《物料输送线PLC控制系统设计》.doc

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1、摘 要物料输送线在工厂生产中占据主要地位，它关系到生产是否能够正常进行，因此物料输送线的自动化控制的研究就变的很有必要。实现自动化的控制不仅可以使劳动力从重体力劳动中解脱出来还可以使生产的过程控制更加准确。本论文中首先介绍了课题的背景，以及研究内容和意义；对现场总线技术、DCS、PLC及WinCC软件进行了简单介绍；结合现场实际情况设计了系统整体设计方案，采用德国Siemens公司的S7200系列PLC，运用与之相配的STEP7编程软件，通过LAD编程语言编制了下位机的控制程序，能够可靠、准确地完成控制操作，实时监测并且能对现场出现的各种突发事件及时做出响应，实现整套生产、集中及物料输送系统的

2、全自动监控，从而提高设备运行的可靠性与自动化程度。该系统中重点设计了PLC控制系统，PLC的设计中关键是外围元器件的选型和I/O口的分配，这两部分确定好之后就可以进行软件的设计。本文中利用西门子的PLC设计了一套输送线自动控制系统，该系统具有重要的理论意义和实际应用价值。关键字: 物料输送线；自动控制；PLC；变频器Title Design of Material Conveying Line Using PLC Control SystemAbstractConveying line occupies a main position in the factory, it relates to

3、 the normal production, so the conveying line automation control becomes very be necessary. Automation control can not only make Labour heavier physical labor extricate but also it can make more accurate control of the production process, reduce the error probability.This thesis firstly introduces t

4、he background of the subject, and research content and meaning, the fieldbus technology, DCS, PLC and WinCC software are introduced in this brief.Combining with the actual situation the system design of the overall design scheme, German Siemens S7-200 series of PLC, using matching STEP7 programming

5、software programming language, through the LAD was compiled under the control of the program, the machine can be reliable, accurately finish operation, real-time monitoring and control of the site can promptly respond to emergencies, complete production, concentration and conveying system, automatic

6、 control, so as to improve the reliability of the equipment operation and automation. The focus of the system was designing PLC control system .The key parts are peripheral component selection and allocation of I/O ports in the design of PLC, the design of software can be determined after these two

7、parts are completed. This Study designs an automation system using a transmission line with Siemens PLC, which has important theoretical and practical value.Keywords: Conveying line; Automatic control; PLC; Inverter目 次摘 要IAbstractII1 绪论11.1 国内外PLC的发展状况及发展11.2 课题的来源以及研究的意义11.3 论文的主要研究内容22 系统总体设计32.1

8、控制系统的分析与确定32.2 总体结构的确定83 输送线的工艺研究103.1 输送线的工艺要求103.2 输送线的工艺设计103.3 输送线的工艺设计分析144 输送线系统的硬件设计154.1 硬件的选择154.2 硬件的分析184.3 数据通信215 输送线系统的软件设计255.1 S7-200PLC软件系统与STEP编程软件255.2 PLC控制程序设计305.3 人机界面监控系统设计346 输送线系统的抗干扰措施386.1 概述386.2 实际分析386.3 抗干扰措施分析38结 论41致 谢42参考文献43III1 绪论1.1 国内外PLC的发展状况及发展PLC是以微处理器为基础，综合

9、了计算机技术、自动控制技术和通信急速而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置；它具有存储控制程序的存储器、能按照控制程序，将输入的开关量进行逻辑运算、定时、计数、和算术运算等处理后、以开关量的形式输出，控制 各种类型的机械或生产过程。近年来，它在工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面的应用越来越广泛，已广泛应用在机械，汽车，电力，冶金，石油，化工，交通，运输，轻工，纺织，建材，采矿以及家用电器等领域，取得了明显的技术经济效益，成为现代工业控制三大支柱之一。国内外PLC的研究状况：1994年美国注册生产PLC的厂家就有很多，其中著名的有AB(AllenB radly)公司，GM(Gould

10、Modieon)公司，TI(TexasInstruments)公司，西屋(WestenHouse)公司，GE(GeneralElectric)电气公司等。日本有著名的三菱，日立，立石，夏普，安用，东芝，富士等公司。欧洲有著名的德国西门子公司，BBC公司，AEC公司，法国TE公司等等。可编程产品众多，不同厂家、不同系列、不同型号的PLC功能和结构均有所不同，但工作原理和组成基本相同。现在市场上应用最多的是西门子和三菱的。PLC发展趋势： PLC技术从问世经过上个世纪末的高速发展，功能越来越强大。而且PLC技术也在随着各项技术的不断发展而继续发展。PLC总的发展趋势是向高集成度，小体积，大容量，高

11、速度，易使用，高性能方向发展。具体表现在以下几个方面：一、向小型化、专业化、低成本方向发展；二、向大容量，高速度方向发展；三、向与计算机紧密联系的方向发展；四、向多样化发展；五、向模块化方向发展；六、向增强网络与通讯能力的方向发展；七、向标准化发展。1.2 课题的来源以及研究的意义随着社会的发展，各种工厂都应运而生带动经济的发展，同时工厂内的物料输送已经很少有人工运输而是用皮带来代替，因此对物料输送线的研究变得很有必要，作为自动化专业的学生对这些的研究对将来的工作将有很大帮助。物料输送主要用的是皮带输送，但现场皮带控制主要是手工操作，为了提高效率，节省人力资源，改善工作环境，将皮带控制这一块由

12、手动改为全自动变得很有必要。从而，节省人力，提高效率，增长经济效益，实现自动化。在市场经济条件下，工业企业为提高自身的竞争能力就需要进行技术改造。在我国，目前国家兴新建项目所占比例较小，而现有企业的技术改造势在必行。随着科学技术的发展，如何利用现有资金，有效地进行企业的技术改造是一个带有普遍意义的课题。目前我国的基本建设投资向农业，水利，交通，节能，环保等领域倾斜，而电力，石油，化工，建材等基础工业，在近期内不会有新建大型企业的计划，但要使这些企业的产品在国内外市场上具有竞争能力，使企业提高生产效益，则比改造现有企业的任务还十分繁重。在企业的改造过程中，工业流程和设备是主要的，但也得相应地进行

13、自动化配套改造。要完成现有企业的自动化改造任务，必须善于总结经验，充分掌握国外自动化及产品的动态，切实的结合本国，本企业的具体情况加以应用，从而探索一条具有中国特色的自动化道路。本课题着眼于大型控制系统，根据皮带运输的电气控制设计出一套可行的PLC控制系统。该技术将节省大量资金，和大大的提高工作效率。1.3 论文的主要研究内容本课题主要是研究PLC如何对生产线进行准确的控制，PLC如何和上位机进行通信以便让上位机对整个工厂的生产有一个全面的控制，现场人机界面的设计。关键有以下几个方面:一，通过传感器采集现场的信号，发送给PLC，由控制器做出正确的判断以及操作。二，网络化比较强，并采用远程I/0

14、技术；用几台计算机作为操作站，再将其与PLC连接起来组成网络系统。在众多的PLC中，采用西门子系列中的S7200 PLC。通信采取RS一485串行接口标准和PROFIBUS现场总线此使用了远程I/O网络形式，因此，在通信连接方面成存在一定的难度。三，人机界面上，显示皮带的运行状态，以及掉包、皮带跑偏等故障的报警，让操作者有一个直观的观察。本课题主要涉及硬件与软件部分。硬件部分有：主要涉及信号的采集，信号的传输，对干扰信号的处理(例如，皮带运行时要检测电机的转速，使皮带运行速度在所需范围之内，对干扰信号的处理等相关的问题)，及对信号的控制和对车间工艺的控制(包括手动和自动)，这里还涉及远程I/O

15、的设计。软件设计中程序部分；分析皮带运行的相关条件，及一组皮带运行工艺等。软件设计中人机界面部分：分析人机界面的特点，用西门子的WinCC来做。2 系统总体设计2.1 控制系统的分析与确定2.1.1 集散控制系统DCSDCS为集散控制系统的英文(DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)简称,如图2.1所示。指的是控制危险分散、管理和显示集中。它是基于计算机技术，控制技术，通讯技术图形显示技术，通过某种通讯网络将分布在工业现场附近的现场控制站、检测站、操作管理站、控制管理站及工程师站连接起来完成分散控制集中操作的综合控制系统。图2.1 DCS系统基本结构上世纪七十年代中期问世的DC

16、S系统的基本结构,由控制站、显示操作站(或称HMl人机接口)、以及将控制站、显示操作站连成一个总体的通信总线共3个部分组成。随着微电子、计算机、通信尤其是工业网络等高新技术及产品的迅速发展以及工业应用需求的变迁。使现DCS这三个组成部分的职责与相互关系在设计理念上有较大的变化。设计DCS的初衷是“危险分散、信息集中”。危险分散体现于早期的一个控制站或控制单元仅仅包含8一16个控制回路。往往要配置多个控制单元才能满足现场一个机组或一套生产装置整体控制要求。小容量控制站使通信总线不但实施人机接口与控制站之间非及时信息的交换，而且还需实施某些控制站之间为完成对现场装置整体控制必需的timelines

17、-及时性信息交换。担负后一使命使通信总线成为控制系统的“神经命脉”，无疑是DES可靠性的主要“瓶颈”之一。然而，现代化的工业生产，由于采取能量回收措施以及配套的公用工程使工艺流程上、下游各单元设备之间存在物流与能量流之间的勾连而形成的一套生产装置或机组是一个有机的整体，该整体的安全平稳生产并非能由各控制单元分别实施局部分割控制所能确保的因此，工业应用要求扩大控制站的I/O容量与控制回路数，使之能覆盖一套生产装置(或机组)的控制需求而实现局部集中控制。局部集中控制的理念能取代“危险分散”的初衷，除己具备超大规模集成芯片以质高价廉姿态面市这种物质条件之外，还在控制站的结构设计上作了尽乎完备的考虑。

18、局部集中控制的理念的体现是摒除(可由用户在系统组态时考虑)通信总线在控制站间交换完成控制回路闭环所需的“及时性(timelines)”信息，而由各控制站自身完成一套生产装置或机组基本控制所需I/0信息的采集与输出，使通信总线仅在各控制站与显示操作站(HMI)实施非及时性信息交换。这种局部集中控制理念的实施无疑是把通信总线从“及时性”使命中解脱出来!而DES(分散控制系统)的可靠性与基础控制功能全仰仗于控制站。于是，为确保控制站的可靠性与效能，不但对其电源供应、CPU卡与通信卡及部份I/0卡件采用双重冗余，甚至出现4个CPU作双对冗余，而且采用一个CPU芯片对采样输入进行预处理及输出判断处理，一

19、个CPU芯片进行控制运算等“用空间换时间与效能”等一系列措施；适用于不同工业应用的控制算法以功能模块形式常驻于大容量存储器内使之能在无人干预的情况下按控制方案预先组态好的程序连接，完成各种连续、批量及程序逻辑控制，使整个生产装置或机组安全平稳运行。而显示操作站除通过通信总线获得各控制站的所有信息可供操作人员监视、操作之外，还可进行制等后台作业，也可使其连向全厂的企业管理网，现代DES把信息高度集中，并予以综合应用的潜力可供用户对全厂甚或全企业生产管理调度进行优化使之受益非浅，从而导致其至今仍处于市场主导位置。DCS系统利用了局域网络技术将计算机处理功能分散到多个计算机上，扩展了其功能，而且较好

20、的解决了冗余备份技术，并且信号线可以较分散地安装在不同的I/0控制站上。DCS的突出优点包括：高度的可靠性、强大且易扩充的功能；漂亮的图形界面、良好的人机界面；维修、维护方便；诱人的性能价格比、方便的组态软件。使得每个应用系统不用再编程，丰富的控制算法几乎可以使用户方便地实现任何复杂的控制应用，开放的连网能力，可以方便地与各层管理网络有机地连在一起，形成一个综合的管理控制一体化网络系统。DCS由于其显著的优点，经过几十多年的发展和完善，经久不衰，并随着其软、硬件价格的下降逐渐向中小型控制系统发展。目前，我国的小型DCS系统已投入了工业生产，大中型系统的优化定型己经完成并投产，现己在国家大型石化

21、、冶金、电力工程和全国各行业百多个典型工程中推广应用。然而，置于主控室大机柜之内的控制站，其采样输入来自现场而控制信号则返回现场，每一I/0信号均需在现场与主控室之间来回穿梭则带来诸多弊病；信号电缆耗费量极大，一个大型工厂的信号电缆总长达4-6位数字的公里数并非罕见，不但信号电缆敷设的一次性投资巨大而且庞大的电缆群维修困难并有损于其使用的整体可靠性。除此之外，各家的DCS不但硬件各异而软件与通信协议更是各家专用，无以兼容而形成众多的自动化孤岛，使用户不能自由扩充而受掣于专一的厂家。随着网络时代的到来，上述两个缺陷导致DCS制造厂商不得不正视用户的要求而寻求变革。2.1.2 现场总线控制系统FC

22、SFCS为现场总线控制系统的英文(FIELDBUS CONTROL SYSTEM)简称，如图2.2所示。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。图2.2 FCS系统基本结构现场总线(Fieldbus)是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。如图22所示，最底层的Infran

23、et控制网即FCS，各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等，通讯介质不受限制，可用双绞线、电力线、无线、红外线等各种形式。FCS形成的Intranet控制网很容易与Intranet企业内部网Internet全球信息网互连，构成一个完整的企业网络三级体系结构。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，己经受到世界范围的关注，成为工业自动化领域广为关注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战

24、。现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛，自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有：智能仪表与网络设备开发的软硬件技术：组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输、人机接口；软件技术、现场总线系统集成技术。现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步，了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国相关行业的发展，对自动化技术、

25、设备的更新，无疑具有重要的作用。总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但出于这一技术所涉及的应用领域十分厂泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外，从以上介绍也可以看出，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。有理由认为：在从现在起的未来10年内，可能出现几大总线标准共

26、存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。在连续过程自动化领域内，今后10年内，FF基金会现场总线将成为主流发展趋势，LonWorks将成为有力的竞争对手，RT作为过渡性产品也能有一定的市场。这3种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是为专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。另外，FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商；LonWorks形成了全面的分工合作体系。这些因素对成为这一领域的主流技术是十分关键的。由于RT建立在目前广泛采用的模拟系统之上，它可以充分照顾到现有设备和

27、已有投资的效益，技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要。目前它己经占有一定的市场份额，其技术本身还在不断完善与更新，如提高传输速率等。目前用外HART仪表的市场份额还在不断增长，呈上升趋势，但是它毕竞是过渡性产品，其生存周期不会很长。国内则由于很多项目都是新项目，所以对兼容性的考虑较少，而对先进性的考虑较多，相信HART在国内的市场份额不会很大。国内市场与国外市场会有比较大的差异。一方面国外市场上占优势的产品会不断渗透到国内：另一方面，由于国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商(芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。国内目前仅

28、LonWorks技术有实质性的市场活动。所以大部分国内厂商将首先将接受LonWorks技术。尽管FF号称仪器仪表行业的未来标准，但是由于没有明确的市场策略和在国内的积极的市场活动，市场份额将会受到很大影响。而且事实表明，所有的现场总线基金会(FF)会员在研制符合FF标准的同时，都同时推出采用LonWorks技术的应用，由此可见LonWorks技术的生命力十分顽强。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，其主流技术会有一些差别。Profibus和CAN在这一领域具有较强的竞争力。他们己经在这一领域形成了自己的优势。现场总线的主要特点：1，全数字化通信，传统的现场层设备与控制器之间采用一

29、对一I/O接线方式，I/O模块接收或送出4-20mA信号。采用现场总线技术后用一条通信电缆就可以将控制器与现场设备连接起来，信号传输时是全数字化的，实现了检错、纠错的功能，提高了信号的可靠传输。2，实现彻底的分散性和分布性，采用现场总线的控制系统FCS,它的控制单元全都可以分散到现场，控制器系统由现场设备来实现，因此FCS可被认为是彻底的分布式控制系统。3，具有较强的信息集成能力，传统的自动化控制系统控制器获取的信息是有限的，采用现场总线后，连接的可以是智能化设备，控制器就可以从现场获取大量的信息，实现设备状态、故障、参数信息的一体化传送。4，降低费用，采用现场总线控制可以节省连接导线，降低安

30、装和维护费用。5，具有互操作性和互换性，传统的自动化系统不开放，系统的软硬件一般只能使用一家的产品，不同厂家不同产品间缺乏互操作性和互换性。采用现场总线后，可以实现互联设备间，系统间的信息传送和沟通，不同生产厂家的性能类似的设备都可以进行互换。2.1.3 控制系统方案的确定鉴于对DCS系统与FCS系统的比较，分析了这两种控制系统的结构、优缺点，从技术可行、高效节能、资金利用等多方面全方位的考虑，再结合PLC的特点分析得出用PLC更适用作物料输送系统主控制器。因而设计一个由PLC构成的现场总线控制系统，来控制关于物料输送的皮带系统。2.2 总体结构的确定2.2.1 综述一般情况下，监控系统是由现

31、场控制级设备、过程控制级设备、监控管理级设备组成多级体系，它们通过网络互相连接。过程级设备从过程对象采集实时数据，按预先组态好的控制策略，接受操作人员的控制指示，从而实现对过程对象实时控制；操作人员通过监控级设备，监视过程对象及控制装置的运行情况，并通过网络，向过程级发出指令，干预过程对象的控制，同时可进行数据分析和报表打印；管理级设备可以接受监控管理级按规定的格式远传过来的数据，供统一调度。本系统的设计中，整个系统主要由就地控制箱、PLC集中控制柜及上位远程监控终端3部分组成。(1)现场操作控制箱：每个现场设备配置一现场就地操作控制箱，用于设备的现场就地控制和保护。就地控制箱的设置主要是考虑

32、到现场设备的的检修和试运行，可以通过就地集中转换开关实现就地控制和集中控制的转换。在就地控制方式下，可以通过控制箱面板上的启停按钮，手动控制设备的启停；在集中控制方式下，通过PLC集中控制柜上的按钮控制整个系统或者是单个设备的启停。(2)PLC集中控制柜：实现现场各个设备的集中控制。实时采集现场各设备的启停故障等状态信息，并对各信息进行分析、处理，同时负责将所有信息上传给上位监控机，实现上位机的实时数据采集、画面显示。接收、处理上位发来的控制命令信号，实现设备的控制。(3)上位监控终端：主要由一台监控计算机及打印机等外围设备组成，监控系统终端安装西门子WinCC上位监控软件，实现各状态信息的显

33、示及各设备远程控制、故障报警、报表打印、趋势图显示等。2.2.2 系统结构为实现集中监控的要求，完成实时数据采集、自动控制和上位监控的功能，将监控系统分成两大部分：下层的过程控制级，上层的监控管理级。在过程控制在这一部分的设计中，我们采用西门子公司的S7200系列PLC。系统采用SIMATIC S7200PLC，它是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。具有模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点，因此成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案，应用领域相当广泛。物料输送线通过皮带侧面的激光传感器来检测输送线上是否有产品从皮带上掉下来，在皮带的侧面安装距

34、离传感器来检测皮带的位置是否跑偏及时将信息传输给控制器，在爬坡的皮带处对产品的数量进行计数。电机通过变频器进行控制，可以使电机的启动更能够稳定同时也可以更方便的调节电机的速度。所有信息都要送到控制器PLC中。在控制系统中我们选用CPU-224XP作为控制中心，在CPU-224XP中有两个通讯口，分别可以与上位机进行通信，同时也可以与现场的人机界面进行通信。上层管理级实现对在现场物料输送系统中，经常需要对各种工业现场的工作参数进行监控，例如，电机的输出速度及相关的参数，因此必须对其进行实时监控管理。监控软件采用西门子公司的WinCC软件。SIMATIC WincC(视窗控制中心)，是西门子(SI

35、EMENS)在自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能相结合的产物。它有各种有效功能用于自动化过程，是用于个人计算机上的，按价格和性能分级的人机界面。可以容易的结合标准和用户程序生成人机界面，准确的满足实际要求，它在很多方面的特性使得它优于其他的监控系统。3 输送线的工艺研究3.1 输送线的工艺要求物料输送系统在运行中要实现连续不断还必须要求输送的可靠工作，输送可靠工作的条件是：(1)拖动皮带机的电机要安全可靠的运行1)电机的功率要满足输送负荷的要求；2)电机的工作是否正常应有检测装置。(2)皮带机上的皮带是否工作正常1)皮带机上的皮带是否打滑；2)皮带机上的皮带是否跑偏。(3)报

36、警1）电机速度超过最大极限时进行报警；2）皮带跑偏时进行报警；3）有掉包情况时进行报警。为此设置有皮带的带速检测、皮带的跑偏检测以及皮带的打滑检测、掉包的检测等。3.2 输送线的工艺设计3.2.1 控制工艺的流程物料输送线控制系统的工艺流程图如图3.1所示。图3.1 工艺流程图在物料的输送过程中有3部分需要检测，物料上皮带时要经过一个平的皮带，然后物料经过一段爬坡的皮带进入第三个皮带，该皮带也是一个平坦的皮带，经过这三段皮带就可以进入仓库了。在第一条皮带的右侧有激光传感器用来检测是否有掉包情况发生，皮带的两侧有行程开关可以检测皮带是否有跑偏现象，同时检测电机的运转速度看是否超过最大的运转速度防

37、止皮带打滑。爬坡的皮带和第一条皮带有一些区别，因为爬坡所以电机的功率要相对大一些。在爬坡时掉包的可能性最大，因此在爬坡时对产品进行计数是最合适的，在这条皮带的中间安装一个传感器用来对产品进行计数。经过一条爬坡皮带进入平行皮带，该皮带和第一条皮带的情况是一样的，各种检测量都相同。各条皮带的电机都通过变频器接在PLC上，可以在电机的调速上更加平滑，同时可以降低启动电压对整个电网来说是一种重要的保护，防止对电网造成干扰。3.2.2 控制系统的硬件(1)控制系统概貌硬件结构包括外设与PLC控制系统的硬件部分。控制对象主要由皮带电机、传感器；PLC控制系统由CPU单元、电源单元、输入输出模块、通讯模块、

38、操作站及网络部件等构成，硬件示意图如图3.2所示。图3.2 控制系统硬件示意图(2)PLC控制系统硬件部分根据物料输送线工艺的特点及控制任务，选用了德国西门子S7200可编程控制器作为本控制系统的主控制器，采用模块式结构和采用了双操作站和远程I/0通讯技术，使其通信可靠，便于操作。1)中央控制单元选用CPU224XP作为PLC的核心部件，进行逻辑和数字运算，协调整个控制系统各部分的工作。CPU224XP有如下特点：具有中、大规模的程序存储容量：对二进制和浮点数运算具有较高的处理性能；PROFIBUS DP主站/从站接口；可用于大规模的I/0配置；可用于建立分布式I/O结构；具有六个30KHz的

39、高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。2)电源单元CPU单元有一个内部电源模块，小型PLC的电源模块与CPU封装在一起，通过连接总线为CPU、扩展模块提供5V的直流电源，如容量许可，还可以提供外部DC24V的电源，供本机输入点和扩展模块继电器线圈使用。这样便有效的减少了用同一电源所带来的干扰问题。用于长时间数据储备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。3)输入输出单元本身带有数字量14输入/10输出，模拟量2输入/1输出。4)通讯模块S7-200CPU

40、可支持多种通信协议，如点到点的协议（PPI）、多点协议（MPI）及PROFBUS协议。这些协议的结构模型都是基于开放系统互连参考模型的7层通信结构。PPI协议与MPI协议通过令牌环网实现。令牌环网遵守欧洲标准EN50170中的过程现场总线（PROFBUS）标准。他们都是异步基于字符的协议，传输的数据带有起始位、8位数据、奇校验和一个停止位。每组数据都包含特殊的起始和结束标志、源站地址和目的站地址、数据长度、数据完整性检查几部分。CPU224XP具有两个RS485通讯口。(3)网络结构输送控制系统以PLC控制器为核心，用它来控制所有的皮带和相关外设正常工作，所有的输入输出信号都必须通过这个控制系

41、统。该系统的通信部分分为两部分：第一个就是和现场的人机界面进行通信，第二个就是和上位机的通信。在与现场的人机界面通信时，由于距离很近所受到的干扰相对会小一些，所以直接用铺设电缆的方法就可以，用电缆连接PLC和人机界面。这种方法不仅简单容易实现并且可以节省资金。在与上位机的通信中，由于距离较远相对来说就不能直接用电缆进行连接，信号直接传输由于信号太多，电缆要经过电缆槽，并且在电缆槽存在大量的强电电缆，这对于4-20mA、0-5V、l-5V等这些信号的电磁干扰非常强，因而影响了信号的可靠性，从而影响了整个控制系统。因此应用远程I/O通讯，通过网络将信号传输到上位机上。采用远程I/O通讯便可以克服电

42、缆传输的缺陷。信号先进入控制系统的一个分站，再将信号通过PROFIBUS现场总线传输给控制系统，由于PROFIBUS现场总线只有两根，且连接过程中独立不经过电缆槽，因而避免了电缆槽的电磁干扰，确保信号的可靠性。并且从经济上考虑，采用远程I/O通讯节约了大量资金。因而，采用了远程I/0通讯。3.3 输送线的工艺设计分析 在工艺上只有检测了各种数据，输送线才能安全的进行工作。通过采集电机的速度、皮带的位置、掉包的信号传输给PLC然后做出正确的判断，及时的做出准确的动作。在爬坡皮带上进行计数可以很直观的观察到生产产品的数量，可以节省统计人员。在现场有单个皮带的人机界面，可以直接对单个皮带进行观察，对

43、现场有直观的观察，能够更及时的发现故障的出处。在上位机上对工厂的整个生产进行观察，进行整体的调度。所有的现场信息都传输到上位机上。可以对整个工厂的生产有一个全面的把握，不至于因为一点的错误而影响整个的生产。上位机是整个工厂的核心。4 输送线系统的硬件设计4.1 硬件的选择4.1.1 控制中心的选择西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型PLC，可代替继电器用于简单的控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用。由于模块式的PLC便于维护，同时也可以方便根据工艺进行改变控制的方式。系统以数字量控制为主，带少量模拟量，对控制速度没

44、有太多要求，带A/D转换、D/A转换、加减运算和数据传送功能就可以了；此外系统控制虽然目前不要求实现闭环控制和进行PID运算，但以后对此有要求。因此，S7-200系列PLC能满足物料输送线自动控制系统的性能要求。PLC与生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括数字量输入输出、模拟量输入输出以及其它一些特殊功能模块，使用时应根据它们的特点进行选择。I/O点数选择的内容如下：定义PLC的I/O点数，包括数字量I/O、模拟量I/O以及特殊功能模块；建立I/O地址分配表。本系统包括三个变频器、四个激光传感器、六个行程开关以及若干个指示灯，这些构成了控制对象，其中变频

45、器的输出为模拟量，其它的为数字量。手动自动切换，主电机开与关，都是按钮控制，是数字量输入。本系统PLC的I/O点数与类型如表4.1所示。表4.1 PLCI/O点数与类型信号类型输入点数输出点数数字按钮9指示灯6激光传感器4变频器运行3行程开关6报警器1模拟变频器调速3合计1913根据被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能、通信要求等方面的考虑，选用SIMATIC S7-200系列PLC的CPU为CPU224 XP。CPU为CPU224 XP具有14个数字量输入I/O接口和10个数字量输出I/O接口，2个模拟量输入和1个模拟量输出，2个100KHz的脉冲输出，2个RS485通信接

46、口。因为本系统的数字量和模拟量的输入输出多于PLC本身带的I/O口，所以需要加扩展模块。所以要加模拟量的扩展模块，EM232模拟量输出，2输出；增加两块EM221数字量输入，每个EM221有4个入口。这样就可以满足系统的要求。S7-200的分封装图如图4.1所示。图4.1 S7-200封装图4.1.2 电机及变频器的选择在工业中所使用的大部分电机为感应式交流电机，感应式交流电机的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。电机的极数是固定不变的(为2的倍数，例如极数为2，4，6)，不是一个连续的数值，所以一般不适合通过改变电机的极数来调整电机的速度。变频调速是通过改变电动机供电电源频率进行调速的一种

47、方法，频率在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。近年来，随着电力电子技术、微电子技术、电动机和控制理论的飞速发展，交流电动机调速系统有了很大的提高，变频调速技术已经趋于成熟，用晶闸管或全控型器件组成逆变器，容量从几十瓦到几十千瓦的异步电动机变频调速系统大量投入到工业、商业等领域中应用。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。变频调速器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用途的系列化产品，目前产品己经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业，适用手水泵、风机、压缩机、机床等产品的电机调速。低压通用变频器输出电压为3

48、80650V，输出功率为0.75400KW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交一直一交电路，控制方式经历了以下四代：(1)U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式；(2)电压空间矢量(SVPWM)控制方式；(3)矢量控制(VC)方式：(4)直接转矩控制(DTC)方式；(5)矩阵式交一交控制方式。西门子公司生产的MICROMASTER系列变频器是目前市场上技术比较熟，性能价格比高的主流产品。本课题选用其中的MICROMASTER 420通用型变频器。MlCROMASTER 420变频器设有3个数字和1个模拟输入，1个模拟输出，1个继电器接点输出。它可以与SIMATIC S7-200链接，或集成到SIMATIC和SIMOTION的TIA系统中。MICROMASTER 420通用型变频器用于驱动普通应用对象时，只要对它进行简单的组态，就可以满足对特定传动系统的控制要求。而且，由于变频器采用的