基于PLC系统的自动化机台控制系统毕业设计论文.docx

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基于PLC系统的自动化机台控制系统毕业设计论文

本科毕业设计（论文）

设计题目：

基于PLC的connectorCI15自动化机台控制系统设计

系部：

电气工程系

专业：

船舶电气工程技术

班级：

船电093901

姓名：

学号：

指导教师：

职称：

2012年6月南京

摘要

连接器（俗称接插件）是通过机械动作实现电子电路的连通、断开或转换的机电元件，是电子设备中不可缺少的电子元件。

目前，连接器广泛用于声频、视频、信息和通讯设备，其中数据通讯、电话通讯和PC的迅速发展，加速了连接器市场的发展。

随着电子技术的发展，使得电子产品向小型化、轻型化以及采用高密度、自动化安装技术等方面发展，推进了连接器市场的变化。

目前连接器朝着小型化、低高度、窄间距、多品种、多功能化，连接范围多样化等几个方向发展，以适应各种电子产品的应用。

随着连接器的不断发展，connectorCI15自动化机台作为生产连接器的设备，也需要不断的改进，控制手段也必须变得越来越先进。

connectorCI15自动化机台以PLC作为控制核心，PLC模块连接了很多的外部设备来控制自动化机台。

其中人机控制界面做为自动化机台的控制面板，是一种专为PLC应用而设计的小型工作站，通过人机交互的方式对自动化机台进行控制。

而报警系统则是当机台出现问题时报警灯就会闪烁报警铃响起，提醒操作员并且机台停止动作防止出现不良品且保障了技术员的安全。

关键词：

连接器，电气自动化，PLC，人机控制界面，控制

Abstract

Connectors（knownasconnectors）areachievedbymechanicalactiontorealizetheelectroniccircuitconnectivity,disconnectorconversionofelectricalcomponents,iselectroniccomponentselectronicequipment.Atpresent,connectorsarewidelyusedinaudio,video,informationandcommunicationsequipment,amongthemtherapiddevelopmentofdatacommunications,telephonyandPC,acceleratingthedevelopmentoftheconnectormarket.Withthedevelopmentofelectronictechnology,theminiaturizationofelectronicproductshasbeenlightedweightandhighdensity,installationofautomatedtechnology,promotedthechangeofconnectorMarket.Atpresent,Connectortowardminiaturization,lowheight,narrowspacing,multi-species,multi-functionalconnectivityrangeofdiversityinseveraldirections,toadapttotheapplicationofvariouselectronicproducts.

Withthecontinuousdevelopmentoftheconnector,connectorCI15automatedmachineasaproductionconnectordevicesalsoneedtoconstantlyimprovethemeansofcontrolmustalsobecomeincreasinglysophisticated.connectorCI15automatedmachinePLCasthecontrolcore,thePLCmoduletoconnectexternalequipmenttocontroltheautomatedmachine.Theman-machinecontrolinterfaceforautomaticmachinecontrolpanelisaspeciallydesignedforthePLCapplicationanddesignofsmallworkstation,throughinteractivemeanstomachineautomationcontrol.Whilethealarmsystemisaproblemforalarmlampswillflickeralarmbellsring,alertingoperatorandmachinetostoptheactiontopreventbadproductandguaranteethesafetytechnician.

Keywords：

connector,electricalautomation,thePLC,man-machinecontrolinterface,control

1绪论

连接器（俗称接插件）是通过机械动作实现电子电路的连通、断开或转换的机电元件，是电子设备中不可缺少的电子元件。

随着电子技术的发展，连接器已经发展到上千种，包括印制板连接器、通讯用同轴连接器、光连接器、圆形连接器、方型连接器等。

目前，连接器广泛用于声频、视频、信息和通讯设备，其中数据通讯、电话通讯和PC的迅速发展，加速了连接器市场的发展。

由于电子产品小型化、轻型化以及采用高密度、自动化安装技术，推进了连接器市场的变化。

当前，连接器朝着以下几个方向发展：

（1）小型化、低高度、窄间距，以适应电子产品进一步小型化的发展

（2）多品种、多功能化，以适应各种电子产品的应用，而且要规格尺寸齐全，包括形状、连接方式和尺寸等。

（3）连接范围多样化，连接器已从传统的线到基板连接，发展到基板或柔性印制电路板（FPC）连接。

随着连接器应用范围的不断扩展，它们可根据其两大基本功能而分成：

信号传输及电传输两类。

在电子应用领域这两类连接器的显著特点在于其端子上一定带有电流，在其它的应用当中，端子所提供的电压将同样作为很重要的考虑对象，虽然同一种端子的设计可同时作为信号和电量传输两种功用，但在多种相类似的接触方式的应用上来看，许多电传输连接器在端子设计时都仅仅把电量传输的需要作为唯一目的。

connectorCI15自动化机台作为一种以生产连接器为目的的电气自动化设备，随着连接器的不断发展也需要不断的改进，控制手段也必须变得越来越精确和灵敏。

机台以PLC作为控制核心，PLC模块连接了很多的外部设备来控制自动化机台。

就例如：

（1）人机控制界面做为自动化机台的控制面板，与PLC模块相连接输入输出信号，来实现对自动化机台的插TAB（针）频率以及光纤和感应器的检测优良品等方面做出控制。

（2）报警系统，当机台出现问题时报警灯就会响起提醒操作员并且机台停止动作防止出现不良品而且保障了技术员的安全。

在本文中写到了在connectorCI15自动化机台中PLC的控制作用。

其中通过各个磁感应传感器所感应到的信号传给PLC起到限位开关的作用，来控制connectorCI15自动化机台上设备的位移。

通过光纤感应器进行检测及报警控制，光纤传感器将其检测信号将传给PLC控制系统来检测产品是否合格以及产品的进料是否顺畅，并以此控制报警系统。

在connectorCI15自动化机台中还用到触摸屏人机界面与PLC联机通信，人机界面可以对PLC进行监控，人机界面既可以在屏幕上显示外文、中文、图形等，又允许操作者用手指在屏幕上轻触操作输入信息，在屏幕上根据需要设计出各种不同的选择按钮，并在这些按钮上标明该按钮所起的功能。

操作者通过屏幕上的触摸开关可以向PLC输入数据，从而完成以前用按钮和开关完成的操作，实现对设备的操作控制。

2connectorCI15自动化机台控制系统

2.1connectorCI15自动化机台控制系统的组成

机台控制系统主要由PLC模块，人机界面，电路回路，电源，变压器，交流伺服驱动器，伺服电机，振动盘，各类传感器，感应信号放大器，报警灯，报警铃，各类气缸（笔形气缸、旋转气缸、精密气缸等）以及电磁阀等组成。

从图11可以看出，整个机台控制系统呈放射状分布，而中心就是PLC和人机界面。

它们既是接线的中心，又是工作的中心。

全部的元件都与其相连，全部的信号都在这里汇总，全部的分析处理都在这里完成。

检测成品的优良是控制系统的作用之一，不论采取哪种接插方式,制造商都要求在组装阶段检测所有的插针是否有缺漏和定位正确;另外一类常规性的检测任务则与连接器配合面上间距的测量有关。

但对于每个连接器通过光纤传感器时的瞬时速度是很快的，因而检测感应器的灵敏度成为一个重要的系统性能指标。

光纤传感器的检测信号将传给机台的控制系统从而使自动化机台做出相对应的反应。

例如：

当连接器插针插坏、定位不正、缺漏等等时机台将会自动排除不良品不装入成品管内，而且在控制系统中可以设置连续不良的次数。

当连续不良数达到次数时，机台就会自动停止正常工作并发出警报提醒操作员报修。

除了检测作用外，控制系统还有控制机台的运作动作、自动报警、调整机台运作参数（速度、插针数等）等作用

2.2connectorCI15自动化机台人机控制界面

目前，传统电气控制系统的人机交互效果逐渐不能令人满意，需要通过众多的按钮和开关向控制系统输入大量的操作指令，操作过程复杂，不方便直观，而且会使操作者产生厌倦的情绪，大大影响了工作效率和工作质量。

因此，让操作者以自然的方式进行人机交互，改善PLC控制系统的人机接口势在必行，触摸屏人机界面就在这样的背景下应运而生。

触屏人机界面是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式，触摸屏人机界面具备丰富的图形功能，能够实现各种需求的图形显示、数据存储等功能，而且可靠性高，体积小，成本比平板电脑低，是工业场合的首选，近期也逐渐替代工业PC成为主流的智能化信息终端。

触摸屏人机界面与PLC联机通信后就可以对PLC进行监控。

该软件界面既可以在屏幕上显示外文、中文、图形等，又允许操作者用手指在屏幕上轻触操作输入信息，在屏幕上根据需要设计出各种不同的选择按钮，并在这些按钮上标明该按钮所起的功能。

操作者通过屏幕上的触摸开关可以向PLC输入数据，从而完成以前用按钮和开关完成的操作，实现对设备的操作控制。

在自动化越来越要求实时监控的今天，触摸屏人机界面与PLC的结合日趋完善，触摸屏人机界面的应用更为PLC的广泛应用开辟了一个新领域。

人机界面是连接可编程序控制器（PLC）、变频器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。

图1人机界面硬件构成图

图2软件构成图

如图3所示在人机界面中还可分为自动与手动操作两种方式。

在机台正常工作时使用自动操作，而手动操作界面也有其的作用，在手动操作界面中机台运作的各个步骤都独立开来了，可以执行独立的一个动作。

手动操作界面为技术员调试机台以及在维护维修机台时提供了方便，通过手动操作来逐步调整各个动作的最佳位置。

图3人机界面自动、手动操作界面图

在人机交互中简单的区分为“输入”（Input）与“输出”（Output）两种，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等。

图4分别显示了各个输入和输出端的信号，使机台在调试时更加的方便和直观。

图4人机界面I/O指示图

在人机上还存在监控界面以及参数设定的界面在监测界面中分别显示着各个气缸上感应器所对应的是气缸的前限还是后限一般在初始位置时都是在气缸后限之处的感应器会有信号发出并在人机界面上显示出来。

这样就可以准确的知道问题所在之处从而做出相应的调整使机台恢复正常工作。

图5人机界面监控界面图

在参数设定界面中可以自主设定机台的一些参数。

例如：

进料检测的延时可以有效的防止进料时的漏测等问题、还有连续不良的数值设定意味着当机台生产的产品的连续不良的次数达到该值时机台就会自动警报并停止机台的工作。

图6人机界面参数设定界面

2.3connectorCI15自动化机台自动感应检测系统

在本文论述的自动化机台中，自动感应检测系统和报警系统都是由PLC控制的。

感应检测系统主要是由磁感应传感器、光纤传感器、光纤放大器以及CCD图像传感器等部分组成。

而报警部分主要是报警灯、报警铃还有人机界面上的报警提示。

在感应检测系统中磁感应传感器主要起到的就是限位开关的作用。

在气缸的前限与后限分别安装一个磁感应传感器。

在机台处于原始状态时，处于后限的磁感应传感器应有信号输出反馈给控制系统，而处于前限的则无信号，这样就后限接通。

而在某一动作完成后，在完成该动作的设备上的气缸上处于前限的磁感应传感器有信号，后限无信号，如此前限接通设备进行下一步动作，正常运行。

若磁感应传感器安装位置松动或损坏无法感应到信号时机台就会停止工作报警灯亮并在人机界面上就会显示某处运作异常。

光纤传感器主要检测物品的到位情况。

主要是在两类位置，首先是在连接器底座进料的地方，检测其是否正常进料以及进料到位，如进料不顺或不到位系统接收不到信号设备无法运行并且报警灯闪、报警铃响起（由于若是进料卡料会压坏端子即连接器底座，因此这时不仅警报灯会闪起，警报铃也会响起提醒工人快速处理避免端子的损坏）。

此外在端子插入针（TAB）与折断位置直接也要安装光纤传感器用以检测端子是否以插上针（TAB），若没插上那么在控制系统中没有接收到信号在不良排除部分就会把没有插上TAB的连接器排除不进入后面的步骤。

这时报警系统不会发生变化。

光纤传感器的原理就是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、相位、频率等等）发生变化——被调制的信号光，在经过光纤送人光探测器，经调解后获得被测参数。

是一种利用光纤技术和光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。

在这里就是在端子插上TAB后移过时TAB会使经过光纤的光的性质发生变化从而输出信号。

但由于光纤传感器输出的信号比较弱，所以在使用光纤传感器的同时还要使用光纤放大器将光钎发出的光信号进行放大，增强信号。

在有些自动化机台上还设有CCD图像传感器。

CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。

作为摄像器件，与摄像管相比，CCD图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。

该传感器还具有高速图像传输特性，并且能在不损失敏感度和分辨率的情况下进行持续电子曝光控制。

感光电荷在一个高性能的、带有复位的结构中转换成13μV/e的信号电压。

产生的信号进一步通过低噪音的二阶信号源输出放大器进行缓冲，从而提高输出的驱动能力。

CCD图像传感器在机台上用于检测连接器上所有的插针是否有缺漏和定位正确，以及测量连接器上各个插针直接的间距和连接器配合面的间距是否在产品范围之内。

2.4connectorCI15自动化机台的电气控制部分

在电气部分中的主要组成部分有PLC模块，伺服驱动器，交流伺服电机，滤波器，电源，电磁阀和磁感应传感器等等。

2.4.1PLC模块基本接线

在输入端接线中，F1系列PLC有直流24V接线端，该接线段可为外部输入传感器提供电流，当24V端子作为传感器电源时，COM端是直流的0端。

如果采用扩展单元，则将基本单元和扩展单元的24V端子连接起来，另外任何外部电源都不可以接到这个端子。

当外部传感器采用PLC内部电源时，应注意不要超出其容量。

PLC的输出端有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种形式。

选择哪一种形式的输出应根据负载要求决定。

PLC控制系统布线时的其他注意事项，PLC的输入/输出线与系统控制线应分开布线，并保持一定的距离，如不得已需要布置在同一槽中布线，应使用屏蔽电缆。

同时，交流与直流线、输入和输出线都应分开走线。

开关量与模拟量的I/O线也要分开铺设，后者最好使用屏蔽线。

此外，PLC基本单元与扩展单元之间的传送信号电压低、频率高，很容易受到干扰，所以它们之间传送电缆不能与别的线铺设在同一管道内。

图7PLC模块基本接线图

2.4.2伺服系统

伺服系统也称为随动系统。

是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。

在机台上的伺服系统是以机台移动部件的位置和速度为控制量，接收来自插补装置生成的脉冲指令，经过一定的信号转换以及电压、功率放大、检测反馈，最终实现自动化机台移动部件的运动控制系统。

自动化机台对伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求，因此伺服系统的基本要求就是

（1）高精度

（2）稳定性（3）快速反应无超调（4）宽调速范围（5）低速大转矩等。

其中伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。

一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。

功率器件采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。

功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。

经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。

功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。

图8伺服驱动器接线图

2.4.3磁感应传感器应用

在配电板接线时各个传感器也要连接正确，否则无法正常运作。

在这个自动化机台上用到的最多的感应器就是磁感应传感器。

在电路中主要充当的是限位开关的作用。

磁感应传感器其内部结构类似于我们通常所说的干簧继电器，如（图11）所示。

它是一种触点传感器。

它由两片具有高导磁率μ和低矫顽力Hc（A/m）的合金簧片组成；并密封在一个充满惰性气体的玻璃管中。

两个簧片之间保持一定的重叠和适当的间隙，末端镀金作为触点，管外焊接引线。

当干簧管所处位置的磁场强度足够大，使触点弹簧片磁化后所产生的磁力克服起矫顽力时，两弹簧片互相吸引而使触点导通。

当磁场减弱到一定程度，借助弹簧片本身的弹力使它释放。

这样便完成了一个开关的作用。

因此可以作为传感器用，用于计数，限位等等。

磁感应传感器的体积小、惯性小、动作快是它突出的优点。

图9磁感应传感器原理示意图

图10位置控制应用图

3基于PLC的connectorCI15自动化机台控制系统

3.1基于PLC的控制系统的组成

PLC是以CPU为核心的电子系统，实质上就是一种工业控制的专用计算机。

PLC系统的组成与微机系统基本相同，它是由硬件系统和软件系统两大部分组成。

图11是connectorCI15自动化机台的PLC控制系统简化图。

一般小型PLC的基本单元主要由CPU、存储器、电源模块、输入和输出模块（I/O模块）、I/O扩展接口、外设I/O接口、编程器以及一些外围设备等部分组成。

PLC的软件系统也包括系统程序和用户程序。

图11PLC系统简化图

CPU是PLC的核心组成部分，是PLC的控制运算中心。

PLC中配有两种存储系统，系统程序存储器和用户程序存储器。

系统程序存储器主要用来存放系统的管理和监控程序、对用户程序作编译处理的程序，以及PLC内部的各种状态参数。

用户程序存储器主要用于存放用户根据生产过程和生产工艺要求编制的应用程序，可通过编程器输入或修改用户程序。

一般PLC使用的电源可以是220V交流电源，也可以是直流电源。

PLC内部配有稳压电源模块来对PLC内部各模块提供直流稳压电源。

有些型号的PLC还可以向外部传感器提供24V的直流电源。

外设I/O接口的作用就是将一些外设设备与CPU连接起来。

I/O扩展接口就是用于扩展单元与基本单元之间的连接，使得I/O点数的配置更为灵活。

PLC的输入输出模块（I/O模块）是PLC与现场I/O设备或其它外部设备之间联系的桥梁。

其任务是将被控对象或被控生产过程的各种变量进行采集，送人CPU处理，同时控制器又通过I/O模块将控制器运算处理产生的控制输出送到被控设备或生产现场，驱动各种执行机构动作，实现实时控制。

connectorCI15自动化机台的I/O模块分配表见表1。

3.2基于PLC的connectorCI15自动化机台控制系统设计

3.2.1connectorCI15自动化机台控制系统总流程

在PLC程序中编写了自动化机台在运行中每个部位的运作行程相对应的程序。

按照生产的要求，事先安排好程序，在输入信号的作用下，控制系统的各个执行机构按生产过程的规律进行顺序控制。

首先开启connectorCI15自动化机台总电源，启动机台，进入初始化状态，振动盘开始Base（端子）送料，connectorCI15自动化机台开始进料。

接着检测机台是否处于原始位置，即机台的各个设备是否处在开始位置，传感器是否都有信号，Base和TAB（插针）是否有料等，判断机台是否处于原始位置。

若不处于原始位置则机台进入急停状态，且无法正常启动。

当处于原始位置时，机械手开始动作，Base开始进料、定位和位移，进入右侧插TAB的部分，检测右TAB是否足够，不足则右TAB送料的电机启动，右TAB足够时电机停止，进入右TAB插入部分，右TAB进料、折断、插入、夹持，机械手继续一个循环，右TAB旋转折断多余部分，光纤感应器检测右TAB是否插到位。

接着机械手继续动作，进入左侧TAB部分，过程与上面的右侧TAB相同。

在光纤检测左右TAB是否插到位时，只要有一个没到位，在左TAB部分之后就会被不良剔除。

若连续不良剔除的数量过多超出设定的标准时机台就会紧急停止，无法启动，要进行复位。

在数量不多时继续检测，正常运行。

左右TAB都插到位那么就进入成品装管阶段。

这时就要检测产品装管的数量，在数量达到装管的数量时就会自动换管，推出装满成品的管子装入空管，机台继续运行。

3.2.2机械手的控制过程

在整个自动化机台的PLC程序中包括了每个动作的运行。

下面就例举两个简单的例子：

（1）机械手：

在自动化生产线上常用到的机械手的操作。

将置于轨道上的产品从一边推向另一边。

图13机械手结构图

机械手的工作过程如图14机械手的每次循环动作均从原位开始。

机械手的控制要求如下：

（1）在轨道右端装有光纤传感器用以检测产品的到来。

当感应器感应到产品时为ON状态。

（2）机械手在原位，光纤传感器感应到产品系统自动启动，行程气缸向左拉，左移当行程气缸左移到位后上升

（3）行程气缸向右推，机械手右移，右移到位后下降

（4）机械手回到原位，继续进行下一个循环

图14机械手工作过程