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基于FX2N –32MR可編程控制器的自動裝箱生產線控制系統(一)
目 錄
第一章 可編程控制器的概述
1.1 可編程控制器的基本概念·1
1.2 可編程控制器的硬件構成·1
1.3 可編程控制器的用途與特點·2
1.4 可編程控制器的發展歷史及發展趨勢4
1.5 可編程控制器的應用領域·6
第二章 方案設計
2.1 題目及控制要求7
2.2 本課題主要研究內容·8
2.3 主要解決問題·8
2.4 功能流程圖·9
2.5 I/0地址分配·10
2.6 主控電路11
2.7 端子接線圖12
2.8 SFC流程圖13
2.9 梯形圖·14
2.10 程序指令表·15
2.11 時序圖16
2.12 調試過程·17
設計心得體會·18
參考文獻19
第一章 可編程控制器概述
可編程控制器的基本概率
可編程控制器（Programmable logic Controller）簡稱PLC，是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置，它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、定時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。
可編程控制器的硬件構成
可編程控制器的硬件結構大體相同。主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出器件（I/O接口）、電源及編程設備幾大部分構成。如圖1所示：
圖1 PLC基本結構圖框
1）中央處理器（CPU）
中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統程序的控制下，完成邏輯運算、數學運算、協調系統內部各部分工作等任務。它決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。
2）存儲器
存儲器是可編程控制器存放系統程序、用戶程序及運算數據的單元。PLC的存儲器分為只讀存儲器（ROM）和隨機讀寫存儲器（RAM）兩大類。
3）輸入輸出接口
輸入輸出接口是可編程控制器和工業控制現場各類信號連接的部分。輸入接口用來接受生產過程的各種參數。并存放于映像寄存器中。可編程控制器運行程序后
4）電源
可編程控制器的電源包括為：1.開關電源：為可編程控制器個工作單元集成電路提供工作電源。2.后備電源：為掉電保護電路提供電，一般為鋰電池，其目的是為了外部電源故障是內部重要數據不致丟失。
5）外部設備
包括編程器和其他外部設備，其作用是用于編程、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統工作狀況，其是通過通訊端口與CPU聯系，建立與PLC的人機對話。
編程控制器的用途與特點
(一) 可編程控制器的用途
PLC目前在國內外已經廣泛應用于冶金、石油、化工、建材、機械制造、電力、汽車、輕工、環保及文化娛樂等多個行業，隨著PLC性能價格比的不斷提高，其應用領域仍在不斷擴大。從應用類型看，PLC的應用大致可以歸為以下六種類型：
1 開關量的邏輯控制
這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，可用它取代傳統的繼電器控制電路，實現邏輯控制、順序控制，即可用于但臺設備的控制，又可用于多機群控制及自動化流水線。如機床、注塑機、印刷機械、裝配生產線、電鍍流水線及電梯控制等。
模擬量控制
在工業生產過程中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器能夠處理模擬量信號，PLC廠家生產有配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器可用于模擬量控制。
運動控制
PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早起直接用開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在可使用專用的運動控制模塊。1) 工程控制
過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID控制是一般閉環控制系統中常用的控制方法。目前不僅大中型PLC都有PID模塊，而且許多小型PLC也具有PID功能。
2) 數據處理
現代PLC具有數學運算、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。
3) 通信及聯網
PLC通信包含PLC之間的通信以及PLC與其他智能設備間的通信。隨著計算機控制的發站，工廠自動化網絡發展見會加快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。最新生產的PLC都具有通訊接口，實現通訊非常方便。
(二) 可編程控制器的特點
1） 可靠性高，抗干擾能力強
PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的電子存儲器件來完成，大部分繼電器和繁雜的連線被軟件程序所取代，故壽命長，可靠性大大提高。
2） 控制系統結構簡單、通用性強、靈活運用
PLC產品品種齊全，外圍模塊品種也多，可有各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統。在PLC構成的控制系統中，只需在PLC的段子上接入相應的輸入、輸出信號線即可。當控制要求改變，需要變更控制系統功能時，可以用編程器在線或離線修改程序，只是輸入、輸出組件和應用軟件不同而已。
3） 易學易用，深受工程技術人員歡迎
PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備，其編程語言易于為工程技術人員接受。想梯形圖語言的圖形符號和表達方式與繼電器電路圖非常接近，只用PLC的少量開關邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器接觸器電路的功能。
4） 系統設計周期短，維護方便，改造容易
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大地減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計周期大大縮短，由于PLC具有完善自診斷、履歷情報和監視顯示功能，便于故障的迅速查找和處理，是維護變得十分容易。
5）體積小，重量輕，功耗低
超小型的PLC，其產品都采用的是單元箱體式結構，其體積和重量只有通常的接觸器大小，功耗很低，易于安裝在機械內部控制運動物體，是實現機電一體化的理想控制設備。
6）與網絡技術相結合
網絡上層大型計算機極強的數據處理能力和管理功能與現場網絡中的PLC的高可靠性結合起來，形成一種新型的全分布式的計算機控制系統，實現了遠程控制和集散系統控制。
7）易于實現機電一體化
PLC的體積小、質量輕、功耗低、可靠性高，使之易于安裝在機器設備內部，構成機電一體化產品。
總之，只生產了短短幾十年的PLC，目前的市場銷售額能超過150億美元，在全球工業控器的市場份額超過55%，主要原因在于PLC具有繼電器控制、計算機控制及其他控制不具備的顯著特點。
1.4 可編程控制器的產生與發展
1968年美國通用汽車公司（GM），為了適應汽車型號的不斷更行，生產工藝不斷變化的需要，實現小批量、多品種生產，希望能有一種新型工業控制器，它能做到盡可能減少重新設計和更換繼電器控制系統及接線，以降低成本，縮短周期。GM公司公開招標，提出了十項設計標準。1969年，美國數字設備公司（DEC）研制出了第一臺可編程控制器PDP-14，并在GM公司汽車生產線上試用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器由此誕生。所以可編程控制器是生產力發展的必然產物。
可編程控制器自問世以來，發展極其迅速。20世紀70年代中期，美、日、德等國在可編程控制器中引入微機技術，微機處理器及其他大規模集成電路芯片成為其核心部件，使可編程控制器具有了自診斷功能，可靠性有了大幅度提高。國外工業界在1980年正式命名為可編程控制器（Programmable Controller），縮寫為PC。但由于他和個人計算機（Personal Computer）的簡稱容易混淆，仍把可編程控制器縮寫為PLC。
在新的世紀，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規模上看，會進一步向超小型及超大型方向發展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通訊設備會更好地適應各種工業控制場合的需求。具體表現在以下幾個方面：
向小型化、專用化、低成本方向發展
20世紀80年代初，小型PLC在價格上價格上還高于小系統用的續電器控制裝置。隨著微電子技術的發展，新型器件大幅度的提高功能和降低價格，使PLC結構更為緊湊，功能不斷增加，將原來大、中型PLC才有的功能移植到小型PLC上。
向大容量，高速度方向發展
大型PLC采用多微處理器系統，有的采用了32位微處理器，可同時進行多任務操作，處理速度提高，特別是增強了過程控制和數據處理功能。另外，存儲容量大大增加。
與計算機聯系密切
從功能上看，PLC不僅能完成邏輯運算，且計算機的復雜運算功能在PLC中也進一步得到利用；從結構上看，計算機的硬件和技術越來越多地應用到PLC。
發展多樣化
可編程控制器發展的多樣化體現在3個方面：產品類型、編程語言、和應用領域。
網絡與通訊能力增強
多樣化與標準化
1.5 可編程控制器的應用領域
隨著現代工業的發展，可編程控制器在國內外都取得了長足的發展，已經廣泛應用在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業等領域。隨著PLC的小型化，它不僅僅應用在工業中，還擴大到遠離工業控制的其他行業，如醫院手術室，酒店的旋轉門和車庫門等。甚至引入了人類的日常生活中，如：交通十字路口的紅綠燈控制、自帶電梯、廣告的霓虹燈、各個娛樂場所和城市的夜景燈等等。
總之隨著微電子技術、自動控制技術和計算機通信技術的飛速發展，PLC在硬件設置、軟件編程、通訊聯網功能以及模擬量控制等方面的進步，將使可編程控制器的應用領域得到進一步的擴展。
第二章 方案設計
2.1 題目及控制要求
1. 設計題目：
基于FX2N – 32MR可編程控制器的自動裝箱生產線控制系統
控制要求：
如圖2所示為自動裝箱生產線，系統控制要求如下為：
按SB1，啟動系統，傳送帶2開始運行，當箱子進入定位位置時，SQ2動作，傳送帶2停止。
SQ2動作后1s，起動傳送帶1；物品隨傳送帶1運動逐一落入箱內，并由SQ1檢測，即每當落入一個物品，SQ1發出一個脈沖信號。
當落入箱內物品達10個，傳送帶1停止，同時起動傳送帶2。
按下停止按鈕，傳送帶1和傳送帶2均停止。
圖2 自動裝箱生產線
2.2 本課題主要研究內容
本課題主要對自動裝箱控制系統進行研究，對所用到的各個器件的功能進行詳細的介紹。
文章先將設計的總體思路做了具體的概括，主體部分采用兩條傳送帶，一條是包裝箱傳送帶，另外一條是產品傳送帶，對產品技數則采用光電傳感器。電機部分采用固態交流SSR。
2.3 主要解決的問題
1）在系統啟動前應該先對傳送帶1和傳送帶2進行復位。
2）按下控制裝置啟動按鈕（即SB1）后，傳送帶2先啟動運行，拖動傳送帶上面的空箱體前移至指定位置，達到指定位置后，由位置傳感器SQ2發出信號，使傳送帶2制動停止，并且計數傳感器SQ1進行復位。
3）當傳送帶2停止運動后，經過1s后使時間續電器KT動作，并啟動傳送帶1運行，此時放置在傳送帶1上的物品就會向前前移，最終逐一掉入箱子。
4）在傳送帶1運行的同時，計數傳感器SQ1制動，并檢測產品數量，當累計產品數量達到10個時，傳送帶1制動停止，并且復位，傳送帶2制動啟動。
5）上述自動過程周而復始，直到按下停止按鈕SB2，傳送帶1和傳送帶2就會同時停止運行。
6）應該有必要的信號指示，如電源有電，傳送帶1工作和傳送帶2工作等。
7）傳送帶1和傳送帶2應該有獨立點動控制，便于維修和調試。
2.4 功能流程圖
如下圖功能流程圖所示：當按下開關SB1時，整個系統就會照著下圖流程開始運行，而當在傳送帶一停止的時候，如果沒有按下停止開關SB2，則整個系統就會循環動作。
圖3 功能流程圖
2.5 I/O地址分配表
如下表I/O地址分配表所示：
編程元件 I/0端子 電路器件 元件作用
輸入續電器
X0 SB1 啟動按鈕SB1
X1 SB2 停止按鈕SB2
X2 C0 計數傳感器SQ1
X3 SQ2 位置傳感器SQ2
X4 T0 時間續電器KT
輸出續電器 Y0 KM1 電動機M1
Y1 KM2 電動機M2
表1 I/O地址分配表
2.6 主控電路
如下圖主控電路圖所示：M1,M2分別為控制傳送帶1和2的電動機，FU1是為防止主控電路過載的熔斷器，而FR1,FR2是用來防止電動機1和2過載的熱斷電器。
圖4 主控電路圖
2.7 端子接線圖
如下圖端子接線圖所示：
圖5 端子接線圖
2.8 SFC流程圖
如下圖SFC流程圖所示
圖6 SFC流程圖
2.9 梯形圖
如下圖梯形圖所示
圖7 梯形圖
2.10 程序指令表：
0 LD M8002 22 STL S23
1 SET S0 23 RST Y0
2 STL S0 24 SET Y1
3 RST Y1 25 LD X1
4 RST Y0 26 OUT S0
5 LD X0 27 RET
6 SET S20 28 END
7 STL S20
8 SET Y1
9 RST C0
10 LD X3
11 SET S21
12 STL S21
13 RST Y1
14 OUT TO
K10
15 LD TO
16 SET S22
17 STL S22
18 SET Y0
19 OUT C0
K10
20 LD C0
21 SET S23
表2 程序指令表
時序圖
如下圖時序圖所示：X0為啟動按鈕輸入端，X1為停止按鈕輸入端，X2為計數傳感器輸入端，X3為位置傳感器輸入端，X4為時間續電器輸入端，Y0為傳送帶1的輸出端，Y1為傳送帶2輸出端。
圖8 時序圖
調試過程
1 實驗設備：FX2N – 32MR 可編程控制器一臺，手持編程器一個。
2 PLC規格：FX2N – 32MR系列
3 過程分析
1）在沒有按下啟動按鈕前，所有傳送帶處于停止工作狀態。
2）當按下啟動按鈕X0時，先是Y1燈亮（傳送帶2開始運行），當空箱子進入指定的位置時，定位開關X3開始工作，Y1燈滅（傳送帶2停止運行工作）。且傳送帶2復位，計數裝置開始運行。
3） Y1等滅后1s，Y0燈亮（傳送帶1啟動），物品隨傳送帶1落入空箱內，由計數裝置檢測落入物品個數10個。
4）當落入箱內的物品達到所要求的10個時，Y0燈滅（傳送帶1停止工作）的同時，Y1等亮（傳送帶2啟動）。
5）按下停止按鈕X1后，Y1燈滅，傳送帶1和傳送帶2都停止工作，系統復位。
6）重復以上操作，可重復實現以上現象。
4 調試過程中存在的問題
1） 對PLC可編程控制器試驗臺（編程器）的輸入不是很了解。
2） 有些程序達不到當初設計預期的理想效果。
設計心得體會
在現在化的工業生產中常常需要對產品進行計數、包裝，如果這些繁雜的工作讓人工去完成的話不但麻煩，而且效率底，勞動大，不適合現代化的生產需要，并且加重了人工的勞動強度。隨著科學技術和現代化工業的發展，為了提高效率、減輕勞動者的負擔就必須對以上生產設計一套完整的自動化生產線，而PLC技術就能很好的解決這一問題。
隨著PLC技術的不斷完善，現已成為各個領域的重要部分，在生活中可以說是無處不在。而這次學校為我們安排PLC的課程設計，不僅很好的鞏固所學知識，提高學生綜合運用知識來發現、提出、分析、解決問題的能力，而且還是對學生實際工作能力的一次重要考察，以便發現自己某些方面不的不足，并加以加強。
PLC的課程設計是一個難得的理論與實際相結合的機會，通過這次比較完整的自動裝箱生產系統的PLC程序設計，使我擺脫了單純的理論知識學習狀態，鍛煉我綜合運用所學的專業基礎知識來解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計規范及其電腦制圖等其他專業能力水平和獨立思考能力。
雖然這課題不是所有課題當中比較難的，但在設計中難免會出現不懂，甚至老師上課沒講的知識。這時就必須通過自學來分析解決問題，同時也要和同組同學一起研究討論，必要時還需向老師尋求幫助，指導。所以，通過自己的自學，同學的互幫互助以及雷慧和王大鎮兩位老師的細心指導，才得以順利的解決設計過程中的問題，并完成針對自動裝箱生產線控制系統的課程設計。
這次的PLC課程設計，雖然我這個設計做的不太好，所設計的程序比較簡單，但在整個PLC控制系統的課程設計中，不僅加深了對PLC控制系統知識的了解，同時也培養了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，大大提高了動手能力，相信這些會對今后的學習工作有非常重要的影響。
參考文獻
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