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工程工业控制课程设计概述

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2020年4月19日
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目录
1 机电一体化柔性装配系统概述 - 2 -
1.1系统基本组成 - 2 -
1.2 下料单元的介绍 - 3 -
2.上料单元PLC设计 - 4 -
2.1PLC简介 - 4 -
2.2控制方式说明 - 5 -
2.3I/O编号分配表 - 5 -
2.4功能表图 - 7 -
2.5PLC程序说明 - 8 -
2.5.1上料单元初始原位程序 - 9 -
2.5.2步进电机的驱动程序 - 9 -
2.5.3启动、停止、手自动,复位按钮程序 - 11 -
3 .S7-300 PLC主站控制部分 - 12 -
3.1PROFIBUS-DP总线介绍 - 13 -
3.2主站控制的基本要求 - 13 -
3.3 S7-300PLC介绍 - 13 -
3.3.1 S7-300PLC概述 - 13 -
3.3.2 S7-300PLC的组成 - 13 -
3.4 S7-200与S7-300的PROFIBUS –DP通信 - 14 -
3.4.1 配置主站硬件组态 - 14 -
3.4.2软件编程 - 18 -
3.5 S7-300PLC程序部分 - 19 -
3.6 S7-300总结 - 21 -
4．监控软件的设计 - 22 -
4.1监控软件的功能 - 22 -
4.2登录界面的设置 - 23 -
4.3监控界面 - 26 -
4.4组态设计小结 - 29 -

1 机电一体化柔性装配系统概述

Me093399型机电一体化教学系统是以工业生产中的自动化装配生产线为原型开发的教学、实验、实训综合应用平台。本装置采用铝合金结构件搭建各分站主体设备,选取多种机械传动方式实现站间串联,整条生产线充分展现了实际工业生产中的典型部分。系统控制过程中除涵盖多种基本控制方法外,还凸现组态控制、工业总线、电脑视觉、实时监控等先进技术,为培养现代化应用型人才创设了完整、灵活、模块化、易扩展的理想工业场景。
图1-1 连续生产线示意图

为便于协调整个生产线的全程控制,系统设置了一个主站总控制台,主站总控制台是整个装配生产线连续运行的指挥调度中心,其主要功能是实现全程运行的总体控制,完成全系统的通讯连接等。
1.1系统基本组成
图1-2 连续生产线示意图
升降梯立体仓库
站点10
分拣单元
站点9
检测单元
站点8
模拟单元
站点6
穿销单元
站点5
加盖单元
站点4
废品道
上料单元
站点2
下料单元
站点3
伸缩换向单元
站点7
铣床单元
站点1
滚筒
转角
皮带
转角
装配生产线示意图如图1-2所示
装配生产线示意图如图1-2所示。
整个系统主要由12个从站点组成,每个从站单元完成特定的工作任务,以装配、检验、分拣、入库的方式顺序完成各种装配操作和物流处理过程。各单元的主要功能如下所述:
1．铣床单元(站点1):本站有工件时,进行自动卡紧和铣削加工。
２．上料单元(站点2):根据工件的位置情况,从料槽中抓取装配主体送入数控铣床单元或将铣床单元加工后的产品转送下料单元。
３．下料单元(站点3):将前站送入本单元下料仓的工件主体,经过直流电机驱动间歇机构带动同步齿型带使之下落,工件主体下落至托盘后经传送带向下站运行。
４．加盖单元(站点4):经过直流电机带动蜗轮蜗杆,经减速电机驱动摆臂将上盖装配至工件主体,完成装配后工件随托盘向下站传送。
５．穿销单元(站点5):经过旋转推筒推送销钉的方法,完成工件主体与上盖的实体连接装配,完成装配后的工件随托盘向下站传送。
６．模拟单元(站点6):本站增加了模拟量控制的PLC特殊功能模块,以实现对完成装配的工件进行模拟喷漆和烘干,完成喷漆烘干后的工件随托盘向下站传送。
7．伸缩换向单元(站点7):将前站传送过来的托盘及组装好的工件经换向、提升、旋转、下落后伸送至传送带向下站传送。
8．检测单元(站点8):运用各类检测传感装置对装配好的工件成品进行全面检测(包括上盖、销钉的装配情况,销钉材质、标签有无等),并将检测结果送至PLC进行处理,以此作为后续站控制方式选择的依据(如分拣站依标签有无判别正、次品;仓库站依销钉材质确定库位)。
9．分拣单元(站点9):根据检测单元的检测结果(标签有无),采用气动机械手对工件进行分类,合格产品随托盘进入下一站入库;不合格产品进入废品线,空托盘向下站传送。
10．升降梯立体仓库(站点10):本站由升降梯与立体仓库两部分组成,可进行两个不同生产线的入库和出库。在本装配生产线中可根据检测单元对销钉材质的检测结果将工件进行分类入库(金属销钉和尼龙销钉分别入不同的仓库)。若传送至本单元的为分拣后的空托盘,则将其放行。
综上所述,站点1、2、3、4、5主要完成顺序逻辑控制;站点6实现对模拟量的控制;站点8综汇了激光发射器、电感式、电容式、色彩标志等多种传感器的应用,站点9突出体现了气动机械手的控制,站点10则实现步进电机的控制。
在装配生产线运行中各个站点既能够自成体系,彼此又有一定的关联。为此,采用了PROFIBUS现场总线技术,经过1个主站(S7—300系列PLC)和10个从站(S7—200系列PLC)组成系统,实现主从站之间的通信联系,控制系统组成框图如图2所示。
在主站总控制台的上位计算机上安装有Wincc组态监控软件, Wincc所创立的监控功能可经过动画组件对各单元的工作情况进行实时模拟,为操作人员提供系统运行的相关信息,实现装配生产线的全程监控。
完成本实训项目涉及到现场所需的诸多综合技术应用,如:机械传动技术、电气控制技术、气动与液压技术、传感器的应用、PLC控制技术、过程控制技术和现代化生产中的组态控制、工业总线、电脑视觉、实时监控等。
2 下料单元的介绍
2.1实践目的:
1、了解装配一站的装配过程
2、观察机械传动的全过程
3、了解每种传感器的功能和在此站的作用
4、用PLC控制整站过程并编程
5、熟悉全部电气接线与功能
2.2实践材料:
1、整套装配一站机械设备
2、整机配套,西门子”S7 200”可编程序控制器
3、万用表
4、电工工具
5、装配一站接线图,电气原理图、气动原理图
2.3实践内容:
1、检查机械传动部分及PLC上的输入输出点的接线是否与图纸完全一致。检测本站中S7 200的通讯地址是否与S7 300硬件通讯中设置的地址相同,以便使用总线控制。
2、进行无工件手动测试。
3、将手动/自动转换开关:拨到”手动”。
9、根据手动功能的全过程,编写PLC程序。
2.4编程要求:
首先设计本站开关盒上每个按钮的作用,同时总站开关盒可对各站进行控制(总站开关盒的详细说明见总站编程),此要求为每站必须编写内容,以后各站将不在详述。
1、工件托盘到位后,工作指示灯亮,显示机械开始工作,2秒后送料电机启动。
2、主体工作靠自重下落到托盘后,电容传感器检测工件确实到位后启动定位气缸,同时第二站必须是预备工作状态,才可将工件放行,继续工作;
3、定位气缸放行,托盘沿传送带下行,工作指示灯灭,同时进行3秒延时,3秒后气缸复位,该站恢复预备工作状态。

图2-1 下料单元

S1—工件检测 S2—托盘检测 S3—料仓底部工件检测 M1—传送电机
M2—下料电机 YM—直流电磁吸铁HL1—红色指示灯HL2—绿色指示灯

图2-2为下料单元检测元件、控制机构安装位置示意图

表2-1 下料单元检测元件、执行机构、控制元件一览表

3 下料单元PLC设计
3.1 PLC简介
本次工程实践中的上料单元中的PLC设计所用到的PLC是西门子S7-200。
S7-200 是一种小型的可编程序控制器,适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列出众表现在以下几个方面:
1)极高的可靠性。
2)极丰富的指令集。
3)易于掌握。
4)便捷的操作。
5)丰富的内置集成功能。
6)实时特性。
7)强劲的通讯能力。
8)丰富的扩展模块。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如:冲压机床,磨床,印刷机械,橡胶化工机械,中央空调,电梯控制,运动系统。
其中CPU 226本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

3.2控制方式说明
下料单元独立运行时具有自动、手动两种控制方式。当选择自动方式时本单元呈连续运行工作状态;当选择手动方式时则相当于步进工作状态,即每按动一次启动按钮系统按设计步骤依次运行一步的运行方式。
在系统运行期间若按下停止按钮,执行动作立即停止;再按下启动按钮,将在上一停顿状态继续运行。
当发生突发事故时,应立即拍下急停按钮,系统将切断PLC负载供电即刻停止运行(此时所有其它按钮都不起作用)。排除故障后需旋起急停按钮,并按下复位按钮,待各机构回复初始状态后按下启动按钮,本单元方可重新开始运行。
3.3 I/O编号分配表
表3-1 I/O编号分配表
输 入

输 出
序号
名称
I/O
备注
序号
名称
I/O
备注
1
托盘检测
I0.1

1
传送电机
Q0.3

2
工件检测
I0.0

2
下料电机
Q0.0

3
止动气缸复位
I0.6

3
止动气缸
Q0.2

4
止动气缸到位
I0.7

4
工作指示灯
Q0.1

5
启动
I2.1

5

Q

6
手动/自动
I2.0

6

Q

7
停止1
I2.2

7

Q

8
急停1
I2.3

8

Q

9
复位
I2.4

9

Q

10

10

Q

3.4 PLC程序说明
在设计的过程中,由于一开始的考虑不周出现了多线圈的情况,在于同学一起探讨过后采用了单个线圈多个触发条件的设计方式,这样的设计方式也更加清楚地对整个程序运行状态的把控。
3.4.1下料单元初始程序

图3-2 下料单元初始程序梯形图
这些程序实现的功能是全程的步骤控制,当转换条件满足时,即会进行下一位的步骤。
3.4.2传送带的驱动程序

图3-3 传送带的驱动程序梯形图

在开始工作时,驱动传送电机(Q0.3)工作传动。

3.4.3工作指示灯驱动程序

图3-4 工作指示灯驱动程序梯形图

该程序实现了工作指示灯的控制,当托盘到位时,工作指示灯亮。止动气缸放行时,工作指示等灭。当下料电机工作满50秒且下料未到位时,工作指示灯秒闪(间隔0.5秒)。
3.4.4下料电机驱动程序

图3-5 下料电机驱动程序梯形图

当托盘检测到位时,下料电机转动。
3.4.5止动气缸驱动程序

图3-6 止动气缸驱动程序梯形图

当工件到位且下一站处于预备状态,则置止动气缸为放行状态。
3.4.6 计时模块程序

图3-7 计时模块程序梯形图

托盘到位延时2秒,止动气缸放行后3秒关闭,设定下料电机运行50秒未下料则停在程序。
3.4.7 停止、复位按钮功能程序

图3-8 停止、复位按钮功能程序梯形图

3.4.8 手、自动切换程序

图3-9 手、自动切换程序梯形图

当手自动切换旋钮切换到手动档位时,由接入S7-200的控制按钮来控制下料单元模块,反之,由S7-300控制按钮来控制。
3.4.9 工作指示灯驱动程序

图3-10 工作指示灯驱动程序梯形图

将下料单元模块的工作状态传输给S7-300。

3.5 S7-200小结
为期两周的过程实践结束了,我主要负责S7-200这部分。刚开始接触时,由于对西门子软件不熟悉,因此开始有些无从下手。后来查阅了课外书,跟着指导书一步步做下去,开始对软件有所了解。在做S7-200时,最主要的就是硬件组态的配置,这是基础也是最难的环节。
在配置时要注意到各个量之间的对应关系。刚开始时由于搞错了对应关系,在200到300的通信时把V对应到了300的输出端,导致通信失败,后来改正过来后就通信成功了。
这次工程实践,我又学习了一款软件,同时也加强了动手能力,收获颇丰。

4 S7-300软硬件设计
S7-300结构:S7-300PLC是模拟式中小型PLC,电源、CPU和其它模块都是独立的,能够经过U形总线把电源(PS)、CPU和其它模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。设计步骤如下:
1)按要求步骤新建STEP 7 项目;
2)插入S7-300工作台;
3)硬件组态;
4)编辑符号表;
5)程序编辑窗口; 
6)在OB1中编辑LAD程序下载;
7)运行与监控
4.1硬件组态
PLC选用的是SIMATIC 300系统,在RACK-300中选择框架,选择电源,点击PS-300前的加号出现可选的电源类型,选择一种后双击,就选定了电源类型,本系统选择PS 307 2A。选择CPU,点击CPU-300前的加号出现可选的类型,本系统选择CPU315-2PM/DP,双击后就选定CPU。选择I/O借口接口,点击SM-300前的加号出现可选类型,本系统选择DI/DO-300SM 323DI16/DO16×24V/0.5A。再设置MPI/DP新建之后搜索EM277添加块,设置参数。
以上操作完成后如下图4-1,图4-2所示:

图4-1 操作完成图

图4-2 操作端口图
4.2软件组态
4.2.1 符号编辑表
符号编辑表见表4-1。
表4-1 符号编辑表

4.2.2站点地址的对应地址分配
表4-2 地址分配表

下料单元对应的总线站号为15(从拨码盘上读取),故硬件组态本站EM277时,要将对应地址改为15,具体的地址分配表见表4-2。
4.2.3主站与从站的数据传输
表4-3 总控站变量分配表

表4-4 I/O通讯对应表

由总控站变量表见表4-3,可看出与总站通信地址从2起编的原因,即0-1是为主站相关的控制量所预留的。通讯对应表见表4-4,显示出了主站与从站之间的地址映射,如下料单元为一站,则表示从站的V0.0-V0.7和V1.0-V1.7分别对应主站的Q2.0-Q2.7和Q3.0-Q3.7,从站的V2.0-V2.7和V3.0-V3.7分别对应主站的I2.0-I2.7和I3.0-I3.7。

4.2.4 S7-300的程序分析
以下程序段是为控制面板上的按钮所编写,用来控制下料单元的启动、停止、复位、急停功能。如下图4-3、图4-4、图4-5。

图4-3 启动按钮功能图

图4-4 停止按钮与急停按钮功能图

图4-5 指示灯与复位按钮功能图
4.3 S7-300模块部分小结
经过本次课程设计,我们基本掌握了S7-300的操作方法,对其硬件组态和软件编程有了一定的理解。
在本次设计中,首先应该明白S7-300在整个设计中扮演了什么角色:
S7-300主要是作为主站,作为相关信息交流区,以及负责与S7-200各模块的连接与通讯。整个生产线需要有全部信息的管理系统,这就要求200从站的信息能传送给300主站,可是事实上200与300并不能直接通讯,必须经过EM277接口模块,且EM277必须要在安装了相应的GSD文件之后才能在元件库内进行调用,而且最坑的就是这个GSD文件。当你安装完Stmatic Manager 软件进行硬件组态时,进行到接口模块时,你会发现怎么找都找不到EM277,各种怀疑自己。后来经过老师的指导才知道,只是因为Stmatic Manager这个软件并没有默认帮你安装这个模块,而是需要你自己去安装。愿后来人能够借鉴!
综上所诉,我们对整个生产线系统的各部分有了比较清楚地认识,基本掌握了西门子PLC的相关知识。
5设计小结
此次工程实践设计是针对自己的专业课程而展开的为期两周多的软硬件结合操作过程,在此过程中我们注意向同学请教,并加强理论和实践的学习。
在工程实践设计任务分配当中,我们做下位机S7-200的成员是项泉、季达和吴意文,做上位机S7-300的成员是郭尾使和李凯隆。按照老师的分工要求,我们达成任务分配。
经过这些日子的实践和学习,总结这些日子的所感所得如下:学习程序设计是一项看似简单实则十分复杂的工作,有时候看到的听到的当时有所感,却并没有或者很少能真正转化成自己的东西。这就要求我们必须作好前期工作,要作到提前了解各种知识。
在开始分工进行实践后,我对该题整体的理解,思路对于下位机S7-200的编写程序具有指导意义,因此在开始以前,我们详细地讨论了解题的方案和每一步的操作。可是理论和实践总是存在差别,我们觉得理论上已经经过了,然而在实践中,还是遇到了很多问题。
以上是此次设计中我一些感受,我觉得学到了很多。经过这段时间的实习,我们在一定程度上对机电一体化生产线有了更近一步的认识,完善了自己的知识体系。增强了我们的思考能力与动手能力。

第四章 监控软件的设计
4.1 监控软件简介
下料单元监控软件的设计是采用组态王 6.5 进行设计的。组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。一般能够把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层,对上连接管理层,它不但实现对现场的实时监测与控制,且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。特别考虑三方面问题,画面、数据、动画。经过对监控系统要求及实现功能的分析,采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面,有利于试验者实时现场监控。而且它能充分利用Windows的图形编辑功能,方便地构成监控画面,并以动画方式显示控制设备的状态具有报警窗口、实时趋势曲线等,可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
4.2 组态系统的功能概述
1) 具有欢迎界面、主界面及报警记录三个界面。
2) 欢迎界面能够输入账号相对应的密码进入主界面,进行监视或者设定的权限操作。
3) 主界面对下料单元整个加工过程进行监控并用动画模拟。并提供按钮可供对下位机进行操作。
4) 在主界面能够进行上、下位机的切换,上位机能对下位机进行操作。
5) 上位机能对下位机进行操作。上位机也能对手、自动循环和全循环操作。

4.3 欢迎界面
在画面里新建一个画面,并命名欢迎界面。

系统的欢迎界面如图4-1所示。

图 4-1 欢迎界面

当点击欢迎界面上的登陆键时,将会弹出选择用户、输入密码窗口。正确输入密码才能进入主界面。点击取消或者密码输入错误三次后,将会关闭窗口返回欢迎界面。窗口如图4-2所示。

图 4-2 输入密码窗口
登陆键的设置如图4-3、4-4所示。先用工具箱中的按钮工具画出一个按钮,双击按钮对按钮弹起时进行命令设置。

图4-3 按钮设置(1)

图4-4 按钮设置(2)
在按钮的命令语言中添加你需要的用户名,使该用户能够登陆主界面。之后在系统配置中的用户配置中设置你填写在命令语句中的用户和密码等。

图4-5 用户与安全区配置界面
添加用户和设置密码,并根据不同账号的权限大小设置优先级和安全区。设置一个系统管理员账号,安全区为所有区域。此用户能够操作和更改画面当中的所有按键。

图4-6 系统管理员账号设置界面
最后再设置了一个用户1账号,安全区为无。此用户不能操作按键只能观看实时控。
4.4 主界面
4.4.1 与PLC的连接设置
点击设备中的COM1选项,选择新建。
在弹出的选择设备窗口中选择PLC->西门子->S7-200系列->PPI。
之后根据提醒点击下一步即可完成设置。

图4-7 选择设备界
序号
变量名称
连接设备
变量类型
读写类型
寄存器
1
Y

内存整型

2
YD

内存整型

3
Y1

内存整型

4
工件移动

内存整型

5
旋转判断1

内存整型

6
气缸延时

内存整型

7
工件二次移动

内存整型

8
底下位置3

内存整型

9
电机延时

内存整型

10
急停1

内存离散

11
隐身1

内存离散

12
隐身2

内存离散

13
红点1

内存离散

14
旋转判断

内存离散

15
销钉隐含

内存离散

16
工件2显示

内存离散

17
报警1

内存离散

18
底下位置2

内存离散

19
电机判断

内存离散

20
传送电机
新IO设备1
I/O离散
Bit
Q0.3
21
急停
新IO设备1
I/O离散
Bit
Q0.2
22
绿灯
新IO设备1
I/O离散
Bit
Q0.1
23
上下位机切换
新IO设备1
I/O离散
Bit
M14.0
24
上位机启动
新IO设备1
I/O离散
bit
M14.1
25
上位机停止
新IO设备1
I/O离散
bit
M14.2
26
上位机急停
新IO设备1
I/O离散
bit
M14.3
27
上位机复位
新IO设备1
I/O离散
bit
M14.4
28
报警
新IO设备1
I/O离散
bit
M14.5
29
止动至位
新IO设备1
I/O离散
bit
I0.4
30
止动复位
新IO设备1
I/O离散
bit
I0.5
31
销钉到位
新IO设备1
I/O离散
Bit
I0.2
32
销钉复位
新IO设备1
I/O离散
bit
I0.3
33
销钉判断
新IO设备1
I/O离散
Bit
I0.0
34
底下位置
新IO设备1
I/O离散
bit
I0.1
35
底下位置3
新IO设备1
I/O离散
bit
M14.7

表4-1 变量定义表

4.4.3 主界面的绘制
利用工具箱中的多边形工具绘制下料模块的整体图像。绘制好的下料界面如下图4-8所示。

图 4-9 绘制下料模块整体图像
4.4.4 上位机按钮设置
画面设置五个按钮,分别为上下位机切换,启动,停止,复位,急停。按钮功能的实现都是依靠PLC中的中间寄存器M实现,以启动按钮为例,如图4-9~11所示。

图4-9 启动按钮的设置

图 4-10 启动按钮按下时的命令语句

4.4.5动画设计
在制作动画之前,要先将你需要移动的单元合成组合图素。完成上述的操作后,以本图物料为例,右键物料,点击动画连接向导,选择垂直移动连接向导。如图4-12.

图4-12垂直移动连接设置
随后根据指示选择物体,并对图形设置相应的移动范围4-13所示。

图4-13旋转设置
当图形设置完成之后,右键画面,点击命令语言,编辑语言指令即可实现图形的垂直移动,以本次物料为例,当托盘到位,下料辅助位赋值1,而且判断下料电机I/O口是否等于一,满足条件,动画物料按照1.8的速度下降到所设置的边界。

图4-14命令语言设置
4.4.6小结
本次设计的主要内容在于如何实现动画显示,而要下料单元的整体动画则由一部分一部分动画构成,因此构建动画模型是关键,并对模型素材进行变量定义,才能经过编程来控制素材在界面上显示相应动作。如在view显示界面,当按下启动按钮时,工件1并不移动,但后续的动画都正常,检查完发现才在新建变量时,采集频率为1000毫秒,太慢,把它改成100毫秒后,问题得以解决;还有,在上位机与下位机通讯过程中,数据传送一直失败,后来,经过修改串口设置中的波特率和数据位才实现上下位机的通讯。虽然本次设计功能基本能实现,但还存在许多的不足,例如动画不一定能很精确的跟随下位机一起动作,会稍有延迟等等问题,会在以后加以改进。