MPS系统安装搬运站单元及立体存储站的设计与PLC控制
MPS系统安装搬运站单元及立体存储站的设计与PLC控制
摘要
MPS（Modular Production System）模块化生产加工系统，是一套开放式的设备，是由上海英集斯自动化有限公司研制的设备，用户可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型。多个单元组成的MPS系统可较为真实的模拟出一个自动生产加工流水线的工作过程。
本设计主要研究的是安装搬运单元及立体存储单元的动作和通信，安装单元在整个系统中，起着向其立体存储单元搬运加工好工件的作用，它的功能是按照要求将工件放置等待建工站加工后，并检测出工件的颜色，最后将其提升到输出工位，等待下一个工件单元来取。其中，反射式光电接近开关用于检测工件的有无；漫反射式光电接近开关用于检测工件颜色。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。
关键词：MPS ；PLC；传感器；气动；步进电机
1 绪论
1.1 Mps模块加工系统简介
模块化生产加工系统（MPS, Modular Production System）体现了机电一体化的技术实际应用。MPS设备是一套开放式的设备，用户可以根据生产需要选择设备组成单元的数量、类型，最少是一个单元亦可自成一个独立的控制系统，而由多个单元组成的生产系统可以体现自动生产线的控制特点。
在由多个MPS工作单元组成的系统中，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）、电工电子技术、传感器应用技术、PLC控制技术、组态控制技术、信息技术等。利用该系统可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学员在一个非常接近于实际的教学设备环境，使学员在学习过程中很自然的就将理论应用到了实际中，实现了理论与实践的完美结合，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。
1.2 SIMATIC S7-200 PLC 简介
德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器子啊欧洲处于领先地位。其第一代可编程控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3 系列的控制系统。在1979年，微处理器技术被应用到可编程控制器中，产生了SIMATIC S5 系列，取代了S3系列，之后在二十世纪末又推出了S7系列产品。最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。
1.3.4 SIMATIC S7-200 PLC的基本结构及工作原理
1).PLC的基本结构：
PLC实质是一种专业用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图1.5所示：
图1.5 PLC的基本结构
2).PLC的工作原理：
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的扫描工作方式与电气控制的工作原理明显不同。电气控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作；而PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才能动作。但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与电气控制装置在I/O 的处理结果上并没有什么差别。
PLC的扫描工作过程除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、程序执行、输出刷新5个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1ms~100ms.
PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段如图1.6：
图1.6 PLC程序执行过程
1.4气动技术的概述
气压传动简称气动，是以压缩空气为工作介质来传递和控制信号，控制和驱动各种机械设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。一个完整的气动自动化系统由气源装置、控制元件、执行元件、辅助元件、检测元件及控制器组成。
1）气源装置：主要作用是提供清洁、干燥的压缩空气。
2）控制元件：其作用是调节和控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以便使执行元件能按要求的程序和性能工作。控制元件分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等。3）执行元件：是将气体的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它包括实现直线往
复运动的气缸和实现连续回转运动或摆动的气动马达或摆动马达。
4）辅助元件：其作用是辅助气动系统正常工作，主要由净化压缩空气的净化器、过滤器、干燥器等组成，另外还包括供给系统润滑的油雾器、消除噪音的消声器、提供给系统冷却的冷却器等。
5）检测元件：其作用是检测气缸的运动位置，判断工件有无及工件性质的等。 6）控制器：其作用是对检测元件提供的信号进行逻辑运算，提供执行元件输出信号，控制系统按照预定的要求有序工作。 a.气压传动具有以下优点：
以空气作为工作介质，取之不尽，来源方便，且无污染、环保；工作环境适应性好，可工作在易燃、易爆、多尘、强辐射等环境；空气黏度小，流动阻力小，管路损失小；。
气动控制动作迅速，反应快；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；气动系统维护简单，管道不易堵塞。 b 当然，气压传动也有其缺点，主要如下：
由于空气可压缩性大，气缸的动作速度易随负载的变化而变化，稳定性较差，控制精度也不高；气动系统压力一般比较低（小于0.8MPa ），造成总的输出力不够大；工作介质（客气）没有润滑性，系统使用中有时需要润滑；工作时噪声大，在快速排气时，需要安装消音器。
1.5传感器技术
1)．传感器的基本概念
关于传感器的定义，众说不一。根据我国的国家标准（GB7765-1987），传感器（Transducer/Sensor ）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。”
这个定义包含的意思：a.传感器是测量装置，能完成检测任务；b.它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；c.它的输入量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，这种量不一定是电量，还可以是气压。光强等物理量，但主要是电物理量；d.输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。输出量为电量的传感器，一般有敏感元件、转换元件、调理电路三部分组成。如图1.7：
图1.7 传感器的组成
2）
.传感器组成：
a ．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的元件。
b ．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。
c.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。
1.6 .1 步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
工作原理
步进电机是一种感应电动机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器
2．课程设计要求及安装搬运单元的介绍
2.1课程设计内容
设计题目：MPS系统安装搬运站单元的设计与PLC控制
设计条件：
要求采用西门子PLC作为控制器，以气动元件作为执行元件，设计MPS系统安装搬
运站单元，并实现其动作控制要求。
设计任务：
1．气动机构设计和气动元件的选型；
2．利用气动仿真软件设计气动回路并进行仿真调试；
3．安装搬运站的电气接线设计和通信接口设计；
4．PLC的I/O分配设计和编程设计；
5．完成对安装搬运站的安装、连接、调试、运行；
6．毕业设计（论文）内容包括：
1）课题的来源和意义，系统设计方案的确定及说明。
2）系统硬件结构及功能说明。
3）系统软件编程及功能实现。
2.2安装搬运单元的功能
安装搬运单元可以模拟提取工件、按照要求将工件分流的过程，同时能提供一个安装工位，实现大、小工件的组装。
安装搬运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、阀组成等。
2.3安装搬运单元的结构组成
安装搬运单元主要由I/O接线端口、提取模块、直线转圆周运动装置、工件平台、气源处理组件等部件组成。
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，再通过信号电缆线连接到PLC上。
2). 料盘模块
该模块实际上也是一个“气动机械手”，主要是由一个直线气缸（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，再摆臂的前端安装有一个气动夹爪，用于提取工件。
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，这样在本单元上可提供四个工位，分别在左工位
（提取共建）、左上工位（安装工位）、右上工委（未用）和右工位（输出工位）。
4.) 工件平台
工件平台安装在安装工位上，用于实现大、小工件的组成。