费斯托工业自动化教学培训系统.doc

1、第一章 绪论费斯托工业自动化教学培训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的教学培训装置。具有综合性、模块化及易扩充等特点。在现代化工业生产中，自动化技术起着非常重要的作用。从基本的气动、电气动、液压、电液压、传感器技术到可编程序控制器和总线系统，直至 DCS 控制系统及工业制造技术，它们都被广泛的应用。本套模块化教学培训系统主要以气动元件为主，附加电动元件，总共由 8个站组成，每个站都安装在一个可以推动的小车上，而小车正上方是一个带槽的工作台，可以插入各种模块或器件。小车内部安装 PLC 及工作电源，正前方用一个控制面板，用来控制整个系统运行。每站都用一个单独的 PLC 进行控

2、制，PLC 采用德国西门子公司的 S7-300 系列中的 313C 型。两站通讯通过传感器完成。FESTO 教学培训系统由 8 个站组成：第一站，供料站；第二站，检测站；第三站，加工站；第四站，提取站；第五站，缓冲站；第六站，机械手；第七站，组装站；第八站，成品分装站。这八个站相互协调、相互制约来完成整个组装任务。各个站的功能如下：第一站，供料站：供料工作单元的主要作用是为加工过程逐一提供加工工件。在管状料仓中最多可存放 8 个工件。供料过程中，双作用气缸从料仓中逐一推出工件，接着，转换模块上的真空吸盘将工件吸起，转换模块的转臂在旋转缸的驱动下将工件移动至下一个工作站的传输位置。第二站，检测站

3、：检测工作单元的主要作用是检测加工工件的特性。光电式及电容式传感器完成区分工件的工作。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气动滑槽的上层，并将不合格的工件检出至气动滑槽的下层。第三站，加工站：在加工工作单元，工件将在旋转平台上被检测及加工。本单元是唯一一个只使用电气驱动器的工作单元。旋转平台由直流电机驱动。平台的定位由继电器回路完成，电感式传感器检测平台的位置。工件在平台平行地完成检测及钻孔的加工。由带电感式传感器的电磁执行装置来检测工件是否被放置在正确的位置，在进行钻孔加工时，电磁执行件夹紧工件，

4、加工完的工件通过电气分支传送到下一个工作站。第四战，提取站：操作手工作单元配置了柔性 2-自由度操作装置。漫反射式光电传感器对放置在支架上的工件进行检测。提取装置上的气抓手将工件从该位置提起，气抓手上装有光电式传感器用于区分“黑色”及“非黑色”工件，并将工件根据检测结果放置在不同的滑槽中。本工作单元可以与其他工作单元组合并定义其他的分类标准，工件可以被直接传输到下一个工作单元。第五站，缓冲站：暂存工作单元可存放并分隔 5 个加工工件。传送带起始位置的漫射传感器检测被送入的工件。分隔器上端及底部的光栅进行的加工控制是：如果传输点为空，则分隔器送入一个工件。该动作由短行程缸来完成。短行程缸终端位置

5、由终端位置传感器检测。第六站，机械手：机械手工作单元将通过滑槽传送至此单元的工件传送到组装平台上。气抓手上的传感器根据颜色（黑色/非黑色）区分工件。组装平台上的传感器监测工件的方位。从组装平台开始，机械手将对工件进行分类并相应放入不同的料仓或直接放到下一个工作单元。将其他工作单元与机械手工作单元组合可完成加工工件的组装。第七站，组装站：组装工作单元需与机械手工作单元共同使用。该单元为工件的组装操作提供元件：加工工件气缸端盖由双作用气缸从端盖料仓中推出，气缸活塞放置在活塞托盘中，气缸弹簧由另一双作用气缸从一较细的料仓中推出。第八站，成品分装站：进入成品分装工作单元的加工工件被分别放置在三根不同的

6、滑槽上。当工件被放在传送带起始位置时受到漫射传感器的检测。制动器上方的传感器检测工件的特性（黑色、红色、金属色）。由双作用气缸通过偏针仪控制的分离器将工件分捡到正确的滑槽上第二章 硬件设计第一节 设计所用 PLC 选型本套 FESTO 教学实验系统的电气控制部分均由可编程控制器来承担，并且通过一个手动控制面板辅助 PLC 的控制。考虑到各个站的控制原理基本相同，所以在选取 PLC 时可选用一种机型，本次设计都选用了西门子的 S7-300 系列的PLC。SIMATIC PLC 是德国西门子公司在 S5 系列 PLC 的基础上于 1995 年陆续推出的性价比较高的 PLC 系统。其中，S7-300

7、 由于其系统的优良特性，近年来被广泛应用于专用机床、纺织机械、包装机械、通用机械应用，控制系统、机床、楼宇自动化、电器制造工业及相关产业等诸多领域。S7-300 提供了多种性能递增的 CPU 和丰富的且带有许多方便功能的 I/O 扩展模块，各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，使用户完全根据实际应用选择合适的模块而且当控制任务增加对 PLC 进行扩展，系统扩展灵活。S7300 具有高电磁兼容性和强抗振动、冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。 S7300 结构简单，使用灵活而且易于维护，采用 DIN 标准导轨安装，安装方便。背板集成在模块上，模块通过总线连接器相连，使得更换模块简单，

8、所有模块都具有可靠的接线端子。信号模块和通信模块可以不受限制地插到任何一个槽位上，系统可以自行组态。当用户的自控系统任务需要多于 8 个信号模块或通讯处理器模块时，则可以扩展 S7300 机架，扩展实现方便。S7300 是模块化的组合结构，根据应用对象的不同，可选用不同型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架（导轨）或多个机架上。与CPU312FM 和 CPU313 配套的模块只能装在一个机架上。除了电源模块、 CPU 模块和接口模块外，一个机架上最多只能安装 8 个信号模块或功能模块。CPU314/315/3152DP 最多可扩展 4 个机架，IM360/IM361 接口模块将

9、S7300 背板总线从一个机架连接到下一个机架。中央处理单元总是在 0 号架的 2 号槽位上，1 号槽安装电源模块，3 号槽安装接口模块。411 号槽，可自由分配信号模块、功能模块和通讯模块。需要注意的是，槽位号是相对的，每一机架的导轨并不存在物理的槽位。由于该套 FESTO 教学实验系统控制原理简单，因此 8 个站的 PLC 均为单机作业，也不需要扩展功能模块，PLC 之间也没必要网络通讯。所以每个站的 PLC只由最基本的中央处理单元（CPU）、电源模块（PC）、信号模块（ SM）组成。1、CPU 采用 CPU313C 型:CPU313C 是具有更大的程序存储器、低成本的解决方案。适用于对速

10、度要求较高、程序较大的小型应用领域。CPU313C 是一款紧凑型的处理器，带有集成的数字量和模拟量的输入和输出，其中，数字量输入输出分别为 24 位和 16 位。运行时需要微存储器卡 MMC。CPU313 内置 12KB 的RAM，其装载存储器为内置 20KB 的 RAM，可用存储器卡扩充装载存储器，最大容量可为 4MB 的 EEP-ROM（电擦除可编程只读存储器），指令执行速度为600ns/二进制指令。最小位操作时间 0.1MS 到 0.2MS,扩展模块只能装在一个机架上，最大扩展 128 点数字量和 32 路模拟量,通信接口为 MPI 接口，模块总数为 31 块。CPU313C 的存储器可

11、分为三个区域：装载存储器（MMC）、工作存储器、系统存储器。（1）、装载存储器装载存储器位于 SIMATIC 微存储卡（MMC）中。其容量与 MMC 的容量相符合。用于保存代码块和数据块以及系统数据（组态、连接和模板参数等）。标记有与运行时间无关的块，不能保存在装载存储器中。也可以将项目的整个组态数据保存在 MMC 中。注意：装载存储器（MMC）中的程序数据必须为记忆性保存。当装入时即写入MMC，并可防止电源故障和存储器复位。因此，装入用户程序以及 CPU 313C 的操作只能使用插入的 MMC（2）、工作存储器集成的 CPU 工作存储器不能扩展。它只能用于处理代码数据和用户数据。只能在主存储

12、器中和系统存储器中处理程序。当插入 MMC 时，可以保存 CPU 的主存储器内容。断电时，你的数据就保存在 MMC 存储器中。因此，数据块的内容基本上被永久保留（3）、系统存储器（RAM）集成的 CPU 系统存储器不能扩展。它包括：存储位、计时器和计数器的地址区，I/O 过程映象，局域数据，在你的组态中（CPU 属性、记忆性选项），你可以指定存储位、计时器和计数器的那一部分具有记忆功能，并在重新启动时使用“0”初始化。一般地，诊断缓冲器、MPI 地址（和传输速率）以及运行小时计数器都被写入具有记忆功能的 CPU 存储器中。MPI 地址和传输速率的记忆功能确保了即使在掉电、存储器复位或通讯参数丢

13、失时，CPU 也仍能进行通讯（例如拆除 MMC 或通讯参数删除）2、PS307 电源模块PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。PS307 是西门子公司为 S7-300 专配的 DC24V 电源。PS307 系列除输出额定电流不同外（2、5、10A），其工作原理和参数都一样。本系统使用的电源是独立的开关电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。3、输入输出模块（SM）PLC 对外功能主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备和生产过程的检测与控制。通过各种输入输出接口模块，PLC 既可检测到所需的过程相信，又可将处理结果传送给外部过程，

14、驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。通过输入模块单元，PLC 能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC 能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。实际生产中的信号电平多种多样，外部执行结构所需电流也是多种多样，而PLC 的 CPU 所处理的只能是标准电平，由于输入输出模块单元与工业过程现场的各种信号直接相连，这就要求它有很好的信号适应能力和抗干扰性能。因此，在输入输出模块单元中，一般均配有电平转换、光耦合器和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传送，PLC正是通过这种接口实现了信号电平的转换。系统所使用的紧凑型 CPU31

15、3C，带集成的数字量和模拟量的输入和输出模块。示意图如下：集成的数字量输入 DI24。它的作用是把现场各种开关信号转换成 PLC 内部处理的标准信号。在直流输入单元中，电阻 R1和 R2构成分压器，R 2与电容 C组成阻容滤波。二极管用于防止反极性电压输入，发光二极管（LED）指示输入状态。光耦合器隔离输入电路与 PLC 内部电路的电气连接，并使外部信号通过光耦合器转换成内部电路接受的标准信号。当外部开关闭合后，外部直流电压经过电阻分压和阻容滤波后加到光耦合器的发光二极管上，经光耦合，光敏晶体管接受光信号，并输出一个对内部来说是接通的信号，输出端的发光二极管（LED）点亮，指示现场开关闭合。模

16、块输入电压为 24V、“1”信号允许 1530V、“0”信号允许35V，典型输入电流 8mA；集成的数字量输出 DO16 额定负载电压 L+24V，允许范围 20.4V28.8、输出电压“1”信号最大 L+-0.8V，最大输出电流“1”信号为 0.5A、最小电流 5mA，“0”信号最大电流0.5mA。满负荷能力 40C 时为 100%、60C 时为 50%。输出开关能力对阻性负载为 100Hz、感性负载为 0.5Hz。数字量输入输出模块都有电子隔离。示意图如下：集成的的模拟量输入（用于电压电流的测量）AI512Bit 测量电压：10V、0-10V，测量电流20mA、0/4 至 20mA。单极精

17、度：11 位+符号位。25C 最大误差0.7%；集成的模拟量（用于电压电流测量）AO2 输出电压范围：10V、0-10V，输出电流范围：20mA、0/4 至 20mA第二节 传感器元件一、 基本知识介绍1 传感器的基本原理传感器是将感受到的外界信息，按照一定的规律转换成所需的有用信息的装置。它获取的信息可以是各种物理量、化学量和生物量。而转换的信息也有各种形式。例如：电、光、温度、声、位移、压力等。物理量可以通过传感器相互转换，但是，通常是将非电量或电量转换成易于处理和传输的电量。传感器的核心部件是敏感元件，它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件。A K E C当红外发光二极管通电

18、发光时,光通过被照射物体发射到硅光敏三极管窗口,是硅光敏三级管导通,从而有大电流,以检测物体有无情况.2、传感器的分类传感器按照工作原理可分为：电阻式、电容式、电感式、磁电式、光电式。二、设计所用传感器及其性能本套 MPS ( 模块化生产加工系统 ) 的控制单元 PLC 对现场信号的采集和上下站的通讯都是靠传感器来完成的.系统中工件位置和种类,气缸活塞的位置,机械元件的位置,上一站发来的忙信号等各种信号被传感器检测传送到控制单元.因此,系统中用到的传感器大体上分为光电式传感器, 光纤式传感器,电感式传感器,电容式传感器及接近开关.1、光电式传感器光电式传感器是以光的作用产生信号的传感器。在光电

19、式传感器中将阻挡和反射光线产生的变化转换为电信号输出。它具有非接触响应快,性能可靠等特点.因此在工业中应用广泛. 光电式传感器分为漫射式传感器,反射式传感器,对射式传感器.（1） 对射式传感器本设计中各站用到对射式传感器有供料站的 B4 传感器以及各站在两站通信时用到的接收器（IP_FI）和发射器(IP_N_FO)。首先将接收器设置在所需的位置并加以固定, 然后将发射器和接收器对齐，也加以固定。如右图所示：代号:165353代码:SOEG-S-Q30-S-L光的类型:红外线电连接:M8x1;3 针;插头CE 标志:符合 EU 指示 89/336/EWG (EMV)装类型:带通孔对 射 式 传

20、感 器 首 先 将 接 收 器 设 置 在 所 需 的 位 置 并 加 以 固 定 ， 然 后 将发 射 器 和 接 收 器 对 齐 ， 也 加 以 固 定 。 检 测 到 的 信 号 以 光 的 形 式 通 过 光纤 传 送 到 变 送 器 。 光 纤 电 缆 由 一 束 玻 璃 纤 维 或 由 一 条 或 几 条 合 成 纤 维组 成 。 光 纤 能 将 光 从 一 处 传 导 到 另 一 处 ,甚 至 绕 过 拐 角 处 。 其 工 作原 理 是 通 过 内 部 反 射 介 质 传 递 光 线 。 光 线 通 过 具 有 高 折 射 率 的 光 纤 材料 和 低 折 射 率 护 套 内

21、表 面 ,由 此 形 成 的 光 纤 在 光 纤 内 的 反 射 式 传 递 。光 纤 由 芯 部 (高 折 射 率 )和 护 套 (低 折 射 率 )组 成 。 在 光 纤 内 ,光 被不 断 来 回 反 射 , 产 生 全 内 反 射 ,因 而 光 能 通 过 曲 线 路 径 。 光 电 式 传感 器 不 得 相 互 干 扰 ， 它 们 之 间 必 须 保 持 最 小 距 离 。 该 最 小 距 离 主 要 由传 感 器 灵 敏 度 决 定 ， 对 于 采 用 光 纤 的 传 感 器 ， 此 距 离 主 要 由 使 用 的 光纤 类 型 决 定 ， 因 此 ， 一 般 情 况 不 指 定

22、该 值 。(2) 反射式传感器反射式光电开关传感器的原理图如下图所示，当红外发光二极管通电发光时，光通过被照射物反射到硅光敏三极管窗口，使硅光敏三极管导通，从而有大电流，以此检测物体的有无。适用于光电接近开关、光电自动控制、物体识别等。 本设计中用到的反射式传感器为检测站的 B3 传感器。如右图所示首先在所需的位置安放好反射板，并加以固定，然后将反射板部分遮住，只留出中心部分(约占反射板面积的 25%)，然后安装反射式传感器，并调整位置直至能正确切换为止，最后将反射板的覆盖物拆除。（3） 漫射式传感器将传感器与被测物体对齐,使其能正常工作, 为了保证其正常可靠地工作 ,必须留有工作裕量。本设计

23、中用到的漫射式传感器为检测站的 B2 传感器。如下图所示2、电感式传感器利用气缸上永久磁环产生的磁场，磁场影响电感式传感器，电流在磁场中变化使传感器的触点在回路中打开或闭合。Festo 的接近式传感器为位置传感器，是专门为 Festo 驱动器而配套设计的。 这些传感器可直接安装于驱动器上也可通过特定的安装附件进行安装。只有在驱动器的活塞上加上永磁体，才能使接近式传感器工作。接近式传感器在气缸上的位置可以通过机械方式加以调整并固定。一但气缸活塞回复到这一位置，切换信号的状态就会发生变化。本设计中用到的电感式传感器为供料站中检测推工件气缸推到位和复位的1B1 和 1B2 传感器，检测站中检测升降模

24、块上升到位和下降到位的 1B1、1B2和 2B1 传感器，提取站中检测机械手左移到位（1B1 传感器）和右移到位（1B2 传感器）、以及平行气爪上升到位（2B2 传感器）下降到位（2B1 传感器）。如下所示：第三节 电动和气动元件部分气动是气压传动及控制的简称，它是以压缩空气为动力源来驱动和控制各种机械设备以实现生产过程机械化和自动化的一种技术。本套设备是德国著名气动公司 FESTO 公司开发的，主要器件为气动元件，用到了多方面的气动知识与气动设计思想。气动技术的一大优点是极为经济和简易的实现直线运动、旋转运动和静止状态下输出作用力和力矩。因此，气动执行元件广泛应用在各种自动加工线上工件的运输

25、、夹紧以及工件的运动中。气动技术主要包括两方面的内容：气压传动和气动控制。一个典型的气动系统由以下几方面组成：1 气压发生装置，提供压缩空气的装置和设备，例如，空气压缩机。2 气动执行元件，以压缩空气为工作介质产生机械运动的装置，例如，做直线运动的气缸。3 气动控制元件,通过它能改变工作介质的压力、流量或流动方向来实现执行元件所规定的运动，例如，各种压力、流量、方向控制阀和各种气动逻辑器件。4 气动传感元件，感受各种被测参数并转化成气压信号的装置，例如，本设计中用的最多的位置传感器。5 气动辅助元件，为压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接和消声等所需的一些辅助装置。一、气压发生装置气压发生

26、装置是产生压缩空气的装置，或者说是为气动设备和系统的正常工作提供所需的压缩空气的压力和流量的装置，是组成压缩空气站起源系统的主要设备，通常是指空气压缩机。空气压缩机（简称为压缩机或压气机）的结构形式很多、工作压力范围很广。现举例按其工作原理分类可分为容积型和速度型两种二、气动执行元件气动执行元件是将压缩空气的压力能转化为机械能的一种传动装置，它能驱动机构实现直线往复运动、摆动、旋转运动或冲击动作。可分为气缸和气马达两大类。气缸用压缩空气作为动力源，产生直线运动，输出力或动能。按照压缩空气作用在活塞断面上的方向分为：单作用气缸和双作用汽缸。三、气动控制元件气动控制元件是在气压传动的气动控制系统中，用于信号传感与转换、逻辑控制、参量调节等的各类气动元件。气动控制通常可分为断续控制和连续控制两类。本套 FESTO 系统采用的是断续控制。在断续控制（又称开关控制）系统中，通常要进行压力、流量的调节和气流流动方向和通断程序的控制，分别要采用压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀以及气动式逻辑元件等。1、压力控制阀