自动控制流水线系统设计要点.docx

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自动控制流水线系统设计要点

摘要

伴随着科技的发展和进步，原有的工业生产能力已经不能满足现代工业生产的要求，所以工业控制自动化的出现弥补了这一缺陷，它不仅大大的提高了工业生产效率还节省了大量的劳动力进而节省了资本，促进了工业的发展。

PLC在工业界的应用越来越广泛，目前它已经在自动控制领域扮演了很重要的角色，并且在整个工业生产自动化进程中起到一定的推动作用。

本文详细的介绍了如何使用PLC软硬件设备搭建和运行一个比较完整的自动控制流水线系统的内容和步骤。

内容是以自动流水线模型为基础，通过PLC来控制整个生产工艺流程，包括取料，加工，装配，分拣四个基本模块。

按照步骤划分，全文共分三大块：

1.流水线系统硬件的详细说明；2.控制思想的建立；3.控制程序编写。

在第一部分，文章介绍了生产流水线的概况及其发展状况。

其中包括流水线的硬件设计跟整个工艺流程上的检测和控制逻辑模块化设计思想。

在第二部分，首先说明如何使用罗克韦尔的编程软件RSlinx使工作站与流水线上设备建立连接及对流水线进行直接测试；在后面介绍了编写控制程序所需要的一些基础知识，例如控制程序构成，编程指令等。

在第三部分，首先说明如何建立一个控制程序，并且进行合理的配置；然后对硬件添加和配置，控制对象添加和配置，数据类型的建立和控制器标签的声明；在此基础上，最后对使用梯形图编写的控制程序任务（Tasks）做了详细和透彻说明。

关键词:

RSlinx，PLC，逻辑模块化，例程

Abstract

Withthedevelopmentandprogressofscienceandtechnology,existingindustrialcapacitycannotmeettherequirementsofmodernindustrialproduction,thereforetheindustrialcontrolautomation'sappearancehasmadeupthisflaw,itnotonlybigenhancementindustrialproductionefficiencybutalsohassavedthemassivelaborforcesthentosavethecapital.promotedtheindustrydevelopment.PLCisgettingmoreandmorewidespreadintheindustrialworldapplication,atpresentithadalreadyplayedtheveryimportantroleintheautomaticcontroldomain,andplayscertainpromotioneffectinentireindustrialproductionautomationadvancement.includingthewithdrawal,processing,assembling,sortingthefourbasicmodules.ThisarticledescribesindetailhowtousePLChardwareandsoftwarecompaniestobuildandrunarelativelycompletesystemofautomatic.Thecontentistaketheautomaticassemblylinemodelasafoundation,throughthePLCtocontroltheentireproductionprocess.Bycontentdivision,full-textisdividedintothreeparts:

1.Adetaileddescriptionofthehardwarepipelinesystem;2.Establishmentofthoughtcontrol;3.Controlprocedurecompilation.

Inthefirstpart,thearticledescribesthevarioushardwaremodulesofthesystem,especiallyintheiruseofthemainpointsthatneedattention,whicharederivedfromthepracticeofthisgraduationproject.Includingtheentirelineofhardwaredesignwiththemodulardesignofthelogicalprocess.Finally,thepartofthecontrolsystemsoftwaretodoaclearexplanation.

Inthesecondpart,firstofallexplainhowtouseprogrammingsoftwareRSlinxtoestablishconnectionsbetweentheRockwellstationsandassembly-lineanddirecttestontheline;inthebackdescribesthecompilingcontrolproceduresneedsomebasicknowledge,suchascontrolproceduresconstitute,programminginstructions,etc..

Inthethirdpart,first,howtosetupacontrolprogram,andcarryoutreasonableconfiguration;andhardwaretoaddandconfigure,controlobjectstoaddandconfigurethedatatypeoftheestablishmentandDatatypedeclarationtoestablishandcontrollabels;Onthisbasis,thelastoftheusingtheladderpreparedcontrolprogramtasks（Tasks）madeadetailedandthoroughexplanation.

Keywords:

RSlinx,PLC,ModularLogical，routine

第一章前言

1.1生产流水线发展史

流水线（Assemblyline）是一种工业生产中，可部分被用来组装成品，最基本的流水线由一个简单的输送带载的产品，如玩具，通过一系列的工作，直到它最终完成。

更复杂的流水线包括直属带进行部分工作线沿线的车站，用于建设汽车和其他复杂的设备。

开发革命性的流水线制造，并促成了大量财富的几个主要角色的工业革命。

出现流水线之前的工业制造业，通常是工人手工制造，从单独的装配部分。

工厂的生产受到限制，因为只有如此多的产品可以在一次，工人往往从一个项目开始工作到结束。

到十九世纪中叶，许多企业在食品工业中已开始建立类似的流水线的生产线，使这一进程更加有效，但它并不完全精简。

如早期的汽车和蒸汽机车仍在手工制作。

于1908年，亨利福特试图找到一种方式，使汽车的大众化。

福特相信，如果一般家庭可以负担得起购买汽车的价格，他们将成为受欢迎的，但缓慢和艰苦的方法来制造汽车不可能使汽车成本的下降。

在公司，福特设想一条生产线，在那里劳动的工人将分为具体的任务将有助于完成整体。

这一早期流水线的灵感可能来自多个行业，但很多历史学家认为在芝加哥屠宰场的拆卸线是这一想法的来源。

流水线是高效率并极具成本效益的产物。

工人集中在一小部分，这意味着它们并不需要大量的培训。

部分物料或零部件沿着一条传送带，形成一个源源不断的产品生产流程。

在繁忙的生产中，福特汽车的流水线变成了一个新的汽车每3分钟，而现代的流水线能够更加迅速，尤其是当他们结合自动化机械与人力处理。

1.2常用的生产流水线分类

　　1板链式装配流水线

　　特点：

承载的产品比较重，和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡；生产的节拍不是很快；以链板面作为承载，可以实现产品的平稳输送。

　　2滚筒式流水线

　　特点：

承载的产品类型广泛，所受限制少；与阻挡器配合使用，可以实现产品的连续、节拍运行以及积放的功能；采用顶升平移装置，可以实现产品的离线返修或检测而不影响整个流水线的运行。

　　3皮带式流水线

　　特点：

承载的产品比较轻，形状限制少；和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡转向；以皮带作为载体和输送，可以实现产品的平稳输送，噪音小；可以实现轻型物料或产品较长距离的输送。

　　4差速输送流水线

　　特点：

差速输送流水线采用倍速链牵引，工装板可以自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在两端可以自动顶升，横移过渡。

还可以在线可设旋转、专机、检测设备、机械手等。

本次设计是在皮带式流水线的基础上进行了自动化改进，从而能够更加有效的提高流水线的生产效率。

第二章自动控制流水线模型简介

图2.1自动生产流水线模型

自动生产流水线教学装置是一套实际生产过程的微缩仿真模型，它由工作平台、过程单元、控制装置三部分组成。

本次毕业设计是以这个为基础的。

也是通过这个过程来模拟实现本次设计内容的。

2.1工作平台

平台提供了公共信号端子和接口，供过程单元输入和输出信号的接入，便于将控制装置接入各过程单元，平台设有静音空气压缩机和减压阀，为装置提供稳定的气源。

2.2过程单元

过程单元由四个独立的网孔底板将每个单元的部件集中安放，其中有的单元是可以互换位置的，例如将供料单元和存放单元互换；或将加工单元和装配单元互换就可以改变生产流程或工艺；每个单元在配备了控制器以后均可以独立运行，也可构成连续生产的自动流水线。

1．供料单元

供料单元由自动出料仓、四自由度机械手、物料输送带、信号端子等组成。

配备单杆直气缸、双杆直气缸、薄型气缸、旋转气缸、机械夹、电磁阀等气动元件；配备直流减速电机、光电传感器、磁开关、继电器等电气元件；配备同步轮、同步带、传动轴、皮带等机械元件。

供料单元可以实现物料的自动出仓、传递和输送。

2．加工单元

加工单元由自动机加工设备、四自由度机械手、物料输送带、信号端子等组成。

配备双杆直气缸、薄型气缸、旋转气缸、机械夹、电磁阀等气动元件；配备直流减速电机、光微开关、光电传感器、磁开关、位置开关、继电器等电气元件；配备同步轮、同步带、传动轴、皮带、滚珠丝杠、联轴器等机械元件。

加工单元可以完成物料的自动传递、加工工序和输送。

3．装配单元

装配单元如图五所示，由自动出料仓、自动装配设备、四自由度机械手、物料输送带、信号端子等组成。

配备双杆直气缸、薄型气缸、旋转气缸、机械夹、真空发生器、吸盘、电磁阀等气动元件；配备步进电机、直流减速电机、光微开关、光电传感器、色标传感器、磁开关、位置开关、继电器等电气元件；配备同步轮、同步带、传动轴、皮带等机械元件。

装配单元可以完成物料的自动识别、传递、零件出仓、分类装配和输送。

4．分拣单元

分拣单元由物料输送带、自动分拣设备、水平移动式储存库、信号端子等组成。

配备单杆直气缸、电磁阀等气动元件；配备直流减速电机、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器、磁开关、继电器等电气元件；配备同步轮、同步带、传动轴、皮带、联轴器等机械元件。

分拣单元可以实现物料的自动输送、分类、入库。

第三章系统总体设计方案

3.1系统整体设计方案论证

方案一：

DCS控制系统

DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统，即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。

分布式计算机控制系统是以微处理器为核心，采用数据通讯和图形显示技术的新型计算机控制系统。

该系统能够完成直接数字控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理、多变量解耦控制以及最优控制等功能，并包含有生产的指挥、调度和管理功能。

DCS的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和现场前端分散控制相统一的新型控制技术，它的出现是工业控制的一个里程碑。

DCS它可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。

但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。

DCS系统是个大系统，其控制器功能强而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。

方案二：

PLC控制系统

可编程序控制器PLC，适合于多台大型自动生产流水线，由于PLC具有输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低，如北京丽都饭店使用的PLC控制系统，运行几年来从未发生任何故障。

PLC编程简单，易于通信和联网，多台PLC进行同位链接及计算机进行上位链接，实现一台计算机和若干台PLC构成分布式控制网络，但是，价格较高，如果是控制单台，资源不能充分利用，如果从长远观点看，其寿命长，故障率低，易于维修，值得选用。

3.2比较及选型

综上所述，PLC于60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。

1976年正式命名，并给予定义：

PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。

经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。

PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。

PLC作为一个站挂在高速总线上。

充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。

PLC对于顺序控制有其独特的优势。

DCS系统更大，控制的回路数目更多，有比较多的控制和算法，可以完成比较复杂的回路间的控制。

硬件可靠性差不多。

相对而言，PLC构成的系统成本更低。

而且PLC是一种柔性控制，便于日后升级。

所以选择PLC控制系统。

3.3PLC发展状况及本次设计的选型

20世纪20年代起，人们把各种继电器、接触器、定时器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种机械，这就是大家熟悉的传统的继电器控制系统。

但是继电接触器控制系统具有明显的缺点：

设备体积大、可靠性差、动作速度慢、功能弱，难于实现较复杂的控制；特别由于它是靠硬连接线逻辑构成的系统，接线复杂繁琐，当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线和控制就要更换，所以通用性和灵活性差。

现在随着可编程序控制器国际化标准IEC61131的逐步完善和实施，特别是IEC61131—3标准编程语言的推广，使得PLC真正走入了一个开放性和标准化时代。

随着PLC技术的迅速发展，PLC作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，以其编程简单，控制系统构成简单通用性强，抗干扰能力强可靠性高，体积小维护方便，功能非常齐全等特点广泛应用于机械制造、轻工、冶金、能源、交通等行业。

特别是近几年来计算机在操作系统、应用软件和通信能力上得到了飞速发展，这大大的提高了PLC通信能力，使PLC具有强大的网络功能（可以为PLC配置以太网EtherNet、控制网ContorlNet、设备网DeviceNet、DH+网、FF等多种网络形式），可以通过各种通信口将数据传送给上位机以实现数据采集和监控，从而大大加强了其控制功能，进一步推动PLC在工业控制中的广泛应用。

可以这样说，有工业控制的地方就有PLC的用武之地。

（1）提高生产率和操作效率：

一个通用轻便控制引擎和综合工程开发平台允许快速地开发、实施和迁移；且由于它的开放性和灵活性，确保了控制、操作、企业级业务系统的无缝集成，优化了工厂流程。

（2）降低操作成本：

使用通用、标准架构和网络，降低了操作成本，让工程师们能为一个体现成本效益、使用现货供应的平台选择不同系统部件，而不是专有产品和技术；只要求用户在一个统一平台和开发环境上培训，而不是几种；且为用户提供了一个无缝迁移路径，保护在I/O和应用开发方面的投资。

（3）使用户对其控制系统拥有更多控制力：

使用户拥有更多灵活性来选择适合每种特殊应用的硬件和编程语言，以他们自己的时间表来规划升级，并且可在任何地方设计、制造产品。

PLC主要分成：

欧系

 西门子系列PLC主要包括其早期的S5和现在的S7-200、S7-300、S7-400等型号。

S7-200是西门子小型PLC，因为其低廉的价格在国内得到了大规模的应用，支持MPI、PPI和自由通讯口协议。

西门子300的PLC支持MPI，还可以通过PROFIBUS和工业以太网总线系统和计算机进行通讯。

如果要完成点对点通讯，可以使用CP340/341。

  施耐德的PLC型号比较多，在国内应用也比较多。

 日系

  欧姆龙系列PLC在中国推广的也比较多。

三菱PLC的小型PLC在国内的应用非常广泛。

三菱的PLC型号也比较多，主要包括FX系列，A系列和Q系列。

松下PLC等。

美系

  GE现在在国内用的比较多的主要是90-70和90-30系列plc，这两款PLC都支持SNP协议。

  Rockwell的PLC主要是包括PLC2、PLC3、PLC5、SLC500、ControlLogix等型号，PLC2和PLC3是早期型号，现在用的比较多的小型PLC是SLC500，中型的一般是ControlLogix，大型的用PLC5系列。

AB的plc提供了OPC和DDE，其集成的软件中RSLogix中就包含DDE和OPCSERVER，可以通过上述软件来进行数据通讯。

AB的中高档的PLC还提供了高级语言编程功能，用户还可以通过编程实现自己的通讯协议。

美国罗尔韦尔自动化公司的PLC设备以其优良的性能广泛应用于工业控制的各个领域。

该公司的PLC控制系统依据不同的网络通信方式和设备功能，对整个系统进行合理分层，并通过不同的网络形式实现不同层之间以及同一层不同设备之间的数据通信。

这种基于层和网络概念上的PLC控制系统，具有集中与分散的双重特点，既能够在大范围内实现控制功能，又能在每一个细节上做到尽善尽美，因此具有很好的通用性，适应性和可扩展性。

罗克韦尔公司的PLC控制系统通常分为三个层：

1．以太网层：

也称为工作站层。

在这个层上，系统通过以太网连接了作为各种工作站的计算机以实现工作站之间的通信。

某个PLC控制器也会连接在这一层，它是作为以太网层与控制网层之间的衔接，是工作站操作控制网层上的PLC控制器的数据通道。

以太网层的主要功能是组态控制系统，编写调试控制程序，监视维护控制系统运行。

2．控制网层：

也称为控制器层。

在这个层上，系统通过控制网将各种PLC控制器起来以实现不同控制器之间的通信与协作。

这个层上的某一个控制器也会同时连接到以太网层上，作为控制网层与以太网层之间的衔接。

有些PLC控制器的设备网模块还会下连到设备网，作为控制器进入设备网的通道，同一个设备网上的所有设备就是通过该通道与控制器进新数据通信。

控制网层的功能就是该层上控制器的功能，主要是接收工作站的命令并向工作站反馈信息；接受设备网层数据反馈，并向其发出操作命令。

3．设备网层：

在这个层上，系统通过标准设备网将现场设备和PLC控制器的设备网模块连接起来，实现这些现场设备之间的数据通信，更重要的是实现PLC控制器对这些设备的统一控制。

设备网层的功能是使用该层上所连接的各个设备实现每个具体的控制作用。

在本次毕业设计中，我们选用罗克韦尔自动化公司的PLC设备，设计一个自动控制流水线控制系统。

使用的设备主要包括个人电脑，PLC功能性模块。

其中：

两台个人电脑作为控制系统中的工作站，通过以太网连接，处于上面所说的以太网层；PLC各个模块构建成的控制器接入到工作站的以太网层，因为只有一个PLC控制器，所以没有构建专门的控制网，但它概念上处于控制网，虽然没有配置专门的设备网，但是在概念上它们属于设备网层。

受设备自身限制，本系统没有严格的三层网络，但是其层次概念还是很清晰的。

3.4系统整体框图

第四章流水线检测系统设计

4.1传送带检测控制设计

传送带一侧装有光电行程开关，当传感器检测到有物时，传感器输出信号送入控制器，此时控制器输出口给电机一个输出信号，控制电机的启动与停止。

并且在传送带上设置机械校正装置，以校正加工件在传送带上的位置，为下一个机械手操作做准备。

接近开关，英文名为PROXIMITYSENSORS。

它又称为近接开关，位置感应器。

主要应用于水流开关，水流控制及自动控制，位置感应等。

传送带检测传感器同样使用欧姆龙公司的光电近接开关E32-D61，其原理图如图4.1所示：

图4.1光电近接开关E32-D61的原理图

采用带有常闭和常开两个开关的继电器，输出控制继电器的开端，控制机械手的气动阀和电机线圈的通断电。

4.2机械手检测传感器

干簧管传感器技术在干簧传感器中，关键的元件是簧片开关，它是由WesternElectric公司在1940年发明的。

其它主要元件是开或关的弹性簧片及磁铁或电磁铁。

由于这些引人注目的改进，干簧管开关在某些要求质量、可靠性及安全至上的苛刻应用中已成为设计的选择。

干簧管传感器的质量及可靠性最引人注目的应用是用于自动测试设备（ATE）。

在这种设备中技术是一流的，干簧开关被用于干簧继电器，它应用于IC、ASIC、硅片的测试设备中及印制测试设备中，作为开关。

一个继电器的故障率制定为50ppm。

当线圈通电后，管中两占簧片的自由端分别被磁化成N极和S极而相互吸引，因而接通被控电路。

干簧继电器具有：

结构简单，体积小。

吸合功率小，灵敏度高，一般吸合与释放时间均在0.5～2ms以内。

触点密封，不受尘埃、潮气及有害气体污染，动片质量小，动程小，触点电寿命，一般可达10的7次方左右。

干簧继电器还可以用永磁体来驱动，反映非电信号，用作限位及行程控制以及非电量检测等。

本设计机械手动作位置传感器均采用欧姆龙公司的干簧传感器SMCD-A93，具体的硬件连接如图4.2所示：

图4.2干簧传感器应用原理图

4.3料仓检测传感器选择

一、光电开关

光电开关是由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。

当被测物体进入受光器作用范围最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。

按电压输出规格连接开路集电极输出的传感器时，可通过在电源、输出间插入电阻器后再连接。

下图的示例可作为选择电阻值时的参考。

此外，电阻值一般使用4.7kΩ。

电阻器的瓦特数为：

电源电压为24V时为1/2W、12V时为1/4W。

〈例〉

EE-SX670系列

电阻值R＝4.7kΩ

“H”值时

“L”值时

输入电压VL≤0.4V（负载电流40mA时的残留电压）

对应负载电流的残留电压，