电气自动化毕业设计(论文)-基于N:N网络的自动化生产线的组态与实现.doc
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1、I 毕业设计报告(论文)毕业设计报告(论文) 题 目: 基于基于N N:N N网络的自动化生产线的组态与实网络的自动化生产线的组态与实 现现 所 属 系: 班 级: 学 员 姓 名: 学 号: 同 组 成 员: 指 导 教 师: II 摘摘 要要 自动生产线的最大特点是它的综合性和系统性,综合性主要涉及机械技术、微电 子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等 多种技术有机地结合,并综合应用到生产设备中;而系统性指的是生产线的传感检测、 传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作,有机 地融合在一起。本系统完成一个工件的拆卸、分拣工作,
2、模拟一个生产流水线的生产 过程。首先由供料站提供原料,运输站将其送至加工站加工,然后送至装配站进行安 装,最后由分拣站进行分拣。设计以送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元作为 自动生产线的整体设计,构成一个典型的自动生产线的机械平台,系统各机构的采用 了气动驱动、变频器驱动和步进(伺服)电机位置控制等技术。系统的控制方式采用 每一工作单元由一台 PLC 承担其控制任务,各 PLC 之间通过 RS485 串行通讯实现互 连的分布式控制方式。所以,本设计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) 、传感器应用技术、PLCPLC 控制和组网、步进电机位置 控制和变频
3、器技术等。 关键字关键字:网络 组态 自动化 PLC 电机 III 目目 录录 第一章第一章 概概 述述1 第二章第二章 自动生产线的组成及基本功能自动生产线的组成及基本功能2 2.1 基本组成2 2.2 基本功能3 第三章第三章 电气控制电气控制7 3.1 接线端子及主令部件7 3.2 能源部件9 3.3 RS485 总线的电气连接.11 第四章第四章 供料与加工单元控制系统供料与加工单元控制系统12 4.1 供料单元的结构和工作过程12 4.2 供料单元的 PLC 工作任务13 4.3 加工单元的结构和工作过程14 4.4 加工单元 PLC 工作任务14 4.5 PLC 的 I/O 分配及
4、系统安装接线 15 4.6 供料加工单元气动控制回路17 第五章第五章 装配单元控制系统装配单元控制系统19 5.1 装配单元的结构与工作过程19 5.2 装配单元 PLC 工作任务19 5.3 PLC 的 I/O 分配及系统安装接线 20 5.4 装配单元的气动控制回路21 第六章第六章 分拣单元控制系统分拣单元控制系统23 6.1 分拣单元的结构和工作过程23 6.2 旋转编码器的电气接线23 6.3 三菱 FR-E700 变频器的使用.24 6.4 分拣单元的 PLC 工作任务27 6.5 分拣单元 PLC 的 I/O 接线28 6.6 分拣单元的气动控制回路30 第七章第七章 输送单元
5、控制系统输送单元控制系统31 7.1 输送单元的结构与工作过程31 7.2 松下 MINASA4 系列 AC 伺服电机驱动器简介31 7.3 输送单元的 PLC 工作任务35 7.4 输送单元的 PLC 的 I/O 接线 .37 IV 7.5 输送单元气动控制回路39 总总 结结40 致致 谢谢40 参考文献参考文献41 附录附录 1 供料与加工单元电气原理图供料与加工单元电气原理图.42 附录附录 2 装配单元装配单元 PLC 接线原理图接线原理图.43 附录附录 3 分拣单元分拣单元 PLC 接线原理图接线原理图.44 附录附录 4 输送单元输送单元 PLC 接线原理图接线原理图.45 1
6、 第一章第一章 概概 述述 二十世纪以来,为了实现自动化,人们研究和制造了成千上万种自动控制系统, 极大地推动了生产劳动、社会服务、军事工程和科学研究等活动。随着自动化技术的 发展,这是机械化、电气化和自动控制相结合的结果,处理的对象是离散工件。早期 的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。20 世 纪 60 年代以后,由于电子计算机的应用,出现了数控机床、加工中心、机器人、计 算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等。研制出适应多品种、小批量生产型 式的柔性制造系统(FMS) 。以柔性制造系统为基础的自动化车间,加上信息管理、 生产设备自动化,出现了采用计算机
7、集成制造系统(CIMS)的工厂自动化(FA) 。 现代生产和科学技术的发展,对自动化技术提出越来越高的要求,同时也为自动 化技术的革新提供了必要条件。70 年代以来,自动化开始向复杂的系统控制和高级的 智能控制发展,并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域,实现更大规模的 自动化,例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动 调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理 系统等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展,如医疗自动化、人口控制、 经济管理自动化等。自动化将在更大程度上模仿人的智能,机器人已在工业生产、海 洋开发和宇宙探测等
8、领域得到应用,专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著 效果。工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要 内容,并得到迅速发展。 本系统模拟一个生产流水线的生产过程,完成一个工件的拆卸、分拣工作。首先 由供料站提供原料,运输站将其送至加工站加工,然后送至装配站进行安装,最后由 分拣站进行分拣。整个过程要充分考虑生产过程中所出现的情况,对各种生产要求进 行处理,系统分成五个操作站:供料站、安装站、加工站、运输站、分拣站。整个系 统基于三菱 PLC 的 N:N 网络,包括变频控制、伺服控制等,是各种电气控制的综合 应用。本课题由我和朱廷同学共同完成,在项目实施过程中,朱
9、廷同学主要负责程序 的编制,我主要负责机械部分的安装、电气原理图和气路的设计和连接、变频器和伺 服放大器的参数设置。 2 第二章第二章 自动生产线自动生产线的组成的组成及基本功能及基本功能 2.12.1 基本组成基本组成 自动生产线由安装在铝合金导轨式台面上的供料单元、加工单元、装配单元、输 送单元和分拣单元 5 个单元组成。其外观如图 2-1 所示。 其中,每一工作单元都可自成一个独立的系统,同时也都是一个机电一体化的系 统。各个单元的执行机构基本上以气动执行机构为主,但输送单元的机械手装置整体 运动则采取步进电机驱动、精密定位的位置控制,该驱动系统具有长行程、多定位点 的特点,是一个典型的
10、一维位置控制系统。分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频 器驱动三相异步电动机的交流传动装置。位置控制和变频器技术是现代工业企业应用 最为广泛的电气控制技术。 设计中应用了多种类型的传感器,分别用于判断物体的运动位置、物体通过的状 态、物体的颜色及材质等。 图图 2-1 自动生产线外观自动生产线外观 图图 3 2.22.2 基本功能基本功能 各工作单元在台面上的分布如图 2-2 的俯视图所示。 图图 2-22-2 自动生产线设备俯视图自动生产线设备俯视图 560 310430 350 4 各个单元的基本功能如下: 1、供料单元的基本功能:供料单元是本次设计中的起始单元,在整个系统中, 起着向系统
11、中的其他单元提供原料的作用。具体的功能是:按照需要将放置在料仓中 待加工工件(原料)自动地推出到物料台上,以便输送单元的机械手将其抓取,输送 到其他单元上。如图 2-3 所示为供料单元实物的全貌。 图图 2-32-3 供料单元实物的全貌供料单元实物的全貌 2、加工单元的基本功能:把该单元物料台上的工件(工件由输送单元的抓取机 械手装置送来)送到冲压机构下面,完成一次冲压加工动作,然后再送回到物料台上, 待输送单元的抓取机械手装置取出。如图 2-4 所示为加工单元实物的全貌。 5 图图 2-42-4 加工单元实物的全貌加工单元实物的全貌 3、装配单元的基本功能:完成将该单元料仓内的黑色或白色小圆
12、柱工件嵌入到已 加工的工件中的装配过程。装配单元总装实物图如 2-5。 图图 2-52-5 装配单元总装实物图装配单元总装实物图 6 4、分拣单元的基本功能:完成将上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣, 使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。如图 2-6 所示分拣单元实物的全貌。 图图 2-62-6 分拣单元实物的全貌分拣单元实物的全貌 5、输送单元的基本功能:该单元通过直线运动传动机构驱动抓取机械手装置到 指定单元的物料台上精确定位,并在该物料台上抓取工件,把抓取到的工件输送到指 定地点然后放下,实现传送工件的功能。输送单元的外观如图 2-7 所示。 图图 2-72-7 输送单元外观图
13、输送单元外观图 直线运动传动机构的驱动器可采用伺服电机或步进电机,视工作目的而定。本次 任务配置为伺服电机。 7 第三章第三章 电气控制电气控制 3.13.1 接线端子及主令部件接线端子及主令部件 3.1.13.1.1 接线端子接线端子 本次任务的设备中的各工作单元的结构特点是机械装置和电气控制部分的相对分 离。每一工作单元机械装置整体安装在底板上,而控制工作单元生产过程的 PLCPLC 装置 则安装在工作台两侧的抽屉板上。因此,工作单元机械装置与 PLCPLC 装置之间的信息交 换是一个关键的问题。解决方案是:机械装置上的各电磁阀和传感器的引线均连接到 装置侧的接线端口上。PLCPLC 的
14、I/OI/O 引出线则连接到 PLC 侧的接线端口上。两个接线端 口间通过多芯信号电缆互连。图 3-1 和图 3-2 分别是装置侧的接线端口和 PLC 侧的接 线端口。 装置侧的接线端口的接线端子采用三层端子结构,上层端子用以连接 DC24V 电源 的+24V 端,底层端子用以连接 DC24V 电源的 0V 端,中间层端子用以连接各信号线。 PLCPLC 侧的接线端口的接线端子采用两层端子结构,上层端子用以连接各信号线,其 端子号与装置侧的接线端口的接线端子相对应。底层端子用以连接 DC24V 电源的+24V 端和 0V 端。 装置侧的接线端口和 PLCPLC 侧的接线端口之间通过专用电缆连结
15、。其中 25 针接头 电缆连接 PLC 的输入信号,15 针接头电缆连接 PLC 的输出信号。 图图 3-13-1 装置侧接线端口装置侧接线端口图图 3-23-2 PLCPLC 侧接线端口侧接线端口 8 3.1.23.1.2 控制系统控制系统 任务每一工作单元都可自成一个独立的系统,同时也可以通过网络互连构成一个 分布式的控制系统。 1、当工作单元自成一个独立的系统时,其设备运行的主令信号以及运行过程中 的状态显示信号,来源于该工作单元按钮指示灯模块。按钮指示灯模块如图 3-3 所示。 模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。 图图 3-33-3 按钮指示灯模块按钮指示灯模块 模块盒上器件
16、包括: 指示灯(24VDC):黄色(HL1) 、绿色(HL2) 、红色(HL3)各一只。 主令器件:绿色常开按钮 SB1 一只 红色常开按钮 SB2 一只 选择开关 SA(一对转换触点) 急停按钮 QS(一个常闭触点) 2、当各工作单元通过网络互连构成一个分布式的控制系统时,对于采用三菱 FX 系列 PLC 的设备, 各工作站 PLCPLC 配置如下: 输送单元:FX1N-40MT 主单元,共 24 点输入,16 点晶体管输出。 供料单元:FX2N-32MR 主单元,共 16 点输入,16 点继电器输出。 加工单元:FX2N-32MR 主单元,共 16 点输入,16 点继电器输出。 装配单元:
17、FX2N-48MR 主单元,共 24 点输入,24 点继电器输出。 分拣单元:FX2N-32MR 主单元,共 16 点输入,16 点继电器输出。 9 3.23.2 能源部件能源部件 3.2.1 供电电源供电电源 外部供电电源为三相五线制 AC 380V/220V,图 3-4 为供电电源模块一次回路原理 图。图中,总电源开关选用 DZ47LE-32/C32 型三相四线漏电开关。系统各主要负载通 过自动开关单独供电。其中,变频器电源通过 DZ47C16/3P 三相自动开关供电;各工 作站 PLCPLC 均采用 DZ47C5/2P 单相自动开关供电。此外,系统配置 4 台 DC24V6A 开关稳 压
18、电源分别用作供料、加工和分拣单元,及输送单元的直流电源。 图图 3-43-4 供电电源模块一次回路原理图供电电源模块一次回路原理图 10 图图 3-53-5 配电箱设备安装图配电箱设备安装图 3.2.23.2.2 气源处理装置气源处理装置 本次任务的气源处理组件及其回路原理图分别如图 3-6 所示。气源处理组件是气 动控制系统中的基本组成器件,它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水,调 节并保持恒定的工作压力。在使用时,应注意经常检查过滤器中凝结水的水位,在超 过最高标线以前,必须排放,以免被重新吸入。气源处理组件的气路入口处安装一个 快速气路开关,用于启/闭气源,当把气路开关向左拔出时,
19、气路接通气源,反之把 气路开关向右推入时气路关闭。 图图 3-63-6 气源处理组件气源处理组件 气源处理组件输入气源来自空气压缩机,所提供的压力为 0.61.0MPa, 输出压 力为 00.8MPa 可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各工作单元。 11 3.33.3 RS485RS485 总线的电气连接总线的电气连接 3.3.13.3.1 安装和连接安装和连接 N:NN:N 通信网络通信网络 网络安装前,应断开电源。各站 PLCPLC 应插上 485-BD485-BD 通信板。它的 LEDLED 显示/端 子排列如图 3-7 所示。 图图 3-73-7 485-BD485-BD
20、 板显示板显示/ /端子排列端子排列 在 N N:N N 链接网络,各站点间用屏蔽双绞线相连,如图 3-8 所示,接线时须注意终 端站要接上 110 欧姆的终端电阻(485BD 板附件) 。 图图 3-8 PLC 链接网络连接链接网络连接 12 第四章第四章 供料与加工单元控制系统供料与加工单元控制系统 4.14.1 供料单元的结构和工作过程供料单元的结构和工作过程 供料单元的主要结构组成为:工件装料管,工件推出装置,支撑架,阀组,端子 排组件,PLCPLC,急停按钮和启动/停止按钮,走线槽、底板等。其中,机械部分结构组 成如图 4-1 所示。 其中,管形料仓和工件推出装置用于储存工件原料,并
21、在需要时将料仓中最下层 的工件推出到出料台上。它主要由管形料仓、推料气缸、顶料气缸、磁感应接近开关、 漫射式光电传感器组成。 该部分的工作原理是:工件垂直叠放在料仓中,推料缸处于料仓的底层并且其活 塞杆可从料仓的底部通过。当活塞杆在退回位置时,它与最下层工件处于同一水平位 置,而顶料气缸则与次下层工件处于同一水平位置。在需要将工件推出到物料台上时, 首先使夹紧气缸的活塞杆推出,压住次下层工件;然后使推料气缸活塞杆推出,从而 把最下层工件推到物料台上。在推料气缸返回并从料仓底部抽出后,再使夹紧气缸返 回,松开次下层工件。这样,料仓中的工件在重力的作用下,就自动向下移动一个工 件,为下一次推出工件
22、做好准备。 在底座和管形料仓第 4 层工件位置,分别安装一个漫射式光电开关。它们的功能 是检测料仓中有无储料或储料是否足够。若该部分机构内没有工件,则处于底层和第 图图 4-14-1 供料单元的主要结构组成供料单元的主要结构组成 13 4 层位置的两个漫射式光电接近开关均处于常态;若仅在底层起有 3 个工件,则底层 处光电接近开关动作而第 4 层处光电接近开关常态,表明工件已经快用完了。这样, 料仓中有无储料或储料是否足够,就可用这两个光电接近开关的信号状态反映出来。 推料缸把工件推出到出料台上。出料台面开有小孔,出料台下面设有一个园柱形 漫射式光电接近开关,工作时向上发出光线,从而透过小孔检
23、测是否有工件存在,以 便向系统提供本单元出料台有无工件的信号。在输送单元的控制程序中,就可以利用 该信号状态来判断是否需要驱动机械手装置来抓取此工件。 4.24.2 供料单元的供料单元的 PLCPLC 工作任务工作任务 本章节只考虑供料单元作为独立设备运行时的情况,单元工作的主令信号和工作 状态显示信号来自 PLCPLC 旁边的按钮/指示灯模块。并且,按钮/指示灯模块上的工作方 式选择开关 SASA 应置于“单站方式”位置。具体的控制要求为: 设备上电和气源接通后,若工作单元的两个气缸均处于缩回位置,且料仓内有 足够的待加工工件,则“正常工作”指示灯 HL1HL1 常亮,表示设备准备好。否则,
24、该指 示灯以 1Hz 频率闪烁。 若设备准备好,按下启动按钮,工作单元启动, “设备运行”指示灯 HL2HL2 常亮。 启动后,若出料台上没有工件,则应把工件推到出料台上。出料台上的工件被人工取 出后,若没有停止信号,则进行下一次推出工件操作。 若在运行中按下停止按钮,则在完成本工作周期任务后,各工作单元停止工作, HL2HL2 指示灯熄灭。 若在运行中料仓内工件不足,则工作单元继续工作,但“正常工作”指示灯 HL1HL1 以 1Hz 的频率闪烁, “设备运行”指示灯 HL2HL2 保持常亮。若料仓内没有工件,则 HL1HL1 指示灯和 HL2HL2 指示灯均以 2Hz 频率闪烁。工作站在完成
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