基于PLC的自动生产线称重系统设计毕业设计.docx

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基于PLC的自动生产线称重系统设计毕业设计

基于单片机实时钟设计毕业设计

1绪论

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称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，所以将可编程控制器简称PLC。

2PLC的特点及应用

2.2PLC的特点

1可靠性高，抗干扰能力强；

2通用性高，使用方便；

3程序设计简单，易学，易懂；

4采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；

5系统设计周期短；

6安装简便，调试方便，维护工作量小；

7对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产；

2.3PLC的应用

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2模拟量控制

在工业生产过程当中，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。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

5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。

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

6通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

3PLC的结构及原理

3.1PLC的分类

1按plc的结构形式分类：

1）整体式；2）模块式。

2按plc的I/O点数分类：

1）小型256点以下；2）中型256点以上，2048点以下；3）大型2048点以上。

3按plc功能分类：

抵挡型，中挡型，高档型。

3.2PLC的结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

PLC的基本结构框图如下：

接受驱动

现场信号受控元件

3.3PLC的工作原理

1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。

2）程序执行阶段：

plc对用户程序扫描。

3）输出刷新阶段：

当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。

3.4西门子S7—200简介

3.4.1概述

PLC目前主要的品牌有：

美国AB，比利时ABB，松下，西门子，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷创研等。

西门子公司的S7-200型PLC,其优越的性能表现为极高的可靠性极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。

S7-200系列是一类可编程序控制器。

这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，图2.3是一台S7-200MicroPLC外形结构图。

由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。

此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强实用性。

S7-200系列适用于各行各业，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。

图.3-1S7-200MicroPLC

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

1）极高的可靠性

2）极丰富的指令集

3）易于掌握

4）便捷的操作

5）丰富的内置集成功能

6）实时特性

7）强劲的通讯能力

8）丰富的扩展模块

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。

3.4.2一般特性

S7-200系列产品具有高性能的中央处理器和种类繁多的扩展模块，因其模块化的灵活设计而具有广泛的适用范围，同时具有极高的性价比。

S7-200无论单机运行，还是互相或者与其他设备组成网络，都具有优异的表现。

S7-200的主要性能有：

1）快速的中央处理运算能力。

2）极丰富的编程指令集。

3）响应快速的数字量和模拟量输入/输出通道。

4）操作便捷，易于掌握。

5）强大的通信能力。

6）丰富的扩展模块。

S7-200CPU集成了丰富的内置功能：

1）高速计数器输入。

2）短暂脉冲捕捉功能。

3）高速脉冲输出。

4）I/O硬件中断事件。

5）特殊功能相关的中断功能。

6）PID控制，PID自整定功能。

7）支持多种生产工艺配方。

8）数据记录（归档）。

此外，S7-200还支持以下功能：

1）用户自定义的库指令，便于模块化编程。

2）完善的密码和知识产权保护功能。

3）在RUN状态下的在线编程能力。

4）直接读/写实际I/O。

5）可调整的数字量和模拟量的输入滤波。

6）定义数字量和模拟量在STOP时的状态。

7）多种数据保持设置。

8）一个可由用户定义的LED状态指示灯。

3.4.3扩展模块

S7—200CPU为了扩展I/O点和执行特殊的功能，可以连接扩展模块（CPU221除外）。

扩展模块主要有如下几类：

1）数字量I/O模块。

2）模拟量I/O模块。

3）通信模块。

4）特殊功能模块。

1.数字量I/O扩展模块

数字量信号就是用电信号的有、无，分别表示控制逻辑上的“1”和“0”状态信号又称为开关量信号。

数字量I/O扩展模块专门用于扩展S7—200系统的数字量I/O数量。

EM221：

数字量输入扩展模块

EM222:

数字量输出扩展模块

EM223：

数字量输入/输出扩展模块

2.模拟量I/O扩展模块

生产过程中有许多电压、电流信号，用连续变化的形式表示流量、温度、压力等工艺参数的大小，就是模拟量信号。

这些信号在一定范围内连续变化，如-10～+10V电压，或者4～20mA电流。

S7—200提供了专用的模拟量模块来处理模拟量信号。

EM231：

模拟量输入扩展模块

EM232：

模拟量输出扩展模块

EM235：

模拟量输入/输出扩展模块

3.通信模块

S7—200系统提供以下几种通信模块，以适应不同的通信方式。

EM227：

PROFIBUS-DP从站通信模块，同时也支持MPI从站通信。

EM241：

调制解调器通信模块。

CP243-1：

工业以太网通信模块。

CP243-1IT：

工业以太网通信模块,同时支持Web/E-mail等IT应用功能。

CP243-2：

AS-Interface主站模块，可连接最多62个AS-Interface从站。

4.特殊功能模块

S7—200还提供了一些特殊功能模块，用以完成特定的任务。

例如：

定位控制模块

EM253，它能产生脉冲串，通过驱动装置带动步进电机或伺服电机进行速度和位置的开环控制。

每个模块可以控制一台电动机。

4自动称重系统

4.1设计总体介绍

一个完整的自动称重系统主要由配料电子皮带秤、仪表控制柜、动力控制柜、低压开关柜、变频器柜、现场操作盘、工业控制微型计算机、及监控管理软件几部分组成，如下图所示。

图4-1传输带动态称重系统结构示意图

1）配料电子皮带秤

配料电子皮带秤对经过皮带的散装物料进行自动地连续称量和累计，具有运输和计量两种功能。

称重部分采用电阻应变式工作原理，多托辊杠杆式结构，实际工作时，皮带秤用恒速计量方式，通过调节上级给料速度来改变物料流量，本类型皮带秤多用于企业内部生产的工艺控制。

2）仪表控制柜

仪表控制柜主要包括皮带秤仪表。

皮带秤仪表接受来自称重传感器的重量毫伏信号和来自测速传感器的带速脉冲信号，计算出流量和累计量，并将流量信号以0～10伏模拟电压的形式送给工控机，工控机将流量信号与机内设定值比较后，根据一定的控制规则输出0～10伏调节信号，控制现场给料电机的转速，从而构成单机闭环系统，达到控制某种物料流量的目的。

皮带秤仪表通过RS-485通讯接口与工控机进行通讯。

3）动力控制柜

动力控制柜是动力部分的中央控制部件，安装有电流表、控制按钮、指示灯、可编程控制器（以下称PLC）及电机保护电路，用于监控现场皮带机电流、对现场皮带机和给料设备的启、停进行控制、指示电机运行状态、联锁控制及打滑跑偏报警。

PLC通过扩展EM277通讯模块，用PROFIBUS_DP的通讯接口与工控机进行通讯。

4）低压开关柜

低压开关柜配置有刀开关、断路器、电压表、电流表、电流互感器、隔离变压器等器件为各控制柜和配煤系统动力部分提供电源，同时检测动力电源部分的相间电压和线电流。

5）变频器柜

柜中的变频器，接受来自动力控制柜的开关信号控制上级给料电机的启停，同时亦接受来自工控机的0～10伏电压调节信号，来改变输出动力电源的频率，从而控制现场给料机的转速。

如果变频器功率较大，则必须在柜体中配置散热风扇，以保证变频器能正常工作。

6）现场操作盘

配煤系统电机的现场控制部件，装有控制按钮、指示灯，可在机旁对现场皮带机和给料设备的启停进行控制、指示PLC对电机的命令状态。

7）工业控制微型计算机及软件

工控机作为上位机，通过PROFIBUS双向通讯接口与动力控制柜中的PLC联机，控制PLC的运行方式，输出开关量量控制信号控制主皮带电机的启停，从而构成完整的配料系统。

工控机另留有一个RS485双向通讯接口，以备与全厂的上位工控机通讯。

监控软件的主要功能有:

根据生产配方和产量目标对称重过程进行自动控制，对称重数据进行统计管理并实现打印，包括对变频器进行调节控制的运算。

系统软件有多种现场监控方式和配方输入方式，以适应不同的工程要求，用户可设定报警打印时间等参数。

界面采用菜单方式，使用方便，用户可通过鼠标或键盘进行操作，对整个配料系统进行控制和管理。

4.2设计的总体任务及实现的功能

4.2.1自动称重配料系统控制要求

控制要求：

使皮带电机转速随着上位机给定而改变，使得电机转速和重量两者之积满足所要所需要的控制值（给定值）。

系统被控制对象：

皮带电机

被控制量：

皮带电机转速、称重传感器的测量值。

控制量：

PID所发出的控制信号。

控制装置：

S7-200PLC。

执行装置：

富士变频器。

控制方法：

无静差的PID控制方式及变频调速方式。

控制方式:

单闭环控制。

控制功能：

皮带电机起动、停止、正反转功能；自动/手动的转换功能；故障报警功能；故障手动复位功能等。

4.2.2设计任务

①画出主电路，控制系统图；

②分配I/O地址，列出元件表；

③设计系统控制的程序框图；

④根据程序框图设计该系统的控制梯形图，写出指令表；

⑤实现与上位机的通信功能；

⑥上机、实验调试通过。

4.3控制思想的确定

自动称重系统的原理图如图3.1所示

图4-2系统框图

不难看出控制核心在PLC，而变频器只是交流电机调速的执行器。

对电机转速的控制环节由称重传感器和速度传感器两部分结合而成。

本设计的目的是：

实现皮带传输的恒流量控制；控制实现手段：

PLC的PID编程、变频器控制；功能要求：

实现电机的手动自动控制、启动、停止、；给定值的输入功能；电机转速的PID控制功能；故障报警功能。

电机的启动、点动、停止功能是电机控制的基本控制要求，主要通过PLC来控制；对电机转速的控制要通过PLC的PID程序和变频器控制来实现；报警信号主要由变频器的报警输出端输送到PLC来实现。

由于本系统所选择的电机类型是异步电动机，所以，要达到电机调速的目的单有PID算法还不行，还必须有一个变频调速装置，即变频器。

虽然要实现对交流电机的调速目的，控制的方法有很多，但变频调速是最为科学有效的。

此外，还要有必要的测量装置。

第一个需要的装置就是测速装置。

当前较为精确、使用较为普遍的测速装置是光电码盘。

光电编码器通过编码的方式直接测出电机的转动频率。

通过转动频率，我们就可以通过运算得到电机的转速。

第二个需要的装置就是称重传感器。

称重传感器，可以测出传送到皮带上的物料的重量。

称重传感器测出的一般为较弱的电压信号0～30mV，因此，控制系统还需要一个变送器来放大该电压信号，使之转换成标准的电压信号，以供输入PLC使用。

有了光电码盘测出的电机转动频率和称重传感器测得压力信号，系统可运算出皮带送传输的物料流量。

将物料流量给定值与此流量值进行比较，就可得到PID控制所需要的偏差值，然后就可以进行PID控制。

PID控制信号输入变频器，变频器根据该信号的大小来控制电机的频率，从而达到了对皮带电机的转速控制。

最后一点就是流量值的给定输入，流量值的给定可以通过上位机实现，也可以通过键盘输入给定。

在这里我们采用常见的前者实现给定的输入。

这样整个系统的控制思想已经基本构成。

4.4具体系统设计方案

4.4.1测速环节

测速环节主要由光电码盘来完成速度扫描，通过PLC中的高速计数器来实现计数功能。

由式（3.1）可算出电机转动速度。

（3.1）

式中：

n——电机转速；

ｒ——圆盘电机的半径；

——高速计数器HSC0的扫描时间。

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

光电码盘是目前应用较多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差

的两路脉冲信号。

本设计用到电机正转PID控制，反转检修点动控制不需要测速，所以将光电码盘的A相接入PLC的输入接口，通过PLC内部的高速计数器来读出电机转动的频率。

再根据式（3.1）算出电机的转速。

4.4.2称重系统

称重系统由称重传感器构成。

其工作原理：

如图3.2所示，该配料系统采用闭环控制，用称重传感器在线自动测量给料机的给料量，并输出0～30mV电压信号，然后由计算机或控制仪表对信号进行处理，按照一定的控制算法对给料机进行反馈控制。

图3.2　称重传感器

4.4.3电机的PID调速

PID调速在电机经过启动时间后才开始的。

PLC执行PID控制程序，发出相应的PID控制信号对变频器进行控制。

4.4.4变频器控制环节

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，主要是由主电路、控制电路组成。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分;控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

变频器根据PLC所输入的PID信号来控制。

整个闭环调速系统根据称重传感器和速度传感器所检测到的信号进行的流量运算值进行变频器调速控制，进而控制电机调速。

在整个系统中，变频器环节主要是一个执行器的作用。

变频器的功能主要包括电机的起动、停机、PID调速、手自动转换及故障复位功能。

4.5输入输出量统计

根据设计要求以及实现的功能，表3.1、3.2对系统的输入输出量进行了整理。

表4.1输入量统计

序号

采样信号名称

性质

来源

占用硬件资源

1

总启动信号

开关量

按钮

PLC输入点1

2

停止信号

开关量

按钮

PLC输入点2

3

自动运行

开关量

按钮

PLC输入点3

4

检修运行

开关量

按钮

PLC输入点4

5

复位信号

开关量

变频器输出

PLC输入点5

6

变频器正常运行

开关量

变频器输出

PLC输入点6

7

变频器故障

开关量

变频器输出

PLC输入点7

8

光电编码器A相脉冲

直接相连

编码器输出

PLC输入点8

9

称重信号

直接相连

称重运放输出

PLC模块输入点9

10

给定信号

直接相连

PLC输出

PLC模块输入点10

11

上位机信号

直接相连

上位机输出

PLC模块输入点11

12

变频器模拟给定

直接相连

PLC输出

变频器输入点12

表4.2输出量统计

序号

采样信号名称

性质

来源

占用硬件资源

1

系统就绪

开关量

线圈

PLC输出点1

2

正转运行

开关量

线圈

PLC输出点2

3

反转运行

开关量

线圈

PLC输出点3

4

复位信号

开关量

线圈

PLC输出点4

5

就绪信号灯

开关量

指示灯

PLC输出点5

6

检修信号灯

开关量

指示灯

PLC输出点6

7

手动信号灯

开关量

指示灯

PLC输出点7

8

报警信号

开关量

喇叭

PLC输出点8

9

故障信号灯

开关量

指示灯

PLC输出电9

以上输入，输出量的统计将为下一章的控制系统输入输出地址分配提供依据，具体的分配在下一章再作的介绍。

5硬件选择、硬件接线图及其软件编程

5.1硬件选择

5.1.1电动机的选择

本设计采用上海双企泵阀制造有限公司生产的功率为2.2KW的Y90L-2型电机。

其它参数如下：

额定转速为：

2840r/min；额定电流：

4.8A；功率因数：

80.5%；堵转电流/额定电流：

7；堵转转矩/额定转矩：

2.2。

5.1.2皮带秤的选择

皮带秤是自动衡器，它完成物料在输送过程中连续自动地完成称重的任务。

输送机输送物料时，皮带秤仪表连续测量皮带上每单位长度的载荷值q（kg/m），并与皮带在同一时刻的速度v（m/s）相乘，测得结果为物料的瞬时流量，q*v（kg/s）。

因物料输送的不均匀性和皮带速度随时间变化，所以在T时间间隔的累积流量可以用以下积分式（4.1）表示:

（4.1）

W——T时间间隔的物料累积量kg或t；

T——物料通过秤的时间S或h；

q（t）——皮带单位长度上的物料重量kg/m；

v（t）——物料在皮带上的运行速度m/s。

配料皮带秤传感器选型时应着重考虑称重传感器的量程、灵敏度、结构材质等方面

l）量程的选择

皮带秤称重传感器的受力包括杠杆结构秤体的自重、物料流量作用力以及称量段内输送皮带的自重，因此量程选择要考虑这几项内容。

物料流量作用力

的计算方法见式（4.2）。

（4.2）

式中，

—物料额定流量；

L—称量段长度；

R—杠杆比，R=传感器受力/实际称量段受力（一般取R=0.5）；

V（t）—物料在皮带上的运行速度。

考虑到皮带秤的使用环境较恶劣，经常遇到震动、冲击、过载等情况，为提高皮带秤可靠性，选择量程时，常取1.5的安全系数。

为解决这些问题，同时还要考虑机械限位的设计，称重传感器的材质尽量选用抗冲击、抗过载能力强且输出稳定的钢制传感器，而尽量不选取铝制材料。

2）灵敏度的选择

一台衡器是否能正常工作，必须考虑这个系统中各个部件的技术参数能否匹配。

对衡器来讲，也就是称重传感器所选用最大秤量值，灵敏度值;称重仪表所选用的供桥电压值、最高灵敏度值等数最终必须满足这个系统的整体指标要求。

3）称重传感器结构类型的选择

电阻应变式称重传感器的结构类型较多，有悬臂梁式称重传感器，剪切梁式称重传感器，S型称重传感器等，对于皮带称重系统S型称重传感器最佳。

S型称重器其连接方式采用关节轴承，处于受拉状态，其抗侧向力的能力可安装于密封的梁内，结构紧凑。

根据以上特点，本设计采用徐州山特ICS系列ICS-17A型电子皮带秤。

徐州山特ICS系列电子皮带秤是用于输送系统中对散状物料进行连续计量的理想设备，具有结构简单、计量精确、操作方便、维护量小、便于系统管理等优点，广泛应用于电力、冶金、煤炭、化工、食品、建材、港口等行业。

ICS-17A型电子皮带秤的动态累计误差为±0.25%，适用于工厂的过程称重工艺中，监测生产量、控制产品装载及监测产品库存量。

其主要技术参数如下：

系统精度：

　±0.25﹪

称量范围：

　　1～6000t/h

皮带宽度：

　　500～2200mm

皮带速度：

　0.1～4m/s

皮带输送倾角：

≤18°

环境温度：

机械：

-20℃～50℃

仪表：

0℃～40℃

电源电压：

220V（±10%、-15%）50HZ±2%

此类型称重传感器的动态计量精度

1.）在皮带输送机正常工作时，物料负载量大于参考下限值且流量在满量程的20%；100%范围内变化时，动态累计计量误差≤±1%，流量定值或配比控制误差≤±1%。

2）对非皮带输送机设备计量与控制误差≤±2%。

2.适用输送机物料载体宽度200-2000mm，输送机速度0~5m/s。

3.平均无故障工作时间>15000小时。

4.探测器到主机最大距离