（电机与电器专业论文）实验室模拟教学柔性生产线原理及故障诊断处理的研究.pdf

实验室模拟教学柔性生产线原理及故障诊断处理的研究 r e s e a r c ho np 血c i p l e 锄df a u l td i a g l l o s i so fs i m u l a t i n g t e a c h i n gf l e x i b l ep r o d u c t i o nl i n ei nl a b o r a t o f y a b s h a c t 1 kn e 】【i b l ep r o d u 甜l i mi sak i n dm i x t m es y s t e m 、i t h 和【t 0l i 锄dt l 地n e ) 【i b l e 麟唧幽c 晌gc h 锄c t c r i s t i c ，t l 地胛妣t i s y s t e mi sc 伽和s e do f l l i g i ls p c c dm 跗峨l c t i l r i n g 咖t e 岱，i t hc o 玎1 】_ 珏l s a l i n ga i l dd i s p l a c i i l ge a c ho m e rb ym a k i n gf i x e dd i i 枷血a n s f 嘶n g 蚰i t si i lt l l es y s t e m b 8 u 辩o f a d o p t i n g 矗x e d 幽f e c t i 0 咀仃蜀嘶gm a t c r i a lf l o w t h es y s t e m 蕾b r 臼a 璐f c r r i n gm 删a li ss 咖i 盯r o l l i n g 仃锄f 打硎i sa d o p t c dt h et r a 邺f c r f i l l gs y s t e l n h 船n 坞f h n c l i o fs t 【，r i n g s ol n i l i z 砒i 帆i si n i 滩a s c d 1 1 垃n 甑i b l ep r o d i _ c t i l i 咖b e d i 、，i d e d 捌幽i l l y ，p r o d u c t s 伽b cp r o d l l c e d 1 ks i l n u l a t i n gt e a c h i n gn e 妇b l ep r o d u c t i p r i i p l ea n dd c f a u l 乜d i a g n o s i s 晰 瑚e 眦h c di n 也ep a p i _ b e 缸州a n d 两船i p l e 埘i l l u g 缸t e di nd e t a i l 1 km e t l 刚衙 d e 侧t sd i 雒皿o s i si ss 缸l p l ya 【p i a m c d t h ed i a 罂l o s i ss y s t e i n 蛐m c 嘛o f i m e u i 删td i a g 嘲s ， 山cm e t l l o do fi 疵l l i 鲫nd i a 孕m s i s 也e 研n c i p l co fd c 缸t s ，也cm o d e lo fd c 招，t h c t c c b n o l o g ya i l dd e v e l o l 眦e mo f t l l ei n t e g r a 伽s y s t e m 玳i m p i 叫t a n _ t l y 矾h e d ht h en d b l ep l d l u c t i l i l 圮，d i v i d e da n dc o n n 1 瑚舡d 伽咀们la ma d o i t e 吐s i 锄e n s p l ：m r ；o li sa d o p t e di nd i v i d e dc o n t ls y s t a 屿t o u c l l i l l gs c r 嘲c o m m li sa d o p t e di n c o n n t 瑚e dc 们删s y s t c m t h ew h o l e 刚u c 吐叩l i n e 烈i o l ，t e dl 姗e l e c t r i c i t ya l l d 咖l o s p 妇p 他s s i l ，i n c l u d i n ga l l 班l u c t i 衄l i i l 鹤t h es t l | d 衄t sc a n m a s t c rt h ec o n g t i 圳o n c h 越a c t e 强w o r l 【i 昭p f m 哇p ka n dc o 曲同1 k 谢r i n gi sk w np e 疵c t l y n 嘲啦鹏“i s i m p v e d w i t ht h ed e v e l o l m 旭mo f f k t o r i 鹤 n 、v i up mf 0 邗删t h e m e 搬i v 锄c e dt c a c h i n gt h e 也o u g h t 锄dt h e 孤t i l a lo l ，c r a t i m e t h o d s a l s oi n 渊t h es t l | d e i i b a b i l i t ) ri no l 埒戚n ge hu n i t s i n q u i r m gi 删dl i n e 簦 p r i n c i p l ei i lg 酬ep f o d u c 虹o l l ，d i i e c t l yh 岫嘶n gt h 砒s t l i d c n tt 0t h eg e l l t l em o c i u c 吐l i i 蝣岫i t c o 瑾；t i t u t i l l ga n de a c hp a n so f f h 删。璐b e i l e 6 tt o c 叭l n 试t h em a i n t 廿曲ei nm a i n t a i l l i n gf b ft h e 髓q d e 吣，制tp o i n t s 啪b ed 酏t e d t h e b 5 蚀盱f h n c t i i s d e v e l o p c d t l 0 r i 洲b a s e f h r t h e r t o i i l a 澉血e o t h 盯i l i l i 协 t h ef o n 们v i n gt l n i t s a 托n l a i m y 辩撒h e d ：协m s f h r i n gl i l 豫a r l y 趾dr o t a t i n g l y ， s i m l l l a 廿n gs p 髓y i n g ，a d 啦c a m t 叩w e d g e ，d i ：t c c t i o nw h o l l y ，d i v i d i n gw 嬲t ep l n d l l 呶 沈阳工业大学硕士学位论文 仃a 璐f 舐n gw 够t ep l o l u c b ，s t o m m 哪i nt t l el l i g hs h c l 、，e s ，t h ew h o l ec o n 灯o lp l a t f o e t c t r e l v ei t e m s k e yw o r d o ：t h en 函b i ep m d u c t i o n ，p 阳g 阳m m a b kl o g i cc o n t m r f a u n yd i 曩印。凼 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 躲狸遁嗍珥丑逻 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 社吼业 i 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 柔性生产线技术的发展概况 柔性生产线是按模块化组建的，这就提供了对系统设备进行分阶段投资的优点在 首次投资时用户不必进行大量投资，而可以随着市场对产品需求的增加而扩充高速加工 中心和相关设备的数量。在柔性生产系统中，为了满足多品种加工的需要采用了针对不 同品种而设计的适配板，在更换工件品种时，无需更换机床的夹具，而只需更换与工件 有关的适配板和刀具等，由此减少了改装费用。 今后，随着驱动技术、控制技术和机床结构运动学的发展，高速加工中心的动态特 性将进一步提高。而随着刀具材料的不断进步和新刀具的采用，新一代的高速加工中心 将进一步缩短工件加工时间可以预料，在汽车这样大批量生产行业中，由高速加工中 心组成的柔性生产线替代大部分自动线已不是遥远的事情 柔性生产系统在现代制造业中越来越流行，这种系统的特征是将计算机辅助设计、 工程和制造连成为一个整体，生产小批量的定制产品，其成本可以与以往只有在大批量 生产时才能获得的成本相同。生产技术和信息技术的发展为柔性生产创造了条件，而人 们消费心态的变化向其提出了要求。 这里所说的“柔性”，是指适应变化的能力和特性，用以度量从某产品的生产转向 另一种产品的难易程度。它是相对于1 9 5 0 年代发展起来的硬性标准化自动生产方式而 言的。例如，本田公司的目标是，在任何一个工厂都能生产任何已款车型，因为公司难 以准确预测一款车型投放市场后引起的反应。奥德赛在加拿大的情况就说明了这点：产 品简直是出乎意料地供不应求，但产量却不能马上提高。因此，本田公司希望，生产能 对市场需求快速反应更重要的是，要用尽可能低的成本、尽可能少的工时完成生产转 变工厂能否满足柔性生产的需要非常重要。本田公司的美国代理商曾抱怨本田皮卡不能 跟进形势。当1 9 9 0 年代北美运动型轿车市场开始激增时，本田却犹豫不决，只将其小 型c r v 引进美国市场，并没有针对市场需要及时开发并生产较大型运动轿车。本田在 建立全球研究与开发中心时，已着手解决这样的问题。目前，本田正致力于针对美国市 场的需要，开发全新的运动型轿车。 实验室模拟教学柔性生产线原理及故障诊断处理的研究 事实上，像本田的例子所显示的，汽车工业已开始进入大规模定制时代，需为每一 位顾客提供独一无二的定制产品。在大规模生产中，用户处于价值链的最末端，企业生 产什么就买什么；而在大规模定制生产中，用户处于价值链的最前端，企业要按订单而 不是按预测来生产，而且定制的速度越来越快。但是，没有过硬的管理，定制是很难实 现的，其背后必须有强大的实力支撵。以定制冰箱而言，它对企业的要求非常之高，其 设计系统、模具制造系统、生产系统、配送系统、支付系统、服务系统等都远比普通冰 箱的要求高得多。消费者看中了不同规格、型号的冰箱的不同部分，设计人员要根据消 费者的需求进行科学合理的搭配，模具要重新制作，生产线要重新调试，配送系统要送 对型号，服务系统要清楚这种机型的配置一台冰箱容易做到，几百万台各不相同的冰箱 这么做下来，是一个艰巨浩繁的工程。所以，柔性化生产不是建了一条生产线就行了， 它需要一个强有力的支持体系。我们可以以上海通用为例，观察柔性生产线到底“柔” 在哪里。在上海通用，大小、配置截然不同的中高档轿车、旅行车、紧凑型轿车实现共 线生产，它的生产线已经成为通用汽车公司全球范围内柔性最强的生产线之一。 中国未来的比较优势在制造业，中国经济这列快车还要靠制造业来牵引。这些充分说明， 沈阳建设装备制造业基地，实现老工业基地振兴，有着深远的历史意义和现实意义。正 如市长陈政高所说：由于装备制造业担负着为国民经济各部门提供工作母机，带动相关 产业发展的重任，具有科技含量高、需求弹性大的特点，因此一直被视为工业的心脏和 国民经济的生命线，视为支撑国家综合国力的重要基石。据有关专家预测，2 l 世纪，世 界制造业将步入中国时代。用高新技术改造和发展的沈阳装备制必将托起老工业基地的 再次腾飞。教育部提出把中等职业教育的发展作为国家当前教育发展的战略重点之一。 中国未来的比较优势在制造业，中国经济这列快车还要靠制造业来牵引。沈阳是建设装 备制造业基地，实现老工业基地振兴，有着深远的历史意义和实现意义。装备业一直被 视为工业的心脏和国民经济的生命线，视为支撑国家综合国力的重要基石。据有关专家 预测，2 1 世纪，世界制造业将不如中国时代。用高新技术改造和发展的沈阳装备制造业 必将托起老工业基地的腾飞。 沈阳c 业大学硕j 。学位论文 老工业基地的腾飞需要大量的技术工人，而以沈阳市装备制造工程学校为龙头，重 点发展培养“蓝领”技能人才的中等职业教育f e 务艰巨。 基于以上的这些重要任务，我校在实验、实训方面加大力度，投资近千万新建了数 控加工中心和电气实训基地，其中柔性生产线就是电气实训的设备之一【l 】。 通过实训让学生了解与熟悉现代企业中大量应用的世界先进的自动化生产设备，掌 握最新的自动化应用技术，是我们建设实训室的初衷，在选择设备的品牌上，充分进行 调研，认为德国某产品在最现代化的自动生产线上应用较广且其配套的工业自动化教学 训练补充基本上与我们职业教育模式相适应，但深究产品，原有实验设备的功能，其在 锻炼学生的综合能力上达不到我们的要求，于是明确方向，该实训室的设备不应是以验 证理论为目的的实验、装置、而应注重专业技能和技术应用能力的培养，更应注重综合 能力，创新能力及团队合作精神的培养，因此我们对生产线要求具有很高的“仿真性”， 即实训设备中所有的执行元件，控制元件都应是当前较先进的实际的工业元件。且实训 设备应能够任意拆装和组和能够任意设置故障，且预留四个单元工位，可随时加装内 容，这样，由于学校与企业是定单式培养，如为华润三洋压缩机有限公司每年培养3 名学生，这样的企业很多，且大多数都是生产线，只有通过这种“真刀真枪”的实训， 才可望学生毕业后，到企业中去应用自动线设备“轻车熟路”“挥洒自如”与社会技术 现状零距离。 1 2p l c 基础技术的发展概况 p l c 的基础技术的进展，主要集中在两个基本方面：执行多任务和程序互换。 所谓执行多任务，就是在一个p l c 系统中可同时装几个c p u 模块，每个c p u 模块 都执行某一种任务，控制与其所执行任务相关的的模块的存取。其实，按照i e c6 1 1 3 1 3 的概念，我们应该更确切地称之为通过多配置执行多任务。例如，三菱电机的小q 系列 最多可以在一个机架上插4 个c p u 模块；富士电机的m i c 砒x s x 系列最多可以在一 个机架上插6 个c p u 模块。这些c p u 模块可以是专门用于逻辑控制、顺序控制的，也 可以是运动控制用的，还可以是做过程控制用的，上述在w i l l d o w s 操作系统的环境下 执行p c 机任务的模块，也是供用户选择的一种选项。从某种意义上讲，这也是一种混 合式的控制系统。 3 一 实验室模拟教学柔性生产线原理及故障诊断处理的研究 p l c 的传统软件模型包括一个资源，运行一个任务，控制一个程序，且运行于一个 封闭系统中。而在口e c6 1 1 3 1 3 可编程控制器编程语言标准的软件模型中，在其最上层 把解决一个具体控制问题的完整的软件概括为一个“配置”。它专指一个特定类型的控 制系统，包括硬件装置、处理资源、i ，o 通道的存贮地址和系统能力，等同于一个p l c 系统的应用程序。在一个由多台p l c 或由多个c p u 构成的p l c 控制系统中，每一台 p l c 或每一个c p u 的应用程序就是一个独立的“配置”。在一个“配置”中可以定义 一个或多个“资源”可把“资源”看作能执行m c 程序的处理手段，它反映p l c 的 物理结构，在程序和p l c 的物理i o 通道之间提供了一个接口。只有在装入“资源”后 才能执行玎巳c 程序。一般而言，通常资源放在p l c 内，当然它也可以放在其它支持i e c 程序执行的系统内。在一个“资源”内可以定义一个或多个任务。任务被配置后可以控 制一组程序或功能块。这些程序和功能块可以是周期地执行，也可以由一个事件驱动予 以执行。 由此可见，该软件模型足以映像各类实际系统：对于只有一个处理器的小型系统， 其模型只有一个配置、一个资源和一个程序，与现在大多数p l c 的情况完全相符。对 于有多个c p u 模块插装在同一机架上的中、大型系统，每个c p u 模块被视作一个配置， 可由一个或多个资源来描述，丽一个资源则包括一个或多个程序。对于分散型系统，包 含多个配置，而一个配置又包含多个处理器，每个处理器用一个资源描述，每个资源则 包括一个或多个程序j 。 值得指出的是，近些年来在日本开始流行的多c p u 的p i c 结构，恰恰是在刀巳c 6 1 1 3 1 3 标准颁布后多年之后才闯世的。这个p l c 结构的革命性变化，显然是建立在这 个软件模型的理论基础上，要不然p l c 还是由一个c p u 按扫描方式执行一个程序的那 种传统结构。 至于程序互换的问题，至少到目前为止尚是一个努力的方向只有在每个p l c 的 供应厂商所提供的p l c 产品都真正遵循匝c6 1 1 3 1 3 的标准，而且其编程系统的具体实 现又切实符合玎巳c6 1 1 3 1 8 编程语言的应用和实现导则，并通过p l c o p 雌这个国际 组织对各种编程语言( l d 、s f c 、f b d 、s t 和i l ) 的一致性测试，还要解决不同p l c 的存储地址资源的对应互换，才有可能实现名副其实的程序互换。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 研究的目的 对生产线的各个单元的原理进行分析，直线输送单元：皮带传动的特点组成、限位气 缸的工作原理及控制、p l c 控制编程；旋转输送单元：工件在输送工程中如何变向：下 料单元：齿轮传动，槽轮间歇运动等过程、传感器的功能及作用、p l c 编程并控制站点 的运动：模拟喷涂烘干单元：喷涂原理、模拟烘干过程( 单片机控制) 、温度传感器的 使用、p l c 编程并控制温度：加盖单元：蜗杆传动原理及过程、电磁阀的工作原理、p l c 编程并控制站点的运动；穿销单元：工件装配的机械传动结构及工作原理、销钉的存放 及穿销钉原理、气缸的工作原理；检测单元：现场总线( p r o f i b v s ) 的功能、现场总 线( p r o f i b v s ) 的相关模块( m q ) 、传感器与总线模块的接线、多种传感器的功能 及用途、单片机控制的编程；废品分拣单元：气动机械手的工作原理、无杆气缸的功能、 短程气缸的功能、端子式总线耦合器；废品输送单元：三相异步电动机变频调速、调速 器与总线与电机的关系与控制、变频器与电机等的接线连接、编写该站程序：成品提升 单元；升降梯的机械传动原理、链条传动特点、步进电机的驱动及控制原理；叠层仓库 单元：叠层仓库的储存原理、叠层仓库的直流减速机驱动机控制；总控平台：计算机与 p l c 之间的通信原理、编写整个生产线的控制程序。 实验室模拟教学柔性生产线原理及故障诊断处理的研究 2 柔性生产线的组成及单元组成 2 1 柔性生产线的组成 生产线以下五部分构成：机械本体部分、检测及传感器部分、控制部分、执行机构 部分、动力源部分。 ( 1 ) 机械本体部分 在自动化设备及生产线中机械本体是被自动化的对象，也是完成给定工作的主体， 是机电一体化技术的载体，就是在原来老式机械产品或机械结构的基础之上添加电子元 件等构成的，一般说来，机械产品经过与电子技术结合之后，它的性能技术水平和功能 都有明显提高。 1 ) 机械本体包括机壳、机架、机械传动部件、各种连杆机构、凸轮机构、联轴器、 离合器等。 2 ) 机械本体其功能包括：连结固定功能。实现特定的功能。 ( 2 ) 检测及传感器部分。 检测及传感器作用是获取信息，自动化设备及生产线在运行过程中必须及时了解与 运行有关的各种情况，充分掌握各种有关信息，系统才能正常运行。各种检测元件及传感 器就是用来检测各种信号，把检测到的信号经过放大、变换，然后传递到控制部分，进 行分析和处理。通常检测及传感器部分还包括信息转换、显示记录等部分，工作机理涉 及到光，电、气压、机械传动等。 ( 3 ) 控制部分。 作用是处理各种信息，并作出相应的判断、决策和指令，检测元件将检测到的信号 传递到其他部分。在自动控制系统中控制器是指挥中心，它将这些信号于要求的值进行 比较，经过分析，判断之后，发出执行命令驱使执行机构动作。控制器具有信息处理和 控制的功能。 ( 4 ) 执行机构部分。 沈阳矗 业大学硕士学位论文 执行各种指令，完成预期的动作它由传动机构和执行元件组成，能实现给定的运动， 能传递足够的动力，并具有良好的传动性能，可完成上料，定量和传递等功能，当空制部 分发出的控制信号传到执行部分之后，驱动伺服电动机作转动 ( 5 ) 动力源部分 向自动化生产线供应能量，以驱动他们进行各种运动和操作。 2 2 柔性生产线的单元组成 ( 1 ) 直线及旋转输送单元组成：直线及旋转输送单元( 8 个) ：驱动电机( 小型齿 轮马达) ，同步带传动( 或v 带) 。圆带输送，限位气缸，皮带传动张紧装置。 ( 2 ) 旋转运送单元组成：旋转运送单元( 4 个) ：o 型圆带传动，旋转导向轮，圆 带输送。 ( 3 ) 下料单元组成：驱动电机，同步带传动，槽轮机构，直尺轮机构，夹紧橡胶滚 轮，接近传感器，限位气缸 ( 4 ) 模拟喷涂烘干单元组成：驱动电机，圆带传动，限位气缸，模拟喷涂，烘干装 置，封闭烘干室，排气装置。 ( 5 ) 上盖单元组成：驱动电机，圆带传动，限位气缸，摆动气缸，短程气缸，真空 皮碗，传感器。 ( 6 ) 顶销单元组成：驱动电机，空间凸轮机构，短程气缸，销钉料仓，传感器 检测单元组成：驱动电机，圆带传动，传感器( 色差材质条形码识别) ，限 位气缸。 ( 8 ) 废品成品分检单元组成：驱动电机，圆带传动，限位气缸，无杆气缸，气动机 器手。 ( 9 ) 废品输送单元组成：驱动电机，三相电机，平带传动，变频器 ( 1 0 ) 提升单元组成：齿轮传动，链条传动，齿轮减速伺服电机，步进电机，涡轮蜗 杆传动配重，拉力平衡，丝杆传动。 ( 1 1 ) 高架仓库组成：( 4 + 1 ) 层2 ，有效4 层2 ，最高层为输送单元，有用的从 第二层开始共5 层，驱动电机多个、传感器多个、平皮带传动、同步带传动。 实验室模拟教学柔性生产线原理及故障诊断处理的研究 ( 1 2 ) 总控平台组成：以上单元中，空白单元暂与废品分类单元合在一起，8 个移动 小车有7 个配有控制板，面板上有个种按钮，外接口及电路板，p l c 等部件。 2 3 面板设备及操作 ( 1 ) 面板设备。 1 ) 三位选择开关控制系统工作方式。 标牌名称：单机联机用于系统在联机模式下左侧档及单机运行模式右侧档切换。 2 ) 两位选择开关一控制箱的供电开关。 标牌名称：交流系统2 2 0 v 交流电供电开关。 标牌名称：直流系统2 4 v 直流电供电开关。 图2 1 主控制板 f i 9 2 1c a 心a i c 灯o l b r d 3 ) 指示灯一显示单元工作状态。 标牌名称：运行显示单元是否处于工作状态( 绿色) 。 标牌名称：报警显示联机系统或单机单元中是否有故障、报警情况发生( 红色) 。 4 ) 按钮控制系统的运行状态。 标牌名称：启动用于控制联机系统或单机单元的启动操作( 绿色) 。 标牌名称：停止用于控制联机系统或单机单元的停止操作( 红色) 。 标牌名称：复位用于控制联机系统或单机单元的复位操作( 黄色) 。 沈阳工业大学硕十学位论文 标牌名称：急停用于控制联机系统或单机单元的急停操作( 红色) 。 5 ) 学习板。 拨动开关：用于单元在单机运行模式及学习模式的切换。 6 ) 三相电源插座。 ( 2 ) 面板操作 1 ) 上电操作 将面板上交流及直流两位选择开关拨动到o n 档，此时a c 、d c 指示灯点亮，设备 上电操作完毕。 2 ) 工作模式选择 拨动联机单机及学习板开关，切换系统工作方式。 联机运行模式 联机单机三位选择开关拨动到联机档( 左侧) ，学习板开关状态为o f f 。 单机运行模式。 联机单机三位选择开关拨动到单机档( 右侧) ，学习板开关状态为o f f 。 学习模式。 联机单机三位选择开关拨动到单机档( 右侧) ，学习板开关状态为0 n 。 3 ) 启动设备：在满足原点条件下，按下启动按钮，则联机系统或单站某单元开始 运行。 4 ) 停止设备：在设备正常运行时，按下停止按钮，则联机系统或单站某单元在完 成当前工作周期限后，停止运行。 5 ) 复位设备：在设备运行出现故障或报警时，按照下列顺序操作面板按钮可停止 和复位某单元设备： 按下急停按钮，联机系统或单站某单元停止运行。 按下复位按钮；弹出急停按钮：按下启动按钮，联机系统或单站某单元将自动 进行p l c 内部复位操作和外部设备复动作，复位后联机系统工程或单站某单元处于停 止运行状态 该单元需人工清除传送带上剩余工件和托盘。 一9 一 实验室模拟教学柔性生产线原理及故障诊断处理的研究 3 柔性生产线控制系统 本控制系统以1 个s l e m e n ss 7 3 0 0 p l c 和7 个s 7 2 0 0 p l c 作为控制核心。s 7 3 0 0 为主站，各站之间使用p r o f i b u s - d p 总线进行通讯。s 7 3 0 0 主站采集各从站数据，协 调各站运行，并为上位机的监控程序提供数据。7 个从站分别完成落料单元；喷涂烘干 单元；加盖单元；提升单元及仓库单元的控制。系统的供电、启停等操作通过各站的操 作面板进行控制。 3 1 p l c s 7 3 0 0 的系统组成 ( 1 ) s 7 3 0 0 p l c 简介。 对低性能要求的模块式中小型p l c ，最多可以扩展3 2 个模块，易于实现分布式的 配置及易于掌握，有不同性能档次的c p u 模块可供使用。集成了过程控制功能，用于 执行用户程序。每个c p u 都在一个编程用的r s _ 4 8 5 接口，有的还带有集程的现场总线 p r o f m u s d p 接口，s 7 3 0 0 不需要附加任何硬件、软件和编程。如有d p 口就可以建 立一个d p 网络。通过系统功能和系统功能块的调用，用户可以使用集成在操作系统内 的程序，从而显著地减少所需要用户存储器容量，它们可以用于中断处理、出错处理、 复制和处理数据。使用编程软件s t e p 7 功能强大，使用方便。操作员对系统的控制和 监视显得日益重要。s 7 3 0 0 己将h m 【( 人机接口) 服务集成到操作系统内，因此大大 减少了人机对话的编程要求【堋。 ( 2 ) s 7 3 0 0 的组成 ( 1 ) c p u ：执行用户程序，作为p r o f i b u s 子网中的d p 总站点对点通信。 ( 2 ) 负载电源模块( p s ) ：直流电源为2 4 v ，交流电源为2 2 0 v 。 ( 3 ) 信号模块( s m ) ：数字量l ，模拟量，数字量输入模块s m 3 2 l ，输出模 块s m 3 2 2 模拟输入模块s m 3 3 1 输出模块s m 3 3 2 ，s m 3 3 4a 1 4 ，a 0 28 8 b i t ，模拟量输入 模块是热电阻、热电偶。 ( 4 ) 功能模块( f m ) ：主要用于时间要求苛刻，存储量要求较大的过程信号处理任 务。如计数器、快速慢速进给驱动、位置控制模块、步进电机定位等。 ( 5 ) 通信处理器( c p ) ：将p l c 接入d p 。 沈日i 【业大学硕_ i 学位论文 ( 6 ) 接口模块( m ) ：用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。 3 2p l c s 7 2 0 0 的系统组成 s 7 - 2 0 0 的系统基本组成是由主机单元加编程器、数字量扩展单元模板、模拟量扩展 单元模板、通信模板、网络设备、人机界面等，根据设备的接口需求，所选主机为c p u 2 2 6 、 模拟量扩展单元模板e m 2 3 l 、e m 2 3 2 ，通信处理器e m 2 7 7 是连接s m i a l l c 现场总线 p r o f m u s d p 从站的通信模板f 刀 ( 1 ) p l c s 7 - 2 0 0 主机单元c p u 2 2 6 。 1 ) 2 4 输入1 6 输出共4 0 个数字量i 点。 2 ) 可连接7 个扩展模板单元，最大可扩展至2 4 8 个数字量的点或3 5 路模拟量。 3 ) 1 3 k b 的程序和数据存储区空间。 4 ) 6 个独立的3 咖z 的高速计数器，2 路独立的2 0 k h z 的高速脉冲输出。 5 ) 具有p m 控制器。 6 ) 2 个r s 4 8 5 通信编程口。 7 ) 具有多点接口m p i 通信协议。 8 ) 具有点对点接口p h 通信协议。 9 ) 具有自由通信口。 1 0 ) 加端子排可以很容易地整体拆卸。 ( 2 ) p l c s 7 - 2 0 0 模拟量扩展单元模板。 1 ) e m 2 3 l ，4 路1 2 位模拟量输入模板 差分输入，输入范围：电压：帖lo 、r ，o 巧v ，2 5 v ，5 v电流：o 2 0 i i 认 转换时间 x 斌x c ”如果测量温度低于温度低限，那么t d 2 0 0 的第二行显示信息3 ， 即”t c 釉p c 阳t i l 陀( x 殛x c ”计算p t l o o 所需电流p t l 0 0 在o c 时电阻为l o o 欧姆，随着 温度的变化电阻成线性变化，大约是每摄氏度o 4 欧姆，为了产生5 m v 肥的电压系数， 需要提供1 2 5 m a 电流由于模拟量输出精度为1 0 微安数，为了得到5 m a 输出电流所 需的输出数必须为1 2 5 0 因为a q w 数据字向右移4 位，因此输出数必须乘以1 6 。这 样，为了初始化模拟量输出i o 位1 2 5 m a 电流，在a q w o 中必须设置2 0 0 0 0 输出数。 等式为：( 3 2 0 0 0 忪0 l n a o l 2 5 m a - 2 0 0 ) 实验室模拟教学柔性生产线原理及故l 惭参断处理的研究 4 3 3 喷涂烘干单元狄) 地址分配 争元结构简图中，各电气设备在西门子s 7 2 2 6p l c 中对应的i o 地址如下表所示。 表4 _ 3 喷涂烘干单元i ，o 地址分配表 t 曲4 3i ，oa d d r e s sd i s 啊b u t i o no f s p m y i n g 锄dd f y i n g d t s 4 4 加盖单元 传送带将托盘及工件送到加盖单元的托盘及工件检测位置，摆动臂上的电磁铁从支 架上吸住盖子，然后摆动到工件一侧，将盖子放置在工件上。传感器检测到盖子加上后 通往顶销单元。 4 4 1 加盖单元的基本原理 ( 1 ) 联机动作原理。 当系统位于原点状态时，按下任何单站或总站的启动按钮，各单元的传送带开始转 动。 本站及总站的运行指示灯点亮。当托盘及工件运动到该单元时，限位电磁铁3 y a 2 阻止其通行，该单元开始一个新的工作周期。此时托盘检测传感器3 s q l 、工件检测传 沈工业大学硕士学位论文 感器3 s q 2 检测到有托盘和工件到位，延时2 秒后，吸盖电磁铁3 y a l 通电产生强大的 吸力，将盖子吸起并保持2 秒，然后，直流减速电机通电i e 转，摆动臂向有工件一侧摆 动，当碰到加盖行程开关3 s q 5 时，减速电机断电停车，摆动臂在该位置静止2 秒后， 吸盖电磁铁3 y a l 断电，释放吸力将盖子加在工件上。2 秒后，当加盖检测传感器3 s q 3 检测到盖子时，直流减速电机通电反转，使摆动臂回到原位3 s q 4 。然后。检测顶销单 元是否正在工作，若是在工作，则等待直至处理完毕。若是顶销单元已完成工作，则限 位电磁铁3 y a 2 通电，释放电磁挡铁，允许托盘和工件通行，2 秒延时后，限位电磁阀 3 y a 2 断电，一个工作周期结束。 ( 2 ) 报警动作原理。 当摆动臂做完加盖过程后，加盏检测传感器3 s q 3 未检测到工件上有盖子时，则本 站有报警情况发生，即该单元缺料，需要续加工件。若处于单机模式，则本站报警灯 h l 7 点亮。若为联机模式，则本站报警灯h l 7 、总站的报警灯h l 5 和警示器上报警灯 h l s 2 将点亮。此后，直流减速电机通电反转，当碰到原位行程开关3 s q l 4 后，重新吸 盖，摆动臂向工件一侧摆动做加盖动作。 ( 3 ) 复位动作原理。根据摆动臂上加盖电磁铁3 y a l 的通电状态，有两种动作，若 电磁铁处于通电状态，无论摆动臂位于任何位置，直流减速电机均通电正转，令摆动臂 向有工件一侧摆动，直到碰到加盖行程开关3 s q 5 ，然后直流减速电机及吸盖电磁铁 3 y a l 依次断电，将盖子放到传送带上，然后，直流减速电机反转，使摆动臂回到原位。 若电磁铁处于断电状态，无论摆动臂处于任何位置，直流减速电机均通电反转，直至摆 动臂回到原位行程开关3 s q 4 时断电。 4 4 2i o 地址分配 单元结构图中，各电气设备在西门子s 7 - 2 2 6 p l c 中对应的地址如表4 4 所示 实验室模拟教学柔性生产线原理及故障诊断处列的研究 表4 4 加盖单元i ，o 地址分配表 t 曲4 4i ，oa d d r e s s c sd i s 埘b u t i o no f a d d i n gc o v e ru l l i 招 4 4 3 变频器的基本工作原理 由电机学可知，定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果， 本质上是定子绕组的自感电动势，其三相感应电机定子每相电动势的有效值是： 巨= 4 4 4 j | n 石l 九 ( 4 1 ) 沈阳工业人学硕士学位论文 式中，巨为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为v ；z 为定子频率，单 位为h z ；l 为定子每相绕组串联匝数；七，l 为与绕组结构有关的常数：丸为每极气隙 磁通量。 由式( 4 1 ) 可知，如果定子每相电动势的有效值不变，改变定子频率时就会出现下 面两种情况：如果定予频率大于电机的额定频率，那么气隙磁通量就会小于额定气隙磁 通量。其结果是：尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费，但是在机械条件允许 的情况下长期使用不会损坏电机。 如果定子频率小于电机的额定频率，那么气隙磁通量就会大于额定气隙磁通量。其 结果是：电机的铁心产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损 坏电机。要实现交频调速，在不损坏电机的条件下，充分利用电机铁心，发挥电机转矩 的能力，最好在变频时保持每极磁通量为额定值不变。在交流异步电机中，磁通是定子 和转子磁动势合成产生的，如何才能保持磁通基本不变呢? 于是就有了下面的内容。 基频以下调速。由式( 4 1 ) 可知，要保持气隙磁通量不变，当定子频率从额定值向 下调节时，必须同时降低电动势的有效值，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕 组的漏磁阻抗压降，则得 k z = 常数 ( 4 2 ) 这是恒压频比的控制方式。在恒压频比条件下改变频率时，我们能够证明：机械特 性基上是平行下移的。这和他励直流变压调速的特性相似，所不同的是，当转矩增大到 最大值以后，特性曲线就折回来了如果电动机在不同转速下具有额定电流，则电机都 能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁 通恒定，所以转矩也恒定。根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速” 的性质。低频时，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略 基频以上调速。在基频以上调速时，频率可以从电机的额定频率往上增高，但电压 却不能超过额定电压，最多只能保持相等。由式( 4 1 ) 可知，这将迫使磁通随频率升高而 降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 实验室模拟教学柔性生广，线原理及故障诊断处理的研究 在基频以上变频调速时，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转 矩减小，机械特性上移。 由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小，由于转速升高了， 可以认为输出功率基本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。把基频以 下和基频以上两种情况合起来，可得异步电动机变频调速控制特性。应该注意，以上所 分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性 受到扭曲变形，并增加电机中的损耗。因此，在选购变频器时，变频器输出的谐波越小 越好。 通过分析可得如下结论：当定子频率小于等于电机的额定频率时，变频装置必须在 改变输出频率的同时改变输出电压的幅值，才能满足对异步电动机变频调速的基本要 求。 这样的装置通称变压变频装置，其中v 、f 是英文v a r i a b l cv o l t 目噼v a r i a b l e f q u 黜y 的缩写。这是通用交频器工作的最基本原理，也是设计变频器时所满足的最 基本要求。 4 4 4 变频器的操作方式及使用 和p l c 一样，变频器是一种可编程的电气设备。在变频器接入电路工作前，要根据 通用变频器的实际应用修定变频器的功能码。功能码一般有数十甚至上百条，涉及调速 操作端口指定、频率变化范围，力矩控制、系统保护等各个方面。功能码在出厂时已按 默认值存储。修订是为了使变频器的性能与实际工作任务更加匹配。交频器与外界交换 信息的接口很多，除了主电路的输入与输出接线端外，控制电路还设有许多输入输出端 子，另有通信接口及一个操作面板，功能码的修订一般就通过操作面板完成。 变频器的输出频率控制有以下方式： 操作面板控制方式。这是通过操作面板上的按钮手动设置输出频率的一种操作方 式。具体操作又有两种方法：一个按面板上频率上升或频率下降的按钮调节输出频率； 另一种方法是通过直接设定频率数值调节输出频率。 外输入端子数字量频率选择操作方式。变频器常设有多段频率选择功能，各段频率 沈阳工业大学硕士学位论文 值通过功能码设定，频率段的选择通过外部端子选择，变频器通常在控制端子中设置一 些控制端，如端子x 1 、) ( 2 、x 3 ，它们的7 种组合可选定7 种工作频率值。这些端子的 接通组合可通过机外设备，如p l c 控制实现 外输入端子模拟量频率选择操作方式。为了方便与输出量为模拟电流或电压的调节 器、控制器的连接，变频器还设有模拟量输入端，c 1 端为电流输入端，1 1 、1 2 、1 3 端 为电压输入端，当接在这些端上的电流或电压量在一定范围内平滑变化时，变频器的输 出频率在一定范围内平滑变化。 4 5 顶销单元 传送带将托盘及工件送到顶锁单元的托盘检测位置，电动机带动拨销轮旋转，转动 到一定位置后，气缸将拨销轮上的销钉顶入工件，传感器检测有销钉项后通往检测及链 条传送单元。 4 5 1 顶销单元的基本原理 ( 1 ) 工作原理。 当顶销单元位于运行原点时，按下启动按钮后，该单元传送带开始转动，本站运行 指示灯点亮。当托盘及工件运动到该单元时，限位气缸阻止其放行，该单元开始一个新 的工作周期限。此时，托盘检测传感器4 s q l 检测到有托盘到位，继电器4 l 【a 2 线圈有 点，其常开触电闭合，将电机m 7 接入三相电源启动，带动拨销轮旋转，当加销钉检测 传感器4 s 0 2 检测到拨销轮上的定位金属时，电机m 7 断电停车。延时2 秒后，长行程 直线气缸电磁阀4 w l 通电，将销钉顶入工件。当光纤检测传感器4 s q 5 感应到气缸运 动到穿销位时，销钉被顶入工件内，然后直线气缸电磁阀4 y v l 断电。2 秒后，若销钉 到位检测传感器4 s q 3 检测到工件中有销钉时，限位气缸电磁阀4 w 2 通电，允许托盘 通行，经延时2 秒后，限位气缸电磁阀断电，一个工作周期结束。 ( 2 ) 报警原理。 若长行程气缸做完4 次顶销动作后，传感器4 s q 3 仍未检测到工件中有销钉，说明 该单元有报警器情况发生，既该站缺料，需要续加销钉。若为单机模式，则本站报警 灯 玎l 2 l 点亮。若为联机模式，则本站报警灯h l 2 1 、总站的报警灯h l 5 和警示器上报 实验爷模拟教学柔性生产线原理及故障诊断处理的研究 警灯h l s 2 将点亮。报警过程中，长行程直线汽缸电磁阀重复通、断电做穿销动作，直 至该站续加销钉后，传感器检测到工件中有销钉后穿销动作停止。 4 5 2i ，o 地址分配 单元结构简图中，各电气设备在西门子s 7 2 2 6p l c 中对应的i ，o 地址如下表所示。 表4 5 顶销单元i ，o 地址分配 t 曲4 5 a d d r e s d i 矧b u t i o no f t o p w e d g e 4 5 3 顶销检测传感器 传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置：简 单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件( 感知元件) 和转 换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。 沈阳工业大学硕士学位论文 光纤检测传感器是用光纤式光电开关检测微小物体，光纤采用y 型结构，两束多模 光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，红外二级管发出的 红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器 件转换为电信号，反射光的强弱表示了反射物与光纤探头的距离，通过对光强的检测就 可得知位置量的变化。适合测量较小的元件伫川。 4 6 检测及链条传送单元 传送带将托盘及工作送到检测位置后，检测单元对该位置处的工件进行颜色、盖子、 销钉检测。检测后，托盘及工