立体存储单元毕业设计.doc

GDGM-QR-03-077-B/1

Guangdong College of Industry & Commerce

毕业综合实践报告
Graduation synthesis practice report

题目：自动生产线立体存储单元控制设计
(in English)Automatic production line control design three-dimensional memory cell

系 别：
班 级：
学生姓名：
学 号：
指导老师：
完成日期：

毕业综合实践（设计）课题
自动生产线立体存储单元控制设计
一、课题背景（包括目的、意义、专业知识的应用和职业岗位能力需要）：
1、 通过毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力。
2、 使学生受到PLC系统开发的综合训练,达到能够进行PLC系统设计和实施的目的。
掌握典型自动生产线的控制的PLC设计思路和方法。
二、课题工作内容与预期结果（具体工作内容，主要解决的问题、解决方案，预期结果）：
（一）、具体工作内容：自动生产线立体存储单元控制设计,立体存储单元运行工作要求：当设备接通电源与气源、PLC运行后，首先执行复位动作，工件推块缩回到位，由丝杆驱动的工件平台归零（X、Y轴），按下“开始”钮后，工件平台去接收工位（单站控制时可自由定义）。然后进入工作运行模式，放入工件后，按启动按钮，根据工件的信息，工件平台携带着工件到达预定的仓位，然后将工件推入立体仓库；最后工件平台归零后再次去接收工位，等待下一个工作信号。
用“以下输入按钮”模拟工件的材质及颜色组合：
键号
输入地址
意义
备注
SPECIAL
I1.2
白色大工件＋白色小工件

MANN/AUTO自锁型
I1.3
白色大工件＋黑色小工件

SINGLE/NET自锁型
I1.4
黑色大工件＋白色小工件

STOP
I1.5
黑色大工件＋黑色小工件

当输入的工件为白色大工件＋白色小工件，放到第一层第一格；
当输入的工件为白色大工件＋黑色小工件，放到第一层第二格；
当输入的工件为黑色大工件＋白色小工件，放到第一层第三格;
当输入的工件为黑色大工件＋黑色小工件，放到第一层第四格;
（二）、主要解决的问题，解决方案：PLC选型与配置；PLC的I/O口定义表及接线图；系统控制电气原理图；系统所用电气器材清单；控制系统运行要安全、可靠；控制系统要经济、合理；绘制PLC程序清单及注释。
（三）、预期结果：利用生产线实验设备中已有用电器元件，设计出经济、可靠、方便维护的生产线控制系统。
三、毕业综合实践（设计）工作计划
时间段
工 作 内 容
第一个星期
第二、三个星期

第四、五个星期
第六、7个星期
第八、九个星期
第十~第十二周
毕业设计任免布置,与老师交流设计事宜；
查阅文献、收集资料、读懂自动生产线的电气控制原理要求，确定系统的设计方案；
总体设计、结构设计、详细计算；
进行PLC的选型及有关控制程序的编辑；
控制程序的编程与调试等内容；
编写设计论文；编写设计说明书；修改设计，指导老师批改；
起止工作时间
2013-02------2013-05
预计答辩时间
2013-05
教师意见：
按毕业设计的任务书、指导书的要求及时间安排，认真做好技术资料收集，理解、读懂自动生产线的电气控制原理要求，选好PLC的型号及编辑好有关控制程序，写好毕业设计论文。
签名： 年 月 日

指导教师评语：

初评成绩：
指导教师签名：
年 月 日
毕业综合实践（设计）评审小组意见：

终评成绩：
组长签章：
年 月 日
备注

自动生产线立体存储单元控制设计

摘要
本设计针对的是自动生产线立体存储单元控制设计，它的功能是在接收工位接收前一单元送来的工件，根据工件的信息，工件平台携带着工件到达预定的仓位，然后将工件推入立体仓库，最后工件平台返回接收工位，等待下一个工作信号。在立体存储单元系统中，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、电力电子技术和PLC控制技术。该设计中的各执行机构的动作控制都是通过PLC控制来实现的。

关键词：PLC、步进电机、传感器、气动、高速脉冲

31

目 录

毕业综合实践报告 1
一、关于立体存储单元 7
（一）、设备功能概述 7
（二）、结构组成 7
1、步进驱动模块 7
2、丝杠驱动模块 7
3、工件推出装置 8
4、I\O接线端口 8
5、立体仓库 8
6、控制面板以及控制任务 8
二、电气控制 10
（一）、传感器 10
1、电感式接近传感器以及在立体存储单元中的运用 10
2、电容式接近传感器 11
（二）、步进电机工作原理 12
（三）、气源装置、气源处理组件以及气缸立体存储单元中的作用 14
1、气源装置 14
2、气源处理组件 14
3、气缸立体存储单元中的作用 14
4、气压传动的优缺点 15
（四）、气动控制回路 15
(五)、供电电源模块 16
三、器材清单 17
四、立体存储单元的装配图 18
五、立体存储单元的PLC控制 18
（一）、plc的选择与配置 18
（二）、plc的定义 19
（三）、plc的基本工作原理 19
（四）、plc的I\O分配表 20
（五）、plc接线图 21
六、立体存储单元的plc编程 21
（一）、程序编写流程图 21
（二）、高速脉冲输出指令 22
（三）、plc程序以及注释 23
七、结论 30

一、关于立体存储单元
（一）、设备功能概述
立体存储单元可以作为MPS系统中的最后单元，在整个系统单元中，接受并存储前方各单元加工处理后的工件。它的具体功能是：在接受工位接受前一单元送来的工件，按照工件信息而自动运送至相应仓位，并将工位推入立体仓库存储。

（二）、结构组成
1、步进驱动模块
步进驱动模块有步进驱动器和步进电机所组成。立体存储单元中有X、Y轴两套步进驱动模块。
步进驱动器接收PLC发出的高速脉冲信号及方向电平信号，并将这些信号转换成驱动步进电机的信号。步进电机旋转的方向由方向电平控制；旋转的速度由脉冲信号的频率控制；而要旋转多少度或多少圈则由脉冲信号的数目所控制。
2、丝杠驱动模块
丝杆驱动模块是将步进电机输出的旋转运动转换成直线往复运动，两套丝杆驱动模块成90度垂直安装，这样就形成了一个X-Y轴的平面运动系统。在两个丝杆驱动模块上均设有一个零点，用以校正位置及提供一个位置参考点。
同时为防止丝杆驱动模块过冲而产生机械物理损伤，我们在丝杆驱动模块的极限位置均装有碰撞保护开关，用来防止比杆驱动块过冲。

3、工件推出装置
该部分由一个双作用气缸、推块和一个接收工件的推块导槽组成。
4、I\O接线端口
它是该工作单元与PLC之间进行通讯的线路联接端口。该工作单元中的所有电信号（直流电源、输入、输出）线路都接到该端口上，再通过信号电缆线连接到PLC上。
5、立体仓库
该部分用于工件的放置。
6、控制面板以及控制任务
a、控制面板：各站都可通过一控制面板来控制PLC的控制程序使各站按要求进行工作，原控制面板上有6个按钮开关，二个选择开关和一个急停开关。

各开关的控制功能定义为：
l 带灯按钮，绿色 开始
l 带灯按钮，黄色 复位
l 按钮，黄色 特殊
l 两位旋钮，黑色 自动/手动
l 两位旋钮，黑色 单站/联网
l 按钮，红色 停止
l 带灯按钮，红色 上电
l 急停按钮，红色 急停
b、控制任务：当设备接通电源与气源、plc运行后，首先执行复位动作，工件推块缩回到位，由丝杆驱动的工件平台归零（X、Y轴），按下“开始”按钮后，工件平台去接受工位（单站控制时可以自由定义）。然后进入工作运行模式，放入工件后，按启动按钮，工件平台携带着工件到达预订的仓库，然后将工件推进立体仓库;最后工件平台归零后再次去接受工件，等待下一个工件信号。

用“以下输入按钮”模拟工件的材质及颜色组合：
键号
输入地址
意义
备注
START
I1.0
开始

REST
I1.1
复位

SPECIAL
I1.2
白色大工件＋白色小工件

MANN/AUTO自锁型
I1.3
白色大工件＋黑色小工件
注意进行下一次操作时清除自锁信号
SINGLE/NET自锁型
I1.4
黑色大工件＋白色小工件
注意进行下一次操作时清除自锁信号
STOP
I1.5
黑色大工件＋黑色小工件

二、电气控制
（一）、传感器

接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对所接近物体具有的敏感特性达到识别物体接近并输出开关信号的目的，因此，通常又把接近传感器称为接近开关。输出量为电量的传感器一般由敏感元件、转换元件、调理电路三部分组成。
敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。
调理电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。

1、电感式接近传感器以及在立体存储单元中的运用
a、电感式接近传感器
电感式接近传感器是一种利用涡流感知物体接近的接近开关。它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如图所示。感知敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，在检测线圈的工作面上存在一个交变磁场。当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱直至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。
电感式接近传感器只对金属对象敏感﹐因此电感式接近传感器不能应用于非金属对象检测。同时﹐由于高频振荡线圈产生的交变磁场是散射的﹐这样当金属对象不断接近传感器的前端时，会触发传感器状态的变化﹐而且在传感器的周围出现金属对象时传感器也会发出讯号。对检测正确性要求较高的场合或传感器安装周围有金属对象的情况下﹐需要选用屏蔽式电感性接近传感器﹐因为这种类型的传感器事先已经将振荡线圈周围的磁场进行了屏蔽﹐只有当金属对象处于传感器前端时才触发传感器状态的变化。
b、电感式接近传感器在立体存储单元中的运用：主要用于驱动块的复位。电感式接近传感器B1的作用是判断X轴驱动块的位置，信号为1时X轴驱动块归零；B2的作用是判断Y轴驱动块的位置，信号为1时Y轴驱动块归零。

2、电容式接近传感器
a、电容式接近传感器
电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关，它由高频震荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如下图。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测电极接近检测电极时，由于检测电极加电压，检测电极就会受静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容为C=Q\V，所以电荷的增多，使检测电极电容C随之增大，进而又使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转化为开关信号后向外输出。
b、电容式接近传感器在立体存储单元中的运用：判断双作用气缸的位置，信号为1时工件推块缩回到位；1B2的作用是判断双作用气缸的位置，信号为1时工件推块伸出到位。

电 容 式 接 近 传 感 器

（二）、步进电机工作原理
从步进电机的转动原理可以看出，要使步进电机正常运行，必须按规律控制步进电机的每一相绕组得电。步进驱动器接收外部的信号是方向信号（DIR）和脉冲信号（CP）。另外步进电机在停止时，通常有一相得电，电机的转子被锁住，所以当需要转子松开时，可以使用脱机信号（FREE）.

该设计运用的是两相步进电机，它有2个绕组。当一个绕组通电后，定子磁极产生磁场，将转子吸合到此处，若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按照四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动；通电时序为时，点击就逆时针转动。控制脉冲每次作用一次，通电方向就变化一次，是点击转动一步，即90度。4个脉冲，点击转动一圈。脉冲频率越高，电机转动越快。步进电机的输出力矩与电机的有效体积、线圈匝数、磁通量以及电流成正比、因此，电机有效体积越大、线圈匝数越大、定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
（三）、气源装置、气源处理组件以及气缸立体存储单元中的作用
1、气源装置
气源装置为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气，是气动系统的重要组成部分。气动系统对压缩空气的主要要求：具有一定压力和流量，并具有一定的净化程度。气源装置由以下四部分组成：（1）气压发生装置——空气压缩机；（2）净化、贮存压缩空气的装置和设备；（3）管道系统；（4）气动三大件（分水过滤器、减压阀、油雾器）。
2、气源处理组件
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。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工作单元上。

3、气缸立体存储单元中的作用
当驱动块运动到位之后，气缸的动作动力空气压缩机提供，经过气源处理装置处理之后，以适当的气压推动气缸，进而推动工件到适当的位置。
4、气压传动的优缺点
①、优点：
（1）、以空气作为工作介质，取之不尽，来源方便，且无污染、环保。
（2）、工作环境适应性好，可工作在易燃易爆、多尘，强辐射等环境。
（3）、空气黏度小，流动阻力小，管路损失小。
（4）、气动控制动作迅速，反应快。
（5）、气动元件结构简单，易于制造，成本低，且使用寿命长、可靠性高。
（6）、气动系统维护简单，管道不易阻塞。
②、缺点：
（1）、由于空气压缩性大，气缸的动作速度易随负载的变化而变化，稳定性较差，控制精度不高。
（2）、气动控制压力一般比较小，小于0.8Mpa，造成总的输出力不够大。
（3）、工作介质—空气没有润滑性，系统使用中有时候需要润滑。
（4）、工作时噪声大，快速排气时，需要安装消声器。

（四）、气动控制回路
该工作单元的执行机构是气动控制系统，其方向控制阀的控制方式为电磁控制或手动控制。各执行机构的逻辑控制功能是通过PLC控制实现的。
在上料检测单元的气动控制原理图中，1A为双作用气缸；1B1和1B2为磁感应式接近开关；1Y1为双作用气缸的电磁阀的控制信号。
a、单向阀和节流阀并联：
单向阀和节流阀并联的组合体，顺单向阀方向时节流不起作用，反向时油不能通过单向阀，节流起作用，一般用于控制双作用油缸的回油调节。

(五)、供电电源模块
外部供电电源为三相五线制AC380V/220V，三根相线经三相三线漏电保护开关后连接到三个安全导线插孔处，零线和接地线也接到安全导线插孔处。另外，模块上还提供两个单相电源插座，为PLC模块和按钮/指示灯模块提供AC220V电源。

三、器材清单

四、立体存储单元的装配图

五、立体存储单元的PLC控制
（一）、plc的选择与配置
本次设计用到的是S7-200PLC，CPU224。S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。

（二）、plc的定义
PLC是一种数字式的电子装置它使用了可编程序的存储器以存储指令能完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能并通过数字或类似的输入输出模块以控制各种机械或生产过程。PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。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。
（三）、plc的基本工作原理
当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。
PLC在每次扫描工作过程中除了执行用户程序外，还要完成内部处理、通信服务等工作。整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。

（四）、plc的I\O分配表
序号
设备符号
对应I/O
设备名称
设备用途
信号特征
1
B1
I0.0
电感式接近传感器
判断X轴驱动块的位置
信号为1：X轴驱动块归零
2
B2
I0.1
电感式接近传感器
判断Y轴驱动块的位置
信号为1：Y轴驱动块归零
3
1B1
I0.2
磁感应式接近开关
判断双作用气缸的位置
信号为1：工件推块缩回到位
4
1B2
I0.3
磁感应式接近开关
判断双作用气缸的位置
信号为1：工件推块伸出到位
5
QD1
Q0.0
步进驱动器
控制X轴步进电机工作
CP：步进电机旋转信号
DIR：步进电机旋转方向信号
6
QD2
Q0.1
步进驱动器
控制Y轴步进电机工作
CP：步进电机旋转信号
DIR：步进电机旋转方向信号
7

Q0.2
步进驱动器
控制X轴步进电机方向

8

Q0.3
步进驱动器
控制Y轴步进电机方向

9
1Y1
Q0.4
电磁阀
控制双作用气缸的动作
信号为1：工件推块伸出
信号为0：工件推块缩回

（五）、plc接线图

六、立体存储单元的plc编程
（一）、程序编写流程图

（二）、高速脉冲输出指令
高速脉冲输出有脉冲串输出PTO和脉宽调制输出PWM两种形式。
每个CPU有两个PTO/PWM发生器，一个发生器分配给输出端Q0.0，另一个分配给Q0.1。当Q0.0或Q0.1设定为PTO或PWM功能时，其他操作均失效。不使用PTO/PWM发生器时，Q0.0或Q0.1作为普通输出端子使用。通常在启动PTO或PWM操作之前，用复位R指令将Q0.0或Q0.1清0。
该设计主要运用PTO脉冲串操作。
PTO功能可输出一定脉冲个数和占空比为50%的方波脉冲。输出脉冲的个数在1-4 294 967 295范围内可调；输出脉冲的周期以µs或ms为增量单位，变化范围分别是10～65 535µs或2～65 535ms。 如果周期小于两个时间单位，周期被默认为两个时间单位。如果指定的脉冲数为0，则脉冲数默认为1。 PTO功能允许多个脉冲串排队输出，从而形成流水线。流水线分为两种：单段流水线和多段流水线。
单段管（流水）线是指流水线中每次只能存储一个脉冲串的控制参数，初始PTO段一旦起动，必须按照对第二个波形的要求立即刷新特殊存储器，并再次执行PLS指令，在第一个脉冲串完成后，第二个脉冲串输出立即开始，重复这一步骤可以实现 多个脉冲串的输出。单段流水线中的各段脉冲串可以采用不同的时间基准，但有可能造成脉冲串之间的不平稳过渡。输出多段高速脉冲时，编程复杂。
指令功能：PLS 脉冲输出指令，在EN端口执行条件存在时，检测脉冲输出特殊存储器的状态，然后激活所定义的脉冲操作，从Q端口指定的数字输出端口输出高速脉冲。PLS指令可在Q0.0和Q0.1两个端口输出可控的PWM脉冲和PTO高速脉冲串波形。由于只有两个高速脉冲输出端口，所以PLS指令在一个程序中最多使用两次。高速脉冲输出和输出映像寄存器共同对应Q0.0和Q0.1端口，但Q0.0和Q0.1端口在同一时间只能使用一种功能。在使用高速脉冲输出时，两输出点将不受输出映像寄存器、立即输出指令和强制输出的影响。

PTO/PWM控制寄存器的SM标志

（三）、plc程序以及注释
首先程序初始化，调用子程序SRB_0；设定移位参数。

主程序

SBR-0(初始化)

SBR-1(预备子程序)

SBR-2(工作1)

SBR-3(工作2)

SBR-4(工作3)

SBR-5(工作4)

SBR-6(复位预备)

七、结论
大学三年的知识通过这次的毕业设计得到了充分的发挥和巩固，同时，学习能力也在这次的毕业设计中得到了一定的提高。学习从来都是主动的，主动的学习让一个人充实，让一个人踏实，让知识更加牢固。毕业设计，大学最后一项任务，工贸毕业设计完成了，学习还在继续。

参考文献
①章国华、苏东主编.典型生产线原理、安装与调试.北京：北京理工大学出版社，2009.4
②马秀坤、史云涛、马学军编.S7-200OPLC与数学调速系统的原理与应用.国防工业出版社.2009
③刘华波.西门子S7-200PLC编.编程及应用案例精选.机械工业出版社.2009
④吕汀、石红梅、梁栋、姚锡禄编.变频技术原理与应用（第二版）.2008
⑤金发庆编.传感器技术与应用（第二版）2004
1、