基于PLC装配流水线控制系统设计.docx

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基于PLC装配流水线控制系统设计

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毕业设计说明书（论文）

基于PLC装配流水线控制系统设计

学生姓名

所学专业

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指导教师

XXXXXXXXX系

二○**年XX月

摘要

随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。

PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。

自动化系统中所使用的各类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。

要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力，另一方面要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。

S7-200PLC是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

本课题是用PLC控制装配流水线控制。

用PLC控制装配流水线具有程序设计简单、易于操作和理解、能够实现多种功能等优点。

此系统主要能够实现顺次启动和停止，完成工件移位以及功能紧急故障处理等功能。

关键词：

PLC、装配流水线、控制、可靠性

引言

本设计从民营加工企业的现状着手，分析了民营加工企业在全国的地位和特点，从装配流水线的概念和特点出发提出了，在当前经济快速发展中民营加工企业在装配线生产上存在的问题和不足，如：

装配线不平衡、效率低、现场管理混乱等。

并且运用工序同期化、调整装配作业指导、加强现场管理等方法，对装配生产流水线进行改进，最终达到使整个装配线趋于平衡、装配效率有效提高的目的。

而本设计在PC机上控制整个装配流水线的流程，采用当今社会较为流行的控制界面西门子WINCCV6为窗口，在S7-200PLC上实现装配流水线的模拟控制功能。

而从世界范围来看，PLC是用的最多、应用范围最广的自动化产品，也可以说是最实用的自动化产品。

因为用PLC来实现自动有很多优点，可使系统的硬件设备大为简化，体积减小，而且PLC的抗干扰能力强，可靠性高，操作维护简单。

从而在生产中不仅大大的节约了人力资源，而且大大提高了生产的效率，进一步提高了经营利润和加强了可视化的管理。

第一章可编程控制器的概述

1.1可编程控制器的定义

国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。

该草案中对可编程控制器的定义是：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，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围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

”

定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，是一种计算机。

它是“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机，是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。

这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。

它能完成逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术操作，它还具有“数字量和模拟量输入输出控制”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。

定义还强调了可编程控制器应直接应用于工业环境，它须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。

这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。

应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。

PLC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式来实现“可编程”的目的。

可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，自研制成功开始使用以来，它已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。

1.2可编程控制器的基本组成

可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，如图1-1所示。

编程装置将用户程序送入可编程控制器，在可编程控制器运行状态下，输入单元接收到外部元件发出的输入信号，可编程控制器执行程序，并根据程序运行后的结果，由输出单元驱动外部设备。

图1-1可编程控制器系统结构

1.CPU单元

CPU是可编程控制器的控制中枢，相当于人的大脑。

CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。

这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。

CPU的功能有：

它在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。

2.存储器

可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

只读存储器ROM用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在ROM中，用户是不可改变的。

用户程序和中间运算数据存放的随机存储器RAM中，RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。

3.I/O单元及I/O扩展接口

①I/O单元

PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。

输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1~15ms之间。

根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。

根据输入单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类。

②I/O扩展接口

可编程控制器利用I/O扩展接口使I/O扩展单元与PLC的基本单元实现连接，当基本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。

4.外设接口

外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。

PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。

5.电源

电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。

外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5伏、正负12伏、24伏），并为外部输入元件（如接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端点使用），而驱动PLC负载的电源由用户提供。

1.3可编程控制器的工作原理

PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。

这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1.输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2.用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

3.输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

PLC的扫描工作过程如图2-2、图2-3所示。

图1-2PLC的扫描工作过程图

图1-3PLC的扫描周期图

1.4PLC的主要技术指标

可编程控制器的种类很多，用户可以根据控制系统的具体要求选择不同技术性能指标的PLC。

可编程控制器的技术性能指标主要有以下几个方面：

1.输入/输出点数

可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和。

它是描述的PLC大小的一个重要的参数。

2.存储容量

PLC的存储器由系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。

PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。

3.扫描速度

可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。

影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。

PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度。

4.指令系统

指令系统是指PLC所有指令的总和。

可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。

用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。

5.通信功能

通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。

通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。

PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。

厂家的产品手册上还提供PLC的负载能力、外形尺寸、重量、保护等级、适用的安装和使用环境如温度、湿度等性能指标参数，供用户参考。

1.5可编程控制器的特点及应用

1.5.1可编程控制器的特点

1.编程简单，使用方便

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其符号与继电器电路原理图相似。

有继电器电路基础的电气技术人员只要很短的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序，梯形图语言形象直观，易学易懂。

2.控制灵活，程序可变，具有很好的柔性

可编程序控制器产品采用模块化形式，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件，方便快速地适应工艺条件的变化，具有很好的柔性。

3.功能强，扩充方便，性能价格比高

可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的逻辑判断、数据处理、PID调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能。

如果元件不够，只要加上需要的扩展单元即可，扩充非常方便。

与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

4.控制系统设计及施工的工作量少，维修方便

可编程序控制器的配线与其它控制系统的配线比较少得多，故可以省下大量的配线，减少大量的安装接线时间，开关柜体积缩小，节省大量的费用。

可编程序控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

一般可用接线端子连接外部接线。

可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能，便于迅速地排除故障。

5.可靠性高，抗干扰能力强

可编程序控制器是为现场工作设计的，采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，硬件措施如屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、后备电池等，例如，西门子公司S7-200系列PLC内部EEPROM中，储存用户原程序和预设值在一个较长时间段（190小时），所有中间数据可以通过一个超级电容器保持，如果选配电池模块，可以确保停电后中间数据能保存200天。

软件措施如故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟，加强对程序的检测和校验。

从而提高了系统抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

6.体积小、重量轻、能耗低，是“机电一体化”特有的产品。

1.5.2可编程控制器的应用

目前，可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门。

随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：

1.逻辑控制

可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制，定时控制与顺序逻辑控制。

数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域最为普及，包括微电子、家电行业也有广泛的应用。

2.运动控制

可编程序控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。

随着变频器、电动机起动器的普遍使用，可编程序控制器可以与变频器结合，运动控制功能更为强大，并广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。

3.过程控制

可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/0模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换和D/A转换，并对被控模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。

现代的大中型可编程序控制器一般都有PID闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。

4.数据处理

可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。

这些数据可以是运算的中间参考值，也可以通过通信功能传送到别的智能装置，或者将它们保存、打印。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

5.构建网络控制

可编程序控制器的通信包括主机与远程I/0之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备（如计算机、变频器）之间的通信。

可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。

当然，并非所有的可编程序控制器都具有上述功能，用户应根据系统的需要选择可编程序控制器，这样既能完成控制任务，又可节省资金。

第二章STEP7编程软件介绍

2.1STEP7概述

S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。

STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。

加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。

1.安装条件

操作系统：

Windows95以上的操作系统。

计算机配置：

IBM486以上兼容机，内存8MB以上，VGA显示器，至少50MB以上硬盘空间。

2.编程软件的组成

STEP7-Micro/WIN32编程软件包括Microwin3.1；Microwin3.1的升级版本软件Microwin3.1SP1；Toolbox（包括Uss协议指令：

变频通信用，TP070：

触摸屏的组态软件TpDesignerV1.0设计师）工具箱；以及Microwin3.11Chinese（Microwin3.11SP1和TpDesigner的专用汉化工具）等编程软件。

3.建立S7-200CPU的通信

可以采用PC/PPI电缆建立PC机与PLC之间的通信。

这是典型的单主机与PC机的连接，不需要其他的硬件设备。

如图3-1所示

图2-1

PC/PPI电缆的两端分别为RS-232和RS-485接口，RS-232端连接到个人计算机RS-232通信口COM1或COM2接口上，RS-485端接到S7-200CPU通信口上。

2.2STEP7-Mirco/WIN窗口组件

STEP7-Micro/WIN32的主界面如图3-3所示

图2-2STEP7-Micro/WIN32的主界面

主界面一般可以分为以下几个部分：

菜单条、工具条、浏览条、指令树、用户窗口、输出窗口和状态条。

除菜单条外，用户可以根据需要通过检视菜单和窗口菜单决定其它窗口的取舍和样式的设置。

1.主菜单

主菜单包括：

文件、编辑、检视、PLC、调试、工具、窗口、帮助8个主菜单项

2.工具条

①．调试工具条，如图3-4所示

图2-3调试工具条

各快捷按钮从左到右分别为：

将PLC设为运行模式、将PLC设为停止模式、在程序状态打开／关闭之间切换、在触发暂停打开／停止之间切换（只用于语句表）、在图状态打开／关闭之间切换、状态图表单次读取、状态图表全部写入、强制PLC数据、取消强制PLC数据、状态图表全部取消强制、状态图表全部读取强制数值。

②.公用工具条，如图3-5所示

图2-4公用工具条

公用工具条各快捷按钮从左到右分别为：

插入网络：

单击该按钮，在LAD或FBD程序中插入一个空网络。

删除网络：

单击该按钮，删除LAD或FBD程序中的整个网络。

③．LAD指令工具条，如图3-6所示。

从左到右分别为：

插入向下直线，插入向上直线，插入左行，插入右行，插入接点，插入线圈，插入指令盒。

图2-5LAD指令工具条

3.浏览条（NavigationBar）

浏览条为编程提供按钮控制，可以实现窗口的快速切换，即对编程工具执行直接按钮存取，包括程序块、符号表、状态图表、数据块、系统块、交叉引用、和通信。

单击上述任意按钮，则主窗口切换成此按钮对应的窗口。

4.指令树（InstuctionTree）

指令树以树型结构提供编程时用到的所有快捷操作命令和PLC指令。

可分为项目分支和指令分支。

2.3STEP7-Mirco/WIN主要编程功能

1.编程元素及项目组件

s7-200的三种程序组织单位（POU）指主程序、子程序和中断程序

一个项目（Project）包括的基本组件有程序块、数据块、系统块、符号表、状态图表、交叉引用表。

程序块、数据块、系统块须下载到PLC，而符号表、状态图表、交叉引用表不下载到PLC。

2.梯形图程序的输入

A.建立项目①打开已有的项目文件。

B.输入程序②输入指令③上下线的操作④输入程序注释⑤程序的编辑⑥程序的编译

C.数据块编辑

数据块用来对变量存储器V赋初值，可用字节、字或双字赋值。

注解（前面带双斜线）是可选项目。

3.通信

通信网络的配置

①.在STEP7-Micro/WIN32中，单击浏览条中的“通讯”图标，或用菜单命令“检视”→“元件”→“通讯”

②.从“通讯”对话框（如图3-20所示）的右侧窗格，单击显示“双击刷新”的蓝色文字。

4.上载、下载

A.下载

如果已经成功地在运行STEP7-Micro/WIN32的个人计算机和PLC之间建立了通讯，就可以将编译好的程序下载至该PLC。

如果PLC中已经有内容将被覆盖。

下载步骤如下：

①．下载之前，PLC必须位于“停止”的工作方式。

检查PLC上的工作方式指示灯，如果PLC没有在“停止”，单击工具条中的“停止”按钮，将PLC至于停止方式。

②．单击工具条中的“下载”按钮，或用菜单命令“文件”→“下载”。

出现“下载”对话框。

③．单击工具条中的“下载”按钮，重新开始下载程序，或用菜单命令“文件”→“下载”。

下载成功后，单击工具条中的“运行”按钮，或“PLC”→“运行”，PLC进入RUN（运行）工作方式。

2.4程序的调试与监控

在运行STEP7-Micro/WIN32编程设备和PLC之间建立通信并向PLC下载程序后，便可运行程序，收集状态进行监控和调试程序。

1.PLC有运行和停止两种工作方式。

在不同的工作方式下，PLC进行调试的操作方法不同。

单击工具栏中的“运行”按钮或“停止”按钮可以进入相应的工作方式。

①.选择STOP工作方式1使用图状态或程序状态检视操作数的当前值。

（因为程序未执行，这一步骤等同于执行“单次读取”）

②．可以使用图状态或程序状态强制数值。

使用图状态写入数值。

③．写入或强制输出。

④．执行有限次扫描，并通过状态图或程序状态观察结果。

2.选择运行工作方式1使用图状态收集PLC数据值的连续更新。

如果希望使用单次更新，图状态必须关闭，才能使用“单次读取”命令。

2使用程序状态收集PLC数据值的连续更新。

使用RUN工作方式中的“程序编辑”编辑程序，并将改动下载至PLC。

第三章控制系统分析

3.1系统控制要求

1.总体控制要求：

如面板图3-1所示，系统中的操作工位A、B、C，运料工位D、E、F、G及仓库操作工位H能对工件进行循环处理。

2.闭合“启动”开关，工件经过传送工位D送至操作工位A，在此工位完成加工后再由传送工位E送至操作工位B……，依次传送及加工，直至工件被送至仓库操作工位H，由该工位完成对工件的入库操作，循环处理。

3.断开“启动”开关，系统加工完最后一个工件入库后，自动停止工作。

4.按“复位”键，无论此时工件位于任何工位，系统均能复位至起始状态，即工件又重新开始从传送工位D处开始运送并加工。

3.2系统方案分析

图3-1装配流水线面板

1.端口分配及功能表

序号

PLC地址（PLC端子）

电气符号

（面板端子）

功能说明

1.

I0.0

SD

启动（SD）

2.

I0.2

RS

复位（RS）

3.

Q0.0

A

操作工位A动作

4.

Q0.1

B

操作工位B动作

5.

Q0.2

C

操作工位C动作

6.

Q0.3

D

运料工位D动作

7.

Q0.4

E

运料工位E动作

8.

Q0.5

F

运料工位F动作

9.

Q0.6

G

运料工位G动作

10.

Q0.7

H

仓库操作工位H动作

11.

主机1M、面板V+接电源+24V

电源正端

12.

主机1L、2L、3L、面板COM接电源GND

电源地端

2.PLC外部接线图

3.主流程图

开始

运料工位D

2S

运