机械设计制造及其自动化专业毕业论文(设计)——气动自动生产线检测系统的电路及控制设计

三江学院

本科毕业设计（论文）

题目气动自动生产线检测系统的电路及控制设计三江高职院（系）机械设计制造及其自动化专业学号 G095152015 学生姓名李鹏

指导教师康杰

起讫日期 2012年12月17日―2013年4月5日

设计地点三江学院

摘要

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的应用在工业生产中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。德国FESTO公司研制的MPS(Modular Production System）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、可完成气缸加工装配的系统。

本文所研究的课题是以MPS启动自动生产线的检测单元为例，对检测单元的模块化控制系统进行研究。主要进行两个方面的工作一是对检测单元的硬件设备的电路进行设计，二是对其控制系统进行设计。以SIEMENS S7-200 PLC 为核心控制系统，完成了检测单元总体的功能设计与分解以及各个模块的功能设计与分解，完成了各模块工艺流程的详细设计、程序设计、为模块之间的协调工作设计了合理的传递信息，完成了各个模块的联机工作工艺流程详细设计。

关键字：PLC；检测单元；生产线；气动

ABSTRACT

With the development of modem industrial production, pneumatic technology, hydraulic technology, sensor technology, PLC network and communications techno logy, technology integration and the formation of the close hydraulic, aircraft ele ctrical, mechanical and electrical integration, automatic control technology optical applications in industry production is playing an increasingly important role in au tomated production systems have become an important component of industrial p roduction. Point. Germany FESTO company developed MPS(Modular Production System)modular production system for industrial an automation on a production s ystem is based on the electrical machine(liquid) integration technology, PLC cont rol combined with automatic robot can complete the processing and assembling o f the cylinder systems.

The subject in this paper si to MPS pneumatic automatic production line de tection unit as an example, the detection unit of the modular control system. Tw o main areas of work carried out, one of the detection unit hardware circuit desi gn, and second, to design its control system. To SIEMENS S7-200 PLC as the core control system, complete detection unit and decomposition process of each module to complete the detailed design,program design, coordination between the modules reasonably designed to transmit information, complete the online work of each module detailed design process.

Key words:PLC; detection unit; production lines; pneumatic

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题背景 (1)

1.1.1工业自动化技术 (1)

1.1.2工业和自动化技术的现状与发展 (1)

1.2课题的主要内容 (3)

1.2.1课题研究目的 (3)

1.2.2课题研究任务 (3)

第二章检测单元总体功能设计与分解 (5)

2.1检测单元的总体功能设计 (5)

2.2检测单元的模块分解 (6)

2.2.1传感模块 (6)

2.2.2起重模块 (7)

2.2.3测量模块 (7)

2.2.4气垫滑梯模块 (8)

第三章检测单元控制系统设计 (9)

3.2可编程控制器的介绍 (10)

3.2.1PLC的工作原理 (10)

3.5安装结构控制图 (15)

第四章检测单元的程序编制及调试 (17)

4.1程序的编制 (17)

4.1.1编程软件step7介绍 (17)

4.1.2模块化编程法实现系统控制 (18)

4.1.3检测系统PLC外部接线图 (19)

4.1.4检测系统的资源分配 (19)

4.1.5用顺序控制编程法实现检测单元程序的编制 (21)

4.1.6检测单元编程的具体实现过程 (22)

4.2程序的调试 (25)

4.2.1仿真软件的介绍 (25)

4.2.2程序的调试及仿真 (26)

结束语 (28)

致谢 (29)

参考文献 (30)

附录 (31)

第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1工业自动化技术

制造业正在通过技术创新,提供高质产品和具有吸引力的产品价格等方式加

强自身的竟争力。在实现这些目标的过程中,生产线检测系统在生产流程中扮演重要的角色。通过在线检测，企业可以提高生产质量,削减更多的成本并提高产品质。

工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的综合性高技术，包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。

工业自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。无论高速大批量制造企业还是追求灵活、柔性和定制化企业，都必须依靠自动化技术应用。

国家在“十五”期间，制定了“用信息化带动工业自动化”的指导方针。“十五”期间，作为以信息化带动工业化战略的重要组成部分，科技部组织实施制造业信息化工程。其目标是在“九五”CAD（计算机辅助设计）应用公共流程和CIMS(计算机集成制造系统)应用示范公共流程公共能做成果的基础上，实现基业管理的信息化、生产过程的自动化以及装备的现代化。并要培养锻炼一大批人才，形成一支推进工业化发展的基本队伍。

1.1.2工业和自动化技术的现状与发展

明确企业创新发展的最终目的应该是：满足提高生产力和竟争力、降低制造成本、经济地将质提离到的水平、满足新产品生产和过程创新的需要、改菩工作环境、提高工人健康水平、避免浪费、降低能耗和保护环境。

随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛的应用，国内外对自动化生产线技术的研究非常重视，已经进行了大量研究，自动化工业发展极快。虽然我国对自动化生产线技术的研究十分重视，近年来在研究和应用上作了大量工作。但是由于工业企业效益好，就投资类需求看出，我国还没很好的完成工业化任务；微电子技术落后，不能很好支撑工业的发展。工业生产检测控制系统要配套的集成电路、电力电子器件，关键外部设备和系统软件等基本依靠进口，致使整机产品开发周期较长；我国的相关产品开发的人才整体水平不高，产品的开发和推广应用对人才要求较高，都要既懂机又懂电，既懂产品相关的软硬件又懂应用工业工艺的复合人才。

1.1.3MPS模块化生产系统介绍

德国FESTO公司的MPS(Modular Production System)模块化生产系统是一套包含工业自动化系统中不同程度的复杂控制过程自动化技术系统，是集机械、电子、通讯为一体高度集成的培训系统。它涵盖了机械设计、传感器技术、自控技术、信息技术和计算机技术等多项学科的内容，MPS的每个单元均根据设定的任务，选择相应功能和技术参数的气动元件、传感器、电器元件及标准型材集成而成，它代表了当今现代化企业产品开发“采购和集成”的先进设计理念。

在工业生产中，专业技术人员需要掌握越来越多有关控制器的基础知识及使用、系统模拟、可视化监控、总线系统及网络技术的知识。如图1-1所示：

图1-1 MPS模块化生产系统

MPS模块化自动生产系统，为项目的确认、课题的验证及新技术的开发提供良好的实践及运行平台。此课题研究的MPS模块化自动生产系统包含九个工作站，又称为九站生产系统。它为气液、传感器、机器人、可编程逻辑控制器，总线及网络技术等的应用提供了技术平台。

MPS模块化生产系统如图1-2所示：

图1-2 MPS系统加工组装的元件图

九个工作站按供料站、检测站、加工站、操作手站、暂存站、机械手站、装配站、冲压站和成品分装站顺序排布可以实现由活塞、弹簧及端盖组成的气缸的运送，检测，加工、组装及分选。

1.2课题的主要内容

1.2.1课题研究目的

MPS(Modular Production System)模块化生产系统就一个是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、可完成气缸加工装配系统。以该系统为平台，其模块化的结构，将气动、液压、电气及电子、PLC、网络及计算机技术综合与一体，构成典型的加工单元，再由多个单元组合在一起，形成一个生产加工系统。

本课题的研究目的是解决自动生产线检测系统研制开发过程中所涉及到的系统总体功能设计与分解、系统模块功能设计与分解、工艺流程详细设计、PLC程序设计等关键控制技术，开发出一条集工业总线技术、机械传动与执行机构技术、PLC控制技术、电气控制技术、传感器技术于一体的自动生产线检测系统，为生产加工系统的开发设计提供了技术上的探索和有益的借鉴。

1.2.2课题研究任务

本论文涉及的主要研究任务包括:

（1）检测系统总体功能设计与分解

在分析客户需求的基础上，确定生产检测系统的总体功能，并对总体功能进行分解，确定系统的组成模块。

（2）各个模块的功能设计与分解

在确定了检测系统的总体功能以及组成模块的基础上，对各个组成模块的功能进行设计和分解，为进行各个模块控制器的开发、工艺流程的详细设计、程序流程的详细设计奠定基础。

（3）检测系统工艺流程详细设计

完成检测系统的多功能工艺流程的设计，包括详细的工艺流程设计、程序流程设计、PLC程序设计。

第二章检测单元总体功能设计与分解

2.1检测单元的总体功能设计

该工作单元主要由PLC、控制面板、调节阀、电控阀、无杆举升气缸及上下限位开关、工件厚度测量装置、推料缸及推出到位传感器、下滑槽、上滑槽、物料检测传感器等组成。该工作单元的主要作用是对供料单元所送来的工件进行厚度检测；如果工件的厚度在有效范围之内，则认为是合格工件并通过上滑槽送到下一站；如果工件的厚度在有效范围之外，则认为工件是非合格工件并从下滑槽推出。检测工作单元的结构如图2-1：

图2-1 检测工作单元结构图

具体要求如下：

上电时要求先点亮允许复位指示灯，按复位按钮，各工作部件应回到初始状态（无杆举升气缸下降、推料缸将参与工件从下滑槽推出并缩回）。

按复位按钮，工作部件回到初始位置后应点亮允许启动指示灯；按启动按钮，工作单元开始工作。

工作单元开始工作后，如果下游站出于空闲状态、本站物料位置有工件且上游站的摆缸已离开物料位置，则举升气缸上升对工件进行厚度检测；如果工件的厚度在有效范围内，则对上滑槽吹气并将工件从上滑槽推出，然后停止对滑槽吹气；如果工件的厚度在有效范围之外，则举升缸下降，并将工件从下滑槽推出。

工作过程中按停止按钮，各工作部件应立即停止动作。

通过分析，可绘制出检测单元的动作流程图，如图2-2所示：

图2-2 检测单元动作流程图

2.2检测单元的模块分解

该测试站确定放入的工件的特点。该传感模块标识一个工件颜色，电容式传感器检测每个工件的颜色。弥散性的传感器识别金属和红色工件。黑色工件检测不到。

测量模块模拟传感器决定了高度工件。输出信号或者是数字化可调通过与比较阈值，也可以通过提供一个到PLC使用模拟信号处理连接块。一个线性缸引导正确的工件到下游站通过高空气垫滑梯。

2.2.1传感模块

如图2-3所示：

图2-3 传感模块

此传感模块安装在初始位置，由一个光电传感器来确定工件的有无，若工件存在则起重模块开始运动。

2.2.2起重模块

如图2-4所示：

图2-4 起重模块

工件由初始位置至检测位置以及不合格工件回到初始位置都是由起重模块完成。该驱动器使用的是无杆举升缸和一个喷射缸。移动压缩空气管道和电缆线路也布置其中。

2.2.3测量模块

如图2-5所示：

图2-5 测量模块

起重模块将工件送至上限位，即是测量位置。由测量模块中的电感式传感器得到的模拟量与设定值相比较，确定工件高度是否合格，将此信号送至PLC。2.2.4气垫滑梯模块

（a）（b）

图2-6 气垫滑梯模块

此空气缓冲滑动模块用于运输工件，检测合格与不合格的工件都要由推杆送至滑梯，通过上下滑梯来进行分类运输。为了确保工件的安全，滑梯的高度及倾斜角均可以调整。滑梯上有一排喷气孔，是由喷射缸喷气之用。若工件合格，推杆便将工件推至滑梯上，同时，喷射缸喷射高压气体，使得工件下滑时与滑梯表面减少接触，摩擦自然减少，更容易滑动。

第三章检测单元控制系统设计

3.1检测单元的工作过程

检测系统的主要作用是对位于起点的工件进行甄别，检测加工工件的高度特性，将不同的工件送入不同的地点。在加工工件被无杆缸提升至检测位置之前，由向后反射式光电传感器检测该位置是否为空，模拟量传感器检测工件的高度。无杆缸将合格的工件传送至启动滑槽的上层，并将不合格的工件检出至启动滑槽的下层。开关按钮是控制检测环节的开始及结束，检测过程的动作则有PLC来控制。

光电式传感器固定在铝合金底板上，即初始位置。当没有工件时，由于光电式传感器发出的光线将直接射出，而不被遮挡，即没有反射光线返回给传感器，则传感器的输出信号为“0”，如果此时该位置上放有工件，则光电式传感器发出的光线被工件挡住，工件将光线反射给传感器，则传感器的输出信号为“1”，利用光电式传感器信号的变化即可判断是否有工件放在初始位置上。

当确定初始位置有工件，且此时推杆缩回，启动系统后，控制上下运动的举升缸慢慢向上运动，到达上限位，使得上行程开端常闭出点断开，举升缸停止运动，工件此时到达了预设的检测位置。位于上端的测量模块将对工件进行检测，判断工件是否合格。

测量模块即是霍尔传感器。如果工件合格，在霍尔元件的控制电流恒定，且在一个均匀的梯度磁场中，因为霍尔电压与位移成正比，合格的工件高度一定，霍尔电压时一个定值，传感器将测得的模拟量与设定值比较，若相同则输出信号为“1”，若不同则输出信号为“0”。利用霍尔传感器的信号变化即可判断工件是否合格。

若测量模块确定工件合格以后，推杆就会伸出，将合格的工件推送至上层滑梯进行分类。气垫滑梯的高度和倾斜角均可以调整。在推出工件的同时，滑梯上的排气孔也会喷射出高压气体，使得工件下滑时与滑梯表面减少接触，摩擦自然减少，更容易滑动。

若工件不合格，举升缸则向下运动，将不合格的工件运至初始位置，到达下限位，下行程开关常闭触点断开，举升缸停止运动，推杆伸出，将不合格的工件推至下层滑梯进行分类。

此时一个工作循环结束。

通过对检测单元的控制要求及工作过程的分析，可绘制出该站的工作流程，如图3-1所示：

图3-1 检测站工作流程图

3.2可编程控制器的介绍

可编程序控制器(PC,Programmable Controller)因早期主要用于开关量的逻辑控制，因此也称为PLC(Programmable Logic Controller)。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列优点。PLC网络经过多年的发展，己成为具有3-4级子网的多级分布式网络。

3.2.1PLC的工作原理

PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，PLC则采用循环扫描工作方式。在PLC中，用户程序按先后顺序存放。

CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段，即图3-2所示：

图3-2 CPU扫描周期示意图

所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将心得运算结果送到输出端，这实际是将存放输入、输出状态的寄存器内容进行一侧更新，故称为“I（输入)/O(输出)刷新”。由此可见若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应地发生变化。反之，若本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。总之，采用循环扫描的工作方式，是PLC区别于微机和其他控制设备的最大特点。

MPS模块化生产系统分为九个工作站，为了完成对过程现场输入输出信号的处理，实现各工作站信息的交换，完成气缸及其元件的运送、加工、自动装配及分选的顺序控制，除机械手站外，其他各站分别由一台PLC控制。机械手有专用的控制盒及编程语言，主要完成气缸的装配工作。

3.2.2 SIMATIC S7-200介绍

西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型PLC。可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设备、民用设施、环境保护设备等。如：冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

（1）极高的可靠性

（2）极丰富的指令集

（3）易于掌握

（4）便捷的操作

（5）丰富的内置集成功能

（6）实时特性

（7）强劲的通讯能力

（8）丰富的扩展模块

S7-200的可靠性很高，可以用梯形图、语句表（即指令表）和功能块图三种语言来编辑程序。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI

通信协议和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O,最多有30多KB程序和数据存储空间。

3.3传感器的介绍

信息技术取得的进展以及未处理和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。未处理现在已经在测量和控制系统中得到广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。

最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会的的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopal等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。

传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不相同。所以结构、组成差异很大。但总的来说。传感器通常有敏感元件、转换元件及测量电路组成，有时还加上辅助电源，如图3-3所示：

图3-3 传感器的组成

传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一

种形式的能量。常将传感器的功能与人类5大感官相比拟：

光敏传感器～视觉声敏传感器～听觉

气敏传感器～嗅觉化学传感器～味觉

压敏、温度、流体传感器～触觉

对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适应的，也有只对特定类型传感器适应的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构场合均需要的基本要求是：

高灵敏度、抗干扰的稳定性（对噪声不敏感）、线性、容易调节（校准简易）、高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命（耐用性）、可重覆性、抗老化、高响应速率、抗环境影响（热、震动、酸、碱、空气、水、尘埃）的能力、选择性、安全性（传感器应是无污染的）、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围。

现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。

3.3.1光电传感器

光电传感器是将光信号转换成电信号的光敏器件，它可用于检测直接引起光强变化的非电量，如光强、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光电式传感器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在检测和控制领域获得广泛应用。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测量参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

3.3.2霍尔式传感器

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现霍尔效应，但由于技术材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。

由于霍尔传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、性能可靠、频率响应款、动态范围大的特点，并可采用集成电路工艺、因此被广泛用于电磁测量、压力、加速度、震动等方面的测量。

3.4检测单元的气动控制

检测单元的执行元件部分主要是由气动控制。包括控制上下运动的举升气缸，推杆缸，和气垫滑梯上的喷射缸。由电磁阀来控制气缸的通断，从而改变执行元件的运动。以上已经分析过检测单元的工作过程及个模块的工作目的，由此，可 绘制出检测单元的气路原理图，如图3-4所示：

图3-4 电气路原理图

3.5安装结构控制图

电气元件安装布置示意图：

图3-5 电气元件安装布置示意图