【文章內(nèi)容簡介】 工業(yè)界在尋求高效率、低成本、安全可靠又有較長使用壽命的自動化組件和技術(shù)，于是氣動技術(shù)應運而生。60 年來，氣動技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷從單個組件到控制系統(tǒng)，從單純機械制品到機電一體化的復雜高科技產(chǎn)品的歷程。由風動技術(shù)和液壓技術(shù)演變發(fā)展而成為獨立技術(shù)門類的氣動技術(shù)已經(jīng)在自動化控制領(lǐng)域得到廣泛的應用，顯示了強大的生命力，成為現(xiàn)今應用最廣，發(fā)展最快，也最易被接受及重視的技術(shù)之一。雖然氣壓傳動以空氣為介質(zhì)，獲得容易，處理方便，同時氣動裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應性強、成本低、壽命長等優(yōu)點，但由于空氣壓縮性大，氣壓傳動內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)6難以實現(xiàn)精確的閉環(huán)伺服控制等因素的影響，大大限制了氣動技術(shù)的應用，氣，微電子技術(shù)和氣動技術(shù)相結(jié)合使氣動技術(shù)呈現(xiàn)新的生機，世界各國對氣動工業(yè)的發(fā)展都給予很大的重視。本章小節(jié)在這一章中首先介紹了設(shè)計的背景，分析了 FESTO 自動控制系統(tǒng)，重點了解各個工作單元的工作原理和各個模塊的功能。并且根據(jù)設(shè)計的要求和實驗裝置的工作過程明確了設(shè)計的方向和制定了相應的技術(shù)指標。而且根據(jù)系統(tǒng)的應用技術(shù)的特點介紹了氣動技術(shù)和可編程邏輯控制器的現(xiàn)狀和發(fā)展前景。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)7第二章 FESTO 提取站與可編程邏輯控制器 PLC 簡介 提取站的功能操作手工作單元配置了柔性2自由度操作裝置。漫反射式光電傳感器對放置在支架上的工件進行檢測。提取裝置上的氣抓手將工件從該位置提起，氣抓手上裝有光電式傳感器用于區(qū)分“黑色”及“非黑色”工件，并將工件根據(jù)檢測結(jié)果放置在不同的滑槽中。本工作單元可以與其他工作單元組合并定義其他的分類標準，工件可以被直接傳輸?shù)较乱粋€工作單元。 提取站的組成及各模塊的功能1．提取站的組成本站是第四站，是一個氣動單元，主要有以下幾個模塊組成：檢測模塊、無桿汽缸模塊、平行氣爪模塊、升降汽缸模塊、緩沖模塊、工作平臺、控制面板、手推車臺（即實驗裝置的安裝臺，下有輪，可以推）、PLC 板。檢測模塊：主要是檢測支架上有無工件及檢測操作手左移到位和右移到位，升降氣缸上升、下降到位。用漫反射式光電傳感器對放置在支架上的工件進行檢測，用舌簧式行程開關(guān)檢測是否到位。扁平氣缸模塊:主要是用來推動平行氣爪下到位去抓緊工件。驅(qū)動器件采用的是一個推動氣缸；扁平氣缸的上下兩個終端位置分別采用兩個舌簧式行程開關(guān)來指示。平行氣爪模塊：采用雙作用活塞驅(qū)動，當檢測模塊檢測到支架上有工件時平行氣爪打開，氣缸驅(qū)動平行氣爪模塊下降，當舌簧式行程開關(guān)檢測到下降到位時平行氣爪復位夾緊工件。無桿汽缸模塊:主要是用來使操作手左右移動的。無桿汽缸的氣缸活塞上裝有永久磁鐵環(huán)，可以用來觸發(fā)行程開關(guān)，用來檢測操作手左右擺到位。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)8緩沖模塊：主要是操作手左右移到位時給一個緩沖讓操作手停下來。本站采用的是液壓緩沖器用于滑塊的平滑減速，適用于無桿汽缸，行程為 12mm 最大沖擊速度為 3m/s。 可編程邏輯控制器 PLC 簡介 可編程邏輯控制器的定義：可編程邏輯控制器（即 PLC）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作等面向助用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入/輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊踢壿嬁刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計 可編程邏輯控制器的特點：現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)時復雜多樣的，他們對控制的要求也各不相同?？删幊踢壿嬁刂破饔捎诰哂幸韵绿攸c而深受工廠工程技術(shù)人員和工人歡迎。 可靠性高，抗干擾能力強； 適應性強，應用靈活； 編程方便，易于使用； 控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便； 維修方便，維修工作量??； 功能完善。 可編程控制器的分類PLC 的類型多，型號各異，一般按以下原則進行分類： 按容量分類PLC 的容量主要是指 PLC 的輸入/輸出（I/O ）點數(shù)。按照 PLC 的輸入/ 輸出點數(shù)，可以將 PLC 分為小型 PLC（I/O 總點數(shù)在 256 點以下），中型PLC（I/O 總點數(shù)在 2562048 之間）和大型 PLC（I/O 總點數(shù)在 2048 點以上）三種。 按結(jié)構(gòu)形式分類內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)9按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 主要可分為箱體式和模塊式兩類。⑴箱體式結(jié)構(gòu)又稱為整體式結(jié)構(gòu)，它是將 PLC 的基本部件，如 CPU 板、輸入板、輸出板、電源板等很緊湊得安裝在一個標準機殼內(nèi)，構(gòu)成一個整體，組成 PLC 的一個基本單元或擴展單元。箱體式結(jié)構(gòu)的 PLC 體積小，成本低，安裝方便。⑵模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 是由一些標準模塊單元構(gòu)成，這些標準模塊如 CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等，將這些模塊插在框架上或基板上即可組裝而成。各模塊功能是獨立的，外形尺寸是同一的，插入什么模塊課根據(jù)需要靈活配置。目前，中、大型 PLC 和一些小型 PLC 多采用這種結(jié)構(gòu)形式。 可編程邏輯控制器的應用隨著 PLC 功能不斷完善，性能價格比的不斷提高，PLC 的應用面也越來越廣。目前,PLC 在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電子、機械制造、汽車、船舶、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保、娛樂等各行各業(yè)。PLC 的應用范圍通常可分為如下五種類型：⑴順序控制⑵運動控制⑶過程控制⑷數(shù)據(jù)處理⑸通信和聯(lián)網(wǎng) PLC 的組成⑴中央處理器（CPU）⑵存儲器⑶輸入/輸出接口⑷電源⑸擴展接口⑹通信接口⑺智能 I/O 接口⑻編程器⑼其他部件（EPROM 寫入器、存儲器卡等）內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)10 PLC 的工作方式可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計算機，故它的工作原理是建立在計算機工作原理基礎(chǔ)上的，即是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。但是CPU 是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應各電器的動作，由于運算速度極高，各電器的動作幾乎是同時完成的。 概括而言，PLC 的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束。本章小結(jié)本章主要介紹了提取站的組成及其功能和對可編程邏輯控制器進行了初步的介紹。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)11第三章 系統(tǒng)設(shè)計 　技術(shù)路線與步驟在設(shè)計的過程中，首先我重點了解了實驗平臺的工作過程，查閱了 PLC 的相關(guān)書籍，然后分析了站內(nèi)各個工作點之間的邏輯關(guān)系，重點是與設(shè)計有關(guān)的提取站的相關(guān)信息，當一個輸出點工作時其它各點應該處于一個什么樣的工作狀態(tài)，這是我在設(shè)計中遇到的一個難點。當一個檢測點滿足條件時系統(tǒng)應該處于何種工作狀態(tài)，清楚了提取站內(nèi)工作點的工作條件，首先在開始狀態(tài)首先進行復位，因為在工作中可能存在非正常停機，如果存在上述情況，首先應復位將系統(tǒng)推進到可工作的狀態(tài)，當復位完成后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)，先檢測上一站是否傳來工件，如無工件向上一站發(fā)出請求信號，收到工件后檢測裝置檢測信號置 1，氣爪下移并打開，下降到位后舌簧式行程檢測開關(guān)檢測到位后氣爪復位抓緊工件上升，當上升到位后舌簧式行程檢測開關(guān)檢測到信號后，氣爪開始右移,氣爪右移到位后舌簧式行程檢測開關(guān)檢測到信號停止右移,氣爪開始下移，放下工件,氣爪上升到位后左移,當氣爪到位后向上一站發(fā)送信號。 采樣信號和控制量分析表 采樣信號表序號 采樣信號名稱性質(zhì)（開關(guān)、模擬）傳感器 占用硬件資源說明1 工件進站信號開關(guān) 光電傳感器 2 氣爪左到位 開關(guān) 舌簧行程開關(guān)內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)123 氣爪右到位 開關(guān) 舌簧行程開關(guān)4 氣爪下到位 開關(guān) 舌簧行程開關(guān)5 氣爪上到位 開關(guān) 舌簧行程開關(guān)6 下一站發(fā)來信號開關(guān) 7 啟動信號 開關(guān) 8 停止信號 開關(guān) 9 復位信號 開關(guān) 表 輸出變量表序號 輸出信號名稱性質(zhì)（開關(guān)、模擬）傳感器 占用硬件資源說明1 氣爪左移, 開關(guān) 2 氣爪右移 開關(guān) 3 氣爪下行 開關(guān) 4 氣爪張開 開關(guān) 5 向上一站發(fā)送信號開關(guān) 6 啟動指示燈 開關(guān) 7 復位指示燈 開關(guān) 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)13 系統(tǒng)組成在這套系統(tǒng)的組成部分可劃分為執(zhí)行機構(gòu)(包括無桿氣缸,電磁閥,氣爪,扁平氣缸,等),檢測部分(將被控參數(shù)檢測出來并變成氣壓信號和將氣壓信號轉(zhuǎn)換為電信號的組件,如光電傳感器,限位開關(guān),電容式傳感器等),氣壓發(fā)生裝置(提供壓縮空氣的裝置如空氣壓縮機),控制面板和中心控制部分 PLC。設(shè)計的過程中首先考慮系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯關(guān)系，在程序的開始部分要對系統(tǒng)進行復位。復位操作類似于正常工作時的一個工作過程，氣爪要右移下降，釋放工件，然后回到左端的起始位等待工件，在等待的過程中，如果沒有工件進站就要通過連接兩個工作站的光電傳感器來向上一站發(fā)送請求，在工件進站后，進料口的傳感器檢測到信號就向可編程控制器發(fā)送一個信號，氣爪開始工作，氣爪打開后下降，夾緊工件后上升，在無桿氣缸的帶動下向右端動作，在到達右端后通過舌簧行程開關(guān)傳回信號，系統(tǒng)進行下放動作，在完成下放動作后氣爪回到初始位等待下一工件進站，提取站的工作流程圖如下：內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)14 圖 工作流程圖本章小結(jié)在這一章中介紹了系統(tǒng)的組成部分，并具體介紹了各個部分的工作原理，闡述了設(shè)計的方向和設(shè)計的重點。利用表格的形式將系統(tǒng)的輸入，輸出量表述出來。并對系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯關(guān)系進行了分析。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)15第四章 硬件設(shè)計 設(shè)計所用 PLC 選型本套 FESTO 教學實驗系統(tǒng)的電氣控制部分均由可編程控制器來承擔，并且通過一個手動控制面板輔助 PLC 的控制?？紤]到各個站的控制原理基本相同，所以在選取 PLC 時可選用一種機型，本次設(shè)計都選用了西門子的 S7300 系列的PLC。SIMATIC PLC 是德國西門子公司在 S5 系列 PLC 的基礎(chǔ)上于 1995 年陸續(xù)推出的性價比較高的 PLC 系統(tǒng)。其中，S7300 由于其系統(tǒng)的優(yōu)良特性，近年來被廣泛應用于專用機床、紡織機械、包裝機械、通用機械應用，控制系統(tǒng)、機床、樓宇自動化、電器制造工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)等諸多領(lǐng)域。S7300 系列小型 PLC 可應用于各種自動化系統(tǒng)緊湊的結(jié)構(gòu)低廉的成本以及功能強大的指令集使得 S7300 PLC 成為各種小型控制任務理想的解決方案， S7300 產(chǎn)品的多樣化及基于WINDOWS 的編程工具使您能夠更加靈活的完成自動化任務。S7300 提供了多種性能遞增的 CPU 和豐富的且?guī)в性S多方便功能的 I/O 擴展模塊，各種功能模塊可以非常好的滿足和適應自動控制任務，使用戶完全根據(jù)實際應用選擇合適的模塊而且當控制任務增加對 PLC 進行擴展，系統(tǒng)擴展靈活。S7—300 具有高電磁兼容性和強抗振動、沖擊性，使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應性。 S7—300 結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活而且易于維護，采用 DIN 標準導軌安裝，安裝方便。背板集成在模塊上，模塊通過總線連接器相連，使得更換模塊簡單，所有模塊都具有可靠的接線端子。信號模塊和通信模塊可以不受限制地插到任何一個槽位上，系統(tǒng)可以自行組態(tài)。當用戶的自控系統(tǒng)任務需要多于 8 個信號模塊或通訊處理器模塊時，則可以擴展 S7—300 機架，擴展實現(xiàn)方便。S7—300 是模塊化的組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)應用對象的不同，可選用不同型號和不同數(shù)量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一機架（導軌）或多個機架上。與 CPU312FM 和 CPU313 配套的模塊只能裝在一個機架上。除了電源模塊、CPU模塊和接口模塊外，一個機架上最多只能安裝 8 個信號模塊或功能模塊。CPU314/315/315—2DP 最多可擴展 4 個機架，IM360/IM361 接口模塊將S7—300 背板總線從一個機架連接到下一個機架。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)16中央處理單元總是在 0 號架的 2 號槽位上，1 號槽安裝電源模塊，3 號槽安裝接口模塊。4—11 號槽，可自由分配信號模塊、功能模塊和通訊模塊。需要注意的是，槽位號是相對的，每一機架的導軌并不存在物理的槽位。由于該套 FESTO 教學實驗系統(tǒng)控制原理簡單，因此 8 個站的 PLC 均為單機作業(yè)，也不需要擴展功能模塊，PLC 之間也沒必要網(wǎng)絡通訊。所以每個站的 PLC只由最基本的中央處理單元（CPU） 、電源模塊（PC） 、信號模塊（SM）組成。 S7300CPU 之間的區(qū)別表 CUP 312C ● 緊湊型 CPU 帶集成的數(shù)字量輸入和輸出● 適用于具有較高要求的小型應用● 帶有與過程相關(guān)的功能CUP 運行時需要微存儲卡CUP 313C ● 緊湊型 CPU 帶集成的數(shù)字量和模擬量輸入和輸出● 適用于有較高要求的系統(tǒng)中● 帶有與過程相關(guān)的功能CUP 運行時需要微存儲卡CUP 313C2 PtP ● 緊湊型 CPU 帶集成的數(shù)字量輸入和輸出，并帶有 2 個串口● 適用于有較高要求的CUP 運行時需要微存儲卡內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)17系統(tǒng)中● 帶有與過程相關(guān)的功