基于PLC的自动加料机控制系统毕业设计

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1、焦作大学毕业设计题 目： 基于PLC的自动加料机控制系统 学 院： 机电工程学院 专 业： 11机械制造与自动化（3）班 学 号： 110108331 姓 名： 王小威 指导教师： 白玲 完成日期： 2013 年 月摘要在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起这愈来愈重要的作用，并且， 随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。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。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

2、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

3、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；目录第一章 绪论51.1题目的来源及课题的意义51.2 设计背景和研究意义51.3 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82.1 PLC的定义82.2 PLC的分类82.3 PLC的基本组成及各部分的作用102.4 PLC的特点142.5 PLC的应用142.6 PLC的发展152.7 PLC程序的表达方式172.8 P

4、LC的通信联网182.9 PLC系统的其它设备19第三章 系统硬件设计193.1 PLC的选择193.2 电动机的选择233.3 自动加料机的选择273.4 变频器的选择283.5 气缸的选择313.6 触摸屏的选择343.7 触摸屏界面的设计36第四章 系统软件设计384.1 工作流程图及主电路的接线图384.2 PLC模块I/O端口分配314.3 系统程序设计43结语51致谢51参考文献52第一章 绪论1.1题目的来源及课题的意义在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起这愈来愈重要的作用，并且， 随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动

5、的按照预定的规律运行。本设计的自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的，这样就大大提高了工作的效率，整个过程又快又稳。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

6、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

7、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、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

8、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. 自动加料机控制系统的技术要求 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。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

9、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 510秒。接着缩回手臂，带手臂缩回到位后，再延时时间T6 510 秒。这样循环下去，直到到达设定的运行次数再停

10、止系统。 图 1.1 运动过程示意图第二章 可编程控制器基础2.1 PLC的定义国际电工委员会(International Electrical Committee- IEC),1987年的第三版对PLC作了如下的定义: 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装置。它采用可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算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。可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU(中央处理单元)存储器(RAM

11、和EPROM),输入/输出模块(简称为I/O模块)、编程器和电源五大部分组成。近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。2.2 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

12、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。（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

13、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PLCI/O点数 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K如：S7-400 德国西门子公司GE- GE公司C-2000 立石公司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。

14、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

15、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。2.3 PLC的基本组成及各部分作用PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元

16、是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。1、中央处理单元(CPU)：CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据

17、；(2) 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;(3) 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;(4) PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。现代PLC使用的CPU主要有以下几种:(1) 通用微处理器，如8080, 8088, Z80A, 8085等。通用微处理器的价格便宜，通用性强， 还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。(2) 单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC

18、的智能UO模块。(3) 位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。2、存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:(1) 系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程

19、序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.（2）用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时

20、读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。(2) 工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。3

21、、I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.4、 电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V, +

22、12V, +24V的直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。5、扩展接口用于将扩展单元以及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。6、通信接口为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，

23、实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。7、编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语

24、言的互相转 换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。2.4 PLC的特点 PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的: 1)功能齐全，它的适用性极强，几乎所有的控制要求，它均能满足；2)应用灵活， 其标准的积木式硬件结构，以及模块化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能繁复的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合；3)操作方便，维修容易，稳定可靠。尽管PLC有各种型号，但都可以适应恶劣的工业应用环境，耐

25、热、防潮、抗震等性能也很好，一般平均无故障率可达几万小时。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

26、。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

27、、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PL

28、C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

29、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、计数等功能

30、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。4、未来发展21世纪，PLC

31、会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed

32、 Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 2.7 PLC程序的表达方式与计算机的工作原理一样，PLC的操作是按其程序要求进行的，而程序是用程序语言表达的。表达方式有多种多样，不同的PLC生产厂家，不同的机种，采用的表达方式也不相同。但基本上可归纳为字符表达方式(即用文字符号表达程序，如语句表程序表达方式)和图形符号表达方式(即用图形符号表达程序，如梯形图程序表达方式)这两大类。也有将这两种方式结合起来表示PLC程序。具体如下所述:(l)梯形图

33、：PLC的梯形图编程语言与传统的“继电、接触”控制原理图十分相似，它形象、直观、实用，为广大电气技术人员所熟知。这种编程语言继承了传统的继电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读。当今世界上各国的PLC制造厂家所生产的PLC大都采用梯形图语言编程。(2)语句表：用语句表所描述的编程方式是一种与计算机汇编语言类似的助记符编程方式。由于不同型号的PLC的标识符和参数表示方法不一，所以无千篇一律的格式。(3)逻辑符号图：采用逻辑符号图表示控制逻辑时，首先定义某些逻辑符号的功能和变量函数，它类似于“与”、“或”、“非”逻辑电路结构的编程方式。一般说来，用这三种逻辑能够

34、表达所有的控制逻辑。这是国际电工委员会(IEC)颁布的PLC编程语言之一。(4)高级编程语言：随着软件技术的发展，近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始用高级语言进行编程。许多PLC采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言编程的自动编译程序。采用高级语言编程后，用户可以像使用普通微形计算机一样操作PLC。除了完成逻辑控制功能外，还可以进行PID调节、数据采集和处理以及计算机通信等。2.8 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

35、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

36、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.

37、 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。2.9 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PL

38、C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。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

39、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23个扫描周期）等。对开关量控制的系

40、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。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/

41、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s7224XP西门子s7224XP(简介).全新CPU 224XP特性 .内置模拟量 I/O (2模拟量输入，1模拟量输出).两个RS-485通信口.在线程序编辑功能 .数据记录指令.配方指令.存储卡功能.

42、PID自整定指令 .线性斜坡脉冲指令.CPU诊断LED.脉冲输出频率100 KHz .漏型或源型脉冲输出.2相高速计数器速率最大100 KHz .TTL - 24 V DC高速计数.以上新一代 S7- 200CN CPU 新增功能需STEP 7-Micro/WIN V4.0及以上版本支持。 型号 S7-224XP CN S7-224XPsi CN 内置数字量 I/O 14DI / 10DO 中断输入 4 HSC 输入 2（200 kHz）+ 4（30kHz）支持 A/B 模式脉冲输出 2（100 kHz）CPU 特性/端口扩展选件 . AC或 DC 电源 . 可拆卸端子排 . 利用 EM 27

43、7 可扩展为四个串行端口 . 2 个模拟设置调整器 . 自整定 PID 控制器 . 实时时钟 . 运行中编辑模式 . 诊断 LED . 浮点运算最大数字 I/O 点 114 DI / 110 DO执行时间(位指令) 0.22 s程序存储器 16384 B 数据存储器 10240 B 存储器模块 可用模拟量 I/O CPU 本体内置2AI / 1 AO AI 32 / AO 29最大 45 温度测量模块 16 位分辨率（15 位 +1 符号位）T，S，R，E，N，K，J，TC，100,200,500,1000 ohm Pt100特殊模块 因特网和内置 Web 服务器；SIWAREX 称重传感器单

44、元；运动；调制解调器网络功能 串行通讯；AS-Interface；Profi bus-DP 从站；模拟电话；以太网/因特网；GPRS；Modbus 主站/从站网络主站功能 Modbus RTU 主站和 AS-Interface 主站TRCW检重秤采用一系列模块化设计，可以满足严苛的生产要求，食品卫生级设计、清洗方便、维护便捷、操作简单、结构耐用；快速称重信号采集，实现高精度控制；可定制称重台大小、可调的皮带速度、可选的自动分选剔除机构，满足食品、饮料、日化、制药等行业基本检重需求。TRCW检重秤系列涵盖可检测重量范围为：50g-50000g；显示分度：0.1g-1g；精度：0.2-5g；检测速

45、度最大可达：200ppm。3.2 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

46、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

47、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。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或接法），220V/380V(/Y接法)和380V/660V(/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100200KW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

48、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6001000V，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。4. 电动机结构形式的选择电动机的结构形式按其安装位

49、置的不同可分为卧式立式两种，卧式电动机安装时，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

50、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。5.电动机额定转速的选择一般电动机的选择方法选择电机，首先要确定电机工作点的力矩有多大，及在这个力矩下需要的电机转速（即额定转速）是多少。依此可以确定需要多大尺寸的电机能满足这个要求。电机的额定转速和额定力矩决定了电机的输出功率。对于两台尺寸完全相同的电机来说，由于转速不同，力矩不同，所以输出功率也不同。力矩大、转速高的电机，其输出功率就大，当然电流也要增大。输出功率的计算方法如下：P21.02810TN 单位：瓦（W）其中：T-

51、负载力矩 单位：克/厘米（g.cm）N-负载转速 单位：转/分（rpm）对于同一台电机，当力矩不变时，电机转速与电压成正比。即：电压越高，转速越高。如：一台12V电机，在额定力矩下的负载转速为5000rpm，当把电压升高到24V时，则负载转速大约为10000rpm.对于同一台电机，负载转速与负载力矩成反比。即：随着负载力矩的增大，电机转速将降低。如：一台电机，若在200g.cm时的转速为5000rpm，当负载力矩大于200g.cm时，电机转速将低于5000rpm；而当负载力矩小于200g.cm时，电机转速将高于5000rpm。 一般来说，电机所带的负载力矩，应与电机给定的额定力矩相同。因为，在

52、额定力矩下工作时，电机是处于最高效率点附近。而当负载力矩大于额定力矩时，电机处在超负荷运行状态，这将影响到电机的发热和使用寿命。电机的力矩通常用g.cm（克/厘米）表示，与其他力矩单位的换算关系是： 1g.cm0.098mNm0.014oz-in1mNM10.2g.cm0.142oz-in1oz-in7.056mNm72.0g.cm长度单位的换算关系是：1mm0.039in lin25.4mm重量单位的换算关系是：1g0.035oz loz28.35g -5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

53、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。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

54、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。綜上所述选取额定电压为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。图3.2 3.3 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3.3 自动加料机3.4 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

55、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

56、，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

57、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

58、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-480V10%，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； 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

59、，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编号实现参数连锁图3.4 西

60、门子MM440变频器3.5 气缸的选择单作用气缸：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。一、气缸的选择根据工作要求和条件，正确选择气缸的类型。要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声应选择缓冲气缸；要求重量轻，应选轻型缸；要求安装空间窄且行程短，可选薄型缸；有横向负载，可选带导杆气缸；要求制动精度高，应选锁紧气缸；不允许活塞杆旋转，可选具有杆不回转功能气缸；高温环境下需选用耐热缸；在有腐蚀环境下，需选用耐腐蚀气缸。在有灰尘等恶劣环境下，需要活塞杆伸出端安装防尘罩。要求无污染时需要选用无给油或无油润滑气缸等。安装形式根据安装位置、使用目的等因素决定。在一般情况下，采用固定式气