1、福建农林大学本科毕业设计说明书 设计题目： 基于 PLC 的瓷砖包装线控制系统设计（软件） 学 院： 机电工程学院 专业年级： 电气工程及其自动化 2009 级 学 号： 学生姓名： 指导教师、职称： 2013 年 5 月 20 日 福建农林大学本科毕业设计说明书 PLC-based control system design tile packaging line (Software) College： Mechanical and Electrical Engineering College Specialty and Grade： Electrical Engineering and A
2、utomation, 2009 Number： 091236068 Name: Yang Xin Hui Advisor： Lin Jian Feng， Teaching assistant Submitted time: May 20,2013 福建农林大学本科毕业设计说明书 目录 摘要 .I Abstract.I 1 引言 .1 1.1 本设计的目的和意义 .1 1.2 瓷砖包装线控制系统的研究现状 .1 1.3 本设计所要解决的问题和完成的主要内容 .1 2 系统整体方案设计 .3 2.1 瓷砖包装线装置结构组成 .3 2.2 瓷砖包装线的控制系统要求 .3 2.3 控制系统的方案选择
3、.4 3 瓷砖包装线控制系统 .5 3.1 瓷砖包装线电控系统 .5 3.2 瓷砖包装线控制系统的基本结构 .5 4 硬件系统的设计 .6 4.1 PLC 的选型 .6 4.2 步进电机的选型 .7 5 软件系统的设计 .9 5.1 PLC I/O 表分配 .9 5.2 瓷砖包装线控制系统程序流程图 .10 5.3 步进电机控制程序的编写 .12 5.4 PLC 的通信 .16 5.5 程序结构介绍 .21 6 结束语 .27 参考文献 .28 致谢 .29 附录 .30 福建农林大学本科毕业设计说明书 I 摘要 本设计是为了实现瓷砖生产的自动化，机械化而设计的。本设计通过对西门子 PLC的学
4、习，从而使用编程软件进行编程，进而控制生产机械的动作，实现工业自动化的目的。本设计主要是采用了西门子 PLC 自带的高速脉冲输出点来控制步进电机的运动，来实 现精确控制的目的，最终实现整个流程的控制。 关键词： PLC；工业自动化；瓷砖包装线 Abstract This design is designed for tile production automation and mechanization. This design by learning to Siemens PLC in order to use programming software, and then control t
5、he action of the production machinery, industrial automation purposes. This design is a the Siemens PLC comes with high-speed pulse output point to control the stepper motor movement, to achieve precise control, and ultimately control of the entire process. Key words： PLC; industrial automation; til
6、e packaging line 福建农林大学本科毕业设计说明书 1 1 引言 1.1 本设计的目的和意义 随着我国经济的蓬勃发展，人力成本成为制约企业发展的一个重要因素，因此企业渴望通过实现工业自动化来促进企业的进一步发展。瓷砖企业由于工作环境的恶劣，造成用人短缺。因此，瓷砖企业渴望实现生产线的自动化。因此，本次的毕业设计主要是实现瓷砖包装线的工业自动化，来减轻瓷砖企业的人力成本，促进企业的发展。 PLC 具有极高的可靠性、丰富的指令集 和内置的集成功能、强大的通信能力和品种丰富的扩展模块。 PLC 可以单机运行，用于代替继电器控制系统，也可以用于复杂的自动化系统，还具有极强的通信能力和极其
7、高的性价比。因此采用 PLC 来实现瓷砖包装线的工业自动化，可以很方便的实现控制要求，从而为瓷砖企业解决人力成本居高不下的难题。 1.2 瓷砖包装线控制系统的研究现状 瓷砖包装线控制系统的研究在国内外已经比较成熟，有些已经用于实际的生产，提高了生产效率，降低了人力成本，为企业实现了利润的最大化。现在市面上的瓷砖包装线的控制系统大都是采用 PLC 控制，降低了实现整个 生产流程的难度。由于市面上的 PLC的型号多样，因此每选用一种不同的 PLC，就有一种不同的编程语言，也就有一种不同的程序。 由于生产瓷砖的过程是极其辛苦的，因此工人们不能坚持下来，过一段时间便辞职，影响了瓷砖生产企业的生产。在福
8、州市郊也有一些生产瓷砖的企业，它们正面临着招不到工人，工厂不能生产的尴尬的局面，因此它们迫切希望通过瓷砖生产自动化，来避免这一局面，降低工厂的损失。本设计采用 PLC 来设计瓷砖包装线控制系统，这对实现瓷砖生产的工业自动化具有重要意义，也具有广阔的应用前景和明显的经济效益。 1.3 本设计所 要解决的问题和完成的主要内容 本设计的主要内容是基于 PLC 控制瓷砖生产的工业自动化的控制系统。它主要由传送带、步进电机、电磁阀、机械手和上位机等设备组成。本次设计的目标是设计出能满足控制要求的控制电路、流程图以及控制程序，从而实现瓷砖生产的工业自动化，提高企业的生产效率。 瓷砖包装线的工作流程是 瓷砖
9、从传送带送到工作台上，步进电机下沉一块瓷砖的厚度，当累积到 12 块时，传动带停止 。当步进电机下沉到一定距离后，空气阀开始动作，把工作台上的瓷砖推到包装台上，然后空气阀回复到正常位置，此时在包装台上的步进电福建农林大学本科毕业设计说明书 2 机 工作，把泡沫包装到瓷砖上，然后回到正常位置。此后，夹子下降到一定位置，夹取瓷砖，把瓷砖夹到包装纸上，然后回复到正常位置。此后传送带又开始传送，重复开始上述动作。 由于在本设计中要使用步进电机，因此步进电机的控制就显得尤为重要，为实现控制要求的时候如何保证步进电机能运行到精确的位置，从而保证下一个动作能顺利执行，这是本设计能否实现设计目标的关键问题，只
10、有解决了这一问题，本设计才能算是成功。 福建农林大学本科毕业设计说明书 3 2 系统整体方案设计 2.1 瓷砖包装线装置结构组成 瓷砖包装线装置主要由传送带、 步进电机、电磁阀、减速电机、机械手等组成。本设计主要是对瓷砖包装线的控制系统设计。 2.2 瓷砖包装线的控制系统要求 瓷砖包装线的控制系统的目的主要是实现工业自动化，降低成本，提高企业的利润。为了实现这一目的，就必须使瓷砖包装线控制系统能够正常运行，只有这样才能实现目的。因此，为了使瓷砖包装线控制系统能够正常运行，必须有控制要求，瓷砖包装线控制系统的控制要求如下所示： 1 瓷砖包装线控制系统的启动要求 本系统的控制方式有两种，一种是直接
11、通过按钮来控制，另一种是通过触摸屏来控制。当要让系统开始工 作的时候，按下启动按钮，系统开始初始化，初始化完毕后，选择工作方式，工作方式有两种：一种是连续方式，另一种是单步方式。选好工作方式以后，整个系统便开始动作，瓷砖从传送带送到工作台上，步进电机下沉一块瓷砖的厚度，当累积到 12 块时，传动带停止。当步进电机下沉到一定距离后，空气阀开始动作，把工作台上的瓷砖推到包装台上，然后空气阀回复到正常位置，此时在包装台上的步进电机工作，把泡沫包装到瓷砖上，然后回到正常位置。此后，机械手下降到一定位置，夹取瓷砖，把瓷砖夹到包装纸上，然后回复到正常位置。此后传送带又开始传送，重复 开始上述动作。 2 系
12、统停车 正常停车：按下停止按钮，设备停止，整个系统停止。 3 完善的系统保护 a、限位保护：当在托盘上的瓷砖块数达到预设块数时，电磁阀开始动作，把整堆的瓷砖推到包装平台，此时在推瓷砖的过程中会碰到限位开关，使电磁阀停止，然后缩回起始位置，等待下一次动作。在步进电机顶起托盘，上升到与传送带水平位置一致的时候，会碰到限位开关，是步进电机停止，防止步进电机运行过度。在包装平台上，会有步进电机把泡沫夹到瓷砖的两侧，完成包装过程，此时在步进电机的前进和回到起始位置的时候都会碰到限 位开关，使步进电机停止，防止步进电机运行过度。移动包装好的瓷砖的机械手在左行、右行、上行、下行的时候都会碰到限位开关，防止机
13、械手运行过度。 福建农林大学本科毕业设计说明书 4 b、系统的过载和短路保护：控制电路中接有熔断器和热继电器，分别用于系统的过载和短路保护。 2.3 控制系统的方案选择 本系统的控制方式有两种：一种是继电器控制方式，另一种是 PLC 控制方式。 （ 1） 继电器控制方式 继电器控制方式在以前电气系统中运用较多，但是这种控制方式存在着很多缺点，当保护开关增多时线路变得很复杂，而且不便于接线，设计困难，维修困难，安 全性差，触点多，也不能显示各种保护。 （ 2） PLC 控制方式 该控制方式能够实现对电机的加速和减速控制，达到减少电气元件和增加安全性的目的。对于这种控制方式，随着电路中的保护开关的
14、增加，使电路的安全性和准确性都能得到提高，却不会给电路接线带来困难。采用这种控制方式具有可靠性高、程序简单、设备便于维护和维修，电路连接方便，一次性投资小等优点。 所以从以上两种控制方式看，本设计采用 PLC 控制方式。比较得出 PLC 有明显的优越性。本设计采用西门子公司的 S7-200 系列 PLC，其相应的软件为 STEP 7-Micro/WIN来完成瓷砖包装线控制系统的设计。 福建农林大学本科毕业设计说明书 5 3 瓷砖包装线控制系统 3.1 瓷砖包装线电控系统 瓷砖包装线电控系统包括电气互锁，电机的短路、过载、限位保护等较为全面的保护措施。具有触摸屏能控制瓷砖包装线系统的运行和停止，
15、极大地方便了用户的操作。 3.2 瓷砖包装线控制系统的基本结构 瓷砖包装线控制系统是主要以西门子 PLC 为主要控制单元，电气操作台和触摸屏作为操作设备，外加 PLC 外围开关、传感器和限位开关组成保护系统。该系统的主要框架如 图 3-1 所示。 瓷砖包装线控制系统各个组成部分主要作用说明如下： （ 1） 按钮开关：有启动、停止、连续和单步等按钮，主要是控制整个系统按照设计要求运行。 （ 2） 触摸屏：触摸屏上的开关按钮等已经和程序相关联，因此在触摸屏上进行操作也能够控制整个系统的运行，极大地方便了用户的操作。 （ 3） 步进电机：在整个系统中，步进电机使用较为频繁，在托举瓷砖和瓷砖包装的过程
16、中都有用到步进电机，因此，步进电机是本系统的重要的一个组成部分。 （ 4） 减速电机：在本系统中的瓷砖运输过程中有用到减速电机，通过调节减速箱，使电机满足运输的转速，已达到调节运输速度 的目的。 （ 5） 电磁阀：主要是运用在当瓷砖块数达到设置值时，把瓷砖堆推向瓷砖包装台，以方便下一动作的运行，实现瓷砖的包装。 （ 6） 机械手：在本系统中主要使用在把包装好的瓷砖运到指定位置 。 图 3-1 瓷砖包装线控制系统组成框架 按钮开关 触 摸屏 PLC 步进电机 减速电机 电磁阀 机械手 福建农林大学本科毕业设计说明书 6 4 硬件系统的设计 4.1 PLC 的选型 （ 1） PLC 的简介 PLC
17、 即可编程控制器（ 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 Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： PLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是 :一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算 ,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各
18、种类型的机械或生产过程 .PLC 是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体 方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC 。具有以下特点： 1. 可靠性高，抗干扰能力强； 2 .通用性强，控制程序可变，使用方便； 3.功能强，适应面广； 4.编程简单，容易掌握； 5.减少了控制系统的设计及施工的工作量； 6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便 2。 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
19、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是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛应用。 发展方向： 产品规模向两极分化； 处理模拟量； 追求高可靠性； 通讯接口和智能模块； 系统操作站配高分辨率的监视器； 追求软、硬件标准化 （ 2） PLC 的选型 在瓷砖包装线控制系统方案中共有数字量输入点 14个、数字量输出点 15 个。故采用西门子公司的 S7-200 系列可编程逻辑控制器， S7-200 系列的 CPU226CN 可编程逻辑控
