基于PLC的自动加料机控制系统毕业设计 精品.docx
《基于PLC的自动加料机控制系统毕业设计 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的自动加料机控制系统毕业设计 精品.docx（47页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于PLC的自动加料机控制系统毕业设计精品
焦作大学毕业设计
题目：
基于PLC的自动加料机控制系统
学院：
机电工程学院
专业：
11机械制造与自动化（3）班
学号：
110108331
姓名：
王小威
指导教师：
白玲
完成日期：
2013年月
摘要
在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起这愈来愈重要的作用，并且，随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。
自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。
本次设计在本着节约资金、降低成本，提高生产效率，人机操作的简便性，保障人身安全的科学人性化管理的方针下对加料机机构进行自动化设计。
利用可编程控制器PLC来控制自动加料，本文以PLC程序控制的自动加料设备的控制的程序。
自动加料系统具有操作简单、加料均匀、自动化程度高等优点,因此,一些有实力采用全电熔的玻璃生产厂家已经开始使用自动加料设备。
此设计本着节约资金、降低成本，提高生产效率，人机操作的简便性，保障人身安全的情况下对加料机机构进行自动化设计。
设计出更加适合于工作环境的加料机构。
此设计中自动加料机控制体系是采用以PLC为核心，结合触摸屏等辅助设备对ＰＬＣ的控制这样的一套自动化设备来实现的，这样就可以在不购买新设备的基础上对旧设备进行自动化改良，这不仅大大提高了工作的效率和经济效应，也提高了产品的质量，方便了管理好设备，让公司管理体系更加完善，减少了人力物力。
文中阐述了基于PLC的自动加料机控制系统的结构，并分别介绍了PLC的结构和技术特点、自动加料机的工艺技术要求、触摸屏界面设计、硬件的选择、PLC模块I/O端口的分配、PLC原理图、程序结构、主电气图和系统的功能及保护。
关键词：
PLC；自动加料机；I/O端口分配；变频器；触摸屏；程序结构；
第一章绪论
1.1题目的来源及课题的意义
在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起这愈来愈重要的作用，并且，随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。
自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。
本设计的自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的，这样就大大提高了工作的效率，整个过程又快又稳。
1.２设计背景和研究意义
制造业是现代文明的支柱之一，其既占有基础地位，又处于前沿关键;它是工业发展的主体又是国民经济持续发展的基础。
以前的工厂都是利用人工的方式进行生产加工，这样的工作的方式，不仅没有安全保障，而且没有很高的经济效益。
特别是加工制造业方面，都是小工厂，小作坊形式，没有自动化的设备，什么事只能靠人力去做，在乡镇里体现的更明显。
而制造业是我国经济增长的主导部门和经济转型的基础；作为经济社会发展的重要依托，制造业是我国城镇就业的主要渠道和国际竞争力的集中体现。
是提高我国国民生产的重要支柱，制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素，制造业在世界发达国家的国民经济中占有重要份额。
随着国内的发展形式越来越好，竞争也越来越激烈，高科技设备逐渐代替了以前的手工操作方式，自动化设备也越来越多，自动控制系统用的越来越多。
公司面对的压力也越来越大，不仅要考虑国内的对手，国外的竞争逐步加大，随着信息科技、市场经济的迅猛发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，尤其是随着高新科技的日新月异，产品的类型、工艺外形越来越复杂，再加上企业经营与发展必会面对对劳工的短缺、人工成本要省力化、合理化与自动化的发展趋势！
传统的手工送料已经不能满足要求，这时自动加料机就应运而生。
在今天现代科学技术的许多领域中，什么是加料机呢？
顾名思义，加料机就是专门用于粒料，粉料，片状料，带状等材料的自动化，数控化，精确化的输送机器，无论是轻工行业还是重工业都不可缺少的设备。
传统观念，送料机是借助于机器运动的作用力加于材料，对材料进行运动运输的机器。
改革开放以来，各项技术的不断发展，如自动控制技术、电力电子技术、检测技术和信息技术，使得这些应用的领域越来越多。
作为辅助装置的送料机构自动化水平也需要越来越高。
提高自动化的水平不仅可以提高效率、产品的质量同时也能保证工人的人身安全。
综上所述，在本着节约资金、降低成本，提高生产效率，保障人身安全的情况下对加料机机构进行自动化设计。
设计出更加适合于工作环境的加料机构。
此设计中自动加料机控制体统就是采用以PLC为核心的自动控制技术来实现功能来实现的。
1.３自动加料机控制系统的技术要求
近年来，在玻璃制造行业中，玻璃全电熔技术中的人工加料方式逐渐被自动加料系统取代。
自动加料系统具有工作时间长、操作简单、加料均匀、自动化程度高等优点，因此，一些有实力采用全电熔的玻璃产家已经开始使用自动加料设备。
为此，本人以此设计一套以PLC程序控制的自动加料设备的控制的程序。
工艺要求如下：
自动加料机的机械系统共设计了2台电动机，振动电机和变频电机，分别实现对加料设备的振动和对传送带的驱动。
振动是使物料能顺利的下落到传送带上，不至于卡住。
驱动电机是驱动传送带运动，将物料装入下料口中。
此系统的工作全过程是：
启动系统，然后推动手臂到位，待到手臂到位后触动行程开关，此时给PLC一个信号驱动变频器启动。
接着启动变频电机E13，此时变频电机驱动传送带转动，传送带上E5、E6上的料就加到料斗E11中去。
为保证传送带上有料且不出现堆料及缺料现象本例采用了断续加料方式，及启动振动器加料时间T3再停止振动器停止加料时间T4，如此循环，直到累计加料时间到达T2。
这时候停止振动器和变频器，接着延时时间T55~10秒。
接着缩回手臂，带手臂缩回到位后，再延时时间T65~10秒。
这样循环下去，直到到达设定的运行次数再停止系统。
图1.1运动过程示意图
第二章可编程控制器基础
2.1PLC的定义
国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee-IEC）,1987年的第三版对PLC作了如下的定义:
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、计算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。
可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。
可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）存储器（RAM和EPROM）,输入/输出模块（简称为I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。
近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。
它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。
2.2PLC的分类
PLC（可编程控制器）在现代的自动化行业中应用广泛，那么PLC在广泛的应用中，可以分为几大类呢，人们又是怎么样通过区别的呢？
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。
对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
1.按功能分类:
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。
（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（2）中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
（3）高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
3．按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。
（1）.小型PLC——I/O点数<256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。
如：
GE-I型 美国通用电气（GE）公司
TI100 美国德洲仪器公司
F、F1、F2 日本三菱电气公司
C20C40 日本立石公司（欧姆龙）
S7-200 德国西门子公司
EX20EX40 日本东芝公司
SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司
（2）.中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K
如：
S7-300 德国西门子公司
SR-400 中外合资无锡华光电子工业有限公司
SU-5、SU-6 德国西门子公司
C-500 日本立石公司
GE-Ⅲ GE公司
（3）.大型PLC——I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K
如：
S7-400 德国西门子公司
GE-Ⅳ GE公司
C-2000 立石公司
K3 三菱公司等
2．按结构形式分类
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
（2）模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。
模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。
这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。
2.3PLC的基本组成及各部分作用
PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。
按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。
整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。
另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。
主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。
组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。
装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。
CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。
1、中央处理单元（CPU）：
CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。
它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:
（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
（2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;
（3）用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;
（4）PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，
完成用户程序中规定的各种操作;
（5）将用户程序的执行结果送至输出端。
现代PLC使用的CPU主要有以下几种:
（1）通用微处理器，如8080,8088,Z80A,8085等。
通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。
（2）单片机，如8051等。
单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合
在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。
（3）位片式微处理器，如AMD2900系列等。
位片式微处理器是独立于微型机的另一分
支。
它主要追求运算速度快，它以4位为一片。
用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。
改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。
位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。
这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。
2、存储器
根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:
（1）系统程序存储器:
和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。
系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.
（2）用户程序存储器:
用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。
由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。
由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池（铿电池）保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。
当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC（如欧姆龙公司的CPMIA型PLC）采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。
（2）工作数据存储器:
工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。
这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。
在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。
元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。
数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。
它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。
它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。
根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。
3、I/0单元也称为I/0模块。
PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。
输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。
通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。
运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。
输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.
4、电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V,+12V,+24V的直流电源，使PLC能正常工作。
电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。
5、扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。
6、通信接口为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。
PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。
当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。
7、编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
编程器有简易型和智能型两类。
简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。
它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。
智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。
还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。
程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。
程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。
现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。
2.4PLC的特点
PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的:
1）功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；
2）应用灵活，其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合；
3）操作方便，维修容易，稳定可靠。
尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几万小时。
2.5PLC的应用
PLC的应用领域，最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。
随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。
如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与治理。
PLC已日益成为产业控制装置家族中一个重要的角色。
但归纳起来，PLC的主要应用有以下五个方面。
1.开关逻辑量控制——开关逻辑量控制是PLC最基本的应用，即用PLC取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。
如机床电气控制、电动机控制、注塑机控制、电镀流水线、电梯控制等等。
总之，PLC既可以用于单机控制，也可以用于多机群和生产线的控制。
2.模拟量过程控制——除了数字量之外，PLC还能控制连续变化的模拟量，如温度、压力、速度、流量、液位、电压和电流等均为模拟量。
通过各种传感器将相应的模拟量转换为电信号，然后通过A/D模块将他们转换为数字量送到PLC内部CPU处理，处理后的数字量在经过D/A模块转换为模拟量进行输出控制。
若使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环控制。
3.机械件位置控制——位置控制是指PLC使用专用的位置控制模块来控制步进电机或伺服电机，从而实现对各种机械构件的运动控制，如控制构件的速度、位移、运动方向等。
PLC的位置控制典型应用有机器人的运动控制、机械手的位置控制、电梯运动控制等，PLC还可以和计算机数控装置组成数控机床，以数字控制方式控制零件的加工、金属的切削等，实现高精度的加工。
4.现场数据采集处理——目前PLC都具有数据处理指令、数据传送指令、算术和逻辑运算指令和循环移位与移位指令，所以由PLC构成的监控系统，可以方便的对生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。
数据处理通常用于诸如柔性制造系统、机器人和机械手的控制系统等大中型控制系统中。
5.通信联网、多级控制PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间通信，要采用其专用通信模块，并利用RS-232或RS-422A接口，用双绞线过同轴电缆或光缆将它们连接成网络。
并由一台计算机与多台PLC组成的分布式控制系统，进行“集中管理，分散控制”，建立工厂的自动化网络。
PLC还可以连接CRT显示器或打印机，实现显示和打印。
2.6PLC的发展
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：
1、早期的PLC（60年代末—70年代中期）
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。
它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。
因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
2、中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）
在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。
这样，使PLC得功能大大增强。
在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。
3、近期的PLC（80年代中、后期至今）
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
4、未来发展
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
2.7PLC程序的表达方式
与计算机的工作原理一样，PLC的操作是按其程序要求进行的，而程序是用程序语言表达的。
表达方式有多种多样，不同的PLC生产厂家，不同的机种，采用的表达方式也不相同。
但基本上可归纳为字符表达方式（即用文字符号表达程序，如语句表程序表达方式）和图形符号表达方式（即用图形符号表达程序，如梯形图程序表达方式）这两大类。
也有将这两种方式结合起来表示PLC程序。
具体如下所述:
（l）梯形图：
PLC的梯形图编程语言与传统的“继电、接触”控制原理图十分相似，它形象、直观、实用，为广大电气
升级会员 