电气工程自动化PLC设计.docx

1、电气工程自动化PLC设计佳木斯大学信息电子技术学院2011 级专业综合实训报告题目： 基 于 PLC 控制的自动供料及加工系统的设计姓 名：班 级： 电气自动化二班学 号：指导教师：王琨第1章绪论 61.1倒车雷达研究的背景及意义 61.2国内夕M到车雷达的发展现状 61.3雷达的发展 6第2章超声波倒车雷达的工作原理 92.1超声波 9第3章 电器元件、设备的选择 113.1PLC机型的选择 113.2传感器 123.3电磁阀111111*1111111111111114第 4 章 控制系统的软硬件设计111111*1111111 154.1控制系统的硬件设计111111*111111111

2、54.2控制系统的软件设计111111*1111111118第5章 设计小结 25参考文献 28第 1 章 绪论1.1设计目的及要求目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、 轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，因此 PLC 在控制领域取得广泛应用。在现代工业控制中， PLC 和组态都是非常重要的技术，掌握这项技术，对我们从事机电 的人来说是非常必要的。这次我们毕业设计的题目是： “基于 PLC 控制的自动供料及加工系统的设计” 。在这次 毕业设计中，我们小组 4 人，我负责硬件的部分，其他 3 人分别负责组态、软件和调试。这次毕业设计的主要目的是

3、培养我们的一种对 PLC 的认知方法。掌握自动供料及加工 系统的工作原理、 工作过程以及其控制操作方式、 PLC 控制的设计、 编程方法、 系统调试、 故障检测及排除方法。 这次毕业设计，是对我们三年来所学有关机电知识的强化，使我们对机电一体化设备的控制 有更深一步的理解，加深PLC,传感器，电磁阀，气缸等电气设备的认识.。培养了我们的思维和 动手能力，为我们以后的工作和学习打下基础。 1.2 亚龙生产线概述亚龙生产线实训考核设备由安装在铝合金导轨式实训台商的送料单元、加工单元、装配 单元、输送单元和分拣单元等 5 个单元组成。其中，每一个单元都可自成一个独立的系统， 同时也都是一个机电一体化

4、的系统。各个单元的执行机构大部分以气动执行机构为主，但输送单元的机械手装置整体运动则 采取步进电机驱动、精确的位置控制，该驱动具有长行程、多定位点的特性，是一个典型的 一维位置控制系统。分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频器驱动三项异步电动机的交流 传动装置。位置控制和变频控制技术是现代工业企业应用最为广泛的电气控制技术。在设备商应用了多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体 通过的状态、物体的颜色及材质等。传感器技术是机电一体化技术的关键技术，是现代工业 实现高度自动化的前提之一。在控制方面 ,采用了基于 RS485 串行通信的 PLC 网络控制方案。即每一工作单元由一台 PLC

5、承担其控制任务，各 PLC 之间通过 RS485 串行通讯实现互连的分布控制方式。用户可 根据需要选择不同厂家的PLC及其所支持的RS485通信模式，组建成一个小型的PLC网络。 小型 PLC 网络以其结构简单，价格低廉的特点在小型自动化生产线仍然有着广泛的应用，在 现代工业网络通信中仍占据相单的份额。另一方面掌握基于RS485串行通信的PLC网络技术 将为进一步学习现场总线技术、工业以太网络技术等打下良好的基础。一、 整个生产线各个单元的基本功能如下：1、 供料单元的基本功能： 按照需要将放置在料仓中待加工的工件自动送出到物料台上， 以便 输送单元的抓取机械手装置将工件抓取送往其他工作单元。

6、2、 加工单元的基本功能：把该单元物料台上的工件（工件由输送单元的抓取机械手装置 送来）送到冲压机构下面，完成一次冲压加工动作，然后再送回到物料台上，待输送单元 的抓取机械手装置取出。3、 装配单元的基本功能：完成将该单元料仓内的黑白或白色小圆柱工件嵌入到以加工的 工件中的装配过程。4、 分拣单元的基本功能：完成将上一单元送来的以加工、装配的工件进行分拣，使不同颜色 的工件从不同的滑槽分流出来的功能。5、 输送单元的基本功能：该单元具有精确定位到指定单元的物料台，在物料太上抓取工件， 把抓取到的工件输送到指定地点然后放下的功能。二、 设备的特点如下：设备中的各工作单元均安放在实训台上，便于各个

7、机械机构及气动部件的拆卸和安装， 控制线路的布线、气动电磁阀及气管安装。其中，输送单元采用了最为灵活的拆装式模块结 构：组成该单元的按钮 /指示灯模块、电源模块、 PLC 模块、步进电机驱动器模块等放在抽屉 式模块放置架上；模块之间、模块与实训台上接 线端子排之间的连接方式采用安全导线连接，最大限度满足了综合性实训的要求。整个生产线所使用的 PLC 均为西门子 S7-200 系列的 PLC第 2 章 生产线简介2.1自动生产线的结构和工作过程生产线包括下料、加工、装配、搬运、分拣等工作站（图 1-1 ），构成一个典型的机电 一体化设备的机械平台；采用 RS485 串行通讯方式实现分布式的控制，

8、从而组成自动加工、 装配生产线，真实呈现自动生产线的加工过程。图1-1各工作单元的结构和功能如下：1供料单元供料站主要由料仓及料槽、顶料气缸、推料气缸和物料台以及相应的传感器、电磁阀构成；2加工单元加工站主要由物料台、夹紧机械手、物料台伸出 /缩回气缸、加工（冲压）气缸以及相应的传感器、电磁阀构成；3装配单元装配站主要有供料单元、旋转送料单元、机械手装配单元、放料台以及相应的传感器、 电磁阀构成；4 分拣单元分拣站主要有传送带、变频器、三相电机、推料气缸、电磁阀和定位光电传感器及区分 黑白两种颜色的光纤传感器构成 ;5 搬运单元 搬运站主要有步进电机、步进驱动器、线性导轨、四自由度搬运机械手、

9、电磁阀和原点 定位开关构成。第 3 章 电器元件、设备的选择3.1PLC 机型的选择根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。进行PLC选型时， 基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修，备件的通用性。对开关量控制的系 统，当控制速度要求不高时，一般的小型 PLC 都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制，单 台机械的自动控制等。当控制速度要求较高，输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入 /输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的应用系统，如工业生产 中经常遇到的温度，压力、流量、液位等连续量的控制，应选择具有所需功能的 PLC 主机， 还要根据需

10、要选择相应的模块，配接相应的传感器、变频器和驱动装置。输入/ 输出的点数可以衡量 PLC 规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号 总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计 I/O 点数基础上，一般应加上 10%20% 的备用点数，多数小型 PLC 为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳 定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的 PLC 采用主机模块与输入模块、功能模块组合 使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块，判断与处理故障快速方便，适用于工艺变 化较多，控制要求复杂的系统。此外还应考虑用户存储器的容量， PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求，编程器与

11、外围设备的选择等。根据实际需要供料单元设有顶料到位传感器、顶料复位传感器、推料到位传感器、推料 复位传感器、物料不够检测传感器、物料有无检测传感器、物料台物料检测传感器，外加一 个启/停按钮共 8 个输入点， 而自动加工单元应设有物台物料检测传感器、 料台夹紧检测传感 器、料台伸出到位传感器、料台缩回到位传感器、加工压头上限传感器、加工压头下限传感 器、急停按钮、启/停按钮共 8 个输入点。 供料单元设有顶料电磁阀和推料电磁阀 2点继电器 输出，加工单元设有夹紧电磁阀、料台伸缩电磁阀、加工压头电磁阀 3点继电器输出。由此可见供料单元和加工单元都选用西门子S7-222主单元（8点输入和6点继电器

12、输出）即可3.2传感器供料单元顶料缸两端分别安装两个磁感应接近开关，用以检测顶料活塞杆顶料到位和顶料复位;物料有无检测、物料不够检测和物料台物料检测都选用漫射式光电接近开关。加工单元夹紧缸安装一个磁感应接近开关，料台伸缩缸分别安装两个磁感应接近开关，加工缸也分别安装两个磁感应接近开关；物台物料检测选用分别安装两个磁感应接近开关。磁感应接近开关的工作原理是：当磁性物质接近传感器时，传感器便会动作，并输出传感器信号。而在供料单元和加工单元的气缸活塞杆上都分别安装有磁性物质，这样以来在气 缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应式接近开关，就可以用这两个传感器分别识别气缸 运动的两个极限位置。在PLC的

13、自动控制中，就可以利用该信号判断料缸的运动状态或所处 位置。在传感器上设有LED显示用于显示传感器的信号状态， 供调试时使用。传感器动作时, 输出信号“ 1 ”，LED亮；传感器不动作时，输出信号为“ 0”，LED不亮。传感器的安装位置可以调整的，如图3-1所示图3-1磁感应接近开关漫射式光电接近开关的工作原理是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的。在工作时，光发射器始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有被测物，则没有 光被反射到接收器，接近开关处于常态而不动作；反之若接近开关前方一定距离内有被测物, 只要反射回来的光强度足够，则接收器收到足够的漫射光使接近开关动作而改变输出的

14、状态。图3-2为漫射式光电接近开关的工作原理图：移或方向图3-2漫射式光电接近开关的工作原理图这样，供料单元中料仓有无储料或储料是否充足就可用两个漫射式光电接近开关的信号状态 反映出来。在控制程序中，就可用漫射式光电接近开关的状态来判断底座和装料管中储料的 情况，为实现自动控制奠定了硬件基础。物料台面开有小孔，物料台下面也设有一个漫射式 光电接近开关，工作时向上发出光线，从而透过小孔检测是否有工件存在，以提供物料台有 无工件的信号。在供料单元的控制程序中，就可以利用漫射式光电接近开关的状态来判断是否需要供料。同样的原理加工单元 中物料是否送入物料台也可被检测出来。3.3电磁阀供料单元中电磁阀使

15、用两个二位五通的带手空开关的单电控电磁阀。在供料单元中所采 用的电磁阀，带手动换向、枷锁钮，有锁定和开启两个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到在锁 定位置时，手动开关向下凹进去，不能进行手动控制。只有在开启位置时，可用工具向下按, 信号为“1 ”，等同于该侧的电磁信号为“ 1 ”。在进行设备调试时，可以使用手控开关对其进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变 推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。加工单元中使用三个二位五通的带手空开关的单电控电磁阀。这三个阀分别对冲压气 缸、物料抬手爪气缸和物料台伸缩气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。在进行设 备调试时使用手控开关处于开启位置，可以使用手

16、控开关对阀进行控制，从而实现对相应气 路控制，以改变冲压气缸等执行机构的控制，达到调试的目的。第 4 章 控制系统的软硬件设计4.1控制系统的硬件设计4.1.1供料单元的结构组成供料单元的基本功能是：按照需要将放置在料仓中待加工的工件自动送出到物料台上，以便输送单元的抓取机械手装置将工件抓取送往其他工作单元。 供料单元的实物全貌如图 4-1所示：大工件装料管严亠-： 图4-1供料单元的实物全貌工件漏斗，阀组，端子排组件，PLC，急停按钮和启动/停止按钮，走线槽、底板等。图4-2供料单元的结构组成1工件推出与支撑及漏斗部分该部分如图4-3所示。用于储存工件原料，并在需要时将料仓中最下层的工件推出

17、到物料 台上。该部分的工作原理是：工件垂直叠放在料仓中，推料缸处于料仓的底层并且其活塞杆可从料 仓的底部通过。当活塞杆在退回位置时，它与最下层工件处于同一水平位置，而夹紧气缸则 与次下层工件处于同一水平位置。在需要将工件推出到物料台上时，首先使夹紧气缸的活塞 杆推出，压住次下层工件；然后使推料气缸活塞杆推出，从而把最下层工件推到物料台上。 在推料气缸返回并从料仓底部抽出后，再使夹紧气缸返回，松开次下层工件。这样，料仓中 的工件在重力的作用下，就自动向下移动一个工件，为下一次推出工件做好准备。为了使汽缸的的动作平稳可靠，气缸的作用气口都安装了限出型截流阀。 气缸截流阀的作 用是调节气缸的动作速度

18、。节流阀上带有气管的快速接头，只要将合适外径气管往快速接头 上一插就可以将管连接好了，使用时十分方便。图 4-4是安装了带快速接头的限出型气缸节流阀的气缸外观。装料管图4-3进料模块和物料台节it阳图4-4安装上气缸节流阀的气缸图4-5是一个双动气缸装有两个限出型汽缸节流阀的连接和调节原理示意图。当调节节流 阀A时，是调节气缸的伸出速度，而调节节流阀 B时，可调节气缸的缩回速度图4-5节流阀连接和调整原理示意从图4-4上可以看出，气缸两端分别有缩回限位和伸出限位两个极限位置。这两个极限位置都分别安装有一个磁感应接近开关.，可以用这两个传感器分别标示气缸运动的两个极限 位置。当气缸运动的哪一端时

19、，哪一端的次感应开关就动作并发出电信号。在 PLC的自动控制中，就可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态及位置，以确定工件是否被推出或气 缸是否返回。在传感器上设置的 LED显示用于显示传感器的信号状态。供调试时使用。传感 器动作时，输出信号“ T LED亮；传感器不动作时。输出信号“ 0”，LED不亮。传感器的安 装位置可以调整，调整方法是松开磁性开关的紧定螺钉，让磁性开关在气缸的滑轨里滑动， 到达指定位置后，再紧定螺钉。2 电磁阀组阀组，就是将多个阀集中在一起构成的一组阀，而每个阀的功能是彼此独立的。供料单元 的阀组只使用两个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，两个阀集中在汇流板上，汇

20、流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少阀气在向大气排放时的噪声。阀 组的组装如图4-6所示本单元所采用的电磁阀，带手动换向、枷锁钮，有锁定和开启两个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到在锁定位置时，手动开关向下凹进去，不能进行手动控制。只有在开启位置时，可用工具向下按，信号为“ 1 ”，等同于该侧的电磁信号为“ 1 ”。常态 时，手动开关的信号为“ 0”。在进行设备调试时，可以使用手控开关对其进行控制，从而实 现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。图4-6电磁阀组3接线端口接线端口采用双层接线端子排，用于集中连接本工作单元所有电磁阀、传感器等器件的电气连接线

21、、PLC的I/O端口及直流电源。上层端子用作连接公共电源正、负极，连接片的作用是将各个分散端子片进行电器短接，下层端子用作信号线的连接，固定端板是将各分散的组成部分进行横向固定，保险座内插装有 2A的保险管。接线端口上的每一个端子旁都有数字标号，以说明端子的位地址。接线端口通过导轨固定在底板上。图 4-7和图4-8分别是本单元的接线端口外观和端子接线图。分组隔板接线端子板图4-7供料单元接线端口图4-8供料单元端子接线图4气动控制回路气动控制回路是本工作单元的执行机构，该执行机构的控制逻辑控制功能是由PLC实现的。气动控制回路的工作与原理如图 4-9所示。图中1A和2A分别为推料 气缸和顶料气

22、缸。1B1和1B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关， 2B1 和2B2为安装在顶料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关。 1Y12Y1分别为推料缸和顶 料 缸 的 电 磁 阀 的 电 磁 控 制 端。推料气缸1B1 1B2顶料气缸2B1 2B2图4-9供料单元气动控制回路工作原理图PLC的I/O接线如图4-10所示VCLOV L外册电源用料电確阀推林电屯帽f1L 100.0 QO1 QoTfQOTzLTaoTooIOnHjVcc1 S7-200-222 AC/DC/RLY1M10.0(0.110,2S0.410.510.610.7I5.1.1加工单元的结构加工单元的基本功能：把

23、该单兀物料台上的工件（工件由输送单兀的抓取机械手装置送来）送到冲压机构下面，完成一次冲压加工动作，然后再送回到物料台上，待输送单元的抓取机械手装置取出。加工单元的实物全貌如图 4-11所示图4-11加工单元的实物全貌加工单元主要结构（图4-12）组成为：物料台及滑动机构，加工（冲压）机构，电磁阀 组，接线端口，PLC模块，急停按钮和启动/停止按钮，底板等。1物料台及滑动机构物料台及滑动机构如图4-13所示。物料台用于固定被加工件，并把工件移到加工（冲压）机构正下方进行冲压加工。它主要由手爪气缸、手指、物料台伸缩气缸、导 轨及滑块、磁感应式接近开关、漫射式光电传感器组成。光电传感器图4-13物料

24、台及滑动机构滑动物料台的工作原理：滑动物料台原始位置是处于物料台伸缩气缸伸出，物料台气动手爪张开的状态，当输送机构把物料送到料台上，物料检测传感器检测到工件后， PLC控制程序驱动机械手指将工件夹紧物料台回到加工区域冲压汽缸下方冲压气缸向下伸出冲压 工件完成冲压动作后向上缩回物料台重新伸出到位后机械手指松开的顺序完成工件加 工工序，并为下一次工件到来加工做准备。在移动料台上安装一个漫射式光电接近开关。若物料台上没有工件，则漫射式光电接近开关均处于常态;若物料台上有工件，则漫射式光电接近开关动作，表明物料台上已有工件， 需将工件输送到加工位置进行加工。该光电传感器的输出信号送到 PLC的输入端，

25、用以判别物料台上是否有工件需进行加工。2加工（冲压）机构加工（冲压）机构。加工机构用于对工件进行冲压加工。它主要由冲压气缸、冲压头、冲压台等组成。冲压台的工作原理：当工件到达冲压位置时，冲压缸伸出对工件进行加工，完成加工动作后冲压缸缩回，为下一次冲压做准备。冲头根据工件的要求对工件进行冲压加工， 冲头安装在冲压缸头部。冲压台用于安装冲压缸，对冲压缸进行固定。3电磁阀组加工单元的气爪、物料台伸缩气缸和冲压气缸均用三个二位五通的带手控开关的单电控 制电磁阀控制，三个控制阀集中安装在带有消声器的汇流板上。由于冲压缸对气体的压力和 流量要求比较高，故冲压缸的配套气管粗。这三个阀分别对冲压气缸、物料抬手

26、爪气缸和物 料台伸缩气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。电磁阀所带手控开关有锁定（LOCK ）和开启（PUSH）2种位置。在进行设备调试时使 用手控开关处于开启位置，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现对相应气路控制，以 改变冲压气缸等执行机构的控制，达到调试的。4接线端口图4-15分别是本单元的接线端口外观和端子接线图。图4-15加工单元端子接线图5气动控制回路本工作单元气动控制回路的工作原理如图 4-16所示。IB1和IB2为安装在冲压气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，2BI和2B2为安装在物料台的两个极限位置的磁感应接近开关，3B1为安装在手爪气缸工作位置的磁感应接近开关。

27、 1Y1、2Y1和3Y1分别为控制冲压气缸、物料台伸缩气缸和手爪气缸的电磁阀的电磁控制端。图4-16加工单元气动控制回路工作原理图PLC的I/O接线图如4-17所示图4-17 PLC的I/O接线图2I/O地址分配4.2控制系统的软件设计4.2.1供料单元1流程图顶料到位I0.0顶料复位I0.1推料到位I0.2推料复位I0.3物料不够检测I0.4物料有无检测10.5物料台物料检测10.6启/停按钮I0.7顶料电磁阀Q0.0推料电磁阀Q0.13程序4.2.2加工单元启动卷a地料有无怡仙无料合縮回料合卿BJI位加工压头冲压加二t头下限加头复位加工压头1，限丰怡伸出i冷1+出刮低手抓松开停止2I/O地

28、址分布I0.010.110.2物台物料检测物台夹紧检测料台伸出到位料台缩回到位 I0.3加工压头上限 I0.4加工压头下限 I0.5急停按钮 10.6启/停按钮 I0.7夹紧电磁阀 Q0.0料台伸缩电磁阀 Q0.1加工压头电磁阀 Q0.23 梯形图M10.6 M10.5斗I )MH.l M-1-L.H I )4程序LD I0.7EULDM10.0M10.0LPSANM10.1ANM10.5SM10.2, 1SM10.6, 1LPPLPPAM10.1AM10.5RM10.2, 1RM10.6, 1LDM10.2LDM10.6=M10.1=M10.5LDM10.1LDI0.2ANM11.0AM10

29、.5AI0.0LDNI0.1ANI0.6AM11.0=Q0.0OLDLDI0.1LPSANM10.5ANM11.0=Q0.1SM11.1, 1LDI0.3LPPANM10.3AM11.0=Q0.2RM11.1, 1LDI0.5LDM11.1LDNI0.1=M11.0AM11.0OLDLPSANM10.3SM10.4, 1LPPAM10.3RM10.4, 1LDM10.4=M10.3LDI0.4AM10.3LDNI0.1AM11.0OLDLPS第 5 章 设计小结经过两个多月的设计和开发，成功的通过了模拟调试和联机调试，自动供料和自动加工两单元基本设计完毕，其功能基本达到要求。整个系统稳定性好。系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在这个过程 中，我对利用可编程序控进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和体会，并在学习和实践的过程中 增长了知识，丰富了经验。控制系统的设计与开发是一项复杂的系统工程，必须严格按照系 统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一