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自动化论文
表6-1
职业技术学院
毕业综合实践
课题名称：
基于N:
N通信的复杂控制自动化生
产线的设计和实现
系别：
电气电子工程系
专业：
电气自动化班级：
自动化1502
学号：
学生：
徐建恩
指导教师：
王哲禄专业技术职务：
导师
2017年4月
课题摘要
现代化的自动生产设备（自动生产线）的最大特点是它的综合性和系统性,在这里,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。
亚龙YL-335B型是一套典型的自动生产线实训考核装备。
它在铝合金导轨式实训台上安装送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元,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。
我们此次要做的任务就是将这套设备上所有小站功能利用N:
N网络连接起来,模拟成一套高仿真的工业自动化生产线设备。
而在项目当中,综合了很多技术知识如:
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。
所以,我们最后要想实现一个从供料站到分拣站的一个联机的流程,我们必须先对各小站进行了解,这个了解包括PLC的接线,各单元的气动及传感器的位置调试和传感器在装置侧的接线。
然后编写个小站的程序,联机程序,以及MCGS的组态动画。
最后实现一个联机的过程。
本文介绍了整个自动化生产线生产线的组态与实现,重点介绍了上位机组态的过程
关键词PLC,YL-335B,自动生产线（小4号宋体）
目次
1引言（或绪论）（作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同）…………1
2××××××（正文第2章）……………………………………………………Y
2.1××××××（正文第2章第1条）…………………………………………Y
2.2××××××（正文第2章第2条）…………………………………………Y
2.X××××××（正文第2章第X条）…………………………………………Y
3×××××（正文第3章）………………………………………………Y
………………………………………（略）
X×××××（正文第X章）………………………………………………………Y
结论……………………………………………………………………………………Y
致……………………………………………………………………………………Y
参考文献………………………………………………………………………………Y
附录A××××（必要时）…………………………………………………………Y
附录B××××（必要时）…………………………………………………………Y
图1×××××（必要时）…………………………………………………………Y
图2×××××（必要时）…………………………………………………………Y
表1×××××（必要时）…………………………………………………………Y
表2×××××（必要时）…………………………………………………………Y
一·引言
所谓自动化（Automation），是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动的进行操作或运行。
广义上讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。
自动化技术广泛用于工业、农业、国防、科学研究、交通运输、商业、医疗，服务以及家庭等各方面。
另外，与自动化相关的一个术语就是自动控制（Automatic Control）,自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。
一般的说，自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。
例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都不能归入自动化的研究领域。
不过人们提到自动控制，通常是指工程系统的控制，在这个意义上自动化和自动控制是相似的。
关于控制和自动化技术发展但是其上可以分为四个历史时期：
自动化装置的出现和应用（18世纪以前）
古代人类在长期的生产和生活中，为了减轻自己的劳动，逐渐利用自然界的动力（水力、风力等）代替人力、畜力，以及用自动装置代替人的部分繁杂的脑力
在第二次世界大战期间，为了防御火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的领域，经典控制理论应运而生。
从20世纪40年代末，开始在美国、西欧和联为大学生和研究生开设了自动控制课程。
在20世纪50年代，前联还在大学里设置了自动化方面的专业，专门培养控制方面的人才。
1950年钟俊教授在交通大学为大学生和研究生开设了“伺服机构原理”课程。
1945年美国数学家N.维纳把反馈的概念推广到生物等一切控制系统。
1948年他出版的《控制论》一书为控制论奠定了基础。
1954年，中国科学家钱学森全面的总结了经典控制理论，在美国出版了用英语撰写的、在世界上很有影响的《工程控制论》（《Engineering Cybernetics》）一书。
第二次世界大战后工业迅速发展，随着高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新控制问题的深入研究，经典控制理论在20世纪50年代又有了新的发展。
由于复杂工业、复杂工业过程和航天系统的自动控制问题都是多变量控制系统的分析和综合问题，迫切需要加以解决，但经典控制理论的直接应用于到了困难，在20世纪70年代微处理机的出现对实现各种复杂的控制任务起了重大的推动作用。
此时，一种新的控制理论含苞待放。
公元1956年，前联科学家庞特里亚金提出极大值原理。
同年美国数学家R.贝尔曼（Bellman）创立动态规划。
两者为解决最优控制问题提供了理论工具。
1960年美国数学家R.卡尔曼（kalman）提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的在属性。
卡尔曼还引入了状态空间法（State Space Method），提出具有
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二次型性能指标的线性状态反馈率，为线性自动控制系统给出了自动调节器的概念。
这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生.
控制与自动化是不断发展的高、新科学技术，对人类生产、生活和科学研究有着非常重要的影响。
控制与自动化技术发展至今，可以说是从“人类手脚的延伸”扩展到“人类大脑的延伸”。
控制与自动化技术时时在为人类“谋”福利，可以说无所不在、无处没有。
控制与自动化技术正在迅速的渗入家庭生活中。
如全自动洗衣机，不用人手就可以把衣服洗干净；电脑控制的微波炉，不但能按时自动进行烹调，能做出美味的饭菜。
而且安全省电；电脑控制的电冰箱，不但能自动控温，保持食物鲜美，而且能告诉食物存储的数量和时间，还能为烹饪美食佳肴提供建议……还有许许多多运用控制与自动化技术的例子存在我们的生活中。
在工厂，人们使用各种自动化装置或系统，如机器人、自动化小车、数控机床、柔性生产线和计算机集成制造系统等，完成产品的加工、装配、运输、存储等工作。
在钢铁、石化、农业、渔业和畜牧业等生产和管理过程中，人们用自动化仪表和自动化装置来控制生产参数，实现生产设备、生产过程和管理过程的自动化。
在办公室，人们广泛地引入微型电脑及信息网络、文字处理机、电子传真机、专用交换机、多功能复印机和秘书机器人等技术和设备，不断实现办公自动化。
在交通运输行业、医疗机构、科研机构等行业也普遍的运用了控制与自动化技术和设备。
在我看来，自动化下一步可能趋向于生物自动化，把生物体的一些功能赋予机器，使其智能化有一个质的提高；另一个趋势是家用机器人的研制，可以是人类得到更大的解放；再就是可以盖建筑物的大型自动化装置和机器人；还有一个在科幻电视里看到的，可大幅度压缩的便携式自动化装置，如皮包压缩成黄豆大小。
一·绪论
现代化的自动生产设备（自动生产线）的最大特点是它的综合性和系统性,在这里,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。
可编程序控制器（PLC）以其高抗干扰能力、高可靠性、高性能价格比且编程简单而广泛地应用在现代化的自动生产设备中,担负着生产线的大脑?
?
微处理单元的角色。
因此,培养掌握机电一体化技术,掌握PLC技术及PLC网络技术的技术人材是当务之急。
亚龙YL-335B型自动生产线实训考核装备在铝合金导轨式实训台上安装送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元,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。
因此,YL-335B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。
利用YL-335B,可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程,使学习者得到一个非常接近于实际的教学设备环境,从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。
YL-335B采用模块组合式的结构,各工作单元是相对独立的模块,并采用了标准结构和抽屉式模块放置架,具有较强的互换性。
可根据实训需要或工作任务的不同进行不同的组合、安装和调试,达到模拟生产性功能和整合学习功能的目标,十分适合教学实训考核或技能竞赛的需要。
MCGS嵌入版组态软件具有强大的功能,并且操作简单,易学易用,普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。
同时使用MCGS嵌入版组态软件能够避开复杂的嵌入版计算机软、硬件问题,而将精力集中于解决工程问题本身,根据工程作业的需要和特点,组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。
MCGS嵌入版采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面,符合中国人的使用习惯和要求。
实时性强、有良好的并行处理性能。
MCGS嵌入版以图像、图符、报表、曲线等多种形式,丰富、生动的多媒体画面。
完善的安全机制完善的安全机制多样化的报警功能。
支持多种硬件设备,实现“设备无关”。
良好的可维护性。
可编程序控制器（PLC）以其高抗干扰能力、高可靠性、高性能价格比且编程简单而广泛地应用在现代化的自动生产设备中,担负着生产线的大脑?
?
微处理单元的角色。
因此,培养掌握机电一体化技术,掌握PLC技术及PLC网络技术的技术人材是当务之急。
因此,本设计将组态技术与PLC技术,有机结合起来,运用组态技术,对自动生产线的各单元进行高仿真。
达到模拟运行的目的。
二·嵌入式组态技术在自动化生产线中的应用
2.1MCGS嵌入版MCGS
嵌入版是在MCGS通用版的基础上开发的,专门应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件,MCGS嵌入版包括组态环境和运行环境两部分,它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行,运行环境则是在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE中运行。
适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。
通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,在自动化领域有着广泛的应用。
此外MCGS嵌入版还带有一个模拟运行环境,用于对组态后的工程进行模拟测试,方便用户对组态过程的调试。
2.2MCGS嵌入版组态软件的构成
MCGS嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运行环境三部分。
组态环境和模拟运行环境相当于一套完整的工具软件,可以在PC机上运行。
用户可根据实际需要裁减其中容。
它帮助用户设计和构造自己的组态工程并进行功能测试。
运行环境则是一个独立的运行系统,它按照组态工程中用户指定的方式进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。
运行环境本身没有任何意义,必须与组态工程一起作为一个整体,才能构成用户应用系统。
一旦组态工作完成,并且将组态好的工程通过串口或以太网下载到下位机的运行环境中,组态工程就可以离开组态环境而独立运行在下位机上。
从而实现了控制系统的可靠性、实时性、确定性和安全性。
由MCGS嵌入版生成的用户应用系统,其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成,如图2.2所示。
图2.2
图2.2
MCGS的构成窗口是屏幕中的一块空间,是一个“容器”,直接提供给用户使用。
在窗口,用户可以放置不同的构件,创建图形对象并调整画面的布局,组态配置不同的参数以完成不同的功能。
在MCGS嵌入版中,每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口,但可以有多个用户窗口和多个运行策略,实时数据库中也可以有多个数据对象。
MCGS嵌入版用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面,组态配置各种不同类型和功能的对象或构件,同时可以对实时数据进行可视化处理。
2.2.1实时数据库
实时数据库相当于一个数据处理中心,同时也起到公用数据交换区的作用。
MCGS嵌入版使用自建文件系统中的实时数据库来管理所有实时数据。
从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库,系统其它部分操作的数据也来自于实时数据库。
实时数据库自动完成对实时数据的报警处理和存盘处理,同时它还根据需要把有关信息以事件的方式发送给系统的其它部分,以便触发相关事件,进行实时处理。
因此,实时数据库所存储的单元,不单单是变量的数值,还包括变量的特征参数（属性）及对该变量的操作方法（报警属性、报警处理和存盘处理等）。
这种将数值、属性、方法封装在一起的数据我们称之为数据对象。
实时数据库采用面向对象的技术,为其它部分提供服务,提供了系统各个功能部件的数据共享。
2.2.2主控窗口
主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓,以及运行流程、特性参数和启动特性等项容,是应用系统的主框架。
2.2.3设备窗口设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件,实现对外部设备的操作和控制。
设备窗口通过设备构件把外部设备的数据采集进来,送入实时数据库,或把实时数据库中的数据输出到外部设备。
一个应用系统只有一个设备窗口,运行时,系统自动打开设备窗口,管理和调度所有设备构件正常工作,并在后台独立运行。
注意,对用户来说,设备窗口在运行时是不可见的。
2.2.4用户窗口用户窗口中可以放置三种不同类型的图形对象:
图元、图符和动画构件。
图元和图符对象为用户提供了一套完善的设计制作图形画面和定义动画的方法。
动画构件对应于不同的动画功能,它们是从工程实践经验中总结出的常用的动画显示与操作模块,用户可以直接使用。
通过在用户窗口放置不同的图形对象,搭制多个用户窗口,用户可以构造各种复杂的图形界面,用不同的方式实现数据和流程的“可视化”。
2.2.5运行策略运行策略本身是系统提供的一个框架,其里面放置有策略条件构件和策略构件组成的“策略行”,通过对运行策略的定义,使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库、控制用户窗口的打开、关闭并确定设备构件的工作状态等,从而实现对外部设备工作过程的精确控制。
一个应用系统有三个固定的运行策略:
启动策略、循环策略和退出策略,同时允许用户创建或定义最多512个用户策略。
启动策略在应用系统开始运行时调用,退出策略在应用系统退出运行时调用,循环策略由系统在运行过程中定时循环调用,用户策略供系统中的其它部件调用。
3·自动化生产线设备
3.1自动化生产线（YL-335B）的基本组成
亚龙YL-335B型自动生产线实训考核装备由安装在铝合金导轨式实训台上的供料单元、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3.1所示。
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。
在YL-335B设备上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。
传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一,是现代工业实现高度自动化的前提之一。
在控制方面,YL-335B采用了基于RS485串行通信的PLC网络控制方案,即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。
用户可根据需要选择不同厂家的PLC及其所支持的RS485通信模式,组建成一个小型的PLC网络。
小型PLC网络以其结构简单,价格低廉的特点在小型自动生产线仍然有着广泛的应用,在现代工业网络通信中仍占据相当的份额。
另一方面,掌握基于RS485串行通信的PLC网络技术,将为进一步学习现场总线技术、工业以太网技术等打下了良好的基础。
1、供料单元的基本功能:
供料单元是YL-335B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3.2所示为供料单元实物的全貌。
图3.2供料单元实物的全貌2、加工单元的基本功能:
把该单元物料台上的工件（工件由输送单元的抓取机械手装置送来）送到冲压机构下面,完成一次冲压加工动作,然后再送回到物料台上,待输送单元的抓取机械手装置取出。
如图3.3所示为加工单元实物的全貌。
图3.3加工单元实物的全貌3、装配单元的基本功能:
完成将该单元料仓的黑色或白色小圆柱工件嵌入到已加工的工件中的装配过程。
装配单元总装实物图如3.4。
图3.4装配单元实物的全貌4、分拣单元的基本功能:
完成将上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣,使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。
如图3.5所示分拣单元实物的全貌。
图3.5分拣单元实物的全貌5、输送单元的基本功能:
该单元通过直线运动传动机构驱动抓取机械手装置到指定单元的物料台上精确定位,并在该物料台上抓取工件,把抓取到的工件输送到指定地点然后放下,实现传送工件的功能。
输送单元的外观如图3-6所示。
图3.6输送单元外观图直线运动传动机构的驱动器可采用伺服电机或步进电机,视实训目的而定。
YL-335B的标准配置为伺服电机。
3.2YL-335B的电气控制
3.2.1YL-335B工作单元的结构特点
YL-335B设备中的各工作单元的结构特点是机械装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。
YL-335B的解决方案是:
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3.7和图3.8分别是装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口。
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。
3.2.2YL-335B的控制系统YL-335B的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3.9所示。
模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。
图3.9按钮指示灯模块模块盒上器件包括:
⑴指示灯（24VDC）:
黄色（HL1）、绿色（HL2）、红色（HL3）各一只。
⑵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,YL-335B的标准配置是采用了基于RS485串行通信的N:
N通信方式。
设备出厂的控制方案如图3.10所示。
图3.10YL-335B的通信网络各工作站PLC配置如下:
⑴输送单元:
FX1N-40MT主单元,共24点输入,16点晶体管输出。
⑵供料单元:
FX2N-32MR主单元,共16点输入,16点继电器输出。
⑶加工单元:
FX2N-32MR主单元,共16点输入,16点继电器输出。
⑷装配单元:
FX2N-48MR主单元,共24点输入,24点继电器输出。
⑸分拣单元:
FX2N-32MR主单元,共16点输入,16点继电器输出。
3、人机界面系统运行的主令信号（复位、启动、停止等）通过触模屏人机界面给出。
同时,人机界面上也显示系统运行的各种状态信息。
人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁。
使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况,使操作变的简单生动,并且可以减少操作上的失误,即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。
使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化,同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数,降低生产的成本,同时由于面板控制的小型化及高性能,相对的提高了整套设备的附加价值。
YL-335B采用了昆仑通态（MCGS）TPC7062KS触摸屏作为它的人机界面。
TPC7062KS是一款以嵌入式低功耗CPU为核心（主频400MHz）的高性能嵌入式一体化工控机。
该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480）,四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096）,同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统WinCE.NET（中文版）和MCGS嵌入式组态软件（运行版）。
3.3自动化生产线工艺流程介绍3.3.1供料站的工作流程供料站接收到系统发来的供料指令后,如果出料台上没有工件,即进行把工件推到出料台上的操作。
工件推出到出料台后,应向系统发出出料台上有工件信号。
若供料站的料仓没有工件或工件不足,则向系统发出报警或预警信号。
当系统发来的启动信号被复位时,工作站在完成本工作周期后退出运行状态。
3.3.2装配站的工作流程①启动后,如果回转台上的左料盘没有小园柱零件,就执行下料操作;如果左料盘有零件,而右料盘没有零件,执行回转台回转操作。
②如果回转台上的右料盘有小园柱零件且装配台上有待装配工件,开始执行装配过程。
执行装配机械手抓取小园柱零件,放入待装配工件中的操作。
装入动作完成后,向系统发出装配完成信号。
③完成装配任务后,装配机械手应返回初始位置,等待下一次装配。
3.3.3加工站的工作流程加工站接收到系统发来的启动信号时,即进入运行状态。
当加工台上有工件且被检出后,设备执行将工件夹紧,送往加工区域冲压,完成冲压动作后返回待料位置的工件加工工序。
冲压动作完成且加工台返回待料位置后,向系统发出
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