MPS系统安装搬运站单元及立体存储站的设计与PLC控制毕业论文.doc

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AD、DA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05V，010V，420mA。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4080，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。5)、用于进行监控PLC自检信号很多，内部器件也很多，多数使用者未充分发挥其作用。 其实，完全可利用它进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。这里介绍一种用PLC定时器作看门狗，对控制对象工作情况进行监控的思路。 如用PLC控制某运动部件动作，看施加控制后动作进行了没有，可用看门狗办法实现监控。具体作法是在施加控制的同时，令看门狗定时器计时。如在规定的时间内动作完成，即定时器未超过警戒值的情况下，已收到动作完成信号，则说明控制对象工作正常，无需报警。若超时，说明不正常，可作相应处理。如果控制对象的各重要控制环节，都用这样一些看门狗看着，那系统的工作将了如指掌，出现了问题，卡在什么环节上也很好查找。 还有其它一些监控工作可做。对一个复杂的控制系统，特别是自动控制系统，监控以至进一步能自诊断是非常必要的。它可减少系统的故障，出了故障也好查找，可提高累计平均无故障运行时间，降低故障修复时间，提高系统的可靠性。6)、用于联网、通讯PLC联网、通讯能力很强，不断有新的联网的结构推出。PLC可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参与编程及对PLC进行控制的管理，使PLC用起来更方便。 为了充分发挥计算机的作用，可实行一台计算机控制与管理多台PLC，多的可达32台。也可一台PLC与两台或更多的计算机通讯，交换信息，以实现多地对PLC控制系统的监控。 PLC与PLC也可通讯。可一对一PLC通讯。可几个PLC通讯。可多到几十、几百。 PLC与智能仪表、智能执行装置（如变频器），也可联网通讯，交换数据，相互操作。 可联接成远程控制系统，系统范围面可大到10公里或更大。 可组成局部网，不仅PLC，而且高档计算机、各种智能装置也都可进网。可用总线网，也可用环形网。网还可套网。网与网还可桥接。联网可把成千上万的PLC、计算机、智能装置组织在一个网中。网间的结点可直接或间接地通讯、交换信息。 联网、通讯，正适应了当今计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂发展的需要。它可使工业控制从点（Point）、到线（Line）再到面（Aero），使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体，进而可创造更高的效益。这个无限美好的前景，已越来越清楚地展现在我们这一代人的面前。 以上几点应用是着重从质上讲的。从量上讲，PLC有大、有小。所以，它的控制范围也可大、可小。小的只控制一个设备，甚至一个部件，一个站点；大的可控制多台设备，一条生产线，以至于整个工厂。可以说，工业控制的大小场合，都离不开PLC。一般讲，工业生产过程可分为两种类型；连续型生产过程（如化学工业）及非连续型，即离散型生产过程（如机械制造业）。前者生产对象是连续的，分不出件的；后者为离散的，一件件的。由于PLC有上述几个方面的应用，而且，控制的规模又可大、可小，所以，这两种类型的生产过程都有其用武之地。 事实上，PLC已广泛应用于工业生产的各个领域。从行业看，冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等，几乎没有不用到它的。不仅工业生产用它，一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制也用到它。农业的大棚环境参数调控，水利灌溉也用到它。 PLC能有上述几个范围广泛的应用，是PLC自身特点决定的，也是PLC技术不断完善的结果。1.3.3 SIMATIC S7-200 PLC 简介.组成及通信德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器子啊欧洲处于领先地位。其第一代可编程控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3 系列的控制系统。在1979年，微处理器技术被应用到可编程控制器中，产生了SIMATIC S5 系列，取代了S3系列，之后在二十世纪末又推出了S7系列产品。最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型PLC发展经历了两代：第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可以进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU212，CPU214，CPU215和CPU216，对第一代PLC产品不在做具体介绍。第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在二十一世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通讯能力，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU221，CPU222，CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可以加扩展模块。SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分组成，如图1.3所示。 图1.3 S7-200系统的组成1).硬件包括：基本单元、扩展单元、特殊功能模块、相关设备。2).工业软件工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几类构成。a、 CPU介绍及I/O系统如表1.1 表1.1 CPU介绍及I/O系统型号主机输出类型主机输入点数主机输出点数可扩展模块数CPU221DC继电器64无CPU222DC继电器862CPU224DC继电器14107CPU226DC继电器24167b、主机外形SIMATIC S7-200系统CPU22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图1.4所示。图1.4 CPU22X系列PLC主机外形图c、基本结构特点CPU各有晶体管输出(直流输出)和继电器输出（交、直流输出）两种类型，具有不同电源电压和控制电压。各类型的型号如下表1.2： 表1.2 各种CPU 的输出类型 CPU类型电源电压输入电压输出电压输出电流CPU221DC输出DC输入24VDC24VDC24VDC0.75A，晶体管继电器输出DC输入85-264VAC24VDC24VDC24-230VAC2A，继电器CPU221CPU221CPU221DC输出24VDC24VDC24VDC0.75A，晶体管继电器输出85-264VAC24VDC24VDC24-230VAC2A，继电器d、扩展模块及基本功能(1). 功能模块扩展当需要完成某些特殊功能的控制系统，CPU主机可以扩展特殊功能模块，一般是特殊功能模块有SM253位置控制模块，EM241调制解调器模块等。(2). 输入输出扩展S7-200PLC的CPU所提供的本机I/O点和I/O地址是固定的，进行扩展时可以在CPU右边连接多个扩展模块连接。每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中所处的位置。编制方法就是同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块的有无及所处的位置不影响本类型模块的编号。最大I/O配置的预算需考虑映像寄存器数量及电流提供能力。各CPU能提供的最大5VDC电流如下表1.3：表1.3 CPU的最大扩展电流 CPU型号221222224226最大扩展电流（mA）03406601000e、S7-200之间的PPI通信PPI协议是专门为S7-200开发的通信协议。S7-200CPU的通信口（Port0、Port1）支持PPI通信协议，S7-200的一些通信模块也支持PPI协议。Micro/WIN与CPU进行编辑通信也通过PPI协议。S7-200CPU的PPI网络通信是建立在RS-485网络的硬件基础上，因此其连接属性和需要的网络硬件设备与其它RS-485网络一致。S7-200 CPU之间的PPI网络通信只需要两条简单的指令，它们是网络读（NETR）和网络写（NETW）指令。在网络读/写通信中，只有主站需要调用NETR/NETW指令，从站只需编辑处理数据缓冲区（取用或准备数据）。在S7-200系统中，无论是组成PPI、MPI、还是Profibus-DP网络用到的主要部件都是一样的。1.3.4 SIMATIC S7-200 PLC的基本结构及工作原理1).PLC的基本结构：PLC实质是一种专业用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图1.5所示： 图1.5 PLC的基本结构a、中央处理器（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接受并存储从编程器键入的用户程序和数据：检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了近一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。b、存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。存放系统软件的存储器称为系统存储器。（用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序固化在ROM内，用户不能直接更正，它使PLC具有基本功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作）。存放应用软件的存储器称为用户存储器。（用户存储器包括用户程序存储器程序区和功能存储器数据区两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务编写的各种用户程序以及用户系统配置。用户功能存储器是用来存放用户程序使用器件的ON/OFF状态/数值数据等）。PLC常用的存储器类型：(1). RAM (Random Assess Memory)这是一种读/写存储器（随机存储器）其存取速度最快由锂电池支持。(2). EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦除的只读存储器在断电情况下存储器内的所有内容保持不变。（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）(3).EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易的对所存储的内容进行修改。c、输入单元可编程控制器的输入信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入单元从广义上包含两个部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入映像寄存器。通常PLC的输入类型可以是直流（DC24V）、交流和交直流。输入电路的电源可以由外部供给，有的也可以由PLC内部提供。常用的开关量输入单元包括直流输入单元和交流输入单元。d、输出单元可编程控制器的输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输出单元从广义上包含两个部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输出映像寄存器。输出接口电路通常有三种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。每种输出电路都采用电气隔离技术，电源由外部提供，输出电流一般为1.5-2A，输出电流的额定值与负载的性质有关。e、电源部分PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在10%(15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。f、I/O扩展端口当主机的I/O点数或类型不能满足用户需要时，主机可以通过I/O扩展口连接扩展单元来增加I/O点。没有I/O扩展口的PLC是不能进行I/O点扩展的。另外，通过I/O扩展口还可以连接各种特殊功能单元（智能I/O单元），扩展PLC的功能。g、外设接口每台PLC都有外设接口。通过外设接口，PLC可与外部设备相连接。PLC的外部设备有编程器、计算机、打印机、写入器、外部存储器以及监控器、变频器等，以在各种不同的场合实现多种不同的应用。以上就是一个PLC的基本组成。但是，如果要利用PLC完成更高级、更复杂的控制（例如集散控制），往往还需要借助PLC的高功能模块（特殊功能单元）、变频器、计算机等其它设备的支持以及通信功能的实现，这也就是扩展端口和外设接口的作用。2).PLC的工作原理：当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。PLC的扫描工作方式与电气控制的工作原理明显不同。电气控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作；而PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才能动作。但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与电气控制装置在I/O的处理结果上并没有什么差别。 PLC的扫描工作过程除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、程序执行、输出刷新5个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1ms100ms.PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段如图1.6： 图1.6 PLC程序执行过程 1.4气动技术的概述气压传动简称气动，是以压缩空气为工作介质来传递和控制信号，控制和驱动各种机械设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。一个完整的气动自动化系统由气源装置、控制元件、执行元件、辅助元件、检测元件及控制器组成。1）气源装置：主要作用是提供清洁、干燥的压缩空气。2）控制元件：其作用是调节和控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以便使执行元件能按要求的程序和性能工作。控制元件分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等。3）执行元件：是将气体的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它包括实现直线往复运动的气缸和实现连续回转运动或摆动的气动马达或摆动马达。4）辅助元件：其作用是辅助气动系统正常工作，主要由净化压缩空气的净化器、过滤器、干燥器等组成，另外还包括供给系统润滑的油雾器、消除噪音的消声器、提供给系统冷却的冷却器等。5）检测元件：其作用是检测气缸的运动位置，判断工件有无及工件性质的等。6）控制器：其作用是对检测元件提供的信号进行逻辑运算，提供执行元件输出信号，控制系统按照预定的要求有序工作。a.气压传动具有以下优点：以空气作为工作介质，取之不尽，来源方便，且无污染、环保；工作环境适应性好，可工作在易燃、易爆、多尘、强辐射等环境；空气黏度小，流动阻力小，管路损失小；。气动控制动作迅速，反应快；气动元件结构简单，易于制造，成本低，且使用寿命长、可靠性高；气动系统维护简单，管道不易堵塞。b当然，气压传动也有其缺点，主要如下：由于空气可压缩性大，气缸的动作速度易随负载的变化而变化，稳定性较差，控制精度也不高；气动系统压力一般比较低（小于0.8MPa），造成总的输出力不够大；工作介质（客气）没有润滑性，系统使用中有时需要润滑；工作时噪声大，在快速排气时，需要安装消音器。c.气压传动在工业中的应用物料输送装置：加紧、传送、定位、定向和物料流分配；一般应用：包装、填充、测量、锁紧、轴的驱动、物料输送、零件转向及翻转、零件分拣、元件堆垛、元件冲压或模压标记和门控制；物料加工：钻削、车削、铣削、锯削、磨削和光整。d.气动元件：(1).气源装置：气源装置为气动设备提供满足要求的压缩空气。气源装置一般由气压发生装置、压缩空气的净化处理装置和传输管路系统组成。(2).气动执行元件：气动执行元件包括产生直线往复运动的气缸，在一定角度范围内摆动的摆动气缸、气爪以及产生连续转动的气动马达等。(3).气动控制元件：气动控制元件的种类很多，主要有方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀等。1.5传感器技术 1)传感器的基本概念 关于传感器的定义，众说不一。根据我国的国家标准（GB7765-1987），传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。”这个定义包含的意思：a.传感器是测量装置，能完成检测任务；b.它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；c.它的输入量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，这种量不一定是电量，还可以是气压。光强等物理量，但主要是电物理量；d.输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。输出量为电量的传感器，一般有敏感元件、转换元件、调理电路三部分组成。如图1.7：输出电 量被测元件中间量调理电路转换元件敏感元件 图1.7 传感器的组成 2）.传感器组成：a敏感元件:它是直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的某一物理的元件。b转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。 c.调理电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。随着微电子技术的发展和加工工艺的进步，传感器的体积越来越小，功能越来越强，以前作为传感器输出信号的后期处理器，如放大器、各种补偿电路、运算电路、A/D转换电路等，都在制造时作为传感器的一部分集成到了一起，为用户提供了极大的方便，为实现传感器的标准化，从而使传感器具有良好的互换性提供了前提。当在传感器中集成进去微处理器后，就可以实现传感器的自学习、自诊断、自校准、自适应等功能，成为智能化的传感器。1.6 .1 步进电机步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。工作原理步进电机是一种感应电动机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8（表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 通常步进电机步距角的一般计算按下式计算。 =360/（ZmK） 式中 步进电机的步距角； Z转子齿数； m步进电动机的相数； K控制系数，是拍数与相数的比例系数 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 2课程设计要求及安装搬运单元的介绍2.1 课程设计内容设计题目：MPS系统安装搬运站单元的设计与PLC控制设计条件：要求采用西门子PLC作为控制器，以气动元件作为执行元件，设计MPS系统安装搬运站单元，并实现其动作控制要求。设计任务：1气动机构设计和气动元件的选型；2利用气动仿真软件设计气动回路并进行仿真调试；3安装搬运站的电气接线设计和通信接口设计；4PLC的I/O分配设计和编程设计；5完成对安装搬运站的安装、连接、调试、运行；6毕业设计（论文）内容包括：1）课题的来源和意义，系统设计方案的确定及说明。2）系统硬件结构及功能说明。3）系统软件编程及功能实现。2.2安装搬运单元的功能安装搬运单元可以模拟提取工件、按照要求将工件分流的过程，同时能提供一个安装工位，实现大、小工件的组装。安装搬运单元主要由提取模块、工件平台、直线转圆周运动装置、气源处理组件、I/O接线端口、阀组成等。2.3安装搬运单元的结构组成安装搬运单元主要由I/O接线端口、提取模块、直线转圆周运动装置、工件平台、气源处理组件等部件组成。1). I/O接线端口它是该工作单元与PLC之间进行通讯的线路联接端口。该工作单元中的所有电信号（直流电源、输入、输出）线路都接到该端口上，再通过信号电缆线连接到PLC上。2). 料盘模块该模块实际上也是一个“气动机械手”，主要是由一个直线气缸（上下摆动）、摆臂和气动夹爪等组成。摆臂相当于气动机械手的“手臂”，只是在这时不能伸缩，只能上下摆动，它由一个安装在下方的直线气缸驱动，再摆臂的前端安装有一个气动夹爪，用于提取工件。3). 直线转圆周运动装置提取模块的左右移动及旋转由两个直线气缸所控制，它通过一定的机械转换装置，在实现直线运动的同时还能提供圆周运动，这样在本单元上可提供四个工位，分别在左工位（提取共建）、左上工位（安装工位）、右上工委（未用）和右工位（输出工位）。4.) 工件平台工件平台安装在安装工位上，用于实现大、小工件的组成。S2=1已上电复位1：夹爪打开3Y1=1开始灯L1闪烁复位2：手臂转上工位1Y1=1&2Y1=1复位灯L2闪等待工作信号手臂下4Y1=13B1=14B2=12B1=1S3=1S1=11B2=1&2B2=14B2=1手臂下4Y1=1手臂抬起4Y1=1夹爪释放工件3Y1=1手臂转安装工位2Y2=1安装小工件计时T41=1ST41=14B2=13B1=14B2=1手臂转下工位1Y2=1手臂下4Y1=1等待释放工件手臂抬起4Y1=1夹爪释放工件3Y1=1手臂抬起4Y1=03B1=14B2=1S3=11B1=14B2=1夹紧工件3Y2=1计时T=0.5S4B1=1 手臂转上工位4B2=1 4B2=1手臂下4Y1=1手臂抬起4Y1=1夹紧工件3Y2=1计时T40=0.5S3B1=0&T40=13B1=0&T40=1 返回至：等待工作信号1B2=1&2B2=1序号设备符号设备名称设备用途信号特征地址分配11B1磁感应式接近开关判断直线气缸的位置信号为1：1号气缸缩回到位I0.021B2磁感应式接近开关判断直线气缸的位置信号为1：1号气缸深处到位I0.132B1磁感应式接近开关判断直线气缸的位置信号为1：2号气缸缩回到位I0.242B2磁感应式接近开关判断直线气缸的位置信号为1：2号气缸伸出到位I0.353B1磁感应式接近开关判断夹爪开闭情况信号为1：夹爪已打开信号为0：夹爪夹紧I0.464B1磁感应式接近开关判断夹爪上下的位置信号为1：夹爪下降到位I0.574B2磁感应式接近开关判断夹爪上下的位置信号为1：夹爪上升到位I0.681Y1电磁阀控制1号直线气缸动作信号为1：1号气缸伸出Q0.091Y2电磁阀控制1号直线气缸动作信号为1：1号气缸缩回Q0.1102Y1电磁阀控制2号直线气缸动作信号为1：2号气缸伸出Q0.2112Y2电磁阀控制2号直线气缸动作信号为1：2号气缸缩回Q0.3123Y1电磁阀控制夹爪开闭的动作信号为1：夹爪打开Q0.4133Y2电磁阀控制夹爪开闭的动作信号为1：夹爪闭合Q0.5144Y1电磁阀控制提取气缸上下的动作信号为1：夹爪下降信号为0：夹爪上升Q0.6袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿