基于PLC及WinCC的自動送料裝車控制系統(tǒng)設(shè)計

1、設(shè) 計 題 目： 自動送料裝車控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 校：院 系：設(shè) 計 人 員：指 導(dǎo) 教 師：1、 自動送料裝車控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要：該設(shè)計通過西門子小型PLC S7-200編程實現(xiàn)自動送料裝車系統(tǒng)的控制，通過上位機(jī)組態(tài)軟件WinCC實現(xiàn)其運(yùn)行過程的監(jiān)視，兩者通訊即實現(xiàn)對自動送料裝車控制系統(tǒng)的監(jiān)控。 關(guān)鍵字：西門子; PLC ;組態(tài)軟件; WinCC 2、 應(yīng)用背景基于PLC和組態(tài)軟件的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此自動化程度越來越高。電器控制技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求而

2、得到迅速發(fā)展的。 在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，減輕工人的勞動負(fù)擔(dān)要求整個工藝生產(chǎn)過程全盤自動化，這就離不開控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)是整個生產(chǎn)線的靈魂，對整個生產(chǎn)線起著指揮的作用。一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕者影響生產(chǎn)線的繼續(xù)進(jìn)行，重者甚至發(fā)生人生安全事故這樣將給企業(yè)造成重大損失。 送料小車是基于PLC控制系統(tǒng)來設(shè)計的控制系統(tǒng)的每一步動作都直接作用于送料小車的運(yùn)行，因此，送料小車性能的好壞與控制系統(tǒng)性能的好壞有著直接的關(guān)系。送料小車能否正常運(yùn)行、工作效率的高低都與控制系統(tǒng)密不可分。 所以對送料小車控制系統(tǒng)的設(shè)計要予以重視。 可編程序控制器是結(jié)合繼電接觸器控制和計算機(jī)技術(shù)而不斷發(fā)展完善

3、起來的一種自動控制裝置，具有編程簡單、使用方便、通用性強(qiáng)、可靠性高、體積小、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在自動控制領(lǐng)域應(yīng)用得十分廣泛。 該控制系統(tǒng)，根據(jù)實際要求利用PLC的實時控制和順序處理功能，完成系統(tǒng)控制，在本次論文中給出了控制系統(tǒng)的主電路圖及軟件設(shè)計。西門子S7-200可編程序控制器以其緊湊的設(shè)計及強(qiáng)大的功能作為小型PLC的代表有著很高的市場占有率。 組態(tài)軟件是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件支持各種工控設(shè)備和常見的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。西門子的WinCC是西門子H

4、MI的組成部分，也是組態(tài)軟件中的代表之一。 3、 設(shè)計內(nèi)容與要求本課題的主要設(shè)計內(nèi)容有:熟悉西門子PLC S7-200編程軟件STEP 7-Micro/WIN，根據(jù)控制過程分配IO口，應(yīng)用順序控制設(shè)計法先畫出描述系統(tǒng)控制過程的順序功能圖（Sequential Function Chart），繼而轉(zhuǎn)換為梯形圖在編程軟件中下載調(diào)試，實現(xiàn)預(yù)期功能后進(jìn)行軟件組態(tài)，設(shè)計出自動送料裝車系統(tǒng)的形象化監(jiān)控界面，最后PLC和WinCC通信，實現(xiàn)過程現(xiàn)場與上位機(jī)的良好人機(jī)交互（HMI）。 確定送料小車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,設(shè)計送料小車拖動電機(jī)的電器控制線路原理圖；確定送料小車控制系統(tǒng)PLC的型號規(guī)格，確定PLC

5、 I/O元件列出PLC I/O元件分配表，設(shè)計送料小車控制系統(tǒng)的PLC I/O接線圖，PLC程序的總體結(jié)構(gòu)圖和梯形圖，包括公用程序、控制程序、信號顯示和故障報警程序等 設(shè)計目的：1) 熟練掌握PLC的指令系統(tǒng)學(xué)會定時器、計數(shù)器和特殊繼電器在實際中的應(yīng)用。 2) 通過設(shè)計牢固掌握用功能表圖設(shè)計梯形圖的方法、步驟及繪制梯形圖所遵循的規(guī)則和設(shè)計技巧。學(xué)會時序控制程序的設(shè)計和調(diào)試方法。 3) 學(xué)會PLC輸入/輸出點(diǎn)的分配、接線。4、 可編程序控制器概述可編程序控制器(Programmable Controller)通常也可簡稱為可編程控制器,英文縮寫為PC或PLC,是以微處理器為基礎(chǔ),綜合了計算機(jī)技術(shù)

6、，自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。它具有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計簡單、靈活通用、維護(hù)方便的一系列的優(yōu)點(diǎn)，特別是它的高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力,更是得到了用戶的好評,因而在冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域中的到了越來越廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）4.1. 可編程控制器的特點(diǎn) 4.1.1. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)現(xiàn)代PLC采用了集成度很高的微電子器件大量的開關(guān)動作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成其可靠程度是使用機(jī)械觸點(diǎn)的繼電器所無法比較的。為了保證PLC能在惡劣的工業(yè)環(huán)璄下可靠工作，在其設(shè)計和制造過程中采取了一系列硬

7、件和軟件主面的抗干擾措施。硬件主面采取的主要措施有： 1) 隔離-PLC的輸入、輸出接口電路一般都采用光電耦合器來傳遞信號這種光電隔措施使外部電路與PLC內(nèi)部之間完全避免了電的聯(lián)系，有效的抑制了外部的干擾源對PLC的影響還可防止外部強(qiáng)電竄入內(nèi)部CPU。 2) 濾波-在PLC電路電源和輸入、輸出(I/O)電路中設(shè)置多種濾波電路可有效抑制高頻干擾信號。 3) 在PLC內(nèi)部對CPU供電電源采取屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施防止干擾信號通過供電電源進(jìn)入PLC內(nèi)部另外各個輸入、輸出I/O接口電路的電源彼此獨(dú)立以避免電源之間的互相干擾。 4) 內(nèi)部設(shè)置連鎖、環(huán)璄檢測與診斷等電路，一旦發(fā)生故障立即報警。 5) 外部

8、采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)惡劣的工作環(huán)璄。 在軟件方面采取的主要措施有：1) 設(shè)置故障檢測與診斷程序每次掃描都對系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)璄和故障進(jìn)行檢測與診斷發(fā)現(xiàn)出錯后立即自動做出相應(yīng)的處理以適應(yīng)惡劣的工作環(huán)璄。 2) 對用戶程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行電池后備,以保障停電后有相關(guān)狀態(tài)及信息人不會因此而丟失。 采用以上抗干擾措施后一般PLC的抗電平干擾強(qiáng)度可達(dá)峰值1000V脈寬10US其平均無故障時間可高達(dá)30-50萬小時以上。 4.1.2. 編程簡單易學(xué) PLC采用與繼電器控制線路圖非常接近的梯形圖作為編程語言它既有繼電器電路清淅直觀的特點(diǎn)又充分考慮到電氣工人和技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣對于

9、使用者來說幾乎不需要專門的計算機(jī)知識因此易學(xué)易懂程序改變也容易修改。4.1.3. 功能完善，適應(yīng)性強(qiáng) 目前PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和模塊化不僅具有邏輯運(yùn)算、計時、計數(shù)、順序控制等功能還具有 A/D、D/A轉(zhuǎn)換、算術(shù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等功能。它能根椐實際需要，方便靈活地組裝成大小各異、功能不一的控制系統(tǒng)既可控制一臺單機(jī)、一條生產(chǎn)線、以可以控制一個機(jī)群、多條生產(chǎn)線；既可以現(xiàn)場控制，以可以遠(yuǎn)程控制。 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號如交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電流或電壓、脈沖或電位、強(qiáng)電或弱電等PLC都有相應(yīng)的I/O接口模塊與工業(yè)現(xiàn)場控制器件和設(shè)備直接連接，用戶可以根據(jù)需要方便地進(jìn)行

10、配置，組成實用、緊湊的控制系統(tǒng)。4.2. 可編程控制器的編程語言PLC的編程語言有梯形圖語言、助記符語言、流程圖語言和布爾代數(shù)語言等。其中前兩種語言用得較多流程圖語言也在許多場合被采用。在此介紹梯形圖語言和助記符語言的編程及其特點(diǎn)。 4.2.1. 梯形圖語言 梯形圖結(jié)構(gòu)沿用繼電控制原理圖的形式，采用了常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、線圈和功能快等結(jié)構(gòu)的圖形語言。對于同一控制電路，繼電控制原理圖和梯形圖的輸入/輸出信號基本相同，控制過程等效。二者的區(qū)別在于繼電控制原理圖使用的是硬件繼電器和定時器，靠硬件連接組成控制線路而PLC梯形圖使用的是內(nèi)部繼電器、定時器和計數(shù)器靠軟件實現(xiàn)控制。因此，PLC的使用具有很高

11、的靈活性，程序修改過程非常方便。梯形圖按行從上到下、每行從左到右的順序編寫。PLC執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致。圖左、右兩邊的垂直線分別稱為起始母線和終止母線。每一邏輯行必須從起始母線開始畫起終止母線可以省略。 梯形圖中的觸點(diǎn)有兩種，即常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)。這些觸點(diǎn)可以是PLC的輸入觸點(diǎn)或內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)，也可以是內(nèi)部繼電器、定時器/計數(shù)器的狀態(tài)。同一標(biāo)記的觸點(diǎn)可以反復(fù)使用次數(shù)不限。這是因為每一觸點(diǎn)的狀態(tài)存入PLC內(nèi)的存儲單元中，可以反復(fù)讀/寫。傳統(tǒng)繼電器控制中的每個開關(guān)均對應(yīng)一個物理實體，故使用次數(shù)有限。這是PLC優(yōu)于傳統(tǒng)控制的優(yōu)點(diǎn)之一。 梯形圖的最右側(cè)必須連接輸出元素。PLC的輸出元素用圓圈

12、表示。機(jī)型不同輸出元素表示有些區(qū)別。同一輸出變量只能使用一次。 梯形圖中的觸點(diǎn)可以任意串、并聯(lián)而輸出線圈只能并聯(lián)不能串聯(lián)。 程序結(jié)束時要有結(jié)束符，一般用“END”表示。 利用計算機(jī)編程時只要按梯形圖的編寫順序把邏輯行輸入計算機(jī)，按下傳給PLC即可。也可以將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符語言，經(jīng)編程器逐句輸入PLC。 助記符語言是PLC的命令語句表達(dá)式。用梯形圖變成雖然直觀、簡便但要求PLC配置較大的顯示器方可輸入圖形符號這在有些小機(jī)型上長難以滿足故需借助助記符語言。應(yīng)該指出的是不同型號的PLC，其助記符語言也不同，但其基本原理是相近的。編寫時一般先根據(jù)要求編制梯形圖，然后再根據(jù)梯形圖轉(zhuǎn)換成助記符語言。5、

13、 PLC控制送料小車的設(shè)計5 .1自動送料小車概述 自動送料小車系統(tǒng)是用于物料輸送的流水線設(shè)備，主要是用于煤粉、細(xì)砂等材料的運(yùn)輸。自動送料小車系統(tǒng)一般是由給料器、傳送帶、小車等單體設(shè)備組合來完成特定的過程。這類系統(tǒng)的控制需要動作穩(wěn)定，具備連續(xù)可靠工作的能力。 送料小車控制系統(tǒng)采用了PLC控制。從送料小車的工藝流程來看，其控制系統(tǒng)屬于自動控制與手動控制相結(jié)合的系統(tǒng)，因此，此送料小車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計具有手動和自動兩種工作方式。在程序設(shè)計上采用了模塊化的設(shè)計方法，這樣就省去了工作方式程序之間復(fù)雜的連鎖關(guān)系，從而在設(shè)計和修改任何一種工作方式的程序時，不會對其他工作方式的程序造成任何影響，使得程序的設(shè)計

14、，修改和故障查找工作大為簡化。 程序設(shè)計本程序設(shè)計的關(guān)鍵是處理好呼叫按鈕和到位開關(guān)的位置關(guān)系，為此我們采用了將每個位置的行程開關(guān)與每個位置的按鈕記錄到數(shù)據(jù)寄存器中去。如將送料小車當(dāng)前位置送到數(shù)據(jù)寄存器DO中，將呼叫工作臺號送數(shù)據(jù)寄存器Dl中，然后通過比較DO與Dl中的數(shù)據(jù)，決定送料小車運(yùn)行方向和達(dá)到的目標(biāo)位置。 6、 自動送料裝車控制系統(tǒng)工作過程初始狀態(tài)：綠燈（L2）(QO.6)亮，紅燈（L1）(Q0.5)滅，表示允許汽車開進(jìn)裝料，此時，進(jìn)料閥門（K1），料斗閥門（K2），電動機(jī)（M1，M2，M3）皆為OFF狀態(tài)。 當(dāng)汽車到來時，檢測開關(guān)S3（I0.0）接通（負(fù)載板上未設(shè)，可從通用器件板選?。?/p>

15、，紅色信號燈L1亮，綠色L2滅（表示其他汽車不能開進(jìn)），傳送帶驅(qū)動電動機(jī)M3(Q0.0)（下層）運(yùn)行；2s后，電動機(jī)M2(Q0.1)（中層）運(yùn)行；再經(jīng)過2s，M1(Q0.2)（上層）運(yùn)行，依次順序起動送料系統(tǒng)。 電動機(jī)M3（下層）運(yùn)行后，進(jìn)料閥門K1(Q0.3)打開料斗進(jìn)料，料斗裝滿時，檢測開關(guān)S1=1(I0.2)接通，進(jìn)料閥門K1關(guān)閉（設(shè)1料斗物料足夠裝滿1車）；料斗出料閥門K2(Q0.4)在M1（上層）運(yùn)行及料斗滿（S1=1）后，打開放料，物料通過傳送帶的傳送，裝入汽車。 當(dāng)裝滿汽車后，稱重開關(guān)S2(I0.1)動作，料斗出料閥門K2關(guān)閉，同時電動機(jī)M3（下層）斷電停止，2s后M2停止，再過

16、2s，M1（上層）停止，綠燈L2亮，紅燈L1滅，表示汽車可以開走。 備注：檢測汽車到來的開關(guān)S3為啟動按鈕，可現(xiàn)場手動S3或通過上位機(jī)（啟動按鈕S4）開啟，檢測料斗裝滿的開關(guān)S1和稱重開關(guān)S2的動作由模擬現(xiàn)場的操作板內(nèi)部電路控制，無需增設(shè)按鈕。6. 自動送料裝車組成系統(tǒng)本系統(tǒng)由計算機(jī)、裝車系統(tǒng)現(xiàn)場控制柜、3臺皮帶傳輸送料電機(jī)及位置檢測裝置組成。上位機(jī)計算機(jī)安裝在控制室，用以收發(fā)并顯示裝車現(xiàn)場的信號，記錄、 存儲、 顯示和控制現(xiàn)場的運(yùn)行狀態(tài)。裝車系統(tǒng)現(xiàn)場控制柜安裝在生產(chǎn)線現(xiàn)場， 電機(jī)及位置傳感器等安裝在裝車系統(tǒng)現(xiàn)場，受現(xiàn)場控制柜控制?？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖1所示。 圖16. 系統(tǒng)的IO口連接圖根據(jù)系

17、統(tǒng)的控制要求，系統(tǒng)的輸入點(diǎn)數(shù)為3，輸出點(diǎn)數(shù)為7，相應(yīng)的IO分配圖如下：圖2PLC軟件編程IO端口分配符號表：圖36. 控制系統(tǒng)梯形圖圖46. 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計為將PLC中的變量提供給組態(tài)軟件WinCC使用，必須進(jìn)行PLC和WinCC的通信，利用西門子的S7-200 PC ACCESS軟件可以方便的實現(xiàn)兩者通信。PC Access 軟件是專用于S7-200 PLCs 的OPC Server（服務(wù)器）軟件，它向OPC 客戶端提供數(shù)據(jù)信息，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC Client（客戶端）通訊。 PC Access 軟件自帶OPC 客戶測試端，用戶可以方便的檢測其項目的通訊及配置的正確性。 在PLC編

18、程軟件菜單中打開S7-200 PC ACCESS，新建一PLC連接，將PLC中的外部變量導(dǎo)入，之后在WinCC Explorer的“變量管理”右擊“新建系統(tǒng)連接”“系統(tǒng)參數(shù)”選中之前的外部變量導(dǎo)入即完成了PLC和WinCC的連接，之后組態(tài)軟件的圖形化界面就可以調(diào)用這些變量，效果如圖6所示： 圖5 S7-200 PC ACCESS變量連接 7、 聯(lián)機(jī)測試運(yùn)行過程及監(jiān)控畫面如下：1、初始狀態(tài)：綠燈亮，表示車允許開進(jìn)裝料； 2、車剛進(jìn)入，紅燈亮，表示禁止其他車進(jìn)入，下層傳送電動機(jī)M3最先起動，3、下層電動機(jī)啟動后2s中層電動機(jī)M2開始起動， 4、最上層電動機(jī)M1起動，同時K1亮，表示料斗開始進(jìn)料； 5、S1瞬亮一下，表示料斗已裝滿料，K1進(jìn)料口滅， K2出料口亮； 6、稱重開關(guān)S2亮，表示車已裝滿料，同時出料口K2滅，下層電動機(jī)M3最先停轉(zhuǎn)； 7、下層電動機(jī)M3停轉(zhuǎn)后2s，中層電動機(jī)M2也停轉(zhuǎn)； 8、最上層電動機(jī)M1停轉(zhuǎn)，綠燈亮，允許車開走，回到初始狀態(tài)。 監(jiān)控畫面上的“啟動”按鈕可遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的起動，“退出”按鈕可隨時退出組態(tài)監(jiān)控畫面。8、 總結(jié)PLC和WinCC組合使用實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動控制，操作者可以在主控室遠(yuǎn)距離操作現(xiàn)場設(shè)備，并可監(jiān)視現(xiàn)場的運(yùn)行情況。自己通過這次實驗，不僅