自动配料装车的PLC控制系统设计

课程名称电气控制与PLC

课题名称自动配料装车的PLC控制系统设计

设计内容与要求

一.课程设计的性质与目的

本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。

二. 课程设计的内容

1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。

2.绘制自动配料的PLC控制系统的电气原理图、控制系统的PLC I/O 接线图和梯形图，写出指令程序清单。

3.选择电器元件，列出电器元件明细表。

4. 上机调试程序。

5. 编写设计说明书

三. 课程设计的要求

1.所选控制方案合理，所设计的控制系统能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。

2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》、GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》。

3.所编写的设计说明书应重点突出，层次清楚，条理分明，篇幅不少于7000字。

主要设计条件

1.实物PLC及其编程软件，PLC实验室

设计说明书装订顺序

1.课程设计说明书封面。

2.课程设计任务书。

3.说明书目录。

4.正文（按设计内容逐项书写）。

5.参考文献。

6.附录。

7.课程设计评分表。

设计进度安排

1. 第一周星期一上午：课题内容介绍。

2. 第一周星期一下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。

3. 第一周星期二～第一周星期五：确定控制方案。绘制皮带运输机电气控制系统的电气原理图、控制系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。选择电器元件，列出电器元件明细表。

4. 第二周星期二：试验调试

5. 第二周星期三～第二周星期五：编写设计说明书,答辩。

参考文献

[1] 刘星平.PLC原理及工程应用[M]. 北京：中国电力出版社

[2] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社

[3] 万太福.可编程序控制器及其应用[M]. 重庆：重庆大学出版社

[4] 工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册[M].北京：水利电力出版社

[5] 谢桂林.电力拖动与控制[M].北京：中国矿业大学出版社

[6] 刘星平.可编程控制器实验指导书. 湖南工程学院

附录：课题简介及控制要求

有一个配料系统有四条传送带的传送系统，分别用四台电动机带动，控制要求如下：系统启动后，配料装置能自动识别货车到位情况及对货车进行自动配料，当车装满时，配料系统能自动关闭。

1.初始状态

系统启动后，红灯L2灭，绿灯L1亮，表明允许汽车开进装料。料斗出料口D2关闭，若传感器S1置为OFF（料斗中的物料不满），进料阀开启进料（D4亮）。当S1置为ON（料斗中的物料已满），则停止进料（D4灭）。电动机M1、M2、M3和M4均为OFF。

2.装车控制

当汽车开进装车位置时，限位开关SQ1置为ON，红灯信号灯L2亮，绿灯L1灭；同时启动电机M4，经过1S后，再启动M3，再经1S后启动M2，再经过1S最后启动M1，再经过1S后才打开出料阀（D2亮），料斗出料。

当车装满时，限位开关SQ2为ON，料斗关闭，1S后M1停止，M2在M1停止1S后停止，M3在M2停止1S后停止，M4在M3停止1S后最后停止。同时红灯L2灭，绿灯L1亮，表明汽车可以开走。

3.停机控制

按下停止按钮SB2，自动配料装车的整个系统终止运行。

试设计满足控制要求的PLC控制系统。

实验面板图

前言

可编程程序控制器（PLC, Programmable Logic Controller）因其高可靠性和较高的性价比，而在工业控制中被广泛应用。力控组态软件由于计算机的普及和其本身价值（实时多任务、开放性、灵活性、通用性和可靠性）的被认知，也在快速的发展中。

本文基于可编程序控制器PLC和力控组态软件设计自动配料系统的控制系统和监控系统。首先，利用德国Siemens公司的S7-200系列PLC 对自动配料系统进行控制。运用与之相配的STEP7编程，通过LAD编程语言编制了下位机的控制程序，从而使该配料系统可以按要求完成自动配料，装料全过程。其次，自动配料系统的监控系统则采用了力控组态软件对上位机监控软件组态，实现现场数据的实时监控。

本文的主要内容包括对生产过程控制系统发展和现状的概述、配料系统工作原理和配料控制系统的总体设计，重点描述了包括硬件设计、编程环境及软件设计在内的西门子PLC在配料系统中应用的一些细节、组态软件及其在上位机监控系统中一些基本设计，以及PLC与上位机之间的通讯。

关键词：可编程序控制器；配料；组态软件

I

目录

前言 ..................................................................................................... I 第 1 章概述.. (1)

1.1可编程控制器的发展及前景 (1)

1.2可编程控制器的定义 (1)

1.3可编程控制器的基本组成及功能 (2)

1.4组态软件的发展 (2)

第 2 章任务简介及方案选择 (3)

2.1任务简介 (3)

2.2方案选择 (4)

2.3方案构思框架 (5)

2.4PLC型号的选择 (6)

2.5监控软件的选择 (7)

第 3 章系统硬件设计 (9)

3.1主电路设计 (9)

3.2PLC的外部接线设计 (10)

第 4 章系统软件设计 (12)

4.1工作流程图以及顺序功能图的设计 (12)

4.2梯形图程序的设计 (16)

4.3力控组态的设计 (16)

第 5 章系统调试 (18)

5.1下位机调试过程 (18)

5.2上位机力控调试过程 (21)

5.3故障分析解答 (23)

第 6 章总结 (24)

谢辞 (25)

参考文献 (26)

附录A (27)

电气信息学院课程设计评分表 (37)

II

湖 南 工 程 学 院

1

第 1 章 概 述

1.1 可编程控制器的发展及前景

1968年由美国通用汽车公司（GE ）提出了研制可编程序控制器（即可编程控制器）的基本设想，希望尽量减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件和接线，减少系统维护和升级时间，降低成本。希望将计算机的优点与继电器控制系统简单易懂、操作方便，价格便宜等优点相结合，设计一种通用的控制装置来满足生产需求。

1969年由美国数字设备公司（DEC ）研制成功世界上第一台可编程控制器，有逻辑运算、定时、计算功能，称为PLC （programmable logic controller ）。

1980年后，由于计算机技术的发展，PLC 采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC 运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。

可编程控制器最初是用于替代继电器控制系统的新型控制器，现在的PLC 功能更加完善，除了开关逻辑控制的场合能够大显身手外，在要求有模拟量闭环控制的场合，也不会比单片机孙色。单片机能够完成的工作PLC 都能完成。而且PLC 更适用工业生产现场环境，具有更高的可靠性及较好的电磁兼容性

1.2 可编程控制器的定义

国际电工委员会（IEC ）1985年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。是一种用程序来

湖 南 工 程 学 院

2

改变控制功能的工业控制计算机，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

1.3 可编程控制器的基本组成及功能

尽管PLC 种类繁多，有着不同的结构和分类，但其基本组成是相同的。都是由中央处理单元（CPU ）、存储器、输入输出单元（I/O 单元）、电源单元、编程器等组成。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计”。

1.4 组态软件的发展

监控组态软件是在信息化大社会的大背景下，随着IT 技术的不断发展而诞生、发展起来的，在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。

自2000年以来，国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞速的发展，应用领域日益扩展，用户和应用工程师数量不断增多，充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。

课题主题是基于上述之上的，关于设计自动配料装车系统，下面对于其课题介绍和方案的选择以及确定进行详细介绍

湖 南 工 程 学 院

3

第 2 章 任务简介及方案选择

2.1 任务简介

有一个配料系统有四条传送带的传送系统，分别用四台电动机带动，控制要求如下：系统启动后，配料装置能自动识别货车到位情况及对货车进行自动配料，当车装满时，配料系统能自动关闭。

1.初始状态

系统启动后，红灯L2灭，绿灯L1亮，表明允许汽车开进装料。料斗出料口D2关闭，若传感器S1置为OFF （料斗中的物料不满），进料阀开启进料（D4亮）。当S1置为ON （料斗中的物料已满），则停止进料（D4灭）。电动机M1、M2、M3和M4均为OFF 。

2.装车控制

当汽车开进装车位置时，限位开关SQ1置为ON ，红灯信号灯L2亮，绿灯L1灭；同时启动电机M4，经过1S 后，再启动M3，再经1S 后启动M2，再经过1S 最后启动M1，再经过1S 后才打开出料阀（D2亮），料斗出料。

当车装满时，限位开关SQ2为ON ，料斗关闭，1S 后M1停止，M2在M1停止1S 后停止，M3在M2停止1S 后停止，M4在M3停止1S 后最后停止。同时红灯L2灭，绿灯L1亮，表明汽车可以开走。

3.停机控制

按下停止按钮SB2，自动配料装车的整个系统终止运行。 试设计满足控制要求的PLC 控制系统。 面板如图2-1所示。

湖 南 工 程 学 院

4

图2-1 面板

这次课程设计的扩展的一小部分，控制原理如下：

首先，当某一节传送带发生故障时，该节传送带和其前面的传送带会立即停止，同时料斗出料阀门会关闭，该传送带节之后的传送带会在一定的延时后停止。

整个系统是以PLC 为核心设计的，利用力控组态进行监控，可实现静态观测和动态模拟。并且通过PLC 控制可以实现上位机和下位机的操作。

2.2 方案选择

当前自动配料解决方案有三种：以单片机为主控制机的自动装置、以PLC 为主控制器的自动配料装置、智能自动配料装置。各种方式优缺点如下：

（1） 以单片机为主控制机的自动装置。在当代工业生产中，以单片机为控制机的自动装置层出不穷，广泛应用于工业控制中。单片机以其价格便宜、轻巧占据市场，其功能和开发工具也相对比较完善，其完成的系统后期维护困难。以单片机开发的智能控制设备，成本低，开发

方便，功能灵活，有成熟的开发体系，完善的功能。但其抗干扰能力有

湖 南 工 程 学 院

5

限，无法胜任于较为恶劣的工业环境。可以与计算机通讯，但需要较复杂的编程。由于单片机技术的限制,系统难以制作更高级的统一控制画面。

（2） 以PLC 为主控制器的自动配料装置。PLC 组成的控制系统，性能相对稳定，抗干扰能力强，符合工业级标准，适合于恶劣的工业环境。PLC 本身输入输出点数可以灵活配置，并能自由选择添加输入输出。其逻辑控制功能强，可长期运行于工业现场，其自身保护能力较高。并可以与上位机建立通讯连接，完成两者的数据交换；也可以通过串口上网模块通过网络交换数据。其完善的功能，灵活的配置，简单的编程，可靠的工作，使其广泛用于工业现场。由于ＰＬＣ技术的成熟，容易制作上一层的监控页面。

（3） 专用自动配料装置。专业自动配料装置简单易用，适合于小型控制中，能够完成简单的控制要求，其精确度较高。但专用仪表价格较贵，不利于系统的扩展。对成型系统扩展、维护相当困难。在工业控制中，难以用于生产数据频繁变动和复杂逻辑算法的控制。工业中常用于作为现场智能IO 直接控制现场设备，并通过数据线将简单的数据传递到上层大型智能控制设备。

通过上面三种常用工业控制方案中，可以得到以单片机为主控制机的自动装置和智能自动配料装置，难以满足本设计的要求，所以选用以PLC 为主控制器的自动配料系统方案。

2.3 方案构思框架

方案构思框架如图1-1所示

湖 南 工 程 学 院

6

2.4 PLC 型号的选择

首选德国西门子的PLCS7系列，S7-200属于小型PLC ，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，针对系统控制，这里选择S7-200比较合适，S7-200具有以下特点：功能强，先进的程序结构，灵活方便的寻址方法，功能强大、使用方便的编程软件，简化复杂编程任务

检查修改程序

I/O 地址分配

完成

编制报告

联机调试

设计硬件系统接线图和控制柜

调试程序 程序设计

检查硬件接线

了解被控系统、选择PLC 型号和监控软件、确定硬件配置、I/O 设备选择 ，设计外部硬

件接线图

满足要求？

满足要求？

N

Y

N

Y 图2-1 系统设计构思

湖 南 工 程 学 院

7

的向导功能，强大的通信功能，品种丰富的配套人机界面，有竞争力的价格，完善的网上技术支持。

S7-200有5种CPU 模块，最多可以带7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O 或38路模拟量I/O ，最存储容量达30KB 以上。集成了6个具有12种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器/脉冲宽度调制器。

CPU 224 XP 集成有两路模拟量输入，一路模拟量输出，两个RS-485通信口，高速脉冲输出频率高达100 kHz ，高速计数器频率高达200 kHz ，有PID 自整定功能。这种新型CPU 增强了S7-200在运动控制、过程控制、位置控制、数据监视和采集以及通信方面的功能。CPU 224XP 的高速计数器的最高计数频率为200 kHz ，高速输出的最高频率为100 kHz 。

CPU 224是具有较强控制功能的控制器。

CPU 221无扩展功能，适于作小点数的微型控制器。 CPU 222有扩展功能。

CPU 226适用于复杂的中小型控制系统，可扩展到248点数字量和35路模拟量，有两个RS-485通信接口。

通过以上比较，选择CPU 224XP CN 为最佳CPU 。

2.5 监控软件的选择

由于力控6.0监控组态软件是北京三维力控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端产品，是力控科技全体研发工程师集体智慧的结晶。

该软件主要定位于国内高端自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台，对历史数据库、人机界面、I/O 驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件。力控6.0面向. NET 开发技术，开发过程采用了先进软件工程方法：“测试驱动开发”，测试用例覆盖率为99.5%，产品品质将得到充分保证，在数据处理性能、容错能

湖 南 工 程 学 院

8

力、界面容器、报表等方面产生了巨大飞跃。避免了目前市场上各类软件不是操作过于复杂或者就是功能过于简单的弊病，在提高产品功能的前提下，即保证了产品的灵活性，又保证了使用的简单性，使您快速构建工程项目。

对于初学监控组态软件的学者来说，力控提供了丰富的帮助功能以及简单的操作，容易上手，建立工程容易的力控软件是一种不错的选择

湖 南 工 程 学 院

9

第 3 章 系统硬件设计

硬件电路的设计主要包括控制系统的主电路和PLC 的外部接线图的设计以及电路中包含的元件清单及I/O 地址功能的分配。

3.1 主电路设计

根据系统控制要求：一个配料系统有四条传送带，分别用四台电动机带动。

设计的主电路如下图3-1所示：

图3-1 控制系统主电路

主电路的元件清单如下表3-1所示： 符号 名称 型号以及规格 单位 数量 1~4M 电动机 Y112-4/4KW/380V 台 4 1~4QF 低压断路器 DZ47-C10A/3P 个 4 1~4KF 交流接触器 CJX2-25-31 22OV 个 4 1~4FR

热继电器

JKS1-09-25Z 13-18A

个

4

湖 南 工 程 学 院

10

表3-1 元件清单

3.2 PLC 的外部接线设计

其PLC 的外部接线图如图3-2所示：

图3-2 PLC 外部接线图

自动配料装车系统实验面板与PLC 接线控制对应输入输出接线关系如表3-2所示。

输入 面板 PLC 力控 功能描述 1 SB1 I0.0 M3.0 启动 2 SB2 I0.1 M3.1 停止 3 S1 I0.2 M3.2 料斗满检测 4 SQ1 I0.3 M3.3 车到位检测 5

SQ2

I0.4

M3.4

车装满料检测

湖 南 工 程 学 院

11

6 A I0.5 M3.5 电动机M1（A ）点故障

7 B I0.6 M3.6 电动机M2（B ）点故障

8 C I0.7 M3.7 电动机M3（C ）点故障

9 D I1.0 M4.0 电动机M4（D ）点故障

输出 面板 PLC 力控 功能描述 1 D1 Q0.0 Q0.0 车装满指示灯 2 D2 Q0.1 Q0.1 料斗出料阀门开指示

3 D3 Q0.2 Q0.2 料都满指示

4 D4 Q0.3 Q0.3 料斗进料阀门开指示

5 L1 Q0.4 Q0.4 允许车开进或开出指示

6 L2 Q0.5 Q0.5 车正在装料指示

7 M1 Q0.6 Q0.6 M1运行指示

8 M2 Q0.7 Q0.7 M2运行指示

9 M3 Q1.0 Q1.0 M3运行指示 10

M4

Q1.1

Q1.1

M4运行指示

表3-2 输入输出关系

湖 南 工 程 学 院

12

第 4 章 系统软件设计

4.1 工作流程图以及顺序功能图的设计

整个系统包括配料部分和送料装车部分。

配料系统工作过程：按下启动按钮，检测料斗是否满，如果若传感器S1置为OFF ，表示料斗中的物料不满，进料阀开启进料（D4亮）。如果当S1置为ON 表示料斗中的物料已满，则停止进料（D4灭）。值得注意的是，在送料装车过程中，当D2阀门打开的时候，会检测到S1为为OFF 状态。 配料部分系统的工作流程图如下图4-1所示

送料装车系统工作过程

按下启动按钮，允许车开进来，此时Q0.4亮，Q0.5灭，表示允许车开进来，与此同时的其它电动机都处于OFF 状态。当汽车开进装车位置时，限位开关SQ1置为ON ，红灯信号灯L2亮，绿灯L1灭；同时启动电机M4，经过1S 后，再启动M3，再经1S 后启动M2，再经过1S 最后

检测信号

开始

料斗是否满

Y

N

料斗开始进料

图4-1工作流程图

湖 南 工 程 学 院

13

启动M1，再经过1S 后才打开出料阀（D2亮），料斗出料。

如果在启动的过程中检测到A 故障，则M1停止，1秒后M2停止，1秒后M3停止，1秒后M4停止。如果在启动过程中检测到B 故障，此时M1还没有启动，则M2停止，1秒后，M3停止，一秒后,M4停止。如果在启动的过程中检测到C 故障，此时M1和M2还没有启动，则M3停止，1秒后，M4停止。如果检测到D 故障，其它都还没启动，则停止M4。

如果在车子装料的过程中检测到A 故障，则D2阀门关闭的同时，M1停止，1秒后，M2停止，1秒后，M3停止，1秒后，M4停止。如果在车子装料过程中检测到B 故障，则D2关闭的同时，M1和M2同时停止，1秒后，M3停止，1秒后，M4停止。如果在车子装料过程中检测到C 故障，则D2关闭的同时，M1、M2和M3同时停止，1秒后，M4停止。如果在车子装料过程中检测到D 故障，则D2、M1、M2、M3和M4同时停止。

在所有的电动机由于故障信号而停止后，均会检测维修，此时车子可以开走。

当车装满时，限位开关SQ2为ON ，料斗关闭，1S 后M1停止，M2在M1停止1S 后停止，M3在M2停止1S 后停止，M4在M3停止1S 后最后停止。同时红灯L2灭，绿灯L1亮，表明汽车可以开走。

送料装车部分系统工作流程如图4-2所示