装瓶流水线PLC课程设计

目录
摘要 (1)
1 PLC 简介 (2)
1.1 PLC的概况 (2)
1.2 PLC的基本机构和特点 (2)
1.3 PLC的工作原理 (2)
1.4 PLC的应用领域 (3)
1.5 PLC的结构 (4)
2软件介绍 (6)
2.1三菱单片机FX2n系列简介 (6)
2.1三菱单片机FX2n在装瓶流水线中的作用 (6)
3 装瓶流水线的PLC控制系统设计 (7)
3.1设计任务 (7)
3.2硬件选型 (7)
3.3控制内容 (8)
3.4设备选型 (9)
3.5梯形图 (10)
3.6程序表 (11)
4 装瓶流水线的PLC监控系统设计 (12)
4.1调试过程及结果 (12)
4.2监控系统软件设计 (14)
总结 (18)
致谢 (19)
参考文献 (20)
附录 A (21)
摘要
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。

为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。

可编程序控制器正式顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

本次设计以可编程控制器为主要设计对象，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。

这次的课程设计是装瓶流水线的PLC控制，它是利用PLC对高速自动装瓶机的自动控制，来完成封盖动作。

关键词：装瓶流水线的PLC控制；PLC控制；PLC结构；PLC原理
1 PLC 简介
1.1 PLC的概况
可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。

可编程控制器（简称PLC）是在继电器控制和计算机技术的基础上开发了出来，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。

可编程控制器以其可靠性高，组合灵活，编程简单，维护方便等独特优势被日趋广泛应用于国民经济的各个控制领域，它的应用深度和广度已成为一个国家工业先进水平的重要标志。

由于早期的可编程控制器只是用来取代继电器控制执行逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能，因此人们称之为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。

1.2 PLC的基本机构和特点
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程设备组成。

大部分PLC 还可以配备特殊功能模块，用来完成某些特殊任务。

PLC的主要特点：它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

编程方法简单易学
功能强，性能价格高
硬件功能齐全，用户使用方便，适应性强
可靠性高，抗干扰能力强
系统的设计、安装、调试工作量少；
维修工作量小，维修方便
体积小，能耗低
1.3 PLC的工作原理
PLC采用的是循环扫描的工作方式，分为采样输入，程序执行和输出刷新
三个阶段。

三个阶段称为一个扫描周期。

PLC 完成一个周期后，又重复这个过程，周而复始。

PLC 工作过程示意图如下：
图1-1 PLC 工作过程示意图
1.4 PLC 的应用领域
目前，P L C 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制
这是PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量
（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

1.5 PLC的结构
PLC的类型繁多，功能和指令也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机，输入/输出接口，电源，编程器扩展接口和外部设备接口等几个主要部分组成。

图1-2 PLC结构图
2软件介绍
2.1三菱单片机FX2n系列简介
FX2n 系列是FX 系列PLC 家族中最先进的系列。

由于FX2n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

为大量实际应用而开发的特殊功能
开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I/O，高速计数器。

定位控制达到16 轴，脉冲串输出或为J 和K 型热电偶或Pt 传感器开发了温度模块。

对每一个FX2n 主单元可配置总计达8 个特殊功能模块。

网络和数据通信
连接到世界上最流行的开放式网络CC-Link，Profibus Dp 和DeviceNet 或者采用传感器层次的网络解决您的通信需要。

其它功能内置式24V 直流电源快速断开端子块时钟功能和小时表功能24V、400mA 直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。

因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。

在所有的FX2NPLC 中都有实时时钟标准。

时间设置和比较指令易于操作。

小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。

2.1三菱单片机FX2n在装瓶流水线中的作用
机型的选择：面对众多厂家提出的多种系列、功能各异的PLC产品，其结构、性能、价格各不相同。

三菱FX2N-16MR-001型号，其输入输出点分别为8，FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC。

他的基本指令执行时间高达0.08us，内置的用户存储器为8K步，可扩展到16K步，最大可以扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，可为装箱机提供最大的方便和控制能力。

3 装瓶流水线的PLC控制系统设计
3.1设计任务
装瓶流水PLC控制。

有A1～A10选瓶、装瓶、盖盖、贴签、传送、成品入库生产线操作工序，用10盏灯来模拟；并有启动/停止、移位、复位按钮进行操作，如下图所示。

采用S7-200PLC进行控制，实现手动，自动等四种以上的装瓶流水线工序控制。

设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图。

系统有启动/停止、移位、复位功能按钮；运用移位等功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；程序结构与控制功能自行创新设计；用组态王监控组态软件，设计出上位监控系统；进行系统调试，实现装瓶流水线的控制要求。

完成课程设计说明书。

3.2硬件选型
按照I/O点的分配和项目描述的控制要求。

设计出PLC硬件系统的结构图、接线图、时序图。

（一）结构示意图
图2-1 瓶装流水线的PLC控制结构图
（二）I/O分配
表2-2 I/O分配表
输入信号输出信号
信号元件及作用
PLC输入口地
址
信号元件及作
用
PLC输出口
地址
（三）外部硬件系统接线图
图２－２系统外围接线图3.3控制内容
（1）手动控制方式
1.装瓶流水线控制系统有10道操作工序，用10盏灯来模拟。

即：A5，A1（传送，选瓶）→A6，A2(传送，装瓶)→A7，A3(传送，盖盖)→A8，A4(传送，贴签)→A9(传送)→A10(入库)。

2.启动，停止，移位为控制输入，控制系统的工作状态；
3.按下启动按钮，手动移位完成一道操作工序，循环两次；
4.按下复位按钮，系统回到第一道工序；
5.按下停止按钮，系统停止工作。

（2）自动控制方式
1.装瓶流水线控制系统有5道操作工序，用灯来模拟。

即：A5，A1(传送，选瓶)→A6，A2(传送，装瓶)→A7，A3(传送，盖盖)→A8，A4(传送，贴签)→A9(传送)→A10（入库）。

2.启动，停止，移位为控制输入，控制系统的工作状态；
3.按下启动按钮，每5S完成一道操作工序，循环两次；
4.按下复位按钮，回到初始工序，重新开始运行；
5.按下停止按钮，系统停止工作。

3.4设备选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

输入输出（I/O）点数的估算。

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据童年估计的输入输出点数，再增加10% 20%的可扩展。

余量后，作为输入输出点数估算数据。

实际订货时，还需根据制造商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入5点，输出5点。

存储器容量是可编程序控制器本身提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储容量。

设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试后才知道。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。

存储器内存储量的估算没固定的公式，许多文献资料中给出了不同的公
式，大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的该着中有足够的空间。

3.5梯形图
3.6程序表
见附录A
4 装瓶流水线的PLC监控系统设计
4.1调试过程及结果
先将PLC程序传入程序控制器中。

然后对各个输入I/O给信号处理，看各个输出口是否有相应的输出，如果没有按照设计要求输出，对程序进行更改，直到各输出口有相应的输出。

如果有条件的话，用编程软件将程序输入PLC中，在确认PLC的电源，外部接线和程序输入无误的情况下，接通电源，按照流程图的顺序对系统进行调试，最后使整个系统能准确，可靠的工作。

用GX developer的simulator进行仿真，具体步骤如下：
(1)进入仿真环境
图3-1 仿真图(2)加载程序进行逻辑功能调试：
图3-2 仿真环境程序加载图
4.2监控系统软件设计
MCGS组态软件介绍：
MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。

MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集，实时和历史数据处理，报警和安全机制，流程控制，动画显示，趋势曲线和报表输出以及企业监控网路等功能。

使用MCGS，用户无需具备计算机编程的知识，就可以再短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。

MCGS具有操作简单，可视性好，可维持性强，高性能，高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工，钢铁行业，电力系统，水处理，环境监控，机械制造，交通运输，能源原材料，农业自动化，航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。

MCGS5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。

组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。

运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用
户组态设计的目标和功能。

MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。

两部分互相独立，又紧密相关。

图3-3 MCGS功能流程图
MCGS组态环境是生成用户系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe 支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。

用户在MCGS组态环境中完成动画设计，设备连接，编写控制流程，编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。

MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program 子目录中。

在运行环境中完成对工程的控制工作。

MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口，设备窗口，用户窗口，实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同工作，具有不同的特性。

主控窗口：是工程的主窗口或主框架。

在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。

主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。

设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。

再本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。

用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种
动画显示画面，报警输出，数据与曲线图表等。

实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。

在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集，处理，输出控制，动画连接及设备驱动的对象。

运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。

包括编写控制程序（即if…..then脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取，定时器，配方操作，多媒体输出等，如图所示，可以由它实现对工业生产的仿真上位监控工程。

图3-4 MCGS运行策略组态图
实时数据库的变量设置：
图3-5 实时数据库的变量设置图
脚本程序的设定
通过脚本程序设定控制上位监控的仿真界面，由运行策略进入设定，如下图：
图3-6 脚本程序控制结构图
总结
实际试验和生产表明，该控制系统能够达到生产所提出的速度和效率要求。

并且该控制系统扩展性和通用性良好。

由该装瓶机控制系统可见，一般药品包装动作均可分为以下几个模块：(1)药品容器供应(如药瓶供应)；(2)药品供应(如药丸药粒等供应)；(3)密封方案实现(如瓶盖供应与封盖)；(4)成品半成品运输(如主传动链，连接各个动作阶段，直至完成装瓶)；(5)最终封装(如装箱等)。

PLC的逻辑控制能力强，处理数字与模拟信号能力稳定快速，而且对于基于时间的顺序动作控制能力尤其强，因此是医药行业中自动药品包装机械的理想控制平台。

只要药品包装的各个动作能通过机械方式实现，就能够找到相应的控制系统来实现自动化。

典型的自动控制动作有：(1)精确的位置控制可由高精度的步进电机或伺服电机实现，以及通过设计闭环控制系统使用传感技术实现；(2)运动的控制可由各种电机实现；(3)单向或双向的冲击动作可由气压系统实现，液压系统还可以完成带负载的有位置要求的动作；(4)对于各种动作所需要的条件判断可利用各种传感技术输入信号至PLC来实现等。

由此可见，该自动装瓶机的控制系统稍加改进，能实现各种异型瓶、异型粒的自动包装，在药品包装行业中能够实现绝大多数的包装机械的自动化。

另外，该自动装瓶机所有动作均可由气缸和步进电机来完成，因此也可由数字量的输入输出控制来完成。

现在多元化的产品和市场要求可能在产品包装中需要能够处理模拟量的控制系统，如精确可调或连续的位置量、参量等。

PLC的功能同样可以处理模拟量的控制。

因此，该系统的通用性和可扩展性相当不错。

致谢
在老师的耐心指导下,经过一个多星期的努力基于软PLC的多种液体混合控制设计终于完成了，老师在设计过程中给予的帮助，对我们小组的设计给予了细致的指导和建议,对我们的辅导耐心认真，使我的这次设计能顺利完成。

这次设计使我们把理论和实际有机的结合起来，锻炼了分析解决实际问题的本领。

在这次的设计报告中，让我懂得了一个铁一般的事实，那就是团结就是力量。

真心的感谢老师。

参考文献
[1]廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2]吕景泉.可编程控制器及其应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3]邓志良,刘维亭.电气控制技术与PLC.东南大学出版社, 2002.
[4]陈在平,赵相宾.可编程控制器技术和应用系统设计[M].北京:机械工业出版社,2001.
[5]三菱公司FX2系列可编程序控制器使用手册［Z］.2001.3.
附录A
LD 0.00
OR 1.00
AND NOT .0.01
OUT 1.00
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OR 1.01
AND 0.01
AND NOT 0.02
AND NOT 0.03
OUT 1.01
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OR TIM002
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#0050 LD TIM001
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OUT 1.05
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OR 0.04
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AND NOT 1.02
OR TIM002
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OUT 1.07
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AND 1.03
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OR LD
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AND 1.02
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AND 1.03
LD 1.02
AND 1.03
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OUT 1.09
END(01)。