基于PLC的包装机控制系统设计.doc

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安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）

基于PLC的包装机控制系统设计

摘要

包装机是一种随着电气控制设备，尤其是电子计算机的迅猛发展之后产物。

由于其动作步骤复杂，在包装机控制系统中应用可编程序控制器能简化系统的设计并提高系统的工作效率和可靠性。

本次设计用到的核心期间是可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC）为美国通用公司（（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。

随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。

现代PLC已经成为真正的工业控制设备。

在这篇文章中以包装机的控制系统为例。

首先介绍了SIMATICS7-200的特性特点、程序设计方法和编程方法，程序设计方法和编程方法包括经验设计法、顺序控制设计法和STL（StepLadderInstruction）步进梯形指令，然后详细具体地分析和介绍了包装机控制系统的组成、电气特征和程序。

最后介绍了应用个人计算机来向可编程序控制器中输入程序。

所使用的软件是西门子公司的STEP7Micro/WIN32INSP6。

关键字：

包装机；可编程序控制器；步进梯形指令；个人计算机

I

TheDesignOfControlSystemOfPackagingMachine

BasedOnPLC

Abstract

Thepackagingmachineisakindofwiththeelectricalcontrolequipment,especiallytherapiddevelopmentofelectroniccomputerafterproduct.Becauseofthecomplexactionsteps,designandapplicationoftheprogrammablecontrollercansimplifythesysteminthepackingmachinecontrolsystemandimprovethesystemefficiencyandreliability.

Thecoreduringtheuseofthedesignoftheprogrammablecontroller（ProgrammableLogicalController）referredtoasPLC,isanindustrialcontroldeviceinventionattheendofthe60's,isAmericandigitalcompany（DEC）isAmericaGeneralCompany（GM）developedapplicationdevelopmentandincarproductionline,theprogrammablecontrollerwasborn.Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,PLChardwareandsoftwarelevelandscalechangeofqualityandquantity,thecontroltechnologyandintelligentdevelopment,andpromotethedevelopmentofadvancedmanufacturingtechnology.PLChasbecomemodernindustrialcontrolequipmentreal.

Inthisarticlethepackagingmachinecontrolssystemasanexample.Atfirstitintroducesthecharacteristics,SIMATICS7-200programmingmethodsandprogrammingmethod,programdesignandprogrammingmethodsincludingempiricaldesignmethod,sequentialcontroldesignmethodandSTL（StepLadderInstruction）stepladderinstruction,andthenadetailedandspecificanalysisandintroducesthecomposition,electricalcharacteristicsandprogramcontrolsystemofpackagingmachine.Atlastweintroducetheapplicationofpersonalcomputertoaprogrammablecontrollerinputprogram.ThesoftwareusedisSiemensCompanySTEP7Micro/WIN32SP6.

Keywords:

packingmachine;programmablecontroller;stepladderinstruction;personalcomputer.

目录

第1章绪论 1

1.1PLC在包装机中应用的概述 1

1.2PLC控制系统与其它工业控制系统的比较 2

1.2.1PLC控制系统与继电器控制系统的比较 2

1.2.2PLC控制系统与单片机控制系统比较 3

1.2.3PLC控制系统与集散型控制系统的比较 3

1.2.4PLC控制系统与工业计算机控制系统比较 4

1.3发达国家包装技术水平的发展趋势 4

1.4我国包装机的现状及与国际水平的差距 6

1.4.1我国包装机的现状 6

1.4.2包装技术方面的差距 7

1.4.3包装机品种的差距 7

第2章包装机控制系统的总体设计 9

2.1PLC控制系统的总体在设计 9

2.1.1设计的基本原则 9

2.1.2设计的基本内容 9

2.1.3设计的基本步骤 9

2.2PLC控制系统硬件设计方法 11

2.2.1系统硬件设计的依据 11

2.2.2机型的选择依据 11

第3章包装机控制系统的硬件设计 13

3.1PLC的选型 13

3.1.1S7系列PLC的概述 13

3.1.2包装机的基本动作和工艺要求 14

3.1.3CPU型号的选择 15

3.2包装机控制系统设计的硬件设计 19

3.2.1控制系统的I/O分配 19

3.2.2控制系统的硬件连接图 20

第4章包装机控制系统的软件设计 22

4.1STEP7-Micro/WIN32编程软件介绍 22

4.1.1STEP7-Micro/WIN32编程软件介绍 22

4.1.2STEP7-Micro/WIN32软件的安装 22

4.1.3STEP7-Micro/WIN32的基本功能 23

4.2PLC与编程设备的连接 24

4.3程序的设计 25

4.3.1程序设计前的设置 25

4.3.2程序的设计流程图 27

4.3.3程序的设计 29

总结与展望 41

参考文献 42

致谢 43

附录A 44

附录B外文文献及其译文 46

附录C参考文献及摘要 52

插图清单

图2-1设计PLC控制系统的一般步骤 10

图3-1包装机包装单元原理图 14

图3-2包装机动作流程图 15

图3-3S7-200西门子PLC实物图 16

图3-4S2-200PLC的硬件连接图 19

图3-5工艺要求设计的流程图 20

图4-1STEP7-Micro/WIN32应用程序界面 22

图4-2计算机与PLC连接 23

图4-3通讯接口的参数设置 24

图4-4PLC类型的选择示意图 25

图4-5STEP7程序设计的一般流程图 25

图4-6程序梯形图的输入窗口 26

图4-7程序流程图 27

图4-8梯形图网络1 28

图4-9梯形图网络2至网络4 28

图4-10梯形图网络5 29

图4-11梯形图网络6 30

图4-12梯形图网络7 31

图4-13梯形图网络8 31

图4-14梯形图网络9 32

图4-15梯形图网络10 32

图4-16梯形图网络11 33

图4-17梯形图网络12 34

图4-18梯形图网络13 34

图4-19梯形图网络14 35

图4-20梯形图网络15 35

图4-21梯形图网络16 36

图4-22梯形图网络17 36

图4-23梯形图网络18 37

图4-24梯形图网络19 37

图4-25梯形图网络20 38

图4-26梯形图网络21 38

图4-27梯形图网络22 38

图4-28梯形图网络23 39

图4-29梯形图网络24 39

附录图-1包装机包装单元原理图 43

附录图-2S2-200PLC的硬件连接图 44

插表清单

表3-1CPU226的技术参数 17

表3-2包装机包装单元的I/O分配 18

V

第1章绪论

1.1PLC在包装机中应用的概述

随着电气控制设备，尤其是电子计算机的迅猛发展，工业生产自动化控制技术也发生了深刻的变化，不断涌现出对落后的操作机械和复杂生产系统实现自动控制。

以适应现代生产的需要，在我国包装机的种类很多，但大部分的包装机是由手工操作或是开关型液压控制系统完成，打包的劳动强度大，打包的落后状态直接影响产品质量。

PLC在包装机控制系统中的应用具有十分重要的意义，与以往复杂的继电器控制系统相比，其功能强、性能价格比高、硬件配套齐全、用户使用方便，适应性强、无触点免配线、可靠性高、抗干扰能力强、维护工作量小、维修方便。

大大提高了包装机的精度、可靠性、灵活性和工作效率，为各种智能型仪表提供了可靠的技术基础[1]。

从而降低了包装机的生产成本。

解决了包装机继电器控制系统以往采用众多的电器元件，逻辑布线复杂，接点多，故障率高，设备运行可靠性差的缺陷，所以可编程序控制器非常适合应用于各种机床设备的控制系统中。

有着广泛的应用前景。

包装机的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。

在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。

从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。

一般的PLC都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。

近些年来PLC（ProgrammableLogicController）技术的普及以及各种智能型仪表可靠的技术基础，使PLC在包装机控制系统方面得到了广泛的应用，同时也提高了系统的可靠性和灵活性。

与工控机和单片机相比，可编程控制器应用广泛，使包装机控制系统的开发更加简单、周期更短、使用更可靠、维护更简便。

大大的提高了经济效益。

旧机床电气控制部分大多采用继电器控制，这种控制方法中采用众多的电器元件，逻辑布线复杂，接点多，故障率高，设备运行可靠性差。

用PLC能有效地解决这些问题。

在我国包装机的种类很多，但大部分的包装机是由手工操作或是开关型液压控制系统完成，打包的劳动强度大，打包的落后状态直接影响产品质量。

所以自动包装机的研究需要很迫切。

自动包装机是现代高速线材生产线特有的设备，它集机械、电气、液压控制为一体，动作准确，为现代化的线材生产线构筑了一道靓丽的风景线。

可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController）在包装机控制系统中的应用具有十分重要的意义，与以往复杂的继电器控制系统相比，其功能强、性能价格比高、硬件配套齐全、用户使用方便，适应性强、无触点免配线、可靠性高、抗干扰能力强、维护工作量小、维修方便。

大大提高了包装机的精度、可靠性、灵活性和工作效率，为各种智能型仪表提供了可靠的技术基础。

从而降低了包装机的生产成本。

解决了包装机继电器控制系统以往采用众多的电器元件，逻辑布线复杂，接点多，故障率高，设备运行可靠性差的缺陷，所以可编程序控制器非常适合应用于各种机床设备的控制系统中。

有着广泛的应用前景，对包装机控制系统的研究对提升我国包装设备的自主创新、提高国际竞争力、促进工业化发展、提升产品质量具有着重要的影响。

1.2PLC控制系统与其它工业控制系统的比较

在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量及模拟量等控制装置。

如电机的启动与停止，电磁阀的开闭，工件的位置、速度、加速度的测定，产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。

传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。

这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点:

只适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。

目前，工业界比较有代表性的控制方式主要有以下几个类别:

继电器控制系统，单片机控制系统，微型计算机系统，集散型控制系统。

1.2.1PLC控制系统与继电器控制系统的比较

继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。

如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。

而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。

对于PLC来讲，只要用PLC配备的编程器在现场就可以完成更改。

至于PLC对外部的联系，只有1/0点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。

工作频率很低。

一次动作一般为数十毫秒。

对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。

而PLC是以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒（对于高速PLC则是5微秒以下）。

并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。

对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。

由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不方便。

且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。

而PLC则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范围一般为0.1秒，也有0.01秒的，精度一般高于10毫秒，只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。

由于PLC的定时是对时基脉冲进行计数来实现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。

现代的PLC一般都具有定时器和计数器功能。

从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。

而PLC则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。

而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。

PLC一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难。

继电器逻辑只能对开关量进行控制。

而PLC除了具有开关量控制功能外，有些功能较全的PLC还具有A/D,D/A转换装置，可以用来对模拟量进行控制。

但是目前在成本方面PLC还比继电器贵，一般进口产品每个110点为人民币80元左右;国产一般点1/O为60元左右。

1.2.2PLC控制系统与单片机控制系统比较

虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而设计的。

同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。

尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。

单片机与PLC的比较:

在很大程度上，单片机是专为工业控制而设计的。

因此，它具有较好的环境适应性。

事实上，现代PLC的核心就是单片微处理器。

用单片机作控制部件在成本方面具有优势。

但是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。

虽然PLC也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。

而PLC用专用的指令系统来编程的。

前者复杂而易出错，开发周期长。

后者简便易学，现场就可以开发调试。

单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。

硬件上主要受CPU、内存容量及1/O接口的限制;软件上主要受限于与CPU类型有关的编程语言。

一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。

其通用性、兼容性和扩展性都相当差。

1.2.3PLC控制系统与集散型控制系统的比较

PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的。

而集散控制系统DCS（DistributionControlSystem）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。

PLC随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。

并开始与小型计算机联成网络，构成了以PLC为重要部件的分布式控制系统。

随着网络通信功能的不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据高速公路上（DataHighway）挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就己经具备了集散控制系统的形态，加上PLC价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相互竞争。

由于以上的原因，可以预见随着PLC成本的下降和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。

无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面PLC都具有明显的优越性。

尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接受等优点，是现代机电一体化产品控制装置的理想选择。

1.2.4PLC控制系统与工业计算机控制系统比较

PLC是专为工业控制所设计的。

而微型计算机是为科学计算、数据处理等而设计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同，PLC较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿度环境、输入、输出一一般采用“光一电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的继电器或可控硅（也有用晶体管）输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。

此外，使用面向工业控制的专用语言而使编程及修改方便。

并有较完善的监控功能。

而微机系统则不具备上述特点，一般对运行环境要求苛刻，使用高级语言编程，要求使用者有相当水平的计算机硬件和软件知识。

此外，微机系统的外设配备较多，有些对工业控制并非必须。

因此PLC显然较微机系统更适合于工业控制[2]。

1.3发达国家包装技术水平的发展趋势

上世纪50至70年代，电子技术和合成化工的迅速发展，对包装机产生了巨大的影响，出现了一系列以采用合成材料为包装材料的新包装工艺及设备。

各发达国家为了维护本国包装机市场，扩大出口能力，积极采用其他领域的新技术（如微电子、激光、热管、新材料等），成为开创包装机新局面的关键性年代。

欧、美等国家的包装机生产，以大、中型企业为主，以联合经营的方式扩大在国际市场上的竞争实力。

欧美制造厂在经营上，重视展览会上的成交和销售；在发展方针上，不太注重本公司产品的品种，而是注重增加在原有品种的基础上继续研究改进性能。

日本的包装机制造厂则以中小企业为主，最拿手的是微电子技术，用它来控制包装机，能做到安全性高、无人操作、高生产率，大大提高了国际市场竞争能力。

美国、德国、日本是世界上包装机技术最成熟的国家。

美国

美国是世界上包装机发展历史较长的国家，早已形成了独立完整的包装机体系，其品种和产量均居世界之首。

其产品以高、大、精、尖产品居多。

现有包装机制造企业700多家，1996年全美包装机产值为43．9亿美元，90年代以来，美国包装机市场以6％左右的年均速度增长，据预测，2000年美国包装机市场规模将达到50亿美元，2005年将达到68亿美元。

新型机械产品中以成型、填充、封口三种机械的增长最快，裹包机和薄膜包装机占整个市场份额的15％，厚纸盒封盒包装机在市场占有率中居第二位。

美国的包装机制造厂大部分附属于大包装材料厂，销售也完全依赖母公司。

这是因为包装材料的产值一般是包装机的20倍左右，机械产业与材料产业结合，自然获得了强大的资本后盾。

而包装机常常与包装材料一起进行系统化的销售，从而保证了其产品技术领先的地位。

过去美国包装机业是由小规模、家族式生产所构成，技术也甚为散乱，各自竞争。

到今天，包装机业务越来越多是由专业经理人员经营，建造的机械不单供应庞大的美国市场，也出口到全世界。

美国的包装机与计算机紧密结合，实现了机电一体化控制。

据世界包装机协会总会（COPAMA）表示，1997年全球的包装机销售额为180亿美元，其中美国制造商占了50亿美元，约为总数的28％。

据最近统计信息表明，美国包装机占美国产业机械总值的1％强，1995后美国包装机产值40．2亿美元，产业机械产值为3536亿美元，比例为1．1％；1996年此项比例为1．2％。

美国国内包装机市场规模在世界上也是名称前茅。

1992年为43．8亿美元，1998年为48．3亿美元。

美国包装机出口额也较大，1998年美国对中国的包装出口额为3578万美元，与1992年的641万美元相比，增长了4．01倍。

中国已成为继加拿大、墨西哥、日本、英国、德国之后，美国包装机的第6大出口市场。

日本

日本与美国、德国相比，起步虽较晚，且包装设备经历了引进一消化一发展的研究过程，吸收国外的长处，并加以改进，目前已成为世界上仅次于美国的包装机生产国。

60年代以前，生产厂家不足60家，只能包装糖果、香烟等。

60－70年代，是日本包装机工业起步阶段，产值增长非常高。

包机由1960的38亿日元剧增到1970年的560亿日元。

70－80年代，增长速度虽不如60年代那么高，但年均增长率仍达13％。

80－90年代，是日本包装机稳定增长的阶段，将微电子技术成功地应用于包装机的控制，以后又将光导纤维技术、工业机械人技术、模块技术应用于包装机，达到安全性高、无人操作、高生产率的水平，大大提高了其国际市场竞争力。

日本的包装机制造厂以中小企业为主，包装机的品种齐全，产品品种近500种，规格有700多个。

其中，包装机以中小型单机为主，具有体积小、精密度高、易安装、操作方便、自动化程度高等优点。

90年代以来，已将变频调整、光电追踪、无触点电子开关、动态数据显示等技术运用在包装机中。

1992年产值达4670亿日本，近几年