《组态技术与综合实践》课件第五章

项目五自动分拣控制系统设计学习要求：(1)掌握气缸、双向电磁阀的使用;(2)掌握自动分拣控制系统设计与调试方法;(3)了解步进电机工作原理及控制程序设计;(4)完成图5-0-1所示的自动分拣控制系统设计组态及PLC程序设计;项目五自动分拣控制系统设计图5-0-1自动分拣控制系统设计效果图项目五自动分拣控制系统设计任务简介：按下复位按扭,PLC启动旋转转盘电机,使机械手运动到初始位置0位,该转盘电机为普通单相电机,横轴和竖轴为步进电机;然后按启动按扭,PLC启动转盘电机正转,当记数光电传感器到达设定值后驱动转盘电机反转,当底盘运行到设定位置1,PLC驱动横轴步进电机及竖轴步进电机。任务一供料单元的控制系统任务一供料单元的控制系统任务分析：供料单元硬件配置该单元集成了可编程控制器、气动装置、传感器、机械手等机构。整个系统的结构清单如表5-1-1所示。表5-1-1单元清单

任务一供料单元的控制系统表5-1-1单元清单(续)

任务一供料单元的控制系统相关知识：一、传感器定义2、电感传感器当机械手手臂左旋和右旋到位后,电容传感器有信号输出。1、电容传感器3、光纤传感器的基本工作原理它用来检测气缸的位置，掌握气缸的伸出和缩回是否到达指定的位置。光纤传感器是将来自光源的光由光纤送到调制器,光源的光经待测参数与调制区光的相互作用,产生光学性质,经解调后,得到被测的参数。任务一供料单元的控制系统二、步进电机简介步进电机由转子、定子、前后盖等组成，如图5-1-1所示。1、步进电动机的构造图5-1-1步进电动机构造图任务一供料单元的控制系统2、步进电动机的分类①步进电机按工作原理分为反应式步进电机、永磁式步进电机及混合式步进电机;②步进电机按控制绕组数量可分为二相式步进电机、三相式步进电机、四相式步进电机、五相式步进电机、六相式步进电机;③步进电机按运动的型式可分为旋转步进电机、直线步进电机。任务一供料单元的控制系统3、步进电动机的接线步进电机的接线方法在实际工作中，按照如图5-1-2所示进行接线。图5-1-2步进驱动器与机械手竖轴的电机及PLC连线任务一供料单元的控制系统三、三菱PLC主机、外部设备1、配置清单在供料单元中,采用三菱PLC的晶体管式输入/输出,机械手爪是通过普通直流电机驱动的,配置清单如表5-1-2所示。表5-1-2供料单元配置清单

任务一供料单元的控制系统2、主机和外部设备电源模块由插座、空气开关与熔断器组成,PLC使用浙江亚龙公司生产的PLC模块,控制系统由直流继电器等组成,外观如图5-1-3所示。图5-1-3三菱PLC主机和外部设备任务一供料单元的控制系统3、构件元件组成动力元件为步进电机,支撑架由底盘、两位三通电磁阀控制手爪松开与夹紧,滚珠控制手爪的上下、左右运行，元器件说明如表5-1-3所示。任务一供料单元的控制系统表5-1-3机械手机构元件说明

任务一供料单元的控制系统任务一供料单元的控制系统4、机械手机构实物图本单元机械手机构包含步进电动机、气缸等，如图5-1-4所示。图5-1-4机械手结构任务实施：一、PLC的I/O连线1、转盘电机正反转控制接线当KM1线圈得电,KM1常开触头闭合,使转盘电机的正极接入电源正极,电机正转,若需电机反转则KM2线圈得电,控制接线图如图5-1-5所示。图5-1-5转盘电机正反转连线任务一供料单元的控制系统2、手爪电机正反转控制连线当Y6为ON时,KM3线圈得电,KM3常闭触头断开,手爪正向旋转;当Y7为ON时,KM4线圈得电,KM4常闭触头断开,手爪反向旋转;接线图如图5-1-6所示。图5-1-6手爪电机正反转连线任务一供料单元的控制系统3、供料单元I/O分配本单元由11个输入点和9个输出点组成,供料单元输入分配如表5-1-4所示。表5-1-4供料单元输入分配任务一供料单元的控制系统二、供料单元控制的编程思想供料单元控制流程图如图5-1-7所示。图5-1-7供料单元程序流程图任务一供料单元的控制系统能力拓展：加热反应炉系统设计控制要求：当启动按钮打开,炉内液体的温度和压力均低于设定值时,开启进料阀,当液面上升到设定置时,关闭进料阀;2秒后,开启氮气阀,当炉内压力上升至设定值时,氮气阀关断;开始给加热炉加热,当温度上升到设定值时,切断加热电源;2秒后,打开排气阀和放泻阀,使炉内压力降到设定值;打开放泻阀,当炉内溶液降到设定值以下,关闭放泻阀和排气阀。恢复到原始状态,准备进入下一个循环。任务一供料单元的控制系统1、任务分析(1)当按下SB1按钮时,系统启动,Y2得电并自锁,注入液体;当液位传感器X3得电时,Y1关闭停止注入液体,延时2s后,Y3得电并自锁,打开氮气阀,当压力传感器X4得电时,Y3失电,Y5得电并自锁,给加热丝通电;当温度传感器X2得电时,Y5失电,延时2s后,Y1、Y4得电并自锁,打开排气阀和放泻阀,当炉内的液面为0.1、压力和温度均为0时,开始下一个循环。(2)在工作过程中,当按下SB2时,Y1、Y2、Y3、Y4、Y5均失电,如再按下SB1则继续执行以上过程。(3)在工作过程中,当液位达到时X3得电,Y6得电并自锁,报警器产生报警,同时对Y2复位;当压力达到时X4得电,Y7得电并自锁,报警器产生报警,同时对Y3复位;当温度达到时X2得电,Y10得电并自锁,报警器产生报警,同时对Y5复位,停止一切工作,等待工作人员检查故障。任务一供料单元的控制系统2、变量设置变量类型按表5-1-5所示设置。表5-1-5变量类型任务一供料单元的控制系统3、编写脚本程序'启动IFSB1=1ANDSB2=0THENY2=1'进料阀开ENDIFIFY2=1THEN液位=液位+0.2'反应炉内液面上升ENDIF'停止IF液位>=18ORSB2=1THENY1=0Y2=0Y3=0Y4=0Y5=0'按下所有停止按钮ENDIFIF液位>=18THENT2=1'液位达设定值,延时2sENDIFIFT1=1THENY3=1X4=X4+0.5'打开氮气阀ENDIF任务一供料单元的控制系统IFX4>=18THENT1=0T2=0Y3=0Y5=1X2=X2+0.5'压力达到设定值,关闭氮气阀,开始给反应炉加热ENDIFIFX2>=18THENY5=0T4=1X2=18'温度达到设定值,关闭加热丝,延时2sENDIFIFT3=1THENY1=1Y4=1T4=0'延时时间到,打开排气阀与放泻阀ENDIFIFY4=1THEN液位=液-0.5'放料液位开始下降ENDIF任务一供料单元的控制系统IF液位<0THEN液位=0.1'为再次循环作准备ENDIFIFY4=1THENX4=X4-0.5'压力开始下降ENDIFIFX4<0THENX4=0'压力值为0ENDIFIFY4=1THENX2=X2-0.5'温度开始下降ENDIFIFX2<0THENX2=0'温度值为0ENDIFIFX4=0AND液位=0.1ANDX2=0THENY1=0Y4=0Y3=0T6=1'延时2sENDIF任务一供料单元的控制系统IFT5=1THENY2=1T6=0'延时时间到,再次循环ENDIF'报警程序IF液位<19THENY6=1'液位上限报警ELSEY6=0ENDIFIFX4<19THENY7=1'压力上限报警ELSEY7=0ENDIFIFX2<19THENY10=1'温度上限报警ELSEY10=0ENDIF任务一供料单元的控制系统图5-1-8加热炉系统设计效果图加热炉系统设计效果如图5-1-8所示。4、下载效果任务一供料单元的控制系统任务二自动分拣单元控制系统任务简介：变频器控制三相异步电动机实现正反转，传送带传送速度有高速（60Hz）、中速（40Hz）、低速（20Hz），从而控制传送带速度的快慢。具体控制要求如下：

①变速控制

④废品分拣⑦工件转移②材质分拣⑤工件放置⑧返回重拣③颜色分拣⑥包装工件⑨启动控制任务二自动分拣单元控制系统设计图5-2-1自动分拣控制系统设计画面自动分拣控制系统设计画面如图5-2-1所示。任务二自动分拣单元控制系统相关知识：一、气缸的使用气缸的正确运动使物料能够分到相应的位置，示意图如图5-2-2所示。图5-2-2气缸示意图任务二自动分拣单元控制系统二、双向电磁阀的使用双向电磁阀用来控制气缸进气和出气，从而实现气缸的伸出、缩回运动，示意图如图5-2-2所示。图5-2-3双向电磁阀示意图任务二自动分拣单元控制系统1、定时器设置中的含义三、变频器的参数设置(1)接通电源,显示监示画面。(2)按键设定PU操作模式。(3)旋转设定用旋钮,直至监示用3位LED显示框显示出希望设定的频率。约5s闪灭。(4)在数值闪灭期间按键设定频率数。此时若不按键,闪烁5s后,显示回到0.0。还需重复“操作3”,重新设定频率。(5)约闪烁3s后,显示回到0.0状态,按键运行。(6)变更设定时,请进行上述的(3)、(4)的操作。(从上次的设定频率开始)任务二自动分拣单元控制系统2、修改参数设定(1)接通电源,显示监示画面。(2)按键选中PU操作模式，此时PU指示灯亮。(3)按键进入参数设置模式。任务二自动分拣单元控制系统任务实施：一、画I/O分配表根据条件画出I/O分配表如表5-2-1所示，续表参见本书P120。表5-2-1物料传送系统I/O分配

任务二自动分拣单元控制系统二、分拣单元安装

1、清单配置分拣控制单元由四个模块、一个皮带输送机组成,元件及设备配置清单如表5-2-2所示。表5-2-2分拣单元清单任务二自动分拣单元控制系统2、气动原理图该单元有双作用气缸三个，三个两位五通电磁阀，三联件一套，气动原理见图5-2-4。图5-2-4气动原理图任务二自动分拣单元控制系统三、参考程序参考程序见本书P122-P131。图5-2-6自动分拣控制系统连线图四、连线图自动分拣控制系统连线图如图5-2-6所示。能力拓展：比较以下控制系统的优缺点:PLC与PSC;PLC与DCS;PLC与IPC。任务二自动分拣单元控制系统任务三机械手控制系统设计任务简介：该搬运机构可实现四个自由度的动作,有大臂的伸缩、大臂的左右旋转、小臂的上下、爪手的紧松,其结构如图5-3-1所示。要求设计控制系统实现先右转至右限位传感器动作,大臂伸出,碰到大臂伸出限位,小臂伸出,碰到小臂下限位,气动机械手夹紧,2s后小臂缩回,碰到小臂上限位,大臂缩回,碰到大臂缩回限位,手臂左转,碰到左限位,大臂伸出,碰到大臂伸出限位,小臂伸出,碰到小臂下限位,气动机械手松开,2s后小臂缩回,如此往复。任务三机械手控制系统设计图5-3-1机械手搬运结构任务三机械手控制系统设计任务分析：(1)当PLC上电时,机械手处于原位,机械手的手爪松开,按下启动按钮,驱动提料气缸,当到达下限位使磁性传感器接通。(2)当机械手的手爪处于夹紧置位时,延时1s后,机械手的小臂上升(Y2为ON)。(3)当上升到最高位,提料上限位的磁性传感器接通,驱动机械手臂右转。(4)右位到位时,大臂右限位的磁性传感器接通,提料气缸下降。下降到最低位,提料下限位的磁性传感器接通,磁性传感器失电放松。为了使电磁力完全失掉,延时2s,机械手的小臂上升。(5)上升到位时,提料上限位的磁性传感器接通,大臂右旋。使大臂左限位的磁性传感器接通,返回初始状态,再开始第二次循环动作。任务三机械手控制系统设计任务实施：①手臂左右摆动由旋转气缸实现。大臂伸出缩回由单出双杆气缸实现,小臂伸出缩回、提料装置的提伸下降、手爪的夹紧松开由单出杆气缸实现。②气动控制元件的手臂左右摆动由单控电磁换向阀实现,大臂伸出缩回由单出双杆气缸实现,小臂伸出缩回气缸由双控电磁换向阀控制,提料装置的提伸下降、手爪的夹紧松开的单出杆气缸由单控电磁换向阀控制,机械手气动原理见图5-3-2。一、搬运单元气动回路安装任务三机械手控制系统设计图5-3-2机械手气动原理图任务三机械手控制系统设计二、搬运单元的编程思路及程序1、搬运单元输入分配搬运单元由15个输入点组成，PLC的输入分配如表5-3-1所示。

表5-3-1PLC的输入分配任务三机械手控制系统设计2、搬运单元输出分配搬运单元由6个输出点组成，PLC的输出分配如表5-3-1所示。

表5-3-2PLC的输出分配任务三机械手控制系统设计3、控制系统程序的组成回原点程序、手动单步执行程序和连续操作程序如图5-3-3所示。

图5-3-3回原点程序任务三机械手控制系统设计4、单步操作当启动按钮SB0闭合,则XO为NO,辅助继电器M0闭合,如果磁性传感器是松开状态,即可实现单步运行,程序如图5-3-4所示。

图5-3-4单步操作程序任务三机械手控制系统设计5、手动操作当按下回原点按钮，X16为NO,机械手爪松开,小臂上升到位,小臂左移,直到碰到左限位完成手动操作，如图5-3-5所示。

图5-3-5手动操作程序任务三机械手控制系统设计6、自动操作当PLC上电,满足状态转移与原点位置条件时,机械手按照设定程序运行，如图5-3-6所示。

图5-3-6自动操作程序任务三机械手控制系统设计三、PLC的连线图搬运控制单元PLC的I/O接线如图5-3-7所示。图5-3-7搬运控制单元接线图任务三机械手控制系统设计能力拓展：控制要求：用PLC控制触摸屏小车正转或反转,正转或反转时间能根据需要修改,但正转或反转的时间相同。小车正反转控制系统任务三机械手控制系统设计1、元件分配表表5-3-2元件分配任务三机械手控制系统设计2、PLC程序图5-3-8小车正反转控制程序任务三机械手控制系统设计3、系统接线图图5-3-9系统接线图任务三机械手控制系统设计任务四自动控制系统的测试任务四自动控制系统的测试一、自动控制系统的测试方法1、三菱FX系列PLC与三菱变频器通讯RS485BD三菱PLC:FX2N+FX2N-485-BD。SD和RD指示都点亮,意味着网络连接成功。2、三菱变频器的设置(1)交叉线的做法是:一头采用568A标准，一头采用568B标准；平行线的做法是：两头采用同样的标准，变频器水晶头见图5-4-1。图5-4-1变频器水晶头座引脚任务四自动控制系统的测试图5-4-2变频器水晶头与RS-485BD(2)变频器水晶头与RS-485BD的连接方法见图5-4-2。任务四自动控制系统的测试3、变频器与PLC通讯变频器与PLC通讯的参数按表5-4-1所示进行设置。在修改其它的参数时,要把n10改成0,然后掉电,再开电把变频器打开,按PU键使变频器PU指示灯亮,然后改其它的参数,再掉电。把参数保存入变频器,然后上电,再改n10参数,最后再上电保存参数。表5-4-1变频器参数设置任务四自动控制系统的测试4、程序写入打开GX软件,进行程序编写并下载,系统接线图如图5-4-3所示。图5-4-3系统接线图任务四自动控制系统的测试5、人机界面的组态人机界面的组态分拣站画面效果图如图5-4-4所示。图5-4-4人机界面分拣站画面任务四自动控制系统的测试二、自动控制系统的测试实例(1)系统上电,对N:N网络进行测试。(2)外部接线,检查外部接线是否正确,如检查气源、电源、PLC的I/O接线等。(3)PLC的用户程序,这一部分是检查的重点,需要考虑用户程序是否满足实际的生产工艺要求。(4)通讯设置,包括PLC之间的通讯、PLC与传动系统之间的通讯和PLC与触摸屏的通讯。(5)生产运行,如出现问题需要找到对应的部分仔细检查。任务四自动控制系统的测试能力拓展：一、旋转动画的制作○旋转动画是MCGS6.8通网版主要新增功能之一，它通过对多边形和折线构件在运行环境下任意角度的旋转,对其它简单图形、图符构件在组态环境下任意角度的旋转、任意组合转化成多边形,轻松完成难度较大的图形组态工作。○在MCGS组态软件下,可以旋转的动画构件具有多边形状态和旋转状态。多边形状态可以对动画构件进行编辑,包括调整形状,属性设置等。旋转状态主要是对旋转属性进行设置,包括旋转表达式、旋转位置、旋转圆心、旋转半径和旋转角度等的设置。任务四自动控制系统的测试1、组态环境下的旋转设置旋转动画窗口是由一个简单的旋转动画构件,以小人推车沿直线滚动来显示旋转动画功能的工程。运行后显示界面如图5-4-6所示。图5-4-6旋转动画的制作效果任务四自动控制系统的测试在MCGS组态软件开发平台上,单击“用户窗口”进入,再单击“新建窗口”按钮,生成“窗口0”,选中“窗口0”,单击“窗口属性”按钮,修改“窗口名称”为“小人推车”。双击“小人推车”窗口,单击“工具箱”中的位图装载构件,鼠标变为“+”字形后,拖动位图到窗口上,调整其适当位置。然后再点击鼠标右键,如图5-4-7所示,选中“装载位图”子菜单。图5-4-7装载位图下拉框任务四自动控制系统的测试在弹出的装载图像窗口内,直接输入装载位图的正确路径及名称或者单击,选中要装载的文件。工程的设置如图5-4-8所示。图5-4-8从文件中装载图像窗口任务四自动控制系统的测试装载后的背景画面如图5-4-9所示。图5-4-9装载后的背景画面任务四自动控制系统的测试在工具箱中选择“矩形”、“圆形”和“直线”,构成一个小人推车的画面。如图5-4-10所示。图5-4-10组态效果图任务四自动控制系统的测试现在开始设置人和车轮的旋转动画。定义车轮的运动变量,双击车轮的外圈,水平移动按图5-4-11(a)、(b)所示设置,对应的是“wheel”数值型数据对象。图5-4-11动画组态属性设置（a）（b）任务四自动控制系统的测试选中任意一个车轴单击鼠标右键,单击“转换为旋转多边形”菜单项。然后分别双击车轮的三个车轴,设置它的水平移动和旋转动画变量和参数,按图5-4-12(a)、(b)所示设置。图5-4-12车轮参数设置（a）（b）任务四自动控制系统的测试设置小人胳膊和车轮扶手的水平移动变量和参数,小人胳膊和车轮扶手的运动方向和轨迹相同,它们的设置也相同,如图5-4-13所示。图5-4-13小人胳膊和车轮扶手的运动方向设置任务四自动控制系统的测试接着定义小人双腿的运动轨迹：双击小人的前腿,设置它的水平运动变量和旋转运动变量。小人双腿的水平运动方向、运动长度和小人的胳膊、车轮的水平运动都是相同的。所以小人双腿的水平移动设置都是一样的。而小人的前腿和后腿则有一个抬起和放下的过程,因而最大的旋转角度分别为45°和-45°。前腿和后腿的设置分别如图5-4-14(a)、(b)、(c)、(d)所示。任务四自动控制系统的测试图5-4-14小人双腿的运动轨迹设置任务四自动控制系统的测试图5-4-14小人双腿的运动轨迹设置任务四自动控制系统的测试为了更好地观察小人推车的水平偏移量,加入滑动输入器，对滑动输入器进行设置，如图5-4-15所示。

图5-4-15滑动输入器设置任务四自动控制系统的测试工程重点部分是策略组态部分。进入循环策略组态窗口,添加一个“脚本程序”构件，进入脚本编辑窗口，脚本程序如图5-4-16所示。图5-4-16循环脚本程序任务四自动控制系统的测试2、运行环境下的动画效果按“F5”进入运行环境,小人推着车向前迈进,下方的滑动输入器实时显示人和车的水平移动距离,如图5-4-17所示。图5-4-17运行效果图任务四自动控制系统的测试二、配方功能1、配方的功能介绍1）配方功能的应用配方是同一类数据的集合,如机器参数设置或生产数据,并提供HMI界面让使用者可以查看、编辑数据。2）配方功能的分类○配方数据存储于PLC。配方数据存储于PLC中,可将需要的配方数据上传到HMI并显示。○配方数据存储于HMI。配方数据存储于HMI之中,由HMI显示所有配方数据。3）配方功能的运行效果两种模式的配方,其界面均由多个MCGS构件构成,运行效果如图5-4-18、图5-4-19所示。任务四自动控制系统的测试图5-4-18配方数据存储于PLC图5-4-19配方数据存储于HMI任务四自动控制系统的测试2、配方数据存储于PLC中的用法1）原理某些应用将配方的全部数据存放在PLC中,HMI仅完成查看修改功能。需要实现此类配方应用较为复杂。需要应用MCGS变量、动画构件、设备、脚本程序等MCGS部件进行组合。下面以一个面包配方的实例模拟一条面包生产线，来说明此模式的配方功能的使用方法。生产面包需要三个参数:面粉的含量、水的含量、糖的含量。不同的比例混合可制成四种不同的面包。首先需要在MCGS数据库中添加变量用于操作配方数据,接下来在设备窗口添加PLC设备并进行设定。组态环境设定完毕后,即可在HMI运行环境中操作配方。任务四自动控制系统的测试图5-4-20创建完毕的变量2）编辑配方①建立MCGS变量运行MCGS6.8嵌入版,新建一个工程,更改名称为“面包生产线”。创建完毕的变量如图5-4-20所示。任务四自动控制系统的测试②添加设备切换回工作台“设备窗口”标签页,打开设备窗口,使用设备工具箱添加“通用串口父设备”与“西门子_S7200PPI”两个设备(以西门子S7200PLC举例)。查看驱动模版信息,确保此驱动是“新驱动模版”,如图5-4-21所示。图5-4-21设备组态窗口设置任务四自动控制系统的测试假设配方数据全部存储条件如下:所有配方数据存放在S7200设备V寄存器区域中，起始地址为0，长度为24个BYTE。由于每条配方项为6BYTE,所以PLC中应该共存储了4条配方项,为了方便实时查看配方在PLC中的数据信息,我们在设备中添加这些数据的通道,以便实时查看这些数据,如图5-4-22所示。图5-4-22设备连接窗口任务四自动控制系统的测试创建动画构件、编写脚本程序。切换回工作台“用户窗口”标签页,新建一个用户窗口并打开。创建界面如图5-4-23所示。触摸屏界面中的三个标签分别关联数据中心变量“面粉”、“水”、“糖”,用于配方数值的显示与修改。图5-4-23触摸屏界面任务四自动控制系统的测试“下移一条”按钮的按下脚本编辑如下:任务四自动控制系统的测试“上移一条”按钮的按下脚本编辑如下:任务四自动控制系统的测试“上传配方数据到PLC”按钮的按下脚本编辑如下:任务四自动控制系统的测试3）使用配方下载编辑好的配方工程值HMI，并连接好PLC设备，运行HMI。运行效果如图5-4-24。图5-4-24运行效果任务四自动控制系统的测试3、配方数据存储于HMI中的用法1）原理此模式的配方功能,所有配方数据均存储于HMI中,因此需要增加下载数据到HMI功能,以方便在HMI中调整数据。实现此类配方应用较为复杂。需要应用配方组态工具、MCGS变量、动画构件、设备、脚本程序等MCGS部件进行组合,方可实现其功能。任务四自动控制系统的测试2）成员类型生产面包需要三个参数:面粉的含量、水的含量、糖的含量。不同的比例混合可制成四种不同的面包。面包配方包括面粉、水、糖三个配方成员,按三个成员数据的不同分成三个配方项:甜面包、低糖面包、无糖面包。首先需要在MCGS数据库中添加变量用于稍后操作配方数据,再使用配方组态工具编辑配方成员、配方项和配方数据,接下来在设备窗口添加PLC设备并进行设定,然后在用户窗口添加若干标签、输入框和按钮构件,并编辑其脚本,用于显示与操作配方。组态环境设定完毕后,即可在HMI运行环境中操作配方。任务四自动控制系统的测试建立MCGS变量。运行MCGS6.8版，新建一个工程，更名为“面包生产线”。打开工作台“实时数据库”标签页,新建3个数值型变量,分别命名为“面粉”、“水”、“糖”,其它属性保持默认值。创建完毕的变量如图5-4-25所示。4、编辑配方图5-4-25变量设置任务四自动控制系统的测试切换回工作台“设备窗口”标签页,打开设