基于PLC的邮件分拣系统的设计.docx

摘要作为推动20世纪工业技术发展的一项革命性产品，PLC即可编程控制器已经成为现代工业自动化的三大支柱之一，它以其突出的优势逐步代替了普遍使用的继电器，简化控制线路、提高系统可靠性,是PLC的最大优点。作为一种新型工业控制器PLC被广泛的应用在冶金工业、化工工业、电力工业、交通、机械加工和食品加工等许多领域。为了探讨PLC在邮件分拣控制系统中的应用，本次课题将以S7-200PLC对邮件分拣系统进行研本次设计是邮件分拣系统模拟设计，其控制核心器件是S7-200PLC。整体设计包括了硬件和软件的设计。该系统在硬件设计上主要是实现邮件分拣。系统软件设计通过PLC编程来控制整个系统运行。主控制器PLC对编辑程序进行分析，然后PLC经运算后输出控制信号。关键词：继电器；控制系统；梯形图；邮件分拣AbstractAsarevolutionaryproducttopromoteindustrialtechnologydevelopmentinthe20thcentury,thePLCalsocalledtheprogrammedcontrollerhasbecomeoneofthethreepillarsofthemodernindustrialautomation,PLCforitsoutstandingadvantagesgraduallyreplacedthewidespreaduseofrelays,simplifythecontrolcircuitandimprovesystemreliability,isthebiggestadvantageofthePLC.AsanewtypeofindustrialcontrollersPLChasawiderangeofapplicationsinmanyareasofthemetallurgicalindustry,chemicalindustry,powerindustry,transportation,machineryprocessingandfoodprocessing.InordertoexploretheapplicationofPLCintheintersectiontrafficlightscontrolsystem,thisissuewillhighlighttheS7-200PLCcontrolsystemoftrafficlights.ThisdesignisMailsortingsystemanalogdesign,thecontrolcoreofthedeviceisaS7-200PLC.Theoveralldesignincludehardwareandsoftwaredesign.ThesystemhardwaredesignmainlyontheMailsorting.ThesystemsoftwaredesignisthePLCprogrammingthataimedtotocontroltheoperationoftheentiresystem.ThehostcontrollerviaPLCeditingprogram,andthenthePLCoutputcontrolsignalsviathecomputer.Keywords:Industrialautomation;Controlsystem;Ladderdiagram;Mailsorting目录1概述11.1 PLC概述11.1.1 PLe的背景11.1.2 PLC的特点11.1.3 PLC的应用及发展趋势21.1.4 PLC的工作原理21.2 邮件分拣概述31.2.1 课题的背景及意义32系统整体设计方案32.1 邮件分拣系统工作原理图32.2 邮件分拣控制要求42.3 分拣机的动作过程43系统软件设计53.1 邮件分拣系统流程图53.2 PLC选型53.3 I/O配线表63.4 邮件分拣梯形图63.5 程序图中各辅助触点的作用123.6 程序图中各个定时器的作用133.7 软件调试134系统硬件设计144.1 西门子S7-200PLC144.2 硬件接线图155总结16参考文献17致谢181概述1.1 PLC概述PLC就是可编程控制器，PLC是一种用数字运算操作的系统，专门为在工业环境中的应用设计的，它采用可编程的存储器，用在其内部存储程序、顺序控制、执行逻辑运算、计数、定时与算术操作等面向的指令，并通过模拟或数字式输入/输出控制各种类型的生产过程或机械。PLC是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发形成的，它以微处理器为核心，融入了自动化技术、计算机技术。通信技术进而发展成一种新型工业自动控制装备。其用途是取代继电器，执行逻辑运算、定时、计数等控制功能,建立柔性的程序控制系统。1.1.1 PLC的背景在没有PLC之前，工业控制领域中大量使用如鼓式、继电器等电气式器件,特别是控制继电器。但是随着工业现代化的发展，生产规模的逐渐增大，生产效率及产品质量的不断提高，因此对控制系统的可靠性提出了更高的要求，原有的继电控制系统已经不能跟上工业发展的步伐。1968年，美国通用汽车公司为适应生产工艺不断更新的要求开始以用户的身份提出了使用新一代控制器的设想，并详细提出了新一代控制器应具备的条件。1987年美国一家公司成功研制世界第一台可编程序控制器，名为PDP-14,并在汽车公司上首次使用并获得成功。第一代可编程序控制器自此诞生。1.1.2 PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线大量减少。因触点接触不良造成的故障也大为减少。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。另外，在硬件方面有故障自我检测的功能，出现故障时能迅速及时发出警报信息。在软件方面还可以编入外围器件用来诊断程序故障，使系统获得故障自诊断保护。硬件配套齐全，功能完善，适用性强，PLC不仅安装接线方便，而且有较强的带负载能力，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。最近几年经过开发PLC的功能大大提高，能渗透到温度控制、位置控制等各种工业控制领域。使用方便，编程简单，PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。PLC接口简单易操作，编程类语言易接受。逻辑开关简单，少量开关就能实现继电器功能。因此操作简单。容易改造，系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法规律性强，容易掌握。用存储逻辑代替接线逻辑的方法是控制设备外部的接线大量减少，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护容易。更重要的是同一设备仅仅通过程序的改变就能改变生产过程。满足现代工业生产灵活性强的特点。体积小，重量轻，能耗低，超小型PLC底部尺寸小于IOOmm,可将开关柜的体积缩小到原来25倍。它的重量小于150g,功耗仅数瓦。体积小装入机械内部更容易，能更好的实现机电一体化。1.1.3 PLC的应用及发展趋势目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、机械制造、石油、化工、交通运输、建材、环保、汽车及文化娱乐等各个行业。PLC的发展趋势大致包括以下几点：产品规模向大、小两个方向发展，所谓大的方向就是大容量、高速度。I/O点数达14000多点、多CPU并行工作、32位为微处理器、大容量的存储器、扫描速度速高。小方向就是PLC整体结构取向发展为小型模块结构，从而降低成本，增加配置的灵活性，来满足小型工业发展的需要。PLC编程语言的标准化，与个人计算机相比，PLC的软硬件的体系结构都是封闭的，各个厂家的CPU模块和I/O模块互不通用，编程语言及通信协议互不兼容。为了进一步增强PLC的应用，目前已有越来越多的厂家加入使用标准化语言的行列。发展容错技术，采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。1.1.4PLC的工作原理PLC工作过程分为三个阶段：输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU重复执行上述三个阶段。输入采样阶段，PLC以扫描方式顺序的读入所有输入数据和状态，并将其存入I/O映象区中的单元内。输入采样结束以后，进入用户程序执行和输出刷新阶段。在此期间，即使输入数据和状态发生变化，I/O映象区中的单元的状态和数据不会改变。所以，假如输入是脉冲信号，那么脉冲信号的宽度要大于PLC的一个扫描周期，才可以保证在任何情况下都能被读入。用户程序执行阶段，PLC由上而下地扫描程序。在扫描梯形图时从左到右扫描,然后对控制线路进行逻辑运算,最后根据逻辑运算的结果,刷新系统RAM存储区中对应位的状态。输出刷新阶段，当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在这个过程中，CPU按照I/O映象区内的数据和状态刷新所有的输出锁存电路，再由电路驱动相对应的外部设。PLC的扫描周期图：图17扫描周期1.2 邮件分拣概述1.2.1 课题的背景及意义最初的分拣系统是完全基于人力的作业系统。通过人工搜索、搬运来完成货物的提取。随着科学技术的飞速发展，分拣系统中开始运用各种各样的自动化机械设备。计算机控制技术和信息技术成为信息传递和处理的重要手段。PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，己广泛用于工业过程和位置的自动控制中。在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用。2系统整体设计方案2.1 邮件分拣系统工作原理图邮件的信息是由扫描器获得的，从而通过PLC来确定邮件的流向如图2-1所示。2.2 邮件分拣控制要求通过邮政编码进行自动分类，不符合要求的踢除，从而达到自动分拣。通过计件，实现实时监测邮件分拣的数量。2.3 分拣机的动作过程分拣机工作过程图如下，具体为LI灯亮，L2灯灭，传送带运转，M5电机驱动主链转动，邮件的邮码通过扫描器读取，将信息送入PLC进行邮件的分析得到数字编码信息。Si(检测发生器)检测到有邮件，假如邮码信息是正确的，L2灯亮，L灯灭，PLC启动相应的推杆定时器，从定时器中采集脉冲的脉冲数,推进器(MLM4)将邮件推进相应的邮箱。随后L2灭，L亮，继续分拣。若邮码信息出错，则Lz闪烁，电机Ms停止动作，待重新启动后，再运行。图2-2邮件分拣系统的工作过程3系统软件设计3.1 邮件分拣系统流程图根据邮件分拣的实际控制情况，可得出其流程图如图3-1：图3T邮件分拣流程图3.2 PLC选型一个邮件分拣控制系统包含启动、复位各一个，一个检测系统，四个读码器，五个推杆接触器，一个传送装置和识别器，两个指示灯。所以该系统需要7点输入和8点输出，选择机型为S7-200(cpu224)(14输入/10继电器输出)。3.3 I/O配线表可编程控制器系统I/O点数估算。系统I/O分配见下表31表3-1I/O分配表端子功能端子功能10.0启动Q0.0指示进邮件10.1邮码检测Q0.1指示邮码是否正常10.2读码器输出的邮码Q0.2传送带运转接触器10.3读码器输出的邮码Q0.3指定邮码的推杆接触器10.4读码器输出的邮码Q0.4指定邮码的推杆接触器10.5读码器输出的邮码Q0.5指定邮码的推杆接触器10.6复位Q0.6指定邮码的推杆接触器Q0.7指定邮码的推杆接触器3.4 邮件分拣梯形图用基本逻辑指令设计的信号灯控制的梯形图如下。Network1NetworkTitleI启动一IOOM11.0M10.0Q0.0THHH()Q0.0IHjM10.2Network4I传送带停止Network5I根据谿入邮码启动定时器，1例后接通指定的分拨推Network6I开始分拣指定邮码的邮件-T40Q0.3-HIC)Network7|开始分拣2.呦后提示下一邮件京Q0.3T411|NTON+24-PTIOomSNetwork8Network10I开始分拣24秒后提示下一邮件QQ0.4T431|NTON24-PTIoOmSNetwork11Network13I开始分拣2.4秒后提示下一邮件进入T45,NTOMPTIOCIrri$Q0.5II-+24-Network14|根有给人就码启动定时器，6跷!,后接通指定的分拉措丽曹I0.4IQ2I0.3I0.5Q0.2M10.0T46Nelwoik19I开始分拣2跑,后提示下一邮件进入QO.7T49+24-PT10。msNetwork20I提示下一邮件进入Network21I车正常邮码输入接通定时器T57M11.0()Network24I与网络22互作用，设定Ll灯闪烁周期为3.第Q0.1M10.2M10.1II1/H-I()T58Fnton+16-PTIocImS3.5 程序图中各辅助触点的作用表3-2各辅助继电器的功能辅助继电器功能M0.0辅助显示正常邮码MO.1辅助显示正常邮码M0.2辅助显示正常邮码M0.3辅助显示正常邮码M0.4辅助显示正常邮码M10.0辅助复位M10.1在邮码输入错误时互锁启动电路M10.2辅助控制指示下一邮件可以进入M10.3辅助控制传送带停止MlLO错误邮码输入时启动定时器T57,并辅助停止电机Ms3.6程序图中各个定时器的作用表3-3各定时器的功能定时器功能T40根据邮码启动定时，1.6秒后接通指定的分拣接触器T41设定分拣时长，2.4秒后提示下一邮件进入T42根据邮码启动定时，3.2秒后接通指定的分拣接触器T43设定分拣时长，2.4秒后提示下一邮件进入T44根据邮码启动定时，4.8秒后接通指定的分拣接触器T45设定分拣时长，2.4秒后提示下一邮件进入T46根据邮码启动定时，6.4秒后接通指定的分拣接触器T47设定分拣时长，2.4秒后提示下一邮件进入T48根据邮码启动定时，8秒后接通指定的分拣接触器T49设定分拣时长，2.4秒后提示下一邮件进入T57设定Ll闪烁时每周期灯灭时长为1.6秒T58设定Ll闪烁时每周期灯亮时长为1.6秒3.7 软件调试调试的预期效果，在实验台上向V4.0STEP7MicroWlNSP4软件输入本设计的程序，按控制要求把输入输出导线连接好，在整个装置中接上24V电压，通过硬件和软件的结合，得到控制要求的预期效果。调试过程中遇到的问题：关于数码管的显示问题，由于PLC的S7-200的输出端口有限，不能同时使两位数码管点亮。故只有采用动态扫描的方式，分时显示各位数，当扫描的频率达到了一定数值之后，就可以同时显示两位可以变化的数。考虑到PLC的扫描周期为毫秒级别，而数码管动态扫描周期要小于20ms。故数码管扫描周期不能用系统扫描周期作为时基。根据定时器的特性，可以用ImS时基的定时器作为动态扫描的时钟来源，再结合比较指令就可以实现以20ms为扫描周期的两位数码管显示。关于74LS48驱动能力问题，由于本设计有两组数码管，每组4个。而74LS48芯片的电流驱动能力只有6mA,为了能同时驱动四个数码管，需要把电流放大。考虑到晶体管的电流放大性质，可以使用晶体管电流方法电路。4系统硬件设计4.1 西门子S7200PLC西门子S7-200(CPU224)：额定电压24VDC,最大持续允许电压30VDC,本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块。22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(IOOKHz),2个100KHZ的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPl通讯协议、MPl通讯协议和自由方式通讯能力。实物图如图4-1所示：中央处理器(CPU),CPU是PLC的控制中枢。它能接受信息并能诊断其中的语法错误。存储器主要用来存放系统和用户程序，工作数据。I/O输入/输出单元，这就允许用户程序直接访问这个信息。扩展接口，扩大控制能力的目的。目前S7-200系列主要有I/O扩展模块、热电偶/热电阻扩展模块、通信扩展模块三大类控制模块。电源，PLC的电源是保证整个系统安全运行的必要条件，它直接影响整个系统的稳定性和可靠性。如果配置要求超过了CPU的供电能力，只有去掉一些模块或选择供电能力更强的CPUo4.2 硬件接线图本次设计选用的PLC型号为（CPU224）14输入/10输出。PLC的输入端供电为DC24V,PLC本身提供24V直流电源，可以作为输入电源使用。PLC的输出模式为继电器模式,输出端相当于一个自动开关,PLC有输出时会接通。所以PLC输出端供电使用变频器多功能端，这样就可以形成一个完整的回路，达到控制的目的。PLC的输入、输出接线电路如图4-2o图4-2邮件分拣电路图5总结本系统结构简单、操作方便，可实现自动控制。本设计将各任务进行细分包装，使各任务保持相对独立；能有效改善程序结构，使程序的可读性、可维护性和可移植性都得到进一步的提高。实验最后成功完成，由于很多客观原因，比如时间上，个人技术上,本设计的应用范围不是很广。经过这次设计，使我觉得不论从理论知识还是从实际操作中都学到了不少知识，归纳起来主要有以下几方面：经过这次设计，它让我熟知了平时经常接触的编程软件及获得相关的软件调试经验，同时我也发现自己在这方面的不足之处。体会到理论知识对实践有很大的指导作用，它让我知道，只有在正确的理论指导下，才能设计出合乎实际需要的硬件电路。学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络找资料。我发现，在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中并不是十分理想的，需要自己去调整，还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更加注重实践环节。在这次设计中，我们应当注意重点与细节的关系。这次设计是对平时所学习知识的一次运用和检阅，同时对自学能力提出很高的要求，所以平时的学习离开思考就是严重的错误，我们学习不应该有偏科现象，各方面的知识都应该要接触。对我们而言，知识上的收获非常重要，精神上的丰收更加可喜。参考文献1方强，李丽娜，孙宏昌.可编程控制器技术开发与应用M.北京：电子工业出版社，2009.2王曙光.S7-200PLC应用基础与实例IXI.北京：人民邮电出版社，2007.3胡寿松.自动控制原理（第五版）M.北京：科学出版社，2007.4翟红程，俞宁.西门子S7-200PLC应用教程W.北京:机械工业出版社，2007.5龙志文志IMATlCS7PLC原理及应用M.北京：机械工业出版社，2007.6刘永华.电气控制与PLCM.北京：北京航空航天大学出版社，2007.7阎石.数字电子技术基础（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.8张万忠.可编程控制器入门与应用实例IxI.北京：中国电力出版社，2004.9刘华波.西门子S-7200PLC编程及应用案例精选M.北京：机械工业出版社，2009.10孙余凯，吴鸣山，项绮明.变频器应用与维修技能M.北京：电子工业出版社,2012.11 KevinCollins.PLCProgrammingforIndustrialAutomation.ExposurePublishing,2007.12 JohnR.Hackworth,FrederickD.Hackworth,ProgrammableLogicControllers.2003.致谢当我以学子的身份踏入大学校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最美丽的青春年华。提笔写下“谢辞”，我才惊觉自己即将结束大学生涯，人生亦从此展开新的画卷。尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。经过将近一个月的努力，我的毕业设计终于完成。通过这次PLC课程设计，我掌握了通过PLC实现现场信息采集、控制。掌握了系统硬件设计、梯形图设计和现场调试一整套PLC设计过程。本次课程设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我懂得了怎样把理论应用于实际，又让我懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。四年的大学生活不知不觉就要结束了，在这段难忘的生活中，有我许多美好的回忆。在这份大学的最后一页里，首先感谢学院给我们提供这个能自我展示的平台，感谢我的指导教师姜静老师！您从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。我要感谢在我四年的学习中无私传授我知识的各位老师，是你们将自己宝贵的财富无私地奉献给了我，让我能在学业上有所成绩；是你们让我倍感教师职业的伟大，交给我知识，又不忘教育我如何做人！在此，我还要感谢寝室的姐妹们在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这四年的生活。对所有给予我帮助和支持的老师和同学在这里表示我诚挚的谢意！