装配流水线控制系统的设计.docx
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装配流水线控制系统的设计
长沙学院
专业综合设计说明书
题目
装配流水线控制系统的设计
系（部）
电子与通信工程系
专业（班级）
10电气1
姓名
卢超望
学号
2010042103
指导教师
殷科生
起止日期
2013.12.23—2014.1.5
长沙学院课程设计鉴定表
姓名
卢超望
学号
2010042103
专业
电气工程及其自动化
班级
1班
设计题目
装配流水线控制系统的设计
指导教师
殷科生
指导教师意见：
评定成绩：
教师签名：
日期：
答辩小组意见：
评定成绩：
答辩小组长签名：
日期：
教研室意见：
最终评定等级：
教研室主任签名：
日期：
说明
课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“中等”、“及格”、“不及格”五等。
1.系统功能与要求
2.系统元器件选型
3.系统端口配置
4.硬件电路设计
5.程序设计
6.调试与结论
装配流水线控制系统的设计
1.系统功能与要求
1设计任务
通过毕业设计了解PLC控制的企业装配流水线基本原理以及工作流程，设计PLC控制实现的模拟装配流水线系统，控制多工位装入、多工位装配、单工位入库等操作。
⑴以自动化实验中心综合实训室的网络型可编程序控制器实训平台为研究对象，了解控制对象结构组成，熟悉控制对象实际工作流程，确定受控对象与PLC间关系，估计程序步数；
⑵运行框图、硬件接线图绘制；
⑶画出PLC控制的梯形图；
⑷编制出语句表；
⑸输入指令并修改更正程序；
⑹调试运行并反复设计验证；
⑺整理设计思路、总结设计成果。
1.2装配流水线的基本介绍
1.2.1装配流水线的起源
20世纪初,美国人亨利.福特首先采用了流水线生产方法,在他的工厂内,专业化地将分工分的非常细,仅仅一个生产单元的工序竟然达到了7882种,为了提高工人的劳动效率,福特反复试验,确定了一条装配线上所需要的工人,以及每道工序之间的距离。
这样里来,每个汽车底盘的装配时间就从12小时28分缩短到1小时33分。
大量生产的主要生产组织方式为流水生产，其基础是由设备、工作地和传送装置构成的设施系统，即流水生产线。
最典型的流水生产线是汽车转配生产线。
流水生产线是为特定的产品和预定的生产大纲所设计的；生产作业计划的主要决策问题在流水生产线的设计阶段中就已经做出规定。
1.2.2装配流水线的概述
在大量生产中,为了提高生产效率、保证产品质量、改善劳动条件,不仅要求机床能自动的对工件进行加工,而且要求工件的装卸、工件的工序间的输送、工序间加工精度的检测、废品的剔除等都能自动的进行。
因此,把设备按工件的加工工序顺序依次排列,用自动输送装置将他们联成一个整体,并用控制系统将各个部分的动作协调起来,使其按照规定的动作自动的进行工作,这种自动化的加工系统就称为自动化生产流水线。
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输送要求。
输送线的传输方式有同步传输的/（强制式）也可以是非同步传输/（柔性式），根据配置的选择，可以实现装配和输送的要求。
输送线在企业的批量生产中不可或缺。
流水线是劳动者为了方便生产将生产对象人为的通过外界设备将其按照一定的线路顺序通过各个操作点，以及用一定的速度来重复连续的完成生产过程。
装配流水线把劳动对象和专业化生产专业的有效的结合在一起的一种生产方式。
它具有以下特征：
⑴工作地点的专业化程度非常高；
⑵具有明显的规律性；
⑶每条生产线的生产水平相似；
⑷生产过程封闭、不可逆；
⑸有很强的连续性。
1.2.3装配流水线的发展
1.现代流水生产起源于1914年—1920年的福特制。
福特制的主要内容：
⑴在科学组织生产的前提下谋求高效率和低成本。
因而实施产品、零件的标准化、设备和工具的专用化以及工作场所的专业化。
唯一最佳的“单一产品原则”。
⑵创造了流水线的生产方法，建立了传送带式的流水生产线。
2.内容和形式上的变化
⑴内容上：
产品的装配、零件的机械加工、锻压、铸造、热处理、电镀、焊接、油漆以及包装等。
⑵形式上：
单一产品流水线——可变流水线——混合流水线——成组流水线——半自动流水线——自动化流水线
1.2.4装配流水线生产的形式
1.按生产对象的移动方式：
固定流水向线和移动流水线
固定流水线：
是指生产对象位置固定,生产工人携带工具沿着顺序排列的生产对象移动.主要用于不便运输的大型制品的生产,如重型机械、飞机、船舶等的装配；移动流水线：
生产对象移动，工人和设备及工具位置固定的流水线。
这是常用的流水线的组织方式。
2.按生产对象的数目：
单品种流水线和多品种流水线
单品种流水线：
又称不变流水线，是指流水线上只固定生产一种制品。
要求制品的数量足够大，以保证流水线上的设备有足够的负荷；多品种流水线：
将结构、工艺相似的两种以上制品，统一组织到一条流水线上生产。
3.按产品的轮换方式：
可变流水线、成组流水线和混合流水线
可变流水线：
集中轮番地生产固定在流水线上的几个对象，当某一制品的批制造任务完成后，相应地调整设备和工艺装备，然后再开始另一种制品的生产；成组流水线：
固定在流水线上的几种制品不是成批轮番地生产，而是在一定时间内同时或顺序地进行生产，在变换品种时基本上不需要重新调整设备和工艺装备；混合流水线：
是在流水线上同时生产多个品种，各品种均匀混合流送，组织相间性的投产。
一般多用于装配阶段生产。
4.按连续程度：
连续流水线和间断流水线
连续流水线：
制品从投入到产出在工序间是连续进行的没有等待和间断时间；间断流水线：
由于各道工序的劳动量不等或不成整数倍关系，生产对象在工序间会出现等待停歇现象，生产过程是不完全连续的。
5.按节奏性程度：
强制节拍流水线、自由节拍流水线和粗略节拍流水线
强制节拍流水线:
要求准确地按节拍出产制品；自由节拍流水线:
不严格要求按节拍出产制品,但要求工作地在规定的时间间隔内的生产率应符合节拍要求；粗略节拍流水线:
各个工序的加工时间与节拍相差很大,为充分地利用人力、物力，只要求流水线每经过一个合理的时间间隔，生产等量的制品，而每道工序并不按节拍进行生产。
6.按机械化程度：
手工流水线、机械化流水线和自动线
1.2.5装配流水线生产的组织条件
1.品种稳定单一，产量足够大，长期供货，单位劳动量大，保证设备足够负荷。
2.产品结构和工艺相对稳定：
⑴先进性；
⑵良好的工艺性和互换性；
⑶标准化程度高。
3.工艺过程既可划分为简单的工序，又可以相互合并。
4.原材料和协作件的标准化、规格化，且按时供应。
5.机器设备始终处于完好状态，严格执行计划预修制度。
6.工作必须符合质量标准。
7.厂房和生产面积适合安装流水线。
1.3PLC控制饮料装瓶流水线的优势
1.生产效率高
相对于传统的饮料装瓶流水线，由PLC控制的装瓶流水线其电气部分由PLC控制。
这一电气控制系统能很快的发现生产线上的问题和不足，PLC灵活的可编程性能很快的对程序进行改进。
PLC中大量使用了软继电器，使得外部接线更加简单，更容易维护。
因此，使用了PLC控制的饮料装瓶流水线的生产效率更高，更好地为企业创造利润。
2.卫生条件好
由于饮料的装瓶、盖盖、贴签到成品入库都可以用流水线来完成。
这样可以创造一个相对封闭的生产环境和减少人工操作。
为饮料装瓶创造了一个很好的卫生条件。
3.安全性提高
由于PLC的稳定性好，这样就降低了生产过程中的事故的发生。
同时由于饮料从装瓶到入库全由机器完成，进一步降低了员工在生产线上发生事故的概率，更好地保护了员工的人身安全和企业的财产安全。
1.4传感器的基本介绍及选择
1.4.1传感器的概念与组成
概念：
传感器是一种以一定精度把被测量转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量的测量装置。
其中包含了以下几方面的含义：
⑴传感器是测量装置，能完成检测任务；
⑵它的输入量是某一被测量，如物理量、化学量、生物量等；
⑶它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；
⑷输出与输入间有对应关系，且有一定的精确度。
组成：
传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成，框图如下：
敏感元件
转换元件
转换电路
被测量
电量
图1.1传感器的组成
敏感元件：
直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：
敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。
转换电路：
将上述电路参数接入转换电路，便可转换成点亮输出。
实际上，有些传感器很简单，有些则较为复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。
最简单的传感器由一个敏感元件组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶传感器。
有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器。
有些传感器，转换元件不止一个，需经过若干次转换。
1.4.2传感器的选择
由于本次设计是以饮料装瓶的装配为例。
在实际生产过程中，接触到的基本上塑料制品，所以我选择光敏传感器。
在自动化流水线生产过程中，要用到很多传感器来监视和控制生产过程中的不同状态。
使生产线处在正常工作状态或者最佳工作状态。
本次设计用到的传感器主要用在饮料瓶到达操作工位或仓库时，通过传感器给PLC一个反馈信号使传送带停止运行。
操作工位和入库感应上用到的传感器可以使用光敏传感器，
光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可（即光敏传感器对于物体的存在进行反映，不管部件的移动与否，只要处在光敏传感器检测范围内，它都会做出一个输出信号）。
光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。
2.系统元器件选型
2.1可编程控制器概述
2.1.1PLC的产生
上世纪60年代，在没有可编程控制器以前，在大部分工业生产中是以继电器控制来实现各种功能，传统的继电器系统主要有一下几个优点结构比较简单，易于操作，价格便宜等，在工业领域中应用甚广，于此同时继电器控制系统也有以下缺点体积比较大，动作速度比较慢，耗电量多，寿命短，更有接线复杂，更改困难等。
继电器控制系统对当时的生产力发展中起到了巨大的作用， 在工业生产过程中，大量开关量顺序控制被使用，它按照逻辑条件（即实现编制好的程序）进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，以及大量离散量的数据采集。
在PLC没有出现以前，这些功能是通过继电器控制系统来实现的。
世界上公认的第一台PLC（即PDD-14）是美国数字设备公司（DEC）于1969年根据美国通用汽车公司的要求研制成功的。
背景：
1968年，美国通用汽车公司（GM）为了增强产品在市场上的竞争力，适应汽车型号的不断更新和生产工艺不断变化的需要，实现汽车的多品种、小批量生产和不断翻新汽车品牌的目的。
通用汽车公司（GM）希望有一种可编程序的逻辑控制器来取代传统继电器控制装置的要求，这种控制器能做到尽可能减少设计中的错误和用尽可能少的电气控制装置以及电气接线，以减少重复设计率，更好的适应当代生产的需要，以减少故障，降低生产成本和缩短生产周期。
设计思想：
将传统的继电器的控制技术和现代计算机信息处理技术有效的结合起来，以满足工业生产的需要。
⑴传统的继电器控制系统有其本身的优点，如：
简单易懂、操作方便、价格便宜；但是也有其的缺点，如体积大、可靠性低、接线复杂、不易查找、更改和排除故障，对不断变化生产工艺的适应性差；
⑵计算机功能强大、有复杂的逻辑能力、运算能力、灵活、通用性好，但用计算机来编程其困难程度很大；
所以就有了将两者有点有效的结合起来，来实现生产的需要的想法，从而产生了现代的可编程控制器。
PLC吸取继电器和计算机两者的优点，实现了将控制系统面向控制过程、面向客户，在不同环境下适应性强、操作方便、体积小、可靠性高，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
GM对汽车流水线控制系统提出的具体要求，归纳起来是：
⑴编程简单易懂，可在现场修改和调试程序；
⑵维护方便，采用插入式模块结构；
⑶可靠性高于继电器控制系统；
⑷体积比继电器控制装置小；
⑸数据可直接送入管理计算机；
⑹成本可与继电器控制系统竞争；
⑺可直接用115V交流电压输入；
⑻输出量为115V、2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；
⑼通用性强，易于扩展；
⑽用户程序存储器容量至少4kB。
2.1.2PLC的定义
随着个人计算机（简称PC）的出现和发展起来，为了方便和反映可编程控制器的功能特点以及区别个人计算机，将可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），不过现在仍常常将PLC简称PC。
在PLC的发展过程中，PLC的定义有好几种。
其中国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，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的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
2.2PLC的特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
可靠性作为电气控制设备的重要性能。
PLC也不例外，为了让PLC的可靠性更高，很多厂家都做了一下措施：
⑴在PLC内部电路中，一般将其电路集成化，在生产过程中，应严格的按需要的工艺制造，并运用现在流行的功能模块，将其电路模块化以及加入抗干扰功能，让其拥有更好的可靠性。
⑵在PLC的外部电路上，其电气连接线和开关连接点相对于同等规模的继电器控制系统已经少了很多。
这也使PLC的故障率大大的降低，同时很大程度上使PLC的可靠性大大的提高。
⑶PLC中设置了一些自我诊断、警戒报警和可恢复等功能，在PLC出现故障时能及时的发现，若发生一些小故障也能自我恢复等。
用户可以通过PLC的应用软件将外部器件的故障诊断程序编入PLC，使整个PLC控制系统中的其他电路和电气设备都能得到有效和及时的保护。
这也使PLC具有极高的可靠性。
⑷在工作方式上，PLC采用了周期扫描、集中采样、集中输出等工作方式极高了自身的扛干扰能力。
2.配套和功能齐全，适应性强
PLC发展到今天，各个生产厂家也形成了各自不同大小规模的系列化产品。
这些产品能有效的满足市场中不同规模的工业自动化控制场合。
由于PLC本身具有很强的数据运算能力和速度以及可编程控制器的网络通信能力的提高，所以它能适应不同的工业自动化控制领域。
3.简单易学，方便易用，受到工程技术人员的好评
作为现代通用的工业自动化控制计算机。
PLC的汇编语言相对于计算机更简单易学，使用起来也很方便以及接口简单很容易被熟悉电气知识的和不熟悉的用户所掌握。
它可以用相对于继电器少很多的接线和开关量就能实现传统继电器控制系统的功能。
为用户打开了方便之门。
4.系统的设计和建造工作量小，容易改造、方便维护
由于PLC出色的程序汇编使控制设备的外部接线和开关量大大的减少，这不仅缩短了控制系统的设计周期和外部设备的组成时间，也使电气设备的故障维修和维护容易起来。
特别是通过PLC控制其电气部分，在同一个控制系统中改变程序来改变生产过程成为了可能。
这给小企业带来了充分的灵活性，十分适合多品种和小批量的生产场合。
5.体积小，重量轻，能耗低
由于半导体集成电路的应用，PLC的体积相对很小。
如超小型PLC，其新出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小，很容易装进机械内部，是机电一体化的理想装置。
2.3PLC的组成及其工作原理
2.3.1PLC的组成
PLC的组成：
PLC的种类很多，其基本功能和指令也有差异，但是其基本结构和工作原理则大同小异。
一般由CPU板、I/O接口电路、存储器、扩展接口、电源、显示面板等硬件组成。
其硬件简化框图如下：
CPU
模块
输
入
模块
输出模块
编程装置
按钮
选择开关
限位开关
电源
接触器
电磁阀
指示灯
电源
可编程序控制器
图2.1PLC硬件简化图
1．中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的核心组成部分，在PLC系统中它通过与其他硬件结合起来，使整个系统就像人体神经中枢额，从而来协调控制整个系统。
它主要由运算器、控制器、寄存器、数据和总线等组成。
每一个PLC都有一个CPU进行数据的采集、接收和储存。
2.存储器
存储器主要用于存储程序和数据，可编程控制器（PLC）的存储器可分为两种：
系统程序存储器和用户存储器。
⑴系统程序存储器是用来固化PLC生产厂家在研制系统时编写的各种系统工作程序。
主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。
系统程序由厂家固定，用户自己不能更改。
⑵用户存储器是用来存放从编程器或个人计算机输入的用户程序和数据，所以又可分为用户程序存储器和数据存储器两种。
主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。
3.I/O接口电路
I/O接口是PLC与电气回路的通信接口。
⑴开关量输入接口可分为直流输入单元和交流输入单元。
它能把现场的开关量信号转换成PLC内部处理的标准信号。
⑵开关量输出接口可分为继电器输出方式、晶体管输出方式和晶闸管输出方式。
它能把PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。
4.电源
PLC电源是用来给PLC内部各个模块提供工作电源的。
一般采用开关式稳压电源为内部电路供电，向CPU、存储器及输入/输出接口提供各自所需的直流电压。
电源的性能将直接影响PLC的功能，同时也影响着PLC工作的可靠性。
PLC根据型号的不同，其电源供电可分为交流供电和直流供电。
交流一般为单相220V，直流一般为24V。
5.扩展接口
用于将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
6．通信接口
7.编程器
编程器是用来编写、输入、编辑用户程序和监视可编程控制器运行时各种元器件的工作状态。
检查维护的器件，它不直接参与现场控制运行。
可分为简易编程器和图形编程器。
8.其他部件
人机界面：
现在最简单的人机界面由指示灯和按钮组成。
目前比较先进的有触摸屏一体式的用户终端应用也越来越广泛，当然由计算机来当作人机界面也是十分普及的。
2.3.2PLC的工作原理
在PLC进入工作状态后，其工作过程主要分为：
输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
⑴输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC首先扫描所有输入状态和数据，并将它们先后存入相对应的输入映像寄存器中。
输入采样结束以后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生了变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会随之改变。
因此，如果输入是脉冲信号，那么该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才可以保证不管在什么情况下，该输入均能被读入。
⑵用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC根据梯形图的扫描原则进行扫描程序，它总是按从左到右、从上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）的。
在用户程序执行过程中，当指令涉及到了输入输出状态的时候，根据用户需要的数据从映像寄存器中将元件的“0/1”状态读取出来，按照程序的要求进行逻辑运算，并将运算结果写入对应的元件映像寄存器中。
因此，每个元件的映像寄存器（除输入映像寄存器外）的状态都会随着程序的执行而发生着变化。
⑶输出刷新阶段
当用户程序扫描结束后，元件映像寄存器中的所有输出映像寄存器的“0/1”状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
PLC工作原理如下图所示：
上电
RUN
自诊断
通讯
输入采样
输出刷新
故障
用户程序执行
图2.2PLC的工作原理
2.4PLC的编程语言
PLC为用户提供了功能十分完整的编程语言，用来适应PLC在工业环境中的应用。
利用PLC的汇编语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器控制的硬件接线，也就是所谓的“可编程序”。
PLC标准中规定了五种标准语言，其中梯形图（Ladderdiagram）和功能块图（Functionblockdiagram）为图形语言，指令表（Instructionlist）和结构文本（Structiontext）为文字语言，还有一种结构块控制程序流程图（Sequentialfunctionchart，又称为顺序功能图）。
梯形图由于其出色的易掌握性、程序表达清晰性以及与继电器控制系统的电路图相似，使其成为目前使用最广泛的PLC图形汇编语言。
本次设计PLC程序采用了梯形图语言，编程软件为GXdeveloper。
GXdeveloper软件能够完成程序编写、对可编程控制器CPU的写入/读出、监控程序运行、调试程序和PLC错误诊断等一系列功能。
2.5PLC的分类及其应用领域
初期的PLC主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但在上世纪90年代后，PLC逐渐在工业领域中应用。
随着生产的需要PLC被广泛地在流程工业自动化系统中使用。
直到现在PLC在现场总线控制系统中，PLC更是其中的主角，其应用面越来越广泛。
PLC主要可以分为大中小三类。
1.小型PLC
小型PLC的I/0点数在256点以下，小型PLC由于其体积较小，结构紧密使它的硬件系统更好。
它能连接除开关量以外的特殊功能模块。
2.中型PLC
中型PLC的I/0点数一般是在256~2048点之间。
3.大型PLC
一般I/0点数在2048点以上的称为大型PLC。
大型的可编程控制器其性能更高，速度更快和超大的存储量，多CPU一起工作更让其在工业领域得到了更广泛的运用。
2.6PLC与其他工业控制系统的比较
1.PLC控制系统与传统继电器控制系统相比较：
继电接触控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制；PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制。
在PLC的外部电路上，其电气连接线和开关连接点相对于同等规模的继电器控制系统已经见了很多。
PLC的可靠性比继电接触控制的高。
2.PLC与微型计算机的比较：
PLC编程简便，汇编语言简单易懂适合不管有无电气知识的用户都能很快上手。
计算机使用汇编语言或其他高级语言编程，比PLC编程复杂。
PLC可靠性高，PLC采用扫描方式进行工作等。
3.PLC与单片机的比较：
PLC的电路设计比较成熟，稳定性高，软件集成化，学习容易，开发周期短。
单片机的稳定性相对于PLC稍差，接线外部设备相对复杂，单片机牵扯到得知识很多，不容易学习和上手。
从上边对PLC的简单介绍和比较可以看出。
由PLC的软件编程和硬件连接决定了它的可靠性和控制功能比继电器控制系统高的多，它是专门为工业控制场合设计的控制器，所以他的稳定性也比一般通用计算机要好的多，而且它操作简单灵活，易于实现系统升级和功能扩展。
由于PLC的稳定性和安全性相对单片机更高，更被企业在工业自动化生产中所接受和应用。
所以在本设计中对装配流水线的控制采用PLC来进行控制。
2.7PLC选型
本次设计我选用的是日
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