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1、安徽机电职业技术学院毕 业 论 文PLC在加工检测站中的应用系 别 电气工程系 专 业 机电一体化 班 级 机电3112班 姓 名 刘珍珍 学 号 1302113124 2013 2014 学年第 一 学期摘要可编程序控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLECONTROLLER），但是为了不和PERSONALCOMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。目前PLC
2、已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现SOFTPLC，更是PLC领域无限的发展前景。本文主要通过气动机械手的PLC控制来介绍PLC的具体应用，让我们更熟悉PLC，为今后学习打下基础。 加工检测站是模拟实际生产加工操作过程的开放式教学系统，主要是针对学生不能经常在实际生产线上进行培训而设计的，该系统是工业自动化生产线的缩微模型，可以提供一个实际自动化制造，加工生产线的模拟教学环境，可根据I/O分配编写程序达到系统的控制，提高实际操作的能力，它采用西门子公司生产的小型可编程序控制器S7-200对加工检测站各个工作站的运行过程进行实时控制。 本次设计是以加工检测站中机械手站单元为研
3、究，采用德国西门子公司生产的S7-200系列可编程控制器对气缸进行运动控制，根据加工检测站的运动要求进行编程，使用传感器进行位置控制，并使用FluidSIM-P软件设计制作气动控制和仿真模拟，完成加工检测站的控制任务。 关键词：加工检测站；机械手站单元；PLC；传感器目 录第一章 PLC的介绍及在加工检测站中的应用11.1 PLC的概况及特点11.2 PLC结构及基本配置21.3 PLC的应用31.4 加工检测站所选用的PLC3第二章 电机执行机构的设计及选用72.1 气动部件的简要分析72.2 气动部件的选用82.3 电器元件的简介92.4 传感器的简介以及分类112.5 传感器工作原理及应
4、用12第三章 加工检测站单元的PLC设计153.1 加工检测站单元的控制要求153.2 加工检测站单元顺序功能流程图153.3 加工检测站单元的I/O分配表163.4 梯形图173.5 模拟调试17总结18参考文献19致谢20第一章 PLC的介绍及在加工检测站中的应用1.1 PLC的概况及特点可编程序控制器（PLC）是现代工业自动化领域中的一门先进控制技术，它已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，其应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。PLC具有可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网、易于与计算机接口、模拟量控制、高速计
5、数及位控等一系列优异性能。1.PLC的分类可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。可编程序控制器发展到今天，已经有多种形式，而且功能也不尽相同。按不同的原则可有不同的分类。 (1) 根据结构分类 整体式（箱体式） 组合式（机架模块式） 整体式、组合式PLC的基本组成框图如图1.1所示。图1.1组合式、整体式PLC的基本组成框图 (2) 按控制规模分类一般而言，处理的I/O点数愈多，则控制关系愈复杂，用户要求的程序存储器容量愈加大、PLC指令及其他功能
6、也愈加多、指令执行的速度也愈加快。按PLC的I/O点数可将PLC分为以下三类：小型PLC、中型PLC、大型PLC。2.PLC的特点：抗干扰能力强，可靠性高；编程方便；使用方便；维护方便；设计、施工调试周期短；易于实现机电一体化。1.2 PLC结构及基本配置一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。1.CPU的构成PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个C
7、PU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令
8、。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方
9、式、内存区等。2.I/O模块PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 3.电源模块有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。4.底板或机架大
10、多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5.PLC的外部设备外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类(1)编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。(2)监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。(3)存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如E
11、PROM、EEPROM写入器等。(4)输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。6.PLC的通信联网PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间
12、可以方便地进行通讯与联网。1.3PLC的应用最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大，主要用于开关量控制；用于模拟量控制；用于数字量控制；用于数据采集；用于进行监控；用于联网、通讯。事实上，PLC已广泛应用于工业生产的各个领域。从行业看，冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等，几乎没有不用到它的。不仅工业生产用它，一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制也用到它。农业的大棚环境参数调控，水利灌溉也用到它。PLC能有上述几个范围广泛的应用，是PLC自身特点决定的，也是PLC技术不断完善的结果。1.4加工检测站所选用的PLC德国的西门子（SIEMENS）公司是
13、欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器欧洲处于领先地位。其第一代可编程控制器是1975年投放市场的SIMATICS3系列的控制系统。在1979年，微处理器技术被应用到可编程控制器中，产生了SIMATICS5系列，取代了S3系列，之后在二十世纪末又推出了S7系列产品。最新的SIMATIC产品为SIMATICS7、M7和C7等几大系列。从CPU模块的功能来看，SIMATICS7-200系列小型PLC发展经历了两代：第一代产品其CPU模块为CPU21X，主机都可以进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU212，CPU214，CPU215和CPU216。第二代产
14、品其CPU模块为CPU22X，是在二十一世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通讯能力，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU221，CPU222，CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可以加扩展模块。SIMATICS7-200系统由硬件和工业软件两大部分组成:1. 硬件基本单元、扩展单元、特殊功能模块、相关设备2. 工业软件工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几类构成。(1)CPU介绍及I/O系统（如表1.1）表1.1 不同种类CUP的I/O对比(2)基本结构特点4种CPU各有晶体管
15、输出(直流输出)和继电器输出（交、直流输出）两种类型，具有不同电源电压和控制电压。各类型的型号如下表1.2：表1.2各种CPU输出电压、电流的对比 (3)S7-200之间的PPI通信PPI协议是专门为S7-200开发的通信协议。S7-200CPU的通信口（Port0、Port1）支持PPI通信协议，S7-200的一些通信模块也支持PPI协议。Micro/WIN与CPU进行编辑通信也通过PPI协议。S7-200CPU的PPI网络通信是建立在RS-485网络的硬件基础上，因此其连接属性和需要的网络硬件设备与其它RS-485网络一致。S7-200CPU之间的PPI网络通信只需要两条简单的指令，它们是
16、网络读（NETR）和网络写（NETW）指令。在网络读/写通信中，只有主站需要调用NETR/NETW指令，从站只需编辑处理数据缓冲区（取用或准备数据）。在S7-200系统中，无论是组成PPI、MPI、还是Profibus-DP网络用到的部件都相同。(4)扩展模块以及功能模块 功能模块扩展当需要完成某些特殊功能的控制系统，CPU主机可以扩展特殊功能模块，一般是特殊功能模块有SM253位置控制模块，EM241调制解调器模块等。 输入输出扩展 S7-200PLC的CPU所提供的本机I/O点和I/O地址是固定的，进行扩展时可以在CPU右边连接多个扩展模块连接。每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型
17、和该模块在I/O链中所处的位置。编制方法就是同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块的有无及所处的位置不影响本类型模块的编号。最大I/O配置的预算需考虑映像寄存器数量及电流提供能力。各CPU能提供的最大5VDC电流如下表。表1.3各种CPU的最大扩展电流的对比SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。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
18、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。此次毕业设计选用CPU226,CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独
19、立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统，能很好的满足此次设计对7个站的的连接和控制。 第二章 电机执行机构的设计及选用 2.1 气动部件的简要分析1. 加工检测站单元的结构及工作过程开始检测有无物料传感器检测有旋转工作台电机工作台位置检测传感器检测到位加工机组气缸伸出同时M1动作加工完成加工机组气缸收回M1停止旋转工作台电机工作位置
20、检测传感器检测到位检测气缸下降、上升旋转工作台电机工作位置检测传感器检测到位等待第五站取工件循环开始2.加工检测站单元气动元件种类及结构符号导向气缸的外形、结构及符号如图所示，导向气缸的应用如图所示。双作用双活塞式气缸，行程长度250mm，用于机械手单元X轴的左右伸缩，双活塞气缸是由两个活塞进行驱动的，因此在相同高度的情况下能产生2倍于标准气缸的推力。双作用双活塞式气缸，行程长度80mm，用于机械手单元Y轴的上下伸缩，其特点是该气缸结构简单，将导轨和气缸做于一体。图2.1导向气缸的外形、结构及符号2.2气动部件的选用表2.1机械手单元气动部件的选用表2.3电器元件的简介1. 控制电磁阀全气动系
21、统采用紧凑型CPE型电磁阀控制。由于系统要求气动回路流量不大，所以选择集成安装紧凑型电磁阀CPE10-M1BH-5LS-M7型及CPE10-M1H-5/3G-M7型两种。CPE型电磁阀具有以下特点：阀岛CPE-10由各个高强度玻璃纤维加强的聚酰胺模块组成；在基本组块和扩展组块中的PRS通道可被封死，因此可形成不同的压力区；两端都可接气源及排气通道，气口在基本块或端块上；可从尾端或顶端接入气源及排气通道；卡口式连接，安装时无需螺丝；安装选项:单个安装,导轨安装或板壁式安装。CPE10-M1BH-5LS-M7电磁阀如图所示。意义为：CPE（紧凑型）、M1BH（24VDC，所匹配插座KMYZ-9）、
22、5（5通）、L（单电控,气弹簧复位）、S（不带先导）、M7（接口类型M7螺纹）。该电磁阀的特点：流量大功耗小。 图2.2 紧凑型CPE10-M1BH-5LS-M7型电磁阀外形及符号CPE10-M1H-5/3G-M7型电磁阀如图所示。意义为：CPE（紧凑型）、M1H:（24VDC，所匹配插座KMYZ-6）、5（5通）、3（3位）、G（中封式）。M7（接口类型M7螺纹）。图2.3 紧凑型CPE10-M1H-5/3G-M7型电磁阀外形及符号CPE阀另需配合专用CPE10SC-PRS-8气路板集中安装，如图2.4所示。该气路板可安装8个CPE电磁阀作全过程控制。电源插座KMYZ-9如图2.5所示。 图
23、2.4 CPE10SC-PRS-8气路板图 图2.5 电源插座KMYZ-9图气路板需配消声器UC-M7降低阀排气口的噪音，如图2.6所示。配接气路接头QSML-M7-6，如图2.7所示。 图2.6 消声器UC-M7外形及符号图 图2.7 气路接头QSML-M7-6图2. 双电控二位五通阀图为双电控二位五通阀的工作原理图。它有两个电磁铁，当右线圈通电、左线圈断电时，阀芯被推向右端，其通路状态是P与A、B与T2相通，A口进气、B口排气。当右线圈断电时，阀芯仍处于原有状态，即具有记忆性。当电磁左线圈通电、右断电时，阀芯被推向左端，其通路状态是P与B、A与T1相通，B口进气、A口排气。若电磁线圈断电，
24、气流通路仍保持原状态。 图2.8 双电控二位五通 图2.9 双电控二位五通阀实物图图2.10 PLC外部接线图2.4传感器的简介以及分类人是靠视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这些感觉器官来接受外界信息的，而一台光机电一体化的自动设备在运行中也有大量的信息需要准确地被“感受”，以使设备能按照设计要求实现自动化控制，自动化设备用于“感受”信息的装置就是传感器。传感器是实现自动化的关键技术之一。1. 传感器的组成传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件、转换元件和转换电路及辅助电源部分组成。(1)敏感元件，是传感器中能直接感受或响应被测量的部分。(2)
25、转换元件，是传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适用于传输或测量的电信号的部分。(3)转换电路，是将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量的电路。(4)辅助电源，是用于提供传感器正常工作能源的电源。传感器的组成如图2.11所示图2.11传感器的组成2. 常用传感器的分类作为实现传感功能的基本器件，传感器的分类方法很多，(1)按传感器能量变换关系进行分类按能量变换关系，传感器分为发电型传感器和参量型传感器。(2)按传感器输入量(即被测参数)进行分类按输人量分类，传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等。(3)按传感器的输出量进行分类按输出量分类，传感
26、器可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。模拟式传感器是指传感器的输出信号为模拟量，数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。(4)按传感器工作原理进行分类按传感器的工作原理为依据分类，可分为电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器等。2.5传感器工作原理及应用1. 电感式接近开关基本工作原理电感式传感器为信号发生器，它被用于在加工机械，机器人，生产线以及传送带系统中检测和功能相关的动作,并将检测结果转换成电信号。它是以非接触的方式工作的。当有金属物体接近规定的感应距离时，传感器会发出一个电信号。电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。(1)高频振荡型电感式
27、接近开关它以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。(2)差动线圈型电感式接近开关它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线圈中磁通的变化，检测线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较后的磁通差，经由传感器的信号调理电路将该磁通差转换成电的开关量输出，从而达到检测的目的。2. 电感式接近开关的分类(1)按工作电源的性质进行分类流型：采用交流电
28、源供电，用于交流控制回路。流型：采用直流流电源供电，用于直流控制回路。(2)按接线方式进行分类二线制三线制四线制五线制六线制(3)按触点的性质分类常开式常闭式常开与常闭混合式(4)按输出逻辑分类正逻辑型负逻辑型浮空逻辑型混合型(5)按外形分类螺纹型圆柱型长方体型U型等(6)按防护方式分类防水型防爆型耐高温型耐高压型等3. 电感式接近开关的图形符号接近开关通用符号如图2.12所示，电感式接近开关如图2.13所示。 图2.12接近开关通用符号 图2.13电感式接近开关图形符号4.电感式传感器的特点无机械磨损和撕扯动作，因此使用寿命长；不会因灰尘或触点焊接在一起而出现故障；无触点反弹，因此无切换故障
29、；切换频率高达3000Hz；抗震；安装位置随意；黄色LED显示切换状态；完全密闭，防护等级高。5.电感式传感器在自动检测中的应用由于电感式传感只能对金属起作用，在自动控制的应用可以应用在上例中进行检测白色的金属或红色的塑料，又可以应用在流水生产线上检测金属工件是否到位。如图2.14所示。当工件到位后自动输出一个开关量信号。用以控制计数器计数或下一个加工步骤等。图2.14电感式传感器的应用第三章 加工检测站单元的PLC设计3.1 加工检测站单元的控制要求加工检测单元是实现模拟钻孔加工及钻孔质量检测，并通过旋转工作台模拟物流传送的过程。3.2 加工检测站单元顺序功能流程图图3.1 加工检测站单元顺
30、序功能流程图3.3加工检测站单元的I/O分配表表3.1 I/O分配表3.4梯形图 图3.2 梯形图3.5模拟调试利用FluidSIM-P软件设计制作气动控制回路和模拟仿真，采用西门子S7-200PLC进行实际模拟检查，不断完善设计内容。总结这次毕业论文，对我来说很有意义，在写论文的过程中我学到很多的关于模块化生产和PLC方面的知识，我以后会加强对它们的学习和应用。通过这一次设计，让我对加工检测站系统以及加工检测站单元的功能和在系统中的作用都有了进一步的了解，同时让我熟悉了PLC的运作，自动化生产的发展和应用有了很多认识。采用自动化控制可以提高产品质量，降低工人的工作量。由于PLC控制具有机构简
31、单、组合灵活、编程简单、功耗低和改造方便的特点，可以根据控制流程的不同，方便地改变控制顺序来满足工艺要求。采用电磁式感应开关对加工工件的位置进行检测，使机械手在动作过程中实现精确定位。本次设计详细讲解了加工检测站单元的控制系统设计过程。采用西门子S7-200系列的PLC作为控制器，进行编程，并采用气动装置进行气动设计，使用电感式接近开关对位置进行监控，实现加工监测站单元的控制要求。参考文献1章国华、苏东典型生产线原理、安装与调试M北京理工大学出版社，20092王庭树机器人运动学及动力学第2版M西安：西安电子科技大学出版社，1990.123孟繁华机器人应用技术第1版M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社
32、，1989.164胡学林可编程控制器教程M北京电子工业出版社，20035田淑珍7-200PLC原理及应用M机械工业出版社，2004致谢本次毕业设计的完成，不仅在于最后一段时间的搜索和整理，更主要的是在三年中学习知识的积累，所以在此我首先重点感谢三年来为我授课的每一位老师，正因为他们严谨的作风和朴实的教学，最终让我出色完成学业。在此特别感谢我们组的指导老师卫国兴老师，他在我们做毕业设计期间做出了很大的努力，争取让组里的每一位同学精益求精的完成论文，这是论文可以顺利完成的最重要的原因。同学们的关心和帮助是我的动力，在我知识的缺憾上给予我很大的帮助，使得设计从刚开始的迷茫到越来越完善，最终帮助我完整的写完了毕业设计。在毕业设计的写作过程中虽然挫折居多，但是在修补的过程中，我不仅学到了以前自己不足之处的知识，更加体会到了一种学习所要具有的良好习惯和良好态度，一丝不苟和毅力是学习的关键，也是将来走向人生道路任何事成功的关键，所以我可以体会到的是做毕业设计部仅仅是做，更是对自己人生态度的一次感悟。对于在学习和生活中帮助我和鼓励我的老师和同学们，我再次表示衷心的感谢。21安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表题目学生姓名学 号指导教师系 部班 级顺序号第 次学生完成毕业论文（设计）内容情况 学生签名：时间：年月日教师指导内容记录 教师签名：时间：年月日指导教师评语等级签名日期