基于PLC的打包机控制系统.docx

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基于PLC的打包机控制系统

毕业设计（论文）

（成教）

题目：

基于PLC的打包机控制系统

院（系）：

机械与电子工程学院

专业：

姓名：

学号：

指导教师：

二〇一二年二月十六日

毕业设计（论文）任务书

学生姓名

学号

专业

院（系）

毕业设计（论文）题目

基于PLC的打包机控制系统

任务与要求

设计一个基于可编程控制器的PLC为控制的打包机控制系统。

所设计的PLC打包机适合应用在现代化各行业中，能够实际完成各项货物的打包。

在企业中能够有一定精度的实现打包操作。

完成时间段

年月日至年月日共周

指导教师单位

职称

院（系）审核意见

毕业设计（论文）进度计划表

日期

工作内容

执行情况

指导教师

签字

　　　　　　　　　　　　　　　　　签名

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年月日

本表作评定学生平时成绩的依据之一

摘要

打包机是一种动作步骤复杂的机床设备，在打包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。

在这篇文章中以化纤打包机的控制系统为例。

首先介绍了三菱FX2N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化纤打包机控制系统的组成、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。

所使用的软件是三菱公司的SWOPC—FXGP/WIN—C。

关键字：

打包机；可编程序控制器；步进梯形指令；个人计算计。

Abstract

Thepackageingmachineryisakindofstepingcomplicatedmachinetools.ApplyingProgrammableLogicControllertothecontrolsystemofpackageingmachinerycansimplifythesystemdesignandraisetheeffectivenessandreliabilityofthesystem.Inthispaper,thecontrolsystemsofchemicalfiberbalerareusedasaexample.Atfirstitintroducesthecharacteristics,methodofdesigningtheprogram,andmethodofeditingtheprogramofMitsubishiFX2N.ThemethodofdesigningandeditingtheprogramincludetheExperienceDesigningMethod,SequencelyControllingDesigningMethod,andSTL（StepLadderInstruction）.Then,itconcretelyanalysesandintroducestheelectricalconstruct,electricalfeature,andprogramofthecontrolsystemsofchemicalfiberbaler.AtlastitintroducesusingthepersonalcomputertoinputtheprogramintotheProgrammablePackageingMachinery.TheusedsoftwareisSWOPC-FXGP/WIN-CofMitsubishicompany.

Keywords:

packageingmachinery;ProgrammableLogicController;StepLadderInstruction;personalcomputer

目录

第一章绪论1

第一节可编程控制器在打包机中的应用概述1

第二节发达国家包装机械技术水平及发展趋势1

第三节21世纪包装机械基础技术的发展重点2

第二章FX2N系列PLC性能、经验设计法简介3

第一节三菱FX2N系列可编程控制器性能3

第二节梯形图的经验设计法简介3

第三章化纤打包机控制系统的设计实现4

第一节化纤打包机的基本动作、工艺要求和运行控制方式4

第二节打包机控制系统设计的实现4

第四章应用个人计算机程序开发系统向PLC中导入程序19

第一节个人计算机程序开发系统概述19

第二节向PLC中输入程序的过程19

结论25

致谢26

参考文献27

第一章绪论

第一节可编程控制器在打包机中的应用概述

近几年来可编程控制器（PLC）技术的普及为各种智能型仪表提供了可靠的技术基础,在打包机控制系统方面的应用,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,使打包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。

可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController）在打包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。

大大提高了打包机的精度、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。

从而降低了打包机的生产成本，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，对打包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。

第二节发达国家包装机械技术水平及发展趋势

上世纪50至70年代，电子技术和合成化工的迅速发展，对包装机械产生了委大的影响，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。

如机电密切结合的高速自动化包装机、调整操作方便的多功能包装机和劳动生产率极高的自动包装线的大量出现，使包装机械在产业机械中成为瞩目的一个领域。

日本在那个时期的包装机械生产每年平均增长率达20％，进入稳定发展的80年代，增长率仍然高于10％。

80年代，各发达国家为了维护本国包装机械市场，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），成为开创包装机械新局面的关键性年代。

欧家的包装机械生产，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。

日本的包装机械制造厂则中小企业为主，最拿手的是微电子技术，用它来控制包装机，达以安全性高、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、意大利是世界上包装机械四强。

第三节21世纪包装机械基础技术的发展重点

从发达国家的包装机械企业发展的成功经验可以得到启示：

美、日、德、意等国家积极采用其他领域的新技术（如微电子、激光、热管、新材料等），开创包装机械新局面。

21世纪包装机械基础技术的发展重点：

机电一体化技术的应用、热管技术、基础配套技术、设计技术、模块化技术、制造技术。

机电一体化技术和微机应用可提高包装自动化程度及可靠性和智能化程度；热管技术可提高包装机械的封口质量；基础配套技术中配套的电子元件、专用泵、阀产品、传感器、电机及电器控制元件，开发各种在线或离线的检测设备；采用模块化设计技术和CAD／CAM技术，可以提高包装机械在材料选择、加工装备与工艺技术的水平。

第二章FX2N系列PLC性能、经验设计法简介

第一节三菱FX2N系列可编程控制器性能

FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。

它的基本指令执行时间高达0.08μs每条指令，远远超过了很多大型可编程程序控制器。

用户存储器容量可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，有5种模拟量输入/输出模块、高速记数模块、脉冲输出模块、4种位置控制模块、多种RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板，使用特殊功能模块和功能扩展板，可实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。

FX2N有3000多点辅助继电器、1000点状态、200多点定时器、200点16为加计数器、35点32位加/减计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跳步指针、15点中断指针，这些编程元件对于一般的系统是绰绰有余的。

第二节梯形图的经验设计法简介

在可编程控制器发展的初期，沿用了设计继电器电路图的方法来设计梯形图，即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。

有时需要多次反复地调试和修改梯形图，不断地增加中间编程元件和辅助触点，最后才能得到一个较为满意的结果。

这种设计方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，所以有人把这种设计方法叫做经验设计法，它可以用于简单的梯形图（如手动程序）的设计。

第三章化纤打包机控制系统的设计实现

第一节化纤打包机的基本动作、工艺要求和运行控制方式

生产中要求化纤打包机完成以下的基本动作：

进料、进料门关、预压升降、主压升降、抬箱、左右转箱、落箱、预压右行和左行、捆包、顶包升降、放包布。

这些动作里给料动作由电动机4M直接控制；主压泵电动机1M和电磁阀YV4、YV5完成主压活塞的升降及抬箱、落箱动作；预压泵电动机2M和电磁阀YV2、YV3完成预压活塞的升降动作；控制油泵电动机3M完成左右转箱电磁阀YV6、YV7的动作，顶包升降电磁阀YV11、YV12的动作、挡料门关闭电磁阀YV1的动作、捆包YV9的动作和放包布YV12的动作；预压右行和左行由电动机5M控制，各动作到位均有限位开关、行程开关进行位置控制。

化纤打包机的工艺要求：

（1）箱体左右正确定位后，其他动作才允许进行。

（2）预压、主压升至上限位才允许左右转箱动作。

（3）主压升、抬箱同时在上限位才允许左右转箱动作。

打包机的运行控制方式要求：

手动、回原点、单步运行、连续、回原点起动、自动起动、停止。

第二节打包机控制系统设计的实现

本设计中的可编程控制器的输入/输出继电器地址编排详见下表所示。

其中输入信号有41个，输出信号有31个，所以选用的是三菱公司FX2N128MR可编程序控制器。

此可编程序控制器输入和输出口都为64个口，完全满足对控制器的要求。

I/O地址编排

输入

器件号

地址号

功能说明

器件号

地址号

功能说明

SQ1

X0

预压上限

SB1

X30

预压升按钮

SQ2

X1

预压下限

SB2

X31

预压降按钮

SQ3

X2

主压上限

SB3

X32

主压升按钮

SQ4

X3

主压下限

SB4

X33

主压降按钮

SQ5

X4

抬箱上限

SB5

X34

给料右行按钮

SQ6

X5

左转限位

SB6

X35

产品右行2按钮

SQ7

X6

右转限位

SB7

X36

抬箱按钮

SQ8

X7

给料右行到位

SB8

X37

左转按钮

SQ9

X10

落箱到位

SB9

X40

右转按钮

SQ10

X11

产品右行2到位

SB10

X41

落箱按钮

YJ1

X12

捆包压力传感器

SB11

X42

捆包按钮

SQ11

X13

预压右行到位

SB12

X43

预压右行按钮

SQ12

X14

顶包降下限

SB13

X44

顶包降按钮

YJ2

X15

包布压力传感器

SB14

X45

顶包升按钮

SQ13

X16

顶包上限

SB15

X46

放包布

YJ3

X17

进料门关闭压力传感器

SB16

X47

预压右行按钮

X20

手动

SQ14

X50

预压右行到位

X21

回原点

X25

回愿点起动

X22

单步运行

X26

自动起动

X23

单周期

X27

停止

X24

连续

输出

器件号

地址号

功能说明

器件号

地址号

功能说明

KM5

Y0

给料右行

YV8

Y10

产品右行2

YV1

Y1

进料门关

YV9

Y11

捆包

YV2

Y2

预压升

KM6

Y12

预压右行

YV3

Y3

预压降

YV10

Y13

顶包降

YV4

Y4

主压升

YV11

Y14

顶包升

YV5

Y5

主压降

YV12

Y15

防包布

YV6

Y6

左转

KM7

Y16

预压右行

YV7

Y7

右转

（其中SQ为位置开关，SB为按钮，YJ为检测开关，YV为电磁阀，KM为接触器）

手动和自动（包括连续、单周期、单步等、自动返回初始状态）工作方式。

手动程序比较简单。

采用经验设计法，复杂的自动程序根据系统的顺序功能图用顺序控制法设计。

为了保证在紧急情况下（包括可编程程序控制器发生故障时）能可靠地切断可编程序控制器的负载电源，设置了交流接触器KM。

在可编程序控制器开始运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现“紧急停车”按钮断开负载电源。

系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点5种工作方式，打包机在进料门开、主压位于下限位、预压位于下限且预压位于左行限位、停止捆包、顶包位于上限且停止放包布时，称为系统处于原点状态（或初始状态）。

如果选择的是单周期工作方式，按下起动按钮X26后，从初始状态S20开始打包机按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。

如果选择连续工作方式，在初始状态下按下起动按钮后，打包机从初始步开始一个周期一个周期地反复连续工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。

在单步工作方式，从初始步开始，按一下起动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停在该步。

单步工作方式常用于系统的调试。

在选择单周期、连续和单步工作方式以前，系统应处于原点状态；如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式，然后按回原点起动按钮X25，使系统自动返回原点状态。

为进入单周期、连续和单步工作方式作好了准备。

图（3—1）主接线图

图（3—2）打包机电动机接线图

（1）采用单向顺序阀式平衡回路，可防止立式液压缸或垂直运动的工作部件自行下滑，这种回路有利于提高垂直运动的工作部件在下行时的运动平稳性。

（2）方向控制阀在液压系统中起阻止和引导油液按规定的流向进出通道，即在油路中起控制油液流动方向的作用。

（FX系列可编程序控制器的状态初始化指令IST（InitialState）的功能指令编号为FNC60，它与STL指令一起使用，专门用来设置具有多种工作方式的控制系统的初始状态和设置有关的特殊辅助继电器的状态，可以大大简化复杂的顺序控制程序的设计工作。

本设计IST指令中的S20和S39用来指定在自动操作中用到的最低和最高的状态元件号，IST中的原操作数可取X，Y和M，图中的原操作数X20用来指定与工作方式有关的输入继电器的首元件，它实际上指定了从X20开始的8个输入继电器具有以下的意义：

X20：

手动X21：

回原点

X22：

单步运行X23：

单周期运行（半自动）

X24：

连续运行（全自动）X25：

回原点起动

X26：

自动操作起动X27：

停止

X20~X24中只能有一个处于接通状态，必须使用选择开关，以保证这5个输入中不可能有两个同时为ON。

IST指令的执行条件满足时，初始状态S0~S2和下列的特殊辅助继电器被自动指定为以下的功能，以后即使IST指令的执行条件变为OFF，这些元件的功能仍保持不变：

M8040：

禁止转换M8041：

开始转换

M8042：

起动脉冲M8047：

STL监控有效

S0：

手动操作初始状态S1：

回愿点初始状态

S2：

自动操作初始状态

自动程序：

用STL指令设计的自动程序的顺序功能图如图3—3所示，特殊辅助继电器M8041（转换开始）和M8044（原点条件）是从自动程序的初始状态S2转换到下一个状态S20的转换条件。

自动程序的梯形图如图3—4所示。

使用IST指令后，系统的手动、自动、单周期、单步、连续和回原点这几种工作。

图（3—3）打包机系统的顺序功能图

图（3—4）自动程序梯形图

图（3—5）计数器显示程序

自动返回原点程序：

返回原点的顺序功能图如图3—6所示，当原点条件满足时，特殊辅助继电器M8044（原点条件）为ON。

自动返回原点结束后，用SET指令将M8043（回原点完成）置为ON，并用RST指令将回原点顺序功能图中的最后一步S13复位，返回原点的顺序功能图中应使用S10~S19。

返回原点回原点梯形图如图3—7所示。

图（3—6）回原点顺序功能图

图（3—7）回原点梯形图

手动程序：

手动程序用初始状态S0控制，因为手动程序、自动程序（不包括回原点程序）和回原点程序均用STL触点驱动，这3部分程序不会同时被驱动，所以用STL指令和INT指令编程时，不采用CJ指令实现公用程序、自动程序和手动程序结构，如图3—8所示。

图（3—8）手动程序梯形图

第四章应用个人计算机程序开发系统向PLC中导入程序

第一节个人计算机程序开发系统概述

专用编程器只能对某一可编程控制器生产厂家的可编程序控制器产品编程，使用范围有限。

当代可编程序控制器以每隔几年一代的速度不断更新换代，因此专用编程器的使用寿命有限。

价格一般也较高。

现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程系统，可编程序控制器厂家向用户提供编程软件。

这种方法的主要优点是使用了价格较便宜、功能很强、通用的个人计算机，用户可以使用现有的个人计算机，因此可以用最少的投入得到高性能的可编程序控制器程序开发系统。

对于不同型号和厂家的可编程控制器，只需要更换编程软件就可以了。

为了适应PLC网络化的要求，扩大互联网功能，几乎所有的PLC厂家，都为PLC开发了与上位计算机通信的接口或专用的通信模块。

一般在小型PLC上都设有RS422通信接口或RS232C通信接口；在大中型PLC上都设有专用的通信模块。

如三菱F1、F2系列都设有标准的RS422接口，FX系列设有FX-232AW接口、RS232C用通信适配器FX-232ADP等。

PLC与计算机之间的通信正是通过PLC的RS422或RS232C接口和计算机上的RS232接口进行的。

PLC上与计算机之间的通信交换方式，一般采用字符串、双工或半双工、异步、串行通信方式。

因此可以这样说，凡具有RS232C接口并能输入输出字符串的计算机都可以用于和PLC的通信。

运用RS232C和RS422接口，可容易配置一个与外部计算机进行通信的系统。

该系统中PLC接受控制系统中的各种控制信息，分析处理后转化为PLC中软元件的状态和数据；PLC又将所有软元件的数据和状态送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测，用计算机可改变PLC的初始值和设定值，从而实现计算机对PLC的直接控制。

第二节向PLC中输入程序的过程

本设计采用FX232AW接口单元，可将RS232C信号和RS422信号进行相互交换，实现通过计算机的编程软件SWOPC—FXGP/WIN—C向PLC中导入程序。

信号的传送速度为9600bit/s。

其接线如图所示。

系统配置：

（1）计算机：

要求机型是IBMPC/AT（兼容），CPU为486以上，内存为8MB或更高（推荐16MB以上）。

（2）编程和通信软件：

采用应用于FX系列PLC的编程软件SWOPC—FXGP/WIN—C（可存Windows3.1或Windows95以上操作系统运行）。

（3）接口单元：

采用FX-232AWC型或RS232C/RS422转换器（便携式）或FX-232AW型RS232C/RS422转换器（内置式），以及其他指定的转换器。

（4）通信线缆：

采用FX-422CAB缆线型RS-422缆线。

通过软件向PLC导入程序的操作步骤如下所式：

首先进行打开[文件]—[新文件]菜单操作，创制新文件图形界面如图4—1所示。

图（4—1）

（1）在所出现的[PLC类型设置]中选择相应的PLC类型，因为本设计采用的是三菱公司的FX2N系列的PLC，所以在次对话框中选择[FX2N/FX2NC]选项。

然后点击[确认]选项，如图（4—2）所示。

图（4—2）

（2）在梯形土图窗口中输入梯形图程序，并点击转换选项，转化为指令表程序，如图（4—3）所示。

图（4—3）

（3）转化完指令表程序后如图（4—4）所示，然后点击[PLC]—[端口设置]进入端口设置选项中，根据计算机与PLC的实际连接端口进行COM口的选择，如图（4—5）所示。

图（4—4）

图（4—5）

（5）接下来选择[PLC]—[传送]—[写出]操作选项，如图（4—6）所示，进入的菜单如图（4—7）所示，输入指令表程序的起始步和终止步，然后点击[确认]开始向PLC中导入程序。

然后等待程序传送结束。

图（4—6）

图（4—7）

结论

自动打包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，本文综合分析了打包机控制系统的复杂的工作动作理论构成，分析以及介绍了对打包机工作流程实现控制的三菱FX2N系列可编程序控制器的性能特点和一整套行之有效的可编程序控制器程序设计方法和编程方法。

文中在对打包机控制系统编程时，采用了经验设计法和顺序控制设计法，我们可以从中发现在设计简单程序（如手动程序）时可采用经验设计法，设计复杂程序时，可采用顺序控制设计法，顺序控制设计法中采用步进梯形指令（StepLadderInstruction）STL的编程方法，使得程序简洁且能方便的是维护人员读懂程序，同时用到了FX系列可编程控制器的状态初始化指令IST（InitialState）,更简化了程序的结构设计，可使打包机这种机床设备动作控制程序设计变得简洁和灵活。

大大缩短了系统研制的设计周期。

通过对打包机控制系统的实现，我们可以看到三菱FX2N系列可编程控制器的强大功能，由可编程控制器实现对打包机控制较传统继电器控制有如下的优点：

其编程简单、功能强、性能价格比高、硬件