PLC课程设计—电镀自动化生产线设计

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1、引言可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设 计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、 定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控 制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控 制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。 可编程控制器对用户来说，是 一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂 自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。本次课程设计通过对实际电镀自动生产线的生产过程进行简单化，掌握电镀 生产线工作的实际流程及工作原理。在此基础上，利用实验台

2、设备对生产过程实 现 PLC 控制。按照生产的实际需要，主要设计内容包括电路安全及事故及时中断 处理问题、小车工序（对应工作槽）的选择问题、小车精确停位问题、吊篮停位 问题及实现互锁自锁等保障安全的问题。此外，在设计中，除了实现生产线的生 产流程，为了尽量贴合实际，采用四种操作方式（循环、单周期、单步、手动） 进行程序设计。本次设计的目的是初步了解工业生产实际过程，熟悉PLC程序设 计及硬件连接，初步掌握程序的调试。关键字：可编程逻辑控制器,梯形图,电镀自动化生产线目录1 系统方案设计1.1 系统硬件配置及组成原理31.2 系统变量定义及分配表51.3 PLC 接线设计图 51.4 系统可靠性

3、设计6 2控制系统设计2.1控制程序流程图设计 72.2 控制程序设计思路 7 3系统调试及结果分析3.1 系统调试及解决的问题123. 2结果分析 13结束语 14参考文献 141 系统方案设计1.1系统硬件配置及组成原理1.1.1 PLC相关基础知识可编程控制器，简称PLC (Programmable logic Controller)，是指以计算 机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Elec trical Commi tt ee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是 一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子

4、装置。它采用可以编 制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算 术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的 机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一 个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”PLC(Power Line Communication)即电力线通信是指利用电力线传输数据和 话音信号的一种通信方式。迄今，PLC技术已经有几十年的发展历史，在技术发 展的各个阶段，电力系统已经得到了不同的应用。在高压输电网(35kV以上)、 中压输电网(10kV-35kV)以及低压(10kV以下)的各个领域，数据传输的

5、通讯数 率不断提高。现阶段，在低压配电网上传输数率已由1Mbps发展到2Mbps、14Mbps、 24Mbps、45Mbps甚至达到100Mbps和200Mbps的高速率，传输距离可达300米。 在中压配电网传输技术方面，高于10Mbps数据信号的设想和方案也日益引起人 们的重视并开发成功。PLC的工作原理：电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道， 要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：噪声、 阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等 主要因素对数据传输的影响。为了解决以上低压配电网中各因素对数据传输的影响，在国际范围内，低压

6、配电网的高速数据通信普遍选择了正交频分复用技术OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)作为核心调制技术。OFDM技术采用多路窄 带正交子载波，同时传输多路数据，每路信号的码元时间较长，可以避免码元间 干扰。通过动态选择可用的子载波，该技术可以减少窄带干扰和频率的谷点的影 响。OFDM技术起源于二十世纪六十年代，主要用于军用高频通信系统。70年代， 随着离散傅立叶变换来实现多载波调制技术的提出，以及近年来数字信号处理 (DSP)技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输 技术被广泛应用于民用通信系统中。目前在无线

7、局域网已经采用了该技术，第四 代移动通信(4G)中将采用OFDM技术。PLC的几种接入方案在低压配电网数据传输系统一般情况下，由头端（HE）和用户端（CE）组成。头端一般安装在配电变压器低压出线端，它主要实现PLC高频信号和传统的宽带 通信信号的互相转换。PLC头端的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆，注 入和提取高频PLC信号；另一侧通过传统电信接入方式，如xDLS、光纤或以太 网等连接至Internet。用户侧称为“电力猫”的设备，主要由接口、调制解调 和耦合等三部分组成。用户的计算机通过以太网接口或USB接口、普通话机通过 RJ-11接口与“电力猫”相连。实现高速上网、IP电话以及IP

8、视频等多媒体接 入服务。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分, PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内 存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、 内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。相同如图所示：1.1.2本设计PLC选型及相关硬件基于实验室提供的两种三菱PLC，FX_2、FX_2N型，FX_2N无论是在系统 硬件，还是在其稳定性上都有相当大的优势。FX2N是FX系列中功能最强、速 度最高的微型可编程控制器。它的基本指令执行速度高达

9、0.08s,远远超过了很 多大型可编程控制器，用户储存容量可扩展到 16K 步，最大可以扩展到 256 个 I/O 点，有 5 种模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、4 种 位置控制控制模块、多数RS- 232C/RS- 422/RS- 485串行通信模块或功能扩展 板，以及模拟定时器功能扩展板。使用特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模 拟量控制、位置控制和联网通信等功能。进行比较，为了提高系统的工作可靠性 和硬件扩展的支持性，故采用了 FX_2N子系列。在基本子系列选择的基础上，由于本次设计涉及30多个出入口，20多个输出口，为了保证软件编址和适当的经济性，选用FX_2N M

10、T64型，以便于保证硬 件的充裕及扩充硬件点数的方便。其余输出型硬件结构，由于条件限制，均采用指示灯显示进行指示，模拟各 部分工作状态。输入型硬件结构均采用拨码式开关代替。 1.2系统变量定义及分配表I/O 口分配:输入输出X0电源开关Y0M1左行XI启动开关Y1M1右行X2停止Y2M2上升X3FU主熔断器Y3M2下降X4FU1Y4能耗制动X5FU2Y11Y15信号灯显示当刖槽 位X6FR1电机1过载保护Y16Y17信号灯显示上下限 位X7FR2电机2过载保护Y21Y25信号灯显示选择槽 位X10X17SQSQ7行程开关Y26Y27左右过限保护X30暂停Y30电源指示灯X36X37SQ8SQ9

11、Y31工作指示灯工 作 方 式 选 择X20单周期Y32暂停指示灯X21单步工 作 状 态 指 示Y33手动指示灯X22循环Y34单步扌旨示灯X23手动Y35单周期指示灯手 动 操 作X24上升Y36循环指示灯X25下降X26.、八、仃. 刖进X27后退X41X4515#槽槽位选择1.3 PLC接线图设计Ki 电JS弃工 K2 fiaWSK3停止评关K4主馆酣HFUK&-K6陌紂应K7电机岂tiffl枝 KE屯轨2肉堆屯ItKf-Ki6 行煜并菱 Ki7KIB-K2H工作方式IS岸KI4筑离期削巾筑涉KJQ握话KJI丰朗干过矗作I K22上卉KfJTftK24帕进 K21EHK2-K32 对应

12、 1-5杭网MOLVS2VXKUMnnMCKW7KIDKLLKUKL5XL4KLSKLSKITK2D 宜CDM jCOMqFiN-MTb4XM空3COM1LDILDILML特 LM LM LMLEWLD1Q LD LD12LDIHLDItiLDI FLA 8LDTLDMLD2ISKVroo 巨机前査 m 巨m上升01 电靳后沮.03电HITI&LD1-LD5凤示些萌用位LD0-LD7蟲,示上下皿LD&-LD12冠示誉毎也LDUH.DI4左右醍眩LDi$电噩怆晟町LD忆工齐撞禾打LDi7 ST梓也乔灯 LDUB-LD2I工件找杏権示 LES干茁LD冲StfLD2Q垫囲胡LDQI切环1.4系统可靠

13、性设计1.4.1 突发故障处理 由于工业生产中，随时可能出现不稳定因素，诱发危险情况，影响生产产 品质量及生产过程安全，甚至引起人身伤害，故在设计中，加入了应对突发状况 的紧急处理方案。方案一：暂停方案系统各电机输出均不动作 但保留系统运行参数 暂停 结束后 运行状态恢复如果仅是部分发生问题，需要在不掉电的情况下进行及时修复。例如，在生 产过程中突然发现电镀液不足等问题。此时，不需要进行整个生产线系统的掉电， 采用暂停功能，使各电机无输出但状态保持，排除问题后，取消暂停，系统继续 运行，这样不仅能保障生产的质量，而且可以减小排出故障时间，减少设备的掉 电次数，起到了节省工时、延长设备寿命的作用

14、。方案二：紧急总停方案 系统状态全部清零 生产线停止工作 在生产过程中，可能发现生产线出现了重大问题，必须立即中断生产过程， 否则将引起严重后果，甚至危机人生安全。此时，则采用总停方案。总停方案一 旦采用，则系统各状态均被清除，系统全部停止工作，等待故障彻底排除后，重 新启动。这个方案建立在电源基础上，可以实现双重保险。如果电源出现故障， 停止不了，可采用此方案进行系统停止。1.4.2 系统安全设计在系统中，采用电源及启动分开方式。在系统得电后，系统并不立即进入工 作状态。而是等待启动按钮有信号之后系统才会进入工作。这样可以保证系统不 会因为误影响而产生错误信号。同时，在手动环节中采用了自锁和

15、互锁技术，保 证手动运行状态正常无误。而在自动环节下的三种运行方式，均采用顺序功能图 设计方法设计，这样，各步之间通过状态继电器（S）控制通断，保证，各部顺 序进行。而在每步间又相互影响的软元件之间，也采用了互锁技术。手动运行方式中，在电镀槽内的定时均采用与下步运行连接的方式，避免其 一直停留在电镀槽内，引起损失。2 控制系统设计2.1 控制程序流程图设计2.1.1 控制程序主流程图电源初始化工序初始化工作状态初 始化F11r1F手动子块循环子块单周期子块单步子块1EE1F12.1.2 控制程序子流程图自动子块见附录一手动子块见附录二2.2 控制程序设计思路 由于该设计涉及过多步骤，而且要求有

16、四种工作方式。故采用分块设计程序 的编程方法。进一步设计时发现，自动下的三个运行方式有相同之处。故分为大 的三个子块，即系统初始化块、手动子块与自动子块。（一）系统初始化块系统初始化块由电源部分、启停部分及各部分显示部分组成 梯形图如下：4fiKM1431 1KMZI I1 LSMSF；-i1 j521 LX044I I1 LKMBsaI I+ ri-t r厶i-1 1 旨针跳精M22!. = i1 -M2 360H 1-CJT0 3lY03536T021uT023TO 23TD2EP11P2（二）手动运行子块在四中运行方式中，由于采用自锁式按键设计，避免了采用程序自锁等 的设计，大大简化了程

17、序的设计。在此基础上，进行手动子块的设计，可直 接采用梯形图基本逻辑设计方法。这样可节省程序存数空间，增加程序执行效率。 梯形图如下:、亠动丄| + 手幼子部甘XII 円XII：怕itK02EfOD2TL75*手动给迅*手动后退83XO36T I-Krpr；T卜UJ7T I-X026T I-XII1HI IT I-X016xuiY016S024H-FY003Y017X027卄7000YD2fiiiULJbTEY001Y027（三）自动运行子块在设计中，发现自动下的三个运行方式可以合起来进行设计。故系统设 计时，只选取一个大的自动子块。由于自动运行状态下，需要判断的状态很 多，而且程序会很长，如

18、果采用传统基本逻辑设计会比较困难，而且程序书 写完全后的调试也会很困难，不易排错。故采用顺序功能图（SFC）的思想 进行设计，然后进行转化后成为梯形图，使用这种技术手段，使各逻辑步运 行很明了，便于程序的设计和后期的调试。在自动设计过程中的关键部分就是对系统的槽位进行选择的问题，在此 问题上采用了 SUM指令、DEC指令，用这两条指令判断是否走到最后一个工 序，采用了 BON判断指令，判断当前槽是否为工序槽。用三条功能指令既解 决了这个设计的关键问题。梯形图如下：（由于此部分梯形图程序过长，故只是选取其中关键部分）1、位置初始化（此部分省略）2、位置初始化完成 进行选择的总槽数运算3、槽位具体

19、梯形图（各槽除具体定时时间、槽位判断及限位开关不同 其余 相同 故仅以一号槽为例）17CJ?LS31*预打封一乞幅壬百E丄库榴* 匚左工岳悟龍耗制动记程若不是小车维续绪进KO33251THXUJbMilCJJLS021K030i：.若是小王回退KO33201145K036lllhKO j jX0371021T 二X0C1-IfS021T -KC1-卜X013T卜.TT/.E10 4hTC17/Hll小车退回（1位置判断是否循环JI91 X022X010为小车回到0位蛊不循评践歩JI9 XOIC K0203DD | | | |SET S4Q3系统调试及结果分析3.1 系统调试及解决的问题系统调试

20、：1、初始化部分调试：将程序电源按钮启动之后，对应检测电源指示灯显示情况。正常运行后， 打开开启按钮，对应工作指示灯亮。同时，选择好的工作方式指示灯、槽位指示 灯都会相应开启。检查系统初始化是否正常运行。2、手动部分调试：选择手动控制方式，然后根据要求测试手动控制是否能符合要求。如 要求吊篮上行，则按下相应的上升开关按钮，看此时模拟电机线圈指示灯工作状 态，正常工作再按下上限位开关，此时，工作指示灯灭掉，表示上升结束。3、自动部分调试.循环：以选择1、3槽为例：第一步：位置初始化开始时，小车左行，按下0号槽行程开关，表示在装料 槽上方，能耗制动结束后，吊篮下行，再按下下行程开关，表示吊篮已经在

21、初始 位置，位置初始化完成；第二步：装料结束后，吊篮上行，按下上限位开关，表示已到达上位，小车 前行，到达一号位（按下一号位行程开关），由于选择了一号位，所以小车能耗 制动。结束后，吊篮下行，到达下限位（按下下限位开关），此时吊篮进入电镀 槽，开始进行工序生产。电镀时间结束，吊篮上升，到达上限位（按下上限位开 关），小车前行。到达二号槽（按下二号槽行程开关），此时，由于未选择，小车 将继续前行，到达三号槽时，由于三号槽为工序槽，所以小车能耗制动。结束后， 吊篮下行，到达下限位（按下下限位开关），此时吊篮进入电镀槽，开始进行工 序生产。电镀时间结束，吊篮上升，到达上限位（按下上限位开关）。同时，

22、三号槽为最后一槽，所以小车右行，回到起始位置，进入下一个循环。.单周期调试方法与循环方式同，只是开始选择单周期工作方式，而运行结束后，不 会进入循环。.单步调试方式与循环方式同，只是开始选择单步工作方式，而且，每步启动要按 启动键。解决问题：在整个程序调试过程中，手动部分和系统初始化部分相对简单， 几乎没有出错。最让人麻烦的是对自动部分的调试，而自动调试部分也是整个调 试的主体。调试过程中，错误频频，现就最典型的列举。1、 步内的双线圈问题。由于之前有独立设计过喷泉，知道程序设计中的 双线圈会影响程序输出，使程序无法正常运行。虽然在程序设计时， 已经很注意，但由于程序的量较大，还是出现了一些双

23、线圈问题。影 响了调试过程。2、 各步之间的衔接问题。采用了顺序功能图的设计理念，所以各步之间 的设计具有相对独立性，而在设计中采用这个思路，各步分开设计， 结果各步运行正常，而要实现程序连接时，出现了问题。这通过不断 的中间继电器承接得到很好的解决。3、时序问题。在处理一个跳转时，出现了时序问题。逻辑完全正确，但 无法实现功能。后来，通过在仿真软件上进行的时序检测发现，应该 有的高电平提前跳变，致使下端程序无法正常开启。最后解决方案是， 采用中间继电器去记住这个状态，使用后再进行恢复。3.2 结果分析运行结果基本符合工业电镀自动化生产线简化模型的要求，能实现简化模型 的各项指标。结束语通过本

24、次设计，我对PLC控制产生了浓厚的兴趣。并且通过此次设计，我对 PLC 编程的基本思想和基本指令有了更好的掌握，对教材也理解的更加透彻，将 课本知识与实验相结合，既固我们所学的知识，又提高了我们的动手能力。虽然 程序编写过程和调试过程都很费力，花费了大量的时间和精力，但在这个过程中， 提高了思考问题，解决问题的能力。由于种种原因，使程序编写不是特别满意，使存储空间很大。提出程序升级 方案：采用变址寄存器存储时间，这样，可实现不同槽时间的变化。同时，由于 各步之间采用状态继电器来开启，故各部相对独立，可采用统一的中间继电器对 各步操作，各限位开关用相同的中间继电器承接。在以上两步的基础上，既可把 各步程序调为公共子程，实现对程序存储空间的节省。廖常初参考文献：FX系列PLC编程及应用