基于PLC的自动化生产线供料站毕业设计(共25页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上毕业设计报告题 目： 基于PLC的自动化生产线供料站设计所 属 系： 电子信息工程系 班 级： 应用电子技术092 学 员 姓 名： 孙连银 学 号： 指 导 教 师： 侯秀丽 2011年10月15日摘 要自动生产线的最大特点是它的综合性和系统性，综合性主要涉及机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；而系统性指的是生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地融合在一起。本系统完成一个工件的拆卸、分拣工作，模拟一个生产流水线的生产

2、过程。首先由供料站提供原料，运输站将其送至加工站加工，然后送至装配站进行安装，最后由分拣站进行分拣。设计以送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元作为自动生产线的整体设计，构成一个典型的自动生产线的机械平台，系统各机构的采用了气动驱动、变频器驱动和步进（伺服）电机位置控制等技术。系统的控制方式采用每一工作单元由一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。所以，本设计综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。关键字：网络 组态 自动化 PLC 电机 第一章 概

3、述二十世纪以来，为了实现自动化，人们研究和制造了成千上万种自动控制系统，极大地推动了生产劳动、社会服务、军事工程和科学研究等活动。随着自动化技术的发展，这是机械化、电气化和自动控制相结合的结果，处理的对象是离散工件。早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。20世纪60年代以后，由于电子计算机的应用，出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等。研制出适应多品种、小批量生产型式的柔性制造系统（FMS）。以柔性制造系统为基础的自动化车间，加上信息管理、生产设备自动化，出现了采用计算机集成制造系统（CIMS）的工厂自动化（FA）。

4、现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。70年代以来，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。自动化将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。工厂

5、自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得到迅速发展。本系统模拟一个生产流水线的生产过程，完成一个工件的拆卸、分拣工作。首先由供料站提供原料，运输站将其送至加工站加工，然后送至装配站进行安装，最后由分拣站进行分拣。整个过程要充分考虑生产过程中所出现的情况，对各种生产要求进行处理，系统分成五个操作站：供料站、安装站、加工站、运输站、分拣站。整个系统基于三菱PLC的N：N网络，包括变频控制、伺服控制等，是各种电气控制的综合应用。本课题由我和朱廷同学共同完成，在项目实施过程中，朱廷同学主要负责程序的编制，我主要负责机械部分的安装、电气原理图和气路的设计和连接、变频器和

6、伺服放大器的参数设置。第二章 PLC的发展史2.1 PLC的简史及定义1. 继电器控制 用弱电信号控制强电信号。故障查找与排除非常困难、改造工期长、费用高。 GM首先提出【可编程序控制器】设想 编程简单，可在现场修改程序； 维护方便，采用插件式结构； 可靠性高于继电器控制柜； 体积小于继电器控制柜； 成本可与继电器控制柜竞争； 可将数据直接送入计算机； 可直接使用115V交流输入电压； 输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等负载； 通用性强，扩展方便； 能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB. 1969年DEC研制出世界上第一台可编程序控制器从上述10项指标可以看出，它实际上

7、就是当今可编程序控制器最基本的功能。将它们归纳一下，其核心为以下四点： (1) 用计算机代替继电器控制盘。 (2) 用程序代替硬件接线。 (3) 输入/输出电平可与外部装置直接连接。 (4) 结构易于扩展。 可编程序控制器的定义 1985年1月，国际电工委员会（IEC）定义： 可编程序控制器是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则

8、设计。一部数字电子计算机若是用来执行PC的功能，亦被视同为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。可编程序控制器简称v Programmable Controller PC Personal Computer PCv Programmable Logic Controller PLC2.2 PLC的特点 无触电免配线，可靠性高，抗干扰能力强 通用性强，控制程序可变，使用方便 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 编程简单，容易掌握 系统的设计、安装、调试工作量少 维修工作量小，维护方便 体积小，能耗低可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万个小时 。

9、 硬件方面：I/O接口采用采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。 软件方面：采用扫描工作方式，减少了外界的干扰；设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。目前，各种PLC都采用梯形图语言为第一编程语言，是，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图

10、相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。 同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。 许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。 现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安

11、装接线工作量大为减少。 PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。 在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。 PLC结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。2.3 PLC的应用与发展前景 开关量逻辑控制自动生产线、机床电气控制、冲压机械、铸造机械、运输带、包装机、飞剪等控制 运动控制金属切削机床、金属成形机械、装配机器人、电梯等。 闭环过程控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。 数据处理数学运算、数据传输

12、、转换、排序、查表、位操作。 通信联网PLC与远程I/O、PLC之间、PL与其它智能控制器之间。 高性能、高速度、大容量发展l 多CPU结构l 高性能、流水RISC结构CPU(32位机)l 增加智能控制功能l 支持组态设计 大力发展微型PLC,不断增强微型PLC的功能l 掌上PLCl 高性能l 支持多种编程方式 PLC编程语言标准化IEC1131-3 (IEC 1994年5月公布)l 顺序功能图（SFC）l 梯形图l 功能块图l 指令表l 结构文本 PLC与其它工业控制器产品相互融合 与个人计算机PC 集散控制系统DCS 计算机数控CNC 大力开发智能I/O模块模拟量I/O、高速计数输入、中断

13、输入、机械运动控制、热电偶输入、条形码阅读器、多路BCD输入/输出、模糊控制器、PID回路控制、通信模块第三章 自动生产线的组成及基本功能2.1 基本组成自动生产线由安装在铝合金导轨式台面上的供料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5个单元组成。其外观如图2-1所示。图2-1 自动生产线外观其中，每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也都是一个机电一体化的系统。各个单元的执行机构基本上以气动执行机构为主，但输送单元的机械手装置整体运动则采取步进电机驱动、精密定位的位置控制，该驱动系统具有长行程、多定位点的特点，是一个典型的一维位置控制系统。分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频器驱动三

14、相异步电动机的交流传动装置。位置控制和变频器技术是现代工业企业应用最为广泛的电气控制技术。设计中应用了多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体通过的状态、物体的颜色及材质等。2.2 基本功能供料单元的基本功能：供料单元是本次设计中的起始单元，在整个系统中，起着向系统中的其他单元提供原料的作用。具体的功能是：按照需要将放置在料仓中待加工工件（原料）自动地推出到物料台上，以便输送单元的机械手将其抓取，输送到其他单元上。如图2-3所示为供料单元实物的全貌。图2-3 供料单元实物的全貌第三章 电气控制3.1 接线端子及主令部件3.1.1 接线端子本次任务的设备中的各工作单元的结构特点是机械装

15、置和电气控制部分的相对分离。每一工作单元机械装置整体安装在底板上，而控制工作单元生产过程的PLC装置则安装在工作台两侧的抽屉板上。因此，工作单元机械装置与PLC装置之间的信息交换是一个关键的问题。解决方案是：机械装置上的各电磁阀和传感器的引线均连接到装置侧的接线端口上。PLC的I/O引出线则连接到PLC侧的接线端口上。两个接线端口间通过多芯信号电缆互连。图3-1和图3-2分别是装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口。图3-1 装置侧接线端口图3-2 PLC侧接线端口装置侧的接线端口的接线端子采用三层端子结构，上层端子用以连接DC24V电源的+24V端，底层端子用以连接DC24V电源的0V端，中间

16、层端子用以连接各信号线。PLC侧的接线端口的接线端子采用两层端子结构，上层端子用以连接各信号线,其端子号与装置侧的接线端口的接线端子相对应。底层端子用以连接DC24V电源的+24V端和0V端。装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口之间通过专用电缆连结。其中25针接头电缆连接PLC的输入信号，15针接头电缆连接PLC的输出信号。3.1.2 控制系统任务每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也可以通过网络互连构成一个分布式的控制系统。1、当工作单元自成一个独立的系统时，其设备运行的主令信号以及运行过程中的状态显示信号，来源于该工作单元按钮指示灯模块。按钮指示灯模块如图3-3所示。模块上的指示灯和按

17、钮的端脚全部引到端子排上。图3-3 按钮指示灯模块模块盒上器件包括：指示灯（24VDC）：黄色（HL1）、绿色（HL2）、红色（HL3）各一只。主令器件：绿色常开按钮SB1一只红色常开按钮SB2一只选择开关SA（一对转换触点）急停按钮QS（一个常闭触点）2、当各工作单元通过网络互连构成一个分布式的控制系统时，对于采用三菱FX系列PLC的设备，各工作站PLC配置如下：输送单元：FX1N-40MT主单元，共24点输入，16点晶体管输出。供料单元：FX2N-32MR主单元，共16点输入，16点继电器输出。加工单元：FX2N-32MR主单元，共16点输入，16点继电器输出。装配单元：FX2N-48MR

18、主单元，共24点输入，24点继电器输出。分拣单元：FX2N-32MR主单元，共16点输入，16点继电器输出。3.2 能源部件3.2.1 供电电源外部供电电源为三相五线制AC 380V/220V，图3-4为供电电源模块一次回路原理图。图中，总电源开关选用DZ47LE-32/C32型三相四线漏电开关。系统各主要负载通过自动开关单独供电。其中，变频器电源通过DZ47C16/3P三相自动开关供电；各工作站PLC均采用DZ47C5/2P单相自动开关供电。此外，系统配置4台DC24V6A开关稳压电源分别用作供料、加工和分拣单元，及输送单元的直流电源。图3-4 供电电源模块一次回路原理图3.2.2 气源处理

19、装置本次任务的气源处理组件及其回路原理图分别如图3-6所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。图3-6 气源处理组件气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.61.0MPa, 输出压力为00.8MPa可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各作单工元。3.3 RS485总线

20、的电气连接3.3.1 安装和连接N:N 通信网络网络安装前，应断开电源。各站PLC应插上485-BD通信板。它的LED 显示/端子排列如图3-7所示。图3-7 485-BD板显示/端子排列在N：N链接网络，各站点间用屏蔽双绞线相连，如图3-8所示，接线时须注意终端站要接上110欧姆的终端电阻（485BD板附件）。图3-8 PLC链接网络连接第四章 供料与加工单元控制系统4.1 供料单元的结构和工作过程供料单元的主要结构组成为：工件装料管，工件推出装置，支撑架，阀组，端子排组件，PLC，急停按钮和启动/停止按钮，走线槽、底板等。其中，机械部分结构组成如图4-1所示。图4-1 供料单元的主要结构组

21、成其中，管形料仓和工件推出装置用于储存工件原料，并在需要时将料仓中最下层的工件推出到出料台上。它主要由管形料仓、推料气缸、顶料气缸、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。该部分的工作原理是：工件垂直叠放在料仓中，推料缸处于料仓的底层并且其活塞杆可从料仓的底部通过。当活塞杆在退回位置时，它与最下层工件处于同一水平位置，而顶料气缸则与次下层工件处于同一水平位置。在需要将工件推出到物料台上时，首先使夹紧气缸的活塞杆推出，压住次下层工件；然后使推料气缸活塞杆推出，从而把最下层工件推到物料台上。在推料气缸返回并从料仓底部抽出后，再使夹紧气缸返回，松开次下层工件。这样，料仓中的工件在重力的作用下，就自动向

22、下移动一个工件，为下一次推出工件做好准备。在底座和管形料仓第4层工件位置，分别安装一个漫射式光电开关。它们的功能是检测料仓中有无储料或储料是否足够。若该部分机构内没有工件，则处于底层和第4层位置的两个漫射式光电接近开关均处于常态；若仅在底层起有3个工件，则底层处光电接近开关动作而第4层处光电接近开关常态，表明工件已经快用完了。这样，料仓中有无储料或储料是否足够，就可用这两个光电接近开关的信号状态反映出来。推料缸把工件推出到出料台上。出料台面开有小孔，出料台下面设有一个园柱形漫射式光电接近开关，工作时向上发出光线，从而透过小孔检测是否有工件存在，以便向系统提供本单元出料台有无工件的信号。在输送单

23、元的控制程序中，就可以利用该信号状态来判断是否需要驱动机械手装置来抓取此工件。4.2 供料单元的PLC工作任务本章节只考虑供料单元作为独立设备运行时的情况，单元工作的主令信号和工作状态显示信号来自PLC旁边的按钮/指示灯模块。并且，按钮/指示灯模块上的工作方式选择开关SA应置于“单站方式”位置。具体的控制要求为： 设备上电和气源接通后，若工作单元的两个气缸均处于缩回位置，且料仓内有足够的待加工工件，则“正常工作”指示灯HL1常亮，表示设备准备好。否则，该指示灯以1Hz 频率闪烁。 若设备准备好，按下启动按钮，工作单元启动，“设备运行”指示灯HL2常亮。启动后，若出料台上没有工件，则应把工件推到

24、出料台上。出料台上的工件被人工取出后，若没有停止信号，则进行下一次推出工件操作。 若在运行中按下停止按钮，则在完成本工作周期任务后，各工作单元停止工作，HL2指示灯熄灭。 若在运行中料仓内工件不足，则工作单元继续工作，但“正常工作”指示灯HL1以1Hz的频率闪烁，“设备运行”指示灯HL2保持常亮。若料仓内没有工件，则HL1指示灯和HL2指示灯均以2Hz频率闪烁。工作站在完成本周期任务后停止。除非向料仓补充足够的工件，工作站不能再启动。4.3 供料单元的编程思路一、自动生产线工作过程的通常要求 系统上电后检查是否准备就绪。只有准备就绪才允许启动系统，投入运行状态。 主工艺控制过程是顺序控制过程。

25、 正常停止的要求发出停止指令后，一般要求一个工作周期结束后才停止运行。二、供料单元编程思路1、主程序结构2、主工艺控制过程单序列的步进顺序程序3、状态指示子程序调用4、用一个按钮控制系统启动/停止的方法。4.4 PLC的I/O分配及系统安装接线1、供料单元装置侧的接线端口上各电磁阀和传感器的引线安排如表4-1所示。表4-1 供料单元装置侧的接线端口信号端子的分配输入端口中间层输出端口中间层端子号设备符号信号线端子号设备符号信号线21B1顶料到位21Y顶料电磁阀31B2顶料复位32Y推料电磁阀42B1推料到位43 Y夹紧电磁阀52B2推料复位54 Y伸缩电磁阀6SC1供料台物料检测65 Y冲压电

26、磁阀7SC2物料不足检测8SC3物料有无检测9SC4金属材料检测2，根据工作单元装置的I/O信号分配（表4-1）和工作任务的要求，供料单元PLC选用FX2N-32MR主单元，共16点输入和16点继电器输出。同时选用三菱FX2N-8ER扩展模块，共4点输入和4点继电器输出。PLC的I/O信号分配如表4-2所示，接线原理图则见附录1。表4-2 供料加工单元PLC的I/O信号表输入信号输出信号序号PLC输入点信号名称信号来源序号PLC输出点信号名称信号来源1X0顶料气缸伸出到位装置侧1Y0顶料电磁阀装置侧2X1顶料气缸缩回到位2Y1推料电磁阀3X2推料气缸伸出到位3Y2夹紧电磁阀4X3推料气缸缩回到

27、位4Y3料台伸缩电磁阀5X4出料台物料检测5Y4冲压电磁阀6X5供料不足检测6Y57X6缺料检测7Y68X7金属工件检测89X10加工台物料检测9Y7正常工作指示按钮/指示灯模块10X11工件夹紧检测10Y10运行指示11X12加工台伸出到位12X13加工台缩回到位13X14加工压头上限14X15加工压头下限15X1616X1717X20停止按钮按钮/指示灯模块18X21启动按钮19X22急停按钮20X23工作方式选择4.5 供料加工单元气动控制回路供料单元气动控制回路的工作原理如图4-3所示。图中1A和2A分别为推料气缸和顶料气缸。1B1和1B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开

28、关，2B1和2B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关。1Y1和2Y1分别为控制推料缸和顶料缸的电磁阀的电磁控制端。通常，这两个气缸的初始位置均设定在缩回状态。图4-3 供料单元气动控制回路工作原理图总 结通过本次的学习让我的学习能力有了很大的提高，在任务设计中让我对自动化生产线有所了解。一方面自动化生产线包括诸多方面的知识如：机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；另一方面对于模拟的一个自动化生产线的工作流程有个基本概念。一个自动化生产线的基本组成部分有传感检测、传输与处理、控制、执行与驱

29、动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地把这些独立部分融合在一起。在这次设计中应用PLC技术，它是一门实践性很强的专业课程，PLC编程控制器技术在当今社会发展异常迅速，各生产厂家也推出了许多强大的新型PLC、各种特殊模块和通信联网器件，使可编程控制器成为集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置，成为实现工业自动化的一种强有力的工具。经过这次设计我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且通过这次课程设计使我运用了课堂上的理论与实际相结合重要性，既要从理论中分析问题，又要从实际中解决问题发现才是根本。所以把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正的学学以至用

30、。致 谢本课题的圆满完成特别感谢侯秀丽老师详细的指导。侯秀丽老师严谨的治学态度，和思考问题的全面性给我在设计过程中有了多方面的设计思路中，也提前判断设计中可能出现的问题作了详细的分析，从而使我少走很多弯路节省了很多时间。老师的高深的学术水平，科学的思维方法和深入浅出的讲解更准确更形象的把设计中的知识传输给我。再次感谢指导老师的帮助永远是我学习的榜样，在此向他致以衷心的感谢。同时感谢我的同组王凌云同学，在圆满完成课题设计的过程中给予我毅力上的鼓励，在资料的收集中给我提供了很多路径，在设计安装中也提出多种参考意见，以至与我能够顺利的完成。真诚地感谢所有在我读书期间帮助过我的老师、同学和朋友给我提出

31、宝贵意见！参考文献1吕景泉.可编程序控制器及其应用M.北京：机械工业出版社，20012北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS嵌入式用户手册Z.北京：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，20003杨长能，张光毅.可编程序控制器基础及其应用M重庆大学出版社，19924廖常初.PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，20055北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS用户指南Z.北京：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，20056江正战.串行通信接口标准RS-423/422/485及其应用J电子技术应用，19947蔡红斌.电气与 PLC 控制技术M.北京：清华大学出版社,20078范永胜，王岷主编.电气控制与 PLC 应用M.北京：中国电力出版社,20049陈立定.电气控制与可编程控制器M.北京：高等教育出版社,200210高勤.电气及 PLC 控制技术M.北京：高等教育出版社,200211许翏，王淑英.电气控制与 PLC 应用M.北京：机械工业出版社,200512钟肇新，彭侃.可编程控制器原理及应用M.北京：华南理工大学出版社出版,2000附录1 供料与加工单元电气原理图专心-专注-专业