毕业设计-输料带的plc控制系统设计.doc
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1、 编号编号 091401112091401112 毕毕 业业 设设 计计 ( 20132013 届本科)届本科) 题题 目:目: 输料带的输料带的 plcplc 控制系统设计控制系统设计 系(部)院:系(部)院: 物理与机电工程学院物理与机电工程学院 专专 业:业: 电气工程及自动化电气工程及自动化 作作 者者 姓姓 名:名: 刘虎元刘虎元 指指 导导 教教 师:师: 张张 静静 职职 称称 副教授副教授 完完 成成 日日 期:期: 20132013 年年 5 5 月月 3 3 日日 二二一一三三年年 五五月月 摘 要:输料带的连续或间歇运动来输送各种轻重不同的物品,既可输送各种散料, 也可输
2、送各种纸箱、包装袋等单件重量不大的件货,用途广泛。它的控制形式也多种 多样,它可以由单片机、PLC 以及计算机来控制,由于 PLC 为主构成的控制系统具有 可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点,是目前工业自动控制的首选控制装置, 故本设计中采用 PLC 集中控制的办法,利用 PLC 简单可视化的程序,自动控制的控制 方式对输料带进行控制。 关键词:皮带机;PLC;自动控制 Based on the PLC multi-stage conveyor control system design Authors Name: Tutor: ABSTRACT: Belt conveyor uses b
3、elt machine with continuous or intermitten - t movement to transport a variety of different weight of items. It can transport avariety of bulk material or transport all kinds of cartons, bags or other piece g - oods of small weight, so it has been used widely. The control also has a variet- y of for
4、ms. It can be composed of a single chip computer, the PLC, as well as the computers. The PLC has many characteristic, such as high reliability, stron -g control function and cost- effective. It is the first choice to industrial automati- c control device. So the design adopts PLC centralized control
5、 app-roach, usin- g the PLC simple visualization program and using the automatic control way for belt conveyor. KEYWORDS: Conveyor; Programmable controller; Automatic control 目 录 1 1 概概 述述1 1 1.1 选题的背景.1 1.2 PLC 介绍.1 1.3 课题的研究目的和内容7 1.4 课题研究的方案论证8 1.5 系统设计的基本步骤9 2 2 输料带控制系统输料带控制系统1010 2.1 输料带的电控原理及控
6、制要求.10 2.2 传送系统的硬件选择.11 3 3 输料带输料带 PLCPLC 控制系统硬件电路设计控制系统硬件电路设计1515 3.1 主电路设计15 3.2 系统 I/O 分配15 3.3 PLC 外部接线图.16 4 4 输料带输料带 PLCPLC 控制系统软件设计控制系统软件设计1717 4.1 程序设计方法17 4.2 系统梯形图程序设计.19 1 1 1 概概 述述 1.11.1 选题的背景选题的背景 近 20 年来,可编程控制器在我国已获得了极其重要和广泛的应用,它不仅可作 为单一的机电控制设备,而且它作为通用的自动控制设备,也被大量的用于过程工业 的自动控制。可编程控制器与
7、其他计算机控制装置,如集散控制系统、现场总线控制 系统、计算机基础过程系统、信息管理系统等,一起已成为工业控制领域的主流控制 装置。 本设计选择了西门子公司的可编程控制器作为样机。西门子公司的 PLC 程序通俗 易懂、操作方便、实用性强,简单易学。它用梯形图(V4.0 STEP 7 MicroWIN)编程 语言编程,类似于继电器控制线路图。只要具有继电器控制线路图这方面的知识,就 可以很快学会编程和操作,不存在计算机技术和传统电器技术之间的专业“鸿沟” , 系统扩展灵活,它具有各种 I/O 模块和 A/D、D/A 模块等,便于各种需要配置成各种 不同模块的分布式或集中式的控制系统。PLC 的输
8、入口可与触电式开关直接相连,输 出口与执行元件(接触器、电磁铁)相连,即在 PLC 的端子上接相应的输入、输出信 号线即可,使用非常方便。当控制要求改变时,要变更控制系统的功能,可用编程器 修改程序。它还可以用于不同的受控对象只要输入、输出组件和应用的软件不同而已, 可与强电相连,并有较强的带负载能力;体积小,重量轻便于安装,有自检和监控功 能,能动态的监视控制程序的执行情况,为现场调试提供方便,由于接线少,维护方 时只需更换插入式模块,维护方便。 用可编程序控制器来控制一台带式传送机,需要考虑到电动机正反转控制、与带 之间启动的时间差、传送带的速度控制、传感器的输入、整个过程每一步输入输出的
9、 逻辑关系等一些问题,较以往的要求相比较是存在一些不同点,相对提高了少,为了 实现任务要求的各项功能,还需在这个基础上进行部分功能扩展,使得整个统的功能 更加完善。当然,选择这个课题并非只运用可编程控制器的知识,还要结合电路基础 和电子技术、电动机传动原理、继电器接触器控制系统课程的知识,运用它们来将 该课题设计完成。 1.21.2 PLCPLC 介绍介绍 1.2.11.2.1 PLCPLC 的定义的定义 PLC 问世以来,尽管时间不长,但发展迅速。为了使其生产和发展标准化,美国 电气制造商协会 NEMA(National Electrical Manufactory Association)
10、经过四年 2 的调查工作,于 1984 年首先将其正式命名为 PC(Programmable Controller) ,并给 PC 作了如下定义:“PC 是一个数字式的电子装置,它使用了可编程序的记忆体储存 指令。用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过数字或类似的输 入输出模块,以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行 PC 之功能,亦被视为 PC,但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。 ” 以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了 PLC 标准的草案第一稿,第二稿,并 在 1987 年 2 月通过了对它的定义:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统, 专为
11、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。可编程控制器及其有关外部设备, 都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。 ” 总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。 它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不 针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软 件需根据控制要求进行设计编制。 1.2.2 PLC 的结构的结构 PLC 采用了典
12、型的计算机结构,主要由 CPU、RAM、ROM 和输入输出接口电路等组 成,如图 1-1 所示。如果将 PLC 看作一个系统,该系统由输入变量和输出变量组成。 外部的各种开关信号、模拟量信号均作为 PLC 的输入变量,它们经 PLC 外部输入到内 部寄存器中,经 PLC 运算处理后送到输出端子,它们是 PLC 的输出变量。 图 1-1 PLC 结构简化框图 1.2.31.2.3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 3 PLC 虽具有微机的许多特点,但它的工作方式却与微机有很大的不同。微机一般 采用等待命令的工作方式,如常见的键盘扫描方式或 I/O 扫描方式,有键按下或 I/O 动作则转入相应子
13、程序,无键按下则继续扫描。PLC 则采用循环扫描工作方式,在 PLC 中用户程序中有众多的操作需要执行,但是一个 CPU 每一个时刻只能执行一个操 作而不能同时执行多个操作,因此用户程序是按先后次序存放的,CPU 按程序的顺序 依次执行各个操作。即 CPU 从第一条指令开始执行,直到遇到结束符又返回第一条执 行,如此周而复始不断循环。 PLC 的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程,即在系统软件的控制下 顺次扫描各输入点的状态,按用户程序解算控制逻辑,然后顺序向各个输出点发出相 应的控制信号。除此之外,为提高工作的可靠性和及时地接收外来的控制命令,每个 扫描周期还要进行故障自诊断和处理与
14、编程器、计算机的通信请求,因此,PLC 工作 过程分为以下五步: (1)自诊断 自诊断功能可使 PLC 系统防患于未然,而在发生故障时能尽快的修复,为此 PLC 每次扫描用户程序以前都对 CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断,若自诊断 正常便继续进行扫描,而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序,保留现行工作状 态,关闭全部输出,然后停机并显示出错的信息。 (2)与外设通信 自诊断正常后 PLC 即扫描编程器、上位机等通信接口,如有通信请求便响应处理。 在与编程器通信过程中,编程器把指令和修改参数发送给主机,主机把要显示的状态、 数据、错误码进行相应指示,编程器还可以向主机发送运行、停止、
15、清内存等监控命 令。在与上位机通信过程中 PLC 将接收上位机发出的指令进行相应的操作,把现场状 态、PLC 的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行启动、停机、修改参 数等命令。 (3)输入现场状态 完成前两步工作后 PLC 便扫描各个输入点,读入各点的状态和数据,如开关的通 断状态、形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或输入刷新,在一个扫描周 期内内存映象的内容不变,即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下一个扫 描过程中的输入采样时刷新,解算用户逻辑所用的输入值是该输入值的内存映象值而 不是当时现场的实际值。 (4)解算用户逻辑 4 即执行用户程序。一般是从存储器的最低
16、地址存放的第一条程序开始,在无跳转 的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序,按用户程序进行逻辑判断和 算术运算,因此称之为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、定时器、内部继电 器等编程元件为相应存储单元的即时值,而输入继电器、输出继电器则用的是内存映 象值。在一个扫描周期内,某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化,对 整个用户程序是一致的,不会造成结果混乱。 (5)输出结果 将本次扫描过程解算得到的最新结果送到输出模块取代前一次扫描结算结果,也 称为输出刷新。解算用户逻辑时,每一步所得到的输出信号被存入输出映像寄存器而 并未发送到输出模块,相当于输出信号被 输出门阻隔,待全
17、部解算完成后打开输出门一并输出,所用输出信号由输出状态表送 到输出模块,其相应开关动作。 在依次完成上述五个步骤操作后 PLC 又开始进行下一次扫描。如此不断的反复循 环扫描,实现对全过程及设备的连续控制,直至接收到停止命令、停电、出现故障或 载物。PLC 的工作过程如图 1-2 所示。 自诊断 与外设通信 输入现场状态 解算用户逻辑 输出结果 图 1-2 PLC 的工作过程 1.2.41.2.4 PLCPLC 的特点的特点 根据 IEC 标准草案给 PLC 下的定义:它是在工业环境中使用的数字操作的电子系 5 统,它使用可编程存储器内部储存的用户设计的指令,这些指令用来实现特殊的功能, 诸如
18、逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算以及通过数字或模拟输入,输出 来控制各种类型的机械或过程。不论是 PLC 还是与它有关的外部设备,都设计成容易 集成在一个工业控制系统内,并且容易应用所有计划中的功能。从上述 PLC 的定义, 我们可以看到 PLC 的许多特点,概括起来有以下几点: (1)高可靠性 所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离; 各输入端均采用 R-C 滤波器,其滤波时间常数一般为 10-20ms; 各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰; 采用性能优良的开关电源; 对采用的器件进行严格的筛选; 良好的自诊断功能,一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU 立即采用有 效措施,
19、以防止故障扩大; 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或由三 CPU 构成表决系统,使可靠 性更进一步提高。 (2)丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号,如:交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、 脉冲或电位、 强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备,如:按 钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能,它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部 网络,它还有多种通讯联网的接口模块等等。 (3)采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型 PLC 以外,绝大多数 PLC 均采
20、用 模块化结构。PLC 的各个部件,包括 CPU,电源,I/O 等均采用模块化设计,由机架 及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 (4)编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需 要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 (5)安装简单,维修方便 PLC 不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的 各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接,即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指 6 示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故
21、障,用户可以通过更换模块的方法, 使系统迅速恢复运行。 1.2.51.2.5 PLCPLC 的分类的分类 PLC 生产厂家及产品很多,为便于用户对一个已知应用来讲选择最合适的 PLC, 厂商通常通过杂志或其他途径,定期地将不同功能与特性的 PLC 列表进行比较,表中 的内容大体有:总的 I/O 点数,最多开关量 I/O 点数,最多模拟量 I/O 点数,继电器 梯形逻辑图,高级语言(编程) ,PID 功能,远动控制,文件编制功能,数据总线, 接口类型,扫描速度,存储器类型与容量,以及 CPU 类型与工艺等。为适应用户的 不同应用要求,很多厂家均开发生产了相互有关联的系列产品,为区别 PLC 的综
22、合特 性,通常以下述两种办法分类: (1)按 I/O 点数及存储器容量分类 小型:最多 I/O 为 40/40,用户存储器 1KB; 中型:最多 I/O 为 128/128,用户存储器 4KB; 大型:I/O128/128,用户存储器4KB。 上述分类法是 1985 年 PLC 国际会议上所介绍的,在此基础上,对大、中、小规 模的 PLC 还要考察下列特点: 结构和布线技术; 处理机功能存储器; 编程技术。 (2)按 I/O 点总数分类 随着微型 PLC 技术的发展日趋成熟,售价也趋向合理,每台约(200400)美元。 1986 年国外亦提出按照 I/O 点总数、价格和尺寸,将 PLC 分类。
23、 微型:I/O 总点数(2064)点,后上移到 128 点。PLC 的一个发展方向是越 来越小,一些 PLC 只有手掌大小,使用起来灵活方便; 小型:I/O 总点数为(65128)点,后上移到 5l2 点。其特点是体积小、结 构紧凑,整个硬件融为一体,除了开关量 I/O 以外,还可以连接模拟量 I/O 以及其他 各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传 送、通讯联网以及各种应用指令; 中型:I/O 总点数为(129512)点,后上移到 2048 点。I/O 的处理方式除了 采用一般 PLC 通用的扫描处理方式外,还能采用直接处理方式,即在扫描用户程序的 7 过
24、程中,直接读输入,刷新输出。它能联接各种特殊功能模块,通讯联网功能更强, 指令系统更丰富,内存容量更大,扫描速度更快; 大型:I/O 总点数为(5131024)点,后上移到 8192 点。大型 PLC 的软、硬 件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强,有各种通讯联网的模块,可 以构成三级通讯网,实现工厂生产管理自动化。大型 PLC 还可以采用三 CPU 构成表决 式系统,使机器的可靠性更高; 超大型:I/O 总点数l02l4 点。PLC 的另一个发展方向是大型和超大型,这些 PLC 具有上万个输入输出量,用于石化、冶金、汽车制造等领域。 下述两个方面应注意:一是微型 PLC 的产量增
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