课程设计（论文）基于PLC与变频器的灌装传送带控制系统设计.doc

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1、 目目 录录 1 1 前言前言.3 3 2 2 总体方案设计总体方案设计.4 4 2.1 啤酒罐装传送带调速系统设计要求 .4 2.2 方案比较 .4 2.3 方案选择与方案论证 .6 3 3 罐装传送带调速系统分析罐装传送带调速系统分析.7 7 3.1 罐装传送带调速系统工艺流程 .7 3.2 输入信息分析 .8 3.3 输出信息分析 .8 4 4 罐装传送带调速控制系统硬件设计罐装传送带调速控制系统硬件设计.1010 4.1 罐装传送带系统总图设计 .10 4.2 电器元件的选型 .11 5 5 罐装传送带调速控制系统软件设计罐装传送带调速控制系统软件设计.1212 5.1 编程平台介绍

2、.12 5.2 罐装传送带控制程序设计 .12 5.3 罐装传送带程序的仿真调试 .16 6 6 罐装传送带调速监控系统软件设计罐装传送带调速监控系统软件设计 .1818 6.1 易控组态软件介绍 .18 6.2 上位机监控画面的组态设计 .19 6.3 实时数据库的变量设置 .20 6.4 画面程序的设定 .20 6.5 PLC 与易控的连接.24 7 7 系统综合调试系统综合调试 .2727 8 8 总结总结.2929 9 9 参考文献参考文献.3030 1 前言前言 随着微处理器的发展，出现了能够以软件手段来实现各种控制功能的革命性控制装置 可编程逻辑控制器（PLC） 。它具备了通用性和

3、灵活性好等优点以及操作方便、简单易懂、价 格低廉等，因此能够完全适应于工业环境的通用控制装置。当今的 PLC 较之早期的控制设备， 增加了算术运算、数据转换、过程控制、数据通信等功能，能够很方便的完成大型而复杂的 任务。 变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动 机的电力控制设备。在工业生产领域中，变频调速是异步电动机控制的一种比较合理和理想 的调速方法，它通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过 程中从高速到低速都能可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性 能，能够很好地提高工业生产的效率。利用变频器拖动电动机

4、，起动电流小，可以实现软起 动、多段速调速和无级调速，方便的进行加减速控制，是电动机获得高性能，大幅度地节约 电能，因而变频器在工业生产和生活中得到了越来越广泛的应用。 综合所述，利用 PLC 和变频器各自的功能进行设计实现多段速调速。由光电开关以及 PLC 内部的定时器检电动机转速的实际转速，并以此转速作为反馈信号控制让电动机转速， 进而实现对灌装啤酒传送带速度的自动控制。自动控制的目的就是使其与灌装机的速度相一 致，节省灌装的时间。设计的目的是提高生产效率，因此具有广泛的使用价值。 2 总体方案设计总体方案设计 2.1 啤酒罐装传送带调速系统设计要求啤酒罐装传送带调速系统设计要求 要求 P

5、LC 根据瓶流通过变频器调整输送带的速度，即 PLC 根据瓶流情况选择多段速控制， 做到输送带速度与灌装机速度很好的匹配。 系统构成如下图所示。由光电检测开关检测瓶流速度，不同的瓶流速度对应变频器的不 同速度，由 PLC 的输出端子去控制变频器的多段速控制端，实现速度的调整，实现与灌装速 度相匹配。 图 2.1 系统构成图 在灌装速度不变的情况下，瓶流速度必须和灌装速度保持一致，为了保持一致，需要用 一个光电传感器把检测到的瓶流脉冲输入到 PLC，由 PLC 控制变频器多段速调速。并且可以 在易控上做到上位监控。 2.2 方案比较方案比较 方案一： 基本原理： 单片机电机驱动芯片电动机传送带

6、光电传感器 图 2.2 方案一方框图 利用单片机作为整个系统的控制核心。光电传感器配合单片机的外部中断功能，检测出 当前时刻传送带的转速。单片机内部对检测出的速度进行数据处理以及比较，根据偏差的的 正负利用电机驱动芯片控制电动机的转速增减，最终达到一个动态稳定的过程。 方案二： 基本原理： PLC变频器电机传送带 光电检测器 图 2.3 方案二方框图 利用 PLC 的开关量输入输出模块控制变频器的多功能输入端，以控制电机的正转和转 速等，实现有级调速。变频器的多段速调速可以通过 RH、RM、RL 三个输入端子的不同组 合来设定 7 个不同的速度。第 1、2、3 速在出厂时分别设定为 50HZ、

7、30HZ、10HZ，第 47 速未设定，需通过手动进行相关的设定。如果将设定参数 P63 设定为 8：REX（多段 15 速选择） ，就可以通过 RH、RM、RL、REX 四个端子的不同组合来设定 15 速选择，但此 时变频只能单向运转，不能反转运行。多段调速之渐次调解法，即用光电传感器检测瓶流速 度并送入 PLC 与已知的罐装速度做差得到差值电压 V，然后对 V 进行处理，将 V 与给定值 进行比较，若小于一定范围，则速度降级，若大于一定范围，则速度升级，若在一定范围内， 则速度级数不变。另外，如果转速超越允许范围而过快，则 PLC 的 Y3 端口输出 L1 灯报警 信号;反之如果转速低于允

8、许范围而过慢，则由 PLC 的 Y4 端口输出 L2 灯报警信号，整个转 速控制过程由 PLC 输出以控制变频器的频率控制端，以使变频器改变输出频率驱动电动机， 从而实现对电动机的调速即控制瓶流速度与罐装速度一致，达到设计目的。 2.3 方案选择与方案论证方案选择与方案论证 方案一利用单片机控制具备体积小，开发周期短，成本低的特点，它的缺点也很明显， 就是抗干扰能力差。在生产线上的设备，最基本也是最高的要求就是设备能够在工业现场长 时间无差错的运行下去。 方案二中，充分体现出 PLC 抗干扰能力强的特点。系统的控制信号为数字信号，所以频 率设定值比较准确，不会受温漂的影响。且调速实现比较简单，

9、易于实现，对于精度要求不 高的场合非常适用。 因此，综合考虑各方面因素及要求，选择方案二作为本次设计的设计方案。 3 罐装传送带调速系统分析罐装传送带调速系统分析 3.1 罐装传送带调速系统工艺流程罐装传送带调速系统工艺流程 自动运行模式？ 光电开关检测 瓶流 N 手动模式 是 开始 Y 启动传送带 脉冲个数 小于5？ 脉冲个数大 于5小于10？ 脉冲个数 大于10？ 启动高速模式启动中速模式启动低速模式 启动超速 指示灯 启动欠速 指示灯 是否停止 工作？ 结束 是是 是 否 图 3.1 系统工艺流程图 罐装传送带控制系统的系统设计思路是利用 PLC 和变频器控制电动机转动带动皮带传动， 然

10、后将要灌装的瓶传送给灌装机，达到瓶流速度和灌装速度的协调，从而提高工作效率。本 次设计的工艺流程图如图 3.1 所示，系统启动后按下电机正转开关，电机开始转动，带动皮 带传动，待灌装的瓶子在皮带的传动作用下经过光电传感器，传感器对瓶子进行计数送往 PLC 进行数据处理，处理后得到的瓶流速度和 PLC 存储器里面设定的值进行比较，判断是否 需要进行调速，如果不需要调速电机按照原来的速度运转，如果需要进行调速，则 PLC 输出 控制信号给变频器多段速调速控制端，变频器接受到 PLC 传送过来的控制信号后经内部处理， 输出特定频率的电压实现对电机的变频调速。变频器异常输出端反馈信号给 PLC 输入，

11、实现 对变频器的保护。 3.2 输入信息分析输入信息分析 本系统的输入信号有 5 个，分别是启动按钮、停止按钮、自动、手动切换按钮、检测频 率输入信号端。启动按钮用于启动调速系统开始工作，停止按钮用于结束调速系统 ，自动 按钮用于控制电机自动调速运转，手动按钮用于手动控制电机转速，频率信号输入端是用于 将光电传感器传来的脉冲信号传入 PLC，由 PLC 进行逻辑处理。输入信号如表 3.1 所示： 表 3.1 输入端口列表 输 入 元件符号名 称端子号作 用 SA SB1 SB2 SB5 SB4 SB3 SB6 选择开关 按钮开关 按钮开关 光电检测输入 按钮开关 按钮开关 按钮开关 X0 X1

12、 X2 X3 X4 X5 X6 X7 手 动 自 动 启 动 停 止 计数检测 高 速 中 速 低 速 3.3 输出信息分析输出信息分析 输出信号有 6 个，其中 Y0、Y1、Y2 用于设定频率控制信号，控制电动机的低、中、 高、速运转。Y3 用于实现电动机转速的过快报警，Y4 用于实现电动机转速的过慢报警， Y6 用于启动电动机的正转运行，PLC 输出信号表如表 3.2 所示： 表 3.2 输出端口列表 输 出 元件符号名 称端子号作 用 RL RM RH L1 L2 STF 低速输入 中速输入 高速输入 报警灯L1 报警灯L2 正转输入 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y6 起动低速运行 起

13、动中速运行 起动高速运行 高速报警L1 低速报警L2 正转运行 4 罐装传送带调速控制系统硬件设计罐装传送带调速控制系统硬件设计 4.1 罐装传送带系统总图设计罐装传送带系统总图设计 系统总图如下所示： X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 COM Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 COM 手动 自动 启动 停止 高速 中速 低速 低速 中速 高速 L1 L2 L3 N SA W W SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 Y5 COM1 KM1 UV FU2 FU1 P L C LC1D245M 7C 4T 1 5T 2 6T 3 1T 1 2T 2 3T 3 L1 L3 L2 RL

14、RM RH STFY6 SD M T2T3T1 FR W U V 变 频 器 GND KM1 4T1 1T1 4T2 2T2 4T3 3T3 QF1S253SC 4T 1 1T 1 4T 1 1T 1 4T 1 1T 1 4 T 1 1 T 1 FU3 FU4 L1 L2 QF2 S25SC QF2 S25SC SB6 光电检测输入 图 4.1 系统总设计图 4.2 电器元件的选型电器元件的选型 本设计中所使用到的元器件清单如下表所示： 表 4.1 元器件清单选择表 编号代 号元 件 名 称型 号规 格件 数作 用 5 2 4 3 1 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

15、17 可编程控制器 变频器 电动机 自动空气开关 自动空气开关 自动空气开关 熔断器 熔断器 熔断器 熔断器 交流接触器 过电流继电器 按钮开关 光电开关 施密特触发器 报警灯L1 报警灯L2 18变压器 PLC VVVF M QF1 QF2 QF2 FU1 FU2 FU3 FU4 KM1 FR SB1SB6 IC IC1IC2 L1 L2 T 19选择开关SA FX2N-32MR FR-S540-0.4K Y90L-2-B3/B35 S253SC S25SC S25SC RL1 RT18 RT18 RT18 EB9-30-10 JCK-10A LA19-11 E3JK-DS30M1 74HC

16、14 型 号 型 号 BK-4KVA 380/220V TSSL-30 1 1 1 1 1 1 3 2 2 3 1 1 6 1 2 1 1 1 1 尺寸 （mm）：1308790 2.2KW/2850r/min 20A/3P 6A/2P 6A/2P 60A、熔体25A 32A、熔体2A 32A、熔体4A 32A、熔体8A 线圈电压220v、9A 220V,电流整定10A AC220V 红 AC220V 绿 1320VA 逻辑控制 电压频率变化 带动皮带传动 电源总开关 PLC电源开关 PLC负载电源开关 电源保护 PLC短路保护 PLC负载短路保护 变频器过载保护 变频器故障保护 电机过电流保

17、护 PLC输入控制 瓶流脉冲检测 稳定脉冲控制 过快报警L1 过慢报警L2 降压给定 自动手动选择 尺寸 （mm）：108128129 5 罐装传送带调速控制系统软件设计罐装传送带调速控制系统软件设计 5.1 编程平台介绍编程平台介绍 GX developer：三菱 PLC 的编程软件。适用于 Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX 等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST 及 FB、Label 语言程序设计，网 络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写 PLC 程序功能。本设计 采用 GX developer 软件作为编程平台。 5.2 罐装传送带控

18、制程序设计罐装传送带控制程序设计 具体 PLC 梯形图程序如下： 图 5.2 梯形图程序 5.3 罐装传送带程序的仿真调试罐装传送带程序的仿真调试 用 GX developer 的 simulator 进行仿真，具体步骤如下： 1 加载程序 图 5.3 仿真环境程序加载图 2 仿真调试 通过继电器内存监视的位软元件窗口实现简单的 PLC 仿真。如图 5.4 所示。 图 5.4 仿真环境图 6 罐装传送带调速监控系统软件设计罐装传送带调速监控系统软件设计 6.1 易控组态软件介绍易控组态软件介绍 组态软件是一种通用数据采集和监控（SCADA）平台软件，主要用于构建人机界面环 境。它源于早期的 D

19、CS 系统，后来发展成为一种在工业自动化领域广泛使用的通用型软件， 并逐渐渗透到传统工业自动化之外的其他领域，组态软件已成为自动化和信息化领域的重要 组成部分。 易控（INSPEC）组态软件由九思易自动化软件有限公司（ControlEase Automation Software）研发，它是业界第一套完全架构在具有划时代意义的.NET 平台上的新一代组态软 件，完全兼容 Windows7 操作系统。它具有技术领先、性能稳定、功能强大、图形精美、易 学易用、架构灵活、扩展容易等一系列有点，是 21 世纪最新组态软件的代表。 易控以通信的方式和控制系统相连，能读写控制系统内部的信息，并以图形和动画

20、等直 观形象的方式呈现这些信息，以方便控制流程的监视。也可以通过易控直接对控制系统发出 指令、设置参数干预控制流程，易控能对控制系统的数据进行运算处理，将结果返回给控制 系统，协助控制系统完成复杂的功能。一空还能对从控制系统得到的以及自己产生的数据进 行存储、报表等其他功能，从而延伸控制系统的能力和弥补控制系统的不足。比如易控可以 作为中间桥梁，将控制系统和工厂的企业管理信息系统连接起来，将多个控制系统连接起来， 使它们之间能交换数据、共享资源，协调和管理控制系统。从而在更大范围内优化了控制结 构，提高综合自动化效率。 易控可以应用于机械制造、化工、电力、冶金等任何自动化控制的领域，它本身没有

21、行 业的限制，只要它和控制系统之间进行数据交换即可。易控内置了对常见 PLC、DCS、PC 板卡、智能仪表等设备的通信支持。 易控（INSPEC） 组态式监控系统 PLC等控制系统 图 6.1 易控典型应用图例 易控主要由开发环境和运行环境组成，两部分互相独立，又紧密相关。 开发：在开发环境中建立并正确配置一个工程，并对配置的结果进行一定前期处理的过 程，被称为“开发” 。开发环境可以开发不同的工程，并对多个工程进行管理。 运行：使一个开发完成的工程的各项功能，按照开发者所配置的要求工作起来，取得预 期效果，并将工程配置的各个部分有机的结合到一起的过冲鞥称为“运行”一个工程。 编译：对于已经开

22、发完成的工程在运行之前所进行的预处理过程，以检查开发过程中可 能出现的错误，并提高工程的运行效率。 画面：画面是用户使用易控绘制的一幅图形，用以描述用户的监控对象。画面的基本构 成元素称为“图形” ，或“图形对象” 。 属性、动画、事件：属性使一个选定对象的固有特性；动画是画面上图形对象的一些诸 如位置、颜色、大小、角度等特性可以随着系统的一些状态变化而变化的特性；事件是画面 上图形对象的一些可以选择配置的特别属性，表明了当前图形对象上发生的一些诸如鼠标点 击、拖动等操作后。系统中将发生哪些变化的属性。 变量：变量即可以变化的数值。在易控中，变量是系统的核心驱动力量，比如变量的变 化引起画面上

23、图形对象的动画，图形队形的操作事件引起变量的改变等等。 易控还包括：IO 通道、用户程序、报警等相关应用以实现不同的功能。 6.2 上位机监控画面的上位机监控画面的组态设组态设计计 基于 PLC 与变频器的罐装传送带控制系统界面如下： 图 6.2 易控上位机模拟监控图 6.3 实时数据库的变量设置实时数据库的变量设置 实时数据库的变量设置图如下： 图 6.3 实时数据库的变量设置图 6.4 画面程序的设定画面程序的设定 通过画面程序设定控制上位监控的仿真界面，如下图： 图 6.4 画面程序的配置 画面程序如下： if(啤酒灌装变量.启动=1) if(啤酒灌装变量.瓶移动 112.5) if(啤

24、酒灌装变量.中速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 1=啤酒灌装变量.瓶移动 1+1; else if(啤酒灌装变量.高速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 1=啤酒灌装变量.瓶移动 1+1.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 1=啤酒灌装变量.瓶移动 1+0.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 1=-87.5; if(啤酒灌装变量.瓶移动 225) if(啤酒灌装变量.中速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 2=啤酒灌装变量.瓶移动 2+1; else if(啤酒灌装变量.高速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 2=啤酒灌装变量.瓶移动 2+1.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 2=啤酒灌装变量.瓶移动 2

25、+0.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 2=-75; if(啤酒灌装变量.瓶移动 337.5) if(啤酒灌装变量.中速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 3=啤酒灌装变量.瓶移动 3+1; else if(啤酒灌装变量.高速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 3=啤酒灌装变量.瓶移动 3+1.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 3=啤酒灌装变量.瓶移动 3+0.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 3=-62.5; if(啤酒灌装变量.瓶移动 450) if(啤酒灌装变量.中速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 4=啤酒灌装变量.瓶移动 4+1; else if(啤酒灌装变量.高速=1) 啤酒灌装变量.

26、瓶移动 4=啤酒灌装变量.瓶移动 4+1.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 4=啤酒灌装变量.瓶移动 4+0.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 4=-50; if(啤酒灌装变量.瓶移动 562.5) if(啤酒灌装变量.中速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 5=啤酒灌装变量.瓶移动 5+1; else if(啤酒灌装变量.高速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 5=啤酒灌装变量.瓶移动 5+1.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 5=啤酒灌装变量.瓶移动 5+0.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 5=-37.5; if(啤酒灌装变量.瓶移动 675) if(啤酒灌装变量.中速=1) 啤酒灌

27、装变量.瓶移动 6=啤酒灌装变量.瓶移动 6+1; else if(啤酒灌装变量.高速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 6=啤酒灌装变量.瓶移动 6+1.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 6=啤酒灌装变量.瓶移动 6+0.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 6=-25; if(啤酒灌装变量.瓶移动 787.5) if(啤酒灌装变量.中速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 7=啤酒灌装变量.瓶移动 7+1; else if(啤酒灌装变量.高速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 7=啤酒灌装变量.瓶移动 7+1.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 7=啤酒灌装变量.瓶移动 7+0.5; else 啤酒灌装

28、变量.瓶移动 7=-12.5; if(啤酒灌装变量.瓶移动 8100) if(啤酒灌装变量.中速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 8=啤酒灌装变量.瓶移动 8+1; else if(啤酒灌装变量.高速=1) 啤酒灌装变量.瓶移动 8=啤酒灌装变量.瓶移动 8+1.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 8=啤酒灌装变量.瓶移动 8+0.5; else 啤酒灌装变量.瓶移动 8=0; 6.5 PLC 与易控的连接与易控的连接 选中“IO 通信”后，右键点击新建串口。如下图： 图 6.5 通道属性配置一 单击下一步配置通道属性，结果如下图： 图 6.6 通道属性配置二 点击下一步，选择 PLC 下的三菱

29、 FX 系列编程口，如图所示： 图 6.7 通道属性配置三 配置完成后，新建 FX 系列编程口并配置，如图 6.8 所示： 图 6.8 FX 系列编程口配置 7 系统综合调试系统综合调试 综合平台调试主要是运用 GX 编写好的梯形图写入到仿真的 PLC 里，并通过 MX 连接 PLC 与上位机，从而达到 PLC 控制上位机的目的。MX 属性配置如下图所示： 图 7.1 MX 属性配置 在上位机仿真过程中，GX 编程环境要处于运行状态，同时 MX 运行，才能实现上位机 与 PLC 通信，完成仿真。进入易控的运行环境，同时打开如图 7.2 里的 GX 调试环境。按下 X2 启动按钮后，电机带动皮带

30、转动，通过按下 X0 按钮进入手动运行模式或 X1 按钮进入自 动运行模式。当瓶流速度过低时，显示低速报警；当瓶流速度过高时，显示高速报警。同时， 瓶流速度可通过指示灯提示，使生产安全可靠运行。 图 7.2 系统综合调试图 8 总结总结 本次设计主要是利用 PLC 和变频器控制电动机转动带动皮带传动，然后将要灌装的瓶 传送给灌装机。在这个过程中，通过传感器检测瓶流脉冲并送 PLC 处理以控制变频器，从 而控制电机转速，达到瓶流速度和灌装速度的协调，提高生产效率。本次设计的基本思路如 下：系统启动后按下电机启动开关，电机开始转动，带动皮带传动，待灌装的瓶子在皮带的 传动作用下经过光电传感器，传感

31、器对瓶子进行计数送往 PLC 进行数据处理，处理后得到 的瓶流速度和 PLC 存储器里面设定的值进行比较，判断是否需要进行调速，如果不需要调 速电机按照原来的速度运转，如果需要进行调速，则 PLC 输出控制信号给变频器多段速调 速控制端，变频器接受到 PLC 传送过来的控制信号后经内部处理，输出特定频率的电压实 现对电机的变频调速。变频器异常输出端反馈信号给 PLC 输入，实现对变频器的保护。 经过了本次课程设计的学习，让我认识到了PLC技术应用的广泛性，特别是在日常生活 中，随处可见。同时也让我对PLC技术的运用有了更深一步的了解。在课程设计的过程中， 充分的运用了我们所学到的PLC技术理论

32、与实践紧密的相结合，实现了本次课程设计的基本 要求。 同时，本次课程设计是以小组为单位的设计，在设计过程中，通过小组成员的分析、讨 论，解决了设计遇到的各种问题，充分体现了团队合作的重要性。当面临解决不了的问题或 需要改善时，也通过师兄的帮助一一而解。总之，通过这次设计，不仅丰富了我在 PLC 技术 方面的知识，而且提高了自己的能力。 9 参考文献参考文献 1 FX 可编程控制器编程手册.日本三菱公司，2002 2 GX DEVELOPER 使用手册. 日本三菱公司，2002. 3 廖常初.FX 系列 PLC 编程及应用北京：机械工业出版社，2007:6 4 郑萍. 现代电气控制技术，重庆大学出版社，2001.12. 5 周美兰等.PLC 电气控制与组态软件（含电子软盘一张）. 科学出版社，2005.5 6 北京九思易自动化软件有限公司.易控(INSPEC)组态软件培训教程 Z.2008:3