基于PLC生产线自动装箱系统设计毕业设计

　 目

　录

　第一部分

　设计任务与调研 …………………………………………………………3 3

　1.1 设计的主要任务…………………………………………………………………………3 1.2 设计目的……………………………………………………………………………………3 1.3 课题背景……………………………………………………………………………………3 1.4 生产线自动化的发展概况…………………………………………………………………3 1.5 PLC 理论基础………………………………………………………………………………6 第二部分

　设 计说明 ……………………………………………………………………1 10 0

　2.1 设计任务和要求…………………………………………………………………………10 2.2 过程分析…………………………………………………………………………………10 2.3 控制系统硬件设计………………………………………………………………………11 2.4 自动装箱系统的电路设置………………………………………………………………13 2.5 控制系统程序设计………………………………………………………………………14 第三部分

　设计成果 ……………… …………………………………………………… 19

　3.1 程序的下载………………………………………………………………………………19

　3.2 生产线自动装箱系统的仿真运行………………………………………………………19 3..3 运行仿真结果……………………………………………………………………………21 第四部分

　结束语 ……………………………………………………………………… 23

　 第五部分

　致谢 …………………………………………………………………………… 24

　 第六部分

　参考文献 ……………………………………………………… …………… 25

　 第一部分 设计任务与调试 1.1 主要任务 设计采用 PLC 编程控制，巧妙的运用 S7-200PLC 实现 对生产线上某种产品自动按指定数量装箱，产箱装箱前及装箱后都由传送带传送。生产产品由传送带 A 传送，装入由 B 传送的空箱中，并对每一个产品进行计数，每 12 个产品装入一箱，当传送带 A 传送 12 个产品装入一箱后，传送带 B 将该箱产品移走，并传送下一个空箱到指定位置等待传送带 A 传送来的产品。

　1.2 设计目的 通过毕业设计培养综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力；掌握工业自动生产流水线的工作原理；使受到 PLC 系统开发的综合训练，达到能够进行 PLC 系统设计和实施的目的。

　1.3 课题背景 在科技迅猛发展的今天，在人们的生活、工作中，处处可见自动化装置的身影。自动化系统不仅早就成为了工业和社会生活的一个组成部分，而且是经济发展水平的重要标志。同时，自动装箱生产线技术也得到相当宽广的应用。且会得到更加宽广的应用。该系统自动实现装箱、运输、计数等功能。本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。在以后的生产、生活中将得到更加广泛的运用，具有很好的利用前景。

　生产线自动装箱控制系统的电路系统由传感器、“瓶，箱，车”计数器、译码器、显示器，报警电路等组成。整条线路要达到完全自动化，满足现实的工作需要。所有的系统命令全部用信号脉冲来下达。例如在出瓶处，我放一个光敏感应器，每当一个瓶子通过挡住我的光敏感应器，其就会发出一个脉冲信号给下级，下级就会接到命令通过一系列传输最后在显示器上显示一个数，其数目之后自动叠加。当数目达到一定时，就会发出报警，系统就会暂停工作十分钟，十分钟之后系统会重启并且将原来的计数清零，再进行下一次工作。

　 1.4 生产线自动化的发展概况 中国的包装业相对发达国家如日本和美国相当落后，具有非常大的发展潜 力。控制系统从 20 世纪四十年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统。这一代系统以 PLC 和 DCS 为代表，从七十年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。其中 PLC，即可编程控制器，主要是从顺序控制发展而来的，但从九十年代开始，随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC 的性能扩展的越来越广，PLC 的应用也逐渐向连续流程工业拓展。同时，DCS 也开始向小型化的方向拓展。之后，陆续出现了现场总线控制系统、基于 PC 的控制系统等。

　在国外从上世纪 30 年代开始，机械加工企业为了提高生产效率，采用机械化流水

　作业的生产方式，大型自动生产线承担的加工对象也随之改变。生产线的控制系 统使用的继电器数量很多，在频繁动作情况下寿命较短，使生产线的可靠性降低。为了解决这一问题，自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

　PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺 流程要求的操作。PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为 END 指令），然后再返回起始步循环运算。PLC 每完成一

　 次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC，循环扫描周期在 1微秒到几十微秒之间。PLC 用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 PLC 使用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算。把计算结果送给 PLC 的控制器。相同 I/O 点数的系统，用 PLC 比用DCS，其成本要低一些（大约能省 40%左右）。PLC 没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 DCS 方式要低很多。一个 PLC 的控制器，可以接收几千个 I/O 点（最多可达 8000 多个 I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用 PLC 较为合适。PLC 由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

　近十几年来，国外 PLC 技术取得了飞跃，其容量成倍扩大、体积不断缩小、功能不断增强，不但具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有 PID 等特殊控制功能，可直接进行 A/D、D/A 转换，还开发管控一体化。

　1.5

　PLC 理论基础

　1.5.1 PLC 基础知识及 PLC 的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美同数字公司研制出了基于集成电路和电子技术控制装置，

　首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable Controller(PC)。个人训算机(简称 PC)发展起火后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。上个世纪 80 年代至 90 年代中期，是PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 30-40％，在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS系统。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

　 1.5.2 PLC 的构成

　 PLC 虽然外观各异，但是其硬件结构却大体相同。主要有中央处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入输出器件(I/O 接口)，电源及编程设备几大部分构成，这些模块可以按照一定规则组合配置。

　1.5.3 各部分的作用

　（1）

　CPU 运算和控制中心

　纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后 CPU 根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成 PLC 内部所认可的用户编译程序。

　横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU 将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由 CPU 把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。

　组成：CPU 由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU 通过地址总线、数据总线与 I/O 接口电路相连接。

　图 1—1

　 Plc 的逻辑硬件结构图

　1.5.4 存储器 （1）

　具有记忆功能的半导体电路。

　（2）分为系统程序存储器和用户存储器。

　 （3）系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM 组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。

　（4）用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。

　（5）供用户使用的断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为 3~5 年。

　1.5.5 主要技术性能

　用户程序存储容量是衡量可存储用户应用程序多少的指标。通常以字或 K字为单位。16 位二进制数为一个字，每 1024 个字为 1K 字。PLC 以字为单位存储指令和数据。一般的逻辑操作指令每条占 1 个字。定时/计数，移位指令占 2 个字。数据操作指令占 2~4 个字。

　1.6

　C PLC 的分类

　1.6.1 整体式：

　是把 PLC 各组成部分安装在一起或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体，称之为主机或基本单元、小型、超小型 PLC 采用这种结构。

　1.6.2 模块式：

　是把 PLC 各基本组成做成独立的模块。中型、大型 PLC 采用这种方式。便于维修。

　1.7 C PLC 提供的编程语言

　PLC 采用最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是指令表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用指令形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。

　 虽然一些高档的 PLC 还具有与计算机兼容的 c 语言、BASIC 语言、专用的高级语言(如西门子公司的 GRAPH5、三菱公司的 MELSAP)，还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。

　1.7.1 编程指令

　 指令是 PLC 被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点 PLC 与普通的计算机是完全札同的。同时 PLC 也有编译系统，它叫以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的 PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字(可用多国文字)的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。

　1.7.2 指令系统 一个 PLC 所具有的指令的全体称为该 PLC 的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着 PLC 的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然十分丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清PLC 的指令系统。

　 1.7.3 程序

　 PLC 指令的有序集合，PLC 运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指 PLC 的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC 的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。

　 1.7.4 梯形图

　 梯形图是通过连线把 PLC 指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的 PLC 指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横坚线把一个个梯形图符号指令近成一个指令组，这个指令组一般总是从装载(LD)指令开始，必要时再继以若干个输入指令(含 LD指令)，以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。

　 1.7.5 梯形图与指令表的对应关系

　 指令表指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出(含其他处理)：先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成指令表程序。反之根据指令表，也可画出与其对应的梯形图。

　 1.7.6 梯形图与电气原理图的关系

　 如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可以建立起一定的对应关系。如梯形图的输出(OUT)指令，对应于继电器的线圈，而输入指令(如 LD，AND，OR)对应于接点，互锁指令(IL、ILC)可看成总开关，等等。这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句表程序。有了这个对应关系，用 PLC 程序代表继电逻辑是很容易的。这也是 PLC 技术对传统继电控制技术的继承。

　 第二部分

　设计说明 2.1 设计任务和要求

　 用 PLC 控制整个控制装置要达到以下要求：

　（1）按下控制装置启动按钮后，传送带 B 先启动运行，拖动空箱前移至指定位置，达到指定位置后，由 SQ2 发出信号，使传送带 B 制动停止。

　（2）传送带 B 停车后，传送带 A 启动运行，产品逐一落人箱内，由传感器检测产品数量，当累计产品数量达 12 个时，传送带 A 制动停车，传送带 B 启动运行。如下图 2-1 所示：

　图 2-1 生产线自动装箱控制装置示意图

　（3）上述过程周而复始地进行，直到按下停止按钮，传送带 A 和传送带 B 同时停止。其工作流程图如图所示。

　（4）应有必要的信号指示，如电源有电、传送带 A 工作和传送带 B 工作等。

　（5）传送带 A 和传送带 B 应有独立点动控制，以便于调试和维修。

　2.2 过程分析 电源一旦接通，便发出一个脉冲使 S0.0 置 1，只有当按下启动按钮 I0.0 时，S0.0 这一状态被置成 0，此时传送带 B 开始启动运行，一直到被开关 SQ2 检测到才将传送带 B 停止，等传送带 B 停止后，传送带 A 才开始启动，同时传送出物品，产品经过开关 SQ1 检测，每传送出一个部件，计数器便加 1，直到传送出 12 个产品，计数器便开始动作，计数器常开触点闭合，这时如果没有按下停止按钮，则开始循环工作，传送带 A 停止，传送带 B 开始又一轮的启动同时计数器清零使下面的循环能够准确的进行下去。当一旦按下停止按钮 I0.1，此时等计数器完

　 成计数任务，传送带 A 和传送带 B 同时停止。

　此程序还可以对传送带 A 和 B 分别进行点动，下面对这一种情况进行详细说明。当按下停止按钮后，按下按钮 I0.2 传送带 A 运行，松开按钮后运行停止，完成对传送带 A 的点动检测，对于传送带 B 的点动测试与传送带 A 的相似，便不再展开说明。

　当点动完成后，只有再次按下停止按钮，程序才可以再次重新开始，如果在点动进行后没有按下停止按钮，则当想要程序开始运行时按下启动按钮也不会启动，这样程序很容易实现对设备的运行前检测和故障维修。

　2.3 控制系统硬件设计

　 根据自动装箱系统的控制要求,系统应有手动控制和自动控制功能。系统的具体设计过程如下：

　2.3.1 I/O 点数的估算 系统输入信号：

　（1）自动控制按钮，需要 1 个输入端；停止按钮，需要 1 个输入端； （2）手动控制时，传送带 A 和传送带 B 独立点动控制按钮需要 2 个输入端； （3）产品数量检测信号 SQ1 和空箱位置检测信号 SQ2，需要 2 个输入端；

　2.3.2 系统输出信号：

　（1）传送带 A 和传送带 B，需用 2 个控制输出端； （2）系统上电指示、装箱指示需要 2 个输出端。

　I\O 分配表:

　输入 输出 I0.0 自动控制按钮 Q0.0 B 带动指示灯 I0.1 停止安钮 Q0.1 传送带 B输出 I0.2 SQ2 输入 Q0.2 传送带 A输出

　 I0.3 SQ1 输入 Q0.3 装箱指示灯 I0.4 B 履带点动

　 I0.5 A 履带点动

　2.3.3 实际接线图如图 2—2 所示：

　图 2-2 控制系统连线图 2.3.4 生产线自动装箱的 PLC 控制系统图如图 2—3 所示，

　 图 2—3

　PLC 控制系统图 IIIIIIQQQQ

　2.4 自动装箱系统的电路设置 2.4.1 自动装箱系统继电器的控制电路图如图 2—4 所示

　图 2—4 该电路主要由电动机、继电器、熔断器、计数器、时间继电器、传感器、热继电器、控制开关等构成。

　2.4.2 接线注意事项：

　（1）三按生产：按工艺、按标准、按图纸 （2）操作方法：选择正确的材料和正确的使用工具。

　（3）安装要求：横平竖直、安装牢固和防震、做好通风、远离热源。

　 （4）接线要求：横平竖直、弧度一致、接线牢固、主次分离、不露铜丝、号码清晰一致。

　（5）环境卫生：动前整理、完后清扫。

　2.5 控制系统程序设计

　 2.5.1 程序梯形图如下：

　.

　 2.5.2 程序指令如下：

　1 LD

　 SM0.1 2 S

　 S0.0,1

　3 R

　 M0.0,8 4 R

　 S0.1,7 5 LSCR

　S0.0 6 LD

　I0.0 7 SCRT

　S0.1 8 SCRE 9 LSCR

　S0.1 10 LD

　SM0.0 11 =

　 M0.0 12 LD

　I0.4 13 EU 14 SCRT

　S0.2 15 SCRE 16 LSCR

　S0.2 17 LD

　SM0.0 18 =

　 M0.1 19 LD

　C20 20 LPS 21 AN

　I0.1 22 SCRT

　 S0.1 23 LPP 24 A

　I0.1 25 SCRT

　S0.0 26 SCRE

　 27 A

　 I0.5 28 CU

　C20 29 A

　 S0.1 30 L

　 12 31 R

　 C20

　 第三部分

　设计成果 3.1 程序的下载

　图 3—1

　 编辑完程序后，我们将所编程序从软件中下载到 PLC 硬件模块中生产线仿真流程才能得以运行。在我们下载过程中一定要注意按照图 3-1 中的注意事项进行选择确定，最后点击下载，等到程序 100%下载完成就可以进行下一步工作。

　3.2 生产线自动装箱系统的仿真运行

　下载并安装 S7-200 仿真软件。

　打开程序单击程序、装载程序，，选择 awl 文件。

　仿真模拟运行如下截图图 3—2\3 所示

　图 3—2

　图 图 3 3 —3 3

　3.3 运行仿真结果

　 按下自动控制按钮 I0.0 后，系统指示灯 Q0.0 亮；同时传送带 B 启动运行（Q0.2指示灯亮）。

　 当 SQ2 空箱到位检测信号到（I0.4 按钮输入），传送带 B 停止运行（Q0.2 指示灯灭）。同时传送带 A 启动运行（Q0.1 指示灯亮）。

　 当 SQ1 送入 12 个计数脉冲时（I0.5 按钮 12 次输入）及累计产品数量达 12 个时，传送带 A 停止（Q0.1 指示灯灭），同时传送带 B 启动运行（Q0.2 指示灯亮）。

　 当 SQ2 到位信号到（I0.4 按钮输入），系统循环工作。

　可以实现传送带 A、B 点动。

　 第四部分

　结束语

　 通过这次比较完整生产线自动装箱系统的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。

　 通过这次让我提前了解了很多知识，这是很珍贵的。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。

　 通过这次让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，无论是电气控制还是计算采用了一些新的技术和设备，他们有着很多的优越性但也存在一定的不足，这些不足在一定程度上限制了我们的创造力。比如在系统设计上就有很大的不足，在这个电气工程专业高度受重视的社会,只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。

　总之，设计是灵活性很大的创造过程，同时也认识了自己的不足,为今后的设计，工作打下了坚实的基础。

　 第五部分

　致谢

　 本次设计在老师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无法、平易近人的人格魅力对本人影响深远。不仅使本人树立了远大的学习目标、掌握了基本的研究方法，还使本人明白了许多为人处事的道理。本次从选题到完成，每一步都是在导师的悉心指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在作业的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。所以在此，再次对老师道一声：老师，谢谢您！时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋渐进，毕业设计的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到课题的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！在此我向学校电气专业所有老师表示衷心的感谢，谢谢你们三年的辛勤栽培，谢谢你们在教学的同时更多的是传授我们做人的道理，谢谢三年里面你们孜孜不倦的教诲！

　 第六部分

　参考文献 【1】传感器及其应用. 张金铎.金欢阳名编著.西安电子科技大学出版社.2002. 【2】传感器及其应用实例.何希才编著.北京机械工业出版社.2003. 【3】

　传感器的理论与设计基础及其应用. 单成祥编著.北京国防工业出版社 .2002. 【4】

　MCS-51/96系列单片机原理及应用.孙涵芳编著.北京航空航天大学出版社.1998. 【5】

　电子技术基础.康华光.陈大钦编著.北京高等教育出版社,1998. 【6】

　单片机原理及其接口技术[M].胡汉才编著.北京清华大学出版社.2004.