毕业设计#基于PLC的自动加料机控制系统#南昌工程学院

南昌工程学院毕业设计

题 目： 基于PLC的自动加料机控制系统

学 院： 机械与电气工程学院

专 业： 09机电一体化（2）班 姓 名： ######## 学 号： ############## 指导教师： #########

完成日期： 2012 年 6 月

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摘要

由于生产和科技的发展，自动化水平也越来越高，应用领域也越来越多。自动控制系统是实现自动化的主要手段，自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。如近年来，在玻璃制造行业中，玻璃全电熔技术中的人工加料方式逐渐被自动加料系统取代等。自动加料系统具有工作时间长、操作简单、加料均匀、工作稳定，自动化程度高等优点，因此，一些有实力采用全电熔的玻璃产家已经开始使用自动加料设备。本次设计在本着节约资金、降低成本，提高生产效率，人机操作的简便性，保障人身安全的科学人性化管理的方针下对加料机机构进行自动化设计。利用可编程控制器PLC来控制自动加料，本文以PLC程序控制的自动加料设备的控制的程序。自动加料系统具有操作简单、加料均匀、自动化程度高等优点,因此,一些有实力采用全电熔的玻璃生产厂家已经开始使用自动加料设备。

此设计本着节约资金、降低成本，提高生产效率，人机操作的简便性，保障人身安全的情况下对加料机机构进行自动化设计。设计出更加适合于工作环境的加料机构。此设计中自动加料机控制体系是采用以PLC为核心，结合触摸屏等辅助设备对ＰＬＣ的控制这样的一套自动化设备来实现的，这样就可以在不购买新设备的基础上对旧设备进行自动化改良，这不仅大大提高了工作的效率和经济效应，也提高了产品的质量，方便了管理好设备，让公司管理体系更加完善，减少了人力物力。

文中阐述了基于PLC的自动加料机控制系统的结构，并分别介绍了PLC的结构和技术特点、自动加料机的工艺技术要求、触摸屏界面设计、硬件的选择、PLC模块I/O端口的分配、PLC原理图、程序结构、主电气图和系统的功能及保护。

关键词：PLC；自动加料机；I/O端口分配；变频器；触摸屏 ；程序结构；

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目录

第一章 绪论 ............................................. 5 1.1 设计背景和研究意义 ................................ 5 1.2 自动加料机控制系统的技术要求 ...................... 6 第二章 可编程控制器基础 .................................. 8 2.1 PLC的简介 ........................................ 8 2.2 PLC的结构 ........................................ 9 2.3 PLC的分类 ....................................... 10 2.4 PLC的特点 ....................................... 12 2.5 PLC的应用 ....................................... 14 2.6 PLC的发展 ....................................... 15 2.7 PLC系统的其他设备 ................................ 16 2.8 PLC的编程语言及设计原则 .......................... 16 2.9 PLC的通信联网 .................................... 19 第三章 系统硬件设计 .................................... 21 3.1 PLC的选择 ....................................... 21 3.2 自动加料机的选择 ................................. 22 3.3 变频器的选择 ..................................... 23 3.4 触摸屏的选择 ..................................... 26

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3.5 触摸屏人机界面设计 ............................... 28 3.6 电动机的选择 ..................................... 31 3.7 气缸的选择 ....................................... 34 第四章 系统软件设计 ..................................... 36 4.1 工作流程图及主电路的接线图 ....................... 36 4.2 PLC模块I/O端口分配 ............................. 38 4.3 系统程序设计 ..................................... 40 总 结 ................................................... 48 致谢 .................................................... 49 参考文献 ................................................ 50

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第一章 绪论

1.1 设计背景和研究意义

制造业是现代文明的支柱之一，其既占有基础地位，又处于前沿关键;它是工业发展的主体又是国民经济持续发展的基础。以前的工厂都是利用人工的方式进行生产加工，这样的工作的方式，不仅没有安全保障，而且没有很高的经济效益。特别是加工制造业方面，都是小工厂，小作坊形式，没有自动化的设备，什么事只能靠人力去做，在乡镇里体现的更明显。而制造业是我国经济增长的主导部门和经济转型的基础；作为经济社会发展的重要依托，制造业是我国城镇就业的主要渠道和国际竞争力的集中体现。是提高我国国民生产的重要支柱，制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素，制造业在世界发达国家的国民经济中占有重要份额。

随着国内的发展形式越来越好，竞争也越来越激烈，高科技设备逐渐代替了以前的手工操作方式，自动化设备也越来越多，自动控制系统用的越来越多。公司面对的压力也越来越大，不仅要考虑国内的对手，国外的竞争逐步加大，随着信息科技、市场经济的迅猛发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，尤其是随着高新科技的日新月异，产品的类型、工艺外形越来越复杂，再加上企业经营与发展必会面对对劳工的短缺、人工成本要省力化、合理化与自动化的发展趋势！传统的手工送料已经不能满足要求，这时自动加料机就应运而生。在今天现代科学技术的许多领域中，什么是加料机呢？顾名思义，加料机就是专门用于粒料，粉料，片状料，带状等材料的自动化，数控化，精确化的输送机器，无论是轻工行业还是重工业都不可缺少的设备。传统观念，送料机是借助于机器运动的作用力加于材料，对材料进行运动运输的机器。

改革开放以来，各项技术的不断发展，如自动控制技术、电力电子技术、

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检测技术和信息技术，使得这些应用的领域越来越多。作为辅助装置的送料机构自动化水平也需要越来越高。提高自动化的水平不仅可以提高效率、产品的质量同时也能保证工人的人身安全。

综上所述，在本着节约资金、降低成本，提高生产效率，保障人身安全的情况下对加料机机构进行自动化设计。设计出更加适合于工作环境的加料机构。此设计中自动加料机控制体统就是采用以PLC为核心的自动控制技术来实现功能来实现的。

1.2 自动加料机控制系统的技术要求

在玻璃制造行业中，玻璃全电熔技术中的人工加料方式逐渐被自动加料系统取代。自动加料系统 具有工作时间长、操作简单、加料均匀、自动化程度高等优点，因此，一些有实力采用全电熔的玻璃产家已经开始使用自动加料设备。为此，本人以此设计一套以PLC程序控制的自动加料设备的控制的程序。 工艺要求如下：

自动加料机的机械系统共设计了2台电动机，振动电机和变频电机，分别实现对加料设备的振动和对传送带的驱动。振动是使物料能顺利的下落到传送带上，不至于卡住。驱动电机是驱动传送带运动，将物料装入下料口中。此系统的工作全过程是：启动系统，然后推动手臂到位，待到手臂到位后触动行程开关，此时给PLC一个信号驱动变频器启动。接着启动变频电机E13，此时变频电机驱动传送带转动，传送带上E5、E6上的料就加到料斗E11中去。为保证传送带上有料且不出现堆料及缺料现象本例采用了断续加料方式，及启动振动器加料时间T3再停止振动器停止加料时间T4，如此循环，直到累计加料时间到达T2。这时候停止振动器和变频器，接着延时时间T5 5~10秒。接着缩回手臂，带手臂缩回到位后，再延时时间T6 5~10 秒。这样循环下去，直到到达设定的运行次数再停止系统。

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图 1.1 运动过程示意图

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第二章 可编程控制器基础

2.1 PLC的简介

可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。 在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即： 1、编程方便，现场可修改程序； 2、维修方便，采用模块化结构； 3、可靠性高于继电器控制装置； 4、体积小于继电器控制装置； 5、数据可直接送入管理计算机； 6、成本可与继电器控制装置竞争； 7、输入可以是交流115V；

8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； 9、在扩展时，原系统只要很小变更； 10、用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其

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他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。

这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。

2.2 PLC的结构

1.基本结构：各种PLC的组成结构基本相同，主要有CPU,电源，储存器和输入输出接口电路等组成。

2．储存器：PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器。，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。

3．中央处理器： 中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU是PLC的核心

4．输入接口电路：PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接与接近开关，光电开关等电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。交流输入电路和直流输入电路类似，外接的输入电源改为220V交流电源。

5．输入输出接口单元：PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。

6．电源：PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC

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能正常工作。

7．输出接口电路：输出接口电路通常有3种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型的输出电路类似，只是晶体管或晶闸管代替继电器来控制外部负载。

8．扩展接口和通信接口：PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。

2.3

PLC的分类

PLC（可编程控制器）在现代的自动化行业中应用广泛，那么PLC在广泛的应用中，可以分为几大类呢，人们又是怎么样通过区别的呢？

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

1.按功能分类

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。 （1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

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（3）高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

3．按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

(1).小型PLC——I/O点数< 256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。

如：GE-I型 美国通用电气（GE）公司 TI100 美国德洲仪器公司 F、F1、F2 日本三菱电气公司 C20 C40 日本立石公司（欧姆龙） S7-200 德国西门子公司 EX20 EX40 日本东芝公司

SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司

(2). 中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K

如：S7-300 德国西门子公司

SR-400 中外合资无锡华光电子工业有限公司 SU-5、SU-6 德国西门子公司 C-500 日本立石公司 GE-Ⅲ GE公司

(3). 大型PLC——I/O点数> 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K

如：S7-400 德国西门子公司 GE-Ⅳ GE公司 C-2000 立石公司

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K3 三菱公司等 2．按结构形式分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

（2）模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

2.4 PLC的特点

1、丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业

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局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 2、高可靠性

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms. （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 （4）采用性能优良的开关电源。 （5）对采用的器件进行严格的筛选。

（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

3、采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

4、安装简单，维修方便

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 5、编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

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2.5 PLC的应用

PLC的应用领域，最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术

的进步，它的应用领域不断扩大。

如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与治理。PLC已日益成为产业控制装置家族中一个重要的角色。但归纳起来，PLC的主要应用有以下五个方面。

1.开关逻辑量控制——开关逻辑量控制是PLC最基本的应用，即用PLC取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。如机床电气控制、电动机控制、注塑机控制、电镀流水线、电梯控制等等。总之，PLC既可以用于单机控制，也可以用于多机群和生产线的控制。

2.模拟量过程控制——除了数字量之外，PLC还能控制连续变化的模拟量，如温度、压力、速度、流量、液位、电压和电流等均为模拟量。通过各种传感器将相应的模拟量转换为电信号，然后通过A/D模块将他们转换为数字量送到PLC内部CPU处理，处理后的数字量在经过D/A模块转换为模拟量进行输出控制。若使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环控制。

3.机械件位置控制——位置控制是指PLC使用专用的位置控制模块来控制步进电机或伺服电机，从而实现对各种机械构件的运动控制，如控制构件的速度、位移、运动方向等。PLC的位置控制典型应用有机器人的运动控制、机械手的位置控制、电梯运动控制等，PLC还可以和计算机数控装置组成数控机床，以数字控制方式控制零件的加工、金属的切削等，实现高精度的加工。

4.现场数据采集处理——目前PLC都具有数据处理指令、数据传送指令、算术和逻辑运算指令和循环移位与移位指令，所以由PLC构成的监控系统，可

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以方便的对生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。数据处理通常用于诸如柔性制造系统、机器人和机械手的控制系统等大中型控制系统中。

5.通信联网、多级控制

PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间通信，要采用其专用通信模块，并利用RS-232或RS-422A接口，用双绞线过同轴电缆或光缆将它们连接成网络。并由一台计算机与多台PLC组成的分布式控制系统，进行“集中管理，分散控制”，建立工厂的自动化网络。PLC还可以连接CRT显示器或打印机，实现显示和打印。

2.6 PLC的发展

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

1、早期的PLC（60年代末—70年代中期）

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

2、中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）

在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。

这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、

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计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。 3、近期的PLC（80年代中、后期至今）

进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处 理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

2.7 PLC系统的其他设备

PLC系统的其他设备，基本功能是对信息和数据的处理。通用的有编程器、可编程终端、打印机、条码读入机等等。

编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，

用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。

人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式

的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

2.8 PLC的编程语言及设计原则

不同的厂家的PLC有不同的编程语言，但就某个厂家来说，PLC的编程语言

也就那么几种。下面以西门子PLC的编程语言为例，说明一下各种编程语言的异同。

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1．梯形图（LAD）

这是使用最多的PLC编程语言。因与继电器电路很相似，具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的人员所掌握，特别适合于数字逻辑量控制。

梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件，线圈代表逻辑运算结果，常用来控制指示灯、开关盒内部标志位等，指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等附加指令。在程序中，最左边是主信号流，信号流总是从左流向右。

2. 顺序功能图（SFC）

这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制的程序。编写时，工艺过程被划为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。

3. 功能块图（FBD）

功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的

功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圈圈表示非运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。

4. 语句表（STL）

这是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程

序段。语句表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。

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5. 结构化文本（ST）

结构化文本时为IEC61131-3标准创建的一种专用的高级语言。与梯形图相

比，它可实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。

STEP 7的S7 SCL结构化控制语言、编程语言和C语言、Pascal语言相似，

特别适合于习惯使用高级语言编程的人员使用。

在设计PLC时总会有一些原则上的要求，也就是设计的基本原则，PLC控制

系统与其他的工业控制系统类似，其目的是为了实现被控对象的工艺要求，从而提高生产效率的品质质量。在设计PLC控制控制系统是应按照以下基本原则进行，

1. 熟悉控制对象，确定控制范围

设计前要实地考察，全面且详细地了解被控对象的特点和生产工艺过程。同

时要收集各种资料，归纳出工作状态流程图，并与有关的机械设计人员和实际操作人员进行相互的交流和讨论，明确控制人物和设计要求。要了解工艺工程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对控制系统的控制要求，共同拟定出电气控制方案，最后归纳出电气执行元件的运动节拍表。这也是PLC要正确实现的根本任务。

在确定了控制对象和控制范围之后，需要制定制订相应的控制方案。在满足2.优化控制系统，确定PLC型号

控制要求的前提下，力争使设计出来的控制系统简单、可靠、经济以及使用和维修方便。

控制方案的制订可以根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定电气控制系

统的工作方式。是单机控制就可以满足要求，还是需要多机联网通信的方式。最后，综合考虑所有的要求，确定所要选用的PLC型号，以及其他的各种硬件设备。

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随着生产工艺的不断发展，原有的控制系统也要不断地升级和改进，才能适3. 可升级性

应新的控制环境和要求。这就要求在设计PLC控制系统的时候，应考虑到日后生产发展和工艺的改进，而适当留有一些余量，方便后面的升级。

在考虑完所有的控制细节和应用要求之后，还必须要特别注意控制系统的4. 提高可靠性和安全性

安全性和可靠性。大多数的工业控制现场，充满了各种各样的干扰和潜在的突发状态。因此，在设计的最初阶段就要考虑到这方面的各种因素，到现场去观察和收集数据。没有了安全性和可靠性的控制系统，其他的一切都无从谈起。

2.9 PLC的通信联网

只要两个系统之间存在着信息的交换，那么这种交换就叫通信。通过对通信

技术的应用，可以实现在多个系统之间进行数据的传送、交和处理。PLC与计算机、PLC与外围设备、PLC与PLC之间的通信统称为PLC的通信。

一个通信系统，从硬件来看，是由发送设备、接收设备、控制设备和通信介

质等组成，从软件来看，还必须有通信协议和通信软件的配合。

1. 通信方式

按照数据的传输方式进行分类，可以将通信方式分为两种：并行通信和串行

通信。

并行通信的特点是将多个数据位同时进行传输，传输的数据有多少位，就相

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应的有多少根传输线，因此并行通信的传输速度快。但是随着传输位数的增多，电路的复杂程度也就相应增加，成本也随着增加，因此，并行传输比较适合于短距离的数据通信。

串行通信的特点是只用一根数据线进行传输，多位数据必须在同一根数据线

上按顺序传输，因此，串行通信传送速度要比并行通信慢，但是因为只要一根数据线进行传输，所以电路比较简单，适合于多数位、长距离的通信传输。

串行通信按照信息在设备间的传输方向，还可以分为单工、半双工、全双工三种方式，

PLC通信通常采用异步串行通信方式。

2. 传输介质

传输介质是网络中连接收发双方的物理通道，也是通信中实际传送信息的载体。传输介质大致可分为有线介质和无线介质。通常用的有线介质有双绞线、同轴光缆和光纤等。无线介质是指在空间传播的电磁波，红外线，微波等。在PLC网络应用中，普遍使用的是有线介质。

1. 同轴光缆——由导体铜质芯线、内绝缘层、屏蔽层、外绝缘层和塑料保护层5部分组成，与双绞线相比，同轴缆线抗干扰能力强，能够应用于频率更高、数据传输速度更快的场合。

2. 双绞线——是一种使用广泛且价格便宜的传输介质，分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线两种，它由两根彼此绝缘的导线按照一定规则以螺旋状绞合在一起构成的，双绞线既可以传输模拟信号又可以传输数字信号，一般在传输模拟信号时，每隔5-6Km加一个放大器，传输数字信号时，每隔2-3Km加一个中继器。

3. 光纤——是一种传输光信号的传媒介质，其从中心道外层分别为光纤芯、包层、保护层。

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第三章 系统硬件设计

3.1 PLC的选择

目前，国内外众多的生产厂家提供了多种功能各异的PLC产品，应用中应该全面权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的、一般选择机型要满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择可以从以下方面来考虑。 1.对输入/输出点的选择

盲目的选择点数多的机型会造成一定的浪费。所以要线弄清楚控制系统

的I/O总点数，再按实际所需总点数的15%~20%留出备用量后确定所需PLC的点数。

2.对存储容量的选择

在存储容量上，只能大概的进行估算，一般估算按容量的50%~100%留有

余量，对于缺乏经验的设计者。选择容量是应该留有更多的余量。 3. 根据输出负载的特点选型

不同的负载对PLC的输出方式有不同的要求。例如，频繁通断的感性负

载，应选择晶体管或晶闸管输出型，而不应选择继电器输出型的。

4. 对I/O口响应速度的选择

PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。 5. 机型结构的选择

在相同功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。

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6. 控制功能的选择

包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

本设计采用SIEMENS S7224XP的PLC。本机集成14输入/10输出共24

个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。

图3.1 西门子s7—224XP

3.2 自动加料机的选择

目前市场上应用的自动加料机型号比较多，玻璃电熔炉自动加料机的型

号主要有三种：一是翻转进给型，二是XY型，三是振动型。从经济方面以及工

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作环境考虑，综合本人所设计的自动加料控制系统考虑，选用振动进给型的自动加料机最为合适。

图3.2 自动加料机

3.3 变频器的选择

变频器是以电子技术、微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中的应用为基础上发展起来的智能型的调速设备。变频器调速时现代电力传动技术的重要发展方向，随着近几十年电力电子技术的不断完善及计算机技术的发展，变频器各项性能日趋完美，已被不同学科、不同行业的工程人员广泛应用，为企业带来了可观的经济效应，推动了工艺生产的自动化进程，是极富吸引力的调速节能设备之一。现代变频交流调速在很多场合已经逐步取代了过去的内反馈串级调速、变极调速等调速系统，甚至取代了液力耦合、滑差、直流调速。可以说，有交流

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电动机调速的地方就有变频器的应用。变频器作为一种新型的调速节能设备，是目前最简单、最方便的一种调速节选择制动单元和制动电阻。

目前，变频器在我国的应用范围以深入到石油、电力、冶炼、军工、化工等各种工业生产及民用行业中。目前市场上变频器的种类很多，有国产品牌，如西普、佳灵、普传、KV1000、康沃、惠丰、森兰、安邦信、富凌、时代、海利等；有欧美国家的品牌，如西门子、ABB、Vacon、KEB（科比）、Lenze（伦茨>、Schneider（施耐德）、DANFOSS（丹佛斯）等；有日本品牌，如富士、三菱、三肯、东芝、日立、安川、明电、松下、东洋等；有韩国品牌，如LG、三星、现代等；有我国港澳台地区的品牌，如普传、台达、阳岗、台安、正频、东亢、宁茂、爱德利等。

不同类型、不同品牌的变频器有不同的标准规格和技术数据，价格相差也很大，选用时应注意以下问题。

1. 变频器功率 按所带的负载功率选取。多大功率电机就选多大的功率的变频器。大一规格也可以。

2. 变频器型号 不同用途选不同的变频器。 例如 有通用的变频器，有风机水泵专用的变频器， 有机床主轴专用的变频器等等。 3. 负载惯性大的，要同时选择制动单元和制动电阻。

4.查电动机的铭牌额定电流，(没有铭牌时测出额定电流).变频器的额定电流比电动机的最大运行电流大就可以了.

按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩及性价比的要求本例中选用西门子MM440变频器。西门子MM440变频器全称是MicroMaster440它是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的BiCo（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。 主要特征：

200V-240V ±10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW； 380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-250kW；

矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；

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高过载能力，内置制动单元；

三组参数切换功能。控制功能： 线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；

标准参数结构，标准调试软件；

数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个； 独立I/O端子板，方便维护；

采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接； 内置PID控制器，参数自整定；

集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块； 具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程； 可实现主/从控制及力矩控制方式；

在电源消失或故障时具有\自动再起动\功能；

灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性； 快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸； 有直流制动和复合制动方式提高制动性能。 保护功能：

过载能力为200%额定负载电流，持续时间3秒和150%额定负载电流，持续时间60秒；

过电压、欠电压保护； 变频器、电机过热保护； 接地故障保护，短路保护； 闭锁电机保护，防止失速保护；

采用PIN编号实现参数连锁

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图3.3 西门子MM440变频器

随着微型计算机技术及网络技术的发展，触摸屏在生产生活中的应用越来越

3.4 触摸屏的选择

多，从广义上讲，触摸屏就是一种简单易学的就计算机输入设备，或是说人人都会使用的与计算机沟通的设备，应用方面越来越多，特别是应用在自动控制方面系统中，使之更趋于人性化等等。综合考虑到成本环境等因素，本设计中用的是 威纶触摸屏MT6070iH

威纶触摸屏MT6070iH详细信息：

1、标准USB 2.0接口，可接USB鼠标、USB键盘、USB打印机等，即插即用。

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2、支持U盘，通过U盘快速的上传、下载Project。

3、支持U盘扩展寄存器（EM0~EM9）， 轻松实现断电保持。最大可扩展到2G(WORD)。 4、通过USB口，实现扩展寄存器与PLC数据的交互存储。 5、U盘支持“热插拔”,利用U盘随时备份与更新生产数据

6、可将历史资料与配方资料（RW或者RW_A寄存器数据）通过U盘下载到HMI，数据更新更加方便。

7、可将HMI的配方资料（RW或者RW_A寄存器数据）、历史故障记录、采样资料等保存到U盘，并可在EXCEL电子表格中查看。

8、利用MT8000/ MT6000特有的备份功能, 可将特定时间内的历史数据记录和历史报警记录保存到U盘中。 产品规格 认证 CE/UL/RoSH

显示器 4.3”5.6”7\ 背光 500 cd/m2 色彩 65536 color 对比 300:1 500：1 分辨率 (WxH dots) 320x234 背光灯 LED

背光灯寿命 (avg.) 30,000 hr. 触控屏 4 wires resistive type 触控精准 2mm 触控硬度 4H

串行端口接口 Com1(RS232/RS485 2w/4w), Com2(RS232), Com3 (RS232/RS485 2w) USB 接口 USB 2.0 x 2 处理器 32bit RISC CPU 内存 128MB 配方内存 有 CF 卡接口 有 万年历RTC 有

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系统诊断 Power failure detection 电压 24 VDC ± 20% 消耗电流 440 mA @ 24VDC 外型尺寸WxHxD 204x150x48mm

开孔尺寸 WxH192 x 138mm (7.56\重量 Approx.0.3kg, 0.85kg,1.4kg

图3.4威纶触摸屏MT6070iH

对于触摸屏的人机界面设计，为了更好的进行自动加料控制系统的控制，进

3.5触摸屏界面设计

行了更加人性化，系统化的设计，用的是WEINVIEW HMI 组态软件 EasyBuilder8000（简称EB8000）。

WEINVIEW HMI 组态软件 EasyBuilder8000（简称 EB8000，后同）是台湾威纶科技公司开发的新一代人机界面软件，适用于本公司 MT8000和

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MT6000系列所有型号的产品。

图3.5.1 主画面

图3.5.2 工作画面

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图3.5.3 工艺参数画面

图3.5.4 手动画面

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3.6 电动机的选择

电动机的选择是否恰当，关系到电动机能否安全、经济、合理地使用，如果

选择不当，会造成浪费，甚至烧坏电动机。电动机的选择主要包括：电动机额定功率的选择，电动机电流种类的选择，电动机结构形式的选择，电动机电压的选择，电动机转速的选择等等。

1．电动机电流种类的选择

选择电动机的种类，要根据正产机械的要求全面衡量各种技术、经济条件来

确定。技术条件包括：电动机的机械特性与生产机械的负载特性是否匹配，调速和启动性能是否符合要求。经济方面要考虑对生产率的影响，初期投资以及运行费用等等。在技术条件基本满足生产机械要求的条件下，一般选用结构简单、价格低廉、工作可靠、维护方面的电动机。从这个意义上看，交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，鼠笼型异步电动机优于绕线型异步电动机。

2. 电动机额定功率的选择

生产机械工作时必然消耗一定的机械功率PL,而这些机械功率是由拖动它的

电动机提供的输出功率P2，即P2=P1。如果选择的电动机额定功率PN合适，电动机运行时的稳定温度就等于绕组绝缘材料允许的最高温度，电动机就能够达到正常使用寿命，电动机容量得到了充分的利用。如果选择的电动机额定功率Pn偏小,会出现小马拉大车的情况，电动机将长时间在过载的情况下运行。其温度就会超过绕组绝缘材料允许的最高温度，从而缩短了电动机的使用寿命，同时也使电动机的效率下降。所以已选择电动机的时候一定要了解所使用机械功率的大小，然后再去选择适当的电动机，这样才能在保障正常的工作，又能提高经济效应。

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3. 电动机额定电压的选择

交流电动机额定电压的选择主要以使用场所的供电电网电压等级为依据。一

般低压电网为380V，因此，中小型三相异步电动机的额定电压大多为380V（Y或Δ接法），220V/380V(Δ/Y接法)和380V/660V(Δ/Y接法)，这样绝缘问题容易解决，可降低成本，既经济又安全，当功率在100~200KW以上时，中等功率的电动机有低压和高压两种类型，选用时应根据工作地点的电源来决定，应尽量避免增设变压器，以减少投资。

对于矿山及钢铁行业的大型设备用大功率电动机，为了提高经济技术指标，

多用3000V或6000V的高压电动机，这样既减小了电动机的体积，又节约铜线的用量，但使用是应注意安全，单相异步电动机额定电压多采用220V。

直流电动机的额定电压也要和电源电压相配合。由直流发电机供电的直流电

动机额定电压一般为110V、220V或440V，其中220V为常用电压等级。大功率电动机可提高到600~1000V，当电网电压为380V，直流电动机由晶闸管整流电路供电时，采用三相整流可选额定电压为440V，单相整流可选择额定电压为160V或180V。当然选用时也要根据现场电网已有的电压等级考虑，尽量减少为电动机提供电源的投资。

电动机的结构形式按其安装位置的不同可分为卧式立式两种，卧式电动机安4. 电动机结构形式的选择

装时，电动机的转轴处于水平位置，立式电动机的转轴则与地面垂直，二者的轴承不同，不能随便混用，在一般情况下，应优先选用卧式电动机，立式电动机价格较贵，只有为了简化传动装置，又必须垂直运转时才采用。

电动机的工作环境是由生产机械的工作环境决定的。在很多情况下，电动机

工作场所的空气中含有不同分量的灰尘和水分，有的还含有腐蚀性气体甚至含有

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易燃易爆气体；有的电动机则要在水中或其他液体中工作。灰尘会使电动机绕组黏结上污垢而妨碍散热；水分、瓦斯、腐蚀性气体等会使电动机的绝缘材料性能退化，甚至会完全丧失绝缘能力；易燃、易爆气体与电动机内产生的电火花接触时将有发生燃烧、爆炸的危险。因此，为了保证电动机能够在其工作环境中长期安全运行，必须根据实际环境条件合理地选择电动机的防护方式。电动机的外壳防护方式有开启式、防护式、封闭式和防爆式几种。

电动机额定转速是根据生产机械传动系统的要求、设备的投资和传动系统的5.电动机额定转速的选择

可靠性来决定的，一般在同类型同功率的电动机中，电动机的额定转速高，其体积越小，重量越轻，价格越低，运行的效率越高，因此，选用高速电动机较经济合适，但是，若生产机械要求转速低，这时候选用转速高的电动机就势必要采用高传动比的变速装置，不但使传动复杂，增加了设备投资。而且传动效率低，工作可靠性差。因此，选用电动机转速的原则，应该是使电动机的转速等于或略大于生产机械所要求的转速，尽量采用低转速比的减速装置。在许多场所，即使生产机械的转速很低，也采用与它相配合的低速电动机，虽然电动机贵点，但省去或简化了变速装置，增加了工作的可靠性，在总的技术指标上还是比较合理地。

因此可以根据以上的要求来选取合适经济的电动机，由于经常启动、制动和

反转的生产机械，选择额定转速时则应主要考虑缩短启、制动时间以提高生产率。启、制动时间的长、短主要取决于电动机的飞轮矩和额定转速，应选择较小的飞轮矩和额定转速。所以我们可以选取额定电压为380V,额定功率为4KW、额定转速720min/r的鼠笼式的三相异步电动机。

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图3.6

3.7 气缸的选择

常见的气动元件实现的运动方式有三种：直线式往返运动、连续转动、摆动、对应的气动元件为：气缸、气马达、摆动式气缸和齿轮条驱动摆动。

引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。气缸的应用领域：印刷（张力控制）、半导体（点焊机、芯片研磨）、自动化控制、机器人等等。

气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类。做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。此次设计中用的是单作用式气

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缸，单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。

单作用气缸：活塞只有一侧有压缩空气进入，即气缸上只有一个压缩空

气的入口，故只有一侧有气压推力作用，气缸的工作行程仅在一个方向。气缸的活塞可在弹簧、重力或其他外力的作用下回复到原来的位置。 如下图：

图3.7.1单作用弹簧式气缸

在气缸的应用方面，种类越来越多，型号也越来越多，现在大多数用的还是

日本的SMC标准气缸，此设计选用的也是日本SMC标准CM2型系列气缸，SMC标准气缸不仅在使用上可靠方便，既有安全，快速、耐用等优点。

图3.7.2CM2型气缸

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第四章 系统软件设计

4.1 工作流程图及主电路的接线图

1. 工作流程图

图4.1 工作流程图

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2. 主电路的接线图

图4.2 系统接线图

图4.3 系统电源图

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图4.4主电路接线图

4.2 PLC模块I/O端口分配

设计中各输入输出基本上都属于数字量，其分配如下表所示：

I/O口分配表 输入 输入地址 IO.O IO.1 输入设备 急停 手动启动 输出地址 QO.O QO.1 输出 输出设备 变频器接触器 变频器 38

IO.2 IO.3 IO.4 IO.5 IO.6 IO.7 I1.0 I1.1

自动启动 手臂上限 变频器接触器启动 变频器启动 振动电机启动 气缸启动 Hr1 Hr2 QO.2 QO.3 QO.4 QO.5 QO.6 振动电机 气缸 绿灯 黄灯 红灯 在设计程序中，会使用到很多寄存器、中间继电器、定时器等等软元件，为

了便于编程及修改，在程序编写前应先列出可能用到的软元件，如下表：

元件设置

元件 MO.0 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 T50 T51 T52 T53 T54 T55

意义 系统停止标志 手动标志 自动标志 系统清零标志 变频器报警标志 变频器延时启动 加料时间 延时振动 振动时间 停振时间 延时回手臂 39

内容 10 1000 60 70 50 60 备注 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 1s 100s 6s 7s 5s 6s T56 VW10 MW20 延时推手臂 加料次数 系统规定加料次数 70 6 7s 6次 MW30 变频器延时启动时间寄存器 MW32 MW34 MW36 MW38 MW40 加料时间寄存器 延时振动寄存器 振动时间寄存器 停振时间寄存器 延时回手臂寄存器 MW42 延时推手臂寄存器 VD26 变频器频率寄存器

4.3 系统程序设计

根据设计中所需要的技术要求，输入输出的端口分配，工作流程图，设计出

下面的程序。

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