MPS系统加工检测站单元的设计与PLC控制.doc

1、机电工程学院毕业设计论文 23309206 陕西国防工业职业技术学院 SHAANXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕业设计论文 题 目 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 二零一二年 陕西国防工业职业技术学院 二一二届毕业设计（论文）任务书 机电工程学院毕业设计论文 23309206 专业： 机电一体化技术 班级： 姓名： 学号： 设计题目： MPS 系统加工检测站单元 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 系统加工检测站单元，并实现其动作控制要求。 设计任务： 1气动机械手的机构设计和气动

2、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加工检测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完成对加工检测站的安装、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。 起止日期： 2011年 月 日 2011年 月 日（共 周） 指导教师：刘龙江 审核（教研室主任）： 批准（系主任）： 机电工程学院毕业设计论文 23309206 设计评语： 指导教师签字： 年 月 日 答 辩： 考 核组长： 总 成 绩： 机电工程

3、学院毕业设计论文 23309206 MPS 系统机械手站单元的设计与 PLC 控制 摘 要 MPS(modular production system 模块化生产加工培训系统 )是模拟实际生产加工操作过程的开放式教学系统，主要是针对学生不能经常在实际生产线上进行培训而设计的，该系统是工业自动化生产线的缩微模型，可以提供一个实际自动化制造，加工生产线的模拟教学环境，可根据 I/O 分配编写程序达到系统的控制，提高实际操作的能力，本文涉及的系统为上海英集斯公司生产的 MPS 模块化生产加工培训系统 ,它采用西门子公司生产的小型可编程 序控制器 S7-200 对 MPS 各个工作站的运行过程进行实时

4、控制。 本次设计是以 MPS 系统中机械手 站 单元为研究， 采 用德国西门子 公司生产的 S7-226系列可编程控制器对机械手进行运动控 制，根据机械手的运动规律进行 编程 ， 使用传感器进行 位置 控制， 并 使用 FluidSIM-P 软件设计制作气动控制和仿真模拟，完成机械手站的控制任务。 关键词： MPS；机械手 站 单元； PLC； 传感器机电工程学院毕业设计论文 23309206 i 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 MPS 模块化加工系统简介 . 1 1.2 MPS 的基本组成 . 1 1.3 MPS 的基本功能 . 2 1.4 设计条件及设计任务 . 3 2 机械手站单元的

5、控制硬件 . 4 2.1 可编程控制器（ PLC） . 4 2.1.1 PLC 的概况及特点 . 4 2.1.2 PLC 结构及基本配置： . 5 2.1.3 PLC 的应用领域 . 7 2.1.4 S7-200PLC 的介绍 . 7 2.2 传感器 . 10 2.2.1 传感器的简介以及分类 . 10 2.2.2 传感器工作原理及应用 . 11 3 机械手 . 13 3.1 机械手的简介： . 13 3.2MPS 系 统中机械手工作站的结构功能 . 14 3.2.1 机械手站气动回路图 . 16 3.2.2 气动部件的选用 . 17 3.2.3 气动部件的简 要分析 . 18 3.2.4 电

6、器元件的简介 . 22 4 机械手站单元的 PLC 设计 . 25 4.1 机械手站单元的控制要求 . 25 4.2 机械手站单元顺序功能流程图 . 25 4.3 机械手站单元的 I/O 分配表 . 27 4.4 梯形图 . 27 4.5 指令表 . 29 4.6 模拟调试 . 29 5 总 结 . 30 参考文献 . 31 致 谢 . 32 机电 工程学院毕业设计论文 23309206 1 1 绪 论 1.1 MPS 模块化加工系统简介 模块化加工系统 (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，用户可根据

7、身产需要选择设备组成单元的数量、类型，最少时一个单元 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地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 MPS 的基本组成 多个单元组成的 MPS系统

8、可以较为真实地模拟出一个自动生产加工流水线的工作过程。其中，每个工作单元都可以自成一个独立系统，同时也都是一个机电一体化的系统。各个单元的执行机构主要是气动执行机构和电机驱动机构，这些执行机构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。 在 MPS 设备上应用多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的通过状态、物体的颜色、物体的材质、物体的高度等。传感器技术是图 1.1 多单元组成的 MPS 系统 机电 工程学院毕业设计论文 23309206 2 机电一体化技术中的关键技术之一，是现代工作实现高度自动化的前提之一。 在控制方面， MPS 设备采用 PLC 进行 控制，用户可

9、根据需要原则不同厂家的 PLC(例如三菱公司的 FX2N 系列 PLC、西门子公司的 S7-200 系列 PLC和 S7-300 系列 PLC)。 MPS 设备的硬件结构是相对固定的，但学员可以根据自己对设备的理解、对生产加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写 PLC 控制程序实现该工艺过程，从而实现对 MPS 设备的控制。 1.3 MPS 的基本功能 MPS 设备给学员提供了一个开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何配合、最终使 MPS 模 拟一个什么样的生产加工控制过程、 MPS作为一条自动生产流

10、水线具有怎么样的操作运行模式等，学员都可根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出 PLC 控制程序，使 MPS 设备实现一个最符合实际的自动控制过程。 MPS 系统中每个单元都具有最基本的功能，学员可在这些基本功能的基础上进行流程编排设计和发挥。 1）、 MPS 系统的基本组成单元： 上料件检测单元 操作手单元 加工单元 安装单元 安装搬运单元 立体存储单元 机械手单元（如图 1.2 所示） 2）、机械手站单元 功能简介：该单元是一个六个关节的机械手，它可以用来完成抓取 动作，可以进行工件的组装，产生一个完整的产品。 手臂本体：日本莫托曼 HP3、三菱等 扩展模块：控制器、变压器。 组成模块：

11、手臂本体、手臂控制器、气爪 。 图 1.2 机械手单元 机电 工程学院毕业设计论文 23309206 3 1.4 设计条件及设计任务 1、 设计条件： 要求采用西门子 S7-226PLC 作为控制器，以气动元件作为执行元件，设计 MPS 系统机械手战单元，并实现其动作控制要求。 2、 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） 机械手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） 完成对机械手站的硬件和软件的安装、连线、调试、运行； 3、 毕业设计（论文）内容包括： （

12、 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。图 1.3 机械手单元在 MPS 中的应用 机电 工程学院毕业设计论文 23309206 4 2 机械手站单元的控制 硬件 2.1 可编程控制器（ PLC） 2.1.1 PLC 的概况及特点 可编程序控制器（ PLC）是现代工业自动化领域中的一门先进控制技术，它已成为现代工业控制三大支柱（ PLC、 CAD/CAM、 ROBOT）之一，其应用深度和广度已经成为一个 国家工业先进水平的重要标志之一。 PLC 具有可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网、

13、易于与计算机接口、模拟量控制、高速计数及位控等一系列优异性能。 1） PLC 的分类 可编程序控制器（ Programmable Logic Controller）简称 PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。 可编程序控制器发展到今天，已经有多种形式，而且功能也不尽相同。按不同的原则可有不同的分类。 a、 根据结构分类 （ 1）整体式（箱体式） 整体式 PLC 的基本组成框图 如图 2.1 所示。 输入 单元输出 单元主 机中 央 处 理 单 元C P U 外设接口E P R O M系 统 程 序R A M用 户 程 序存

14、 储 器I / O扩展口I / O扩展单元输入信号输入信号编 程 器打 印 机电 源（ 2）组合式（机架模块式） 组合式 PLC 的基本组成框图如 图 2.2 所示。 图 2.1 整体式 PLC的基本组成框图 机电 工程学院毕业设计论文 23309206 5 通 信 单 元智 能 I / O 单元输 出 单 元 输 入 单 元 C P U 单 元 编 程 器P C 或 上 上 位计 算 机系 统 总 线现 场 工 业 过 程b、 按控制规模分类 一般而言，处理的 I/O 点数愈多，则控制关系愈复杂，用户要求的程序存储器容量愈加大、 PLC 指令及其他功能也愈加多、指令执行的速度也愈加快。按 P

15、LC 的 I/O 点数 可将 PLC 分为 以下三类：小型 PLC、 中型 PLC、 大型 PLC。 2)PLC 的特点 ： 抗干扰能力强， 可靠性高；编程方便；使用方便；维护方便； 设计、施工调试周期短；易于实现机电一体化。 2.1.2 PLC 结构及基本配置 一般讲， PLC 分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式 PLC，有一块 CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等，当然按 CPU 性能分成若干型号，并按 I/O 点数又有若干规格。对模块式 PLC，有 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架。 1） CPU 的构成 PLC 中的 CPU 是

16、 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每台 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的 系统 程序赋予的功能接收并存贮 用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入 装置 送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入 运行 后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路 ， 与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元 。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制 。 CPU 的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作 。 CPU 的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU 虽然划分为以上几个部分，但 PLC 中的 CPU 芯片实际上就是微处理器 。 CPU 模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲， CPU 模块总要有相应图 2.2 组合式 PLC的基本组成框图