基于PLC的自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計

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1、安安徽徽機機電電職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學學院院畢畢業(yè)業(yè)論論文文基于 PLC 的自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計系 部 電氣工程系 專 業(yè) 機電一體化 班 級 機電 3082 班 姓 名 蔡麗莉 學 號 1302083118 指導教師 趙光藝 2010 2011 學年 第 一 學期摘摘 要要隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類社會對產(chǎn)品的功能與質(zhì)量的要求越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，產(chǎn)品的復(fù)雜程度也隨之增高，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)方式受到了挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅對中小企業(yè)形成了威脅，而且也困擾著國有大中型企業(yè)。因為，在大批量生產(chǎn)方式中，柔性和生產(chǎn)率是相互矛盾的。眾所周知，只有品種單一、批量大、設(shè)備專用、工藝穩(wěn)定、效率高，才

2、能構(gòu)成規(guī)模經(jīng)濟效益；反之，多品種、小批量生產(chǎn)，設(shè)備的專用性低，在加工形式相似的情況下，頻繁的調(diào)整工夾具，工藝穩(wěn)定難度增大，生產(chǎn)效率勢必受到影響。為了同時提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本，最終使中小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)抗衡，柔性自動化系統(tǒng)便應(yīng)運而生。PLC 是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置；充分利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點，采用標準化、模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計，配置靈活、組態(tài)方便。本論文主要是模擬

3、工業(yè)自動生產(chǎn)線通信系統(tǒng)實現(xiàn)以下各站功能。然后利用 Profibus 總線進行八站通信連接使之成為一條自動生產(chǎn)線控制模擬系統(tǒng)。關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：PLC、自動生產(chǎn)線、Profibus 通信目錄目錄第一章第一章 緒論緒論 .1 11.1 自動化生產(chǎn)線的介紹及發(fā)展 .11.2 工業(yè)自動化生產(chǎn)線體系結(jié)構(gòu) .4第二章第二章 可編程控制器可編程控制器 .5 52.1 可編程控制器的定義 .52.2 可編程控制器的發(fā)展概況 .52.3 可編程控制器的基本組成及特點 .6第三章第三章 自動生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)自動生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) .7 73.1 工業(yè)自動生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .73.2 工業(yè)自動生產(chǎn)線單站功

4、能及系統(tǒng)程序設(shè)計 .93.3 工業(yè)自動生產(chǎn)線通信系統(tǒng)設(shè)計 .20第四章第四章 論文總結(jié)論文總結(jié) .2222參考文獻參考文獻 .2323致謝致謝 .2424- 1 -第一章第一章 緒論緒論1.11.1 自動化生產(chǎn)線的介紹及發(fā)展自動化生產(chǎn)線的介紹及發(fā)展1、自動化生產(chǎn)線介紹自動化生產(chǎn)線是指勞動對象按照一定的工藝路線,順序的通過各個工作地，并按照統(tǒng)一的生產(chǎn)速度（節(jié)拍）完成工藝作業(yè)的連續(xù)的重復(fù)的生產(chǎn)過程。產(chǎn)品生產(chǎn)過程所經(jīng)過的路線，即從原料進入生產(chǎn)現(xiàn)場開始，經(jīng)過加工、運送、裝配、檢驗等一系列生產(chǎn)活動所構(gòu)成的路線。自動化生產(chǎn)線是按對象原則組織起來的，完成產(chǎn)品工藝過程的一種生產(chǎn)組織形式，即按產(chǎn)品專業(yè)化原則，配

5、備生產(chǎn)某種產(chǎn)品（零、部件）所需要的各種設(shè)備和各工種的工人，負責完成某種產(chǎn)品（零、部件）的全部制造工作，對相同的勞動對象進行不同工藝的加工。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類社會對產(chǎn)品的功能與質(zhì)量的要求越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，產(chǎn)品的復(fù)雜程度也隨之增高，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)方式受到了挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅對中小企業(yè)形成了威脅，而且也困擾著國有大中型企業(yè)。因為，在大批量生產(chǎn)方式中，柔性和生產(chǎn)率是相互矛盾的。眾所周知，只有品種單一、批量大、設(shè)備專用、工藝穩(wěn)定、效率高，才能構(gòu)成規(guī)模經(jīng)濟效益；反之，多品種、小批量生產(chǎn)，設(shè)備的專用性低，在加工形式相似的情況下，頻繁的調(diào)整工夾具，工藝穩(wěn)定難度增大，生產(chǎn)效率勢必受到

6、影響。為了同時提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本，最終使中小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)抗衡，柔性自動化系統(tǒng)便應(yīng)運而生。2、自動化生產(chǎn)線的基本構(gòu)成（1）自動加工系統(tǒng)自動加工系統(tǒng)，指以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，把外形尺寸(形狀不必完全一致)、重量大致相似，材料相同，工藝相似的零件集中在一臺或數(shù)臺數(shù)控機床或?qū)Ｓ脵C床等設(shè)備上加工的系統(tǒng)。（2）物流系統(tǒng)物流系統(tǒng)，指由多種運輸裝置構(gòu)成，如傳送帶、軌道、轉(zhuǎn)盤以及機械手等，完成工件、刀具等的供給與傳送的系統(tǒng)，它是柔性生產(chǎn)線的主要組成部分。 （3）信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)，指對加工和運輸過程中所需各種信息收集、處理、反饋，并通過電

7、子計算機或其他控制裝置(液壓、氣壓裝置等)，對機床或運輸設(shè)備實行分級控制的系統(tǒng)。 （4）軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)，指保證柔性生產(chǎn)線用電子計算機進行有效管理的必不可少的組成部- 2 -分。它包括設(shè)計、規(guī)劃、生產(chǎn)控制和系統(tǒng)監(jiān)督等軟件。柔性生產(chǎn)線適合于年產(chǎn)量1000100,000 件之間的中小批量生產(chǎn)。 3、柔性自動化生產(chǎn)線的優(yōu)點柔性生產(chǎn)線是一種技術(shù)復(fù)雜、高度自動化的系統(tǒng)，它將微電子學、計算機和系統(tǒng)工程等技術(shù)有機地結(jié)合起來，理想和圓滿地解決了機械制造高自動化與高柔性化之間的矛盾。具體優(yōu)點如下。 第一，設(shè)備利用率高。一組機床編入柔性生產(chǎn)線后，產(chǎn)量比這組機床在分散單機作業(yè)時的產(chǎn)量提高數(shù)倍。 第二，在制品減少 8

8、0%左右。 第三，生產(chǎn)能力相對穩(wěn)定。自動加工系統(tǒng)由一臺或多臺機床組成，發(fā)生故障時，有降級運轉(zhuǎn)的能力，物料傳送系統(tǒng)也有自行繞過故障機床的能力。 第四，產(chǎn)品質(zhì)量高。零件在加工過程中，裝卸一次完成，加工精度嵩，加工形式穩(wěn)定。 第五，運行靈活。有些柔性生產(chǎn)線的檢驗、裝卡和維護工作可在第一班完成，第二、第三班可在無人照看下正常生產(chǎn)。在理想的柔性生產(chǎn)線中，其監(jiān)控系統(tǒng)還能處理諸如刀具的磨損調(diào)換、物流的堵塞疏通等運行過程中不可預(yù)料的問題。 第六，產(chǎn)品應(yīng)變能力大。刀具、夾具及物料運輸裝置具有可調(diào)性，且系統(tǒng)平面布置合理，便于增減設(shè)備，滿足市場需要。 4、自動化生產(chǎn)線發(fā)展趨勢性能發(fā)展方向：(1)高速高精高效化，速度

9、、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。由于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。(2)柔性化包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。(3)工藝復(fù)合性和多軸化，以減少工序、輔助時間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復(fù)合化是指

10、工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子 880 系統(tǒng)控制軸數(shù)可達 24 軸。(4)實時智能化早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為。技術(shù)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具- 3 -有實時響應(yīng)的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、

11、專家控制、控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的。 功能發(fā)展方向（1）用戶界面圖形化，用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前 INTERNET、虛擬現(xiàn)實、科學計算可視化及多媒體等技術(shù)也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專

12、業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn)。(2)可視化，科學計算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息?？梢暬夹g(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進一步拓寬了領(lǐng)域，如無圖紙設(shè)計、虛擬樣機技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于 CAD/CAM，如自動編程設(shè)計、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。

13、(3)插補和補償方式多樣化，多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2 螺旋插補、NANO 插補、NURBS 插補(非均勻有理 B 樣條插補)、樣條插補(A、B、C 樣條)、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補償、與速度相關(guān)的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償?shù)取?4)內(nèi)裝高性能 PLC，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能 PLC 控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標準 PLC 用戶程序?qū)嵗?，用戶可在標?PLC 用

14、戶程序基礎(chǔ)上進行編輯修改，從而方便地建立自己的應(yīng)用程序。(5)多媒體技術(shù)應(yīng)用，多媒體技術(shù)集計算機、聲像和通信技術(shù)于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、- 4 -生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應(yīng)用價值。1.21.2 工業(yè)自動化生產(chǎn)線體系結(jié)構(gòu)工業(yè)自動化生產(chǎn)線體系結(jié)構(gòu)1、集成化采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐稦PGA、EPLD、CPLD 以及專用集成電路 ASIC 芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運行速度。應(yīng)用 FPD 平板顯示技術(shù)，可提高顯

15、示器性能。平板顯示器具有含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點，可實現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和CRT 抗衡的新興顯示技術(shù)，是 21 世紀顯示技術(shù)的主流。應(yīng)用先進封裝和互連技術(shù)，將半導體和表面安裝技術(shù)融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價格，改進性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。2、模塊化硬件模塊化易于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標準化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如 CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。3、無人化機床聯(lián)網(wǎng)可進行遠程控制和無人化操作。通過機

16、床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設(shè)定、操作、運行，不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上。4、通用型開放式閉環(huán)控制模式采用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實現(xiàn)加工過程的多目標優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實時加工過程中動態(tài)調(diào)整加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實時動態(tài)

17、全閉環(huán)控制模式，易于將計算機實時智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。- 5 -第二章第二章 可編程控制器可編程控制器2.12.1 可編程控制器的定義可編程控制器的定義PLC 即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義

18、：PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(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。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。定義強調(diào)了可編程控制控制器是“數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)”，是一種計算機。它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計”的工業(yè)計算機，是一種用程序來改變控制功能的工業(yè)控制計算機，除了能完成各種各樣的控制功能外，還有與其他計算機通信聯(lián)網(wǎng)的功能。這種工業(yè)計算機采用“面向用戶的指令”，因此

19、編程方便。它能完成邏輯運算、順序控制、定時計數(shù)和算術(shù)操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸出輸入控制”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴充”?？删幊炭刂破髂苤苯討?yīng)用于工業(yè)環(huán)境，它需具有很強的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。2.22.2 可編程控制器的發(fā)展概況可編程控制器的發(fā)展概況隨著計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器的應(yīng)用已廣泛普及，成為自動化技術(shù)的重要組成部分?？删幊炭刂破髯钕瘸霈F(xiàn)在美國，1968 年，美國的通用汽車公司（GM）提出了研制一種新型控制器的要求，并從用戶的角度提出新一代控制器應(yīng)具備以下十大條件：(1)編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序。(2)維護方便，最好是插

20、件式。(3)可靠性高于繼電器控制柜。(4)體積小于繼電器控制柜。(5)可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機。(6)在成本上可與繼電器控制柜競爭。- 6 -(7)輸入可以是交流 115V（即用美國的電網(wǎng)電壓） 。(8)輸出為交流 115V、2A 以上，能直接驅(qū)動電磁閥。(9)在擴展時，原有系統(tǒng)只需要很小的變更。(10) 用戶程序存儲器容量至少能擴展到 4KB。1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應(yīng)用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上，當時叫可編程邏輯控制器 PLC，目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。特別是進入 20 世紀 80 年代以來，PLC

21、 已廣泛地使用 16 位甚至 32 位微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路。這時的 PLC 還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID 調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。PLC 是微機技術(shù)和傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其基本設(shè)計思想是把計算機功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來。2.32.3 可編程控制器的基本組成及特點可編程控制器的基本組成及特點可編程控制器主要由 CPU、存儲器、基本 I/O 接口電路、外設(shè)接口、編程裝置、電源等組成?？删幊炭刂破鞯奶攸c：1.可靠性高，抗干擾能力強PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模

22、集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。故障也就大大降低。此外，PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。2編程簡單，使用方便。 梯形圖是用得最多的可編程序控制器的編程語言，其符號與繼電器電路原理圖相似。梯形圖語言形象直觀，易學易懂。3控制靈活，程序可變，具有很好的柔性。產(chǎn)品采用模塊化形式，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。硬件配置確定后，可通過修改用戶程序，

23、不用改變硬件，方便快速適應(yīng)工藝條件的變化，具有很好的柔性。4功能強，擴充方便，性價比高。有很強的邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理、PID 調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。擴充非常方便。5系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)- 7 -設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。6體積小，重量輕，能耗低以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。第三章第三章 自動生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)自動生產(chǎn)線實

24、訓系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)3.13.1 工業(yè)自動生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)自動生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)自動化生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)，是為高職學院學生提高動手能力和實踐技能而設(shè)計的一套實用性實訓設(shè)備。該裝置由八套各自獨立而又緊密相連的工作站和一套監(jiān)控站組成。這八站分別為：上料檢測站、搬運站、加工站、搬運分揀站、傳送站、安裝站、安裝搬運站和分類站。該實訓裝置的一大顯著特點是：具有較好的柔性，即每站各有一套 PLC 控制系統(tǒng)獨立控制。將八個模塊分開培訓可以容納較多的學員同時學習。在基本單元模塊培訓完成以后，通過組建 PLC 網(wǎng)絡(luò)，又可以將相鄰的兩站、三站直至八站連在一起，學習復(fù)雜系統(tǒng)的控制、編程、裝配和調(diào)試技術(shù)。該系統(tǒng)囊括了機電一

25、體化等專業(yè)學習中所涉及的諸如電機驅(qū)動、氣動、PLC（可編程控制器） 、傳感器等多種技術(shù)，給學生提供了一個典型的綜合操作平臺，使學生將學過的各門專業(yè)知識在這里得到全面認識、綜合訓練和相互提升。1.系統(tǒng)個硬件結(jié)構(gòu)（1）上料檢測站由料斗、回轉(zhuǎn)臺、工件滑道、提升裝置、檢測工件和顏色的光電開關(guān)、開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、直流減速電機、電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完成回傳上料臺將工件依次送到檢測工位，提升裝置將工件提升并檢測工件顏色。（2）搬運站由機械手、氣爪、回轉(zhuǎn)臺、電感式傳感器、開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、多種類型電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完成將工件

26、從上站搬至下一站。（3）加工站由回轉(zhuǎn)工作臺、打孔電機組件、檢測缸組件、檢測工件轉(zhuǎn)臺到位傳感器、開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、直流減速電機、多種類型電磁閥及 SMC氣缸組成，主要完成用回轉(zhuǎn)工作臺將工件在四個工位間轉(zhuǎn)換，鉆孔單元打孔，檢測打孔深度。（4）搬運分揀站- 8 -由機械手、氣爪、電感式傳感器、開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、多種類型電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完成在加工后的物料送到指定位置，分揀站的機械手開始左右移動分揀搬運物料，將合格物料搬運至傳送站，其基本原理類同于搬運站。其分揀是通過傳感器 IB2 來控制的。（5）傳送站由交流電動機、變頻器、傳

27、送帶、電感式傳感器、開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、 ，主要完成當分揀站將合格物料送至傳送站傳送帶上，此時光電傳感器 B1 檢測到信號，PLC 驅(qū)動變頻器，使電機轉(zhuǎn)動，運送物料；當物料到達指定位置時，此時光電傳感器 B2 檢測到信號，PLC 驅(qū)動變頻器，使電機停止轉(zhuǎn)動。（6）安裝站由吸盤機械手、上下?lián)u臂部件、料倉換位部件、工件推出部件、真空發(fā)生器、開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、多種類型電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完成選擇要安裝工件的料倉，將工件從料倉中推出，將工件安裝到位。（7）安裝搬運站由平移工作臺、回轉(zhuǎn)工作臺、塔吊臂、機械手、氣爪、開關(guān)電源、可編程序控

28、制器、按鈕、I/O 接口板、多種類型電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完成將上站工件拿起放入安裝工位，將裝好工件拿起放下一站。（8）分類站由滾珠絲杠、滑杠推出部件、分類料倉、開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、步進電機及驅(qū)動器、直流減速電機、電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完成按工件類型分類，將工件推入不同的倉位。2.控制技術(shù)1.該柔性自動化生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)每一站都有一套獨立的控制系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)可拆分開來學習，以保證初學者容易入門和足夠的學習工位，而將各站聯(lián)在一起集成為系統(tǒng)后，能為學員提供一個學習復(fù)雜和大型控制系統(tǒng)的學習平臺，該系統(tǒng)可用不同廠商所提供的控制器進行控制。2.各站與 P

29、LC 之間由一個標準電纜進行連接，通過這個電纜可連接 8 個傳感器信號和 8 個輸出控制信號。通過該電纜各站的傳感器和輸出控制器可得到 24V 電壓。3.各站都可通過一塊控制面板來控制 PLC 使各站按要求進行工作，一個控制面板上有 5 個按鈕開關(guān)，二個選擇開關(guān)和一個急停開關(guān)。各開關(guān)的控制功能定義如表3-1 所示。表 3-1 開關(guān)的控制功能- 9 -序號序號項目項目說明說明序號序號項目項目說明說明1.帶燈按鈕，綠色開始5.兩位旋鈕，黑色單站/聯(lián)網(wǎng)2.帶燈按鈕，黃色復(fù)位6.按鈕，紅色停止3.按鈕，黃色調(diào)試按鈕7.帶燈按鈕，綠色上電4.兩位旋鈕，黑色手動/自動8.急停按鈕，紅色急停3.工作過程圖

30、3-1 給出了系統(tǒng)中工件從一站到另一站的物流傳遞過程：上料檢測站將大工件按順序排好后提升送出。搬運站將大工件從上料檢測站搬至加工站。加工站將大工件加工后送出工位。搬運分揀站是將加工好的工件搬運同時分揀次品和正品。傳送站是將工件傳送到下一站。安裝搬運站將大工件搬至安裝工位放下。安裝站再將對應(yīng)的小工件裝入大工件中。而后，安裝搬運站再將安裝好的工件送分類站，分類站再將工件送入相應(yīng)的料倉。圖 3-1系統(tǒng)工作流程圖3.23.2 工業(yè)自動生產(chǎn)線單站功能及系統(tǒng)程序設(shè)計工業(yè)自動生產(chǎn)線單站功能及系統(tǒng)程序設(shè)計一、上料檢查站1、上料檢測站設(shè)計實現(xiàn)的功能下上電按鈕，上電燈亮，復(fù)位燈閃爍下復(fù)位按鈕，復(fù)位燈滅，氣缸下降，

31、開始等閃爍 下開始按鈕，電機轉(zhuǎn)，送物料 料至升降臺，觸動貨臺光電傳感器，氣缸通電上升，直至觸動傳感器的氣缸上眼，升降臺停- 10 - 物料被運走，氣缸失電下降到下限位停止 降臺下限位傳感器在 10S 后沒有檢測到物體，報警燈亮，報警鳴聲 下急停按鈕，系統(tǒng)停止，再次從 1 步驟開始2、上料檢查站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-2 所示。圖 3-2 上料檢查站設(shè)計的系統(tǒng)程序3、上料檢查站系統(tǒng)硬件接線圖如圖 3-3 所示。- 11 -圖 3-3 上料檢查站系統(tǒng)硬件接線圖二、工件搬運站1、工件搬運站設(shè)計實現(xiàn)的功能按下上電按鈕，上電燈亮，復(fù)位燈閃爍（f=1s） 。 按下復(fù)位按鈕，機械手放松，上升臂縮回，機械手左

32、旋，開始燈閃爍，復(fù)位燈滅。 按下開始按鈕，調(diào)試按鈕，手臂出，機械手下降，夾緊物體，手臂上升再縮回，手臂右旋。 手臂伸出，下降，機械手放松，再上升，手臂縮回，再左旋。2、工件搬運站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-4 所示。- 12 -圖 3-4 工件搬運站設(shè)計的系統(tǒng)程序3、工件搬運站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-5 所示。圖 3-5 工件搬運站系統(tǒng)硬件接線三、工件加工站1、工件加工站設(shè)計實現(xiàn)的功能下上電按鈕，上電燈亮，復(fù)位燈閃爍（f=1s） 下復(fù)位按鈕，工作臺旋轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位（輔助加工，模擬加工臺和加工推臺回到初始位置）開始燈閃爍（f=1s）- 13 - 下開始按鈕，傳感器檢測到工件，旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位

33、后，模擬加工臺，輔助加工臺，加工推動臺的電磁閥動作，Q0.2、 Q0.3、Q0.4 燈亮，模擬加工臺，輔助加工臺下降到下限位，加工推動臺前移到前限位后停止，鉆頭旋轉(zhuǎn)電機動作開始加工工件，即 Q0.1 亮，加工好后(幾秒后)，模擬加工臺，加工推動器，后移到后限位下急停按鈕，系統(tǒng)停止，再次上電以 1 步驟，開始運行。2、工件加工站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-6 所示。圖 3-6 工件加工站設(shè)計的系統(tǒng)程序3、工件加工站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-7 所示。- 14 -圖 3-7 工件加工站系統(tǒng)硬件接線四、搬運分揀站1、搬運分揀站設(shè)計實現(xiàn)的功能下上電按鈕，上電燈亮，復(fù)位燈閃爍（f=1s）下復(fù)位按鈕，復(fù)位燈滅，開

34、始燈閃爍 下開始按鈕，機械手下降，夾緊物體，機械手上升a 如果物品是正品，則氣夾右移到右限位下降，氣夾張開，放下物品，然后上升到上限位，右移，右限位。b 如果物品是次品，則機械手右移到中間限位然后下降，氣夾張開，物品掉下，然后氣夾上升，上升到位后右移到位，氣缸把次品推出到次品筐- 15 -2、搬運分揀站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-8 所示。圖 3-8 搬運分揀站設(shè)計的系統(tǒng)程序圖 3-8 搬運分揀站設(shè)計的系統(tǒng)程序3、搬運分揀站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-9 所示。- 16 -圖 3-9 搬運分揀站系統(tǒng)硬件接線五、運輸傳送站1、運輸傳送站設(shè)計實現(xiàn)的功能按下上電按扭，復(fù)位燈閃爍，按下復(fù)位按扭，復(fù)位動作，開始燈

35、閃爍，按下開始按鈕，電機正轉(zhuǎn)，電機停止（循環(huán)往復(fù)動作，出現(xiàn)故障，應(yīng)按下急停按鈕，使PLC 停止工作）2、運輸傳送站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-10 所示。圖 3-10 運輸傳送站設(shè)計的系統(tǒng)程序3、運輸傳送站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-11 所示。- 17 -圖 3-11 運輸傳送站系統(tǒng)硬件接線六、安裝站1、安裝站設(shè)計實現(xiàn)的功能下上電按鈕，上電成功，復(fù)位燈閃爍，按下復(fù)位按鈕，執(zhí)行復(fù)位動作，使手臂上升到位，并回到初始位置。下開始按鈕，按照程序的動作流程依次完成氣夾的下降，上升，手臂的右轉(zhuǎn)到中間位置再下降，手臂回到左限位，并完成各汽缸的動作過程2、安裝站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-12 所示。- 18 -圖 3-

36、12 安裝站設(shè)計的系統(tǒng)程序3、安裝站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-13 所示。圖 3-13 安裝站系統(tǒng)硬件接線- 19 -七、安裝搬運站1、安裝搬運站設(shè)計實現(xiàn)的功能按下上電按鈕，復(fù)位燈閃爍，按下復(fù)位按鈕，復(fù)位燈動作，開始燈閃爍，按下開始按鈕，手臂打出，氣缸推出，手臂打回，手臂縮回，吸盤吸和，物料桶移出，手臂打出，吸盤停止吸氣，手臂打回第八站 網(wǎng)聯(lián)2、安裝搬運站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-14 所示。圖 3-14 安裝搬運站設(shè)計的系統(tǒng)程序- 20 -3、搬運安裝站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-15 所示。圖 3-15 搬運安裝站系統(tǒng)硬件接線八、分類站1、分類站設(shè)計實現(xiàn)的功能 按工件類型分類，將工件推入不同的倉位2、

37、分類站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-16 所示。圖 3-16 分類站設(shè)計的系統(tǒng)程序- 21 -3.分類站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-17 所示圖 3-17 分類站系統(tǒng)硬件接線3.33.3 工業(yè)自動生產(chǎn)線通信系統(tǒng)設(shè)計工業(yè)自動生產(chǎn)線通信系統(tǒng)設(shè)計Profibus-DP（Decentralized Periphery,分布式外圍設(shè)備） ，在 Profibus 現(xiàn)場總線中，Profibus-DP 的應(yīng)用最廣。Profibus-DP 協(xié)議主要用于 PLC 與分布式 I/O和現(xiàn)場設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸。典型的 DP 配置是單主站結(jié)構(gòu)，也可以是多主站結(jié)構(gòu)。 Profibus-DP 使用第一層、第二層和用戶接口層，這種精簡的結(jié)

38、構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳輸。它的基本功能如下：1、總線存取方法各主站間為令牌傳送，主站與從站間為主-從循環(huán)傳送，支持單主站或多主站系統(tǒng)，總線上最多 126 個站?？梢圆捎命c對點用戶數(shù)據(jù)通信、廣播（控制指令）方式和循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)通信。2、循環(huán)數(shù)據(jù)交換DP-V0 可以實現(xiàn)中央控制器（PLC,PC 或過程控制系統(tǒng)）與分布式現(xiàn)場設(shè)備（從站，例如 I/O、閥門、變送器和分析儀等）之間的快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，主站發(fā)出請求報文，從站收到后返回響應(yīng)報文。這種循環(huán)數(shù)據(jù)交換是在被稱為 MS0 的連接上進行的。3、診斷功能經(jīng)過擴展的 PROFIBUS-DP 診斷，能對站級、模塊級、通道級這 3 個故障進行診斷和快速定位

39、，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。本站診斷操作：對本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)的診斷，例如溫度過高，壓力過低。- 22 -模塊診斷操作：對站點內(nèi)部某個具體的 I/O 模塊的故障定位。通道診斷操作：對某個輸入/輸出通道的故障定位。4、保護功能所有信息的傳輸按海明距離 HD=4 進行。對 DP 從站的輸出進行存取保護，DP 主站用監(jiān)控定時器監(jiān)視與從站的通信，對每個從站都有獨立的監(jiān)控定時器。在規(guī)定的監(jiān)視時間間隔內(nèi)，如果沒有執(zhí)行用戶數(shù)據(jù)傳送，將會使監(jiān)控定時器超時，通知用戶程序進行處理。如果參數(shù)“Auto_Clear”為 1，DPM1 將退出運行模式，并將所有有關(guān)的從站的輸出置于故障安全狀態(tài)，然后進入清除（

40、Clear）狀態(tài)。DP 從站用看門狗（Watchdog Timer，監(jiān)控定時器）檢測與主站的數(shù)據(jù)傳輸，如果在設(shè)置的時間內(nèi)沒有完成數(shù)據(jù)通信，從站自動地將輸出切換到故障安全狀態(tài)。在多主站系統(tǒng)中，從站輸出操作的訪問保護是必要的。這樣可以保證只有授權(quán)的主站才能直接訪問。其他從站可以讀它們的輸入的映像，但是不能直接訪問。5、通過網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)功能與控制功能通過網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)下列功能：動態(tài)激活或關(guān)閉 DP 從站，對 DP 主站（DPM1）進行配置，可以設(shè)置站點的數(shù)目、DP 從站的地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)的格式、診斷報文的格式等，以及檢查 DP 從站的組態(tài)?？刂泼羁梢酝瑫r發(fā)送給所有的從站或部分從站。6、同步與鎖定功

41、能主站可以發(fā)送命令給一個從站或同時發(fā)送給一組從站。接收到主站的同步命令后，從站進入同步模式。這些從站的輸出被鎖定在當前狀態(tài)。在這之后的用戶數(shù)據(jù)傳輸中，輸出數(shù)據(jù)存儲在從站，但是它的輸出狀態(tài)保持不變。同步模式用“UNSYNC”命令來解除。7、DPM1 和 DP 從站之間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸DPM1 與有關(guān) DP 從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由 DPM1 按照確定的遞歸順序自動進行的。在對總線系統(tǒng)進行組態(tài)時，用戶定義 DP 從站與 DPM1 的關(guān)系，確定哪些 DP 從站被納入信息交換的循環(huán)。DMP1 和 DP 從站之間的數(shù)據(jù)傳送分為 3 個階段：參數(shù)化、組態(tài)和數(shù)據(jù)交換。在前兩個階段進行檢查，每個從站將自己的實

42、際組態(tài)數(shù)據(jù)與從 DPM1 接收到的組態(tài)數(shù)據(jù)進行比較。設(shè)備類型、格式、信息長度與輸入/輸出的個數(shù)都應(yīng)一致，以防止由于組態(tài)過程中的錯誤造成系統(tǒng)的檢查錯誤。只有系統(tǒng)檢查通過后，DP 從站才進入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。在自動進行用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，也可以根據(jù)用戶的需要向 DP 從站發(fā)送用戶定義的參數(shù)。8、DPM1 和系統(tǒng)組態(tài)設(shè)備間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸PROFIBUS-DP 允許主站之間的數(shù)據(jù)交換，即 DPM1 和 DPM2 之間的數(shù)據(jù)交換。該- 23 -功能使組態(tài)和診斷設(shè)備通過總線對系統(tǒng)進行組態(tài)，改變 DPM1 的操作方式，動態(tài)地允許或禁止 DPM1 與某些從站之間交換數(shù)據(jù)。第四章第四章 論文總結(jié)論文總結(jié)經(jīng)過這次

43、畢業(yè)論文寫作，我對方法做了歸納，之前我習慣用功能流程寫程序，遇到難點的時候習慣翻書，對照例子提取點精華。現(xiàn)在能靈活運用經(jīng)驗設(shè)計法、電氣原理圖設(shè)計法、順序控制設(shè)計法。特別對順序控制設(shè)計有了一定的了解。這里面我認最經(jīng)典的是單序列的編程方法、選擇序列的編程方法和并行序列的編程方法這個三個是很值得研究的，也是一種格式。只要你能熟悉掌握，靈活應(yīng)用的話，那么編程對你來說將變的非常容易。一個流程圖無論多么復(fù)雜，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法編程了。當然對于簡單的流程也可以用順序設(shè)計。這種方法也是一種固定的格式，只要按照它的格式就可以寫出正確的程序，它的優(yōu)點易懂，條理清晰。但結(jié)構(gòu)多，對于活動步

44、多的設(shè)計我想用這個設(shè)計比較煩瑣。更加體會到 PLC 的可靠性高、抗干擾能力強、通用性強、控制程序可變、使用方便等優(yōu)點。更加熟悉了西門子編程軟件使用方法與各種基本指令。這次的論文設(shè)計使我把可編程控制器的理論知識用在實踐中，實現(xiàn)了理論和實踐相結(jié)合，從中懂得理論是實踐的基礎(chǔ)，實踐又能檢驗理論的正確性，讓我受益非淺， 對我以后工作中遇到問題或者繼續(xù)學習將會產(chǎn)生巨大的幫助和影響。- 24 -參考文獻參考文獻1廖常初.西門子工業(yè)自動化系列教材(S7300/400 應(yīng)用教程) .機械工業(yè)出版社.20082張進秋.可編程控制器原理及應(yīng)用實例.機械工業(yè)出版社.20043萬學春.生產(chǎn)線組裝與調(diào)試實訓教程.中國電力

45、出版社.20104戚長政.自動機與生產(chǎn)線.科學出版社.20075蘇家健,許晉仙.電氣控制與 PLC 實訓.西安電子科技大學出版社.20096 廖常初.工業(yè)通信組態(tài)編程與故障診斷.機械工業(yè)出版社.20097 羅紅福.PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線工程應(yīng)用實例解析.中國電力出版社.2008- 25 -致謝致謝非常感謝趙光藝老師在我大學的最后學習階段畢業(yè)論文階段給我的指導，在本論文的寫作過程中，我的導師趙光藝老師傾注了大量的心血，從最初的定題，到資料的收集、寫作、修改，一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴格把關(guān)，循循善誘直至論文定稿，他給了我耐心的指導和無私的幫助。為了指導我的畢業(yè)論文，他放棄了自

46、己的休息時間，他的這種無私奉獻的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向他表示我誠摯的謝意！同時，感謝所有任課老師和所有同學在這三年來給我的指導和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學習，教會了我如何做人。在這三年的時間里，我在學習上和思想上都受益匪淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學和朋友的關(guān)心、支持是分不開的，我才能在各方面取得顯著的進步。畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在安徽機電職業(yè)技術(shù)學院的三年的學習生活既將結(jié)束?；厥准韧?，自己一生最寶貴的時光能于這樣的校園之中，能在眾多學富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實是榮幸之極。在此向他們表示我由衷的謝意！并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下！- 26 -指導教師評語指導教師評語等級等級簽名簽名日期日期