东风公司重型车厂kd包装线自动控制系统的设计与实现 毕业论文

毕业设计（论文）题目东风公司重型车厂KD包装线自动控制系统的设计与实现系别电信学院专业自动化班级学生姓名学号指导教师摘要本设计课题以东风公司重型厂KD包装线为背景，针对汽车KD件的特殊性进行全方位设计，以得到适用于重型级的KD包装生产线。自动化思想贯穿着整个设计过程。以自动控制为目标，实现包装线全自动运行，提高企业的生产效率和质量，降低成本。在本设计论文中，详细讲解了KD包装线的硬件搭建，包含输送滚床的整体设计、旋转滚床内部执行机构的设计。同时也设计出了安全可控的电气系统电路。在其控制程序中更是以模块化、结构化编程为思想进行程序设计，实现程序高度可读性与可靠性。控制程序设计有通信模块和故障监控模块，可使主从站都能快速响应各种故障情况，避免造成不必要的损失。关键词KD包装线；自动化；PLC控制系统；模块化编程；结构化编程ABSTRACTTHISDESIGNTASKAIMSATSPECIALOFAUTOMOBILEKDUNITSTOCOMPLETELYDESIGNWITHTHEBACKGROUNDOFDONGFENCOMPANYPATTERNPLANTKDPACKAGINGLINEKDPACKAGINGLINECANBESUCCESSFULLYPACKEDAUTOMOBILEKDUNITSAUTOMATIONIDEARUNSTHROUGHTHEPROCESSIONOFDESIGNINGPACKAGINGLINECANBEREALIZEDWITHTHEAUTOMATICCONTROL,ANDIMPROVECOMPANYSPRODUCTIVITY,ANDCOSTREDUCTIONTHISDESIGNINSTRUCTIONEXPLAINSTHEHARDWARECONSTRUCTIONOFKDPACKAGINGLINEINDETAIL,INCLUDINGTHEWHOLEDESIGNOFCONVEYORROLLERBED,INSIDEEXECUTINGDESIGNOFROTATINGROLLERBEDATTHESAMETIME,ITISDESIGNEDTHESAVESYSTEMSCIRCUITSITISUSEDMODULARPROGRAMMINGANDSTRUCTUREDPROGRAMMINGINTHECONTROLPROGRAMDESIGN,REALIZEDHIGHREADABILITYANDRELIABILITYCOMMUNICATIONBLOCKSANDFAULTBLOCKSARESETINTHECONTROLPROGRAMITCANLEADTHEMASTERANDSLAVETODEALALLKINDSOFFAULTSITUATIONS,ANDAVOIDCAUSINGTHEUNNECESSARYLOSINGKEYWORDKDPACKAGINGLINEAUTOMATIONPLCCONTROLMODULARPROGRAMMINGSTRUCTUREDPROGRAMMING目录第一章绪论111课题来源112KD包装线国内外发展情况113KD包装线实现意义2第二章KD包装线系统需求分析4第三章KD包装线系统硬件设计631主电路设计632PLC选型与设计8321主站PLC选型9322从站PLC选型12323PLC供电设备选型1433触摸屏选型1434通信网络设计1535输送滚床设计17351单段滚道尺寸选型17352电机驱动设计1836旋转滚床设计20361旋转驱动装置20362顶升装置22第四章KD包装线控制软件设计2341控制程序设计总方向2342控制程序24421旋转滚床控制程序24422转台电机控制程序28423工件进出转台控制程序30424缺/复料控制程序33425称重工位控制程序3443通信模块程序3844故障监控程序4045人机界面设计42451WINCC简介42452界面设计43第五章结论46结束语47致谢48参考文献492014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）1第一章绪论KD（KNOCKEDDOWN）即“散件组装”，KD有三种形式CKD、SKD、DKD。CKDCOMPLETEKNOCKEDDOWN为全散件组装，SKDSEMIKNOCKEDDOWN则是半散件组装，一部分总成是现成的。还有的就是DKDDIRECTKNOCKEDDOWN，直接组装或者成品组装。而汽车KD包装线即把汽车各个零部件进行打包的包装流水线。近年来，汽车企业除了整车出口外，KD出口项目也变得越来越多,因此各大汽车企业纷纷搭建自己的KD包装线，来应对汽车产业的新挑战。11课题来源课题来源于东风公司重型车厂西坪新工厂新建两条KD包装线，用来对外输的汽车零部件进行打包处理，整条KD包装线包含有旋转滚床和传输滚床，有称重工位、上料工位、打包工位等。这条KD包装线是一条全自动包装线，它需按包装的工艺要求，将各自动包装机和相关辅助设备，彼此间连结起来，并具有独立控制装置的自动运行系统。它能使被包装物品和包装材料按预定的包装要求和工艺顺序，由各包装机完成包装的全过程。在自动包装线中，工人不需要直接参与操作，其主要任务是监视、调整和控制，以保证自动包装线的正常运行。由此可见，KD包装线可令企业提高生产效率，避免在生产过程中因人为原因导致的包装质量问题，同时也降低了包装成本。全自动包装线是包装行业的趋势。12KD包装线国内外发展情况在汽车产业的飞速发展及国与国之间贸易不断加强，全球的汽车企业都争先恐后地发展自己的KD包装业，使自己的产品迅速占领新兴市场。因此汽车KD包装线得到了很好的发展，大大促进包装行业。在国外KD包装流水线工艺流程自动化程度越来越高，且不断提高生产率和设备的柔性及灵活性。采用机械手完成复杂的动作。操作时，在由电脑控制的摄像机录取信息和监控下，机械手按电脑指令完成规定动作，确保包装的质量。在开发包装流水线2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）2时，普遍采用计算机仿真设计技术，如德国包装机械设计采用了计算机仿真设计技术，大大缩短了包装机械的开发设计周期。除此之外，还对包装设备进行改进，使其更趋于“三高”（高速、高效、高质量）。对于专用型包装机，不断应用先进的技术，发展和开发含高新技术的现代化包装机械。所应用到的新技术有航天工业技术（热管类）、微电子技术、磁性技术、信息处理技术、传感技术（光电及化学）、激光技术、生物技术、以及新的加工工艺、新的机械部件结构（如锥形同步齿形带传动等）、新的光纤材料等，使许多包装机械已趋于智能化1。相对于国外的发展，国内包装流水线有二十多年的发展历史，不断地向前发展。在引进消化、吸收的基础上，有一定的创新，产品科技含量也在不断的提高。经过了多年的努力，国内全自动包装流水线产业可以说进入了高速发展时期，培养出了一大批包装线生产商。对不同的包装工件类型分别设计有托盘自动包装线，机器人码垛包装线、箱型产品包装线等，而在包装机械上也得到了不断的创新，如缠绕机、打包机、封切热缩包装机等都按不同的使用情况设计出了不同的型号。总的来说，包装技术在不断地发展，技术含量不断增加，包装生产线更是越来越自动化，生产能力不断地提高。13KD包装线实现意义在当前的商业社会中，商业活动早已跨越了国界，跨国投资、对外贸易已十分普遍，特别是在汽车产业中，各国的汽车厂家都不满足于本国的汽车销售业务，极力向外发展，壮大自己的企业，使其在全球汽车产业中占据更大的份额。上世纪末，我国成为一个极具生命力的新兴市场。外国的汽车厂家一直想打入我国市场，而我国也一直希望能够发展自己本国的汽车产业，权衡了各方面的利弊，采取了中外合作的方式，使得我国的汽车产业得到了快速的发展。对于一个企业，生产力决定着它的存活，所以每一个企业都在不停地提高自己的生产力。其解决办法只有一个，那就是科技，用技术去创造生产力。我国已开始从原来粗放型经济慢慢转向以技术为主导的密集型经济，各个厂家都在不断地更新生产设备，采用更高水平的生产技术去提高生产效率，保证生产质量。人力的优势已开始变得不存在了，许多大型的工厂都采用了自动化技术来进行生产，并且现场的工人却少之又少，他们主要的工作只是对生产过程和生产设备作监控。但这类型的生产模式是很有吸引力的，因为它的生产力非常惊人，而且生产出高质量的产品。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）3想要达到这种生产水平就得采用自动化技术，让生产过程全自动化，避免人为的误差与过失影响生产效率与质量。无论高速大批量制造企业还是追求灵活、柔性和定制化企业，都必须依靠自动化技术的应用。自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程起着明显的提升作用（1）提高生产过程的安全性；（2）提高生产效率；（3）提高产品质量；（4）减少生产过程的原材料、能源损耗。KD包装线就是要实现一条全自动的包装流水线，负责对KD件的传送与包装，并不需要工人去对笨重的KD件进行处理，大大提高了生产效率。据国际权威咨询机构统计，对自动化系统投入和企业效益方面提升产出比约14至16之间。特别在资金密集型企业中，自动化系统占设备总投资10以下，起到“四两拨千金”的作用2。在现实中，2010全年，东风商用车重型车厂装配218个品种，33616辆，同比增长392；适应性商品开发56个品种、总量12059辆，同比增长1682；KD业务实现了新跨越，累计出口4634辆，同比增长2874，其中伊朗CKD包装4550辆，实现了大批量流水作业包装，有力支撑了东风商用车公司海外事业的发展。KD包装线自动化系统的实现帮助东风公司增大了产量，开拓了海外市场。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）4第二章KD包装线系统需求分析本课题是涉及汽车行业的KD包装线，它与普通的KD包装线有所不同。汽车的KD件重量较大，几乎接近于12吨，其体积也是很大，所以整个包装线占地面积是比较大的。东风公司重型厂KD包装线由旋转滚床、传输滚床、上料工位、称重工位和打包工位组成。因其占地面积大，为了减小系统电路接线的成本，避免因距离较长而造成信号的干扰，采用主从站的方式来搭建控制系统。系统是以1个主站和2个从站的方式，相互通信，从而实现对现场设备的监控。KD包装B线电器分布，如图21所示。图21B线电器分布图KD包装线所要完成的工作是将工件输送到称重工位进行称重检测，再将合格产品输送到进行打包工位包装。其运行动作大致为工件装箱完毕后触发光电开关，激活上料工位的输送滚床，在上料工位等待输送到旋转滚床，旋转滚床接到信号后进行响应；旋转滚床旋转到位后工件被输送到旋转滚床上，旋转滚床回正后把工件输送到包装线干线上，再由输送滚床输送到输送干线上的称重工位上称重。对不合格的工件输送到正方向的不合格产品下线处，而合格的产品则输送到打包机和缠绕机进行包包装。包装工位有打包机包装工位和缠绕机包装工位，它们与控制器都有各自的输入/输出点。打包机与缠绕机都是独立的设备，系统控制器只需对它们进行启动，整个包装2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）5过程是不需要干预的。如缠绕机的包装动作，当工件到达光电开关GL29时，控制器向缠绕机发送进缠绕机请求，收到缠绕机的允许后方才启动滚道电机把工件输送到缠绕机中进行包装。同理，包装完成后，缠绕机向控制器发送出缠绕机请求，收到控制器传来允许信号后，启动自身滚道输送工件。整条包装线的工位有上位与下位两种形式，除了上料工位和不合格产品下线位为下位位置外，其他的工位均在上位位置。旋转滚床要求能够顺时针旋转、逆时针旋转、转台顶升与下降。称重工位与打包工位是依靠第三方设备辅助完成相应工艺，控制系统只对其进行模拟量的采集及数字量的控制。旋转滚床整个动作流程比较单一，但有6个上料工位，输送干线却只有一条，就会出现旋转滚床响应延迟的情况，因此工件的上料与输送有可能出现等待的情况。在整个包装过程中，工件的输送速度受其重量的限制，以平缓的速度在各输送单位间移动。执行机构一方面要具备有平稳的输出，另一方面要有良好的制动能力，使得具有大惯性的工件能快速停止。而每一个工位的动作要求设计为全自动的模式，控制系统能够自动处理工件，进行相应的输送、称重和包装等工艺。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）6第三章KD包装线系统硬件设计KD包装线整体设计是基于系统要求，对各运行参数进行计算，确定硬件的设计与选型。所选择的硬件要符合包装线运行要求并预留一定的裕量，防止出现超载所带来不必要的损坏。KD包装线是一个全自动化系统，采用可编程控制器控制系统设计方法。31主电路设计系统电路设计包括主电路及其控制电路的设计，画出各器件的接线顺序。它能完整地体现系统的设计思想与要求，是系统设计最为重要的部分。电气原理图设计遵循国家标准GB/T181352000电气工程CAD制图规则和电力行业标准DL/T51272001。在电气控制系统中，将高压、大电流的回路称为主电路。其包括有电机主电路、动力驱动装置的电源电路与动力回路和控制系统的主电源等。主电路设置有交流互感器来检测电源各相的电流，并且用万能转换开关来选择检测AB相、BC相和AC相的电压。开关电源V0把AC220V转换成DC24V。控制柜电源分配监测电路，如图31所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）7图31控制柜电源分配监测电路控制柜内设计有照明电源、插座电源、冷却风扇及各种交流驱动电源，主电源分配电路，如图32所示。图32主电源分配电路主电源分配电路的控制，在硬件上的保护措施是由限流保护器FR1001、FR1002实现，当动力电源线路电流过大，使限流保护器动作，其控制回路限流保护器的常闭开关断开，切断回路。主电路控制回路1，如图33所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）8图33主电路控制回路11、2开关电源与动态秤的电源是当开关电源V0得电后，转换出DC24V后使KA1吸合接通该线路控制回路，才能让KM1得电闭合。动力电源接通要按下SB1（动力电源开）按钮，接通其控制电路。松开按钮SB1后，该线路由主站PLC输出口Q25保持，使动力电源线路可由PLC程序控制。手动切断回路可按下SB2动力电源关按钮或SB3紧急停止按钮。主电路控制回路2，如图34所示。图34主电路控制回路232PLC选型与设计可编程控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER,简称PLC），是一种根据生产线的顺序控制的要求，为了取代传统的“继电接触器”控制系统而发展起来的工业自动控制设备1。在可编程控制器出现之前，工业电气控制主要靠低压电器构成的继电器接触器电路，以接线逻辑实现。这种控制设备有很大的局限性，当其一经生产出来，功能就固定了，若要改变就必须改变其内部的硬件连接，操作十分麻烦。在设计一个较大的控制系统时，就会受到很大的约束，整个控制电路就会变得十分复杂，而可编程控制器就可以轻松解决。在这几十年的实践应用中绝大部分的工业控制系统都能被可编程控制器完美地解决，同时也确立了可编程控制器在工业控制中不可或缺的地位。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）9321主站PLC选型PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证运行可靠、维护方便的前提下，选择最佳的性能价格比，降低制造成本。目前，PLC的生产厂家众多，产品型号、规格更是不可胜数。在国内，经过这几十年的实践应用，主要采用欧洲的西门子、日本的三菱和欧姆龙、美国的是AB与GE等公司的产品。日本PLC产品以小型为主，其编程软件并没有西门子的编程软件那样操作简单，最常见的产品有三菱公司的FX系列，欧姆龙公司的C系列等。在大、中型设备配套的PLC产品，西门子公司在我国具有较高的占有率。西门子公司PLC产品主要有S7200微型PLC，单机最大容量为256点；S7300小到中型PLC单机最大容量为1K点；S7400大到超大型PLC，单机可组态点数过万点；S71200新型PLC，是S7200的改进版，适用于离散和分立自动化系统解决方案的模块化紧凑型控制器；KD包装线是一个中等规模离散自动化控制系统，设计有主从站及触摸屏对系统的监测，涉及有网络通信。综合各方面情况，采用S7300PLC实现系统控制要求，其在主要功能、I/O点数与扩展性能比S7200PLC有了很大的提高。S7300PLC有多种规格，产品性能主要通过不同的CPU模块来区分，而其I/O模块、电源模块、功能模块是通用的。S7300CPU包括了标准型、紧凑型、故障安全型和技术功能型4大系列。S7300PLC中以标准型与紧凑型CPU为常用产品，其余型号一般用于特殊场合。KD包装线自动化控制系统主要是以数字量为输入/输出信号，不必要选用适用于动作复杂的控制场合，内部集成了高速计数、脉冲输出、频率测量、定位、PID闭环调节等功能的紧凑型CPU。因此，KD包装线自动化控制系统选用S7300标准型CPU。1、输入输出模块选择主站PLC所用到的都为数字量I/O，在选择输入模块I/O点数时留有一定的备用量。与S7300配套的数字量输入模块SM321共有十多种规格可供选择，在本控制系统中选择标准型DC24V输入；有16个输入点，且带公共端的标准源输入型号，订货号为6ES73211BH020AA0。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）10“源输入”的优点是当输入连接线与外部地如设备外壳知足或断路时，不会有“1”信号的错误输入，防止出现设备错误动作的可能性31。系统启动按钮控制KD包装线自动化系统的启动，而系统停止与紧急停机按钮则为关闭系统，主站输入模块接线图，如图35所示。图35主站输入模块接线图数字量输出模块SM322共有20多种规格可供选择，可以是DC24V晶体管驱动、ACA120V/230V双向晶闸管驱动、继电器触点输出等，单个模块最大输出点数可达32点。继电器触点输出有使用寿命的限制，当开关频率高、负荷重或承受冲击电流时，接点的寿命将显著降低。而直流晶体社输出响应时间快（一般在02MS以下），使用寿命长。主站PLC数字输出模块采用标准型DC24V晶体管输出，16点的标准型结构，订货号为6ES73221BH020AA0。其主要是信号灯的亮灭和蜂鸣器的控制。各信号灯对系统所处的状态进行指示，必要时蜂鸣器鸣叫，主站输出模块接线图，如图36所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）11图36主站输出模块接线图2、响应时间对于过程控制，扫描周期和响应时间是非常关键的。如果PLC顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号，PLC则没法作出准确的控制动作，整个控制系统将会崩溃。例如某产品有效检测宽度为3CM,产品传送速度为30M/MIN,为了确保不会漏检经过的产品，要求PLC扫描周期不能大于产品通过检测点的时间间隔60MST3CM/30M/MIN3但是，KD包装线输送的工件长度大，移动速度小，且没有计量方面的要求，光电开关的输入信号时间大约会有10S。可以说所有的PLC扫描周期都能适用，所以在CPU选型不用去过多考虑它的扫描时间。3、CPU存储器容量估计用户程序所需内存容量受内存利用率、开关量输入输出点数、模拟量输入输出点数、用户的编程水平等因素的影响。其估算公式如下所需存储容量（KB）102430/810521CPAOIDI（31）式中DI为开关量输入总点数；2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）12DO为开关量输出总则点数；AI/AO为模拟量I/O通道总数；CP为通信接口总数；依照公式（31），计算得主站CPU存储器所需容量约为1024KB。CPU存储器所需容量很小，考虑到主站要与从站及触摸屏进行通信，选用CPUS3152DP，256KB工作存储器；005MS/1000条指令；MPIDP接口（DP主站或DP从站）；最多可扩展连接32个模块；具有直接数据交换中的发送和接收功能；恒定总线循环时间。322从站PLC选型KD包装线对现场设备的控制全都是由DP从站完成，控制任务被平均分给两个DP从站。从站与主站不同，所用的ET200S多功能分布式I/O系统。ET200S分布式I/O系统是离散型模块，高度灵活的DP从站，用于连接中央控制器或现场总线上的过程信号。ET200S支持现场总线类型PROFIBUSDP和PROFINETIO。1、输入输出模块选择从站的I/O点数较多，1从站共有41数字量输入，27个数字量输出；2从站共有37个数字量输入，1个模拟量输入，28个数字量输出。ET200S分布式I/O系统的I/O模块不同于S7300,其有适用于自身的I/O模块。从站数字量输入模块选用SM131，8DIDC24V，支持等时同步模式，订货号为6AG11314BF017AA0。从站输入模块与主站不同，ET200SI/O模块需要有功率模块PME监视电压组中所有电子模块的电源电压。分布式I/O系统可连接的模块数目取决于电压组内所有模块的总电流，总电流不得超过最大载流量。从站输入模块接线图，如图37所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）13图37从站输入模块接线图数字量输出模块选用SM132，8DODC24V/05A，高性能型，诊断，支持等时同步模式，订货号为6AG11324BF017AA0。其输出信号控制的是电机的中间继电器，从站输出模块接线图，如图38所示。图38从站输出模块接线图模拟量输入模块选用SM134，2AIU/5V/13位符号位，1至5V/13位，2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）1410V/13位符号位，标准型，订货号为6AG11344FB012AB0。ET200S需要有功率模块监视电压组中所有电子模块的电源电压。按其I/O模块选择PME24VDC功率模块，具有诊断功能，订货号为6AG11384CA012AA0。2、CPU存储器容量估计依照公式（31），计算得1从站CPU存储器所需容量约为123KB，2从站CPU存储器所需容量约为125KB。智能从站选择IM1517CPU，128KB工作存储器，006MS/千条指令，带有MPIDP接口（独立式或DP从站），有直接数据交换中的发送和接收功能。一个带有IM1517CPU的ET200S不仅可以实现完全控制，还可根据需要对过程相关的功能单元进行独立控制，并可用作独立的CPU。323PLC供电设备选型1、PLC电源KD包装线系统所采用的PLC是使用DC24V电源，一般允许输入电压的变化范围为1520（即DC204DC288V）。西门子公司对S7300PLC设计有相配套的DC24V电源模块。考虑到PLC电源的安全性、可靠性与容量等方面因素，PLC电源模块不作为其I/O模块的驱动电源。因此PLC电源模块只用于PLC供电，选择额定输出为DC24V/2A。交流输入型PS307DC24V/2A，输出电压范围为DC243在额定输入电压15时，其订货号为6ES73071BA000AA0。2、I/O装置外部电源PLC的I/O模块均为DC24V，输入信号的电压如波动的话可能会影响到PLC输入状态的变化，引发错误的控制动作，故对外部电源要求较高，应采用稳压电源供电。开关电源S35024，输入电压范围90132VAC，180264VAC，4763HZ，输出电压为DC24V。其有过载过压保护，当输入电源电压波动较大时，输出电压所受影响极小，可靠性高；内置EMI滤波器，抗干扰性能好，而且直流纹波小，工作效率高。33触摸屏选型SIMATICHMI人机界面有文本显示、文本图形操作员控制面板和触摸式面板，并根据其性能和友好性进行精心设计多种型号。其与所连接的PLC相关当前过程值、故2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）15障均可用图表来表示，并且容易对机器或控制系统实现监控。利用触摸屏可使得监控功能更为完美，在故障排除上能够迅速知道其故障原因。触摸屏可用于（1）通过菜单系统控制并监控过程。采用这种方法，可按值的形式或通过触摸已组态的按钮来输入设定值，例如控制定位元素；（2）在全图形画面与半图形画面上显示过程、设备及系统；（3）除过程变量，如输出域、棒图、趋势或状态显示外，还可使事件消息与报警消息可视化；KD包装线自动控制系统多数为数字量，采用中小型的触摸屏KTP600BASICDP。其为38“至15“理想的输入层系列，用于操作和监视简单的机器和设备由于使用像素图形显示屏，可以清晰地显示过程使用触摸屏和触觉功能键实现直观的操作配备所有必需的本功能，如警报记录、配方管理、绘图、矢量图形和语言切换通过集成的以太网接口或带有RS485/422的单独版本可以简单地连接到控制器。34通信网络设计SIMATICNET主要采用ASI、PROFIBUS/MPI和工业以太网这几种通信网络形式，它们各自有相应的应用场合。PROFIBUS是属于单元级和现场级的SIMATIC网络，它是不依赖生产厂家的、开放式的工业现场总线，可用于分布式I/O设备、传动装置、PLC和基于计算机的自动化系统。PROFIBUS通信协议大致分为3类PROFIBUSDP、PROFIBUSPA和PROFIBUSFMS。而PROFIBUSDP则是用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信。KD包装线包含有两个智能从站，是一个分布式PLC控制系统，主站需对从站的数据进行收集，且在主站电柜中也配置有触摸屏来对系统运行状态进行监测。其用到的通信网络形式并不相同。1、主从站通信网络KD包装线自动化系统主从站的通信采用PROFIBUSDP通信协议。PROFIBUSDP是PLC与远程I/O、驱动装置以及其他PROFIBUS设备之间的主站从站网络系统的链接标准，主要用于PLC与外部控制设备之间高速数据通信，以组成生产线内部的现场总线网，其传输速度快、数据量大以及良好的可扩展性等特点，使其成为目前广大用户通信方式。主从站通信网络PROFIBUSDP参数设置，如图39所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）16图39PROFIBUSDP参数设置2、主站与触摸屏通信网络主站与触摸屏的通信是用MPI通信网络，利用MPI接口可以十分方便地组成生产现场S7系列PLC的网络链接系统。MPI网络可以利用“全局数据通信”方式进行通信，网络各站之间可以进行直接数据交换，即在一个PLC上可以直接检测、刷新另一个PLC的I/O信号、标志寄存器、定时器、计数器等内部编程元件，网络控制容易、编程方便。MPI默认的传输速率为1875KBIT/S或15MBIT/S,但其与S7200PLC通信时只能使用192KBIT/S的通信速率。使用两芯双绞屏蔽线连接时，两个相邻点间的最大传送距离为50M，加中继器后可以延长到1KM；如果使用光缆连接，则最大通信距离可以达到238KM。KD包装线自动控制系统的触摸屏是嵌套在主站电柜上，通信距离很短，采用用两芯双绞屏蔽线连接。其S7子网ID为F6611,传输速率为1875KBIT/S。KD包装线总通信网络组态图，如图310所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）17310KD包装线总通信网络组态图35输送滚床设计KD包装线其工件重量与体积都比较大，输送滚床采用辊筒式输送机。辊筒输送机适用于各类箱、包、托盘等货件的输送，能够输送单件重量很大的物料，或承受较大的冲击载荷，辊筒线之间易于衔接过滤。其主要由传动滚筒、机架、支架、驱动部等部分组成。输送滚床实现对工件的水平传送，在这个过程中，工件靠输送滚道的辊筒转动实现向前移动。输送滚床以单向传送工件，其负载主要来自工件与辊筒的滑动摩擦力。工件在输送中会出现停止等待的情况，因此输送滚床对制动要求较高。辊筒滚道是以链式作为转动方式，在制动方面效果比较好，且在其动力源电机加上带制动的装置（整流器），增强输送系统的制动能力。为了减小工件因惯性而向前滑行，在选择光电开关的安装位置上可以预留一定的距离。351单段滚道尺寸选型辊筒滚道是以其输送的货件来确定其长宽，对于不同的输送任务，所要求的辊筒滚道是不相同的。东风公司重型车厂主要生产重型车，其KD包装线的工件包装尺寸是选用大型号的，大约为260CM160CM90CM，重量大约为950KG。KD包装线输送滚床是由若干个单段滚道连接而成。考虑到其工件长度、驱动链条抗拉强度和自动控制要求，因此KD包装线单段滚道长度可定为35M。辊筒的长度不能用一般的计算公式“输送物50MM”，应留多些距离，防止工件发生偏移而伸出滚道发生碰撞，损坏工件及造2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）18成动力电机超载。所以其长度可为180CM，加上输送滚道外框架，工件离两边边线大约有15CM。KD工件比较大，辊筒的直径也相对地增大，其直径选用最大型89MM直径的辊筒。为了减少沉重的工件对单个辊筒的压力，两辊筒之间的距离设计为10CM为宜，使工件接触到能尽量多的辊筒，。352电机驱动设计1、电机选型辊筒滚道采用有动力驱动方式，以电机为动力，通过链条带动力辊筒转动。为了增大其输出能力传动链采用双链轮式，滚道电机选择三相异步电机。在稳定运行状态下滚道电机功率计算公式（32）210VUQDDUGQN式中Q工件对辊子的作用力；G辊筒重量；D轴直径；D辊筒直径；U辊筒轴承摩擦系数；U1辊筒相对工件的滑动摩擦系数；V辊筒线速度；1交流电机为08，直流电机电源可以控制取为11；2电机过载系数，取25；传动效率取08；辊筒轴承摩擦属于密封的半液体摩擦轴承，摩擦系数为0005001；辊筒相对工件的滑动摩擦属于金属与软木之间的摩擦，摩擦系数为0305；辊筒线速度亦即是工件传送的速度，KD包装线要求工件从运动状态转为停止状态其滑动距离应小于2CM，根据动能守恒定律有33SFMV摩21式中M质量；2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）19V速度；摩擦力；摩FS位移；由此可解得辊筒线速度大约为21M/MIN。将辊筒线速度代入式（32）算得滚道电机稳定运行状态功率约为61KW。输送滚床的电机可选择Y系列电机。Y系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机，其效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。式（32）算出的是滚道电机稳定运行状态所需功率，但在其启动过程中是大于这一数值。因此在选择电机时，电机的额定功率应大于61KW。输送滚道电机选用Y系列电机Y132S22型号，其额定功率为75KW，额定电流为15A，额定转速为2900R/MIN。功率因数为088。2、电机控制设计滚道电机是单向电机，单向电机由PLC控制程序控制。当PLC输出端控制电流继电器KA4得电，电流继电器再而使交流接触器KM4得电，导通电机主回路。通过PLC控制的中间继电器来实现对KA4的控制，因DC24V电流继电器内部触点在断开时，无法使大电流回路断开，造成线路无法断路。交流接触器电磁吸力大且有灭弧装置，能切断大电流回路。单向电机主回路，如图311所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）20图311单向电机主回路单向电机设计有制动模块，其由整流器完成。整流器是将交流电经整流元件构成单向导通半波或轮流导通全波输出具有单方向流动的电流。其制动的方法是当电机的定子绕组从交流电上切断，并把它的两个接线端立即接到经变压整流后的直流电源上Y接时，接入二相定子绕组；接时，接入一相定子绕组，直流电流在定子绕组中产生一个静止磁场。由于机械惯性，转子仍在转动。于是转子绕组中感生电动势，并产生感应电流，电机处于发电状态，其电磁转矩与转子旋转方向相反，起动制动作用。36旋转滚床设计KD包装线所要用的旋转滚床属于顶升旋转滚床，其结构有导向装置、支撑装置。顶升装置固定在底架上；中间架固定在导向装置、支撑装置、顶升装置上；旋转轨道固定在中间架上；心轴装置固定在中间架上；滚床固定在心轴装置上，旋转驱动装置、滚床中的底下滚轮分别与旋转轨道接触；滚床驱动装置、旋转驱动装置安装在滚床上。旋转滚床实现的动作较多，包括在两个方向上的移动，是在KD包装线上最为复杂的一个装置。在水平方向上为旋转动作，以三相异步电机为动力源，齿轮机构来传动。采用齿轮传动机构与其他传动机构相比，具有传递动力大，传递运动准确可靠，传递2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）21的速度范围较大，效率较高且结构紧凑，使用寿命长等优点。在垂直方向上，旋转滚床要进行上升和下降，此时旋转滚床要克服自身和工件的重量做功。在启动和停止时，会因其极大的惯性而发生刚性碰撞，损伤器件。其执行机构需要有防止动力源因故障而突然消失使得转台迅速下降。为了能达到工作要求，应采用液压技术去解决。液压系统虽有滞后现象，但其输出动力大、动作平稳准确。对于旋转滚床滞后这个缺点对其并没有太大的影响。361旋转驱动装置旋转驱动装置是以电机为动力，通过齿轮传动来实现。三相异步电机的机构特性即其转速与转矩是有一定的关系的，在启动时转矩并不是很大，而当其转速上升时，其转矩也会随着上升。而旋转台从静止状态启动，因旋转台自身的质量与工件的质量，其惯性非常大。这种特性有可能使得旋转台不能够以平稳恒定的转速转动，且旋转滚床有顺时针转动和逆时针转动，其驱动电机要实现正反转。为了旋转滚床在运行过程中平稳地旋转，其驱动电机采用变频器来驱动。三相异步电机机械特性图，如图312所示。图312三相异步电机机械特性图变频器选用MM420通用型变频器，是一种通用型、小功率变频器，用于01211KW小功率电机的控制。变频器采用“恒转矩、V/F控制”方式，输出频率范围为0650HZ。变频器可以通过外部模拟量输入接口，通过010V、3点数字量输入信号DIN1DIN3与1点数字量输出信号进行控制。利用变频器使得转台能够快速起动、平稳转动。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）22转身电机由MM420变频器驱动，PLC输出端口控制其正反转，断路器起保护作用，变频器接线图，如图313所示。图313变频器接线图362顶升装置旋转滚床的顶升装置采用液压技术，使得其输出功率大、动作平缓稳定。顶升装置以齿轮泵为动力源，执行元件则采用双作用活塞单杆缸。齿轮泵是利用齿轮副啮合运动所产生容积变化的一种定量泵。其结构简单、制造方便、价格低廉，使用很广泛。其工作压力分为低、中、高三级，而我们采用的是中压泵（258MPA）。双作用活塞单杆缸为只有一端有活塞杆的液压缸，其有两个进出油口，可实现往复运动，没有传动间隙，运动平稳。转台上升由齿轮泵提供动力，而下降的时候是靠自身和工件的重量驱使。因顶升装置负载较大，在运行过程中，活塞与缸底和缸盖产生机械碰撞的现象严重，因此在液压缸的两端，应设置缓冲减速装置。顶升装置液压线路应设有溢流阀来保持系统中的压力基本恒定，起到安全保护作用。顶升装置液压管路图，如图314所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）23图314顶升装置液压管路图2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）24第四章KD包装线控制软件设计PLC与其他计算机控制一样，PLC用户程序是由各种指令所组成的集合。S7300系列PLC中常用编程语言有指令表、梯形图、功能块图、结构化文本和顺序功能图。程序可由不同的逻辑块（OB、FC、FB、SFB、SFC）和数据块（DB）所组成，数据块DB是用于存储程序数据的存储单元，逻辑块则是程序的构成主体。41控制程序设计总方向KD包装线采用梯形图编程语言，主要以模块化编程和结构化编程思想为指导，将控制程序划分成若干个块进行编写。由电器分布图（图21）可知，KD包装线自动化系统有相当一部分执行机构的动作是相同的，为了高效、准确地编写控制程序，可控制程序写在可分配参数的FB或FC中，然后在其他块中重复调用。这种结构化编程思想使得程序可读性更高，减少重复劳动，也更容易调试与查错。KD包装线控制程序设计成主程序模块、开机模块、通信模块和故障监控模块。将执行机构的控制程序编写成几个功能块，在开机模块中重复调用，这样就达到了简化程序的效果。采用动作流程图或时序图对控制程序分析设计，由西门子全新编程软件TIAPORTAL对程序进行编写。TIAPORTAL是西门子公司开发的高集成度工程组态系统，包括面向任务的HMI智能组态软件SIMATICWINCCBASIC。它提供了直观易用的编辑器，用于组态SIMATICS71200、S7300/400和WINCC控制器系列的工程组态。其操作直观、使用简单，具有智能编辑器、拖放功能以及“INTELLISENSE”工具，使用户能快速进行工程组态。在自动化项目的各个阶段提供支持1、组态和参数化设备；2、指定通信；3、运用LAD（梯形图语言）和FBD（功能块图语言）编程；4、可视化组态；5、测试、试运行和维护；2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）2542控制程序KD包装线系统完整的控制程序比较大，只能列举部分重要的控制程序作为说明。421旋转滚床控制程序旋转滚床动作较为复杂，为了避免其动作出错，旋转滚床动作响应分为上方向上料工位响应和下方向上料工位响应。但其动作规律是相同的，只是触发信号与旋转滚床旋转转向各异而已。以旋转滚床1上方向上料为例，控制程序输入信号有GL2、GZ1、GL3、GZ2、DZ1上、DZ1下，其输出有DZ1Z顺时针、DZ1F逆时针、DZ1顶升（DL2有专门的控制程序函数）。旋转滚床1分布图，如图41所示。图41旋转滚床1分布图旋转滚床上安装有三个方向光电开关来确定旋转滚床的方向，还有一个工件到位光电开关来确定工件到达旋转滚床和两个旋转滚床上下位光电开关。凭借这几个光电开关对旋转滚床的方向与位置作出确定，在输送时就能判断旋转滚床是否到位。当上料工位请求上旋转滚床时，旋转滚床旋转九十度，让其自身的滚道对正上料的输送滚床。旋转滚床在主输送道时是处于高位，而上料工位的输送滚床却是低位，所以旋转滚床要进行下降。为了节约时间，此处旋转滚床的旋转和下降是同时进行。以旋转滚床1为例，其动作流程图,如图42所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）26图42旋转滚床1动作流程图2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）27旋转滚床响应上方向上料动作为逆时针旋转、下降到位停止顺时针旋转、上升到位停止。上下方向工位均无上料请求，转台是保持顶升的。当上工位GL3为1时，而下工位没有进行上料、缺料按钮没有被按下，置位上工位上料上旋转滚床标志位，使转台进行响应并禁止下工位上料标志位的置位，避免旋转滚床发生动作错误。在网络5中的“M_缺料4”是考虑到在转台响应过程中缺料2按钮被按下可切断转台的响应，其相关动作在后面有所叙述。转台函数的输入参数是按照其内部程序设定的。其控制程序，如图43所示。图43旋转滚床1控制程序对于有多个相同动作的控制，采用的是结构化编程方法，如旋转滚床的控制。转台函数的输入参数是按照其内部程序设定的，转台函数程序，如图44所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）28图44转台函数程序将函数程序中的输入输出参数转为全局变量，DZ1F置位（转台逆时针旋转）的条件是GL3为1，GL2、GZ1及DZ1Z（转台顺时针旋转）均为0。转台上有其他工件（GL21），转台不能逆时针旋转。转台旋转到位（GZ11）停止；DZ1Z置位（转台顺时针旋转）的条件是GL2为1（工件已到达转台），GZ5为0。转台顺逆时针旋转是有互锁的；在转台响应上料时，转台顶升是依据转台是否有工件（GL91）,且顶升动作与转台旋转为并关系；转台回正后复位上料标志位，退出转台函数程序的扫描。因上料标志位在整个转台响应过程是要一直保持的，且每个工位其上料标志位都不同，因此要用内部标志M。旋转滚床1控制程序，如图45所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）29图45旋转滚床1控制程序422转台电机控制程序旋转滚床上的滚道电机的控制是与旋转滚床其他输出分开的，其不需要分上下工位的上料。其有三种情况会被启动转台在下位，为上下方向的工位工件输送到转台上；转台回正后，工件输出转台。以旋转滚床1的DL2为例，控制程序输入信包括GL3、GZ1、GL2、GZ2、GL1、GZ3、DZ1下、DZ1上、GL4,输出只有DL2。旋转滚床1滚道电机DL2分布图，如图46所示。图46旋转滚床1滚道电机DL2分布图旋转滚床滚道电机的控制程序需在开机后的每一个扫描周期内更新，因此没有触2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）30发位。旋转滚床1滚道电机控制函数程序，如图47所示。图47旋转滚床1滚道电机函数程序在上方向工位时，当转台到位、转台上无其他工件、GL3为1时，DL21启动滚道电机。GL2的常闭触点与GL3并联是为了解决工件离开GL3而没到达GL2的情况。下方向工位与上方向工位的控制是相似的。当工件要输出转台的情况，是在转台回正后GL4为0即前一滚道上没有其他的工件，方才启动滚道电机。旋转滚床1滚道电机控制程序，如图48所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）31图48旋转滚床1滚道电机控制程序423工件进出转台控制程序工件进出旋转滚床是在主输送道上工件经过旋转滚床输送到下一段输送滚道上。在此环节中，工件有可能要等待旋转滚床完成当前输送任务回正后，才能进入旋转滚床。为了保证工件之间有足够的距离，工件进入旋转滚床时，旋转滚床上应没有其他工件。以工件进出旋转滚床2为例，电器分布图如图49所示。图49旋转滚床2电器分布图当工件到达光电开关GL7,判断旋转滚床上是否有其他工件，方向位置是否正确。确认允许通过旋转滚床后，才启动DL7、DL9滚床电机进行输送。工件离开GL7后,复位DL7滚道电机。当工件到达旋转滚床光电开关GL9时，复位其滚道电机DL9，判断后一输送滚道无工件时，才置位DL9和DL11,将工件输出旋转滚床。工件进出转台动作流程图,如图410所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）32图410工件进出转台动作流程图工件进出旋转滚台相似，以工件进旋转滚台2为例，执行机构为滚道电机DL7,见上述（图45）。其控制程序用到的输入信号有GL6、GL7、GL9、GZ5、DZ2上位，输出2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）33信号为DL7。其控制程序用到了置复位指令，是因为工件在GL6与GL7之间，程序没有有效的输入信号，但此时的DL7依然为1。工件进转台2函数程序，如图411所示。图411工件出转台2函数程序以GL6来置位DL7启动标志位（M_DL7），而GL7对其进行复位。M_DL7复位后，DL7则由GL9、GZ5及DZ2上位判断旋转滚床位置。工件进转台2控制程序，如图412所示。2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）34图412工件出转台控制程序424缺/复料控制程序缺料按钮可实现停止上料，旋转滚床将不对该工位进行响应。如其正在对该工位进行响应可马上中止，旋转滚床将返回到正方向位置，见（图41）。此控制程序是采用函数块（FB）来实现，因其内部程序用到了信号上升沿检测指令，该指令需要一个BOOL变量对其上一状态存储，将其与当前周期该点的信号进行比较。函数块有自己的背景数据块（OB），当扫描周期结束后，其静态数据会保存在自己的背景数据块中，而函数（FC）则没有这一功能。按下恢复上料按钮，可将该工位的缺料状态复位。而当旋转滚床正在对其相对工位进行响应时，其缺料按钮为无效，防止旋转滚床动作错误，如图中下工位上旋转滚床标志位“M_转台1下”。以工位2为例，工位2缺/复料函数程序，如图413所示。图413工位2缺/复料函数程序按下缺料2按钮后，置位缺料2标志位（M_缺料2），将会切断旋转滚床对其工位的上料响，避免造成双输出错误。随后，再置位转台回正标志位。当转台回正后，复位转台回正标志位。复位投料标志位要等到转台回正后，恢复上料按钮才有效。缺料2