基于PLC的太陽能全自動層壓機控制編程【畢業(yè)作品】

S7-200PLC系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器，能夠滿足各種設備的自動化控制要求，通過它可以讓我們很容易地編寫對太陽能全自動層壓機控制編程。目前PLC已經(jīng)廣泛地應用于交通、冶金、電力、機械制造、汽車、礦山等各行各業(yè)。隨著其性能價格比的不斷提高，PLC在開關量控制、模擬量控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理、通信連網(wǎng)的應用范圍不斷擴大，PLC將有更大的應用和發(fā)展。本文詳細研究了S7-200PLC的使用方法，并通過它的原理及應用舉例，對太陽能全自動層壓機的功能進行了詳細的說明。本文中通過西門子人機界面（觸摸屏），通過觸摸屏上的組合文字、按鈕、圖形和數(shù)字信息等，來處理和監(jiān)控不斷變化的信息。通過本文的研究，可以讓初學者了解S7-200PLC的安裝使用及控制編程的設計過程。通過本系統(tǒng)的開發(fā)，讓我了解到基于PLC如何實現(xiàn)控制編程太陽能全自動層壓機的原理及創(chuàng)建過程。并且通過本系統(tǒng)開發(fā)，也使我加深了解S7-200PLC語言程序的開發(fā)和應用過程。f I 1 1 2 3 3 4 5 6 7 7 7 82.2WINCCFLEXIBLE的安裝 8 9 9 可編程邏輯控制器（PLC也被稱之為可編程控制器。在20世紀60～70年代，為了適應計算機、數(shù)字控制、機器人、大規(guī)模集成電路等高新技術的發(fā)展，美國通用汽車公司(GM)為適應汽車型號的不斷翻新，提出了“結合計算機靈活、通用、功能完備以及繼電控制簡單、易懂、操作方便、為大家所熟悉”優(yōu)點，面向工業(yè)現(xiàn)場、面向控制過程、面向實際問題，即使是不熟悉計算機的人，經(jīng)過簡單訓練也可直接編程的一種新型電子化的自動控制裝置來代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電-接觸控制的設想。1969年，美國數(shù)字設備公司(DEC)率先研制出PDP-14可編程控制器，成功地用在GM公司的自動裝配線上。1987年，國際電工委員會(IEC)對它定義如下：一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。在早期，主要用于替代繼電-接觸的順序控制，因此，又稱為可編程邏輯控制器(Programmablelogiccontroller,PLC)。隨著電子技術、計算機技術的迅速發(fā)展，可編程控制器的功能已遠遠超出了順序控制的范圍。被稱為可編程控制器(ProgrammableController,PC)。為區(qū)別于個人計算機(PersonalComputer,PC)，故沿用PLC這個縮寫。發(fā)利用太陽能的熱潮。開發(fā)利用太陽能成為各國制定可持續(xù)發(fā)戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。近三十年來，太陽能利用技術在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展，成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。包括太陽能在內(nèi)的可再生能源在下世界將會以前所未有的速度發(fā)展，逐步成為人類的基礎能源之一。據(jù)預測，到下世紀中葉，可再生能源在世界能源結構中將占到50%以上。隨著太陽能利用的不斷發(fā)展，而利用太陽能的方法主要有：太陽能電池，通過光電轉換把太陽光中包含的能量轉化為電能。太陽能電池板越來越被需求，而通過PLC編程控制太陽能全自動層壓機生產(chǎn)電池板技術，也變得越來越重要。太陽能全自動層壓機由PLC的發(fā)展是與計算機技術、控制技術、數(shù)字技術、通信網(wǎng)絡技術等高新技術的發(fā)展息息相關，正是這些高新技術的發(fā)展推動了可編程控制器的發(fā)展。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。此時的PLC為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產(chǎn)物。個人計算機發(fā)展起來后，為了方便和反映可編紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個時期發(fā)展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易[1]。目前PLC已經(jīng)廣泛地應用于交通、冶金、電力、機械制造、汽車、礦山等各行各業(yè)，隨(1)開關量控制[2]:這是PLC最基本的應用領域，它取代了傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了邏輯控制和順序控制。在單機控制、自動生產(chǎn)線控制方面都有很多應用實例，如電梯的過模擬量I/O模塊，實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的A/D轉換和D/A轉換，并對模擬量實行閉環(huán)通過開關量I/O模塊與位置傳感器和執(zhí)行機構的連接來實現(xiàn)這一功能，現(xiàn)在一般都使用專用的運動控制模塊來完成。這種控制廣泛應用在金屬切削機床、電梯、機器人等各種機械設備比較、傳遞以及數(shù)值的轉換和查表等操作，對數(shù)據(jù)進行采集、分析和處理。用PLC和計算機的RS-232或RS-422接口、PLC的專用通信模塊等可實現(xiàn)相互間的信息交換，配備下列設備中的一種。安裝成功后，雙擊桌面上的“STEP7_MicroWIN”圖標，打開編程軟件，看到的是英文的件，界面和幫助文件均已變成中文的了[2]。1.5STEP7-Micro/WIN項目的程序塊由可執(zhí)行的代碼和注釋組成，可執(zhí)行的代碼由主程序、可選的子程序和中斷程序組成。代碼被編譯并下載到PLC，程序注釋被忽略。數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)（變量存儲器的初始值）和注釋組成。數(shù)據(jù)被編譯并下載到PLC，注釋被如果沒有特殊的要求，一般可以采用默認的參數(shù)值。符號表允許用符號來代替存儲器的地址，符號便于記憶，使程序更容易理解。程序編輯后下載到PLC時，所有的符號地址被轉化為絕對地址，符號表中的信息不會下載到PLC。狀態(tài)表用來監(jiān)視、修改和強制程序執(zhí)行時指定的變量的狀態(tài)，狀態(tài)表并不下載到PLC，僅是監(jiān)控用戶程序運行情況的一種工具。交叉引用列舉出程序中使用的各編程組件所有的觸點、線圈等在哪一個程序塊的哪一個網(wǎng)絡中出現(xiàn)，以及對應的指令的助記符。還可以查看哪些存儲器區(qū)域已經(jīng)被使用，是作為位使用還是作為字節(jié)、字或雙字使用。在運行模式下編寫程序時，可以查看程序當前正在使用的跳變觸點的編號。雙擊交叉引用某一行，可以顯示出該行的操作數(shù)和指令對應的程序塊中的網(wǎng)絡。雙擊交叉引用并不下載到PLC，程序編譯后才能看到雙擊交叉引用的內(nèi)容。(7)項目中各部分的參數(shù)設置執(zhí)行菜單命令“工具”→“選項”，在出現(xiàn)的對話框中選擇某一選項卡，可以進行有關命令來關閉瀏覽條[2]。干擾技術，具有很高的可靠性。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點以減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有故障電路的自我檢測功能，出現(xiàn)故障時整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不足為怪了。開發(fā)PLC編程來控制太陽能全自動層壓機生產(chǎn)太陽能電池板,本課題的研究開發(fā)可以解決以往傳統(tǒng)生產(chǎn)效率低、工作繁瑣的人工操作方式，省去了大量的人力勞動，并且更有效的、更智能化地達到生產(chǎn)人員對太陽能電池板質量的要求。技術運用上也有利于加快太陽能新能源利用的步伐，實現(xiàn)能源利用的清潔環(huán)保，從而保證能源的可持續(xù)發(fā)展。第一章概述PLC的設計背景、發(fā)展歷史和應用領域，以及STEP7-Mic并介紹了其項目的組成。為本文后面系統(tǒng)設計與實現(xiàn)提供技術理論基礎。最后介紹了本文研究的具體內(nèi)容和論文組織結構。第二章介紹了人機界面的基本概念和分類，并詳細介紹了觸摸屏的基本工作原理以及第三章主要介紹了S7-200PLC的基本原理，并詳細分析了變頻器、傳感器、PID溫度控第四章主要介紹系統(tǒng)的開發(fā)，包括進出料、報警指示、層壓控制編程，以及觸摸屏動畫第五章主要總結了本文的工作及心得，并介紹了未來的工作和研究方向。2.1人機界面簡介人機界面裝置是操作人員與PLC之間雙向溝通的橋梁，很多工業(yè)被控對象要求控制系統(tǒng)具有很強的人機界面功能，用來實現(xiàn)操作人員與計算機控制系統(tǒng)之間的對話和相互作用。人機界面裝置用來顯示PLC的I/O狀態(tài)和各種系統(tǒng)信息，接受操作人員發(fā)出的各種命令和設備的參數(shù)，并將它們傳送到PLC。人機界面裝置一般安裝在控制屏上，必須能夠適應惡劣的現(xiàn)人員與控制系統(tǒng)之間進行對話和相互作用的專用設備。(2)操作員對過程的控制：操作員通過圖形界面來控制過程。例如，操作員可以用觸摸屏(3)現(xiàn)實報警：過程的臨界狀態(tài)會自動觸發(fā)報警，例如當變量超出設定值時。(4)記錄（歸檔）功能：順序記錄過程值和報警信息，用戶可以檢索以前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。(5)輸出過程值和報警記錄：例如可以在某一輪班結束時打印輸出生產(chǎn)報表。(6)過程和設備的參數(shù)管理：將過程和設備的參數(shù)儲存在配方中，可以一次性將這些參數(shù)現(xiàn)在的人機界面幾乎都使用液晶顯示屏，小尺寸的人機界面只能顯示數(shù)字和字符，稱為更多的顏色。和薄膜按鍵，有的操作面板的按鍵多達數(shù)十個。操作員面板的面積大，直觀性較差。人機界面的發(fā)展方向。可以由用戶在觸摸屏的畫面上設置具有明確意義和提示信息的觸摸式按鍵。觸摸屏的面積小，使用直觀方便。2.1.2觸摸屏的基本工作原理觸摸屏的基本原理如下：用戶用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器上的觸摸屏時，被觸摸信息傳送到PLC，從而得到輸入的信息。觸摸屏系統(tǒng)一般包括兩個部分：觸摸檢測裝置和觸摸屏控制器。觸摸檢測裝置安裝在顯示器的顯示表面。用于檢測用戶的觸摸位置，再將該處的信息傳送給觸摸屏控制器。觸摸屏控制器的主要作用是接受來自觸摸點檢測裝置的觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，判斷出觸摸的意義后送給PLC。它同時能接受PLC發(fā)來的命令兵加以執(zhí)行，例如動態(tài)地顯示開關量和模擬量。推薦的系統(tǒng)配置。各對話框中的“下一步>”按鈕，進入下一對話框。在“許可證協(xié)議”對話框中“我接受本許可證協(xié)議的條款”。在“要安裝地程序”對話框確認要安裝的軟件（用打鉤表示）。已安裝的軟件左邊的復選框（小方框）為灰色。安裝好Microsoft工具和服務包后，雙擊安裝文件夾中的Setup.exe，開始安裝WinCC在“許可證協(xié)議”對話框中“我接受本許可證協(xié)議的條款”。點擊“運行系統(tǒng)/仿真”幾個字，用同樣的方法修改安裝它的目標目錄。點擊“下一步>”按鈕，開始安裝WinCCflexible。安裝完成后，出現(xiàn)的對話框顯示“安當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。(1)輸入采樣階段象區(qū)中的相應得單元內(nèi)。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。(2)用戶程序執(zhí)行階段每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。(3)輸出刷新階段計數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機械裝置做實體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入“輸出狀態(tài)更新”說明如下：步驟一“輸入狀態(tài)檢查”：PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點開關或傳感器狀態(tài)（1或圈之運算結果則存入內(nèi)存中對應之位置，暫不反應至輸出端Yn。步驟三“輸出狀態(tài)更新”：將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至PLC輸出部接點，并且重回步驟一。此三步驟稱為PLC之掃描有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下一次程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會被更新一次，因變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”[5]。變頻器集成了高壓大功率晶體管技術和電子控制技術，得到廣泛應用。變頻器的作用是改分原先只能用直流電機完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動技術發(fā)展到新階段。變頻器可以優(yōu)化電機運行，所以也能夠起到增效節(jié)能的作用。根據(jù)全球著名變頻器生產(chǎn)企業(yè)ABB的測算，單單該集團全球范圍內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)并且安裝的變頻器每年就能夠節(jié)省1150億千瓦時電力，相應減少9,700萬噸二氧化碳排放，這已經(jīng)超過芬蘭一年的二氧化碳排放量。國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類：物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號[5]。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質量。因此可以說，有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎。特性[6]。在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）[6]。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差[6]。動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)4系統(tǒng)開發(fā)前文中詳細的介紹了S7-200PLC和觸摸屏的工作原理，及其各個功能模塊的主要原理?，F(xiàn)在，開始用S7-200PLC來控制編程太陽能全自動層壓機。4.1.1進出料），料電機開%M6.4常開觸點閉合（開始準備進料）%T200為接通延時定時器，設置參數(shù)定時%I2.1常開觸點閉合（太陽能全自動層壓機進料臺上的按鈕，按住不放進料電機運行）），），沿的預設值。當前值（CV）大于或等于預設值（PV）時，計數(shù)器輸出位（Q）打開。啟用復原輸入（R）時，計數(shù)器被復原。達到預設值（PV）時，向上計數(shù)器停止計數(shù)。），），常閉觸點閉合（關蓋的狀態(tài)下），從上而上的互鎖，層壓的過程是上充氣（加壓1）→上充氣延時開（保壓1）→上充氣（加壓2）→上充氣延時開（保壓2）→上充氣（加壓3）→固化在手動模式下（手動%M2.4常開觸點閉合），上真空開按鈕%M10.0常開觸點閉合，在自動模式下（自動%M2.3常開觸點閉合），在層壓為開始之前，下真空延遲開%M21.3常開觸點閉合，下真空到位%M7.0常閉觸點閉合，進行的步驟是下室真空，為了是電池板的鋼化玻璃緊緊的貼在太陽能全自動層壓機的加熱板上。或在層壓結束之后，下充氣延遲0點5%M21.1常開觸點閉合，開蓋開%M8.1常閉觸點閉合，進行的步驟是下室充氣，不能蓋打開不了，防止壓強緊緊壓在加熱板上。上充氣指示%Q0.2常閉觸點閉合與上真空指示互鎖，上真空指示%Q0.1線圈接通，該位為狀態(tài)。上真空開按鈕%M10.0與上充氣按鈕互鎖在自動模式下（自動%M2.3常開觸點閉合），加壓一開始%M7.2時開始%M7.3常閉觸點閉合，進行的步驟是第一次加壓。加壓二開始%M7.4常開觸點閉合常開觸點閉合，層壓開始%M7.7常閉觸點閉合，進行的步驟是第三次加強上室大氣壓強。4.2.1觸摸屏動畫系統(tǒng)太陽能全自動層壓機觸摸屏主界面，如圖4-6所示。圖4-6太陽能全自動層壓機觸摸屏主界面按下“手動”按鈕，彈出自動手動模式轉換界面，如圖4-7所示圖4-7太陽能全自動層壓機觸摸屏自動手動模式轉換界面單擊“確定”按鈕，進入太陽能全自動層壓機觸摸屏手動界面，如圖4-8所示。圖4-8太陽能全自動層壓機觸摸屏手動界面(2)按下“上室真空”,上室真空指示表最終應指示為真空負壓狀態(tài),這時下室真空指示表(3)按下“下室真空”，下室開始進