基于FX2NPLC改造的THJDAL3型自动生产线控制系统设计本科论文.docx

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基于FX2NPLC改造的THJDAL3型自动生产线控制系统设计本科论文

编号：

桂林电子科技大学信息科技学院

毕业设计（论文）说明书

题目：

基于FX2N-PLC改造的THJDAL-3

型自动生产线控制系统设计

系别：

机电工程系

专业：

机械电子工程

学生姓名：

潘求星

学号：

1053200221

指导教师：

廖晓梅

职称：

高级工程师

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发应用研究

2014年5月26日

摘要

随着科学技术的发展，自动生产已占据了工业中不可取代的位置。

当然，培养设计和操作自动产线的人才也是至关重要的。

所以本次毕业设计选择一个最接近实际生产的实验设备——THJDAL-3型自动生产线。

THJDAL-3型自动生产线是实验室中购买的生产设备，它综合了液压与气压原理、PLC技术、电器与控制技术、传感器技术等多门课程的知识，属于一种较为典型的生产线设备，为了将其现有的控制系统改造为由三菱FX2N型PLC控制，本次毕业设计要求学生对其现有的控制系统进行调研，并根据其控制要求，做出总体设计方案，设计出该套系统的控制图纸和程序，并进行现场的调试。

本系统由三菱FX2N型PLC控制整个生产线，包括辊道传送上料机构、自动摆台机构、双工位井式上料机构、搬运装配机构、加工冲压机构、搬运堆垛机构六个部分。

改造的系统操作简单、降低成本，有效锻炼了学生对知识的灵活运用。

关键词：

THJDAL-3型自动生产线；PLC；控制

Abstract

withsciencetechnicaldevelopment,automaticallytheproductionhasalreadyoccupiedthenotcommutablepositionintheindustry.Certainly,developmentdesignandoperatethetalentedpersonofautomaticproductionlineisalsotothepassisimportant.Sothisgraduationdesignstochooseanexperimentequipments-typeTHJDAL-3thatapproachesactualproductionmostautomaticproductionline.

TypeTHJDAL-3automaticproductionlineispurchaseinthelaboratoryofproductionequipments,itsynthesizedhydraulicandbarometricprinciple,PLCtechnique,electricappliancesandcontroltechnique,spreadafeelingmachinetechniquetheknowledgeofetc.severalcourses,belongtoakindofmoretypicalproductionlineequipments,forthesakeofwillittheexistingcontrolsystemreforminordertobecontroledbytheMitsubishiFX2NtypePLC,thisgraduationdesignstorequeststudentastoit'stheexistingcontrolsystemcarryonaninvestigation,andrequestanddoatotaldesignprojectaccordingtoitscontrol,designonethecontroldiagramofset'ssystempaperandprocedure,andcarryonthespotofadjusttotry.

ThissystemiscontroledthewholeproductionlinebytheMitsubishiFX2NtypePLC,includeaGunwaytransmissionupanticipateorganizationandautomaticallyputasetorganization,doubletheworkwelltypeupanticipateanorganization,porteragetoassembleorganization,processbluntpressanorganization,porterageheapDuoorganizationissixparts.Reformationofthesystemoperationissimpleanddeclinelowcost,effectivelytoughennedstudentforusingflexiblyknowledge.

Keywords：

TypeTHJDAL-3automaticproductionline;PLC;Control

引言

随着社会的进步和科技水平的提高，人类控制活动的范围越来越广，控制的能力也原来越强。

特别是在现在的大工业生产过程中，为了保证正常的生产和工作条件或为了生产出更高质量、更高性能的产品，必须对某些物理量（如温度、压力、力矩、重量、流量、液位、电压、电流、位移、速度和转速等）进行精确的控制，尽量使这些物理量保持在某个数值附近，或按特定的规律变化。

如在药品生产过程中，要控制温度保持恒定或按一定规律变化，以保证生产出高质量的药品。

为了满足这种控制上述物理量的需求，就必须对生产机械或设备进行及时的、适当的操作控制，以消除或减弱外界干扰对设备的影响。

这种操作控制，如用人工来执行就称为人工控制，如用自动装置来完成就称为自动控制，也成为自动化技术。

就目前发展看，自动化技术是综合利用了计算机技术、制造技术、控制技术、电子技术、通讯技术和管理科学等学科知识，采用设备集成和信息集成，实现了从规划设计、生产制造、管理销售等功能的自动化控制。

所涵盖内容从最底层的感应元件、传感器到执行机构、自动化监测系统等非常广泛，是现代化工业建立与发展的一个重要支柱技术，是关系到国民经济发展和人们生活改善的关键技术之一，也是本世纪工业发展的一项至关重要的关键技术，其地位的重要不言而喻。

自动控制的实现就是用合适的机械和电气设备来充当给定元件、测量元件、比较元件、放大元件、执行元件、以及校正元件等控制器的构成要素，并把这些机械和电气设备有机地、按逻辑地结合在一起，以实现自动检测、计算、判断、调节、控制的功能。

现代的生产工艺对自动控制的要求越来越高，单纯使用机械或电气很难满足这种要求，实际上大部分的自控系统是由机械设备和电气元件相互配合来实现的，机械和电气之间有着密切的联系，既相互配合，有时又相互取代，而且又相互融合的趋势，即机电一体化。

当机械或电气都能实现某一功能时，要考虑价格、性能、可靠性、寿命、参数调整、维护维修等多种因素来进行选择。

一般来说，机械和电气相比，具有制造成本高、易磨损、不便于修改工艺参数、维护成本高等缺陷。

因此，随着电子电气技术的发展，越来越多的原先必须使用复杂机械结构的场合都逐步使用电气设备来取代机械设备，特别是智能化的控制设备，如可编程控制器（PLC）、工控计算机等出现后，电气设备在自动控制领域越来越多地起着核心作用，电气控制的地位正变得越来越重要。

1课题的意义及设计方案论证

1.1课题意义

随着现代科学技术的不断快速发展，自动化生产已占据了现代工业的半壁江山。

当然，培养设计和操作自动产线的人才也是至关重要的。

学生在校园学到的只是理论知识，理论结合实际生产是关键，所以本次毕业设计选择一个最接近实际生产的实验设备——THJDAL-3型自动生产线。

本课题的目的是将THJDAL-3型自动生产线现有的控制系统改造为由三菱FX2N型PLC控制。

通过基于该实训系统的使用、训练和培训，能充分锻炼使用者团队的协作能力、计划组织能力、自动化生产线装配检修能力、成本与安全意识。

通过该系统的教学，可引导高校自动化类专业的教学发展以及改革的走向，促进了工学结合高等技能人员培养模式的创新和改革，培养出更多能适应企业需求的高素质、多技能的、自动化控制人才，同时为推动了时代及工业的可持续发展。

1.2设计方案论证

实验室现有的THJDAL-3型自动生产线设备是通过西门子控制，而本次毕设要求将其改成用在学校学习的三菱PLC控制，利用已学的知识去解决一些没有学习的新知识，把所学知识融会贯通，灵活运用。

方案一：

可用西门子PLC控制该系统，西门子PLC是德国品牌，指令比较抽象，学习难度较大，但指令较少，容易记住指令。

西门子的模拟量模块价格便宜，程序简单过程控制与通信控制西门子是强项，而要实现某些复杂的动作控制西门子是弱项，没有特别为某项功能开发的指令，虽然对伺服或步进定位控制可以实现，但是程序量大，控制精度相对较低。

若本系统利用现有的实验器材步进电机、伺服电机和变频器，根据学生在校所学的知识是难以完成的，参数设定需要的软件学校不能提供和涉及的知识较深短时间难以掌握，另外，步进电机、伺服电机和变频器价格较贵，提高成本，操作麻烦。

方案二：

可用三菱PLC控制该系统，三菱PLC是日系品牌，编程直观易懂学习起来比较轻松。

三菱品牌具有针对离散控制以及运动控制的优点，三菱的指令丰富，有专用的定位指令，易于控制定位，要实现某些复杂的动作控制是三菱的强项。

而西门子在这块就较弱，没有专用的指令。

但是，三菱的模拟量模块价格昂贵，程序复杂，相对西门的通信，三菱是处于弱势的。

另外，直流电机比步进电机、伺服电机和变频器便宜，节约成本。

作者在校学习的也是三菱PLC，利用自己已学知识来解决问题。

综上所述，要根据不同的设备选用不同的控制方式，要合理的选用PLC，用其长处，避其短处。

本次毕业设计的系统大部分是离散控制和运动控制，所以该系统选用方案二。

2国内外研究现状

自1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标要求研制出世界上第一台可编程控制器——PLC（DPD-14型），并成功地应用在通用汽车的生产线上，而后的20世纪80年代改革开放时期可编程控制器被引入我国，以可编程控制器代表的自动化设备在我国工业控制领域取得了很大的贡献。

跟国际同行业相比，我国的自动化水平还显得不够成熟，在运用于开发方面尤其不足，对自动化技术的改造尚处于起步阶段，这与自动化水平成熟的发的国家差距明显。

因此，国家在本世纪头20年经济建设和改革的主要任务是基本实现工业化，大力推进信息化，并进一步提出信息化是本国加快实现工业化和现代化的必然选择。

目前，对于不同品牌的PLC控制器而言，他们的共同趋势都是向小型微型和巨型两个方向发展，功能越来越往两个方面：

特殊功能模块，产品规格会系列会更多、更全，周边相关产品线也会越来越丰富；性价比越来越高，能更加恰当而不浪费地满足控制系统的要求。

近几年来，国外兴起了工厂自动化（FactoryAutoimmunization，简称EA）系统柔性制造系统（FlexibleManufactureSystem,简称FMS）及集散型控制系统（DistributedControlSystem,简称DCS）等发展得需要，但是在我国还鲜有这样的例子。

从这一现状可以看出，我国的自动化水平与国外技术还有一个明显的差距。

根据当今社会的发展来看，可编程控制器目前已应用于冶金、石油化工、汽车制造、机床、纺织、环保等行业，可就其发展趋势来看，在今后的发展和改革中，可编程控制器还将在生活、娱乐、交通等诸多与人们日常息息相关的领域占有一席之地，而且比重将会越来越高，占领的速度也会越来越快。

可见，在21世纪这个信息化、自动化、智能化的大时代，可编程控制器的前景会无限宽广，对自动化技术人才的需求也会不断增长，自动化专业也必将成为21世纪的一个新热门专业。

总之，PLC已成为解决自动控制问题的最有效工具，必将越来越广泛地受到人们的关注。

3毕业设计要求与产品的概述

3.1毕业设计要求

可编程控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。

其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。

PLC的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来PLC技术在本国将得到更全面的推广和应用。

所以培养利用PLC控制自动生产线的人才迫在眉睫，为了让学生能更好的把在学校学到的理论知识应用到实际生产中，灵活运用所学知识，本次毕业设计要求学生对THJDAL-3型自动生产线进行改造，提升学生融会贯通的能力。

THJDAL-3型自动生产线是实验室中购买的生产设备，它综合了液压与气压原理、PLC技术、电器与控制技术、传感器技术等多门课程的知识，属于一种较为典型的生产线设备，为了将其现有的控制系统改造为由三菱FX2N型PLC控制，本次毕业设计要求学生对其现有的控制系统进行调研，并根据其控制要求，做出总体设计方案，设计出该套系统的控制图纸和程序，并进行现场的调试。

3.2产品概述

本系统是一种最为典型的机电与自动化产品，是为职业院校、职业教育培训机构而研制的，它适合机电一体化、电气自动化等相关专业的教学和培训。

它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学及实训目的进行了专门设计，强化了自动化生产线的安装与调试能力。

该系统由六部分组成，分别为：

辊道传送上料机构、自动摆台机构、双工位井式上料机构、搬运装配机构、加工冲压机构、搬运堆垛机构，完成工件上料、检测、搬运、加工、装配、分拣、堆垛入库等功能，产品图片如图3-1所示。

涵盖了自动化类中机电一体化和电气自动化专业中所涉及的PLC控制、变频调速、传感检测、气动、伺服电机驱动与调速、步进电机驱动与调速、机械结构安装与系统调试等内容。

通过基于该实训系统的使用、训练和培训，能充分锻炼使用者团队的协作能力、计划组织能力、自动化生产线装配检修能力、成本与安全意识。

通过该系统的教学，可引导高校自动化类专业的教学发展以及改革的走向，促进了工学结合高等技能人员培养模式的创新和改革，培养出更多能适应企业需求的高素质、多技能的、自动化控制人才，同时为推动了时代及我国工业的可持续发展。

图3-1产品图片

3.3产品的特点

（1）本实训装置贴近工业现场要求，是典型的自动生产线，设备从选材、工艺、流程、结构、控制等各方面都从实际工业现场出发，考虑工学结合要求，有机融合了机械、电气、气动、传感器、交流电机变频调速、步进电机驱动控制、伺服电机驱动控制、PLC控制及工业通信网络等多种技术，能开展任务驱动的项目教学法。

（2）整体结构采用开放式和拆装式，具有明显的动手拆装实训功能，可以拆装到各零部件及每颗细小的螺丝，能很好的服务于项目实训教学。

（3）用于教学，可按工作过程导向、工学结合的模式规划教学活动，可完成多种工业现场环境下的技能培训任务。

（4）该实训装置PLC模块I/O端子、变频器接线端子、各常用模块接线端子，均采用安全型插座，使用带安全插头的导线进行电路连接；各指令开关、光电开关、传感器和指示元件的电路通过端子排进行连接。

插拔线连接电路与端子排连接电路相结合，既保证学生基本技能的训练、形成和巩固，又保证电路连接的快速、安全和可靠。

3.4系统框图

本系统主要完成工件的加工与传送任务，通过PLC控制接收、处理数据，只要一旦有输入信号，经过PLC处理，就会在输出端有相应的输出。

本设计是基于FX2N-48MR型PLC控制为核心，采用模块化设计方法，有辊道传送上料机构、自动摆台机构、双工位井式上料机构、搬运装配机构、加工冲压机构、搬运堆垛机构等组成，系统原理框图如图3-2所示。

系

统

启

动

FX2N-48MR型PLC

FX2N-48MR型PLC

加工冲压机构

辊道传送上料机构

自动摆台机构

搬运堆垛机构

双工位井式上料机构

搬运装配机构

图3-2系统原理框图

4设计项目及所需器材设备

4.1设计项目

4.1.1传感器应用技术设计

该系统涵盖的传感器数量很多，包括电感式、光电式、光纤式以及色标，每种传感器都有其特性和原理，它们的作用及用法也不尽相同，它们共同协作时可使系统稳定可靠地工作。

学生可通过了解各类传感器在不同工作环境下的特性来加深对这些传感器的认识。

4.1.2气动应用技术设计

该装置上使用了大量的气动元件，包括多种电控气动阀、多种气动缸、气动夹爪、真空吸盘、真空发生器、过滤减速阀等。

这使得学生在学习气动元件时，不仅能单独了解每一个分离元件，并且还可以通过多种气动元件相互组成的系统来学习气动元件与其它元件之间是如何配合起来进行协调工作的。

4.1.3PLC编程设计

自动生产线的6个部分机构由三台PLC协同联动控制，这使得自动化生产教学系统可以分成相对应的完全独立的工作机构，使得多名学生可以同时进行学习，而且每个学生都有机会了解不同的部分。

4.1.4电气控制电路设计

自动生产线六个工作机构其电控部分全部按照工业标准和习惯进行设计，并且以附件方式提供全部设计图纸和说明书。

学员在该设备上可学习电路原理图分析、PLC各I/O地址查对和设备电路连线方法。

4.1.5机械系统安装与调试设计

自动化生产教学系统上的设置六个相对独立的工作机构，各组学员可将机械部分全部或部分拆解，再按总装设计图纸将它们重新组装，并且调试至系统可正常、可靠地工作。

这对提高在校学生动手能力有极大帮助。

4.1.6系统维护和故障检测技术设计

设备日常维护的内容和方法，以及系统常见故障分析、排除的方法。

4.2所需器材设备

本系统采用三菱PLCFX2N-48MR作为主控CPU，显示数据与参数输入通过三菱触摸屏与PLC连接实现。

CPU：

三菱FX2N型48点I/O型CPU（其中48点为24口输入、24口输出）。

通讯线：

USB接口连线、RS-232接口连线。

计算机、THJDAL-3自动生产线实验台。

4.2.1PLC

FX系列PLC实物图如图4-1所示：

图4-1FX系列PLC实物图

（1）PLC概述

PLC是英文ProgrammableLogicController的缩写，意为可编程序逻辑控制器。

时间上第一台PLC于1969年由美国数字设备公司（DEC）研制成功，随着技术的发展，PLC的功能大大增强，不仅限于逻辑控制，因此美国电气制造协会NEMA于1980年对它进行重命名，称为可编程逻辑控制器（ProgrammableController），简称PC，但由于PC容易和个人计算机PC（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯将PLC当做可编程控制器的缩写。

由于可编程控制器一直在发展中，至今尚未对其下最后的定义。

国际电工学会（IEC）对PLC最新定义为：

可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的储存器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的、输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体。

PLC是一种专为工业应用而设计的控制器，它主要有以下特点。

①可靠性高，抗干扰能力强。

为了适应工业应用要求，PLC从硬件和软件方面采用了大量的技术措施，一遍能在恶劣的环境下长时间可靠运行，现在大多数PLC的平均无故障运行时间可达几十万小时。

②通用性强，控制程序可变，使用方便。

PLC可利用期权的各种硬件装置来组成控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。

用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，无需大量改变PLC的硬件配置，只需要改程序就可以满足要求。

③功能强，适应范围广。

现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示的功能，既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

④编程简单，易用易学。

目前大多PLC采用梯形图编程方式，梯形图语言的编程元件符号和表达方式与继电器控制电路原理非常接近，这样使大多数学习电气控制的技术人员非常容易接受和掌握。

⑤系统设计、调试和维修方便。

PLC用软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计安装接线工作量大为减少。

另外，PLC的用户程序可以通过电脑在实验室仿真调试，减少了现场的调试工作量。

此外，由于PLC结构模块化及很强的自我诊断能力，维修业极为方便。

（2）三菱PLC

三菱PLC按照自动化技术发展的时期，开发出了与当时工业控制方式相对应的不同系列的PLC其中包括F系列、0系列、2系列、0S系列、1S系列、0N系列、1N系列、2N系列、2NC系列、Q系列等。

不同的系列都有不同的特点。

例如FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC。

在三菱PLC的众多系列中，FX2N

系列是一款性能极佳的产品，根据不同的功能，它还延伸出了以不同类型、不同点数输入输出端口作为区别的经济型产品，用户可根据需求选择能实现不同功能的产品。

同时，三菱公司还特别为个系列的PLC开发了与之对应的拓展模块、特殊模块、通信接口以及通信模块等。

本控制系统选用了一款名为FX2N-48MR的PLC，其参数见表4-1。

表4-1N型CPU参数

N型CPU单元（48点I/O型CPU）

外观

程序容量

2K步

DM区容量

2K字，其中1500字可被写入到内置EEPROM。

安装扩展I/O单元和扩展单元

不可

带晶体管输出的型号

不可用

脉冲输出

不支持

内置串行通信端口

无

选件板

不支持

用于编程设备的连接端口

USB端口

时钟

无

使用电池

不可使用

4.2.2硬件连接图

硬件连接图，如图4-2所示。

图4-2硬件连接图

4.2.3技术性能

（1）输入电源：

单相～220V±10%50Hz

（2）工作环境：

温度-10℃～40℃相对湿度≤85%（25℃）海拔＜4000m

（3）装置容量：

≤1.5kVA

（4）外形尺寸：

198cm×104cm×130cm

（5）安全保护：

具有漏电压、漏电流保护，安全符合国家标准

4.3系统组成

该系统由型材实训台、辊道传送上料机构、自动摆台机构、双工位井式上料机构、搬运装配机构、加工冲压机构、搬运堆垛机构、电源模块、按钮模块、PLC模块、变频器模块、各种传感器、警示灯、电磁阀和I/O接口板等组成，完成工件上料、检测、搬运、加工、装配、分拣、堆垛入库等功能。

整体结构采用开放式和拆装式设计，学生可以对各零件、部件、单元、直至整体机构进行零部件拆装、调试、运行。

5自动生产线各个模块设计

5.1辊道传送上料机构

5.1.1主要组成与功能

由方形井式工件架、下料机构、滚轮式传送带、光电传感器、电容传感器、工件、磁性传感器、电磁阀、安装支架等组成。

主要完