【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(yīng)運(yùn)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(jī)械制品到機(jī)電一體化的復(fù)雜高科技產(chǎn)品的歷程。由風(fēng)動技術(shù)和液壓技術(shù)演變發(fā)展而成為獨(dú)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(yīng)用，顯示了強(qiáng)大的生命力，成為現(xiàn)今應(yīng)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(yīng)性強(qiáng)、成本低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但由于空氣壓縮性大，氣壓傳動內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)6難以實(shí)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(yīng)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(jī)，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(diǎn)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(shí)驗(yàn)裝置的工作過程明確了設(shè)計的方向和制定了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。而且根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)的特點(diǎn)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(xué)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(dāng)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(dāng)舌簧式行程開關(guān)檢測到下降到位時平行氣爪復(fù)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(xué)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(yùn)算操作的電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)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(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程邏輯控制器及其有關(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(kuò)充其功能的原則設(shè)計 可編程邏輯控制器的特點(diǎn)：現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)時復(fù)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(diǎn)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(qiáng)； 適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)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(jìn)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(diǎn)數(shù)。按照 PLC 的輸入/ 輸出點(diǎn)數(shù)，可以將 PLC 分為小型 PLC（I/O 總點(diǎn)數(shù)在 256 點(diǎn)以下），中型PLC（I/O 總點(diǎn)數(shù)在 2562048 之間）和大型 PLC（I/O 總點(diǎn)數(shù)在 2048 點(diǎn)以上）三種。 按結(jié)構(gòu)形式分類內(nèi)蒙古科技大學(xué)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)殼內(nèi)，構(gòu)成一個整體，組成 PLC 的一個基本單元或擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)模塊單元構(gòu)成，這些標(biāo)準(zhǔn)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(dú)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(yīng)用隨著 PLC 功能不斷完善，性能價格比的不斷提高，PLC 的應(yīng)用面也越來越廣。目前,PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電子、機(jī)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(yīng)用范圍通?？煞譃槿缦挛宸N類型：⑴順序控制⑵運(yùn)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(kuò)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(xué)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(jī)，故它的工作原理是建立在計算機(jī)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(shí)現(xiàn)的。但是CPU 是以分時操作方式來處理各項(xiàng)任務(wù)的，計算機(jī)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(yīng)各電器的動作，由于運(yùn)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(jìn)行了初步的介紹。內(nèi)蒙古科技大學(xué)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(diǎn)了解了實(shí)驗(yàn)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(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，重點(diǎn)是與設(shè)計有關(guān)的提取站的相關(guān)信息，當(dāng)一個輸出點(diǎn)工作時其它各點(diǎn)應(yīng)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(diǎn)。當(dāng)一個檢測點(diǎn)滿足條件時系統(tǒng)應(yīng)該處于何種工作狀態(tài)，清楚了提取站內(nèi)工作點(diǎn)的工作條件，首先在開始狀態(tài)首先進(jìn)行復(fù)位，因?yàn)樵诠ぷ髦锌赡艽嬖诜钦ＭC(jī)，如果存在上述情況，首先應(yīng)復(fù)位將系統(tǒng)推進(jìn)到可工作的狀態(tài)，當(dāng)復(fù)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(fù)位抓緊工件上升，當(dāng)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(dāng)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(jìn)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(xué)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(fù)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(fù)位指示燈 開關(guān) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)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(jī)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(jī)),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(jìn)行復(fù)位。復(fù)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(jìn)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(jìn)站后，進(jìn)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(dá)右端后通過舌簧行程開關(guān)傳回信號，系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)站，提取站的工作流程圖如下：內(nèi)蒙古科技大學(xué)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(diǎn)。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(jìn)行了分析。內(nèi)蒙古科技大學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電氣控制部分均由可編程控制器來承擔(dān)，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(jī)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(yīng)用于專用機(jī)床、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、通用機(jī)械應(yīng)用，控制系統(tǒng)、機(jī)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(yīng)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(qiáng)大的指令集使得 S7300 PLC 成為各種小型控制任務(wù)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(wù)。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(kuò)展模塊，各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，使用戶完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊而且當(dāng)控制任務(wù)增加對 PLC 進(jìn)行擴(kuò)展，系統(tǒng)擴(kuò)展靈活。S7—300 具有高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動、沖擊性，使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。 S7—300 結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活而且易于維護(hù)，采用 DIN 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(dāng)用戶的自控系統(tǒng)任務(wù)需要多于 8 個信號模塊或通訊處理器模塊時，則可以擴(kuò)展 S7—300 機(jī)架，擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)方便。S7—300 是模塊化的組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)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(jī)架（導(dǎo)軌）或多個機(jī)架上。與 CPU312FM 和 CPU313 配套的模塊只能裝在一個機(jī)架上。除了電源模塊、CPU模塊和接口模塊外，一個機(jī)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(kuò)展 4 個機(jī)架，IM360/IM361 接口模塊將S7—300 背板總線從一個機(jī)架連接到下一個機(jī)架。內(nèi)蒙古科技大學(xué)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(jī)架的導(dǎo)軌并不存在物理的槽位。由于該套 FESTO 教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制原理簡單，因此 8 個站的 PLC 均為單機(jī)作業(yè)，也不需要擴(kuò)展功能模塊，PLC 之間也沒必要網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用● 帶有與過程相關(guān)的功能CUP 運(yùn)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(yùn)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(yùn)行時需要微存儲卡內(nèi)蒙古科技大學(xué)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