电镀流水线的PLC控制.docx
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电镀流水线的PLC控制
1西门子S7-300PLC简介
1.1PLC技术的概念及发展过程
1.1.1PLC技术的概念
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
1.1.2PLC技术的发展历史
长期以来，计算机控制和传统PLC控制一直是工业控制领域的两种主要控制方法，PLC自1969年问世以来，以其功能强、可靠性高、使用方便、体积小等优点在工业自动化领域得到迅速推广，成为工业自动化领域中极具竞争力的控制工具。
但传统的PLC体系结构是封闭的，各个PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统各异，用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，学习特定的编程语言，不利于终端用户功能的扩展。
近年来，工业自动化控制系统的规模不断扩大，控制结构更趋于分散化和复杂化，需要更多的用户接口。
同时，企业整合和开放式体系的发展要求自动控制系统应具有强大的网络通讯能力，使企业能及时地了解生产过程中的诸多信息，灵活选择解决方案，配置硬件和软件。
此外为了扩大控制系统的功能，许多新型传感器被加装到控制单元上。
我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。
目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。
工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
1.1.3PLC的发展趋势
1、功能向增强化和专业化的方向发展，针对不同行业的应用特点，开发出专业化的PLC产品。
以此来提高产品的性能和降低产品的成本，提高产品的易用性和专业化水平。
2、规模向小型化和大型化的方向发展，小型化是指提高系统可靠性基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强；大型化是指应用在工业过程控制领域较大的应用市场，应用的规模从几十点扩展到上千点，应用功能从单一的逻辑运算扩展几乎能满足所有的用户要求。
3、系统向标准化和开放化方向发展，以个人计算机为基础，在windows平台上开发符合全新一体化开放体系结构的PLC。
通过提供标准化和开放化的接口，可以很方便地将PLC接入其它系统[2]。
1.2PLC的功能特点
1.2.1PLC的功能
随着自动化技术、计算机技术及网络通信技术的迅速发展，PLC的功能日益增多。
它不仅能实现单机控制，而且能实现多机群控制；不仅能实现逻辑控制，还能实现过程控制、运动控制和数据处理等，其主要功能如下：
1、开关量逻辑控制
这是PLC的最基本的功能。
PLC具有强大的逻辑运算能力，它提供了与、或、非等各种逻辑指令，可实现继电器触点的串联、并联和串并联等各种连接的开关控制，常用于取代传统的继电器控制系统。
使用PLC提供的定时、计数指令，可实现定时、计数功能，其定时值和计数值既可由用户在编程时设定，也可用数字拨码开关来设定，其值可进行在线修改，操作十分灵活方便。
2、模拟量控制
在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
PLC提供了各种智能模块，如模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块、热电阻用模拟量输入模块、热电阻用模拟量输出模块等，通过使用这些模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理；而CPU处理的数字结果，经D/A转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。
3、闭环过程控制
使用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。
配置PID控制单元或模块，对控制过程中某一变量（如速度、温度、电流、电压等）进行PID控制。
4、定时、定位、计数控制
PLC具有定时控制的功能，它为用户提供了若干个定时器，定时器的时间可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现定时或延时控制。
定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。
PLC提供了定位模块、脉冲输出模块等智能模块，以实现各种需求的定位控制。
PLC具有计数控制的功能，它为用户提供了若干个计数器或高速计数模块。
计数器的计数值可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现计数控制。
5、顺序（步进）控制
在工业控制中，选用PLC实现顺序控制，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言——顺序功能图进行设计，可以用移位寄存器和顺序控制指令编写程序。
6、网络通信
现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化。
PLC通过RS232接口可与各种RS232设备进行通信。
PLC还可与其它智能控制设备（如变频器、数控装置）实现通信。
PLC与变频器组成联合控制系统，可提高交流电动机的自动化控制水平。
7、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表[2]。
1.2.2PLC的特点
1、通用性强、灵活性好、功能齐全
PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。
通过选配相应的控制模块便可适用于各种不同的工业控制系统。
同时，由于PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，当生产工艺改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬件，只需改变程序，改变控制逻辑，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此，灵活性和扩展性都很好。
2、可靠性高、抗干扰能力强
为了确保PLC在恶劣的工业环境下能可靠的工作。
在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰。
PLC能承受电网电压的变化，可直接由交流市电供电，直接取自电控箱电源。
即使在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。
PLC在设计、生产过程中除了对元器件严格筛选外，硬件和软件还采用屏蔽、滤波。
光电隔离和故障诊断、自动恢复等措施，有的PLC还采用了冗余技术等，进一步增强了PLC的可靠性。
3、编程简单、使用方便
PLC在基本控制方面采用梯形图语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简单、直观性强，广大电气人员容易接受。
用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。
梯形图、流程图、语句表之间可以有条件的相互转换，使用极其方便。
4、模块化结构、安装简单、调试方便
PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化结构设计，由机架和电缆将各模块连接起来，由于配置灵活，使扩展、维护更加方便。
另外，PLC的接线十分方便，只需将输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子相连，将接受控制的执行元件（接触器、电磁阀等）与输出端子相连即可。
调试工作大部分是室内调试，用模拟开关模拟输入信号，其输入状态和输出状态可以观察PLC上相应的发光二极管，可以根据它进行测试、排错和修改[2]。
1.2西门子S7-300PLC
1.2.1S7-300的系统结构
S7-300PLC是模拟式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。
每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。
电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。
CPU的右边是可以选择的IM接口模块，如果只用主架导轨而没有使用扩展支架可以不选择IM接口模块。
S7编程软件组态主架导轨硬件时，电源，CPU和IM分别放在导轨的1号槽、2号槽和3号槽上。
一条导轨共有11个槽号：
1号槽至11号槽，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源、CPU和IM以外的其他模块。
如：
DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（模拟量输入）、AO（模拟量输出）、FM（功能模块）和CP（通信模块）等[3]。
1.2.2S7-300CPU模块
CPU模块是控制系统的核心，负责系统的中央控制责任，存储并执行程序，实现通信功能，为U形总线提高5V电源。
CPU有4种操作模式：
STOP（停机），STARTUP（启动），RUN（运行）和HOLD（保持）。
在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。
S7-300的CPU模块大致可以分为以下几类：
1、6种紧凑型CPU，带有集成的功能和I/O：
CPU312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。
2、革新的标准型CPU：
CPU312、314和315-2DP。
3、5种标准的CPU：
CPU313、314、315、315-2DP和316-2DP。
4、户外型CPU：
CPU312IFM、314IFM、314户外型和315-2DP。
5、大容量高端型CPU：
317-2DP和CPU318-2DP。
6、主从接口安全型CPU：
CPU315F-2DP[3]。
1.2.3S7-300的模拟量输入模块
在生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要用PLC来测量或控制。
有的是非电量，例如温度、压力、流量物体的成分和频率等。
有的是强电量，例如发电机组的电流、电压、有功功率和无功功率等。
变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换成标准的量程的直流电流和直流电压信号，例如DC1~5V和DC4~20mA。
模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D转换器。
模拟量输入模块的输入信号一般都是模拟量变送器输出的标准量程的直流电压，直流电流信号。
模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码来表示最高位为符号位。
模拟量输入模块的模拟值与百分数表示的模拟量之间的对应关系为：
双极性模拟量量程的上下限（100%和-100%）分别对应模拟值27648和-27648。
单极性模拟量量程的上下限（100%和0%）分别对应于模拟值27648和0[3]。
1.3程序设计功能模块
本程序的设计主要是针对水箱液位的在线控制而设计的，利用PID控制方式，使下水箱液位达到控制要求。
本人设计了两套系统，一个是单闭环的一个是三闭环的，对其控制效果进行比较，得出两系统优缺点。
下面对本程序的设计作详细介绍。
在本程序中，使用的主要模块有：
OB35，DB41，DB42,DB43，DB44，DB1，OB1和FB41。
1.3.1OB35模块
S7CPU提供循环中断OB，可用于按一定间隔中断循环程序的执行，循环中断按间隔触发，间隔的时间是从STOP状态到RUN时开始计算。
时间间隔不能小于5ms，如果时间间隔过短，还没有执行完循环中断程序又开始调用它，将会产生时间错误事件。
在本程序中，使用循环中断OB35，其默认的时间间隔为100ms，程序运行后每隔100ms将自动调用一次OB35，周期性地执行闭环控制系统的PID运算程序[3]。
1.3.2FB41模块
FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，其功能是S7-300提供的标准的已经为用户编制好程序模块，用户可以直接调用它们，以便高效地编制自己的程序，但不能修改这些功能块。
系统功能块有存储功能，其变量保存在指定给它的背景数据块中。
（1）对设定值、过程变量和误差的处理
设定值的输入：
浮点数格式的设定值用变量SP_INT（内部设定值）输入。
过程变量的输入：
可以用两种方式输入过程变量（即反馈值）：
1、用PV_IN（过程输入变量）输入浮点格式的过程变量，此时开关量PVPER_ON（外围设备过程变量ON）应为0状态。
2、用PV_PER（外围设备过程变量）输入外围设备（I/O）格式的过程变量，即用模拟量输入输出的数字值作为PID调节的过程变量，此时开关量PVPER_ON应为1状态。
外围设备过程变量转换为浮点数：
外围设备（即模拟量输入模块）正常范围的最大输出值（100.0%）为27648（6C00H），功能CRP_IN将外围设备输入值转换为-100.0%至100.0%之间的浮点数格式的数值，CPR_IN的输出（以%为单位）用下式计算：
（2.1）
外围设备过程变量的标准化：
PV_NORM功能用下面的公式将CPR_IN的输出PV_R格式化：
（2.2）
式中：
PV_FAC——过程变量的系数，默认值为1.0；
PV_OFF——过程变量的偏移量，默认值为0.0。
PV_FAC和PV_OFF用来调节过程输入的范围。
如果设定值有物理意义，实际值（即反馈量）也可以转换为该物理值。
（2）手动模式
参数MAN_ON（手动值ON）为1时为手动模式，为0时为自动模式。
在手动模式中，控制变量（ManipulatedVariable，即控制器的输出值）被手动选择的值MAN（手动值）代替。
在手动模式时如果令微分分项为0，将积分部分（INT）设置为LMN-LMN_P-DISV，可以保证手动到自动的无忧切换，即切换时控制器的输出值不会突变，DISV为扰动输入变量。
（3）输出限幅
LMNLIMIT（输出量限幅）功能用于将控制器输出值（ManipulatedValue）限幅。
LMNLIMIT功能的输入量超出控制器输出值的上极限LMN_HLM时，信号位QLMN_HLM（输出超出上限）变为1状态；小于下极限值LMN_LLM时，信号位QLMN_LLM（输出超出下限）变为1状态。
（4）输出量的格式化处理
LMN_NORM（输出量格式化）功能用下述公式来讲功能LMNLIMIT的输出量LMN_LIM格式化：
LMN=LMN_LIM×LMN_FAC+LMN_OFF（2.3）
式中：
LMN——格式化后浮点数格式的控制器输出值；
LMN_FAC——输出量的系数，默认值为1.0；
LMN_OFF——输出量的偏移量，默认值为0.0；
LMN_FAC和LMN_OFF用来调节控制器输出量的范围。
（5）输出量转换为外围设备（I/O）格式
控制器输出值如果要送给模拟量输出模块中的D/A转换器，需要用“CPR_OUT”功能转换为外围设备（I/O）格式的变量LMN_PER。
转换公式为：
LMN_PER=LMN×27648/100（2.4）
用参数赋值工具可以进行参数检查，给出错误信息[3,6]。
FB41的输入参数见表
表1.1FB41的输入参数
参数名称
数据类型
地址
说明
默认值
COM_RST
CYCLE
SP_INT
PV_IN
PVPER_ON
PV_PER
PV_FAC
PV_OFF
DEADB_W
GAIN
TI
TD
TM_LAG
P_SEL
I_SEL
D_SEL
I_ITLVAL
I_ITL_ON
BOOL
TIME
REAL
REAL
BOOL
WORD
REAL
REAL
REAL
REAL
TIME
TIME
TIME
BOOL
BOOL
BOOL
REAL
BOOL
0.0
2
6
10
0.2
14
48
52
36
20
24
28
32
0.3
0.4
0.7
64
0.6
完全重新起动，为1时执行初始化程序
采样时间，两次块调用之间的时间，取值范围>=20ms
内部设定值输入，取值范围为±100.0%或物理值
浮点数格式的过程变量输入
使用外围设备输入的过程变量
外围设备输入的I/O格式的过程变
量值
输入的过程变量的系数
输入的过程变量的偏移量
死区宽度，误差变量死区带的大小，>=0.0或物理值
比例增益输入，用于设置控制器的增益
积分时间输入，积分器的响应时间，取值范围应>=CYCLE
微分时间输入，微分器的响应时间
微分操作的延迟时间输入
为1时打开比例（P）操作
为1时打开积分（I）操作
为1时打开微分（D）操作
积分操作的初始值
积分作用初始化，为1时将输入I_ITLVAL作为积分器的初值
FALSE
T#1s
0.0
0.0
FALSE
16#0000
1.0
0.0
0.0
2.0
T#20s
T#10s
T#2s
TURE
TURE
FALSE
0.0
FALSE
表1.2FB41的输入参数（续1.1）
参数名称
数据类型
地址
说明
默认值
INT_HOLD
DISV
MAN_ON
MAN
LMN_HLM
LMN_LLM
LMN_FAC
LMN_OFF
BOOL
REAL
BOOL
REAL
REAL
REAL
REAL
REAL
0.5
68
0.1
16
40
44
56
60
为1时积分操作保持，为1时积分输出被冻结
扰动输入变量
为1时控制循环将被中断，手动值被设置为操作值
操作员接口输入的手动值，取值范围
或物理量
控制器输出上限值，取值范围LMN_LLM~100.0%或物理值
控制器输出下限值，取值范围-100.0%~LMN_HLM或物理值
控制器输出量的系数
控制器输出量的偏移量
FALSE
0.0
TURE
0.0
100.0
0.0
1.0
0.0
FB41的输出参数见表2.3。
表2.3FB41的输出参数
参数名称
数据类型
地址
说明
默认值
PV
ER
LMN_P
LMN_I
LMN_D
QLMN_HLM
QLMN_LLM
LMN
LMN_PER
REAL
REAL
REAL
REAL
REAL
BOOL
BOOL
REAL
WORD
92
96
80
84
88
78.0
78.1
72
76
格式化的过程变量输出
死区处理后的误差输出
控制器输出值中的比例分量
控制器输出值中的积分分量
控制器输出值中的微分分量
控制器输出超过上限
控制器输出小于下限
浮点数格式的控制器输出值
I/O格式的控制器输出值
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
FALSE
FALSE
0.0
16#0000
2电镀流水线的PLC控制
2.1课题表述
1.随着现代工业和技术的发展，电镀在机械、电子、仪器仪表、轻工、地质、交通运输和国防工业等生产部门的应用日益广泛，与人们的日常生活也有十分密切的关系。
现代市场竞争口趋激烈，企业迫切需要提高生产效率和产品质量，于是如何提高电镀生产线的自动控制性能，减少成本具有重要的意义。
电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸，从而提高耐腐蚀性、抗高温氧化性、良好的导电性、高的硬度、高的耐磨性和减摩性、微细加工的均匀性以及其他某些特殊的物理、化学特性，同时又赋子金属光泽美观。
电镀生产线是指按一定的电镀生产工艺要求，将有关的各种电镀处理槽、电镀行车运动装置、电源设备、循环过滤装置、检测仪器、加热装置、空气搅拌装置、排水装置及污染处理装置等组合，是一个由电气控制系统协调控制的完整系统。
本文利用可编程序控制器，设计了一套自动控制系统，对电镀专用行车实现自动（或手动）控制。
该设备可采用远距离控制，起吊物品是有待进行电镀或表面处理的各种产品零件。
图.1过程图
2.2控制要求：
1）某电镀流水线有4个槽位（自左而右ABCD排列），在上方有导轨（对应4个电镀槽安装行程开关SQA-D，当在原位（SQ1，在A槽左侧）按启动按钮SB1，则一小车（由一电机带动，正反转，能耗制动）带动工件向右运行，到达需要电镀的槽位上方（由四个选择开关SAA-D事先选择相应的槽位是否需要电镀），则自动能耗制动停止，然后下放（电机反转，带动工件下降）至SQ2（下限位开关，4个槽位共用）停止，在4个槽位分别停留不同时间（进行电镀）后上升至SQ3（上限位开关，4个槽位共用）继续右行，直至需要电镀的槽位全部电镀完毕返回原位停止。
2）到相应槽位电镀完毕后要判断右边是否还需要电镀再决定右行或返回。
3）按停止按钮则全部动作停止。
4）每一动作（上升、下降、右行、左行、电镀等）可以通过相应点动按钮控制。
提示
4个槽位电镀右行、制动、下降、电镀、上升具有明显的顺序性，可分别用4个移位指令来表述状态，按启动按钮或一个槽电镀完毕根据启动前的选择开关决定下一个槽的移位字是否启动来决定是否跳过该槽。
2.2.1控制系统设计分析
设计思路：
由课程设计指导书上对本课程的要求，做出总的要求分析：
①对事先选择好的槽位进行电镀，要求电机能够正反转及能耗制动，同时能够对4个槽位的电镀时间进行控制，则要有相应的时间继电器。
②相应的槽位电镀完毕后要判断右边是否还需要电镀再决定右行或返回，由该槽右侧所有槽位的选择开关控制。
③每一动作（上升、下降、右行、左行）可以由相应点动按钮控制（在一定极限范围内运动）。
输入点统计
序号
元器件
用途
1
SQ1
原位开关
2
SQ2
下限位开关
3
SQ3
上限位开关
4
SQ4
右限位开关
5
SQ5
左限位开关
6
SQA
A槽位行程开关
7
SQB
B槽位行程开关
8
SQC
C槽位行程开关
9
SQD
D槽位行程开关
10
SAA
A槽位选择开关
11
SAB
B槽位选择开关
12
SAC
C槽位选择开关
13
SAD
D槽位选择开关
输出点统计：
序号
元器件
用途
1
KM1
右行
2
KM4
下降
3
KM3
上升
4
KM2
返回
5
KM5
能耗制动
3、PLC系统硬件配置
利用实验室设备进行课题设计，选择西门子S7-300PLC。
PLC硬件配置如下：
注：
由于在LAD程序中使用了I2.X，此输入不在CPU的DI默认的124~126范围内，故将CPU配置中的DI24/DO16的“Iaddress”项的内容改为“2…4”，即将I2.X包含在内（如上图中选中位置）。
当然，也可不改硬件配置中的这一项，而将程序中的I2.X改为I124.X。
4、主电路设计及说明
由带能耗制动的电机M1的正、反转来带动电镀行车的右行和返回，其中，能耗制动用时间原则，制动2秒；
由电机M2的正、反转来带动电镀行车的上升和下降。
4.1输入/输出点分配与接线
4.1.1输入/输出点分配表
输入点分配
I1.5
停止按钮（常开输入）
I1.1
A槽位选择开关
I2.6
左限位行程开关
I1.2
B槽位选择开关
I0.7
上限位行程开关
I1.3
C槽位选择开关
I0.0
启动按钮（常开输入）
I1.4
D槽位选择开关
I2.1
右行点动
I0.1
A槽位行程开关
I2.2
下降点动
I0.2
B槽位行程开关
I2.3
上升点动
I0.3
C槽位行程开关
I2.4
返回点动
I0.4
D槽位行程开关
I0.6
下限位行程开关
I2.5
右限位行程开关
输出点分配
Q4.0
制动
Q5.1
A槽位已选择指示灯
Q4.1
右行
Q5.2
B槽位已选择指示灯
Q4.2
后退
Q5.3
C槽位已选择
升级会员 