机械设计制造及其自动化专业毕业论文(设计)气动自动生产线加工系统的电路及控制设计.doc

机械设计制造及其自动化专业毕业论文(设计)气动自动生产线加工系统的电路及控制设计.doc

《机械设计制造及其自动化专业毕业论文(设计)气动自动生产线加工系统的电路及控制设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械设计制造及其自动化专业毕业论文(设计)气动自动生产线加工系统的电路及控制设计.doc（36页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

三江学院

本科生毕业设计（论文）

题目气动自动生产线加工系统的

电路及控制设计

三江高职院（系）机械设计制造及其自动化专业

学号G095152037

学生姓名周宏源

指导教师康杰

起讫日期2012.12.17～2013.4.5

设计地点三江学院

摘要

随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，国内外对自动生产线技术的研究非常重视，已经进行了大量研究，自动化工业发展极快。

自动化生产线融合了气动技术、传感器技术、PLC技术、计算机及网络通讯技术等众多学科于一身，增强我们对机电一体化专业知识应用的感性认识，并提高解决综合问题的能力。

本文以自动生产线的加工系统为例，对模块化生产系统开发过程中控制系统开发的相关技术进行了研究。

确定了以SIEMENSS7-200PLC为核心的控制系统，完成了加工系统总体功能设计与分解以及各个模块的功能设计与分解，完成了系统加工模块工艺流程的详细设计、PLC程序设计、为模块之间的协调工作设计了合理的传递信息，完成了各个模块的联机工作工艺流程详细设计。

关键字：

PLC；生产线；加工系统；自动化

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofelectronicandinformationtechnology,especiallywiththeadventofcomputersandthewidespreadapplication,thedomesticandforeignresearchonautomaticproductionlinetechnologyveryseriously,hasconductedextensiveresearch,therapiddevelopmentofindustrialautomation.Automaticproductionlineforfusionofmanydisciplinesofpneumatictechnology,sensortechnology,PLCtechnology,computerandnetworkcommunicationtechnologytoabody,enhanceoursenseoftheelectromechanicalintegrationprofessionalknowledgeapplication,andimprovethecomprehensiveabilitytosolveproblems.

Inthispaper,theprocessingsystemofautomaticproductionlineasanexample,thetechnologyassociatedcontrolsystemforthedevelopmentofproductionintheprocessofdevelopingthesystemstudiedmodule.AcontrolsystembasedonSIEMENSS7-200PLCasthecorewasdetermined,theoverallfunctionofprocessingsystemdesignanddesignofeachmoduleandfunctiondecompositionanddecomposition,tocompletethedetaileddesign,theprocessingmoduleofthesystemistheprocessofPLCprogramming,tocoordinatetheworkbetweenthemodulesdesignedtotransferinformationreasonable,completestheon-lineprocessthedetaileddesignofeachmodule.

Keywords:

PLC;productionline;processingsystem;automation

目录

第一章绪论 1

1.1自动化技术的现状与发展 1

1.2可编程序控制器的现状与发展 1

1.3本论文主要内容 2

1.4本章小结 3

第二章加工系统总体功能设计与分解 4

2.2加工系统总体功能设计与分解 4

2.3加工控制系统 7

2.4本章小结 10

第三章系统工艺流程设计 11

3.1加工系统控制要求 11

3.2系统I/0布置 11

3.3加工系统工艺流程详细设计 13

3.4本章小结 16

第四章控制程序编制与调试 17

4.1程序编制 17

4.2程序仿真 19

4.3本章小结 21

总结与展望 22

致谢 23

参考文献 24

附录 25

三江学院2013届本科生毕业设计（论文）

第一章绪论

1.1自动化技术的现状与发展

随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，国内外对自动化生产线技术的研究非常重视，已经进行了大量的研究，自动化工业发展极快。

虽然我国对自动化生产线技术的研究十分重视，近年来已在研究和应用上作了大量工作。

但是由于：

（1）工业企业效益不好，就投资类需求看出，我国还没有很好的完成工业化任务；

（2）微电子技术落后，不能很好支撑工控的发展。

工控要配套的集成电路、电力电子器件，关键外部设备和系统软件等基本依靠进口，致使工控产品开发周期较长；

（3）我国的工控人才整体水平不高，而工控产品开发和推广应用对人才要求较高（即懂机又懂电，即懂工控硬软件又懂应用工业工艺的复合人才）。

这些情况都导致了国内自动化生产线市场几乎被日本和德国垄断，如西门子，三菱，川崎，本田等等，国内能独立生产自动化生产线的基本没有，针对在当今我国工业自动化水平还比较低，大量企业的机器设备还需要工人进行手工操作，这些情况已经成为制约我国科技和生产力进步的沉重枷锁。

所以，采用各种办法加速我国传统企业的自动化改造，大力发展我国自动化技术已经成为当务之急。

在这种情况下，向大众普及自动化技术知识，宣传自动化技术是十分必要的。

1.2可编程序控制器的现状与发展

第一台可编程控制器（PLC）的设计规范是美国通用汽车公司提出的，当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂。

操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。

这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。

在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。

到20世纪70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出其实用化阶段的第一步。

70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环控制，提高了运算速

1

度，扩大了输入输出规模。

在这个时期，日本、西德（原）和法国相继研制出自己的PLC，我国在1974年也开始研制。

70年代末由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。

进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。

PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。

无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。

在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD/CAM将成为实现工业生产自动化的三大支柱。

目前PLC朝以下几个方向发展：

（1）大型网络化：

主要朝DCS方向发展，网络化和强通信能力是PLC发展的一个主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机等相连构成特殊的控制任务。

（2）多功能：

为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速技术、中断输入等。

PLC应用越来越广泛，对自动化生产线技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件，使其开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展。

根据近几年的资料表明，国外的自动生产线中60%都采用PLC来完成，在先进工业国家中PLC已成为自动化控制的标准设备，应用几乎覆盖了所有工业企业。

可编程序控制器已经广泛用于各行各业，用可编程序控制器设计自动控制系统已成为世界潮流。

在我们国家，可编程序控制器的应用范围不断扩大，正处于方兴未艾之势。

1.3本论文主要内容

1.3.1本课题研究目的

本论文的研究目的是解决自动生产线加工系统研制开发过程中所涉及到的系统总体功能设计与分解、系统模块功能设计与分解、工艺流程详细设计、PLC程序设计等关键控制技术，开发出一条集工业总线技术、机械传动与执行机构技术、PLC控制技术、电气控制技术、传感器技术于一体的自动生产线加工系统，为生产加工系统的开发设计提供了技术上的探索和有益的借鉴。

1.3.2本课题研究任务

本论文涉及的主要研究任务包括：

（1）系统总体功能设计与分解。

在分析系统工作原理的基础上，确定生产加工系统的总体功能，并对总体功能进行分解，确定系统的组成模块。

（2）各个模块的功能设计与分解。

在确定了系统的总体功能以及组成模块的基础上，对各个组成模块的功能进行设计和分解，为进行各个模块控制器的开发、工艺流程的详细设计、程序流程的详细设计奠定基础。

（3）加工系统工艺流程详细设计。

完成加工系统的多功能工艺流程的设计，包括详细的工艺流程设计、程序流程设计、PLC程序设计。

1.4本章小结

本章分析了自动化技术的现状与发展状况，分析了可编程序控制器的现状与发展；论述了本课题的目的，明确了本课程的研究内容，为下面论文做好了规划。

第二章加工系统总体功能设计与分解

2.1加工系统工作原理

在加工系统中，工件将在旋转平台上被加工及检测。

本系统设计了六个旋转板，四个工位，工位的轮换由直流电机驱动旋转平台转动实现。

平台的定位由传感器结合程序实现，光电式传感器检测平台的位置。

多个工位可以同时完成多个工件的加工检测，工件在平台平行地完成工件的检测及加工。

由带电感式传感器的电磁执行装置来检测工件是否合格的孔深，在进行钻孔加工时，电磁执行件夹紧工件，加工完的工件通过电动推杆传送到下一个工作站。

加工系统主要由旋转工作台模块、检测模块、钻孔模块、等组成。

光电式传感器固定在加工模块的铝合金底板上，在第一个工位的下方。

当工作台转到第一个工位时，由于工作台在各个工位处均留有圆孔，如果第一工位上没有工件，光电式传感器发出的光线将直接穿过圆孔，而不被遮挡，即没有反射光线返回给传感器，则传感器的输出信号为“0”，如果此时该工位上放有工件，则孔被工件挡住，工件将光线反射给传感器，则传感器的输出信号为“1”，利用光电传感器信号的变化即可判断是否有工件放在了1号工位上。

工件放置到1号工位后，如果2号位的工件加工完毕，3号位的工件检测完毕且4号位工件被推到下一站时，工作台转动一个工位，这样1号工位的工件被送到2号工位用于检测，2号工位的工件被送到3号工位加工，3号工位的工件被送到4号工位取走，4号位工件被取走。

2.2加工系统总体功能设计与分解

在加工系统中，工件将在旋转平台上被检测及加工。

本系统设计了六个旋转板，其中有四个工位，工位的轮换由直流电机驱动旋转平台转动实现。

平台的定位由传感器结合程序实现，光电式传感器检测平台的位置。

多个工位可以同时完成多个工件的检测加工，工件在平台并行地完成钻孔的检测及加工。

检测系统检测合格的工件通过滑槽被输送到工作平台的1号位，由带光电式传感器来检测工件是否有放置在正确的位置，在2号位进行工件检测，利用电磁柱塞来检测工件的孔是否向上。

检测完的工件需要传输至3号位进行对工件材质的判断后再对金属工件进行钻孔加工，在进行钻孔加工时，夹紧执行机构夹紧工件，以实现工件的定位夹紧。

结构如图2-1所示：

1号位

2号位

3号位

4号位

图2-1加工系统图

由此加工系统主要设计了三个模块:

旋转工作台模块、检测模块、钻孔加工模块。

l）旋转工作台模块

旋转工作台模块主要由旋转工作台、工作台固定底盘、传动齿轮、直流电机、定位凸轮、电感式接近开关传感器、漫反射光电传感器、支架等组成。

旋转工作台模块结构如图2-2所示：

图2-2旋转工作台模块

在工作台上有6个旋转板，用于存放工件，每个工位的下方都有一个圆孔，用于光电传感器对工件进行识别。

直流电动机用于驱动工作台转动，它通过一对齿轮减速后将动力传递到工作台。

通过工作台的转动实现各个工位上工件的流动。

电感式接近开关传感器用于判断工作台的转动位置，以便于进行定位控制。

对于工作台的6个旋转板，分别有6个金属的定位凸块与之相对应，各个凸块与工作台相对固定。

当凸块接近电感式接近开关时，就会使电感式接近开关动作。

该信号可以用来判断工作台是否转动到了工位。

光电式传感器固定在加工系统的铝合金底板上，在第一个工位的下方。

当工作台转到第一个工位时，由于工作台在各个工位处均留有圆孔，如果第一工位上没有工件，关电式传感器发出的光线将直接穿过圆孔，而不被遮挡，即没有反射光线返回给传感器，则传感器的输出信号为“0”，如果此时该工位上放有工件，则孔被工件挡住，工件将光线反射给传感器，则传感器的输出信号为“1”，利用光电传感器信号的变化即可判断是否有工件放在了1号工位。

2）检测模块

检测模块主要用于实现对加工件的检测，检测系统主要由光电式传感器、电磁柱塞（检测装置）及电感传感器组成。

检测模块的结构如图2-3所示：

图2-3检测模块图

其工作原理是:

在检测工件时，电磁柱塞能下降到位，则认为工件合格，若电磁柱塞不能下降到位，则认为工件不合格，电磁柱塞的位置是通过安装在下端的电感传感器来判断的。

3）钻孔模块

钻孔模块的结构如图2-4所示。

它一般由钻孔电机、钻孔装置、夹紧装置、钻孔模块支架等组成。

图2-4钻孔模块图

钻孔模块实现的是钻孔加工过程，该钻孔模块用于工件孔的加工。

电力设备保留了工件夹紧，送料及钻孔电机返回的行动影响通过与线性驱动齿轴的手段。

一个电子齿轮驱动线性轴和中继电路用于启动马达,该钻机马达使用24伏直流电并且速度不可调。

最终位置传感器的方式是通过行程开关的手段，接近极限开关引起的轴的线性运动的方向逆转。

2.3加工控制系统

2.3.1西门子S7-200简介

SIMATIC系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、检测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

*极高的可靠性

*极丰富的指令集

*易于掌握

*便捷的操作

*丰富的内置集成功能

*实时特性

*强劲的通讯能力

*丰富的扩展模块

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统。

2.3.2传感器和电源选用

在加工系统中，各个模块的输入信号大部分为传感器信号，传感器信号也是控制系统进行控制的主要依据。

执行机构的起停控制、动作顺序均是以此为依据，传感器检测点的设置合理与否，也直接决定了系统控制流程与控制策略的合理性及实现的难易程度，因而再次系统中我们选用了光电传感器和电感式传感器。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转化成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转化成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的机构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，在由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

电感式传感器具有一下特点：

（1）机构简单，传感器无活动点触点，因此工作可靠寿命长。

（2）灵敏度和分辨率高，能测出0.01微米的位移变化。

传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。

（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%-0.1%。

同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。

但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。

加工系统使用的是单相交流电源AC220V,而连接到传感器和变送器执行器的执行驱动电压需要的是DC24V，所以这里要变频器，并加上电容进行滤波处理。

2.3.3控制系统软件STEP7-Micro/WIN

STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。

它是SIMATIC工业软件的组成部分。

有下列版本的STEP7标准软件包：

1）用于SIMATICS7-200上简单单站应用的STEP7-Micro/DOS和STEP7-Micro/WIN。

STEP7-Micro/WIN是西门子公司专为SIMATICS7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，即可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。

STEP7-Micro/WIN编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能。

（1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。

在脱机方式时，计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。

（2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。

（3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法语法错误和数据类型方面的错误。

经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。

（4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。

（5）设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。

2）用于使用带有各种功能SIMATICS7-300/ST-400、SIMATICM7-300/M7-400和SIMATICC7的STEP7标准软件包。

STEP7标准软件包运行在WindowS95/98/2000/NT下，与Windows的图形和面向对象的操作原则相匹配，支持自动控制任务创建的各个阶段。

STEP7标准软件包提供的主要应用工具如下：

（1）SIMATIC管理器

用于集中管理一个自动化控制项目，可以方便地浏览SIMATICS7，SIMATICM7，SIMATICC7的所有工具软件和数据，编辑数据所需要的工具在启动SIMATIC管理器时自动调入。

（2）符号编辑器

用于定义符号名称、数据类型和注释全局变量，管理所有的共事符号。

符号编辑器的功能是：

定义符号名称和过程信号的注释；进行功能分类；与其他Windows程序的交换。

（3）硬件组态

用于对自动化系统进行硬件配置和参数赋值。

硬件组态工具的功能是：

进行自动化系统的配置，从编程元素目录中选择硬件模板。

分配到机架中期望的插槽；对分布式I/0的配置与集中I/0的配置方式相同，同时支持通道专用I/0；进行I/0参数的属性设置，如启动特性和扫描时间可在菜单帮助下调整、支持多次计算；输入的数据存储在CPU的系统数据块中；进行硬件模板的参数设置，可以从屏幕上定义所有模板的可调参数，而不必通过DIP开关设置，当CPU上电时，自动进行硬件模板的参数设置，在更换模板时无需做另一次参数设置；进行功能模板（FM）和通信处理器（CP）的参数设置，对每个FM和CF模板提供专用的屏幕格式与则（有专门的软件包），为防止输入错误的数据，在参数设置屏幕中只能输入允许的数据。

（4）通信组态

用于定义经MPI连接的自动化组件之间，使用NETPR0时间驱动的周期性数传送，或定义用MPI、PROFIBUS、工业以太网进行的事件驱动数据传送。

通信组态工具的能是：

组态的连接和显示；通过MPI进行的由时间驱动的循环数据传送；定义由事件驱动的数据如通信连接，从集成块库中选择通信块；用编程语言（如LAD）对所选通信块进行参数设置。

（5）硬件诊断

用于提供PLC的工作状态概况，快速浏览CPU数据和用户程序在运行中的故障原因。

硬件诊断工具的功能是：

快速直接读取信息文本；显示模板的一般信息，如模板的订货号、版本号、模板的状态；显示模板的故障。

如集中F0和DP子站的通道故障；用户程序运行中的故障原因；显示循环周期：

显示占用和未占用的存储区；MPI的容量和利用率；显示性能数据。

如可能的输入/输出点数、位存储器、计数器、定时器和块。

（6）编程语言

可以使用梯形图（LAD）,语句表（STL）、功能块图（FBD），编程语言。

还可以根据控制任务的需要，选择其他的编程语言和组态工具，如连续期能图CFC、标准控制语言SCL、顺序控制流程图S7-GRAPH、状态图57-HIGraph、高级语言S7SLC和M7-Pro/C++等。

2.4本章小结

本章在分析了生产加工系统原理的基础上，确定了生产加工系统总体功能，并对总体功能进行了分解，确定了系统的组成模块。

同时对加工系统控制器开发过程中用到的相关技术、工具、软硬件系统、传感器进行了分析。

本章的研究内容是后续工作的基础和保障，是进行加工系统设计开发的依据。

第三章系统工艺流程设计

3.1加工系统控制要求

加工系统是FESTO