電氣工程自動化PLC設計.doc

佳木斯大學信息電子技術學院2011級專業(yè)綜合實訓報告題目： 基于PLC控制的自動供料及加工系統(tǒng)的設計姓 名：班 級：電氣自動化二班學 號：指導教師：王琨第1章 緒論6 1.1 倒車雷達研究的背景及意義61.2 國內外倒車雷達的發(fā)展現(xiàn)狀61.3 雷達的發(fā)展6第2章 超聲波倒車雷達的工作原理92.1 超聲波9第3章 電器元件、設備的選擇113.1 PLC機型的選擇113.2 傳感器123.3 電磁閥14第4章 控制系統(tǒng)的軟硬件設計154.1 控制系統(tǒng)的硬件設計154.2 控制系統(tǒng)的軟件設計18第5章 設計小結25參考文獻28第1章 緒論1.1 設計目的及要求目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，因此PLC在控制領域取得廣泛應用。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，PLC和組態(tài)都是非常重要的技術，掌握這項技術，對我們從事機電的人來說是非常必要的。這次我們畢業(yè)設計的題目是：“基于PLC控制的自動供料及加工系統(tǒng)的設計”。在這次畢業(yè)設計中，我們小組4人，我負責硬件的部分，其他3人分別負責組態(tài)、軟件和調試。這次畢業(yè)設計的主要目的是培養(yǎng)我們的一種對PLC的認知方法。掌握自動供料及加工系統(tǒng)的工作原理、工作過程以及其控制操作方式、PLC控制的設計、編程方法、系統(tǒng)調試、故障檢測及排除方法。這次畢業(yè)設計，是對我們三年來所學有關機電知識的強化，使我們對機電一體化設備的控制有更深一步的理解，加深PLC,傳感器,電磁閥,氣缸等電氣設備的認識.。培養(yǎng)了我們的思維和動手能力，為我們以后的工作和學習打下基礎。1.2亞龍生產線概述亞龍生產線實訓考核設備由安裝在鋁合金導軌式實訓臺商的送料單元、加工單元、裝配單元、輸送單元和分揀單元等5個單元組成。其中，每一個單元都可自成一個獨立的系統(tǒng)，同時也都是一個機電一體化的系統(tǒng)。各個單元的執(zhí)行機構大部分以氣動執(zhí)行機構為主，但輸送單元的機械手裝置整體運動則采取步進電機驅動、精確的位置控制，該驅動具有長行程、多定位點的特性，是一個典型的一維位置控制系統(tǒng)。分揀單元的傳送帶驅動則采用了通用變頻器驅動三項異步電動機的交流傳動裝置。位置控制和變頻控制技術是現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)應用最為廣泛的電氣控制技術。 在設備商應用了多種類型的傳感器，分別用于判斷物體的運動位置、物體通過的狀態(tài)、物體的顏色及材質等。傳感器技術是機電一體化技術的關鍵技術，是現(xiàn)代工業(yè)實現(xiàn)高度自動化的前提之一。在控制方面,采用了基于RS485串行通信的PLC網(wǎng)絡控制方案。即每一工作單元由一臺PLC承擔其控制任務，各PLC之間通過RS485串行通訊實現(xiàn)互連的分布控制方式。用戶可根據(jù)需要選擇不同廠家的PLC及其所支持的RS485通信模式，組建成一個小型的PLC網(wǎng)絡。小型PLC網(wǎng)絡以其結構簡單，價格低廉的特點在小型自動化生產線仍然有著廣泛的應用，在現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡通信中仍占據(jù)相單的份額。另一方面掌握基于RS485串行通信的PLC網(wǎng)絡技術將為進一步學習現(xiàn)場總線技術、工業(yè)以太網(wǎng)絡技術等打下良好的基礎。一、整個生產線各個單元的基本功能如下：1、供料單元的基本功能：按照需要將放置在料倉中待加工的工件自動送出到物料臺上，以便輸送單元的抓取機械手裝置將工件抓取送往其他工作單元。 2、 加工單元的基本功能：把該單元物料臺上的工件（工件由輸送單元的抓取機械手裝置送來）送到?jīng)_壓機構下面，完成一次沖壓加工動作，然后再送回到物料臺上，待輸送單元的抓取機械手裝置取出。3、 裝配單元的基本功能：完成將該單元料倉內的黑白或白色小圓柱工件嵌入到以加工的工件中的裝配過程。 4、分揀單元的基本功能：完成將上一單元送來的以加工、裝配的工件進行分揀，使不同顏色的工件從不同的滑槽分流出來的功能。 5、輸送單元的基本功能：該單元具有精確定位到指定單元的物料臺，在物料太上抓取工件，把抓取到的工件輸送到指定地點然后放下的功能。 二、 設備的特點如下：設備中的各工作單元均安放在實訓臺上，便于各個機械機構及氣動部件的拆卸和安裝，控制線路的布線、氣動電磁閥及氣管安裝。其中，輸送單元采用了最為靈活的拆裝式模塊結構：組成該單元的按鈕/指示燈模塊、電源模塊、PLC模塊、步進電機驅動器模塊等放在抽屜式模塊放置架上；模塊之間、模塊與實訓臺上接線端子排之間的連接方式采用安全導線連接，最大限度滿足了綜合性實訓的要求。整個生產線所使用的PLC均為西門子S7-200系列的PLC。第2章 生產線簡介2.1自動生產線的結構和工作過程生產線包括下料、加工、裝配、搬運、分揀等工作站（圖1-1），構成一個典型的機電一體化設備的機械平臺；采用RS485串行通訊方式實現(xiàn)分布式的控制，從而組成自動加工、裝配生產線，真實呈現(xiàn)自動生產線的加工過程。加工站供料站裝配站分揀站搬運站站 圖1-1各工作單元的結構和功能如下：1供料單元 供料站主要由料倉及料槽、頂料氣缸、推料氣缸和物料臺以及相應的傳感器、電磁閥構成;2加工單元加工站主要由物料臺、夾緊機械手、物料臺伸出/縮回氣缸、加工（沖壓）氣缸以及相應的傳感器、電磁閥構成;3裝配單元 裝配站主要有供料單元、旋轉送料單元、機械手裝配單元、放料臺以及相應的傳感器、電磁閥構成;4分揀單元分揀站主要有傳送帶、變頻器、三相電機、推料氣缸、電磁閥和定位光電傳感器及區(qū)分黑白兩種顏色的光纖傳感器構成;5搬運單元搬運站主要有步進電機、步進驅動器、線性導軌、四自由度搬運機械手、電磁閥和原點定位開關構成。第3章 電器元件、設備的選擇3.1 PLC機型的選擇根據(jù)被控對象對PLC控制系統(tǒng)的功能要求，可進行PLC型號的選定。進行PLC選型時，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時要兼顧維修，備件的通用性。對開關量控制的系統(tǒng)，當控制速度要求不高時，一般的小型PLC都可以滿足要求，如對小型泵的順序控制，單臺機械的自動控制等。當控制速度要求較高，輸出有高速脈沖信號等情況時，要考慮輸入/輸出點的形式，最好采用晶體管形式輸出。對帶有部分模擬量控制的應用系統(tǒng)，如工業(yè)生產中經(jīng)常遇到的溫度，壓力、流量、液位等連續(xù)量的控制，應選擇具有所需功能的PLC主機，還要根據(jù)需要選擇相應的模塊，配接相應的傳感器、變頻器和驅動裝置。輸入/輸出的點數(shù)可以衡量PLC規(guī)模的大小。準確統(tǒng)計被控對象的輸入信號和輸出信號總點數(shù)并考慮今后系統(tǒng)的調整和擴充，在實際統(tǒng)計I/O點數(shù)基礎上，一般應加上10%20%的備用點數(shù)，多數(shù)小型PLC為整體式，具有體積小、價格便宜等優(yōu)點，適于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡單的系統(tǒng)。模塊式結構的PLC采用主機模塊與輸入模塊、功能模塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊，判斷與處理故障快速方便，適用于工藝變化較多，控制要求復雜的系統(tǒng)。此外還應考慮用戶存儲器的容量，PLC的處理速度是否能滿足實時控制的要求，編程器與外圍設備的選擇等。根據(jù)實際需要供料單元設有頂料到位傳感器、頂料復位傳感器、推料到位傳感器、推料復位傳感器、物料不夠檢測傳感器、物料有無檢測傳感器、物料臺物料檢測傳感器，外加一個啟/停按鈕共8個輸入點，而自動加工單元應設有物臺物料檢測傳感器、料臺夾緊檢測傳感器、料臺伸出到位傳感器、料臺縮回到位傳感器、加工壓頭上限傳感器、加工壓頭下限傳感器、急停按鈕、啟/停按鈕共8個輸入點。供料單元設有頂料電磁閥和推料電磁閥2點繼電器輸出，加工單元設有夾緊電磁閥、料臺伸縮電磁閥、加工壓頭電磁閥3點繼電器輸出。由此可見供料單元和加工單元都選用西門子S7-222主單元（8點輸入和6點繼電器輸出）即可。3.2 傳感器供料單元頂料缸兩端分別安裝兩個磁感應接近開關，用以檢測頂料活塞桿頂料到位和頂料復位；物料有無檢測、物料不夠檢測和物料臺物料檢測都選用漫射式光電接近開關。加工單元夾緊缸安裝一個磁感應接近開關，料臺伸縮缸分別安裝兩個磁感應接近開關，加工缸也分別安裝兩個磁感應接近開關；物臺物料檢測選用分別安裝兩個磁感應接近開關。磁感應接近開關的工作原理是：當磁性物質接近傳感器時，傳感器便會動作，并輸出傳感器信號。而在供料單元和加工單元的氣缸活塞桿上都分別安裝有磁性物質，這樣以來在氣缸缸筒外面的兩端位置各安裝一個磁感應式接近開關，就可以用這兩個傳感器分別識別氣缸運動的兩個極限位置。在PLC的自動控制中，就可以利用該信號判斷料缸的運動狀態(tài)或所處位置。在傳感器上設有LED顯示用于顯示傳感器的信號狀態(tài)，供調試時使用。傳感器動作時，輸出信號“1”，LED亮；傳感器不動作時，輸出信號為“0”，LED不亮。傳感器的安裝位置可以調整的，如圖3-1所示。 圖3-1磁感應接近開關漫射式光電接近開關的工作原理是利用光照射到被測物體上后反射回來的光線而工作的。在工作時，光發(fā)射器始終發(fā)射檢測光，若接近開關前方一定距離內沒有被測物，則沒有光被反射到接收器，接近開關處于常態(tài)而不動作；反之若接近開關前方一定距離內有被測物，只要反射回來的光強度足夠，則接收器收到足夠的漫射光使接近開關動作而改變輸出的狀態(tài)。圖3-2為漫射式光電接近開關的工作原理圖：圖3-2漫射式光電接近開關的工作原理圖這樣，供料單元中料倉有無儲料或儲料是否充足就可用兩個漫射式光電接近開關的信號狀態(tài)反映出來。在控制程序中，就可用漫射式光電接近開關的狀態(tài)來判斷底座和裝料管中儲料的情況，為實現(xiàn)自動控制奠定了硬件基礎。物料臺面開有小孔，物料臺下面也設有一個漫射式光電接近開關，工作時向上發(fā)出光線，從而透過小孔檢測是否有工件存在，以提供物料臺有無工件的信號。在供料單元的控制程序中，就可以利用漫射式光電接近開關的狀態(tài)來判斷是否需要供料。同樣的原理加工單元中物料是否送入物料臺也可被檢測出來。3.3 電磁閥供料單元中電磁閥使用兩個二位五通的帶手空開關的單電控電磁閥。在供料單元中所采用的電磁閥，帶手動換向、枷鎖鈕，有鎖定和開啟兩個位置。用小螺絲刀把加鎖鈕旋到在鎖定位置時，手動開關向下凹進去，不能進行手動控制。只有在開啟位置時，可用工具向下按，信號為“1”，等同于該側的電磁信號為“1”。在進行設備調試時，可以使用手控開關對其進行控制，從而實現(xiàn)對相應氣路的控制，以改變推料缸等執(zhí)行機構的控制，達到調試的目的。加工單元中使用三個二位五通的帶手空開關的單電控電磁閥。這三個閥分別對沖壓氣缸、物料抬手爪氣缸和物料臺伸縮氣缸的氣路進行控制，以改變各自的動作狀態(tài)。在進行設備調試時使用手控開關處于開啟位置，可以使用手控開關對閥進行控制，從而實現(xiàn)對相應氣路控制，以改變沖壓氣缸等執(zhí)行機構的控制，達到調試的目的。第4章 控制系統(tǒng)的軟硬件設計4.1 控制系統(tǒng)的硬件設計4.1.1 供料單元的結構組成供料單元的基本功能是：按照需要將放置在料倉中待加工的工件自動送出到物料臺上，以便輸送單元的抓取機械手裝置將工件抓取送往其他工作單元。供料單元的實物全貌如圖4-1所示：圖4-1供料單元的實物全貌工件漏斗，閥組，端子排組件，PLC，急停按鈕和啟動/停止按鈕，走線槽、底板等。圖4-2 供料單元的結構組成1 工件推出與支撐及漏斗部分該部分如圖4-3所示。用于儲存工件原料，并在需要時將料倉中最下層的工件推出到物料臺上。該部分的工作原理是：工件垂直疊放在料倉中，推料缸處于料倉的底層并且其活塞桿可從料倉的底部通過。當活塞桿在退回位置時，它與最下層工件處于同一水平位置，而夾緊氣缸則與次下層工件處于同一水平位置。在需要將工件推出到物料臺上時，首先使夾緊氣缸的活塞桿推出，壓住次下層工件；然后使推料氣缸活塞桿推出，從而把最下層工件推到物料臺上。在推料氣缸返回并從料倉底部抽出后，再使夾緊氣缸返回，松開次下層工件。這樣，料倉中的工件在重力的作用下，就自動向下移動一個工件，為下一次推出工件做好準備。為了使汽缸的的動作平穩(wěn)可靠，氣缸的作用氣口都安裝了限出型截流閥。氣缸截流閥的作用是調節(jié)氣缸的動作速度。節(jié)流閥上帶有氣管的快速接頭，只要將合適外徑氣管往快速接頭上一插就可以將管連接好了，使用時十分方便。圖4-4是安裝了帶快速接頭的限出型氣缸節(jié)流閥的氣缸外觀。圖4-3 進料模塊和物料臺圖4-4安裝上氣缸節(jié)流閥的氣缸圖4-5是一個雙動氣缸裝有兩個限出型汽缸節(jié)流閥的連接和調節(jié)原理示意圖。當調節(jié)節(jié)流閥A時，是調節(jié)氣缸的伸出速度，而調節(jié)節(jié)流閥B時，可調節(jié)氣缸的縮回速度。圖4-5 節(jié)流閥連接和調整原理示意從圖4-4上可以看出，氣缸兩端分別有縮回限位和伸出限位兩個極限位置。這兩個極限位置都分別安裝有一個磁感應接近開關.，可以用這兩個傳感器分別標示氣缸運動的兩個極限位置。當氣缸運動的哪一端時，哪一端的次感應開關就動作并發(fā)出電信號。在PLC的自動控制中，就可以利用該信號判斷推料及頂料缸的運動狀態(tài)及位置，以確定工件是否被推出或氣缸是否返回。在傳感器上設置的LED顯示用于顯示傳感器的信號狀態(tài)。供調試時使用。傳感器動作時，輸出信號“1”LED亮；傳感器不動作時。輸出信號“0”，LED不亮。傳感器的安裝位置可以調整，調整方法是松開磁性開關的緊定螺釘，讓磁性開關在氣缸的滑軌里滑動，到達指定位置后，再緊定螺釘。2 電磁閥組閥組，就是將多個閥集中在一起構成的一組閥，而每個閥的功能是彼此獨立的。供料單元的閥組只使用兩個由二位五通的帶手控開關的單電控電磁閥，兩個閥集中在匯流板上，匯流板中兩個排氣口末端均連接了消聲器，消聲器的作用是減少閥氣在向大氣排放時的噪聲。閥組的組裝如圖4-6所示。本單元所采用的電磁閥，帶手動換向、枷鎖鈕，有鎖定和開啟兩個位置。用小螺絲刀把加鎖鈕旋到在鎖定位置時，手動開關向下凹進去，不能進行手動控制。只有在開啟位置時，可用工具向下按，信號為“1”，等同于該側的電磁信號為“1”。常態(tài)時，手動開關的信號為“0”。在進行設備調試時，可以使用手控開關對其進行控制，從而實現(xiàn)對相應氣路的控制，以改變推料缸等執(zhí)行機構的控制，達到調試的目的。圖4-6 電磁閥組3接線端口接線端口采用雙層接線端子排，用于集中連接本工作單元所有電磁閥、傳感器等器件的電氣連接線、PLC的I/O端口及直流電源。上層端子用作連接公共電源正、負極，連接片的作用是將各個分散端子片進行電器短接，下層端子用作信號線的連接，固定端板是將各分散的組成部分進行橫向固定，保險座內插裝有2A的保險管。接線端口上的每一個端子旁都有數(shù)字標號，以說明端子的位地址。接線端口通過導軌固定在底板上。圖4-7和圖4-8分別是本單元的接線端口外觀和端子接線圖。圖4-7 供料單元接線端口圖4-8 供料單元端子接線圖4氣動控制回路氣動控制回路是本工作單元的執(zhí)行機構，該執(zhí)行機構的控制邏輯控制功能是由PLC實現(xiàn)的。氣動控制回路的工作與原理如圖4-9所示。圖中1A和2A分別為推料氣缸和頂料氣缸。1B1和1B2為安裝在推料缸的兩個極限工作位置的磁感應接近開關，2B1和2B2為安裝在頂料缸的兩個極限工作位置的磁感應接近開關。1Y12Y1分別為推料缸和頂料缸的電磁閥的電磁控制端。圖4-9 供料單元氣動控制回路工作原理圖5 PLC的I/O接線如圖4-10所示圖4-10 供料單元PLC的I/O接線原理圖5.1.1 加工單元的結構 加工單元的基本功能：把該單元物料臺上的工件（工件由輸送單元的抓取機械手裝置送來）送到?jīng)_壓機構下面，完成一次沖壓加工動作，然后再送回到物料臺上，待輸送單元的抓取機械手裝置取出。加工單元的實物全貌如圖4-11所示圖4-11 加工單元的實物全貌加工單元主要結構（圖4-12）組成為：物料臺及滑動機構，加工（沖壓）機構，電磁閥組，接線端口，PLC模塊，急停按鈕和啟動/停止按鈕，底板等。 圖4-121物料臺及滑動機構物料臺及滑動機構如圖4-13所示。物料臺用于固定被加工件，并把工件移到加工（沖壓）機構正下方進行沖壓加工。它主要由手爪氣缸、手指、物料臺伸縮氣缸、導軌及滑塊、磁感應式接近開關、漫射式光電傳感器組成。圖4-13 物料臺及滑動機構滑動物料臺的工作原理：滑動物料臺原始位置是處于物料臺伸縮氣缸伸出，物料臺氣動手爪張開的狀態(tài)，當輸送機構把物料送到料臺上，物料檢測傳感器檢測到工件后，PLC控制程序驅動機械手指將工件夾緊物料臺回到加工區(qū)域沖壓汽缸下方?jīng)_壓氣缸向下伸出沖壓工件完成沖壓動作后向上縮回物料臺重新伸出到位后機械手指松開的順序完成工件加工工序，并為下一次工件到來加工做準備。在移動料臺上安裝一個漫射式光電接近開關。若物料臺上沒有工件，則漫射式光電接近開關均處于常態(tài);若物料臺上有工件，則漫射式光電接近開關動作，表明物料臺上已有工件，需將工件輸送到加工位置進行加工。該光電傳感器的輸出信號送到PLC的輸入端，用以判別物料臺上是否有工件需進行加工。2加工（沖壓）機構加工（沖壓）機構。加工機構用于對工件進行沖壓加工。它主要由沖壓氣缸、沖壓頭、沖壓臺等組成。沖壓臺的工作原理：當工件到達沖壓位置時，沖壓缸伸出對工件進行加工，完成加工動作后沖壓缸縮回，為下一次沖壓做準備。沖頭根據(jù)工件的要求對工件進行沖壓加工，沖頭安裝在沖壓缸頭部。沖壓臺用于安裝沖壓缸，對沖壓缸進行固定。3電磁閥組加工單元的氣爪、物料臺伸縮氣缸和沖壓氣缸均用三個二位五通的帶手控開關的單電控制電磁閥控制，三個控制閥集中安裝在帶有消聲器的匯流板上。由于沖壓缸對氣體的壓力和流量要求比較高，故沖壓缸的配套氣管粗。這三個閥分別對沖壓氣缸、物料抬手爪氣缸和物料臺伸縮氣缸的氣路進行控制，以改變各自的動作狀態(tài)。電磁閥所帶手控開關有鎖定（LOCK）和開啟（PUSH）2種位置。在進行設備調試時使用手控開關處于開啟位置，可以使用手控開關對閥進行控制，從而實現(xiàn)對相應氣路控制，以改變沖壓氣缸等執(zhí)行機構的控制，達到調試的。4接線端口圖4-15分別是本單元的接線端口外觀和端子接線圖。圖4-15 加工單元端子接線圖5 氣動控制回路 本工作單元氣動控制回路的工作原理如圖4-16所示。IB1和IB2為安裝在沖壓氣缸的兩個極限工作位置的磁感應接近開關，2BI和2B2為安裝在物料臺的兩個極限位置的磁感應接近開關，3B1為安裝在手爪氣缸工作位置的磁感應接近開關。1Y1、2Y1和3Y1分別為控制沖壓氣缸、物料臺伸縮氣缸和手爪氣缸的電磁閥的電磁控制端。圖4-16加工單元氣動控制回路工作原理圖4 PLC的I/O接線圖如4-17所示圖4-17 PLC的I/O接線圖2 I/O地址分配4.2 控制系統(tǒng)的軟件設計4.2.1 供料單元 1流程圖頂料到位 I0.0頂料復位 I0.1推料到位 I0.2推料復位 I0.3物料不夠檢測 I0.4物料有無檢測 I0.5物料臺物料檢測 I0.6啟/停按鈕 I0.7頂料電磁閥 Q0.0推料電磁閥 Q0.13 程序 LD I0.7EU= M10.0LD M10.0LPSAN M10.1S M10.2, 1LPPA M10.1R M10.2, 1LD M10.2= M10.1LD I0.4A I0.5AN I0.6ON I0.3A M10.1= Q0.0LD I0.0AN I0.1AN I0.2AN I0.6= Q0.14.2.2 加工單元2 I/O地址分布 物臺物料檢測 I0.0 物臺夾緊檢測 I0.1 料臺伸出到位 I0.2 料臺縮回到位 I0.3 加工壓頭上限 I0.4 加工壓頭下限 I0.5 急停按鈕 I0.6 啟/停按鈕 I0.7 夾緊電磁閥 Q0.0 料臺伸縮電磁閥 Q0.1 加工壓頭電磁閥 Q0.2 3 梯形圖4 程序LD I0.7EU= M10.0LD M10.0LPSAN M10.1 AN M10.5S M10.2, 1 S M10.6, 1LPP LPPA M10.1 A M10.5R M10.2, 1 R M10.6, 1LD M10.2 LD M10.6= M10.1 = M10.5LD M10.1 LD I0.2AN M11.0 A M10.5A I0.0 LDN I0.1AN I0.6 A M11.0= Q0.0 OLDLD I0.1 LPSAN M10.5 AN M11.0= Q0.1 S M11.1, 1LD I0.3 LPPAN M10.3 A M11.0 = Q0.2 R M11.1, 1LD I0.5 LD M11.1 LDN I0.1 = M11.0A M11.0OLDLPSAN M10.3S M10.4, 1LPPA M10.3R M10.4, 1LD M10.4= M10.3LD I0.4A M10.3LDN I0.1A M11.0OLDLPS第5章 設計小結經(jīng)過兩個多月的設計和開發(fā)，成功的通過了模擬調試和聯(lián)機調試，自動供料和自動加工兩單元基本設計完畢，其功能基本達到要求。整個