基于PLC的生產線輸送帶控制系統(tǒng)設計畢業(yè)設計(論文).doc

河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書摘 要目前，輸送帶系統(tǒng)在工業(yè)的各個領域有著廣泛的應用。其結構簡單、運行平穩(wěn)、運轉可靠、能耗低、對環(huán)境污染小、便于集中控制和實現自動化、管理維護方便，在連續(xù)裝載條件下可實現連續(xù)運輸。對于輸送帶的控制， 它的控制形式也多種多樣，它可以由單片機，plc，以及計算機來控制，以前都采用接觸繼電器控制系統(tǒng)。而接觸繼電器控制系統(tǒng)接線復雜、抗干擾能力差，易因接觸不良而造成故障，而且功能擴展性差。plc因其可靠性高、功能完善而越來越受到企業(yè)的青睞，傳統(tǒng)的接觸繼電器控制系統(tǒng)已逐步為plc所取代。根據所學知識和文獻資料對基于plc的生產線輸送帶控制系統(tǒng)設計所采用的方法是plc集中控制的辦法，利用plc內部存儲來執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作，并采用數字量，模擬量的輸入和輸出來完成控制過程，從而實現對傳送帶的智能控制。而且plc能把計算機的許多功能和繼電控制系統(tǒng)結合起來，使plc和組態(tài)控制軟件的聯(lián)系更加緊密，使其模擬量控制、位置控制控制等使其遠程通信功能更加完善。因此本次設計選擇了用plc來控制輸送帶的整個運行過程，利用plc簡單可視化的程序，實現自動控制的目的。plc的運用使得系統(tǒng)的電路變得簡明清楚，而且十分便于日后的運行維護帶式輸送機。關鍵詞：plc； 輸送帶； 集中控制design of the conveyor belt control system for production line based on plc abstract at present, belt conveyor system in the industrial areas in which there is a wide range of applications. its simple structure, smooth running, run reliable, low energy consumption and environmental pollution on small, easy to focus on control and automation, and ease of maintenance, and management in a continuous load conditions for transport. conveyor belt for the control, it has a variety of forms of control, it can be done by single-chip phone, as well as computer, plc, have in the past to control relay control system with touch. contact with relay control system wiring complex, anti-interference ability is poor, vulnerable to failure and poor contact, and scalability. plc due to its high reliability, and functionality has been more and more enterprises, traditional contact relay control system has been replaced by plc for step-by-step. based on the knowledge-based information and documentation of plc conveyor belt production line control system design is the method used by the centralized control plc approaches, using plc internal storage to perform logical operations, sequence control, timer, counting and arithmetic operations, such as volume, and adopts the digital, and analog input and output to complete control over the process, the conveyor belt of intelligent control. but plc to many of the features of the computer and relay control systems into one, so that group mentality and plc control software, and more closely connected to the analog control, position control, and control their remote communication is much more refined. therefore this design choice plc to control the use of the conveyor belt, used during the entire run plc simple visualization of the process, the automatic control. use the plc the circuit makes the system more concise clear and 10 for easy future maintenance of the running belt conveyor.keywords: plc; conveyor belt; centralized control 目 錄1 引言11.1 設計目的和意義11.2 國內外帶式輸送機技術現狀及差距21.2.1 大型帶式輸送機的關鍵核心技術上的差距31.2.2 技術性能上差距41.2.3 控制系統(tǒng)上差距51.3 本文所做的工作52 基于plc的生產線輸送帶控制系統(tǒng)方案設計62.1 膠帶運輸機62.1.1 膠帶運輸機的類型及適用條件62.1.2 膠帶運輸機結構62.2 方案比較72.3 方案確定82.3.1 設計任務92.3.2 系統(tǒng)設計思路103 基于plc的生產線輸送帶控制系統(tǒng)硬件設計及選型123.1 可編程控制器plc的選型123.1.1 plc的組成結構123.1.2 plc的工作原理133.1.3 機型的選擇163.1.4 siemens s7-200 介紹173.1.5 本設計的plc配置183.1.5 本設計plc的i/o配置及外圍電路設計203.2 傳感器選型223.2.1光電傳感器223.2.2稱重傳感器223.2.2跑偏開關243.3 被控裝置的選擇263.3.1傳送帶電機263.3.2電動推桿273.3.3 液壓推桿293.3.4滾筒電機304 基于plc生產線輸送帶控制系統(tǒng)軟件設計314.1 plc程序設計314.1.1編程軟件介紹(step7 micro/win)314.1.2軟件編程分析及編程324.1.3 plc編程324.2 上位機組態(tài)監(jiān)控界面374.2.1 組態(tài)軟件的系統(tǒng)構成及其簡介374.2.4 系統(tǒng)方案的開發(fā)步驟394.2.5 系統(tǒng)組態(tài)界面405系統(tǒng)仿真測試及結果425.1 傳感器1#模塊仿真425.2 傳送帶模塊仿真435.3 稱重比較模塊仿真435.4 傳感器2#模塊仿真455.5 傳感器3#模塊仿真465.6 膠帶跑偏保護和急停報警及報警復位475.7 系統(tǒng)運行指示485.8 仿真結果總分析486 結論與展望49參考文獻50致謝5155河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書1 引言1.1 設計目的和意義目前，輸送帶系統(tǒng)在工業(yè)的各個領域有著廣泛的應用。例如，在采礦業(yè)的輸送帶系統(tǒng)、火電廠的燃料煤進料系統(tǒng)、食品工業(yè)的輸送帶系統(tǒng)等這些領域都采用了輸送帶。輸送帶運行的可靠性與穩(wěn)定性，直接影響著企業(yè)的生產發(fā)展。對于輸送帶的控制，以前都采用接觸繼電器控制系統(tǒng)。而接觸繼電器控制系統(tǒng)接線復雜、抗干擾能力差，易因接觸不良而造成故障，而且功能擴展性差。特別是在采礦業(yè)中，現場操作環(huán)境惡劣，直接影響人體的健康和企業(yè)的正常作業(yè)。plc因其可靠性高、功能完善而越來越受到企業(yè)的青睞，傳統(tǒng)的接觸繼電器控制系統(tǒng)已逐步為plc所取代。plc是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、記時、計數等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)?？删幊炭刂破魇且环N數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。plc具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點?？梢灶A料：在工業(yè)控制領域中，plc控制技術的應用必將形成世界潮流。目前可編程序控制器的應用已經滲透到國民經濟的各個部門和工業(yè)過程的各個角落，已成為企業(yè)提高裝備技術水平的重要標志。在寶鋼的二期三期工程中使用了國外多個廠家三十幾種機型計六百多臺套的可編程序控制器，在廣西玉柴機器有限公司的柴油機生產線中使用了近二百臺羅克韋爾自動化公司的可編程序控制器，像這樣大范圍使用可編程序控制器的系統(tǒng)已很常見。因此，本設計對plc的研究是有很強的實用性和研究意義的。由于plc是一種專門為在工作環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。而且plc及其有關的外圍設備東應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。所以本次設計選擇了用plc來控制皮帶機的整個運行過程，plc的運用使得系統(tǒng)的電路變得簡明清楚，而且十分便于日后的運行維護。此次畢業(yè)設計的意義是：由于plc為主構成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強大、性價比高等優(yōu)點，是目前工業(yè)自動的首選控制裝置，而且膠帶機的運輸系統(tǒng)復雜，環(huán)節(jié)多，運量大，所用的設備種類多，要求高。對于高產高效的現代化炸藥的運輸系統(tǒng)就必須做到減少環(huán)節(jié)，消除停頓 ，實行不間斷的運輸連續(xù)化 、控制 、檢測自動化 ，才能達到高產高效減員提效的目的。1.2 國內外帶式輸送機技術現狀及差距國外帶式輸送機技術的發(fā)展很快，其主要表現在2個方面：一方面是帶式輸送機的功能多元化、應用范圍擴大化，如高傾角帶輸送機、管狀帶式輸送機、空間轉彎帶式輸送機等各種機型；另一方面是帶式輸送機本身的技術與裝備有了巨大的發(fā)展，尤其是長距離、大運量、高帶速等大型帶式輸送機已成為發(fā)展的主要方向，其核心技術是開發(fā)應用于了帶式輸送機動態(tài)分析與監(jiān)控技術，提高了帶式輸送機的運行性能和可靠性。目前，在煤礦井下使用的帶式輸送機已達到表1所示的主要技術指標，其關鍵技術與裝備有以下幾個特點：(1) 設備大型化。(2) 應用動態(tài)分析技術和機電一體化。(3) 輸送系統(tǒng)設備的通用性、互換性及其單元驅動的可靠性。(4) 新型、高可靠性關鍵元部件技術。表1-1 國外帶式輸送機的主要技術指標 主參數順槽可伸縮帶式輸送機大巷與斜井固定式強力帶式輸送機運距/m600075006000帶速/4.5647, 最高達10輸送量/3500500040005000驅動功率/kw1500400035007000，最大達15000我國生產制造的帶式輸送機的品種、類型較多。在“八五”期間，通過國家一條龍“日產萬噸綜采設備”項目的實施，帶式輸送機的技術水平有了很大提高，煤礦井下用大功率、長距離帶式輸送機的關鍵技術研究和新產呂開發(fā)都取得了很大的進步。如大傾角長距離帶式輸送機成套設備、高產高效工作面順槽可伸縮帶式輸送機等均填補了國內空白，并對帶式輸送機的減低關鍵技術及其主要元部件進行了理論研究和產品開發(fā)，研制成功了多種軟起動和制動裝置以及以plc為核心的可編程電控裝置統(tǒng)采用調速型液力偶合器和行星齒輪減速器。目前，我國煤礦井下用帶式輸送機的主要技術特征指標如表2所示表1-2 國內帶式輸送機的主要技術指標主參數順槽可伸縮帶式輸送機大巷與斜井固定式強力帶式輸送機運距/m200030003000帶速/3.5445, 最高達8輸送量/2500300030004000驅動功率/kw1200200015003000，最大達100001.2.1 大型帶式輸送機的關鍵核心技術上的差距（1） 帶式輸送機動態(tài)分析與監(jiān)測技術 長距離、大功率帶式輸送機的技術關鍵是動態(tài)設計與監(jiān)測，它是制約大型帶式輸送機發(fā)展的核心技術。目前我國用剛性理論來分析研究帶式輸送機并制訂計算方法和設計規(guī)范，設計中對輸送帶使用了很高的安全系統(tǒng)（一般取n=10左右），與實際情況相差很遠。實際上輸送帶是粘彈性體，長距離帶式輸送機其輸送帶對驅動裝置的起、制動力的動態(tài)響應是一個非常復雜的過程，而不能簡單地用剛體力學來解釋和計算。國外已開發(fā)了帶式輸送機動態(tài)設計方法和應用軟件，在大型輸送機上對輸送機的動張力進行動態(tài)分析與動態(tài)監(jiān)測，降低輸送帶的安全系統(tǒng)，大大延長使用壽命，確保了輸送機運行的可靠性，從而使大型帶式輸送機的設計達到了最高水平（輸送帶安全系數n=56），并使輸送機的設備成本尤其是輸送帶成本大為降低。 （2） 可靠的可控軟起動技術與功率均衡技術 長距離大運量帶式輸送機由于功率大、距離長且多機驅動，必須采用軟起動方式來降低輸送機制動張力，特別是多電機驅動時。為了減少對電網的沖擊，軟起動時應有分時慢速起動；還要控制輸送機起動加速度0.30.1 m/s2，解決承載帶與驅動帶的帶速同步問題及輸送帶涌浪現象，減少對元部件的沖擊。由于制造誤差及電機特性誤差，各驅動點的功率會出現不均衡，一旦某個電機功率過大將會引起燒電機事故，因此，各電機之間的功率平衡應加以控制，并提高平衡精度。國內已大量應用調速型液力偶合器來實現輸送機的軟起動與功率平衡，解決了長距離帶式輸送機的起動與功率平衡及同步性問題。但其調節(jié)精度及可靠性與國外相比還有一定差距。此外，長距離大功率帶式輸送機除了要求一個運煤帶速外，還需要一個驗帶的帶速，調速型液力偶合器雖然實現軟啟動與功率平衡，但還需研制適合長距離的無級液力調速裝置。當電機功率50 kw時， 可控啟動傳輸-cst(用于大慣性負載平滑啟動的多級減速齒輪裝置,多用于煤礦和礦山中帶式輸送機的驅動)顯示出優(yōu)越性。由于可控軟起動是將行星齒輪減速器的內齒圈與濕式磨擦離合器組合而成（即粘性傳動）。通過比例閥及控制系統(tǒng)來實現軟起動與功率平衡，其調節(jié)精度可達98% 以上。但價格昂貴，急需國產化。1.2.2 技術性能上差距我國帶式輸送機的主要性能與參數已不能滿足高產高效礦井的需要，尤其是順槽可伸縮帶式輸送機的關鍵元部件及其功能如自移機尾、高效儲帶與張緊裝置等與國外有著很大差距。（1）裝機功率 我國工作面順槽可伸縮帶式輸送機最大裝機功率為4250 kw，國外產品可達4970 kw，國產帶式輸送機的裝機功率約為國外產品的30%40%，固定帶式輸送機的裝機功率相差更大。（2）運輸能力 我國帶式輸送機最大運量為3000 t/h，國外已達5500 t/h。（3）最大輸送帶寬度 我國帶式輸送機為1400 mm，國外最大為1830 mm.（4）帶速 由于受托輥轉速的限制，我國帶式輸送機帶速為4m/s，國外為5m/s以上。（5）工作面順槽運輸長度 我國為3000 m，國外為7300m。（6）高效儲帶與張緊裝置 我國采用封閉式儲帶結構和絞車拉緊為主，張緊小車易脫軌，輸送帶易跑偏，輸送帶伸縮時，托輥小車不自移，需人工推移，檢修麻煩。國外采用結構先進的開放式儲帶裝置和高精度的大扭矩、大行程自動張緊設備，托輥小車能自動隨輸送帶伸縮到位。輸送帶有易跑偏，不會出現脫軌現象。（7）輸送機品種 機型品種少，功能單一，使用范圍受限，不能充分發(fā)揮其效能，如拓展運人、運料或雙向運輸等功能，做到一機多用；另外，我國煤礦的地質條件差異很大，在運輸系統(tǒng)的布置上經常會出現一些特殊要求，如彎曲、大傾角（+25）直至垂直提升等，應開發(fā)特殊型專用機種帶式輸送機。1.3.3 可靠性、壽命上的差距（1）輸送帶抗拉強度 我國生產的織物整芯阻燃輸送帶最高為2500 n/mm，國外為3150 n/mm。鋼絲繩芯阻燃輸送帶最高為4000 n/mm，國外為7000 n/mm。（2）輸送帶接頭強度 我國輸送帶接頭強度為母帶的50%65%，國外達母帶的70%75%。（3）托輥壽命 我國現有的托輥技術與國外比較，壽命短、速度低、阻力大外國的比我們的壽命多30%-40%。（4）輸送機減速器壽命 我國輸送機減速器壽命3萬h，國外減速器壽命7萬h。（5）帶式輸送機上下運行時可靠性差。1.2.3 控制系統(tǒng)上差距（1）驅動方式 我國為調速型液力偶合器和硬齒面減速器，國外傳動方式多樣，如boss系統(tǒng)、cst（軟啟動）可控傳動系統(tǒng)等，控制精度較高。（2）監(jiān)控裝置 國外輸送機已采用高檔可編程序控制器plc，開發(fā)了先進的程序軟伯與綜合電源繼電器控制技術以及數據采信、處理、存儲、傳輸、故障診斷與查詢等完整自動監(jiān)控系統(tǒng)。我國輸送機僅采用了中檔可編程序控制器來控制輸送機的啟動、正常運行、停機等工作過程。雖然能與可控啟（制）支裝置配合使用，達到可控啟（制）動、帶速同步、功率平衡等功能，但沒有自動臨近裝置，沒有故障診斷與查詢等。（3）輸送機保護裝置 國外帶式輸送機除安裝防止輸送帶跑偏、打滑、撕裂、過滿堵塞、自動灑水降塵等保護裝置外，近年又開發(fā)了很多新型監(jiān)測裝置：傳動滾筒、變向滾筒及托輥組的溫度監(jiān)測系統(tǒng)；煙霧報警及自動消防滅火裝置；纖維織輸送帶縱撕裂及接頭監(jiān)測系統(tǒng)；防爆電子輸送帶秤自動計量系統(tǒng)。這些新型保護系統(tǒng)我國基本處于空白。而我國現有的打滑、堆煤、溜煤眼滿倉保護，防跑偏、超溫灑水，煙霧報警裝置的可靠性、靈敏性、壽命都較低。1.3 本文所做的工作首先進行關于plc傳送帶設計方面的資料收集和plc等相關知識的復習與鞏固。根據設計需要，把本次設計分成了幾個大模塊來研究。然后計劃對電氣設備選擇，如plc的選型，傳感器的選型，電機選型等。最后進行了對本次設計中的系統(tǒng)流程圖，plc的外部接線圖以及關于plc的程序梯形圖進行了初步設計。在考慮了自己的興趣和將來的工作后選擇了基于plc的生產線輸送帶控制系統(tǒng)設計，完成了開題。認真學習了plc的編程以及系統(tǒng)組態(tài)，努力達到能獨立編程和做出系統(tǒng)模擬畫面圖程度。先根據系統(tǒng)要求的需要，確定了plc所需的i/o點數，從而對plc進行了選型，然后對傳感器也進行了選型，各類電機的選型。然后按照系統(tǒng)的設計流程，對系統(tǒng)進行一步步設計。2 基于plc的生產線輸送帶控制系統(tǒng)方案設計基于plc的生產線輸送帶控制系統(tǒng)首先得進行膠帶輸送機的選型，然后基于系統(tǒng)結構進行系統(tǒng)方案選擇，明確系統(tǒng)的整體思路。2.1 膠帶運輸機2.1.1 膠帶運輸機的類型及適用條件(1) 帶式輸送機的類型 按牽引方式不同，可分為滾筒驅動式和鋼絲繩牽引式兩類，本系統(tǒng)介紹的是滾筒驅動式通用型膠帶運輸機。 按輸送帶的強度不同，可分為通用型和強力型。按帶式輸送機作用不同，可分為轉載式、伸縮式和固定式。按式輸送機的安裝方式不同，可分為落地式、吊掛式和組合式。(2) 皮帶運輸機的適用條件帶式輸送機既可用于水平運輸，又可用于傾斜運輸。當用于傾斜運輸時其傾角受到一定限制。通常情況下，傾斜向上運輸時的傾角不超過18，向下運輸時的傾角不超過15。目前國內已生產出一種適應傾角大于30的特殊帶式輸送機。為減小輸送帶的嚴重磨損，帶式輸送機不宜運送有棱角的貨物。此外，通用型帶式輸送機不能彎曲。經過認真考慮，本設計采用水平皮帶輸送體統(tǒng)。2.1.2 膠帶運輸機結構皮帶運輸機主要結構有：機架、皮帶（或輸送帶）、機頭滾筒、機尾滾筒、驅動裝置、上下托輪、拉緊裝置及清掃裝置等組成。（1）輸送帶輸送帶既是承載機構，又是牽引機構。常用的輸送帶有3 種類型，即普通輸送帶、鋼絲繩芯輸送帶和鋼絲繩牽引輸送帶。在這里使用的是普通輸送帶的結構。輸送帶用數層帆布做帶芯，層與層之間用橡膠粘合在一起，然后在外表面周圍用橡膠蓋層加以保護。帆布由棉、尼龍等纖維織成或為混紡物。帆布層用來承受載荷并傳遞牽引力，而橡膠保護層用來防止外界物體對帆布層的損傷及有害物質的腐蝕。輸送帶強度按帆布層的拉斷力來計算。國產橡膠帶有兩種：一種為普通型，每層帆布的徑向拉斷力為56on / cm ；另一種為強力型，每層帆布的徑向拉斷力為960n / cm 。保護層的厚度是：上層（與貨載接觸面）厚度為3mm ；下層厚度為lmm 。（2）托輪和機架托輪是用來支承輸送帶，減少輸送帶阻力，并使輸送帶懸垂度不超過一定限度，以保證輸送帶運行平穩(wěn)。托輪由軸、軸承和標準套筒等組成。托輥按用途可分為槽型托輪、平型托輪、調心托輪和緩沖托輪四種，在這里使用的是平型托輪，平型托輥用于輸送散裝。機架按結構可分為落地式和繩架吊掛式兩種。落地式機架又分為固定式和可拆移式兩種。固定式是將機架固定在地基上，而拆移式是在機架與機架之間、托輥與機架之間的連接都采用插入式，用銷釘固定，整個機架沒有一個螺栓。繩架吊掛式的鋼絲繩機架由兩根縱向平行布置的鋼絲繩組成，每隔60m 安裝一個落地式緊繩托架。這種機架的結構簡單，節(jié)省鋼材，又便于拆裝。（3） 驅動裝置驅動裝置是帶式輸送機的動力源.驅動裝置的組成由電動機、液力偶合器、減速器和主動滾筒等部分組成。若是雙滾筒單電動機傳動，則還有一對傳動齒輪。（4）拉緊裝置拉緊裝置的作用，一是保證輸送帶有足夠的張力，使?jié)L筒與輸送帶之間產生必要的摩擦力；二是限制輸送帶在各托輥之間的懸垂度，確保輸送機的正常運轉。拉緊裝置分為機械拉緊式和重砣拉緊式兩種。調節(jié)螺桿可以調節(jié)皮帶的張力，但要調節(jié)平衡否則就會跑偏，若出現跑偏也可以調節(jié)螺桿使皮帶保持平衡安全運轉。（5）清掃裝置清掃裝置主要安裝在卸載端和靠近機尾換向滾筒的內側回空段輸送帶的上面。用來清掃膠帶表面的黏附物，防止輸送帶損壞。清掃裝置安設在卸載端，用來清掃膠帶表面的粘附物料。目前我國帶式輸送機上使用較多的是刮板式清掃器。其刮板（用橡膠帶制成）靠重砣的重量緊貼在輸送帶上，將卸載后輸送帶表面的粘附物料刮掉。這種重砣刮板式清掃裝置的使用效果不好。近年來，各部門已廣泛使用彈簧式清掃刮板，其效果較好。除在輸送機的卸載端外，還在靠近機尾換向滾筒內側處安設有清掃裝置，一般為犁形清掃裝置，使刮板緊貼輸送帶的內表面（回空段輸送帶的上表面），清掃運輸時撒落和粘附的物料。2.2 方案比較就目前的現狀有以下幾種控制方式滿足系統(tǒng)的要求：繼電器控制系統(tǒng)、單片機控制、工業(yè)控制計算機控制、可編程序控制器控制。(1) 繼電器控制系統(tǒng)控制功能是用硬件繼電器實現的。繼電器串接在控制電路中根據主電路中的電壓、電流、轉速、時間及溫度等參量變化而動作，以實現電力拖動裝置的自動控制及保護，系統(tǒng)復雜，在控制過程中，如果某個繼電器損壞，都會影響整個系統(tǒng) 的正常運行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本身價格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大，因此整個控制柜價格非常高，靈活性差，響應速度慢。（2）單片機控制單片機作為一個越大規(guī)模的集成電路、機構上包括cpu、存儲器、定時器和多種輸入/輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強的控制功能，成為功控領域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計算機之一。但是，單片機是一片集成電路，不能直接將它與外部i/o接口電器上、硬件設計、制作和程序設計的工作量相當大。（3）工業(yè)控制計算機控制工控機采用總線結構，各廠家產品兼容性強，有實時操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、實用性強、功能復雜的領域中占優(yōu)勢。但工控機價格較高，將它用于開關量控制有些大材小用。且其外部i/o接線一般都用于多芯扁平電纜和插頭、插座，直接從印刷 電路板上引出，不如接線端子可靠。（4）plc控制可編程序控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇，用戶不用自已設計和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器硬件配制和設計外部接線圖，同時采用梯形圖語言編程，用軟件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸點和熱線，通過修改程序適應工藝條件的變化?？沈_程控制（plc）從上個世紀70年代發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，起初它主要是針對開關量進行邏輯控制的一種裝置，可以取代中間繼電器、時間繼電器等構成開關量控制系統(tǒng)。隨著30多年來微電子技術的不斷發(fā)展，plc也通過不斷的升級換代大大增強了其功能?，F在plc已經發(fā)展成為不但具有邏輯控制功能、還具有過程控制功能、運動控制功能和數據處理功能、連網通訊功能等多種性能，是名符其實的多功能控制器。由plc為主構成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強大、性價比高等優(yōu)點，是目前工業(yè)自動的首選控制裝置。2.3 方案確定通過對多種設計方案的比較，決定選擇可編程控制系統(tǒng)，相比于繼電器系統(tǒng)，它性能可靠性高，接線很簡單，系統(tǒng)不復雜，易于維護，性能先進，易于改造。和單片機系統(tǒng)相比，它編程簡單，易于掌握，連線簡單。工業(yè)控制計算機控制系統(tǒng)性能先進，但是價格昂貴，系統(tǒng)復雜，對于本系統(tǒng)而言實在是大材小用。綜上所述，本次設計應選擇plc控制更為合理。2.3.1 設計任務圖 2-1 設計任務根據所學知識和文獻資料對基于plc的生產線輸送帶控制系統(tǒng)設計所采用的方法是plc集中控制的辦法，利用plc內部存儲來執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作，并采用數字量，模擬量的輸入和輸出來完成控制過程，從而實現對傳送帶的智能控制。而且plc能把計算機的許多功能和繼電控制系統(tǒng)結合起來，使plc和組態(tài)控制軟件的聯(lián)系更加緊密，使其模擬量控制、位置控制控制等使其遠程通信功能更加完善。因此本次設計選擇了用plc來控制輸送帶的整個運行過程，利用plc簡單可視化的程序，實現自動控制的目的。plc的運用使得系統(tǒng)的電路變得簡明清楚，而且十分便于日后的運行維護帶式輸送機。所以系統(tǒng)的主要任務就是把合格及不合格的產品輸送到相應的位置。 圖 2-2 系統(tǒng)結構組成2.3.2 系統(tǒng)設計思路圖 2-3 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)啟動傳送帶電機組m1，m2，m3，m4，系統(tǒng)可以選擇低速啟動運行和高速啟動運行，當物件包裝箱在輸送帶1#上運行，在運動到傳感器1#時，給plc一個信號，這時升降框上的兩個滾筒中的電機m5開始轉動，運行2s，使包裝箱正好架在兩個滾筒上，這時電機m5停止，升降框（液壓推桿）下降2s，則包裝箱正好落在稱重平臺上，由稱重平臺上的稱重傳感器給plc模擬信號，當大于等于系統(tǒng)設定值5kg時，液壓推桿上升2s停止，然后電機m5運行2s后停止，當小于系統(tǒng)給定值5kg時，電動推桿1#動作后復位，然后升降框（液壓推桿）上升到初始位置。合格的包裝箱運送到4#輸送帶上，在光電傳感器接受到信號后，輸送給plc，同時也輸送個信號給外部計數器（計數儀表），同時電動推桿3#動作，把包裝箱推到運貨小車2#上，當不合格的包裝箱在輸送帶2#上，在經過光電傳感器2#時，傳感器給plc個信號，推桿電機動作，把包裝箱推到小車1#上，然后復位。3 基于plc的生產線輸送帶控制系統(tǒng)硬件設計及選型生產線輸送帶控制系統(tǒng)主要由plc控制核心，輸入部分的傳感器，電機與液壓推桿等被控部分組成。以下是各個部分硬件設計及選型。3.1 可編程控制器plc的選型3.1.1 plc的組成結構plc 的一般結構如下圖所示，由圖可見主要有6個部分組成，包括cpu（中央處理器）、輸入/輸出接口電路、電源、外設接口、i/o擴展接口。 圖3-1 plc的組成結構其核心主要有cpu,i/o模塊,電源模塊以及它的存儲模塊，它們各自的特點如下：（1）cpuplc中的cpu是plc的核心，起神經中樞的作用，每臺plc至少有一個cpu，它按plc的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態(tài)或數據，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和plc內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路，與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯(lián)系的數據、控制及狀態(tài)總線構成，還有外圍芯片、總線接口及有關電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內存容量等。內存主要用于存儲程序及數據，是plc不可缺少的組成單元。cpu的控制器控制cpu工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制；cpu的運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作；cpu的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。（2）i/o模塊：plc的對外功能，主要是通過各種i/o接口模塊與外界聯(lián)系的，按i/o點數確定模塊規(guī)格及數量，i/o模塊可多可少，但其最大數受cpu所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。i/o模塊集成了plc的i/o電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。 （3）電源模塊： 有些plc中的電源，是與cpu模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為plc各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24v的工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流220vac或110vac，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24v。 （4）存儲模塊：plc的存儲器包括系統(tǒng)儲存器和用戶儲存器兩種。系統(tǒng)儲存器用于存儲系統(tǒng)程序，用戶存儲器用于存放plc的用戶程序?，F在的plc一般均采用可電擦除的e2prom存儲器來作為系統(tǒng)儲存器和用戶儲存器。3.1.2 plc的工作原理plc采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式：（1）每次掃描過程。集中對輸入信號進行采樣。集中對輸出信號進行刷新。（2）輸入刷新過程。當輸入端口關閉時，程序在進行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。（3）一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。（4）元件映象寄存器的內容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。（5）掃描周期的長短由三條決定：cpu執(zhí)行指令的速度；指令本身占有的時間；指令條數。（6）由于采用集中采樣。集中輸出的方式。存在輸入/輸出滯后的現象，即輸入/輸出響應延遲。plc與繼電器控制系統(tǒng)相比：（1）plc與繼電器控制系統(tǒng)相比:前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”，前者用“軟件”，后者用“硬件”。（2）由于plc是串行工作，所以plc的運行結果與梯形圖程序的順序有關，這與繼電器控制系統(tǒng)“并行”工作有質的區(qū)別。避免了觸點的臨界競爭，減少繁瑣的聯(lián)鎖電路。plc與微機相比:前者工作方式是“循環(huán)掃描”，后者工作方式是“待命或中斷”。plc的優(yōu)點是采用“軟繼電器”代替“硬繼電器”，用“軟件編程邏輯”代替“硬件布線邏輯”。plc編程語言有梯形圖、布爾助記符語言，等等。尤其前兩者為常用。由于plc是集中采樣，在程序處理階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入映象寄存器中的內容也不會變化，要到下一周期的輸入采樣階段才會改變。plc及有關設備應是集成的、標準的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用plc應是在相關工業(yè)領域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，plc的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定plc的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的plc和設計相應的控制系統(tǒng)。輸入輸出（i/o）點數的估算時應考慮適當的余量，通常根據統(tǒng)計的輸入輸出點數，再增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據。實際訂貨時，還需根據制造廠商plc的產品特點，對輸入輸出點數進行圓整。存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量i/o點數的1015倍，加上模擬i/o點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。plc還應注意以下功能的應用運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等。（1） 運算功能。簡單plc的運算功能包括邏輯運算、計時和計數功能；普通plc的運算功能還包括數據移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數運算、數據傳送等；大型plc中還有模擬量的pid運算和其他高級運算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現，目前在plc中都已具有通信功能，有些產品具有與下位機的通信，有些產品具有與同位機或上位機的通信，有些產品還具有與工廠或企業(yè)網進行數據通信的功能。設計選型時應從實際應用的要求出發(fā)，合理選用所需的運算功能。大多數應用場合，只需要邏輯運算和計時計數功能，有些應用需要數據傳送和比較，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數運算，數值轉換和pid運算等。要顯示數據時需要譯碼和編碼等運算。（2） 控制功能?？刂乒δ馨╬id控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應根據控制要求確定。plc主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高plc的處理速度和節(jié)省存儲器容量。例如采用pid控制單元、高速計數器、帶速度補償的模擬單元、asc碼轉換單元等。（3） 通信功能。大中型plc系統(tǒng)應支持多種現場總線和標準通信協(xié)議（如tcp/ip），需要時應能與工廠管理網（tcp/ip）相連接。通信協(xié)議應符合iso/ieee通信標準，應是開放的通信網絡。plc系統(tǒng)的通信接口應包括串行和并行通信接口（rs2232c/422a/423/485）、rio通信口、工業(yè)以太網、常用dcs接口等；大中型plc通信總線（含接口設備和電纜）應1：1冗余配置，通信總線應符合國際標準，通信距離應滿足裝置實際要求。plc系統(tǒng)的通信網絡中，上級的網絡通信速率應大于1mbps，通信負荷不大于60%。plc系統(tǒng)的通信網絡主要形式有下列幾種形式：1）pc為主站，多臺同型號plc為從站，組成簡易plc網絡；2）1臺plc為主站，其他同型號plc為從站，構成主從式plc網絡；3）plc網絡通過特定網絡接口連接到大型dcs中作為dcs的子網；4）專用plc網絡（各廠商的專用plc通信網絡）。為減輕cpu通信任務，根據網絡組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能的（如點對點、現場總線、工業(yè)以太網）通信處理器。（4） 編程功能。離線編程方式：plc和編程器公用一個cpu，編程器在編程模式時，cpu只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，cpu對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調試不方便。在線編程方式：cpu和編程器有各自的cpu，主機cpu負責現場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數據交換，編程器把在線編制的程序或數據發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調試和操作方便，在大中型plc中常采用。（5） 五種標準化編程語言：順序功能圖（sfc）、梯形圖（ld）、功能模塊圖（fbd）三種圖形化語言和語句表（il）、結構文本（st）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準（iec6113123），同時，還應支持多種語言編程形式，如c，basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。（6） 診斷功能。plc的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對plc內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過軟件對plc的cpu與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。plc的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。（7） 處理速度。plc采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應越快越好，如果信號持續(xù)時間小于掃描時間，則plc將掃描不到該信號，造成信號數據的丟失。處理速度與用戶程序的長度、cpu處理速度、軟件質量等有關。目前，plc接點的響應快、速度高，每條二進制指令執(zhí)行時間約0.20.4ls，因此能適應控制要求高、相應要求快的應用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應滿足：小型plc的掃描時間不大于0.5ms/k；大中型plc的掃描時間不大于0.2ms/k。3.1.3 機型的選擇（1） plc的類型。plc按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現場安裝和控制室安裝兩類；按cpu字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數選型。整體型plc的i/o點數固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型plc提供多種i/o卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的i/o點數，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。（2） 輸入輸出模塊的選擇。輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致?？筛鶕靡?，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程i/o機架等。（3） 電源的選擇。plc的供電電源，除了引進設備時同時引進plc應根據產品說明書要求設計和選用外，一般plc的供電電源應設計選用220vac電源，與國內電網電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果plc本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入plc，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。（4） 存儲器的選擇。由于計算機集成芯片技術的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求plc的存儲器容量，按256個i/o點至少選8k存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。（5） 控制單元的冗余選擇：重要的過程單元：cpu（包括存儲器）及電源均應1b1冗余。在需要時也可選用plc硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯系統(tǒng)等。（6） i/o接口單元的冗余?？刂苹芈返亩帱ci/o卡應冗余配置。重要檢測點的多點i/o卡可冗余配置。根據需要對重要的i/o信號，可選用2重化或3重化的i/o接口單元。（7） 經濟性的考慮。選擇plc時，應考慮性能價格比?？紤]經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產品。輸入輸出點數對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數增加到某一數值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數的增加對cpu選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。通過仔細計算，我所需數字量輸入端口為16個，一個模擬量輸入端口，16個數字量輸出端口，再加上從經濟和穩(wěn)定性上考慮，本系統(tǒng)采用西門子 s7-200，cpu為226的plc。而且需要一個模擬量輸入模塊，由于考慮到plc需要留有適量輸出端口余量，所以再加個數字量輸出擴展模塊。3.1.4 siemens s7-200 介紹德國西門子公司的plc在國際和國內具有很高的占有率，其主要產品有s5，s7，c7，m7及winac等幾個系列。其中，s7系列plc于1994年面世，是目前plc市場的主流產品，分為simatic s7-200，simatic s7-300和simatic s7-400幾個子系列。simatic s7-200系列plc是針對簡單控制系統(tǒng)而設計的小型plc，采用集成式，緊湊型結構，一般適用于i/o點數為100點左右的單機設備或小型應用系統(tǒng)。s7-200cn 是在simatic s7-200 的優(yōu)良品質和卓越性能基礎上專為中國用戶而開發(fā)的本土化產品，具有與simatic s7-200 相同的功能及技術指標。s7-200系列的小型一體化plc，既適用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電