自动化生产线论文设计.docx

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自动化生产线论文设计

安徽机电职业技术学院

课程设计论文

自动生产线课时设计

系〔部〕电气工程系

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指导教师

2016～2017学年第一学期

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摘要

可编程逻辑控制器〔Programmablecontroller〕简称PLC，是一种工业控制微型计算机。

由于PLC的编程方便、可靠性高、环境适应性强、使用方便以及维护简单等优点，所以PLC在工业生产中得到广泛的应用。

亚龙YL-335B型自动生产线实训考核装备在铝合金导轨式实训台上安装送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元，构成一个典型的自动生产线的机械平台，系统各机构的采用了气动驱动、变频器驱动和步进〔伺服〕电机位置控制等技术。

系统的控制方式采用每一工作单元由一台PLC承当其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。

因此，YL-335B综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术〔机械传动、机械连接等〕、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。

利用YL-335B，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使我们得到一个非常接近于实际的教学设备环境，缩短了理论教学与实际应用之间的距离。

关键词：

PLC；供料站

1.1YL-335B的组成

亚龙YL-335B型自动生产线实训考核装备由安装在铝合金导轨式实训台上的送料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5个单元组成。

如图1-1所示。

图1-1YL-335B外观图

每一工作单元既可自成一个独立的系统，同时又是一个机电一体化的系统。

各个单元的执行机构根本上以气动执行机构为主，输送单元的机械手装置整体运动那么采取步进电机驱动、精密定位的位置控制，该驱动系统具有长行程、多定位点的特点，是一个典型的一维位置控制系统。

分拣单元的传送带驱动那么采用了通用变频器驱动三相交流异步电动机的传动装置。

位置控制和变频器技术是现代工业应用最为广泛的电气控制技术。

本设计中YL-335B应用传感器来判断物体的运动位置、物体通过的状态、物体的颜色及材质等。

传感器技术是机电一体化装备应用技术中的关键技术之一，也是现代工业实现高度自动化的前提之一。

在控制方面，YL-335B采用基于RS485串行通信的PLC网络控制方案，每一工作单元由一台PLC承当其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通信实现互连的分布式控制方式。

用户可根据需要选择不同厂家的PLC型号及其所支持的RS485通信模式，组建成一个小型的PLC网络。

小型PLC网络以其结构简单，价格低廉的特点在小型自动生产线上有着广泛的应用，在现代工业网络通信中占据相当的份额。

1.2YL-335B的电气控制

1.2.1YL-335B工作单元的结构特点

YL-335B设备中的各工作单元的结构特点是机械装置和电气控制局部的相对别离。

图1-2装置侧接线端口图1-3PLC侧接线端口

每一工作单元机械装置整体安装在底板上，而控制工作单元生产过程的PLC装置那么安装在工作台两侧的抽屉板上。

因此，工作单元机械装置与PLC装置之间的信息交换是一个关键的问题。

YL-335B的解决方案是：

机械装置上的各电磁阀和传感器的引线均连接到装置侧的接线端口上。

图1-2和图1-3分别是装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口。

1.2.2YL-335B的控制系统

YL-335B的每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也可以通过网络互连构成一个分布式的控制系统。

1、当工作单元自成一个独立的系统时，其设备运行的主令信号以及运行过程中的状态显示信号，来源于该工作单元按钮指示灯模块。

模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。

模块盒上器件包括：

⑴指示灯〔24VDC〕：

黄色〔HL1〕、绿色〔HL2〕、红色〔HL3〕各一个。

⑵主令器件：

绿色常开按钮SB1一个、红色常开按钮SB2一个、选择开关SA〔一对转换触点〕、急停按钮QS〔一个常闭触点〕

2、当各工作单元通过网络互连构成一个分布式的控制系统时，对于采用西门子S7-200系列PLC的设备，YL-335B的标准配置是采用PPI协议的通信方式。

设备出厂的控制方案如图1-4所示。

图1-4

各工作站PLC配置如下：

⑴输送单元：

S7-226DC/DC/DC主单元，共24点输入，16点晶体管输出。

⑵供料单元：

S7-224AC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。

⑶加工单元：

S7-224AC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。

⑷装配单元：

S7-226AC/DC/RLY主单元，共24点输入，16点继电器输出。

⑸分拣单元：

S7-224XPAC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。

3、人机界面

系统运行的主令信号〔复位、启动、停止等〕通过触模屏人机界面给出。

同时，人机界面上也显示系统运行的各种状态信息。

人机界面是在操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁。

使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。

使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产本钱，同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。

2.供料单元控制系统

2.1.1气动元件

供料站气动控制回路采用标准双作用直线气缸作为执行元件为了使气缸的动作平稳可靠，使用单向节流阀单对气缸的运动速度加以控制，向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，常用于控制气缸的运动速度，也称为速度控制阀。

单电控电磁换向阀、电磁阀组。

YL-335B所有工作单元的执行气缸都是双作用气缸，因此控制它们工作的电磁阀需要有二个工作口和二个排气口以及一个供气口，故使用的电磁阀均为二位五通电磁阀。

供料单元用了两个二位五通的单电控电磁阀。

两个电磁阀是集中安装在汇流板上的。

汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。

这种将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成称为阀组，而每个阀的功能是彼此独立的。

气动控制回路是本工作单元的执行机构，该执行机构的控制逻辑与控制功能是由PLC实现的。

气动控制回路的工作原理如图2-1所示。

图中1A和2A分别为推料气缸和顶料气缸。

1B1和1B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，2B1和2B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关。

1Y1和2Y1分别为控制推料缸和顶料缸的电磁阀的电磁控制端。

通常，这两个气缸的初始位置均设定在缩回状态。

图2-1供料单元气动控制回路工作原理图

YL-335B各工作单元所使用的传感器都是接近传感器，它利用传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号。

1、磁性开关

YL-335B所使用的气缸都是带磁性开关的气缸。

这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。

在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场。

而安装在气缸外侧的磁性开关那么是用来检测气缸活塞位置，即检测活塞的运动行程的。

在磁性开关上设置的LED显示用于显示其信号状态，供调试时使用。

磁性开关动作时，输出信号“1〞，LED亮；磁性开关不动作时，输出信号“0〞，LED不亮。

磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧固定位螺栓，让磁性开关着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧固定螺栓。

磁性开关有蓝色和棕色2根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC输入公共

端，棕色引出线应连接到PLC输入端。

磁性开关的内部电路如图2-1中虚线框内所示。

图2-1磁性开关内部电路图

2、漫射式光电接近开关

漫射式光电接近开关供料单元中，用来检测工件缺乏或工件有无的漫射式光电接近开关选用神视〔OMRON〕公司的CX-441〔E3Z-L61〕型放大器内置型光电开关〔细小光束型，NPN型晶体管集电极开路输出〕，。

该光电开关的外形和顶端面上的调节旋钮与显示灯如图2-2所示。

CX-441〔E3Z-L61〕光电开关的外形和调节旋钮、显示灯。

图2-2

图2-3给出该光电开关的内部电路原理框图。

图2-3CX-441〔E3Z-L61〕光电开关电路原理图

用来检测物料台上有无物料的光电开关是一个圆柱形漫射式光电接近开关，工作时向上发出光线，从而透过小孔检测是否有工件存在，。

该光电开关选用SICK公司产品MHT15-N2317型，其外形如图2-4所示。

图2-4MHT15-N2317光电开关外形

2.3供料单元的PLC控制系统

PLC的I/O接线

根据工作单元装置的I/O信号分配〔表2-1〕和工作任务的要求，供料单元PLC选用S7-224AC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。

PLC的I/O信号分配如表2-2所示，接线原理图那么见图2-5。

表2-1供料单元装置侧的接线端口信号端子的分配

图2-5供料单元PLC的I/O接线原理图

3.1加工单元的气动系统

加工单元所使用气动执行元件包括标准直线气缸、薄型气缸和气动手指。

加工单元

图3-1加工单元气动控制回路工作原理图

的气动控制元件均采用二位五通单电控电磁换向阀，各电磁阀均带有手动换向和加锁钮。

它们集中安装成阀组固定在冲压支撑架后面。

气动控制回路的工作原理如图3-1所示。

1B1和1B2为安装在冲压气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，2B1和2B2为安装在加工台伸缩气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，3B1为安装在手爪气缸工作位置的磁感应接近开关。

1Y1、2Y1和3Y1分别为控制冲压气缸、加工台伸缩气缸和手爪气缸的电磁阀的电磁控制端。

3.2加工单元的PLC控制系统

PLC的I/O分配及系统安装接线，装置侧接线端口信号分配如表3-1所示

表3-1加工单元装置侧的接线端口信号端子的分配

2）加工单元选用S7-224AC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。

PLC的I/O信号表如表3-2所示，接线原理图如图3-2所示。

表3-2加工单元PLC的I/O信号表

4.1示灯、传感器

1、警示灯本工作单元上安装有红、橙、绿三色警示灯，它是作为整个系统警示用的。

警示灯有五根引出线，其中黄绿双色线：

黄绿双色线为〞“地线〞；红色线：

红色灯控制线；黄色线：

橙色灯控制线，绿色线：

绿色灯控制线；黑色线：

信号灯公共控制线。

接线如图4-1所示。

图4-1警示灯及其接线

2、光纤传感器

光纤型传感器由光纤检测头、光纤放大器两局部组成，放大器和光纤检测头是别离的两个局部，光纤检测头的尾端局部分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。

光纤传感器组件如图4-2所示。

图4-3是放大器的安装示意图。

图4-4给出了放大器单元的俯视图，调节其中部的8旋转灵敏度高速旋钮就能进行放大器灵敏度调节〔顺时针旋转灵敏度增大〕。

调节时，会看到“入光量显示灯〞发光图4-2光纤传感器组件图4-3光纤传感器组件外形

的变化。

当探测器检测到物料时，“动作显示灯〞会亮，提示检测到物料。

图4-4光纤传感器放大器单元的俯视图

图4-5E3X-NA11型光纤传感器电路框图

4.2装配单元的气动系统

图4-6装配单元气动控制回路

装配单元的I/O点较多，选用S7-226AC/DC/RLY主单元，共24点输入，16点继电器输出。

图4-7是PLC接线原理图。

表4-7装配单元装置侧的接线端口信号端子的分配

5.1旋转编码器、超声波传感器

1、旋转编码器

YL-335B分拣单元使用了这种具有A、B两相90º相位差的通用型旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置。

编码器直接连接到传送带主动轴上。

该旋转编码器的三相脉冲采用NPN型集电极开路输出，分辨率500线，工作电源DC12～24V。

本工作单元没有使用Z相脉冲，A、B两相输出端直接连接到PLC〔S7-224XPAC/DC/RLY主单元〕的高速计数器输入端。

计算工件在传送带上的位置时，需确定每两个脉冲之间的距离即脉冲当量。

分拣单元主动轴的直径为d=43mm,那么减速电机每旋转一周，皮带上工件移动距离L=π•×43=136.35mm。

故脉冲当量μ为μ=L/500≈0.273mm。

按如图1-6所示的安装尺寸，当工件从下料口中心线移至传感器中心时，旋转编码器约发出604个脉冲；移至第一个推杆中心点时，约发出945个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1282个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1546个脉冲。

2、超声波传感器

如5-1图所示：

左边绿色指示灯为电源和信号强度指示灯，右边黄色指示灯为信号输出指示灯，TEACH为调节按钮

参数设置

近限和远限手动设置

（1）进入编程模式：

长按TEACHPushButton直到OUT灯变红；

（2）设置低限：

短按TEACHPushButton，设置完成OUT灯闪烁；

（3）设置高限：

短按TEACHPushButton，设置完成退出编程模式，进入RUN模式OUT灯变回初始状态；图5-1

（4）低限或高限没有设置完成前，长按TEACHPushButton，退出编程模式；

（5）在编程模式下，低限设置前，如果时间超过120秒，退出编程模式

超声波传感器接线说明：

棕色〔bn〕：

+24v

蓝色（bu）：

0V〔模拟量输出公共端〕

白色（wh）:

模拟量输出端

黑色（bk）：

开关量信号端

灰色（gy）:

远程终端

屏蔽线（shiled）：

接地端

图5-2

5.2变频器的选用

分拣单元输送皮带的速度由变频器控制，该单元选用的变频器型号为：

西门子MM420变频器。

该变频器额定参数为：

•电源电压：

380V～480V，三相交流

•额定输出功率：

0.75KW

•额定输入电流：

2.4A

•额定输出电流：

2.1A

•外形尺寸：

A型

•操作面板：

根本操作板〔BOP〕

图5-4变频器外形

图5-5MM420变频器的接线端子

5.3分拣单元的气动系统

分拣单元的电磁阀组使用了三个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。

这三个阀分别对金属、白料和黑料推动气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。

本单元气动控制回路的工作原理如图5-6所示。

图中1A、2A和3A分别为分拣一气缸、分拣二气缸和分拣三气缸。

1B1、2B1和3B1分别为安装在各分拣气缸的前极限工作位置的磁感应接近开关。

1Y1、2Y1和3Y1分别为控制3个分拣气缸电磁阀的电磁控制端。

图5-6分拣单元气动控制回路工作原理图

6.1伺服电机及伺服放大器

YL-335B所使用的松下MINASA4系列AC伺服电机•驱动器，电机编码器反应脉冲为2500pulse/rev。

缺省情况下，驱动器反应脉冲电子齿轮分-倍频值为4倍频。

如果希望指令脉冲为6000pulse/rev，那末就应把指令脉冲电子齿轮的分-倍频值设置为10000/6000。

从而实现PLC每输出6000个脉冲，伺服电机旋转一周，驱动机械手恰好移动60mm的整数倍关系。

松下MINASA4系列AC伺服电机•驱动器

在YL-335B的输送单元上中，采用了松下MHMD022P1U永磁同步交流伺服电机，及MADDT1207003全数字交流永磁同步伺服驱动装置作为运输机械手的运动控制装置。

MADDT1207003伺服驱动器面板上有多个接线端口，其中：

X1：

电源输入接口，AC220V电源连接到L1、L3主电源端子，同时连接到控制电源端子L1C、L2C上。

X2：

电机接口和外置再生放电电阻器接口。

U、V、W端子用于连接电机。

必须注意，电源电压务必按照驱动器铭牌上的指示，电机接线端子〔U、V、W〕不可以接地或短路，交流伺服电机的旋转方向不象感应电动机可以通过交换三相相序来改变，必须保证驱动器上的U、V、W、E接线端子与电机主回路接线端子按规定的次序一一对应，否那么可能造成驱动器的损坏。

电机的接线端子和驱动器的接地端子以及滤波器的接地端子必须保证可靠的连接到同一个接地点上。

机身也必须接地。

RB1、RB2、RB3端子是外接放电电阻，MADDT1207003的规格为100Ω/10W，YL-335B没有使用外接放电电阻。

X6：

连接到电机编码器信号接口，连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接到电机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆屏蔽层连接到插头的外壳〔FG〕上。

X5：

I/O控制信号端口，其局部引脚信号定义与选择的控制模式有关，不同模式下的接线请参考?

松下A系列伺服电机手册?

。

YL-335B输送单元中，伺服电机用于定位控制，选用位置控制模式。

所采用的是简化接线方式，如图6-1所示。

伺服驱动器的参数设置与调整

松下的伺服驱动器有七种控制运行方式，即位置控制、速度控制、转矩控制、位置/速度控制、位置/转矩、速度/转矩、全闭环控制。

位置方式就是输入脉冲串来使电机定位运行，电机转速与脉冲串频率相关，电机转动的角度与脉冲个数相关；速度方式有两种，一是通过输入直流-10V至—+10V指令电压调速，二是选用驱动器内设置的内部速度来调速；转矩方式是通过输入直流-10V至—+10V指令电压调节电机的输出转矩，这种方式下运行必须要进行速度限制，有如下两种方法：

1〕设置驱动器内的参数来限制，2〕输入模拟量电压限速。

6.2S7-200PLC的脉冲输出功能及位控编程

S7-200有两个内置PTO/PWM发生器，用以建立高速脉冲串〔PTO〕或脉宽调节〔PWM〕信号波形。

一个发生器指定给数字输出点Q0.0，另一个发生器指定给数字输出点Q0.1。

当组态一个输出为PTO操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电机的速度和位置的开环控制。

内置PTO功能提供了脉冲串输出，脉冲周期和数量可由用户控制。

但应用程序必须通过PLC内置I/O提供方向和限位控制。

为了简化用户应用程序中位控功能的使用，STEP7--Micro/WIN提供的位控向导可以帮助用户在很短的时间内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。

向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。

运动包络组态完成后，向导会为所选的配置生成四个工程组件〔子程序〕，分别是：

PTOx_CTRL子程序〔控制〕、PTOx_RUN子程序〔运行包络〕，PTOx_LDPOS和PTOx_MAN子程序〔手动模式〕子程序。

一个由向导产生的子程序就可以在程序中调用。

6.3输送单元的气动系统

输送单元的气动系统由：

气动手爪、伸缩气缸、回转气缸、提升气缸、2个二位五通双向控阀、2个二位五通单向电控阀电组成。

输送单元的抓取机械手装置上的所有气缸连接的气管沿拖链敷设，插接到电磁阀组上，其气动控制回路如图6-1所示。

图6-1输送单元气动控制回路原理图

7.自动生产线的整体控制

7.1任务的实现

1、供料站的工作流程：

供料站接收到系统发来的供料指令后，如果出料台上没有工件，即进行把工件推到出料台上的操作。

工件推出到出料台后，应向系统发出出料台上有工件信号。

假设供料站的料仓内没有工件或工件缺乏，那么向系统发出报警或预警信号。

2、装配站的工作流程：

①启动后，如果回转台上的左料盘内没有小园柱零件，就执行下料操作；如果左料盘内有零件，而右料盘内没有零件，执行回转台回转操作。

②如果回转台上的右料盘内有小园柱零件且装配台上有待装配工件，开始执行装配过程。

执行装配机械手抓取小园柱零件，放入待装配工件中的操作。

装入动作完成后，向系统发出装配完成信号。

③完成装配任务后，装配机械手应返回初始位置，等待下一次装配。

④假设方案生产任务已经完成，本站收到来自系统的停止运行指令时，那么芯料供料机构应立即停止供料，正在进行装配工作的情况下，装配单元在完本钱次装配后停止工作。

⑤如果装配站的料仓或料槽内没有小园柱零件或零件缺乏，应向系统发出报警或预警信号。

3、加工站的工作流程：

加工站接收到系统发来的启动信号时，即进入运行状态。

当加工台上有工件且被检出后，设备执行将工件夹紧，送往加工区域冲压，完成冲压动作后返回待料位置的工件加工工序。

冲压动作完成且加工台返回待料位置后，向系统发出加工完成信号。

如果没有停止信号输入，当再有待加工工件送到加工台上时，加工单元又开始下一周期工作。

4、输送站的工作流程：

①输送站接收到人机界面发来的启动指令后，即把启动指令发往各从站。

②在接收到供料站的“出料台上有工件〞信号后，输送站抓取机械手装置应执行抓取供料站工件的操作。

动作完成后，伺服电机驱动机械手装置以不小于300mm/s的速度移动到装配站装配台的正前方，把工件放到装配站的装配台上。

③接收到装配完成信号后，机械手装置应抓取已装配的工件，然后从装配站向加工站运送工件，到达加工站的加工台正前方，把工件放到加工台上。

机械手装置的运动速度要求与②相同。

④接收到加工完成信号后，机械手装置应执行抓取已压紧工件的操作。

抓取动作完成后，机械手臂逆时针旋转90°，然后伺服电机驱动机械手装置移动到分拣站进料口。

执行在传送带进料口上方把工件放下的操作。

机械手装置的运动速度要求与②相同。

⑤机械手装置完成放下工件的操作并缩回到位后，手臂应顺时针旋转90°，等待下一次搬运工作。

5、分拣站的工作流程：

分拣站接收到系统发来的启动信号时，即进入运行状态。

当输送站机械手装置放下工件、缩回到位后，分拣站的变频器即启动，驱动传动电动机人机界面所指定的变频器运行频率的速度，把工件带入检测区进行芯件嵌入高度检测和芯件颜色检测。

进行芯件嵌入高度检测时允许传送带停车，停车时间可根据检测装置的特性自行确定。

7.2人机界面组态

在TPC7062KS人机界面上组态画面，要求用户窗口包括欢送界面和运行界面2个窗口。

欢送界面是启动界面，触摸屏上电并进行权限检查后运行，欢送界面屏幕上方的标题文字向左循环移动，循环周期约14秒，当触摸欢送界面位图框内的任意部位时，都将切换到“运行界面〞。

1、根据工作任务，对工程分析并规划如下：

⑴工程框架：

有2个用户窗口，即欢送画面和运行画面，其中欢送画面是启动界面。

1个策略：

循环策略。

⑵数据对象：

各工作站以及全线的工作状态指示灯、单机全线切换旋钮、启动、停止、复位按钮、变频器输入频率设定、机械手当前位置等。

⑶图形制作：

欢送画面窗口：

①图片：

通过位图装载实现；②文字：

通过标签实现；③按钮：

由对象元件库引入。

运行画面窗口：

①文字：

通过标签构件实现；②各工作站以及全线的工作状态指示灯、时钟：

由对象元件库引入；③单机全线切换旋钮、启动、停止、复位按钮：

由对象元件库引入。

2、建立欢送画面：

选中“窗口0〞，单击“窗口属性〞，进入