基于plc的电子皮带秤设计

目录

摘要 (Ⅰ)

Abstract (Ⅱ)

引言 (1)

第一章总体设计方案 (2)

1.1系统的设计原理及控制流程 (2)

1.2系统的基本功能介绍 (3)

1.3系统的结构和工作过程 (4)

第二章系统的软硬件选择及基本控制 (10)

2.1 PLC的结构和工作原理 (10)

2.2 系统的硬件设计 (14)

2.2.1 S7-300的CPU模块(简称为CPU) (14)

2.2.2 S7-300的组成和功能 (15)

2.2.3 变频器选型及其功能设定 (16)

2.3 系统的软件功能及控制 (17)

2.3.1 STEP 7的组成 (17)

2.3.2 工程创建基本任务和步骤 (18)

第三章系统各环节功能设计及检测 (24)

3.1 PLC主循环程序OB1和初始化程序OB100 (24)

3.2 中断程序OB35 (28)

3.3 控制输出功能模块FC1和FC101 (31)

3.4 PID运算FB1和FB101 (32)

3.5报警功能FC3和FB3 (35)

3.6累计功能FC4和FB4 (37)

3.7数据检测FB2和FB102 (38)

3.8测皮重FB5和FB1O5 (39)

3.9标定秤FB6 (42)

3.10 运行初始化FC10 (42)

3.11仿真模块FB10和FB110 (45)

第四章对系统的模拟仿真及调试 (48)

4.1模拟仿真组态软件PLCSIM (48)

4.1.1 S7-PLCSIM的功能及介绍 (48)

4.1.2 S7-PLCSIM的主要组成部分 (48)

4.1.3 配置过程 (48)

4.2 模拟组态步骤 (50)

结论 (51)

谢辞 (52)

参考文献 (53)

河南城建学院毕业设计论文摘要

摘要

随着计算机、网络、数据库等相关技术的不断发展和完善，自动化系统得到极大的完善。本说明书根据配料生产的特点和要求，介绍了皮带秤S7-300 PLC自动配料控制系统的设计方案及仿真、使用方法。系统完成了配料系统的设计要求，并对控制系统的主要控制功能以及结构作了详细的介绍。而且着重说明了STEP7软件选用、安装、梯形图程序设计及整体系统的调试等情况。

PLC的应用极大地提高了产品的质量和生产效率，在整个配料行业具有广阔的应用前景。配料系统在诸多行业的工业生产过程中占有极其重要的地位，配料工序的合理性、稳定性、准确性以及快速性直接影响到以后各生产环节的顺利进行。

PLC的优点是外部接线简单,内部程序可变,在不改变接线的情况下,可以重新设计程,施工周期短,内部软继电器是寄存器,没有触点,故障率低,寿命长,抗干扰能力强,执行时间短,应用指令多,可实现复杂的控制功能等等.传统继电器的不足之处是有触点系统,故障率高,平均修复时间长,寿命短,功耗大,改变系统功能,将要重新接线,工作量大,容易出错,执行时间长等等。这就是采用PLC来进行控制的原因。同时，对PLC的结构、工作原理和分类都做了介绍。

关键字皮带秤；s7-300；plc；配料

河南城建学院毕业设计论文Abstract

Abstract

With the computers, networks, databases and other related technologies continue to develop and improve, the automation system consummate great. In this thesis, the ingredients produced in accordance with the characteristics and requirements, introduced the belt weigher S7-300 PLC automatic control system design and simulation.The thesis completed the system design requirements for ingredients, and control systems, as well as the main control structure in detail. And highlighted the STEP7 software selection, installation, ladder programming and debugging the whole system and so on.

Application of PLC significantly improved product quality and production efficiency,Ingredients in the whole industry has broad application prospects. Batching system in many sectors of industrial production process of an extremely important position, the rationality of process ingredients, stability, accuracy and speed after a direct impact on the smooth progress of production.

The advantages of PLC are simple external wiring, internal process variable, do not change the wiring in the circumstances, be included in the design process, a short work cycle, the internal relay is soft register, there is no contact, low failure rate, long life, anti-jamming ability, short execution time, application instructions and more can be achieved and so the complexity of control functions. traditional relay inadequacies have contact systems, the high failure rate, average repair time, a shorter life-span, power consumption, and change system will be re-wiring, heavy workload, prone to error, execution time and so on. This is the use of PLC for control reasons. At the same time,Of the PLC structure, working principle and classification are introduced.

Keywords belt weigher ;s7-300 ;plc;ingredients

引言

现今以应用工业计算机、PLC的自动配料技术已广泛应用于耐火、玻璃、水泥、医疗、建材、饲料、炼钢、筑路及包装生产等各种行业中。以前在这类控制中大多是以继电器，接触器等电器设备来完成每一步的顺序控制，自动化程度低，而且许多地方都需要人来手动完成，不仅工作效率低控制精度也难以提高。特别是随着现代化生产的不断进步，更是对应用于过程生产中的各种自动化控制系统提出了更高的要求。配料工序是企业生产工艺过程中的一道非常重要的工序，配料工序质量对整个产品的质量举足轻重，落后的配料系统不仅效率低而且配料不准，手工操作又将人为因素引入配料环节，使工艺配方难以在生产中实现，严重影响产品质量的稳定及进一步提高，因此实现高精度自动配料对工业企业生产有极为重要的意义。另外对于一些现有的中小企业，特别是一些中小型的冶金企业由于建设之初的自动化水平低或者设备已经老化陈旧，造成对资源的浪费，环境的污染，同时也加大了工人的劳动强度。因此对一些落后的中小企业的自动化改造也是急需解决的问题。

皮带秤是对放置在皮带上并随皮带连续通过的松散物料进行自动称量的衡器。主要有机械式(常见的为滚轮皮带秤)和电子式两大类。配料系统一般由多台皮带机组成，系统可以同时控制多台皮带机，进行各种散装物料的连续称量、自动配料和流量控制。而本设计中的系统控制软件采用PLC正是符合现代化的要求，它具有相当高的可靠性和稳定性。但是，PLC的体系结构是封闭的，各PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。

第一章总体设计方案

1.1系统的工作原理和流程图

皮带秤经历了纯机械式皮带秤、传感器电子仪表皮带秤发展到今天的传感器微机式皮带秤和微机智能化皮带秤，日新月异的电子计算机技术在皮带称中的应用，极大地提高了皮带秤的计量精度，改善了它的稳定性，简化了操作程序，易于维护，使其广泛应用于各种行业。

皮带秤具有动态测量和自动在线测量等有点，被广泛应用于产品的定量包装和工业配料等工业现场，不仅起到减员增效、节支创收和减少误差的作用，而且加强了企业的管理，缩短作业时间，改善了操作条件，提高劳动生产率，降低劳动强度，从而大大提高了生产的自动化程度，备广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口、建筑、机械制造和国防等各个领域。皮带称正以其独特的优势，作为一种新型高新技术产业受到全世界的普遍关注，具有十分广阔的发展前景。

通过产臂上皮带装置及料的重量测定流量，由电磁振动给料机控制给料量，连续计量秤。优点连续计量，缺点动态计量影响精度。称重给料机将经过皮带上的物料，通过称重秤架下的称重传感器进行检测重量，以确定皮带上的物料重量；重量信号送入皮带给料机控制器，产生并显示累计量/瞬时量。给料控制器将该量与设定量进行比较,由控制器输出信号控制变频器，实现定量给料的要求。可由上位PC机设定各种相关参数，并与PLC实现系统的自动控制。它可以采用两种运行方式：自动方式和半自动/手动方式。

图1-1 系统控制流程图

1.2系统的基本功能

基本功能介绍

监控功能：对皮带称配料过程的瞬时流量、日累计、月累计、年累计等参数进行检

测和监视；

画面显示：通过计算机显示器可显示配料过程中有关控制参数的运行状况，以及显示实时配料曲线和表格；

通讯功能：工控机与PLC和仪表之间进行可进行双向数据及信息交换；

数据处理：配料系统可自动对采集的信号进行运算处理，并输出到相应的控制量；

控制功能：根据操作前相应的设定值，自动控制设备的正常运行，包括PID调节；

报警功能：上位机以画面方式和声光信号方式对各种参数超限或设备状态异常进行报警。

1.3系统的结构和工作过程

自动配料系统中，设置上位机进行配料、料流计量控制，建立配料模型，统计打印，下位机采用PLC进行皮带顺序控制、电磁振动给料机变频控制。皮带输送机用变频器驱动控制，确保系统配料误差<0.5 %。配料系统由8条皮带秤配料线组成，8台皮带秤分别编号为1#, 2#, 3#、4#、5#、6#、7#、8#，每台秤上分别输送不同的料。系统中每台秤均由可编程控制器(PLC)和上位机(主机)实现两级控制。

整个配料混合系统由料仓、混合机、称重模块、电磁振动给料机、放料闸门等装置及控制系统构成。控制系统采用PLC控制、上位机管理的方式设计。

(1)工业现场

工业现场包括驱动皮带的电动机，皮带秤秤体，称重传感器、控制电振给料机的变频器，料斗料位传感器，各种电磁阀，西门子可编程控制器及其扩展模块等。

PLC采集电机、电磁阀、变频器等有关的控制对象的信息，经过对输入信息的处理，反馈控制监控对象，将信息送入上一级监控机(上位机)。另一方面接受监控机(上位机)的控制指令，通过对输入和操作指令的分析、判断，进行综合处理，输出控制信号，控制变频系统的工作，完成监控机对监控对象的实际控制。

本系统中，实行一台变频器对一台电振给料机控制。用PLC输出的数字量信号作为变频器的控制端输入信号，通过接受PLC的信号控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身工作状态信号;当发生故障时，向PLC及上位机发出报警信号。变频器对电振给料机的控制具有完善的自我保护和电机保护功能。

为了保证系统的可靠性，应采用较高性能的PLC，选择合适的工业现场应用的数据采集模块，选用合适的变频器。

(2)控制室

由一台控制计算机(PC)以及打印机、组态软件等组成。上位PC接受PLC采集的信息，对监控对象进行故障报警以及参数显示，向下属PLC发送控制信息。在本系统中，它具有生产工艺流程图显示、电机启动停止控制、变频器工作状态显示、事故报警显示、变频器运行参数设置和显示等功能。

图1-2 系统结构示意图

自动配料系统加电后，皮带驱动电机开始旋转，微处理机根据当前操作控制电机转速。料斗中的物料落在落料区，经皮带运送到达称重区，由电子皮带秤对皮带上的物料进行称重。称重传感器根据所受力的大小输出一个电压信号，经变送器放大，输出一个正比于物料重量的计量电平信号。该信号送至上位机的接口，经采样后并转换成一个流量信号，在上位机上显示当前流量值。同时将此流量信号送至PLC接口，与上位机设定的各种配料给定值进行比较，然后进行调节运算，其控制量送至变频器，以此来改变变频器的输出值，从而改变驱动电动机的转速。调整给定量，使之与设定值相等，完成自动配料过程。

流量就是一定时间内皮带上走过的物料量。电子皮带秤称量的是瞬时流量，上位机

给出的是设定流量，二者在实时计量中有所偏差。在流量实际控制中采用工业控制中应

用最为广泛的PID 调节，根据流量偏差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制，

控制量输入和输出（误差）之间的关系在时域中可用公式表示如下：

()()()()()t d 0T de t 1p e t +e t d t +T dt u t =k ???????

公式中e （t ）表示误差、控制器输入，u （t ）是控制器的输出，kp 为比例系数，

Ti 为积分时间常数，Td 为微分时间常数。图1-4为系统流量PID 闭环调节结构图。在

生产过程进行自动调节时，以主料成分的流量计量为依据，根据生产工艺要求通过上位

机设定出总流量及主、辅料配比参数，按配方比例掺杂其余辅料。流量计量控制是计量

偏差与变频调速的结合，具有结构简单、稳定性好、工作可靠和调整方便等优点。

图1-4 流量PID 闭环调节

当系统开始工作时，启动配料生产线。首先系统程序进行初始化，通过上位机或触

摸屏设置配料配比，检查料斗有无物料。若无物料，向料斗送料，启动配料生产线，由

电子皮带秤进行称重并实时计量，CPU 计算得实时流量及累计流量。若设定流量与实际

流量有偏差，调节器根据系统控制要求比较设定值与实际流量的偏差，经PID 调节改变

输出信号以控制变频器对输送电机的速度调节，从而实现恒流量控制。根据配比各辅料

同时混合计量，并按配方工艺要求添加。

系统中主、辅料秤由可编程控制器（PLC ）和上位机实现两级控制。现以1#～4#四

台电子皮带秤的PLC 控制分析为例，每一电子皮带秤有一台皮带驱动电机，两个料位传

感器，一个速度传感器，一个称重传感器，一台变频器，它们构成了被控对象。电动机

的启、停由开关量控制，PLC 数字量输出信号作为变频器的控制端输入信号，经变频器

调制输出高频脉冲给皮带驱动电机。料位传感器检测料斗有无物料，速度传感器测量电机的转速。系统需8个数字量输入信号，25个开关量输入信号和24个开关量输出信号，I/O点总数量为57。I/O点数量和类型如表1所示。

表1： PLC I/O口数量和类型

公司的SIMATIC S7-/300，属于模块化小型PLC系统，各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。

根据系统被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，选用SIEMENS公司S7-300系列PLC的CPU 315-2DP 。CPU 315-2DP是唯一带现场总线（PROFIBUS）SINEC L2-DP接口的CPU模板，具有48KB的RAM，80KB的装载存储器，可用存储卡扩充装载存储容量最大到512KB，最大可扩展1024点数字量或128个模拟量。根据统计出的I/O点数选择一个直流32点和一个16点的SM321数字量输入模块和一个32点SM322继电器输出模块。

PLC控制系统软件设计

STEP 7是西门子的S7-300系列PLC所用的编程语言，它是一种可运行于通用微机中，在WINDOWS环境下进行编程的语言。通过STEP 7编程软件，不仅可以非常方便地

使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，并通过转接电缆可直接送入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断情况，甚至进行在线修改程序中变量的值，给调试工作也带来极大的方便。

STEP 7将用户程序分成不同的类型块。程序块分为两大类：系统块和用户块。用户块包括：OB=组织块，FB=功能块，FC=功能，DB=数据块。主程序可以放入“组织块”（OB）中，而子程序可以放入“功能块”（FB或FC）中？

在本系统中，PLC的主要任务是接受外部开关信号（按钮、继电器触点）和传感器产生的数字信号的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器、电磁阀等器件，以完成相应的控制任务。除此之外，另一个重要的任务就是接受工控机（上位机）的控制命令，以进行自动配料控制。

自动配料程序共有OB 1及FC1至FC6等7个“块”。OB1是主程序，通过6个“CALL”调用语句，依次调用FC1至FC6等功能模块，达到组织整个程序的目的。程序中6个功能块的任务分配如下所示：

FC l 负责系统开始运行以及运行方式的设定; FC2 负责对系统的停止;

FC3 负责计量泵和计量泵配比控制; FC4 负责故障、事故处理控制;

FC5 负责对变频器的控制; FC6 负责指示灯的显示控制。

第二章相关内容简介

2.1 PLC的结构和工作原理

2.1.1 PLC的结构

PLC的实质是可编程控制器的简称，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技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。所以plc的基本结构与普通计算机有很多相似之处，但是为了方便工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机又有区别。PLC的结构如下图所示。

图2-1 PLC的结构

1.中央处理单元((CPU)

CPU是PLC的神经中枢，是系统的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：

1）接收并储存用户程序和数据；

2）用扫描的方式接收现场输入设备的状态和数据;

3) 诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误；

4）完成用户程序中规定的逻辑运算和算术运算任务；

5）更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、指标打印或数据通信等功能。

2.存储器

存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

3.电源

PLC一般使用220V的交流电源或24V的直流电源。开关式稳压电源模块为PLC内部的各模块提供5V、±12V、24V等不同电压等级的直流电源。

4.输入输出元件(I/O模块)

I/O模块是CPU与现场I/O装置或其它外部设备之间的桥梁。PLC提供了具有各种操作电平与输出驱动能力的I/O模块和各种用途的功能模块供用户选用。

5.编程器

编程器适用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通讯端口与CPU联系，完成人机对话连接。

6.外部设备

一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPA写入器、高分辨率屏幕彩色图形监控系统等外部设备。

2.1.2 PLC的工作原理

PLC采用了一种不同于一般计算机的运行方式，即扫描方式。

1.工作过程

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，如下图所示。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以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。