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1、安安徽徽機機電電職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學學院院 畢畢業(yè)業(yè)論論文文 基于 PLC 的自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計 系 部 電氣工程系 專 業(yè) 機電一體化 班 級 機電 3082 班 姓 名 學 號 指導教師 2010 2011 學年 第 一 學期 摘摘 要要 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類社會對產(chǎn)品的功能與質(zhì)量的要求越來越高，產(chǎn)品更 新?lián)Q代的周期越來越短，產(chǎn)品的復雜程度也隨之增高，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)方式受到 了挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅對中小企業(yè)形成了威脅，而且也困擾著國有大中型企業(yè)。 因為，在大批量生產(chǎn)方式中，柔性和生產(chǎn)率是相互矛盾的。眾所周知，只有品 種單一、批量大、設(shè)備專用、工藝穩(wěn)定、效率高，才能構(gòu)成規(guī)模經(jīng)濟效益；

2、反之， 多品種、小批量生產(chǎn)，設(shè)備的專用性低，在加工形式相似的情況下，頻繁的調(diào)整工 夾具，工藝穩(wěn)定難度增大，生產(chǎn)效率勢必受到影響。為了同時提高制造工業(yè)的柔性 和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本， 最終使中小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)抗衡，柔性自動化系統(tǒng)便應運而生。 PLC 是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控 制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置；充分利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過 程進行集中監(jiān)視、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系統(tǒng)和集中控制系 統(tǒng)的優(yōu)點，采用標準化、模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計，配置靈活、組態(tài)方便。本論文主要 是模擬工

3、業(yè)自動生產(chǎn)線通信系統(tǒng)實現(xiàn)以下各站功能。然后利用 Profibus 總線進行八 站通信連接使之成為一條自動生產(chǎn)線控制模擬系統(tǒng)。 關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：PLC、自動生產(chǎn)線、Profibus 通信 目錄目錄 第一章第一章 緒論緒論 1 1 1.1 自動化生產(chǎn)線的介紹及發(fā)展 1 1.2 工業(yè)自動化生產(chǎn)線體系結(jié)構(gòu) 4 第二章第二章 可編程控制器可編程控制器 5 5 2.1 可編程控制器的定義 5 2.2 可編程控制器的發(fā)展概況 5 2.3 可編程控制器的基本組成及特點 6 第三章第三章 自動生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)自動生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 7 7 3.1 工業(yè)自動生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7 3.2 工業(yè)自動生產(chǎn)線

4、單站功能及系統(tǒng)程序設(shè)計 9 3.3 工業(yè)自動生產(chǎn)線通信系統(tǒng)設(shè)計 .20 第四章第四章 論文總結(jié)論文總結(jié) 2222 參考文獻參考文獻 2323 致謝致謝 2424 - 1 - 第一章第一章 緒論緒論 1.11.1 自動化生產(chǎn)線的介紹及發(fā)展自動化生產(chǎn)線的介紹及發(fā)展 1、自動化生產(chǎn)線介紹 自動化生產(chǎn)線是指勞動對象按照一定的工藝路線,順序的通過各個工作地，并按 照統(tǒng)一的生產(chǎn)速度（節(jié)拍）完成工藝作業(yè)的連續(xù)的重復的生產(chǎn)過程。 產(chǎn)品生產(chǎn)過程所經(jīng)過的路線，即從原料進入生產(chǎn)現(xiàn)場開始，經(jīng)過加工、運送、 裝配、檢驗等一系列生產(chǎn)活動所構(gòu)成的路線。自動化生產(chǎn)線是按對象原則組織起來 的，完成產(chǎn)品工藝過程的一種生產(chǎn)組織形式

5、，即按產(chǎn)品專業(yè)化原則，配備生產(chǎn)某種 產(chǎn)品（零、部件）所需要的各種設(shè)備和各工種的工人，負責完成某種產(chǎn)品（零、部 件）的全部制造工作，對相同的勞動對象進行不同工藝的加工。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類社會對產(chǎn)品的功能與質(zhì)量的要求越來越高，產(chǎn)品更 新?lián)Q代的周期越來越短，產(chǎn)品的復雜程度也隨之增高，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)方式受到 了挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅對中小企業(yè)形成了威脅，而且也困擾著國有大中型企業(yè)。因 為，在大批量生產(chǎn)方式中，柔性和生產(chǎn)率是相互矛盾的。眾所周知，只有品種單一、 批量大、設(shè)備專用、工藝穩(wěn)定、效率高，才能構(gòu)成規(guī)模經(jīng)濟效益；反之，多品種、 小批量生產(chǎn)，設(shè)備的專用性低，在加工形式相似的情況下，頻繁的調(diào)整工

6、夾具，工 藝穩(wěn)定難度增大，生產(chǎn)效率勢必受到影響。為了同時提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效 率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本，最終使中 小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)抗衡，柔性自動化系統(tǒng)便應運而生。 2、自動化生產(chǎn)線的基本構(gòu)成 （1）自動加工系統(tǒng) 自動加工系統(tǒng)，指以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，把外形尺寸(形狀不必完全一致)、重量 大致相似，材料相同，工藝相似的零件集中在一臺或數(shù)臺數(shù)控機床或?qū)Ｓ脵C床等設(shè) 備上加工的系統(tǒng)。 （2）物流系統(tǒng) 物流系統(tǒng)，指由多種運輸裝置構(gòu)成，如傳送帶、軌道、轉(zhuǎn)盤以及機械手等，完 成工件、刀具等的供給與傳送的系統(tǒng)，它是柔性生產(chǎn)線的主要組成部分。 （3）信息系統(tǒng) 信息

7、系統(tǒng)，指對加工和運輸過程中所需各種信息收集、處理、反饋，并通過電 子計算機或其他控制裝置(液壓、氣壓裝置等)，對機床或運輸設(shè)備實行分級控制的 系統(tǒng)。 （4）軟件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)，指保證柔性生產(chǎn)線用電子計算機進行有效管理的必不可少的組成部 - 2 - 分。它包括設(shè)計、規(guī)劃、生產(chǎn)控制和系統(tǒng)監(jiān)督等軟件。柔性生產(chǎn)線適合于年產(chǎn)量 1000100,000 件之間的中小批量生產(chǎn)。 3、柔性自動化生產(chǎn)線的優(yōu)點 柔性生產(chǎn)線是一種技術(shù)復雜、高度自動化的系統(tǒng)，它將微電子學、計算機和系 統(tǒng)工程等技術(shù)有機地結(jié)合起來，理想和圓滿地解決了機械制造高自動化與高柔性化 之間的矛盾。具體優(yōu)點如下。 第一，設(shè)備利用率高。一組機床編入

8、柔性生產(chǎn)線后，產(chǎn)量比這組機床在分散單 機作業(yè)時的產(chǎn)量提高數(shù)倍。 第二，在制品減少 80%左右。 第三，生產(chǎn)能力相對穩(wěn)定。自動加工系統(tǒng)由一臺或多臺機床組成，發(fā)生故障時， 有降級運轉(zhuǎn)的能力，物料傳送系統(tǒng)也有自行繞過故障機床的能力。 第四，產(chǎn)品質(zhì)量高。零件在加工過程中，裝卸一次完成，加工精度嵩，加工形 式穩(wěn)定。 第五，運行靈活。有些柔性生產(chǎn)線的檢驗、裝卡和維護工作可在第一班完成， 第二、第三班可在無人照看下正常生產(chǎn)。在理想的柔性生產(chǎn)線中，其監(jiān)控系統(tǒng)還能 處理諸如刀具的磨損調(diào)換、物流的堵塞疏通等運行過程中不可預料的問題。 第六，產(chǎn)品應變能力大。刀具、夾具及物料運輸裝置具有可調(diào)性，且系統(tǒng)平面 布置合理，

9、便于增減設(shè)備，滿足市場需要。 4、自動化生產(chǎn)線發(fā)展趨勢 性能發(fā)展方向： (1)高速高精高效化，速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。由于采用 了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的 交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速 高精高效化已大大提高。 (2)柔性化包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋 面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能 依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地 發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。 (3)工藝復合

10、性和多軸化，以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多 軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次 裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復 合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子 880 系統(tǒng)控制軸數(shù)可達 24 軸。 (4)實時智能化 早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度 任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各 種智能行為。技術(shù)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具 - 3 - 有實時響應的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復雜 的發(fā)展，由

11、此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制 的研究和應用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、 專家控制、控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專 家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的 綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、 速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達到最佳控 制的目的。 功能發(fā)展方向 （1）用戶界面圖形化，用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用 戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計

12、算機軟件 研制中最困難的部分之一。當前 INTERNET、虛擬現(xiàn)實、科學計算可視化及多媒體 等技術(shù)也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使 用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體 動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例 縮放功能的實現(xiàn)。 (2)可視化，科學計算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限 于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術(shù) 與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進一步拓寬了領(lǐng)域，如無圖紙設(shè)計、虛擬樣機技術(shù)等，這 對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品

13、成本具有重要意義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng) 域，可視化技術(shù)可用于 CAD/CAM，如自動編程設(shè)計、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補償和 刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。 (3)插補和補償方式多樣化，多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間 橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2 螺旋插補、NANO 插補、NURBS 插 補(非均勻有理 B 樣條插補)、樣條插補(A、B、C 樣條)、多項式插補等。多種補償 功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補償、與速度 相關(guān)的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償?shù)取?(4)內(nèi)裝高性能 PLC

14、，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能 PLC 控制模塊，可直接用梯形圖或高級語 言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標 準 PLC 用戶程序?qū)嵗?，用戶可在標?PLC 用戶程序基礎(chǔ)上進行編輯修改，從而方 便地建立自己的應用程序。 (5)多媒體技術(shù)應用，多媒體技術(shù)集計算機、聲像和通信技術(shù)于一體，使計算機具有 綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，應用多媒體技術(shù) 可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、 - 4 - 生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應用價值。 1.21.2 工業(yè)自動化生產(chǎn)線體系結(jié)構(gòu)工業(yè)自動化生產(chǎn)線體系結(jié)構(gòu) 1、集

15、成化 采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大規(guī)模可編程集成電路 FPGA、EPLD、CPLD 以及專用集成電路 ASIC 芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和 軟硬件運行速度。應用 FPD 平板顯示技術(shù)，可提高顯示器性能。平板顯示器具有含 量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點，可實現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和 CRT 抗衡的新興顯示技術(shù)，是 21 世紀顯示技術(shù)的主流。應用先進封裝和互連技術(shù)， 將半導體和表面安裝技術(shù)融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數(shù)量 來降低產(chǎn)品價格，改進性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。 2、模塊化 硬件模塊化易于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標準化。根據(jù)不同的功能

16、需求，將基本 模塊，如 CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準 的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù) 控系統(tǒng)。 3、無人化 機床聯(lián)網(wǎng)可進行遠程控制和無人化操作。通過機床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機床上對 其它機床進行編程、設(shè)定、操作、運行，不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床 的屏幕上。 4、通用型開放式閉環(huán)控制模式 采用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴 展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式 是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過 程

17、是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復雜過程，包含諸如加工尺寸、形 狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實現(xiàn)加工過程的多目標 優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實時加工過程中動態(tài)調(diào)整加工過程變量。 加工過程中采用開放式通用型實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計算機實時智能 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及 動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系， 從而實現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。 - 5 - 第二章第二章 可編程控制器可編程控制器 2.12.1 可編程控制器的定義可編程控制器的定義 PLC 即可編

18、程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機技術(shù)為基 礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義： PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采 用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計 數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類 型的機械或生產(chǎn)過程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成 一個整體，易于擴展其功能的原

19、則而設(shè)計。 定義強調(diào)了可編程控制控制器是“數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)”，是一種計算機。 它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計”的工業(yè)計算機，是一種用程序來改變控制功能 的工業(yè)控制計算機，除了能完成各種各樣的控制功能外，還有與其他計算機通信聯(lián) 網(wǎng)的功能。 這種工業(yè)計算機采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運算、 順序控制、定時計數(shù)和算術(shù)操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸出輸入控制”的能力， 并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴充”。 可編程控制器能直接應用于工業(yè)環(huán)境，它需具有很強的抗干擾能力、廣泛的適 應能力和應用范圍。 2.22.2 可編程控制器的發(fā)展概況可編程控制器的發(fā)展概況

20、 隨著計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器的應用已廣泛普及，成為自動 化技術(shù)的重要組成部分?？删幊炭刂破髯钕瘸霈F(xiàn)在美國，1968 年，美國的通用汽車 公司（GM）提出了研制一種新型控制器的要求，并從用戶的角度提出新一代控制器 應具備以下十大條件： (1)編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序。 (2)維護方便，最好是插件式。 (3)可靠性高于繼電器控制柜。 (4)體積小于繼電器控制柜。 (5)可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機。 (6)在成本上可與繼電器控制柜競爭。 - 6 - (7)輸入可以是交流 115V（即用美國的電網(wǎng)電壓） 。 (8)輸出為交流 115V、2A 以上，能直接驅(qū)動電磁閥。 (9)在擴展時，

21、原有系統(tǒng)只需要很小的變更。 (10) 用戶程序存儲器容量至少能擴展到 4KB。 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了世界上第一臺可編程序控制器， 并應用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上，當時叫可編程邏輯控制器 PLC，目的是用來取 代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。 特別是進入 20 世紀 80 年代以來，PLC 已廣泛地使用 16 位甚至 32 位微處理器 作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的 集成電路。這時的 PLC 還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID 調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。PLC 是微機 技術(shù)和傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其基

22、本設(shè)計思想是把計算機功 能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等 優(yōu)點結(jié)合起來。 2.32.3 可編程控制器的基本組成及特點可編程控制器的基本組成及特點 可編程控制器主要由 CPU、存儲器、基本 I/O 接口電路、外設(shè)接口、編程裝置、 電源等組成。可編程控制器的特點： 1.可靠性高，抗干擾能力強 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路 采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無 故障工作時間則更長。故障也就大大降低。此外，PLC 帶有硬件故障自我檢測功能， 出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。

23、這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 2編程簡單，使用方便。 梯形圖是用得最多的可編程序控制器的編程語言，其符號與繼電器電路原理圖 相似。梯形圖語言形象直觀，易學易懂。 3控制靈活，程序可變，具有很好的柔性。 產(chǎn)品采用模塊化形式，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈 活地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。硬件配置確定后，可通過修 改用戶程序，不用改變硬件，方便快速適應工藝條件的變化，具有很好的柔性。 4功能強，擴充方便，性價比高。 有很強的邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理、PID 調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能，可以實現(xiàn)非常復雜 的控制功能。擴充非常方便。 5系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護

24、方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng) - 7 - 設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。 6體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功 耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。 第三章第三章 自動生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)自動生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 3.13.1 工業(yè)自動生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)自動生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 工業(yè)自動化生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)，是為高職學院學生提高動手能力和實踐技能而設(shè) 計的一套實用性實訓設(shè)備。該裝置由八套各自獨立而又緊密相連

25、的工作站和一套監(jiān) 控站組成。這八站分別為：上料檢測站、搬運站、加工站、搬運分揀站、傳送站、 安裝站、安裝搬運站和分類站。 該實訓裝置的一大顯著特點是：具有較好的柔性，即每站各有一套 PLC 控制系 統(tǒng)獨立控制。將八個模塊分開培訓可以容納較多的學員同時學習。在基本單元模塊 培訓完成以后，通過組建 PLC 網(wǎng)絡(luò)，又可以將相鄰的兩站、三站直至八站連在 一起，學習復雜系統(tǒng)的控制、編程、裝配和調(diào)試技術(shù)。 該系統(tǒng)囊括了機電一體化等專業(yè)學習中所涉及的諸如電機驅(qū)動、氣動、PLC（可 編程控制器） 、傳感器等多種技術(shù)，給學生提供了一個典型的綜合操作平臺，使學生 將學過的各門專業(yè)知識在這里得到全面認識、綜合訓練和

26、相互提升。 1.系統(tǒng)個硬件結(jié)構(gòu) （1）上料檢測站 由料斗、回轉(zhuǎn)臺、工件滑道、提升裝置、檢測工件和顏色的光電開關(guān)、開關(guān)電 源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、直流減速電機、電磁閥及 SMC 氣缸組成， 主要完成回傳上料臺將工件依次送到檢測工位，提升裝置將工件提升并檢測工件顏 色。 （2）搬運站 由機械手、氣爪、回轉(zhuǎn)臺、電感式傳感器、開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、 I/O 接口板、多種類型電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完成將工件從上站搬至下一站。 （3）加工站 由回轉(zhuǎn)工作臺、打孔電機組件、檢測缸組件、檢測工件轉(zhuǎn)臺到位傳感器、開關(guān) 電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、直流減速電機、

27、多種類型電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完成用回轉(zhuǎn)工作臺將工件在四個工位間轉(zhuǎn)換，鉆孔單元打孔，檢測 打孔深度。 （4）搬運分揀站 - 8 - 由機械手、氣爪、電感式傳感器、開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接 口板、多種類型電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完成在加工后的物料送到指定位置， 分揀站的機械手開始左右移動分揀搬運物料，將合格物料搬運至傳送站，其基本原 理類同于搬運站。其分揀是通過傳感器 IB2 來控制的。 （5）傳送站 由交流電動機、變頻器、傳送帶、電感式傳感器、開關(guān)電源、可編程序控制器、 按鈕、I/O 接口板、 ，主要完成當分揀站將合格物料送至傳送站傳送帶上，此時光電 傳感器

28、 B1 檢測到信號，PLC 驅(qū)動變頻器，使電機轉(zhuǎn)動，運送物料；當物料到達指定 位置時，此時光電傳感器 B2 檢測到信號，PLC 驅(qū)動變頻器，使電機停止轉(zhuǎn)動。 （6）安裝站 由吸盤機械手、上下?lián)u臂部件、料倉換位部件、工件推出部件、真空發(fā)生器、 開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、I/O 接口板、多種類型電磁閥及 SMC 氣缸組成， 主要完成選擇要安裝工件的料倉，將工件從料倉中推出，將工件安裝到位。 （7）安裝搬運站 由平移工作臺、回轉(zhuǎn)工作臺、塔吊臂、機械手、氣爪、開關(guān)電源、可編程序控 制器、按鈕、I/O 接口板、多種類型電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完成將上站工件 拿起放入安裝工位，將裝好工件拿起

29、放下一站。 （8）分類站 由滾珠絲杠、滑杠推出部件、分類料倉、開關(guān)電源、可編程序控制器、按鈕、 I/O 接口板、步進電機及驅(qū)動器、直流減速電機、電磁閥及 SMC 氣缸組成，主要完 成按工件類型分類，將工件推入不同的倉位。 2.控制技術(shù) 1.該柔性自動化生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)每一站都有一套獨立的控制系統(tǒng)，因此，該系 統(tǒng)可拆分開來學習，以保證初學者容易入門和足夠的學習工位，而將各站聯(lián)在一起 集成為系統(tǒng)后，能為學員提供一個學習復雜和大型控制系統(tǒng)的學習平臺，該系統(tǒng)可 用不同廠商所提供的控制器進行控制。 2.各站與 PLC 之間由一個標準電纜進行連接，通過這個電纜可連接 8 個傳感器 信號和 8 個輸出控制信號

30、。通過該電纜各站的傳感器和輸出控制器可得到 24V 電壓。 3.各站都可通過一塊控制面板來控制 PLC 使各站按要求進行工作，一個控制面 板上有 5 個按鈕開關(guān)，二個選擇開關(guān)和一個急停開關(guān)。各開關(guān)的控制功能定義如表 3-1 所示。 表 3-1 開關(guān)的控制功能 - 9 - 序號序號項目項目說明說明序號序號項目項目說明說明 1.帶燈按鈕，綠色開始5.兩位旋鈕，黑色單站/聯(lián)網(wǎng) 2.帶燈按鈕，黃色復位6.按鈕，紅色停止 3.按鈕，黃色調(diào)試按鈕7.帶燈按鈕，綠色上電 4.兩位旋鈕，黑色手動/自動8.急停按鈕，紅色急停 3.工作過程 圖 3-1 給出了系統(tǒng)中工件從一站到另一站的物流傳遞過程：上料檢測站將大

31、工 件按順序排好后提升送出。搬運站將大工件從上料檢測站搬至加工站。加工站將大 工件加工后送出工位。搬運分揀站是將加工好的工件搬運同時分揀次品和正品。傳 送站是將工件傳送到下一站。安裝搬運站將大工件搬至安裝工位放下。安裝站再將 對應的小工件裝入大工件中。而后，安裝搬運站再將安裝好的工件送分類站，分類 站再將工件送入相應的料倉。 圖 3-1系統(tǒng)工作流程圖 3.23.2 工業(yè)自動生產(chǎn)線單站功能及系統(tǒng)程序設(shè)計工業(yè)自動生產(chǎn)線單站功能及系統(tǒng)程序設(shè)計 一、上料檢查站 1、上料檢測站 設(shè)計實現(xiàn)的功能 下上電按鈕，上電燈亮，復位燈閃爍 下復位按鈕，復位燈滅，氣缸下降，開始等閃爍 下開始按鈕，電機轉(zhuǎn)，送物料 料至

32、升降臺，觸動貨臺光電傳感器，氣缸通電上升，直至觸動傳感器的氣缸 上眼，升降臺停 - 10 - 物料被運走，氣缸失電下降到下限位停止 降臺下限位傳感器在 10S 后沒有檢測到物體，報警燈亮，報警鳴聲 下急停按鈕，系統(tǒng)停止，再次從 1 步驟開始 2、上料檢查站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-2 所示。 圖 3-2 上料檢查站設(shè)計的系統(tǒng)程序 3、上料檢查站系統(tǒng)硬件接線圖如圖 3-3 所示。 - 11 - 圖 3-3 上料檢查站系統(tǒng)硬件接線圖 二、工件搬運站 1、工件搬運站設(shè)計實現(xiàn)的功能 按下上電按鈕，上電燈亮，復位燈閃爍（f=1s） 。 按下復位按鈕，機械手放松，上升臂縮回，機械手左旋，開始燈閃爍，復位 燈

33、滅。 按下開始按鈕，調(diào)試按鈕，手臂出，機械手下降，夾緊物體，手臂上升再縮 回，手臂右旋。 手臂伸出，下降，機械手放松，再上升，手臂縮回，再左旋。 2、工件搬運站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-4 所示。 - 12 - 圖 3-4 工件搬運站設(shè)計的系統(tǒng)程序 3、工件搬運站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-5 所示。 圖 3-5 工件搬運站系統(tǒng)硬件接線 三、工件加工站 1、工件加工站設(shè)計實現(xiàn)的功能 下上電按鈕，上電燈亮，復位燈閃爍（f=1s） 下復位按鈕，工作臺旋轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位（輔助加工，模擬加工臺和加 工推臺回到初始位置）開始燈閃爍（f=1s） - 13 - 下開始按鈕，傳感器檢測到工件，旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位

34、后，模擬加工臺， 輔助加工臺，加工推動臺的電磁閥動作，Q0.2、 Q0.3、Q0.4 燈亮，模擬加工臺， 輔助加工臺下降到下限位，加工推動臺前移到前限位后停止，鉆頭旋轉(zhuǎn)電機動作開 始加工工件，即 Q0.1 亮，加工好后(幾秒后)，模擬加工臺，加工推動器，后移 到后限位 下急停按鈕，系統(tǒng)停止，再次上電以 1 步驟，開始運行。 2、工件加工站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-6 所示。 圖 3-6 工件加工站設(shè)計的系統(tǒng)程序 3、工件加工站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-7 所示。 - 14 - 圖 3-7 工件加工站系統(tǒng)硬件接線 四、搬運分揀站 1、搬運分揀站設(shè)計實現(xiàn)的功能 下上電按鈕，上電燈亮，復位燈閃爍（f=1s

35、） 下復位按鈕，復位燈滅，開始燈閃爍 下開始按鈕，機械手下降，夾緊物體，機械手上升 a 如果物品是正品，則氣夾右移到右限位下降，氣夾張開，放下物品，然后上 升到上限位，右移，右限位。 b 如果物品是次品，則機械手右移到中間限位然后下降，氣夾張開，物品掉下， 然后氣夾上升，上升到位后右移到位，氣缸把次品推出到次品筐 - 15 - 2、搬運分揀站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-8 所示。 圖 3-8 搬運分揀站設(shè)計的系統(tǒng)程序 圖 3-8 搬運分揀站設(shè)計的系統(tǒng)程序 3、搬運分揀站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-9 所示。 - 16 - 圖 3-9 搬運分揀站系統(tǒng)硬件接線 五、運輸傳送站 1、運輸傳送站設(shè)計實現(xiàn)的功能

36、按下上電按扭，復位燈閃爍，按下復位按扭，復位動作，開始燈閃爍，按下開 始按鈕，電機正轉(zhuǎn)，電機停止（循環(huán)往復動作，出現(xiàn)故障，應按下急停按鈕，使 PLC 停止工作） 2、運輸傳送站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-10 所示。 圖 3-10 運輸傳送站設(shè)計的系統(tǒng)程序 3、運輸傳送站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-11 所示。 - 17 - 圖 3-11 運輸傳送站系統(tǒng)硬件接線 六、安裝站 1、安裝站設(shè)計實現(xiàn)的功能 下上電按鈕，上電成功，復位燈閃爍，按下復位按鈕，執(zhí)行復位動作，使手 臂上升到位，并回到初始位置。 下開始按鈕，按照程序的動作流程依次完成氣夾的下降，上升，手臂的右轉(zhuǎn) 到中間位置再下降，手臂回到左限位，并完成

37、各汽缸的動作過程 2、安裝站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-12 所示。 - 18 - 圖 3-12 安裝站設(shè)計的系統(tǒng)程序 3、安裝站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-13 所示。 圖 3-13 安裝站系統(tǒng)硬件接線 - 19 - 七、安裝搬運站 1、安裝搬運站設(shè)計實現(xiàn)的功能 按下上電按鈕，復位燈閃爍，按下復位按鈕，復位燈動作，開始燈閃爍，按下 開始按鈕，手臂打出，氣缸推出，手臂打回，手臂縮回，吸盤吸和，物料桶移出， 手臂打出，吸盤停止吸氣，手臂打回 第八站 網(wǎng)聯(lián) 2、安裝搬運站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-14 所示。 圖 3-14 安裝搬運站設(shè)計的系統(tǒng)程序 - 20 - 3、搬運安裝站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-15 所示

38、。 圖 3-15 搬運安裝站系統(tǒng)硬件接線 八、分類站 1、分類站設(shè)計實現(xiàn)的功能 按工件類型分類，將工件推入不同的倉位 2、分類站設(shè)計的系統(tǒng)程序如圖 3-16 所示。 圖 3-16 分類站設(shè)計的系統(tǒng)程序 - 21 - 3.分類站系統(tǒng)硬件接線如圖 3-17 所示 圖 3-17 分類站系統(tǒng)硬件接線 3.33.3 工業(yè)自動生產(chǎn)線通信系統(tǒng)設(shè)計工業(yè)自動生產(chǎn)線通信系統(tǒng)設(shè)計 Profibus-DP（Decentralized Periphery,分布式外圍設(shè)備） ，在 Profibus 現(xiàn) 場總線中，Profibus-DP 的應用最廣。Profibus-DP 協(xié)議主要用于 PLC 與分布式 I/O 和現(xiàn)場設(shè)備

39、的高速數(shù)據(jù)傳輸。典型的 DP 配置是單主站結(jié)構(gòu)，也可以是多主站結(jié)構(gòu)。 Profibus-DP 使用第一層、第二層和用戶接口層，這種精簡的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高 速傳輸。它的基本功能如下： 1、總線存取方法 各主站間為令牌傳送，主站與從站間為主-從循環(huán)傳送，支持單主站或多主站系 統(tǒng)，總線上最多 126 個站?？梢圆捎命c對點用戶數(shù)據(jù)通信、廣播（控制指令）方式 和循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)通信。 2、循環(huán)數(shù)據(jù)交換 DP-V0 可以實現(xiàn)中央控制器（PLC,PC 或過程控制系統(tǒng)）與分布式現(xiàn)場設(shè)備（從 站，例如 I/O、閥門、變送器和分析儀等）之間的快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，主站發(fā)出請 求報文，從站收到后返回響應報文。這種循

40、環(huán)數(shù)據(jù)交換是在被稱為 MS0 的連接上進 行的。 3、診斷功能 經(jīng)過擴展的 PROFIBUS-DP 診斷，能對站級、模塊級、通道級這 3 個故障進行診 斷和快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。 本站診斷操作：對本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)的診斷，例如溫度過高，壓力過低。 - 22 - 模塊診斷操作：對站點內(nèi)部某個具體的 I/O 模塊的故障定位。 通道診斷操作：對某個輸入/輸出通道的故障定位。 4、保護功能 所有信息的傳輸按海明距離 HD=4 進行。對 DP 從站的輸出進行存取保護，DP 主 站用監(jiān)控定時器監(jiān)視與從站的通信，對每個從站都有獨立的監(jiān)控定時器。在規(guī)定的 監(jiān)視時間間隔內(nèi)，如果沒有執(zhí)行

41、用戶數(shù)據(jù)傳送，將會使監(jiān)控定時器超時，通知用戶 程序進行處理。如果參數(shù)“Auto_Clear”為 1，DPM1 將退出運行模式，并將所有有 關(guān)的從站的輸出置于故障安全狀態(tài)，然后進入清除（Clear）狀態(tài)。 DP 從站用看門狗（Watchdog Timer，監(jiān)控定時器）檢測與主站的數(shù)據(jù)傳輸，如 果在設(shè)置的時間內(nèi)沒有完成數(shù)據(jù)通信，從站自動地將輸出切換到故障安全狀態(tài)。 在多主站系統(tǒng)中，從站輸出操作的訪問保護是必要的。這樣可以保證只有授權(quán) 的主站才能直接訪問。其他從站可以讀它們的輸入的映像，但是不能直接訪問。 5、通過網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)功能與控制功能 通過網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)下列功能：動態(tài)激活或關(guān)閉 DP 從站，對 D

42、P 主站（DPM1）進 行配置，可以設(shè)置站點的數(shù)目、DP 從站的地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)的格式、診斷報文 的格式等，以及檢查 DP 從站的組態(tài)?？刂泼羁梢酝瑫r發(fā)送給所有的從站或部分從 站。 6、同步與鎖定功能 主站可以發(fā)送命令給一個從站或同時發(fā)送給一組從站。接收到主站的同步命令 后，從站進入同步模式。這些從站的輸出被鎖定在當前狀態(tài)。在這之后的用戶數(shù)據(jù) 傳輸中，輸出數(shù)據(jù)存儲在從站，但是它的輸出狀態(tài)保持不變。同步模式用 “UNSYNC”命令來解除。 7、DPM1 和 DP 從站之間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸 DPM1 與有關(guān) DP 從站之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸是由 DPM1 按照確定的遞歸順序自動進 行的。在對總線系

43、統(tǒng)進行組態(tài)時，用戶定義 DP 從站與 DPM1 的關(guān)系，確定哪些 DP 從 站被納入信息交換的循環(huán)。 DMP1 和 DP 從站之間的數(shù)據(jù)傳送分為 3 個階段：參數(shù)化、組態(tài)和數(shù)據(jù)交換。在 前兩個階段進行檢查，每個從站將自己的實際組態(tài)數(shù)據(jù)與從 DPM1 接收到的組態(tài)數(shù)據(jù) 進行比較。設(shè)備類型、格式、信息長度與輸入/輸出的個數(shù)都應一致，以防止由于組 態(tài)過程中的錯誤造成系統(tǒng)的檢查錯誤。 只有系統(tǒng)檢查通過后，DP 從站才進入用戶數(shù)據(jù)傳輸階段。在自動進行用戶數(shù)據(jù) 傳輸?shù)耐瑫r，也可以根據(jù)用戶的需要向 DP 從站發(fā)送用戶定義的參數(shù)。 8、DPM1 和系統(tǒng)組態(tài)設(shè)備間的循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸 PROFIBUS-DP 允許主站

44、之間的數(shù)據(jù)交換，即 DPM1 和 DPM2 之間的數(shù)據(jù)交換。該 - 23 - 功能使組態(tài)和診斷設(shè)備通過總線對系統(tǒng)進行組態(tài)，改變 DPM1 的操作方式，動態(tài)地允 許或禁止 DPM1 與某些從站之間交換數(shù)據(jù)。 第四章第四章 論文總結(jié)論文總結(jié) 經(jīng)過這次畢業(yè)論文寫作，我對方法做了歸納，之前我習慣用功能流程寫程序， 遇到難點的時候習慣翻書，對照例子提取點精華?，F(xiàn)在能靈活運用經(jīng)驗設(shè)計法、電 氣原理圖設(shè)計法、順序控制設(shè)計法。特別對順序控制設(shè)計有了一定的了解。 這里面我認最經(jīng)典的是單序列的編程方法、選擇序列的編程方法和并行序列的 編程方法這個三個是很值得研究的，也是一種格式。只要你能熟悉掌握，靈活應用 的話，

45、那么編程對你來說將變的非常容易。一個流程圖無論多么復雜，都可以拆分 上面的形式，然后就可以利用上面的方法編程了。 當然對于簡單的流程也可以用順序設(shè)計。這種方法也是一種固定的格式，只要 按照它的格式就可以寫出正確的程序，它的優(yōu)點易懂，條理清晰。但結(jié)構(gòu)多，對于 活動步多的設(shè)計我想用這個設(shè)計比較煩瑣。 更加體會到 PLC 的可靠性高、抗干擾能力強、通用性強、控制程序可變、使用 方便等優(yōu)點。更加熟悉了西門子編程軟件使用方法與各種基本指令。這次的論文設(shè) 計使我把可編程控制器的理論知識用在實踐中，實現(xiàn)了理論和實踐相結(jié)合，從中懂 得理論是實踐的基礎(chǔ)，實踐又能檢驗理論的正確性，讓我受益非淺， 對我以后工作 中

46、遇到問題或者繼續(xù)學習將會產(chǎn)生巨大的幫助和影響。 - 24 - 參考文獻參考文獻 1廖常初.西門子工業(yè)自動化系列教材(S7300/400 應用教程) .機械工業(yè)出版社.2008 2張進秋.可編程控制器原理及應用實例.機械工業(yè)出版社.2004 3萬學春.生產(chǎn)線組裝與調(diào)試實訓教程.中國電力出版社.2010 4戚長政.自動機與生產(chǎn)線.科學出版社.2007 5蘇家健,許晉仙.電氣控制與 PLC 實訓.西安電子科技大學出版社.2009 6 廖常初.工業(yè)通信組態(tài)編程與故障診斷.機械工業(yè)出版社.2009 7 羅紅福.PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線工程應用實例解析.中國電力出版社.2008 - 25 - 致謝

47、致謝 非常感謝趙光藝老師在我大學的最后學習階段畢業(yè)論文階段給我的指導， 在本論文的寫作過程中，我的導師趙光藝老師傾注了大量的心血，從最初的定題， 到資料的收集、寫作、修改，一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴格把關(guān)，循 循善誘直至論文定稿，他給了我耐心的指導和無私的幫助。為了指導我的畢業(yè)論文， 他放棄了自己的休息時間，他的這種無私奉獻的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向他表 示我誠摯的謝意！ 同時，感謝所有任課老師和所有同學在這三年來給我的指導和幫助，是他們教 會了我專業(yè)知識，教會了我如何學習，教會了我如何做人。在這三年的時間里，我 在學習上和思想上都受益匪淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學和朋友的關(guān) 心、支持是分不開的，我才能在各方面取得顯著的進步。 畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在安徽機電職業(yè)技術(shù)學院的三年的學習生活 既將結(jié)束?；厥准韧?，自己一生最寶貴的時光能于這樣的校園之中，能在眾多學富 五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實是榮幸之極。在此向他們表示我由衷的 謝意！并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下！ - 26 - 指導教師評語指導教師評語 等級等級簽名簽名日期日期