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PLC自动化生产线毕业设计李辉煌

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摘 要
自动生产线的最大特点是它的综合性和系统性，综合性主要涉及机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中;而系统性指的是生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地融合在一起。本系统完成一个工件的拆卸、分拣工作，模拟一个生产流水线的生产过程。首先由供料站提供原料,运输站将其送至加工站加工,然后送至装配站进行安装,最后由分拣站进行分拣。设计以送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元作为自动生产线的整体设计，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承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。所以，本设计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。

关键字:网络 组态 自动化 PLC 电机
III

目 录
IV
摘 要 I
一 概 述 1
二 自动生产线的组成及基本功能 2
2.1 基本组成 2
2。2 基本功能 3
三 电气控制 4
3.1 接线端子及主令部件 4
3.1。2 控制系统 5
3。2 能源部 6
3。2。1 供电电源 6
3。2.2 气源处理装置 7
3.2 RS485总线的电气连接 8
3.2.1 安装和连接N:N 通信网络 8
四 加工单元控制系统 8
4.1 供料单元的PLC工作任务 9
4。2 加工单元的结构和工作过程 9
4.3 加工单元PLC工作任务 10
4.4 PLC的I/O分配及系统安装接线 10
4。5 加工单元气动控制回路 12
总 结 15
致 谢 15
参考文献 16
附录1加工单元电气原理图及程序 17

1 概 述
1.1 二十世纪以来,为了实现自动化,人们研究和制造了成千上万种自动控制系统,极大地推动了生产劳动、社会服务、军事工程和科学研究等活动。随着自动化技术的发展，这是机械化、电气化和自动控制相结合的结果，处理的对象是离散工件.早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。20世纪60年代以后，由于电子计算机的应用，出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等.研制出适应多品种、小批量生产型式的柔性制造系统(FMS)。以柔性制造系统为基础的自动化车间,加上信息管理、生产设备自动化，出现了采用计算机集成制造系统（CIMS)的工厂自动化(FA）。
1.2 现代生产和科学技术的发展，对自动化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。70年代以来，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。自动化将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得到迅速发展。
1。3 本系统模拟一个生产流水线的生产过程,完成一个工件的拆卸、分拣工作。首先由供料站提供原料,运输站将其送至加工站加工，然后送至装配站进行安装，最后由分拣站进行分拣。整个过程要充分考虑生产过程中所出现的情况，对各种生产要求进行处理，系统分成五个操作站:供料站、安装站、加工站、运输站、分拣站.整个系统基于三菱PLC的N：N网络，包括变频控制、伺服控制等，是各种电气控制的综合应用。本课题由我和朱廷同学共同完成，在项目实施过程中，朱廷同学主要负责程序的编制，我主要负责机械部分的安装、电气原理图和气路的设计和连接、变频器和伺服放大器的参数设置。

2 自动生产线的组成及基本功能
2.1 基本组成
2。1。1 自动生产线由安装在铝合金导轨式台面上的供料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5个单元组成。其外观如图2-1所示。
图2-1 自动生产线外观图

2.1。2 其中，每一工作单元都可自成一个独立的系统，同时也都是一个机电一体化的系统。各个单元的执行机构基本上以气动执行机构为主,但输送单元的机械手装置整体运动则采取步进电机驱动、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则采用了通用变频器驱动三相异步电动机的交流传动装置。位置控制和变频器技术是现代工业企业应用最为广泛的电气控制技术。
2.1。3设计中应用了多种类型的传感器，分别用于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。

2。2 基本功能
2。2.1 各工作单元在台面上的分布如图2-2的俯视图所示.
560
310
430
350

图2—2 自动生产线设备俯视图

2。2。2 加工单元的基本功能:把该单元物料台上的工件（工件由输送单元的抓取机械手装置送来）送到冲压机构下面，完成一次冲压加工动作，然后再送回到物料台上，待输送单元的抓取机械手装置取出.如图2-4所示为加工单元实物的全貌。

3 电气控制
3。1 接线端子及主令部件
3。1。1 接线端子
3。1.1.1 本次任务的设备中的各工作单元的结构特点是机械装置和电气控制部分的相对分离。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装置则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。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。PLC的I/O引出线则连接到PLC侧的接线端口上.两个接线端口间通过多芯信号电缆互连。图3—1和图3—2分别是装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口。

图3—1 装置侧接线端口
图3-2 PLC侧接线端口

3.1。1.2 装置侧的接线端口的接线端子采用三层端子结构，上层端子用以连接DC24V电源的+24V端,底层端子用以连接DC24V电源的0V端，中间层端子用以连接各信号线.
3.1.1。3 PLC侧的接线端口的接线端子采用两层端子结构，上层端子用以连接各信号线,其端子号与装置侧的接线端口的接线端子相对应。底层端子用以连接DC24V电源的+24V端和0V端。
3.1。1.4 装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口之间通过专用电缆连结。其中25针接头电缆连接PLC的输入信号，15针接头电缆连接PLC的输出信号。

3。1.2 控制系统
任务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。
3.1。2。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。按钮指示灯模块如图3—3所示。模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。

图3-3 按钮指示灯模块
模块盒上器件包括：
⑴指示灯(24VDC）：黄色（HL1)、绿色(HL2）、红色(HL3）各一只.
⑵主令器件：绿色常开按钮SB1一只
红色常开按钮SB2一只
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，对于采用三菱FX系列PLC的设备,
各工作站PLC配置如下:
（1)加工单元：FX2N-32MR主单元，共16点输入，16点继电器输出。
3。2 能源部
3。2。1 供电电源
外部供电电源为三相五线制AC 380V/220V，图3-4为供电电源模块一次回路原理图.图中，总电源开关选用DZ47LE-32/C32型三相四线漏电开关。系统各主要负载通过自动开关单独供电。其中,变频器电源通过DZ47C16/3P三相自动开关供电;各工作站PLC均采用DZ47C5/2P单相自动开关供电。此外，系统配置4台DC24V6A开关稳压电源分别用作供料、加工和分拣单元，及输送单元的直流电源。

图3-4 供电电源模块一次回路原理图

图3—5 配电箱设备安装图
3.2。2 气源处理装置
本次任务的气源处理组件及其回路原理图分别如图3—6所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位,在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。

图3-6 气源处理组件
气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6～1.0MPa， 输出压力为0~0。8MPa可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各工作单元。
3.2 RS485总线的电气连接
3.2.1 安装和连接N：N 通信网络
网络安装前，应断开电源。各站PLC应插上485—BD通信板。它的LED 显示/端子排列如图3-7所示。

图3-7 485—BD板显示/端子排列
在N：N链接网络，各站点间用屏蔽双绞线相连，如图3—8所示，接线时须注意终端站要接上110欧姆的终端电阻（485BD板附件）。

图3-8 PLC链接网络连接

四 加工单元控制系统

4。1 供料单元的PLC工作任务
本章节只考虑供料单元作为独立设备运行时的情况，单元工作的主令信号和工作状态显示信号来自PLC旁边的按钮/指示灯模块。并且，按钮/指示灯模块上的工作方式选择开关SA应置于“单站方式”位置.具体的控制要求为：
① 设备上电和气源接通后,若工作单元的两个气缸均处于缩回位置，且料仓内有足够的待加工工件，则“正常工作”指示灯HL1常亮，表示设备准备好.否则，该指示灯以1Hz 频率闪烁。
② 若设备准备好，按下启动按钮，工作单元启动，“设备运行”指示灯HL2常亮。启动后，若出料台上没有工件，则应把工件推到出料台上。出料台上的工件被人工取出后，若没有停止信号，则进行下一次推出工件操作。
③ 若在运行中按下停止按钮,则在完成本工作周期任务后，各工作单元停止工作，HL2指示灯熄灭。
④ 若在运行中料仓内工件不足，则工作单元继续工作，但“正常工作”指示灯HL1以1Hz的频率闪烁，“设备运行”指示灯HL2保持常亮.若料仓内没有工件，则HL1指示灯和HL2指示灯均以2Hz频率闪烁。工作站在完成本周期任务后停止。除非向料仓补充足够的工件，工作站不能再启动.

4.2 加工单元的结构和工作过程
加工单元的功能是完成把待加工工件从物料台移送到加工区域冲压气缸的正下方；完成对工件的冲压加工，然后把加工好的工件重新送回物料台的过程.
加工单元装置侧主要结构组成为：加工台及滑动机构，加工（冲压）机构,电磁阀组，接线端口，底板等。其中，该单元机械结构总成如图4-2所示。

图4-2 加工单元机械结构总成
4。3 加工单元PLC工作任务
加工单元作为独立设备运行时的情况,按钮/指示灯模块上的工作方式选择开关应置于“单站方式"位置。具体的控制要求为：
1、初始状态：设备上电和气源接通后,滑动加工台伸缩气缸处于伸出位置,加工台气动手爪松开的状态,冲压气缸处于缩回位置，急停按钮没有按下。
若设备在上述初始状态，则 “正常工作”指示灯HL1常亮，表示设备准备好。否则，该指示灯以1Hz 频率闪烁。
2、若设备准备好，按下启动按钮，设备启动，“设备运行”指示灯HL2常亮。当待加工工件送到加工台上并被检出后，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。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。
3、在工作过程中，若按下停止按钮,加工单元在完成本周期的动作后停止工作。HL2指示灯熄灭。
4。4 PLC的I/O分配及系统安装接线
1、供料加工单元装置侧的接线端口上各电磁阀和传感器的引线安排如表4—1所示。
表4—1 供料加工单元装置侧的接线端口信号端子的分配

输入端口中间层
输出端口中间层
端子口
设备符号
信号线
端子号
设备符号
信号线
1
SC5
加工台物料检测
1
1Y
顶料电磁阀
2
3B1
工件夹紧检测
2
2Y
推料电磁阀
3
4B1
加工台伸出到位
3
3Y
夹紧电磁阀
4
4B2
加工台缩回到位
4
4Y
伸缩电磁阀
5
5B1
加工压头上限
5
5Y
冲压电磁阀
6
5B2
加工压头下限

2，根据工作单元装置的I/O信号分配（表4—1）和工作任务的要求，供料单元PLC选用FX2N—32MR主单元，共16点输入和16点继电器输出。同时选用三菱FX2N—8ER扩展模块,共4点输入和4点继电器输出.PLC的I/O信号分配如表4—2所示，接线原理图则见附录1。
4。5 加工单元气动控制回路

供料单元气动控制回路的工作原理如图4-3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4—3 供料单元气动控制回路工作原理图

加工单元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4—4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。

图4—4 加工单元气动控制回路工作原理图

在气动控制回路中，驱动摆动气缸和气动手指气缸的电磁阀采用的是二位五通双电控电磁阀，电磁阀外形如图7-8所示。
双电控电磁阀与单电控电磁阀的区别在于，对于单电控电磁阀，在无电控信号时,阀芯在弹簧力的作用下会被复位，而对于双电控电磁阀，在两端都无电控信号时,阀芯的位置是取决于前一个电控信号。

图7—8 双电控气阀示意图

总 结
通过本次的学习让我的学习能力有了很大的提高,在任务设计中让我对自动化生产线有所了解。一方面自动化生产线包括诸多方面的知识如:机械技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；另一方面对于模拟的一个自动化生产线的工作流程有个基本概念。一个自动化生产线的基本组成部分有传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地把这些独立部分融合在一起。在这次设计中应用PLC技术,它是一门实践性很强的专业课程，PLC编程控制器技术在当今社会发展异常迅速，各生产厂家也推出了许多强大的新型PLC、各种特殊模块和通信联网器件，使可编程控制器成为集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置，成为实现工业自动化的一种强有力的工具。经过这次设计我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且通过这次课程设计使我运用了课堂上的理论与实际相结合重要性,既要从理论中分析问题，又要从实际中解决问题发现才是根本。所以把所学的理论知识与实践相结合起来,才能真正的学学以至用.

致 谢
本课题的圆满完成特别感谢指导老师详细的指导。指导老师严谨的治学态度,和思考问题的全面性给我在设计过程中有了多方面的设计思路中，也提前判断设计中可能出现的问题作了详细的分析，从而使我少走很多弯路节省了很多时间。老师的高深的学术水平，科学的思维方法和深入浅出的讲解更准确更形象的把设计中的知识传输给我。再次感谢指导老师的帮助永远是我学习的榜样，在此向他致以衷心的感谢。
同时感谢我的同组同学，在圆满完成课题设计的过程中给予我毅力上的鼓励，在资料的收集中给我提供了很多路径,在设计安装中也提出多种参考意见，以至与我能够顺利的完成。
真诚地感谢所有在我读书期间帮助过我的老师、同学和朋友给我提出宝贵意见和热情的帮助！
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