基于s71200系列plc自动化生产线设计职业学院机电一体化大学论文.docx
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基于s71200系列plc自动化生产线设计职业学院机电一体化大学论文
广州城建职业学院
毕业设计
题目_基于S7-1200PLC自动化生产线控制系统的设计_
所在系机电与信息工程学院____
专业班级14机电一体化2班____
学生姓名_程广通______
学生学号__1409010202_
指导老师曾一新________
广州城建职业学院教务处制
基于S7-1200PLC自动化生产线控制系统的设计
14机电一体化2班程广通
指导老师：
曾一新
摘要基于S7-1200PLC自动化生产线控制系统是加工、组装的一套结合工业案例，按工业标准设计，集成主流、常用工业控制设备的教学仪器。
该系统设备采用西门子应用于制造行业中的SIMATICS7-1200为核心，配合工业总线通讯接口，集成变频器、人机界面、通信网络、多种传感器（颜色、姿势、材质辨别等），实现自动化技术相关专业中PLC应用技术教学、训练和考核。
设备包含：
自动送料功能模块、传送带功能模块、自动检测功能模块、气动、电动机械手功能模块、PLC与变频器控制系统、直流调速模块、步进驱动模块、报警功能模块、人机界面PLC网络通讯系统、气动控制系统等，构成自动分拣与姿势调整的主从工作站。
关键词S7-1200；西门子；PLC；自动化生产线
引言
本论文是考虑到目前的自动化生产线发展的实际情况，现代化的自动生产设备是现今生产中最为普遍的生产方式，以及最有发展前景的生产方式，由本论文作者结合相关资料编写的一遍毕业论文。
现代化的自动生产设备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。
该论文设计的是一套基于PLC技术的自动化生产线设备系统可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，得到的一个非常接近于实际的自动化生产线系统。
从而缩短了理论与实际应用之间的距离。
自动分拣站需完成对上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣。
使不同颜色、姿势和材质的工件从不同的料槽分流的功能。
当输送站送来工件放到传送带上并为入料口光电传感器检测到时，即启动变频器，工件开始送入分拣区进行分拣。
第一章基于S7-1200PLC自动化生产线控制系统的概述
一、自动化生产线控制系统的现状与发展
我国人口众多，人均资源相对不足，可利用的土地越来越少，人口数量庞大。
因此，对是否可持续发展的问题非常重视。
由于以上的问题，自动化生产线这个拥有生产产品量大；产品设计和工艺先进、稳定、可靠；在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率；稳定和提高产品质量、改善劳动条件、缩减生产占地面积、降低生产成本；缩短生产周期、保证生产均衡性等优点的一个控制系统。
自动化的出现可谓是缓解了我国的是否可持续发展的问题。
自动化生产线的联结方式是刚性和柔性，即是机器与人的互相配合。
自动化生产线的发展还是有点历史的，从二十世纪20年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。
在二十世纪20年代之前，首先是在汽车工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。
第二次世界大战后，在工业发达国家的机械制造业中，自动线的数目急剧增加。
随着中国经济的不断发展和社会的进步，人们对商品的需求量也越来越大，不仅如此，对商品的质量要求也日渐增高，这给我们的工业化生产带来了很大的阻碍，在这样严峻的情况下，自动生产线应运而生。
自动化生产线的出现使得我们面临的问题迎刃而解，自动化生产线一出现就受到了我们工业制造领域的热捧成为了现代化工业中不可或缺的帮手，相较于人手来说产量高出太多，最重要的是它的技术很先进,也能保证产品的质量。
它的出现无疑是现代工业的巨大福音,可以最大程度满足市场对产品的需求量,提高劳动生产率,还能改善劳动的环境从而提高产品的质量,减少工人的数量和厂房的占地面积，降低商品的成本。
但是由于引进自动化设备费用高、国内自动化集成设备水平较低、国内政策等问题，使得我国自动化生产水平陷入了尴尬的局面。
二、自动化生产线控制系统的组成
自动线的控制系统主要CPU的软件程序控制系统、人机交换界面系统，以及辅助设备按照规定的工作循环和联锁要求正常工作，并设有故障寻检装置和信号装置。
为适应自动线的调试和正常运行的要求，控制系统有三种工作状态：
调整（手动）和自动。
在调整状态时可手动操作和调整，实现单台设备的各个动作；在自动状态时自动线能连续工作。
控制系统有“预停”控制机能，自动线在正常工作情况下需要停车时，能在完成一个工作循环、各机床的有关运动部件都回到原始位置后才停车。
自动线的其他辅助设备是根据工作需要和自动化程度设置的。
为提高自动线的生产率，必须保证自动线的工作可靠性。
影响自动线工作可靠性的主要因素是运行的稳定性和设备工作可靠性。
自动线的发展方向主要是提高生产率和增大多用性、灵活性。
为适应多品种生产的需要，将发展能快速调整的可调自动线。
三、自动化生产线控制系统运行模式分析
在该自动化生产线控制系统中由手动和自动两种运行模式控制运行系统。
（一）手动运行模式是指系统控制通过操作人员控制系统的运行一个单个系统工作段，通常用于调试系统以及系统的维护。
而在本系统中，手动运行模式是通过旋钮把默认的自动运行模式切换为手动运行模式的，然后在人机交换界面系统的触摸屏上控制系统的单个工作段。
（二）自动运行模式是指系统控制通过一次启动后不需要其他人为或其他控制自动自行连续完成整个系统预设的工作流程。
在这个系统中，和手动运行模式一样通过旋钮切换运行模式。
系统上电后系统就会自行工作，直至完成预设的工作流程。
第二章PLC结构和工作原理及相关知识介绍
一、PLC组成与基本结构
PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的扩展性与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。
因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
而S7-1200PLC的结构紧凑、功能全面、扩展方便，其CPU模块集成有工业以太网通信接口和多种工艺功能，可以作为一组件集成在完整的综合自动化系统中。
S7-1200PLC主要由CPU模块、信号板、信号模块、通信模块和编程软件组成，各种模块安装在标准的导轨上。
通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其他CPU或设备通信。
二、PLC的系统结构
目前PLC种类多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件和微机相似。
主要包括CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。
其内部也是采用
图2-1PLC结构示意图
总线结构来进行数据和指令的传输。
如图2-1所示。
PLC控制系统有输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。
三、PLC的基本工作原理
图2-2PLC的扫描工作过程
由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。
微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，若有键按下或I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。
PLC则是采用循环扫描的工作方式。
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符号后返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
PLC的工作过程就是PLC的扫描循环工作过程，一个循环扫描周期主要可分为3个阶段，输入刷新阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
如图2-2所示PLC的扫描工作过程。
四、西门子S7-1200系列PLC功能特点
制造行业中的创新系统解决方案——模块化控制器SIMATICS7-1200控制器具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，适用于多种应用，能够保障现有投资的长期安全。
由于该控制器具有可扩展的灵活设计，符合工业通讯最高标准的通讯接口，以及全面的集成工艺功能，因此它可以作为一个组件集成在完整的综合自动化解决方案中。
·通讯模块集成工艺集成的PROFINET接口用于编程、HMI通讯和PLC间的通讯。
此外它还通过开放的以太网协议支持与第三方设备的通讯。
该接口带一个具有自动交叉网线（auto-cross-over）功能的RJ45连接器，提供10/100Mbit/s的数据传输速率，它支持最多16个以太网连接以及下列协议：
TCP/IPnative、ISO-on-TCP和S7通讯。
SIMATICS7-1200CPU最多可以添加三个通讯模块。
RS485和RS232通讯模块为点到点的串行通讯提供连接。
对该通讯的组态和编程采用了扩展指令或库功能、USS驱动协议、ModbusRTU主站和从站协议，它们都包含在SIMATICSTEP7Basic工程组态系统中。
·高速输入
SIMATICS7-1200控制器带有多达6个高速计数器。
其中3个输入为100kHz，3个输入为30kHz，用于计数和测量。
·高速输出
SIMATICS7-1200控制器集成了两个100kHz的高速脉冲输出，用于步进电机或控制伺服驱动器的速度和位置。
这两个输出都可以输出脉宽调制信号来控制电机速度、阀位置或加热元件的占空比。
·存储器
用户程序和用户数据之间的可变边界可提供最多50KB容量的集成工作内存。
同时还提供了最多2MB的集成装载内存和2KB的掉电保持内存。
SIMATIC存储卡可选，通过它可以方便地将程序传输至多个CPU。
该卡还可以用来存储各种文件或更新控制器系统的固件。
·可扩展的灵活设计
信号模块
------多达8个信号模块可连接到扩展能力最高的CPU，以支持更多的数字和模拟量输入/输出信号。
信号板
------一块信号板就可连接至所有的CPU，由此您可以通过向控制器添加数字或模拟量输入/输出信号来量身定做CPU，而不必改变其体积。
SIMATICS7-1200控制器的模块化设计允许您按照自己的需要准确地设计控制器系统
五、开放式用户通信简介
通过以太网的数据交换，SIMATICS7-1200提供了开放式TCP/IP通信，有以下T通信块：
TCON,TSEND,TRCV与TDISCON（直接进行连接与断开流程）与TSEND_C和TRCV_C（集成连接和断开流程）。
T通信块支持以下协议：
TCPnativeISO-on-TCP（动态数据长度的数据传输）在主站以及从站侧，选择了可直接进行连接与断开流程的通信块：
建立连接的TCON，发送数据的TSEN，接收数据的TRCV，断开连接的TDISCON。
所选择的协议为“ISO-on-TCP”。
在OSI模式中，将“ISO-on-TCP”协议添加至TCP协议中，从而获得消息导向法这个优点，这对于在SIMATIC系统之间的通信特别有帮助。
对于在STEP7BasicV13中的连接组态，各个连接参数是通过IP地址认定的。
对于一个已组态的连接，在一个连接数据块中保留连接资源，并保存连接参数。
伙伴服务器的IP地址也保存在这里。
开放式T通信最多不能超过8个同步连接。
在连接数据块中改变IP地址，能够在八个以上不同的通信伙伴服务器之间通过同一连接资源进行数据交换。
主站和从站分别有一个发送和接收数据块（Send_DB和Receive_DB）。
主站通过TCON块发送一个TCP/IP连接请求到第一个从站。
确认所建立的连接，伙伴也要执行TCON块。
对于同步，则需要主站通过TSEND通信块与用户数据一起读取系统时间与发送系统至从站。
通过TRCV接收块，从站接收在Receive_DB数据块的数据。
从站通过接收主站的接收时钟同步其系统时间。
然后从站1通过TSEND块发送其用户数据至主站。
从站1的用户数据通过在接收数据块相关位置的TRCV块存在主站侧。
然后主站通过TDISCON块与从站1断开连接。
在接下来的从站中重复这个流程。
在主站和最后一个从站的数据交换后，主站启动与从站1的数据交换。
在从站侧，则保留已建立的连接。
因此必须调用TCON进行初始化。
启动代码为了便于调试，我们将提供带有测试代码和测试参数的软件实例以供下载。
这些软件实例有助于初步了解组态实例并进行测试。
以便用户可以对该组态实例中描述的产品的硬件和软件接口进行快速测试。
六、步进电机的结构及原理
（一）步进电机是将电脉冲信号转变角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速，停止的位置只取决于控制脉冲信号的频率和脉冲数
（二）脉冲数越多，电机转动的角度越大。
（三）脉冲的频率越高，电机转速越快，但不能超过最高频率，否则电机的力矩迅速减小，电机不转。
步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。
通电后会吸引最近的齿
A-B-C-A时是逆时针A-C-B-A时为顺时针这两种工作方式时三相单三拍
三相六拍A-AB-B-BC-C-CA-A
三相双三拍AB-BC-CA-AB当某相定子励磁后，它吸引转子，转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，转子转动一个角度，换一相得电时，转子又转动一个角度。
如此每相不停地轮流通电，转子不停地转动。
电机运行的方向和通电的相序有关，改变通电的相序，电机的运行方向也就改变步距角;电机每拍转动的角度步距角=360/（mzk）,M为定子绕组的相数。
Z为转子的齿数。
M相M拍时K为1，M相2M拍时K为2。
七、西门子MM420变频器介绍控制
自动线上输送单元的传送带由三相交流异步电动机驱动，而电动机的速度及方向由西门子公司通用变频器MM420来控制。
三相交流电源经熔断器、交流器、滤波器、变频器输出到交流电动机。
其外形如图1-1所示
西门子MICROMASTER420系列变频器是一种小型、高性能变频器。
在自动化设备上进行的实训，所涉及使用通用的变频器所必需的基本知识和技能，着重于变频器的接线、操作和常用参数的设置等方面。
MM420变频器的安装与接线图1-1
西门子MM420变频器的通用接线分为主电路和控制电路的通用接线，在自动线中，选用的是二相输入的变频器，其主电路的通用接线如图1-2所示。
图1-2
MM420系列变频器控制电路的电路接线图如图1-3所示，由图可见控制电路端子分为控制输入、频率设定（模拟量输入）、继电器输出（异常输出）、集电极开路输出（状态检测）和模拟电压输出的五部分区域，各端子的功能可通过调整相关参数的值进行变更。
在进行电气安装之前，将变频器电源频率设置成与电源频率相符，将DIP-开关
（2）往上拔时，此时变频器的电源频率为60Hz；当DIP-开关
（2）开关在缺省位置时，此时变频器的电源频率是50Hz。
在初始值的情况下，各控制电路端子的功能说明如表所示。
图1-3
第三章基于S7-1200PLC自动化生产线控制系统方案设计
一、系统的工作原理
本系统有五个单元组成，分别为供料单元、推料单元、机械手翻转单元、输送单元、分拣单元。
工作时，系统上电，工件从供料单元推出到输送单元，传感器判断工件的姿势、颜色、材质后，通推料单元把不及格的工件推走，然后过机械手单元改变工件姿势，最后到达分拣单元根据工件的颜色分拣到不停地料仓。
二、设计分析
（一）供料单元
为了准确模拟现实生活中的自动生产线，BA-AT-03型自动化生产线有供料单元，它是生产线中的起始单元，向系统中的其他单元提供原料，相当于实际生产线中的自动上料系统。
其主要由大工件装料管（料仓）、送料气缸、磁感应接近开关、光纤传感器组成，从而完成该功能。
供料单元基本功能：
是按照需要将放置在料仓中的工件自动送出到传送带上，以便输送单元的皮带传动装置将工件运送往下一个工作单元。
工作过程：
工件垂直叠放在料仓中，送料缸处于料仓的底层并且其气缸的挡板可以挡住工件掉下送料槽中，经过料仓光纤传感器检测到送料槽中有工件之后，发送信号给PLC，PLC经过处理后就可以发送送料的信号，驱动送料缸推出工件到传送带上供下一个工作单元工作。
供料单元的推料槽中装有光纤传感器的光纤头用来检测料仓中是否有工件，并向系统发送有无工件的信号。
（二）推料单元
推料单元的基本功能是：
按照需要把传送带上材质不符合要求的工件通过推料缸把工件从传送带上推走。
工作过程：
工件在传送带上经过传感器检测材质后，将信号传到推料缸，推料缸根据选择需要的信号通过该单元，收到不需要的信号时，则触发推料缸把工件推走。
（三）机械手翻转单元
机械手翻转单元的基本功能是：
按照需要将传送带上姿势摆放不正确的工件通过机械手夹取并翻转进行工件姿势的矫正，然后将他们重新放到传送带上。
工作过程：
工件在传送带上经检测到工件的信号之后，主站发送信号到从站，从站对此做出相应的操作。
其薄型气缸下降使得气动手指降下将工件夹紧然后薄型气缸带动气动手指和工件上升，上升到上限位之后，PLC控制直流电机正转或者反转，从而达到矫正工件的目的。
（四）输送单元
输送单元的基本功能是：
按照需要将静置在传送带上的工件自动送往其他工作单元，并对传送带上的工件进行材质、颜色以及工件的摆放姿势的判别从而分辨工件的信息以供分拣单元对工件进行分拣和机械手翻转单元对工件摆放姿势的矫正。
（五）分拣单元
分拣单元是自动化生产线的最后一个单元，这个单元是完成对上一个单元送来的已经经过姿势矫正以及检测部分的传感器已经做出判别的工件，按照不同的存储要求进行不同仓储分拣。
使它们存放在指定的立体料仓上。
当送料单元送来的工件抵达皮带的后端，后端传感器接通后，就启动步进电动机，使吸盘气缸移动至传送带上方，然后执行吸取工件的操作并分拣不同的工件到指定的立体仓储上。
三、可行性分析
根据系统的工作原理，其工作顺序呈线性形式运行，依次从供料单元到输送单元，再到推料单元，然后到机械手翻转单元，最后到分拣单元。
所以该自动化生产线设计判断其是否可行，我们需要先测试各个单元单独是否能完成它应完成的任务。
若可以，则在判断各个单元是否能互相连接顺序工作。
四、可行性试验
按照上述的可行性分析，我们可以做出以下一些的试验;
（一）测试推料单元：
料仓传感器检测料仓是否有料，有料则将工件推送至传送带。
（二）测试推料单元:
传送带上的传感器检测工件后把信号传递到推料缸，推料缸推走不需要的工件。
（三）测试机械手翻转单元：
传送带上的传感器检测工件后把信号传递到机械手翻转单元，机械手翻转单元把需要改变姿势的工件进行翻转改变姿势。
（四）测试输送单元：
PLC通过变频器改变和控制传送带上的电机速度。
（五）测试分拣单元：
工件的传感信息传输到分拣单元后，分拣单元通过步进伺服电机把工件分拣到指定位置。
（六）测试系统的串连工作即能否完整工作:
把所有工作单元连接工作。
若上述所有测试可行，则系统的设计可行。
五、PLC的选择
三菱采用的GX编程软件直观易懂，操作时速度快，虽然指令多，但学习起来会比较轻松，可以脱机仿真操作。
而西门子指令比较抽象，学习难度较大，但指令较少，必修连机仿真操作，西门子采用的STEP7Basic编程软件容量较大，在使用时速度比较缓慢，但操作直观、上手容易、使用简单，是用户能够对项目进行快速而简单的组态。
由于具有通用的项目视图、用于图形化工程组态的最新用户接口技术、智能的拖放功能及共享的数据处理等，有效地保证了项目的质量。
三菱的优势在于离散控制和运动控制，三菱的指令丰富，有专用的定位指令，控制伺服和步进容易实现，要实现某些复杂的动作控制也是三菱的强项，而西门子在这块就较弱，没有专用的指令，做伺服或步进定位控制不是不能实现，而是程序复杂，控制精度不高。
过程控制与通信控制西门子是强项，西门子的模拟量模块价格便宜，程序简单，而三菱的模拟量模块价格昂贵，程序复杂，西门子做通信也容易，程序简单，三菱在这块功能较弱。
所以针对不同的设备不同的控制方式，我们要合理的选用PLC，用其长处，避其短处。
例如某设备只是些动作控制，如机械手，可选择三菱的PLC，某设备有伺服或步进要进行定位控制，也选三菱的PLC；像中央空调，污水处理，温度控制等这类有很多模拟量要处理的就要选西门子的PLC比较合适，某设备现场有很多仪表的数据要用通信进行采集，选西门子的好控制。
目前我们考虑到西门子S7-1200是新一代小型PLC，它具有集成的PROFINET接口、强大的集成工艺功能和灵活的可扩展性等特点，为各种工艺任务提供了简单的通信和有效解决方案，能够满足完全不同的自动化需要，安装了2个西门子S7-1200系列的可编程逻辑控制器PLC来控制，就像人的大脑一样，思考每一个动作，每一招每一式，指挥自动化生产线上的机械手、气缸按程序动作，是自动化生产线的核心部件。
所以我们选择了使用西门子S7-1200。
第四章PLC的硬件和硬件组态设置
一、步进电机驱动器设置
（一）根据步进电机的相电流设定步进驱动器的动态及静态电流
在该自动化生产线的设备中，选用的四相八线步进电机，相电流是4.2A，由于采用并联式接线与步进驱动器的A、B相连在一起，故步进驱动器的动态电流应该设置在4.2X1.4=5.88（A）以下即可，电流设置表的峰值选定4.3-5.6A，本例中选用4.9A，对应的SW1=OFF，SW2=ON，SW3=ON。
对于静态电流设置则比较简单，根据项目的要求步进电机停止时采用静态电流为动态电流的一半，则可设SW4=OFF。
（二）设置细分
BA-AT-03型的自动线选用的步进电机最高频率是50kHz，意味着单位时间内的脉冲不能超过此数值，根据题目的要求，工作台运行的速度为22mm，由于丝杆螺距为10mm。
意味着每秒钟丝杆要转动22/10=2.2（圈）。
由于步进电机最高的频率是50kHz，且在整步方式下步距角为1.8°，则细分倍数对应应该小于50000/4/200=113.64。
本例中选用40倍的细分，对应每圈的细分步数值是8000，令SW5=OFF，SW6=ON，SW7=OFF，SW8=OFF。
二、变频器参数设置
西门子MM420变频器进行参数设置时需要先快速调试再去设置参数，可以避免一些不必要的参数错误。
（一）快速调试
利用快速调试功能使得变频器与实际使用的电机参数相匹配，并对重要的技术参数进行设定。
如果变频器中存放的电机额定数据与实际的电机铭牌数据相同，就可以不进行快速调试。
快速调试步骤如下表：
（二）快速调试后我们就可以就行应用参数设置，该变频器参数根据本自
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