課程設計（論文）基于西門子PLC S7200的自動化電鍍生產線控制設計

1、摘 要文章探討了如何利用德國西門子 plc s7-200 進行自動化電鍍生產線控制，在本次設計中，我們從自動控制技術器件在國內的應用前景及電鍍生產線生產現(xiàn)場的環(huán)境來考慮，以使該生產線真正具備自動生產運行為目的，制定了采用在當前及以后都應用廣泛且能適應多種環(huán)境的可編程控制器來控制整個整個工作流程的方案。重點分析了系統(tǒng)軟硬件設計部分，并給出了系統(tǒng)硬件接線圖、plc 控制i/o 端口分配表以及整體程序流程圖等，實現(xiàn)了電鍍生產自動化，提高了生產效率，降低了勞動強度。電鍍行車生產線自動化結合其他行業(yè)自動控制技術的應用情況，提出了基于 plc 的電鍍行車自動生產線的設計，并通過應用機械、可編程序控制器(p

2、lc)等多項專門技術開發(fā)的自動生產系統(tǒng)。關鍵詞：plc；電鍍目 錄第 1 章 緒論.11.1 電鍍生產線的控制系統(tǒng)概述與選題背景意義 .11.1.1 基于 plc 電鍍生產線的控制系統(tǒng)的概述 .11.1.2 課題的選題背景及意義 .11.2 plc 的發(fā)展和歷史趨勢 .21.3 plc 的分類 .21.4 plc 系統(tǒng)組成及各部分的功能 .31.5 plc 的基本工作原理 .3第 2 章 課程設計的方案.5第 3 章 硬件設計.63.1 plc 機型選擇 .63.2 i/o 分配表及其端子接線圖 .63.3 主電路的設計 .8第 4 章 軟件設計.104.1 軟件的組成及作用 .104.1.1

3、 plc 內部資源 .104.1.2 plc 編程語言 .104.2 電鍍生產線的工作流程圖 .12第 5 章 系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析.18第 6 章 課程設計總結.錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。參考文獻.21第 1 章 緒論1.1 電鍍生產線的控制系統(tǒng)概述與選題背景意義1.1.1 基于 plc 電鍍生產線的控制系統(tǒng)的概述電鍍行車生產線自動化的程度在德國、意大利、美國等國家的發(fā)展水平已經較高，而在我國尚處在發(fā)展階段。中國經濟的高速發(fā)展，工業(yè)化進程的不斷深化，為自動化行業(yè)的迅猛發(fā)展提供了廣闊的空間。電鍍行業(yè)是我國重要的加工行業(yè)。工業(yè)電鍍生產線工位多、生產復雜，同時在電鍍中，其氧化、

4、酸洗、堿洗、電鍍等許多工藝具有嚴重的化學污染和腐蝕，對人的身心健康十分不利，而且人工操作隨機性大，影響產品質量。傳統(tǒng)的方法是使用順序控制器，由于其電路復雜，接口多，受外界干擾大，工作可靠性差，維護也困難。采用 plc 有較完善的診斷和自保護能力，可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的可靠性。1.1.2 課題的選題背景及意義電鍍就是利用電解的方式使金屬或合金沉積在工件表面，以形成均勻、致密、結合力良好的金屬層的過程。簡單的理解，是物理和化學的變化和結合。隨著工業(yè)化生產的不斷細分，新工藝新材料的不斷涌現(xiàn)，在實際產品得到應用的設計效果也日新月異，電鍍是我們在設計中經常要涉及到的一種工藝，而電鍍效果是我

5、們使用時間較長，工藝也較為成熟的一種效果。對于這種工藝的應用在我們的產品上已經非常多，而通過這種的處理我們通?？梢缘玫揭恍┙饘偕珴傻男Ч绺吖?、亞光等，搭配不同的效果構成產品效果的差異性，通過這樣的處理為產品的設計增加一個亮點。電鍍工藝的應用我們一般作以下用途：a)防腐蝕 b)防護裝飾 c)抗磨損 d)電性能（根據(jù)零件工作要求，提供導電或絕緣性能的鍍層）e)工藝要求。一件電鍍產品的質量除了要有好的成熟的電鍍工藝和品質好的鍍液添加劑外，如何保證電鍍產品嚴格按照電鍍工藝流程運行和保證產品的電鍍時間則是決定電鍍產品質量和品質的重要因素。在電鍍生產線上采用自動化控制不但可以使電鍍產品的質量和品質得到

6、嚴格的保證，有效的減少廢品率，而且還可以提高生產效率和減輕工人的勞動強度，有著非常好的經濟效益和社會效益，電鍍生產線上對行車的自動控制則是電鍍生產線自動化控制的關鍵。電鍍生產線按照其工藝要求和規(guī)模一般設計有兩臺行車、三臺行車和四臺行車工作，每臺行車都根據(jù)已編制好的各自的程序運行；對于行車的自動控制，早期是采用繼電器邏輯電路和順序控制器，發(fā)展至今其控制方式已采用可編程控制器 plc 作為核心控制部件，其控制更為安全、可靠、方便、靈活，自動化程度更高。用 plc 輔以變頻器對電鍍自動生產線行車進行自動控制，具有結構簡單、編程方便、操作靈活、使用安全、工作穩(wěn)定、性能可靠和抗干擾能力強的特點，是一種很

7、有效的自動控制方式，是電鍍生產實現(xiàn)高效、低成本、高質量自動化生產的發(fā)展方向。1.2 plc 的發(fā)展和歷史趨勢二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（programmable logic controller，plc）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，plc 得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，plc 的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，plc 在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的 plc 不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。 在現(xiàn)實生活中相同 i/o 點數(shù)的系統(tǒng)，用 p

8、lc 比用 dcs，其成本要低一些（大約能省 40%左右） 。plc 沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比 dcs 要低很多。一個 plc 的控制器，可以接收幾千個 i/o 點（最多可達8000 多個 i/o） 。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用 plc 較為合適。plc 由于采用通用軟件，在設計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近 10 年來，隨著 plc 價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用 plc 進行控制，plc 在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經濟的高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內 plc 在我國仍將保

9、持高速增長勢頭。1.3 plc 的分類plc 產品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對 plc 的分類可以根據(jù)結構、功能的差異等進行大致分類。plc 按其 i/o 點數(shù)多少一般可分為以下 4 類：1、微型 plc：i/o 點數(shù)小于 64 點的 plc 為超小型或微型 plc。2、小型 plc：i/o 點數(shù)為 256 點以下，用戶程序存儲容量小于 8kb 的為小型plc。3、中型 plc：i/o 點數(shù)在 5122048 點之間的為中型 plc。4、大型 plc：i/o 點數(shù)為 2048 點以上的為大型 plc。它具有極強的軟件和硬件功能、自診斷功能、通信聯(lián)網功能，它可以構成三級通信網，實現(xiàn)工廠生

10、產管理自動化。1.4 plc 系統(tǒng)組成及各部分的功能1、中央處理處單元（cpu） cpu 的主要任務是控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接收和儲存。 2、存儲器 分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶存儲器。 系統(tǒng)程序存儲器用以存放系統(tǒng)程序，包括管理程序，監(jiān)控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器、rom 組成。廠家使用的，內容不可更改，斷電不消失。 用戶存儲器：分為用戶程序存儲區(qū)和工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。由隨機存取存儲器（ram）組成。3、輸入/輸出單元 (1) 輸入單元： 輸入接口電路工作過程：當開關合上，二極管發(fā)光，然后三極管在光的照射下導通，向內部電路輸入信號。當開關斷開，二極管不發(fā)光，三極管不導通。向

11、內部電路輸入信號。也就是通過輸入接口電路把外部的開關信號轉化成 plc 內部所能接受的數(shù)字信號。 (2) 輸出單元 輸出接口工作過程：當內部電路輸出數(shù)字信號為高電平，有電流流過，繼電器線圈有電流，然后常開觸點閉合，提供負載導通的電流和電壓。當內部電路輸出數(shù)字信號為低電平，則沒有電流流過，繼電器線圈沒有電流，然后常開觸點斷開，斷開負載的電流或電壓。也就是通過輸出接口電路把內部的數(shù)字電路化成一種信號使負載動作或不動作。 1.5 plc 的基本工作原理 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

12、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。 （1）cpu 執(zhí)行指令的速度（2）指令本身占有的時間（3）指令條數(shù)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(xiàn)象，即輸入/輸出響應延遲。第 2 章 課程設計的方案摘要中所述，電鍍的工作流程(如圖 2.1)：啟動吊鉤上升上限行程開關閉合右行至 1 號槽上方xk1 行程開關閉合吊鉤下降進入 1 號槽下限行程開關閉合電鍍延時吊鉤上升，由 2 號

13、槽內吊鉤上升，然后左行至左限位，吊鉤下降至原位，即原位。按照要求，我們要實現(xiàn)以下工作方式：1、原位：表示設備處于初始狀態(tài)，吊鉤在下限位置，行車在左限位置。2、連續(xù)工作：當?shù)蹉^回到原點后，延時一段時間（裝卸零件） ，自動上升右行，按照工作流程要求不停的循環(huán)。3、 單周期工作：設備始于原點，按下啟動按鈕，設備工作一個周期，然后停于原點，要重復第二個工作周期，必須再按一下啟動按鈕。左限 右限上限下限i 限位ii 限位原位電鍍槽 1電鍍槽 2圖 2.1 系統(tǒng)流程框圖第 3 章 硬件設計3.1 plc 機型選擇根據(jù)自動化電鍍生產線的控制要求，我們采用了德國西門子 plc s7-200 cpu224 型號

14、，此類型 plc 無論獨立運行，還是聯(lián)接網絡都能完成各種控制任務。它的使用范圍可以覆蓋從替代繼電器的簡單控制到復雜的自動控制。其應用領域包括各種機床、紡織機械、塑料機械、電梯等行業(yè)。s7-200 cpu224 通訊功能完善，具有極高的性能價格比是很突出的特點，也是我們采用它的主要原因。 plc為此系統(tǒng)的控制核心，此系統(tǒng)的輸入信號是多種行程開關，這些面板按鈕信號和傳感器信號作為 plc 的輸入變量，經過 plc 的輸入接口輸入到內部數(shù)據(jù)寄存器， 然后在 plc 內部進行邏輯運算或數(shù)據(jù)處理后，以輸出變量的形式送到輸出接口，從而驅動電機來控制行車的運行和吊鉤的升降3.2 i/o 分配表及其端子接線圖

15、在本次系統(tǒng)設計中，我們定義的 i/o 分配表(如表 3-1)。將 6 個輸入信號和4 個輸入信號按各自的功能類型分好，并與 plc 的 i/o 點一一對應。數(shù)字量擴展模塊的地址分配是從最靠近 cpu 模塊的數(shù)字量模塊開始，在本機數(shù)字量地址的基礎上從左到右按字節(jié)連續(xù)遞增，本模塊高位實際位數(shù)未滿 8 位的，未用位不能分配給 i/o 鏈的后續(xù)模塊，模擬量擴展模塊的地址是從最靠近 cpu 模塊的模擬量模塊開始，在本機模擬量地址的基礎上從左到右按字遞增。我們定義的 i/o 端子接線圖(如圖 3.1)。由圖表可以看出,plc 控制系統(tǒng)的輸入信號有 6 個，均為開關量。plc 控制系統(tǒng)的輸出信號有 4 個。

16、 表 3-1 i/o 分配表序 號輸 入序 號輸 出1i0.0啟動1q0.0前進2i0.1i 限位2q0.1后退3i0.2ii 限位3q0.2上升4i0.3下限位4q0.3下降5i0.4上限位6i0.5原位7i0.6無8i0.7無ac fu220v啟動 i 限位 ii 限位 下限位 上限位 原位 24v前進 后退上升下降i1.0i1.0 q0.0q0.0i1.1i1.1 q0.1q0.1i1.2i1.2 q0.2q0.2i1.3i1.3 q0.3q0.3i1.4i1.4i1.5i1.5i1.6i1.6i1.7i1.71m1m 1l1l2m2m 2l2ls7-200 cpu224圖 3.1 i/

17、o 端子接線圖3.3 主電路的設計電氣原理圖是根據(jù)電氣控制系統(tǒng)的工作原理，采用電器元件展開的形式，利用圖形符號和項目符號表示電路各電器元件中導電部件和接線端子連接關系的電路圖。電氣原理圖并不按電器元件實際布置來繪制，而是根據(jù)它在電路中所起的作用畫在不同的部位上。電氣原理圖具有結構簡單、層次分明的特點，適合研究和分析電路工作原理，在設計研發(fā)和生產現(xiàn)場等方面得到廣泛應用。電氣原理圖一般分為主電路和輔助電路兩部分，在本次設計中我們著重分析了主電路圖。在本設計中，根據(jù)電鍍生產線的工藝要求，只需用兩臺電機分別控制吊鉤的上升、下降和行車的左行、右行。主電路如圖 3.2。l1l2l3m133m2fu1fu2

18、km1km2km3km4fr1fr2qs圖 3.2 中，接觸控制電動機 m1 的正、反轉，實現(xiàn)吊鉤的上升和下降，接觸器控制電動機 m2 的正、反轉，實現(xiàn)行車的前進和后退。圖 3.2 電鍍生產線主電路圖第 4 章 軟件設計4.1 軟件的組成及作用4.1.1 plc 內部資源內部根據(jù)軟元件的功能不同，分成了許多區(qū)域，如輸入/輸出繼電器區(qū)、定時器區(qū)、計數(shù)器區(qū)、特殊繼電器區(qū)等。下面分別介紹下。1、定時器：電氣自動控制的大部分領域都需要用定時器進行時間控制，靈活地使用定時器可以編制出復雜動作的控制程序。它是 plc 中重要的編程元件，是累計時間增量的內部器件。定時器的工作過程與繼電-接觸器控制系統(tǒng)的時間

19、繼電器基本相同，但它沒有瞬動觸點。使用時要提前輸入時間預設值。當定時器的輸入條件滿足時開始計時，當前值從 0 開始按一定的時間單位增加；當定時器的當前值達到預設值時，定時器觸點動作。利用定時器的觸點就可以得到控制所需的延時時間。2、計數(shù)器：計數(shù)器可用來累計輸入脈沖的個數(shù)，經常用于對產品進行計數(shù)或者進行特定功能的編程。使用時要提前輸入它的特定植。當輸入觸發(fā)條件滿足時，計數(shù)器開始累計它的輸入端脈沖電位上升延的次數(shù)，當計數(shù)器計數(shù)達到預定的設定值時，其常開觸點閉合，常閉觸點斷開。3、輸入繼電器：輸入繼電器一般都有一個 plc 的輸入端子與之對應，它用于接受外部的開關信號。當外部的開關信號為閉合時，輸入

20、繼電器的線圈得電，在程序中常開觸點閉合，常閉觸點斷開。4、輸出繼電器：輸出繼電器一般都有一個 plc 上的輸出端子與之對應。當通過程序使得輸出繼電器線圈得電時，plc 上的輸出端開關閉合，它可以作為控制外部負載的開關信號。同時在程序中其常開觸點閉合，常閉觸點斷開。5、內部位存儲器：內部位存儲器的作用和繼電-接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器相同，它在 plc 中沒有輸入/輸出端與之對應，因此它的觸點不能驅動外部負載，這是與輸出繼電器的主要區(qū)別。它主要起邏輯控制作用。以上幾個是我們在本次系統(tǒng)設計的過程中可能需要用到的 plc 軟元件，另外plc 還有很多其它的軟元件。4.1.2 plc 編程語言plc

21、 是通過運行編寫的用戶程序實現(xiàn)控制任務的。plc 中的程序由系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分組成，系統(tǒng)程序由 plc 生產廠家提供，它支持用戶程序的運行；用戶程序是用戶為完成特定的控制任務而編寫的應用程序。s7-200 系列 plc 的編程語言非常豐富，有梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖等，用戶可以選擇一種編程語言，如果需要，也可混合使用幾種語言編程。這些編程語言都是面向用戶的，它使控制程序的開發(fā)、輸入、調試和修改工作大大簡化。我們在本次設計中選擇梯形圖編程。以下我們詳細介紹下梯形圖的概念。梯形圖左邊有一條垂直的線稱作左母線，右邊一條虛線稱為右母線。母線之間是觸點的邏輯連接和線圈的輸出。plc 梯

22、形圖具有以下一些特點：1、plc 的梯形圖是“從上到下”按行繪制的，兩側的豎線類似電氣控制圖的電源線，通常稱做母線（bus bar），大部分梯形圖只保留左母線；梯形圖的每一行是“從左到右”繪制，左側總是輸入接點，最右側為輸出元素，觸點代表邏輯“輸入”條件，如開關、按紐、內部條件等；線圈通常代表邏輯“輸出”結果，如指示燈、接觸器、中間繼電器、電磁閥等。對 s7-200 系列的 plc 來說，還有一種輸出“盒”（功能框），它代表附加的指令，如定時器、計數(shù)器或數(shù)學運算等功能指令。2、電氣控制電路左右母線為電源線，中間各支路都加有電壓，當支路接通時，有電流流過支路上的觸點與線圈。梯形圖中的假想電流在圖

23、中只能作單方向的流動，即只能從左向右流動。層次改變（接通的順序）也只能先上后下，與程序編寫時的步序號是一致的。3、梯形圖中的輸入接點如 i1.0、i0.1 等，輸出線圈 q0.0、q0.1 等不是物理接點和線圈，而是輸入、輸出存儲器中輸入、輸出點的狀態(tài)，并不是接線時現(xiàn)場開關的實際狀態(tài)；輸出線圈只對應輸出映像區(qū)的相應位，該位的狀態(tài)必須通過i/o 模塊上對應的輸出單元才能驅動現(xiàn)場執(zhí)行機構。4、梯形圖中使用的各種 plc 內部器件，如輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等，也不是真的電器元件，但具有相應的功能，因此通常按電氣控制系統(tǒng)中相應器件的名稱稱呼它們。梯形圖中每個繼電器和觸點均為 plc 存儲器中的一位

24、，相應位為“1”，表示繼電器線圈通電、常開接點閉合或常閉接點斷開；相應位為“0”，表示繼電器線圈斷電、常開接點斷開或常閉接點閉合。5、梯形圖中的繼電器觸點既可常開，又可常閉，其常開、常閉觸點的數(shù)目理論上是無窮多個（受存儲容量限制），也不會磨損，因此，梯形圖設計中，可不考慮觸點數(shù)量，這給設計者帶來很大方便。對于外部輸入信號，只要接入一個信號到 plc 即可。6、電氣控制電路中各支路是同時加上電壓并行工作的，而 plc 是采用循環(huán)掃描方式工作，梯形圖中各元件是按掃描順序依次執(zhí)行的，是一種串行處理方式。由于掃描時間很短（一般不過幾十毫秒），所以控制效果同電氣控制電路是基本相同的。但在設計梯形圖時，對

25、這種并行處理與串行處理的差別有時候應予注意，特別是那些在程序執(zhí)行階段還要隨時對輸入、輸出狀態(tài)存儲器進行刷新操作的plc，不要因為對串行處理這一特點考慮不夠而引起偶然的誤操作。4.2 電鍍生產線的工作流程圖我們根據(jù)設計要求繪制了整個系統(tǒng)的工作流程圖，以便可以更清楚的認識該生產線的生產全過程，整個系統(tǒng)的工作流程圖，如圖 4.1 所示。行車動作無非就是上下左右受控移動，按照指定的順序(即動作表)完成一系列的動作。要求有幾套動作表可以選擇，動作可以靜態(tài)修改，也可以在運行時由上位機動態(tài)修改。在這里，我們把行車的一個動作定義為：“到幾號工位上升，再到幾號工位下降”，或者是“延時幾秒”，每個動作表由若干個動作字組成，放在 plc 的數(shù)據(jù)寄存器里，動作表由 plc 程序初始化，也可以在運行時通過串行通訊由上位機讀取和修改，plc 程序在運行時只是不斷地解釋和執(zhí)行動作表。是 否開 始初 始 化是否停止 ？電 鍍 槽 1電 鍍 槽 2工 件 上 線圖 4.1 電鍍生產線工作流程圖為實現(xiàn)上述工作流程圖的工作工藝編寫順序工作梯形圖。 啟動。 上升至觸動上限位開關，停止上升，水平移動。水平移動至觸動 i 限位開關，開始下降。 進入電鍍槽1，進行電鍍，t37 計時器開始計時。計時結束。自動上升，直至觸動，上限位開關，水平移動 水平移動，觸動 ii 限位開關，下降，進行