飲料罐裝生產流水線PLC控制系統(tǒng)設計

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與計算機系統(tǒng)相比，PLC安裝不需要特殊機房和嚴格的屏蔽。使用時只要各種器件連接無誤，系統(tǒng)便可工作，各個模件上設有運行和故障指示裝置，便于查找故障，大多數(shù)模件可以帶電插拔，模件可更換，使用戶可以在最短的時間內查出故障，并排除，最大限度地壓縮故障停機時間，使生產迅速恢復。然后再對故障模件進行修復，這對大規(guī)模生產場合尤為適宜。一些PLC外殼由可在不良工作環(huán)境下工作的合金組成，結構簡單，上面帶有散熱槽，在高溫下，該外殼不像塑料制品那樣變形，還可抗無線電頻率(RF高頻)電磁干擾、防火等。(7)運行速度快：隨著微處理器的應用，使PLC的運行速度增快，使它更符合處理高速度復雜的控制任務，它與微型計算機之間的差別不是很明顯。(8)總價格低PLC的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應地降低了價格。另外，采用PLC還可以大大縮短設計、編程和投產周期，使總價格進一步降低。PLC系統(tǒng)與工業(yè)總線計算機和DCS系統(tǒng)相互滲透，互為借鑒，相互競爭而發(fā)展。促進了工業(yè)的進步。PLC產品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需要。1.3可編程控制器的發(fā)展趨勢PLC的發(fā)展也是與計算機技術、控制技術、數(shù)字技術、通信網絡技術等高新技術的發(fā)展息息相關，正是這些高新技術的發(fā)展推動了可編程控制器的發(fā)展。從控制功能來看，可編程控制器的發(fā)展大致經歷了4個階段：(1)初級階段：從第一臺PLC問世到20世紀70年代中期由于第一代PLC是為了取代繼電器的，因此，主要功能是邏輯運算和計時、計數(shù)功能。CPU由中小規(guī)模數(shù)字集成電路構成。主要產品有：MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。第一階段就采用了梯形圖語言作為編程方式，盡管有些枯燥，但卻形成了工廠的編程標準；(2)擴展階段：從20世紀70年代中期到70年代末期這一階段PLC產品的控制功能得到很大擴展。擴展的功能包括數(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)的比較和運算、模擬量的運算等功能。這一階段的產品有MODICON的184，284，384，西門子公司的SIMATICS3系列，富士電機公司的SC系列產品；(3)通信階段：20世紀70年代末期到80年代中期這一階段產品與計算機通信的發(fā)展有關，形成了分布式通信網絡。但是，由于各制造商各自為政，通信系統(tǒng)也是各有各的規(guī)范。由于在很短的時間內，PLC就已經從汽車行業(yè)迅速擴展到其它行業(yè)，作為繼電器的替代品進入了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業(yè)。其次，產品功能也得到很大的發(fā)展。同時，可靠性進一步提高。這一階段的產品有西門子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士電機的MICRO和TI公司的TI530等；(4)開放階段：從20世紀80年代中期開始由于國際標準化組織提出了開放系統(tǒng)互連的參考模型OSI，使PLC在開放功能上有較大發(fā)展。主要表現(xiàn)為通信系統(tǒng)的開放，使各制造廠商的產品可以通信，通信協(xié)議開始標準化，使用戶得益。此外，PLC開始采用標準化軟件系統(tǒng)，增加高級語言編程，并完成了編程語言的標準化工作。這一階段的產品有西門子公司的S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500，德維森的V80和PPC11，加拿大ONLINECONTROL公司與合控電氣公司所開發(fā)的OPENPLC等。1.4可編程控制器的工作原理PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱描周期或工作周期。CPU從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復始地重復上述循環(huán)掃描的。執(zhí)行用戶程序時，需要各種現(xiàn)場信息，這些現(xiàn)場信息已接到PLC的輸入端口。PLC采集現(xiàn)場信息即采集輸入信號有兩種方式：第一種，采樣輸入方式。一般在掃描周期的開始或結束將所有輸入信號（輸入元件的通/斷狀態(tài)）采集并存放到輸入映像寄存器（PII）中。執(zhí)行用戶程序所需輸入狀態(tài)均在輸入映像寄存器中取用，而不直接到輸入端或輸入模塊去取用。第二種，立即輸入方式。隨著程序的執(zhí)行需要那一個輸入信號就直接從輸入端或輸入模塊取用這個輸入狀態(tài)，如“立即輸入指令”就是這樣，此時輸入映像寄存器的內容不變，到下一次集中采樣輸入時才變化。同樣，PLC對外部的輸出控制也有集中輸出和立即輸出兩種方式。集中輸出方式在執(zhí)行用戶程序時不是得到一個輸出結果就向外輸出一個，而是把執(zhí)行用戶程序所得的所有輸出結果，先后全部存放在輸出映像寄存器（PIQ）中，執(zhí)行完用戶程序后所有輸出結果一次性向輸出端口或輸出模塊輸出，使輸出設備部件動作。立即輸出方式是在執(zhí)行用戶程序時將該輸出結果立即向輸出端口或輸出模塊輸出，如“立即輸出指令”就是這樣，此時輸出映像寄存器的內容也更新。PLC對輸入輸出信號的傳送還有其他方式。如有的PLC采用輸入，輸出刷新指令。在需要的地方設置這類指令，可對此電源ON的全部或部分輸入點信號讀入上電一次，以刷新輸入映像寄存器內容；或將此時的輸出結果立即向輸出端口或輸出模塊輸出。又如有的PLC上有輸入、輸出的禁止功能，實際上是關閉了輸入、輸出傳送服務，這意味著此時的輸入信號不讀入、輸出信號也不輸出?？删幊炭刂破髡麄€運行可分為三部分：第一部分是上電處理。可編程控制器上電后對PLC系統(tǒng)進行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模塊配置運行方式檢查，停電保持范圍設定及其他初始化處理等。第二部分是掃描過程?？删幊炭刂破魃想娞幚硗瓿梢院筮M入掃描工作過程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設的通信處理，再次進行時鐘、特殊寄存器更新。當CPU處于STOP方式時，轉入執(zhí)行自診斷檢查。當CPU處于RUN方式時，還要完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，再轉入執(zhí)行自診斷檢查。第三部分是出錯處理。PLC每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常，如CPU、電池電壓、程序存儲器、I/O、通信等是否異?；虺鲥e，如檢查出異常時，CPU面板上的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼。當出現(xiàn)致命錯誤時，CPU被強制為STOP方式，所有的掃描停止。PLC運行正常時，掃描周期的長短與CPU的運算速度有關，與I/O點的情況有關，與用戶應用程序的長短及編程情況等均有關。通常用PLC執(zhí)行1K指令所需時間來說明其掃描速度(一般1~10ms/K)。值得注意的是，不同指令其執(zhí)行是不同的，從零點幾微秒到上百微秒不等，故選用不同指令所用的掃描時間將會不同。若用于高速系統(tǒng)要縮短掃描周期時，可從軟硬件上考慮。2、PLC的編程及應用2.1PLC編程方法梯形圖是PLC中最常用的方法，它源于傳統(tǒng)的繼電器電路圖，但發(fā)展到今天兩者之間已經有了極大的差別。PLC的梯形圖有一條左母線，相當于繼電器電路的電源正極，還有一條右母線，相當于電源負極。

(1)經驗編程法

(2)解析編程法

(3)圖解編程法

PLC在梯形圖里可以無數(shù)次地使用其觸點，既可以是常閉也可以是常開。2.2PLC編程的基本規(guī)則PLC編程應遵循以下基本規(guī)則：(1)輸入/輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等軟元件的觸點可以多次重復使用，無需復雜的程序結構來減少觸點的使用次數(shù)。

(2)梯形圖每一行都是從左母線開始，線圈止于右母線。觸點不能直接接右母線；線圈不能直接接左母線。

(3)在程序編寫中一般不允許雙重線圈輸出，步進順序控制除外。

(4)可編程序控制器程序編寫中所有的繼電器的編號，都應在所選PLC軟元件列表范圍內。

(5)梯形圖中不存在輸入繼電器的線圈。

(6)程序的編寫應按照自上而下、從左到右的方式編寫。為了減少程序的執(zhí)行步數(shù)，程序應“左大右小、上大下小“，盡量不出現(xiàn)電路塊在左邊或下邊的情況。2.3典型控制程序(1)自保持程序自保持電路也稱自鎖電路。常用于無機械鎖定開關的啟動停止控制中。如用無機鎖定功能的按鈕控制電動機的啟動和停止；并且分為啟動優(yōu)先和斷開優(yōu)先兩種。(2)互鎖程序互鎖電路用于不允許同時動作的兩個或多個繼電器的控制，如電動機的正反轉控制。

(3)時間電路程序時間電路程序主要用于延時、定時和脈沖控制。時間控制電路，既可以用以用定時器實現(xiàn)也可以用標準時鐘脈沖實現(xiàn)。在FX1S系列有64個定時器和四種標準時鐘脈沖（1min、1S、100ms、10ms）可用于時間控制，編程時使用方便.3、順序控制及狀態(tài)轉移圖根據(jù)狀態(tài)轉移圖，采用步進指令可對復雜的順序控制進行編程。為了對步進指令靈活地運用，我們在此應對順序控制和狀態(tài)轉移圖的概念加強了解。

3.1順序控制所謂順序控制，就是按照生產工藝所要求的動作規(guī)律，在各個輸入信號的作用下，根據(jù)內部的狀態(tài)和時間順序，使生產過程的各個執(zhí)行機構自動地、有秩序地進行操作。

在順序控制中，生產過程是按順序、有秩序地連續(xù)工作。因此可以將一個較復雜的生產過程分解成若干步驟，每一步對應生產過程中的一個控制任務，即一個工步或一個狀態(tài)。且每個工步往下進行都需要一定的條件，也需要一定的方向，這就是轉移條件和轉移方向。

3.2狀態(tài)轉移圖的設計法何謂狀態(tài)轉移圖（系統(tǒng)狀態(tài)）設計法，系統(tǒng)程序設計一般有兩種思路：一是針對某一具體對象（輸出）來考慮），另一種就是功能圖設計法。它把整個系統(tǒng)分成幾個時間段，在這段時間里可以有一個輸出，也可有多個輸出，但他們各自狀態(tài)不變。一旦有一個變化，系統(tǒng)即轉入下一個狀態(tài)。給每一個時間段設定一個狀態(tài)器（步進接點），利用這些狀態(tài)器的組合控制輸出。例如工作臺自動往復控制系統(tǒng),我們可以畫出它的狀態(tài)轉移圖：一工作臺自動往復控制程序（1）要求：正反轉啟動信號SB0、SB1，停車信號SB2，左右限位開關SQ1、SQ2，左右極限保護開關SQ3、SQ4，輸出信號Y0、Y1。具有電氣互鎖和機械互鎖功能。

3.3狀態(tài)轉移的實現(xiàn)任何一個順序控制過程都可分解為若干步驟，每一工步就是控制過程中的一個狀態(tài)，所以順序控制的動作流程圖也稱為狀態(tài)轉移圖，狀態(tài)轉移圖就是用狀態(tài)（工步）來描述控制過程的流程圖。

在狀態(tài)轉移圖中，一個完整的狀態(tài)必須包括：

(1)該狀態(tài)的控制元件；

(2)該狀態(tài)所驅動的對象；

(3)向下一個狀態(tài)轉移的條件；

(4)明確的轉移方向。

狀態(tài)轉移的實現(xiàn)，必須滿足兩個方面：一是轉移條件必須成立，二是前一步當前正在進行。二者缺一不可，否則程序的執(zhí)行在某些情況下就會混亂。

3.4畫狀態(tài)轉移圖的一般步驟(1)分析控制要求和工藝流程，確定狀態(tài)轉移圖結構（復雜系統(tǒng)需要）。

(2)工藝流程分解若干步，每一步表示一穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)確定步與步之間轉移條件及其關系。

(4)確定初始狀態(tài)。（可用輸出或狀態(tài)器）

(5)解決循環(huán)及正常停車問題。

(6)急停信號的處理。4、飲料罐裝生產流水線控制系統(tǒng)設計4.1設計目的采用自動控制系統(tǒng)，完成PLC控制飲料罐裝生產流水線控制系統(tǒng)。4.2設計器材施耐德PLC，XK-2005電氣智能技術應用教學專家系統(tǒng)實驗臺，導線若干。4.3動作要求（1）系統(tǒng)通過開關設定為自動操作模式，一旦啟動，則傳送帶的驅動電機啟動并一直保持到停止開關動作或罐裝設備下的傳感器檢測到一個瓶子時停止；瓶子裝滿飲料后，傳送帶驅動電機自動啟動，并保持到又檢測到一個瓶子或停止開關動作（2）當瓶子定位在罐裝設備下時，停頓1秒，罐裝設備開始工作，罐裝過程為5秒鐘，罐裝過程應有報警顯示，5秒后停止不再顯示報警；（3）用兩個傳感器和若干個加法器檢測并記錄空瓶數(shù)和滿瓶數(shù)，一旦系統(tǒng)啟動，必須記錄空瓶數(shù)和滿瓶數(shù)，設最多不超過9999瓶

（4）可以手動對計數(shù)值清零（復位）4.4I/O分配表%I0.0啟動%I0.2空瓶數(shù)復位%I0.1停止%I0.3滿瓶數(shù)復位%M2空瓶數(shù)計數(shù)%M5滿瓶數(shù)計數(shù)%Q0.2報警顯示%Q0.1傳送帶4.5狀態(tài)轉移圖%Q0.1M1M6%Q0.1M1M6M2T0C0+1M3T15SM5%I0.0C1+1%Q0.2%I0.0傳送帶起動 傳送帶起動檢測空瓶數(shù)檢測空瓶數(shù)1S1S1S1S檢測滿瓶數(shù)檢測滿瓶數(shù)飲料罐裝流水線控制狀態(tài)轉移圖飲料罐裝流水線控制狀態(tài)轉移圖4.6梯形圖實驗臺接線參照圖如下進行實驗臺的外部接線。滿瓶數(shù)手動復位罐裝設備下停頓1秒罐裝過程為5秒空瓶數(shù)手動滿瓶數(shù)手動復位罐裝設備下停頓1秒罐裝過程為5秒空瓶數(shù)手動復位空瓶數(shù)計數(shù)滿瓶數(shù)計數(shù)4.7上機調試首先對要求進行編寫程序，調整輸入輸出分配，按照飲料罐裝流水線控制系統(tǒng)根據(jù)輸入再后面填寫對應輸出，根據(jù)要求進行循環(huán)，加寫循環(huán)程序。程序完成后，進行外部接線，COM口接0V。C1接24V并根據(jù)要求和I