西门子PLC在生产线自动控制中的应用[毕业论文].doc
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1、 编号: 本科毕业设计(论文)题目:西门子PLC在生产线自动控制中的应用The application of Siemens PLC in the production line of automatic control学 院 信息科学与工程学院 专 业 电气工程与自动化 班 级 自动化 学 号 姓名 指导教师 职称 完成日期 年 月 日 41诚 信 承 诺我谨在此承诺:本人所写的毕业论文西门子PLC在生产线自动控制中的应用均系本人独立完成,没有抄袭行为,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,若有不实,后果由本人承担。 承诺人(签名): 年 月 日摘要【摘要】本文介绍的是基于可编程逻辑控制器
2、(PLC)的自动化生产线的控制。作为通用工业控制计算机,可编程控制器实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃,广泛应用于工业生产控制。PLC 控制系统具有可靠性高,抗干扰能力强,故障率低,对工作环境要求低,维护方便等一系列优点,因此,已成为国内外自动生产线控制系统的首选控制方案。本次研究的主要内容是基于实验室的柔性自动化生产线装置来模拟生产线流程,包括传送分拣、安装、安装搬运、分类。整个控制都采用西门子S7系列PLC,其中S7-300作为主控站,S7-200作为从站单元,组成主从控制系统。主站与从站之间采用PROFIBUS-DP总线通信,同时用触摸屏实现对生产流程的控制与监视。【关键词】可编
3、程控制器(PLC);生产线;PROFIBUS-DP;触摸屏。The application of Siemens PLC in the production line of automatic controlAbstract【ABSTRACT】This article describes a way to control the automated production lines which is based on program logic controller (PLC). As a general-purpose industrial control computer, Program
4、mable controller realized the industrial control field wiring logic to the storage of logical leap, widely used in industrial production control.PLC control system with high reliability, strong anti-interference, low failure rate, low demand for Work environment, maintenance and a series of other ad
5、vantages, therefore, it has become the preferred control scheme in the domestic and foreign automatic production line control system .The main content of this study is based on flexible automated production line lab equipment to simulate production processes, including sorting transmission, installa
6、tion, installation of handling, classification. Controls are used throughout the Siemens S7 series PLC, of which S7-300 as master control station, S7-200 as a slave unit, composed of master-slave control system. Between master and slave using PROFIBUS-DP bus communication, while using the touch scre
7、en to achieve the production process control and monitoring. 【KEYWORDS】Programmable Logic Controller (PLC); production line; PROFIBUS-DP; touch screen.目录1 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 PLC相关介绍11.2.1 PLC概要11.2.2 PLC的基本结构21.2.3 PLC的工作原理31.3 研究的基本内容41.3.1 生产线控制策略41.3.2 PROFIBUS现场总线51.3.3 触摸屏控制与监控52 柔性自动化生产线装置62.
8、1 MES 网络型模块式柔性自动化生产线62.1.1 系统配置72.1.2 控制技术72.2 从站单元82.2.1 传送分拣单元82.2.2 安装搬运单元92.2.3 安装单元102.2.4 分类单元112.3 主控单元112.3.1 西门子S7-300 PLC122.3.2 EV5000工业触摸屏123 控制系统的硬件方案133.1 传感器基本概念133.1.1 磁性传感器133.1.2 光纤传感器133.2 电气控制系统143.2.1 交流异步电动机143.2.2 步进电机143.2.3 步进电动机驱动器143.3 气动系统153.3.1 电磁阀153.3.2 气缸163.3.3 真空发生
9、器及吸盘163.3.4 气动马达163.4 通信系统173.4.1 PROFIBUS-DP通信和EM277模块173.5 HMI系统183.5.1 MT4000接口184 控制系统的软件方案194.1 传送带单元程序控制设计194.1.1 传送带单元控制过程分析194.1.2 控制系统的PLC设计194.2 安装搬运单元程序控制设计214.2.1 安装搬运单元控制过程分析214.2.2 控制系统的PLC设计232) 程序的跳转控制234.3 安装单元程序控制设计244.3.1 安装单元控制过程分析244.3.2 控制系统的PLC设计254.4 分类单元程序控制设计254.4.1 分类单元控制过
10、程分析254.4.2 控制系统的PLC设计264.5 主控单元及联动控制274.5.1 主控单元的硬件组态274.5.2 主控单元的程序设计304.6 触摸屏监控304.6.1 触摸屏通信组态314.6.2 触摸屏主界面组建314.6.3 监控界面的组建325 系统调试345.1 系统调试346 总结37参考文献38致谢39附录401 绪论1.1 研究的目的和意义 传统的机械设备与产品,多是以机械为主,是电气、液压或气动控制的机械设备。随着工业水平的不断发展,机械设备已逐步地由手动操作改为自动控制,设备本身也发展成为机电一体化的综合体。可编程序控制器(PLC)是以微处理器为核心,综合计算机技术
11、、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过30多年的发展,目前,可编程序控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置,居工业生产自动化三大支柱(可编程序控制器、机器人、计算机辅助设计与制造)的首位。其广泛的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。柔性自动化生产线具备流水线加工、装配的特点,可以保证工件在一个生产周期结束后立刻进入下一个生产周期,减少非生产等待时间,提高工件生产效率。同时,由于生产线具备柔性特点,可以随时拆除并装配新的生产工序,因而,对于不同批次的产品,可以很方便进行再生产,不仅提高了场地的使用效率,同时也大大降低了设备的投资。在目前的工
12、业自动化生产领域已经得到广泛应用。通过可编程序控制器(PLC)来控制生产线已成为现代生产和制造的核心。因此研究PLC在生产线自动控制中的应用具有很重要的意义1。1.2 PLC相关介绍1.2.1 PLC概要 可编程控制器简称PLC(Programmable Logic Controller),在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行顺序运算、逻辑运算、计数、计时和算术运算等操作的指令
13、,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。 PLC仍处于不断的发展之中,其功能不断增强,更为开放,它不但在单机自动化中应用最为广泛,在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位。具有代表性的为西门子S7300系列中型机一般I/O点数为2562048点;单/双CPU,用户存储器容量28K;西门子S7-200系列小型机一般I/O点数256点,单CPU,8位或16位处理器,用户存储器容量4K字以下;S7-200可以单机运行,用于代替继电器控制系统,也可以用于复杂的自动化控制系统。由于
14、它有强大的通信功能,在网络控制系统中也能充分发挥其作用。1.2.2 PLC的基本结构 PLC主要由通常由CPU模块、输入/输出接口、电源、编程器等几个主要部分组成如图1-1。 图1-1 PLC基本结构框图 CPU模块 CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。CPU是PLC的核心,用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理,刷新系统的输出,并响应外部设备的请求以及进行各种内部判断等。PLC内部的存储器有两类,即程序存储器和数据存储器,用来储存程序和数据。 I/O模块 输入模块和输出模块简称I/O模块,是PLC与输入/输出设备连接的部件,它们相当于人的眼睛、耳
15、朵、手和脚。输入模块用来接收和采集外部的输入信号;输出模块是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动指示灯、电磁阀等输出设备。在I/O模块中,一般采用光电耦合电路,来隔离PLC的内部电路和外部I/O电路,从而提高了可靠性。 电源PLC一般使用220V的交流电源或24V的直流电源。内部的开关电源为PLC各模块提供5V及24V的直流电源,供继电器等器件使用。 编程器编程器是PLC的一种主要的外部设备,用于手持编程,用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。除手持编程器外,还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑联接,并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控2。1.2.3 PLC的工作
16、原理 PLC的工作方式为“顺序扫描,不断循环”。即在PLC运行时,CPU根据用户的控制要求编写好控制程序后,下载编译。PLC周期性循环扫描指令步序号(或地址号),如无跳转指令,则从首条指令开始逐条依次顺序执行,直到程序结束。然后重新回到首条指令,开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中,还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。图1-2 CPU的工作原理图 PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。如图1-3 PLC在输入读取阶段:在PLC的储存器中,设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态。在读取输入阶段,PLC把所有外部数字量输入电路的1/0状态读入到过程映像寄
17、存器中。 PLC用户程序执行阶段:PLC的用户程序按在储存器中存放的先后顺序执行每条指令,进行逻辑运算以后把结果写入到相应的映像寄存器中,因此,各映像寄存器中的内容随着程序的执行而变化。 改写输出阶段:CPU执行完用户程序后,将输出过程映像寄存器中的状态传送到输出模块并锁存起来。并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶闸管)输出,驱动相应输出设备工作。图1-3程序执行原理图1.3 研究的基本内容1.3.1 生产线控制策略 本课题主要是以实验室的柔性自动化生产线装置来模拟生产线流程,主要包括传送分拣单元,安装搬运单元,安装单元,分类单元。以可编程控制器PLC为主控器,结合传感器技术、气压传动技术、电
18、机控制技术和自动化网络控制来研究PLC在自动化生产线中的应用。 图 1-4 PLC生产线控制的系统框图由以上的控制系统框图可以看出,整个控制系统是有4部分组成的:HMI人机交互、S7-300控制主站、S7-200控制从站和底层的执行器件。其主站和从站间的通信方式为PROFIBUS现场总线方式。由此可以联想到通信网络的7层协议,所以提出了分块的方法,从顶层到底层的方式来实现整个生产线的控制。 图1-5 控制实现方式框图1.3.2 PROFIBUS现场总线 现场总线是一种安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它是当前自动化的热点之一。现场总线
19、以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替010mA或420mA现场电动仪表信号。现场总线I/O集检测、数据处理、通信为一体,可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表,它不需要框架、机柜,可以直接安装在现场导轨上。 西门子通信网络的中间层为工业现场总线PROFIBUS,它是用于车间级和现场级的国际标准,传输速率最高为12Mbit/s,响应时间的典型值为1ms,使用双绞线电缆(最长9.6km)或光缆(最长90km),最多可以接127个从站。 PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery,分布式外围设备),在PROFIBUS现场总线中,PROFIBUS-DP的应用最广
20、。PROFIBUS-DP协议主要用于PLC与分布式I/O和现场设备的高速数据传输。典型的DP配置是单主站结构,也可以是多主站结构。S7-200通过PROFIBUS-DP扩展从站模块EM277连接到PROFIBUS-DP网络。其上的RS485接口可运行于9600波特到12M波特之间的任何PROFIBUS波特率。1.3.3 触摸屏控制与监控 触摸屏是一种连接人和机器的人机界面,它代替了原始的控制台和显示器,可用于数据显示和参数设置,并且可以用动态描述系统的控制过程,扩展了PLC的功能,减少了按钮、开关、仪表等仪器的使用。顶层块主要实现对整条线的监控与管理,通过EV5000建立基本的网络,将4个从站
21、的PLC与主控PLC进行整体监控,通过EV_5000进行界面组态,设置参数传递的地址,从而实现人机交互功能,既可以对传感器信号监控,又可以随时操作从站工作。2 柔性自动化生产线装置2.1 MES 网络型模块式柔性自动化生产线 模块式柔性自动化生产线实训系统是一种最为典型的机电一体化、自动化类产品。它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学进行了专门设计,强化了各种控制技术和工程实践能力。 实训系统由8个单元组成。分别为:上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、搬运分拣单元、变频传送单元、安装单元、安装搬运单元和分类单元,控制系统可以选用西门子,三菱或欧姆龙的PLC进行控制,具有较好的柔性,即每站
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