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1、合肥工业大学 硕士学位论文 基于自动生产线控制系统的研究与应用 姓名：王丽 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：陶维青 2010-10 基于自动生产线控制系统的研究与应用 摘 要 基于自动生产线控制系统的研究与应用 摘 要 从二十世纪 20 年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工 业发展，机械制造中开始出现自动线，短短的三十多年，自动线的数目急剧增 加。在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量， 改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，有显著的 经济效益。 本论文主要研究了以西门子公司的 PLC 为核心， 以 RS-
2、485 串行通信协议为 基础的自动生产线控制系统。该系统中的每一个工作单元都可自成一个独立的 系统，可以分别分析，设计，而且硬件和软件的配合使得本系统能够完成工件 加工、搬运到分拣等功能。在通信方面，本系统使用了 S7-200 系列 PLC 自带 PPI 通信协议，通过 RS-485 实现串行通信。同时，本文着重阐述了如何利用传 感器，步进电机，伺服系统，气动、PLC 等知识来设计自动生产线控制系统的 硬件模块，如何按照 STEP7 软件来设计本系统软件模块，以及如何利用通过 RS-485 串行通信实现单元互联来共同构建自动生产线控制系统。 试验证明，本系统硬件结构简单、运行稳定可靠，可作为高
3、校实践教学的 典型系统，同时可作为工业自动生产线系统。 关键词：关键词：自动生产线，PLC，传感器，步进电机，伺服电机，气动， RS-485 通信 Automatic production line control system based on the research and application Abstract From the 1920s, along with industrial developments of automobile, rolling bearing, micromotor and sewing machine, generatrix occurred in t
4、he machine manufacture .During these 30 years, the number of generatrix make a sharp growth. The generatrix can lead to a raise of the labor productivity，stabilize and improve the product quality, improve the work condition, reduce the production area, production cost, and the cycle as well as the r
5、emarkable economic efficiency by mass production. This essay mainly studied automatic production line control system centered on Siemenss PLC as a core, based on RS-485 serial communication agreement. In this system, each series can function independently , analyzing and designing separately, furthe
6、rmore， coordination of the hardware and software enables this system to complete the work on processing,transporting to functions and so on. This system uses S7-200 series PLC with the PPI communication protocol for correspondence to realize the serial communication through RS-485.This article also
7、emphatically elaborates how to use the sensor, the electrical machinery, the server, air operation, knowledge and PLC to design the systems hardware module of automatic production line controland how to defer to the STEP7 software to design this system software module, as well as how to realize the
8、unit to interconnect constructs the automatic production line control system together through the RS-485 serial communication. The system hardware structure is proved simple, the movement stable and reliable. It may be applied to the practical teaching as the university the canonical system, and the
9、 industrial automatic production line system. Keywords: Automatic Production Line, PLC, Sensors, Stepper Motors, Servo Motors, Pneumatic, RS-485 Communication 表格清单 表格清单 表 3-1 S7-200 支持的波特率 20 表 3-2 S7-200 设备的缺省地址20 表 3-3 S7-200 支持的连接个数20 表 4-1 供料系统 I/O 地址分配表24 表 4-3 装配系统 I/O 地址分配表31 表 4-4 分拣系统 I/O 地
10、址分配表34 表 4-5 搬运系统 I/O 地址分配表37 插图清单 插图清单 图 3-1 磁性开关内部电路. 6 图 3-2 漫反射接近开关的工作原理 . 7 图 3-3 光电开关原理图 7 图 3-4 光纤传感器电路框图. 8 图 3-5 增量式光电编码器的组成 . 8 图 3-6 增量式光电编码器的输出信号波形 9 图 3-7 变频器与电动机的接线. 10 图 3-8 SPWM 交-直-交变压变频器的框图 10 图 3-9 等效于正弦波的脉宽调制波 . 10 图 3-10 PWM 变频器工作原理 11 图 3-11 伺服驱动闭环自动控制系统. 14 图 3-12 PLC 的结构 16 图
11、 3-13 工作原理图 17 图 3-14 程序执行原理图 18 图 3-15 RS-485 组网接线示意图. 21 图 4-1 供料系统气动控制回路工作原理图 . 24 图 4-2 供料系统 I/O 接线图 . 24 图 4-3 供料系统自动连续控制工艺流程图 25 图 4-4 移位指令 . 25 图 4-5 上电复位 . 26 图 4-6 步进电机及驱动器与 PLC 的接线图 . 26 图 4-7 加工系统气动控制回路工作原理图 27 图 4-8 加工系统 I/O 接线图 . 28 图 4-9 接收方向信号 28 图 4-10 接收方向信号 28 图 4-11 加工系统流程图 . 29 图
12、 4-12 PLC 与伺服接线图 . 30 图 4-13 装配系统气动控制回路工作原理图 30 图 4-14 装配系统 I/O 接线图 . 31 图 4-15 报警指示灯 31 图 4-16 顶料 32 图 4-17 落料、冲压 32 图 4-18 装配系统流程图 32 图 4-19 分拣系统气动控制回路工作原理图 33 图 4-20 分拣系统 I/O 接线图 . 34 图 4-21 推料. 34 图 4-22 启动电磁阀 34 图 4-23 检测颜色 . 35 图 4-24 分拣系统流程图 35 图 4-25 PLC 与步进电机驱动器接线图. 36 图 4-26 搬运系统气动控制回路工作原理
13、图 37 图 4-27 搬运系统 I/O 接线图 . 38 图 4-28 搬运系统流程图 38 图 4-29 机械手伸出抓料 39 图 4-30 步进电机运动包络调用 . 39 图 5-1 触摸屏的组成及作用. 42 1 第一章第一章 概概 述述 1.1 研究背景 1.1 研究背景 1.1.1 自动生产线 一、自动生产线定义 自动生产线是在流水线的基础上逐渐发展起来的。它不仅要求线体上各种 机械加工装置能自动地完成预定的各道工序及工艺过程，使产品成为合格的制 品，而且要求在装卸工件、工位夹紧、工件在工序间输送、工件的分拣甚至包 装等都能自动地进行，使其按照规定的程序自动地进行工作。 二、自动生
14、产线的特点 自动生产线的特点是它的综合性和系统性，在这里，机械技术、电工电子 技术、传感器技术、PLC 控制技术、接口技术、驱动技术、网络通信技术、触 摸屏组态编程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、检测控制、传输与处理、执行与驱动等机构在 PLC 的控 制下协调有序地工作并有机地融合在一起。 1.1.2 国内外自动生产线的现状和发展前景 【1】 自动线所涉及的技术领域是很广泛的，所以它的发展、完善与各种相关技 术的进步及互相渗透是紧密相连的。因而介绍自动线的发展概况就必须与整个 支持自动线的有关技术的发展联系起来。 首先，是可编程控制器的出现。它是一
15、种以顺序控制为主，回路调节为辅 的工业控制机。不仅能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算等功能， 而且能大规模地控制开关量和模拟量，克服了工业控制计算机用于开关控制系 统所存在的编程复杂、非标准外部接口的配套复杂、机器资源未能充分利用而 导致功能过剩、造价高昂、对工程现场环境适应性差等缺点。由于可编程控制 器具有一系列优点，因而替代了许多传统的顺序控制器，如继电器控制逻辑等， 并广泛应用于自动线的控制。 其二，是机器手、机器人技术的飞速发展。机器手在自动线中的装卸工件、 定位夹紧、工件在工序间的输送、加工余料的排除、加工操作和包装等部分得 到广泛使用。现在正在研制的智能机器人但具有运动操作
16、技能，而且还有视觉、 听觉等感觉的辨别能力。具有判断、决策能力、能掌握自然语言的自动装置也 正在逐渐应用到自动线中。 其三，是传感技术的形成。传感技术随着材料科学的发展和固体物理效应 的不断出现，形成并建立一个完整的独立科学体系传感器技术。在应用上出 现了带微处理器的“智能传感器”，它在使用自动线的生产过程中监视着各种 复杂的自动控制程序，起着极重要的作用。 第四，就是液压和气压传动技术。特别是气动技术，由于使用的是取之不 尽的空气作为介质，具有传动反应快、动作迅速、气动元件制作容易、成本小 2 和便于集中供应和长距离输送等优点，而引起人们的普遍重视。气动技术已经 发展到一个独立的技术领域。在各行业，特别是在自动线中得到迅速发展和广 泛地应用。 第五，就是网络技术的飞跃，无论是现场总线还是工业以太网络，使得自 动线中的各个控制单元构成一个谐调运转的整体。 总之，所有这些支持自动线的机电一体化技术的进一步发展，使得自动线 功能更加齐全、完善、先进，从而能完成技术性更加复杂的操作和生产线装配 工艺要求更高的产品。现在信息时代已经到来，从技术发展前沿来看， CIMS(comp
