基于PLC的装配流水线控制系统设计.docx
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基于PLC的装配流水线控制系统设计
郑州工业应用技术学院
课程设计任务书
题目基于PLC的装配流水线控制系统设计
专业、班级12电气工程及其自动化一班学号1202120123姓名左金诚
主要内容：
利用三菱FX系列PLC系统，进行装配流水线控制系统的设计,编写PLC的梯形图程序。
在FX系列PLC综合实验面板上，进行实验电路的熟悉和连接，了解移位寄存器在控制系统中的应用及针对位移寄存器指令的编程方法。
应用组态设计软件进行装配流水线的监控程序设计，要求与PLC程序实现同步。
基本要求：
传送带共有二十个工位。
工件从1号位装入，依次经过2号位、3号位……16号工位。
在这个过程中，工件分别在A（操作1）、B（操作2）、C（操作3）三个工位完成三种装配操作，经最后一个工位后送入仓库。
注：
其它工位均用于传送工件。
参考资料
[1]王玮.电气工程实验教程[M].北京：
北京交通大学出版社，2006
[2]胡学林.可编程控制器教程[M].北京：
电子工业出版社，2005
[3]刘美俊.电气控制与PLC工程应用[M].北京：
机械工业出版社，2011
完成期限：
指导教师签名：
课程负责人签名：
2015年12月28日
郑州工业应用技术学院
课程设计说明书
题目：
基于PLC装配流水线控制系统设计
姓名：
左金诚
院（系）：
机电工程学院
专业班级：
12电气工程及其自动化一班
学号：
1202120123
指导教师：
赵娟萍吉成芳
成绩：
时间：
2015年12月28日至2016年1月8日
摘要
本设计以当今自动化水平越来越高的现状。
装配流水线在生产过程中代替人力发挥出越来越重要的作用。
以此为背景从它的概念和特点出发，提出了装配流水线生产上的问题和不足，各企业通过调整装配作业指导、运用工序同期化和加强现场管理等方法来改善这些问题。
对装配生产流水线进行改进，最终达到使整个装配线趋于平衡、装配效率有效提高和提高现场管理的目的。
PLC是现代通用的工业控制计算机。
其接口容易，同时PLC的编程语言简单易懂很容易被不管是否有电路基础的用户都能很快上手和掌握。
在各个领域都得到广泛的应用，特别是工业自动化领域。
装配流水线是现在企业批量生产和扩大发展中不可或缺的的生产方式。
目前，PLC在装配流水线上应用广泛。
而本设计是在电脑上模拟控制整个装配流水线的流程，以现在较为流行的PLC（可编程控制器）为基础来实现装配流水线的控制功能。
在程序设计中，我使用了大量的置位与复位指令，并运用比较指令来选择不同的操作工位，结合传感器使流水线到达装配工位时停止传送。
经过多次的程序设计和模拟仿真，程序已能实现移位、三工位装配和单工位入库等操作。
关键词：
装配流水线；PLC；控制系统
1.装配流水线及传感器的基本介绍
1.1装备流水线介绍
1.1.1装配流水线的概述
在大量生产中，为了提高生产效率、保证产品质量、改善劳动条件，不仅要求机床能自动的对工件进行加工，而且要求工件的装卸、工件的工序间的输送、工序间加工精度的检测、废品的剔除等都能自动的进行。
因此,把设备按工件的加工工序顺序依次排列，用自动输送装置将他们联成一个整体，并用控制系统将各个部分的动作协调起来，使其按照规定的动作自动的进行工作,这种自动化的加工系统就称为自动化生产流水线。
流水线是人和机器的有效组合，最充分体现设备的灵活性，它将输送系统、随行夹具和在线专机、检测设备有机的组合，以满足多品种产品的输送要求。
输送线的传输方式有同步传输的/（强制式）也可以是非同步传输/（柔性式），根据配置的选择，可以实现装配和输送的要求。
输送线在企业的批量生产中不可或缺。
流水线是劳动者为了方便生产将生产对象人为的通过外界设备将其按照一定的线路顺序通过各个操作点，以及用一定的速度来重复连续的完成生产过程。
装配流水线把劳动对象和专业化生产专业的有效的结合在一起的一种生产方式。
它具有以下特征：
（1）工作地点的专业化程度非常高；
（2）具有明显的规律性；
（3）每条生产线的生产水平相似；
（4）生产过程封闭、不可逆；
（5）有很强的连续性。
1.1.2装配流水线生产的形式
1.按生产对象的移动方式：
固定流水向线和移动流水线
固定流水线：
是指生产对象位置固定,生产工人携带工具沿着顺序排列的生产对象移动。
主要用于不便运输的大型制品的生产,如重型机械、飞机、船舶等的装配；移动流水线：
生产对象移动，工人和设备及工具位置固定的流水线。
这是常用的流水线的组织方式。
2.按生产对象的数目：
单品种流水线和多品种流水线
单品种流水线：
又称不变流水线，是指流水线上只固定生产一种制品。
要求制品的数量足够大，以保证流水线上的设备有足够的负荷；多品种流水线：
将结构、工艺相似的两种以上制品，统一组织到一条流水线上生产。
3.按产品的轮换方式：
可变流水线、成组流水线和混合流水线
可变流水线：
集中轮番地生产固定在流水线上的几个对象，当某一制品的批制造任务完成后，相应地调整设备和工艺装备，然后再开始另一种制品的生产；成组流水线：
固定在流水线上的几种制品不是成批轮番地生产，而是在一定时间内同时或顺序地进行生产，在变换品种时基本上不需要重新调整设备和工艺装备；混合流水线：
是在流水线上同时生产多个品种，各品种均匀混合流送，组织相间性的投产。
一般多用于装配阶段生产。
4.按连续程度：
连续流水线和间断流水线
连续流水线：
制品从投入到产出在工序间是连续进行的没有等待和间断时间；间断流水线：
由于各道工序的劳动量不等或不成整数倍关系，生产对象在工序间会出现等待停歇现象，生产过程是不完全连续的。
5.按节奏性程度：
强制节拍流水线、自由节拍流水线和粗略节拍流水线
强制节拍流水线:
要求准确地按节拍出产制品；自由节拍流水线:
不严格要求按节拍出产制品,但要求工作地在规定的时间间隔内的生产率应符合节拍要求；粗略节拍流水线:
各个工序的加工时间与节拍相差很大,为充分地利用人力、物力，只要求流水线每经过一个合理的时间间隔，生产等量的制品，而每道工序并不按节拍进行生产。
6.按机械化程度：
手工流水线、机械化流水线和自动线
1.1.3装配流水线生产的组织条件
1.品种稳定单一，产量足够大，长期供货，单位劳动量大，保证设备足够负荷。
2.产品结构和工艺相对稳定：
（1）先进性；
（2）良好的工艺性和互换性；
（3）标准化程度高。
3.工艺过程既可划分为简单的工序，又可以相互合并。
4.原材料和协作件的标准化、规格化，且按时供应。
5.机器设备始终处于完好状态，严格执行计划预修制度。
6.工作必须符合质量标准。
7.厂房和生产面积适合安装流水线。
1.2传感器的基本介绍及选择
1.2.1传感器的概念与组成
概念：
传感器是一种以一定精度把被测量转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量的测量装置。
其中包含了以下几方面的含义：
（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；
（2）它的输入量是某一被测量，如物理量、化学量、生物量等；
（3）它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；
（4）输出与输入间有对应关系，且有一定的精确度。
组成：
传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成，框图如图1-1所示：
图1-1传感器的组成
敏感元件：
直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：
敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。
转换电路：
将上述电路参数接入转换电路，便可转换成点亮输出。
实际上，有些传感器很简单，有些则较为复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。
最简单的传感器由一个敏感元件组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶传感器。
有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器。
有些传感器，转换元件不止一个，需经过若干次转换。
1.2.2传感器的选择
在自动化流水线生产过程中，要用到很多传感器来监视和控制生产过程中的不同状态。
使生产线处在正常工作状态或者最佳工作状态。
本次设计用到的传感器主要用在饮料瓶到达操作工位或仓库时，通过传感器给PLC一个反馈信号使传送带停止运行。
操作工位和入库感应上用到的传感器可以使用光敏传感器，
光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可（即光敏传感器对于物体的存在进行反映，不管部件的移动与否，只要处在光敏传感器检测范围内，它都会做出一个输出信号）。
光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。
2.PLC的基础知识及选型
2.1可编程控制器概述
在PLC的发展过程中，PLC的定义有好几种。
其中国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
从PLC诞生发展到现在，世界各国都有在研制和生产各自的PLC。
目前世界上PLC生产厂家已经突破200多家，PLC品牌更是种类繁多。
当然，这其中要以亚洲的日本、北美的美国和欧洲这三个流派的PLC最为突出。
每个流派都有其本身各自的特点，其中日本主要生产和发展中小型PLC，在世界市场上占有很大一块比重，因为其小型PLC性能优越，价格便宜，被中小型企业所喜爱。
其代表公司有三菱电机公司（MitsubishiElectric）和欧姆龙公司（OMRON）；美国主要有A-B公司（Allen-Bradly）和GE公司；欧洲主要有德国的西门子公司等。
在世界各国如火如荼的发展和研制PLC的同时，我国在PLC的开发和应用方面也发展很快。
在上世纪80年代，我国为了发展自己的PLC，从国外引进了很多先进的PLC设备。
我国在使用这些先进设备的同时也以此为基础，完成了旧设备的改造和新设备的研发。
PLC在我国得到了广泛的应用，很多企业因为它而受益。
随着经济和工业的发展PLC在我国工业现代化和工业自动化的过程中起到了非常大的作用。
三菱公司的FX系列PLC只有F1系列PLC大小的1/3左右。
其体积小但是功能齐全实用性也很强。
可编程序控制器的超小型发展不仅为工业生产带来了便利，同时也在楼宇自动化和商业领域得到了广泛的应用。
当然为了适应市场的各种需要，PLC也向着超大型方向发展。
目前超大型的可编程控制器其性能更高，速度更快，拥有超大的存储量以及多CPU一起工作，更让其在工业领域得到了更广泛的运用。
为了适应现代工业自动化生产和市场的需要，PLC产品的品种更丰富了，同时配套设施也能很快的跟上，PLC的规格也更加的齐全了，在人机界面上也更加的完美和现代发达的网络通信技术都给用户带来了很大的便利。
随着模块的出现更为PLC的发展起到了很大的作用。
各个PLC厂家为了满足工业自动化控制系统的要求不断的推出功能模块更加强大的PLC，同时也扩大了PLC的功能。
这也为PLC的应用范围得到了扩大。
在网络通信能力上，PLC不仅要在PLC之间进行联网，也要和计算机进行联网。
由于PLC种类繁多。
一般每一种可编程控制器都有其自己专用的通信模块。
为了更好的发展PLC，各个PLC厂家也积极协商制定通用的标准，以此来扩大PLC的网络系统。
在市场激烈的竞争压力下，各个国家各自生产多品种PLC的状况也会随之打破。
进而产生新的格局，使PLC趋于统一化和语言通用化。
随着PLC的发展，它将于其他工业控制计算机组构成新的工业控制系统。
这将更好的为工业生产提供便利和生产效率。
在计算机网络高速发展的现在可编程控制器作为自动化控制系统重要的组成部分将会在工业和工业以外的各个领域发挥出它强大的作用。
2.2PLC的特点
可靠性作为电气控制设备的重要性能。
PLC也不例外，为了让PLC的可靠性更高，很多厂家都做了一下措施：
（1）在PLC内部电路中，一般将其电路集成化，在生产过程中，应严格的按需要的工艺制造，并运用现在流行的功能模块，将其电路模块化以及加入抗干扰功能，让其拥有更好的可靠性。
（2）在PLC的外部电路上，其电气连接线和开关连接点相对于同等规模的继电器控制系统已经少了很多。
这也使PLC的故障率大大的降低，同时很大程度上使PLC的可靠性大大的提高。
（3）PLC中设置了一些自我诊断、警戒报警和可恢复等功能，在PLC出现故障时能及时的发现，若发生一些小故障也能自我恢复等。
用户可以通过PLC的应用软件将外部器件的故障诊断程序编入PLC，使整个PLC控制系统中的其他电路和电气设备都能得到有效和及时的保护。
这也使PLC具有极高的可靠性。
（4）在工作方式上，PLC采用了周期扫描、集中采样、集中输出等工作方式极高了自身的扛干扰能力。
2.配套和功能齐全，适应性强
PLC发展到今天，各个生产厂家也形成了各自不同大小规模的系列化产品。
这些产品能有效的满足市场中不同规模的工业自动化控制场合。
由于PLC本身具有很强的数据运算能力和速度以及可编程控制器的网络通信能力的提高，所以它能适应不同的工业自动化控制领域。
3.简单易学，方便易用，受到工程技术人员的好评
作为现代通用的工业自动化控制计算机。
PLC的汇编语言相对于计算机更简单易学，使用起来也很方便以及接口简单很容易被熟悉电气知识的和不熟悉的用户所掌握。
它可以用相对于继电器少很多的接线和开关量就能实现传统继电器控制系统的功能。
为用户打开了方便之门。
4.系统的设计和建造工作量小，容易改造、方便维护
由于PLC出色的程序汇编使控制设备的外部接线和开关量大大的减少，这不仅缩短了控制系统的设计周期和外部设备的组成时间，也使电气设备的故障维修和维护容易起来。
特别是通过PLC控制其电气部分，在同一个控制系统中改变程序来改变生产过程成为了可能。
这给小企业带来了充分的灵活性，十分适合多品种和小批量的生产场合。
5.体积小，重量轻，能耗低
由于半导体集成电路的应用，PLC的体积相对很小。
如超小型PLC，其新出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小，很容易装进机械内部，是机电一体化的理想装置。
2.3PLC的组成及其工作原理
2.3.1PLC的组成
PLC的组成：
PLC的种类很多，其基本功能和指令也有差异，但是其基本结构和工作原理则大同小异。
一般由CPU板、I/O接口电路、存储器、扩展接口、电源、显示面板等硬件组成。
其硬件简化框图如下2-1所示：
图2-1PLC硬件简化图
1.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的核心组成部分，在PLC系统中它通过与其他硬件结合起来，使整个系统就像人体神经中枢额，从而来协调控制整个系统。
它主要由运算器、控制器、寄存器、数据和总线等组成。
每一个PLC都有一个CPU进行数据的采集、接收和储存。
2.存储器
存储器主要用于存储程序和数据，可编程控制器（PLC）的存储器可分为两种：
系统程序存储器和用户存储器。
（1）系统程序存储器是用来固化PLC生产厂家在研制系统时编写的各种系统工作程序。
主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。
系统程序由厂家固定，用户自己不能更改。
（2）用户存储器是用来存放从编程器或个人计算机输入的用户程序和数据，所以又可分为用户程序存储器和数据存储器两种。
主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。
3.I/O接口电路
I/O接口是PLC与电气回路的通信接口。
（1）开关量输入接口可分为直流输入单元和交流输入单元。
它能把现场的开关量信号转换成PLC内部处理的标准信号。
（2）开关量输出接口可分为继电器输出方式、晶体管输出方式和晶闸管输出方式。
它能把PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。
4.电源
PLC电源是用来给PLC内部各个模块提供工作电源的。
一般采用开关式稳压电源为内部电路供电，向CPU、存储器及输入/输出接口提供各自所需的直流电压。
电源的性能将直接影响PLC的功能，同时也影响着PLC工作的可靠性。
PLC根据型号的不同，其电源供电可分为交流供电和直流供电。
交流一般为单相220V，直流一般为24V。
5.扩展接口
用于将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
6．通信接口
7.编程器
编程器是用来编写、输入、编辑用户程序和监视可编程控制器运行时各种元器件的工作状态。
检查维护的器件，它不直接参与现场控制运行。
可分为简易编程器和图形编程器。
8.其他部件
人机界面：
现在最简单的人机界面由指示灯和按钮组成。
目前比较先进的有触摸屏一体式的用户终端应用也越来越广泛，当然由计算机来当作人机界面也是十分普及的。
2.3.2PLC的工作原理
在PLC进入工作状态后，其工作过程主要分为：
输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC首先扫描所有输入状态和数据，并将它们先后存入相对应的输入映像寄存器中。
输入采样结束以后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生了变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会随之改变。
因此，如果输入是脉冲信号，那么该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才可以保证不管在什么情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC根据梯形图的扫描原则进行扫描程序，它总是按从左到右、从上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）的。
在用户程序执行过程中，当指令涉及到了输入输出状态的时候，根据用户需要的数据从映像寄存器中将元件的“0/1”状态读取出来，按照程序的要求进行逻辑运算，并将运算结果写入对应的元件映像寄存器中。
因此，每个元件的映像寄存器（除输入映像寄存器外）的状态都会随着程序的执行而发生着变化。
（3）输出刷新阶段
当用户程序扫描结束后，元件映像寄存器中的所有输出映像寄存器的“0/1”状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
2.4PLC的编程语言
PLC为用户提供了功能十分完整的编程语言，用来适应PLC在工业环境中的应用。
利用PLC的汇编语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器控制的硬件接线，也就是所谓的“可编程序”。
PLC标准中规定了五种标准语言，其中梯形图（Ladderdiagram）和功能块图（Functionblockdiagram）为图形语言，指令表（Instructionlist）和结构文本（Structiontext）为文字语言，还有一种结构块控制程序流程图（Sequentialfunctionchart，又称为顺序功能图）。
梯形图由于其出色的易掌握性、程序表达清晰性以及与继电器控制系统的电路图相似，使其成为目前使用最广泛的PLC图形汇编语言。
本次设计PLC程序采用了梯形图语言，编程软件为GXdeveloper。
GXdeveloper软件能够完成程序编写、对可编程控制器CPU的写入/读出、监控程序运行、调试程序和PLC错误诊断等一系列功能。
2.5PLC与其他工业控制系统的比较
继电接触控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制；PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制。
在PLC的外部电路上，其电气连接线和开关连接点相对于同等规模的继电器控制系统已经见了很多。
PLC的可靠性比继电接触控制的高。
PLC编程简便，汇编语言简单易懂适合不管有无电气知识的用户都能很快上手。
计算机使用汇编语言或其他高级语言编程，比PLC编程复杂。
PLC可靠性高，PLC采用扫描方式进行工作等。
PLC的电路设计比较成熟，稳定性高，软件集成化，学习容易，开发周期短。
单片机的稳定性相对于PLC稍差，接线外部设备相对复杂，单片机牵扯到得知识很多，不容易学习和上手。
从上边对PLC的简单介绍和比较可以看出。
由PLC的软件编程和硬件连接决定了它的可靠性和控制功能比继电器控制系统高的多，它是专门为工业控制场合设计的控制器，所以他的稳定性也比一般通用计算机要好的多，而且它操作简单灵活，易于实现系统升级和功能扩展。
由于PLC的稳定性和安全性相对单片机更高，更被企业在工业自动化生产中所接受和应用。
所以在本设计中对装配流水线的控制采用PLC来进行控制。
2.6PLC选型
三菱公司作为日本生产PLC的主要厂家之一，该公司生产的FX2N系列的机型，属于高性能叠装式机型，是目前三菱公司最先进的PLC产品，FX2N系列PLC具有数十种编程元件，能满足本次设计。
图2-2FX2N系列PLC
FX2N系列是FX系列PLC家族中最为先进的一个系列。
由于FX2N系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更加快速、全面补充了网络通信功能、更适合世界各国不同的电源和更好的满足了单个需要的大量特殊的功能模块，它可以为你的工厂工业自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
其他功能如下表：
如模拟I/O、计数器。
网络和数据通信可以连接到了世界上最流行的开放式网络（DeviceNet）或者采用传感器层次的网络解决用户的通信需要。
表2-3FX2N功能表
内置24V的直流电源
24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。
快速断开端子模块
因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。
时钟功能和小时表功能
在所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准。
时间设置和比较指令易于操作。
小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。
持续扫描功能
为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。
输入滤波器调节功能
可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。
注解记录功能
元件注解可以记录在程序寄存器中。
在线程序编辑
在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。
RUN/STOP开关
面板上运行/停止开关易于操作。
远程维护
远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据
密码保护
使用一个八位数字密码保护您的程序。
3.装配流水线的PLC控制程序设计部分
3.1装配流水线的PLC控制系统的工作原理
本次设计主要目的是实现饮料装瓶流水线。
通过PLC程序控制流水线的电气部分，操作一、操作二、操作三、和入库、单周期或连续循环的功能。
通过光敏传感器反馈给PLC一个信号，促使传送带停止运行。
此次装配流水线的工作流程：
（1）按下启动按钮后，按以下规律显示：
D→E→A→D→F→B→D→G→C→D→H→D→E→A→D→F→B→D→G→C→D→H→D→E……循环，G表示用来传送的加工物品以及传送的方向，每次亮1秒；D、E、F分别表示传感器，每个灯每次亮1秒；A是操作1，B是操作2，C是操作3，H是仓库，
（2）按下移动按钮后，传送带开始移动（移动指示灯G点亮，每次点亮1秒熄灭）
（3）按下复位按钮后，系统复位，只有再次按下启动按钮后，系统才能再次启动。
装配流水线的模拟控制图如下所示：
图3-
升级会员 