PLC自动化生产线设计说明

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1、 . . . 职业技术学院PLC自动化生产线设计 班级：机电21032 学号：2060103208 ：高达星 PLC自动化生产线设计摘 要自动生产线的最大特点是它的综合性和系统性，综合性主要涉与机械技术、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

2、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 电机目 录摘要I一概述1二自动生产线的组成与基本功能22.1 基本组成22.2 基本功能3三电气控制43.1

3、接线端子与主令部件43.1.2 控制系统53.2 能源部63.2.1 供电电源63.2.2 气源处理装置73.2 RS485总线的电气连接83.2.1 安装和连接N:N 通信网络8四加工单元控制系统84.1 供料单元的PLC工作任务94.2 加工单元的结构和工作过程94.3 加工单元PLC工作任务104.4 PLC的I/O分配与系统安装接线104.5 加工单元气动控制回路12总结15致15参考文献16附录1加工单元电气原理图与程序1738 / 41一 概 述二十世纪以来，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

4、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）。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

5、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容，并得到迅速发展。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。

6、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。二 自动生产线的组成与基本功能2.1 基本组成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

7、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。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、物体的颜色与材质等。2.2 基本功能各工作单元在台面上的分布如图2-2的

8、俯视图所示。310430350560图2-2 自动生产线设备俯视图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。三 电气控制3.1 接线端子与主令部件3.1.1 接线端子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

9、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。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。装置侧的接线端口和PLC侧

10、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。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与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：指示灯（24VDC）：黄色（HL1）、绿色（HL2）、红色（HL3）各一只。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

11、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

12、压电源分别用作供料、加工和分拣单元，与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与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与凝结水，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

13、提供的压力为0.61.0MPa, 输出压力为00.8MPa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

14、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： 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。 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。 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。 若在运行中料仓工

15、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：加工台与滑动机构，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

16、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，

17、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分配与系统安装接线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1SC5加工台物料检测11Y顶料电磁阀23B1工件夹紧检测22Y推料电磁阀34B1加工台伸出到位33Y夹紧电磁阀44B2加工台缩回到位44Y伸缩电磁阀55B1加工压头上限55Y冲压电磁阀65B2加工压头下限2，根据工作单元装置的I/O信号分配（表

18、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

19、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

20、。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

21、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。参考文献1吕景泉.可编程序控制

22、器与其应用M.：机械工业，20012昆仑通态自动化软件科技.MCGS嵌入式用户手册Z.：昆仑通态自动化软件科技，20003长能，光毅.可编程序控制器基础与其应用M大学，19924廖常初.PLC编程与应用M.：机械工业，20055昆仑通态自动化软件科技.MCGS用户指南Z.：昆仑通态自动化软件科技，20056江正战.串行通信接口标准RS-423/422/485与其应用J电子技术应用，19947蔡红斌.电气与 PLC 控制技术M.：清华大学,20078永胜，王岷主编.电气控制与 PLC 应用M.：中国电力,20049立定.电气控制与可编程控制器M.：高等教育,200210高勤.电气与 PLC 控制

23、技术M.：高等教育,200211许翏，王淑英.电气控制与 PLC 应用M.：机械工业,200512钟肇新，侃.可编程控制器原理与应用M.：华南理工大学出版,200013常晓玲.电气控制系统与可编程控制器M.：机械工业,200414万忠.可编程控制器应用技术M.：化学工业,200515王也仿.可编程控制器应用技术M.：机械工业,200616继文.传感器与应用电路设计M.:科学,200217晶彦.传感器与检测技术应用M.:机械工业,200518宋文绪,帆.自动检测技术M.:高等教育,200019清梅,建民.传感器与测试技术M.:工程大学,200520金发庆.传感器技术与应用(第二版)M.:机械工业

24、,200621武昌俊.自动检测技术与应用M.:机械工业,200522成圣林，侯成晶.图解传感器技术与应用电路M.:中国电力,2009附录1加工单元电气原理图与程序 二，运料小车控制系统1掌握运料小车控制系统的基本原理和实际应用。2. 掌握运料小车控制系统中变频器的参数设置与控制方法。3.掌握运料小车控制系统中PLC和变频器结合使用的方法。 基础知识随着社会的发展，技术的不断改革，工业生产的自动化程度与性能都得到了大幅提高.由于变频器不仅可以改变转速，而且在启动、停止时减少了对设备的冲击，相对稳定了生产。小车运料采用PLC和变频器配合，提高了生产线的自动控制性能和稳定程度，并且设备的安全性能都得

25、到了进一步提升，从而提高了生产效率和设备的使用寿命。 实战演练一训练容用PLC和变频器组合对生产线中的小车自动运行进行控制。控制容为：1.任务：1）某车间有5个工位，小车在5个工位之间往返运行送料，当小车所停工位号小于呼叫号时，小车右行至呼叫号处停车；2）小车所停工位号大于呼叫号时，小车左行至呼叫号处停车；3）小车所停工位号等于呼叫号时，小车原地不动；4）小车启动加速时间、减速时间可根据实际情况自定；5）小车具有正、反转与高、低两种运行速度运行功能，高速运行在50HZ，低速运行在30HZ；6）具有小车行走工位的七段数码管显示。小车工位示意图如图355所示。图355小车运行工位示意图2结合控制要

26、求进行PLC程序的编写与变频器参数的设定。（1）I/0分配表，见表351。表351 I/0分配表输入输出名称代号输入点编号输出点编号代号名称启停开关SA1X0Y0数码管A小车呼叫按钮SB1X1Y1数码管B小车呼叫按钮SB2X2Y2数码管C小车呼叫按钮SB3X3Y3数码管D小车呼叫按钮SB4X4Y4数码管E小车呼叫按钮SB5X5Y5数码管F低速开关SB6X6位置行程开关SQ1X11Y6数码管G位置行程开关SQ2X12Y10STF右行位置行程开关SQ3X13Y11STR左行位置行程开关SQ4X14Y12RL低速运行位置行程开关SQ5X15（2小车运行自动控制电路图的连接如图352所示。图352 小

27、车运行自动控制接线图（4）小车运行参考程序如下图353所示。图353 小车运行控制程序参考梯形图（5）结合实际控制应用与要求，设置变频器的参数。如下表352所示。表352小车控制变频器参数设定表参数代码功能设定数据Pr.1上限频率50HZPr.2下限频率0HZPr.3基准频率50HZPr.6多段速频率30HZPr.7加速时间2SPr.8减速时间1SPr.9电子过流保护7.48APr.14适用负荷选择0Pr.20加减速基准频率50HZPr.21加减速时间单位0Pr.77参数写入选择0Pr.78逆转防止选择0Pr.79运行模式选择3Pr.80电动机（容量）3.7KWPr.81电动机（极数）4极Pr

28、.82电动机励磁电流6.8APr.83电动机额定电压380VPr.84电动机额定频率50HZPr.178STF端子功能的选择60Pr.179STR端子功能的选择61Pr.180RL端子功能的选择0二、设备、工具和材料准备工具 电工工具1套，电动工具与辅助测量用具等。仪表 MF500B型万用表、数字万用表DT9202、5050型兆欧表、频率计、测速表各一。器材 三菱FR-A740-3.7K-CHT变频器、电动机3.7KW 、三菱PLC和编程软件、各一，其它辅助用按钮、位置开关与交流接触器，导线若干等。三、操作步骤1系统的安装接线与运行调试（1）首先将主、控回路按352图进行连线，并与实际操作中情

29、况相结合。（2）经检查无误后方可通电。（3）在通电后不要急于运行，应先检查各电气设备的连接是否正常，然后进行单一设备的逐个调试。（4）按照系统要求进行变频器参数的设置。（5）按照系统要求进行PLC程序的编写并传入PLC，并进行模拟运行调试，观察输入和输出点是否和要求一致。（6）对整个系统统一调试，包括安全和运行情况的稳定性， （7）在系统正常情况下，接通启停开关，小车就开始按照控制要求自动运行。根据程序由变频器控制小车的转速，以达到多段速的控制，从而实现运料小车的高、低速自动控制。（8）断开启停开关SA1,小车停止运行。2注意事项（1）线路必须检查清楚才能上电。（2）在系统运行调整中要有准确的

30、实际记录，是否温度变化围小，运行是否平稳，与节能效果如何。 （3）对运行中出现的故障现象准确的描述分析。（4）注意在运送物料时不得超负荷运行，否则电动机和变频器将过载而停止运行。（5）在运行过程中要认真观测，小车运料系统的控制方式与特点。自我训练用PLC和变频器组合对机械手进行设计、安装与调试1.任务要求：如图3-3-5所示。 图3-3-5 机械手动作示意图（1）把启停开关拨动到开启位置，进入待机状态，机械手处于原点位置(SQ6、SQ7闭合)。（2）按动选位按钮SB1可进行选择放置物体位置。具体要求为：从第一次按下SB1开始，2s可连续按下多次该按钮，在此时间按下按钮的次数将决定机械手放置物体

31、的位置。如：2s按下1次，则把物体放到1号位，如按下3次或大于3次，则把物体放到3号位。（3）机械臂的左右行驶由三相电动机M1的正反转来控制。机械手的上升下降由变频器来控制M2，并进行如下调速设置：假如在上述2s时间按动了2次SB1，此时机械手开始启动下降，2s加速到最高速度（对应频率为30Hz），当下降到SQ1时开始下降减速，减速时间为4s；机械手停止后开始夹紧物体（夹紧时间1s），然后上升加速，2s加速到最高速度（对应频率30Hz），当运行到SQ2处开始上升减速，减速时间2s，机械手压合SQ6并停止后开始右行，经过SQ3时不停，到达SQ4时（2号位限位）停止右行，开始下降；下降过程同上要求，到位后放松物体并立即返回，上升过程同上，上升到位后返回原点停止第一次任务结束，并等待下一次任务。（4）停止时，当前任务结束方可停止系统，并切断选位电路。注意：在机械手下降时触动SQ2无效，在上升时触动SQ1无效；机械手的夹紧和放松由中间继电器控制电磁阀的通断来实现。2.技术要求电路设计：根据任务，设计主电路图，列出PLC控制I/O口（输入/输出）元件地址分配表，根据加工工艺，设计梯形图与绘制PLC、变频器接线图。并设计出有必要的电气安全保护措施。安装与接线要紧固、美观，耗材要少。