《计算机控制技术》课程设计指导书

授课对象： 信息工程   系（院）   自动化   专业  081234   班    时间 1  周

1．设计题目：水泥包装机计算机控制系统设计

——采用查询读A/D、三极管输出、LED数码管动态显示

采用定时读A/D、固态继电器输出、LED动态显示

采用查询读A/D、继电器输出、LED数码管静态显示

采用定时读A/D、晶闸管输出、LED静态显示

2．设计目的

本课程设计是专为自动化专业而开设的，是本门课程课堂教学的延伸和发展，是课程理论与工程实践之间的结合。

通过本课程设计，使学生进一步学习与深化计算机控制系统的构成与应用知识，进一步巩固与综合专业基础知识和相关课程知识；培养学生初步具有设计小型计算机控制系统的硬件及软件的能力。从而为日后的毕业设计与专业工作奠定良好的基础。

3．设计内容

根据本课程的知识点，设计内容是对某个工业生产过程实现计算机监控系统。设计任务书要求设计一个以8088CPU或PC总线或PLC或单片机为核心，以A/D和D/A或DO通道为主要接口，外配LED显示、键盘操作以及包括传感变送器及执行器的小型计算机控制系统；完成系统电气原理图的绘制，主要程序框图的绘制，完成一份20左右页的设计说明书。

4．系统要求

现有1台双嘴水泥包装机，形成2条袋装生产线。见水泥袋装生产线流程图，主要设备有检测袋装重量的力传感器、称重的电磁阀与气缸、推包的电磁阀与气缸、操作按钮等。要考虑的现场信号有传感器模拟量2路输入、启动按纽开关量2路输入以及驱动电磁阀开关量4路输出。

系统要求：当按下启动按钮时，称重电磁阀得电，气缸打开放料闸板，成品仓中的水泥灌装到包装袋中，使得称重杠杆发生逆时针偏转，当力传感器检测到重量信号等于称重设定值时，控制系统先使放料闸板关断，延时后使推包电磁阀与气缸执行推包动作，完成一次袋装称重计量过程。然后，周而复始。

课程设计说明书格式

封皮（到学校购买）

扉页

课程设计任务书

摘要：设计的目的、方法、结果、结论（300字左右）

目录

正文

1．系统概述

简述计算机控制技术、水泥包装机对象

2．系统构成

简述控制要求、控制方案（包括系统构成原理方框图）

3．硬件设计

1班：包括传感变送器、I/V变换、ADC0809A/D通道（采用查询法读A/D转换数）、8088CPU、DO通道（继电器输出）、4位LED静态显示器、2个式按键等接口电路原理接线图；

2班：包括传感变送器、I/V变换、ADC0809A/D通道（采用定时法读A/D转换数）、8088CPU、DO通道（固态继电器输出）、4位LED动态显示器、2个式按键等接口电路原理接线图。

4．软件设计

主程序框图；主要接口程序A/D、DO；LED、KEY的程序框图。

5．心得体会（即结果结论）

6．参考文献（格式参考教材后面）

7．教师评语

内容补充

力传感器：型号为HXB-1，规格为50KG，输出量程为0~10mv，需外界提供12VDC电源。

水泥袋装生产线流程图

图1  水泥袋装生产线流程图

[此文发表在《电气自动化》2002.2]

S7-200 PLC在水泥袋装称重计量系统中的应用

[摘要]  本文结合水泥袋装工艺流程，讨论了西门子小型可编程控制器S7-200在水泥袋装称重计量系统中的应用，介绍了其系统组成、软件设计以及优于当前主流机型的性能特点。

[关键词]  PLC  水泥袋装  称重计量

Application of PLC S7-200 in Sacking Cement Weighing Metering System

Lin  Min

Abstract: Application of SIEMENS PLC S7-200 in sacking cement weighing metering system combined with its process is described. System composition, software and function advantage over main popularity device is introduced. 

一、引  言

在水泥生产过程中，水泥成品的袋装称重是一个十分重要的环节，其中的关键问题在于计量与控制系统的精确性与可靠性。十几年来，人们研制了许多专用的称重显示控制器，如70年代的模拟仪表、80年代的Z80微机系统到90年代的单片微机系统。

随着计算机技术的日益发展，人们对称重显示控制器提出了更高的要求，即不仅要以文字、对话形式提供称重计量信息，而且能提供其它管理信息。现有的单板或单片机系统一般不具备这种功能，尚需与上位机进行数字通信，借助于PC机的CRT屏幕显示方可；或者采用另一种模式——总线式工业控制计算机。但这几种配置都大大增加了系统成本。

笔者调研了几代系统的开发研制与运行维护过程，经过比较与试验，认为西门子公司的S7-200小型可编程控制器非常适宜用作水泥袋装的计量显示控制装置。

二、工艺流程

图1为水泥袋装流程图。当按下启动按钮时，称重电磁阀得电，气缸打开放料闸板，成品仓中的水泥灌装到包装袋中，使得称重杠杆发生逆时针偏转，当力传感器检测到的电压信号等于称重设定值时，控制装置先使闸板关断，延时后使推包电磁阀与气缸执行推包动作，然后复位，完成一次袋装称重计量过程。

图1  水泥袋装流程图

三、系统组成

大连水泥厂成品包装车间有2台双嘴水泥包装机，形成4条袋装生产线，原使用抚顺某计算机研究所80年代末研制的Z80微机控制系统，今年初用S7-200系列PLC对其进行了替换与技术改造：原工艺设备以及用于检测和控制的现场仪表——力传感器、称重电磁阀与气缸、推包电磁阀与气缸、操作按钮等全部保留，要考虑的现场信号有检测力传感器模拟量4路、启动按纽开关量4路以及驱动电磁阀开关量8路，因此PLC的配置为模拟量输入4点，数字量输入4点，数字量输出8点。

具体配置如图2所示：

⑴主机为CPU224模块——共集成14输入/10输出计24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，有1个RS485通讯/编程口，机内有24VDC电源。本系统用其4个数字量输入点DI0~DI3接入1# ~ 4# 嘴的启动按纽，8个数字量输出点DO0~DO7分别驱动1# ~ 4# 嘴的称重与推包电磁阀。

⑵扩展1个模拟量模块EM231——4路模拟量输入，MA+、MA- ~ MD+、MD- 接收1# ~ 4# 力传感器经放大后的电压信号，该模块的模数转换时间＜250μS，分辨率为12位，转换精度为0.025%。

⑶TD200文本显示器为液晶显示覆膜键盘结构，内置汉字库，可显示最多80条信息，可在线修改过程参数，可编程的8个功能键可作为测试时的设置和诊断，也可作为运行时的控制，可设定实时时钟，提供强制I/O点诊断功能，提供密码保护功能，与主机相连时用PC/PPI电缆接至CPU224模块的PPI接口即可。 

 ⑷ 自制1块信号放大板，把力传感器检测到的重量mv信号放大到模拟量扩展模块的输入量程范围（如2.5V/5V/10V等），并向传感器提供12VDC电源。               

图2  S7-200PLC及其系统配置图

上述配置可以完成4路（1#~4#）水泥袋装的检测、称重控制与信息显示等功能。如果需要，还可通过通讯电缆实现与上位机联网，从而实现生产过程的管理自动化。

四、软件设计

S7-200系列小型PLC使用基于Windows平台的32位编程软件包STEP-7- Micro/WIN，可采用语句表（STL）、梯形图（LAD）或功能块（FBD）三种方式编程，一般通过一个主程序调用其他的子程序或中断程序来完成，程序结构简单清晰。

图3为该系统的主程序框图。系统初始化包括对CPU、各寄存器、计数器及TD200文本显示器的初始设置。本文仅对S7-200系列的独特配置TD200编程作一简要说明： 

在S7-200系列CPU中保留了一个专用区域用于与TD200交换数据，TD200直接通过这些数据区访问CPU。对TD200初始化的组态步骤为：在STEP-7- Micro/WIN窗口的Tools菜单中选中TD200 Wizard，再选择Chinese项，即选择中文显示后，就可在信息显示窗口中敲入系统运行时所需要显示的的汉字即可。如对1# 嘴设置如下：1# 设定××公斤，1# 称重××公斤，1# 时间××秒，1# 计数××袋，总计数××袋等，其中××为系统运行时的实测值。

开机

系统初始化

有键按下吗

                                   No

是启动键吗

                          Yes      

                                   No

调功能键子程序

                          Yes         

打开闸板

TD200信息显示

调数据计算子程序

称重达到设定值吗

      No 

                 Yes   

 关断闸板

 延时推包

 开始计数

总计数

图3  主程序流程框图

五、性能特点

这套S7-200小型PLC比起目前流行的单片机智能仪表或工控计算机有着很高的性价比，主要优点如下：

⑴ PLC具有I/O点状态同步显示，可以直观地判断PLC外部电气部件的运行状态以及可汉字显示报警与故障信息，极大地缩短了平均维修时间MTTR。

⑵ PLC系统构成灵活，扩展容易，上述系统应用于4条袋装，如果是6条或更多条的生产线，只要增加相应的扩展模块；通讯能力强，可以三种方式与多个主机、显示器或上位机组成网络控制系统。

⑶ PLC指令丰富功能强大，但编程与操作十分简单，不但开发周期短，而且现场调试容易，如称重设定值、推包延迟时间、复位时间等都可通过中文显示器在线调试；以及日后维护、修改程序甚至扩展等都极易被现场技术人员掌握。

⑷ TD200文本显示器提供了极佳的人机界面，而且体积小，重量轻，安装简便，可嵌入式或壁挂式。

⑸ 系统可靠性高，实时性好，实际称重精度可达0.2%。

⑹ 具有极强的价格竞争优势。目前市场上能达到类似功能的微机计量控制系统价格在3-4万元，而S7-200小型PLC系统不超过此价的一半。

六、结束语

近年来，电子称重技术发展很快，称重显示控制领域一直在研制开发专用的计算机称重控制系统。笔者认为，基于目前十分成熟的PLC技术与市场，把这种新颖小型化的S7-200系列直接移植到水泥袋装称重计量系统中，会收到事半功倍的效果。大连水泥厂近一年来的成功运行就是很好的例证。

参考文献

[1] SIMATIC S7-200 Programmable Controller System manual

[2] 钟肇新，王灏.可编程控制器入门教程（SIMATIC S7-200）。华南理工大学出版社