工业自动化系统设计与调试.docx
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工业自动化系统设计与调试
《工业自动化系统设计与调试》
指导书
XX工程学院自控教研室
机电一体化自动生产线系统使用说明
实践项目一送料装置（装配一站）
实践项目二加盖单元（装配二站）
实践项目三穿销单元（装配三站）
实践项目四模拟单元（装配四站）
实践项目五检测单元（装配五站）
实践项目六分检单元（装配六站）
实践项目七升降梯与立体叠层仓库单元（装配七站）
实践项目八废料处理单元（装配八站）
实践项目九总控编程
机电一体化自动生产线系统使用说明
现代工业是计算机、信息技术、现代管理技术、先进工艺技术的综合与集成，涵盖了产品设计、生产准备、制造执行等多方面，是国家建设和社会发展的重要支柱之一。
在“十六大政府工作报告”中先进制造技术被列为首要的发展方向之一。
为了加强学生面向新世纪的挑战能力，抓住我国加入“WTO”的机遇，提高机、光、电一体化的理论水平与实践能力刻不容缓，重点建设机电类工程柔性加工实验综合平台，更具有迫切性和现实意义。
机电一体化自动生产线系统从简单到复杂，从零部件到整机，采用不同的机械和电气设计，学生可以学到更多的实践知识，拓展思维，提高动手和实际操作的能力，以适应现代机电一体化技术的要求。
一、机电一体化自动生产线系统的功能
涵盖课程：
微机、数控、组态编程、工业总线、测试与控制技术、气动、机械制动、传感器、气动机器人等课程
特点：
以自动化物料传输和加工装置为对象体现常用的控制，机械传动原理的应用，装置的选择、调试和系统的总调。
二、开创任意的组合与开发理念
涵盖课程：
机械原理、装配设计、质量控制、加工技术等课程
特点：
展示制造过程的本质，包含装置的优化、不同的组合、位置的检测等内容。
三、项目的技术内容
1、基本机械传动原理包括：
“O”型皮带传动、齿轮齿条差动机构、齿轮减速传动机构、螺旋升降机构、间歇送料机构、链轮链条差动机构、同步齿型带动机构、滚珠丝杠传动机构、
2、电器技术：
总线技术PROFIBUS、变频调速技术、可编程控制器的应用、电机传动、各种传感器的应用、步进电机控制、气动控制、伺服电机控制、继电器控制、计算机组态、计算机控制的技术
四、本装置具体组成
1、总电气控制部分
总电源箱、总控制器、总开关盒、总气源开关及气泵、总报警指示灯
2、机电柔性自动循环部分、送料单元（装主体）、加盖单元（装上盖）、穿销单元（穿销钉）、直线单元、转角单元、检测单元、分检单元、模拟单元、高架叠层立体仓库、废料处理单元、主控平台
七、本装置组成具体说明
1、总控电气部分
1）总电源箱
三相断电路器：
电压380V电流10A
漏电保护开关：
30mA0.1S
三相电源插口：
380V16A
三相国产插座：
220V10A
急停按钮：
24V直流电源：
24V直流红为正；黑为负
24V直流电源：
单相标准国产插座：
220V10A
2）总控制器
采用西门子S7300可编程控制器
电源模块
CPU315-2DP模块含后备电池及存储卡
输入/输出模块
整套装置控制
3）总电控按钮组合
急停按钮、复位按钮、启动按钮、启动按钮
4）总气源开关及气泵
气泵电源插入总电源箱单相220V插座，上电（合闸）气泵开始工作，当气压达到6Mpa时，可以使用，打开电源总气源开关，蓝色旋钮，气压达到4Mpa时，可以正常工作。
5）总报警指示灯
当红灯亮时表示停止运行
当黄灯亮时表示运行故障
当绿灯亮时表示正常运行
注：
出现故障显示时应检查每个分站的情况，是否出现故障，有则排除，排除后应再重新运行。
2、机电柔性自动循环部分
1）送料单元
生产线的托盘从此站前端开始进入分料仓入口，底层直线单元的电机带动传送带动作，托盘沿此方向向前传送。
料仓下部直线单元的电感式传感器检测到托盘到位，检测工件主体的传感器未检测托盘上有工件时，定位气缸将托盘对准分料口，工作指示灯亮，三个条件同时满足，即气缸到位、托盘到位、托盘上无工件时，直流减速电机工作。
通过机械的间歇机构带动两条同步送料带将装配主体下落到托盘上，这时检测工件的传感器检测到工件到位，定位气缸放行，托盘带工件沿自动传送带向下运行，工作指示灯灭。
2）加盖单元
托盘带工件主体沿直线及转角单元进入装配二站，直线单元上的传感器检测托盘到位和气缸到位的传感器工作，工作指示灯亮，电机带动蜗轮蜗杆减速电机使摆臂开始工作，通过摆臂的摆动让上盖装在主体上，上盖检测传感器检测到上盖装好后，托盘带工件沿直线单元下行。
3）穿销单元
旋转料仓为特殊机械传动方式，将差动机构旋转动作，综合成直线推动功能，将销钉准确装配到上盖与工作主体中间，使三者成为整体，销钉分为金属与非金属二种，可以根据不同销钉的类型进行分析、存放。
本装置的演示是根据销钉不同材料分层存放的。
4）模拟单元
托盘带工件进入本站，进入后托盘检测到位，进行加热和烘干的模拟动作，然后托盘带工件下行。
本站主要是让学生进行模拟量的编程和控制。
5）直线送料单元
直线送料单元是基本单元之一，它是由直流减速电机作驱动源，主动轮通过同步带带动从动轮转动，并通过O型带传到连动轮，用涨紧轮装置保持传送O型带的X力均匀。
传送平稳。
6）检测单元
托盘将装配好的成品进入检测单元，进行完工后的测试。
确定工件是否齐全。
同时对销钉的材质进行测试，对金属和尼龙销钉分别赋予不同的输出信号，并通过色差传感器检测工件是否贴标签，若没有贴上标签或工件不齐全则输出不合格信号，进入废料处理单元或继续沿生产线运行补齐工件；若标签以贴上且工件齐全，输出合格信号，对于合格品在进行销钉材质的分析使其分别进入不同的仓库，以便储存。
7）转角单元
这是一个无动力的从动单元，目的是为了改变方向，90度的换向单元在自动生产线中，在需要改变方向的地方加装此单元，可以快速、平稳的使工件改变运动的方向。
它的转动是靠转角单元的外连轮用“O”型带串联起来，无电器连接和驱动即可换向。
8）分检单元（气动机械手）
根据检测单元提供的信息，当托盘带工件在定位口时短程气缸下落，皮碗压紧工件真泵开关动作，排除皮碗内的空气，短程气缸上升，托盘继续前进，摆动缸将工件转动90度，下落到传送带将工件送到升降台。
进入仓库单元。
当是废品时，短程气缸下落，皮碗压紧废品件，真空泵开关动作，排除皮碗内的空气，短程气缸上升，托盘继续前进，无杆缸横移将废品装入废品线，真空泵充气废品掉在废品线上。
9）高架叠层立体仓库
该单元由升降梯与高架叠层立体仓库二部分组成，升降梯由升降台和链条提升部分组成，由步进电机做驱动电源，由光栅尺对升降梯上升或下降的高度进行准确的定位。
工件下行至此站，升降梯上的传感器检测到工件进入时，升降梯上的传送电机停止工作，此时工件停在升降梯上，升降梯带动工件上行，根据检测单元检测到的销钉材质的情况分别进入仓库的不同层，当到达该层时升降梯上的传送电机转动使工件进入该层仓库，当升降梯的位置达到该层仓库高度时本层仓库的电机也同时动作，本层仓库的传感器检测到工件进入后，本层的传送电机停，同时升降梯开始下降，回到初始位置，等待下一个工件。
10）废料处理单元
当废品到达废品处，测试传感器检测到废品到位，处理线由变频器控制三相异步电机将废品按指定地点进行回收。
11）主控平台
主控平台由铝合金、T型槽拼装而成，可以单独使用，也可以四面相互连成一体，做为实验平台，整套生产线以此铝合金为基础平台进行各种实验。
本装置可采用整套装置或独立单元运行，也可自行组合，先进行机械连接，再编程、调试，培训学生把所学到的东西变成实际，增强开创动手能力，扩展创新进取理念，毕业后可直接参加生产实际的工作。
工业电气自动化学生可进行编程外还可以进行组态画面的编程，通过触摸屏进行控制，真正把计算机与控制对象连接，还可进行总线控制（CANBUS、PROFIBUS…），总线连接。
机械自动化的学生可以进行自行设计新方案，在自动生产线上按照自己想象设计制造、加工、装配等新的制造工艺，创新自己的设想，实现整体的设计方案，同时教师可在机械传动中、电气传动中设置故障，让学生排查，锻炼和培养学生解决问题的能力和与同学合作能力，达到培养21世纪实际高级技能型的人才。
高级人才的目标：
坚实的基础理论知识；创新开发的进取理念；具有定性和定量的检测与分析能力；具备动手和排除故障的判断能力；能与他人合作共创共建的交往能力。
实践项目一送料装置（装配一站）
一、实践目的：
1、了解装配一站的装配过程
2、观察机械传动的全过程
3、了解每种传感器的功能和在此站的作用
4、用PLC控制整站过程并编程
5、熟悉全部电气接线与功能
二、实践材料：
1、整套装配一站机械设备
2、整机配套，西门子“S7200”可编程序控制器
3、万用表
4、电工工具
5、装配一站接线图，电气原理图、气动原理图
三、实践内容：
1、检查机械传动部分及PLC上的输入输出点的接线是否与图纸完全一致。
检测本站中S7200的通讯地址是否与S7300硬件通讯中设置的地址相同，以便使用总线控制。
2、进行无工件手动测试。
3、将手动/自动转换开关：
拨到“手动”。
4、按下启动按钮，同步带同向转动，观察间歇机构，电机每一转，同步带下降一次每两转同步带下降一个工件。
5、如果一切正常，开始将工件主体装入分料箱，从上开口向内装料，并保证料在两条同步带的同一层中，装好一个工件再按启动，工件下降一位，按停止键装第二个工件，依次可装进七个主体模块。
6、检测传感器位置，手动测试，托盘到位时托盘下传感器是否有输出信号（用万能表检测）。
移开托盘，传感器无输出信号。
7、检测气缸定位是否到位，到位工作指示灯亮。
8、定位气缸到位后，手动进行装配一站的手动装配，将工件主体下降到托盘，工件下落后定位气缸放行，托盘带工件下行，工作指示灯灭。
9、根据手动功能的全过程，编写PLC程序。
四、编程要求：
首先设计本站开关盒上每个按钮的作用，同时总站开关盒可对各站进行控制（总站开关盒的详细说明见总站编程），此要求为每站必须编写内容，以后各站将不在详述。
1、工件托盘到位后，工作指示灯亮，显示机械开始工作，2秒后送料电机启动。
2、主体工作靠自重下落到托盘后，电容传感器检测工件确实到位后启动定位气缸，同时第二站必须是预备工作状态，才可将工件放行，继续工作；
3、定位气缸放行，托盘沿传送带下行，工作指示灯灭，同时进行3秒延时，3秒后气缸复位，该站恢复预备工作状态。
五、问题
1、该站使用了哪些机械传动机构？
2、本站为什么采用有机玻璃作为主体结构？
现实生活中应采用什么材料？
附：
下料单元I/O分配表
输入
输出
序号
名称
I/O
备注
序号
名称
I/O
备注
1
托盘检测
I0.0
1
传送电机
Q0.0
2
工件检测
I0.1
2
下料电机
Q0.1
3
止动气缸复位
I0.2
3
止动气缸
Q0.2
4
止动气缸到位
I0.3
4
工作指示灯
Q0.3
5
启动
I2.0
5
Q
6
手动/自动
I2.1
6
Q
7
停止1
I2.2
7
Q
8
急停1
I2.3
8
Q
9
I
9
Q
10
I
10
Q
控制面板详细说明：
1、“220V电源”：
此电源分为两组，前面一组为外设电源，可供外部设备使用；另一组为本站电源，由其开关进行控制，当开关闭合时，本站电源得电，对应的本站执行装置可以工作，开关打开时，本站处于无电状态，而外设电源仍然有电，不受此开关控制。
2、“可编程序控制器S7-226和总线扩展模块EM277”：
将正确的程序输入到PLC中，即可控制各执行装置动作的执行情况，也可通过总线扩展模块使本站由总线进行整体的控制。
3、“PLC输入/输出状态指示灯”：
此指示灯对应着PLC各个输入和输出点，显示其输入/输出状态。
4、“手动/自动按钮”：
拨到“自动”时由总站进行控制。
拨到“手动”时可手动进行本站操作，只有当此按钮拨到“手动”位置时“启动按扭”和“停止按钮”才可具有控制作用。
5、“启动按钮”：
首先启动底层的传送电机，然后按先后顺序和各种传感器的检测情况进行相应的动作。
6、“停止按钮”：
按下此按钮时本站的动作均处于停止状态，按启动后可继续工作。
7、“急停按钮”：
遇到紧急情况，按下此按钮强制性的将各种设备处于停止工作状态，此时按其它按钮均不起作用，只有当急停按钮旋起时，各种设备才能正常工作。
8、“220V指示灯和24V指示灯”：
本站电源开关闭合时，220V指示灯亮，本站处于工作状态；开关打开时，灯灭，本站处于停止工作状态。
9、“模拟量扩展模块的接口位置”：
为模拟单元预留。
在模拟单元中增加两个模拟量模块。
10、在分检单元和升降梯与高架叠层仓库单元中220V指示灯和24V指示灯的位置为两个按钮，在分组实验时可以通过此按钮定义销钉的材质情况和工件是否合格。
在系统整体运行时，可根据检测单元检测到的实际情况进行动作，不需用到此按钮。
实践项目二加盖单元（装配二站）
一、实践目的：
1、了解翻转定位装配的工作原理
2、观察蜗轮蜗杆减速机的结构
3、了解连杆机构及连轴器的工作原理
4、了解每种传感器的功能和在此站的作用
5、用PLC控制整站过程并编程
6、熟悉全部电气接线与功能
二、实践材料：
1、整套装配二站机械设备
2、整机配套，西门子“S7200”可编程序控制器
3、万用表
4、电工工具
5、装配二站接线图，电气原理图、气动原理图
三、实践内容：
1、检查机械传动部分是否与图纸完全一致，检查编程器输入/输出点的接线情况，核对总线的通讯地址。
2、进行无工件手动测试。
3、将手动/自动转换开关：
扭向“手动”。
4、按启动按钮，电机开始启动，同步带同向转动，观察连杆机构，电机带动蜗轮蜗杆减速机转动（减速比为1：
10），主摆臂动作，进行取、放工件。
5、如果一切正常，开始将工件放在料槽内，工件靠本身自重滑行到位。
6、检测传感器位置，手动测试，托盘带主体件到位后，传感器是否有输出信号。
7、检测气缸定位是否到位，若到位工作指示灯亮。
8、当托盘带主体到达定位口并检测到位后，开始装配上盖。
将上盖与主体准确装配后，定位气缸放行，托盘带工件下行，工作指示灯灭。
9、根据手动功能的全过程，编写S7200的程序。
四、编程要求：
1、当托盘从一站下行至此，二站托盘检测到位，且携带工件主体，同时上盖检测无信号输出时（即无上盖时），启动下料电机，本站工作指示灯亮。
2、PLC通过两个继电器控制电机正反转，电机带动减速机使摆臂动作，主摆臂从料槽中取出上盖，翻转180度，当碰到放件控制板时复位弹簧松开，此时摆臂碰到限位开关后停止，上盖靠自重落入工件主体内。
3、放完工件后，摆臂回到初始状态。
4、当上盖检测传感器检测到上盖放好后，延时2秒，止动气缸放行，至下一站，工作指示灯灭，止动气缸复位，该站恢复预备工作状态。
五、问题：
1、该站使用了哪些机械传动原理？
2、摆臂两侧采用限位开关的作用是什么？
附：
加盖单元I/O分配表
输入
输出
序号
名称
I/O
备注
序号
名称
I/O
备注
1
上盖检测
I0.0
1
取件
Q0.0Q0.1
2
托盘检测
I0.1
2
放件
Q0.1
3
止动气缸至位
I0.2
3
工作指示灯
Q0.2
4
止动气缸复位
I0.3
4
止动气缸
Q0.3
5
摆臂至位
I0.4
5
传送电机
Q0.4
6
摆臂复位
I0.5
6
Q
7
手动/自动
I2.0
7
Q
8
启动
I2.1
8
Q
9
停止
I2.2
9
Q
10
急停
I2.3
10
Q
实践项目三穿销单元（装配三站）
一、实践目的：
1、了解旋转装配的机械传动结构
2、观察销钉的存放与下降原理
3、了解每种传感器的功能和在此站的作用
4、用PLC控制整站过程并编程
5、熟悉全部电气接线与功能
二、实践材料：
1、自动装销钉单元
2、整机配套，西门子“S7200”可编程序控制器
3、万用表
4、电工工具一套
5、电器接线图，电气原理图、气动原理图
三、实践步聚：
1、将气缸与旋转装配传动机构托勾，用于推、拉旋转装配体，观察运动过程，与销钉连动原理。
2、将气缸与旋转装配机构重新接好，打开气源开关，用手动开关控制二位三通阀门推动气缸往返活动。
（注意：
应在无销钉时检测工件主体中孔的位置与本站销钉穿入的位置是否吻合。
）
3、以上步骤进行完后，将“手动/自动”转换开关打到手动，按“启动按钮”，观察电磁阀运动过程。
4、根据本单元动作过程，检查各传感器的功能。
止动气缸到位止动气缸复位
销钉气缸到位销钉气缸复位
托盘检测
销钉检测
5、根据PLC的I/O分配情况表检查编程器输入/输出点的接线是否正确。
6、根据手动功能的全过程，编写S7200的程序。
四、编程要求：
1、当托盘带工件主体下行至本站，托盘检测到位后，销钉检测为主体内无销钉，此时进行3秒延时，延时时间到后，销钉气缸置位，开始穿销钉，工作指示灯亮。
2、当销钉气缸穿完销钉后销钉气缸复位，且进行延时。
3、2秒后，止动气缸放行，工作指示灯灭，托盘带工件下行，本站恢复就绪状态。
五、问题：
该站使用了哪些机械传动原理？
附：
穿销单元I/O分配表
输入
输出
序号
名称
I/O
备注
序号
名称
I/O
备注
1
销钉检测
I0.0
1
止动气缸
Q0.0
2
托盘检测
I0.1
2
工作指示灯
Q0.1
3
止动气缸至位
I0.2
3
销钉气缸
Q0.2
4
止动气缸复位
I0.3
4
传送电机
Q0.3
5
销钉气缸至位
I0.4
5
Q
6
销钉气缸复位
I0.5
6
Q
7
手动/自动
I2.0
7
Q
8
启动
I2.1
8
Q
9
停止
I2.2
9
Q
10
急停
I2.3
10
Q
实践项目四模拟单元（装配四站）
一、实践目的：
1、了解电炉丝的加热原理和加热过程
2、了解PLC对模拟量控制的编程过程
3、了解每种传感器的功能和在此站的作用
4、用PLC控制整站过程并编程
5、熟悉全部电气接线与功能
二、实践材料：
1、模拟单元
2、整机配套，西门子“S7200”可编程序控制器
3、万用表
4、电工工具一套
5、电器接线图、电气原理图、气动原理图
三、实践步聚：
1、检查机械传动部分是否与图纸完全一致，检查编程器输入/输出点的接线情况，核对总线的通讯地址。
2、将“手动/自动”转换开关拨到手动，按启动按钮进行手动控制。
3、启动喷气阀，观察喷气情况。
4、观察电炉丝的加热情况。
5、根据本单元动作过程，检查各传感器的功能。
6、根据手动功能的全过程，编写S7200的程序。
四、编程要求：
1、托盘带工件下行至此站，托盘检测传感器检测到托盘到位，启动喷气阀，进行延时。
2、500ms后关闭喷气阀，用最大的加热程度加热，持续8秒。
3、8秒后停止，循环读取输入。
（用热电阻输入值和设定值46°比较，若小于输入值则按50%的最大加热程度加热，一直加热到当循环读取的输入值大于或等于设定值时，跳出。
）加热停止，启动风扇散热，进行延时。
4、5秒后止动气缸放行，托盘带工件下行，风扇停，同时进行3秒延时。
5、延时时间到后，止动气缸复位，循环标志和采样标志清零。
本站进入预备工作状态。
五、问题：
1、该站的PLC输入和输出与其它站有何不同？
2、模拟量输入输出的编程特点是什么？
附：
模拟单元I/O分配表
输入
输出
序号
名称
I/O
备注
序号
名称
I/O
备注
1
托盘检测
I0.0
1
止动气缸
Q0.0
2
温度检测
I0.1
2
喷气阀
Q0.1
3
止动气缸至位
I0.2
3
风扇
Q0.2
4
止动气缸复位
I0.3
4
工作指示灯
Q0.3
5
手动/自动
I2.0
5
传送电机
Q0.4
6
启动
I2.1
6
Q
7
停止
I2.2
7
Q
8
急停
I2.3
8
Q
9
I
9
Q
10
I
10
Q
实践项目五检测单元（装配五站）
一、实践目的：
1、了解PROFIBUS的功能
2、了解每种传感器的功能和在此站的作用
3、用PLC控制整站过程并编程
4、熟悉全部电气接线与功能
二、实践材料：
1、检测单元
2、整机配套，西门子“S7200”可编程序控制器
3、万用表
4、电工工具
5、电器接线图、电气原理图、气动原理图
三、实践基本知识介绍：
现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通讯网络。
优点：
1、具有较高的性能价格比，系统综合成本降低。
导线连接附件减小，设计安装方便，调试、维护费用大幅度的减少，维护和改造停工时间将减少60%~80%。
2、系统性能的提高，使控制系统的档次跨越了一个台阶。
自动诊断、显示故障位置，诊断包括总线节点的通讯故障，电源故障，以及现场装置和连接件的断路、短路故障，从而使设备维护人员可以迅速发现系统的各种故障位置和状态。
3、采用数字信号通讯，有效提高了系统的测量和控制精度。
4、安装快速、简便、更适合设备的改造和更新。
5、可靠的数据传输、快速的数据响应、强大的抗干扰能力。
6、PROFIBUS，占目前世界工业总路线的24%以上，这是最优的总线，世界X围的标准是标准化的开放式通讯网络，即PLC作为主控制器与现场设备数据交换的通讯网络，12Mbps是其最快的通讯速率，扫描1000个I/O点的时间少于1ms。
7、一个系统可以有126个节点，数千个模拟量和数字量。
8、一个独立模块，可连接8个以下现场装置，扩展模块，通过接口模块连接到总线上，根据需要可以最多扩展至256个点。
9、本模块可直接连接Profibus-DP总线上，它最多可连接8个开关输入，同时可驱动4个开关量执行器。
10、输入具有共用短路保护功能，每个通道有一个绿色LED指示信号状态一个绿/红双色总线LED指示模块的在线/离线状态。
四、实践内容
1、检查各种传感器的工作情况。
气缸到位传感器（非接触式）气缸复位传感器（非接触式）
托盘到位传感器（电感式）材质检测（磁感式）
色差检测（智能式）销子检测（电容式）
2、根据接线图和输入/输出明细表，检查编程器输入/输出点的接线情况。
3、根据传感器的检测顺序与合格、不合格的分辨条件，编写检测PLC程序。
五、编程要求：
1、当托盘带工件进
升级会员 