装配流水线控制系统 精品.docx
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装配流水线控制系统精品
毕业设计(论文)
题 目:
基于PLC的装配流水线控制系统
系 部:
xxxxxxx
专 业:
xxxxx
学 号:
xxxxxxxxxx
学生姓名:
xxxxxxxx
导师姓名:
xxxxx
导师职称:
xxxxx
二○一三年四月
内容摘要及关键词:
【摘要】:
本论文注重以实际生产为主,在许多的工厂车间需要用到传送带来解放劳动资源,提高生产效率,我所做的课题是一个饮料加工车间的流水线生产。
本文的设计包括硬件设计和软件设计。
其中硬件设计包括三菱FX2NPLC外部电路的设计与安装;软件部分包括程序的设计与调试。
所设计系统最终能够实现以下功能:
(1)能对空瓶进行运送、灌装,灌装量可根据空瓶大小设定;
(2)对满瓶进行运送及计数;(3)能够实现手动复位。
该系统主要运用了三菱PLC、传感器、继电器、行程开关等器件,利用PLC良好的自动控制性能,实现饮料罐装生产过程的无人控制。
【关键词】:
装配流水线;PLC;无人控制;饮料灌装
Abstract
[Abstract]:
Thepapersfocusontheactualproduction,transmissionbroughtabouttheliberationoflaborresources,improveproductionefficiencyneededinmanyofthefactoryfloor,andImadethesubjectofabeverageprocessingplantassemblylineproduction.Thedesignofthisarticle,includinghardwareandsoftwaredesign.Hardwaredesign,includingthedesignandinstallationofMitsubishiFX2NPLCexternalcircuit;softwarepartincludingthedesignanddebugging.Designedsystemwilleventuallybeabletoachievethefollowingfunctions:
(1)transportingtheemptybottles,filling,fillingvolumecanbesetaccordingtotheemptybottlesize;
(2)ofthefullbottleoftransportationandcounting;(3)canbeachievedmanuallyreset.ThesystemmainlyuseMitsubishiPLC,sensors,relays,tripswitchesandotherdevices,PLCautomaticcontrol,unmannedproductionprocesscontrolofbeveragecans.
[KeyWords]:
Assemblylines;PLC;Theunmannedcontrol;Beveragefilling
目 录
1.引 言1
1.1本论文的研究意义1
1.2本论文的主要方法和研究进展1
1.3本论文的研究切入点或主要内容1
1.4本论文解决的关键问题2
2.PLC控制系统与电器控制系统3
2.1控制方法3
2.2工作方式3
2.3控制速度3
2.4定时和计数控制4
2.5可靠性和可维护性4
2.6PLC相较于电器控制的优势4
3.装配流水线总体方案设计7
3.1任务的分析7
3.2硬件方案设计7
3.3软件方案设计8
3.3.1经验设计法8
3.3.2逻辑设计法8
4.系统元件的选择10
4.1PLC的选型10
4.2电动机的选型10
4.3接触器的选型10
4.4热继电器的选型11
4.5开关电器、熔断器的选型11
4.6传感器的选型11
5.系统的硬件电路实现13
5.1系统硬件结构框图13
5.2主电路的设计13
5.3控制电路的设计14
6.系统程序的设计16
6.1控制要求和控制过程分析16
6.2I/O端口分配17
6.3梯形图18
6.3.1初始化程序18
6.3.2启动和停止18
6.3.3流水线主控程序18
6.3.4闪烁报警程序20
6.3.5记数程序20
结 论22
致 谢23
参考文献24
附录125
附录228
1.引 言
1.1本论文的研究意义
流水线是指劳动对象按照一定的工艺路线,顺序的通过各个工作地,并按照统一的生产速度(节拍)完成工艺作业的连续的重复的生产过程。
流水生产是把高度的对象专业化生产和劳动对象的平行移动方式有机结合起来的一种先进的生产组织形式。
它具有以下特征:
(1)工作地的专业化程度高;
(2)具有明显的节奏性;
(3)各工序的生产能力平衡或成比例;
(4)工艺过程封闭、单向;
(5)具有高度的连续性。
20世纪初,美国人亨利.福特首先采用了流水线生产方法,在他的工厂内,专业化分工非常细,仅一个生产单元的工序竟然多达7882种,为了提高工人的劳工效率,福特反复试验,确定了一条装配线上所需要的工人,以及每道工序之间的距离。
这样一来,每个汽车底盘的装配时间从12小时28分缩短到1小时33分。
大批量生产的主要生产组织方式为流水生产,其基础是由设备、工作地和传送装置构成的设施系统,即流水生产线。
最典型的流水生产线是汽车转配生产线。
流水生产线是为特定的产品和预定的生产大纲所设计的;生产作业计划的主要决策问题在流水生产线的设计阶段中就已经做出规定[1]。
1.2本论文的主要方法和研究进展
本论文主要方法是以文献研究法、调查研究法、行动研究法和自己掌握的PLC知识作为引导,并且查阅了很多资料最终实现了自己所预想的效果。
但是还有很大的发挥空间,我会在以后的工作学习中继续研究学习。
1.3本论文的研究切入点或主要内容
本论文注重以实际生产为主,在许多的工厂车间需要用到传送带来解放劳动资源,提高了生产效率,我所做的课题是一个饮料加工车间流水线生产,系统通过开关设定为自动操作模式,一旦启动,则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或灌装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止;瓶子装满饮料后,传送带驱动电机必须自动启动,并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。
当瓶子定位在灌装设备下时,停顿1秒,灌装设备开始工作,灌装过程为小瓶装5秒钟,大瓶装8秒钟,然后均上盖时间为2秒,灌装和上盖过程应有报警显示,上盖过程停止并不再显示报警;报警方式为红灯以0.5秒间隔闪烁。
与此同时对生产的饮料进行计数,大小瓶均为5瓶为一箱。
在电动机运转时按下停止按钮,系统会马上停止工作。
而在系统进行灌装和加盖时按下停止按钮,系统不会马上停止工作,而要待加盖工作完成后,系统最终停止工作。
1.4本论文解决的关键问题
利用PLC良好的自动控制性能,本文所设计的装配生产流水线的控制系统基本上实现了饮料罐装生产过程的无人控制。
基于PLC的装配生产流水线的控制系统为饮料罐装生产提供了极大地便利,在各种饮料罐装生产行业迅猛发展。
随着生产社会化水平的不断提高,基于PLC的饮料灌装生产流水线的控制系统不仅仅局限于饮料罐装生产行业,它在现代的芯片封装,产品包装等流水线作业生产方面也有着相当广阔的前景。
2.PLC控制系统与电器控制系统
PLC控制系统与电器控制系统相比,有许多相似之处,也有很多不同之处,不同之处在一下几个方面:
2.1控制方法
电器控制系统控制逻辑采用硬件连线,利用继电器机械触点的串联或者并联等组合控制逻辑,其连线多且复杂、体积大、功耗大、系统构成后,想再改变或者增加功能较为困难。
另外,继电器的触点数量有限,所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。
而PLC采用了计算机技术,其控制逻辑是以程序的方式存放在储存器中,要改变控制逻辑只需要改变程序,因而很容易改变或增加系统功能。
系统连线少、体积小、功耗小,而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态,所以“软继电器”的触点数量是无限的,PLC系统的灵活性和可扩展性好[2]。
2.2工作方式
在继电器控制电路中,当电源接通时,电路中所有继电器都处于受制约状态,即该吸合的继电器都同时吸合,不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合,这种工作方式称为并行工作方式,而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行,所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中,受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定程序扫描顺序,这种工作方式称为串行工作方式。
2.3控制速度
继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制,工作频率低,机械触点还会出现抖动问题。
而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制,速度快,程序指令执行时间在微秒级,且不会出现触点抖动问题。
2.4定时和计数控制
电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制,时间继电器的延时时间受环境温度和温度变化的影响,定时精度不高。
而PLC采用半导体集成电路做定时器,时钟脉冲由晶体振荡器产生,精度高,定时范围宽,用户可根据需要在程序中设定定时值,修改方便,不受环境影响,且PLC具有计数功能,而电器控制系统一般不具备计数功能。
2.5可靠性和可维护性
由于电器控制系统使用了大量的机械触点,其存在机械磨损、电弧烧伤等,寿命短,系统的连线多,所以可靠性和可维护性较差,而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成,其寿命长、可靠性高,PLC还具有自诊断功能,能查出自身的故障,随时显示给操作人员,并能动态地监视控制程序的执行情况,为现场调试和维护提供了方便。
2.6PLC相较于电器控制的优势
一、可靠性高,抗干扰能力强
工业生产对控制设备的可靠性要求:
①平均故障间隔时间长。
②故障修复时间(平均修复时间)短任何电子设备产生的故障,通常为两种:
一为偶发性故障。
由于外界环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。
这类故障,只要不引起系统部件的损坏,一旦环境条件恢复正常,系统也随之恢复正常。
但对PLC而言,受外界影响后,内部存储的信息可能被破坏。
二为永久性故障。
由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。
如果能限制偶发性故障的发生条件,如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围,使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常,这样就能提高平均故障间隔时间;如果能在PLC增加一些诊断措施和适当的保护手段,在永久性故障出现时,能很快查出故障发生点,并将故障限制在局部,就能降低PLC的平均修复时间。
为此各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施,使PLC除了本身具有较强的自诊断能力,能及时给出出错信息,停止运行等待修复外,还能使PLC具有了很强的抗干扰能力。
硬件措施:
主要模块均采用大规模或超大规模集成电路,大量开关动作由无触点的电子存储器完成,I/O系统设计有完善的通道保护盒信号调整电路。
(1)屏蔽——对电源变压器、cpu、编程器等主要部件,采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽,以防外界干扰。
(2)滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波,如PL或者π型滤波网络,以消除或者抑制高频干扰,也削弱了各种模块之间的互相影响。
(3)电源调整与保护——对微处理器这个核心部件所需的+5V电源,采用多级滤波,并用集成电压调整器进行调整,以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。
(4)隔离——在微处理器与I/O电路之间,采用光电隔离措施,有效地隔离I/O接口与cpu之间的联系,减少故障和误动作,各I/O口之间亦彼此隔离。
(5)采用模块式结构——这种结构有助于在故障情况下短时修复。
一旦查出某一模块出现故障,能迅速更换,使系统恢复正常工作,同时也有助于加快查找故障原因。
软件措施:
(1)有极强的自检及保护功能。
(2)故障检测——软件定期地检测外界环境,如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等,以便及时进行处理。
(3)信息备份与恢复——当偶发性故障条件出现时,不破坏PLC内部的信息。
(4)设置警戒时钟WDT(看门狗)——如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间,预示了程序进入死循环,立即报警。
(5)加强对程序的检查和校验——一旦程序有错,立即报警并停止执行。
(6)对程序及动态数据进行电池后备——听电话,利用后备电池供电,有关状态及信息就不会丢失[3]。
二、配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
三、易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
四、系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
五、体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备[4]。
3.装配流水线总体方案设计
3.1任务的分析
本次设计的任务是以三菱FX2N系列PLC作为处理核心,用行程开关、传感器将生产过程中的信号(如空瓶的运行的位置、饮料瓶的大小等等)处理后送给PLC处理器,由PLC对数据进行运算,然后输出驱动信号(如接触器、电磁阀等等)来完成饮料罐装生产过程的流水线操作。
该系统的总体思路:
此生产线为全自动控制的,生产线一旦上电,PLC将通过软件对生产线进行自动控制:
通过输出继电器控制传送带的停转和对饮料瓶灌装的控制,实现对系统状态的显示,并且通过PLC内部的计数器对所生产的产品进行计数。
3.2硬件方案设计
饮料的灌装是采用了饮料灌装机,饮料灌装机将灌装装置以及封盖装置集合在一起,使饮料的灌装稳定、高效的完成。
对于饮料瓶大小的区别是通过反射式光电传感器工作来实现的。
利用辅助继电器对计数器进行正电平触发来实现对所生产产品的计数。
生产流水线结构如图3-1所示。
系统的工作原理:
系统一旦上电,传送带驱动电动机运转,待空饮料瓶行至行程开关,行程开关闭合,电动机停转,灌装设备通过阀门的关断来控制饮料灌装的时间,待饮料灌装过程完毕后电动机恢复转动,如此循环实现生产线上的自动控制。
对于传送带上的饮料瓶大小的区分,是通过下图中所在位置的反射式光电传感器工作来实现的。
图3-1生产流水线结构图
3.3软件方案设计
3.3.1经验设计法
梯形图的经验设计法是比较广泛的一种方法。
这种方法没有普遍的规律可以遵循,具有很大的试探性很随意性,最后的结果不是唯一的。
该方法的核心是输出线圈。
以下是经验设计方法的基本步骤:
(1)了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况。
(2)确定PLC的输入信号和输出负载,画出PLC的外部接线图。
(3)确定与继电器电路图的中间继电器,时间继电器对应的梯形图中的辅助继电器(M)和定时器(T)的元件号。
(4)根据前面的对应关系画出梯形图。
3.3.2逻辑设计法
逻辑设计法的理论基础是逻辑代数,而继电器控制系统的本质是逻辑线路。
看一个电气控制线路都会发现,线路的接通和断开,都是通过继电器等元件的触点来实现的,故控制线路的种种功能必定取决于这些触点的开、合两种状态。
因此电气控制电路从本质上说是一种逻辑线路,它符合逻辑运算的基本规律[5]。
图3-2是本课题的PLC逻辑设计步骤。
图3-2PLC逻辑设计步骤
4.系统元件的选择
4.1PLC的选型
根据饮料罐装自动生产线的工艺流程图,PLC控制系统的输入信号有5个,且均为开关量。
PLC控制系统的输出信号有6个。
FX2N系列的PLC只有继电器输出方式和晶体管输出方式两种。
继电器输出方式其特点是:
可使用交直流电源,其动作慢,但安全隔离效果好,可靠性高;晶体管输出方式其特点是:
只能使用直流电源,其响应速度最快——场效应管输出模块的工作频率可达20kHz,但过载能力较差。
综合以上信息,并结合经济实用性的考虑,控制系统选用FX2N型号的PLC:
继电器输出;输人点数输出点数均为16点,可以满足工艺要求,且留有一定的余量,便于以后的修改和扩展[7]。
4.2电动机的选型
目前市面上的电动机类型多种多样,用于驱动传送带传送的电动机的类型也数不胜数。
基于该系统的控制要求与各类型电动机的结构特点和工作场合,并考虑到经济性和实用性,本系统选择的电动机型号为Y132M-4,其性能参数如表4-1所示[8]。
表4-1Y132M-4型电动机的性能参数
电流
电压
堵转转矩
最大转矩
额定转速
极数
频率
额定功率
15.4A
380V
2.2n.m
2.3n.m
1440r/min
4
50Hz
7.5KW
4.3接触器的选型
接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器,主要控制对象是电动机。
通用接触器可大致分以下两类:
(1)交流接触器。
主要有电磁机构、触头系统、灭弧装置等组成。
常用的是CJ1、0CJ12、CJ12B等系列。
(2)直流接触器,一般用于控制直流电器设备,线圈中通以直流电,直流接触器的动作原理和结构基本上与交流接触器是相同的。
接触器的选型有诸多因素外与负载密切相关一般三相异步电机的起动电流为额定电流的3-5倍。
综上所述,本系统选用CJ10-40接触器:
额定电流为40A,额定电压为380V。
4.4热继电器的选型
热继电器由两部分组成,每一部分安装的位置不同。
一部分是主触点,接在电动机与接触器KM之间。
另一部分是接在控制电路中,与接触器KM的线圈电路相串联。
热继电器在控制线路中起过载保护的功能。
热继电器是采用双金属热元件,动作机构,常闭触头和常开触头,复位按钮及整定电流调节旋钮等构成。
根据双金属热元件的数目可分为两极和三极型热器,而三极型又分带断相保护和不带断相保护两种。
主电动机M1的额定电流15A,FR1可以选用JR16,热元件电流为20A,电流整定范围为14-22A工作时将额定电流调整为15A[9]。
4.5开关电器、熔断器的选型
行程开关是一种由物体的位移来决定电路通断的开关,选用型号为LXK2-131型。
熔断器选用RL1-15型熔点器,熔体的额定电流为30A[6]。
4.6传感器的选型
系统中运用传感器对饮料瓶的大小进行区别,根据设计需要选择反射式光电传感器。
反射式光电传感器的工作原理如图4-2所示。
图4-2反射式光电传感器原理图
5.系统的硬件电路实现
5.1系统硬件结构框图
系统的硬件分为主电路、控制电路、辅助电路三大部分,控制电路控制主电路,辅助电电路起辅助信号显示的作用,它们之间的关系如图5-1所示:
图5-1硬件电路关系图
5.2主电路的设计
传送带用电动机M1来运行,并用接触器KM1来控制电动机的运行与停止。
由热继电器FR1实现过载保护。
断路器QF1、QF2、QF3将三相电源引入,同时QF1、QF2、QF3为电路提供短路保护。
饮料罐装生产的主控制电路如图5-2所示。
图5-2主控制电路图
5.3控制电路的设计
PLC控制系统的输入信号有5个,且均为开关量。
其中各种单操作按钮开关3个,分别SB0启动按钮、SB1停止按钮、SB10手动复位按钮。
行程开关1个,传感器开关1个。
PLC控制系统的输出信号有6个,其中1个用于驱动传送带电动机的接触器KM1,3个电磁阀分别用于大瓶和小瓶的封盖及饮料罐装,2个用于生产线上的状态显示。
如图5-3所示[10]。
图5-3三菱PLC外部接线图
6.系统程序的设计
6.1控制要求和控制过程分析
系统通过开关设定为自动操作模式,一旦启动,则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或灌装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止;瓶子装满饮料后,传送带驱动电机必须自动启动,并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。
当瓶子定位在灌装设备下时,停顿1秒,灌装设备开始工作,灌装过程为小瓶装5秒钟,大瓶装8秒钟,然后均上盖时间为2秒,灌装和上盖过程应有报警显示,上盖过程停止并不再显示报警;报警方式为红灯以0.5秒间隔闪烁。
与此同时对生产的饮料进行计数,大小瓶均为5瓶为一箱。
在电动机运转时按下停止按钮,系统会马上停止工作:
而在系统进行灌装和加盖时按下停止按钮,系统不会马上停止工作,而要待加盖工作完成后,系统最终停止工作。
系统过程流程图如下图6-1所示。
图6-1过程流程图
6.2I/O端口分配
表6-2I/O端口分配表
输入信号
输出信号
名称
功能
编号
名称
功能
编号
SB0
启动按钮
X0
KM1
传送带电动机
Y0
SB1
停止按钮
X1
YV1
灌装电磁阀
Y1
ST0
行程开关
X2
YV2
小瓶封盖
Y2
S0
光电传感器
X3
YV3
大瓶封盖
Y3
SB10
手动复位
X10
HL10
系统上电显示
Y10
HL11
灌装过程显示
Y11
6.3梯形图
6.3.1初始化程序
初始化,启动时、按下复位钮将程序中用到的计数器置零。
如下图6-3所示。
图6-3初始化程序梯形图
6.3.2启动和停止
按下X0启动,上电指示灯亮。
按下X1停止。
如下图6-4所示。
图6-4启动和停止梯形图
6.3.3流水线主控程序
生产流水线主控电路的自动控制:
系统通过开关设定为自动操作模式,一旦启动,则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或灌装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止;瓶子装满饮料并上盖后,传送带驱动电机必须自动启动,并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作;当瓶子定位在灌装设备下时,停顿1秒,灌装设备开始工作,对于大瓶灌装8秒钟,小瓶则灌装5秒钟,待灌装过程完毕再对饮料瓶进行上盖,上盖时间为2秒钟。
当系统正在运行装罐时,按下停止按钮,系统并不会马上停止运行,待上盖工作结束后,系统最终停止运转。
如下图6-5所示。
图6-5流水线主控程序梯形图
6.3.4闪烁报警程序
罐装和上盖过程中闪烁
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