孙红权四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计.doc 89页

'四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计孙红权四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计电气工程及其自动化专业孙红权[摘要]冰箱箱体发泡生产线是冰箱生产过程中的一道关键生产工序，本论文主要研究西门子S7-300系列PLC在冰箱箱体发泡生产线中的应用。综合运用了变频器、旋转编码器及各种开关量等工业控制设备。通过对系统工艺流程及控制要求的分析，设计了系统电气线路图和系统PLC程序。对系统主电路、变频器及PLC等外围电路及输送小车和注射枪头的定位控制程序作了详细的分析和设计。对系统程序的设计，有自动和手动两种控制方式，使得操作更加灵活方便。冰箱箱体发泡生产线采用PLC控制系统后可以提高生产率、能够降低系统维护成本，可使整个系统运行稳定、可靠。[关键词]冰箱箱体发泡；S7-300；变频器；旋转编码器Four-RefrigeratorCabinetFoamingLineControlSystemDesignElectricalEngineeringandAutomationSpecialtySUNHong-quanAbstract:Refrigeratorproductionlinerefrigeratorboxfoamproductionprocessinakeyproductionprocesses,thisthesisPLCSiemensS7-300seriesboxintherefrigeratorproductionlineoffoam.Comprehensiveuseofthedrive,rotaryencodersandavarietyofdigitalandotherindustrialcontrolequipment.Throughthesystemanalysisprocessandcontrolrequirementsonthesystemcircuit,inverterandPLC,gaveadetaileddesignofperipheralcircuits.Systemprogramming,particularlyitsactiononthetransportcarandthepositioningofthecontrolinjectionofdetailedanalysisandprogramdesign.Thedesignofthesystemprogram,automaticandmanualcontrol,makingtheoperationII 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计moreflexibleandconvenient.RefrigeratorboxwithfoamproductionlineafterthePLCcontrolsystemcanincreaseproductivity,reducesystemmaintenancecosts,makethewholesystemisstableandreliable.Keywords:Refrigeratorboxfoam；S7-300；Inverter；RotaryEncoderII 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计1II 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计1引言冰箱箱体由外箱、内胆、绝热层、箱门、箱内附件等组成。除制冷系统外，箱体的保温和箱门的密封性是冰箱制冷效果好坏的关键。冰箱箱体发泡是冰箱生产过程中的一道关键工艺，同时箱体发泡对冰箱的质量起着关键作用冰箱的保温层为高分子发泡剂发泡后生成，因此在工厂生产冰箱时在冰箱背面留一个孔，保温发泡剂就从该孔灌注进去，在常压下，由两种原料混合而成的发泡剂喷出，进行化学反应，它会迅速膨胀并充满里面的空隙，固化后就和塑料泡沫一样，主要起保温和支撑冰箱的作用。传统的冰箱发泡生产线一般采用旋转夹具结构或者是矩形转盘结构。目前，为提升冰箱生产水平，国内冰箱制造商一般采用国际上较流行的直线式冰箱箱体发泡线。所谓直线式箱体发泡线：即将几台发泡夹具成一字排开并且固定不动，发泡的内模夹具固定不动而发泡的外模上下升降，注射枪头往复运动进行充注，发泡料在由模具固定好的箱体中发泡，固化生产冰箱箱体。与其他箱体发泡生产线相比，直线式箱体发泡线结构紧凑，工作效率高，生产安全可靠，极大的提高了产品的合格率和生产效率。本论文研究如何利用PLC控制技术实现冰箱箱体发泡生产线的控制，并以此提高生产效率，提高发泡质量及降低生产设备的维护成本等。使整个系统的操作变的简便，实现自动生产，减少了人为的操作故障，运行可靠、节能。同时增加手动控制，提高了生产系统的灵活性，便于设备的调试和维修等。论文重点在于研究输送小车及注射枪头的PLC控制原理，详细分析了输送小车和枪头的运行过程，以及在响应相应的请求信号时是如何判断运行方向的。本篇论文共分六个部分，结构如下：(1)引言部分主要介绍了箱体发泡的作用及课题研究的背景。(2)介绍箱体发泡设备及工艺流程。(3)系统的控制要求及控制方案的确定。(4)在该部分中，详细介绍了系统的硬件设计，包括系统主电路设计、PLC、变频器、旋转编码器等的设计，包括选型、参数配置及相互之间的连接等。(5)这部分是系统软件设计，详细说明了程序设计的过程。(6)系统调试中，采用S7-PLCSIM，进行模拟调试。2冰箱箱体发泡系统概述2.1冰箱箱体发泡设备介绍86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计冰箱箱体发泡系统主要是完成对冰箱箱体的发泡，该系统是冰箱生产线的重要组成部分。发泡系统主要由发泡机、输送小车、注射枪头等机构组成。系统整体结构图如图1所示。图1箱体发泡系统结构图(1)发泡机发泡机，是发泡系统的核心单元，箱体将在这里完成发泡走向下道工序。它主要由以下部件构成：·夹具。它是对箱体的夹紧机构，内有加热丝。·滚轮。它完成对箱体的接送任务。·起升机构。实现发泡模具的起降。当箱体进入发泡机后，夹具将其夹紧，然后抬起一定的角度发出注射发泡剂请求，等待注射枪头前来注料，待发泡结束后，发泡机内的模具恢复成原位，发出出箱信号。(2)输送小车当发泡机有入箱信号请求时，输送小车从拼装生产线上接一台箱体，然后送入空的发泡机中；当发泡机有出箱请求时，输送小车前往该工位把箱体拉出送到装配生产线上。输送小车主要由接送箱体的滚轮和检测箱体的光电传感器组成。(3)注射枪头86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计注射枪头是对要发泡的箱体注射发泡剂，它主要由枪头入管路、枪头及相应的电磁机构等构成。枪头的运行过程为：当有注剂信号请求时，枪头准确停止在该工位的前上方，然后下行再将枪头伸出，打开注剂阀门，注剂结束后原路返回并等待呼叫信号。2.2冰箱箱体发泡生产工艺流程共有四台冰箱箱体发泡机，每台的机械结构和控制方法完全相同。四台冰箱箱体发泡机间隔相等地排成一排，在与该排平行的位置是接送箱体的地面自动运输小车，小车能够从拼装生产线上接一台箱体，然后送入空的发泡机中，发泡机接箱的顺序为1#、2#、3#、4#。发泡机主有由夹具和输送辊道组成，箱体后背朝下平躺着进入发泡机。当发泡机内箱体完全进入时，夹具夹紧并抬起一定的角度以便接受来自注射机的枪头的注料。注射枪头为悬挂输送机构，平行安放在四台发泡机的上前方，枪头入管路由电机和旋转编码器来带动控制，当有箱体要料时，通过计算行程，准确地停在该发泡机的上方，并下移，然后再水平快速移动，枪头准确插入箱体注射空中，打开两种混料阀门，通过延时，关闭阀门，退出枪头，枪头上行后，继续判断是否有箱体要料，否则返回原位等待。枪头由变频器控制减速和停止。当箱体注料完毕后，模具开始加热一定时间，时间到，即箱体和夹具由倾斜位回到水平位，松开夹具，发出出箱信号，待小车有空时来接箱，小车把箱体接出，运行到装配生产线上去。3系统设计要求及设计方案3.1系统设计要求（1）系统具有手动和自动运行功能。（2）发泡机能正确发出入箱、出箱和注剂请求信号。（3）输送小车能根据发泡机发出的信号自动判断运行方向。（4）输送小车响应入箱请求信号优先，当处理完入箱事件后才去处理出箱。（5）输送小车在返回原点等待途中，若在其后方有出箱请求，小车能在前一工位停车并反向去响应相应的出箱请求。（6）注射枪头能自动判断运行方向，并能准确停止在相应工位处。（7）输送小车和枪头的运行控制过程均为：快速—慢速—停车。（8）不能有箱体注料冲突或进出箱冲空发生。整个系统运行平稳、安全。（9）系统运行中具有相应的指示信号。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计3.2系统设计方案3.2.1总体方案传统的电气控制回路是利用时间继电器、中间继电器等实现其控制功能的，但是这样的控制方式对于大型复杂的系统就显得力不从心了，因此该系统选用以PLC为主控制器对生产线上的小车、注射枪头和发泡机等进行智能化控制。(1)输送小车输送小车在运行中要根据生产节拍的需求，需要进行调速，采用变频器可方便地实现小车的快慢速运行。小车的位置信息通过在小车运行的轨道上安装的行程开关等发送至PLC中，PLC接收该信息后进行处理并根据程序做出判断，然后将处理后的结果再反馈给小车，以此实现小车的有序控制。(2)注射枪头枪头的快慢速控制同小车相同，均采用变频器控制。对于枪头的停车定位采用旋转编码器，通过计算行程，并转换为脉冲，实现枪头的精确定位控制。(3)发泡机各工位发泡机是固定不动的部分，PLC通过控制相应的执行机构来完成它的控制过程。该部分控制逻辑较简单。3.2.2控制结构图根据控制要求，PLC接收现场的各种开关和传感器等发出的信号进行处理，然后输出到执行机构进行控制。系统控制框图如图2所示。图2系统控制结结构图4箱体发泡电气控制系统设计4.1系统主电路设计该电路主要对电机部分进行设计。冰箱箱体发泡系统中共用三相交流异步电动机七台：输送小车两台，其中滚轮驱动电机一台，输送箱体运行轨道电机一台；注射枪头横向运行86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计电机一台；四个工位发泡机中的滚轮驱动电机各一台。系统电气原理图如图3所示。图3系统电气原理图图中输送小车轨道电机和注射枪头电机采用变频器驱动，在变频器内设置有相应的电气保护，如过热、过载等。为了提高变频器的效率和减少高次谐波对变频器的影响，在变频器的入线端装设有电抗器，线路中增加低压断路器对变频器进行过载、短路、欠压等保护。滚轮电机加设熔断器和热继电器进行短路和过载保护，并通过接触器进行正反转的切换。4.2PLC选型及接线图4.2.1PLC的选型可编程控制器是整个控制系统的核心部件，正确、合理的选择机型对于保证整个系统的技术经济性能指标起着重要的作用。PLC选型的基本原则是在满足基本控制功能和容量的前提下，尽量保证工作可靠，维护使用方便以及最佳的性价比。对于工艺过程比较固定，环境条件较好(维修量小)的场合，选用整体式结构PLC比较合适，其他情况选用模块式结构PLC比较合适。PLC的选型一般包括机型的选择、存储器容量的选择、I/O模板的选择等。(1)PLC的机型选择本研究课题主要以开关量控制为主，结合学校的实验条件同时根据PLC市场的应用情况，选择德国SIEMENS公司在20世纪末推出的SIMATICS7-300系列PLC。该型产品性价比高，电磁兼容性高，抗震动冲击性强，具有非常好的工业环境适应性。同时S7-300系列PLC是模块式结构，各种模板如CPU模板、信号模板SM、功能模板FM、通信模板CP、电源模板PS等及人机界面（HMI），可以根据控制要求进行广泛的组合和扩展。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计(2)PLC存储器容量的选择合理确定PLC的用户程序存储器的容量，是PLC应用设计及选型中不可缺少的环节。一般说来，用户程序存储器的内存容量与内存利用率、开关量I/O总数、模拟量I/O点数及设计者的编程水平有关。冰箱箱体发泡生产线的I/O点数主要包括传感器信号、电动机的接触器线圈、控制输送小车运行的行程开关，发泡机内液压系统的电磁阀线圈，注射枪头的限位开关及其液压电磁阀线圈，为安全考虑，系统中的电磁阀主要采用三位四通阀。此外还有各种按钮及信号指示等。I/O点数统计如表1所示。表1I/O点数统计表输入点数输出点数行程开关17电机接触器线圈10按钮13电磁阀线圈21光电传感器2加热丝4选择开关3连变频器、信号指示25合计35合计60本系统只考虑开关量控制，根据I/O点数统计表可估算出所需内存字数：内存字数=开关量I/O点数×10=95×10=950在此基础上要考虑系统功能的增加、规模的扩大及编写程序的长短等，要留有足够大内存空间。(3)PLCI/O模板的选择注射枪头的定位采用旋转编码器，在选用CPU型号时要具有高速计数器功能，此外对生产线今后的功能升级CPU要有通信接口等。系统配置如表2所示。表2系统配置名称型号订货号数量电源模块PS3075A6ES7307-1EA00-0AA01CPU模块CPU314C-2DP6ES7314-6CF00-0AB01数字量输入模块DI32DC24VDI16DC24V6ES7321-1BL80-0AA06ES7321-1BH82-0AA011数字量输出模块DO8DC24V/2ADO16AC120/230V/1ADO32DC24V/0.5ADO8DC24V/0.5A6ES7322-1BF01-0AA06ES7322-1FH00-0AA06ES7322-1BL00-0AA06ES7322-8BF00-0AB01111(4)PLCI/O接线图86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计输入模板接线图如图4所示。图4输入模板接线图输出模板接线图如图5所示。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计(a)输出模板接线图86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计(b)输出模板接线图图5输出模板接线图4.2.2S7-300系列PLC及组态编程软件简介(1)S7-300系列PLC简介86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计S7-300系列是西门子公司PLC的中端产品，是一种通用型的PLC，能适合自动化工程的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，使得S7-300成为一种既经济又切合实际的解决方案。S7-300具有以下显著特点：·循环周期短、处理速度高·指令集功能强大、可用于复杂功能·产品设计紧凑、可用于空间有限的场合·模块化结构、适合密集安装·有不同档次的CPU、各种各样的功能·模块和I/O模块可供选择·无需电池备份，免维护·可在恶劣条件下露天使用的模块类型(SIPLUS)(2)S7-300系列PLC组态编程软件简介使用STEP7软件可对S7-300进行编程。STEP7包含了自动化项目中从项目的启动、实施到测试以及服务，每一阶段所需的全部功能。STEP7主要包括以下组件：·SIMATIC管理器，用于集中管理所有工具以及自动化项目数据·程序编辑器，用于以LAD、FBD和STL语言生成用户程序·符号编程器，用于管理全局变量·硬件组态，用于组态和参数化硬件·硬件诊断，用于诊断自动化系统的组态·NetPro，用于组态MPI和PROFIBUS等网络连接4.3变频器选型及设置4.3.1变频器类型的选择控制系统中有七台交流电动机组成，根据生产工艺的需要，要对输送小车和注射枪头的驱动电机进行50Hz以下调速。采用变频器对交流电动机实施矢量控制，可以得到基本转速以下的恒转矩特性。由于该系统中的负载不大，但对小车和枪头的运行在短时间内具有快速性及停车时定位精确的要求，在选择变频器时选择了西门子MICROMASTER440具有转矩控制功能的变频器。MM440变频器是一种集多种功能于一体的变频器，其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120W～200KW，可变转矩控制方式的额定功率可达250KW，它适用于电动机需要调速的场合。可通过数字面板或远程操作器方式，修改其内置参数。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计4.3.2变频器容量的选择变频器的容量可从以下三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出 电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流 是选择变频器的基本原则。由于变频器供给电动机的是脉动电流，电动机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电动机电流或功率大一个等级。则变频器容量PbN可按下式选取：PbN=1.1PmN式中：PmN为电动机额定功率。4.3.3变频器参数设置(1)输送小车变频器参数设置输送小车采用两段速控制：快速运行频率为50Hz，慢速运行频率为30Hz。在变频器中设置两段速频率，下表为变频器数字输入及对应PLC输出变量约定如表2所示。表2变频器数字输入及对应PLC输出变量约定表变频器端口对应PLC输出点对应参数说明5Q8.0P0701固定频率16Q8.1P0702固定频率27Q8.2P0703正向运行8Q8.3P0704反向运行输送小车实现变频调速控制接线图如图6所示。图6输送小车实现变频调速控制接线图86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计输送小车的变频调速变频器具体参数设置。●电动机参数设置为了使电动机与变频器相匹配，需设置电动机参数。电动机采用SIEMENS型号为1LA70096-4AA10高效变频电动机。电动机参数设置如表3所示。表3电动机参数设置表参数号出厂缺省值设置值说明P000311用户访问级为标准级P001001开始快速调试P010000选择工作地区，KW、50HzP0304230230电动机的额定电压（V）P03056.003.4电动机的额定电流（A）P03071.51.5电动机的额定功率（KW）P03105050电动机的额定频率（Hz）P031114251420电动机额定转速（r/min）P000312用户访问级为扩展级P030011选择电动机类型为异步电动机P03080.0000.81电动机的额定功率因数P390001结束快速调试●固定频率控制参数设置参数设置如表4所示。表4固定频率控制参数表参数号出厂缺省值设置值说明P000311用户访问级为标准级P000407参数过滤，命令和数字I/OP070022命令源选择“由端子排输入”P108000电动机运行的最低频率（Hz）P10825050电动机运行的最高频率（Hz）P1120101上升时间（S）P1121101下降时间（S）P000312用户访问级为扩展级P000407参数过滤，命令和数字I/OP0701115数字输入1的功能，选择固定频率P0702115数字输入2的功能，选择固定频率P070311数字输入3的功能，正转P0704112数字输入4的功能，反转86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计续表4参数号出厂缺省值设置值说明P000311用户访问级为标准级P0004010参数过滤，设定值通道和斜坡函数发生器P100023选择固定频率设定值P000312用户访问级为扩展级P0004010参数过滤，设定值通道和斜坡函数发生器P1001050固定频率1（Hz）P1002530固定频率2（Hz）(4)注射枪头变频器参数设置注射枪头与输送小车一样采用两段速控制：快速运行频率为50Hz，慢速运行频率为30Hz。变频器数字输入及对应PLC输出变量约定如表5所示。表5变频器数字输入及对应PLC输出变量约定表变频器端口对应PLC输出点对应参数说明5Q8.4P0701固定频率16Q8.5P0702固定频率27Q8.6P0703正向运行8Q8.7P0704反向运行注射枪头实现变频调速控制接线图如图7所示。图7注射枪头实现变频调速控制接线图注射枪头的变频调速变频器具体参数设置，像电动机参数设置、固定频率控制参数同输送小车设置方法完全相同。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计4.4旋转编码器工作原理及应用4.4.1旋转编码器的工作原理增量式旋转编码器是一种集光、机、电于一体的角度检测装置，由安装在转轴上的光栅码盘和光电检测装置组成。光栅码盘的转轴与被测转轴同轴，被测转轴旋转时，光栅码盘与其同步旋转，经电子元件组成的检测装置利用光电转换原理将旋转位置和方向转换成相应的信号。光栅码盘是在一个码道上开出三条码道，由内向外分别为A、B、Z，如图8所示。图8光栅码盘结构在A、B码道的码盘上，等距离地开有透光的缝隙，两条码道上相邻的缝隙互相错开半个缝宽，于是A和B就输出两个相位相差90°的电信号第三条码道。Z只开出一个缝隙，用来表示码盘的零位。在码盘的两侧分别安装光源和光敏元件输出，码盘上有多少缝隙，就会有多少个脉冲输出，将这些脉冲整形后，输出的脉冲信号如图9所示。图9增量式编码器三通道输出信号示意图4.4.2旋转编码器的选型及与PLC的连接(1)旋转编码器的选型增量型编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。根据注射枪头运行的要求，选用欧姆龙公司E6B2-CWZ5B增量式旋转编码器。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计该编码器具有以下主要特点：·采用密封轴承、实现IP64f的防滴、防油性。·增强耐轴负载性能。实现径向30N、推力向20N。·导线斜式引出方式。有导线横向引出和后部引出。·附有逆接、负荷短路保护回路，改善了可靠性。技术参数如下：·工作电压：5～24VDC·消耗电流：80mA以下·输出相：A、B、Z·输出状态：PNP集电极开路输出·最高响应频率：50KHz输出回路图如10所示：图10E6B2-CWZ5B型编码器输出回路图(2)旋转编码器与PLC的连接在CPU314C-2DP中有两个连接器（X1和X2）,用于连接DI/DO，或者用于计数、频率测量和脉冲宽度调制。连接器如图11所示。图11CPU314C-2DP的连接器86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计当使用计数、频率测量和脉冲宽度调制功能时，主要应用X2连接器，X2端子分配见表6所示。表6X2连接器端子分配编号名称计数模式下含义编号名称计数模式下含义11L+输入的24V电源212L+输出的24V电源2DI+0.0通道0：轨迹A/脉冲22DO+0.0通道0：输出3DI+0.1通道0：轨迹B/方向23DO+0.1通道1：输出4DI+0.2通道0：硬件门24DO+0.2通道2：输出5DI+0.3通道1：轨迹A/脉冲25DO+0.3通道3：输出6DI+0.4通道1：轨迹B/方向26DO+0.4未使用7DI+0.5通道1：硬件门27DO+0.5未使用8DI+0.6通道2：轨迹A/脉冲28DO+0.6未使用9DI+0.7通道2：轨迹B/方向29DO+0.7未使用10—未使用302M外壳接地11—未使用313L+输处的24V电源12DI+1.0通道2：硬件门32DO+1.0未使用13DI+1.1通道3：轨迹A/脉冲33DO+1.1未使用14DI+1.2通道3：轨迹B/方向34DO+1.2未使用15DI+1.3通道3：硬件门35DO+1.3未使用16DI+1.4通道0：锁存器36DO+1.4未使用17DI+1.5通道1：锁存器37DO+1.5未使用18DI+1.6通道2：锁存器38DO+1.6未使用19DI+1.7通道3：锁存器39DO+1.7未使用201M外壳接地403M外壳接地E6B2-CWZ5B型编码器与CPU314C-2DP的连接如图12所示。图12E6B2-CWZ5B型编码器与CPU314C-2DP的连接86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计5PLC程序设计在对本系统进行编程时，主要采用了线性化的编程方法。冰箱箱体发泡生产线程序主要由输送小车、注射枪头和发泡机等三部分组成。三者之间的数据交换较多，逻辑互相配合完成整个系统的有序控制。5.1控制系统资源配置根据系统的控制要求，共需数字量输入点35个，输出点60个。前面确定了控制系统所需的硬件设备，CPU类型为CPU314C-2DP；数字量输入模板选择DI32×DC24V一块；DI16×DC24V一块；数字量输出模板选择DO8×DC24V一块；DO16×AC24V一块；DO32×DC24V一块；DO8×DC24V一块；系统的硬件组态如图13所示。图13系统的硬件组态86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计输入模块的地址分配表见表7。表7输入模块的地址分配序号编号设备说明序号编号设备说明1I0.0SB1启动按钮19I2.2SQ123#反向变速2I0.1SB2停止按钮20I2.3SQ134#正向变速3I0.2SB3急停按钮21I2.4SQ144#停车4I0.3PS1拼装线检测箱体22I2.5SQ15装配线变速5I0.4PS2车上检测23I2.6SQ16装配线停车6I0.5SA1自动开关24I2.7SQ17枪头右限位7I0.6SA2手动开关25I3.0SB4车手动右行8I0.7SQ1枪头左限位26I3.1SB5车手动左行9I1.0SQ2车原点限位27I3.2SB6手动入箱10I1.1SQ3反向变速28I3.3SB7手动出箱11I1.2SQ41#正向变速29I3.4SB8枪头手动右行12I1.3SQ51#停车30I3.5SB9枪头手动左行13I1.4SQ61#反向变速31I3.6SB10枪头手动下行14I1.5SQ72#正向变速32I3.7SB11枪头手动上行15I1.6SQ82#停车33I4.0SB12枪头手动伸出16I1.7SQ92#反向变速34I4.1SB13枪头手动退回17I2.0SQ103#正向变速35I4.2SA3手动注剂开关18I2.1SQ113#停车输出模块的地址分配表见表8。表8输出模块的地址分配表序号编号设备说明序号编号设备说明1Q8.0变频器5端小车快速31Q17.0YV91#升电磁阀2Q8.1变频器6端小车慢速32Q17.1YV101#降电磁阀3Q8.2变频器7端小车右行33Q17.2YV112#升电磁阀4Q8.3变频器8端小车左行34Q17.3YV122#降电磁阀5Q8.4变频器5端枪头快速35Q17.4YV133#升电磁阀6Q8.5变频器6端枪头慢速36Q17.5YV143#降电磁阀7Q8.6变频器7端枪头右行37Q17.6YV154#升电磁阀8Q8.7变频器8端枪头左行38Q17.7YV164#降电磁阀9Q12.0KM1车滚轮正转39Q18.0YV17枪头下电磁阀10Q12.1KM2车滚轮反转40Q18.1YV18枪头上电磁阀11Q12.2KM31#滚轮正转41Q18.2YV19枪头伸电磁阀86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计续表8序号编号设备说明序号编号设备说明12Q12.3KM41#滚轮反转42Q18.3YV20枪头退电磁阀13Q12.4KM52#滚轮正转43Q18.4YV1注剂电磁阀14Q12.5KM62#滚轮反转44Q18.5HL11#入箱指示15Q12.6KM73#滚轮正转45Q18.6HL22#入箱指示16Q12.7KM83#滚轮反转46Q18.7HL33#入箱指示17Q13.0KM94#滚轮正转47Q19.0HL44#入箱指示18Q13.1KM104#滚轮反转48Q19.1HL51#出箱指示19Q13.2YA11#加热丝49Q19.2HL62#出箱指示20Q13.3YA22#加热丝50Q19.3HL73#出箱指示21Q13.4YA33#加热丝51Q19.4HL84#出箱指示22Q13.5YA44#加热丝52Q19.5HL91#呼叫枪指示23Q16.0YV11#夹电磁阀53Q19.6HL102#呼叫枪指示24Q16.1YV21#松电磁阀54Q19.7HL113#呼叫枪指示25Q16.2YV32#夹电磁阀55Q20.0HL124#呼叫枪指示26Q16.3YV42#松电磁阀56Q20.1HL13运行指示27Q16.4YV53#夹电磁阀57Q20.2HL14停车指示28Q16.5YV63#松电磁阀58Q20.3HL15急停指示29Q16.6YV74#夹电磁阀59Q20.4HL16这的运行指示30Q16.7YV84#松电磁阀60Q20.5HL17手动运行指示5.2系统程序设计示例5.2.1S7-300编程环境在编写程序之前，首先要创建一个项目，创建项目的名称为冰箱箱体控制。步骤如下：(1)双击SIMATICSTEP7软件的图标，进入STEP7编程软件环境。如图14所示。图14STEP7编程软件环境86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计(2)执行菜单命令“文件/新建”，在打开的对话框中单击“浏览”按钮选择项目的存储位置，建立一个新项目名为“冰箱箱体”，如图15所示。图15建立新项目(3)单击“确定”按钮后，在SIMATIC管理器中，显示出一个新建立的项目名称“冰箱箱体”。在新项目名上按右键选择“插入新对象”，选择插入一个“SIMATIC300站点”，如图16所示。图16插入一个“SIMATIC300站点”(4)选择插入的300站点，双击右侧窗口中包含的硬件图标，打开“硬件组态”窗口。这时，窗口中无任何内容，需要逐一添加。(5)首先在右侧的硬件目录“SIMATIC300/RACK-300”86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计中双击Rail，一个模拟的机架框就出现在左侧的窗口中。在这个机架上，用户可以配置具体的模块。首先在左侧视图中单击模块将要存放的位置，然后再右侧视图中双击选择的模块，或将选择的模块拖入存放的位置也可，图17为本系统的配置机架和具体的模块。图17配置机架和具体的模块5.2.2CPU参数设置双击CPU所在行，弹出的对话框里包含多个选项页。如图18所示。图18CPU属性窗口(1)“常规”属性页中包含CPU的基本信息和MPI的设置。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计(2)“启动”属性页中可以设置CPU的启动特性参数。(3)“周期/时钟存储器”属性页中可设置“扫描周期监视时间”和“来自通讯的扫描周期负载”。在“周期/时钟存储器”选项页中设置“时钟存储器”，选中该功能，并在“存储器字节”中输入存储字节地址B100，此时B100的各位的作用是产生不同频率的方波信号。时钟存储器各位的周期及频率如表9所示。表9时钟存储器各位的周期及频率位76543210周期/s21.610.80.50.40.20.1频率/Hz0.50.62511.2522.5510(4)“保持存储器”属性页。用来指定当出现断电或从STOP到RUN切换时需要保持的存储器区域。设置如图19所示。图19CPU的“周期/时钟存储器”属性页5.2.3程序流程设计与分析(1)输送小车程序输送小车的程序流程图如图20所示。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计图20输送小车的程序流程图●正向行驶程序小车响应入箱请求信号设计当有出箱请求信号时，小车回原点装箱，小车上有电动滚轮，并在内侧安装有检测器，当箱体被检测到时，其上升沿发出停止滚轮运转的信号，同时发出让小车正向行驶的信号。到达工位，车上和发泡机内的滚轮开始运转，将箱体送入发泡机内，当检测器检测到下降沿时，停止小车上的滚轮并发出反向行驶的信号，同时解除该工位的入箱请求。若还有入箱请求，小车回原点，动作同上。在只响应出箱请求时，若小车在返回原点途中，在其后有出箱请求，车在前工位停，然后反向，例如：车行到2#处时，4#有出箱请求，车在1#停，反向行驶去4#响应出箱请求。对该部分的功能在程序实现上做如下设计。在小车反向慢速及反向停车行驶的程序中增加相应的控制程序段。首先要排除4#工位，分别在1#、2#、3#工位的慢速行驶条件中增加其后面的出箱请求条件。在1#处要并联2#、3#、和4#的出箱请求条件；在2#处并联3#和4#的出箱请求条件；在3#处并联4#的出箱请求条件。反向停车中增加的条件与反向慢速相同。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计停车并反向程序如图21所示。图21停车并反向程序86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计为保证能实现此功能，需要设计限制条件。当这样的情况发生时，在小车反向行驶到1#、2#和3#的反向变速点处启动一个定时器，定时时间要延长到小车正向运行后，确保当车停止时能够向右行驶。定时器控制程序如图22所示。图22定时器控制程序●小车响应出箱请求信号设计在顺向时，直接截车响应出箱。当车在响应入箱还未结束时，为能在入箱完成后辨别行驶方向，需要为小车和发出出箱请求的发泡机作位置信息记录，两者比较，产生的结果作为方向的行驶的信号。(2)注射枪头程序当有呼叫枪信号时，枪头判断信号的位置，正转或反转前往相应的工位，枪头的停止由旋转编码器发出的脉冲进行定位。注射枪头的程序流程图如图23所示。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计图23注射枪头的程序流程图●计数器的操作模式在CPU314C-2DP中，集成了4路完全独立的60KHz的高速计数器。计数器的工作方式可分为：·连续计数·一次计数·周期计数在CPU的组态画面中，双击“计数”进入组态画面，选择计数模式为连续计数。如图24所示。图24计数器组态画面(3)计数器的功能和参数设置86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计●计数方向：可分为赠/减计数。●门功能：用于开始、停止和中断计数功能。·取消计数：当门再次打开时，计数值清零。·停止计数：当门再次打开时，计数值在上次计数值的基础上计数。●比较器功能：可在CPU中存储比较值，用于产生中断。●硬件中断功能：根据计数值和比较值，可产生硬件中断。计数器的参数设置画面如图25所示。图25计数器参数设置画面(4)SFB47介绍在OB1调用SFB47实现对计数器的控制。SFB47块图如图26所示。图26SFB47块图可使用以下功能。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计●通过软件门SW_GATE启动/停止计数器●启用/控制输出DO●读出状态位●读取当前计数值和锁存器值●用于读/写内部计数寄存器的作业●读出当前周期（不与块互连，但仅在背景数据块中可用）SFB47的参数说明。输入参数见下表10所示。表10输入参数表参数数据类型地址（背景数据块）说明值范围缺省LADDRWORD0“HWConfig”中指定的子模块I/O地址CPU特定768CHANNELINT2通道号：CPU312CCPU313CCPU313C-2DP/PtPCPU314C-2DP/PtP0-10-20-30SW_GATEBOOL4.0软件门用于计数器启动/停止TRUE/FALSEFALSECTRL_DOBOOL4.1启用输出TRUE/FALSEFALSESET_DOBOOL4.2控制输出TRUE/FALSEFALSEJOB_REQBOOL4.3作业请求（正跳沿）TRUE/FALSEFALSEJOB_IDWORD6作业号：·不带有功能的作业·写入计数值·写装载值·写入比较值·写入滞后·写入脉冲持续时间·读装载值·读比较值·读取滞后·读取脉冲持续时间00（十六进制）01（十六进制）02（十六进制）04（十六进制）08（十六进制）10（十六进制）82（十六进制）84（十六进制）88（十六进制）90（十六进制）0JOB_VALDINT8写作业的值-231到+231-1086 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计输出参数见表11所示。表11输出参数表参数数据类型地址（背景数据块）说明值范围缺省STS_GATEBOOL12.0内部门状态TRUE/FALSEFALSESTS_STRTBOOL12.1硬件门状态（启动输入）TRUE/FALSEFALSESTS_LTCHBOOL12.2锁存器输入状态TRUE/FALSEFALSESTS_DOBOOL12.3输出状态TRUE/FALSEFALSESTS_C_DNBOOL12.4向下计数的状态。TRUE/FALSEFALSESTS_C_UPBOOL12.5向上计数的状态。TRUE/FALSEFALSECOUNTVALDINT14当前计数值-231到231-10LATCHVALDINT18当前锁存器值-231到231-10STS_CMPBOOL26.3比较器状态TRUE/FALSEFALSE(5)枪头定位程序设计假设枪头的原点在1#的前上方，在每两个工位之间枪头运行需要2000个脉冲，其中快速时1500个，慢速时500个，这样共需脉冲为6000个。在定位控制中采用中断设置，通过装入比较值与高速计数器的当前值进行比较，若相等，就产生中断，调用硬件中断组织块OB40。在OB40内处理相应的状态，并将下一次的比较值装入，为下一次的比较中断做准备。装比较值是通过作业请求写作业号来装入的。写比较值的作业号为04（十六进制），作业的值被写入到JOB_VAL中。在OB40中要处理两次比较中断，由于SFB47只有一个比较功能，所以这两次比较中断都是由同一个位地址产生，只不过产生比较的条件（比较值）不同。当枪头变速为慢速行驶时产生一次中断，在OB40中要让枪头变为慢速，快速条件复位；当枪头要停车时又产生一次中断，此时在OB40中要让枪头停止，同时复位快慢速条件。为了在中断产生时只处理本次的事件，在中断入口处对中断次数进行计数，通过跳转进行判别，如图27所示。为一次中断时处理变速事件，并将结果立即输出；为两次中断时处理停车事件，同时将结果立即输出。在处理完第二次中断后，让计数值回零。图27中断次数跳转处理86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计(6)系统程序示例打开OB1，选择“选项”内的“符号表”，将I/O及相应的辅助存储器输入。系统的程序块结构入下图28所示。其中手动程序编写在FC1中。图28系统的程序块结构●手动程序的编写双击FC1打开程序编辑器，对手动程序进行编写。●SFB47程序的编写系统在自动模式运行时将SFB47的软件门打开，准备计数，SFB47的背景数据块DB47如图29所示。图29DB47数据块·OB1程序的编写86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计双击OB1对主程序进行编写，在OB1中对FC1进行调用。程序见附录。·分别对FC1、OB40进行程序编写。程序见附录。6系统调试采用西门子的S7-PLC模拟软件S7-PLCSIM对程序进行调试。S7-PLCSIM模拟软件是在STEP7环境下，不用连接任何S7系列的PLC，而是通过仿真的方法和测试应用程序。S7-PLCSIM提供了简单的界面，可以用编程的方法来监控和修改不同的参数，也可以使用便量表（VAT）进行监控和修改变量。调试步骤如下。(1)打开“SIMATICManager”。(2)单击，以启动S7-PLCSIM。仿真窗口画面如图30所示。图30S7-PLCSIM的窗口画面(3)打开系统项目“冰箱箱体”。(4)选择菜单命令“PLC”中的“Download”，将系统程序下载到模拟的PLC中。在弹出的提示中点击确定即可。(5)插入程序中所用到的量，入I、O、M等，以便观察程序的运行情况。(6)根据控制要求，对程序进行调试。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计调试时，可分别对程序中不同的功能进行分部调试，在该系统程序中，高速计数器程序段由于条件限制不能调试，其余部分均达到了系统的控制要求。系统仿真画面如图31所示。图31系统仿真画面(7)调试出现的问题及其改进●系统初始运行时，发泡机不发出入箱请求信号经过对程序的分析，当系统启动后，各工位的发泡机的入箱请求存储位不响应（以1#M10.1为例）。在该部分程序设计中，由于不在发泡机内装设检测箱体的传感器，所以M10.1的动作是由发泡机滚轮反转的下降沿驱动的，这就是说一定先出箱发泡机才能发出入箱信号，但系统在初始启动时此中情况是不可能出现的。解决的方法是当按下启动按钮的同时就让发泡机发出请求，即将启动按钮I0.0的逻辑变化作为M10.1的动作条件。改进后的梯形图如图32所示。图32入箱请求程序改进86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计●小车响应出箱，将箱体从发泡机中拉出后，小车不正传却反向行驶对该问题的改进方法是，小车响应出箱并到达该工位时，用M27.0标示小车在处理处箱。各工位滚轮反转来置位M27.0，直到小车到达拼装线时复位。将该位作为车反向行驶的限制条件。改进后的程序可参见OB1中程序段57。●枪头注完发泡剂后，各工位加热的条件均相同由于枪头不管在哪个工位加工完后都由同一个位来作为加热的信号，但每个工位要求开始加热的时间时不同的，这样就不能由同一位来作为加热的条件。解决的方法是利用各工位的呼枪信号作为响应工位的加热条件。由于呼枪信号是唯一的，这样每个工位加热条件也是唯一的。改进后的加热条件如图33所示。图33加热条件改进86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计结束语本论文主要从如何提高冰箱箱体发泡的质量和生产效率等处发，解决在传统的电路控制方式存在的操作难、效率低、能耗高、故障多、定位不准确等问题，继而改传统的控制方式为现代的全自动化控制。系统中应用PLC、变频器和旋转编码器等对输送小车及注射枪头的控制，取消计时继电器，减少了接触器的数量，简化了控制电路，不仅达到了精确的定位要求而且实现箱体发泡线的智能化控制。为了提高控制的灵活性，在对输送小车的控制中增加了正反向响应的顺向截车功能，提高了小车的利用率，节省了运行时间。在注射枪头的定位控制中，采用硬件中断的处理方式，使定位更精确。此外，系统增加了手动控制功能，更易于维护和调试，使控制更加灵活。随着市场的要求以及科学技术的不断发展，各种新工艺、新技术、新的控制方案均会在冰箱箱体发泡生产中应用推广，箱体发泡智能化控制程度将会进一步提高，在该系统的程序设计中将有更大的改进以适应实际的控制系统。86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计参考文献[1]胡学林.可编程控制器原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2007.1.[2]刘美俊.西门子S7系列PLC的应用与维护[M].北京：机械工业出版社，2009.1.[3]郑凤翼.图解西门子S7-300/400系列PLC入门[M].北京：电子工业出版社，2009.8.[4]柴瑞娟，孙继承等.西门子PLC高级培训教程[M].北京：人民邮电出版社，2009.3.[5]张洪润.传感器技术大全（中册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.10.[6]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2008.9.[7]刘华波，何文雪等.西门子S7-300/400PLC编程与应用[M].北京：机械工业出版社，2010.7.[8]周志敏，周纪海等.变频调速系统工程设计与调试[M].北京：人民邮电出版社，2009.6.[9]杨帮文.最新工业自动化测控应用手册[M].北京：机械工业出版社，2007.4.[10]林敏，于忠得,崔远慧.自动化系统工程设计与实践[M].北京：电子工业出版社，2008.6.[11]郭艳萍.电气控制与PLC技术[M].北京：北京师范大学出版社，2007.2.[12]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.2.[13]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.SIMATICSTEP7V5.4编程手册，2006.[14]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.S7-300PLC模块规范手册，2001.[15]西门子公司.MICROMASTER440用户手册.[16]西门子公司.CPU31x技术手册.[17]Simatic.LadderlogicforS7-300andS7-400programming.[18]ClydeHerrick.SemiconductorElectronics.Copyright1964byHolt,RinehartandWinston,Inc.86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计附录:程序清单程序清单如下：86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计86 四工位冰箱箱体发泡生产线控制系统设计致谢首先我要衷心的感谢我的指导老师朱清慧朱老师，朱老师在繁忙的工作之余，精心辅导我的课题，让我在基础理论和实际应用等方面都得到了很大的进步。在论文写作期间，朱老师总是在第一时间给予指导意见，让我得以及时发现问题，避免了很多的弯路，在此向朱老师致以最衷心的谢意。同时也诚挚地感谢系里的各位老师，尤其是我的任课老师，感谢他们在平时的学习中给予的支持与鼓励，在他们的悉心教导下，我不仅领会了专业知识，对我的论文能顺利完成起了很大的作用，而且从他们身上又懂得了很多书本以外的东西，再次对他们深表感谢。此外感谢在校期间，有缘相识的各位同学与朋友，感谢他们在学习上给予的帮助。86'