對車間生產流水線產品運輸進行控制，為了能夠實現自動往返，采用了高速計數器進行計數。同時，根據行走的方向進行增、減計數（當正向行走時進行加計數，反向則進行減計數）。在程序設計中，采用高速計數器（HSC）指令，開通旋轉編碼器計數，用以計算產品運輸行走的距離，實現準確?？?。此外，該控制系統具有自動、手動兩種工作方式，并設計了聯網模式和離網模式。在聯網模式下，PLC與上位機通信，接受上位機的指令，使小車進行自動行走與回零運行。當上位機故障運行時，采用離網手動運行，保證了系統的可靠性。5 基于PLC的車間生產流水線產品運輸控制系統的硬件設計5.1 硬件選型5.1.1 PLC選型在本次系統設計中，所用到的輸入點數分別是：高數計數器、開始按鈕、停止按鈕、1號站呼叫按鈕、2號站呼叫按鈕、3號站呼叫按鈕、4號站呼叫按鈕、裝料按鈕、傳感器共計10個；輸出點數分別是：電機正轉、電機反轉、正轉信號燈、反轉信號燈、1號站呼叫燈、2號站呼叫燈、3號站呼叫燈、4號站呼叫燈、數碼管的7個引腳共計16個。在對上述I/O點數以及結合系統功能進行綜合分析后，決定采用西門子S7-200 CPU226模塊。S7-200PLC的CPU模塊如圖5.1.1所示圖5.1.1 S7-200PLC的CPU模塊CPU226模塊的I/O總數為40點，其中輸入點24點，輸出點16點；可帶7個擴展模塊；用戶程序存儲容量為8KB；內置高數計數器，具有PID控制器的功能；有2個高速脈沖輸出端和2個RS-485通信口；具有PPI通信協議、MPI通信協議和自由口協議的通信能力；運行速度快、功能強，適用于要求較高的中小型控制系統。5.1.2 其他硬件選型a) LED數碼管本次系統設計要求數碼管顯示小車所處的站臺，即在1號站時，數碼管顯示1；2號站時顯示2；3號站時顯示3；4號站時顯示4；成品庫時顯示5。本次系統設計采用共陰極數碼管。共陰極、共陽極LED數碼管引腳圖如圖5.1.2所示圖5.1.2 共陰極、共陽極LED數碼管引腳圖b) 旋轉編碼器旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置，光電式旋轉編碼器通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出（REP）。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術參數主要有每轉脈沖數（幾十個到幾千個都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。旋轉增量式編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數設備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產結果出現后才能知道。本次設計中，工作臺之間的距離，停靠位置由旋轉編碼器決定。旋轉編碼器每發出1000個碼就是一個工作臺位置，這樣4個工作臺加一個成品庫，共需要4000個碼。第一個工作臺用傳感器設置一個基準位置開關。根據上面的設計要求，本次系統設計采用增量式編碼器。旋轉編碼器如圖5.1.3所示圖5.1.3 旋轉編碼器旋轉編碼器原理圖如圖5.1.4所示圖5.1.4 旋轉編碼器原理圖c) 高數計數器在硬件設計中，采用高數計數器（HSC）指令，開通旋轉編碼器計數，因為是實驗室模擬運行，所以沒有考慮小車?？繒r的減速段，也就是直接起，直接停，使用的是直流24V小型電動機。S7-200 CPU具有集成的、硬件高速計數器，高速計數器可以被配置為12種模式中的任意一種，但并不是所有計數器都能使用每一種模式。CPU221和CPU222可以使用4個30kHz單相高速計數器或2個20kHz的兩相高速計數器，而CPU224和CPU226可以使用6個30kHz單相高速計數器或4個20kHz的兩相高速計數器。高數計數器有四種基本類型：帶有內部方向控制的單相計數器，帶有外部方向控制的單相計數器，帶有兩個時鐘輸入的雙相計數器和A/B相正交計數器。在正交模式下，你可以選擇一倍速或者四倍速計數速率。對于操作模式相同的計數器，其計數功能是相同的。本次設計選用的類型是A/B相正交計數器。高速計數器的模式及輸入點見表5.1.5表5.1.5 高速計數器的模式及輸入點模式描述輸入點備注HSCOI0.0I0.1I0.2(1)HSC1I0.6I0.7I1.0I1.1(2)HSC2I1.2I1.3I1.4I1.5(2)HSC3I0.1(1)HSC4I0.3I0.4I0.5HSC5I0.40帶有內部方向控制的單相計數器時鐘1時鐘復位2時鐘復位啟動3帶有外部方向控制的單相計數器時鐘方向4時鐘方向復位5時鐘方向復位啟動6帶有增減計數時鐘的雙相計數器增時鐘減時鐘7增時鐘減時鐘復位8增時鐘減時鐘復位啟動9A/B相正交計數器時鐘A時鐘B10時鐘A時鐘B復位11時鐘A時鐘B復位啟動12只有 HSC0 和 HSC3 支持模式 12。HSC0 計數高速脈沖輸出 Q0.0；HSC3 計數高速計數脈沖輸出 Q0.1。高速計數器的實際輸入要根據用戶選擇的高速計數器號和模式來確定，如上表5.1.5。例：如果選擇了HSC0的模式1，則外部高速計數輸入點應接在I0.0，外部復位點應接在I0.2。 如果用戶使用了多個高速計數器，則被某一高速計數器占用了的輸入點，其它高速計數器不能再使用。如HSC0的模式3已經占用了I0.1作為外部方向控制點，那么HSC3高速計數器就不能再使用了，因為它的計數輸入點也是I0.1，與之沖突了。5.2 I/O分配系統I/O分配見表5.2.1表5.2.1 系統I/O分配表I/O用途I/O用途I0.0、I0.1高速計數器HSCQ0.0電機反轉（KM1）I0.2停止按鈕（SB1）Q0.1電機正轉（KM2）I0.3開始按鈕（SB2）Q0.2反轉小信號燈（HL1）I0.41號站呼叫按鈕（SB3）Q0.3正轉小信號燈（HL2）I0.52號站呼叫按鈕（SB4）Q0.41號站呼叫燈（HL3）I0.63號站呼叫按鈕（SB5）Q0.52號站呼叫燈（HL4）I0.74號站呼叫按鈕（SB6）Q0.63號站呼叫燈（HL5）I1.1裝料按鈕（SB7）Q0.74號站呼叫燈（HL6）I2.1傳感器（SQ1）Q1.0 Q1.6數碼管顯示5.3 車間生產流水線產品運輸PLC接線圖車間生產流水線產品運輸控制系統PLC接線如圖5.3.1所示圖5.3.1 車間生產流水線產品運輸PLC接線圖6 基于PLC的車間生產流水線產品運輸控制系統的軟件設計6.1 STEP7-Micro/WIN32編程軟件STEP7-Micro/WIN32編程軟件是專為西門子公司S7-200系列小型機而設計的編程工具軟件，使用該軟件可根據控制系統的要求編制控制程序并完成與PLC的實時通信，進行程序的下載與上傳及在線監控。STEP7-Micro/WIN32編程軟件的基本功能是創建、編輯、調試用戶程序、組態系統等。STEP7-Micro/WIN32窗口組建如圖6.1.1所示圖6.1.1 STEP7-Micro/WIN32窗口組建a) 操作欄顯示編程特性的按鈕控制群組“視圖”：選擇該類別，為程序塊、符號表，狀態圖，數據塊，系統塊，交叉參考及通訊顯示按鈕控制。“工具”：選擇該類別，顯示指令向導、文本顯示向導、位置控制向導、EM 253控制面板和調制解調器擴展向導的按鈕控制。注釋：當操作欄包含的對象因為當前窗口大小無法顯示時，操作欄顯示滾動按鈕，使您能向上或向下移動至其他對象 。b) 指令樹提供所有項目對象和為當前程序編輯器（LAD、FBD或STL）提供的所有指令的樹型視圖。用戶可以用鼠標右鍵點擊樹中“項目”部分的文件夾，插入附加程序組織單元（POU）；也可以用鼠標右鍵點擊單個POU，打開、刪除、編輯其屬性表，用密碼保護或重命名子程序及中斷例行程序?？梢杂檬髽擞益I點擊樹中“指令”部分的一個文件夾或單個指令，以便隱藏整個樹。一旦打開指令文件夾，就可以拖放單個指令或雙擊，按照需要自動將所選指令插入程序編輯器窗口中的光標位置。可以將指令拖放在自己“偏好”的文件夾中，排列經常使用的指令。c) 交叉參考允許用戶檢視程序的交叉參考和組件使用信息。d) 數據塊允許用戶顯示和編輯數據塊內容。e) 狀態圖窗口允許用戶將程序輸入、輸出或變量置入圖表中，以便追蹤其狀態。您可以建立多個狀態圖，以便從程序的不同部分檢視組件。每個狀態圖在狀態圖窗口中有自己的標簽。f) 符號表全局變量表窗口允許用戶分配和編輯全局符號（即可在任何POU中使用的符號值，不只是建立符號的POU）。您可以建立多個符號表。可在項目中增加一個S7-200系統符號預定義表。g) 輸出窗口在用戶編譯程序時提供信息。當輸出窗口列出程序錯誤時，可雙擊錯誤信息，會在程序編輯器窗口中顯示適當的網絡。當您編譯程序或指令庫時，提供信息。當輸出窗口列出程序錯誤時，您可以雙擊錯誤信息，會在程序編輯器窗口中顯示適當的網絡。h) 狀態條提供用戶在STEP 7-Micro/WIN中操作時的操作狀態信息。i) 程序編輯器窗口包含用于該項目的編輯器（LAD、FBD或STL）的局部變量表和程序視圖。如果需要，用戶可以拖動分割條，擴展程序視圖，并覆蓋局部變量表。當您在主程序一節（MAIN）之外，建立子程序或中斷例行程序時，標記出現在程序編輯器窗口的底部?？牲c擊該標記，在子程序、中斷和OB1之間移動。j) 局部變量表包含用戶對局部變量所作的賦值（即子程序和中斷例行程序使用的變量）。在局部變量表中建立的變量使用暫時內存；地址賦值由系統處理；變量的使用僅限于建立此變量的POU。k) 菜單條允許用戶使用鼠標或鍵擊執行操作。您可以定制“工具”菜單，在該菜單中增加自己的工具。l) 工具條為最常用的STEP 7-Micro/WIN操作提供便利的鼠標訪問。用戶可以定制每個工具條的內容和外觀。6.2 控制系統程序設計6.2.1 內部繼電器地址與用途內部繼電器地址與用途見表6.2.1表6.2.1 內部繼電器地址與用途內部繼電器地址用途內部繼電器地址用途M0.0開始按鈕按下，得電并自鎖M1.4小車到達成品庫得電，起動計時器T38M0.11號站呼叫時，得電自鎖M1.5T38得電后自鎖SM0.0常ON狀態M2.1小車在1號站，有呼叫時得電M0.22號站呼叫時，得電自鎖M2.2小車在4號站或成品庫，有呼叫時得電M0.33號站呼叫時，得電自鎖M1.0到達1號站時得電并斷開1號站呼叫燈M0.44號站呼叫時，得電自鎖M2.0到達2號站時得電并斷開2號站呼叫燈M0.5每到一站，得電并接通時間繼電器M3.0到達3號站時得電并斷開3號站呼叫燈M0.62號站到時得電并截車M4.0到達4號站時得電并斷開4號站呼叫燈M0.73號站到時得電并截車M5.08s時間到或裝滿10件，得電反轉M1.11號站到時得電并截車M6.08s時間到或裝滿10件，得電正轉M1.24號站到時得電并截車SMB37監控高數計數器HSC0M1.360件裝料完成，得電并直接送至成品庫6.2.2 梯形圖設計a) 啟動及計數功能的實現如圖6.2.2所示圖6.2.2 啟動及計數功能如圖6.2.2所示，按開始按鈕SB2，I0.3閉合，使M0.0得電自鎖。小車到達1號站時，傳感器開關SQ1動作，I2.1閉合，配合緊隨其后的跳變觸點，激活了高速計數器初始化程序，初始化過程中，決定了高數計數器的工作狀態，開啟0號高速計數器，按第9個模式計數。b) 1號站呼叫狀態實現如圖6.2.3所示圖6.2.3 1號站呼叫狀態實現如圖圖6.2.3所示，1號站呼叫、登記、保持、記憶燈亮。到站截車，記憶燈滅，說明呼叫信號已響應。c) 停車裝料如圖6.2.4所示6.2.4 停車裝料如圖6.2.4所示，小車停下后，開始裝料，I1.1閉合1次就是一件，裝到10件后，如有其他站呼叫，立即響應，離開此站。d) 小車裝滿60袋如圖6.2.5所示圖6.2.5 小車裝滿60袋 如圖6.2.5所示，定時定量裝料設定值已到，或車上已裝滿60件，此刻將復位所有呼叫信號，不再