物料输送线控制系统论文

2010届毕业生
毕业论文
题目: 物料输送线PLC控制系统设计
院系名称：电气工程学院专业班级：自动F0604 学生姓名：学号：
指导教师：教师职称：副教授
2010 年05 月25日
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S7—200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 System
Abstract
Conveying line occupies a main position in the factory, it relates to 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 the background of the subject, and research content and meaning, the fieldbus technology, DCS, PLC and WinCC software are introduced in this bining with the actual situation the system design of the overall design scheme, German Siemens S7-200 series of PLC, using matching STEP7 programming 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 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 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...............................................错误！未定义书签。

Abstract .............................................错误！未定义书签。

1 绪论...............................................错误！未定义书签。

1.1 国内外PLC的发展状况及发展 ....................... 错误！未定义书签。

1.2 课题的来源以及研究的意义 ......................... 错误！未定义书签。

1.3 论文的主要研究内容 ............................... 错误！未定义书签。

2 系统总体设计.......................................错误！未定义书签。

2.1 控制系统的分析与确定 ............................. 错误！未定义书签。

2.2 总体结构的确定 ................................... 错误！未定义书签。

3 输送线的工艺研究...................................错误！未定义书签。

3.1 输送线的工艺要求 ................................. 错误！未定义书签。

3.2 输送线的工艺设计 ................................. 错误！未定义书签。

3.3 输送线的工艺设计分析 ............................. 错误！未定义书签。

4 输送线系统的硬件设计...............................错误！未定义书签。

4.1 硬件的选择 ....................................... 错误！未定义书签。

4.2 硬件的分析 ....................................... 错误！未定义书签。

4.3 数据通信 ......................................... 错误！未定义书签。

5 输送线系统的软件设计...............................错误！未定义书签。

5.1 S7-200PLC软件系统与STEP编程软件................. 错误！未定义书签。

5.2 PLC控制程序设计.................................. 错误！未定义书签。

5.3 人机界面监控系统设计 ............................. 错误！未定义书签。

6 输送线系统的抗干扰措施.............................错误！未定义书签。

6.1 概述 ............................................. 错误！未定义书签。

6.2 实际分析 ......................................... 错误！未定义书签。

6.3 抗干扰措施分析 ................................... 错误！未定义书签。

结论...............................................错误！未定义书签。

致谢...............................................错误！未定义书签。

参考文献.............................................错误！未定义书签。

1 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 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S7—200 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DCS
DCS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。

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图2.1 DCS系统基本结构
上世纪七十年代中期问世的DCS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---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。

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、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FCS
FCS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2—2所示，最底层的Infranet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。

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、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。