《基于单片机的自动切料生产线控制系统设计（附程序梯形图）9300字（论文）》

绪论1.1课题研究背景中国的自动化生产线相比较于美国、德国、日本等发达国家来说算是起步比较晚的，但随着新中国的成立，我国的生产技术水平赢来了巨大的跨越。新中国成立后，特别是改革开放这些年来，人们的知识不断丰富，同时科学技术也是不断进步，我们与这些发达国家的差距也在一步一步的缩小，生产技术水平也是逐步往前追赶。现如今，中国正在进行生产技术的调整和升级，这大大刺激了将过去传统生产方式改良成自动化生产线的需求，也对自动化生产线的精密化，自动化等提出了更高的要求。但是由于产品技术升级的不及时，很多企业还在使用过去传统的生产方式。或者因为技术落后无法跟上市场发展的脚步，从而造成了社会资源的不必要浪费。比如说过去有采用手工切割物料的工厂，生产效率低且有造成了很多的浪费，但采用自动化的生产线就能解决这样的问题。因此自动化的切料生产线是有很大的发展前景的。在以往的工业生产中，我们通常采用继电器作为控制核心来控制整个系统，但是继电器有着它不可避免的缺点。比如说它的体积一般情况下比较大，可靠性也并不高，而且需要大量的线路，接线也特别复杂，这就给以后的查找和排除故障添加了很大的麻烦。相比较而言，PLC控制是使用程序储存到PLC内部，优势就十分明显了。PLC在设计之初是为了代替一些机械开关，现如今的PLC不仅可以在有大量开关触点以及按钮的场合中充分发挥自己的优势，满足有大量开关的控制系统，它还拥有众多可以扩展的特殊模块，能搞满足用户的各种需求。PLC的核心是CPU，它的集成度非常高，所以有着很高的可靠性，在需要稳定可靠的系统中要比继电器更适合。不仅如此，PLC还有着许多其他的优势，在一定环境下比单片机更适合作为控制系统，所以选用PLC作为控制核心是未来发展的趋势。随着未来需求的变化以及工业技术的快速发展，自动化的需求会越来越多，PLC作为控制系统也会被重用，研究PLC在自动切料生产线上的应用是具有很大的现实意义。1.2课题研究目的和意义本文研究的目的是在前人的基础上，将一条自动切料生产线改造，并对其控制系统进行设计，从而使这条生产线更人性化，提高工厂的生产效率，改善工人的工作环境，降低资源的浪费。在企业中我们经常会遇到需要将一整块母料进行切割成目标大小的需求。在过去我们通常采用手工切割，但是这样做不仅员工成本高，而且切出来的物料经常会有不能达到工厂的要求的不合格品，需要进行二次打磨，这进一步加大了人工的工作量以及物资的消耗，所以要进行技术改良，设计一条自动化的切料生产线代替手工切料。自动切料生产线相比较于人工切割，不仅可以节省人工成本以及原材料成本，更重要的是可以十分稳定并快速的切割出所需要的物料，并且在切割物料的精准度以及产出的合格率上有着无可比拟的优势。工厂采用自动切料生产线不仅提高了劳动生产率，改进了产品质量，而且还改善了工人们的工作条件，节省了生产所需要的占地面积，减少了社会资源的浪费，有着更高的经济效益。1.3国内外发展现状在德国、日本、美国等国家，机械自动化以及制造产业发展的都比较早，整体的自动化程度很高，但是中国的发展十分迅速，有很大的潜力。现如今，欧美、日本等发达国家的机械加工贸易还是处于世界机械加工的最高梯队，属于领先水平。1.3.1国外研究动态在国外，自动切料生产线在进行着技术性的升级。每个生产步骤都可以协调并自动运行。因此，不需要操作人员的积极干预，这些组件可以被程序操控从而轻松完成任务。此外，随着光学设备技术的发展，光学设备切割技术已经应用于自动切割装配线，从而使得技术有了大的改进。英国的GAINDU公司设计的连杆完全加工生产线，该生产线具有高精度。高自动化的特点，可以一次性完成激光刻槽、螺栓拧紧、压衬套等高难度操作。意大利的FICEP公司，设计全自动化钢构生产线时运用了公司独有的管理软件，能够实现自动导入装配、加工等信息，并且可以将16个数控机床串联到一起，仅四个人就可以完成年产十万吨钢构的需求。美国的HAAS公司时全球最大的机床制造商之一，其设计的自动化生产线能够在一次装夹中完成各种机械元件的一次性加工，甚至是那些最复杂的结构也可以完成。1.3.2国内研究动态在过去，国内通常采用继电器-接触器作为生产线的控制核心，但随着科学技术的不断发展，PLC已经逐渐取代继电器的地位，成为企业的首选。现在市面上比较常见的生产线有佛山华灿自动化设备有限公司生产的N1系列自动上下料切管生产线，上料是需要人工上料，使用电机或者液压机进行分解，采用无级调节马达，精准控制传送带。欧锐克生产的自动上下料激光切割流水线，可以用来切割不锈钢管等。采用多组齿轮传动，十分适合用来进行重型切割，切割的精准度非常高。能够实现自动上料、切割、下料等操作，可以几只钢管同时切割，生产效率高。使用冷却液自动循环技术，使切割面光滑易打理，维护起来也很简单，不需要多少学习成本。金威刻生产的LF3015GAL型光纤激光切割机，采用独特的双机互联模式，能搞以特别快的速度实现上料、切割、下料等一系列操作，并且采用全封闭设计，杜绝污染。LF3015GA光纤激光切割机使用激光可以轻易切断一些别的切割机无法切割的后板材。在加工的全过程中，都可以采用监控系统随时监控每一处死角，使生产过程在保持在安全可控的范围。1.4课题研究内容本文是对一条自动切料生产线进行控制系统设计。本文首先介绍了所设计的自动切料生产线整体结构，画出了结构图，然后介绍了自动切料生产线的工作原理。对自动切料生产线中组成部分进行型号的选择，然后根据自动切料生产线的控制要求设计其控制系统，并进行实验验证。主要内容有以下几点：（1）介绍自动切料生产线的整体结构与工作原理；（2）对各个组成部分进行选型；（3）根据自动切料生产线的控制需求设计控制系统，包括硬件设计和软件设计；（4）对设计好的控制程序进行调试。2自动切料生产线2.1整体结构与工作原理自动切料生产线包括了四个部分，分别是传送模块、切料模块、分拣模块和废料收集模块，其结构图如图2.1所示。

磁性开关S3磁性开关S4磁性开关S1磁性开关S2气缸A传感器3传感器4传感器5传感器6气缸B原料搅拌机传感器2传感器1合格产品不合格品电机蜂鸣器图2.1自动切料装置结构图自动切料生产线的具体的流程如下：生产的原材料是耐腐蚀砖，在耐腐蚀砖经过处理后，放入原料搅拌机中来制造可以使用的物料。其中物料需要没有在高温下加工过，硬度很低，所可以采用气功装置作为切割装置来切割物料。按下启动按钮，一旦传感器设备1检测到物料，电机就会启动，由此带动传送带开始运行；一旦传感器2检测到物料，电机就会停止，传送带也随之停止运行；同时气缸A携带刀具开始动作，切断物料；当磁性开关S2检查到气缸A伸出到位0.5秒之后，气缸A退回；当磁性开关S1检测到气缸A退回0.5秒后，电机开始运转，带动传送带开始运行，然后一遍遍重复上述动作，直至物料用完为止。经过气缸A切割后的物料经传送带送至传感器3和传感器4的位置，当传感器3的下降沿和传感器4的上升沿同时有效的时候，则判断气缸A切割后的物料为合格产品，将合格产品继续沿着传送带运输；当传感器3和传感器4检测到物料与两个传感器之间的距离不一致时，则判断为不合格品，同时气缸B伸出，将不合格品推出生产线，掉落到废料收集桶中；当此时磁性开关S4检测到气缸B伸出到位0.1秒后，气缸B退回。磁性开关S3检测到气缸B退回指定位置后，气缸B停止动作；当传感器5和传感器6同时检测到有物体时，蜂鸣器工作；想要系统立刻停止动作，需要按下停止按钮，之后整个系统停止运行。设置传感器1和2、3和4、5和6都有固定的距离。当磁性开关S1有信号，说明原料搅拌机中已经制作成物料，并已经到传送带上了，这时需要控制电机启动带动传送带运转；传感器2有信号，说明物料长度已经合格，这时控制传送带停止并切割物料；当传感器3的下降沿和传感器4的上升沿同时有效的时候，说明物料长度合格，是合格产品；当感器5和传感器6同时检测到有物体时，说明废料收集箱已经趋于饱和，这时蜂鸣器响提醒工作人员检查并更换废料收集箱。2.2各个组成部分的选型自动切料生产线包括了一条简单的传送带、一个三相异步电动机来给传送带供电，一个可编程控制器（PLC）用来控制系统。还有六个光电传感器，四个磁性开关，一个蜂鸣器，两个气缸，这两个气缸分别为一个双作用单出双杆气缸和一个双作用单出单杆气缸。（1）光电传感器：光电传感器选择的是SL350N明治MEIJIDENKI微槽型光电传感器。槽型光电传感器是在一个槽的两侧分别安装一个发光部件和一个接收部件，其中发光部件可以发设红光或者可见光，当发射的光被物体挡住后，传感器就传出一个信号，可以用来控制开关或者其它输出。选择的这个光电传感器可以在机械滑台原点检测，能够检测到0.8*1.8毫米以上的不透明物体，响应时间在0.3毫秒以下。（2）蜂鸣器：蜂鸣器选择村田PKLCS1212E4001-R1压电蜂鸣器。（3）电机：电机选择西玛YXT2-112M-2型的Y型三相异步电动机，选择此电动机的原因是因为它性能好、效率高、价格便宜、安装方便和易于维修。电机和传送带简单地构成了自动切料生产线的进料装置。送料装置的精确度管理直接影响到整条生产线的效率和自动化水平，因此它是自动切割生产线的一个十分重要的一部分。当气缸切割的时候，需要控制电机停止；切割过后，电机启动，传送带继续运行。因为电动机的电流比较大，所以采用接触器控制启动的方式，主电路如图2.2所示。LL1L2L3M3~电源开关QS接触器主触点图2.2电动机控制电路图(4)气缸、磁性开关和电磁阀：气缸选择亚德客铝合迷你气缸MAL32X125-S-CA可调节气缸。选用的MAL32X125-S-CA可调气缸是标准型气缸，气缸内径是32毫米，标准行程是125毫米，最大行程有500毫米，气缸上附有磁石，可以安装磁性开关，后盖形式是摆尾型。磁性开关选择的是亚德客CS1-U气缸磁性开关，这款磁性开关适用于亚德客所有标准系列的TBC拉杆气缸和标准米型气缸，结构美观，安装方便。它的工作原理十分简单，一旦有磁性接近传感元件，传感元件就会采取行动，并从开关中输出一个模拟量。电磁阀选择的是4V210-08型电磁阀。4V210-08是一个二位五通的电磁阀，其中P是指气缸的进气口，连接到气源，A、B是指出气口，连接到指定使用位置。R、S是排气口，需要接一个过滤器。其中A是常开口，只要通风都要从A口进行。通过电源或手动管理从B口出气。气缸、电磁阀、磁性开关和过滤阀构成了自动切料生产线的气动系统，其中气缸A负责切料，当磁性开关检测到气缸伸出到位或者退回到位时，会将信号传送给PLC，由PLC控制电磁阀，以调节气缸的运动。气动回路如图2.3所示。图2.3气动回路（5）可编程控制器（PLC）：PLC选择的是三菱FX2N48MR型号的PLC，它是三菱FX2N系列PLC的一种，继电器输出24点，输入24点。M是基本单元，R代表的是继电器输出。FX2N-48MR的PLC，其供电电压为24V的直流电，内置用户存储器8KB，可扩展到16KB，最大可扩展到256个I/O点，编辑语言是逻辑梯形图。此PLC系统配置有固定的部分，也有可供用户选择的部分，编程简单通用，可以根据需求添加扩展单元，性能高且稳定，适合作为自动切料生产线的控制核心。

3控制系统的设计3.1控制系统的要求及结构系统的控制要求有以下几点。（1）一键启动和一键停止。按下启动按钮，切料生产线开始自动运转；按下停止按钮，系统停止，所有部位恢复到初始状态。（2）自动分拣。可以实现物料的分拣，将合格的产品分拣出来。（3）废料收集。将不合格产品收集起来。控制系统由电机、PLC、传感器、磁性开关、气缸和蜂鸣器等硬件组成，具体结构如图3.1所示。PLCPLC磁性开关传感器电机气缸蜂鸣器图3.1控制系统结构图3.2控制系统硬件设计PLC采用的是典型的计算机结构。它的硬件系统由主机、I/O扩展机及外部设备组成。运算器和控制器集成在一起，构成微机处理器，简称CPU。PLC的结构可以分为五部分：中央处理器、存储器、输入部件、输出部件和电源部件。其中CPU是PLC的控制中枢，PLC在CPU的控制下对众多问题进行处理。存储器包括了用户存储器和系统存储器，其中用户存储器是存储程序和数据的地方。I/O部件是连接现场设备与CPU之间的接口电路，而电源部件就是为PLC内部提供电力的。3.2.1PLC的I/O点分配自动切料生产线的数字输入量一共有12个，包括了启动按钮、停止按钮、6个光电传感器和4个磁性开关。数字输出量一共有6个，分别控制电机、蜂鸣器、切料气缸的伸出与退回、推出不合格品气缸的伸出与退回。可编程控制器采用的是三的FX2N-48MR型号PLC，其输入点数为24，输出点数为24，完全可以满足生产线的要求，并有还用余量。I/O端口输入输出变量分配表如表3.2所示。表3.2I/O输入输出变量分配表输入端口输出端口启动按钮SB1X0电机Y0停止按钮SB2X1气缸A伸出Y1光电传感器1SP1X2气缸A退回Y2光电传感器2SP2X3气缸B伸出Y3光电传感器3SP3X4气缸B退回Y4光电传感器4SP4X5蜂鸣器Y5光电传感器5SP5X6光电传感器6SP6X7气缸A前限位S1X8气缸A后限位S2X9气缸B前限位S3X10气缸B后限位S4X113.2.2PLC的硬件连接气缸气缸B后限位气缸A后限位启动停止光电传感器1-6气缸A前限位气缸B前限位蜂鸣器X0X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11COMY0Y1Y2Y3Y4FX2N48MR气缸A伸出气缸A退回气缸B伸出气缸B退回+24 V图3.3PLC的硬件连接图可编程控制器硬件连接如图3.3所示。3.3控制系统软件设计PLC软件通常是指PLC采用的程序的集合，这一套合集中包括系统程序和用户程序。其中系统程序由PLC制造商提供免费提供给用户，用户程序还就需要用户自己根据自己的需求来编写。用PLC编程语言编写的程序可以满足多种控制需求，所以选择使用PLC作为控制部分。自动切料装置软件设计可分为三大部分，自动切料程序、自动检测物料程序和废料收集程序。3.3.1程序结构设计PLC接受来自系统内各种按钮、开关和检测设备的输入信号，并按照程序和预先设定的参数控制电磁阀和继电器等执行器。PLC程序时整个控制系统的核心部分，其流程图如图3.4。NNNNNNNYNNNNNNNY启动按下SB1SP1有信号？电机启动SP2有信号？电机停止气缸A伸出S1有信号？气缸A退回SB3,SB4同时有信号或SB4上升沿有同时SB3无信号？气缸B伸出S2有信号？电机启动S3有信号？气缸B退回

SB5、SB6同时有信号？蜂鸣器响

YYYYYY图3.4流程图流程可以具体分为三部分，分别是自动切料部分、自动分拣部分和废料收集部分。从自动切料部分开始，按下开关SB1，当光电传感器SB1检测到信号时，电机启动，传送带开始运转。当光电传感器SB2检测到有信号时，电机停止，传送带停止，气缸A带动刀具伸出。当磁性开关S1检测到气缸A伸出5秒后，给PLC传送信号控制气缸A退回。当磁性开关S2检测气缸A已经退回5秒后，控制电机启动，带动传送带运转。然后是第二部分，自动检测部分。当传感器SP3的下降沿和SP4的上升沿同时有效时表示此为合格产品，当传感器SP3和传感器SP4同时有信号或者传感器SP4的上升沿有信号，而同时传感器SP3没有信号时，则表示此产品过长或者过短，为不合格产品，这时控制气缸B伸出，将不合格产品推出。当磁性开关S4检测到气缸B伸出1秒后，控制气缸B退回。最后是第三部分，废料收集部分。当传感器SB5和SB6同时有信号时，控制蜂鸣器响，同时电机停止并开始计时，当计时20秒后，蜂鸣器停止，电机启动。按下按钮SB2，自动切料生产线停止。3.3.2程序设计这个程序目的是为了让自动切割生产线实现全自动切割的目的。为了能够实现连续工作的目的，及按下启动按钮的时候，自动切料生产线开始运作，包括切割和检测和废料收集，直到按下停止按钮的时候，自动切割生产线才可以完全停止。为了实现这个目的，所以我们设计一个自锁开关，自锁开关的功能就是利用自己的常开触点使线圈保持在一个通电状态，即一个ON状态。其中X0是启动信号，X1是停止信号。当启动信号X0常闭开关闭合时。辅助继电器M0通电,自锁功能完成。这就构成了一个典型的自锁功能，直到按下停止按钮后生产线才会停止。在三菱PLC中，M8034的线圈通电时，会禁止全部的输出。所以想实现一键停止的功能，就通过控制辅助继电器M0来控制M8034线圈的通电与否。当给到辅助继电器M0的常闭开关信号时，M8034线圈通电，这时就实现了一键停止的功能。为了实现传感器1检测到信号时，带动传送带的电机就开始运行的目的，使用X2的常开触点来控制传送带电机Y0。当X2常开触点闭合，同时两个气缸伸出的常闭开关没有信号时，传送带电机Y0线圈通电，带动传送带运行，完成目的。为了实现传感器2已检测到信号，传送带电机就停止，同时气缸伸出切割物料的目的，在程序上设计是让X3的上升沿常开触点来控制传送带电机的停止和气缸的伸出。当X3的上升沿有信号，同时X2的常闭触点也有信号时，传送带电机M1重置，气缸Y1置位，这样就完成了传感器2已检测到信号，传送带电机就停止，同时气缸伸出切割物料的目的。为了使得气缸伸出0.5秒之后，控制气缸退回，需要控制X10的常开触点来控制时间定时器T1的线圈。首先把时间定时器T1到时间设置成K50。当T1时间到了的时候，它的常开触点闭合，这时Y1伸出重置，气缸退回Y2置位。

4实践验证为了确保该生产线能够正常，要进行验证，也即是对其进行总体调试。系统调试的过程包括程序调试和硬件调试。4.1PLC程序调试在准备好PLC程序之后，要做的主要问题是仿真调试。仿真调试将通过仿真程序包代替在PC上进行PLC硬件调试的方法。选择用GXWorks2编程软件中进行仿真测试，来验证程序是否有错误。在模拟过程中，通过系统执行强制确定输入为ON或OFF,对程序进行调试。在实验室内对PLC程序进行仿真和调试时，先通过USB线连接PC，从而连接PLC，然后通过PC上的软件系统GXDeveloper将设计的程序传输到PLC，并在GX中设置操作模式菜单开发人员将编程软件系统设置为监视模式。在进行模拟的过程中，实际信号通过实验台上的开关和按钮进行仿真，并且使用连接到实验台区域单元输入端子上的按钮来模拟PLC的信号。每个输出的状态都由PLC上的相关LED二极管的灯亮和灯灭显示，同时不连接PLC的特定负载。进行程序调试的时候，对该系统各种操作方式、梯形图图中的每个分支与序号，以及每个潜在的错误路线，每一项都需要细心检查。一旦发现问题就要及时改正梯形图和PLC中的程序，直到每个潜在可能情况下中的输入和输出量之间的连接都达到绝对符合要求。程序中的定时器的数值较大为K200，我们可以将它的数值调小，比如调成K20，然后在进行模拟记录，在模拟结束后我们再把数值调回K200。整个编程工作中最后一部分，也是最重要的部分就是仿真调试，它可以让我们在开始时就可以检查程序的最终实际影响。在整个调试方法中，程序的几个功能需要被修改并逐点改进。仿真调试在实验室内和现场进行。如果是在现场进行模拟调试，那么PLC系统应该与现场的信号隔离，并停止I/O单元的外部电源供应，以避免多余的损失。4.2现场调试硬件调试包括：在上电之前检查系统各组成部分之间的接线是否正确；一旦系统不活动，检查每一部分是否都是没有问题的。（1）上电前的检测。当控制系统各个部分都安装完成后，仔细检查PLC、电机以及各个元器件之间是否有问题，经过仔细检查，逐点检查，确认准确无误。（2）打开设备电源后检查一次。设施启动后，仔细检查面板上的指示灯是否正常，然后检查PLC和各个元件，再检查PLC输入点，继电器和电气部件，确定都在正常状态。在整个调试过程中暴露PLC外部原理图和梯形图中部分环节有问题，通过纠正梯形图中的逻辑顺序解决了问题。在任何情况下，调试通过后，还需要进过一段时间的检测，系统才可以考虑投入实际运行。结论本课题的研究目的是为了提高切料生产线的效率，通过PLC控制完成自动切料，提高了生产效率，节约了资源，给企业带来了更高的效益。本课题所研究的自动切料生产线控制系统主要采用了PLC控制，PLC可以提高控制系统的稳定性，增强系统的抗干扰能力。本文是对整个控制过程的总结，具体的工作内容如下：对国内外的研究现状进行分析首先提出了研究目的和背景，然后对国内外的研究进行分析，找出自己研究方向，在前人的基础上做出改进，使用三菱PLC作为控制系统，并加入了废料收集系统。对自动切料生产线进行介绍对需要进行控制自动切料生产线进行介绍和分析，包括自动切料生产线的整体结构，都用到了什么设备，设备的选型，还有自动切料生产线工作的原理。对控制系统进行设计控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计。硬件设计有硬件的选型和I/O口分配以及PLC的硬件连接；软件的设计包括流程图，通过GXDeveloper程序画出梯形图。调试为了安全和等问题，程序的调试是实际生产前所必须的工作。调试包括实