YL-335F型自动化生产线设计

毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 1 页 装 订 线 毕 业 论 文 课题名称 亚龙 YL-335F 型自动化生产线设计 系/专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师： 2001 年 5 月 日 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 2 页 装 订 线 摘摘 要要 随着科技的不断发展，现代化的自动生产设备越来越多的运用到工业生产中。因此，培养 掌握机电一体化技术，掌握 PLCPLC 技术及 PLCPLC 网络技术的技术人才是当务之急。亚龙 YL-335F 型 工业电气自动化及网络实训装置是一台针对于培养机电一体化技术的人才的实训设备。亚龙 YL- 335F 型工业电气自动化及网络实训装置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） 、传感器应用技术、PLC 控制和组网、变频器技术等工业中常用的多 种技术。 本文主要阐述了亚龙 YL-335F 型工业电气自动化及网络实训装置基本的组成结构和功能。 亚龙 YL-335F 型工业电气自动化及网络实训装置在铝合金导轨式实训台上安装供料、洗瓶、灌 装、加盖、分拣等工作单元，构成一个典型的啤酒自动灌装生产线的机械平台，系统各机构采 用了气动驱动、变频器驱动和步进控制。在控制方面，使用西门子 S7-300PLC、S7-200PLC 及各 扩展模块，通过 PROFIBUS DP 组态,使得各个 PLC 及各个模块之间互相通讯，实现各个独立单元 的数据通讯。另外，通过编码器对位置的控制，各个单元能很好的实现本单元的功能。在该设 备中，我们还使用了人机界面面，通过触摸屏，控制生产线的启动、停止等功能。 关键词关键词：PROFIBUS DP 人机界面 传感器应用技术 气动控制技术 机械技术 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 3 页 装 订 线 AbstractAbstract With the continuous development of science and technology, modern automatic production equipment more and more applied to industrial production. Therefore, cultivation of master electromechanical integration technology, grasps the PLC technology and PLC network technology talent is critical. Yalong YL - 335F type industrial electrical automation and network training device is a based on cultivating the mechatronics technology talent training equipment. Yalong YL - 335F type industrial electrical automation and network training device comprehensive application of various technical knowledge, such as pneumatic control technology, mechanical technology (mechanical transmission, mechanical connection, etc), sensor application technology, PLC control and network, inverter technology industry commonly used many kinds of technology. This article mainly expounds the yalong YL - 335F type industrial electrical automation and network training device basic composition structure and function. Yalong YL - 335F type industrial electrical automation and network training device in aluminum alloy guide type training platform for feeding, washing bottles installation, filling and be capped, sorting, etc unit, constitute a typical beer automatic filling line mechanical platform, system agencies adopted pneumatic drive, frequency converter drive and stepping control. In control, the use of Siemens s7- 300 s7-200 PLC and mill, each extension module, through the PROFLBUS DP configuration, making each PLC and each module, to realize mutual communication between each independent unit data communications. In addition, through the encoder to position control, each unit can be a very good realizing the function of this unit. In the device, we still USES the man-machine key surface, through the touch screen, control line start and stop, and other functions. KeywordsKeywords：PROFLBUS DP The man-machine key surface sensor application technology pneumatic control technology mechanical technology 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 4 页 装 订 线 目 录 1.1.亚龙亚龙 YL-335FYL-335F 型工业电气自动化及网络实训设备型工业电气自动化及网络实训设备.5 1.1 概述.5 1.2 配置.5 1.3 设备总体结构.5 1.4 技术参数.5 2.2.亚龙亚龙 YL-335FYL-335F 型生产线机构说明型生产线机构说明.7 2.1 工作原理.7 2.2 供料单元.7 2.3 清洗单元.8 2.4 灌装单元.9 2.5 加压盖单元.10 2.6 贴标机构.11 2.7 输送分拣及存储单元.12 2.8 控制模块介绍.12 2.8.1 PLC 模块.12 2.8.2 触摸屏控制.13 2.8.3 电源及指示报警显示.13 2.9 电气接线.13 3.1 气动控制系统.15 3.2 传感器使用说明.16 3.2.1 常用传感器的使用说明.16 3.3.2 磁性开关的使用说明.19 3.3.3 步进电机的使用说明.20 4 4变频器变频器.23 4.1 MM420 变频器的安装和接线.23 4.2 MM420 变频器的 BOP 操作面板.25 4.3 MM420 变频器的参数.27 4.4 MM420 变频器的参数访问.28 5 5网络控制方案网络控制方案.30 总总 结结.35 致致 谢谢.36 参考文献参考文献.37 西门子 S7-300I/O 分配图.38 西门子 S7-200I/O 分配图.39 附录附录 2 2.40 附图一：220V 电源原理图.40 附图二：S7300 远程 I/O 电源接线图.41 附图三：供料单元接线原理图.42 附图四：清洗单元接线原理图.43 附图五：灌装单元接线原理图.44 附图六：封盖单元接线原理图输入端.45 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 5 页 装 订 线 附图七：封盖单元接线原理图输出端.46 附图八：压盖单元接线原理图.47 附图九：检测分拣单元接线原理图输入端.48 附图十：检测分拣单元接线原理图输出端.49 附图十一：贴标单元接线原理图.50 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 6 页 装 订 线 1.亚龙 YL-335F 型工业电气自动化及网络实训设备 1.1 概述 该装置为机械、现代自动化控制、传感器应用技术等技术应用、研发方向的学生、研究生 及老师，提供一个开放性、技术实操性强的实训平台。整套设备模拟工业自动化生产线的生产 过程。亚龙 YL-335F 型工业电气自动化及网络实训装置在铝合金导轨式实训台上安装供料、洗 瓶、灌装、加盖、分拣等工作单元，构成一个典型的啤酒自动灌装生产线的机械平台，系统各 机构的采用了气动驱动、变频器驱动和步进控制。因此，亚龙 YL-335F 型工业电气自动化及网 络实训装置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） 、 传感器应用技术、PLC 控制、变频器技术等工业中常用的多种技术；电气部分包括可编程控制器、 气动系统、以及各种检测传感器组成的检测系统；传动执行部分有气缸传动、皮带传动；驱动 部分包括气动系统等。 1.2 配置 该装置配置了可编程控制器（西门子 S7-200、S7-300） 、气动装置、液压装置、传感器、供 料装置、清洗装置、灌装装置、加压盖装置、贴标装置、分拣装置等实训机构。整个系统为模 块化结构，提供开放式实训平台，实训可根据不同的实训要求进行组合。 系统的控制部分采用可编程控制器（西门子 S7-200、S7-300） ，执行机构由气动电磁阀-气 缸构成的气压驱动装置，实现了整个系统连续自动运行。整个实训装置的单元之间信号控制线 与驱动信号线都引到接线排上，又保证电路连接的快速、安全和可靠。 1.3 设备总体结构 亚龙 YL-335F 型工业电气自动化及网络实训装置由安装在铝合金导轨式实训台上的供料单 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 7 页 装 订 线 元、清洗单元、灌装单元、加压盖单元、贴标单元和分拣单元 6 个单元组成。 在亚龙 YL-335F 型工业电气自动化及网络实训装置上应用了磁感应式接近开关（或称磁性 开关） ，电感式接近开关，对射光电传感器，漫反射光电开关和光纤型光电传感器等多种类型的 传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的材质、气缸所处状态等多种功能。 在亚龙 YL-335F 型工业电气自动化及网络实训装置上采用了多种 PLC 模块，如：西门子 S- 700,西门子数字量输出模块，西门子 ET200M 分布式接口模块等，可以满足多种控制需求。 1.4 技术参数 1、工作电源：220VAC10% 50 Hz； 2、设备外形尺寸：长宽高=1490 mm885 mm855 mm； 3、电脑桌外形尺寸：长宽高600mm530mm1000mm； 4、台架材料：铝钢结构； 5、整机消耗视在功率：1 KVA； 6、安全保护措施：具有接地保护、漏电过载过流保护功能，具有误操作保护功能；安全性 符合相关的国标标准，所有材质均符合环保标准。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 8 页 装 订 线 2.亚龙亚龙YL-335F型生产线机构说明型生产线机构说明 2.1 工作原理 系统上电后在，若系统不再初始位置，则检查各气缸是否在初始位置；当系统复位到初始 位置后，料仓检测传感器检测料仓有工件时，系统处于可运行状态。系统启动后，供料单元开 始供料，供料完成后，启动输送单元对工件进行搬运，到达清洗单元后，启动清洗单元，对工 件进行模拟清洗动作，清洗完成后输送单元继续工作，把工件搬运到灌装单元，进行模拟灌装， 灌装单元工作完成后，输送单元继续工作把工件搬运到加压盖单元的落料口，加压盖单元检测 到工件后启动加压机构，对工件进行加盖，压盖，加压盖完成后输送单元继续工作，把工件搬 运到贴标单元，进行模拟贴标，贴标单元工作完成后输送单元继续工作，把工件搬运到分拣单 元，进行成品分拣，分拣结束后一个工作周期结束。系统的工作方式分为两种：单周期工作方 式和多周期工作方式。单周期工作方式下系统只供给一个工件工作，工作结束后系统自动停止； 多周期工作方式下供料单元连续供料工作，直到供料单元缺料才停止供料，系统工作完成后自 动停止。 2.2 供料单元 图图 2-1 供料模块供料模块 供料单元总成：由一只气缸、一套井式料仓和一个 U 型落料口组成，它的作用是储料和向 系统提供工件，供料单元的构成如图 2-1 所示，运动部分主要包括料仓和推料气缸。已经放置在 纵向料仓中的工件检测传感器检测到位，被单杆气缸驱动的推料板向前推动，当工件被推到位 后，推料气缸缩回，工件利用重力通过 U 型落料口掉落在输送带上，完成一次供料过程。输送 带的作用为工件提供一个运输通道和工件时提供一个加工平台。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 9 页 装 订 线 2.3 清洗单元 图图 2-2 清洗单元清洗单元 清洗单元是将由输送单元搬运过来的工件，对其模拟清洗的过程 。 清洗单元的结构组成如图 2-2 所示，该单元主要由一只标准缸、一台直流电机和相应的传感 器组成，其功能是完成对工件的清洗工作。当输送单元将工件搬运至清洗机加工位后，清洗机 上的标准气缸动作，同时清洗电机转动对工件进行清洗。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 10 页 装 订 线 2.4 灌装单元 图图 2-3 灌装单元灌装单元 灌装单元是将由输送单元搬运过来的工件，对其模拟灌装加工的过程。 灌装单元的结构组成如图 2-3 所示，该单元主要由一只标准气缸、灌装结构及相应的传感器 组成，其功能是完成对工件的模拟灌装工作。当输送单元将工件搬运至灌装位后，灌装机上的 标准气缸动作，对工件进行模拟清洗。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 11 页 装 订 线 2.5 加压盖单元 图图 2-4 加压盖单元加压盖单元 加压盖单元是将由输送单元搬运过来的工件，对其模拟加盖、压盖处理的过程。 加压盖单元的结构组成如图 2-4 所示，该单元主要由三只标准气缸、加压盖结构及相应的传 感器组成，其功能是完成对工件的模拟加压盖工作。当输送单元将工件搬运至加压盖位后，加 盖机构推出一个瓶盖，接着压盖汽缸动作对工件进行模拟压盖。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 12 页 装 订 线 2.6 贴标机构 图图 2-5 贴标机构贴标机构 贴标单元是将由输送单元搬运过来的工件，对其模拟贴标的过程。 贴标单元的结构组成如图 2-5 所示，该单元主要由一台步进电机、贴标结构及组成，其功能 是完成对工件的模拟贴标工作。当输送单元将工件搬运至贴标位后，步进电机带动贴标机构旋 转，对工件进行模拟贴标。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 13 页 装 订 线 2.7 输送分拣及存储单元 图图 2-4 输送分拣及存储单元输送分拣及存储单元 该单元主要由一台直线皮带输送机、一套成品分拣机构、旋转编码器及一台变频器组成。 其功能是实现工件在各个单元的之间的传送以及成品的工件根据不同的材质分别放入相应该不 的库槽中实现成品的分拣。结构组成如图 2-4 所示。 2.8 控制模块介绍 本装置电气部分：由 S7-300PLC 为主控机，西门子 ET200M 和 ET200S 分布式 I/O 接口模 块装置，S7-200，触摸屏、稳压开关电源及报警指示灯组成。 2.8.1 PLC 模块 PLC 主控机用于按程序控制各执行部件的动作，从而完成预先设定的工作程序。主控机外 接西门子 ET200M、ET200S 分布式 I/O 接口模块模块和 S7-200PLC，不但保证了本装置控制对 I/O 需求，也为教学过程中的扩展提供保障。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 14 页 装 订 线 2.8.2 触摸屏控制 本装置配置了西门子触摸屏 TP177A 来控制整个系统，可在触摸屏上进行启动、停止、急 停及可显示加工的工件累计个数和油压表的压力读数，并有运行、停止、料不足和缺料等指示 灯，并且能够监控整个系统的 I/O 状态。控制画面如图 2-7 所示。 图图 2-7 触摸屏控制画面触摸屏控制画面 2.8.32.8.3 电源及指示报警显示电源及指示报警显示 24VDC 稳压开关电源：向各个 24VDC 用电部件提供稳定的电源。该电源的额定负载电源 为：6A； 报警指示灯总成：该指示灯由一个红色灯、一个绿色灯和黄灯组成，可以表达 9 条。上电 待机、正常运行、缺料报警等。 2.92.9 电气接线电气接线 亚龙亚龙 YL-335FYL-335F 型工业电气自动化及网络实训装置型工业电气自动化及网络实训装置的机械装置和电气控制是相对分离的。机 械装置整体安装在底板上，而控制装置则安装在工作台的网孔板上。机械装置上的各电磁阀和 传感器的引线均连接到装置侧的接线端口上。PLC 的 I/O 引出线则连接到 PLC 侧的接线端口上。 两个接线端口间通过多芯信号电缆互连。图 2-8 和图 2-9 分别是装置侧的接线端口和 PLC 侧的 接线端口。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 15 页 装 订 线 图图 2-82-8 装置侧的接线端口装置侧的接线端口 图图 2-92-9 PLCPLC 侧的接线端口侧的接线端口 装置侧的接线端口的接线端子采用三层端子结构，上层端子用以连接 DC24V 电源的+24V 端， 底层端子用以连接 DC24V 电源的 0V 端，中间层端子用以连接各信号线。 PLCPLC 侧的接线端口的接线端子采用两层端子结构，上层端子用以连接各信号线,其端子号与 装置侧的接线端口的接线端子相对应。底层端子用以连接 DC24V 电源的+24V 端和 0V 端。 装置侧的接线端口和 PLCPLC 侧的接线端口之间通过专用电缆连结。其中 25 针接头电缆连接 PLC 的输入信号，15 针接头电缆连接 PLC 的输出信号。 另外 S7-300、ET200S、ET200S 所接传感器为 PNP 型，若所选传感器为 NPN 型，则需先转 换成 PNP 型再接到 PLC 上。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 16 页 装 订 线 3.气动控制系统及传感器的应用 3.1 气动控制系统 本系统气动主要分为两部分：1、气动执行元件部分有双作用单出杆气缸等。2、气动控制 元件部分有单控电磁换向阀、节流阀、磁性限位传感器等。 气缸示意图如图 3-1 所示： 图图 3-1 气缸示意图气缸示意图 注：注：气缸的正确运动使物料分到相应的位置，只要交换进出气的方向就能改变气缸的伸出 （缩回）运动，气缸两侧的磁性开关可以识别气缸是否已经运动到位。滑台气缸的工作原理也 是如此。 单电控换向阀示意图如图 3-3 所示： 图图 3-2 单电控换向阀示意图单电控换向阀示意图 注：注： 单向电控阀用来控制气缸单个方向运动，实现气缸的伸出、缩回运动。与双向电控阀 区别在双向电控阀初始位置是任意的可以随意控制两个位置，而单控阀初始位置是固定的只能 控制一个方向。 气动手爪控制如图 3-3 所示： 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 17 页 装 订 线 图图 3-43-4 手爪控制示意图手爪控制示意图 当手爪由单向电控气阀控制时，如上图所示，电控换向阀线圈得电，手爪夹紧；电控换向 阀线圈断电，手爪张开。 当手爪由双向电控气阀控制时，手爪抓紧和松开分别由一个线圈控制，在控制过程中不允 许两个线圈同时得电。 3.2 传感器使用说明 3.2.13.2.1 常用传感器的使用说明 电感式接近传感器由高频震荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。震荡器在传感器检 测面产生一个交变电磁场，当金属物料接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了震荡器 的能量。使震荡减弱以至停滞。震荡器的震荡及停振这两种状态，转换为电信号通过整形放大 器转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。 光电传感器是一种红外调制型无损检测光电传感器。采用高效果红外发光二极管光敏三极 管作为光电转换元件。工作方式有同轴反射和对射型。在本实训装置中均采用同轴反射型光电 传感器，它们具有体积小，使用简单，性能稳定，寿命长，响应速度快，抗冲击，耐震动，接 受不受外界干扰等优点。 光纤型传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两个 部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。光纤传感 器组件如图 3-6 所示。图 3-7 是放大器的安装示意图。 光纤传感器是光电传感器的一种。光纤传感器具有下述优点：抗电磁干扰、可工作于恶劣 环境，传输距离远，使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，所以可以安装在很小空 间的地方。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 18 页 装 订 线 图图 3-63-6 光纤传感器组件光纤传感器组件 图图 3-73-7 光纤传感器组件外形及放大器的安装示意光纤传感器组件外形及放大器的安装示意 光纤式光电接近开关的放大器的灵敏度调节范围较大。当光纤传感器灵敏度调得较小时， 检测较远的物体光电探测器无法接收到反射信号；而检测较近的物体光电探测器就可以接收到 反射信号。所以在调节时一定要把灵敏度调到适当范围。 图 3-8 给出了放大器单元的俯视图，调节其中部的 8 旋转灵敏度高速旋钮就能进行放大器 灵敏度调节（顺时针旋转灵敏度增大） 。调节时，会看到“入光量显示灯”发光的变化。当探测 器检测到物料时， “动作显示灯”会亮，提示检测到物料。 图图 3-83-8 光纤传感器放大器单元的俯视图光纤传感器放大器单元的俯视图 E3Z-NA11E3Z-NA11 型光纤传感器电路框图如图 3-9 所示，接线时请注意根据导线颜色判断电源极性 和信号输出线，切勿把信号输出线直接连接到电源+24V 端。 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 19 页 装 订 线 图图 3-93-9 E3X-NA11E3X-NA11 型光纤传感器电路框图型光纤传感器电路框图 在亚龙 YL-335F 型工业电气自动化及网络实训装置上所使用的气缸都是带磁性开关的气缸。 这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。在非磁性体的活塞上安 装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场。而安装在气缸外侧的磁 性开关则是用来检测气缸活塞位置，即检测活塞的运动行程的。 磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件。舌簧开关成型于合成树脂块内，并且一般还有动作 指示灯、过电压保护电路也塑封在内。图 3-10 是带磁性开关气缸的工作原理图。当气缸中随活 塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开 关后，簧片失磁，触点断开。触点闭合或断开时发出电控信号，在 PLC 的自动控制中，可以利 用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。 图图 3-103-10 带磁性开关气缸的工作原理图带磁性开关气缸的工作原理图 在磁性开关上设置的 LED 显示用于显示其信号状态，供调试时使用。磁性开关动作时，输 出信号“1” ，LED 亮；磁性开关不动作时，输出信号“0” ，LED 不亮。 磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动， 到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。 磁性开关有蓝色和棕色 2 根引出线，使用时蓝色引出线应连接到 PLCPLC 输入公共端，棕色引 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 20 页 装 订 线 出线应连接到 PLCPLC 输入端。磁性开关的内部电路如图 3-11 中虚线框内所示。 图图 3-113-11 磁性开关内部电路图磁性开关内部电路图 3.3.2 磁性开关的使用说明 磁性开关是用来检测气缸活塞位置的，即检测活塞的运动行程的。它可分为有触点式和无 触点式两种。本装置上用的磁性开关均为有触点式的。它是通过机械触点的动作进行开关的通 （ON）断（OFF） 。 用磁性开关来检测活塞的位置，从设计、加工、安装、调试等方面，都比使用其他限位开 关方式简单、省时。触点接触电阻小，一般为 50200m，但可通过电流小，过载能力较差， 只适合低压电路。 响应快，动作时间为 1.2ms。耐冲击，冲击加速度可达 300,无漏电流存在。 2 /m s 使用注意事项： 1）安装时，不得让开关受过大的冲击力，如将开关打入、抛扔等； 2）不要把控制信号线与电力线（如电动机供电线等）平行并排在一起，以防止磁性开关的 控制电路由于干扰造成误动作； 3）磁性开关的连接线不能直接接到电源上，必须串接负载，且负载绝不能短路，以免开关 烧坏； 4）带指示灯的有触点磁性开关，当电流超过最大允许电流时，发光二极管会损坏；若电流 在规定范围以下，发光二极管会变暗或不亮。 5）安装时，开关的导线不要随气缸运动，不仅仅是导线易断，而且应力加在开关内部，开 关内部元件可能破坏； 6）磁性开关不要用于有磁场的场合，这会造成开关的误动作，或者使内部磁环减磁； 7）DC24V 带指示灯的开关是有极性的，茶色线为“+” ，蓝色线为“-” ；本实训装置中所用 到的均为 DC24V 带指示灯有触点开关； 毕业设计（论文）报告纸 共 52 页 第 21 页 装 订 线 3.3.3 步进电机的使用说明 本装置贴标单元所选用的步进电机是 Kinco 两相双极型步进电机 2S42Q-03848，与之配套的 驱动器为 Kinco 2M412 两相步进电机驱动器。 1、2S42Q-03848 部分技术参数如表 3-1 所示： 表表 3-13-1 2S42Q-038482S42Q-03848 部分技术参数部分技术参数 参数名称步距角相电流（A）保持扭矩阻尼扭矩电机惯量 参数值 1.8 1.2A0.32Nm0