基于PLC的电子皮带秤设计.doc

本科毕业论文（设计）论文题目：基于PLC的电子皮带秤设计姓名：学号：班级：年级：专业：学院：指导教师：完成时间：2017年03月28日 作者声明本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。毕业论文（设计）成果归武昌工学院所有。特此声明。 作者专业： 作者学号： 作者签名： 2017年3月28日基于PLC的电子皮带秤设计XThe Design of Electronic Belt Scale Based on PLCX, X 2017年03月28日摘 要很多技术如PLC技术的发展，极大地提高了社会生产效率，提高了产品生产的质量，在生产环节中，配料行业的地位尤为重要，合理稳定而又准确快速的配料生产工序直接关乎生产中的各个步骤，因此配料生产行业拥有着广阔的发展前景。外部接线简单，内部程序的简单性都是PLC的优点。PLC在外部接线没有发生变化时，不仅可以很快的重新设计程序，而且其内部的软继电器寄存器可以实现多种极为复杂的控制功能，且不易发生故障，不易受到干扰，使用寿命长，执行命令时间短，可以使用多重指令，等优点，这些优点都正好弥补了传统继电器的缺点。因此，本研究选择的研究对象是基于PLC的电子皮带秤。本文在研究时，遵循配料生产的特点和生产要求。研究了S7-300 PLC电子皮带秤自动配料控制系统的设计、仿真和使用方式。本设计中的系统依据配料生产的要求，详细的介绍了控制系统的主要控制功能和结构。重点介绍了STEP7软件的各项情况，包括对其的选择、安装、程序的设计和整体系统的调试。 关键词：电子皮带秤；S7-300；PLCAbstractWith the computer, network, database and other related technologies continue to develop and improve the automation system has been greatly improved. PLC application greatly improved the quality of products and production efficiency, in the entire ingredients industry has a broad application prospects. The batching system occupies an extremely important position in the industrial production process of many industries. The rationality, stability, accuracy and rapidity of the batching process directly affect the subsequent production process. PLC has the advantage of simple external wiring, internal program variable, without changing the wiring in the case, you can re-design process, the construction period is short, the internal soft relay is a register, no contacts, low failure rate, long life, anti-jamming capability Strong, the implementation of a short time, the application of instructions, can achieve complex control functions, etc. The traditional relay is the lack of contact system, high failure rate, the average repair time is long, short life, power consumption, change the system function , Will be re-wiring, heavy workload, easy mistakes, the implementation of a long time and so on. Therefore, this study selected PLC-based electronic belt scale for research.According to the characteristics and requirements of batch production, this paper introduces the design scheme and simulation and use method of automatic batching control system of belt scale S7-300 PLC. The system has completed the design requirements of the batching system, and the control system of the main control functions and the structure of a detailed introduction. But also highlights the STEP7 software selection, installation, ladder program design and the overall system debugging and so on. Keywords: electronic belt scale; s7-300; plc 目 录1 引 论12 总体设计方案22.1系统的工作原理和流程图21.2系统的基本功能32.3系统的结构和工作过程42.4 PLC控制系统软件设计63 系统各环节功能设计及检测83.1 PLC主循环程序OB1和初始化程序OB10083.2 中断程序OB35123.3 控制输出功能模块FC1和FC101153.4 PID运算FB1和FB101163.5报警功能FC3和FB3193.6累计功能FC4和FB4213.7数据检测FB2和FB102223.8测皮重FB5和FB1O5233.9标定秤FB6263.10 运行初始化FC10263.11仿真模块FB10和FB110294 对系统的模拟仿真及调试324.1模拟仿真组态用软件PLCSIM324.1.2 S7-PLCSIM的主要组成部分324.1.3 配置过程324.2 模拟组态步骤34结 语35致 谢36主要参考文献37附 录381 引 论如今像医疗、建材、修路以及包装等各行各业都在广泛地使用PLC自动配料控制系统和应用计算机技术。很多地方都需要人手参与，效率低下且精度差的传统控制系统，多是依靠继电器和接触器等设备一步一步完成顺序程序的，自动化程度极低。在市场经济日新月日的进步过程中，生产产品的质量和效率就是生产者取得更多利益，获得更稳定发展的制胜法宝，所以电气自动化需要进行更深更广的发展。需要称重的物品被放在运动的皮带上，物品就算是处于散乱状态，也是能够被较为准确的称重，行使称重功能的工具就是皮带秤。在日常的生活中，配料系统需要针对不同的生产要求完成各种生产。所以，其系统中的皮带秤的构成不能太单一，控制整个操作的运行系统也必须相当完善。在本设计中，之所以采用PLC的系统控制软件，是因为PLC的系统控制可以在真正意义上实现电气运行的自动化，完全吻合现在各企业的生产方式，稳定、高效、安全、实用。2 总体设计方案2.1系统的工作原理和流程图日新月异的电子计算机技术在皮带称中的应用，极大地提高了皮带秤的计量精度，改善了它的稳定性，简化了操作程序，易于维护，使其广泛应用于各种行业。皮带秤能够根据不同物品的变化而进行实时的称量，它的应用使得操作人员不需要自己动手处理很多精细的生产活动，也减少了工作人员的重体力劳动量，使得在相同的时间下，拥有的合格的成品数量增多，最终企业或者商家就可以获得更高的效益。流量的测定是一个非常简单的。先对皮带上的商品进行称重，然后核对商品在皮带上运行的速度，这样就得到了输送流量。其缺点就是皮带称的动态测量会导致测量的精度不够。把给料机抖出来的物品，放在皮带上，让物品随着皮带向前慢慢移动。皮带秤内部可以进行称重的得器具，会对皮带上的东西进行称量。东西的重量被称出来以后，在它的内部就会生成信号，这些重量可以一个个加起来，形成累加重量。在东西和皮带向前慢慢运输的时候，每一段时间皮带秤里面的称重工具都会记录下那个瞬间物品的重量，这两个重量值的信息都会通过一定的方式传输给能控制给料量的机器内去。这些测量出来的量值都会在掌控的器械里面进行对比，紧接着，这个器械就会把它刚刚收到那些数据和重量输送出来，这样就可以想给多少量就给多少量了。在整个运行的系统的上面的机器有统领的作用，它可以把想要的数据编程成为实际运行时使用的数据，在和系统里面其他的软件一起进行运行，就可以实现系统没有人的操作，也可以运行的。开始初始化预置配比料斗送料料斗有料？启动生产线皮带机运行实时计量流量累计流量偏差添加辅料PID调节结束变频器NY图2.1 系统控制流程图1.2系统的基本功能以下为其基本功能的介绍：监控系统：记录皮带秤在运行过程中对物品进行称量的一些数据。画面显示：在计算机的显示器中显示皮带秤在运行过程中所收集到的相关控制参数，并显示实时的配料曲线和表格。通讯功能：控制全部系统的总机和PLC之间可以把操作过程里面记录的那些数据互通有无。数据处理：前面皮带秤通过它里面的工具，收到了好多有用的信息，把这些资料进行一下整合和处理以后，就可以计算出最能够保证各方利益的数字。控制功能：依据在进行操作前，所设定的额定值，自动监控设备的运行情况，包括PID调节。报警功能：运行的环节很多，会出现故障的可能性也越多，假如哪一个过程在运行不通畅的时候，总管的机器就可以发出特殊信号报警。2.3系统的结构和工作过程在自动配料系统中，配料和料流量都是由上位机进行控制，上位机可以建立配料模型和最后的数据统计和打印。皮带的顺序控制和电磁给料机的变频控制由下位机完成，下位机采用的是PLC系统。如果用频率可以随时变化的驱动器，配料的误差就可以降低到百分之零点五一下。8台编号为1#，2#，3#，4#,5#,6#，7#，8#的皮带秤配料线组成了完整的配料系统，每一台皮带秤上的输送不同的物料。系统中的每一台皮带秤的两级控制都是由PLC和主机实现的。 (1)工业现场工厂生产时所需要的设备必须是要求齐全的，只有这样，才可以让工厂的生产运营正常。PLC的作用是采集皮带秤运行是各个电机，电磁阀和变频器的相关控制对象的数据和信息，在对这些数据进行处理，再反馈给被监控的对象，最后将数据信息传入到上位机。同时，下面被控制的器械都要接受来自系统上面的总机的号令，然后下面的器械接收到这些号令以后，首先要做的事就是分析这些命令，然后这些工作器械又变成了发布号令的角色，把他们分析的结果又以新的命令形式向更下面的执行器械发出，等待他们做出相应的回应。本设计系统中，实行的是一对一的设计，即一台变频器控制一台电磁振动给料机。可以变换频率的器械只能够接收数字型的数据信号，再想办法把电机的运转速度控制住，然后还要向上面的器械报告自己的情况。假如，自己的工作状态不好，就通过传话筒器械向上一次反映，上面的控制级别的器械就会发出警告的信号。它对电磁振动给料机的控制可以不断地完善电磁振动给料机的自我保护和电机的保护功能。(2)控制室控制室内的设备有PC、打印机和组态软件等。在下面的PLC把自己收集到的那些用的资料向上一级的机器传递，这样上一级的机器就可以把我们在系统中的要监控的东西的实际情况显示出来。假如，在哪一个环节出现了运行部通畅的情况，上一级的机器还可以进行警告。如果，每一个环节都运行的十分通畅，那么上面的高级控制端就会向它的低级控制端发号令。在本设计系统中，上面的高级控制机器把整个系统在运行中的各个部分都充分的表现出来，并且对一些部分还可以进行开关的控制。有电以后，自动进行配料的机器就会在皮带的带领下旋转起来，根据不同时间段的不同需要，电机的旋转会有微型的机器进行处理。进行加工的东西从那个装了很多东西的漏斗里漏到皮带上，皮带移动，就把要加工的东西一起运到了可以称重的地方去了。在那里称完重量以后，加工物对称量区域有压力，这个压力又会被转化成别的信号，而且还在传播过程中越变越大，到最后，工作人员获得的信号是和加工物的质量有关的电平信号。上面的总机会接收这个电平信号，然后在随机抽取生产好的产品进行分析，把电平信号最终转化成运输流量的信号，而且还可以在系统上面的总控制机上显示。同时，系统处于上端的控制机把它得到的信号传输给PLC，收到信号后，又要把这些信号同系统上面的总控制机所规定的数据相比较，根据比较结果，在系统中各个运行部位的参数进行调整，选择最为合适的电机旋转速度。给出满足要求的加工物，这样自动配料才可以实现。在时域中可用公式表示如下： 公式中的误差和控制器输入用e(t)表示，控制器的输出用u(t)表示，kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。系统流量PID闭环调节结构图如图1-4所示。在进行产品加工时，通常以产品中的主要成分为主要研究对象，它可以调节实际生产中的相关数据参数，在根据产品生产的特殊要求，通过系统上面的主要控制机器控制生产过程中其他的数据。PLCPID调节变频调速器电子皮带秤Qp+实际流量设定流量 图2.2 流量PID闭环调节 只要系统开始启动，加工物配比生产线也开始运行。运行前，要先进行系统的全新程序调整，把符合生产要求的数值输入系统的控制器，然后要检查存放加工物的容器中是否有足够的加工物品，如果容器中的加工物不满足生产所需要求，那么要先向容器中添加加工物，所有检查程序结束后，就可以开始产品的加工生产了。在实际操作运行时，如果系统的运行参数和上面的控制机器所规定的值有出入时，通过调节器对出入进行调节，以满足系统的要求。按照配方工艺的要求，进行辅料的添加，然后对按比例配比混合的物料进行记重。PLC和上位机对系统中的主料秤和辅料秤进行两级控制。现在拿1#，2#，3#，4#四台电子皮带秤举例子，进行自动编程的分析，整个运行系统中的相关器件作为分析过程中的被控对象。电机的开始旋转和停止运作。频率可变的控制器，只接受的输出信号是数字，然后经过一番调节之后摇身一变，成了高频脉冲。装加工物的容器里面也有一个感应器，它主要是感受容器里面到底有多少材料，电机里面有一个专门感应电机运转速度的传感器。系统需8个数字量输入信号，25个开关量输入信号和24个开关量输出信号，I/O点总数量为57。I/O点数量和类型如表1所示。 表2.1 PLC I/O口数量和类型 I/O类型数字量输入点数开关量输入点数开关量输出点数 信号类型 流量信号4按钮3电磁阀4速度信号4料位传感器8信号灯8变频器故障4接触器9变频器运行4变频器调速信号3自动、手动切换开关SA2跑偏监测电位器RP24小计3324总计33/24不同的贵公司使用的PLC各有千秋，但是大部分都是一些像SIMATIC S7-/300一样的小东西，它还有好多不同的单元格，不同单元格之间可以相互配对，形成满足不同要求的新的程序单元格。从被控对象的I/O点数，自诊断功能等方面考虑，选用SIEMENS公司S7-300系列PLC的CPU 315-2DP 最为合适。CPU 315-2DP是唯一带现场总线（PROFIBUS）SINEC L2-DP接口的CPU模板。2.4 PLC控制系统软件设计 西门子公司研发的相关产品数量之多，但他们S7-300系列的PLC是其公司比较受欢迎的产品了，它所用的编程语言是STEP7。STEP 7编程软件，通过使用一些特殊的运行手法，实现它的离线操作，就算离线操作，它也不影响信息通过各种方式直接到内部进行运行。在系统运行过程中，有很多需要进行调动的地方，在调动的时候，系统并不会放弃对正在运行的系统的内部数据的监控，这种不间断的监控，使得系统里面的数值处在动态的恒定变化中，为操作系统的运行提供了巨大的好处。客户使用的程序其实已经被STEP7划分的成各种类型的小单元了。系统单元和用户单元是程序分类的两种类别。在本系统中，PLC的任务也是有很多的。不仅要好好的接受外部按钮产生的信号数据，还要保证系统内部的相关信号被接收和控制。再把这些信号数据进行综合整理分析，将分析结果上传至上面的总控制机器，在由其对各个分系统进行统筹，确定任务，从而实现自动产品装配机的全自动。自动配料程序共有OB 1及FC1至FC6等7个“块”。主程序是OB1，想要组织好整个程序，就要调用6个“CALL”语句，从而依次调用FC1至FC6等6个功能模块，6个功能块在程序运行时的任务分别是： FC l 负责设定系统启动以及启动后的运行方式;FC2 负责对系统的停止进行设定; FC3 负责控制在加料物时，计量泵和计量泵的配比;FC4 负责设置在运行过程中出现故障、事故时的处理控制; FC5 负责控制对变频器; FC6 负责控制指示灯的显示在本系统中，PLC的任务也是有很多的。不仅要好好的接受外部按钮产生的信号数据，还要保证系统内部的相关信号被接收和控制。再把这些信号数据进行综合整理分析，将分析结果上传至上面的总控制机器，在由其对各个分系统进行统筹，确定任务，从而实现自动产品装配机的全自动。3 系统各环节功能设计及检测3.1 PLC主循环程序OB1和初始化程序OB1001.主循环程序主循环在程序中，通过对各级机器以及各级程序的运行状态进行精准控制，从而实现厂家对产品生产的要求。先将“停止模式”置位，接通后将 “测皮模式”“标秤模式”“运行模式”复位。当“运行模式”、“测皮模式”“标秤模式”接通后，将“停止”开关复位。程序如下：假如信号接通了，不管其他条件具备的如何，都只有在各路的压力信号都比零大才可以运行。将每一路的压力信号检测值赋零。程序段9：2.初始化程序初始化系统的程序是先将 “测试模式”和“停止模式”置位，在“停止”接通后，在进行“运行”“测皮”“标称”的复位，将MD值赋零。3.2 中断程序OB35OB35用于调用其他环节的各个模块程序如下：多路仿真环节和数据检测环节的调用多路PID和报警环节的调用程序：累计和输出模块的调用：测皮和标秤模块的调用程序：3.3 控制输出功能模块FC1和FC101此模块实现输出数据的转换，功能实现后数据在04095范围之内。1.单路控制输出梯形图设计2.多路控制输出FC101是以一路为例，程序如下：3.4 PID运算FB1和FB101在很早以前微分调节控制技术就已经发展起来了，因为它自身兼具了很多的优点，以至于在历史发展的长河中，它的发展前景日益迅速。在实际的运用和理论的研究上起着不可或缺的作用。本设计系统的核心也是建立在PID基础上的控制模块。作为发展历史悠久的控制算法，它也经历的发展和革新。并在发展中不断的进步，优化自身的功能品质，为现在的工厂生产提供了强有力的助力。调节原理大致基于方程式： ； u(k)为t=KT时的控制量。1. 单路PID先计算出偏差量赋给ek按照调节原理进行相应的运算，分别乘以系数后进行比例、积分、微分各环节的运算。2.多路PID FB101以一路为例，程序如下：3.5报警功能FC3和FB3在系统运行不通畅的时候，系统需要做出报警的动作，在这种特殊状态时，程序就开始进行报警。1.单路报警模块设计FC3在系统上面的高级控制区设定好一个界限，信号超过界限进入上限，低于界限，归入下线。出现意外状况的次数累计到一定数值，开始报警。2.多路报警FB3报警置位，接通后报警停再置位，运行后“运行模式”复位。3.6累计功能FC4和FB4系统对每个周期的量要进行累积相加1. 单路累计模块梯形图设计FC42. 多路累计模块FB4以一路为例，程序如下：3.7数据检测FB2和FB1021. 单路数据检测FB22. 多路检测FB102，调用FB2。以一路为例，程序如下：3.8测皮重FB5和FB1O51.单路测皮重梯形图设计FB5分为五步操作第一步：皮重和记录次数都赋零第二步：等待30后再测皮第三步：测取皮重并进行数据类型的转换，测皮时间定为三分钟，测皮次数累计。第四步：讲多次测量结果去平均值，得出皮重。1. 多路测皮模块FB105多路时调用FB5模块以1路为例：3.9标定秤FB6以一路为例，程序如下：3.10 运行初始化FC10在系统检测到数值之前，要保证各项赋零或赋予初始值，这就是初始化程序的作用。3.11仿真模块FB10和FB1101. 单路仿真程序FB10，由FB110调用。让检测量pv逐渐逼近于控制量mv，从k时刻到k+1时刻的变化需要乘以一个误差系数，程序中设为0.01,pv(k)=pv(k-1)+0.01mv(k)-pv(k-1) 2.多路仿真FB110以一路为例，程序如下：4 对系统的模拟仿真及调试因为在系统运行中，不可能是系统运行的工作环境完全真空，所以，系统运行中或多或少都会受到外界的影响。为了让设计的实验能够更好地在实际产品生产中得到应用，所以一定要对设计成果进行仿真调试。为了解决这个问题，西门子公司为S7300 PLC提供了一个专用的仿真软件S7PLCSIM。4.1模拟仿真组态用软件PLCSIM4.1.1 S7-PLCSIM功能及介绍1.S7-300和S7-400PLC的用户程序功能十分强大，不仅通过自身的能力，还可以充分利用S7-PLCSIM的离线操作功能，实现其对于模拟PLC的各个部件的浏览，对于一些简单的操作，有时候都不并用系统中较为高级的程序进行检测，只需要在模拟的窗口进行模拟操作。2.可以对定时器自动运行和手动运行进行监视和修改3.该软件还可以进行多项相关数据的读写。4.在仿真的PLC中，可以中断组织测试程序，通过记录操作事件和记录回放，来对程序进行测试。4.1.2 S7-PLCSIM的主要组成部分1. CPU 视图对象。想要对这个对象进行模拟检测的话，在模拟程序已启动，该对象就会显示出来，对于其工作状态的选择，用户都可以进行自行选择。2 .插入视图对象。3. PLC文档、LAY文档。4.1.3 配置过程先安装 step 7然后再装PLCsim。这样在simatic管理器里面，就有一个启动 plcsim的图表，点击就可以启动plcsim了。WinCC V5.1 的缺省安装还不够， 必须在“通讯”组件下，选择安装“S7Dos”和“对象管理器”组件。 如下图所示：图4.1 对象管理器配置step7 和 PLCsim1)打开 step7 管理器，打开原来组态好的工程。2)点击图表启动 plcsim程序。3)打开硬件配置，查看CPU上MPI接口的号码(比如我这是 MPI地址为5)。4)点击下载硬件配置，出来的对话框中选择通过 MPI address=5来连接CPU。图4.2 硬件地址配置5)然后下载已经编好的程序 blocks 到 PLC中，并启动PLCsim 到运行状态。这样就完成了配置，step7可以进行程序的在线调试和查看出错信息等操作。PLCsim只支持 MPI 协议的连接，如果你的WinCC工程不是使用的MPI协议，暂时成 MPI协议(全选，剪切，粘贴)。1)如果没有s7 suit驱动，添加它。2)MPI驱动下新建 一个连接， MPI地址选5。3)将事先设置好的tag变量，剪切粘贴到 MPI连接下， 地址之类的信息都不需要进行改动。4)运行wincc工程即可。WinCC自带的通道诊断工具可以用来查看PLCsim是否被链接成功了。 开始- simatic - wincc - tools - Channel Diagonisis 图4-3 运行诊断4.2 模拟组态步骤1. 打开WinCC v5.1 和STEP 7 v5.1 软件2. 将制作完成的上位机和下位机分别打开3 .打开仿真软件S7PLCSIM4 .导入下位机模块，选择仿真软件的RUNP项5 .激活上位机软件，进入组态画面6 .组态完成，可以监控系统运行结 语通过这次设计，使我对PLC技术更加深了一步，对STEP7编程软件也有了一定的认识，对S7-300系列PLC有了更深的了解，尤其是在进行PLC梯形图的编程过程中，我又学习到了很多的编程技巧和相关知识。对控制系统的设计过程有了一个整体的认识，从而能设计出一套比较完整的皮带秤PLC控制系统梯形图。我感谢这次设计以及在设计过程中帮助我的同学和老师，让我有机会对大学期间所有知识有一个总结，也是所学理论与实践的结合，使我受益非浅。同时还培养了我独立思考问题、分析问题、解决问题的能力，为今后的工作打下了坚实的基础。也让我意识到一个完整的系统要团结合作才能达到最好的效果，学习需要交流。致 谢在各位老师的悉心指导下，此次设计和论文才得以完成的。我被你们严谨的科学态度，一丝不苟的治学精神和孜孜不倦的工作作风深深地感染。从本课题的选题到实验设计到最后的完成，你们一直都给予我耐心细致的指导。在此谨向各位老师们致以最真挚的感谢和崇高的的敬意。感谢武昌工学院在我大学期间对我的大力栽培；感谢老师们孜孜不倦的为我传道授业解惑，让我打下坚实的理论基础，提升了我的实践能力；同时还要感谢我所有的同学们，感谢大家让我学会了在合作中竞争，在竞争中进步，在进步中实现共赢。在撰写论文的过程中，我的理论知识体系也在不断地深入和成熟。也希望在未来的工作和生活过程中，自己仍能一直拥有一颗求知的心，仍能不断学习，不断的完善自我。最后，希望能够在以后的学习和研究生涯中以更加出色的成绩来答谢所有给予过我关心和帮助的老师和同学！再次感谢您们！主要参考文献1 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术. 北京：机械工业出版社. 2005：1.2 胡学林.可编程控制器教程（提高篇）. 北京：电子工业出版社. 2005：8.3 西门子公司. 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