MPS系统安装搬运站单元及立体存储站的设计与PLC控制

MPS系统安装搬运站单元及立体存储站的设计与PLC控制摘要MPS（Modular Production System）模块化生产加工系统，是一套开放式的设备，是由上海英集斯自动化有限公司研制的设备，用户可根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型。

多个单元组成的MPS系统可较为真实的模拟出一个自动生产加工流水线的工作过程。

本设计主要研究的是安装搬运单元及立体存储单元的动作和通信，安装单元在整个系统中，起着向其立体存储单元搬运加工好工件的作用，它的功能是按照要求将工件放置等待建工站加工后，并检测出工件的颜色，最后将其提升到输出工位，等待下一个工件单元来取。

其中，反射式光电接近开关用于检测工件的有无；漫反射式光电接近开关用于检测工件颜色。

该工作单元的执行机构是气动控制系统，其方向控制阀的控制方式为电磁控制或手动控制。

各执行机构的逻辑控制功能是通过PLC控制实现的。

关键词：MPS ；PLC；传感器；气动；步进电机1 绪论1.1 MPS模块化加工系统的简介模块化生产加工系统（MPS, Modular Production System）体现了机电一体化的技术实际应用。

MPS设备是一套开放式的设备，用户可以根据生产需要选择设备组成单元的数量、类型，最少是一个单元亦可自成一个独立的控制系统，而由多个单元组成的生产系统可以体现自动生产线的控制特点。

在由多个MPS工作单元组成的系统中，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）、电工电子技术、传感器应用技术、PLC控制技术、组态控制技术、信息技术等。

利用该系统可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学员在一个非常接近于实际的教学设备环境，使学员在学习过程中很自然的就将理论应用到了实际中，实现了理论与实践的完美结合，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。

1.2 MPS的基本组成及其功能多个单元组成的MPS系统可以较为真实的模拟出一个自动生产加工流水线的工作过程。

如图1.1所示。

图1.1 多各单元组成的MPS系统其中，每个工作单元都可以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主要是气动执行机构和电机驱动机构，这些执行机构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。

在MPS设备上应用多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的通过状态、物体的颜色、物体的材质和物体的高度等。

传感器技术是机电一体化技术的关键技术之一，是现代工业实现高度自动化的前提之一。

在控制方面，MPS设备采用PLC进行控制，用户可以根据需要选择不同厂家的PLC（上海英集斯公司主要使用三菱公司的FX2N系列PLC、西门子公司的S7-200系列PLC和S7-300系列PLC）。

MPS设备的硬件结构是相对固定的，但学生可以根据自己对设备的理解、对生产加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写PLC控制程序实现该工艺过程，从而实现对MPS设备的控制。

MPS设备给学员提供了一个开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何配合、最终使MPS模拟一个什么样的生产加工过程、MPS作为一条自动生产流水线具有怎么样的操作运行模式等，学员都可以根据自己的理解，运用所学的理论知识，设计出PLC控制程序，使MPS设备实现一个最符合的自动控制过程。

MPS系统中每个单元都具有最基本的功能，学员可在这些基本功能的基础上进行流程编排设计和发挥。

MPS系统的基本组成单元主要有：上料检测单元、操作手单元、加工单元、安装单元、安装搬运单元、立体存储单元、机械手单元。

下面以上料检测单元为例介绍：如图1.2功能简介：完成整个系统的上料工作，将大工件输出，判断出其颜色，并将其信息发给后一站。

此站可配合触摸屏或组态控制而成为整个系统的主站。

PLC主机：三菱FX3N系列、西门子S7系列。

扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus网络。

组成模块：回转料斗、提升装置、广电识别组件。

图1.2立体存储单元1.3 可编程序控制器（PLC）的介绍1.3.1 PLC概况及特点可编程序控制器（PLC）是现代工业自动化领域中的一门先进控制技术，它已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，其应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。

PLC具有可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网、易于与计算机接口、模拟量控制、高速计数及位控等一系列优异性能。

1)．PLC的分类可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。

可编程序控制器发展到今天，已经有多种形式，而且功能也不尽相同。

按不同的原则可有不同的分类。

a. 根据结构分为：整体式（箱体式）和组合式（机架模块式）b. 按控制规模分为：小型PLC（I/O总点数在256点以下）；中型PLC（I/O总点数在256-2048点之间）；大型PLC（I/O总点数在2048点以上）。

一般而言，处理的I/O点数愈多，则控制关系愈复杂，用户要求的程序存储器容量愈加大、PLC指令及其他功能也愈加多、指令执行的速度也愈加快。

2)． PLC的特点：抗干扰能力强，可靠性高；编程方便；使用方便；维护方便；设计、施工调试周期短；易于实现机电一体化。

1.3.2 PLC的应用领域最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。

随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。

如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。

PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。

1)、用于开关量控制PLC控制开关量的能力是很强的。

所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。

由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。

所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。

PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。

必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。

它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。

用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。

目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。

2)、用于模拟量控制模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。

工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。

作为一种工业控制电子装置，PLC若不能对这些量进行控制，那是一大不足。

为此，各PLC厂家都在这方面进行大量的开发。

目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。

PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A／D、D／A单元。

它也是I/O单元，不过是特殊的I/O单元。

A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入PLC。

D/A单元，是把PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。

作为一种特殊的I/O单元，它仍具有I/O电路抗干扰、内外电路隔离，与输入输出继电器（或内部继电器，它也是PLC工作内存的一个区。

可读写）交换信息等等特点。

这里的A/D中的A，多为电流，或电压，也有为温度。

D/A中的A，多为电压，或电流。

电压、电流变化范围多为0～5V，0～10V，4～20mA。

有的还可处理正负值的。

这里的D，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。

A/D、D/A有单路，也有多路。

多路占的输入输出继电器多。

有了A/D、D/A单元，余下的处理都是数字量，这对有信息处理能力的PLC并不难。

中、大型PLC处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方，插值，还可进行浮点运算。

有的还有PID指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。

计算机能算的它几乎都能算。

这样，用PLC实现模拟量控制是完全可能的。

控制的单位值可小到212分之一的测量程值，多数也是足够的。

PLC进行模拟量控制，还有A/D、D/A组合在一起的单元，并可用PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。

用PLC进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。

这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如PLC方便。

当然，若纯为模拟量的系统，用PLC可能在性能价格比上不如用调节器。

这也是应当看到的。

3)、用于数字量控制实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。

如机床部件的位移，常以数字量表示。

数字量的控制，有效的办法是NC，即数字控制技术。

这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。

当今已很普及，并也很完善。

目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过40％～80％，有的甚至更高。

PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。

故它也完全可以用于数字量控制。

PLC 可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹。

可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。

有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k。

有了这两种功能，加上PLC 有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依NC的原理实现种种控制。

高、中档的PLC，还开发有NC单元，或运动单元，可实现点位控制。

运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。

所以，若PLC配置了这种单元，则完全可以用NC的办法，进行数字量的控制。

新开发的运动单元，甚至还发行了NC技术的编程语言，为更好地用PLC进行数字控制提供了方便。

4)、用于数据采集随着PLC技术的发展，其数据存储区越来越大。

如OMRON公司的PLC，前期产品C60P的DM区仅64个字，而后来的C60H达到1000个字；到了CQMI可多达6000个字。

这样庞大的数据存储区，可以存储大量数据。

数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去。

数据采集也可用A/D单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中去。

PLC 还可配置上小型打印机，定期把DM区的数据打出来。

PLC也可与计算机通讯，由计算机把DM区的数据读出，并由计算机再对这些数据作处理。

这时，PLC即成为计算机的数据终端。

电业部门曾这么使用PLC，用以实时记录用户用电情况，以实现不同用电时间、不同计价的收费办法，鼓励用户在用电低谷时多用电，达到合理用电与节约用电的目的。