基于plc的装配流水线的控制系统的设计.docx

1、基于plc的装配流水线的控制系统的设计基于PLC的装配流水线的控制系统的设计 本科毕业设计论文基于PLC的装配流水线的控制系统设计学 院 电子信息工程学院专 业 电气工程及其自动化年级班别 2009级3班学 号 2009401020330学生姓名 王 军指导教师 邹云峰 72013年 5 月 9日摘要对装配流水线的控制进行了分析设计该系统主要引入了PLCSIMEINSS7-200编程控制器的控制方式实现了对装配流水线的工作状态的在线监测和系统自动控制设计的控制系统具有较高的实用性能够进行启动移位复位工作较好地达到预期目标本次设计是装配流水线控制的模拟主要是模拟流水线上产品所经加工过程的控制和生

2、动的表示模拟主要流水线有四个操作过程包括入库传输带用四段指示灯表示以指示灯的明暗来显示产品在运输这一状态分析控制对象我们选择用移位寄存器控制来实现控制目的每隔5秒寄存器移位一次从而控制相应操作的执行 关键词装配流水线设计PLC可靠性绪论111课题研究的背景112课题研究的现状1 com控制器的简介1 com 装配流水线的简介213课题研究的目的和意义414方案设计与介绍4可编程控制器及选型721 PLC的基本结构和各部分的作用722 PLC的工作原理8 com新阶段8 com行阶段8 com新阶段923 PLC机型的选择9程序设计1131整体要求1132主电路图1233程序流程图1334梯形图

3、1435指令表2136 PLC的IO接线图2137 IO地址分配2138简要说明22程序的仿真和调试23结论29参考文献32附录33第1章 绪 论11 课题研究的背景在社会快速发展竞争激烈的今天提高生产效率降低生产工艺成本最大限度的满足生产要求将直接决定各企业工厂能否紧跟社会脚步赢得时间占领市场甚至将决定企业的生死存亡为此企业生产自动化无疑扮演着重要的角色装配流水线自动化作为工业自动化的一部分能提高生产效率降低工艺流程成本最大限度的适应产品变化提高产品质量它是现代化生产控制系统中的重要组成部分 12 课题研究的现状com 可编程控制器简介工业控制计算机 简称工控机 是以计算机技术为基础的新型工

4、业控制装置目前已成为工业控制的标准设备被广泛地应用于各行各业工控机是实现生产自动化的最佳配套产品而工业可编程序控制器 PLC 则在工控领域中占有主要的地位PLC具有通用性强使用方便适应面广可靠性高抗干扰能力强编程简单等特点可编程控制器是60年代末在美国首先出现的当时叫可编程逻辑控制器目的是用来取代继电器以执行逻辑判断计时计数等顺序控制功能其基本设计思想是把计算机功能完善灵活通用等优点和继电器控制系统的简单易懂操作方便价格便宜等优点结合起来控制器的硬件是标准的通用的根据实际应用对象将控制内容写入控制器的用户程序内控制器和被控对象连接也很方便可编程控制器对用户来说是一种无触点设备改变程序即可改变生

5、产工艺因此可在初步设计阶段选用可编程控制器在实施阶段再确定工艺过程另一方面从制造生产可编程控制器的厂商角度看在制造阶段不需要根据用户的要求专门设计控制器适合批量生产由于这些特点可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎并得到迅速的发展PLC的定义有许多种国际电工委员会IEC对PLC的定义是可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统专为在工业环境下应用而设计它采用可编程序的存贮器用来在其内部存贮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序控制器及其有关设备都应按易于与工业控制系统形成一个整体易于扩充其功能的原则设计它是一个以微

6、处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置专为在工业现场应用而设计PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂可靠性低功耗高通用性和灵活性差的缺点充分利用了微处理器的优点又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯特别是PLC的程序编制不需要专门的计算机编程语言知识而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式使用户程序编制形象直观方便易学调试与查错也都很方便用户在购到所需的PLC后只需按说明书的提示做少量的接线和简易的用户程序编制工作就可灵活方便地将PLC应用于生产实践从结构上PLC分为固定式和组合式模块式两种固定式PLC包括CPU板IO板显

7、示面板内存块电源等这些元素组合成一个不可拆卸的整体模块式PLC包括CPU模块IO模块内存电源模块底板或机架这些模块可以按照一定规则组合配置它采用一类可编程的存储器用于其内部存储程序执行逻辑运算顺序控制定时计数与算术操作等面向用户的指令并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程流水线生产是产品按照设计好的工艺过程依次顺序地通过每个工作站并按照一定的作业速度完成每道工序的作业任务生产过程是一个连续的不断重复的过程具有高度的连续性由于PLC控制具有可靠性易操作性灵活性等优点因而在很多领域内能取代原来液压领域才能实现的功能如精确控制功能PLC的产品系列的丰富和发展使PLC从最小的只有十个I

8、O点的微型PLC到8000点的大型PLC本设计中的充分利用了PLC编程控制功能实现部件的传递 com 装配流水线简介装配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装配要求是工业生产中主要的机器设备物料和工人的连续流动完成了产品在大规模生产下的全部过程设计流水线的必要步骤是分析制造每一件产品的组成部分以及最终产品成产过程所有运动的物料都被简化没有横流回溯或重复的程序工作任务号码机生产速度和编程以使所有业务线沿线都可以运行流畅比如制造汽车的流水线部分匹配到组件上的相交贯线的主线提供外部和内部零件发动机和其他组件作为行动单位每个

9、工人沿线的执行特定的任务每一个部分和工具交付其使用的点与线同步一些不同的组件上线同时进行而由一个复杂的调度和控制系统来确认生产的机器类型和颜色内饰发动机和可选的设备组合在一起来达到理想的组合中间继电器 intermediate relay 用于继电保护与自动控制系统中以增加触点的数量及容量 它用于在控制电路中传递中间信号中间继电器的结构和原理与基本相同与接触器的主要区别在于接触器的主触头可以通过大电流而中间继电器的触头只能通过小电流所以它只能用于控制电路中 它一般是没有主触点的因为过载能力比较小所以它用的全部都是辅助触头数量比较多新国标对中间继电器的定义是K老国标是KA一般是直流电源供电少数使

10、用交流供电com 输入刷新阶段在输入刷新阶段CPU扫描全部输入端口读取其状态并写入输入状态寄存器完成输入端刷新工作后将关闭输入端口转入程序执行阶段在程序执行期间即使输入端状态发生变化输入状态寄存器的内容也不会改变而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入com 程序执行阶段在程序执行阶段根据用户输入的控制程序从第一条开始逐步执行并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器当最后一条控制程序执行完毕后即转入输入刷新阶段com 输出刷新阶段当所有指令执行完毕后将输出状态寄存器中的内容依次送到输出锁存电路输出映像寄存器并通过一定输出方式输出驱动外部相应执行元件工作这才形

11、成PLC的实际输出由此可见输入刷新程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期由此循环往复因此称为循环扫描工作方式 显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短扫描周期越长响应速度越慢由于每个扫描周期只进行一次IO刷新即每一个扫描周期PLC只对输入输出状态寄存器更新一次所以系统存在输入输出滞后现象这在一定程度上降低了系统的响应速度但是由于其对IO的变化每个周期只输出刷新一次并且只对有变化的进行刷新这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的不但不会造成影响还会提高抗干扰能力这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的而工业现场的干扰常常是脉冲短时间的误动作将

12、大大减小但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象这个一般PLC都会采取高速模块23 PLC机型的选择 本设计中所使用的PLC可编程控制器是SIMATIC S7-200SIMATIC S7-200系列是西门子公司继S7-300S7-400之后推出的小型可编程控制器可单机运行也可通过RS485或PROFIBUS-DP组网运行它结构小巧可靠性高运行速度较快等优点这使得S7-200可近乎完美的满足小规模控制要求 1 功能强1S7-200有5种CPU模块最多可以扩展7 个扩展模块扩展到248点数字3量IO或38路模拟量IO最多有30多KB的程序储存空间和数据储存空间2直接读写模拟量IO模块不需要复杂的编

13、程3使用向导中的PID调节控制面板可以实现PID参数自整定4S7-200的CPU模块集成了很强的位置控制功能此外还有位置控制模块EM253使用位置控制向导可以方便的实现位置控制的编程5有配方和数据记录功能一级相应的编程向导配发数据和数据记录保存在EEPOM储存卡中 2 先进的程序结构S7-200的程序结构简单清晰在编程软件中主程序子程序和中断程序分页存放使用各种程序块中的局部变量易于将程序块移植到别的项目子程序用输入输出变量作为软件接口便于实现结构化编程 3 灵活方便的寻址方法S7-200的输入 I 输出 Q 位存储器 M 顺序控制继电器 S 变量存储器 V 局部变量 L 均可按位 bit 字

14、节字和双字读写 4 功能强大使用方便的编程软件编程软件STEP-7MicroWIN V32和STEP-MicroWIN V40可以使用包括文本在内的多种语言有梯形图语句表和功能块图编程语言和SMATICIEC61131-3两种编程模式S7-200的指令功能强易于掌握选用SETP-7MicroWIN V32编程软件S7-200选用CPU224 14输入10输出共24个数字量IO 点可连接7个扩展模块最大扩展至256路数字量IO 点或64路模拟量IO 点13K字节程序和数据存储空间6个独立的30kHz高速计数器4路独立的20kHz高速脉冲输出具有PID控制器DC24V电源CPU的输入电流最大负载是

15、150mA1050mAAC240V电源CPU的输入电流最大负载是40mA160mA2个RS485通讯编程口具有PPI通讯协议MPI通讯协议和自由方式通讯能力IO端子排可很容易地整体拆卸用于较高要求的控制系统具有较多的输入输出点较强的模块扩展能力较快的运行速度和功能较强的内部集成特殊功能可适应于一些复杂的中小型控制系统如下图图2-2 CPU224外观图图3-1 控制面板图第3章 程序设计31 整体要求传送带共有20个工位工件从1号位装入依次经过2号位3号位20号工位在这个过程中工件分别在A操作1B操作2C 操作3三个工位完成三种装配操作经最后一个工位送入仓库按下启动开关SD程序按照DAEBFCG

16、H顺序自动循环执行在任意状态下选择复位按钮程序都返回到初始状态选择移位按钮每按动一次完成一次操作选择单周期按钮顺序执行完一周后自动停止32 主电路图图3-2 主电路图33 程序流程图图3-3 程序流程图34 梯形图 启动按钮按下I00得电单周期按钮按下I03得电中间继电器M101得电时T40得电延com继comcom自锁此时D灯亮工件向右传送 限位开关I10得电时即工件传至A限位继电器M01得电同时定时器T37得电延时中间继电器M01得电定时器T37延时断开中间继电器M12为0时Q00得电并自锁A灯亮A操作开始 T37得电且M11为0时com继comcom自锁此时D灯亮工件向右传送 限位开关I

17、11得电时即工件传至A限位继电器M03得电同时定时器T38得电延时 中间继电器M03得电定时器T38延时断开中间继电器M12为0时Q01得电并自锁 B灯亮B操作开始 T38得电且M11为0时com 继comcom自锁此时E灯亮工件向右传送 限位开关I12得电时即工件传至B限位继电器M05得电同时定时器T39得电延时 中间继电器M05得电定时器T39延时断开中间继电器M12为0时Q02得电并自锁 C灯亮C操作开始 T39得电且M11为0时com 继comcom自锁此时F灯亮工件向右传送 限位开关I13得电时即工件传至C限位继电器M07得电同时定时器T40得电延时 中间继电器M07得电定时器T40

18、延时断开中间继电器M12为0时Q07得电并自锁 H灯亮H操作开始 按下单周期按钮在启动按钮没有按下时M10得电并自锁 按下移位按钮M101为1当在按下时M102为1直到M104为1按此循环 comcomM11得电并自锁 按下复位按钮所有程序回到初始状态显示灯灭工件停止传送操作35 指令表见附录36 PLC的IO接线图图3-4 PLC的IO接线图37 IO地址分配符号 地址 说明 功能 8路数字输入 1 I00 按钮 启动 2 I01 按钮 移位 3 I02 按钮 复位 4 I03 按钮 单周期 5 I10 限位开关 A操作处限位 6 I11 限位开关 B操作处限位 7 I12 限位开关 C操作

19、处限位 8 I13 限位开关 H操作处限位 8路数字输出 1 Q00 A灯 为1时A灯亮A操作5s 2 Q01 B灯 为1时B灯亮B操作5s 3 Q02 C灯 为1时C灯亮C操作5s 4 Q03 D灯 为1时D灯亮 5 Q04 E灯 为1时E灯亮 6 Q05 F灯 为1时F灯亮 7 Q06 G灯 为1时G灯亮 8 Q07 H灯 为1时H灯亮H操作5s 38 简要说明 按下启动按钮D灯亮工件从传送带传动传到A处限位停止A操作开始5s后E灯亮工件继续传送到B处限位停止B操作开始5s后继续传送传送到仓库H操作开始5s后D灯亮工件从传送带传动 如此循环下去 按下移位按钮D灯亮工件从传送带传动传到A处限

20、位停止A操作开始5s后停止再按下移位按钮工件继续传送到B处限位停止B操作开始5s后停止按此规律只要按下移位按钮就会工件传动再进行操作 按下复位按钮所有程序都返回到初始状态 按下单周期按钮D灯亮工件从传送带传动传到A处限位停止A操作开始5s后E灯亮工件继续传送到B处限位停止B操作开始5s后继续传送 传送到仓库H操作开始5s后停止完成一个周期再按下单周期按钮继续完成一个周期第4章 程序的仿真与调试 本次课程设计所采用的仿真软件是s7-200系列的其仿真过程大致如下1利用编程软件编写相关程序并将程序文件导出为供仿真软件使用的格式2打开s7-200仿真软件并调入程序3点击运行按钮将程序切换到运行状态4

21、对应着IO口分配表按部点击输入按钮检查所对应的输岀指示是否正确5如果程序有错误仔细检查排除错误正确则方案可行 由于本程序中移位功能要用到移位寄存器但我用S7-200的仿真软件不能仿真所以在老师的帮助下在学校实验室进行了模拟仿真并取得了成功以下仿真是针对连续单周期复位三种功能的部分情况进行仿真本设计的仿真过程图如下 图4-1 仿真软件界面图 最下一排中数字0至7代表了8个输入端口而最上一行中的数字0至7代表着8个输岀指示偏右上角有着CPU型号CPU224其中主CPU右端的0和1表示该CPU可加扩展模块由于本CPU以满足输入输出端口要求故而无须再加扩展模块来增加输入输出端口的个数如上图所示编程序语

22、言和T形图已经导入了仿真软件等待进行之下的操作图4-2 启动开始状态图 按下启动按钮中间继电器M00为1Q03得电并自锁D灯亮工件在传送带上向右传送图4-3 A操作 当工件右行碰到限位开关I10时Q03为0D灯灭定时器T37得电并延时5sM01为1Q00得电并自锁A灯亮A操作开始5s后T37定时结束Q00为0A灯灭A操作结束图4-4 E灯亮向右传送 T37定时结束后M02为1Q04得电并自锁E灯亮工件在传送带上向右传送图4-5 B操作 当工件右行碰到限位开关I11时Q04为0E灯灭定时器T38得电并延时5sM03为1Q01得电并自锁B灯亮B操作开始5s后T38定时结束Q01为0B 灯灭B操作结

23、束图4-6 F灯亮向右传送 T38定时结束后M04为1Q05得电并自锁F灯亮工件在传送带上向右传送图4-7 C操作 当工件右行碰到限位开关I12时Q05为0F灯灭定时器T39得电并延时5sM05为1Q02得电并自锁C灯亮C操作开始5s后T39定时结束Q02为0C 灯灭C操作结束图4-8 G灯亮向右传送 T39定时结束后M06为1Q06得电并自锁G灯亮工件在传送带上向右传送图4-9 操作 当工件右行碰到限位开关I13时Q06为0G灯灭定时器T40得电并延时5sM07为1Q06得电并自锁H灯亮H操作开始5s后T40定时结束Q06为0H灯灭H操作结束图4-10 G灯亮向右传送 T39定时结束后M06

24、为1Q06得电并自锁G灯亮工件在传送带上向右传送图4-11 复位前状态图 复位前在某一运行状态下如上图Q06为1G灯亮工件向右传送图4-12 复位后状态图复位后所有程序返回初始状态G灯灭工件停止传送本次设计针对的三种操作的仿真都得到了验证证明程序是正确的通过PLC编程的控制实现了各种操作达到了预期目的第5章 结论 本课题是装配流水线PLC控制系统设计通过对流水线动作的连续性以及被控制设备之间的相互关联性针对不同的工作状态进行相应的动作输出从而实现从工件从一号位传送到仓库完成输出的这样一个周期控制工作程序设计以流水线控制系统为中心的从控制系统的硬件软件选用到系统的设计过程包括设计方案设计流程设计

25、要求梯形图设计等旨在对其中的设计和制造过程做简单的介绍和说明由于本次设计是模拟设计故对硬件系统的选型没有做详细的描述主要是对PLC控制的编程做了重要说明程序主要通过定时器限位开关和中间继电器来控制程序运行最终完成了设计本设计还把工作流程分成了四种操作方式即实现连续单周期移动复位四种情况丰富了工艺流程提高了生产效率并仿真调试成功参考文献1齐占庆王com出版社19972王莺 工业可编程序控制器 PLC 的现状与发展趋势 北京联合大学机械工程学院 20093张扬 蔡春伟 孙明建 S7-200PLC原理与应用com4常斗南李全利可编程控制器原理及com5吴中俊黄永红可编程序控制器原理及应用 机械工业出

26、版社20046高钦和可编程控制器应用技术与设计 人民邮电出版社20047何友王国宏等多传感器信息融com8施敏芳可编程控制器在生产流水线控制系统中的应用华侨大学精密机械工程系 20019com程大学出版社200810廖常初S7-200PLC编程及应用 机械工业出版社 200711刘志华发动机装配线的PLC控制株州建设雅马哈摩托车有限公司 200812孙承志徐智张家海吉顺平 西门子S7-200300400PLC基础与应用技术 机械工业出版社200813严盈富 西门子S7-200PLC入门 人民邮电出版社200714美John WWebbRonald AReis Programmable Logi

27、c Controllers Principles and Applications FifthEdition Prentice HallPearson200515美 SBrian Morriss Programmable LogicControllers Prentice HallPearson2006附 录指令表 按下启动和单周期按钮M101为1T40定时结束且M10为0时中间继电器M00为Network1LD I00O I03O M101LD T40AN M10OLD M00Network 2 M00为1com并得电自锁D灯亮工件传送LD M00O Q03AN I10 Q03Network

28、 3 工件传送至A限位I10得电M01得电T37定时开始LD I10 M01TON T37 50Network 4 M01得电T37延时5s断开Q00得电A操作开始LD M01O Q00AN T37 Q00Network 5 T37得电且M11为0时M102为1时M02为1LD T37AN M11O M102 M02Network 6 M02为1com并得电自锁E灯亮工件传送LD M02O Q04AN I11 Q04Network 7 工件传送至B限位I11得电M03得电T38定时开始LD I11 M03TON T38 50Network 8 M03得电T38延时5s断开Q01得电B操作开始L

29、D M03O Q01AN T38 Q01Network 9 T38得电且M11为0时M103为1时M04为1LD T38AN M11O M103 M04Network 10 M04为1com并得电自锁F灯亮工件传送LD M04O Q05AN I12 Q05Network 11 工件传送至C限位I12得电M05得电T39定时开始LD I12 M05TON T39 50Network 12 M05得电T39延时5s断开Q02得电C操作开始LD M05O Q02AN T39 Q02Network 13 T39得电且M11为0时M104为1时M06为1LD T39AN M11O M104 M06Net

30、work 14 M06为1com并得电自锁G灯亮工件传送LD M06O Q06AN I13 Q06Network 15 工件传送至H限位I13得电M07得电T40定时开始LD I13 M07TON T40 50Network 16 M07得电T40延时5s断开Q07得电H操作开始LD M07O Q07AN T40 Q07Network 17 按下单周期按钮在启动按钮没有按下时M10为1并得电自锁LD I03O M10AN I00 M10Network 18 按下移位按钮移位寄存器M101为1再按下时M102为1直到M104为1按此循环LD I01SHRB M100 M101 4Network 19 comcomM11为1并得电自锁LD M101O M102O M103O M104O M11 M11Network 20 按下复位按钮所有程序回到初始状态LD I02R M00 10R M101 4ENDJINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY9