完整版机电一体化毕业课程设计.docx
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完整版机电一体化毕业课程设计
1 引言
1.1 课题简介
本次毕业设计课题为“模块化生产控制系统设计”。
其主要任务就是通过分析研究学校实验工作台系统，结合所学知识以及先进控制技术，对模块化生产线控制系统进行研究。
1.2工业模块化系统发展现状
工业模块系统是一种以机电一体化为基础的自动化系统，其中控制的部分现今在我国大都是采用的是PLC控制。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
最终达到控制的目的。
工业模块与智能系统是六十年代以来在信号处理、人工智能、控制论、计算机技术等学科基础上发展起来的新型学科。
该学科以各种传感器为信息源，以信息处理与模式识别的理论技术为核心，以数学方法与计算机为主要工具，探索对各种媒体信息进行处理、分类、理解并在此基础上构造具有某些智能特性的系统或装置的方法、途径与实现，以提高系统性能。
工业模块与智能系统是一门理论与实际紧密结合，具有广泛应用价值的控制科学与工程的重要学科分支。
2系统设计
2.1系统概括
该模拟生产线是由独立的六个工作站相互连接而成。
它们分别是上料检测站、搬运站、加工检测站、安装站、安装搬运站和分类站。
这六个站连接成生产线后可完成工件类别的检测、加工、搬运、安装和分类。
上料检测站功能：
回转上料台将工件依次送到检测工位；
提升装置将工件提升并检测工件颜色。
搬运站功能：
将工件从上站搬运至下一站。
加工站功能：
用回转台将工匠在四个工位间转换；
钻孔单元打孔；
检测单元检测正、次品。
安装站功能：
选择要安装工件的料仓；
将工件从料仓中推出；
将工件安装到位。
安装搬运站功能：
正品：
将上站正品工件拿起放入安装工位；
将安装好工件拿起放下站。
次品：
将上站次品工件拿起放入堆放次品处。
分类站功能：
将工件类型分类；
统计不同类型工件的数量。
本次毕业设计课题的主要任务是对上料检测站、安装搬运站、分类站这三个站进行分析研究。
整个系统采用西门子S7-200，型号为26，额定电压为220V，系统的传动以气动为主，气源为空气压缩机，工作压力为1Mpa,公称容积为10升，控制面板分别由开始、复位、特殊、手自、单联、上电、急停、停止组成，传感以光电开关为主。
2.2系统的工作流程
上料检测站将大工件按顺序排好后提升传送，搬运站将大工件从上料检测站搬至加工站，加工站将大工件加工并检测被加工的工件，产生成品或废品信息，通知下站，安装搬运站将成品送至安装工位，安装站再将小工件装入大工件中，最后，由安装搬运站再将安装好的工件送至分类站，分类站将工件按类送入相应的料仓并统计工件的数量和总量，如加工站有废品产生，则安装搬运站将废品直接送入废品收料站。
流程图如图2-1所示。
图2-1工作台的工作流程图
2.3上料检测站说明及流程
本站为上料检测站，回转上料台将工件依次送到检测工位，提升装置将工件提升并检测工件颜色，向后站发出信息。
此站的工作流程图如图2-2所示。
图2-2上料检测站工作流程图
2.4安装搬运站说明及流程
本站为安装搬运站，在接收前站的信息后，根据正、次品信号，将上站正品工件拿起放入安装工位，待安装好后，将工件拿起放入下站；将上站次品工件拿起放人堆放次品处。
安装搬运站的工作流程图如图2-3所示。
图2-3安装搬运站工作流程图
2.5分类站说明及流程
分类站的作用是在接收前站的信息后，把工件分别并推入库房。
此站的工作流程图如图2-4所示。
图2-4分类站工作流程图
3系统操作
①注意事项
•开机前请务必确保电器联接，气路联接口正确可靠，机械部件运动时互不干扰，连接牢固。
•输入电压为AC220V，（注意安全），工件台面使用DC24V（最大电流5A）。
•供气由本站过滤减压阀供给，额定的使用气压为6bar（600kpa）。
②操作过程
当系统上电后，需先按下“上电”按钮，这时复位灯和开始灯一起闪动，如是第一次开机请将各站工件收到上料检测站或安装站中，而后由第一次开始依次按下“复位”按钮待各站安全复位后，各站开始灯闪动，再从第六站开始依次向前按下“开始”按钮，系统可开始工作。
当任一站出现异常，按下该站“急停”按钮，该站立刻会停止运行，当排除故障后，按下“上电”按钮，复位灯和开始灯同时闪动，此时按下“开始”按钮，该站可接着从刚才的断点继续运行。
如工作时突然断电，来电后可先按“上电”按钮，而后由第六站依次向前按下“开始”按钮，系统就可以从刚才的断点继续向下运行。
4系统控制
4.1PLC选型
本模块的六个工作站都是采用PLC进行控制,而且PLC的型号均为S7-200,S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能价格比。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
极高的可靠性；
极丰富的指令集；
易于掌握；
便捷的操作；
丰富的内置集成功能；
实时特性；
强劲的通讯能力；
丰富的扩展模块。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用，CPU221～226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
此次设计采用了CPU226,该机集成24输入16输出共40个数字量IO点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量IO点或35路模拟量IO点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
IO端子排可容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统，CPU226的外形如图4-1所示。
图4-1CPU226的外形图
4.2站间通信
各站连成一模拟生产线后，相互之间要进行通讯，把加工过程中所产生的数据如工件颜色、装配信息、废品信息等，送至下站，使系统安全、可靠运行。
系统中各站开始工作的运行信号，是由前站给出的。
只有第一站（上料检测站）是通过“开始”按钮，启动工作的。
表4-1是工件信息，它是根据不同工件颜色在不同站产生的。
工件信息由三位二进制数表示D0、D1、D2。
表4-1工件信息
（其中D2为废品的信息）
这些数据从上站传送到下站，最后分类站根据数据将工件分类推入库房。
表4-2给出了各站通讯地址表如下。
表4-2各站通讯地址
通讯信息流向如下：
各站通过四根IO线与前后各站进行通信互相交换信息，向前两根通讯线，一输出一输入，向后两根通讯线，一输出一输入。
第三站有一个正次品信号线，将信号向后传送
？
4.3IO地址定义
在PLC接线及其编程中需要定义IO地址，这样可以清晰简单的完成一系列所期望的工作台运作。
本工作站的IO地址定义如下。
公共IO地址定义如表4-3所示。
表4-3公共IO地址定义
地址
定义
I0.1~I0.7
传感器输入
I1.0
开始
I1.1
复位
I1.2
特殊
I1.3
手自
I1.4
单联
I1.5
停止
I1.6
上电
I2.0~I2.5
为通讯口
Q1.2~Q1.7
为通讯口
Q1.2,Q1.3,Q1.4
对应后站的I2.0,I2.1,I2.2
Q1.5
对应前站I2.4
Q1.2
大工件颜色
Q1.3
小工件颜色
Q1.4
废品
Q0.1~Q0.6
PLC动作输入
Q0.7
开始灯
Q1.0
复位灯
Y014
停止灯
上料检测站IO地址定义如表4-4所示。
表4-4上料检测站IO地址定义
地址
定义
I0.0
有料
I0.1
白色
I0.5
上升到位
I0.6
下降到位
Q0.0
电机旋转
Q0.3
上升
安装搬运站IO地址定义如表4-5所示。
表4-5安装搬运站IO地址定义
地址
定义
I0.0
长缸缩进到位
I0.1
长缸伸出到位
I0.2
短缸缩进到位
I0.3
短缸伸出到位
I0.5
臂下降到位
I0.6
臂上升到位
Q0.0
长缸伸出
Q0.1
长缸缩进
Q0.2
短缸伸出
Q0.3
短缸缩进
Q0.4
气爪抓紧
Q0.5
气爪松开
Q0.6
臂下降
分类站IO地址定义如表4-6所示。
表4-6分类站IO地址定义
地址
定义
I0.0
横轴到位
I0.1
竖轴到位
I0.2
竖轴限位
I0.3
推出到位
I0.4
缩进到位
Q0.0
横轴脉冲
Q0.1
竖轴脉冲
Q0.2
横轴方向
Q0.3
竖轴方向
Q0.4
推工件
4.4程序举例
实验台的整个工作流程是通过一系列PLC程序来实现的，由电脑界面往PLC中输入，S7-200是用梯型图的方式来完成编程，以上料检测站为例此梯形图如图4-2所示。
图4-2上料检测站程序图
5系统电路
由于六个工作站的控制面板接线基本相同，所以先对控制面板进行分析，然后再分别对上料检测站、安装搬运站、分类站进行分析。
5.1控制面板
5.1.1控制面板内容
控制面板有五个按钮开关、二个选择开关和一个急停开关。
1.按钮
•按钮1：
开始
•按钮2：
复位
•按钮3：
特殊功能按钮
•两位旋钮4：
自动手动
•两位旋钮5：
单站联网
•按钮6：
停止报警
•按钮7：
上电
•按钮8：
急停
2.显示灯
·绿色显示灯1：
开始指示
·黄色显示灯：
复位指示
·红色显示灯：
停止指示
·绿色显示灯2：
上电指示
5.1.2按钮电路
按钮电路如图5-1所示。
图5-1按钮电路
5.1.3显示灯电路
显示灯电路如图5-2所示。
图5-2显示灯电路
5.1.4控制面板电路图
控制面板电路图如图5-3所示。
与PLC的接线见5-11。
图5-3控制面板电路图
5.2上料检测站
5.2.1上料检测站内容
上料检测站的作用是将毛胚件依次送到检测工位，提升装置将工件提升并检测毛胚件的颜色，并向后站发出信息。
上料检测站共有2个光电开关（光电传感器）、2个磁性开关（磁感应传感器）、1个气压缸、1个步进电动机、1个继电器和1个电磁阀组成。
5.2.2上料检测站各组成部分简介
1.传感器
本站共有两种传感器，分别为光电开关和磁性开关。
（1）光电开关
光电开关为红外线光电开关，型号为SB03—1K，如图5-4所示。
图5-4SB03-1K外形图
外型尺寸图如图5-5所示。
图5-5SB03-1K外型尺寸图
光电开关的原理如图5-6所示。
图5-6光电开关原理图
其参数为：
U：
10V~30VDC；
I：
≤200mA；
NPN常开；
检测距离（Sn）：
30cm（可调）。
（2）磁性开关
电磁开关的型号为D-C73，接线如图5-7所示。
图5-7磁性开关接线图
D-C73的参数，如表5-1所示。
表5-1D-C73参数
名称
D—C73
用途
继电器、程序控制器
负载电压
24VDC
100VAC
负载电流
5mA~40mA
5mA~0mA
泄漏电流
0mA
内部电压降
≤2.4V
指示灯
接通时发光二极管亮
安装形式
轨道安装
响应时间
≤1.2ms
绝缘电阻
500VDC时，≥50MΩ
绝缘耐压
1500VAC，1min不击穿
环境温度
-10℃~+60℃
保护构造
IEC规格IP67，防浸（JISC0920）以及防油构造
3.电动机
Q0.0输出的为一个由继电器控制的24V直流电机，电源为24V，接线如图5-8所示。
图5-8电动机接线原理图
4.气缸
Q0.3输出控制的是电磁换向阀，电磁换向阀控制气缸,其接线原理如图5-9所示。
图5-9控制气缸的接线原理图
5.2.3上料检测站接线图
上料检测站PLC端子分布如图5-10所示。
图5-10上料检测站PLC端子分布图
上料检测站的电路如图5-11所示。
图5-11上料检测站电路图
5.3安装搬运站
5.3.1安装搬运站内容
安装搬运站的作用：
根据前站接收的正、次品信号，将上站正品工件拿起放入安装工位，待安装好后，将工件拿起放入下站；将上站次品工件拿起放人堆放次品处。
安装搬运站由6个磁性开关、4个气压缸和7个电磁阀组成。
5.3.2安装搬运站各组成部分简介
1.传感器
这部分共有三种型号的磁性开关（磁感应传感器）。
（1）磁性开关
接线图中的I0.0，I0.1接的磁性开关,磁性开关的型号为D-A90，接线如图5-12所示。
图5-12D-A90接线原理图
D-A90的参数如表5-2所示。
表5-2D-A90参数
名称
D—A90
用途
继电器、程序控制器
负载电压
24VACDC
48VACDC
100VACDC
负载电流
≤50mA
≤40mA
≤20mA
泄漏电流
0mA
内部电压降
0V
指示灯
接通时发光二极管亮
安装形式
轨道安装
响应时间
≤1.2ms
绝缘电阻
500VDC时，≥50MΩ
绝缘耐压
1500VAC时，1min不击穿
环境温度
-10℃~+60℃
耐冲击
30G
保护构造
IEC规格IP67，防浸（JISC0920）以及防油构造
（2）磁性开关
接线图中的I0.2，I0.3接的磁性开关,其型号为D-A93，接线如图5-13所示。
图5-13D-A93接线原理图
D-A93的参数如表5-3所示。
表5-3D-A93参数
名称
D—A93
用途
继电器、程序控制器
负载电压
24VDC
100VAC
负载电流
5mA~40mA
5mA~0mA
泄漏电流
0mA
内部电压降
≤2.4V
指示灯
接通时发光二极管亮
安装形式
轨道安装
响应时间
≤1.2ms
绝缘电阻
500VDC时，≥50MΩ
绝缘耐压
1500VAC，1min不击穿
环境温度
-10℃~+60℃
保护构造
IEC规格IP67，防浸（JISC0920）以及防油构造
（3）磁性开关
接线图中的I0.5，I0.6接的磁性开关型号为D-C73，它的具体情况见上料检测站。
2.气缸
Q0.1，Q0.2输出控制的是电磁阀，电磁阀控制气缸
其接线原理图如图5-14所示。
图5-14控制气缸
的接线原理图
Q0.2，Q0.3输出控制的是电磁换向阀，电磁换向阀控制气缸
，其接线原理图如图5-15所示。
图5-15控制气缸
的接线原理图
Q0.4，Q0.5输出控制的是电磁换向阀，电磁换向阀控制气缸
，其接线原理如图5-16所示。
图5-16控制气缸
的接线原理图
Q0.6输出控制的是电磁换向阀，电磁换向阀控制气缸
，其接线原理如图5-17所示。
图5-17控制气缸
接线原理图
5.3.3安装搬运站接线图
安装搬运站PLC端子分布，如图5-18所示。
图5-18安装搬运站PLC端子分布图
安装搬运站电路如图5-19所示。
图5-19安装搬运站电路图
5.4分类站
5.4.1分类站内容
分类站的作用在接收前站的信息后，把工件分别并推入库房。
分类站由3个接近开关、2个磁性开关、2个步进电动机、2个步进电动机驱动器和1个电磁阀组成。
5.4.2分类站各组成部分简介
1.传感器
本站传感器有两种，分别是接近开关和磁性开关。
（1）接近开关
I0.0，I0.1，I0.3接的是接近开关，接近开关的型号为LE4-1K如图5-20所示。
图5-20LE4-1K的外形图
外型尺寸如图5-21所示。
图5-21LE4-1K外型尺寸图
此电感式接近开关接线如图5-22所示。
图5-22电感式接近开关接线图
LE4-1K的参数为：
U：
10V~30VDC；
I：
≤200mA；
NPN三线常开；
检测距离（Sn）：
4mm±4×10%mm；
静态电流：
≤2.5mA；
检测介质：
金属物体；
指示灯：
动作显示（红色LED）。
（2）磁性开关
I0.3，I0.4接的磁性开关型号为D-C73，它的具体情况见上料检测站。
2.步进电动机驱动器
Q0.0，Q0.2接的是一个步进电机驱动器，步进电动机驱动器的型号是SJ-220M，如图5-23所示。
图5-23SJ-220M的外形图
SJ-200的参数如表5-4所示。
表5-4SJ-200的参数
符号
说明
最小
一般（典型）
最大
单位
Vss
输入电压
16
32
V
Iss
输入电源电流
2
A
Iout
相输出电流
0.4
2.5
A
Iin
逻辑输入电流
5
10
15
mA
Tp
步脉冲持续时间
5
μs
Ts
方向稳定时间
0
ms
Th
方向保持时间
10
μs
Td
开关时间
20
μs
Fmax
最大运行频率
50
Khz
Famb
环境温度
0
+50
℃
Tstg
存储温度
-40
+125
℃
通过步进电机驱动器来控制步进电机，此电机是控制横轴方向的，其接线原理如图5-24所示。
图5-24步进电动机驱动器
接线原理图
Q0.1，Q0.3接的是一个步进电机驱动器，步进电机驱动器控制电机,它是控制竖轴方向，其接线如图5-25所示。
图5-25步进电动机驱动器
接线原理图
3.气缸
Q0.4输出控制的是电磁换向阀，电磁换向阀控制汽缸，其接线原理如图5-26所示。
图5-26控制气缸的接线原理图
5.4.3分类站接线图
分类站PLC端子分布如图5-27所示。
图5-27分类站端子分布图
分类站电路图如图5-28所示。
图5-28分类站电路图
结论
经过几个多月的努力，完成了毕业设计。
本次毕业设计课题为“模块化生产控制系统设计”，其具体任务是对上料检测站、安装搬运站和分类站进行控制系统硬件设计和软件设计，且经检测画出输入输出元器件的电路图及上述三个工作站的总的电路图。
在整个设计过程中，对工业模块控制系统、S7-200控制系统有了较深入的认识，对毕业后的工作打下了较坚实的基础。
整个任务完成过程中，我的工作主要包括以下几项内容：
1.较好地掌握了S7-200控制系统。
2.进行了工业模块控制面板的设计。
3.进行了步进电机驱动控制的设计。
4.进行了光电传感器、磁感应传感器的选型和电路设计。
5.进行了上料检测站、安装搬运站和分类站的电路设计。
6.对上料检测站、安装搬运站和分类站进行部分软件设计。
由于时间关系，以及个人能力问题，这次设计中肯定存在不少问题，本设计只是针对工作台的接线电路图作了研究学习，未能涉及到PLC的软件程序的深入研究，这是本设计的遗憾之处。
总之，在这次毕业设计中，通过我个人的努力以及老师的指导和同学的帮助，我学到了许多有用的知识，并顺利地完成毕业设计任务。
这个过程使我的理论知识和动手实能力都有所提高，知道怎样把PLC的书本知识放到实践中，同时也学会怎样将理论和实践相结合。
同时，与指导老师的交流合作，使我逐渐的建立起一种工程思想，并且有了一个严谨的工作态度，这将使我受益终生。
我相信这次毕业设计一定能为我四年的大学生涯划上一个完满的句号，并为将来的发展奠定坚实的基础。
致谢
通过这次毕业设计，我认识到所学知识的重要性。
在设计过程中我查阅了大量的资料，大大提高了我的文献检索的能力，同时也巩固了以前所学的知识，促进了对PLC以及电气方面相关知识的了解,我相信这对我以后的工作大有帮助。
本论文是在导师李森林教授悉心指导下完成的。
导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我掌握了基本的研究方法，还使我明白了研究事物的思维方式。
本文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。
在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
本论文的顺利完成还离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。
在此感谢何峰等老师的指导和帮助；感谢我的辅导员吴平老师的关心、支持和帮助；感谢班里所有同学的支持与鼓励。
感谢所有的我的老师，没有你们的努力就没有我们的成长，在即将离别之际，祝愿所有尊敬的老师们合家欢乐，幸福永远！
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10.谈智明.精通
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