基于PLC的载物转台控制系统的设计毕业设计论文.docx

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基于PLC的载物转台控制系统的设计毕业设计论文

基于PLC的载物转台控制系统的设计

毕业设计论文

摘要

人们生活水平的提高，带动着社会经济的迅速发展。

同时还对传统的工业生产的可靠性和功能性带来了巨大的挑战，着同样适应于转台的工业生产控制系统。

我国传统的转台存在着技术水平低，容易出现故障等缺陷。

因为在传统的转台控制系统中，工作人员的技术水平是在生产线中起决定性作用的一环，我国有没有专门培育这种技术型人才的地方，又因为转台的结构组成决定了容易出现故障的原因，所以设计出新型的转台控制系统是十分必要的。

本系统的设计是基于S7-300系列PLC控制的转台控制系统，本文介绍了该控制系统的整体结构、系统构成和工作原理。

通过PLC进行逻辑控制，由变频器进行转速调节。

本文在系统的设计部分，对硬件系统配置、选型和软件系统的流程设计、程序设计进行了详细的介绍，并指出了系统设计过程中存在的问题，给出相关解决方法。

该转台控制系统性能良好，硬件模块工作稳定、可靠，变频器的控制方式采用DP接口与MODbus转换协议模块，增加了通信速度，提升系统的实时性。

关键词：

机械转台S7-300变频

ABSTRACT

People'slivingstandardsimprove,promotetherapiddevelopmentofsocialeconomy.Butalsoonthetraditionalindustrialproductionreliabilityandfunctionalityofanenormouschallenge,withthesameturntableadaptedtoindustrialproductioncontrolsystem.China'straditionalturntablethereislowleveloftechnology,pronetofailureandotherdefects.Becauseintraditionalturntablecontrolsystem,thetechnicallevelofthestaffisintheproductionlineofaringplayadecisiverole,Chinahasnospecialtechnicaltalentscultivationofthisplace,butalsobecauseofthestructuralcompositionoftheturntabledeterminespronetofailurereason,thenewdesignoftheturretcontrolsystemisnecessary.

ThesystemdesignisbasedontheS7-300seriesPLCcontrolturntablecontrolsystem,thispaperintroducestheoverallstructureofthecontrolsystem,thesystemstructureandworkingprinciple.ThroughthePLClogiccontrolbyinverterspeedcontrol.Thispartofthesystemdesign,thehardwaresystemsoftwareselectionandprocessdesign,processdesignhasbeendescribedindetail,andpointsouttheproblemsinthedesignprocess,giverelevantsolutions.Theturntablecontrolsystemperformanceisgood,thehardwaremoduleisreliable,andinvertercontrolmethodusingMODbusconversionagreementwithDPinterfacemodule,increasingthespeedofcommunication,improvethesysteminrealtime.

Keywords:

MechanicalTurntableS7-300Frequencyconversion

附录1PLC控制载物转台程序

附录2PLC控制载物转台硬件电路设计图

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References…………………………………………………………………………..68

Appendix1PLCcontrolloadingturntablehardwarecircuitdesign

Appendix2PLCcontrolloadingturntableladder

第1章绪论

1.1引言

随着自动化系统、智能化系统的普及和人们生活生产水平的不断加快，生产效率也在不断的提高着。

计算机技术的兴起让人们的生活方式由了很大的转变。

由于微电子技术和计算机软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使自动控制技术快速发展，不言而喻已经成为了一个国家军事实力和经济实力的重要标志，同时自动控制技术也已经成为了关系到国家经济命脉和生存安危的重要技术之一。

转台作为机械、电气、自动化控制等领域中进行半实物仿真和控制的关键硬件设备，在实际应用中起着极其重要的作用，推动了工业自动化的快速发展。

1.2设计的背景及意义

科学的进步，转台的工业设计取得了前所未有的进步，因其在工业生产中极大的提高了工作效率，被广泛的应用于各种工业生产的领域，包括航空航天等。

本课题的目的和任务是通过比较几个流行的控制方式，来选择一种比较在经济和工程上都比较适中载物转台控制系统，用来完成对载物转台各轴物件定位角度的实时采集、监视以及运动姿态的控制等工作。

因为转台是一种中小型的机械设备运用的生产，应用PLC进行转台的控制可以发挥其功耗小，操作、安装和维护方便，可靠性高，抗干扰能力等所有的优势。

PLC的转台控制装置设计在流水作业中起着举足轻重的作用。

设计起来简单易懂，逻辑清晰，易于修改和升级能在工业生产中发挥最大的功能取得最高的利润。

1.3PLC载物台控制系统的现状

随着航天、航空工业的发展，对惯性元件的精度要求不断提高，同时也对测试转台的性能指标要求越来越高。

本文以PLC载物台控制研究为背景，根据转台总体方案，着重讨论控制器的设计和实时软件的开发[1]。

科学的发展也推动了机械的不断前进不管是在外观、材料还是性能等方面都有了大幅度的提高。

在控制系统方面随着时代的变迁转台机越来越趋向于自动化。

，传动则由单机联动到单独传动工作温度也由常温常压发展到高温高压由紧式发展到松式。

目前转台设计控制正朝着不锈钢、阔幅、松式、高温、小巧、美观大方等多方面相结合的方向发展。

其中最为显著的特点是机电一体化程度越来越高，机电一体化是目前新转台发展的必然趋势和目标。

机电一体化系统是将传统的机械技术与新兴的微电子技术及信息技术相结合可以说机电一体化是现代机械的标志。

目前在国内外机械的机电一体化设计具有以下几个特点：

1.自动控制技术、计算机应用技术不断深入。

由于计算机硬件的大批量生产成本的下降使其在自动设计、自动控制、自动管理方面的应用越来越广泛。

2.采用新的控制方法。

在国外有些国家其驱动系统采用液压马达与交流电机和直流电机控制相比其电气控制较为简单但是价格较为昂贵。

国内采用变频器和计算机进行恒线速控制价格也相对偏高。

3.多种方式控制技术相结合。

当一台机器需要控制多个参数时，一般不用一种控制方式，而采用多种方式相结合来加以控制。

4.控制系统的数字化、计算机化。

随着数字技术、计算机技术的发展，为了使控制更为精确，运行更为可靠，制造厂家普遍采用了数字化技术。

并且随着微电子技术的发展，当控制系统较为复杂时，采用微处理机作为主要控制装置，向控制的计算机方向发展。

由此可见由单片机、PLC和测速系统实现的转台恒线速控制不仅适合机电一体化的发展方向而且目前这种控制方式是一种新型的控制方式。

具有工作可靠、成本低的优点。

1.4转台的计算机控制系统综述

计算机的兴起是因为其完美的自动化运行能力和劳动力的完全剥离。

除了前期的开发，在整个工作过程中，完全实现了无人参与的实现。

这是人权的一次解放。

由于计算机的参与，转台的在精度控制，自动运行，自动检测方面有了飞跃的发展。

转台的计算机控制系统的发展也经历了由单机集中的方式到多机集散式的控制方法。

如图1-1所示。

1.4.1单机集中控制形式

由于早期自动控制理论的发展束缚，控制系统的设计思路是一台计算机控制一台转台的运行和控制。

整个转台的角度、电机等都由计算机自动完成检测，并完成对电机的精确控制。

计算机不联网，省去了很多现代通信功能。

当时来看，它的功能单一但是结构简单可维护性较高，操作方便。

但是，对整个自动化生产线而言，它并不适合集中的管理和状态显示，现在它只用在对管理要求不高的场合，如车床类的和人工参与程度较大的工业生产线。

1.4.2多机集散控制形式

随着通信技术和人机界面的发展，现在的转台可以说是发生了非常大的变化，无论是从外观还是到具体的操作模式和通信功能。

它既可以实现自动的运行，还能通过各种通信协议上传到集控室里，让工作人员对其进行全状态的检测，万一有问题出现，能及时的报警并自动急停。

目前高性能转台多采用集散控制（DCS）机制，采用上、下位机构成两级分布式计算机系统，实现对整个转台的集中综合管理和分散实时控制。

上位机采用可视化语言（如VB、VC++）容易建立良好的人机界面，便于用户实现向下位机发送自检信息，并在检测到故障时进行故障处理，设置转台的工作状态和工作参数，向下位机发送命令，接收下位机送回的信息，对出现的异常情况进行报警，以及数据的采集与处理等工作；下位机根据上位机的命令完成对转台各种运动状态的实时控制，主要实现对转台测角系统（旋转变压器、感应同步器）的实时监控和测角数据的读取、处理以及转台数据的及时回传等工作[2]。

A单机集中控制结构形式B多机集散控制结构形式

图1-1转台控制系统两种形式

第2章转台的控制方案论证

2.1应用单片机进行控制（51单片机）

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。

从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用[3]。

单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可,用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。

我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。

它主要是作为控制部分的核心部件。

它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。

单片机是靠程序运行的，并且可以修改。

通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。

由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？

很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？

原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。

一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！

对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。

单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用[4]。

单片机自身优点：

1.单片机集成度高。

单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031无）、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。

2.系统结构简单，使用方便，实现模块化。

3.单片机可靠性高，可工作到10^6~10^7小时无故障；

4.处理功能强，速度快。

5.低电压，低功耗，便于生产便携式产品

6.控制功能强

7.环境适应能力强。

比较其他控制器其缺点：

用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长。

一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。

2.2应用工控机进行控制

工控机（IndustrialPersonalComputer，IPC）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。

工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。

工控行业的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机[5]。

工控机的主要结构：

1.全钢机箱

IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无缘底板。

2.无缘底板

无缘底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，ISA或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择，改板为四层机构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。

底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。

3.工业电源

为AT开关电源，平均无故障运行时间达到250,000小时。

4.CPU卡

IPC的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、PⅡ、PⅢ主板，用户可视自己的需要任意选配。

其主要特点是：

工作温度0-600℃；装有“看门狗”计时器；低功耗，最大时为5V/2.5A。

5.其他配件

IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CUP、内存、显卡、硬盘、软驱、显示器等。

工控机自身的优点：

工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。

因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：

1.机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。

2.机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。

3.机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。

4.要求具有连续长时间工作能力。

5.一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见）

注：

除了以上的特点外，其余基本相同。

另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。

比较其他控制器其缺点：

1.能耗比较大，不利于节约电能。

2.成本相对较高，预算投入过大。

3.数据安全性比较低。

4.存储选择性小。

5.配置硬盘容量小

2.3应用PLC进行控制

PLC是一种专门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。

PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。

PLC自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大[6]。

PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。

它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。

PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。

PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。

PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。

它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。

大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。

把计算结果送给PLC的控制器。

因为在本文第三章还会有关于PLC的介绍，在这里就不多说了，主要说一下PLC的特性[7]。

可编程控制器（PLC）的优点：

1.功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。

现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化[8]。

2.使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备。

它能在不同环境下运行，可靠性十分强悍。

3.安装简单，容易维修。

PLC可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，写入程序即可运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

PLC还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便。

4.抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。

隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。

对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。

另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。

正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。

通过以上措施，保证了PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。

5.环境要求低。

PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。

这是PLC产品的市场生存价值。

6.易学易用。

PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

PLC编程大多采用类似继电器控制电路的梯形图形式，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。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

可以预料：

在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。

用户程序由用户按控制要求设计

通过上面的方案论证，三者都没有本质上的区别，都是基于计算机（处理器，存储器，I/O接口等），通过计算机的各种运算控制实现对过程的控制，因为他们的应用范围不同，各有各自的特点；相比较而言，PLC更偏重于开关量的逻辑控制，在成本和可靠性稳定性等原因相比较下，选PLC进行载物台的控制[9]。

第3章载物转台控制系统的硬件设计

3.1PLC可编程控制器的选型

德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。

西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高。

S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等[10]。

3.1.2S7-300系列模块的选择

SIMATICS7-300PLCS7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。

各种单独的西门子PLC之S7家族的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。

与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。

SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。

S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：

超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。

具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。

S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统[12]。

S7-300PLC是模拟式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都