模块化生产系统中的搬运分拣站设计说明书

1、前 言模块化并不是一个新的概念，早在20世纪初期其就被引入了机械制造业。人们将模块与物理产品联系到了一起，明确了模块的功能和特征。20世纪60年代以来，随着生活水平的提高和科技的发展，当今的市场已成为买方市场，随着市场的国际化，企业间的竞争也越加激烈。由于技术的飞速发展，产品的寿命周期逐渐缩短，从而导致客户的需求呈现多样化和个性化，所要定制的产品数量变少，同时还要求较短的交货期、较低的成本、较好的质量等。这些因素也促使企业不断的改变原有的生产模式，寻求更新更好的生产模式。模块化生产技术的基本方法是将产品的制造问题通过产品重组和过程重组转化为或部分转化为批量制造问题，即提供给用户的是全新的、定制

2、的个性化产品，而实际产品则主要由标准的模块组成。模块化制造的思想也来源于人们长期的生产实践。在机床制造业，德国于1930年首先提出了“模块化构造”(modular construction)的设计方法。由于用这种方法设计制造的机床具有很好的经济效益，因而采用模块化构造在世界上得到迅速发展。日本通产省在1977年开始研制柔性加工单元(fmc)，明确地引进了模块化构造的概念。随着先进制造技术的发展和计算机技术的广泛应用，使传统的模块化设计技术发生了深刻的变化。模块化是现代制造业发展的要求，是对传统标准化形式的发展。模块化与成组技术、柔性生产技术、计算机辅助技术等现代制造技术之间的关系是相辅相成、互

3、相支持的，只有在生产中密切配合才能发挥最大效益。 模块化生产系统作为一种现代制造环境下的制造哲理和方法论早就引起了人们的注意。rogers等就针对模块化生产系统(mps)的有关问题进行了深入的研究。通过建立模块标准，建立有限的部件级的基本生产加工单元(标准模块)。把基本模块分为四类：加上单元、运动单元、 模块化刀具装卡单元以及可配置的控制系统。通过从模块目录中选取适当的模块就能建立适应范围宽的自动化、集成化的生产系统。rogers等针对中、低档消费品的生产，如儿童玩具、厨房用具等，研究了实现模块化生产系统(mps)的合理性。把 mps作为产品和生产系统并行设计的一种技术，在产品设计和制造系统设

4、计之间建立了联系，通过制造特定的产品对制造系统进行再设计。同时还提出了模块化生产系统的两个基本工作原理，分析了建立设备模块标准和面向并行工程的mps设计支持工具的重要性。并把 mps总体设计过程分为三个阶段：产品分析、面向 mps的产品建模和mps综合。从模块化生产概念的形成可以看出，模块化制造是符合当今制造业发展潮流、具有广泛实践基础、可具体执行和操作的一种实用型先进制造模式和技术体系。模块化生产系统是根据特定模块化产品的制造要求设计而成的，产品的性能和质量得到了提高，生产的周期缩短，响应了市场的需求；与其相适应的生产系统易于重组，以适应产品的快速变换。而产品结构的模块化和生产系统装备的模块

5、化恰恰正能满足这样的要求。模块化生产系统是企业和产品重组的基础，是产品及其生产系统持续更新和并行开发的最佳基础。随着中国加入wto，中国经济进一步融入世界经济，中国在世界经济中扮演着越来越重要的角色。在这样的大背景下作为中国经济增长引擎的制造行业中蕴藏着巨大的市场机遇，但同时竞争也越来越惨烈，中国的制造业同时也会面临巨大的挑战。要想赢得未来竞争的胜利，中国的制造企业必须通过优化整个产品生命周期的业务链来缩短产品上市时间、提高产品质量、降低成本，同时还要不断通过研发创新来满足客户的变化需求。技术的飞速进步，引起产品工程越来越复杂，企业必须在不断变化的环境中应付越来越复杂的工程技术，随着客户对产品

6、个性化需求程度的增加，也导致产品定制化趋势越来越明显，企业必须创建数量庞大的产品系列来满足客户不断变化的需求。而模块化生产系统的优点是：对于新产品而言，由于标准的模块化而带来的生产系统的简化，并和自动化相结合，将显著缩短生产周期。模块化生产系统由于其建立方便、模块的适应范围广、可重构性强等特点，可以建立一个模块化制造系统的租赁市场。在这一市场中，建立一个模块化制造系统租赁公司，该公司准备了大量的各种不同的制造系统标准模块。可以向需要建立新产品制造系统(设备、生产线、装配线)的企业提供各种加工基本模块、模块化驱动单元、模块化的刀具和夹具以及可重构的控制系统。企业可以迅速在几天内建立起支持新产品生

7、产的系统。当该产品不再生产时，该模块化制造系统可以容易地拆除，并将各模块退回给租赁公司。由于模块化生产系统的设计是高度自动化的，硬件是模块的，能很快地设计和重构低成本的生产系统。因此，将企业产品平台化、模块化的管理创新成果与信息系统的建设结合起来将大大的提高企业的竞争力。这次设计的主要任务是对模块化搬运分拣站的控制部分进行设计，主要包括：模块化搬运分拣站的可编程控制器（plc）程序设计；组态程序设计；说明工作原理并编写设计说明书；利用实体模型完成组态程序和可编程控制器（plc）程序的运行调试工作。说明书介绍了基于模块化的搬运分拣站的工作原理、plc程序设计与控制、以及组态程序的设计等内容，重点

8、是关于模块化搬运分拣站的plc控制程序的设计和组态实时监控程序（动画）的设计，并在实体模型上完成调试运行。目 录摘 要abstract第1章 绪 论11.1 概述11.2 特点21.2.1 模块化的具体特点21.2.2 模块化结构的优点31.3 组成51.4 构建模块化生产系统51.4.1 模块化生产系统构建前的准备61.4.2 模块化生产系统构建的条件6第2章 模块化搬运分拣站82.1 概述82.2 搬运分拣站结构与功能82.3 搬运分拣站气动控制设计9第3章 可编程序控制器（plc）123.1 可编程控制器概述123.1.1 plc的由来和定义123.1.2 plc的发展概况和发展趋势13

9、3.1.3 plc的主要功能和特点163.1.4 plc的分类183.2 plc的基本组成和工作原理203.2.1 plc的基本组成和各部分的作用203.2.2 plc的工作原理223.3 plc程序设计243.3.1 工件与设备选择243.3.2 plc编程25第4章 组态编程304.1 组态概述304.1.1 组态的定义304.1.2 组态软件304.2亚控组态王简介364.3 组态程序编写404.3.1 组态程序404.3.2 组态变量设置404.3.3 组态王联机运行动画截图41第5章 结论与展望455.1 结论455.2 展望45致 谢46参考文献47附 录482009届机械电子工程

10、专业毕业设计（论文）摘 要模块化并不是一个新的概念，早在20世纪初期其就被引入了机械制造业。人们将模块与物理产品联系到了一起，明确了模块的功能和特征。模块化生产技术的基本方法是将产品的制造问题通过产品重组和过程重组转化为或部分转化为批量制造问题，即提供给用户的是全新的、定制的个性化产品，而实际产品则主要由标准的模块组成。模块化生产系统由于其建立方便、模块的适应范围广、可重构性强等特点，在国内外得到了广泛的运用。模块化搬运分拣站是模块化生产系统（mps）的一部分。它既可以作为一个独立的部分单独使用，同时也可以与供料站、检测站、加工站、安装站、存储站等组合成一个整体的自动化生产系统。本文介绍基于模

11、块化的搬运分拣站的工作原理、plc程序设计与控制、以及组态程序的设计等内容，重点是关于模块化搬运分拣站的plc控制程序的设计以及与组态程序的配合调试。关键词：模块化，可编程控制器，组态abstractmodular is not a new concept, as early as the beginning of the 20th century was the introduction of the mechanical manufacturing industry. people with physical products will be linked modules together

12、, defined the functions and characteristics of modules. modular production technology is the basic method of manufacture of the product through the process of restructuring and reorganization of product into or part of the problem into volume manufacturing, which is available to users new, personali

13、zed custom product, but the actual products mainly by the standard module. modular production system to establish because of its convenience, modules to adapt to a wide range of strong, such as reconfigurable characteristics, both at home and abroad has been widely used.sorting handling modular stat

14、ion is modular production system (mps) as part of. it can be used as part of an independent used alone, but also can feed station, detection stations, processing stations, the installation of stations, storage stations combined into an overall automated production systems. this article describes the

15、 removal based on the modular principle of sorting stations, plc programming and control, as well as the configuration of the design process and so on, with a focus on handling the sorting station modular plc control procedures, as well as the design and configuration process with debugging.keywords

16、:modular, programmable controller, the configuration2009届机械电子工程专业毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1 概述随着现代化工业生产的发展，气动技术、液压技术、传感器技术、plc技术、网络及通讯技术等技术的紧密结合而形成的机电液、机电气、机电光一体化的自动化控制技术在工业生产中正起着越来越重要的作用，自动化生产系统已成为当今工业生产的重要组成部分。模块化生产系统就是一个工业自动化生产系统，是基于机电气(液)一体化技术、plc控制与机器人结合的全自动加工装配系统。模块是构成产品的一部分，具有独立功能，具有一致的几何连接接口和一致的输入、输

17、出接口的单元，相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相关模块的排列组合就可以形成最终的产品。模块化的产品设计可以达到以下几个目的：模块的组合配置，可以创建不同需求的产品，满足客户的定制需求 ；相似性的重用，既可以重用已有零部件和已有设计经验，也可以重用整个产品生命周期中的采购、物流、制造和服务资源；减少产品工程复杂程度，因为模块是产品部分功能的封装，产品设计人员使用具体模块时根本不用关心内部实现，可以使研发人员更加关注顶层逻辑，提高产品工程管理质量和产品的可靠性。产品平台就是描述产品系列的模块化结构及模块的功能、模块间的几何连接接口和输入输出接口。产品平台是不同目标市场需求的抽象表达，是企业

18、划分模块的基础，产品平台和模块是相辅相成、相互依存的。因此，从以上论述和观点来看，产品的平台化、模块化是连接产品研发和大规模定制生产的桥梁。模块化产品是达到大规模定制和不断的持续改进企业商业能力的首要前提。 模块化生产系统通过标准化的、基本的制造系统模块进行重构，快速得到面向定制产品的制造系统，是一种高生产率和高柔性的制造系统。该制造系统具有以下几类模块：加工基本模块、模块化驱动单元、模块化的存储单元以及可重构的控制系统。模块化生产系统中的各部分不仅可以组合成一条高度自动化的生产线，同时模块化的功能单元也可以独立运转。整个控制系统是由各模块组成的多级系统。模块化生产系统涉及诸如电机驱动、气动、

19、plc（可编程控制器）、传感器等多种技术。一般包括：电气系统，气动系统，机械系统等。一、电气系统电气系统是指的在传输过程中的控制系统。电气其外延涵盖了微电子，光子学，以及微机应用技术等。电气的概念相当的广泛，只要是用电的就是电气，只要是用电控制的就是电气控制。其主要特点是强弱电结合、电工技术与电子技术相结合、软件与硬件结合、元件与系统结合。具体解决电气系统的控制问题。 二、气动系统气动系统是通过气体的压强或膨胀产生的力来做功，即将压缩空气的能量转换为动能的机件。三、机械系统机械系统是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息等。1.2 特点模块化生产系统是一种针对技术难度一般的产品的一

20、种新的生产系统，是一种在标准化和模块化系统基础上建立的“柔性”生产系统。其主要特点是：当有一个新产品投产时，标准化的模块可以快速组成一个新的生产系统，当产品生产完成后，组成制造系统的模块可以拆下来用于其它新产品的生产系统中。而这些标准化的模块可从一个贮备有大量模块的租货公司租赁。对于技术难度一般、批量较小或中等的产品，模块化生产系统能满足大批量定制生产的需要，具有高生产率和高柔性的特点。1.2.1 模块化的具体特点1、模块具有独立的功能模块的功能是整个产品功能的组成部分，且这个功能是自我包含，自我实现的。在集成化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是多对多的关系，这样导致某个零部件的设计更改会

21、影响到产品的多个功能，也就会导致不确定范围的零部件的修改，同样为了实现产品的某项功能改善，也会导致很多零部件的修改。随着产品复杂程度和产品零部件重用度的提高，管理这样的产品结构和相关信息就会变得十分困难，尤其是在产品为系列化、批量生产模式的企业中，随着不可互换的相似零部件种类的增加，销售、采购、物流、生产和服务等业务领域中的管理困难会成倍增加！在模块化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是一对一的关系，这样对于零部件的更改和产品功能的改善不会造成其他零部件和功能的调整，也就是将产品的功能抽象与产品零部件的具体实现分离，模块自身的单独发展不会影响其他模块。 2、标准的几何连接和一致的输入、输出接

22、口 为了实现同类模块之间的互换，严格的尺寸接口和输入输出接口的定义是必须的。几何连接接口，可以是机械领域的销、面、键和螺栓等，也可以是电器领域的信号、能量等。著名的玩具供应商lego乐高公司通过积木模块的不同组合可以拼成几乎无尽数量的形状，于是在市场上取得了巨大的成功。lego乐高公司的积木模块的定义主要就是几何连接接口。当然，在实际的制造业中随着产品复杂度的增加，模块的几何连接接口要比这复杂得多。输入、输出接口，是模块功能的抽象，此类接口可以是能量、信息、物质（液体、气体）等，是定义该模块功能的输出标准和能够保证输出特定功能所必须的输入条件标准。例如，如果发电机对于发动机厂来讲是一个模块的话

23、，发电机与发动机的连接尺寸等几何连接接口需要标准化和规范化。同时，发电机的输入转速、功率，以及输出的电流等输入、输出接口同样需要规范。 3、模块是依赖产品平台的存在而存在的 虽然模块的功能是自我包含、自我实现的，但是模块的存在和划分必须以产品平台的整体功能为前提。比如某一个收音机由接收器(ra)、放大器(aa)和电源(pa)三个组件构成，当该收音机只有这样一种产品配置的时候，这里不存在任何模块，接收器(ra)、放大器(aa)和电源(pa)是一个整体，不用区分。但是，当有另外一种收音机使用了另外一种电源(pb)，这个电源(pb)又与前一个电源(pa)可以互换时，那么电源在没有任何变化的情况下，就

24、会成为一个模块。因此，模块的功能和互换性都是依赖于产品平台的功能和配置变化而存在的，失去产品平台的定义和产品平台的配置需求，模块的存在是没有意义的。 4、模块是有层次的，并且受观察角度和范围的影响 模块可以包含子模块，因为模块的功能是整个系统功能的组成部分，所以子模块的功能应该是父模块的基本功能，所以能否称为模块是受观察角度和定义范围的影响而变化的。同样，模块层次越多管理难度越大，当模块层次划分过多，就与非模块化的产品结构没有什么差异了。例如，就模块的层次而言，柴油机是整车的一个模块，发电机又是柴油机的一个模块。站在不同的角度，模块的划分也会不同。发电机对于发电机生产商来讲是一个产品，对于柴油

25、机生产商来讲是一个模块，而对于整车生产商来讲只是一个总成件了。整车厂的模块化产品平台中不需要定义发电机模块。 1.2.2 模块化结构的优点 模块化生产系统的优点是：对于新产品而言，由于标准的模块化而带来的生产系统的简化，并和自动化相结合，将帮助显著缩短生产周期。由于模块化生产系统的设计是高度自动化的，硬件是模块的，因此能很快地设计和重构低成本的生产系统。模块化生产系统由于其建立方便、模块的适应范围广、可重构性强等特点，可以建立一个模块化生产系统的租赁市场。在这一市场中，建立一个模块化生产系统租赁公司，该公司准备了大量的各种不同的制造系统标准模块。可以向需要建立新产品制造系统(设备、生产线、装配

26、线)的企业提供各种加工基本模块、模块化驱动单元、模块化的刀具和夹具以及可重构的控制系统。企业可以迅速在几天内建立起支持新产品生产的系统。当该产品不再生产时，该模块化生产系统可以容易地拆除，并将各模块退回给租赁公司。当然还需要一个设计和制造这些模块的公司。模块化的产品结构对企业的贡献可以从产品研发、提高效率、降低成本和改进企业管理等几个方面考虑。 1、对企业产品研发的贡献 模块是产品知识的载体，模块的重用就是设计知识的重用，大量利用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提高产品的可靠性和设计质量。模块实现产品功能的分配和隔离，使问题的发现和设计的改进变得容易。模块实现功能的抽象

27、和实现分离，使设计人员容易掌握产品全局，同时设计人员可以屏蔽掉与自身领域无关的细节，从而关注更高层次的设计逻辑。模块功能的独立性和接口的一致性，使模块研究更加专业化和深入，可以不断通过升级自身性能来提高产品的整体性能和可靠性，而不会影响到产品其他模块。模块功能的独立性和接口的一致性，使各个模块可以相对独立的设计和发展，可以进行并行设计、开发和并行试验、验证。模块的不同组合能满足用户的多样性需求，易于产品的配置和变型设计，同时又能保证这种配置变型可以满足企业批量化生产的需求。 2、对企业工作效率和节省时间的贡献 设计和零部件的重用可以大大缩短设计周期；并行的产品开发和测试可以大大缩短设计周期；利

28、用已有成熟模块可大大缩短采购周期、物流周期和生产制造周期，从而加快产品上市时间；如果划分模块时考虑到企业售后服务的特定需求，同样可以缩短服务周期和耗费资源时间。 3、对企业成本控制的贡献 模块和知识的重用可以大大降低设计成本；采用成熟的经过验证的模块，可以提高采购批量，降低采购和物流成本；采用成熟的经过生产验证的模块，可以大大减少由于新产品的投产对生产系统调整的频率，使新产品更容易生产制造，可以降低生产制造成本；产品平台中及平台之间存在大量的互换模块，可以降低售后服务成本。 4、对企业组织的贡献 有利于企业研发团队分工，规范不同团队间的信息接口，进行更为深入的专业化研究和不同模块系统的并行开发

29、；抽象平台和模块的建立，可以实现企业组织结构与产品模块结构之间的交互，使并行工程拥有实施的根基，工艺、财务、采购和售后服务可以在产品研发早期就介入产品研发项目；标准规范的模块接口有利于形成产品的供应商规范；有利于产业分工的细化（比如下图的计算机行业，以及气车行业）。目前，由于模块化生产系统的卓越性能而被广泛的运用于工业生产中。模块化是企业发展壮大的基础，是现代化工业的重要象征。1.3 组成模块化生产系统由各个独立的单元构成，每一个独立的单元都有一套独立的控制系统，可以单独使用，同时也可也组合成整体。模块化生产系统通常包括一下部分：1、加工基本模块(pmp: process machine pr

30、imilives) 主要用于加工和改变原材料的状态，如挤压、钻孔、铣削等。基本模块的功能是与现有的加工设备相类似，但对于模块，最强调的是遵循精确、预定义、示范性和可控制的标准。2、模块化驱动单元(mae：modular actuator elements)主要用于完成执行任务部件的运动。3、模块化的刀具和夹具(mtj：modular tooling and jigging)：这是与加工基本模块和模块化驱动单元相匹配的刀具和夹具模块。4、可重构的控制系统(ccs: configurable control system)：包括各种模块化生产系统子系统的程序、指令和同步化的信息网络。总而言之，模块

31、化生产系统主要是软、硬件的结合。由于其在产品设计阶段就可精确地确定产品制造的可行性、成本和投资的回收等问题。大大提高了生产效率，节约了成本，因此广泛的用于工业生产中。1.4 构建模块化生产系统传统的过程性系统的设计办法倾向于使高层次的模块依赖于低层次的模块，抽象层次依赖于具体层次。抽象层次包含的是产品系统的顶层的功能逻辑和宏观的、对整个系统来说重要的战略性决定，是必然性的体现，而具体层次则含有一些次要的与功能实现有关的功能和逻辑，以及战术性的决定，带有相当大的偶然性选择。具体层次的需求会经常改变，抽象层次依赖于具体层次，使许多具体层次的细节变化会立即影响到抽象层次的宏观功能，导致微观决定宏观，

32、战术决定战略，偶然决定必然，这显然是不对的。将产品模块化，就是要把产品系统顶层的功能逻辑抽象成为模块，使具体的产品零部件设计依赖于抽象的模块层次逻辑。利用抽象的模块化层次，将企业产品的底层逻辑数量众多的零部件抽象成为可以重用的模块，再利用模块的排列组合形成企业丰富的富于创造性的满足用户特殊需求的产品配置。这样，对于零部件组件层(底层逻辑)来讲企业要尽量标准化，利用成组技术和windchill系统中的wsf模块功能对这些零部件进行分类重用；合理划分模块层(抽象层)逻辑，使企业可以用数量最少的模块来配置生成数量众多的富于创造性的满足客户特殊需求的产品；最后，企业要利用平台化的战略，分析企业产品的目

33、标市场，整合企业模块资源，以最少的产品变型满足最大范围的目标市场需求。1.4.1 模块化生产系统构建前的准备模块化生产系统的制造模式不可能在短时间内完成，在构建模块化生产系统前，应进行如下一些准备工作： 1、根据最终用户的需求，对模块化生产系统中的各模块进行分析和设计。 2、建立模块性能、尺寸和控制的开放性标准。 3、在产品设计时就要考虑到模块化生产系统方法带来的约束要求。产品所有的生产操作尽量满足“制造和装配过程模块集”规定的范围来执行。同样，应尽量避免具有长周期的制造过程，因为模块化生产系统的目的是尽可能扩大模块的利用率，以确保资金投入的高回报率； 4、开发先进的设计与分析工具，以便支持设

34、计者进行与模块化生产系统相关的产品快速并行设计，确保产品设计满足由模块化生产系统带来的约束。1.4.2 模块化生产系统构建的条件 1、过程选择：所有的零部件必须能够通过加工基本基元而加工出来。 2、周期需求：只要在可能的地方，所有的零部件必须“准时(jit)”“准地(jip)”进行制造。3、质量和可靠性：所有的作业和过程的选择必须力争具有几乎100%的可靠性.4、操作和装配：所有的零部件要使用根据模块化驱动单元建立的简单实用的单元进行处理和装配。 5、原材料成本：坚决杜绝不必要的昂贵原材料。模块化生产系统构建开始于从与模块化生产系统有关的产品设计中“提取”信息。用于模块化生产系统设计的产品描述

35、主要是产品结构分析表。在模块化生产系统设计中首先要根据产品批量和产品的复杂程度确定加工机器基元的模块数。这要求识别哪一种加工机器基元导致子装配线的生产周期低于生产输出速率所要求的周期。如果一个加工机器基元的生产周期太低，则增加加工机器基元单元的数量直至达到所要求的生产周期。模块化生产系统的设计图定义了从产品设计(即装配命令)、装配过程和模块化生产系统生产周期需求得到的加工机器基元模块的数量和排序的顺序。第2章 模块化搬运分拣站2.1 概述模块化搬运分拣站是模块化生产系统（mps）的一部分。它既可以作为一个独立的部分单独使用，同时也可以与供料站、检测站、加工站、安装站、存储站等组合成一个整体的自

36、动化生产系统。由于其卓越的自动化性能，在国内外工厂的生产流水线中得到了广泛的应用。2.2 搬运分拣站结构与功能搬运分拣单元可以模拟提取工件、按照要求将工件分流的工程，同时能提供一个安装工位，实现大、小工件的组装。搬运分拣站单元主要由提取模块、工件平台、直线转圆周运动装置、气源处理组件、i/o接线端口、阀组等组成。1、 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，再通过信号电缆连接到plc上。2、 提取模块该模块实际上是一个“气动机械手”，主要由一个直线气缸（上下摆动）、摆臂和气动夹爪等组成。摆臂相当于气动

37、机械手的“手臂”，只是在这时不能伸缩，只能上下摆动，它由一个安装在下方的直线气缸驱动，在摆臂的前端安装有一个气动夹爪，用于抓取工件。3、 直线转圆周运动装置提取模块的左右移动及旋转由两个直线气缸所控制，它通过一定的机械转换装置，在实现直线运动的同时还能提供圆周运动，这样在本单元上可以提供四个工位，分别为左工位（提取工位）、左上工位（安装工位）、右上工位（未用）和右工位（输出工位）。4 、工件平台工件平台安装在安装在安装工位上，用于实现大、小工件的组装。2.3 搬运分拣站气动控制设计1、气动控制回路设计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

38、辑控制功能是通过plc控制实现的。在搬运分拣站单元的气动控制原理图中，1a为1号双作用直线气缸；1b1和2b2为磁感应式接近开关；2a为2号双作用直线气缸；2b1和2b2为磁感应式接近开关；3a为气动夹爪；3b1为磁感应式接近开关；4a为控制手臂上、下的直线气缸；4b1和4b2为磁感应式接近开关；1y1和1y2为1号双作用气缸的电磁阀的两个控制信号；2y1和2y2为控制2号双作用气缸的电磁阀的两个电磁控制信号；3y1和3y2为控制气动夹爪开与闭的电磁阀的两个电磁控制信号；4y1为上、下摆动气缸的电磁阀的电磁控制信号。控制电气图如2.1：图2.1 气动控制电气图2、电气接口地址mps中的每个部件

39、上的输入、输出信号与plc之间的通讯电路连接是通过i/o接线端口实现的。各接口地址已经固定，各单元中需要与plc进行通讯连接的线路（包括各个传感器的线路、各个电磁阀的控制线路及电源线路）都已事先连接到了各自的i/o接线端口上，在与plc连接时，只需要使用一根专用的电缆级可以实现快速连接。通常选用rs233连接线。具体的接口分配如表2.1：表2.1 电气接口分配序号设备符号设备名称设备用途信号特征11b1磁感应式接近开关判断直线气缸的位置信号为1：1号气缸缩回到位21b2磁感应式接近开关判断直线气缸的位置信号为1：1号气缸伸出到位32b1磁感应式接近开关判断直线气缸的位置信号为1：2号气缸缩回到

40、位42b2磁感应式接近开关判断直线气缸的位置信号为1：2号气缸伸出到位53b1磁感应式接近开关判断夹爪开闭情况信号为1：夹爪已打开信号为0：夹爪夹紧64b1磁感应式接近开关判断夹爪上下的位置信号为1：夹爪下降到位74b2磁感应式接近开关判断夹爪上下的位置信号为1：夹爪上升到位81y1电磁阀控制1号直线气缸动作信号为1：1号气缸伸出91y2电磁阀控制1号直线气缸动作信号为1：1号气缸缩回102y1电磁阀控制2号直线气缸动作信号为1：2号气缸伸出112y2电磁阀控制2号直线气缸动作信号为1：2号气缸缩回123y1电磁阀控制夹爪开闭的动作信号为1：夹爪打开133y2电磁阀控制夹爪开闭的动作信号为1：

41、夹爪闭合144y1电磁阀控制提取缸上下的动作信号为1：夹爪下降信号为0：夹爪上升3、程序控制（1）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，夹爪打开、摆臂上抬到位，两个直线气缸驱动摆臂左转到最左端。进入工作运行模式，按启动按钮，摆臂下降夹取工件，抬起后转安装工位，摆臂下降后释放工件（用计时器模拟安装好的信号），有信号后摆臂再次下降夹取工件，上抬后转输出工位；等待输出信号（用计时器模拟），摆臂下，放开工件，上抬后摆臂转左工位，再次等待下一个信号。各工位与两直线气缸的位置/状态表如表2.2：表2.2 控制任务工位1号直线气缸状态2号直线气缸状态左工位（提取工位）伸出伸出左上工位

42、（安装工位）伸出缩回右上工位（预留使用）缩回伸出右工位（输出工位）缩回缩回第3章 可编程序控制器（plc）3.1 可编程控制器概述可编程序控制器（programmable controller,英文缩写为pc、后又称为plc）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通讯网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（plc、机器人和cad/cam）之一。plc控制技术代表着当前程序控制的先进水平，plc装置已成为自动化系统的基础装置。3.1.1 plc的由来和定义一、plc

43、的由来 在plc问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当上产工业发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和金钱的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（gm），为了适应汽车型号的不断更新的需求，以在激烈竞争的汽车工业市场中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求，即：1、编程简单方便，可在现场修改程序；2、硬件维护方便，最好是插件式结构；3、可靠性要高于继电器控制装置；4、体积小于继电器控制装置

44、；5、可将数据直接送入管理计算机；6、成本商可与继电器控制装置竞争；7、输入可以是交流115v；8、输出为交流115v，2a以上，能够直接驱动电磁阀；9、扩展时，原有系统只需做很小的改动；10、用户程序存储容量至少可以扩展到4kb；根据招标要求，1969年美国数字设备公司(dec)研制出世界上第一台plc（pdp-14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。从此，可编程序控制器这一新的控制技术迅速发展起来，而且，在工业发达国家发展很快。二 、plc的定义在plc的发展过程中，美国电气制造商协会（nema）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命

45、名为可编程序控制器（programmable controller），英文缩写为pc。并作如下定义：“可编程序控制器是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。” 国际电工委员会（iec）曾于1982年11月颁布了可编程序控制器标准的草案第一稿，1985年1月有发表了草案第二稿，1987年2月颁布了草案第三稿。该草案中对可编程序控制器的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算

46、术运算等操作的指令。并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关外部设备，都应按照易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”定义强调了plc应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。3.1.2 plc的发展概况和发展趋势一、plc的发展概况plc的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，这些高新技术的发展推动了plc的发展，而plc的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展。plc的发展速度大致可以分为以

47、下四个阶段。1、第一阶段从1969年第一台plc问世到1972年，是plc的初创阶段。1969年美国数字设备公司(dec)研制的第一台plc（pdp-14型）与现代的plc有很大的差别。它采用计算机的初级语言编写应用程序；它的cpu采用中、小规模集成电路组成，以逻辑运算为主，只是专用的逻辑处理器；它的实质只是一台专用的逻辑控制计算机，还缺乏plc自己的鲜明的性格；它价格贵、功能仅限于开关量逻辑控制。因而，当时称其为可编程序控制器（programmable controller），英文缩写为plc，只是在一些大型生产设备或自动生产线上使用。第一台plc的功绩是把计算机的程序存储技术引入继电器控制

48、系统。这个阶段的plc控制功能比较简单，主要用于逻辑运算和计时、计数和顺序控制等功能。2、第二阶段从1973年到1978年，是plc的成熟阶段。大规模集成电路促进了微机的发展，提供了plc发展的可能性。很快出现了以微处理器为核心的新一代plc。在控制功能上，除了具有位逻辑运算、计时、计数功能外，还具有数值运算和数据处理、数据传送、监控、记录显示、计算机接口、模拟量控制等功能。在编程技术方面开发了面向用户的梯形图编程法，通俗易懂。这个时期的plc把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器控制系统的结构简单、使用方便、价格便宜、抗干扰性强等优点结合起来，面向工业控制的鲜明特点显露出来，j

49、ishu 日趋完备，plc进入使用化阶段。1980年将可编程序逻辑控制器（plc）正式改称为可编程序控制器（programmable controller），英文缩写为pc。后来，为了与个人计算机（personal computer）的缩写pc相区别，人们把可编程序控制器简称为plc。3、第三阶段从1978年到1984年，是plc的大发展阶段。这个时期plc进入持续高速发展的新阶段。plc面向工业控制的鲜明特点受到各方面的欢迎，plc由最初用于汽车工业取代继电器控制系统，发展到已广泛应用于各国机械、冶金、石油、化工、煤炭、动力、交通运输、轻工、纺织等工业部门。其应用面几乎覆盖了所有工业企业。随

50、着plc应用面的扩大，其需求量大大增加，从而进一步促进了plc的生产和研究，产品的品种越来越多，新的生产厂家不断增加，销售额剧增。这个时期的plc采用8位、16位微处理器作为cpu，有些还采用了多个微处理器结构。plc的功能进一步增强，处理速度更快。增加了多种功能，如浮点数运算、平方、三角函数、查表、列表、脉宽调制变换、高速计数、pid控制、定位控制、中断控制等；自诊断功能和容错技术发展迅速；还具有通信功能和远程i/o能力。初步形成了分布式通信网络体系。4、第四阶段从1984年至今，是plc的继续发展阶段。由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度的下跌，使得各种类型的plc

51、所用的微处理器的档次普遍提高，进一步提高plc的处理速度，使得plc软、硬件功能发生了巨大的变化，甚至使plc已具有接近于工业控制及设计的强有力的软、硬件功能。现在，即使是小型的plc，其功能在有些方面甚至赶上和超过了上阶段的大型plc的功能；plc用户存储器的容量增大，i/o除了采用通用的扫描处理方式外，还可以采用直接处理方式。通信系统的开放，使各厂家生产的产品可以相互通信。通信协议的标准化，可使plc能成为计算机网络的一个成员，共享网络资源。通过plc的网络通信功能，可构成多级通信网，实现工厂的管理与控制的自动化。plc的监控功能，可以在crt上显示生产工艺流程的图形，用crt的画面替代仪

52、表盘，可十分灵活方便地进行各种控制和管理操作。plc的编程语言除了传统的梯形图、流程图、语句表外，还能够使用高级语言，如basic、pascal、fortran、c语言、数控语言等。plc的人机对话能力增强，使编程软件得以普及和简化，屏幕对话十分灵活，可以进行全屏幕的编辑。用户程序在编程过程中，不但排错、纠错能力加强，还可以进行在线仿真，加快了软件的开发周期。二、 plc的发展趋势虽然plc只有30多年的发展历史，但其发展势头迅猛，目前plc的年生产增长率仍保持在30%40%的水平。成为当今增长速度最快的工业控制器，而且还将要继续发展下去。plc将向着以下几个方面发展：1、向高速度、大容量方向

53、发展为了提高plc的处理能力，要求plc具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的plc的扫描速度可达0.1ms/k步左右。plc的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的plc最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。2、向超大型、超小型两个方向发展当前中小型plc比较多，为了适应市场的多种需要，今后plc要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有i/o点数达14336点的超大型plc，其使用32位微处理器，多cpu并行工作和大容量存储器，功能强。小型plc由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发

54、了各种简易、经济的超小型微型plc，最小配置的i/o点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司系列plc。3、plc大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程i/o模块、通信和人机接口模块等。这些带cpu和存储器的智能i/o模块，既扩展了plc功能，又使用灵活方便，扩大了plc应用范围。加强plc联网通信的能力，是plc技术进步的潮流。plc的联网通信有两类：一类是plc之间联网通信，各plc生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是plc与计算机之间的联网通信，一般plc都有专用通信模块与计

55、算机通信。为了加强联网通信能力，plc生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，plc已成为集散控制系统（dcs）不可缺少的重要组成部分。4、增强外部故障的检测与处理能力根据统计资料表明：在plc控制系统的故障中，cpu占5%，i/o接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于plc的内部故障，它可通过plc本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于plc的外部故障。因此，plc生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。5、编程语言多样化在plc系统结构不断发展的同时，plc的编程语言

56、也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数plc使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（basic、c语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是plc进步的一种趋势。3.1.3 plc的主要功能和特点一、plc的主要功能plc在不断地发展，其性能在不断地完善、功能在不断地增强。其主要功能有：1、开关量逻辑控制这是plc的最基本的功能。plc具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制，常用于取代传统的继电器控制系统。2、模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度

57、等都是模拟量。而plc中的微处理器cpu只能处理数字量。所以plc中配置了a/d和d/a转换模块，把现场输入的模拟量经过a/d转换后送cpu处理。而cpu处理的数字量结果，经过d/a转换后，转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。3、闭环过程控制运用plc不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。配置pid控制单元或模块，对控制过程中某一变量进行pid控制。4、定时控制plc具有定时控制的功能，它为用户提供了若干个计数器。计数器的计数值可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现定时或延时的控制。5、计数控制plc具有计数控制的功能，它为用户提供了若干个计数器。计数器的计数值可以由