PLC自动化生产线设计

目录

摘 要.............................................................. I 第一章 概述........................................................ 1 第二章 自动化生产线的发展史......................................... 2 2.1 自动化生产线的简史及定义........................................ 2 2.2 自动化生产线的特点.............................................. 2 2.3 自动化生产线的应用与发展前景.................................... 2 2.1 基本组成 ..................................................... 4 2.2 基本功能 ..................................................... 5 2.3 电气元件 ..................................................... 5 第三章 电气控制.................................................... 6 3.1 接线端子及主令部件 ........................................... 6 3.2 能源部件 ..................................................... 9 3.2.1 供电电源 ................................................. 9 3.3 RS485总线的电气连接 ......................................... 11 第四章 供料与加工单元控制系统..................................... 12 4.1 供料单元的结构和工作过程 .................................... 12 4.2 供料单元的PLC工作任务 ...................................... 13 4.3 供料单元的编程思路 .......................................... 14 4.4 PLC的I/O分配及系统安装接线............................... 16 4.5 供料加工单元气动控制回路 .................................. 18 总 结............................................................. 19 致 谢............................................................. 20 参考文献........................................................... 21 附录1 供料与加工单元电气原理图 ................................... 22

1

PLC自动化生产线设计

摘 要

自动生产线的最大特点是它的综合性和系统性，综合性主要涉及机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；而系统性指的是生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地融合在一起。本系统完成一个工件的拆卸、分拣工作，模拟一个生产流水线的生产过程。首先由供料站提供原料，运输站将其送至加工站加工，然后送至装配站进行安装，最后由分拣站进行分拣。设计以送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元作为自动生产线的整体设计，构成一个典型的自动生产线的机械平台，系统各机构的采用了气动驱动、变频器驱动和步进（伺服）电机位置控制等技术。系统的控制方式采用每一工作单元由一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通讯实现互连的分布式控制方式。所以，本设计综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。

关键字：网络 组态 自动化 PLC 电机

I

PLC自动化生产线设计

第一章 概述

二十世纪以来，为了实现自动化，人们研究和制造了成千上万种自动控制系统，极大地推动了生产劳动、社会服务、军事工程和科学研究等活动。随着自动化技术的发展，这是机械化、电气化和自动控制相结合的结果，处理的对象是离散工件。早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。20世纪60年代以后，由于电子计算机的应用，出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等。研制出适应多品种、小批量生产型式的柔性制造系统（FMS）。以柔性制造系统为基础的自动化车间，加上信息管理、生产设备自动化，出现了采用计算机集成制造系统（CIMS）的工厂自动化（FA）。

现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。70年代以来，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。自动化将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术的重要内容，并得到迅速发展。

本系统模拟一个生产流水线的生产过程，完成一个工件的拆卸、分拣工作。首先由供料站提供原料，运输站将其送至加工站加工，然后送至装配站进行安装，最后由分拣站进行分拣。整个过程要充分考虑生产过程中所出现的情况，对各种生产要求进行处理，系统分成五个操作站：供料站、安装站、加工站、运输站、分拣站。整个系统基于三菱PLC的N：N网络，包括变频控制、伺服控制等，是各种电气控制的综合应用。本课题由我和朱廷同学共同完成，在项目实施过程中，朱廷同学主要负责程序的编制，我主要负责机械部分的安装、电气原理图和气路的设计和连接、变频器和伺服放大器的参数设置。

1

PLC自动化生产线设计

第二章 自动化生产线的发展史

2.1 自动化生产线的简史及定义

简史 ： 二十世纪20年代，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业

发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。在二十世纪20年代之前，首先是在汽车工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。第二次世界大战后，在工业发达国家的机械制造业中，自动线的数目急剧增加。

定义：按一定工艺顺序排列的若干台自动机床，用工件传送装置和控制系统联

结起来，按照规定的生产节拍，工件自动地依次经过各个加工工位进行自动加工的连续作业线。

2.2 自动化生产线的特点

条件和优点采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量；产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。

2.3 自动化生产线的应用与发展前景

应用：自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、

医疗、服务和家庭等方面。采用自动生产线不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。

发展前景：数字控制机床、工业机器人和电子计算机等技术的发展，以及成组

技术的应用，将使自动线的灵活性更大，可实现多品种、中小批量生产的自动化。多品种可调自动线，降低了自动线生产的经济批量，因而在机械制造业中的应用越来越广泛，并向更高度自动化的柔性制造系统发展。

设备联结：自动线中设备的联结方式有刚性联接和柔性联接两种。在刚性联接

2

PLC自动化生产线设计

自动线中，工序之间没有储料装置，工件的加工和传送过程有严格的节奏性。当某一台设备发生故障而停歇时，会引起全线停工。因此，对刚性联接自动线中各种设备的工作可靠性要求高。在柔性联接自动线中，各工序(或工段)之间设有储料装置，各工序节拍不必严格一致，某一台设备短暂停歇时，可以由储料装置在一定时间内起调剂平衡的作用，因而不会影响其他设备正常工作。综合自动线、装配自动线和较长的组合机床自动线常采用柔性联接。

传送系统：自动线的工件传送系统一般包括机床上下料装置、传送装置和储料

装置。在旋转体加工自动线中，传送装置包括重力输送式或强制输送式的料槽或料道，提升、转位和分配装置等。有时采用机械手完成传送装置的某些功能。在组合机床自动线中当工件有合适的输送基面时，采用直接输送方式，其传送装置有各种步进式输送装置、转位装置和翻转装置等对于外形不规则、无合适的输送基面的工件，通常装在随行夹具上定位和输送，这种情况下要增设随行夹具的返回装置。

控制系统：自动线的控制系统主要用于保证线内的机床、工件传送系统，以及

辅助设备按照规定的工作循环和联锁要求正常工作，并设有故障寻检装置和信号装置。为适应自动线的调试和正常运行的要求，控制系统有三种工作状态：调整、半自动和自动。在调整状态时可手动操作和调整，实现单台设备的各个动作；在半自动状态时可实现单台设备的单循环工作；在自动状态时自动线能连续工作。 控制系统有“预停”控制机能，自动线在正常工作情况下需要停车时，能在完成一个工作循环、各机床的有关运动部件都回到原始位置后才停车。自动线的其他辅助设备是根据工艺需要和自动化程度设置的，如有清洗机工件自动检验装置、自动换刀装置、自动捧屑系统和集中冷却系统等。为提高自动线的生产率，必须保证自动线的工作可靠性。影响自动线工作可靠性的主要因素是加工质量的稳定性和设备工作可靠性。自动线的发展方向主要是提高生产率和增大多用性、灵活性。为适应多品种生产的需要，将发展能快速调整的可调自动线。

3

PLC自动化生产线设计

第三章 自动生产线的组成及基本功能

2.1 基本组成

自动生产线由安装在铝合金导轨式台面上的供料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5个单元组成。其外观如图2-1所示。

图2-1 自动生产线外观

其中，每一工作单元都可自成一个的系统，同时也都是一个机电一体化的系统。各个单元的执行机构基本上以气动执行机构为主，但输送单元的机械手装置整体运动则采取步进电机驱动、精密定位的位置控制，该驱动系统具有长行程、多定位点的特点，是一个典型的一维位置控制系统。分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频器驱动三相异步电动机的交流传动装置。位置控制和变频器技术是现代工业企业应用最为广泛的电气控制技术。

设计中应用了多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体通过的状态、物体的颜色及材质等。

4

PLC自动化生产线设计

2.2 基本功能

供料单元的基本功能：供料单元是本次设计中的起始单元，在整个系统中，起着向系统中的其他单元提供原料的作用。具体的功能是：按照需要将放置在料仓中待加工工件（原料）自动地推出到物料台上，以便输送单元的机械手将其抓取，输送到其他单元上。如图2-3所示为供料单元实物的全貌。

图2-3 供料单元实物的全貌

2.3 电气元件

电气元件 序号 1 2 3

电气元件 符号 HL SB1 SB2 序号 4 5 6 名称 选择开关 急停按钮 熔断器 符号 SA QS FU 名称 指示灯 绿色常开按钮 红色常开按钮 5

PLC自动化生产线设计

第三章 电气控制

3.1 接线端子及主令部件

3.1.1 接线端子

本次任务的设备中的各工作单元的结构特点是机械装置和电气控制部分的相对分离。每一工作单元机械装置整体安装在底板上，而控制工作单元生产过程的PLC装置则安装在工作台两侧的抽屉板上。因此，工作单元机械装置与PLC装置之间的信息交换是一个关键的问题。解决方案是：机械装置上的各电磁阀和传感器的引线均连接到装置侧的接线端口上。PLC的I/O引出线则连接到PLC侧的接线端口上。两个接线端口间通过多芯信号电缆互连。图3-1和图3-2分别是装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口。

图3-1 装置侧接线端口

图3-2 PLC侧接线端口 装置侧的接线端口的接线端子采用三层端子结构，上层端子用以连接DC24V电源的+24V端，底层端子用以连接DC24V电源的0V端，中间层端子用以连接各信号线。

PLC侧的接线端口的接线端子采用两层端子结构，上层端子用以连接各信号线,其端子号与装置侧的接线端口的接线端子相对应。底层端子用以连接DC24V电源的+24V端和0V端。

装置侧的接线端口和PLC侧的接线端口之间通过专用电缆连结。其中25针接头电缆连接PLC的输入信号，15针接头电缆连接PLC的输出信号。

6

PLC自动化生产线设计

3.1.2 控制系统

任务每一工作单元都可自成一个的系统，同时也可以通过网络互连构成一个分布式的控制系统。

1、当工作单元自成一个的系统时，其设备运行的主令信号以及运行过程中的状态显示信号，来源于该工作单元按钮指示灯模块。按钮指示灯模块如图3-3所示。模块上的指示灯和按钮的端脚全部引到端子排上。

图3-3 按钮指示灯模块

模块盒上器件包括：

⑴指示灯（24VDC）：黄色（HL1）、绿色（HL2）、红色（HL3）各一只。 ⑵主令器件：绿色常开按钮SB1一只

红色常开按钮SB2一只 选择开关SA（一对转换触点） 急停按钮QS（一个常闭触点）

7

PLC自动化生产线设计

2、当各工作单元通过网络互连构成一个分布式的控制系统时，对于采用三菱FX系列PLC的设备，

各工作站PLC配置如下：

⑴输送单元：FX1N-40MT主单元，共24点输入，16点晶体管输出。 ⑵供料单元：FX2N-32MR主单元，共16点输入，16点继电器输出。 ⑶加工单元：FX2N-32MR主单元，共16点输入，16点继电器输出。 ⑷装配单元：FX2N-48MR主单元，共24点输入，24点继电器输出。 ⑸分拣单元：FX2N-32MR主单元，共16点输入，16点继电器输出。

8

PLC自动化生产线设计

3.2 能源部件

3.2.1 供电电源

外部供电电源为三相五线制AC 380V/220V，图3-4为供电电源模块一次回路原理图。图中，总电源开关选用DZ47LE-32/C32型三相四线漏电开关。系统各主要负载通过自动开关单独供电。其中，变频器电源通过DZ47C16/3P三相自动开关供电；各工作站PLC均采用DZ47C5/2P单相自动开关供电。此外，系统配置4台DC24V6A开关稳压电源分别用作供料、加工和分拣单元，及输送单元的直流电源。

图3-4 供电电源模块一次回路原理图

9

PLC自动化生产线设计

3.2.2 气源处理装置

本次任务的气源处理组件及其回路原理图分别如图3-6所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。

图3-6 气源处理组件

气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6～1.0MPa, 输出压力为0～0.8MPa可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各作单工元。

10

PLC自动化生产线设计

3.3 RS485总线的电气连接

3.3.1 安装和连接N:N 通信网络

网络安装前，应断开电源。各站PLC应插上485-BD通信板。它的LED 显示/端子排列如图3-7所示。

图3-7 485-BD板显示/端子排列

在N：N链接网络，各站点间用屏蔽双绞线相连，如图3-8所示，接线时须注意终端站要接上110欧姆的终端电阻（485BD板附件）。

图3-8 PLC链接网络连接

11

PLC自动化生产线设计

第四章 供料与加工单元控制系统

4.1 供料单元的结构和工作过程

供料单元的主要结构组成为：工件装料管，工件推出装置，支撑架，阀组，端子排组件，PLC，急停按钮和启动/停止按钮，走线槽、底板等。其中，机械部分结构组成如图4-1所示。

图4-1 供料单元的主要结构组成 其中，管形料仓和工件推出装置用于储存工件原料，并在需要时将料仓中最下层的工件推出到出料台上。它主要由管形料仓、推料气缸、顶料气缸、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。

该部分的工作原理是：工件垂直叠放在料仓中，推料缸处于料仓的底层并且其活塞杆可从料仓的底部通过。当活塞杆在退回位置时，它与最下层工件处于同一水平位置，而顶料气缸则与次下层工件处于同一水平位置。在需要将工件推出到物料台上时，首先使夹紧气缸的活塞杆推出，压住次下层工件；然后使推料气缸活塞杆推出，从而把最下层工件推到物料台上。在推料气缸返回并从料仓底部抽出后，再使夹紧气缸返回，松开次下层工件。这样，料仓中的工件在重力的作用下，就自动向下移动一个工件，为下一次推出工件做好准备。

在底座和管形料仓第4层工件位置，分别安装一个漫射式光电开关。它们的功能是检测料仓中有无储料或储料是否足够。若该部分机构内没有工件，则处于底层和第4层位置的两个漫射式光电接近开关均处于常态；若仅在底层起有3

12

PLC自动化生产线设计

个工件，则底层处光电接近开关动作而第4层处光电接近开关常态，表明工件已经快用完了。这样，料仓中有无储料或储料是否足够，就可用这两个光电接近开关的信号状态反映出来。

推料缸把工件推出到出料台上。出料台面开有小孔，出料台下面设有一个园柱形漫射式光电接近开关，工作时向上发出光线，从而透过小孔检测是否有工件存在，以便向系统提供本单元出料台有无工件的信号。在输送单元的控制程序中，就可以利用该信号状态来判断是否需要驱动机械手装置来抓取此工件。

4.2 供料单元的PLC工作任务

本章节只考虑供料单元作为设备运行时的情况，单元工作的主令信号和工作状态显示信号来自PLC旁边的按钮/指示灯模块。并且，按钮/指示灯模块上的工作方式选择开关SA应置于“单站方式”位置。具体的控制要求为：

① 设备上电和气源接通后，若工作单元的两个气缸均处于缩回位置，且料仓内有足够的待加工工件，则“正常工作”指示灯HL1常亮，表示设备准备好。否则，该指示灯以1Hz 频率闪烁。

② 若设备准备好，按下启动按钮，工作单元启动，“设备运行”指示灯HL2常亮。启动后，若出料台上没有工件，则应把工件推到出料台上。出料台上的工件被人工取出后，若没有停止信号，则进行下一次推出工件操作。

③ 若在运行中按下停止按钮，则在完成本工作周期任务后，各工作单元停止工作，HL2指示灯熄灭。

④ 若在运行中料仓内工件不足，则工作单元继续工作，但“正常工作”指示灯HL1以1Hz的频率闪烁，“设备运行”指示灯HL2保持常亮。若料仓内没有工件，则HL1指示灯和HL2指示灯均以2Hz频率闪烁。工作站在完成本周期任务后停止。除非向料仓补充足够的工件，工作站不能再启动。

13

PLC自动化生产线设计

4.3 供料单元的编程思路

一、自动生产线工作过程的通常要求

⑴ 系统上电后检查是否准备就绪。只有准备就绪才允许启动系统，投入运行状态。

⑵ 主工艺控制过程是顺序控制过程。

⑶ 正常停止的要求——发出停止指令后，一般要求一个工作周期结束后才停止运行。

二、供料单元编程思路

1、主程序结构

14

PLC自动化生产线设计

2、主工艺控制过程单序列的步进顺序程序

3、状态指示子程序调用

4、用一个按钮控制系统启动/停止的方法。

15

PLC自动化生产线设计

4.4 PLC的I/O分配及系统安装接线

1、供料单元装置侧的接线端口上各电磁阀和传感器的引线安排如表4-1所示。

2、

表4-1 供料单元装置侧的接线端口信号端子的分配 输入端口中间层 端子号 2 3 4 5 6 7 8 9

设备符号 1B1 1B2 2B1 2B2 SC1 SC2 SC3 SC4 信号线 顶料到位 顶料复位 推料到位 推料复位 供料台物料检测 物料不足检测 物料有无检测 金属材料检测 端子号 2 3 4 5 6 输出端口中间层 设备符号 1Y 2Y 3 Y 4 Y 5 Y 信号线 顶料电磁阀 推料电磁阀 夹紧电磁阀 伸缩电磁阀 冲压电磁阀

16

PLC自动化生产线设计

2，根据工作单元装置的I/O信号分配（表4-1）和工作任务的要求，供料单元PLC选用FX2N-32MR主单元，共16点输入和16点继电器输出。同时选用三菱FX2N-8ER扩展模块，共4点输入和4点继电器输出。PLC的I/O信号分配如表4-2所示，接线原理图则见附录1。

输入信号 PLC输序号 入点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X20 X21 X22 X23 顶料气缸伸出到位 顶料气缸缩回到位 推料气缸伸出到位 推料气缸缩回到位 出料台物料检测 供料不足检测 缺料检测 装置侧 金属工件检测 加工台物料检测 工件夹紧检测 加工台伸出到位 加工台缩回到位 加工压头上限 加工压头下限 停止按钮 启动按钮 急停按钮 工作方式选择 按钮/指示灯模块 8 9 10 Y7 Y10 正常工作指示 运行指示 按钮/指示灯模块 信号名称 源 1 2 3 4 5 6 7 信号来序号 出点 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 顶料电磁阀 推料电磁阀 夹紧电磁阀 料台伸缩电磁阀 冲压电磁阀 装置侧 PLC输信号名称 信号来源 输出信号 表4-2 供料加工单元PLC的I/O信号表

17

PLC自动化生产线设计

4.5 供料加工单元气动控制回路

供料单元气动控制回路的工作原理如图4-3所示。图中1A和2A分别为推料气缸和顶料气缸。1B1和1B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，2B1和2B2为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关。1Y1和2Y1分别为控制推料缸和顶料缸的电磁阀的电磁控制端。通常，这两个气缸的初始位置均设定在缩回状态。

图4-3 供料单元气动控制回路工作原理图

18

PLC自动化生产线设计

总 结

通过本次的学习让我的学习能力有了很大的提高，在任务设计中让我对自动化生产线有所了解。一方面自动化生产线包括诸多方面的知识如：机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；另一方面对于模拟的一个自动化生产线的工作流程有个基本概念。一个自动化生产线的基本组成部分有传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地把这些部分融合在一起。在这次设计中应用PLC技术，它是一门实践性很强的专业课程，PLC编程控制器技术在当今社会发展异常迅速，各生产厂家也推出了许多强大的新型PLC、各种特殊模块和通信联网器件，使可编程控制器成为集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置，成为实现工业自动化的一种强有力的工具。经过这次设计我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且通过这次课程设计使我运用了课堂上的理论与实际相结合重要性，既要从理论中分析问题，又要从实际中解决问题发现才是根本。所以把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正的学学以至用。

19

PLC自动化生产线设计

致 谢

本课题的完成特别感谢老师详细的指导。老师严谨的治学态度和思考问题的全面性给我在设计过程中有了多方面的设计思路中，也提前判断设计中可能出现的问题作了详细的分析，从而使我少走很多弯路节省了很多时间。老师的高深的学术水平，科学的思维方法和深入浅出的讲解更准确更形象的把设计中的知识传输给我。再次感谢指导老师的帮助永远是我学习的榜样，在此向他致以衷心的感谢。

感谢所有在我读书期间帮助过我的老师、同学和朋友给我提出宝贵意见。

20

PLC自动化生产线设计

参考文献

[1]吕景泉.可编程序控制器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2001 [2]北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS嵌入式用户手册[Z].2000 [3]杨长能，张光毅.可编程序控制器基础及其应用[M]．重庆大学出版社，1992 [4]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005

[5]许翏，王淑英.电气控制与 PLC 应用[M].北京：机械工业出版社,2005 [6]江正战.串行通信接口标准RS-423/422/485及其应用[J]．电子技术应用，1994 [7]蔡红斌.电气与 PLC 控制技术[M].北京：清华大学出版社,2007

[8]范永胜，王岷主编.电气控制与 PLC 应用[M].北京：中国电力出版社,2004 [9]陈立定.电气控制与可编程控制器[M].北京：高等教育出版社,2002 [10]高勤.电气及 PLC 控制技术[M].北京：高等教育出版社,2002

21

PLC自动化生产线设计

附录1 供料与加工单元电气原理图

22