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1、共 页 第 1 页 装 订 线 1 绪论1.1 选题背景 20 世纪后半期，随着计算机、材料、自动控制等技术的发展，制造业也获得了蓬勃的发展，新的加工、制造概念和方法层出不穷，如 CNC、CAD、CAM、FMS、CIMS、ERP、并行工程、敏捷制造等等。这些先进制造技术改变了传统的制造模式，大大提高了企业的竞争能力。先进制造技术是传统制造技术与基础科学、管理学和工程技术等领域的最新成果、理论、方法有机结合产生的适应未来制造的前沿技术的总称，具有综合性、系统性、创新性、可持续性等特征，成为集机械、电子、信息、材料和管理等学科于一体的新兴交叉学科。1.2 可编程控制技术教学现状在先进制造技术日益发
2、展的情况下，可编程控制技术（PLC）已经成为先进自动化制造系统中一项非常重要的技术。因此，可编程控制技术也已成为机械制造专业方向非常重要的专业课。同济大学职业技术教育学院机械工程及其自动化专业也开设了相关的课程。然而，可编程控制器的特点决定了这些课程技术实践性非常强，其程序的验证只有结合被控制对象才能实现，因此，在教学过程中，实验环节非常重要。而实物被控对象一般都有体积大、价格昂贵、维护困难的特点，所以大部分学校都因为受资金、场地、设备等因素的制约，只购买一些简单的实验箱或者功能单一的可编程控制器，或者只配备一套实验系统。为了克服这些困难，目前国内外部分学校已经开始尝试采用一种基于计算机仿真技
3、术的实验方法，通过计算机仿真软件模拟其自动控制过程。1.3 基于教学现状的课题研究目的基于上述我们在相关专业课程里遇到的实际操作困难，本课题利用德国 SL 公司开发的MSM-2102 软件，在计算机上构建一套由高架立体仓库和三轴运动机械手等组成的毛坯零件搬运单元。在了解柔性制造系统（FMS）中毛坯零件的仓储、搬运的特点的基础上，采用德国西门子 S7 可编程控制器进行控制，编制出相应的 PLC 程序，然后进行仿真模拟，从而实现自动化生产过程的模拟仿真。一方面，通过这种模拟仿真不仅可以在教学过程中让学生非常直观地查看控制过程，更容易地理解编程的方法，而且还可以提高学生编程和调试的能力，以培养我们的
4、工程研究与开发的能力。另一方面，对于我们职教师资项目的学生来说，还可以深入地体会到用项目教学法与模拟仿真方法相结合，构建复杂工作环境的教学方法带来的优势。综合上述因素提出了本课题。共 页 第 2 页 装 订 线 1.4 研究内容和研究方法1.4.1 课题构思 本课题要求在了解柔性制造系统（FMS）中毛坯零件的仓储、搬运的特点的基础上，利用德国 SL 公司开发的 MSM-2102 软件在计算机上仿真构建一套由高架立体仓库和三轴运动机械手等组成的毛坯零件搬运单元，采用德国西门子 S7 可编程控制器进行控制，编制出相应的 PLC程序，然后对编制的程序进行调试、模拟运行。这样一来，通过对实际项目的仿真
5、模拟，操作者简单形象地了解了 PLC 控制过程，掌握编程方法，培养了工程研究与开发能力。1.4.2 研究内容（1）熟悉并掌握德国 SL 公司提供的 MSM-2102 软件和可编程控制器编程语言 STEP7。（2）了解柔性制造系统（FMS）中毛坯零件的仓储、搬运的特点。（3）利用德国 SL 公司提供的 MSM-2102 软件搭建一个能存放 20 个毛坯零件的高架立体仓库，一个能三轴运动的机械手、一个带紧停按钮的操作面板、若干个毛坯零件等组成的毛坯零件搬运系统，连接输入、输出信号线，并设计控制流程图。如图所示：图 1.1 系统搭建界面（4）用编程语言 STEP7 编制相应的 PLC 控制程序，并利
6、用仿真手段对该系统进行调试，以得出最终控制程序。共 页 第 3 页 装 订 线 1.4.3 研究方法本课题的研究主要采用系统研究和实验研究等方法。 （1）系统研究利用系统研究的方法了解柔性制造系统（FMS）中毛坯零件的仓储、搬运的特点，分析研究零件在仓储、搬运中将要碰到的技术问题，以帮助设计控制流程图和编制 PLC 控制程序。（2）实验研究利用德国 SL 公司提供的 MSM-2102 软件，搭建上述的控制系统的硬件设备并连接输入、输出信号。用可编程控制器编程语言 STEP7 编制相应的 PLC 控制程序，并利用仿真手段对该系统进行调试并最终得出控制程序。此过程即实验研究过程。共 页 第 4 页
7、 装 订 线 2 可编程控制技术1969 年美国数字设备公司（DEC） ，研制出世上第一台 PLC，并在 GM 汽车生产线上应用成功。国际电工委员会（LEC）于 1982 年 11 月和 1985 年 1 月对 PLC 定义为：可编程序控制器（Programmable Logical Controller，简称 PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。多年来，可编程序控制器从其产生到现在，实现了从接线逻辑到存储
8、逻辑的飞跃，功能由弱到强，实现了从逻辑控制到数字控制的进步。在半导体技术、计算机技术和通信技术高速发展的今天，PLC 在模拟量的处理、数字运算、人机接口和网络等各方面的能力都已大幅度提高，成为工业控制领域的主流控制设备并且应用的越来越广泛，在各行各业发挥着越来越大的作用。2.1 由继电器到 PLC 的变革在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量以及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭；工件的位置、速度、加速度等的测定；产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等。早期的控制系统是用导线将各种继电器、定时器、接触器及其触点按照系统要求的逻辑关系连结起来组
9、成的，这就是 60 年代以前在工业控制领域广为应用的继电接触器控制系统。它的优点是结构简单，易于掌握，价格便宜。继电接触器控制系统基本上能够满足一些工作模式简单而固定的工业场合的控制要求。图 2.1 三相异步电机正反转继电器控制原理图共 页 第 5 页 装 订 线 但是继电器接触器控制系统通用性和灵活性不够，如果控制系统中某个继电器出现故障，可能会造成个控制系统运行不正常，检修起来也很不方便。为了克服这些弊端，世界上各国研制出了可编程序控制器取代继电器控制，其可靠性、抗干扰性等诸因素是继电器无法比拟的。随着计算机技术的不断发展，它给工业自动化带来了革命性的变革。这个变革是由继电器控制到计算机控
10、制的飞跃。图 2.2 三相异步电机正反转控制梯形图2.2 PLC 的特点PLC 的特点是：可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；操作简单，易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小，维护方便、易于改造；体积小、质量轻、功耗低。2.3 PLC 国内外发展虽然 PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速发。其发展过程大致可分三个阶段：（1）早期的 PLC(20 世纪 60 年代末一 70 年代中期)一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的含义。其主要功能一
11、般只用于单一工序的自动控制。它在硬件上以准计算机的形式出现，在 I，O 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的 PLC 的性能要优于继电器控制装置。其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。（2）中期的 PLC(20 世纪 70 年代中期一 80 年代中后期)微处理器的出现使 PLC 发生了巨大的变化。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC
12、的中央处理单元(CPU)。这样，使 PLC 功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原共 页 第 6 页 装 订 线 有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程 IO 模块、各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使 PLC 应用范围得以扩大。 （3）近期的 PLC(20 世纪 80 年代中后期至今)进入 20 世纪 80 年代中后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的 PLC 所采用
13、的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片，这样使得 PLC 软硬件功能发生了巨大变化。跨入 21 世纪后，就整体而言，不论是硬件还是系统软件(专用操作系统、编程语言)，以至于联网通信，PLC 正在向标准化方向发展，以谋求在 ERP、MES 和 PCS 的 3 层体系结构中立于不败之地，更好地满足工业生产。管理及经营系统不断追求降低成本，快速响应，综合和整体高效，从而增强产品竞争力的要求。我国可编程控制器的引进，应用，研制，生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中
14、不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列，杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列，大连组合机床研究所生产的 S 系列，苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模，并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司、南京嘉华公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。虽然我国在 PLC 生产方面还比较弱，但在 PLC 应用方面，我国是很活跃的。近年来每年约新投入 10万台套 PLC 产品，年销售额 30 亿元人民币，应用的行业也很广。可以预期，随着我围现代化进程的深入，PLC 在我国
15、将有更广阔的应用天地。2.4 PLC 的应用2.4.1 根据 IO 点数分类PLC 系统可以分为大型、中型、小型和微型。大型 PLC 系统不少于 1 024 个 IO 点，主要用于冶金自动化生产线和电厂。目前有超过 8 000 个 IO 点的巨型 PLC 系统在电厂运用。中型 PLC系统有 2561 023 个 IO 点，主要用于冶金、电力、造纸、化工、加工/组装生产流水线、包装流水线等领域。小型 PLC 系统有 64255 个 IO 点，主要用于设备控制，也有用作小型系统控制器的。微型 PLC 系统的 IO 点少于 64 个，它主要用于单台设备的监控，在纺织机械、数控机床、塑料加工机械、小型包装机械上。2.4.2 根据 PLC 的应用领域
