MPS供料单元版.docx
《MPS供料单元版.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MPS供料单元版.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
MPS供料单元版
设备故障诊断与维修
基于PLC控制的MPS供料单元系统设计
综合实训
姓名
学号
班级
院系
组号
指导老师
第一章任务描述
1.1实训意义
MPS是FESTO公司结合现代工业特点开发研制的模拟自动化生产过程，集机械，电子，通讯为一体高度集成的机电一体化教学装置，这套装置的设计目的旨在培养能够综合应用自动化领域相关知识的专业技术人才，将给授训者提供一个很好的锻炼平台以更好的理解和掌握自动化领域的相关专业知识。
具体可使受训者从下列几个方面得到提高：
一、对气动自动化的学习
本设计拟采用气动自动化控制技术作为MPS执行机构的控制方案，所以要求受训者要重视和加强对气动自动化控制技术相关知识的学习。
二、对PLC知识的学习
由于本设计下位控制器拟采用PLC控制，所以要求受训者学习PLC相关知识，包括PLC的选型、编程、调试等，所以将使受训者在PLC方面得到提高。
三、对自动化技术新的认识
本设计还将用到传感器、执行器等知识。
通过这个设计过程，必将使我们对自动化控制技术有一个总体的把握和全新的认识，对我们以后的学习和工作具有重要帮助。
1.2任务
以STEP7为开发平台，设计一个PLC控制系统，使其能够对MPS供料单元进行实时动态控制，以保证完成相应的工艺要求。
1、MPS中供料单元的生产工艺过程简介；
2、硬件组态，网络连接与配置；
3、根据工艺要求画出程序流程框图；
4、编写控制程序并加上必要的注释；
5、设计说明书（包括：
封面、目录、任务书、供料单元工艺简介、硬件组态、网络连接与配置、程序流程框图、程序清单、总结体会、参考文献等），全文要求逻辑严密、条理清晰，文字流畅，理论联系实际，符合科技写作规。
1.3任务实施
任务要求：
1、熟悉MPS工艺流程，查阅相关科技文献，掌握控制、检测、通讯等技术要求；
2、完成MPS供料单元相关工艺流程所要求的顺序动作；
3、进行系统调试；
4、撰写实验训练说明书。
任务进度安排：
第一周：
星期一讨论设计题目
星期二至星期五了解工艺过程，学习相关软件
硬件组态、网络连接与配置
第二周：
星期一至星期三绘制程序流程图、编写控制程序
星期四系统调试
星期五撰写说明书
第二章调研
2.1国外概况
国外情况
国外自动化技术的发展趋势是系统化、柔性化、集成化和智能化。
自动化技术不断提高光电子、自动化控制系统、传统制造等行业的技术水平和市场竞争力，它与光电子、计算机、信息技术的融合和创新，不断创造和形成新的行业经济增长点，同时不断提供新的行业发展的管理战略哲理。
如并行工程（CE）、敏捷制造（AM）等。
数控技术于模块化、网络化、多媒体和智能化；CAD/CAM系统面向产品的整个生命周期；自动控制容发展到对产品质量的在线监测与控制，设备运行状态的动态监测、诊断和事故处理、生产状态的监控和设备之间的协调控制与连锁保护，以及厂级管理决策与控制等；系统网络普遍以通用计算机网络为基础；自动化控制产品正向着成套化、系列化、多品种方向发展；以自动控制技术、数据通信技术、图象显示技术为一体的综合性系统装置成为国外工业过程控制的主导产品，现场总线成为自动化控制技术发展的第一热点；可编程控制器（PLC）与工业控制系统（DCS）的实现功能越来越接近，价格也逐步接近，国外自动控制与仪器仪表领域的前沿厂商已推出了类似PCS（ProcessControlSystem）的产品。
世界自动化产业发展势头迅猛。
传感器技术、开放式工业过程自动化系统、现场总线技术等自动化技术已形成一定的产业规模，其中90年代传感器在美国、日本的市场总销售额已超过100亿美元。
国情况
随着工业信息化深入发展，我国的工业自动化产业进入由模仿向自主创新、由中国制造向中国创造的转换进程。
自“十五”计划起，我国开启两化融合进程以来，工业自动化行业进入了高速发展的通道。
由于工业自动化技术在提高生产安全性、提高生产效率、提高产品质量以及降低能源消耗方面具有明显的作用，是传统工业向现代工业转变的重要手段；同时，工业自动化是多门电子技术和信息技术为一体的综合性技术，其产业规模的扩大有助于带动电子、通信、仪器仪表、光学、声学等多产业的快速发展，进而实现整个工业结构和经济结构的调整。
在当下全球制造业开启“工业4.0”进程的时候，我国亦提出了“工业2025”计划，工业自动化行业将在中国制造业的未来发展起到举足轻重的作用，未来仍将保持较快的发展速度。
工业自动化是为我国国民经济各行业提供自动化、信息化、智能化控制系统和技术装备的战略性产业，产业关联度高、吸纳就业能力强、技术资金密集，是各行业产业升级、技术进步的重要保障和国家综合实力的集中体现。
由于劳动力成本的增加、生产效率及产品质量要求的提高、生产方式向精益化的转变所引起的制造业产业升级和自动化程度的提高都将推动工业自动化市场的增长。
工业自动化产品主要指应用在污水处理、汽车制造、矿山开采、物流仓储、工程机械等领域的自动化检测、定位、报警、控制系统及相关仪器仪表设备。
MPS又称模块化生产加工系统，是FESTO公司结合现代工业特点开发研制的一套集机械，电子，通讯为一体的高度集成的机电一体化教学装置。
MPS由供料单元﹑检测单元﹑加工单元﹑Robot单元﹑成品分装单元等五个工作站组成，具有综合性﹑模块化及易扩充等特点，可由基础部分的简单功能及加工顺序逐步扩展到复杂的集成控制系统。
各个单元完成不同的功能，其中供料单元主要完成工件供给工作，检测单元主要对工件进行检测并将合格工件输送到加工单元；在加工单元,主要对工件打磨、钻孔等。
最后，在Robot单元将加工后的工件输送到存储单元，存储单元则根据产品的颜色、材质进行分类存储。
这5个单元分别由5台PLC控制,各单元执行组件的动作信息均来自于传感器,用PLC控制这些传感器信号就可以控制各单元的动作。
2.2调研结论
我国工业自动化行业的发展起步以引进成套设备开始，同时进行消化吸收、二次开发和应用。
目前我国工业自动化技术、产业和应用都有了很大发展，工业自动化技术正向智能化、网络化和集成化方向发展。
近年来，随着我国工业自动化市场发展不断加快，工业自动化控制的需求水平大幅上涨。
与国际发达国家相比，我国工业自动化控制技术的使用程度和技术发展水平仍存在不同程度的差距。
从市场的角度来看，该行业的尖端技术和设备均被国外大型公司所掌控。
目前国从事自动化应用的企业所拥有的技术仍处于中级水平，但是国企业正在逐步依靠价格、地域等自身优势获取更多的市场份额。
根据我国“十二五”规划，“十二五”期间我国经济增长将继续保持较高的增长速度。
水处理、汽车及矿山工业等行业将是新的增长动力，这些行业将担负起对工业自动化整体解决方案的需求。
国经济发展带来良好机遇的同时预示着我国工业自动化行业良好的发展前景。
我国工业自动化行业正处于成长期，符合当前升级转型的趋势，发展前景广阔。
工业自动化行业技术含量高，通常集电气控制系统、传感器系统、机械系统、信息管理系统及网络系统等多种技术于一体，具有很高的生产效率和可靠的质量保证措施，对于减少生产过程对人工的依赖与提高生产自动化程度具有重要作用，从而被广泛应用于污水处理、汽车制造、矿山开采、物流仓储、工程机械等多个领域，与全国整体经济发展状况的关联度较大。
长期以来，受惠于新建及技术改造项目与基础设施建设不断增加，行业总体规模一直保持持续稳步增长。
第三章方案设计
3.1机械结构方案
（1）供料单元的功能
供料单元是MPS中的起始单元，在整个系统中，起着向其他工作单元提供原料的作用，相当于实际生产加工系统中的自动上料系统。
他的具体功能是：
按照需要的将放置在料仓中的代加工工件自动的取出，并将其传送到下一个工作单元——检测单元
（2）供料单元的结构组成
供料单元的结构组成如图3-1-1所示。
其主要由I\O接线端口、真空发生器、真空检测传感器、对射式光电传感器、磁感应式接近开关、CPV阀组、消声器、气源处理组件、进料模
块、转运模块、走线槽、铝合金板等组成。
其中最核心部件为进料模块和转运模块。
图3-1-1
①进料模块
如图3-1-2所示。
该模块用于存储工件原料，并在需要时讲料仓中的工件分离出来，为转运模块做准备。
该模块名由料仓、退料杆，双作用气缸、对射式光电传感器组成。
推料杆固定在气缸活塞杆上，有推料缸带动它工作，其作用是将料仓中最底部的工件推到机械极限位置，该位置是准运模块的工作位置。
推料缸的推出和缩回速度由单向节流阀控制调节
图3-1-2
②转运模块
转运模块是一个气动提取装置，结构如图3-1-3所示。
主要功能是抓取工件，并转送的下一个工作单元。
由摆动气缸、摆臂、真空吸盘、真空压力检测传感器、真空吸盘方向保持装置和行程开关组成。
图3-1-3
3.3电气方案
常规继电控制就是利用继电器、电磁阀、空气开关、行程开关等一些传统的工业控制器件来实现对工矿企业设备的控制。
这种控制方法所用器件多，设备庞大，控制逻复杂，系统延时性大，稳定性差，不易集中管理。
所以适合于那些控制逻辑简单，被控对象少，对稳定性要求不是很高的控制系统。
3.2气动方案
气动控制系统是该系统的执行机构，该执行机构的控制逻辑功能是有plc控制实现的。
图中左边为推料缸，其中安装有两个磁感应式接近开关，用他们发出的开关量信号可以判断气缸活塞的两个极限工作位置；中间的是争控发生器，工作时实现吸取工件的动作，连接有真空检测传感器，吸住工件后，传感器动作，可以以此来判断是否吸住了工件；左边的是摆动气缸，是转运模块的重要单元吗，分别在左右限位装有行程开关；与气缸连接的还有单向可调节节流阀，分别用于控制调节推料缸，摆动气缸的运动速度，真空发生器排气量的大小，图中三个电磁阀集成在一个CPV阀组上。
3.4控制方案
1.在启动前，供料单元的执行机构若不在初始位置、料仓中若无工件，则不允许启动。
其初始位置为推料缸伸出；摆动缸处于“料仓”位置；真空发生器关闭。
2.按下启动按钮后，系统按如下工作顺序动作。
（1）如果料仓中有工件，按下START按钮后，启动按钮指示灯灭，摆动缸转换到“下一站”位置。
（2）推料缸缩回，工件从料仓推出。
（3）摆动缸转换到“料仓”位置。
（4）真空启动，摆动模块的真空吸盘吸起工件。
（5）推料缸伸出，工件落下。
（6）摆动缸转换到“下一站”位置。
（7）真空关闭，真空吸盘吹气工件掉落。
（8）摆动缸转换到“料仓”位置。
3.按下停止按钮，复位按钮指示灯亮，供料单元在完成本次循环后停止动作。
4.按下复位按钮，启动按钮指示灯亮，供料单元回到初始位置。
5.在手动操作模式下，当按启动按钮时，供料单元的执行机构将把存放在料仓中的工件取出并送到下一个工作单元，然后各执行机构回到初始位置。
即每执行一个新的工作循环都需要按一次启动按钮。
6.在自动操作模式下，当按启动按钮时，供料单元的执行机构将把存放在料仓中的工件取出并送到下一个工作单元，并且只要料仓中有工件，此工作就继续，即自动连续运行。
在运行过程中，当按下停止按钮后或者当料仓中无工件时，供料单元应该在完成了当前的工作循环之后停止运行，并且各个执行机构应该回到初始位置。
7.如果料仓没有工件，EMPTY指示灯亮，补充物料后，按下启动按钮即可消除。
第四章技术设计
4.1机械零件设计
转运模块的摆臂与真空吸盘方向保持装置的设计，真空吸盘器可由摆臂部的齿形带与摆动缸通过齿轮连接固定，形成同步转动，当吸盘吸取工件时，摆动缸开始动作，将工件搬运到下一个工作单元，其中，摆动刚转动的角度通过同步带使得真空吸盘器始终保持水平状态。
摆臂的长度与同步带的中心距由摆动模块到进料模块的距离和到下一个工作单元的距离共同设计。
4.2气动元件选型
执行器在自动控制系统中的作用就是接受控制器输出的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。
在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若选型或使用不当，往往会给生产过程的自动控制带来困难。
执行器由执行机构和调节机构组成。
执行机构是指根据控制器控制信号产生推力或位移的装置，调节机构是根据执行机构输出信号去台边能量或物料输出量的装置，通常指控制阀。
现场有时就将执行器称为控制阀。
本设计选用气动方式作为执行机构的驱动方式。
气动机构是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号的机构。
其优点如下：
（1）以空气为工作介质，用后可直接排到大气中，处理方便。
（2）动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质问题。
（3）工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强振、潮湿、有辐射和温度变化大的恶劣环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气机构。
气动机构的不足之处是：
由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差，但采用气液动联动装置会得到较满意的结果；工作压力低（一般为0.3～1.0MPa），难以获得很大的输出力；噪声大，在高速排气时要加消声器。
4.2.1气缸
气动执行组件的主要作用是利用压缩空气的能量，实现各种机械运动（直线往返运动、摆动、转动）的装置。
气动执行组件具有运动速度快、输出调节方便、结构简单、制造成本低、维修方便和环境适应性强等优点。
气缸是气动装置中主要的执行组件。
进料模块通过双作用气缸，实现对料仓中工件的逐一分离。
（1）推料气缸
双作用气缸：
DSNU-8-80-P-A
图形符号：
缸径：
8mm
行程：
80mm
缓冲形式：
置缓冲垫
传感器类型：
电磁式行程开关
6bar下有效力（活塞杆伸出）:
30N
6bar下有效力（活塞杆缩回）:
23N
（2）旋转气缸
旋转气缸可将工件在0°~180°围旋转，接触式传感器用来进行终端位置的检测。
旋转气缸：
DSR-16-180-P
图形符号：
驱动形式：
双作用气缸
旋转/摆动原理：
旋转叶片
缓冲形式：
置缓冲垫
角度调整围：
0°~180°
6bar下扭矩：
1Nm
4bar下的最大摆动频率：
3Hz
4.2.2电磁阀
电磁阀是通过一个电磁线圈来控制阀芯位置，以达到改变流体流动方向的目的，或者是为了切断或接通气源。
本设计中采用电磁阀实现PLC输出的电压信号对气路切断或接通的控制。
4.3电气原件选型
传感器是信息检测的必要工具，是生产自动化、科学测试、计量核算、监测诊断等系统中必不可少的基本环节。
通常是检测系统与被测量对象之间的接口，处于检测系统的输入端，其性能直接影响着整个检测系统，对检测精确度起着主要作用。
一般来讲，自动检测装置中最初感受被检测并将它转换为可用信号输出的器件叫传感器，在工程上也称为探测器、换能器、测量头。
传感器由敏感组件、转换组件和其它辅助部件组成。
本设计中，共需要七个传感器：
为了检测储料仓物料是否为空，以便把信号送回控制器，并在料空时报警，需要一个对射式光电传感器（光电开关）；为了检测下站接料位置是否为空，需要一个漫反射式光电传感器；为了检测推料杆是否推料到位和推料后返回，分别需要两个电感传感器；为了检测真空吸盘将物料的提和放下，需要一个压力传感器；为了检测机械手臂左摆和右摆是否到位，则需要两个限位开关。
4.3.1对射式光电传感器
对射式光电开光是指光发射器与光接受器处于相对位置的光电接近开关。
对射式光电开关：
把物料作为被测物体，当物体通过传感器的光路时，光就会被遮断，光接受器接受不到发射器发出的光，则接近开关的“触点”不动作，视为有料状态；当光路上无物体遮蔽光线时，光接受器可以接受到发射器发出的光，接近开关的“触点”动作，输出信号将被改变，即为料空状态，信号被送回控制器，产生相应的控制作用。
另外，MPS中五个分站之间不是完全独立的去工作，他们之间需要协调工作，以至于不产生冲突现象。
比如当检测单元的物料没有被送走时，供料单元就应停止送料；当供料单元没有送来物料时，检测单元便无法工作。
对射式传感器：
SOEG-L-Q30-P-A-S-2L
图形符号：
对射式光电传感器的发射器发出一束可调制的不可见红外光（880mm），由接收器接收。
当光线被物体遮断时，传感器便有电信号。
光纤电缆由一束玻璃纤维或由一条或几条合成纤维组成。
光纤能将光从一处传导到另一处甚至绕过拐角。
工作原理是通过部反射介质传递光线。
光线通过具有高折射率的光纤材料和低折射率护套表面，由此形成的光线在光纤里传递。
4.3.2行程开关
行程开关又称限位开关或位置开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路工作状态的控制电器。
行程开关的动作原理与控制按钮相似，在机床设备中，事先将行程开关根据工艺要求安装在一定的行程位置上，部件在运行中，装在其上撞块压下行程开关顶杆，使行程开关的触点动作而实现电路的切换，达到控制运动部件行程位置的目的。
行程开关有两种类型:
直动式（按钮式）和旋转式，其结构基本相同，都是由操作机构，传动系统，触头系统和外壳组成，主要区别在传动系统。
直动式行程开关的结构，动作原理与按钮相似。
当运动机构的档铁压到行程开关的滚轮上时，传动杠杆连同转轴一起转动，凸轮撞动撞块使得常闭触头断开，常开触头闭合。
档铁移开后，复位弹簧使其复位。
本设计中,为了判断摆动气缸摆动时是否到位，选择两个欧姆龙限位开关。
限位开关：
S-3–E
图形符号：
常开触点：
位置调整方式：
六角扳手松开限位档块螺钉，调整到合适角度，拧紧。
4.3.3磁感应式接近开关工作原理
其基本工作原理是：
当磁性物质接近传感器时，传感器便会动作，并输出开关量信号。
在推料缸的两个极限位置分别装一个磁感应式接近开关，分别用于识别推料缸运动的两个极限位置。
舌簧开关：
SME-8-S-LED-24
图形符号：
舌簧开关是电磁驱动的接近开关。
它由两片接触片组成，这两片接触片被安装在填充有保护气体的玻璃圆管里。
通过电磁场的影响，两片接触片闭合，电流从中流过。
舌簧开关被证明具有高寿命和短开关时间的特点（大约0.2ms）。
它们免维护，但不允许在带有高磁场的地方使用（如电阻式焊接机周围环境）。
舌簧开关有多种外形样式，便于安装在气缸的钢筒外壁或T型槽。
A）开关断开
B）开关闭合
电子舌簧式行程开关
1-永久磁环2-舌簧片3-保护电路4-指示灯
4.3.4真空检测传感器
它是具有开关量输出的真空检测装置，当进气口的气压小于一定的负压（真空）值时，传感器动作，输出开关量为1，同时LED点亮，否则，输出信号为0，LED熄灭。
真空吸盘：
VAS-8–M5–PUR
图形符号：
吸盘直径：
8mm
有效直径：
5.5mm
-0.7bar下吸力：
1.6N
真空开关：
VPEV-W-S-LED-GH
图形符号：
最小工作压力0bar
最大工作压力1bar
最小压力设置-0.25bar
最大压力设置-0.8bar
真空阀：
CPV10-M1H-V170-2GLS-M7
图形符号：
最小工作压力：
2bar
最大工作压力：
10bar
最大真空压力：
-0.85bar
阀芯开启时间：
15ms
产生真空耗气量：
27l/min
4.4重要部件描述
料仓模块的推料缸采用活塞收回过程中推料；
转运模块的是齿型带式摆臂设计，用于确保吸盘始终保持水平姿势，使工件在搬运过程中能够水平的转运到下一个工作单元监测站。
第五章硬件设计
5.1电气原理图
5.2电路
5.3I/O接线表
序号
地址
设备符号
设备名称
设备用途
信号特征
1
I0.1
1B2
磁感应式接近开关（传感器）
判断推料杆的位置
信号为1，表示推料杆推出到位
2
I0.2
1B1
磁感应式接近开关（传感器）
判断推料杆的位置
信号为1，表示推料杆退回到位
3
I0.3
2B1
真空压力传感器
判断是否吸到工件
信号为1，表示吸到工件
信号为0，表示未吸到工件
4
I0.4
3S1
行程开关
判断摆臂位置
信号为1，表示摆臂回到下一站位置
5
I0.5
3S2
行程开关
判断摆臂位置
信号为1，表示摆臂回到料仓位置
6
I0.6
B4
对射式光电传感器
判断料仓是否有工件
信号为1，表示料仓无工件
信号为0，表示料仓有工件
7
I0.7
IP_FI
光电传感器
判断下一站是否准备好
信号为1，表示下一站准备好
8
I1.0
START
启动按钮
启动设备
信号为1，表示按钮倍按下
9
I1.1
STOP
停止按钮
停止设备
信号为1，表示按钮倍按下
10
I1.2
AUTO/MAN
转换开关
自动/手动转换
信号为0，表示为自动模式
信号为1，表示为手动模式
11
I1.3
RESET
复位开关
复位设备
信号为1，表示按钮倍按下
12
Q0.0
1M1
电磁阀
控制推料杆动作
信号为0，控制推料杆推出
信号为1，控制推料杆缩回
13
Q0.1
2M1
电磁阀
控制吸、放工件动作
信号为1，控制吸取工件
14
Q0.2
2M2
电磁阀
控制吸、放工件动作
信号为1，控制放下工件
15
Q0.3
3M1
电磁阀
控制摆臂动作
信号为1，控制摆臂摆回料仓位置
16
Q0.4
3M2
电磁阀
控制摆臂动作
信号为1，控制摆臂摆回下一站位置
17
Q1.0
H1
指示灯
启动指示灯
信号为1，灯亮
信号为0，灯灭
18
Q1.1
H2
指示灯
复位指示灯
信号为1，灯亮
信号为0，灯灭
19
Q1.2
H3
指示灯
料仓空指示灯
信号为1，灯亮
信号为0，灯灭
5.4电源
PS307是西门子公司为S7-300专配的24V-DC电源。
PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2A、5A、10A三种），其工作原理和各种参数都相同。
PS307可安装在S7-300的专用导轨上，除了给S7-300CPU供电外，也可给I/O模块提供负载电源。
S7-300的CPU有四种工作方式，通过可卸的专用钥匙控制：
（１）ＲＵＮ－Ｐ：
可编程运行方式。
（２）ＲＵＮ：
运行方式。
（３）ＳＴＯＰ：
停机方式。
（４）ＭＲＥＳ：
ＣＰＵ清零用钥匙开关进行程序的清除,在开始一个新的编程工作时，我们需要将中央处理器进行清零处理。
它将很容易地通过操作CPU上的钥匙开关来实现。
为此我们必须进行以下的操作步骤：
1．接通PLC工作电源，并等待至CPU的自检测运行完成。
2．转动钥匙开关至MRES位置，并保持这个状态，直至STOP发光二极管从闪动转为常亮状态。
3．钥匙开关转至STOP位置并迅速转回MRES位置，保持这个状态,STOP发光二极管开始快速闪动。
4．STOP发光二极管的快速闪动，表示CPU已被清零。
5．松开钥匙开关，这时钥匙会自动返回STOP位置。
6．可编程控制器已被清零，并可以传输新的控制程序程序的下传只能是钥匙开关在STOP或RUN－P位置进行。
第六章软件设计
6.1顺序功能图
6.2PLC程序
6.21主程序OB1
6.22初始化程序OB100
6.23顺序控制程序FC1
6.24复位程序FC2
6.25指示灯程序FC3
第七章调试
7.1调试计划
（1）硬件的安装与调试
安装步骤：
①准备好铝合金板②安装走线槽和导轨③安装接线端口与CP阀组、线夹、气动二联件等④调整线夹子位
升级会员 