【《基于PLC的电机定子生产线控制系统设计》13000字】

基于PLC的电机定子生产线控制系统设计摘要电机广泛应用于各行各业，而传统的电机定子生产线耗费大量的人力资源，故全自动电机定子生产线成为当今社会的必然趋势。本课题基于PLC来控制机械手，实现了电机定子装配的一系列工艺流程。该课题设计具有手动和自动两种模式。手动模式主要用于设备的维护调试；而自动模式时能全自动完成隔膜安装、定子绕线、自动插线以及快速分拣等一系列动作，同时采用博途TIA中的HMI作为上位机。对系统的运行情况进行实时监控，能记录运行过程中各个设备的使用状况、具体问题以及出现故障时的历史数据，在系统出现故障或者人身误入作业区域时时它能及时发出报警信号。该系统不仅界面友好、操作简单方便，同时还大大减少了人力劳动和提高了定子的生产效率，应广泛应用于企业生产中。关键词：电机定子生产线博途上位机仿真调试目录1绪论 51.1 研究背景及意义 51.1.1研究背景 51.1.2研究意义 51.2 国内外研究现状 61.3本课题主要内容 72 电机定子生产线系统总体设计 92.1系统的需求分析 92.2系统的工艺流程 92.3控制系统总体方案设计 122.4本章小结 123电机定子生产线控制系统硬件设计 133.1PLC选型 133.2传感器的选型 143.3限位开关的选型 163.4变频器的选型 173.5伺服电机的选型 193.6西门子上位机选型 203.8电气线路设计 213.9本章小结 244电机定子生产线控制系统软件设计 254.1控制系统流程图设计 254.2下位机设计 264.3本章小结 335上位机设计 345.1HMI的简介 345.2HMI界面设计 345.3本章小结 376仿真调试 386.1运行调试 386.2实验室调试 426.4本章小结 437总结与展望 44参考文献 45

1绪论研究背景及意义1.1.1研究背景因为制造业的不断发展，对于用工业机器人代替体力劳动的自动生产线的需求逐渐增加，例如搬运机器人，焊接机器人，喷胶机器人等工业机器人正在工业化生产中逐渐壮大。它们大多数具有强大的多功能性和灵活性。目前国内对于专门用于电机生产的自动化生产线还是非常少的，大多数都是依靠半自动化来进行生产作业。半自动化的整体过程是需要通过各个设备与人工之间的手动操作来完成的。半自动化具有劳动强度高，生产环境困难，质量不能保证等缺点。因此，为了实现电机定子的快速生产，现在迫切需要开发一种用工业机器人来代替人工的全自动生产线。而降低生产成本和提高产品质量是全自动生产竞争和发展的基础，也是我国制造业技术不断改进的标志。它会根据自动生产线、装配线逐步开发，不仅能在生产线的各个处理单元自动完成规定的程序，而且会生产出与设计要求相符合的产品。它们主要根据工艺流程和整体间形成的不同装置，将装置之间的运动组合到气动系统和电制动系统中，以提供规定的过程。1.1.2研究意义在工业生产当中，高温、腐蚀性强以及有毒气体一直是困扰人们许多年的问题。在自动化设备被人们发明之初，这些问题得到了大幅度的改善。机械手因其耐用并且抗腐蚀性强的特点常常被运用于机械车间运送工料或者是参与到其他对人体有害的工作当中。其不仅仅降低了劳动强度，还大大提高了生产的效率以及生产出产品的质量。随着未来工业发展的趋势以及“中国制造2025”计划的分级实施，依靠廉价的劳动力来获取多元化发展的国内制造业正在面临着产业转型升级、品种繁多、小批量的需求。由于电动机广泛的应用于工业生产、家用电器、医疗设备、汽车行业和精密电子等地方，因此大型电动机制造商已经在电动机的研究和开发上投入了大量时间精力和资金，以便于实现后期更好的转型。该设计的具体研究内容如下。首先，我们设计了一条电机定子生产线，具体分析了电动机定子生产的现状和它本身存在的问题，并提出了通过工业机器人对满载和卸载时的电动机定子进行自动生产的方法，该生产线包括了五个工位、一个机械爪和机械手。然后执行总体控制系统的规划设计和硬件选型。控制系统采用了系统流程图和顺序功能图这两个方法，而系统软件则采用了模块化编程。将电机定子生产线的控制操作分为多个子任务。它们具有自动功能和手动功能。采用人性化功能，例如采用人机交互界面进行设计，实现上位机监控和远程修改的能力。运用TIAPortal软件进行硬件配置，在其中使用梯形图语言进行编程、调试，用修改程序的方式逐渐改善不合理的部分。它大大提高了电动机定子生产的自动化程度，并增加了其实用价值。国内外研究现状当前，在我国工业的优化调整阶段，传统的劳动密集型企业已经无法跟上社会经济发展的步伐。为了尽快提高生产效率、改善生产质量，降低人工成本，我们迫切地需要改善设计思路，并充分利用最新的工业生产技术来实现数字化生产。通过不断地制造和测试操作，重新改善后的电动机定子措施可以有效地提高生产效率和生产质量，同时降低成本并减少产品之间的人工传递。生产线的自动化是制造业未来发展的一大趋势，它不仅有效地提高了企业的生产效率和管理水平，还提高了企业的竞争力，由此全自动化生产受到了世界上所有国家的广泛关注。美国是自动化生产线的发源地，而日本拥有世界上最完整的自动化生产线的产业链，这两个国家在自动化生产线和关键组件的研究方面也处于世界领先地位。从自动化生产线的角度来看，德国制造业举世闻名，其产品具有出色的耐用性和精确的夹持力，并且能够在人机交互和机器互连方面具有巨大的技术优势。所以，我国不仅要积极引进国外的先进技术，而且还要吸收和创造这些先进技术，增加对自身研发的投资，从而获得工业自动化的核心技术，真正的参与进工业自动化中。而从国家政策的宏观角度和企业就业的微观角度来看，增加自动化技术的研发和推广也是非常有必要的。自动线又叫做自动化生产线，它是由传送带系统和控制系统组成，通过顺序流程组合自动设备或者辅助设备组来自动完成产品的全部或部分的生产过程。根据《2020-2026年中国制造业生产和销售和投资趋势分析报告》来说，我国制造业的自动化率约为30％，而欧美等国家的自动化率则超过90％。未来的工业发展趋势是不断开发新产品和新市场，扩大内需，开拓新的增长点，增强自主创新能力和产业竞争力。从事有关于自动化生产的企业必须要加强创新能力和提高产品质量的技术水平。拥有自主知识产权是打造行业知名品牌的必要条件，这也是自动化行业发展壮大的基础。在现代国际化趋势的影响下，当今世界正在向自动化、智能化和数字化领域进发。中国经济正在以自动化为驱动力进行升级和重新改造，并大规模引入机器人技术以减少企业运营中的人工成本。这些变化在流行之前就已经开始了，但是世界流行加速了它。自动化浪潮不仅在中国如火如荼，而且还会在全球商业环境中硕果累累。1.3本课题主要内容该主题的目的是为了实现全自动电动机定子生产线的控制。在分析电机定子程序的生产现状的基础上，提出了一种可以使电机定子实现自动化生产，并对生产线控制系统的硬件和软件设计进行系统研究。此设计的各章节安排如下：第一章是绪论：具体阐述了本文的研究背景及意义，系统概述了电机生产技术、工业机器人在工业中的一些运用以及国内外的研究现状，最后介绍了本文的研究目的、研究内容及章节安排。第二章是电机定子生产线总体规划设计：主要写了电机定子生产线的组成和总体规划布局以及对所用到的按钮和传感器进行了介绍，找到一种适合用在电机定子生产线上的相关模块，然后对这些模块进行组装形成大概的一些工艺流程。第三章是电机定子生产线控制系统的硬件设计：主要写了系统控制要求和控制系统硬件的设计，对设计的大体框架进行构思，进行控制方案的选择、硬件设备的选型以及外围电路的设计等等。第四章为电机定子生产线控制系统的软件设计：这章需要画出控制系统流程图和顺序功能图。总体规划了控制流程图和程序结构图，采用模块化的思想进行编程。使用博途软件自带的仿真器对所编写的程序进行仿真调试，排除程序中的错误，打好调试基础，缩短调试时间。第五章为上位机的设计：在博途软件中采用自带的HMI界面进行触摸屏的设计，通过仿真调试来确定此画面是否可行，并通过人机交互界面对其进行说明。第六章为仿真调试环节：通过仿真触摸屏来进行上位机的调试，并在实验室进行实物调试用此来确定该设计是否可以用于生产。第七章为总结与展望：最后这章的总结与展望不仅是对本系统设计工作的总结，也是对我下一阶段的目标方向进行了展望。电机定子生产线系统总体设计2.1系统的需求分析在现代社会中，全自动生产是非常有必要的，因为现在是工业社会，在工业生产中，方便、高产量、高效率的要求成为了大家追逐的重点。时代发展需要从人工时代快速转变为智能时代，所以电机定子生产线的全自动化在之后的生产生活中是非常有必要的。本次控制系统为了满足生产过程中不同情况下的控制需要，主要将控制系统的操作部分分为了手动模式和自动模式，手动模式运用在调试和出现故障检修时，此时自动运行程序不起作用，工作人员可以对各个设备进行启动停止。而人机交互系统能够监视现场设备。正常的工作模式是在自动运行模式下，各台设备按照逻辑关系自动启停，且设备间具有互锁关系。各台设备要能够对外提供设备准备就绪信号、完成设备作业信号以及设备故障报警信号。控制系统要求能监控整条生产线的运行状态并具有报警功能。2.2系统的工艺流程市场上大多数的电机定子生产线上都是由供料单元、加工单元、装配单元、传送单元和分拣单元这五个单元组成的。下面就对这五个单元进行具体的分析：供料单元本设计中的供料单元主要包括了物料仓、物件传送装置等。如果有必要，它还能够将放置在料仓中的待加工的物件自动送出到物料台上，以便输送单元的机械爪将物件抓取并移动到下一工作单元。图2-1供料单元加工单元此设计的加工单元里主要有物件搬运设备和物件加工设备。它可以把该设备物料台上的物件（物件由输送单元的机械爪装置送达）送到冲压机构下面，完成一次冲压加工动作，然后再送回到物料台上，待输送单元的机械爪取出物件。图2-2加工单元装配单元此设计的装配单元主要囊括了装配工作区和装配物件搬运设备。它可以完成将单元料仓内的物件送入到已经加工的半成品物件中进行装配的过程。图2-3装配单元传送单元此设计的传送单元主要由伺服电机、气缸、气动系统以及限位开关等组成。它可以把物件精准的定位到指定单元的物料台，并在该物料台上抓取物件，把抓取到的物件传送到指定地点然后放下。图2-4输送单元分拣单元此设计中分拣单元主要包括了部分传送带和分拣装置。它能够将上一单元送来的已经加工好、装配好的物件进行分拣，使得加工好了的物件能放入物料仓中，当检测出未加工完成的物件时则由分拣单元再次传送到加工单元进行加工。图2-5分拣单元2.3控制系统总体方案设计本课题的系统控制结构如下图2-6所示，它里面包括了人机交互系统、按钮信号、传感器信号、主控制系统、变频器、伺服驱动器、伺服电机、最终执行终端、电磁阀、气动系统、机械手、机械爪以及绕线机等设备。图2-6控制系统硬件总体规划本控制系统设计通过PLC作为主控器，控制电机定子生产线的运行和各种变频器、电磁阀、机械爪和绕线机、插线机等设备的运行状态，使用西门子触摸屏作为上位机进行监控。通过外部的按钮信号控制整个系统的启停状态，其中按钮信号里包含了启动按钮、停止按钮和限位开关。在设计中，每个设备的前后都有一个限位开关，用来检测设备的运行状态是否都在控制的范围内；传感器信号中的霍尔传感器用来分别控制物件在传送带上的具体位置，光电传感器用来记录上料和下料时物件的数量；变频器用于速度控制，它能够驱动伺服电机运行使设备产生动力而正常运转，由伺服电动机控制最终控制终端，进行执行输出的命令操作，从而达到生产线上的旋转部分和传送带部分能够正常工作；机械爪和机械手都是由PLC控制的，通过程序的编写，让它们作出相应的动作，绕线机和其他设备也是通过主控制器来控制的。2.4本章小结本章内容主要对电机定子生产线的需求分析、工艺流程和方案设计进行分析。首先分析了此设计的生产需求，根据需求对工艺流程进行分析，随后给出设计方案。3电机定子生产线控制系统硬件设计通过上述的设计需求和方案设计的分析，此设计由PLC、传感器、限位开关、变频器、伺服电机、上位机等设备，所以本设计需要对PLC、传感器、限位开关、变频器、伺服电机、上位机等进行选型。3.1PLC选型本设计分别使用了56个数字量输入和31个数字量输出，而根据S7-1200选型手册，选择点数为16的扩展模块，所需模块数计算如下：数字量输入模块数量为(68-14)/16＝3.375个≈４个；数字量输出模块数量为(68-10)/16＝3.375个≈４个。而CPU1214C具有24个数字量的I/O点（14输入/10输出）。按照上述I/O模块的选择规则，还需考虑20%的裕量，所以这次控制系统的输入输出点数的计算结果为：数字输入量点数＝56*（１＋20％）＝67.2点＜68点数字输出量点数＝31*（１＋20％）＝37.2点＜68点其中，数字量输入模块型号选择SM1223DC/RLY，数字量输出模块型号选择SM1223DC/RLY。所以在CPU本身的基础上选择了3个扩展模块，分别为2个DI/16*24VDC/DQ16*Relay模块和DI16/DQ16*24VDC模块。根据整条生产线的设计方案，本控制系统包含一个机械爪，一个机械手，而且西门子PLC具有适用范围最广、产品线多、集成块多等特点。综合以上的结论，选择西门子系列PLC作为本次设计的主要控制器是可以的。而根据西门子PLC的选型手册，可以选择西门子S7-200系列、S7-300系列、S7-1200系列和S7-1500系列。下表是西门子各系列的优缺点及适用范围介绍。表1西门子各系列PLC简要介绍名称优点缺点适用范围S7-200运行稳定，使用简单方便，价格便宜等。输入/输出点数有限适用于小型控制系统S7-300运行方便，稳定性高，功能指令丰富等。价格昂贵适用于中大型控制系统S7-1200S7-1200采用集成化网口，不需要添加接口模块，使用方便，通讯连接方便等。价格昂贵适用于广泛的自动化应用。S7-1500接线方便，可靠性高，处理速度快等。价格昂贵适用范围更广基于上述对于各西门子系列的了解和对各系列的经济性能的比较，所以决定采用西门子S7-1200系列的PLC作为这次硬件设计的主要模块。选择S7-1200系列CPU，该系列CPU具有DC/DC/DC，AC/DC/RLY，DC/DC/RLY三种型号。S7-1200系列拥有125KB工作存储器；24VDC电源，具有板载DI14x24VDC漏型/源型、板载DQ10x24VDC及AI2和AQ2；板载6个高速计数器和4个脉冲输出，信号板扩展板载I/O；多达3个用于串行通信的通信模块，多达8个用于I/O扩展的信号模块；0.04ms/1000条指令；2个PROFINET端口，用于编程、HMI和PLC间数据通信。经过综合考虑，CPU选择1214C-DC/DC/DC能满足控制要求，其订货号为6ES7214-1AG40-0XB0。图3-1S7-1200CPU实物图图3-2SM1223DC/RLY实物图3.2传感器的选型光电传感器是将光信号变换成电信号，通过感应到光线强弱的改变从而变换为大小变化的电信号。本设计在传送带的末端处设置了光电传感器用做数量检测，因为在整个流程中，需要对电机定子的数量进行检测，所以需要选择一个对于物件本身敏感度比较好的传感器来进行计数，而硅钢片的本身属于比较亮的一种，完全可以通过光线的强弱来进行计数。光敏传感器的选型主要是考虑分辨率、有效距离、固定方式。根据它们的这些条件要求选择了ZAZR品牌的光敏二极管模块型光敏传感器，因为它采用灵敏的光敏二极管，而且它的方向性比较好，能够感知固定方向的光源，输出信号与波型较好，价格便宜，便于安装使用。表2ZAZR光敏传感器性能指标供货商类型工作电压输出接线方式灵敏度ZAZR光敏二极管3.3-5V数字开关量两线制可调节图3-3光敏传感器实物图图3-4光敏传感器接线原理图霍尔传感器是利用霍尔效应原理将被测物理量转换为电动势的传感器，它广泛地应用于电流、磁场、位移和压力等物理量的测量。位置检测在这次设计中具有非常重要的地位，因为许多的地方都会用到它，本次设计有三条传送带，每个传送带具有3米左右的长度，因此对于物件的定位需求也非常精确，要是有偏差就会导致机械爪抓取不到物件，而白白浪费资源，出现故障。所以在传送带的开始和末端安装位置检测的传感器是非常有必要的，这样会在物件经过的路径上进行检测，以便对它进行修正，让机械爪能够及时的抓取物件，避免出现故障。所以在传送带上需要选择精确度很高的传感器来进行位置检测，在AKM的EW-632系列、EW-732系列、SEC的SS559和SS569系列和霍尼韦尔的SS49E/SS59ET系列中根据他们的经济性和能效性，本设计最终选择霍尼韦尔的SS49E/SS59ET霍尔式传感器。因为它的精确度比较高，还具有很好的定位功能，其实物图和性能参数如下图所示：图3-5霍尔效应原理图图3-6SS49E/SS59ET霍尔式传感器图3-7SS49E/SS59ET霍尔式传感器输出框图表2SS49E/SS59ET的性能参数供电电压供电电流精度线性度位置重复精度工作温度3.0~6.5V6mA精度高线性度好位置重复精度高（可达μm级）-40℃~100℃3.3限位开关的选型限位开关也称为行程开关。它可以安装在静态或者动态对象上。当对象的状态发生改变时，触点就会打开和闭合，因此对象的运动受到限制，从而防止了事故的发生。限位开关的工作原理是利用机器之间的碰撞来移动限位开关的触点并相应地设置或释放电路。限位开关通常用于限制机械运动的行程和位置。这使得对象可以停止，更改其速度或自己来回移动。在本次设计中，限位开关运用在所有能用到限位的地方，比如说①对于物件在传送带运动时，会因为故障而导致出现物件直接从传送带传送出去，机械爪抓取不到的情况；②机械爪因为要去抓取超出量程的物件而导致机械爪回不到原本的位置；这时候安装限位开关就非常有必要了，它能够在设备发生故障时及时断开电路，返回设备固定点。所以这次设计中需要根据它的误动作、抗压能力和防护等级等方面进行考虑。欧姆龙公司的产品对于限位开关的技术比较成熟，所以选择欧姆龙限位开关中的安全限位开关，它的型号为D4N-1120，接点为速动型。它的实物图和接线图以及它的性能指标如下所示：图3-8D4N-1120型实物图图3-9外部接线图表3主要性能参数产品型号D4N-1120电压额定值240VAC电流额定值10A抗压能力强防护等级1级（IP67）误动作300m/s2以上封装Bulk使用环境温度-30℃~70℃3.4变频器的选型传送带的速度也是需要进行调节的，如果速度过快则会导致使用率大大减少，造成能源的浪费，如果速度过慢，则会影响产能和后面的生产进度。这次设计需要对传送带的速度进行控制，速度太快对于传送带的使用寿命具有很高的损耗，速度太慢也不行，所以对于传送带的速度设置是非常有必要的，因此需要使用变频器来作为控制传送带速度的一种方式。变频器主要由主电路、整流器、平波回路、逆变器等组成，能够减少对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备的使用寿命。变频器作为工业生产中的重要产品，已经运用了很多年，各种技术都非常成熟。因为这次设计需要具有很高的可靠性和灵活性，所以这次我选择了西门子MM430变频器，它的功率范围为7.5KW-250KW，对于控制传送带的速度是比较不错的一款变频器了。图3-10MM430的接线图图3-11MM430实物图在本次设计中采用了变频器的多段速功能，在设置P1000=3的时候，用开关量端子选择固定频率的组合，实现电机的多重速度运行，将一个数字输入量对应一个固定频率则有下表：表4MM430型变频器多段速功能设置表端子编号对应频率对应参数5P1001P07016P1002P07027P1003P07038P1004P070416P1005P070517P1006P0706必要说明：频率给定值P1000的端子编号必须是3，当选择同时激活时，选定的频率一定要是它们的总和。选用此变频器是因为它能够快速响应，且带有增强电机动态响应和控制特性特点，它通过磁通电流控制，在出现故障时能够快速限制电流等等。3.5伺服电机的选型伺服电机的工作原理是通过驱动器来控制三相电（U/V/W），从而形成电磁场，让转子在此磁场的作用下转动，同时将反馈信号传给驱动器，驱动器将反馈值与目标值进行比较，从而调整转子转动的角度。伺服电机的作用是驱动控制对象，当被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电机的转动速度和方向也跟着变化。伺服电机可以用来控制速度，而且位置精度高。它可以将电压信号转化为转矩和转速用来驱动控制对象。伺服电机转子转速收到输入信号后，反应速度快，能立刻进行工作，高速性能好，过载能力强，低速运行平稳同时也可以适应高速运行，而且伺服电机相较于其他步进电机具有散热能力好，噪声小的特点。它可以用来控制底盘和传送带的移动，大大提高了生产效率。伺服电动机的选择也比较广泛，但我还是选择了三菱的伺服电机，且它的功率为2.0KW且带制动的HF-SP352/MR-J3-350A系列。图3-12三菱伺服电机实物图图3-13三菱伺服电机接线图表5三菱伺服电机基本参数说明额定输出功率额定转矩额定速度额定电流轴允许负载3.5KW16.7N.m2000r/min16A79mm3.6西门子上位机选型常用的上位机软件有MCGS、博途HMI、WINCC、KINGVIEW组态软件等，根据这次设计的要求，选择使用博途HMI系列自带的触摸屏，他们分为精简面板、精智面板以及移动面板。精简面板可以处理简单的HMI任务，它主要分为：KTP400BasicPN型、KTP700BasicPN/DP型、KTP900BasicPN型、KTP1200BasicDP/PN型以及KP300单色PN型。精智面板则用于完成要求苛刻的人机界面任务，主要有以下几种：KTP400精智面板、KP400精智面板、TP700精智面板、KP700精智面板、TP900精智面板、KP900精智面板、TP1200精智面板等等。所以本控制系统的触摸屏选择了西门子SIMATIC精智系列面板TP700ComfortOutdoor型，该触摸屏为电阻式，具有7寸TFT显示屏，拥有800x480像素，16M色；触摸屏采用1xMPI/PROFIBUSDP，1x支持MRP和RT/IRT的PROFINET/工业以太网接口（2个端口）；2x多媒体卡插槽；3xUSB，订货号为6AV2124-0GC01-0AX0。图3-14西门子SIMATIC精智系列面板TP700Comfort型3.8电气线路设计（１）主回路和控制回路设计电机定子生产线的电气线路设计主要设计了主回路电路和控制回路电路，主回路进线电源采用三线五线制，额定电压380V，主回路接触器K1控制总电源的接通，如图3-15、图3-16所示。图3-15主回路设计图3-16控制回路设计（２）PLC信号控制电路PLC输入信号包括传感器信号、按钮信号等，输出信号包括伺服电机信号、指示灯信号以及其他设备等，使用S7-1200PLC发送脉冲信号要使用CPU本体中的输出点。如图3-17所示：图3-17输入/输出控制电路所以本控制系统的I/O分配表可以如表6所示。表6PLC的输入输出分配表PLC输入输出分配表输入注释输出注释I0.0启动Q0.0启动指示灯I0.1停止Q0.1停止指示灯I0.2手动、自动Q0.2传送带I0.3定子铁芯到位限位Q0.3机械爪吸合I0.4定子铁芯机械爪上限位Q0.4定子铁芯机械爪上升I0.5定子铁芯机械爪下限位Q0.5定子铁芯机械爪下降I0.6定子铁芯机械爪左限位Q0.6定子铁芯机械爪左移I0.7定子铁芯机械爪右限位Q0.7定子铁芯机械爪右移I1.0底盘旋转隔膜到位检测Q1.0定子铁芯机械手上升I1.1底盘旋转绕组到位检测Q1.1机械手下降I1.2底盘旋转薄膜到位检测Q1.2机械手上升I1.3底盘旋转仓库到位检测Q1.3机械手伸出I1.4搬运机械爪上限位Q1.4机械手缩回I1.5搬运机械爪下限位Q1.5机械手爪吸合I1.6搬运机械爪前限位Q1.6机械手底盘正转I1.7搬运机械爪后限位Q1.7机械手底盘反转I2.0隔膜机架推出到位检测Q2.0薄膜盘缩回I2.1隔膜机架位到位检测Q2.1薄膜架固定I2.2压线到位检测Q2.2粘膜机运行I2.3压线回位检测Q2.3隔膜架吸合I2.4绕组盘收缩推出检测Q2.4隔膜架松开I2.5收缩到位检测Q2.5隔膜电机运行I2.6绕组位检测Q2.6隔膜阀射出隔膜I2.7伸出到位检测Q2.7隔膜架推出I3.0薄膜盘收缩到位检测Q3.0绕组盘收缩I3.1薄膜位检测Q3.1绕组架固定I3.2传送带启动按钮Q3.2绕组电机运行I3.3机械爪吸合启动按钮Q3.3压线顶伸出I3.4定芯机械爪上升启动按钮I3.5定芯机械爪下降启动按钮I3.6定芯机械爪左移启动按钮I3.7定芯机械爪右移启动按钮I4.0定芯机械手上升启动按钮I4.1机械手下降启动按钮I4.2机械手上升启动按钮I4.3机械手伸出启动按钮I4.4机械手缩回启动按钮I4.5机械手爪吸合启动按钮I4.6机械手底盘正转启动按钮I4.7机械手底盘反转启动按钮I5.0薄膜盘缩回启动按钮I5.1薄膜架固定启动按钮I5.2粘膜机运行启动按钮I5.3隔膜架吸合启动按钮I5.4隔膜架松开启动按钮I5.5隔膜电机运行启动按钮I5.6隔膜阀射出隔膜启动按钮I5.7隔膜架推出启动按钮I6.0绕组盘收缩启动按钮I6.1绕组架固定启动按钮I6.2绕组电机运行启动按钮I6.3压线顶伸出启动按钮3.9本章小结这章节主要写了生产线控制的硬件设计，介绍了各部分的选型以及它们的作用，通过选型可以知道整个设计的大概模型，通过电气线路的设计可以帮助我们更好的理解此次设计的大概流程和接线。输入输出点的确定也可以让程序的设计更加明朗。

4电机定子生产线控制系统软件设计基于上述硬件设备的选型，系统软件设计主要对此设计进行流程图、下位机和上位机的设计，对PLC进行编程，包括对系统的状态控制（启动、停止和报警）、隔膜安装、绕组安装、薄膜粘带、自动运行、底盘控制。以下对各个系统软件功能进行详细说明。4.1控制系统流程图设计根据设计要求和控制要求，规划控制系统的流程图，如下图4-1所示：图4-1控制系统流程图如果这个控制系统已打开电源，则必须首先要初始化系统，然后在控制面板上选择手动/自动模式。如果选择了自动模式，并且每个设备都没有警报，则所有设备都准备就绪。准备装载机械爪抓住仓库中的物件。当上料机允许物料离开料仓时，机械手将物件送入传送带。机械手离开工作区后，启动绕线机；绕线机完成后，机械爪取出工件并传递给下一个单元，如果下一个设备允许接收，则机械爪将送出工件到下一个设备，随后机械手将取走物料并依次卸料。首先，需要使用机械手抓取工件，然后取出空的托盘。启动信号由机械爪发出，从而开启计数功能。如果机械爪抓住工件为8n次（n=1、2，...），并发送启动信号。如果机械爪抓取的工件数量是8*15=120次，系统将要求更换装载小车。生产线末端的机械爪的启动信号还是由机械爪发送。如果下料的数量为16n次（n=1、2，...），则生产线末端的机械爪将卸下托盘。如果定子的数量是16*16=256次，系统将要求更换卸货车。4.2下位机设计本设计将电机定子生产线控制程序划分为主程序和各个模块程序（隔膜安装程序模块FC1、绕组安装模块FC2、薄膜粘带程序模块FC3、自动运行程序模块FC4、底盘控制FC5）等子程序。1、主程序：系统的启动需要通过手动给它幅值才会实现，将其值修改为1，则系统开始启动，启动灯亮；随后手动模式和自动模式开始工作，底盘控制开始运行，将手动、自动强制为1，则自动模式被禁止，手动模式开始运行。下图是报警的相关程序，当人体进入危险区域时，系统会发出警报，这时系统的停止灯和警报灯开始常亮，提示系统出现故障；当危险解除后，警报灯复位，系统进行安全确认，重新运行。手动控制程序是通过各控制的启动按钮来分别控制各个输出，例如传送带、机械爪、机械手、薄膜盘等。当给手动运行幅值为1时，按下各控制设备的启动按钮，则相应的设备进行动作。2、隔膜安装程序：隔膜架到位后，通过上升沿来进行触发，每来一个上升沿，MOVE模块就开始运作，将前面的赋值给隔膜步骤进行输出。当上述隔膜步骤的数据类型为实数型，且值为1时，线路开始接通，隔膜架开始吸合，隔膜架吸合后电机开始动作，等到时钟时间到位，开始弹射出隔膜，计数器进行计数并赋值给下一模块进行运作。隔膜步骤被赋值为实数2时，隔膜电机开始复位，隔膜电机运行常闭断开；计数器复位重新开始计数，隔膜架推出置位，当隔膜架推出到位后，传感器进行检测，检测到位后，利用MOVE模块进行赋值给下一步。隔膜步骤被赋值为实数3时，隔膜架复位，隔膜阀开始关闭，结束隔膜程序运行。3、绕组安装程序：绕组模块中，将步骤赋值为实数1时，绕组盘收缩置位开启，等物件到达检测位后绕组架固定置位，绕组电机运行置位，过3s后绕组安装运行启动开始绕制铜线。将步骤赋值为实数2时，绕组电机运行复位，压线顶伸出装置置位，经传感器检测到压线后赋值给绕组步骤进行进一步操作。4、薄膜粘带程序：当给薄膜安装步骤赋值时，薄膜盘缩回置位，当传感器检测到物件时薄膜架固定位开始置位，粘膜机运行置位，当设定的时间结束后，将值赋给接下来的薄膜安装步骤。开始进行薄膜粘带的安装。具体程序如下图所示：5、自动运行程序：调用运行模块，每来一个上升沿进行触发，等到脉冲过来后赋值给运行步骤。对运行步骤进行实数赋值，则机械手下降动作进行复位，机械手上升动作进行置位。当搬运机械爪到达下限位后则将机械爪上移。触发上升沿，机械手的底盘正转置位。当底盘旋转到仓库位后经由传感器发出信号进行检测，开始下料。整个流程运行结束，则复位返回到隔膜安装模块的上方，等待下一步指令，具体程序如下图所示：6、底盘控制程序：底盘控制程序是通过伺服电机来进行控制的，直接调用模块来控制机械手底盘的正转还是反转，此模块可直接调用，用来模拟真实的底盘旋转。4.3本章小结本章对全自动电机定子生产线的控制系统进行了设计。首先设计了控制系统的总体方案，将系统分为几个部分，并分别对它们的程序进行说明。

5上位机设计在本次课题中，PortalTIA中的HMI界面用作监视PLC的主机。它具有使用简单，应用程序规模自由，适应性强等优点，并且可以在各种不同的环境中运行。以下对上位机的设计进行详细说明。5.1HMI的简介HMI是操作人员与基层设备之间的一种接口，它能够实现各个模块间的信息交互。操作员可以通过人机交互界面上的虚拟按钮将指令实时传输到控制器，然后现场设备执行相应的动作并给出反馈信号，这些反馈信号将传输到控制器以及在人机交互界面中显示，用来实时监视现场的工作状态。利用触摸屏不仅可以节省PLC的外围I/O点，还能简化现场布线，降低了商业生产成本，并使控制系统更加直观,让用户的体验感变得友好。这次设计使用西门子KTP700触摸屏作为上位机，并使用TIAPortal软件配置触摸屏。该软件可用于S7-1200/1500，S7-300/400和WINCC的组态和编程，将STEP-7与WINCC等集成在一个平台上，具有易于管理公共数据和程序的优点。处理配置数据和可视数据等，极大地简化了编程和配置的难度，并缩短了研究周期。KTP700触摸屏通过PROFINET与S7-1200实时通信，以完成电动机定子生产线的运行，监视和报警功能。5.2HMI界面设计1、打开博途，添加新设备，选择HMI设备。根据需求，需要选择精智面板里的7寸显示屏，最终选择的是TP700ComfortOutdoor型。具体如下图所示：2、双击型号后，进入根画面；至此我们所有的触摸屏设计都是在这个面板上完成的。3、在左侧工具箱中选择合适的图形，添加到界面中。4、按照需求选择相应的图形进行组合，从而得到整个生产线的大致画面。5.3本章小结本章主要写了触摸屏的具体应用，具体实现方法，为这次设计做了充分准备。

6仿真调试在完成了本课题的硬件设计、软件设计、上位机设计以后需要对整体进行调试，本课题使用在线模拟仿真测试，在仿真模拟调试成功以后再进行实验室的硬件调试工作。6.1运行调试在博途软件中将PLC与HMI进行连接，连接完成后进行仿真调试。点击仿真按钮将会出现如下所示的仿真图框，等待一段时间后会出现下载预览选项表，点击装载，装载成功后的下载结果，需要将无动作改为启动模块，至此已经下载进仿真软件中。点击按钮，将会出现如下所示的画面，此画面是模拟输入的的界面，需要重新创建新项目，项目创建完成后点击SIM表格。表格创建完成后，在名称处输入启动、停止、手动/自动，这样就可以通过外部按钮来实现仿真。等到准备工作结束后，开始进行仿真，下图为系统启动时，触摸屏的监视画面。系统启动时启动灯亮，其他指示灯不变，各按钮也无其他变化，转换为灰色。下图为停止运行时的监控画面，停止灯亮，其他所有模块都是停止状态。此图为报警时系统的监测情况，设备出现故障时或者人身安全受到威胁时，报警指示灯亮，其他设备的状态为停止状态。6.2实验室调试在上述仿真结束后，进入实训室进行实物仿真，将软件与PLC进行连接，并接好各自的输入输出线，将程序下载到PLC中，就会出现如下图所示的调试图。该图为系统启动时的接线图，此时启动指示灯亮。下图是在自动运行状态下，绕线程序运行时，对应的指示灯常亮，当工作结束后，指示灯熄灭。6.4本章小结本章节是在TIAPORTAL软件中进行了硬件组态，根据规划的顺序功能图,编写梯形图程序，并使用S7-PLCSIM仿真器对程序仿真调试，逐步排查程序中有问题的步骤，为之后实物调试奠定好基础，缩短总的调试时间。

7总结与展望（1）总结随着现代社会的生产需要，各行各业开始了用机器人代替人工这股风潮，所以在未来社会中，机器人取代人力劳动都是可以预见和可以互相操作的，往后我们的发展方向就着重于怎样操控机器了。对于电机定子生产线控制系统来说，可以分为两大部分，它们分别是①机器人对于物料的抓取与传送，②由于在控制工程中对于流水线上的传送带操作比较多，因此系统整体的运行的成功与否是非常重要的。这次设计对于我之后继续学习有关自动化方向是非常必要的，他让我提前了解到了工业中应用最多的生产线的整个流程，为以后的工作打下了坚实基础。它还让我了解了机器人与PLC