FESTO教学系统提取站的设计毕业论文.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 I FESTOFESTO 教学系统提取站的设计毕业论文教学系统提取站的设计毕业论文 目录目录 摘要摘要 I ABSTRACT II 目录目录 III 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 系统设计背景 1 1 2 八站的工作原理 2 1 3 系统设计目标及技术要求 4 1 4 技术综述 4 1 4 1可编程逻辑控制器的发展 4 1 4 2气动执行原件和气动技术的特点 5 本章小节 6 第二章第二章 FESTO 提取站与可编程逻辑控制器提取站与可编程逻辑控制器 PLC 简介简介 7 2 1 提取站的功能 7 2 2 提取站的组成及各模块的功能 7 2 3 可编程逻辑控制器 PLC 简介 8 2 3 1 可编程逻辑控制器的定义 8 2 3 2 可编程逻辑控制器的特点 8 2 3 3 可编程控制器的分类 8 2 3 4 可编程逻辑控制器的应用 9 2 3 5 PLC的组成 9 2 3 6 PLC的工作方式 9 本章小结 10 第三章第三章 系统设计系统设计 11 3 1 技术路线与步骤 11 3 2 采样信号和控制量分析 11 3 3 系统组成 12 本章小结 14 第四章第四章 硬件设计硬件设计 15 4 1 设计所用 PLC 选型 15 4 1 1 S7 300CPU之间的区别 16 4 1 2 PS307电源模块 19 4 1 3 输入输出模块 SM 19 4 1 4确定I O点数 22 4 1 5 开关量输入 输出 22 4 1 6 PLC的环境适应性 23 4 2 执行器设备 23 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 II 4 2 1 无杆汽缸 23 4 2 2扁平气缸 24 4 2 3平行气爪 26 4 2 4过滤 调压组件 28 4 2 5 阀岛 28 4 2 6 消声器 29 4 2 7传感器 30 本章小结 37 第五章第五章 软件与程序设计软件与程序设计 38 5 1 软件选择 38 5 1 1 软件概述 38 5 2 STEP7 的安装与卸载 38 5 2 1 STEP7软件安装 38 5 2 2 STEP7软件的卸载 39 5 3 STEP7 的使用 39 5 4 程序设计 45 5 4 1 设计目标 45 5 4 2 编程语言的选择 46 5 4 3 符号表与逻辑块 47 5 4 4 系统编程 48 本章小节 49 结束语结束语 50 附录附录 本站程序本站程序 51 致谢致谢 60 参考文献参考文献 61 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 系统设计背景系统设计背景 随着现代化工业生产的发展 自动化控制技术的集成应用正起着越来越重要 的作用 从基本的气动 电气动 液压 电液压 传感器到可编过程控制和总线 系统 直至过程控制及制造系统 它们都在被广泛地应用着 同时也在不断地更新 和发展 为了适应形势的发展让人们可以在模拟的环境下进行学习与培训 德国 FESTO 公司推出了 FESTO 自动化控制技术教学培训系统 这套系统包含了德国的 先进工业技术和培训理念 提供了一套完整 灵活 紧密结合实际并能够不断随 着科技的发展而更新的教学培训系统 它包含了气动学 可编过程控制器 个人 电脑控制 液压学 电气液压学 比例液压 自动装置学等综合技术学科 本着 理论知识的学习与实际操作技能并重的原则 结合现代化工业生产的特点 在实 验中 我们可根据自己所学的专业知识在相应的实验教学装置上进行理论学习和 实践 在学习过程中逐渐把所学的专业知识联系起来进行综合运用 FESTO 自动控制系统是当今职业培训领域中被广泛使用的设备 它以模块 化的结构 将气动 液压 电气及电子 PLC 及计算机技术综合于一体 构成典 型的加工单元 再由多个单元组合在一起 形成一个模拟的生产加工系统 它是 自动化控制技术教学中 各单科知识的学习与实际生产设备之间的桥梁 我们本次的毕业设计针对的就是费斯托工业控制系统 这套费斯托工业控 制系统包含八个相对独立的工作单元 即可分开操作又可组合操作 八站分别为 供料站 检测站 加工站 提取站 缓冲站 组装站 机械手和分类站 每一站都拥 有相对独立的功能 例如在提取站中我们可以根据生产工艺流程的要求 设计出 一套相应的控制方案 对我们学习理论知识和实际的动手操作有很大帮助 在这套 FESTO 自动控制系统中我们将理论与实际相结合 根据不同的要求设 计不同的解决方案 在这次设计中我们重点是将 S7 300 系列的 PLC 应用到控制 过程中 用自己的思路来设计控制程序 整个设计的过程也同样是一个分析问题 过程 更重要的是让我们有了机会检验自己学习到的知识 本套模块化教学培训系统主要以气动元件为主 附加电动元件 总共由 8 个站组成 每个站都安装在一个可以推动的小车上 而小车正上方是一个带槽 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 2 的工作台 可以插入各种模块或器件 小车内部安装 PLC 及工作电源 正前方 用一个控制面板 用来控制整个系统运行 每站都用一个单独的 PLC 进行控制 PLC 采用德国西门子公司的 S7 300 系列中的 313C 型 两站通讯通过传感器完 成 1 2 八站的工作原理八站的工作原理 费斯托模块化教学培训系统 是一套包含工业自动化系统中各种复杂控制 过程的教学培训装置 具有模块 及易扩充等特点 在现代化工业生产中 自 动化技术起着非常重要的作用 从基本的气动 电气动 液压 电液压 传感 器技术到可编过程控制器 它们都被广泛的应用 八站FESTO教学培训系统组成如图1 1所示 图1 1FESTO教学培训系统 供料站的主要作用是为工件生产过程逐一提供加工工件 用双作用气缸从 料仓中逐一推出工件 再用转换模块上的真空吸盘将工件移动至下一个工作站 检测站的传输位置 检测站的主要作用是检测加工工件的特性 光电式及电容式传感器完成区 分工件的工作 模拟量传感器检测工件的高度 无杆气缸将合格的工件传送至 气动滑槽的上层 在传送到加工站 并将不合格的工件检出至气动滑槽的下层 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 3 加工站工件将在旋转平台上被检测及加工 工件在平台平行地完成检测及 钻孔的加工 加工完的工件通过电气分支传送到下一个工作站 提取站 操作手工作单元配置了柔性2 自由度操作装置 漫反射式光电传 感器对放置在支架上的工件进行检测 提取装置上的气抓手将工件从该位置提 起 气抓手上装有光电式传感器用于区分 黑色 及 非黑色 工件 并将工 件根据检测结果放置在不同的滑槽中 本工作单元可以与其它工作单元组合并 定义其它的分类标准 工件可以被直接传输到下一个工作单元 本设计重点设 计提取站 提取站如图1 2所示 图1 2 提取站 缓冲站可存放并分隔5个加工工件 传送带起始位置的漫射传感器检测被送 入的工件 分隔器上端及底部的光栅进行的加工控制是 如果传输点为空 则 分隔器送入一个工件 该动作由短行程缸来完成 短行程缸终端位置由终端位 置传感器检测 机械手工作单元将通过滑槽传送至此单元的工件传送到组装平台上 气抓 手上的传感器根据颜色 黑色 非黑色 区分工件 组装平台上的传感器监测工 件的方位 组装工作单元需与机械手工作单元共同使用 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 4 成品分装站 进入成品分装工作单元 制动器上方的传感器检测工件的特 性 黑色 红色 金属色 加工工件被分别放置在三根不同的滑槽上 这八个站相互协调 相互制约来完成整个组装任务 站与站之间的通讯通 过传感器完成 以上是对整套的费斯托系统的工作过程介绍 1 3 系统设计目标及技术要求系统设计目标及技术要求 在这次设计中主要锻炼我们的实际动手能力和检测我们的理论知识 当系 统设计完成后应具有如 1 2 节所述的实际工作功能 实现自动运行 因为这套模 块化教学培训系统每一站都是相对独立的工作单元 所以在设计程序的过程中 既要能单站操作也可完成上下站得整体工作 使上下站拥有良好的连接 当上站发 送工件后可以按照我们设定的程序完成操作 将工件通过本站送往下一个工作站 进行连续工作 在设计得过程中要对各个执行元件有一定的了解 掌握其工作 原理 为程序的设计做准备 在设计得过程中重点是各个监测点的传感器输入 的开关量 因为在程序的设计过程中检测点的输入是判断下一动作是否执行的 关键条件 例如在开始的时候检测上一站是否送来工件 只有当检测点传来信 号后才可执行下一动作 1 4 技术综述技术综述 在这个设计中我们主要应用的是实验平台自带的西门子公司生产的 S7 300 系列的可编程控制器 因为设计是针对实验平台的所以工艺流程相对比较固定 设计的目的也就有了相对的针对性 在这一实验平台中应用了气动执行单元和 电气控制部分 这两部分的知识都是当今前沿科学 1 4 1 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器的发展的发展 自推出可编程逻辑控制器 PLC 取代传统继电器控制装置以来 PLC 得到 了快速发展 在世界各地得到了广泛应用 同时 PLC 的功能也不断完善 随 着计算机技术 信号处理技术 控制技术 网络技术的不断发展和用户需求的 不断提高 PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能 今天的 PLC 不再局限于逻辑控制 在运动控制 过程控制等领域也发挥着十分 重要的作用 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 5 自上世纪七十年代引进 PLC 以来 PLC 在我国的应用已有 30 年的历史 引 进初期 由于 PLC 价格昂贵 引进的 PLC 主要用于冶金 电力 自动化生产线 等大的设备和系统 近 10 年来 随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩 大 越来越多的中小设备开始采用 PLC 进行控制 PLC 在我国的应用增长十分 迅速 PLC 将应用在越来越多的领域中得到应用 PLC 会有更大的发展 从技术上看 计算机技术的新成果会更多地应用于 可编程控制器的设计和制造上 会有运算速度更快 存储容量更大 智能更强 的品种出现 从产品规模上看 会进一步向超小型及超大型方向发展 从产品 的配套性上看 产品的品种会更丰富 规格更齐全 完美的人机界面 完备的 通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求 从市场上看 各国各自生产 多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破 会出现少数几个品牌垄断国 际市场的局面 会出现国际通用的编程语言 从网络的发展情况来看 可编程 控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的 发展方向 伴随着计算机网络的发展 可编程控制器作为自动化控制网络和国 际通用网络的重要组成部分 将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的 作用 1 4 2 气动执行原件和气动技术气动执行原件和气动技术的特点的特点 在这套设备中的动力来源是压缩空气来驱动执行元件 如气缸 机械气爪等 因此气动技术在这套设备中得到了广泛的应用 气动技术是以压缩气体为工作 介质传递动力及控制信号 以实现能量的传递 分配及控制的一门技术 二次 世界大战以后 由于各国科技迅速进步和经济繁荣 迫切需要提高生产机械化 和自动化水平 以提高产品质量和增加劳动生产率 工业界在寻求高效率 低 成本 安全可靠又有较长使用寿命的自动化组件和技术 于是气动技术应运而 生 60 年来 气动技术的发展经历从单个组件到控制系统 从单纯机械制品到 机电一体化的复杂高科技产品的历程 由风动技术和液压技术演变发展而成为 独立技术门类的气动技术已经在自动化控制领域得到广泛的应用 显示了强大 的生命力 成为现今应用最广 发展最快 也最易被接受及重视的技术之一 虽然气压传动以空气为介质 获得容易 处理方便 同时气动装置具有结构简 单 环境适应性强 成本低 寿命长等优点 但由于空气压缩性大 气压传动 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 6 难以实现精确的闭环伺服控制等因素的影响 大大限制了气动技术的应用 气 动控制技术的使用仅局限于环境恶劣的工况和一些简单开关控制 近年来 微电 子技术和气动技术相结合使气动技术呈现新的生机 世界各国对气动工业的发 展都给予很大的重视 本章小节本章小节 在这一章中首先介绍了设计的背景 分析了 FESTO 自动控制系统 重点了 解各个工作单元的工作原理和各个模块的功能 并且根据设计的要求和实验装 置的工作过程明确了设计的方向和制定了相应的技术指标 而且根据系统的应 用技术的特点介绍了气动技术和可编程逻辑控制器的现状和发展前景 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 7 第二章第二章 FESTO 提取站与提取站与可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器 PLC 简介简介 2 1 提取站的功能提取站的功能 操作手工作单元配置了柔性2 自由度操作装置 漫反射式光电传感器对放 置在支架上的工件进行检测 提取装置上的气抓手将工件从该位置提起 气抓 手上装有光电式传感器用于区分 黑色 及 非黑色 工件 并将工件根据检 测结果放置在不同的滑槽中 本工作单元可以与其他工作单元组合并定义其他 的分类标准 工件可以被直接传输到下一个工作单元 2 2 提取站的组成及各模块的功能提取站的组成及各模块的功能 1 提取站的组成 本站是第四站 是一个气动单元 主要有以下几个模块组成 检测模块 无杆汽缸模块 平行气爪模块 升降汽缸模块 缓冲模块 工作平台 控制面 板 手推车台 即实验装置的安装台 下有轮 可以推 PLC 板 2 各模块的功能 检测模块 主要是检测支架上有无工件及检测操作手左移到位和右移到位 升降气缸上升 下降到位 用漫反射式光电传感器对放置在支架上的工件进行 检测 用舌簧式行程开关检测是否到位 扁平气缸模块 主要是用来推动平行气爪下到位去抓紧工件 驱动器件采用 的是一个推动气缸 扁平气缸的上下两个终端位置分别采用两个舌簧式行程开 关来指示 平行气爪模块 采用双作用活塞驱动 当检测模块检测到支架上有工件时 平行气爪打开 气缸驱动平行气爪模块下降 当舌簧式行程开关检测到下降到 位时平行气爪复位夹紧工件 无杆汽缸模块 主要是用来使操作手左右移动的 无杆汽缸的气缸活塞上装 有永久磁铁环 可以用来触发行程开关 用来检测操作手左右摆到位 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 8 缓冲模块 主要是操作手左右移到位时给一个缓冲让操作手停下来 本站 采用的是液压缓冲器用于滑块的平滑减速 适用于无杆汽缸 行程为 12mm 最大 冲击速度为 3m s 2 3 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器 PLC 简介简介 2 3 1 可编程逻辑控制器的定义 可编程逻辑控制器的定义 可编程逻辑控制器 即 PLC 是一种数字运算操作的电子系统转为在工业 环境下应用而设计 它采用了可编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑 运算 顺序控制 定时 计数和算术操作等面向助用户的指令 并通过数字式 或模拟式的输入 输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程逻辑控制器及 其有关外围设备 都按易于与工业系统联成一个整体 易于扩充其功能的原则 设计 2 3 2 可编程逻辑控制器的特点 可编程逻辑控制器的特点 现代工业生产时复杂多样的 他们对控制的要求也各不相同 可编程逻辑 控制器由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员和工人欢迎 1 可靠性高 抗干扰能力强 2 适应性强 应用灵活 3 编程方便 易于使用 4 控制系统设计 安装 调试方便 5 维修方便 维修工作量小 6 功能完善 2 3 3 可编程控制器的分类可编程控制器的分类 PLC 的类型多 型号各异 一般按以下原则进行分类 1 按容量分类 PLC 的容量主要是指 PLC 的输入 输出 I O 点数 按照 PLC 的输入 输 出点数 可以将 PLC 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 之间 和大型 PLC I O 总点数在 2048 点以上 三种 2 按结构形式分类 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 9 按结构形式的不同 PLC 主要可分为箱体式和模块式两类 箱体式结构又称为整体式结构 它是将 PLC 的基本部件 如 CPU 板 输入板 输出板 电源板等很紧凑得安装在一个标准机壳内 构成一个整体 组成 PLC 的一个基本单元或扩展单元 箱体式结构的 PLC 体积小 成本低 安装方便 模块式结构的 PLC 是由一些标准模块单元构成 这些标准模块如 CPU 模块 输入模块 输出模块 电源模块等 将这些模块插在框架上或基板上即 可组装而成 各模块功能是独立的 外形尺寸是同一的 插入什么模块课根据 需要灵活配置 目前 中 大型 PLC 和一些小型 PLC 多采用这种结构形式 2 3 4 可编程逻辑控制器的应用可编程逻辑控制器的应用 随着 PLC 功能不断完善 性能价格比的不断提高 PLC 的应用面也越来越 广 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 采矿 水泥 石油 化工 电子 机械制造 汽车 船舶 装卸 造纸 纺织 环保 娱乐等各行各业 PLC 的 应用范围通常可分为如下五种类型 顺序控制 运动控制 过程控制 数据处理 通信和联网 2 3 5 PLC 的组成的组成 中央处理器 CPU 存储器 输入 输出接口 电源 扩展接口 通信接口 智能 I O 接口 编程器 其他部件 EPROM 写入器 存储器卡等 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 10 2 3 6 PLC 的工作方式的工作方式 可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机 故它的工作原理是建立在计算 机工作原理基础上的 即是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的 但是 CPU 是以分时操作方式来处理各项任务的 计算机在每一瞬间只能做一件事 所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作 由于运算速度极高 各电器的动作几乎是同时完成的 概括而言 PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式 每一次 扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期 CPU 从第一条指令开始 按顺序逐 条地执行用户程序直到用户程序结束 本章小结本章小结 本章主要介绍了提取站的组成及其功能和对可编程逻辑控制器进行了初步 的介绍 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 11 第三章第三章 系统设计系统设计 3 1 技术路线与步骤技术路线与步骤 在设计的过程中 首先我重点了解了实验平台的工作过程 查阅了 PLC 的 相关书籍 然后分析了站内各个工作点之间的逻辑关系 重点是与设计有关的 提取站的相关信息 当一个输出点工作时其它各点应该处于一个什么样的工作 状态 这是我在设计中遇到的一个难点 当一个检测点满足条件时系统应该处 于何种工作状态 清楚了提取站内工作点的工作条件 首先在开始状态首先进 行复位 因为在工作中可能存在非正常停机 如果存在上述情况 首先应复位 将系统推进到可工作的状态 当复位完成后 系统转入正常工作状态 先检测 上一站是否传来工件 如无工件向上一站发出请求信号 收到工件后检测装置 检测信号置 1 气爪下移并打开 下降到位后舌簧式行程检测开关检测到位后 气爪复位抓紧工件上升 当上升到位后舌簧式行程检测开关检测到信号后 气 爪开始右移 气爪右移到位后舌簧式行程检测开关检测到信号停止右移 气爪开始 下移 放下工件 气爪上升到位后左移 当气爪到位后向上一站发送信号 3 2 采样信号和控制量分析采样信号和控制量分析 表 3 1 采样信号表 序号采样信号名 称 性质 开关 模拟 传感器占用硬件资 源 说明 1 工件进站信 号 开关光电传感器 I0 0 2 气爪左到位开关舌簧行程开 关 I0 1 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 12 3 气爪右到位开关舌簧行程开 关 I0 2 4 气爪下到位开关舌簧行程开 关 I0 4 5 气爪上到位开关舌簧行程开 关 I0 5 6 下一站发来 信号 开关 I0 7 7 启动信号开关 I1 0 8 停止信号开关 I1 1 9 复位信号开关 I1 3 表 3 2 输出变量表 序号输出信号名 称 性质 开关 模拟 传感器占用硬件资 源 说明 1 气爪左移 开关 Q0 0 2 气爪右移开关 Q0 1 3 气爪下行开关 Q0 2 4 气爪张开开关 Q0 3 5 向上一站发 送信号 开关 Q0 7 6 启动指示灯开关 Q1 0 7 复位指示灯开关 Q1 1 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 13 3 3 系统组成系统组成 在这套系统的组成部分可划分为执行机构 包括无杆气缸 电磁阀 气爪 扁 平气缸 等 检测部分 将被控参数检测出来并变成气压信号和将气压信号转换 为电信号的组件 如光电传感器 限位开关 电容式传感器等 气压发生装置 提 供压缩空气的装置如空气压缩机 控制面板和中心控制部分 PLC 设计的过程中首先考虑系统内部的逻辑关系 在程序的开始部分要对系统 进行复位 复位操作类似于正常工作时的一个工作过程 气爪要右移下降 释 放工件 然后回到左端的起始位等待工件 在等待的过程中 如果没有工件进 站就要通过连接两个工作站的光电传感器来向上一站发送请求 在工件进站后 进料口的传感器检测到信号就向可编程控制器发送一个信号 气爪开始工作 气爪打开后下降 夹紧工件后上升 在无杆气缸的带动下向右端动作 在到达 右端后通过舌簧行程开关传回信号 系统进行下放动作 在完成下放动作后气 爪回到初始位等待下一工件进站 提取站的工作流程图如下 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 14 图 3 1 工作流程图 本章小结本章小结 在这一章中介绍了系统的组成部分 并具体介绍了各个部分的工作原理 阐述了设计的方向和设计的重点 利用表格的形式将系统的输入 输出量表述 出来 并对系统内部的逻辑关系进行了分析 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 15 第四章第四章 硬件设计硬件设计 4 1 设计所用设计所用 PLC 选型选型 本套 FESTO 教学实验系统的电气控制部分均由可编程控制器来承担 并且 通过一个手动控制面板辅助 PLC 的控制 考虑到各个站的控制原理基本相同 所以在选取 PLC 时可选用一种机型 本次设计都选用了西门子的 S7 300 系列的 PLC SIMATIC PLC 是德国西门子公司在 S5 系列 PLC 的基础上于 1995 年陆续推 出的性价比较高的 PLC 系统 其中 S7 300 由于其系统的优良特性 近年来被 广泛应用于专用机床 纺织机械 包装机械 通用机械应用 控制系统 机床 楼宇自动化 电器制造工业及相关产业等诸多领域 S7 300 系列小型 PLC 可应 用于各种自动化系统紧凑的结构低廉的成本以及功能强大的指令集使得 S7 300 PLC 成为各种小型控制任务理想的解决方案 S7 300 产品的多样化及基于 WINDOWS 的编程工具使您能够更加灵活的完成自动化任务 S7 300 提供了多种 性能递增的 CPU 和丰富的且带有许多方便功能的 I O 扩展模块 各种功能模块 可以非常好的满足和适应自动控制任务 使用户完全根据实际应用选择合适的 模块而且当控制任务增加对 PLC 进行扩展 系统扩展灵活 S7 300 具有高电磁兼容性和强抗振动 冲击性 使其具有最高的工业环 境适应性 S7 300 结构简单 使用灵活而且易于维护 采用 DIN 标准导轨安装 安 装方便 背板集成在模块上 模块通过总线连接器相连 使得更换模块简单 所有模块都具有可靠的接线端子 信号模块和通信模块可以不受限制地插到任 何一个槽位上 系统可以自行组态 当用户的自控系统任务需要多于 8 个信号 模块或通讯处理器模块时 则可以扩展 S7 300 机架 扩展实现方便 S7 300 是模块化的组合结构 根据应用对象的不同 可选用不同型号和 不同数量的模块 并可以将这些模块安装在同一机架 导轨 或多个机架上 与 CPU312FM 和 CPU313 配套的模块只能装在一个机架上 除了电源模块 CPU 模块和接口模块外 一个机架上最多只能安装 8 个信号模块或功能模块 CPU314 315 315 2DP 最多可扩展 4 个机架 IM360 IM361 接口模块将 S7 300 背板总线从一个机架连接到下一个机架 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 16 中央处理单元总是在 0 号架的 2 号槽位上 1 号槽安装电源模块 3 号槽安 装接口模块 4 11 号槽 可自由分配信号模块 功能模块和通讯模块 需要 注意的是 槽位号是相对的 每一机架的导轨并不存在物理的槽位 由于该套 FESTO 教学实验系统控制原理简单 因此 8 个站的 PLC 均为单机 作业 也不需要扩展功能模块 PLC 之间也没必要网络通讯 所以每个站的 PLC 只由最基本的中央处理单元 CPU 电源模块 PC 信号模块 SM 组成 4 1 1 S7 300CPU 之间的区别之间的区别 表 4 1 CUP 312C 紧凑型 CPU 带集成的 数字量输入和输出 适用于具有较高要求 的小型应用 带有与过程相关的功 能 CUP 运行时需要微存储卡 CUP 313C 紧凑型 CPU 带集成的 数字量和模拟量输入 和输出 适用于有较高要求的 系统中 带有与过程相关的功 能 CUP 运行时需要微存储卡 CUP 313C 2 PtP 紧凑型 CPU 带集成的 数字量输入和输出 并带有 2 个串口 适用于有较高要求的 CUP 运行时需要微存储卡 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 17 系统中 带有与过程相关的功 能 CUP 313C 2 DP 紧凑型 CPU 带集成的 数字量输入和输出 以及 PROFIBUS DP 主 站 从站接口 带有与过程相关的功 能 可以完成具有特殊功 能的任务 可以连接标准 I O 设 备 CUP 运行时需要微存储卡 CPU 314C 2 PtP 紧凑型 CPU 带集成的 数字量和模拟量输入 和输出 并带有第 2 个串口 适用于具有较高要求 的系统中 带有与过程相关的功 能 CUP 运行时需要微存储卡 CPU 314C 2 DP 紧凑型 CPU 带集成的 数字量和模拟量输入 和输出 以及 CUP 运行时需要微存储卡 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 18 PROFIBUS DP 主站 从 站接口 带有与过程相关的功 能 可以完成具有特殊功 能的任务 可以连接标准 I O 设 备 CPU 采用 CPU313C 型 CPU313C 是具有更大的程序存储器 低成本的解决 方案 适用于对速度要求较高 程序较大的小型应用领域 CPU313C 是一款紧 凑型的处理器 带有集成的数字量和模拟量的输入和输出 其中 数字量输入 输出分别为 24 位和 16 位 运行时需要微存储器卡 MMC CPU313 内置 12KB 的 RAM 其装载存储器为内置 20KB 的 RAM 可用存储器卡扩充装载存储器 最大 容量可为 4MB 的 EEP ROM 电擦除可编程只读存储器 指令执行速度为 600ns 二进制指令 最小位操作时间 0 1MS 到 0 2MS 扩展模块只能装在一个机架上 最大扩展 128 点数字量和 32 路模拟量 通信接口为 MPI 接口 模块总数为 31 块 CPU313C 的存储器可分为三个区域 装载存储器 MMC 工作存储器 系 统存储器 1 装载存储器 装载存储器位于SIMATIC微存储卡 MMC 中 其容量与MMC的容量相符合 用于保存代码块和数据块以及系统数据 组态 连接和模板参数等 标记有 与运行时间无关的块 不能保存在装载存储器中 也可以将项目的整个组态数 据保存在MMC中 注意 装载存储器 MMC 中的程序数据必须为记忆性保存 当装入时即写 入MMC 并可防止电源故障和存储器复位 因此 装入用户程序以及CPU 313C的 操作只能使用插入的MMC 2 工作存储器 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 19 集成的CPU工作存储器不能扩展 它只能用于处理代码数据和用户数据 只 能在主存储器中和系统存储器中处理程序 当插入MMC时 可以保存CPU的主存 储器内容 断电时 你的数据就保存在MMC存储器中 因此 数据块的内容基本 上被永久保留 3 系统存储器 RAM 集成的CPU系统存储器不能扩展 它包括 存储位 计时器和计数器的地址 区 I O过程映象 局域数据 在你的组态中 CPU属性 记忆性选项 你可 以指定存储位 计时器和计数器的那一部分具有记忆功能 并在重新启动时使 用 0 初始化 一般地 诊断缓冲器 MPI 地址 和传输速率 以及运行小时 计数器都被写入具有记忆功能的CPU存储器中 MPI地址和传输速率的记忆功能 确保了即使在掉电 存储器复位或通讯参数丢失时 CPU也仍能进行通讯 例如 拆除MMC或通讯参数删除 4 1 2 PS307 电源模块电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源 PS307是西门子公司为 S7 300专配的DC24V电源 PS307系列除输出额定电流不同外 2 5 10A 其 工作原理和参数都一样 本系统使用的电源是独立的开关电源 不仅可提供多 路独立的电压供内部电路使用 而且还可为输入设备提供标准电源 4 1 3 输入输出模块 输入输出模块 SM PLC 对外功能主要是通过各类接口模块的外接线 实现对工业设备和生产 过程的检测与控制 通过各种输入输出接口模块 PLC 既可检测到所需的过程 相信 又可将处理结果传送给外部过程 驱动各种执行机构 实现工业生产过 程的控制 通过输入模块单元 PLC 能够得到生产过程的各种参数 通过输出 模块单元 PLC 能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制 实际生产中的信号电平多种多样 外部执行结构所需电流也是多种多样 而 PLC 的 CPU 所处理的只能是标准电平 由于输入输出模块单元与工业过程现场 的各种信号直接相连 这就要求它有很好的信号适应能力和抗干扰性能 因此 在输入输出模块单元中 一般均配有电平转换 光耦合器和阻容滤波等电路 以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传送 PLC 正是通过这种接口实现了信号电平的转换 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 20 系统所使用的紧凑型 CPU313C 带集成的数字量和模拟量的输入和输出模块 图 4 1 集成的数字量输入 DI24 它的作用是把现场各种开关信号转换成 PLC 内部 处理的标准信号 在直流输入单元中 电阻 R1和 R2构成分压器 R2与电容 C 组成阻容滤波 二极管用于防止反极性电压输入 发光二极管 LED 指示输入 状态 光耦合器隔离输入电路与 PLC 内部电路的电气连接 并使外部信号通过 光耦合器转换成内部电路接受的标准信号 当外部开关闭合后 外部直流电压 经过电阻分压和阻容滤波后加到光耦合器的发光二极管上 经光耦合 光敏晶 体管接受光信号 并输出一个对内部来说是接通的信号 输出端的发光二极管 LED 点亮 指示现场开关闭合 模块输入电压为 24V 1 信号允许 15 30V 0 信号允许 3 5V 典型输入电流 8mA 集成的数字量输出 DO16 额定 负载电压 L 24V 允许范围 20 4V 28 8 输出电压 1 信号最大 L 0 8V 最大输出电流 1 信号为 0 5A 最小电流 5mA 0 信号最大电流 0 5mA 满 负荷能力 40 C 时为 100 60 C 时为 50 输出开关能力对阻性负载为 100Hz 感性负载为 0 5Hz 数字量输入输出模块都有电子隔离 示意图如下 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 21 图 4 2 集成的的模拟量输入 用于电压电流的测量 AI5 12Bit 测量电压 10V 0 10V 测量电流 20mA 0 4 至 20mA 单极精度 11 位 符号位 25 C 最大误差 0 7 集成的模拟量 用于电压电流测量 AO 2 输出电压范 围 10V 0 10V 输出电流范围 20mA 0 4 至 20mA 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 22 图 4 3 4 1 4 确定确定 I O 点数点数 根据控制系统的要求确定所需要的 I O 点数时 应再增加 10 20 的备 用量 以便随时增加控制功能 对于一个控制对象 由于采用的控制方法不同 或编程水平不同 I O 点数也应有所不同 在提取站的设计中共有 11 个输入点 8 个输出点 4 1 5 开关量输入 输出开关量输入 输出 开关量是指只有开和关 1 和 0 两种状态的信号 模拟量是指连续变化的 量 常用的 I O 分类如下 开关量 按电压水平分 有 220VAC 110VAC 24VDC 按隔离方式分 有继电器隔离和晶体管隔离 通过标准的输入 输出接口可从传感器和开关 如按钮 限位开关等 及 控制 开 关 设备 如指示灯 报警器 电动机起动器等 接收信号 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 23 4 1 6 PLC 的环境适应性的环境适应性 由于 PLC 通常直接用于工业控制 生产厂都把它设计成能在恶劣的环境条 件下可靠地工作 尽管如此 每种 PLC 都有自己的环境技术条件 用户在选用 时 特别是在设计控制系统时 对环境条件要给予充分的考虑 一般 PLC 及其 外部电路 包括 I O 模块 辅助电源等 都能在表 1 所列的环境条件下可靠工 作 表 4 2 PLC 的工作环境 序号 项 目 说 明 1 温 度工作温度范围为 0 60 度 最高为 60 度 贮存温度 范围为 25 60 度 2 湿 度相对湿度 5 95 无凝结霜 3振动和撞击满足国际电工委员会标准 4 电 源采用 220V 交流电源 允许变化范围 15 15 频 率为 47 53Hz 瞬间停电保持 10ms 5 环 境周围空气不能混有可燃性 爆炸性和腐蚀性气体 4 2 执行器设备执行器设备 4 2 1 无杆汽缸无杆汽缸 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 24 图 4 4 无杆气缸 无活塞杆气缸有绳索气缸 钢带气缸 机械接触式气缸和磁性耦合式气缸 他们没有普通气缸的刚性活塞杆 而是利用活塞直接或间接连接外界执行机构 跟随活塞直接或间接实现往复运动 无杆气缸单元的特点 在狭小空间内产生 大作用力 动态性能好 精度高 抗扭能力强 结构坚固 改进的导向装置 带循环滚珠轴承的派生型具有很高的精度和负载能力 对行程和总长度比进行 了优化 并集成了舌簧式行程开关传感器 操作更可靠 使用寿命长 不易泄 漏 成本更低 优惠的购置成本 简便的装配和调试使得它具有很高的可靠性 灵活性高 从 18MM 到 80MM 有 7 种规格 多种派生型 如防尘型 夹紧单元 或重载导轨 以及各种气接口 安装和装配方式使得它在市场上占厂很大的份 额 盖子的材料 铝 外壳的材料 高合金钢 因本站无杆气缸为磁性耦合无 杆气缸 所以重点介绍此气缸 无杆气缸如图 4 4 所示 4 2 2 扁平气缸扁平气缸 扁平气缸为双作用气缸 由于采用椭圆型活塞 抗扭转 活塞杆可承受最 大扭矩为 2 Nm 活塞杆可选择内或外螺纹 两终端有缓冲环 适用于非接触终 端感测 中空活塞杆可用于真空和流体以及喷射功能 轴承和端盖具有定中心 功能 大范围的安装方式选择 可使用安装螺纹或缸体上的通孔 或附加安装 辅件进行安装 紧凑的装配结构连接件适用于中空活塞杆与真空吸盘连接 实 物如图 3 4 所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 25 图 4 5 扁平气缸 扁平气缸的特性 技术参数如下 行程 80 mm 活塞直径 18 mm 当量直径活塞杆的最大角度偏移 1 2 deg 缓冲 两端带弹性缓冲环或缓冲板 设计结构 活塞 活塞杆 位置检测 带接近开关 防止扭转 导向 椭圆形活塞 工作压力 1 10 bar 工作介质 干燥压缩空气 经润滑或未经润滑 耐腐蚀等级 CRC2 环境温度 20 80 度 0 mm 行程时的移动质量 24 g 每 10 mm 行程所增加的重量 13 g 0 mm 行程时的基本重量 107 g 每 10 mm 行程的附加质量系数 4 g 安装类型 具有内 阴 螺纹 带附件 气动连接 M5 盖子的材料 锻造铝合金 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 26 外壳的材料 铝 光滑处理 活塞杆的材料 高合金钢 耐腐蚀 4 2 3 平行气爪平行气爪 标准气爪系列抓取力较大 其分类为 平行气爪 摆动气爪 旋转气爪或 三点气爪 具有不同的抓取力和抓取动作 规格从 6 到 50mm 相互组合形成高 性价比的解决方案 可无间隙地集成到模块化抓取和装配系统中 HGP 平行气爪 图 4 6 平行气爪 抓取力大 结构紧凑 打开和合拢时抓取力保持 内部固定流量控制 重复精确度高 0 04 mm HGD 三点气爪 精度极高 夹持力大 重复精度 0 02 mm 位于中心驱动轴的同心轴上 HGR 旋转气爪 整个角度范围内抓取力恒定 1800 开角 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 27 内部集成流量控制 重复精确 0 05 mm HGW 摆动气爪 整个角度范围内抓取力恒定 40 开角 内部集成流量控制 重复精确 0 02 mm FESTO 标准气爪是用于搬运及装配技术的系统产品 FESTO 标准气爪的特点 双作用活塞驱动 自对心 不同的夹紧方式 向外夹紧 向内夹紧 可以 以多种方式和其它驱动器进行结合 采用霍尔传感器或接近式传感器进行 位 置感应 采用外部夹头 易于实现多样性 用接近式传感器对位置进行感测 霍尔传感器 SMH 电子式 SM 8 接触式或非接触式 气动式 SMPO 注意 FESTO 标准气爪 只能采用排气节流 标准气爪不适合于以下应用 或相似的应用 机械加工 腐蚀性介质 磨屑 焊接火星 FESTO 标准气爪的参数如下 每个气爪夹头的行程 3 mm 最大复位精度 0 2 mm 气爪手的重复精度 0 04 mm 气爪指的数量 2 耐腐蚀等级 CRC 1 环境温度 10 60 6 bar 时的气爪夹紧力 打开 22 N 气爪夹紧力 关闭 6 bar 时 17 N 气爪夹头动态时 Fz 的最大扭矩 2 5 N 气爪夹头静态时 Fz 的最大扭矩 25 N 气爪动态时的 Mx 轴向最大扭矩 0 05 Nm 气爪静态时 Mx 的最大扭矩 0 5 Nm 气爪动态时的 My 轴向最大扭矩 0 05 Nm 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 28 气爪夹头静态时 My 的最大扭矩 0 5 Nm 气爪动态时的 Mz 轴向最大扭矩 0 05 Nm 气爪静态时的 Mz 轴向最大扭矩 0 5 Nm 产品重量 75 g 外壳的材料 锻造铝合金表面硬化处理 气爪夹头的材料 高合金钢 耐腐蚀 4 2 4 过滤 调压组件过滤 调压组件 此两联件由过滤器 压力表 截止阀和快插接口组成 安装在可旋转的支 架上 过滤器有分水装置 可以除去压缩空气中的冷凝水 颗粒较大的固态杂 质和油滴 减压阀可以控制系统中的工作压力 同时能对压力的波动做出补偿 滤杯带有手动排水阀 图 4 7 过滤减压阀 4 2 5 阀岛阀岛 该项技术是由德国 FESTO 公司最先发明并应用的 它是把多个电控换向阀 采用总线结构集成在一起 缩小了体积 减小了控制线 非常便于安装 综合 步线和采用计算机控制 使气动 电控系统的设计安装和调试过程大为简化 阀岛有多种类型 FESTO 阀岛可分为如下几种 多功能 MIDI MAXI 阀岛 Micro Mini Midi 阀岛 ISO 阀岛 老虎阀岛 VDMA 阀岛 紧凑型阀岛等 本 套系统中使用的阀岛属于紧凑型阀岛 1 阀岛的优点 阀的流量大 能耗小 多功能的紧凑型模块用途广泛 模块 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 29 化的单元结构适用于单独设计和工厂快速改造 先进的连接方式和总线技术使 数据传输快速安全 安装和总线连接成本低 CPV 型阀岛结构尺寸小 性能优 异 可在一个位置上紧凑地安装两个阀的功能 从而提高了它的性能 所有阀 都采用先导式控制 在调试时也能够手动控制 所有的功能都可各自互相组合 横向气路板集成阀具有流量大 功能多等特点 CPV 阀岛的设计尺寸很小 最多 可安装 8 片阀 16 个线圈 图 4 8 带消声器的阀岛 带 AS I 的阀岛 AS I 的显着特点是数据信号和电源电压由同一根两芯电 缆同时传输 电缆的形状使用户排除了极性错误 如果在紧急状态下 要将部 分阀从主电源隔离 可以给这些阀单独供电 4 2 6 消声器消声器 在气动系统中压缩空气经换向阀向执行元件供气时 工作完成后又向外排气 在 这一过程由于执行机构的内部结构和空气速度和空气膨胀的原因会产生高频噪 音 就需要用消声器来降低排气噪声 阀用消声器一般采用螺纹连接方式 直接安装在阀的排气口上 对于采用 集装式连接的控制阀 消声器安装在底板上 在自动线中也有用集中排气消声 的方法 把每个气动装置的控制阀排气口 用排气管道集中引入用作消声的长 圆筒中排放 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 30 阀用消声器通常在罩壳中设置消声组件 并在罩壳上开有许多小孔或沟槽 如下图 图 4 9 消声器 4 2 7 传感器传感器 在这套 FESTO 实验平台中运用了大量的传感器 传感器在系统的运行过程 中起到了至关重要作用 如位移的检测 物料的检测 上下站的信号传递 气 缸活塞的运行位置的检测 由此可见在自动检测与控制系统中 传感器位于系 统之首 其作用相当于人的五官 直接敏感外界信息 传感器能否正确感受信 息并使其按相应规律转换为可用信号 对系统的控制质量起决定作用 自动化 程度愈高系统对传感器的依赖程度就愈大 传感器是系统的重要部件 传感器种类及品种繁多 原理也各式各样 例如电阻应变式传感器被广泛 用于电子秤和各种新型机构的测力装置 其精度和范围度是根据需要来选定的 过高的精度要求对某种使用也无太大意义 过宽的范围度也会使测量精度降低 而且会造成成本过高及增加工艺上的困难 因此 应根据测量对象的要求 恰 当地选择精度和范围度是至关重要的 但无论何种条件 场合使用的传感器 均要求其性能稳定 数据可靠 经久耐用 传感器的分类目前尚无统一规定 传感器本身又种类繁多 原理各异 检 测对象五花八门 给分类工作带来一定困难 通常传感器按下列原则进行分类 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 31 1 按被检测量分类 按被检测量分类 可分为物理量传感器 化学量传感器 生物量传感器 在各类传感器中可分为若干族 每一族中又可分为若干组 2 按物理原理分类 这种分类方法是以传感器的物理原理作为分类依据 可分为压阻式 压电 式 电感式 电容式 应变式 霍尔式 这种分类方法有利于传感器专业 工作者从原理和设计上作归纳性的分析和研究 3 按能量的传递方式分类 按能量的传递方式分类 传感器可分为有源传感器和无源传感器两大类 有源传感器将非电量转换为电量 无源传感器本身并不是一个换能器 被测非 电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用 所以它必须具有辅助能源 电 源 4 按传感器的工作机理分类 按传感器的工作机理分类 可分为结构型和物性型两大类 结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的 物性型传感 器是利用物质法则构成的 另外 根据传感器输出是模拟信号还是数字信号 可分为模拟传感器和数字传感器 根据转换过程可逆与否 可分为双向传感器 和单向传感器等 传感器千差万别 即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传 感器 因此 要根据需要