plc控制技术在柔性制造系统的应用解析.docx
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plc控制技术在柔性制造系统的应用解析
CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY
《PLC控制技术在柔性制造系统的应用研究》
小组成员：
于跃，熊皓，李明康，王宇杰，张立刚，彭彬
班级
:
机电1102
专业：
机电一体化
指导教师：
李旭宇，陈耿彪，杨义蛟
2014年6月
目录
摘要.......................................................4
0前言.....................................................4
1柔性制造系统.............................................4
1.1柔性制造系统（FMS）的组成...........................4
1.2柔性制造系统的优势..................................5
1.3FMS柔性制造系统的发展现状............................6
1.4柔性制造系统的发展前景................................6
1.4.1控制技术发展迅速.................................6
1.4.2现代柔性制造系统的发展趋势.......................7
2PLC可编程逻辑控制器......................................7
2.1PLC的定义............................................7
2.2PLC的基本结构.......................................7
2.3PLC控制技术工作原理.................................8
2.4PLC控制技术的功能特点...............................8
3PLC控制技术在柔性制造系统中的应用研究...................9.
3.1PLC控制技术在柔性制造系统的应用简介...................9
3.2PLC控制技术在柔性制造系统的应用.....................9
4PLC控制技术在成品分装输送单元的应用与研究.................9
4.1产品概述...............................................9
4.1.1产品应用.........................................9
4.1.2产品的组成模块...................................9
4.2主要组成与功能..........................................10
4.3主要技术指标............................................10
4.4使用方法................................................10
4.5成品分装输送单元中用到的主要技术.........................10
4.5.1检测与传感技术....................................10
4.5.2伺服驱动技术......................................11
4.5.3气动技术基础......................................11
4.6气动技术基础.............................................11
4.6.1气动技术的简介....................................11
4.6.2气动传动的优缺点..................................11
4.6.3气动系统的组成.....................................12
4.7基本流程图..............................................13
4.7.1流程图解析.........................................14
4.8气动回路原理图..........................................14
4.8.1工作原理...........................................15
4.8.2电气原理图解析.....................................15
4.9PLC控制的循环主题部分....................................15
4.9.1循环主体解析.......................................16
4.10PLC，气动，电控的三者融合...............................16
5结语........................................................17
参考文献....................................................18
PLC控制技术在柔性制造系统的应用研究
于跃，熊皓，李明康，王宇杰，张立刚，彭彬
（长沙理工大学，汽车与机械工程学院）
[摘要]：
本文主要介绍了PLC控制技术在柔性制造系统中的应用。
首先介绍了目前国内外柔性制造系统的现状，以及现代柔性制造系统的发展趋势，然后以柔性制造系统中成品分装输送单元为例，详细介绍了此单元中运用的技术和组成模块。
其中的技术以PLC控制和电动控制和气动控制为主，本文对这两种技术进行了详细研究。
[关键词]：
PLC控制技术，柔性制造系统,成品输送单元，电动控制，气动控制
0前言
20世纪60年代以来，随着生活水平的提高，用户对产品的需求朝多样化、新颖化的方向发展，传统的适用于大批量生产的自动线生产方式已不能满足企业的要求，企业必须寻找新的生产技术以适应不同品种的大中小批量的市场需求。
同时，计算机技术的产生和发展，CAD/CAM、计算机数控、计算机网络等新技术新概念的出现以及自动控制理论、生产管理科学的发展也为新生产技术的产生奠定了技术基础。
在这种情况下，柔性制造技术应运而生。
1柔性制造系统
1.1柔性制造系统（FMS）的组成
虽然FMS（FlexibleManufacturingSystem）的规模差别较大，功能不一，但都包含3个基本部分，加工系统、运储及管理系统和计算机控制系统。
在此基础上，可以根据具体需求选择不同的辅助工具，如监控工作站、测量工作站等。
FMS的组成见下表1。
表1 FMS的组成
组成名称
作用
组成内容
基
本
部
分
加工系统
FMS的主体部
分，用于加工零件
加工单元指有自动换刀及换工件功能的数控机床
运储及管理系统
向加工单元及辅助工作站运送工件、夹具、刀具、工具等
工件运送及管理系统组成:
毛坯、半成品、夹具组建的存储仓库、工件托盘运输小车、工件、夹具装卸站、缓冲存储站刀具运送及管理系统组成:
刀具存储库、交换刀具的携带装置、交换刀具的运送装置、刀具刃磨、组装及预调工作站
计算机控制系统
控制并管理FMS的运行
由计算机及其通信网络组成
辅助工作站
选件功能
根据不同的需求，配置不同的辅助工作站，如清洗工作站、监控工作站、在线测量工作站
1.2柔性制造系统的优势
应用柔性制造系统可以获得明显的制造优势：
1）设备利用率高
由于采用计算机对生产进行调度，一旦有机床空闲，计算机便给该机床加工任务。
在典型情况下，采用柔性制造系统中的一组机床所获得的生产量是单机作业环境下同等数量机床生产量的3倍。
2）减少生产周期
由于零件集中在加工中心上加工，减少了机床数和零件的装卡次数。
采用计算机进行有效的调度也减少了周转的时间。
3）具有维持生产的能力
当柔性制造系统中的一台或多台机床出现故障时，计算机可以绕过出现故障的机床，使生产得以继续。
4）生产具有柔性
可以响应生产变化的需求，当市场需求或设计发生变化时，在FMS的设计能力内，不需要系统硬件结构的变化，系统具有制造不同产品的柔性。
并且，对于临时需要的备用零件可以随时混合生产，而不影响FMS的正常生产。
5）产品质量高
FMS减少了卡具和机床的数量，并且卡具与机床匹配得当，从而保证了零件的一致性和产品的质量。
同时自动检测设备和自动补偿装置可以及时发现质量问题，并采取相应的有效措施，保证了产品的质量。
6）加工成本低
FMS的生产批量在相当大的范围内变化，其生产成本是最低的。
它除了一次性投资费用较高外，其他各项指标均优于常规的生产方案。
1.3FMS柔性制造系统的发展现状
从首个柔性制造系统的诞生到现在,柔性制造系统的发展也经历了几十年的发展。
第一个柔性制造系统是由英国Molins公司在1967年研制成功的。
随着科技的快速发展,目前世界上一些发达国家已经成熟的掌握了这项技术,而且这些发达国家己经将这项技术用于现场的工业应用中。
据资料统计显示,到1991年的时候,全世界上对柔性制造系统的年投资额达到了140亿美元,其中欧洲占了将近50%。
在美国、德国、日本、俄罗斯、英国等这些工业发达的国家,柔性制造系统的使用可以说是比较普遍了。
提起柔性制造系统,大家并不陌生,世界上很多工业发达的国家将柔性制造系统（FMS）用于汽车制造方面,这使得汽车的换代周期大大的缩短了,同时也节省了近一半的的劳动力,设备的利用率提高了近一倍左右,生产场地和在制品也减少了一半以上,更可喜的是,生产成本降低了一半左右。
功能模块、界面的标准化、加工过程的自动监控及集成化是20世纪末柔性制造系统发展的特点。
今后柔性制造系统开发的中心任务将转向能够提高柔性制造系统柔性、鲁棒性、智能性的控制和软件技术方面。
我国从1984年才开始研制柔性制造系统17年。
我国第一套柔性制造系统于1985年10月诞生在北京机床研究所。
该套柔性制造系统用于加工数控机床直流伺服电机中的端盖、主轴、壳体、法兰盘和刷架体等,它由5台国产加工中心、4台日本产的机器人及日本富士电机公司的AGV组成,其控制系统由FANUC提供,据业内人士分析它的投资回收期约为两年半。
从我们国家开始研制柔性制造系统到我们自主成功研发一套柔性制造系统,主要经历了两个重要阶段。
第一阶段就是,1985年以后,有了国家机电部“七五”重点科技攻关项目的支持,同时也有了国家863高技术发展计划自动化领域的工作的带动,我们国家的柔性制造系统得到了极大的重视和快速的发展,这个时期我们对柔性制造系统的研发是进入了自行开发和部分进口的交叉阶段。
第二个阶段就是,北京机床研究所在1988年成功研发了加工减速机机座的JCS.FMS.H系统,这个系统全部是我们国家自行开发和配套的,它的研制成功标志着我们国家己经具有自主开发柔性制造系统的实力了。
近些年,随着计算机技术、精密机械技术和控制技术等技术的快速发展,我们国家的柔性制造技术也得到了快速的发展。
柔性制造系统的使用率也提高了不少。
我们的柔性制造系统的发展虽然取得了一些成绩,但同时也出现了一些问题,比如我们的柔性制造系统安装时间比较长、调试时间比较长、性能不太稳定等很多不足之处。
所以在柔性制造技术的发展上面,我们还需要努力,我们还需要不断地学习。
1.4柔性制造系统的发展前景
1.4.1控制技术发展迅速
目前柔性制造技术的研究正朝着深度和广度的方向发展。
柔性制造系统（FMS）的大脑及神经中枢是单元控制系统,随着计算机技术的快速发展以及人工智能技术的发展与应用,无论是从软件还是硬件方面来说,柔性制造系统的控制技术都有突飞猛进的发展。
主要表现在以下几个方面:
l）不断推出新型的控制软件。
随着柔性制造系统（FMS）的发展,特别是计算机集成制造系统的的发展,单元控制软件也有了相当迅速的发展,制造商和应用商都在不断的引进或推出新的单元控制软件。
2）控制软件的模块化和标准化。
为了方便对柔性制造控制软件进行修改、集成或扩展,控制软件模块化和标准化已成为柔性制造系统中控制系统的主要发展趋势。
3）迅速发展新型软件。
目前软件开发逐渐成为控制系统发展的瓶颈,所以很多软件公司开始不断的推出一些称为“平台”的支持开发工具,目的是帮助用户完成自己工程项目的设计和实施。
4）积极引入设计新方法。
为了提高控制系统的有效性和正确性,一些软件公司在不断开发新型控制软件和发展软件开发工具的同时,还积极引入设计新方法。
例如面向对象方法。
5）发展新型控制体系结构。
在柔性制造系统的控制体系结构上,柔性制造系统也经历了几个阶段,在前期使用的是集中式分级控制体系结构,当控制系统的最顶层出现故障时,柔性制造系统将会全部瘫痪,所以这种结构实现控制功能比较困难。
后来出现了多级分布控制体系结构,这种结构的控制功能是比较容易实现,同时可靠性也比较高,但控制层数比较多,导致系统的工作效率和灵敏性比较差。
后来出现了自制协商式控制体系结构,这种控制结构响应速度快、柔性好,适合于开始先安装数量较少小型的比较容易管理的柔性制造单元,然后再将各单元之间的信息流和物料流的集成在一起。
6）大力开发应用人工智能技术。
将人工智能的专家系统广泛应用于柔性制造系统中各单元的控制技术中。
比如用于检测单元、仿真等。
1.4.2现代柔性制造系统的发展趋势
1）柔性制造单元（FMC）将成为发展和应用的热门技术
由于柔性制造单元的投资比少,而且经济效益与柔性制造系统比较接近,
所以柔性制造单元将会成为发展和应用的热门技术。
而且很多中小型企业由于财力的原因,他们更愿意选择柔性制造单元（FMC）,目前国外很多厂家已经将柔性制造单元（FMC）列为他们的发展重点。
2）发展高效率的柔性制造线（FML）
一些少品种大批量的生产企业对柔性制造线（FML）的需求引起了很多制造厂的极大关注。
将来柔性制造线（FML）的发展趋势将是用价格低廉的专用数控机床来替代一些通用的加工中心。
3）FMS朝多功能方向发展
随着一些先进技术的发展,单纯的加工型FMS并不能满足人们的需求,人们开始进一步开发以焊接、装配、检验及饭金加工等多工序的多功能FMS。
2PLC可编程逻辑控制器
2.1PLC的定义
PLC 即可编程逻辑控制器（可编程控制器件）。
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
2.2PLC的基本结构
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
1）电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
2）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
3）存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
4）输入输出接口电路
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
5）功能模块
如计数、定位等功能模块。
2.3PLC控制技术工作原理
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1）输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后，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变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。
2.4PLC控制技术的功能特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
1）使用方便，编程简单
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
2）功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。
它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。
PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。
硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
4）可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
5）系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
6）维修工作量小，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故
3PLC控制技术在柔性制造系统中的应用研究
3.1.PLC控制技术在柔性制造系统的应用简介：
由于PLC控制技术有可靠性高、通用灵活、使用寿命长等优点，在工业控制中得到广泛应用。
具有通信功能的PLC既可对远程I/O进行控制，又能实现PLC和PLC、PLC和计算机之间的通信，是FMS和CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）等先进制造系统中低层设备控制与通信的常用控制装置。
本文主要以成品分装输送单元和物料分配单元为例，介绍PLC在FMS中的应用。
3.2PLC控制技术在柔性制造系统的应用
PLC控制技术在柔性制造系统中可以应用在搬运单元，物料分配单元，加工操作手单元，提取单元，安装单元，监控系统的设计，自动仓储单元，成品分装输送单元，磨削和钻孔加工等，在过程控制和过程监视方面都有应用。
本篇文章以成品分装输送单元为主分析我们组对此方面的理解。
4PLC控制技术在成品分装输送单元的应用与研究
4.1产品概述：
4.1.1产品应用
分装输送是根据分装要求的要求不同，尽可能快速，准确的将成品从运输线上选出来分类，然后分别集中处理。
通常分人工分装，自动分装系统。
成品自动分装输送系统具有差错率小，效率高，劳动力成本低等优势，适用于多种品种，大批量货物的分装。
无论是在医药，食品还是在机械产品加工中逐渐被广泛的采用。
随着机电系统的发展，车间更加机械化，分装系统有很大的发展前景。
4.1.2产品的组成模块
a.工件检验模块：
工件检验是用来检测该系统是否有工件，当工件放在输送带的起始位置
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