自动化生产线的毕业设计

目录
第一章绪论 (1)
1.1自动化生产线发展状况 (1)
1.2 PLC的应用及目前的研究现状 (3)
1.2.1生产线上的工艺过程 (3)
1.2.2连续生产线 (4)
1.2.3控制系统组成框图 (5)
1.3课题主要研究的内容及意义 (6)
第二章各单元硬件设备的说明 (7)
2.1电感式接近开关的设备说明 (7)
2.1.1电感式传感器简单介绍 (7)
2.1.2电感式接近开关传感器的基本工作方式 (7)
2.2电容式接近开关的设备说明 (8)
2.2.1电容式传感器简单介绍 (8)
2.2.2电容式接近开关传感器的使用 (8)
2.3继电器的设备及微动开关的设备说明 (9)
2.4电磁阀的设备说明 (9)
第三章 S7-2OO PLC在自动线中的使用 (10)
第四章各单元控制系统的设计 (12)
4.1PLC对下料单元的控制 (12)
4.1.1下料单元控制要求 (12)
4.1.2下料单元控制流程图 (13)
4.1.3下料单元I/O分配表 (14)
4.1.4下料单元梯形图 (15)
4.2 PLC对加盖单元的控制 (21)
4.2.1加盖单元控制要求 (21)
4.2.2加盖单元控制流程图 (22)
4.2.3加盖单元I/O分配表 (23)
4.2.4加盖单元梯形图 (24)
4.3PLC对穿销单元的控制 (30)
4.3.1穿销单元控制要求 (30)
4.3.2穿销单元控制流程图 (31)
4.3.3穿销单元I/O分配表 (32)
4.3.4穿销单元梯形图 (33)
4.4PLC对检测单元的控制 (39)
4.4.1检测单元控制要求 (39)
4.4.2检测单元控制流程图 (40)
4.4.3检测单元的I/O分配表 (41)
4.4.4检测单元梯形图 (41)
4.5PLC对分拣单元的控制 (45)
4.5.1分拣单元控制要求 (45)
4.5.2分拣单元控制流程图 (47)
4.5.3分拣单元的I/O分配表 (48)
4.5.4单元梯形图 (49)
第五章 S7-300 PLC硬件组态及编程 (56)
5.1 硬件配置 (56)
5.2 S7-3OO PLC在系统中的主站控制变量传送分配表 (64)
5.3 S7-3OO PLC在系统中的主站控制的基本要求 (65)
5.4 S7-300 PLC梯形图 (65)
总结 (68)
参考文献 (69)
致谢 (70)
第一章绪论
1.1 自动化生产线发展状况
自动线是能实现产品生产过程自动化的一种机器体系，通过采用一套能自动进行加工、检测、装卸、运输的机器设备,组成高度连续的、完全自动化的生产线，来实现产品的生产，从而提高工作效率。

降低生产成本、提高加工质量、快速更换产品，是机械制造业竞争和发展的基础，也是机械制造业技术水平的标志，它的发展趋势是提高可调性，扩大工艺范围，提高加工精度和自动化程度，同计算机结合实现整体自动化车间与自动化工厂。

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，达到相应的工艺要求，生产出合格的产品，为了能够实现这个目标，可以采用自动输送和其他一些辅助装置，根据工艺顺序把不同的机械加工装置组成一个整体，各个部件之间的动作是通过气压系统和电气制动系统组合起来的，使它能够实现规定的程序而进行自动工作，这种自动工作的机械装置系统被我们称为自动生产线。

现在科学技术日新月异，在工业生产中自动化生产技术也使用得非常的普遍了，并且在电子和机械制造等领域已经研究并生产出许多各种类型的自动生产线，正是因为这些自动生产线的飞速发展和广泛使用，提高了我们的生产效率及产品的质量、改善了工作的条件、降低了能源的损耗、节约了材料等等，在各方各面都获得了显著的效果。

自动生产线能构成一个完整的系统，是由于它是综合了传感技术、驱动技术、机械技术、接口技术、计算机技术等技术，自动生产线在各国有着各种生产的需要，有效的综合及组织，来优化整体的设备，自动生产线虽然是源于传统的流水生产线，但它的功效是远远优于传统流水生产线，并且还有着多种显著的区别，其主要的特点是自动生产线有非常高的自动化控制，还有传统流水生产线所没有的精密的生产节奏，它是一个统一的自动控制系统，其工作要按照规定的工序顺序来完成。

在各个不同的应用领域,不同种类的自动线的结构不同，大小也不同，功能也不同，它们基本都包含检测、机械本体、信息处理、输入、输出接口部分以及执行机构等五部分。

但是不论哪种自动生产线，在功能上都必须能实现控制、运转、驱动和检测等,并且控制功能是电子装置来完成的。

自动生产线在生产中，所有传感器用来检测信号，控制装置再运算、变换、存储其检测信号，再通过其接口电路向执行机构给出指令来实现相应的工作。

传感器检测生产线上位置、温度、压力、流量等信号，来让信息处理部件分析处理，驱动功能是液压缸电动机、电磁阀、气压阀、机械手等执行部件实现的。

其机械部分是自动生产线的主体部分。

自动线支持技术的飞速发展，驱动了自动线的大力发展，使得可以生实现技术更加复杂的生产和操作以及装配工艺要求更高的流程，现在这些技术在向更深的领域发展，尤其微电子技术向超大规模和超超大规模集成电路方向的发展，在那么几平方毫米硅片上能集成几百万甚至上千万个逻辑元件，实现了计算机的小型化，高速化和智能化的发展，正是智能计算机的出现更加的完善了自动线的功能，提高了生产的效率以及产品的质量。

现代工业是计算机、信息技术、现代管理技术、先进工艺技术的综合与集成，涵盖了产品设计、生产准备、制造执行等多方面，是国家建设和社会发展的重要支柱之一。

为了加强学生面向新世纪的挑战能力，提高机、光、电一体化的理论水平与实践能力刻不容缓，重点建设机电类工程，柔性加工综合实验平台，更具有迫切性和现实意义。

自动化生产线是产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产生产线活动所构成的路线。

狭义的生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）所需要的各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）的全部制造工作，对相同的劳动对象进行不同工艺的加工。

图1-1 自动化生产线
该自动化模拟生产线，较好地解决了在学校期间，只接触到以单元实验或校外参观实习为主，一些大型的自动化控制站只能看不能操作，达不到理想的教学效果的这个实际接触问题。

在设计该模拟生产线时控制系统中包括5个从站点：下料单元、加盖单元、穿销单元、检测单元、分拣单元。

该套控制系统，建立了以工业现场控制为对象的实物模拟仿真系统，可很好解决自动化及相关专业的在动手实践中所遇到的难题。

1.2 PLC的应用及目前的研究现状
1.2.1 生产线上的工艺过程
1969世界第一台PLC在美国数据设备公司诞生。

1975-1976年,德国、日本、美国等将微处理器作为控制器的中央处理单元应用到PLC中，并且去掉磁心存储器改用了集成电路的存储器，结合了微型计算机的技术与电控制器技术，从而实现了可编程控制器的规模集成化，使得处理器更能适用工业环境，更加的可靠，功能也更加强大，更加的灵活，成本却大大下降，从而使得PLC进入了实用阶段。

随着科技的不断进步，PLC的性能也飞速增强，其应用和研究现状主要在以下方面体现:
1.控制规模的扩大，控制大型机的规模越变越大，开关量高的达到了几万。

2.组成模块的增多，现在PLC己经新增了很多模块，如PDI控制、温度以及运动模块等等。

3.开放性和互操作性大大发展，在PLC的发展过程中，制造商为了垄断和扩大各自市场，都各自发展自己的标准，开放是发展的一个趋势，各厂商都意识到这一点，并形成了长时期的妥协与竞争，这一过程还将继续。

4.工作速度的提高可以对系统实现实时控制。

5.联网的能力增强，由于通信、信息及控制技术的大力发展，联网也得到了的发展，己经可以实现的远程控制。

正是由于这些性能、使得工业系统可以实现远程化、自动化、控制信息化及智能化。

现在应用在不断前进,尤其在运动控制、模拟量控制及驱动控制上广泛使用，已经成为现在系统工作自动化中最有效的工具之一了。

此次设计共分为五个单元，其功能分别是：
1．下料单元：将前站送入本单元下料仓的工件主体，通过直流电机驱动间歇机构带动同步齿型带使之下落，工件主体下落至托盘后经传送带向下站运行。

2．加盖单元：通过直流电机带动蜗轮蜗杆，经减速电机驱动摆臂将上盖装配至工件主体，完成装配后工件随托盘向下站传送。

3．穿销单元：通过旋转推筒推送销钉的方法，完成工件主体与上盖的实体连接装配，完成装配后的工件随托盘向下站传送。

4．检测单元：运用各类检测传感装置对装配好的工件成品进行全面检测（包括上盖、销钉的装配情况，销钉材质、标签有无等），并将检测结果送至PLC进行处理，以此作为后续站控制方式选择的依据（如分拣站依标签有无判别正、次品；仓库站依销钉材质确定库位）。

5．分拣单元：根据检测单元的检测结果（标签有无），采用气动机械手对工件进行分
类，合格产品随托盘进入下一站入库；不合格产品进入废品线，空托盘向下站传送。

1.2.2 连续生产线
为便于协调整个生产线的全程控制，系统设置了一个主站总控制台，主站总控制台是整个装配生产线连续运行的指挥调度中心，其主要功能是实现全程运行的总体控制，完成全系统的通讯连接等。

总站单元下料单元加盖单元
分拣单元检测单元穿销单元
图1-2 自动化生产线的控制顺序
从简单到复杂，从零部件到整机。

采用铝合金结构件为主体，利用多种机械传动方式模拟完成现代化装配过程的柔性生产系统，把实际工业生产中的典型部分：电气控制部分、各种传感器的应用、组态控制，工业总线，充分展示在该系统中。

武进技师学院毕业设计说明书1.2.3 控制系统组成框图
1.3 课题主要研究的内容及意义
本文设计的自动生产线实验平台是为满足普通高校及高职机电类专业学生的专业技能和技术应用能力的培养，尤其是综合能力锻炼，创新能力及团队合作精神的培养，而开发的实验实训平台。

针对自动生产线有很高的仿真性I/O的要求，本课题研究的实训平台的开发，应能够任意拆装和组合，能够任意设置故障，且预留工位，可随时加装内容，这样，可以满足学校与企业定单式培养。

现代化的自动生产设备自动生产线的最大特点是它的综合性和系统性，本课题研究的实验实训平台把传感测试技术、微电子技术、机械技术、电工电子技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等各种技术进行组织，并且整体使用到生产设备上并且力求达到使实验者通过实验平台熟悉生产线的传感检测、传输与处理、执行、控制与驱动等机构在这个微处理单元的控制下协调有序地工作的原理。

可编程控制器以其可靠性高、抗干扰能力强、性能强、价格低以及编程简单而在现代化自动生产设备中普遍使用，并且充当生产线的大脑微处理单元。

因此,培养掌握机电一体化技术，掌握PLC技术及PLC网络技术的技术人材是当务之急。

本课题研究的自动生产线实验平台是在铝合金导轨式实训台上由下料、加盖、穿销、检测、分拣等工作单元，构成一个典型的自动生产线的机械平台，系统各机构采用气动驱动、变频器驱动和步进电机位置控制等技术，实验平台的控制方式采用各个工作单元均是一台独立的PLC控制，本实验平台综合采用传感器应用技术。

在本实验平台上可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使使用者得到一个非常接近于实际的教学设备环境，力求达到缩短理论教学与实际应用之间的距离。

本课题研究的自动生产线实验平台的设计，采用模块组合式的结构，各工作单元是相对独立的模块，并采用标准结构和抽屉式模块放置架，具有较强的互换性方便根据实训需要或工作任务的不同进行不同的组合，安装和调试，达到模拟生产性功能和整合学习功能的目标也符合教学实训考核或技能竞赛的要求。

第二章硬件设备的说明
2.1 电感式接近开关的设备说明
2.1.1 电感式传感器简单介绍
电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量（如位移、压力、流量、振动等）转换成线圈自感系数L或互感系数M，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。

电感式传感器具有结构简单、工作可靠、测量精度高、零点稳定、输出功率较大等一系列优点，其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。

这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。

2.1.2 电感式接近开关传感器的基本工作方式
电感式接近开关传感器可以检测从传感器侧向水平接近的被测体，也可以检测从传感器迎面垂直接近的被测体。

被测体接近传感器到传感器开关动作的距离为动作距离；不受温度和电压上下浮动影响的动作距离为实际的工作距离。

传感器在工作中存在着动作距离与复位距离的差值，被称为动作带差。

被测量体进入或退出检测有效范围时将出现动作上的时间延迟，称为相应时间。

在传感器的应用中，应根据实际情况考虑这些参数对检测结果是否有影响。

电感式接近开关传感器，是一种利用涡流感知物体接近的器件。

它的敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，在检测线圈的工作面上存在一个交变磁场。

当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱直至停振，振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。

电感式接近开关传感器的电气指标：
1．工作电压：是指电感式接近开关传感器的供电电压范围，在此范围内可以保证电感式接近开关传感器安全工作。

2．工作电流：指电感式接近开关传感器连续工作时的最大负载电流。

电压降：是指在额定电流下开关导通时，在开关两端或输出端测量得到的电压。

3．空载电流（消耗电流）：是指在没有负载时，测量所得的电感式接近开关传感器自身所需的电流。

4．剩余电流（漏电流）：是指开关断开时，流过负载的电流。

5．极性保护：有防止输入电源电压极性误接的保护功能。

6．短路保护：有此功能时，如果超过极限电流，输出会周期性地封闭和释放，直至短路被清除。

2.2 电容式接近开关的设备说明
2.2.1 电容式传感器简单介绍
电容式传感器是利用电容器的原理，将被测非电量转化为电容量的变化，进而实现电量到非电量的转换。

电容式接近开关传感器是根据从振荡电路取出的电极的电容变化，时振荡开始或停止，从而达到检测信号的目的。

振荡电路以外的电路结构与高频振荡式接近开关相同。

2.2.2 电容式接近开关传感器的使用
除了棉花和发泡苯乙烯等介电系数低的物体之外，电容式接近开关传感器检测的对象是很多的，静电电容式接近开关易受水和油的影响，在使用中，应注意这一点。

静电电容式接近开关能胜任其他方式不能检测的场合。

1.细金属丝的检测：检测小型继电器等使用的铜丝（电磁铁）是否正常。

使用高灵敏度埋入型，在检测Φ0.03mm铜丝时，动作距离为5mm。

2.袋装食品的检测：检测形状复杂的袋装食品时，在必须水洗的机器中使用防湿型的接近开关时，要防止残留水滴引起误动作。

3.液体、粉状体的间接检测：通过木箱、纸箱、玻璃瓶等非金属容器的外壁，检测其中被测物体的有无及其所在的表面位置。

4.电容式接近开关传感器灵敏度的调整：要考虑电容式接近开关传感器结构本身静电电容的影响，其内部安装有灵敏度调节电位器；当接近开关和被检测体之间有不灵敏的物体时，调节这个电位器，可使接近开关不检测夹在中间的物体，此外还可用此电位器调节工作距离。

图2-1平板电容器
5.塑料和玻璃的检测：检测塑料和玻璃上有无异物，而不管其颜色和表面状态，被检测体较小应采用灵敏度高的电容式接近开关传感器；塑料种类不同时灵敏度也不同，因此必须进检测。

当被检测体种类多时，要随时进行灵敏度的调整。

6.固液体、粉状体等的直接检测及水、粉尘的表面位置检测：采用防湿型电容式接近开关传感器，不要让水和粉末附在检测面上。

2.3 继电器的设备及微动开关的设备说明
加盖单元中用到继电器的主要部分是：摆臂动作的水平方向上的运动。

水平运动动力依靠直流电机，而继电器在此处的应用就是实现这两个电机的正反转控制，也就是摆臂的运行和复位的控制。

通过继电器的吸合和断开，实现电压的正负变化，达到控制电机正反转的目的。

继电器是根据电流、电压、时间、温度和速度等信号的变化，来接通或断开小电流电路和电器的控制元件。

常用的继电器有热继电器、过电流继电器、欠电压继电器、时间继电器、速度继电器、中间继电器等。

按作用它们分为保护继电器和控制继电器两类：其中热继电器、过电流继电器、欠电压继电器属于保护继电器；时间继电器、速度继电器、中间继电器属于控制继电器。

微动开关由一个定触点和一个动触点组成，通过动触点的动作，实现微动开关的断开和闭合的过程。

在本设计中的应用是：采用限位开关作为PLC中控制电机正反转的条件，当摆臂取、放件时只有碰到行程开关时才认为摆臂到位，（且PLC上有相应的输入指示灯显示）方可启动电机或控制电机正反转。

同时也启到保护电机的作用。

2.4 电磁阀的设备说明
电磁铁，它是电磁阀的主要部件之一，其作用是利用电磁原理将电信号转换成阀芯的位移。

电磁铁的结构可分为T型、I型和平板型，T型电磁铁为减少铁损，用高磁通的硅钢片叠制成，能够获得较好的效率和较大的吸引力，但所需的行程和体积较大，主要用于行程较大的直动式电磁阀。

I型电磁铁适用于直流电磁铁和小型交流电磁铁，用圆柱形普通材料制成，其铁心的端面通常制成平面装货圆锥状。

与T型电磁铁相比，I型电磁铁的吸力小，行程较短。

圆柱形铁心的重量轻、吸引时的冲击较小，所以使用寿命长，主要用与小型直动式和先导式电磁阀。

更换安装电磁阀:
如有一电磁阀损坏了，需要更换一个电磁，可按照下列步骤安装电磁阀。

①切断气源，用螺丝刀拆卸下已经损坏的电磁阀。

②用螺丝刀将新的电磁阀装上。

③将电气控制接头插入电磁阀上。

④将气路管插入电磁阀上的快速接头。

⑤接通气源，用手控开关进行调试，检查气缸动作情况。

第三章 S7-2OO PLC 在自动线中的使用
在自动线中，每一个站都安装了一个西门子S7—200 PLC 系列的可编程逻辑控制器(programmable logic controller ，PLC)来控制，就像人的大脑一样，思考每一个动作，每一招每一式，指挥自动线上的机械手、气爪按程序动作，是自动线的核心部件。

PLC 是一种专为工业环境下应用设计的“可编程逻辑控制器”，是一种数字运算操作的电子系统。

PLC 是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。

1．S7—200 PLC 的外形结构
S7—200 PLC 系列PLC 由PLC 主机和扩展模块组成。

其中，PLC 主机由CPU 、存储器、通信电路、基本输入／输出电路、电源等基本模块组成，相当一个整体式的PLC ，可以单独完成控制功能，它包含一个控制系统所需的最小组成单元。

图2—73所示是S7—200cPU 模块的外形结构图，它将一个微处理器、一个集成电源和数字量I ／O(输入／输出)点集成在一个紧密的封装之中。

图3-1 S7—200的外形结构
由图示可知，虽然PLC 的外观与通用计算机有较大差别，但在内部结构上，PLC 只是像一台增强了I ／0功能的可与控制对象方便连接的计算机。

在系统结构上，PLc 的基本组成包括硬件与软件两部分。

2．典型PLC 的硬件结构
PLC 的硬件部分由中央处理器(CPU)、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等构成，图示是典型PLC 结构简图；PLC 的软件部分由系统程序和用户程序等构成。

可插拔接线端子(224,226)
通讯口
24V 传感器
电源输出
Panel 安装固
定孔
安装于标准DIN 导轨上 的夹子 可选卡 插槽
内部:
- 电源 - 超级电容
- 时钟(224(XP),226)
I/O 点 状态 LED
可插拔模拟量终
端
在内部结构上，CPU模块由中央处理器(CPU)、存储器、输入端口、输出端口、通信接口、电源等构成，每个部分的功用不同，与通用微机CPU一样，CPU在PLC才系统中的作用类似于人体的神经中枢。

PLC系统中的存储器按作用可分为三类：系统程序存储器、用户程序存储器、功能存储器～(数据区）。

4．通信接口
S7—200 PLC系列PLC整合了一个或两个RS一485通信接口，既可作为PG(编程)接口，可也作为OP(操作终端)接口，如连接一些HMI(人机接口)设备。

支持自由通信协议及PPI(点对点主站模式)通信协议。

5．电源
S7—200 PLC本机单元有一个内部电源，它为本机单元、扩展模块以及一个24V DC 电源输出，每一个S7—200CPU模块向外提供5V DC和24V DC电源。

●CPU模块都有一个24V DC传感器电源，它为本机输入点和扩展模块继电器线圈提供24V DC。

如果电源要求超出了CPU模块24V DC电源的定额，可以增加一个外部24V DC 电源来供给扩展模块的24V DC。

●当有扩展模块连接时CPU模块也为其提供5V电源。

如果扩展模块的5V电源需求超出了CPU模块的电源定额，必须卸下扩展模块，直到需求在电源预定值之内才行。

若电源要求超出CPU模块预算，将不能连接CPU允许的最大数目的模块。

将S7—200DC传感器电源与外部24V DC电源采用并联连接时，将会导致两个电源的竞争而影响它们各自的输出。

这种竞争的结果会缩短设备的寿命，或者使得一个电源或两者同时失效，并且使PLC系统产生不正确的操作。