基于PLC的瓷砖包装线控制系统毕业设计.docx
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基于PLC的瓷砖包装线控制系统毕业设计.docx
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基于PLC的瓷砖包装线控制系统毕业设计
基于PLC的瓷砖包装线控制系统毕业设计目录
摘要...............................................................I
Abstract...........................................................I
1引言.............................................................1
1.1本设计的目的和意义.........................................1
1.2瓷砖包装线控制系统的研究现状...............................1
1.3本设计所要解决的问题和完成的主要内容.......................1
2系统整体方案设计.................................................3
2.1瓷砖包装线装置结构组成......................................3
2.2瓷砖包装线的控制系统要求....................................3
2.3控制系统的方案选择.........................................4
3瓷砖包装线控制系统...............................................5
3.1瓷砖包装线电控系统..........................................5
3.2瓷砖包装线控制系统的基本结构................................5
4硬件系统的设计....................................................6
4.1PLC的选型..................................................6
4.2步进电机的选型..............................................7
5软件系统的设计....................................................9
5.1PLCI/O表分配..............................................9
5.2瓷砖包装线控制系统程序流程图...............................10
5.3步进电机控制程序的编写.....................................12
5.4PLC的通信..................................................16
5.5程序结构介绍...............................................21
6结束语...........................................................27
参考文献...........................................................28
致谢...............................................................29
附录...............................................................30
摘要
本设计是为了实现瓷砖生产的自动化,机械化而设计的。
本设计通过对西门子PLC的学习,从而使用编程软件进行编程,进而控制生产机械的动作,实现工业自动化的目的。
本设计主要是采用了西门子PLC自带的高速脉冲输出点来控制步进电机的运动,来实现精确控制的目的,最终实现整个流程的控制。
关键词:
PLC;工业自动化;瓷砖包装线
Abstract
Thisdesignisdesignedfortileproductionautomationandmechanization.ThisdesignbylearningtoSiemensPLCinordertouseprogrammingsoftware,andthencontroltheactionoftheproductionmachinery,industrialautomationpurposes.ThisdesignisatheSiemensPLCcomeswithhigh-speedpulseoutputpointtocontrolthesteppermotormovement,toachieveprecisecontrol,andultimatelycontroloftheentireprocess.
Keywords:
PLC;industrialautomation;tilepackagingline
1引言
1.1本设计的目的和意义
随着我国经济的蓬勃发展,人力成本成为制约企业发展的一个重要因素,因此企业渴望通过实现工业自动化来促进企业的进一步发展。
瓷砖企业由于工作环境的恶劣,造成用人短缺。
因此,瓷砖企业渴望实现生产线的自动化。
因此,本次的毕业设计主要是实现瓷砖包装线的工业自动化,来减轻瓷砖企业的人力成本,促进企业的发展。
PLC具有极高的可靠性、丰富的指令集和内置的集成功能、强大的通信能力和品种丰富的扩展模块。
PLC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系统,还具有极强的通信能力和极其高的性价比。
因此采用PLC来实现瓷砖包装线的工业自动化,可以很方便的实现控制要求,从而为瓷砖企业解决人力成本居高不下的难题。
1.2瓷砖包装线控制系统的研究现状
瓷砖包装线控制系统的研究在国内外已经比较成熟,有些已经用于实际的生产,提高了生产效率,降低了人力成本,为企业实现了利润的最大化。
现在市面上的瓷砖包装线的控制系统大都是采用PLC控制,降低了实现整个生产流程的难度。
由于市面上的PLC的型号多样,因此每选用一种不同的PLC,就有一种不同的编程语言,也就有一种不同的程序。
由于生产瓷砖的过程是极其辛苦的,因此工人们不能坚持下来,过一段时间便辞职,影响了瓷砖生产企业的生产。
在福州市郊也有一些生产瓷砖的企业,它们正面临着招不到工人,工厂不能生产的尴尬的局面,因此它们迫切希望通过瓷砖生产自动化,来避免这一局面,降低工厂的损失。
本设计采用PLC来设计瓷砖包装线控制系统,这对实现瓷砖生产的工业自动化具有重要意义,也具有广阔的应用前景和明显的经济效益。
1.3本设计所要解决的问题和完成的主要内容
本设计的主要内容是基于PLC控制瓷砖生产的工业自动化的控制系统。
它主要由传送带、步进电机、电磁阀、机械手和上位机等设备组成。
本次设计的目标是设计出能满足控制要求的控制电路、流程图以及控制程序,从而实现瓷砖生产的工业自动化,提高企业的生产效率。
瓷砖包装线的工作流程是瓷砖从传送带送到工作台上,步进电机下沉一块瓷砖的厚度,当累积到12块时,传动带停止。
当步进电机下沉到一定距离后,空气阀开始动作,把工作台上的瓷砖推到包装台上,然后空气阀回复到正常位置,此时在包装台上的步进电机工作,把泡沫包装到瓷砖上,然后回到正常位置。
此后,夹子下降到一定位置,夹取瓷砖,把瓷砖夹到包装纸上,然后回复到正常位置。
此后传送带又开始传送,重复开始上述动作。
由于在本设计中要使用步进电机,因此步进电机的控制就显得尤为重要,为实现控制要求的时候如何保证步进电机能运行到精确的位置,从而保证下一个动作能顺利执行,这是本设计能否实现设计目标的关键问题,只有解决了这一问题,本设计才能算是成功。
2系统整体方案设计
2.1瓷砖包装线装置结构组成
瓷砖包装线装置主要由传送带、步进电机、电磁阀、减速电机、机械手等组成。
本设计主要是对瓷砖包装线的控制系统设计。
2.2瓷砖包装线的控制系统要求
瓷砖包装线的控制系统的目的主要是实现工业自动化,降低成本,提高企业的利润。
为了实现这一目的,就必须使瓷砖包装线控制系统能够正常运行,只有这样才能实现目的。
因此,为了使瓷砖包装线控制系统能够正常运行,必须有控制要求,瓷砖包装线控制系统的控制要求如下所示:
1瓷砖包装线控制系统的启动要求
本系统的控制方式有两种,一种是直接通过按钮来控制,另一种是通过触摸屏来控制。
当要让系统开始工作的时候,按下启动按钮,系统开始初始化,初始化完毕后,选择工作方式,工作方式有两种:
一种是连续方式,另一种是单步方式。
选好工作方式以后,整个系统便开始动作,瓷砖从传送带送到工作台上,步进电机下沉一块瓷砖的厚度,当累积到12块时,传动带停止。
当步进电机下沉到一定距离后,空气阀开始动作,把工作台上的瓷砖推到包装台上,然后空气阀回复到正常位置,此时在包装台上的步进电机工作,把泡沫包装到瓷砖上,然后回到正常位置。
此后,机械手下降到一定位置,夹取瓷砖,把瓷砖夹到包装纸上,然后回复到正常位置。
此后传送带又开始传送,重复开始上述动作。
2系统停车
正常停车:
按下停止按钮,设备停止,整个系统停止。
3完善的系统保护
a、限位保护:
当在托盘上的瓷砖块数达到预设块数时,电磁阀开始动作,把整堆的瓷砖推到包装平台,此时在推瓷砖的过程中会碰到限位开关,使电磁阀停止,然后缩回起始位置,等待下一次动作。
在步进电机顶起托盘,上升到与传送带水平位置一致的时候,会碰到限位开关,是步进电机停止,防止步进电机运行过度。
在包装平台上,会有步进电机把泡沫夹到瓷砖的两侧,完成包装过程,此时在步进电机的前进和回到起始位置的时候都会碰到限位开关,使步进电机停止,防止步进电机运行过度。
移动包装好的瓷砖的机械手在左行、右行、上行、下行的时候都会碰到限位开关,防止机械手运行过度。
b、系统的过载和短路保护:
控制电路中接有熔断器和热继电器,分别用于系统的过载和短路保护。
2.3控制系统的方案选择
本系统的控制方式有两种:
一种是继电器控制方式,另一种是PLC控制方式。
(1)继电器控制方式
继电器控制方式在以前电气系统中运用较多,但是这种控制方式存在着很多缺点,当保护开关增多时线路变得很复杂,而且不便于接线,设计困难,维修困难,安全性差,触点多,也不能显示各种保护。
(2)PLC控制方式
该控制方式能够实现对电机的加速和减速控制,达到减少电气元件和增加安全性的目的。
对于这种控制方式,随着电路中的保护开关的增加,使电路的安全性和准确性都能得到提高,却不会给电路接线带来困难。
采用这种控制方式具有可靠性高、程序简单、设备便于维护和维修,电路连接方便,一次性投资小等优点。
所以从以上两种控制方式看,本设计采用PLC控制方式。
比较得出PLC有明显的优越性。
本设计采用西门子公司的S7-200系列PLC,其相应的软件为STEP7-Micro/WIN来完成瓷砖包装线控制系统的设计。
3瓷砖包装线控制系统
3.1瓷砖包装线电控系统
瓷砖包装线电控系统包括电气互锁,电机的短路、过载、限位保护等较为全面的保护措施。
具有触摸屏能控制瓷砖包装线系统的运行和停止,极大地方便了用户的操作。
3.2瓷砖包装线控制系统的基本结构
瓷砖包装线控制系统是主要以西门子PLC为主要控制单元,电气操作台和触摸屏作为操作设备,外加PLC外围开关、传感器和限位开关组成保护系统。
该系统的主要框架如图3-1所示。
瓷砖包装线控制系统各个组成部分主要作用说明如下:
(1)按钮开关:
有启动、停止、连续和单步等按钮,主要是控制整个系统按照设计要求运行。
(2)触摸屏:
触摸屏上的开关按钮等已经和程序相关联,因此在触摸屏上进行操作也能够控制整个系统的运行,极大地方便了用户的操作。
(3)步进电机:
在整个系统中,步进电机使用较为频繁,在托举瓷砖和瓷砖包装的过程中都有用到步进电机,因此,步进电机是本系统的重要的一个组成部分。
(4)减速电机:
在本系统中的瓷砖运输过程中有用到减速电机,通过调节减速箱,使电机满足运输的转速,已达到调节运输速度的目的。
(5)电磁阀:
主要是运用在当瓷砖块数达到设置值时,把瓷砖堆推向瓷砖包装台,以方便下一动作的运行,实现瓷砖的包装。
(6)机械手:
在本系统中主要使用在把包装好的瓷砖运到指定位置。
步进电机
按钮开关
PLC
减速电机
电磁阀
机械手
触摸屏
图3-1瓷砖包装线控制系统组成框架
4硬件系统的设计
4.1PLC的选型
(1)PLC的简介
PLC即可编程控制器(ProgrammablelogicController,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
PLC英文全称ProgrammableLogicController[1],中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:
一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路,也是一种和硬件结合很紧密的语言,在半导体方面有很重要的应用,可以说有半导体的地方就有PLC。
具有以下特点:
1.可靠性高,抗干扰能力强;2.通用性强,控制程序可变,使用方便;3.功能强,适应面广;4.编程简单,容易掌握;5.减少了控制系统的设计及施工的工作量;6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便[2]。
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逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,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是以微处理器为核心,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新型、通用的自动控制装置,具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点,近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛应用。
发展方向:
·产品规模向两极分化;
·处理模拟量;
·追求高可靠性;
·通讯接口和智能模块;
·系统操作站配高分辨率的监视器;
·追求软、硬件标准化
(2)PLC的选型
在瓷砖包装线控制系统方案中共有数字量输入点14个、数字量输出点15个。
故采用西门子公司的S7-200系列可编程逻辑控制器,S7-200系列的CPU226CN可编程逻辑控制器共有24个输入点和16个输出点,共40个I/O点,有内置时钟。
S7-200系列PLC器件价格较低,性能优良,程序容量较大、运行速度快、可在线编程等优点.因此选择该型号。
4.2步进电机的选型
(1)步进电机的简介
步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器。
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能像普通的直流电机,交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲:
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电机在构造上有三种主要类型:
反应式(VariableReluctance,VR)、永磁式(PermanentMagnet,PM)和混合式(HybridStepping,HS)。
反应式:
定子上有绕组、转子由软磁材料组成。
结构简单、成本低、步距角小,可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大,可靠性难保证。
永磁式:
永磁式步进电机的转子用永磁材料制成,转子的极数与定子的极数相同。
其特点是动态性能好、输出力矩大,但这种电机精度差,步矩角大(一般为7.5°或15°)。
混合式:
混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点,其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料,转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。
其特点是输出力矩大、动态性能好,步距角小,但结构复杂、成本相对较高。
按定子上绕组来分,共有二相、三相和五相等系列。
最受欢迎的是两相混合式步进电机,约占97%以上的市场份额,其原因是性价比高,配上细分驱动器后效果良好。
该种电机的基本步距角为1.8°/步,配上半步驱动器后,步距角减少为0.9°,配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍(0.007°/微步)。
由于摩擦力和制造精度等原因,实际控制精度略低。
同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。
(2)步进电机的选型
步进电机和驱动器的选择方法:
判断需多大力矩:
静扭矩是选择步进电机的主要参数之一。
负载大时,需采用大力矩电机。
力矩指标大时,电机外形也大。
判断电机运转速度:
转速要求高时,应选相电流较大、电感较小的电机,以增加功率输入。
且在选择驱动器时采用较高供电电压。
选择电机的安装规格:
如57,86,110等,主要与力矩要求有关。
确定定位精度和振动方面的要求情况:
判断是否需细分,需多少细分。
根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。
步进电机的选型要求主要是看电压、步距角,至于力矩,在本设计中步进电机所承受的负载不大,因此步进电机的力矩不要太大,适用就行了。
由于步进电机的种类繁多,因此步进电机的使用电压范围挺广。
在本设计中,步进电机的相数是两相,因此步进电机的电压最好是选择较小的电压,于是选择24V电压。
至于步距角的选择有0.75度、0.9度、1.2度、1.8度,在本设计中不需要很精确的控制,因此步距角选择1.8度。
综合以上的要求,选择型号为110BYG250C-0402的步进电机,其配套的驱动器型号为SH-22206A。
5软件系统的设计
5.1PLCI/O表分配
在本设计中数字量输入的点数有14点,数字量输出的点数有15点,其作用和功能如表5-1所示。
表5-1瓷砖包装线输入、输出分配表
地址
组件
组件含义
地址
组件
组件含义
I0.0
SB1
启动按钮
Q0.0
脉冲输出控制托盘步进电机
I0.1
SB2
停止按钮
Q0.1
脉冲输出控制夹泡沫步进电机
I0.2
SB3
单步按钮
Q0.2
KM1
传送带转动
I0.3
SB4
复位按钮
Q0.3
KM2
推瓷砖电磁阀线圈
I0.4
检测瓷砖块数光电传感器
Q0.4
KM3
履带电机左行线圈
I0.5
SQ1
步进电机上限位开关
Q0.5
KM4
履带电机右行线圈
I0.6
SQ2
推瓷砖电磁阀限位开关
Q0.6
KM5
机械手电机上行线圈
I0.7
SQ3
履带电机左行限位开关
Q0.7
KM6
机械手电机下行线圈
I1.0
SQ4
履带电机右行限位开关
Q1.0
KM7
机械手夹紧线圈
I1.1
SQ5
机械手电机上行限位开关
Q1.1
托盘步进电机方向控制
I1.2
SQ6
机械手电机下行限位开关
Q1.2
夹泡沫步进电机方向控制
I1.3
SB5
连续按钮
Q1.3
启动指示灯
I1.4
SQ7
夹泡沫步进电机前进限位开关
Q1.4
停止指示灯
I1.5
SQ8
夹泡沫步进电机后退限位开关
Q1.5
单步指示灯
Q1.6
复位指示灯
在设计程序的时候,有一些数据需要写入到PLC中,因此需要分配一些地址来储存数据,分配表如表5-2所示。
表5-2瓷砖包装线存储变量表
内存地址
代表意义
VW102
瓷砖块数
VD100
步进脉冲数
VD104
步进毫米数
VD108
每毫米步进脉冲数
VD112
瓷砖厚度
脉冲总个数
VD116
VD120
泡沫厚度
启动地址
M3.0
M3.1
停止地址
复位地址
连续地址
M3.3
M3.4
5.2瓷砖包装线控制系统程序流程图
本系统的程序流程图如图5-1所示。
最开始是整个程序的初始化,把设置好的参数写入PLC中,初始化后按启动按钮,输送电力。
通电后便开始选择工作方式,本设计的工作方式有两种:
连续运行和单步运行。
选择好后传送带便开始转动,输送瓷砖,在瓷砖的最右端安装有光电传感器,主要是为了检测是否有瓷砖通过,当每通过一块瓷砖,PLC内的计数器指令自动加1,步进电机托盘下沉1块瓷砖的厚度,当计数器累加到12块的时候,传送带停止工作,步进电机托盘也停止工作,此时,推瓷砖电磁阀便开始工作,把12块的瓷砖给推到包装台上,在推进大过程中,碰到限位开关后,推瓷砖电磁阀便停止工作,并缩回起始位置。
当瓷砖在包装台上时,夹泡沫步进电机便开始工作,把泡沫给夹到瓷砖上,当夹泡沫步进电机碰到限位开关后,便停止工作,并回到原来的位置。
此时,机械手便开始工作,把包装好的瓷砖抓好,通过减速电机的正反转,实现位置的转移。
当把包装好的瓷砖运送到合适的位置后,机械手返回到初始位置,等待下一次的动作。
单步运行与连续运行的主要是在每一步动作前,都得按一下单步按钮,动作才发生,其它过程与连续运行没什么差别,因此,不在赘述。
图5-1瓷砖包装线控制系统程序流程图
5.3步进电机控制程序的编写
步进电机的控制主要有两种方式,一种是用S7-200系列的PLC的高速脉冲输出点直接对步进电机进行运动控制。
还有一种方式是运用位置控制模块对步进电机进行运动控制。
由于位控模块EM253昂贵,没有经济性,因此运用PLC自带的高速脉冲输出点来控制步进电机的运动。
高速脉冲输出功能即在PLC的指定输出点上实现脉冲输出(PTO)和脉宽调制(PWM)功能。
S7-200系列PLC配有两个PTO/PWM发生器,它们可以产生一个高速脉冲串或者一个脉冲调制波形。
一个发生器输出点是Q0.0,另一个发生器输出点是Q0.1。
当Q0.0和Q0.1作为高速输出点时,其普通输出点被禁用,而当不作为PTO/PWM发生器时,Q0.0和Q0.1可作为普通输出点使用。
一般情况下,PTO/PWM输出负载至少为10%的额定负载。
在本设计中使用的编程软件SETP7-Micro/WIN中有编写PTO/PWM控制步进电机的向导功能,因此采用向导编写步进电机的控制程序。
向导设置过程如下所示。
点击编程软件SETP7-Micro/WIN的新项目的向导,然后选择PTO/PWM.如图5
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