课程设计 工件搬运单元电气控制系统.docx

1、课程设计 工件搬运单元电气控制系统 电气控制与PLC课程设计题 目 工件搬运单元电气控制系统 系（院） 机 械 工 程 学院 年 级 2006级 专 业 机械工程及自动化 班 级 学 号 1. 设计任务书1.1设备概况本单元的功能是通过三自由度机械手将工件从上一个工作站向下一个工作站传送，工件抓取采用真空吸力实现。在上一个单元的钻孔检测中不合格的工件可以在这里被踢出。本单元设有多个按钮和旋钮，其中运行按钮：使系统开始或继续运行；复位按钮：开始运行前使系统回到复位状态；功能按钮：按下则表示工件为不合格工件，将会被剔除；自动/单步双向旋钮和单机/联网双向按钮：用于选择系统进入单步程序，自动程序或联

2、网程序；暂停按钮：使系统暂停运行；急停按钮：使系统紧急停止，防止意外发生；退出按钮：用于系统急停后退出急停状态。1.2控制要求本单元有单步运行、自动运行以及联网运行3种运行方式可供选择。可以通过旋钮选择运行方式。单步运行是将本单元的动作分解成8步来完成，每按一次运行键执行1步动作，方便老师讲解以及学生试验。要完成好电气控制的设计任务，除掌握必要的电气设计基础知识外，还必须经过反复实践，深入现场，将不断积累的经验应用到设计中来。其中第1步：回转臂向左摆；第2步：水平臂伸出，然后垂直臂伸出；第3步：真空阀打开，将工件吸起；第4步：垂直臂缩回，然后水平臂缩回；第5步：回转臂向右摆；第6步：水平臂伸出

3、，然后垂直臂伸出；第7步：真空阀断，将工件放置到下一个单元；第8步：垂直臂缩回，然后水平臂缩回，恢复初始位置，如此就完成了一个动作循环。如果有工件不合格信号，则第6步水平臂不会伸出，第7步真空阀断，工件直接被放入废料槽中。自动运行就是将这些动作连起来运行，只需按一次运行键就完成一个动作循环。如果选择联网运行就是使本单元进入联网状态，动作将不受按钮控制（急停按钮除外），由上机组态监控系统控制。技术参数：工作压力：0.3mpa-0.8mpa；I/O端口：14输入/10输出表1.1 工件搬运单元输入输出元件输入元件输出元件运行按钮摆动(左)电磁阀1Y1复位按钮摆动(右)电磁阀1Y2功能按钮水平(缩)

4、电磁阀2Y1自动/单步旋钮水平(伸)电磁阀2Y2单机/联网旋钮垂直(上)电磁阀3Y1暂停按钮垂直(下)电磁阀3Y2急停/退出检测开关真空电磁阀4Y1真空传感器(NPN)4B1运行灯摆动(左)磁性开关1B1复位灯摆动(右)磁性开关1B2功能灯水平(缩)磁性开关2B1水平(伸)磁性开关2B2垂直(上)磁性开关(NPN)3B1垂直(下)磁性开关(NPN)3B21.3设计任务1.3.1根据控制要求，对分类存储及立体仓库单元硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。1.3.2根据控制要求，编制分类存储及立体仓库单元PLC系统电路图。1.3.3编写设计说明书，内容包括： （1）设计过程和有关

5、说明 （2）基于PLC的工件搬运单元电路图（3）PLC控制程序（4）电器元器件的选择和有关计算（5）电气设备明细表（6）参考资料，参考书及参考手册（7）其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题和解决问题办法、对课程设计的认识和建议。2.控制系统总体设计方案2.1总体方案说明2.1.1 PLC设计的总体思路：本次设计PLC程序的编制方法采用较常用的梯形图程序设计法。该方法的好处是形象、直观、易于使用、条理清楚，而且之后调试与修改也较为方便。梯形图的设计方法常有经验法、根据继电器电路图设计法、顺序控制设计法。对于类似本次设计那样，需控制较多变量而且动作较多的情况，顺序控制设计

6、法因为直观和条理性较强的优势，是首选的方法。因此，接下来的设计工作就是根据顺序功能图将实现装置基本动作的程序编制出来。2.1.2 整个设计过程的总体步骤：1.明确控制对象，列出输入输出列表，画出电路图。 2.明确控制要求，画出动作顺序图和顺序功能图。 3.参考查阅资料完成PLC程序编写。 4.将程序输入电脑，并与PLC联机。下载程序 5.调试PLC程序，修改优化。 6.编写课程设计说明书。2.2 控制系统的电气原理图2.2.1控制系统原理框图依照控制系统的具体要求，设计控制系统原理框图如图2.1所示：通过操作台上的各种按钮旋钮，向西门子S7200PLC发出指令（也可以通过PC机上的PLC软件或

7、按钮发送）；信号可由PLC处理并通过标准的传输数据线传递，实现控制电磁阀的动作，从而控制气缸的动作使其能够完成系统的设计要求，同时各种传感器也通过数据线向PLC传递开关信号，操作台上的各种指示灯可以指示PLC的工作状态，即使得操作人员方便得知系统运作的各种情况。图2.1控制系统原理框图此次设计中除了要让系统在PLC的控制下完成以上要求的动作，使得操作人员可以系统进行操作。此外，遇到紧急情况时也可采取相应措施。2.2.2 控制系统PLC原理图PLC具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层

8、次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。根据系统的设计要求，即确定了PLC的输入输出如表2.1所示，PLC的原理图如图2.2所示：表2.1 I/O列表输入元件输入地址输出元件输出地址运行按钮I0.0摆动(左)电磁阀1Y1Q0.0复位按钮I0.1摆动(右)电磁阀1Y2Q0.1功能按钮I0.2水平(缩)电磁阀2Y1Q0.2自动/单步旋钮I0.3水平(伸)电磁阀2Y2Q0.3单机/联网旋钮I0.4垂直(上)电磁阀3Y1Q0.4暂停按钮I0.5垂直(下)电磁阀3Y2Q0.5急停/退出检测开关I0.6真

9、空电磁阀4Y1Q0.6真空传感器(NPN)4B1I0.7运行灯Q0.7摆动(左)磁性开关1B1I1.0复位灯Q1.0摆动(右)磁性开关1B2I1.1功能灯Q1.1水平(缩)磁性开关2B1I1.2水平(伸)磁性开关2B2I1.3垂直(上)磁性开关(NPN)3B1I1.4垂直(下)磁性开关(NPN)3B2I1.5图2.2 PLC的原理图2.2.3 控制系统气动原理图根据所选的各种气动执行元件的工作原理和本单元所要完成的动作要求，绘制出工件搬运单元的气动原理图，见图2.3。压缩空气由空气压缩机产生，经过冷却器降温；经过油水分离器和过滤器去掉空气中的杂质；经过减压阀使气流变得缓和；压缩空气经过手动阀时

10、，当手动阀在左位时，气动系统将不能控制各个气缸的正常运作；而当手动阀在右位时，各个气缸可按照系统的设计要求完成指定。图2.3 控制系统气动原理图步序输入条件输出1Y11Y22Y12Y23Y13Y24Y1原位_+_+_左摆运行信号+_+_+_伸长1B1+_+_下移2B2+_+_+_打开真空发生器3B2+_+_+上移4B1+_+_+缩回3B1+_+_+_+左摆2B1_+_+_+伸出1B1_+_+_+下移2B2_+_+_+关闭真空发生器3B2_+_+_+_复位4B1_+_+_表2.2 电磁铁工作情况表3.PLC的选择及技术参数目前市场上最受好评的PLC品牌有：西门子、欧姆龙、三菱等。目前中国市场上应

11、用最广泛的PLC品牌是三菱，但相比之下西门子PLC较三菱的性能更加优越，所以本次系统设计中选用的PLC品牌是西门子。根据系统动作要求明确了PLC所需要的输入输出个数为：输出为10个，输入为14个。因为本控制系统的动作比较简单，可以使用小型PLC。该设备选用的是西门子S7-200 CPU224型PLC，这类型适用于小型自动控制系统，且具有反应快，可扩展，价格便宜的优点。PLC的具体技术参数如表3.1所示：表3.1 PLC性能参数表电源电压DC 24V，AC 100230V电源电压波动DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度水平安装0550C，垂直安装045

12、0C，595%保护等级IP20到IEC529输出给传感器的电压DC 24V （20.4-28.8V）输出给传感器的电流280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出电流660mA程序存储器8K字节/典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护，在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），用电池后备200天程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运

13、算、应用功能位操作执行时间0.37s扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0112计数器0256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256，4个定时器，1ms30s，16个定时器10ms5min，236个定时器，100ms54min接口一个RS485通信接口本机I/O数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功，能数字量输出：10， 可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74，模拟量输入/输出：最多28/7（或14）AS接口输入/输出：496最多可接扩展模块7个4 控制系统的程序设计4.1 PLC编程软件的选择本次设计中PLC的编

14、程软件选择西门子S7系列PLC编程专用软件 Step7。STEP 7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP 7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1可以得到该对象的在线帮助。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7

15、、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。4.2 PLC程序的编写4.2.1 PLC程序设计流程图设计中采用的是“步”的流程编程思想，这种编程思想的具有调试方便以及机器的动作可靠等优点。由以上要求得出流程图如图4.1所示：图4.1 PLC程序设计流程图4.2.2 PLC程序设计流程图5. PLC程序的调试一个PLC程序的设计，只是编辑完成还远远不够，因为程序的编辑者往往会有许多的疏漏，使得PLC在实际的运行当中不能够按照指定的运行轨迹来完成动作指令；又或者是编程者想象的结果与实际PLC的反应不相同。这样就需要对程序进行适当的调试，进过

16、不断地调试才能最终得出满足系统设计的程序来。在程序的调试过程中碰到的问题有：(1) 程序调试时发现复位流程未结束亦可再按运行按钮启动系统进行正常运作。其中原因主要是因为没有限制启动的条件。(2) 运行程序时由于有些输出的触发条件相同，又不允许这两个输出同时执行，这种情况下就必须用到自锁的编程手段。程序编制如图5.1所示。 图5.1 PLC自锁程序梯形图(3) 运行程序时摆动气缸左摆时气缸左右摆动不定，造成这一现象的主要原因是应为程序的开始没有关闭所有不运行的程序，在该流程的线路上接上控制通断的开关，将其关闭后彻底解决了这个问题。6.设计心得本次课程设计根据PLC控制系统设计的基本原则，完成了P

17、LC控制系统的设计。本次设计对PLC自动化控制技术以及利用编程软件STEP7.0实现对西门子PLC梯形图的编制应用做了探讨与研究。实践证明这种编程方法是一种较为理想的方法。它是一种先进的设计方法，很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。通过这次对工件搬运单元所要求的搬运能力以及正品废品的区分能力的PLC控制，让我了解了plc梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。本次设计，既让我懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图

18、书馆成了我们很好的助手,不知不觉中查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。虽然本次课程设计是要求自己独立解决，但是，还是脱离不了集体的力量，遇到问题和老师同学互相讨论交流讨论。本次课程设计是在王建平老师和胡朝斌老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。在做课程设计的过程中总是遇到这样或那样的问题，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。7.参考文献1何衍庆主编 常用PLC应用手册 北京：电子工业出版社 2008.32 粱涛 现代电气控制技术 重庆：重庆大学出版社，20063 王永华编著 现代电气控制及PLC应用技术 北京航空航天出版社 2008.24 魏克新.自动控制综合应用技术.北京：机械工业出版社，20075 蔡崧著 传感器与PLC编程技术基础 北京：电子工业出版社, 20056 廖常初.PLC编程及控制.北京：机械工业出版社，2008.17 许江等编 可编程控制器PLC基础应用教程 北京：中国水利水电出版社1996.18 孙承志等编 西门子S7-200/300/400PLC基础与应用技术 机械工业出版社 2009.1