PLC柔性實驗課程設(shè)計供料單元設(shè)計

《綜合設(shè)計》課程設(shè)計任務(wù)書

——供13級機械設(shè)計及其自動化專業(yè)學(xué)生用

引言：（課程）綜合設(shè)計是機械專業(yè)的一個重要教學(xué)環(huán)節(jié)，既有別于畢業(yè)

設(shè)計，又不同于課堂教學(xué)。它須要學(xué)生統(tǒng)籌運用所學(xué)各個專業(yè)的基本理論、基

本方法對現(xiàn)實生活中的實際系統(tǒng)進行設(shè)計和調(diào)試。

一、設(shè)計題目一：供料檢測單元

本設(shè)計要求嫻熟運用西門子公司的S7-200系列產(chǎn)品各基本指令和部分應(yīng)

用指令，依據(jù)限制要求進行PLC梯形圖編程，主要完成將物料依次送至皮帶傳

送檢測單元上。

二、系統(tǒng)工作過程說明

1.供料單元組成：

由井式工件庫、光電傳感器、物料、推料氣缸、直流電機、傳輸線、

安裝支架等組成。主要完成將物料依次送至皮帶傳送檢測單元上。

?光電傳感器：此傳感器為光電漫反射型傳感器，用來檢測有無物料。有

物料時為PLC供應(yīng)一個輸入信號。

?磁性傳感器：用于氣缸的位置檢測。當檢測到氣缸精確到位后將給PLC

發(fā)出一個到位信號。（磁性傳感器接線時留意藍色接，棕色接“PLC

輸入端”）o

?警示燈：用于系統(tǒng)運行狀態(tài)的信號指示。

?推料氣缸：將物料推到皮帶傳送單元上，由單相電控氣動閥限制。

?井式工件庫：用于存放物料，料筒側(cè)面有視察槽。

?安裝支架：用于安裝工件庫和推料氣缸等。

?限制按鈕板：用于系統(tǒng)的基本操作、單機限制、聯(lián)機限制。

?電氣網(wǎng)孔板：主要安裝PLC主機模塊、空氣開關(guān)、開關(guān)電源、I/O轉(zhuǎn)接

端子、各種接線端子等。

2.限制要求：

系統(tǒng)上電后“復(fù)位”按鈕燈閃爍，按“復(fù)位”按鈕，清空傳輸線上的物料,

同時“起先”按鈕燈閃爍；按“起先”按鈕，進入工作狀態(tài)，按調(diào)試按鈕，推

料氣缸動作，推料至傳輸線上，工件在10秒內(nèi)沒有送到物料臺上時，同時警示

紅燈亮(表示工件庫卡料)；工件送到傳輸線上，電機帶動傳輸線進行輸送，到

位后停止運行。

若按下“復(fù)位”按鈕3秒鐘，系統(tǒng)起先復(fù)位，復(fù)位完成后“起先”

按鈕燈閃爍，按“起先”按鈕，系統(tǒng)干脆進入等待工作狀態(tài)，要再次運行系統(tǒng)

時，按下“調(diào)試”按鈕即可按工作流程動作。

當出現(xiàn)異樣，按下該單元“急?！卑粹o，“停止”按鈕燈點亮，該

單元馬上會停止運行，當解除故障后，旋開“急?！卑粹o，并按下“上電”按

鈕，該單元可接著從出現(xiàn)異樣的斷點接著運行。

單機運行時，若該單元運行時需停止，但要等該周期運行結(jié)束再停止，

按下該單元“停止”按鈕即可，當解除故障后或該周期運行結(jié)束，“起先”按

鈕燈閃爍，然后按下“起先”按鈕，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。

三、設(shè)計步驟：

(1)熟悉該單元用到的元件，并測出數(shù)據(jù)，建模、裝配(UG/CATIA)；

(2)對系統(tǒng)進行需求分析，確定I/O點數(shù)，支配I/O地址；

(3)畫出PLC硬件接線圖；(用CAD畫)

(4)繪制PLC梯形圖；

(5)簡述工作過程。

(6)設(shè)計報告

目錄

摘要...............................................................1

一、緒論............................................................3

二、PLC概述.......................................................4

三、硬件設(shè)備的說明..................................................6

1、電感式接近開關(guān)的設(shè)備說明.....................................6

2、電感式接近開關(guān)傳感器的基本工作方式...........................6

3、繼電器的設(shè)備及微動開關(guān)的設(shè)備說明.............................6

4、電磁閥的設(shè)備說明.............................................7

5、光電傳感器設(shè)備說明...........................................7

四、系統(tǒng)分析及硬件設(shè)計..............................................8

1、系統(tǒng)工作說明.................................................8

2、UG三維模型.................................................8

3、系統(tǒng)I/O支配.................................................9

4、PLC外部接線...............................................10

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計...................................................11

1、系統(tǒng)流程圖..................................................11

2、系統(tǒng)程序設(shè)計................................................12

六、系統(tǒng)調(diào)試.......................................................15

總結(jié)...............................................................18

參考文獻...........................................................19

附錄...............................................................20

摘要

PLC是應(yīng)用面特殊廣、功能強大、運用便利的通用工業(yè)限制裝置，已經(jīng)成為

當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。本文應(yīng)用可編程限制器實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線加

工系統(tǒng)的供料單元限制，該系統(tǒng)充分利用了可編程限制器（PLC）的功能，加上

傳感器、傳動氣壓的技術(shù)實完成原料的供應(yīng)配送。這一限制的實現(xiàn)和應(yīng)用，充

分體現(xiàn)了PLC限制在工業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)勢，并可以提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效

率。

關(guān)鍵詞：PLC；自動化；限制

ABSTRACT

PLCisauniversalindustrialcontroldevicewithaverywideapplication,

powerfulfunctionandeasytouse.Ithasbecomeoneofthemainpillarsofmodern

industrialautomation.Theprogrammablecontrollertorealizethefeedingunit

processingsystemofautomaticproductionlinecontrolbasedonBECKHOFF,the

systemmakesfulluseoftheprogrammablecontroller(PLC)function,coupledwith

thepressuresensor,thetransmissiontechnologytorealizemechanicalhandupand

down,graspingandreleasing,movingaroundaseriesofmovementsthesupplyof

rawmaterials,completedistribution.Therealizationandapplicationofthiscontrol

fullyembodiestheadvantagesofPLCcontrolinindustrialproduction,andcan

improvetheflexibilityandproductionefficiencyofmanufacturingindustry.

KeyWord:PLC;Automation;Control

一、緒論

1、設(shè)計目的

(1)駕馭可編程限制器硬件電路的設(shè)計方法。

(2)嫻熟運用小型可編程限制器的編程軟件，駕馭可編程限制器軟件程

序的設(shè)計思路和梯形圖的設(shè)計方法。

(3)駕馭可編程限制器程序的應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試、監(jiān)控、運行方法

(4)通過課程設(shè)計嫻熟駕馭資料的查詢(圖書、網(wǎng)絡(luò))，將PLC課程所

獲學(xué)問在工程設(shè)計工作中綜合地加以應(yīng)用，使理論學(xué)問和具體案例設(shè)計

結(jié)合起來。

2、設(shè)計內(nèi)容

(1)設(shè)計物料送出的氣動裝置及物料的儲存。

(2)選用合適的傳感器檢測物料的顏色對物料進行分類及其物料的

傳送裝置。

(3)選用合適的電動機。

(4)PLC的外部接線和PLC的內(nèi)部程序設(shè)計。

3、要實現(xiàn)的目標

對物料的顏色進行分類，把物料推出并傳送的指定的位置，為下一步工序

做好準備。在整個過程中實現(xiàn)自動限制。

二、PLC概述

1、PLC(ProgrammableLogicController)即可編程邏輯限制器。它接受一

類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、依次限制、定時、

計數(shù)與算術(shù)操作等面對用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出限制各種類

型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊踢壿嬒拗破骶哂幸韵嘛@明的特點。運用便利，編

程簡潔接受簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機學(xué)問，

因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試簡潔。另外，可在線修改程序，變更限制方案

而不拆動硬件。功能強，性能價格比高一臺小型PLC內(nèi)有成百上千個可供用

戶運用的編程元件，有很強的功能，可以實現(xiàn)特殊困難的限制功能。它與相同

功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價格比。PLC可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實

現(xiàn)分散限制，集中管理。

2、硬件配套齊全，用戶運用便利，適應(yīng)性強PLC產(chǎn)品已經(jīng)標準化、系列

化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈敏便利地

進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很便利，

一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶負載實力，可以干脆驅(qū)動一般

的電磁閥和小型溝通接觸器。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，便利

快速地適應(yīng)工藝條件的變更。

3、牢靠性高，抗干擾實力強傳統(tǒng)的繼電器限制系統(tǒng)運用了大量的中間繼

電器、時間繼電器，由于觸點接觸不良，簡潔出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替大量

的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件元件，接線

可削減到繼電器限制系統(tǒng)的1/10-1/100,因觸點接觸不良造成的故障大為削減。

PLC實行了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾實力，平均無故

障時間達到數(shù)萬小時以上，可以干脆用于有猛烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，PLC已

被廣袤用戶公認為最牢靠的工業(yè)限制設(shè)備之一。

4、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少PLC用軟件功能取代了繼電器限制

系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使限制柜的設(shè)計。

PLC的梯形圖程序一般接受依次限制設(shè)計法來設(shè)計。這種編程方法很有規(guī)律，

很簡潔駕馭。對于困難的限制系統(tǒng)，設(shè)計梯形圖的時間比設(shè)計相同功能的繼電

器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。PLC的用戶程序可以在試驗室模擬調(diào)試，輸入

信號用小開關(guān)來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可視察輸出信號的狀態(tài)。完成

了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)覺的問題一般通過修改程序就

可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。

5、修理工作量小，修理便利PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯

示功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以依據(jù)PLC上的發(fā)

光二極管或編程器供應(yīng)的信息快速地查明故障的緣由，用更換模塊的方法可以

快速地解除故障。

三、硬件設(shè)備的說明

1、電感式接近開關(guān)的設(shè)備說明

電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量（如位移、壓力、流量、

振動等）轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M,再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電

流的變更量輸出。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡潔、工作牢靠、測量精度高、零點

穩(wěn)定、輸出功率較大等一系列優(yōu)點，其主要缺點是靈敏度、線性度和測量范圍

相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動態(tài)測量。這種傳感器能實

現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和限制，在工業(yè)自動限制系統(tǒng)中被廣泛接受。

2、電感式接近開關(guān)傳感器的基本工作方式

電感式接近開關(guān)傳感器可以檢測從傳感器側(cè)向水平接近的被測體，也可以

檢測從傳感器迎面垂干脆近的被測體。被測體接近傳感器到傳感器開關(guān)動作的

距離為動作距離；不受溫度和電壓上下浮動影響的動作距離為實際的工作距離。

傳感器在工作中存在著動作距離與復(fù)位距離的差值，被稱為動作帶差。被測量

體進入或退出檢測有效范圍時將出現(xiàn)動作上的時間延遲，稱為相應(yīng)時間。在傳

感器的應(yīng)用中，應(yīng)依據(jù)實際狀況考慮這些參數(shù)對檢測結(jié)果是否有影響。

電感式接近開關(guān)傳感器，是一種利用渦流感知物體接近的器件。它的敏感元件

為檢測線圈，它是振蕩電路的一個組成部分，在檢測線圈的工作面上存在一個

交變磁場。當金屬物體接近檢測線圈時，金屬物體就會產(chǎn)生渦流而吸取振蕩能

量，使振蕩減弱直至停振，振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號

輸出。

3、繼電器的設(shè)備及微動開關(guān)的設(shè)備說明

加蓋單元中用到繼電器的主要部分是：擺臂動作的水平方向上的運動。水

平運動動力依靠直流電機，而繼電器在此處的應(yīng)用就是實現(xiàn)這兩個電機的正反

轉(zhuǎn)限制，也就是擺臂的運行和復(fù)位的限制。通過繼電器的吸合和斷開，實現(xiàn)電

壓的正負變更，達到限制電機正反轉(zhuǎn)的目的。

繼電器是依據(jù)電流、電壓、時間、溫度和速度等信號的變更，來接通或斷開小

電流電路和電器的限制元件。常用的繼電器有熱繼電器、過電流繼電器、欠電

壓繼電器、時間繼電器、速度繼電器、中間繼電器等。按作用它們分為愛惜繼

電器和限制繼電器兩類：其中熱繼電器、過電流繼電器、欠電壓繼電器屬于愛

惜繼電器；時間繼電器、速度繼電器、中間繼電器屬于限制繼電器。

微動開關(guān)由一個定觸點和一個動觸點組成，通過動觸點的動作，實現(xiàn)微動開關(guān)

的斷開和閉合的過程。在本設(shè)計中的應(yīng)用是：接受限位開關(guān)作為PLC中限制電

機正反轉(zhuǎn)的條件，當擺臂取、放件時只有遇到行程開關(guān)時才認為擺臂到位，(且

PLC上有相應(yīng)的輸入指示燈顯示)方可啟動電機或限制電機正反轉(zhuǎn)。同時也啟

到愛惜電機的作用。

4、電磁閥的設(shè)備說明

電磁鐵，它是電磁閥的主要部件之一，其作用是利用電磁原理將電信號轉(zhuǎn)

換成閥芯的位移。電磁鐵的結(jié)構(gòu)可分為T型、I型和平板型，T型電磁鐵為削

減鐵損，用高磁通的硅鋼片疊制成，能夠獲得較好的效率和較大的吸引力，但

所需的行程和體積較大，主要用于行程較大的直動式電磁閥。I型電磁鐵適用

于直流電磁鐵和小型溝通電磁鐵，用圓柱形一般材料制成，其鐵心的端面通常

制成平面裝貨圓錐狀。與T型電磁鐵相比，I型電磁鐵的吸力小，行程較短。

圓柱形鐵心的重量輕、吸引時的沖擊較小，所以運用壽命長，主要用與小型直

動式和先導(dǎo)式電磁閥。

5、光電傳感器設(shè)備說明

光電傳感器是通過把光強度的變更轉(zhuǎn)換成電信號的變更來實現(xiàn)限制的

光電傳感器在一般狀況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測

電路。發(fā)送器對準目標放射光束，放射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二

極管(LED)、激光二極管及紅外放射二極管。光束不間斷地放射，或者變更脈

沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，

裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)

用該信號。

四、系統(tǒng)分析及硬件設(shè)計

1、系統(tǒng)工作說明

當設(shè)備接通電源與氣源、PLC運行后，首先執(zhí)行復(fù)位動作，推料缸縮回到

位。然后進入工作運行模式，在料倉中有工件、各個執(zhí)行機構(gòu)都在其初始位置

的狀況下，當按觸起先按鈕時，供料單元的執(zhí)行機構(gòu)將把存放在料倉中的工件

取出并轉(zhuǎn)送出去(例如：送到下一個工作單元)；并且，只要料倉中有工件，此

工作就接著，即：自動連續(xù)運行。在運行過程中，當按觸停止按鈕后或者當料

倉中無工件時，供料單元應(yīng)當在完成了當前的工作循環(huán)之后停止運行，并且各

個執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)當回到初始位置。在啟動前，供料單元的執(zhí)行機構(gòu)若不在初始位

置、料倉中若無工件，則不允許啟動單機運行時，若該單元運行時需停止，但

要等該周期運行結(jié)束再停止，按下該單元“停止”按鈕即可，當解除故障后或該

周期運行結(jié)束，“起先”按鈕燈閃爍，然后按下“起先”按鈕，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。

2、UG三維模型

(1)工作臺

圖3-1

(2)送料裝置

3、系統(tǒng)I/O支配

有些設(shè)備的運動部件的位置常常須要進行調(diào)整，這就要用到具有點動調(diào)整

的功能。這樣除了一些啟動按鈕、停止按鈕外，還須要增加點動按鈕，對應(yīng)的

I/O地址支配見表4-1

表4-1單元I/O支配

形式序號名稱PLC地址編號地址設(shè)置

1有料檢測10.0S2

2顏色檢測10.1S1

3到料檢測10.2S3

4推出限位10.3SA

輸入

5上電10.7SB1

6手動起先11.0SB2

EM277總

7手動復(fù)位11.1SB3

線模塊設(shè)

8手動調(diào)試11.2SB4置的站號

1手動-自動11.3M2為：8

與總站通

2單機-聯(lián)機11.4HL2

訊的地址

3手動停止11.5KM為：2?3

4電機轉(zhuǎn)Q0.0Ml

輸出

5紅燈Q0.4M3

6綠燈Q0.2HL1

7上料汽缸Q0.1HA1

8蜂鳴器Q0.3HA2

4、PLC外部接線

PLC電路接線圖中電氣限制電路中個支路是同時加上電壓并行工作的，而

PLC則接受不斷循環(huán)、依次掃描方式工作。雖然掃描的時間很短，但在設(shè)計梯

形圖是對這種并行處理方式與串行處理的差別要留意。

圖4-1PLC外部接線圖

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計

1、系統(tǒng)流程圖

圖5-1流程圖

2、系統(tǒng)程序設(shè)計

SM0.1在程序執(zhí)行的第一個掃描周期接通，通常用于程序的初始化。

網(wǎng)絡(luò)1

SM0.1S0.0

圖5.2-1程序初始化

工步一：上電后調(diào)試燈閃爍。

網(wǎng)絡(luò)2

S0.0

SCR

網(wǎng)絡(luò)3

SM0.5Q1.1

<）

網(wǎng)絡(luò)4

11.2S0.1

（SCRT）

網(wǎng)絡(luò)5

-------（SCRE）

圖5.2-2

工步二：檢測到有料，氣缸啟動推出物料。

網(wǎng)絡(luò)6

S0.1

SCR

網(wǎng)絡(luò)7

I0.0Q0.1

TI--C)

網(wǎng)絡(luò)8

I0.3S0.2

—II--（SCRT）

網(wǎng)絡(luò)9

-----（SCRE）

圖5.2-3

工步三：電動機啟動，傳送物料。

網(wǎng)絡(luò)10

S0.2

SCR

網(wǎng)絡(luò)11

I0.3M0.2

—I)

M0.2

T1

網(wǎng)絡(luò)12

I0.2S0.3

(SCRT)

圖5.2-4

工步四：物料將要到達指定位置，程序延時3s后電動機停止。

圖5.2-6

六、系統(tǒng)調(diào)試

在編寫好程序后編譯沒有錯誤后將程序下載到PLCO如圖6-E

下羲

PPI連接

使用“選項”按鈕選擇需要下載的塊。

遠程地址：3CPU224CNREL02.01

下載|取消

P程序塊至：PLC

P數(shù)據(jù)塊至：PLC

17系統(tǒng)塊至:PLC

r配方

r數(shù)據(jù)記錄配置

P成功后關(guān)閉對話框

?單擊獲取幫助和支持P提示從RUN（運行）轉(zhuǎn)換為STOP（停止）模式

圖6-1程序的下載

在程序執(zhí)行的過程中我們可以打開監(jiān)控視察程序的運行狀況。圖6-2為程

序在運行的過程的電動機的運行?？梢娺\用了程序的“自保持”。

圖6-2電動機的運行

程序延時3S圖6-3.

圖6-3延時3秒

總結(jié)

通過這次設(shè)計實踐。我學(xué)會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和

運用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素養(yǎng)，

在沒有做實踐設(shè)計以前，我們對學(xué)問的撐握都是思想上的，對一些微小環(huán)節(jié)不

加重視，當我們把自己想出來的程序與到PLC中的時候，問題出現(xiàn)了，不是不

能運行，就是運行的結(jié)果和要求的結(jié)果不相符合。能過解決一個個在調(diào)試中出

現(xiàn)的問題，我們對PLC的理解得到加強，看到了實踐與理論的差距。通過合

作，我們的合作意識得到加強。合作實力得到提高。上高校后，很多同學(xué)都沒

有過深化的溝通，在設(shè)計的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個人負責(zé)

確定的部分，同時在確定的階段共同探討，以解決分工中個人不能解決的問題,

在溝通中大家主動發(fā)言，和提出看法，同時我們還向別的同學(xué)請教。在此過程

中，每個人都想自己的方案得到實現(xiàn)，主動向同學(xué)說明自己的想法。能過比較

選出最好的方案。在這過程也提高了我們的表過實力。

在這次設(shè)計中我主要擔當在設(shè)計中的程序設(shè)計，在編好程序后在調(diào)試的過

程中出了很多問題。在運用步進寫程序時沒有考慮的很周全，在運行過程由于

程序不對，送料氣缸始終處于快速運轉(zhuǎn)中，讓物料沒法正確的送出。

參考文獻

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[2].牛永奎，冷芳.傳感器與應(yīng)用.北京：清華高校出版社，2023

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