設(shè)計氣動自動生產(chǎn)線檢測系統(tǒng)的電路與控制設(shè)計說明

1、. . . . 三 江 學(xué) 院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 氣動自動生產(chǎn)線檢測系統(tǒng)的電路與控制設(shè)計 三江高職 院（系） 機械設(shè)計制造與其自動化 專業(yè)學(xué) 號 G095152015 學(xué)生 鵬 指導(dǎo)教師 康 杰 起訖日期 2012年12月17日2013年4月5日設(shè)計地點 三江學(xué)院 34 / 41摘 要隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，氣動技術(shù)、液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)等緊密結(jié)合而形成的機電液、機電氣、機電光一體化的自動化控制技術(shù)的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中起著越來越重要的作用，自動化生產(chǎn)系統(tǒng)已成為當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。德國FESTO公司研制的MPS(Modular Production Sys

2、tem）模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)就是一個工業(yè)自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，是基于機電氣（液）一體化技術(shù)、PLC控制與機器人結(jié)合的全自動、可完成氣缸加工裝配的系統(tǒng)。 本文所研究的課題是以MPS啟動自動生產(chǎn)線的檢測單元為例，對檢測單元的模塊化控制系統(tǒng)進行研究。主要進行兩個方面的工作一是對檢測單元的硬件設(shè)備的電路進行設(shè)計，二是對其控制系統(tǒng)進行設(shè)計。以SIEMENS S7-200 PLC 為核心控制系統(tǒng)，完成了檢測單元總體的功能設(shè)計與分解以與各個模塊的功能設(shè)計與分解，完成了各模塊工藝流程的詳細設(shè)計、程序設(shè)計、為模塊之間的協(xié)調(diào)工作設(shè)計了合理的傳遞信息，完成了各個模塊的聯(lián)機工作工藝流程詳細設(shè)計。關(guān)鍵字：PLC；檢測單元；生產(chǎn)線；

3、氣動ABSTRACTWith the development of modem industrial production,pneumatic technology,hydraulic technology,sensor technology,PLCnetwork and communications technology,technology integration and the formation of the close hydraulic,aircraft electrical,mechanical and electrical integration,automatic contr

4、ol technology optical applications in industry production is playing an increasingly important role in automated production systems have become an important component of industrial production.Point.Germany FESTO company developed MPS(Modular Production System)modular production system for industrial

5、 an automation on a production system is based on the electrical machine(liquid) integration technology,PLC control combined with automatic robot can complete the processing and assembling of the cylinder systems.The subject in this paper si to MPS pneumatic automatic production line detection unit

6、as an example,the detection unit of the modular control system.Two main areas of work carried out,one of the detection unit hardware circuit design,and second,to design its control system.To SIEMENS S7-200 PLC as the core control system,complete detection unit and decomposition process of each modul

7、e to complete the detailed design,program design,coordination between the modules reasonably designed to transmit information,complete the online work of each module detailed design process.Key words:PLC; detection unit;production lines; pneumatic目 錄第一章 緒論11.1課題背景11.1.1工業(yè)自動化技術(shù)11.1.2工業(yè)和自動化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展11.

8、2課題的主要容31.2.1課題研究目的31.2.2課題研究任務(wù)3第二章 檢測單元總體功能設(shè)計與分解52.1檢測單元的總體功能設(shè)計52.2檢測單元的模塊分解62.2.1傳感模塊62.2.2起重模塊72.2.3測量模塊72.2.4氣墊滑梯模塊8第三章 檢測單元控制系統(tǒng)設(shè)計93.2可編程控制器的介紹103.2.1PLC的工作原理103.5安裝結(jié)構(gòu)控制圖15第四章 檢測單元的程序編制與調(diào)試174.1程序的編制174.1.1編程軟件step7介紹174.1.2模塊化編程法實現(xiàn)系統(tǒng)控制184.1.3檢測系統(tǒng)PLC外部接線圖194.1.4檢測系統(tǒng)的資源分配194.1.5用順序控制編程法實現(xiàn)檢測單元程序的編制

9、214.1.6檢測單元編程的具體實現(xiàn)過程224.2程序的調(diào)試254.2.1仿真軟件的介紹254.2.2程序的調(diào)試與仿真26結(jié)束語28致 29參考文獻30附錄31第一章 緒論1.1課題背景1.1.1工業(yè)自動化技術(shù)制造業(yè)正在通過技術(shù)創(chuàng)新,提供高質(zhì)產(chǎn)品和具有吸引力的產(chǎn)品價格等方式加強自身的竟?fàn)幜ΑＴ趯崿F(xiàn)這些目標(biāo)的過程中,生產(chǎn)線檢測系統(tǒng)在生產(chǎn)流程中扮演重要的角色。通過在線檢測，企業(yè)可以提高生產(chǎn)質(zhì)量,削減更多的成本并提高產(chǎn)品質(zhì)。工業(yè)自動化技術(shù)是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其他信息技術(shù)，對工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，達到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全等目的綜合性高技

10、術(shù)，包括工業(yè)自動化軟件、硬件和系統(tǒng)三大部分。工業(yè)自動化技術(shù)作為20世紀(jì)現(xiàn)代制造領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一，主要解決生產(chǎn)效率與一致性問題。無論高速大批量制造企業(yè)還是追求靈活、柔性和定制化企業(yè)，都必須依靠自動化技術(shù)應(yīng)用。國家在“十五”期間，制定了“用信息化帶動工業(yè)自動化”的指導(dǎo)方針?！笆濉逼陂g，作為以信息化帶動工業(yè)化戰(zhàn)略的重要組成部分，科技部組織實施制造業(yè)信息化工程。其目標(biāo)是在“九五”CAD（計算機輔助設(shè)計）應(yīng)用公共流程和CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))應(yīng)用示公共流程公共能做成果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)基業(yè)管理的信息化、生產(chǎn)過程的自動化以與裝備的現(xiàn)代化。并要培養(yǎng)鍛煉一大批人才，形成一支推進工業(yè)化發(fā)展的基本隊伍。

11、1.1.2工業(yè)和自動化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 明確企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的最終目的應(yīng)該是：滿足提高生產(chǎn)力和竟?fàn)幜?、降低制造成本、?jīng)濟地將質(zhì)提離到的水平、滿足新產(chǎn)品生產(chǎn)和過程創(chuàng)新的需要、改菩工作環(huán)境、提高工人健康水平、避免浪費、降低能耗和保護環(huán)境。隨著電子和信息技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著計算機的出現(xiàn)和廣泛的應(yīng)用，國外對自動化生產(chǎn)線技術(shù)的研究非常重視，已經(jīng)進行了大量研究，自動化工業(yè)發(fā)展極快。雖然我國對自動化生產(chǎn)線技術(shù)的研究十分重視，近年來在研究和應(yīng)用上作了大量工作。但是由于工業(yè)企業(yè)效益好，就投資類需求看出，我國還沒很好的完成工業(yè)化任務(wù)；微電子技術(shù)落后，不能很好支撐工業(yè)的發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)檢測控制系統(tǒng)要配套的集成電路、電力

12、電子器件，關(guān)鍵外部設(shè)備和系統(tǒng)軟件等基本依靠進口，致使整機產(chǎn)品開發(fā)周期較長；我國的相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的人才整體水平不高，產(chǎn)品的開發(fā)和推廣應(yīng)用對人才要求較高，都要既懂機又懂電，既懂產(chǎn)品相關(guān)的軟硬件又懂應(yīng)用工業(yè)工藝的復(fù)合人才。1.1.3MPS模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)介紹德國FESTO公司的MPS(Modular Production System)模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)是一套包含工業(yè)自動化系統(tǒng)中不同程度的復(fù)雜控制過程自動化技術(shù)系統(tǒng)，是集機械、電子、通訊為一體高度集成的培訓(xùn)系統(tǒng)。它涵蓋了機械設(shè)計、傳感器技術(shù)、自控技術(shù)、信息技術(shù)和計算機技術(shù)等多項學(xué)科的容，MPS的每個單元均根據(jù)設(shè)定的任務(wù)，選擇相應(yīng)功能和技術(shù)參數(shù)的氣動元件、傳感

13、器、電器元件與標(biāo)準(zhǔn)型材集成而成，它代表了當(dāng)今現(xiàn)代化企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)“采購和集成”的先進設(shè)計理念。在工業(yè)生產(chǎn)中，專業(yè)技術(shù)人員需要掌握越來越多有關(guān)控制器的基礎(chǔ)知識與使用、系統(tǒng)模擬、可視化監(jiān)控、總線系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的知識。如圖1-1所示：圖1-1 MPS模塊化生產(chǎn)系統(tǒng) MPS模塊化自動生產(chǎn)系統(tǒng)，為項目的確認(rèn)、課題的驗證與新技術(shù)的開發(fā)提供良好的實踐與運行平臺。此課題研究的MPS模塊化自動生產(chǎn)系統(tǒng)包含九個工作站，又稱為九站生產(chǎn)系統(tǒng)。它為氣液、傳感器、機器人、可編程邏輯控制器，總線與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的應(yīng)用提供了技術(shù)平臺。MPS模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)如圖1-2所示：圖1-2 MPS系統(tǒng)加工組裝的元件圖九個工作站按供料站、檢測站

14、、加工站、操作手站、暫存站、機械手站、裝配站、沖壓站和成品分裝站順序排布可以實現(xiàn)由活塞、彈簧與端蓋組成的氣缸的運送，檢測，加工、組裝與分選。1.2課題的主要容1.2.1課題研究目的MPS(Modular Production System)模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)就一個是工業(yè)自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，是基于機電氣(液)一體化技術(shù)、PLC控制與機器人結(jié)合的全自動、可完成氣缸加工裝配系統(tǒng)。以該系統(tǒng)為平臺，其模塊化的結(jié)構(gòu)，將氣動、液壓、電氣與電子、PLC、網(wǎng)絡(luò)與計算機技術(shù)綜合與一體，構(gòu)成典型的加工單元，再由多個單元組合在一起，形成一個生產(chǎn)加工系統(tǒng)。本課題的研究目的是解決自動生產(chǎn)線檢測系統(tǒng)研制開發(fā)過程中所涉與到的系統(tǒng)總體

15、功能設(shè)計與分解、系統(tǒng)模塊功能設(shè)計與分解、工藝流程詳細設(shè)計、PLC程序設(shè)計等關(guān)鍵控制技術(shù)，開發(fā)出一條集工業(yè)總線技術(shù)、機械傳動與執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、電氣控制技術(shù)、傳感器技術(shù)于一體的自動生產(chǎn)線檢測系統(tǒng)，為生產(chǎn)加工系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計提供了技術(shù)上的探索和有益的借鑒。1.2.2課題研究任務(wù)本論文涉與的主要研究任務(wù)包括: （1）檢測系統(tǒng)總體功能設(shè)計與分解在分析客戶需求的基礎(chǔ)上，確定生產(chǎn)檢測系統(tǒng)的總體功能，并對總體功能進行分解，確定系統(tǒng)的組成模塊。 （2）各個模塊的功能設(shè)計與分解在確定了檢測系統(tǒng)的總體功能以與組成模塊的基礎(chǔ)上，對各個組成模塊的功能進行設(shè)計和分解，為進行各個模塊控制器的開發(fā)、工藝流程的詳細

16、設(shè)計、程序流程的詳細設(shè)計奠定基礎(chǔ)。 （3）檢測系統(tǒng)工藝流程詳細設(shè)計完成檢測系統(tǒng)的多功能工藝流程的設(shè)計，包括詳細的工藝流程設(shè)計、程序流程設(shè)計、PLC程序設(shè)計。第二章 檢測單元總體功能設(shè)計與分解2.1檢測單元的總體功能設(shè)計該工作單元主要由PLC、控制面板、調(diào)節(jié)閥、電控閥、無桿舉升氣缸與上下限位開關(guān)、工件厚度測量裝置、推料缸與推出到位傳感器、下滑槽、上滑槽、物料檢測傳感器等組成。該工作單元的主要作用是對供料單元所送來的工件進行厚度檢測；如果工件的厚度在有效圍之，則認(rèn)為是合格工件并通過上滑槽送到下一站；如果工件的厚度在有效圍之外，則認(rèn)為工件是非合格工件并從下滑槽推出。檢測工作單元的結(jié)構(gòu)如圖2-1：圖2

17、-1 檢測工作單元結(jié)構(gòu)圖具體要求如下：上電時要求先點亮允許復(fù)位指示燈，按復(fù)位按鈕，各工作部件應(yīng)回到初始狀態(tài)（無桿舉升氣缸下降、推料缸將參與工件從下滑槽推出并縮回）。按復(fù)位按鈕，工作部件回到初始位置后應(yīng)點亮允許啟動指示燈；按啟動按鈕，工作單元開始工作。工作單元開始工作后，如果下游站出于空閑狀態(tài)、本站物料位置有工件且上游站的擺缸已離開物料位置，則舉升氣缸上升對工件進行厚度檢測；如果工件的厚度在有效圍，則對上滑槽吹氣并將工件從上滑槽推出，然后停止對滑槽吹氣；如果工件的厚度在有效圍之外，則舉升缸下降，并將工件從下滑槽推出。工作過程中按停止按鈕，各工作部件應(yīng)立即停止動作。通過分析，可繪制出檢測單元的動作

18、流程圖，如圖2-2所示：圖2-2 檢測單元動作流程圖2.2檢測單元的模塊分解該測試站確定放入的工件的特點。該傳感模塊標(biāo)識一個工件顏色，電容式傳感器檢測每個工件的顏色。彌散性的傳感器識別金屬和紅色工件。黑色工件檢測不到。測量模塊模擬傳感器決定了高度工件。輸出信號或者是數(shù)字化可調(diào)通過與比較閾值，也可以通過提供一個到PLC使用模擬信號處理連接塊。一個線性缸引導(dǎo)正確的工件到下游站通過高空氣墊滑梯。2.2.1傳感模塊如圖2-3所示：圖2-3 傳感模塊此傳感模塊安裝在初始位置，由一個光電傳感器來確定工件的有無，若工件存在則起重模塊開始運動。2.2.2起重模塊如圖2-4所示：圖2-4 起重模塊工件由初始位置

19、至檢測位置以與不合格工件回到初始位置都是由起重模塊完成。該驅(qū)動器使用的是無桿舉升缸和一個噴射缸。移動壓縮空氣管道和電纜線路也布置其中。2.2.3測量模塊 如圖2-5所示：圖2-5 測量模塊起重模塊將工件送至上限位，即是測量位置。由測量模塊中的電感式傳感器得到的模擬量與設(shè)定值相比較，確定工件高度是否合格，將此信號送至PLC。2.2.4氣墊滑梯模塊 （a）（b）圖2-6 氣墊滑梯模塊此空氣緩沖滑動模塊用于運輸工件，檢測合格與不合格的工件都要由推桿送至滑梯，通過上下滑梯來進行分類運輸。為了確保工件的安全，滑梯的高度與傾斜角均可以調(diào)整?；萆嫌幸慌艊姎饪?，是由噴射缸噴氣之用。若工件合格，推桿便將工件推

20、至滑梯上，同時，噴射缸噴射高壓氣體，使得工件下滑時與滑梯表面減少接觸，摩擦自然減少，更容易滑動。第三章 檢測單元控制系統(tǒng)設(shè)計3.1檢測單元的工作過程檢測系統(tǒng)的主要作用是對位于起點的工件進行甄別，檢測加工工件的高度特性，將不同的工件送入不同的地點。在加工工件被無桿缸提升至檢測位置之前，由向后反射式光電傳感器檢測該位置是否為空，模擬量傳感器檢測工件的高度。無桿缸將合格的工件傳送至啟動滑槽的上層，并將不合格的工件檢出至啟動滑槽的下層。開關(guān)按鈕是控制檢測環(huán)節(jié)的開始與結(jié)束，檢測過程的動作則有PLC來控制。光電式傳感器固定在鋁合金底板上，即初始位置。當(dāng)沒有工件時，由于光電式傳感器發(fā)出的光線將直接射出，而不

21、被遮擋，即沒有反射光線返回給傳感器，則傳感器的輸出信號為“0”，如果此時該位置上放有工件，則光電式傳感器發(fā)出的光線被工件擋住，工件將光線反射給傳感器，則傳感器的輸出信號為“1”，利用光電式傳感器信號的變化即可判斷是否有工件放在初始位置上。當(dāng)確定初始位置有工件，且此時推桿縮回，啟動系統(tǒng)后，控制上下運動的舉升缸慢慢向上運動，到達上限位，使得上行程開端常閉出點斷開，舉升缸停止運動，工件此時到達了預(yù)設(shè)的檢測位置。位于上端的測量模塊將對工件進行檢測，判斷工件是否合格。測量模塊即是霍爾傳感器。如果工件合格，在霍爾元件的控制電流恒定，且在一個均勻的梯度磁場中，因為霍爾電壓與位移成正比，合格的工件高度一定，霍

22、爾電壓時一個定值，傳感器將測得的模擬量與設(shè)定值比較，若一樣則輸出信號為“1”，若不同則輸出信號為“0”。利用霍爾傳感器的信號變化即可判斷工件是否合格。若測量模塊確定工件合格以后，推桿就會伸出，將合格的工件推送至上層滑梯進行分類。氣墊滑梯的高度和傾斜角均可以調(diào)整。在推出工件的同時，滑梯上的排氣孔也會噴射出高壓氣體，使得工件下滑時與滑梯表面減少接觸，摩擦自然減少，更容易滑動。若工件不合格，舉升缸則向下運動，將不合格的工件運至初始位置，到達下限位，下行程開關(guān)常閉觸點斷開，舉升缸停止運動，推桿伸出，將不合格的工件推至下層滑梯進行分類。此時一個工作循環(huán)結(jié)束。通過對檢測單元的控制要求與工作過程的分析，可繪

23、制出該站的工作流程，如圖3-1所示：圖3-1 檢測站工作流程圖3.2可編程控制器的介紹可編程序控制器(PC,Programmable Controller)因早期主要用于開關(guān)量的邏輯控制，因此也稱為PLC(Programmable Logic Controller)?？删幊绦蚩刂破魇且晕⑻幚砥鳛榛A(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。它具有體積小、功能強、靈活通用與維護方便等一系列優(yōu)點。PLC網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展，己成為具有3-4級子網(wǎng)的多級分布式網(wǎng)絡(luò)。3.2.1PLC的工作原理PLC雖具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采

24、用等待命令的工作方式，PLC則采用循環(huán)掃描工作方式。在PLC中，用戶程序按先后順序存放。CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。一個掃描周期大致可分為I/O刷新和執(zhí)行指令兩個階段，即圖3-2所示：圖3-2 CPU掃描周期示意圖所謂I/O刷新即對PLC的輸入進行一次讀取，將輸入端各變量的狀態(tài)重新讀入PLC中存入部寄存器，同時將心得運算結(jié)果送到輸出端，這實際是將存放輸入、輸出狀態(tài)的寄存器容進行一側(cè)更新，故稱為“I（輸入)/O(輸出)刷新”。由此可見若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出端也會相應(yīng)地發(fā)生變化。

25、反之，若本次I/O刷新之后，輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描期間輸出才會產(chǎn)生響應(yīng)。由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，所以它的輸出對輸入的響應(yīng)速度要受掃描周期的影響?？傊?，采用循環(huán)掃描的工作方式，是PLC區(qū)別于微機和其他控制設(shè)備的最大特點。MPS模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)分為九個工作站，為了完成對過程現(xiàn)場輸入輸出信號的處理，實現(xiàn)各工作站信息的交換，完成氣缸與其元件的運送、加工、自動裝配與分選的順序控制，除機械手站外，其他各站分別由一臺PLC控制。機械手有專用的控制盒與編程語言，主要完成氣缸的裝配工作。3.2.2 SIMATIC S7-200介紹西門子公司的SIMATIC S7-200

26、系列屬于小型PLC?？捎糜诖胬^電器的簡單控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它有極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其作用。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)與民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)備、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等。如：沖壓機床、磨床、印刷機械、橡膠化工機械、中央空調(diào)、電梯控制、運動系統(tǒng)。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）極高的可靠性 （2）極豐富的指令集 （3）易于掌握 （4）便捷的操作 （5）豐富的置集成功能 （6）實時特性 （7）強勁的通訊能力 （8）豐富的擴展模塊S7-200的可靠性很高，可以用梯形圖、語句表（即指令

27、表）和功能塊圖三種語言來編輯程序。它的指令豐富，指令功能強，易于掌握，操作方便，置有高速計數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由端口模式通信功能，最大可以擴展到248點數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O,最多有30多KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。3.3傳感器的介紹信息技術(shù)取得的進展以與未處理和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應(yīng)的進展。未處理現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)組成，

28、其重要性變得越來越明顯。最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會的的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。按照Gopal等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關(guān)口。傳感器的種類繁多，其工作原理、性能特點和應(yīng)用領(lǐng)域各不一樣。所以結(jié)構(gòu)、組成差異很大。但總的來說。傳感器通常有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件與測量電路組成，有時還加上輔助電源，如圖3-3所示：圖3-3 傳感器的組成 傳

29、感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量。常將傳感器的功能與人類5大感官相比擬：光敏傳感器視覺 聲敏傳感器聽覺氣敏傳感器嗅覺 化學(xué)傳感器味覺壓敏、溫度、流體傳感器觸覺對傳感器設(shè)定了許多技術(shù)要求，有一些是對所有類型傳感器都適應(yīng)的，也有只對特定類型傳感器適應(yīng)的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)場合均需要的基本要：高靈敏度、抗干擾的穩(wěn)定性（對噪聲不敏感）、線性、容易調(diào)節(jié)（校準(zhǔn)簡易）、高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命（耐用性）、可重覆性、抗老化、高響應(yīng)速率、抗環(huán)境影響（熱、震動、酸、堿、空氣、水、塵埃）的能力、選擇性、安全性（傳感器應(yīng)是無污染的）、互換性、低成

30、本、寬測量圍、小尺寸、重量輕和高強度、寬工作溫度圍。現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開發(fā)強度。傳感器開發(fā)的基本趨勢是和半導(dǎo)體以與介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。3.3.1光電傳感器光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光敏器件，它可用于檢測直接引起光強變化的非電量，如光強、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件線度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光電式傳感器具有響應(yīng)快、性能可靠、能實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點，因而在檢測和控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元

31、件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測量參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。3.3.2霍爾式傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)，但由于技術(shù)材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。由于霍爾傳感器具有體積小、成本低、靈敏度高、性能可靠、頻率響應(yīng)款、動態(tài)圍大的特點

32、，并可采用集成電路工藝、因此被廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、震動等方面的測量。3.4檢測單元的氣動控制檢測單元的執(zhí)行元件部分主要是由氣動控制。包括控制上下運動的舉升氣缸，推桿缸，和氣墊滑梯上的噴射缸。由電磁閥來控制氣缸的通斷，從而改變執(zhí)行元件的運動。以上已經(jīng)分析過檢測單元的工作過程與個模塊的工作目的，由此，可繪制出檢測單元的氣路原理圖，如圖3-4所示：圖3-4 電氣路原理圖3.5安裝結(jié)構(gòu)控制圖電氣元件安裝布置示意圖：圖3-5 電氣元件安裝布置示意圖電氣原理總圖：圖3-6 電氣原理總圖第四章 檢測單元的程序編制與調(diào)試4.1程序的編制4.1.1編程軟件step7介紹西門子STEP7是用于SIMA

33、TIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程操作。STEP7用于SIMATIC可編程邏輯控制組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。STEP不是一個單一的應(yīng)用程序，而是由一系列應(yīng)用程序（工具）構(gòu)成的軟件包，圖4-1給出了STEP中的主要工具。圖4-1 Step工具STEP7軟件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WINAC,是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組織、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。本課題的檢測單元控制部分采用西門子STEP-MicroWIN32V2.

34、1軟件進行編程。STEP7-Micro/WIN是專門為S7-200設(shè)計的、在個人計算機上運行的軟件，它的功能強大、使用方便、簡單易學(xué)，圖4-2是V2.1版編程軟件的界面。圖4-2 STEP 7-Micro/WIN的工作界面4.1.2模塊化編程法實現(xiàn)系統(tǒng)控制STEP 7有三種設(shè)計程序的方法，即線性化編程、模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。(1)線性化編程：整個用戶程序放在循環(huán)控制組織塊OBl(主程序)中。(2)模塊化編程：程序被分為不同的邏輯塊，每個塊包含完成某些任務(wù)的邏輯指令。(3)結(jié)構(gòu)化編程：將復(fù)雜的自動化任務(wù)分解為小任務(wù)，這些任務(wù)由相應(yīng)的邏輯塊來表示，程序運行時所需的大量數(shù)據(jù)和變量存儲在數(shù)據(jù)塊中。調(diào)

35、用時將“實參”賦值給形參。由于MPS系統(tǒng)控制元件較多，而且要編制通訊程序，用線性化編程會比較混亂，程序也不易修改；本系統(tǒng)的程序編制相對不是很復(fù)雜，不需要將大量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)塊，只需將不同的控制任務(wù)用不同的邏輯塊來表達，即可清晰明確的完成任務(wù)的編制。所以MPS系統(tǒng)各PLC站采用模塊化程序設(shè)計方法。 西門子PLC編程語言主要分為：順序功能圖(SFCSequential Function Chart)、梯形圖(LADLadder Diagram)、語句表(STLStatement List)、功能塊圖(FBD-Function Block Diagram)、結(jié)構(gòu)化文本(STStructured Tex

36、t)。梯形圖是使用最多的PLC編程語言。與繼電器電路很相似，具有直觀易懂的特點，容易被熟悉繼電器控制的電氣人員掌握，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。結(jié)合MPS系統(tǒng)與編程具體情況，選擇梯形圖語言進行編程。4.1.3檢測系統(tǒng)PLC外部接線圖根據(jù)第三章對輸入輸出的分析，可以繪制出檢測系統(tǒng)的PLC外部接線圖，如圖4-3所示：圖4-3 檢測系統(tǒng)PLC外部接線圖4.1.4檢測系統(tǒng)的資源分配MPS的檢測工作單元采用的CPU是集成有16點的數(shù)字量輸入與16點的數(shù)字量輸出。按硬件組態(tài)結(jié)果，數(shù)字量輸入占用IB0和IB1兩個字節(jié)，其中IB0被連接到本站各位置開關(guān)與傳感器，IB1被連接到控制面板上的按鈕與開關(guān)；數(shù)字量輸出占

37、用QB0和QB1兩個字節(jié)，其中QB0被連接到本站的電控閥上，用來控制各執(zhí)行機構(gòu)，QB1被連接到輸出面板上，用來控制各指示燈；通信數(shù)據(jù)區(qū)占用實際輸入/輸出以外的輸入與輸出映像區(qū)，本站選用IB12，QB12作為通信數(shù)據(jù)區(qū)。 （1）輸入信號設(shè)置在檢測控制系統(tǒng)中，輸入信號是所有動作執(zhí)行的主要依據(jù)，不同的輸入信號將決定不同的執(zhí)行動作，輸入信號設(shè)置是否合理，將直接決定整個控制系統(tǒng)工藝流程的優(yōu)劣，也直接決定了控制流程實現(xiàn)的難易程度，在該系統(tǒng)中輸入信號主要分為兩類: 開關(guān)即按鈕控制信號該種類型的信號主要實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動、停止、復(fù)位、緊急停車功能。其中啟動信號用來實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動，使得系統(tǒng)在滿足初始條件時進入工作狀

38、態(tài)。停機信號用來停止系統(tǒng)的工作狀態(tài)，跟急停功能不一樣的是，按下停止按鈕后，系統(tǒng)不會立刻停止運行，而是完成正在執(zhí)行的循環(huán)的所有動作之后，也就是完成整個工件的工藝流程之后，系統(tǒng)才會停止動作。檢測系統(tǒng)PLC的按鈕信號地址分配情況如表4-1：表4-1 檢測系統(tǒng)PLC的按鈕信號地址分配情況序號地址元件符號元件名稱元件用途信號特征1I1.0S-Start啟動按鈕（常開）啟動設(shè)備“1”表示按鈕按下2I1.1S-Stop停止按鈕（常閉）停止設(shè)備“1”表示按鈕按下3I1.2S-Reset復(fù)位按鈕（常開）初始化設(shè)備“1”表示按鈕按下4I1.3Em-Stop急停按鈕緊急停車“1”表示按鈕按下傳感器信號該種類型的信號

39、主要來自傳感器，包括舉升缸等執(zhí)行機構(gòu)的極限位置傳感器，以與判斷初始位是否有工件的光電傳感器，測量工件是否合格的霍爾式傳感器。檢測系統(tǒng)PLC的按鈕信號地址分配情況如表4-2：表4-2 檢測系統(tǒng)PLC的按鈕信號地址分配情況序號地址元件符號元件名稱元件用途信號特征5I0.0Part-AV光電式傳感器判斷物料位有無工件“l(fā)”表示初始位有工件“0”表示初始位無工件6I0.1B1霍爾傳感器判斷工件高度是否合格“1”表示工件合格“0”表示工件不合格7I0.21B1霍爾傳感器判斷推桿的位置“1”表示推桿伸出8I0.31B2霍爾傳感器判斷推桿的位置“1”表示推桿縮回9I0.42B1行程開關(guān)判斷工作臺位置“l(fā)”表

40、示工作臺在上限位10I0.52B2行程開關(guān)判斷工作臺位置“l(fā)”表示工作臺在下限位（2）輸出信號設(shè)置輸出信號主要用于控制電磁閥動作，以達到控制各種執(zhí)行機構(gòu)的目的，當(dāng)輸出信號為1時，相應(yīng)的電磁閥動作，從而達到控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)的目的。在檢測系統(tǒng)中需要控制的執(zhí)行機構(gòu)包括:舉升運動氣缸、推桿運動氣缸、噴射缸、紅綠燈。檢測系統(tǒng)PLC的輸出控制信號地址分配情況如表4-3：表4-3 信號地址分配序號地址元件符號元件名稱元件用途信號特征11Q0.01Y1電磁閥控制舉升缸運動“1”控制氣缸使下降12Q0.11Y2電磁閥控制舉升缸運動“1”控制氣缸使上升13Q0.22Y1電磁閥控制推桿缸運動“1”控制推桿伸出14

41、Q0.32Y2電磁閥控制推桿缸運動“1”控制推桿縮回15Q1.03Y1電磁閥控制噴射缸噴氣“1”控制噴射缸噴氣16Q1.1L1LED燈指示復(fù)位狀態(tài)燈亮為在執(zhí)行17Q1.2L2LED燈指示停止?fàn)顟B(tài)燈亮為在執(zhí)行18Q1.3L3LED燈指示啟動狀態(tài)燈亮為在執(zhí)行4.1.5用順序控制編程法實現(xiàn)檢測單元程序的編制在設(shè)計可編程控制器的梯形圖時，一般采用經(jīng)驗設(shè)計法，繼電器控制電路移植法和順序控制設(shè)計法，三種編程方法。經(jīng)驗設(shè)計法，沒有固定的步驟可遵循，且有很大的試探性和隨意性。對于各種不同的控制系統(tǒng)，設(shè)計者需重復(fù)設(shè)計。特別是在設(shè)計復(fù)雜系統(tǒng)的梯形圖時，需要大量的中間單元來完成記憶、連鎖、互鎖等功能，考慮的因素較多

42、，它們往往又交織在一起，分析起來比較困難，很容易遺漏一些應(yīng)考慮的問題。而且修改某一局部電路時，經(jīng)常是“牽一發(fā)而動全身”，對控制系統(tǒng)其他部分產(chǎn)生意想不到的影響。另外，用經(jīng)驗法設(shè)計出的梯形圖往往比較復(fù)雜，程序維護人員很難讀懂，給PLC控制系統(tǒng)的維護和改進帶來很大困難。如果用PLC改造繼電器控制系統(tǒng)，根據(jù)繼電器電路圖結(jié)合繼電器控制電路移植法來設(shè)計梯形圖是一條捷徑。順序控制設(shè)計法也叫功能表圖設(shè)計法，就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據(jù)部狀態(tài)和時間的順序，在生產(chǎn)過程中各個執(zhí)行機構(gòu)自動而有秩序的進行操作。功能表圖是一種用來描述控制系統(tǒng)的控制過程功能、特性的圖形，它主要是由步、轉(zhuǎn)換、

43、轉(zhuǎn)換條件、箭頭線和動作組成。這是一種先進的設(shè)計方法，很容易被初學(xué)者接受，對于有經(jīng)驗的工程師也會提高設(shè)計的效率，對于復(fù)雜系統(tǒng)，可以節(jié)約60-90的設(shè)計時間。程序的調(diào)試修改閱讀也很方便。順序控制設(shè)計法的最基本思想是將系統(tǒng)的一個工作周期劃分為若干各順序相連的階段，這些階段稱為步(Step)，然后用編程元件(例如存儲器位M)來代表各步。步是根據(jù)輸出量的ONOFF狀態(tài)的變化來劃分的，在任何一步各輸出量的狀態(tài)不變，但是相鄰兩步輸出量總狀態(tài)是不同的，步的這種劃分方法使代表各步的編程元件的狀態(tài)與各輸出量的狀態(tài)之間有著極為簡單的邏輯關(guān)系。使系統(tǒng)由當(dāng)前步進入下一步的信號稱為轉(zhuǎn)換條件，它可以是外部的輸入信號，也可以

44、是PLC部產(chǎn)生的信號，還可能是若干個信號的與、或、非的邏輯組合。順序控制設(shè)計法用轉(zhuǎn)換條件控制代表各步的編程元件，讓它們的狀態(tài)按一定的順序變化，然后用代表各步的編程元件去控制PLC的各個輸出位。4.1.6檢測單元編程的具體實現(xiàn)過程 （1）根據(jù)動作流程繪制檢測站流程圖，如圖4-4所示：圖4-4 檢測站流程圖 圖中數(shù)字代表各步，左端的為轉(zhuǎn)換條件，右端為輸出。（2）根據(jù)流程圖轉(zhuǎn)化成順序功能圖，如圖4-5所示：圖4-5 順序功能圖（3）根據(jù)順序功能圖編制檢測站流程的梯形圖程序，如圖4-64-8： 急?？刂疲簣D4-6 急停控制 停止控制：圖4-7 停止控制 復(fù)位控制：圖4-8 復(fù)位控制 主程序（見附錄）4

45、.2程序的調(diào)試4.2.1仿真軟件的介紹1）S7-200仿真軟件很多讀者苦于做實驗用的PLC，缺乏實驗的條件，編寫程序后無法檢驗實驗是否正確，編程能力很難提高。PLC的仿真軟件是解決這一問題的理想工具。西門子的S7-300/400PLC有功能強大的仿真軟件PLCSIM。近年來在網(wǎng)上流行一種S7-200的仿真軟件，在Google等搜索工具搜索“S7-200仿真軟件”可以找到該文件。仿真軟件不能模擬S7-200的全部指令和全部功能，具體的情況可以通過實驗來了解。但是它仍然不失為一個很好的學(xué)習(xí)S7-200的工具軟件。圖4-9是S7-200仿真軟件界面：圖4-9 仿真軟件界面2）下載程序生成文本文件以后

46、，點擊仿真軟件工具條上左邊第2個按鈕可以下載程序，一般選擇下載全部塊，按確定按鈕后，在選擇對話中“打開”對話框中選擇要下載的*.awl文件。下載成功后，圖CPU模塊中間的“彩燈循環(huán)控制”是下載程序的名稱，同時會出現(xiàn)下載程序的名稱，同時會出現(xiàn)下載程序代碼文本框，可以關(guān)閉該文本框。如果用戶程序中有仿真軟件不支持的軟件和功能，點擊工具條三角形的“運行”按鈕后，不能切換到RUN模式，CPU模塊左側(cè)的“RUN”LED（發(fā)光二極管）的狀態(tài)不會變化。如果仿真軟件支持用戶程序的全部指令和功能，點擊工具條的“運行”按鈕，將從“STOP”模式切換到RUN模式， “RUN ”LED變?yōu)榫G色。點擊工具條正方形的“停止

47、”按鈕，CPU將切換到STOP模式。4.2.2程序的調(diào)試與仿真仿真軟件不能直接接收編程軟件的程序代碼，必須將編程軟件的程序生成ASC文本文件，然后再下載到仿真軟件進行調(diào)試和仿真。下面是復(fù)位功能的程序的ASC文本。/復(fù)位控制LD I1.2LPSAN I0.5= Q0.0LRDS M0.0, 1LPPS Q1.1, 1將ASC文本下載到仿真軟件里，將STOP模式切換到RUN模式，再按下I1.2按鈕，Q0.0、M0.0、Q1.1都有輸入，狀態(tài)一見圖4-10：。圖4-10 仿真軟件界面在按下I1.2按鈕的前提下，再按下I0.5,Q0.0沒有輸入。狀態(tài)二如圖4-11：圖4-11 仿真軟件界面結(jié)束語在當(dāng)今

48、的市場經(jīng)濟大環(huán)境下，特別是中國加入世貿(mào)組織后，質(zhì)量和效益是決定企業(yè)興衰的關(guān)鍵所在。為了大幅度提高企業(yè)生產(chǎn)效率，減輕認(rèn)為失誤，以求今后更好的發(fā)展，自動檢測系統(tǒng)的開發(fā)尤為重要。課題的目的就是研制出檢測效率高、精度高的自動檢測系統(tǒng)，最終實現(xiàn)工件的自動、高效、高精度檢測和分級。在本課題的研究過程中始終以實用第一原則，力求做到方案的可行性、科學(xué)性，由此全文的各個部分也是在這一指導(dǎo)原則下完成的。該論文探索的容為生產(chǎn)型MPS控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計提供技術(shù)上的探索和有意的借鑒，所以本論文主要完成一些幾部分工作：1. 系統(tǒng)總體功能設(shè)計與分解。在分析客戶需求的基礎(chǔ)上，確定檢測系統(tǒng)的總體功能，并對總體功能進行分解，確定系統(tǒng)的組成模塊。2. 各個模塊的功能設(shè)計與分解。在確定了系統(tǒng)的總體功能以與組成模塊的基礎(chǔ)上，對各個組成模塊的功能