基于PLC控制的MPS系统加工站设计.pdf

第 l 期 总第 1 8 2期 2 0 1 4年 O 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL E NGI NE ERI NG 8 L AUT MATI N No．1 Fe b ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 1 0 1 5 9 0 2 基于 P L C控制的 MP S系统加工站设计咪 龚 勤慧 1 ． 泸州职业技 术学院 机械工程 系，四 i l 泸州 6 4 6 0 0 5 ；2 ． 四 i l 省泸州市工程机械 智能优 化设 计重 点实 验 室． 四川 泸州 6 4 6 0 0 5 摘 要 MP S系统是 一种实现 自动化 生产加 工单元的上料 、搬运、加工、安装、分类 等功 能的模拟操 作平 台。 对 MP S的加工站单元进行 总体 结构 及硬件和软件设计 。运用 P L C技术设 计 MP S系统 加工站 ，采 用西 门子 S 7 2 0 0 C P U- 2 2 4 P L C和 E M2 2 3扩展模块实现旋 转工作 台的精确定位 、钻孔模块 加工模 拟、检测模块 质检 、 工作 台物流传送 。实 际应用表 明，所设计 的加工站能够 满足模块 化生产 系统 的实用化要求 。 关键词 P L C控制 ；MP S ；加工站 中图分类号 T P 2 7 3 文献标 识码 A 0 引言 随着制造业 的快速发展 ， 以气动 、 液 压、 传感 器、 P L C等技术相互渗 透形成的 自动化技术 的集成在制 造业的发展中起 着越来越重要 的作用。德 国 F E S TO 公 司的 MP S Mo d u l a r P r o d u c t i o n S y s t e m 系 统 正 是 一 套包 含 工业 自动化 系统 中不 同程度 复 杂控 制过 程 的 自动化技术系统 ， 它代表了当今现代企业产品开发“ 采 购和集成” 的先进设计理念 。利用它可以将工业现场 的实际技术和创新思想运用到 MP S中来 ， 确定可行 性后可以直接将技术转化 到实际的工业现场 中， 实现 过程的优化， 降低成本 ， 减少停机时间L 1 ] 。 模块化生产系统 是一种模 拟 自动化 生产加工单 元， 它可以代替高重复性 、 高精 度的工作 ， 适合设备更 新 的需求 L 2 。它 用 以实 现生 产线 的上 料 、 搬 运 、 加 工 、 安装 、 分类等环节的 自动化 ， 具有模块化 、 综合性强、 易 扩充等特点， 应用于教学 中时可为学生提供一个类似 真实工业环境的操作平台 ] 。本文主要针对模块化生 产系统 的加工站单元进行 总体结构及硬 件和软件设 计 ， 实现旋转工作台的精确定位 、 钻孔模块加工 、 检测 模块质检等功能。 1 加 工 站 系统 总体 设计 1 ． 1 系统结 构设计 加工站系统 主要由 P L C控制模块、 旋转工作台模 块 、 钻孔模块、 钻孔检测模块等部件组成 。系统结构示 意 图如 图 1 所示 。 1 ． 2 系统 工作 原理及 功 能 当设备接通电源与气 源， P L C工作 ， 系统开 始复 位 ， 钻孔电机上升缩 回到位 ， 检测头缩 回到位， 夹紧头 缩回到位 ， 旋转工作 台旋转 到位 ， 处于工作运行模式 。 当有工件被放到旋转工作 台的输人工位时 ， 按启动按 钮， 旋转工作台转动 ， 加工单元将工件传送到加工工位 进行钻孔加工， 然后等待输入工位接收新的工件。当 输人工位接收到新的工件时， 旋转工作台就再转动一 个工位， 将加工后 的工件送到检测工位进行质量检测， 最后通过输 出工位由人工取走工件 。 图 1加 工 站 结 构 示 慝 图 2加工 站 系统 硬件 设计 加工单元主要运用具有 4个工位的加工旋转平 台 模拟钻孔加工和质量检测， 实现物流模拟传送 ] 。 2 ． 1 PI C控 制模 块 加工 站控 制 系统 选用 西 门子 S 7 2 0 0系 列 的 C P U 2 2 4 C N作 为控 制器 ， 它有 2 4 个 I ／ O点 1 4输入 点 ， l 0 个输出点 ， 具有体积小、 功能强 、 性价比高等优点。加 工站系统硬件接线图见图 2 。 * 四川省泸州 市科技局 资助项 目 泸市科 [ 2 o 1 1 1 1 0 8号 收稿 日期2 0 1 3 0 5 2 4 ；修 回 H期 2 0 1 3 0 8 1 5 作 者简介 ；龚勤慧 1 9 8 1 一 ，女 ，四川眉山人 ，讲师 ，硕士 ，主要研究方向 机电控 制技术、信息化技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 6 0 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4年 第 1期 2 ． 2 旋 转工作 台模块 3 ． 2 程序 设 计 旋转工作台模块包括旋转工作 台、 定速 比直流电 加工站系统程序流程图如图 4所示 。 动机 、 漫反射式光电传感器 、 电感式接近开关传感器、 定位块 、 机架等。旋转工作台具有 4个用 于存放工件 的工位 ， 每个工位下面有一个用于光电传感器识别工 件的圆孔 。工作台的转动位置判断即定位控制 由电感 式接近开关传感器实现。 洲 竹 o o o o o O o o o o o O o o o o o o o l L q 0 Dq 0 ．1 Q O 2 Q O ．3 2 L Q 0 ．4 0 0 ． 5 q 0 五3 L Q 0 J Q I ．0 Q 1 ．1 S7 2 00 C P U 一2 2 4 CN E M2 2 3 o o o o o O o o o O o O O o O o o o o I ， 。． 图 2加 工 站 系 统 硬 件 接 线 图 2 ． 3 钻 孔 模 块 钻 孑 L 模 块 主要用 于 实 现 钻 孔 加 工过 程 ， 包括 钻 孑 L 电机、 钻孑 L 气缸 、 夹紧气缸等 。在钻孑 L 气缸 、 夹 紧气缸 的两端 安装 有磁感 应 式 开关 ， 用 于 判 断气 缸 运 动 的极 限位 置 。 2 ． 4钻 孔 检 测 模 块 由检测气缸 、 检测气缸 固定架及磁感应式接近开 关等组成检测模块， 具有模拟检测钻孔加工结果 的功 能 。 2 ． 5 升 降模块 升降模块包括无杆气缸 、 双作用直线气缸和工作 台 ， 具有将工件 由下方运送到上方 、 准备检测和分流的 功能 。 2 ． 6 气动控 制模块 设计 气动控制模块单元的执行机构是气动控制 系统 ， 通过电磁控制或手动控制的方式控制方向控制阀的控 制方 向， 利用 P 1 C实现其逻辑控制功能。 加工 站 系统 气 动控制 原 理 图如图 3所示 ， l A为钻 孔气缸 ， 2 A 为检测气 缸， 3 A 为夹 紧气 缸； 1 B1 ， 1 B 2 ， 2 B 1 ， 2 B 2 ， 3 B1 ， 3 B 2为磁感应式接近开关 ； 1 Y1为钻孔 气缸电磁阀控制信号 ， 2 Y1为检测气缸 电磁阀控制信 号 ， 3 Y1为夹紧气缸电磁阀控制信号L 5 ] 。 图 3加工站 系统气动控制原理 图 3系统 软件 设计 3 ． 1 1 ／ O 口 分 配 加 工站 系统 P I C的 I ／ O端 口分 配 如表 l所示 。 表 l 加工站 系统 P L C的 I ／ o端 口分配表 输入 功能 输出 功能 I O ． o 2站 - - - 搬运站送物到达点 Qo ． o 控制圆形料盘旋转的继电器 1 0 ． 1 4站一安装站送物到达点 QO ． 1 驱动钻孔电机钻孔的继电器 1 0 ． 2 模 拟加工台上限位 QO ． 2 控制托盘上下动作的电磁阀 1 0 ． 3 模 拟加 工台下限位 Qo ． 3 控制检测头动作的电磁阀 I O ． 4 加 工台推后 限位 QO ． 4 控制推料缸动作的电磁阀 I O ． 5 加 工台推前 限位 Q1 ． 0 歼始灯 1 0 ． 6 辅助加工台上限位 Q1 ． 1 复位灯 1 0 ． 7 辅助加工台下 限位 I 1 ． 0 开始按钮 l 1 ． 1 复位按钮 I 1 ． 2 调试按钮 I 1 ． 3 自动／ 手动切换按钮 I 1 ． 4 单／ 联切换按钮 I 1 ． 5 停止按钮 图 4加 工站 系统 程序 流 程 图 4结语 本文详细介绍了基于 P I C控制的 MP S系统加工 站的总体结构及硬件和软件设计。侧重 阐述 了采用西 门子 S 7 2 0 0系列 的 C P U一 2 2 4 P I C 和 E M2 2 3扩 展 模 块 ， 实现旋转工作台的精确定位、 钻孑 L 模块的模拟钻孔 加工及钻孔检测模块的钻孑 L 质量检测功能 。通过应用 表明， 本文设计的加工站系统能够满足模块化生产系 统的实用化要求。 参考文献和英文摘要转第 l 6 3页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 1 期 机 械 工 程 与 自 动 化 l 6 3 仿真得到系统的速度步进响应曲线和有负载干扰情况 下 的速度响应 曲线如图 7和图 8所示。从模拟的结果 可以得知 ， 模糊 P I D对步进 函数 的响应 ， 在调整时 间 和系统超调量方 面都远远优于传统 P I D； 在外加干扰 时模糊 P I D的调整时间也明显小于传统 P I D。因此与 传统 P I D相 比， 模糊 P I D不仅具有较强的跟踪性能， 而且有较强的鲁棒性 。 1 ． 4 1 ． 2 j 四 1 0 鉴o ． 8 通 o ． 6 o． 4 0． 2 传 统P 】 D ， ＼ J一 ＼ I ＼ 模 糊 P I D i 1 0 O ． 05 0 ．1 0 ．1 5 时间／ s 图 7 系统 的速度步进函数响应 曲线 4结 论 本文结合了传统 P I D控制和模糊控制的优点 ， 设 计研发模糊 P I D控制器。经过实际的模拟试验表明， 采用本文所设计的模糊参数 自调节 P I D控制器 ， 反应 时间由原先的 8 0 ms减少到 4 0 ms ， 超调量减少到原 来的十分之一。即使 出现干扰的状 况下 ， 也可 以获得 非常令人满意的控制效果。达到了反应时间变短 、 超 调量降低、 鲁棒性增强的目的， 其控制效果明显。优于 传统的 P I D控制 。 ， 、 传统 P I D | 艚 蜘 T n 0 0 ． 05 0． 1 O ．1 5 O ． 2 O ． 2 5 0． 3 时 问／ s 图 8负载干扰时速度响应 曲线 参考文 献 [ 1 3 汤以范． 机 电传动控制[ M] ． 北京 清华大学 出版社， 2 0 1 0 ． [ 2 3 张伟． 基于模糊 参数 自整定 P I D控制 的交流伺 服系统 研 究[ D ] ． 哈尔滨 哈尔滨理工大学 ， 2 0 0 9 8 - 1 7 ． [ 3 ] 谢仕 宏． MA TL AB R2 0 0 8控制 系统 动态仿真[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 9 ． Fu z z y PI D Co nt r o l a nd S i m u l a t i o n Ex p e r i me n t o n Pe r ma n e nt M a g ne t Li ne a r S y n c hr o no u s M o t o r x u D a o - j i nYANG Qi n g - d o n g ，YI J i e C o l l e g e o f Me c h a n ie a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，B e i j i n g I n f o r ma t io n S c i e n c e＆Te c h n o l o g y Un i v e r s i t y ，B e ij i n g 1 0 0 1 9 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e t r a d i t i o n a l P I D c o n t r o l me t h o d f o r p e r ma n e n t ma g n e t l i n e a r s y n c h r o n o u s mo t o r P M I S M u n d e r v a r y i n g l o a d c o n d i t i o n s i s d i f f i c u l t t o a c h i e v e s a t i s f i e d e f f e c t ， s o t h e PM L S M ma t h e ma t i c a l mo d e 1 i s e s t a b l i s h e d ． a n d a f u z z y PI D c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d t 6 c o n t r o l t h e s p e e d o f PML SM u n d e r v a r i a b l e l o a d c o n d i t i o n s ． Th e n M ATI AB i s u s e d t o d o a s i mu l a t i o n a b o u t c o n t r o l s y s t e m i n t h e c a s e o f l o a d c h a n g e s ． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e e f f e c t o f f u z z y P I D c o n t r o l me t h o d i s s u p e r i o r t o t h e t r a d i t i o n a l PI D c o n t r o l me t h o d ． Ke y wo r d s P M LS M ；P I D c o n t r o l ；f u z z y P I D c o n t r o l ；s i m u l a t i o n 上接第 1 6 0页 参考 文献 [ 1 ] 周 聪霞． 模块化 生产系统的开发和研究[ D ] ． 沈阳 沈 阳理 工 大学 ， 2 0 O 7 5 ． [ 2 ] 宋旦 峰． 模块化 气动装卸机械手的研究与开发[ D ] ． 南京 南京 理工大学 ． 2 0 0 4 4 6 - 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2 0 0 CP U- 2 2 4 PI C a n d t h e EM2 2 3 e x t e n s i o n mo d u l e t o a c h i e v e t h e p r e c i s e p o s i t io n i n g o f r o t a t i n g t a b l e 。t h e ma n u f a c t u r i n g a n a l o gu e o f d r i l l i n g mo d u l e ，t h e q u a l i t y d e t e c t i o n o f t i m d e t e c t i o n mo d u l e a n d l o g i s t i c s d e l i v e r y ． Th e a p p l i c a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t t h e p r o c e s s i n g s t a t i o n c a n me e t t h e p r a c t i c a l r e q u i r e me n t s o f t il e mo d u l a r p r o d u c t i o n s y s t e m ． Ke y wo r d s PI C c o n t r o l ；mo d u l a r p r o d u c t i o n s y s t e m ；p r o c e s s i n g s t a t i o n 3 2 l O 9 8 7 6 5 4 1 1 1 1 0 0 0 0 O O 嚣 血毯蜃 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m