课程设计 工件搬运单元电气控制系统.docx
《课程设计 工件搬运单元电气控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课程设计 工件搬运单元电气控制系统.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
课程设计工件搬运单元电气控制系统
电气控制与PLC
课程设计
题目工件搬运单元电气控制系统
系（院）机械工程学院
年级2006级专业机械工程及自动化
班级学号
1.设计任务书
1.1设备概况
本单元的功能是通过三自由度机械手将工件从上一个工作站向下一个工作站传送，工件抓取采用真空吸力实现。
在上一个单元的钻孔检测中不合格的工件可以在这里被踢出。
本单元设有多个按钮和旋钮，其中运行按钮：
使系统开始或继续运行；复位按钮：
开始运行前使系统回到复位状态；功能按钮：
按下则表示工件为不合格工件，将会被剔除；自动/单步双向旋钮和单机/联网双向按钮：
用于选择系统进入单步程序，自动程序或联网程序；暂停按钮：
使系统暂停运行；急停按钮：
使系统紧急停止，防止意外发生；退出按钮：
用于系统急停后退出急停状态。
1.2控制要求
本单元有单步运行、自动运行以及联网运行3种运行方式可供选择。
可以通过旋钮选择运行方式。
单步运行是将本单元的动作分解成8步来完成，每按一次运行键执行1步动作，方便老师讲解以及学生试验。
要完成好电气控制的设计任务，除掌握必要的电气设计基础知识外，还必须经过反复实践，深入现场，将不断积累的经验应用到设计中来。
其中第1步：
回转臂向左摆；第2步：
水平臂伸出，然后垂直臂伸出；第3步：
真空阀打开，将工件吸起；第4步：
垂直臂缩回，然后水平臂缩回；第5步：
回转臂向右摆；第6步：
水平臂伸出，然后垂直臂伸出；第7步：
真空阀断，将工件放置到下一个单元；第8步：
垂直臂缩回，然后水平臂缩回，恢复初始位置，如此就完成了一个动作循环。
如果有工件不合格信号，则第6步水平臂不会伸出，第7步真空阀断，工件直接被放入废料槽中。
自动运行就是将这些动作连起来运行，只需按一次运行键就完成一个动作循环。
如果选择联网运行就是使本单元进入联网状态，动作将不受按钮控制（急停按钮除外），由上机组态监控系统控制。
技术参数：
工作压力：
0.3mpa-0.8mpa；I/O端口：
14输入/10输出
表1.1工件搬运单元输入输出元件
输入元件
输出元件
运行按钮
摆动（左）电磁阀1Y1
复位按钮
摆动（右）电磁阀1Y2
功能按钮
水平（缩）电磁阀2Y1
自动/单步旋钮
水平（伸）电磁阀2Y2
单机/联网旋钮
垂直（上）电磁阀3Y1
暂停按钮
垂直（下）电磁阀3Y2
急停/退出检测开关
真空电磁阀4Y1
真空传感器（NPN）4B1
运行灯
摆动（左）磁性开关1B1
复位灯
摆动（右）磁性开关1B2
功能灯
水平（缩）磁性开关2B1
水平（伸）磁性开关2B2
垂直（上）磁性开关（NPN）3B1
垂直（下）磁性开关（NPN）3B2
1.3设计任务
1.3.1根据控制要求，对分类存储及立体仓库单元硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。
1.3.2根据控制要求，编制分类存储及立体仓库单元PLC系统电路图。
1.3.3编写设计说明书，内容包括：
（1）设计过程和有关说明
（2）基于PLC的工件搬运单元电路图
（3）PLC控制程序
（4）电器元器件的选择和有关计算
（5）电气设备明细表
（6）参考资料，参考书及参考手册
（7）其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题和解决问题办法、对课程设计的认识和建议。
2.控制系统总体设计方案
2.1总体方案说明
2.1.1PLC设计的总体思路：
本次设计PLC程序的编制方法采用较常用的梯形图程序设计法。
该方法的好处是形象、直观、易于使用、条理清楚，而且之后调试与修改也较为方便。
梯形图的设计方法常有经验法、根据继电器电路图设计法、顺序控制设计法。
对于类似本次设计那样，需控制较多变量而且动作较多的情况，顺序控制设计法因为直观和条理性较强的优势，是首选的方法。
因此，接下来的设计工作就是根据顺序功能图将实现装置基本动作的程序编制出来。
2.1.2整个设计过程的总体步骤：
1.明确控制对象，列出输入输出列表，画出电路图。
2.明确控制要求，画出动作顺序图和顺序功能图。
3.参考查阅资料完成PLC程序编写。
4.将程序输入电脑，并与PLC联机。
下载程序
5.调试PLC程序，修改优化。
6.编写课程设计说明书。
2.2控制系统的电气原理图
2.2.1控制系统原理框图
依照控制系统的具体要求，设计控制系统原理框图如图2.1所示：
通过操作台上的各种按钮﹑旋钮，向西门子S7200PLC发出指令（也可以通过PC机上的PLC软件或按钮发送）；信号可由PLC处理并通过标准的传输数据线传递，实现控制电磁阀的动作，从而控制气缸的动作使其能够完成系统的设计要求，同时各种传感器也通过数据线向PLC传递开关信号，操作台上的各种指示灯可以指示PLC的工作状态，即使得操作人员方便得知系统运作的各种情况。
图2.1控制系统原理框图
此次设计中除了要让系统在PLC的控制下完成以上要求的动作，使得操作人员可以系统进行操作。
此外，遇到紧急情况时也可采取相应措施。
2.2.2控制系统PLC原理图
PLC具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。
根据系统的设计要求，即确定了PLC的输入输出如表2.1所示，PLC的原理图如图2.2所示：
表2.1I/O列表
输入元件
输入地址
输出元件
输出地址
运行按钮
I0.0
摆动（左）电磁阀1Y1
Q0.0
复位按钮
I0.1
摆动（右）电磁阀1Y2
Q0.1
功能按钮
I0.2
水平（缩）电磁阀2Y1
Q0.2
自动/单步旋钮
I0.3
水平（伸）电磁阀2Y2
Q0.3
单机/联网旋钮
I0.4
垂直（上）电磁阀3Y1
Q0.4
暂停按钮
I0.5
垂直（下）电磁阀3Y2
Q0.5
急停/退出检测开关
I0.6
真空电磁阀4Y1
Q0.6
真空传感器（NPN）4B1
I0.7
运行灯
Q0.7
摆动（左）磁性开关1B1
I1.0
复位灯
Q1.0
摆动（右）磁性开关1B2
I1.1
功能灯
Q1.1
水平（缩）磁性开关2B1
I1.2
水平（伸）磁性开关2B2
I1.3
垂直（上）磁性开关（NPN）3B1
I1.4
垂直（下）磁性开关（NPN）3B2
I1.5
图2.2PLC的原理图
2.2.3控制系统气动原理图
根据所选的各种气动执行元件的工作原理和本单元所要完成的动作要求，绘制出工件搬运单元的气动原理图，见图2.3。
压缩空气由空气压缩机产生，经过冷却器降温；经过油水分离器和过滤器去掉空气中的杂质；经过减压阀使气流变得缓和；压缩空气经过手动阀时，当手动阀在左位时，气动系统将不能控制各个气缸的正常运作；而当手动阀在右位时，各个气缸可按照系统的设计要求完成指定。
图2.3控制系统气动原理图
步序
输入条件
输出
1Y1
1Y2
2Y1
2Y2
3Y1
3Y2
4Y1
原位
_
+
+
_
+
_
_
左摆
运行信号
+
_
+
_
+
_
_
伸长
1B1
+
_
_
+
+
_
_
下移
2B2
+
_
_
+
_
+
_
打开真空发生器
3B2
+
_
_
+
_
+
+
上移
4B1
+
_
_
+
+
_
+
缩回
3B1
+
_
+
_
+
_
+
左摆
2B1
_
+
+
_
+
_
+
伸出
1B1
_
+
_
+
+
_
+
下移
2B2
_
+
_
+
_
+
+
关闭真空发生器
3B2
_
+
_
+
_
+
_
复位
4B1
_
+
+
_
+
_
_
表2.2电磁铁工作情况表
3.PLC的选择及技术参数
目前市场上最受好评的PLC品牌有：
西门子、欧姆龙、三菱等。
目前中国市场上应用最广泛的PLC品牌是三菱，但相比之下西门子PLC较三菱的性能更加优越，所以本次系统设计中选用的PLC品牌是西门子。
根据系统动作要求明确了PLC所需要的输入输出个数为：
输出为10个，输入为14个。
因为本控制系统的动作比较简单，可以使用小型PLC。
该设备选用的是西门子S7-200CPU224型PLC，这类型适用于小型自动控制系统，且具有反应快，可扩展，价格便宜的优点。
PLC的具体技术参数如表3.1所示：
表3.1PLC性能参数表
电源电压
DC24V，AC100~230V
电源电压波动
DC20.4-28.8V，AC84-264V（47-63Hz）
环境温度、湿度
水平安装0~550C，垂直安装0~450C，5~95%
保护等级
IP20到IEC529
输出给传感器的电压
DC24V（20.4-28.8V）
输出给传感器的电流
280mA，电子式短路保护（600mA）
为扩展模块提供的输出电流
660mA
程序存储器
8K字节/典型值为2.6K条指令
数据存储器
2.5K字
存储器子模块
1个可插入的存储器子模块
数据后备
整个BD1在EEPROM中无需维护，在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），用电池后备200天
程序结构
一个主程序块（可以包括子程序）
程序执行
自由循环。
中断控制，定时控制（1~255ms）
子程序级
8级
用户程序保护
3级口令保护
指令集
逻辑运算、应用功能
位操作执行时间
0.37μs
扫描时间监控
300ms（可重启动）
内部标志位
256，可保持：
EEPROM中0~112
计数器
0~256，可保持：
256，6个高速计数器
定时器
可保持：
256，4个定时器，1ms~30s，16个定时器10ms~5min，236个定时器，100ms~54min
接口
一个RS485通信接口
本机I/O
数字量输入：
14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功，能数字量输出：
10，
可连接的I/O
数字量输入/输出：
最多94/74，模拟量输入/输出：
最多28/7（或14）AS接口输入/输出：
496
最多可接扩展模块
7个
4控制系统的程序设计
4.1PLC编程软件的选择
本次设计中PLC的编程软件选择西门子S7系列PLC编程专用软件Step7。
STEP7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。
STEP7具有以下功能：
硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。
STEP7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1可以得到该对象的在线帮助。
在STEP7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。
STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATICS7、M7、C7和WinAC的数据。
实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。
4.2PLC程序的编写
4.2.1PLC程序设计流程图
设计中采用的是“步”的流程编程思想，这种编程思想的具有调试方便以及机器的动作可靠等优点。
由以上要求得出流程图如图4.1所示：
图4.1PLC程序设计流程图
4.2.2PLC程序设计流程图
5.PLC程序的调试
一个PLC程序的设计，只是编辑完成还远远不够，因为程序的编辑者往往会有许多的疏漏，使得PLC在实际的运行当中不能够按照指定的运行轨迹来完成动作指令；又或者是编程者想象的结果与实际PLC的反应不相同。
这样就需要对程序进行适当的调试，进过不断地调试才能最终得出满足系统设计的程序来。
在程序的调试过程中碰到的问题有：
（1）程序调试时发现复位流程未结束亦可再按运行按钮启动系统进行正常运作。
其中原因主要是因为没有限制启动的条件。
（2）运行程序时由于有些输出的触发条件相同，又不允许这两个输出同时执行，这种情况下就必须用到自锁的编程手段。
程序编制如图5.1所示。
图5.1PLC自锁程序梯形图
（3）运行程序时摆动气缸左摆时气缸左右摆动不定，造成这一现象的主要原因是应为程序的开始没有关闭所有不运行的程序，在该流程的线路上接上控制通断的开关，将其关闭后彻底解决了这个问题。
6.设计心得
本次课程设计根据PLC控制系统设计的基本原则，完成了PLC控制系统的设计。
本次设计对PLC自动化控制技术以及利用编程软件STEP7.0实现对西门子PLC梯形图的编制应用做了探讨与研究。
实践证明这种编程方法是一种较为理想的方法。
它是一种先进的设计方法，很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。
通过这次对工件搬运单元所要求的搬运能力以及正品废品的区分能力的PLC控制，让我了解了plc梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。
本次设计，既让我懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。
在本次设计中，还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆成了我们很好的助手,不知不觉中查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。
虽然本次课程设计是要求自己独立解决，但是，还是脱离不了集体的力量，遇到问题和老师同学互相讨论交流讨论。
本次课程设计是在王建平老师和胡朝斌老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。
他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
在做课程设计的过程中总是遇到这样或那样的问题，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。
自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。
为以后的工作积累了经验，增强了信心。
在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。
7.参考文献
[1何衍庆主编常用PLC应用手册北京：
电子工业出版社2008.3
[2]粱涛现代电气控制技术重庆：
重庆大学出版社，2006
[3]王永华编著现代电气控制及PLC应用技术北京航空航天出版社2008.2
[4]魏克新.自动控制综合应用技术.北京：
机械工业出版社，2007
[5]蔡崧著传感器与PLC编程技术基础北京：
电子工业出版社,2005
[6]廖常初.PLC编程及控制.北京：
机械工业出版社，2008.1
[7]许江等编可编程控制器PLC基础应用教程北京：
中国水利水电出版社1996.1
[8]孙承志等编西门子S7-200/300/400PLC基础与应用技术机械工业出版社2009.1
升级会员 