基于PLC自动饲料配料皮带运输机控制系统的设计

基于PLC自动饲料配料皮带运输机控制系统的设计,基于,PLC,自动,饲料,配料,皮带,运输机,控制系统,设计 基于PLC自动配料皮带运输机控制系统的设计 摘 要 在现代化的工业生产中常常需要对物料进行加工、搬运，如果这些繁杂的工作由人工完成的话不但效率低，而且劳动强度大，不适合现代化的生产需要。本文主要对基于PLC自动配料皮带运输机控制系统进行了详细的研究，该系统有两大部分构成：自动配料装置及皮带运输机控制系统。该控制系统具有精度高、成本低、抗干扰能力强、故障率低、操作维护简单等特点，具有良好的应用价值，在建材、化工、食品机械、钢铁、冶金、煤矿等工业生产中广泛使用。 本次设计主要的内容：采用三菱FX2N系列PLC实现控制系统的设计，着重从带式运输机，液体混合装置系统两个方面深入研究，确定其控制要求，明确PLC的机型的选择，确定I/O地址的分配，设计I/O接线图、控制流程图及梯形图，深入理解PLC的编程方法，按照控制要求对自动配料皮带运输机系统进行编程。 关键字：PLC，自动配料皮带运输机，程序，设计 Ⅱ PLC-BASED AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR BELT CONVEYOR DESIGN ABSTRACT In modern industrial production is often a need for materials for processing, handling, if the complexity of the work completed by the manual, then not only inefficient, but also labor-intensive, not suitable for modern production. In this paper, PLC-based automatic control system for belt conveyor carried out a detailed study, which consisted of two major systems: Automatic batching plant and control system for belt conveyor. The control system has high accuracy, low cost, anti-interference ability, low failure rate, simple operation and maintenance, has a good application value, In building materials, chemical industry, food machinery, iron and steel, metallurgy, coal and other widely used in industrial production. The main design elements: the use of Mitsubishi FX2N Series PLC control system design, focusing on transport belt, liquid mixing device-depth study of two aspects of the system to determine control requirements, the model explicitly the choice of PLC, determine the I / O address allocation, the design of I / O wiring diagram, control flow chart and the ladder, in-depth understanding of PLC programming method, in accordance with the control requirements of the transport belt automatic programming system. KEY WORDS: PLC, automatic transport belt ingredients, program, design Ⅲ 目　录 前　言 1 第1章 可编程序控制器概述 2 1.1可编程序控制器的产生和发展 2 1.2可编程控制器的基本组成和工作原理 6 1.2.1 PLC的基本组成 6 1.2.2 PLC的工作原理 9 1.3可编程序控制器的特点 11 第2章 三菱FX2N系列可编程控制器简介 13 2.1 FX2N系列PLC的结构特点 13 2.2 FX2N系列PLC的基本组成 14 2.3 FX2N系列可编程控制器内部元件及功能 14 第3章 应用PLC实现控制系统的设计 19 3.1选题依据 19 3.2方案研究与选择 19 3.3结构设计及控制要求 21 第4章 系统的总体设计 24 4.1 PLC机型的选择及外部接线图 24 4.2 I/O设备及I/O编号的分配 24 4.3顺序功能图的设计 25 4.4梯形图的设计及程序分析 26 结 论 30 谢 辞 31 参考文献 32 附　录 33 外文资料翻译 35 Ⅳ 前 言 PLC目前已广泛应用于工业生产的自动化控制领域，无论是从国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统，都普遍采用了PLC控制。PLC控制系统始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。 与传统的继电器控制相比，PLC控制系统具有构成简单、可靠性高、通用性强、抗干扰能力强、易于编程，体积小、可在线修改、设计与调试周期短、便于安装和维修等突出优点、而且一般不需要采取特殊措施，就能直接在工业环境中使用，更加适合现代化的要求，使用PLC控制系统能够提高系统的整体性能，具有较明显的优越性。 本次设计主要的内容是在液体混合装置控制系统上的改进，结合皮带运输机控制系统，构造出新的控制系统即自动配料皮带运输机控制系统。应用日本三菱公司FX2N系列PLC实现在自动配料皮带运输机控制系统方面的控制，该控制系统能够提供均匀的干料，并附带输送的功能，现场维修与安装非常便利，且能够适应于高温度、高粉尘、有冲击和连续振动，环境比较复杂的场合，减轻人员劳动力，提高劳动生产率、节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。 本次毕业设计的主要内容： 1.方案选择与系统结构设计 2.输入输出与PLC机型的选择 3.I/O地址的分配 4.程序状态图的设计 5.梯形图的编写及程序分析 第1章 可编程序控制器概述 1.1 可编程序控制器的产生和发展 1. 可编程序控制器的产生 20世纪60年代以前，对工业生产进行自动控制的最先进装置就是继电控制盘，它对当时生产力的发展确实发挥了很大的作用。但当人类历史跨入20世纪60年代后，工业生产随着市场的转变，开始由大批量少品种的生产转变为小批量多品种的生产。在这种转换过程中，继电控制系统的许多固有弊端越发显得突出，成为了生产转换的一大障碍。如继电器控制系统中，使用了大量的机械触点，系统的可靠性较差、功能局限性大、体积大、耗能多、特别是生产工艺要求发生变化时，控制柜内的元件和接线也必须要作相应的变动、这种变动的工期长，费用高，有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外制作一台新的控制柜。总之，20世纪60年代后期，市场所需的“柔性”生产线呼唤新型控制系统的诞生。 1968年，美国最大的汽车制造厂家——通用汽车公司（GM）为了增强产品在市场的竞争力提出了“多品种、小批量、不断翻新新汽车品牌”的战略。为实现这一战略，GM公司率先提出了采用一种可编程序的逻辑控制器来取代硬件接线控制电路的设想，并从用户角度对这种未来的控制装置明确提出了应具备的十大条件，从而引起了开发热潮。 1969年，著名的美国数字设备公司（DEC公司）根据美国通用汽车公司的要求，首先研制成功了世界上第一台可编程序控制器PDD-14，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。它最初目的只是为了取代继电控制系统，采用存储器存储程序指令来完成顺序控制，所以仅有逻辑运算，计时、计数等顺序控制功能，只能用于开关量的控制。尽管最初的可编程控制器功能较少，但它毕竟将继电控制系统的硬件线逻辑转变成了计算机的软件逻辑编程，把继电控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点和计算机的功能完备、灵活、通用等优点结合起来，基本上解决了继电控制系统在可靠性、灵活性、通用性方面存在的难题，并且使不熟悉计算机的人也能方便的使用。因此，这项新的技术很快就迅速发展起来。 1971年，日本首先从美国引进这项新技术，研制车工了日本第一台可编程控制器DSC-8。1973年西欧国家也研制触他们的第一台可编程控制器。1974年，我国开始研制自己的可编程控制器，1977年开始应用于工业。 由于早期的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制、定时、计时等功能，故最早称之为可编程逻辑控制器（Programmable logic Controller），简称PLC。70年代后期，随着微电子技术、大规模集成电路及微型计算机的发展，许多生产厂家开始采用微处理器作为可编程逻辑控制器的中央处理单元，使它不仅具有逻辑控制功能，而且具有数据运算、传送与处理功能和对模拟量的控制功能，故1980年美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactures Association）将其正式命名为可编程控制器（Programmable Controller），简称PC。此简称已经在工业界使用多年，但由于近年来个人计算机（Personal Computer）也简称PC。此简称已经在工业界使用多年，但由于近年来个人计算机（Personal Computer）也简称PC，为避免二者混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。 2. 可编程序控制器的发展 (1) PLC发展情况 自从美国DEC公司1968年研制出世界第一台可编程控制器到现在，PLC技术得到了飞速的发展，在美国、日本、德国、法国等工业发达国家以发展成为重要的产地，PLC产品已成为工业领域中占主导地位的基础自动化设备，在国际市场上成为备受欢迎的畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为一种世界潮流。PLC技术、ROBOT技术、CAD/CAM已成为实现工业自动化的三大支柱，其中PLC作用位居首位。PLC技术代表着当前程序控制的世界先进水平，PLC装置以成为自动化系统的基本装置，是构成FMS、CIMC、FA的主控单元。为促进PLC的国产化，提高产品质量，我国机械电子工业部于1988年组织了包括PLC产品在内的工业控制计算机机型优选工作。机电部下属的北京机械工业自动化研究所承担了PLC产品的评优测试工作。依据国际电工委员会（IEC）的有关标准要求，经过严格测试实验，评选出6个产品荣获首届优选PLC机型的称号。他们是：天津中环自动化仪表公司生产的DJK-S-84型PLC、无锡市电器厂生产的KCK-1型PLC、上海起重机厂生产地CF-40MR型PLC、北京椿树电子仪表厂生产地BCM-PIC型PLC、杭州机床电器厂生产地DKK02型PLC、上海自力电子设备厂生产的KK1-IC型PLC。 除此之外，国内还有不少工厂企业开放、生产或合作生产PLC，如上海香岛公司的ACMY-S80型、苏州机床电器厂的CKY-20/40/40H型，广州南阳电器厂的NK-40型和江苏嘉华公司的JH120H型PLC等，但目前仍远远不能满足国内市场的需求。国内PLC市场主要以国外进口机为主。国外PLC主要生产厂家由几百家，各个生产厂家生产的PLC型号均不统一，基本性能也有较大差别。世界上知名的PLC生产厂家有： 美国通用电器（General Electric简称为GE）公司、美国艾伦-布拉德利（Allen-Bradley简称为A-B）公司、日本三菱（MITSUBISHI）电机公司、日本富士（FUJI)电机公司、日本欧姆龙（OMRON）公司、德国西门子（SIEMENS）公司、德国通用电气（AGE）公司、法国TE（TELEMECANIQUE）公司。 目前，PLC的产品多达数百种，厂家遍布世界各地，不同领域、不同厂家的产品在使用上相差甚远，甚至同一厂家不同系列的产品在编程语言和编程方法上也有较大差异。尽管几乎所有的PLC厂家都表示在将来完全支持IEC在1994年5月公布的PLC标准中的IEC1131-3，但是不同厂家的产品之间的程序转换仍有一个过程。所以企图学会一种PLC的使用，就能一通百通地使用其它型号的PLC是不现实的。我们需从目前国内PLC使用情况出发，用归类的方法寻求一种典型机型学习，这样才能具有代表性。 日本1971年首先从美国引进PLC技术，并很快研制成了自己的第一台PLC，所以其早期产品对美国产品由一定的依赖性和继承性。但日本后期致力于小型PLC技术的研究，并取得了较大的发展。因此，在小型机方面，日本产品已具有自己独到的优势。而美国PLC技术和欧洲PLC技术的形成是基本相互隔离的情况下，各自独立开发出来的，所以欧洲产品和美国产品在许多方面存在较大差异。目前世界的PLC市场基本上被这三个派别所垄断。从国内市场使用情况来看，进口大、中型PLC以美国和欧洲产品为主，小型PLC以日本产品为主。前者数量较少，后者数量较多。考虑到绝大多数电气工程技术人员面对的是小型机使用问题，故采用国内市场具有较高性能价格比的日本三菱（MITSUBISHI）公司近年推出的FX2N系列进行介绍。 (2) PLC技术发展动向 a. 规模上向大小两头发大型PLC出现了I/O点数多达14336点的超大型PLC，使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，趋势向高性能，高速度，大容量开发展，有的PLC产品扫描速度达0.15us、条基本指令，用户程序存储器容量最大达几十兆字节。另一方面，小型PLC向微型化，多功能，实用性发展，有些可编程控制器的体积非常小，被称为“手掌上的可编程控制器”。如三菱公司FX系列可编程控制器与以前的F1系列可编程控制器相比较，其体积只有前者的1/3左右；而美国艾伦-布拉德利公司的Micro Logix1000系列只有随身听大小。由于可编程控制器向微型化发展，其应用已不仅仅局限在工业领域。如1999年三菱公司的推出的ALPHA系列就是面向民用的超小型PLC，采用整体式结构，I/O点数为6、10和20，广泛应用于楼宇自动化，家庭自动化和商业领域。 b. 编程语言向标准化靠拢。与个人计算机相比较，PLC的硬件、软件体系结构都是封闭的，各个厂家的CPU和I/O模块相互不能通用，各个公司的总线、通信网络和通信协议一般也是专用的。尽管各种系列主要以梯形图编程，但具体的指令系统和表达方式并不一致，即使一个公司的不同系列也是如此，如三菱的F1系列和FX系列，不同系列的可编程控制器互不兼容。为了解决这个问题，IEC与1994年5月公布了可编程控制器标准（IEC1131),其中的第三部分（IEC1131-3）是可编程控制器的编程语言标准。IEC1131-3标准使用户在使用新的可编程控制器时，可以减少重新培训的时间，而对于厂家来说，使用此标准则可以减少产品开发的时间，从而减少拿出更多的精力去满足用户的特殊要求。标准中规定了五种标准语言，其中梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，还有一种结构控制程序流程图，又称为顺序功能图。 c. 输入输出模块智能化和专用化。模块本身具有CPU，可与PLC主机并行操作，在可靠性、适应性、扫描速速和控制精度等方面都对PLC作了补充。例如智能通信模块、语音处理模块、智能位置控制模块等。 d. 网络通信功能标准化。由于可以PLC构成网络，所以各种个人计算机、图形工作站等可以作为PLC的监控主机和工作站，能够提供屏幕显示，数据采集，纪录保持以及信息打印等功能。 e. 控制和管理功能一体化。在一台控制器上同时实现控制功能和信息处理功能。美国A-B公司的新产品PYRAMID INTEGRATOR，首次将PLC，机器视觉和信息处理器结合在一起，具有基础自动话以及信息管理等多层次功能，是应与工业自动化系统，PLC产品广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使得PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体，进一步提高了PLC的功能，更好地满足了现代化大生产的控制与管理的需要[4]。 1.2 可编程序控制器的基本组成和工作原理 由PLC得定义可知，它实质上是一种为工业控制而设计的专用计算机，所以尽量可编程控制器的品种繁多，结构、功能多种多样，但系统组成和工作原理基本相同。概括起来，系统都是由硬件和软件两大部分组成，都是采用集中采样、集中输出的周期性循环扫描方法进行工作。 1.2.1 PLC的基本组成 可编程控制器的硬件由微处理器、存储器、I/O接口电路、电源、扩展接口、外接接口及编程器。图1-1为可编程控制器的硬件简化框图。 图1-1 编程控制器的硬件简化框图 1. 微处理器（CPU） PLC中所用CPU随机型的不同而有所不同，一般有以下几类芯片： (1) 通用微处理器，常用8位机和16位机，如Tntel公司的8080，80868088、80186、80286、80386、Motorola的6800、68000型等。抵挡PLC用Z80A型微处理器作CPU较为普遍。 (2) 单片机，常用的有Intel公司的MCS48/51/96系类芯片。由单片机作CPU制成的PLC体积小，同时逻辑处理能力、数值运算能力都有很大提高，增加了通信功能，这为高档机的开放和应用及机电一体化创造了条件。 (3) 位片式微处理器，如美国1975年推出的AMD2900/2901/2903系列双极型位片式微处理器广泛应用于大型PLC的设计。它具有速度快，灵活性强和效率高等优点。 在小型PLC中，大多采用8位通用微处理器和单片机芯片；在中型PLC中，大多数采用16位通用微处理器或单片机芯片；在大型PLC中，大多采用双极型位片式处理器。在高档PLC中，往往采用多CPU系统来简化如软件的设计、进一步提高其工作速度。CPU的结构形式决定了PLC的基本性能。 CPU是PLC的核心组成部分，在PLC系统中他通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口等连接，在整个系统中起到类似人体神经中枢的作用，来协调控制整个系统。它根据系统程序赋予的功能完成以下任务： a. 接受并存储从个人计算机（PC）或专用编程器输入的用户程序和数据。 b. 诊断电源、内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。 c. 进入运行状态后，用扫描方式接收现场的输入设备的检测元件状态和数据，并存入对应的输入映象寄存器或数据寄存器中。 d. 进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户指令，经命令解释后，按指令规定的功能产生有关的控制信号，去启闭有关的控制电路；分时、分渠道地进行数据的存取。传送、组合、比较和变换等操作，完成用户程序中的逻辑或算术运算。 e. 依据运算结果更新有关的标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输出映象寄存器的位状态或数据据存期的有关内容实现输出控制、制表、打印或数据通信等功能。 2. 寄存器 可编程控制器的存储器按用途可分为以下两种： (1) 系统程序存储器，用来固化PLC生产厂家在研制系统时编写的各种系统工作程序。系统程序相当于个人计算机的操作系统，决定了PLC具有的基本智能、不同厂家、不同型号的PLC系统程序也不相同，但都在不断地加以改进，以提高性能价格比，增强市场竞争力。可编程控制器厂家常用的只读存储器ROM或可擦除可编程的只读存储器EPROM来存放系统程序。 (2) 用户存储器，用来存放从编程器或个人计算机输入的用户程序和数据，因而又包括用户程序存储器和数据存储器两种。用户存储器的内容由用户根据控制需要可读可写，可任意修改、增减；另一方面在一定的时期内又具有相对稳定性，所以适宜使用EPROM、EEPROM、FLASH MEMORY或带后备电池的CMOS RAM来存储用户程序。在PLC技术指标中的内存容量就是用户存储器容量，是PLC的一项重要指标，内存容量一般以“步”为单位。 3. I/O接口电路（又称I/O单元、I/O模块） 实际生产过程中，PLC控制系统所需要采集的输入信号的电平、速率等是多种多样的，系统所控制执行机构需要的电平、速率等更是千差万别，而PLC的CPU所能处理的信号只能是标准电平，所以必须设计输入输出电路来完成电平转换，速度匹配，驱动功率放大、电气隔离、A/D或D/A变换等任务。它们相当于系统的眼、耳、手，是CPU能接受的信号，将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，从而确保整个系统的正常工作。 (1) 输入接口电路。内部电路按电源性质分三种类型：直流输入电路，交流输入电路交直流输入电路。为保证PLC能在恶劣的工业环境下可靠地工作，三种电路都采用了光电隔离、滤波等措施。外部电路主要是输入器件和PLC的连接电路。输入器件大部分是无源器件，如常开按钮，限位开关，主令控制器等。随着电子类电器的兴起，输入器件越来越多的使用有源部件，如接近开关，光电开关，霍尔开关等。有源件本身所需的电源一般采用PLC输入端口内部所提供的直流24V电源（容量允许的情况下，否则需外设电源）。当某一端口的输入器件接通有信号输入时，PLC面板上对应的此输入端的发光二极管（LED）发光。有的PLC外部电源所需电源由PLC内部提供（如FX2N系列），但有的PLC外部电路需外界提供电源。 (2) 输出接口电路。为了能够适合各种各样的负载要求，每种系列可编程控制器的输出接口电路按输出开关器件来分，有以下三种形式： a. 继电器输出方式。由于继电器的线圈与触点在电路上是完全隔离的，所以他们可以分别接在不同性质和不同电压等级的电路中。利用继电器的这一性质，可以使可编程控制器的继电器输出电路中内部电子电路与可编程控制器驱动的外部负载在电路上完全分割开。由此可知，继电器输出接口电路中不再需要隔离。实际中，继电器输出接口电路常采用固态电子继电器。由于继电器是触点输出，所以它既可以带交流负载，也可以带直流负载。继电器输出方式常采用，其优点是带负载能力强，缺点就是动作频率与响应速度慢。 b. 晶体管输出方式，输出信号由内部电路中的输出锁存器给光电耦合器，经光电耦合器送给晶体管。晶体管的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。由于晶体管输出电流只能一个方向，所以晶体管输出方式只适用于直流负载。其优点是动作频率高，响应速度快（相应时间0.2ms），其优点是带载能力少。 c. 晶体管输出方式，可编程控制器的内部电路通过光电隔离后去控制双向晶闸管的门级。晶闸管在负载电流过小时不能导通，此时可以在负载两端并联一个电阻。由于双向晶闸管为关断不可控器件，电压过零时自行关断，因此晶闸管输出方式只适用于交流负载。其优点是响应速度快（关断变为导通的延迟时间小于1ms，导通变为关断的延迟时间小于10ns），缺点是带载能力不大。 4. 电源 PLC根据型号的不同，有的采用交流供电，有的采用直流供电。交流一般为单相220V（有的型号采用交流100V，如FX2N-48ER-UA1），直流一般为24V。PLC对电源的稳定度要求不高，通常允许电源额定电压在+10%--15%范围内波动，如FX1N-60MR的电源要求为AC85-264V。许多可编程控制器为输入电路和外部电子检测设备（如光电开关等）提供24V直流电源，而PLC所控制的现场执行机构的电源，则由用户根据PLC型号、负载情况自行选择。 5. 编程器 编程器是由键盘、显示器、工作方式选择开关及外存插口等部件组成的PLC的重要外设，是人机对话的窗口。它的作用是用来编写、输入，编辑用户程序，也可以在线监视可编程控制器运行时各种元器件的工作状态，查找故障，显示出错信息[9]。 1.2.2 PLC的工作原理 1. 扫描工作方式 可编程控制器工作时，它的CPU每一瞬间只能做一件事情，也就是说一个CPU每一时刻只能执行一个操作而不可能同时执行多个操作。CPU按分时操作方式来顺便处理各项任务。PLC对许多需要处理的任务依次按规定顺序进行访问和处理的工作方式称为扫描工作方式。用户程序所用到的PLC各种软继电器室按各自程序号的大小在时间上串行工作的，但由于CPU运算速度极高，宏观上给人一中似乎是同时完成的感觉。 PLC执行用户程序时，采用扫描工作方式完成。整个扫描过程PLC除了执行用户程序外，还要完成其它工作，如图1-2所示为PLC工作过程框图。 在执行用户程序前，PLC还要完成内部处理，通信服务与自诊检查。在内部 处理阶段，PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，监视定时器复位以及完成其他一些内部处理。在通讯服务阶段，PLC完成与一些带处理器的智能模块或其他外设的通信，玩成数据的接受和发送任务、响应编程器键入命令，更新编程器显示内容、更新时钟和特殊寄存器内容等工作。PLC具有很强的自诊断功能，如电源检测、内部部件是否正常、程序语法是否有错误等，一旦有错或异常则CPU能根据错误类型和程度发出提示信号，甚至进行相应的出错处理，使PLC停止扫描 图1-2 PLC工作过程框图 或强制变成STOP状态。当PLC处于STOP状态时，只能完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于运行状态时，除完成内部处理和通信服务的操作外，还要完成输入处理、程序执行、输出处理工作。 2. PLC执行程序的过程 PLC执行程序的过程分三个阶段，即输入采样（输入处理）阶段、程序执行阶段、输出刷新（输出处理阶段），如图1-3所示 图1-3 PLC扫描工作过程示意图 (1) 输入处理阶段 在这阶段，PLC以扫描工作方式按顺序将所有输入端的输入状态采样并存入输入映象寄存器中。在本工作周期内，这个采样结果的内容不会改变，而且这个采样结果将在PLC执行过程时被使用。 (2) 程序执行阶段 在这一阶段，PLC按顺序进行扫描，即从上到下，从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映象寄存器和输出映象寄存器（及元件映象寄存器）中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映象寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完毕前不会送到输出端口上。 (3) 输出刷新阶段 在所有用户程序执行完成后，PLC将输出映象寄存器中的内容送入输出所存其中，通过一定方式输出，驱动外部负载。 从上述PLC的工作过程可以看出：PLC工作方式的主要特点是采用周期循环扫描，集中输入与集中输出的方式。这种“串行”工作方式可以避免继电器控制系统中触点竞争好时序失配等问题，使PLC具有可靠性高，抗干扰能力强的优点，但是也存在输出对输入在时间上的响应滞后，速度慢的缺点。对一般的工业设备，响应滞后是允许的，对某些需要I/O快速响应的设备则采取相应措施，如在硬件设计上采用快速响应模块、高速计数模块等，目的是为了尽可能提高响应速度，满足设备使用要求[2]。 1.3 可编程序控制器的特点 1. 可靠性高，抗干扰能力强。 2. 配套齐全，功能完善，适用性强。 3. 易学易用，深受工程技术人员欢迎。 4. 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。 5. 体积小，重量轻，能耗低[3]。 第2章 三菱FX2N系列可编程控制器简介 三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一。先后推出的小型、超小型PLC有F、F1、F2、FX2、FX1、FX2C、FX0、FX2N、FX2NC等系列。其中F系列已停产，取而代之的是FX2系列机型，属于高性能叠装式机种，也是三菱公司的典型产品。另外，三菱公司还生产A些列PLC的中大型模块式机种，只要系列型号有AnS/AnA和Q4AR等产品。他们的点数比较多，最多可达4096点，最大用户程序存储量达124K步，一般用在控制规模比较大的场合。A系列产品具有数百条功能指令，类型众多的功能单元，可以方便地完成位置控制、模拟量控制及几十个回路的PID控制，可以方便地和上位机及各种外设进行通讯工作，在许多任务业自动化场合获得应用。 20世纪90年代，三菱公司在FX系列PLC的基础上又推出了FX2N系列产品，该机型在运算速度、指令数量及通讯能力方面有了较大的进步，是一种小型化、高速度、高性能、各方面都相当于FX系列中最高档次的超小型的PLC[7]。 2.1 FX2N系列PLC的结构特点 FX2N采用一体化的箱体式结构，其结构非常紧凑。它将所有的电路都装入一个模块内，构成了一个整体，体积小巧、成本低、安装方便。 为了达到输入输出点数灵活配置及易于扩展的目的，FX2N系列的产品可由不同点数的基本单元和扩展单元构成，使配置就越灵活。 FX2N系列可编程序控制器还有许多专用的特殊功能单元，这些单元有模拟量I/O单元、高速计数单元，位置控制单元、凸轮控制单元、数据输入输出单元等。大多数单元都是通过主单元的扩展口与可编程序控制器主机相连的（如模拟量单元）。有部分特殊功能单元通过可编程控制的编程器接口连接。还有的通过主机上并联的适配器接入，不影响原系统的扩展。FX2N系列最大输入输出点数为256点。 为了构成点数更多的系统，还可采用点对点通信方式，将两台机连接起来，构成总点数多一倍的系统[14]。 2.2 FX2N系列PLC的基本组成 FX2N系列PLC由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成。仅用基本单元或将上述各种产品组合起来使用均可。 基本单元包括CPU、存储器、输入输出口及电源，是PLC的主要部分。扩展单元时用于增加I/O点数及改变I/O比列，内部无电源，由基本单元或扩展单元供电。因扩展单元及扩展模块无CPU，因此必须与基本单元一起使用。特殊功能单元是一些专门用途的装置，如位置控制模块、模拟量控制模块、计算机通讯模块等等[8]。 2.3 FX2N系列可编程控制器内部元件及功能 FX系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别称为继电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器”。这些编程用的继电器，它的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。它在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。 1. 输入继电器（X） PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC 内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入），线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。输入电路的时间常数一般小于10ms。各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000 ～ X007，X010 ～X017，X020 ～X027 。它们一般位于机器的上端。 2. 输出继电器（Y） PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。输出电路的时间常数是固定的。各基本单元都是八进制输出，输出为Y000 ～Y007，Y010～Y017，Y020～Y027。它们一般位于机器的下端。 3. 辅助继电器（M） PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。如下图2-1中的M300，它只起到一个自锁的功能。在FX2N中普遍途采用M0～M499，共500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。 图2-1 断电保持功能 4. 状态器（S） 状态器S与步进梯形图指令STL一起使用，用于顺序控制的程序编程。当不对S使用STL指令时，其作用相当于普通辅助继电器M。 无断电保持功能的通用状态器为S0～499，共500点。其中，S0～S9用于顺序功能图的初始状态；S10～S19用于自动回原点程序的顺序功能图；S20～S499为通用状态器。有断电保持功能的通用状态器为S500～S899，共400点。状态器S900～S999用于外部故障诊断的输出（又称为报警器）。 5. 定时器（T） 在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。 定时器通道范围如下： 100 ms定时器T0～T199， 共200点，设定值：0.1～ 3276.7秒； 10 ms定时器T200～TT245，共46点，设定值：0.01～327.67秒； 1 ms积算定时器 T245～T249，共4点，设定值：0.001～32.767秒； 100 ms积算定时器T250～T255，共6点，设定值：0.1～3276.7秒； 定时器指令符号及应用如下图2-2所示： 图2-2 通用定时器 当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时，T200的当前值计数器对10 ms的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值K123相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒（10×123ms = 1.23s）时才动作，当T200触点吸合后，Y000就有输出。当驱动输入X000断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。 每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值。 如果是积算定时器，它的符号接线如下图2-3所示： 图2-3 积算定时器 定时器线圈T250的驱动输入X001接通时，T250的当前值计数器对100 ms的时钟脉冲进行累积计数，当该值与设定值K345相等时，定时器的输出触点动作。在计数过程中，即使输入X001在接通或复电时，计数继续进行，其累积时间为34.5s（100 ms×345=34.5s）时触点动作。当复位输入X002接通 ，定时器就复位，输出触点也复位。 6. 计数器（C） FX2N中的16位增计数器，是16位二进制加法计数器，它是在计数信号的上升沿进行计数，它有两个输入，一个用于复位，一个用于计数。每一个计数脉冲上升沿使原来的数值1，当现时值减到零时停止计数，同时触点闭合。直到复位控制信号的上升沿输入时，触点才断开，设定值又写入，再又进入计数状态。 其设定值在K1～K32767范围内有效。 设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点就动作。 通用计数器的通道号：C0 ～C99，共100点。 保持用计数器的通道号：C100～C199，共100点。 通用与掉电保持用的计数器点数分配，可由参数设置而随意更改。 举个例子，如图2-4所示： 图2-4 计时器工作过程 由计数输入X011每次驱动C0线圈时，计数器的当前值加1。当第10次执行线圈指令时，计数器C0的输出触点即动作。之后即使计数器输入X011再动作，计数器的当前值保持不变。 当复位输入X010接通（ON）时，执行RST指令，计数器的当前值为0，输出接点也复位。 应注意的是，计数器C100～C199，即使发生停电，当前值与输出触点的动作状态或复位状态也能保持。 7. 数据寄存器（D） 数据寄存器是计算机必不可少的元件，用于存放各种数据。FX2N中每一个数据寄存器都是16bit（最高位为正、负符号位），也可用两个数据寄存器合并起来存储32 bit数据（最高位为正、负符号位）。 (1) 通用数据寄存器D 通道分配 D 0～D199，共200点。 只要不写入其他数据，已写入的数据不会变化。但是，由RUN→STOP时，全部数据均清零。（若特殊辅助继电器M8033已被驱动，则数据不被清零）。 (2) 停电保持用寄存器 通道分配 D200～D511，共312点，或D200～D999，共800点（由机器的具体型号定）。 基本上同通用数据寄存器。除非改写，否则原有数据不会丢失，不论电源接通与否，PLC运行与否，其内容也不变化。然而在二台PLC作点对的通信时， D490～D509被用作通信操作。 (3) 特殊功能寄存器 通道分配D8000～D8255（共256点）。它用来监控可编程控制器的运行状态，如电池电压、扫描时间、正在动作的状态的编号等，其在电源接通时被清零，随后被系统程序写入初始值[6]。 第3章 应用PLC实现控制系统的设计 3.1 选题依据 可编程逻辑控制器( PLC)是20世纪70年代发展起来的一种新型工业自动控制设备。它集自动化技术、计算机技术和通信技术为一体, 是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。目前, PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场, 为各种自动化控制设备提供非常可靠的控制应用。主要原因在它能为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案, 适合当前工业企业对自动化的需要。由于控制对象的复杂性, 使用环境的特殊性和运行的长期连续性, 使PLC在设计上有自己明显的特点: 可靠性高, 适应性广, 具有通信功能, 编程方便, 结构模块化。在现代集散控制系统中, PLC已成为一种重要的基本控制单元, 在工业控制领域中应用前景极其广泛[6]。 本文主要在原有混液装置系统上的改进，结合皮带运输机控制系统，构造出新的控制系统，即自动配料皮带运输机控制系统，采用三菱公司FX2N系列PLC来实现自动配料皮带运输机系统的控制，该系统能够提供均匀、无杂色、无结块、品质均一的干混料，同时可运送散状物料，现场安装和维修都很方便，理检查时也一目了然，且能适应高温度、高粉尘、有冲击和连续振动的工作条件, 不受恶劣环境的影响。该系统有着广阔的应用空间，被广泛应用在煤炭、电厂、钢铁企业、水泥、粮食、烟草、食品及轻工业的生产线。 3.2 方案研究与选择 本次设计主要是围绕液体混料装置及皮带运输机方面的研究，综合运用其控制功能。 1. 皮带运输机的控制系统 在建材、化工、食品、机械、钢铁、冶金、煤矿等工业生产中广泛使用皮带运输机运送原料或物品。 图3-1为某原料皮带运输机的示意图。原料从料斗经过PD-1、PD-2两台皮带运输机送出。从料斗向PD-2供料由电磁阀YV控制，PD-1和PD-2分别由电动机M1和M2驱动。该控制系统主要考虑的是传送带的启动和停止。在启动时，对其进行一些要求：为了避免在前段皮带上造成物料堆积，要求逆物料方向按一定的流动方向按一定的时间间隔顺序启动。同样，在停止时，为了使运输皮带上不残留物料，要求顺物料流动方向按一定时间间隔顺序停止[5]。 图3-1 原料皮带运输机控制示意图 2. 物料混合装置控制系统 图3-2为水泥、粮食、烟草、食品等轻工业生产线的混料装置，阀A、B、C为电磁阀，用于控制管路。线圈通电时，打开管路；线圈断电后，关闭管路。高、中、低三个料位传感器被淹没时为ON。 系统初始状态为电动机停止，所有阀门关闭，装置内没有物料，高、中、低三个传感器处于OFF状态。 控制要求为按下启动按钮后，打开A阀，物料A流入；当中传感器被淹变为ON时，A阀关闭，B阀打开，B物料流入容器；当高位传感器被淹没变为ON时， 图3-2 物料混合装置系统示意图 B阀关闭，搅拌电机开始运行，开始搅动物料，8s后停止搅拌，打开C阀放出均 匀的混合物料；当料位下降到露出低位传感器（传感器有ON变为OFF）时，开始计时，3s后关闭C阀（以确保容器放空）系统回到初始状态，系统运行完一个完整的周期。此时，系统应检测在刚过的运行周期里是否发出了停止信号，如果已发出，则系统停止在初始状态等待下一次启动信号，否则系统继续运行。也就是说，按下此类系统的停止要求不应马上停止。而应该等回到初始状态运行完这个周期再停止。这生产工艺所必须要求的[11]。 3.3 结构设计及控制要求 根据皮带运输机控制及混液装置系统的工控原理，从中提取一部分元件，综合运用，构造出新的PLC控制系统，即自动配料皮带运输机控制系统。 1. 系统的基本构成 (1) 自动配料系统 由一个混料容器，三个料位传感器，进料阀A，进料阀B及放料阀C，一台搅拌电机组成。 (2) 皮带传送系统 包括3条个传送带PD-1、PD-2、PD-3，传送带均由步进电机驱动，共使用了3台步进电机。 (3) 控制系统 该系统的全部控制功能由一台三菱FX2N-16MR型可编程控制器实现，用于控制进料、搅拌、放料、皮带运转、停止等工作过程。 2. 系统的工作原理 图3-3为自动配料皮带运输机系统的设计原理图，SL1、SL2、SL3、分别为高、中、低料位传感器，料位淹没时接通，物料A、B有进料电磁阀Y4、Y5控制、混料由出料电磁阀Y6控制，M0为搅拌电机，三条传送带PD-1、PD-2、PD-3分别由接触器M1、M2、M3控制。 控制要求如下： (1) 初始状态 自动配料混合装置处于OFF状态，搅拌电动机停止，所以阀门关闭，装置内没有物料，上、中、下三个液位传感器处于OFF状态；皮带运输机由电动机控制，现处于停止状态。 (2) 启动操作 图3-3 动配料皮带运输机控制系统原理图 按下启动按钮SB1，装置开始按以下规律运行： a. 物料A电磁阀打开，物料A流入容器。当料位到达中料位传感器SL2时，SL2接通，关闭物料A电磁阀，打开物料B电磁阀，物料B开始流入容器。 b. 当容器料位到达高料位传感器SL1时，SL1接通，关闭物料B电磁阀，搅拌电机M0启动，开始搅匀物料。 c. 搅拌电机工作8s后停止搅动，在开启放料电磁阀C之前，为了避免在前段传送带上造成物料堆积，依次间隔2s启动传送带电动机M3、M2、M1，分别带动传送带PD-3、PD-2、PD-1运转。 d. 当皮带PD-1运转起来2s后，放料电磁阀C打开，开始放出混合物料。 e. 当容器料位下降到低料位传感器SL3时，SL3由接通变为断开，开始计时，3s后关闭放料电磁阀C。 f. 在关闭放料电磁阀C的同时，为了使传送带上不残留物料，依次间隔2s停止传动带M1、M2、M3电动机，传送带PD-1、PD-2、PD-3停止运转，系统开始执行下一个循环周期。 (3) 停止操作 按下停止按钮SB2后，在当前的混合、放料、输送操作处理完毕后，才停止运行（停在初始状态上） 第4章 系统的总体设计 4.1 PLC机型的选择及外部接线图 图4-1 自动配料皮带运输机PLC外部接线图 根据对自动配料皮带运输机控制要求的分析，可确定输入信号由启动、停止按钮SB1、SB2，物料传感器SL1、SL2、SL3共计5点输入；输出信号为搅拌电机接触器M0、传动带接触器M1、传送带接触器M2、传送带接触器M3，进料电磁阀A、进料电磁阀B、放料电磁阀C，共计7点。 综合上述分析系统要求，考虑到系统的经济型和技术指标，可选用三菱公司的FX2N系列PLC，机型为FX2N-16MR。 该机基本单元有有8个开关量输入点，8个开关量输出点，能够满足系统控制要求。 据此可作出自动配料皮带运输机控制系统的输入、输出分配，如外部接线图4-1所示。 4.2 I/O设备及I/O编号的分配 如表4-1所示为控制系统的I/0分配表。 表4-1 PLC的I/O分配表 输入设备 输入点编号 输出设备 输出点编号 启动按钮SB1 X0 搅拌电机接触器M0 Y0 停止按钮SB2 X1 传送带接触器M1 Y1 高料位传感器SL1 X2 传送带接触器M2 Y2 中料位传感器SL2 X3 传送带接触器M3 Y3 低料位传感器SL3 X4 进料电磁阀A Y4 进料电磁阀B Y5 放料电磁阀C Y6 4.3 顺序功能图的设计 由题目给出的控制要求，可以把顺序功能图划分为12步，连同初始步共13 步。每一步驱动相关的负载，设计思路同STL顺序功能图一样，图4-2给出了用 M代表步的顺序功能图。需要注意的是M7步的转换条件是料位露出下传感器，也就是X4由ON变为OFF，所以转换条件应该是X4，下面是与顺序功能图对应的梯形图4-3。 图中X0为启动信号，X1为停止信号，如果启保停辅助继电器M20为ON，M0为ON后能马上状态转移，系统继续工作；如果M20为OFF，M0为ON后不能转移，系统停在初始步。编写梯形图时，必须把所有能够使M为ON的条件全部考虑到，比如M0电路，M20为活动步情况下，T8为ON将会使M0为ON，所以将M12、T8的常开触点串联作为M0的启动电路。可编程程控制器开始运行时应将M0置ON，否则系统无法正常运行，故将M20的常开触点与上述的电路并联，并联后还应并联上M0的自保触点。M0后续步M1为ON应将M0线圈断开，所以后续步M1的常闭触点与M0的线圈串联。对于传动带的启动，为了避免在前段运输皮带上造成物料堆积，要求逆物料流动方向按一定时间间隔顺序启动PD-3、PD-2、PD-1，停止时，为了使运输皮带上不残留物料，要求顺物料流动方向按一定时间间隔顺序启动PD-1、PD-2、PD-3，M7、M8两步都驱动负载Y6，为避免双线圈输出，用M7、M8的常开触点并联集中驱动Y2。具体的程序分析过程见4.4节。 以M为编程软件的顺序功能图和S为编程软件的顺序功能图一样，一般情 图4-2 自动配料皮带运输机的顺序功能图 况下，每一步为ON时都要驱动一定得负载，条件不满足活动步不转移。在状态转移过程中，相邻两步的状态同时为ON一个周期，对那些不能同时接通的外部负载（如正反接触器），为了保证安全，必须在外部设置硬件互锁。 4.4 梯形图的设计及过程分析 该控制系统的梯形图程序如图4-3所示。 1. 采用基本逻辑指令编程 根据控制要求编写的梯形图如图所示，下面分析其工作过程： (1) 初始状态 当系统投入运行时，自动配料装置处于OFF状态，搅拌电动机停止，所以阀门关闭，装置内没有物料，上、中、下三个料位传感器处于OFF状态；皮带运输机由电动机控制，现处于停止状态； (2) 启动操作 按下启动按钮X0，M20接通并自保，同时使并联在第2行及串联在第3行的M20动合触点闭合，此时M0接通并自保，第3行串联的动