MPS05模块化自动化生产线设计

1、 毕 业 设 计（论 文） 题目： MPS05模块化自动化生产线设计-III站 专 业： 机械电子工程 指导教师： 李明颖 学生姓名： 周世鹏 班级-学号：机电112-23 2015年 06月大连工业大学本科毕业设计（论文）MPS05模块化自动化生产线设计III站The design of MPS05 modular automatic production line control system-III station设计（论文）完成日期 2015 年 06月 05日学 院：机械工程与自动化学院 专 业： 机械电子工程 学 生 姓 名： 周世鹏 班 级 学 号： 机电112-23 指 导 教

2、 师： 李明颖 评 阅 教 师： 丁金华 2015年 06月注：页眉，居中，楷体，五号。阅后删除此文本框。摘 要可编程控制器(PLC)作为以自动控制技术为基础通信技术发展起来的新一代工业控制装置，目前已被广泛应用于各个领域。凭借其优越的性能，PLC问世以后得到快速发展。本论文理论与实践相结合，详细阐述了PLC在自动化生产线领域中的应用，首先通过对MPS05模块化自动化生产线-III站的各个动作的了解来设计加工的过程，然后按照加工的要求来设计梯形图，最后调试和应用。以达到了解自动化生产线在现代生活中的重要性。在设计过程中包括PLC机型的选择，I/O端口的分配，I/O硬件接线图的绘制，PLC梯形图

3、程序的设计。对PLC控制MPS05模块化自动化生产线的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC的控制系统来设计生产线的好处。关键字：可编程控制器 ；自动化 ；生产线AbstractPLC is gradually developed into a new generation industrial control device, which is based on basic communication control technology as automatic control technology. At present, it has been widely used in variou

4、s fields. Because of its superior performance. PLC develops at a very fast speed since it came out.The thesis is blended with theory and practice, which illustrates concretely the application of the PLC in automatic production line. First it is designed and processed by understanding each motion of

5、MPS05 module automatic production line-III station. Then, design echelon chart according to the requirements of processing. Debugging and application are the last two steps. The aim is to know the importance of the automatic production line in module life. It includes the option of the PLC model num

6、ber the allocation of the I/O ports, the drawing of the I/O hardware wiring diagram, the design of the PLC ladder chart program. There are some concrete introductions for the working process of the MPS05 modularization automatic production line which is control by the PLC, and it also expounds, the

7、advantages of designing production line by using PLC control system.The keywords: Programmable logic control ；automation ；production line目录摘 要IAbstractII引 言1第一章 自动化生产线简介21.1自动化生产线的发展历史21.2 MPS模块化自动化生产线2第二章 模块化自动化生产线III站的概述42.1模块化自动化生产线III站控制要求42.2模块化自动化生产线III站的总体设计42.3模块化自动化生产线III站的结构52.4模块化自动化生产线II

8、I站的工作系统模拟图5第三章 控制系统的硬件设计73.1 控制系统设计的基本步骤73.2 控制器的选择73.3 编程软件选择83.4气动元件选择93.5步进电机和步进驱动器的选择103.6模块化自动化生产线III站PLC的符号分配表113.7模块化自动化生产线III站PLC的输入输出接线图113.8模块化自动化生产线III站步进驱动器接线原理133.9模块化自动化生产线III站气动回路图14第四章 模块化自动化生产线III站的程序设计154.1模块化自动化生产线III站的程序流程简介154.2模块化自动化生产线III站OB1主程序块设计164.3模块化自动化生产线III站 FC1函数块设计23

9、4.4模块化自动化生产线III站 FC3函数块设计244.5模块化自动化生产线III站FC4函数块设计254.6模块化自动化生产线III站FC5函数块设计26结论28参考文献29附录30致谢35引 言随着自动化生产线的问世，人们的生活得到了极大的改变。特别是PLC在工业领域等诸多领域得到了广泛的应用。在人们的的日产生活中，PLC的应用也体现在很多方面。目前，随着生产力的发张和科学技术的进步，人们对现今的自动化技术提出了更新的要求。在实际的生产中，由于手动或者半自动的设备需求耗费大量的人力或者物力，在现代生产中已经不能满足人们的需求，所以自动化的发展就成了当下社会发展的主要技术之一。在自动化技术

10、中，由于PLC具有可靠性高、通用性强、程序设计简单交以及便于安装调试等优点1，在自动化生长线中国得到了广泛应用。PLC在自动化技术中的应用也被越来越多人所关注。MPS05模块化自动化生产线设计主要有机械部分、电气部分和软件编程部分的设计2。机械部分的设计一般比较稳定，所以自动化生产线的主要部分还是在电气部分和软件编写的部分。在电气部分，气源的输入给自动化生产线的运动提供了动作的能量，所以气缸以及气阀的选择成为了重要的任务，好的气阀可以达到更高的精度。而软件编程部分尤为重要，它需要给生产线下达运动的指令，作用相当于人的大脑，可见其重要性。本文通过对MPS05模块化自动化生产线的设计，使得人们更够

11、更加了解自动化在现在生活中的意义，以及PLC在自动化中的作用。对未来自动化技术的发展提供了可靠的依据。第一章 自动化生产线简介1.1自动化生产线的发展历史二十世纪初期，汽车工业在为了扩大生产，加快生产的同时减少工人的劳动力，逐渐出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。等到20年代，由于工业革命的需求，机械制造业开始出现自动化生产线，最早出现的是组合机床自动线3。20世纪40年代，因为第二次世界大战的爆发，为了能够解决火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置开创可防空火力系统和控制这一新的科学领域。随着第二次世界大战的结束，工业在发达国家的

12、机械制造业中得到了发展，自动化生产线在工业中得到广泛的发展与应用，并且围绕着高速飞行、核反应堆等设备的发展出现了新的控制问题，非线性系统、时滞系统、脉冲几采样系统、时变系统、分布参数系统和有随机信号输入的系统的控制问题的深入研究4。在20世纪50年代，经典控制理论也有了新的发张。与此同时，在工业上已广泛应用PID调节器，并用电子模拟计算机来设计自动控制系统。20世纪50年代研制出了电动单元组合仪表，这些全都为工业自动化提供了必不可少的技术工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化了。20世纪60年代，美、英等国的科学家们注意到人工智能的所有技术和机器人结合起来，研制出智能机器人5。智能

13、机器人会在工业生产、核电站设备检查及维修、海洋调查、水下石油开采、宇宙探测等方面大显身手6。从20世纪至今，自动化技术得到了巨大的发展。自动化是新的技术革命的一个重要方面。自动化技术的研究、应用和推广，对人类的生产、生活的方式将产生深远影响。1.2 MPS模块化自动化生产线 MPS模块化自动化生产线实训系统，结合了现代工业生产制造技术并在此基础上又针对教学进行了专门的设计，强化了各种控制技术和工程实践能力,是气电完美结合的典型实训设备7。 系统包含了多种控制技术，适合相关专业学生进行工程实践、课程设计等，适用于广大中、高职院校等进行自动化方向的培训和教学等场合。 该设备整体采用模块式结构设计，

14、主体采用工业铝型材构建而成，配有工业标准接线端子和不锈钢按钮控制面板，整体美观大方。执行机构驱动和控制使用DC24V电源，在实践操作中保证了安全性。主要特点：灵活性：该设备以其模块化大大的提高了其灵活性，更贴近现实生产实际过程。综合性：该设备综合了现代实际生产中较流行的较先进的各种很实用的技术知识点，其中包括PLC控制编程技术，电气控制技术，气动应用技术，传感器技术，机器人应用技术等几大主要知识点8。易扩展性：由于采用了模块化的设计，学生可以发挥自己的创新思维，实现对设备的扩展改造9。 第二章 模块化自动化生产线III站的概述2.1模块化自动化生产线III站控制要求根据自动化生产线的设计要求，

15、对于MPS05模块化自动化生产线-III站的控制系统提出如下的要求：1.上电后,检测各工作机构的状态,控制各工作机构处于初始位置。2.开始后，通过传感器监测待加工工件是否存在并开始加工。3.加工的过程控制。4.加工前后的工件运输控制。5.对于加工分度转盘的私服电机的控制。6.能实现加工过程自动控制,加工参数显示,系统检测。7.保证加工的加工精度、加工效率和安全可靠性。2.2 模块化自动化生产线III站的总体设计自动化生产线所需要的结构共分为三部分，分别是机械结构、电气结构、还有软件部分。总体的设计简图如下图2.1所示。 图2.1 自动化生产线结构2.3模块化自动化生产线III站的结构III站作

16、为自动化模块化生产线的加工站，对于机械部分的要求相对较高，机械结构相对负责，精度要求极高，与电气部分的连接更是尤为重要。 机械控制设计与机械设计需要紧密配合，以取得最好的效果。其结构图如图2.2所示。 图2.2 III站整体机械图 2.4模块化自动化生产线III站的工作系统模拟图III站加工流程如图2.3所示，按下上电按钮，上电灯亮，表示系统可以运行。在单站情况下，按下开始按钮，系统开始运行，人工将工件放置在工位I上，工位下方的传感器检测到工件的存在，夹紧气缸自动夹紧工件，并给步进电机一个信号使分度转盘自动旋转90度到工位II。然后三轴气缸伸出，加工电机旋转并拧紧螺丝。加工完成后电机停止旋转，

17、气缸自动缩回。然后分度转盘再次旋转90度，到达工位III，工位III下方的传感器检-测到工件的存在后夹紧气缸自动解锁，拿下工件后一个循环结束。在联网的状态下，由二站将工件传送到工位I上，加工结束，由四站的机械手将工件取走即可。 图2.3 工作系统模拟图第三章 控制系统的硬件设计 3.1 控制系统设计的基本步骤在开始设计之前，要详细了解哪些信号需输入控制器、是模拟量还是数字量、采用什么方式等工艺过程和控制要求。1.设计的总体方案确定：根据自己的需要或者设备的运动需求确定电气控制方案。2.确定输入/输出元件以及控制器机型：根据所需要的输入输出点选择合适的输入输出软件，然后根据输入输出选择合适的控制

18、器。3.分配控制器的点数：明确输入设备与控制器输入点的对应关系，输出执行元件与各输出点之间的关系，合理的分配I/O点。4.程序（梯形图）的编制：完成I/O点分配后，就可以根据自己的需要或者设备自动化的运动动作设计自己的程序，设计程序需要根据设备的功能来考虑，思路要严谨，程序的质量将会影响设备运行的可靠性和稳定性。5.调试应用程序：对编好的程序进行模拟调试，以防止因编程考虑不周导致设备运行时会出现的问题。 6.联机调试程序：联机调试可以发现程序的错误和不足，进行及时改正，调试前应该进行周密的计划，避免盲目地修改程序。7.编写技术文件：保存编好的程序，并写出详细的明细表，绘制电气原理图及主要电路图

19、，编写控制系统说明书等。3.2 控制器的选择可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制技术。目前已被广泛应用于各个领域。可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制而设计制造的，早期的可编程控制器被称为可编程逻辑控制器。后来的可编程控制器以微处理器为核心，功能不仅限于逻辑控制，所以又将其称为Programmable Controller，简称PLC10。PLC的应用广泛、功能强大，是现代工业自动化的主要设备之一。PLC在现代工业中使用十分广泛，随着科技的不断发展，其功能也越来越多，不仅仅用于逻辑控制。越来越多的生产厂家生产出性能优越的PLC。PLC已经应用在各种机械设备和生产过程的自

20、动控制系统中，PLC在其他领域，例如在家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。所以MPS05模块化自动化生产线选择PLC来实现控制功能。本设备三站选用西门子可编程控制器S7-1200型PLC，CPU型号为1214C。PLC自带两路模拟量输入，集成PROFINET接口11，使得编程、调试过程以及控制器和人机界面的通信可以全面地使用工业以太网技术；同时集成高级功能，如脉冲输出、高速计数、运动控制等。SIMATIC S7-1200 小型控制器是S7-200的替代品，它的设计具备可扩展性和灵活性，使其能够精确完成自动化任务对控制器的复杂要求。CPU本体可以通过嵌入输入/输出信号板完成灵活扩展，信号板嵌入在

21、CPU模块的前端，可以提供两个数字量输入/数字量输出接口或者一个模拟量输出12。S7-1200的样式如图3.1所示：图3.1 S7-1200图样3.3 编程软件选择编程设备一般在计算机上运行，主要作用是对PLC的开发应用，测试运行、检测CPU的工作状态，以及根据个人需求运动来编写所需程序。不同的PLC需要用不同的编程软件来编写程序，例如本次设计选择了S7-1200的PLC ，所以编程软件为TIA 博途STEP 7 V13，博途软件可对S7-1200，S7-300，S7-1500，S7-400，及西门子触摸屏进行编程组态，是西门子公司近几年新推出的一款多功能编程软件,比较适合入门级的使用13。3

22、.4气动元件选择自动化模块化生产线III站所使用的气动执行包括普通气缸和三轴气缸两种，三轴气缸选择的是SMC气缸MGPL25-50薄型带导杆三轴气缸，三轴气缸在精度以及安全上都要好于普通气缸。气缸工作时比较电磁阀安装在工作台导轨上，方便接线、接管调试。本设备使用到的气动控制元件包括两位五通单电控电磁阀、两位五通双电控电磁阀。具体型号如图3.2所示：图3.2电磁阀组3.5步进电机和步进驱动器的选择 图3.3 步进驱动器根据设计的要求，分度装盘在旋转运输工件的精度，选择步进电机作为分度转盘的旋转电机，因为步进电机相对比伺服电机价格便宜，而且满足设计的需要，本次设计所采用的是富兴DC2405M两相混

23、合式步进电机，至于步进驱动器，则是选择了两相四线细分驱动器适用机型：4A以下 42-86系列两相混合式步进电机，DB 2相4线，工作电压6-36V，步距角1.8度 ,15档细分，可通过拨码开关进行设置，最高128细分14。如图3.3所示，为步进驱动器。3.6模块化自动化生产线III站PLC的符号分配表表3.1 I/O分配表输入输出符号分配表（I/O）名称名称输入点（I）作用输出点（Q）作用I0.0开始Q0.0步进DUI0.1复位Q0.1步进DRI0.2特殊Q0.21#伸I0.3手动/自动Q0.32#伸I0.4单站/联网Q0.4加工电机I0.5停止Q0.5步进释放I0.6上电Q0.6开始灯I0.

24、71#伸Q0.7复位灯I1.01#缩Q1.0特殊灯I1.12#伸Q1.1停止灯I1.22#缩I1.3左位检测I1.4右位检测I1.5定位检测自动化模块化生产线III站一共用了14个输入点，输入信号I包括7个按钮的输入点，4个气缸的反馈信号，以及3个传感器的反馈信号。输出信号Q包括控制步进电机的3个信号，控制气缸的2个信号，一个加工电机的信号以及4个按钮灯的输出信号。I/O分配如表3.4所示。3.7模块化自动化生产线III站PLC的输入输出接线图如图3.4所示，是III站的I/O点接线原理图。图3.4 输入输出原理图3.8模块化自动化生产线III站步进驱动器接线原理如图3.5所示，是步进驱动器的

25、接线原理图，Q0.0 是步进信号，Q0.1是步进电机转动的方向信号，Q0.5是使能释放信号。图3.5 步进电机接线图 3.9模块化自动化生产线III站气动回路图模块化自动化生产线III站气动回路如图3.6所示，包括步进电机，三轴气缸TCL，夹紧气缸PB等结构。 图3.6 气动回路图第四章 模块化自动化生产线III站的程序设计4.1模块化自动化生产线III站的程序流程简介第三站程序流程如图4.1所示，按下上电按钮，上电灯亮，设备可以工作。按下复位按钮，分度转盘旋转，当定位检测传感器检测有信号，分度转盘停止。放置工件，按下开始按钮，开始灯亮，左检测传感器检测到有信号，气动分度盘转动，当定位检测传感

26、器再次检测到信号存在，分度转盘停止旋转，夹紧气缸伸出固定工件，夹紧气缸伸出后将信号传递给三轴气缸，三轴气缸伸出，电动螺丝刀模拟加工，当扭矩达到标定值时，电机停止加工，三轴气缸缩回。夹紧气缸与三轴气缸都缩回时，将信号传递给分度转盘，分度转盘旋转，当定位传感器再次检测到信号存在，分度转盘停止旋转，右位置检测传感器检测是否有信号存在，如果有发信息给下一站前来取料，如果没有信号，工位停止不动。待下一工位将工件搬运走后，重复以上所述动作。图4.1 程序流程图4.2 模块化自动化生产线III站OB1主程序块设计如图4.2所示，按下对应的按钮，对应的常开触点接通，相对的临时线圈有信号，对应的按钮灯点亮。图4

27、.2 按钮程序如图4.3所示程序9、10 是利用接通延时指令形成电流的脉冲信号，所对应的作用是当机器待加工时，开始灯连续闪烁以提示按下开始按钮。图4.3 延时脉冲程序如图4.4所示，按下复位按钮，当定位检测传感器不在位置时，分度转盘旋转到定位处，并将步进驱动器信号清空，等待加工。图4.4 复位程序如图4.5所示，当夹紧气缸和三轴气缸处于原位，定位传感器有信号，形成初始化信号。图4.5 初始化程序如图4.6所示，在初始化状态下，按下开始按钮，或者由II站给III站一个工件到位信号，工件开始加工，并将1的地址传给临时变量MW40。图4.6 初始化完成如图4.7所示，将MW40的地址与1进行比较，如

28、果相等则进入块_1，延时500ms后将临时线圈M4.1 接通，并将0地址传给临时变量MW50。图4.7 与FC1比较程序如图4.8所示，将MW40的地址与3进行比较，如果相等则进入块4，延时500ms后将临时线圈M4.3，延时5000ms后将临时线圈M4.4 接通。图4.8 与FC4比较程序如图4.9所示，将MW40的地址与2进行比较，如果相等则进入块_5，在三轴气缸伸出的时候，延时1000ms后将临时线圈M4.2. 接通。图4.9 与FC5比较程序如图4.10所示，程序19当I0.6接通时，直接调用块_3，程序20用到的是MOV移动指令，意思是在联网状态下将Tag_27的地址给Tag_28，

29、Tag_29的地址给Tag_30。图4.10 FC3的调用程序如图4.11所示，程序24、25、26 是对临时变量的调用。图4.11 临时点的调用程序4.3模块化自动化生产线III站 FC1函数块设计如图4.12所示，当临时变量M4.1接通，定位检测存在，将M4.0置位，步进电机旋转，同时将2作为地址传给MW4.0图4.12 FC1程序4.4模块化自动化生产线III站 FC3函数块设计如图4.13所示，M3.4与M3.5形成自锁，在M4.0接通后，将脉冲信号传给步进驱动器，让步进电机连续转动。图4.13 FC3程序4.5模块化自动化生产线III站FC4函数块设计如图4.14所示，临时变量M4.

30、3和M4.0形成互锁，当M4.3信号为0是，临时变量M4.0置位，当M4.3信号位1时，定位检测为1时，M4.0复位。图4.14 FC4程序4.6模块化自动化生产线III站FC5函数块设计如图5.15所示，加工开始分度装盘旋转90度后，定位检测传感器有信号，并且三轴气缸无动作时，夹紧气缸夹紧，然后三轴气缸置位，同时加工电机旋转，开始加工。加工结束后，电机停止旋转，将三轴气缸和夹紧气缸复位，同时将3作为地址传给MW40.图4.15 FC5程序结论 本篇论文详细介绍了自动化生厂线的背景，现状以及发展前景及对现在人们生活的影响，在论述了自动化生产线概况的基础上，又介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，并对PLC仿真系统整体设计过程进行了详尽的论述。此次设计的意义是为了带动学生学习自动化编程的热情，所以为了顺应当下的发展，采用了西门子的PLC，本文采用西门子S7-1200小型PLC。S7-1200的PLC自带两路模拟量输入，集成PROFINET接口，使得编程、调试过程以及控制器和人机界面的通信可以全面地使用PROFINET工业以太网技术9；同时集成高级功能，如高速计数、脉冲输出、运动控制、设计具备可扩展性和灵活性等特点，使其能够精确完成自动化任务对控制器的复杂要求。但是因为时间有限，所设计的设备可能会有不足的地方，在自动化部分可能还有一些