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基于FX2N –32MR可编程控制器的自动装箱生产线控制系统(一)
目 录
第一章 可编程控制器的概述
1.1 可编程控制器的基本概念·1
1.2 可编程控制器的硬件构成·1
1.3 可编程控制器的用途与特点·2
1.4 可编程控制器的发展历史及发展趋势4
1.5 可编程控制器的应用领域·6
第二章 方案设计
2.1 题目及控制要求7
2.2 本课题主要研究内容·8
2.3 主要解决问题·8
2.4 功能流程图·9
2.5 I/0地址分配·10
2.6 主控电路11
2.7 端子接线图12
2.8 SFC流程图13
2.9 梯形图·14
2.10 程序指令表·15
2.11 时序图16
2.12 调试过程·17
设计心得体会·18
参考文献19
第一章 可编程控制器概述
可编程控制器的基本概率
可编程控制器（Programmable logic Controller）简称PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器的硬件构成
可编程控制器的硬件结构大体相同。主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件（I/O接口）、电源及编程设备几大部分构成。如图1所示：
图1 PLC基本结构图框
1）中央处理器（CPU）
中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。它决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
2）存储器
存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。PLC的存储器分为只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两大类。
3）输入输出接口
输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入接口用来接受生产过程的各种参数。并存放于映像寄存器中。可编程控制器运行程序后
4）电源
可编程控制器的电源包括为：1.开关电源：为可编程控制器个工作单元集成电路提供工作电源。2.后备电源：为掉电保护电路提供电，一般为锂电池，其目的是为了外部电源故障是内部重要数据不致丢失。
5）外部设备
包括编程器和其他外部设备，其作用是用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统工作状况，其是通过通讯端口与CPU联系，建立与PLC的人机对话。
编程控制器的用途与特点
(一) 可编程控制器的用途
PLC目前在国内外已经广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等多个行业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域仍在不断扩大。从应用类型看，PLC的应用大致可以归为以下六种类型：
1 开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，即可用于但台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。如机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
模拟量控制
在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器能够处理模拟量信号，PLC厂家生产有配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器可用于模拟量控制。
运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早起直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在可使用专用的运动控制模块。1) 工程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID控制是一般闭环控制系统中常用的控制方法。目前不仅大中型PLC都有PID模块，而且许多小型PLC也具有PID功能。
2) 数据处理
现代PLC具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
3) 通信及联网
PLC通信包含PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发站，工厂自动化网络发展见会加快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。最新生产的PLC都具有通讯接口，实现通讯非常方便。
(二) 可编程控制器的特点
1） 可靠性高，抗干扰能力强
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
2） 控制系统结构简单、通用性强、灵活运用
PLC产品品种齐全，外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的段子上接入相应的输入、输出信号线即可。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。
3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，其编程语言易于为工程技术人员接受。想梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现继电器接触器电路的功能。
4） 系统设计周期短，维护方便，改造容易
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，由于PLC具有完善自诊断、履历情报和监视显示功能，便于故障的迅速查找和处理，是维护变得十分容易。
5）体积小，重量轻，功耗低
超小型的PLC，其产品都采用的是单元箱体式结构，其体积和重量只有通常的接触器大小，功耗很低，易于安装在机械内部控制运动物体，是实现机电一体化的理想控制设备。
6）与网络技术相结合
网络上层大型计算机极强的数据处理能力和管理功能与现场网络中的PLC的高可靠性结合起来，形成一种新型的全分布式的计算机控制系统，实现了远程控制和集散系统控制。
7）易于实现机电一体化
PLC的体积小、质量轻、功耗低、可靠性高，使之易于安装在机器设备内部，构成机电一体化产品。
总之，只生产了短短几十年的PLC，目前的市场销售额能超过150亿美元，在全球工业控器的市场份额超过55%，主要原因在于PLC具有继电器控制、计算机控制及其他控制不具备的显著特点。
1.4 可编程控制器的产生与发展
1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更行，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。GM公司公开招标，提出了十项设计标准。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了第一台可编程控制器PDP-14，并在GM公司汽车生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器由此诞生。所以可编程控制器是生产力发展的必然产物。
可编程控制器自问世以来，发展极其迅速。20世纪70年代中期，美、日、德等国在可编程控制器中引入微机技术，微机处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件，使可编程控制器具有了自诊断功能，可靠性有了大幅度提高。国外工业界在1980年正式命名为可编程控制器（Programmable Controller），缩写为PC。但由于他和个人计算机（Personal Computer）的简称容易混淆，仍把可编程控制器缩写为PLC。
在新的世纪，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。具体表现在以下几个方面：
向小型化、专用化、低成本方向发展
20世纪80年代初，小型PLC在价格上价格上还高于小系统用的续电器控制装置。随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使PLC结构更为紧凑，功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能移植到小型PLC上。
向大容量，高速度方向发展
大型PLC采用多微处理器系统，有的采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理功能。另外，存储容量大大增加。
与计算机联系密切
从功能上看，PLC不仅能完成逻辑运算，且计算机的复杂运算功能在PLC中也进一步得到利用；从结构上看，计算机的硬件和技术越来越多地应用到PLC。
发展多样化
可编程控制器发展的多样化体现在3个方面：产品类型、编程语言、和应用领域。
网络与通讯能力增强
多样化与标准化
1.5 可编程控制器的应用领域
随着现代工业的发展，可编程控制器在国内外都取得了长足的发展，已经广泛应用在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域。随着PLC的小型化，它不仅仅应用在工业中，还扩大到远离工业控制的其他行业，如医院手术室，酒店的旋转门和车库门等。甚至引入了人类的日常生活中，如：交通十字路口的红绿灯控制、自带电梯、广告的霓虹灯、各个娱乐场所和城市的夜景灯等等。
总之随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件设置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面的进步，将使可编程控制器的应用领域得到进一步的扩展。
第二章 方案设计
2.1 题目及控制要求
1. 设计题目：
基于FX2N – 32MR可编程控制器的自动装箱生产线控制系统
控制要求：
如图2所示为自动装箱生产线，系统控制要求如下为：
按SB1，启动系统，传送带2开始运行，当箱子进入定位位置时，SQ2动作，传送带2停止。
SQ2动作后1s，起动传送带1；物品随传送带1运动逐一落入箱内，并由SQ1检测，即每当落入一个物品，SQ1发出一个脉冲信号。
当落入箱内物品达10个，传送带1停止，同时起动传送带2。
按下停止按钮，传送带1和传送带2均停止。
图2 自动装箱生产线
2.2 本课题主要研究内容
本课题主要对自动装箱控制系统进行研究，对所用到的各个器件的功能进行详细的介绍。
文章先将设计的总体思路做了具体的概括，主体部分采用两条传送带，一条是包装箱传送带，另外一条是产品传送带，对产品技数则采用光电传感器。电机部分采用固态交流SSR。
2.3 主要解决的问题
1）在系统启动前应该先对传送带1和传送带2进行复位。
2）按下控制装置启动按钮（即SB1）后，传送带2先启动运行，拖动传送带上面的空箱体前移至指定位置，达到指定位置后，由位置传感器SQ2发出信号，使传送带2制动停止，并且计数传感器SQ1进行复位。
3）当传送带2停止运动后，经过1s后使时间续电器KT动作，并启动传送带1运行，此时放置在传送带1上的物品就会向前前移，最终逐一掉入箱子。
4）在传送带1运行的同时，计数传感器SQ1制动，并检测产品数量，当累计产品数量达到10个时，传送带1制动停止，并且复位，传送带2制动启动。
5）上述自动过程周而复始，直到按下停止按钮SB2，传送带1和传送带2就会同时停止运行。
6）应该有必要的信号指示，如电源有电，传送带1工作和传送带2工作等。
7）传送带1和传送带2应该有独立点动控制，便于维修和调试。
2.4 功能流程图
如下图功能流程图所示：当按下开关SB1时，整个系统就会照着下图流程开始运行，而当在传送带一停止的时候，如果没有按下停止开关SB2，则整个系统就会循环动作。
图3 功能流程图
2.5 I/O地址分配表
如下表I/O地址分配表所示：
编程元件 I/0端子 电路器件 元件作用
输入续电器
X0 SB1 启动按钮SB1
X1 SB2 停止按钮SB2
X2 C0 计数传感器SQ1
X3 SQ2 位置传感器SQ2
X4 T0 时间续电器KT
输出续电器 Y0 KM1 电动机M1
Y1 KM2 电动机M2
表1 I/O地址分配表
2.6 主控电路
如下图主控电路图所示：M1,M2分别为控制传送带1和2的电动机，FU1是为防止主控电路过载的熔断器，而FR1,FR2是用来防止电动机1和2过载的热断电器。
图4 主控电路图
2.7 端子接线图
如下图端子接线图所示：
图5 端子接线图
2.8 SFC流程图
如下图SFC流程图所示
图6 SFC流程图
2.9 梯形图
如下图梯形图所示
图7 梯形图
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
时序图
如下图时序图所示：X0为启动按钮输入端，X1为停止按钮输入端，X2为计数传感器输入端，X3为位置传感器输入端，X4为时间续电器输入端，Y0为传送带1的输出端，Y1为传送带2输出端。
图8 时序图
调试过程
1 实验设备：FX2N – 32MR 可编程控制器一台，手持编程器一个。
2 PLC规格：FX2N – 32MR系列
3 过程分析
1）在没有按下启动按钮前，所有传送带处于停止工作状态。
2）当按下启动按钮X0时，先是Y1灯亮（传送带2开始运行），当空箱子进入指定的位置时，定位开关X3开始工作，Y1灯灭（传送带2停止运行工作）。且传送带2复位，计数装置开始运行。
3） Y1等灭后1s，Y0灯亮（传送带1启动），物品随传送带1落入空箱内，由计数装置检测落入物品个数10个。
4）当落入箱内的物品达到所要求的10个时，Y0灯灭（传送带1停止工作）的同时，Y1等亮（传送带2启动）。
5）按下停止按钮X1后，Y1灯灭，传送带1和传送带2都停止工作，系统复位。
6）重复以上操作，可重复实现以上现象。
4 调试过程中存在的问题
1） 对PLC可编程控制器试验台（编程器）的输入不是很了解。
2） 有些程序达不到当初设计预期的理想效果。
设计心得体会
在现在化的工业生产中常常需要对产品进行计数、包装，如果这些繁杂的工作让人工去完成的话不但麻烦，而且效率底，劳动大，不适合现代化的生产需要，并且加重了人工的劳动强度。随着科学技术和现代化工业的发展，为了提高效率、减轻劳动者的负担就必须对以上生产设计一套完整的自动化生产线，而PLC技术就能很好的解决这一问题。
随着PLC技术的不断完善，现已成为各个领域的重要部分，在生活中可以说是无处不在。而这次学校为我们安排PLC的课程设计，不仅很好的巩固所学知识，提高学生综合运用知识来发现、提出、分析、解决问题的能力，而且还是对学生实际工作能力的一次重要考察，以便发现自己某些方面不的不足，并加以加强。
PLC的课程设计是一个难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的自动装箱生产系统的PLC程序设计，使我摆脱了单纯的理论知识学习状态，锻炼我综合运用所学的专业基础知识来解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计规范及其电脑制图等其他专业能力水平和独立思考能力。
虽然这课题不是所有课题当中比较难的，但在设计中难免会出现不懂，甚至老师上课没讲的知识。这时就必须通过自学来分析解决问题，同时也要和同组同学一起研究讨论，必要时还需向老师寻求帮助，指导。所以，通过自己的自学，同学的互帮互助以及雷慧和王大镇两位老师的细心指导，才得以顺利的解决设计过程中的问题，并完成针对自动装箱生产线控制系统的课程设计。
这次的PLC课程设计，虽然我这个设计做的不太好，所设计的程序比较简单，但在整个PLC控制系统的课程设计中，不仅加深了对PLC控制系统知识的了解，同时也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，大大提高了动手能力，相信这些会对今后的学习工作有非常重要的影响。
参考文献
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[2]齐蓉，肖维荣《可编程计算机控制技术》，业电子工业出版社，2005
[3]田淑珍，《可编程控制其原理及应用》，机械工业出版社，2005
[4]魏志精，《可编程控制器应用技术》，北京电子工业出版社，1995
[5]廖常初，《PLC编程及应用》，北京机械工业出版社，2002
[6]陈忠华，《可编程控制器与工业自动化》，北京机械工业出版社，2005
[7]赵继文，《传感器与应用电路设计》，北京科学出版社，2006
[8]于庆广，《可编程控制器原理与系统设计》，清华大学出版社，2004
[9]吴明亮，《可编程控制器实训教程》，化学工业出版社
[10]江秀汗，汤楠，《可编程控制器原理及应用》，西安电子科技大学出版社，2001
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