基于PLC的自动装配机系统毕业设计.docx

基于PLC的自动装配机系统毕业设计.docx

《基于PLC的自动装配机系统毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的自动装配机系统毕业设计.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于PLC的自动装配机系统毕业设计

摘要

通过利用PLC强大的控制功能，实现利用可编程控制器控制装配工序的功能，可以提高自动化行业的发展，提高劳动效率。

本文针对PLC控制的自动装配系统，对系统的控制要求、设计步骤、控制方案、主要控制元件、编程思路进行深入的剖析。

在PLC基础上，系统还增加了组态软件WINCC对系统运行过程进行监控，本文亦介绍了组态软件WINCC对控制系统的组态及运行方法。

通俗地讲，装配是指将产品的若干个零部件通过紧配、卡扣、螺纹连接、粘合、铆合、焊接等方式组合到一起得到符合预定的尺寸精度及功能的成品（半成品）。

由人工处理（接触、整理、抓取、移动、放置、施力等）每一个零部件而实现的装配，严格的讲，只能称为人工装配。

不需要由人工处理零部件而完成的装配，可称为自动装配。

介于两者之间的为半自动装配。

当前，PLC因其强大的功能，被广泛应用于工业应用中，而随着管理信息系统和计算机集成制造系统的普及，生成现场数据的应用已不仅仅局限于数据采集和监控。

在生产制造过程中，需要现场的大量数据进行流程分析和过程控制，以实现对生成流程的调整和优化。

这就需要组态软件wincc来实现。

本文针对PLC控制的自动装配系统，对系统的控制要求、设计步骤、控制方案、主要控制元件、编程思路进行深入的剖析。

在PLC基础上，本文亦介绍了组态软件WINCC对控制系统的组态及运行方法。

实验证明，通过利用PLC强大的控制功能，实现利用可编程控制器控制装配工序的功能，可以提高自动化行业的发展，提高劳动效率。

关键词:

可编程控制器,自动装配,控制系统

Abstract

UsingthePowerfulcontrolfunctionofPLC,realizingthefunctionofcontrollingassemblyprocessesbyusingtheprogrammablecontroller,itcanimprovelaborefficiencyandthedevelopmentofautomationindustry.BaseontheautomaticassemblysystemcontrolledbyPLC,thispapergivesathoroughanalysisonthecontrollingrequirementofthesystem,thedesignprocedure,thecontrolscheme,themaincontrolcomponentsandtheprogrammingideas.InbaseonPLC,thesystemalsoincreasetheconfigurationsoftwareforsystemoperationprocessWINCCmonitoring,thispaperalsointroducestheconfigurationsoftwareWINCCofcontrolsystemconfigurationandoperationmethod.

Generallyspeaking,assemblyreferstogettheseveralpartsoftheproducttogetherwithcombinationwithaccuracyandfunctionalityinlinewithapredeterminedsizeofthefinished（semi）bytightwithclasps,threadedconnection,bonding,riveting,welding,ect.Assemblybymanualprocessing（contact,organize,capture,motion,position,force,etc.）ofeachcomponent,strictlyspeaking,onlybedescribedasmanualassembly.Theassemblywhichdonotneedtocompletetheassemblyofthepartsofthemanualprocessingcanbereferredtoasautomatedassembly.Inbetweenissemi-automaticassembly.

Atpresent,becauseofPLC’spowerfulfeatures,itiswidelyusedinindustrialapplications,alongwiththepopularityofthemanagementinformationsystemsandcomputerintegratedmanufacturingsystems,theapplicationofgeneratedfielddataisnotlimitedtodatacollectionandmonitoring.Inthemanufacturingprocess,weneedthesceneoflargeamountsofdataflowanalysisandprocesscontrol,inordertoachievetheadjustmentandoptimizationofthegeneration.thisrequirestheconfigurationsoftwareWinCCtoachieve.BaseontheautomaticassemblysystemcontrolledbyPLC,thispapergivesathoroughanalysisonthecontrollingrequirementofthesystem,thedesignprocedure,thecontrolscheme,themaincontrolcomponentsandtheprogrammingideas.InbaseonPLC,thispaperalsointroducestheconfigurationsoftwareWINCCofcontrolsystemconfigurationandoperationmethor.ExperimentshowthatusingthePowerfulcontrolfunctionofPLC,realizingthefunctionofcontrollingassemblyprocessesbyusingtheprogrammablecontroller,itcanimprovelaborefficiencyandthedevelopmentofautomationindustry.

Keywords:

Programmable,controller,automaticassembly,controlsystem

1绪论

1.1论文研究背景及意义

可编程控制器是一种为工业机械控制所设计的专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用，它是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品，逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC[1]。

　随着技术的发展，其控制功能不断增强，可编程程序控制器还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并通过数字，模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。

长期以来，PLC及其网络控制系统始终战斗在工业自动化控制行业的主战场，其提供的安全和完善的解决方案，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，在电力、冶金、化工、机械等行业发挥了重大作用，被公认为现代工业自动化三大支柱之一。

近20年来计算机和信息技术的飞速发展，不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格，使PLC、通信联网技术、过程控制软件都获得了长足进步，也使PLC的广泛应用成为可能。

从1968年开始至今，PLC已经经历了四次更新换代,现阶段的PLC产品不但全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能片位式微处理器，RISC（ReducedInstructionSetComputer）精简指令系统CPU等高级CPU，而且，在一台PLC中配置多个微处理器，进行多道处理。

同时，生产了大量内含微处理器的智能模板，使得最新的PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的名副其实的多功能处理器。

随着生产自动化程度的增加，单一的逻辑控制功能显然不能满足现代生产的要求，而PLC新增加的这些功能正好适应了生产发展的需求。

相信在未来的自动化生产控制中，PLC及其网络必将得到更加广泛的......

1.2PLC控制系统发展及现状

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，并公开招标提出十项标准:

（1）编程方便，现场可修改程序；

（2）维修方便，采用模块化结构；

（3）可靠性高于继电器控制装置；

（4）体积小于继电器控制装置；

（5）数据可直接送入管理计算机；

（6）成本可与继电器控制装置竞争；

（7）输入可以是交流115V；

（8）输出为交流115V,2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；

（9）在扩展时，原系统只要很小变更；

（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

1969年，美国数字公司（DEC）研制出了第一台可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。

这种新型的工业控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，很快在美国其它工业领域推广使用。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有了第五代PLC产品。

1.3本论文研究内容

本文在PLC强大的控制功能基础上，设计了一个自动装配机控制系统，该控制系统可以实现流水式配件叠放，然后检测产品是否合格，合格的产品从合格产品通道传送到下一个工序，不合格产品从不合格产品通道送出收集起来。

同时，本文利用组态软件WINCC，对控制系统的运行进行了监控。

本文所研究的主要内容安排如下：

第一章绪论先介绍了本文的研究背景和意义，再介绍了PLC的发展及现状，最后说明了本文的研究内容

第二章论文相关技术介绍分析了西门子S7-200系列PLC以及组态软件Wincc的定义、优点、分类等

第三章自动装配机控制系统分析及方案设计分析了国外几种控制系统的实现，通过比较其优缺点，提出本文描述的控制方案，并分析方案的可行性。

第四章自动装配机系统的实现以PLC为对象，详细描述了该系统的实现及监控过程的实现。

结论对论文进行总结，提出了一些尚待研究的问题，并对下一步的工作进行了展望。

2设计相关技术介绍

2.1PLC技术

可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。

但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯性地用PLC作为可编程序控制器的缩写。

它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

2.1.1PLC基本概念

一、逻辑控制

1.定义：

指在对生产过程运行状态检测的基础上，依据预先编制好的操作规则，对输入状态进行逻辑运算、或计数、或定时、或对某些变化参量进行判断等，然后根据这些结果作出控制决策，控制执行机构协调动作，完成以开关量控制为主的生产过程的自动控制。

2.逻辑控制的特点

顺次控制：

即以前一步动作的完成作为信号，从而启动后一步动作的程序控制方式。

条件控制：

以某一个或某几个动作所产生的综合结果作为信号来启动下一步动作的程序控制方式。

时序控制：

以时间为基准来决定每一步动作的运行或停止的程序控制方式。

控制要素：

动作的转换、动作的执行

二、程序（顺序）控制器

1.定义：

采用继电器、接触器、半导体逻辑元件，甚至加上微处理器等器件组成，能完成逻辑控制（即程序控制）任务的装置。

2.分类（按照“存储”控制顺序规则）

（1）20世纪50年代继电器及半导体逻辑元件控制器

（2）20世纪50年代后期矩阵式控制器

（3）20世纪60年代可编程控制器

2.1.2PLC的定义

国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee-IEC）,1987年的第三版对PLC作了如下的定义:

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计算和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。

可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）存储器（RAM和EPROM）,输入/输出模块（简称为I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。

近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。

它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。

2.1.3PLC的分类

1、按结构形式分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。

小型PLC一般采用这种整体式结构。

整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。

基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。

扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。

基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。

整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

（2）模块式PLC模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。

模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。

模块装在框架或基板的插座上。

这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。

大、中型PLC一般采用模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。

叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。

这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

2、按功能分类

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。

（1）低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。

主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。

有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

（3）高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。

高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

3、按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

（1）.小型PLC——I/O点数<256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。

如：

GE-I型美国通用电气（GE）公司

TI100美国德洲仪器公司

F、F1、F2日本三菱电气公司

C20C40日本立石公司（欧姆龙）

S7-200德国西门子公司

EX20EX40日本东芝公司

SR-20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司

（2）.中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K如：

S7-300德国西门子公司

SR-400中外合资无锡华光电子工业有限公司

SU-5、SU-6德国西门子公司

C-500日本立石公司

GE-ⅢGE公司

（3）.大型PLC——I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K如：

S7-400德国西门子公司

GE-ⅣGE公司

C-2000立石公司

K3三菱公司等

2.1.4PLC的特点

PLC之所以越来越受到控制界人士的重视，是和它的优点分不开的:

1、可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2、配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3、易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

5、体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.1.5PLC的发展历史

1、起源

可编程序控制器问世于1969年。

是美国汽车制造工业激烈竞争的结果。

更新汽车型号必然要求加工生产线改变。

正是从汽车制造业开始了对传统继电器控制的挑战。

1968年美国GeneralMotors公司，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出10项招标指标。

这就是著名的GM10条。

GM10条是可编程控制器出现的直接原因：

（1）编程方便，可现场修改程序

（2）维修方便，采用插入式结构

（3）可靠性要高于继电器控制装置

（4）体积要小于继电器控制装置

（5）数据可直接送入管理计算机

（6）成本上可与继电器竞争

（7）输入可以是交流115V

（8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀

（9）扩展时原系统只需做很小的改动

用户程序存储器容量至少可扩展到4KB

1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。

1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；

1971年，日本研制出第一台DCS-8；

1973年，德国研制出第一台PLC；

1974年，中国研制出第一台PLC。

2、发展

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。

20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。

2.1.6PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1、开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2、模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了控制器处理模拟量，必须实现模拟量（analog）和数字量（digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3、运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量i/o模块连接位和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控。

世界上各主要PL