基于PLC的電機定子生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設計摘要電機廣泛應用于各行各業(yè)，而傳統(tǒng)的電機定子生產(chǎn)線耗費大量的人力資源，故全自動電機定子生產(chǎn)線成為當今社會的必然趨勢。本課題基于PLC來控制機械手，實現(xiàn)了電機定子裝配的一系列工藝流程。該課題設計具有手動和自動兩種模式。手動模式主要用于設備的維護調(diào)試；而自動模式時能全自動完成隔膜安裝、定子繞線、自動插線以及快速分揀等一系列動作，同時采用博途TIA中的HMI作為上位機。對系統(tǒng)的運行情況進行實時監(jiān)控，能記錄運行過程中各個設備的使用狀況、具體問題以及出現(xiàn)故障時的歷史數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者人身誤入作業(yè)區(qū)域時時它能及時發(fā)出報警信號。該系統(tǒng)不僅界面友好、操作簡單方便，同時還大大減少了人力勞動和提高了定子的生產(chǎn)效率，應廣泛應用于企業(yè)生產(chǎn)中。關鍵詞：電機定子生產(chǎn)線博途上位機仿真調(diào)試目錄1緒論 51.1 研究背景及意義 51.1.1研究背景 51.1.2研究意義 51.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61.3本課題主要內(nèi)容 72 電機定子生產(chǎn)線系統(tǒng)總體設計 92.1系統(tǒng)的需求分析 92.2系統(tǒng)的工藝流程 92.3控制系統(tǒng)總體方案設計 122.4本章小結 123電機定子生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件設計 133.1PLC選型 133.2傳感器的選型 143.3限位開關的選型 163.4變頻器的選型 173.5伺服電機的選型 193.6西門子上位機選型 203.8電氣線路設計 213.9本章小結 244電機定子生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件設計 254.1控制系統(tǒng)流程圖設計 254.2下位機設計 264.3本章小結 335上位機設計 345.1HMI的簡介 345.2HMI界面設計 345.3本章小結 376仿真調(diào)試 386.1運行調(diào)試 386.2實驗室調(diào)試 426.4本章小結 437總結與展望 44參考文獻 45

1緒論研究背景及意義1.1.1研究背景因為制造業(yè)的不斷發(fā)展，對于用工業(yè)機器人代替體力勞動的自動生產(chǎn)線的需求逐漸增加，例如搬運機器人，焊接機器人，噴膠機器人等工業(yè)機器人正在工業(yè)化生產(chǎn)中逐漸壯大。它們大多數(shù)具有強大的多功能性和靈活性。目前國內(nèi)對于專門用于電機生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)線還是非常少的，大多數(shù)都是依靠半自動化來進行生產(chǎn)作業(yè)。半自動化的整體過程是需要通過各個設備與人工之間的手動操作來完成的。半自動化具有勞動強度高，生產(chǎn)環(huán)境困難，質量不能保證等缺點。因此，為了實現(xiàn)電機定子的快速生產(chǎn)，現(xiàn)在迫切需要開發(fā)一種用工業(yè)機器人來代替人工的全自動生產(chǎn)線。而降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質量是全自動生產(chǎn)競爭和發(fā)展的基礎，也是我國制造業(yè)技術不斷改進的標志。它會根據(jù)自動生產(chǎn)線、裝配線逐步開發(fā)，不僅能在生產(chǎn)線的各個處理單元自動完成規(guī)定的程序，而且會生產(chǎn)出與設計要求相符合的產(chǎn)品。它們主要根據(jù)工藝流程和整體間形成的不同裝置，將裝置之間的運動組合到氣動系統(tǒng)和電制動系統(tǒng)中，以提供規(guī)定的過程。1.1.2研究意義在工業(yè)生產(chǎn)當中，高溫、腐蝕性強以及有毒氣體一直是困擾人們許多年的問題。在自動化設備被人們發(fā)明之初，這些問題得到了大幅度的改善。機械手因其耐用并且抗腐蝕性強的特點常常被運用于機械車間運送工料或者是參與到其他對人體有害的工作當中。其不僅僅降低了勞動強度，還大大提高了生產(chǎn)的效率以及生產(chǎn)出產(chǎn)品的質量。隨著未來工業(yè)發(fā)展的趨勢以及“中國制造2025”計劃的分級實施，依靠廉價的勞動力來獲取多元化發(fā)展的國內(nèi)制造業(yè)正在面臨著產(chǎn)業(yè)轉型升級、品種繁多、小批量的需求。由于電動機廣泛的應用于工業(yè)生產(chǎn)、家用電器、醫(yī)療設備、汽車行業(yè)和精密電子等地方，因此大型電動機制造商已經(jīng)在電動機的研究和開發(fā)上投入了大量時間精力和資金，以便于實現(xiàn)后期更好的轉型。該設計的具體研究內(nèi)容如下。首先，我們設計了一條電機定子生產(chǎn)線，具體分析了電動機定子生產(chǎn)的現(xiàn)狀和它本身存在的問題，并提出了通過工業(yè)機器人對滿載和卸載時的電動機定子進行自動生產(chǎn)的方法，該生產(chǎn)線包括了五個工位、一個機械爪和機械手。然后執(zhí)行總體控制系統(tǒng)的規(guī)劃設計和硬件選型?？刂葡到y(tǒng)采用了系統(tǒng)流程圖和順序功能圖這兩個方法，而系統(tǒng)軟件則采用了模塊化編程。將電機定子生產(chǎn)線的控制操作分為多個子任務。它們具有自動功能和手動功能。采用人性化功能，例如采用人機交互界面進行設計，實現(xiàn)上位機監(jiān)控和遠程修改的能力。運用TIAPortal軟件進行硬件配置，在其中使用梯形圖語言進行編程、調(diào)試，用修改程序的方式逐漸改善不合理的部分。它大大提高了電動機定子生產(chǎn)的自動化程度，并增加了其實用價值。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當前，在我國工業(yè)的優(yōu)化調(diào)整階段，傳統(tǒng)的勞動密集型企業(yè)已經(jīng)無法跟上社會經(jīng)濟發(fā)展的步伐。為了盡快提高生產(chǎn)效率、改善生產(chǎn)質量，降低人工成本，我們迫切地需要改善設計思路，并充分利用最新的工業(yè)生產(chǎn)技術來實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)。通過不斷地制造和測試操作，重新改善后的電動機定子措施可以有效地提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質量，同時降低成本并減少產(chǎn)品之間的人工傳遞。生產(chǎn)線的自動化是制造業(yè)未來發(fā)展的一大趨勢，它不僅有效地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平，還提高了企業(yè)的競爭力，由此全自動化生產(chǎn)受到了世界上所有國家的廣泛關注。美國是自動化生產(chǎn)線的發(fā)源地，而日本擁有世界上最完整的自動化生產(chǎn)線的產(chǎn)業(yè)鏈，這兩個國家在自動化生產(chǎn)線和關鍵組件的研究方面也處于世界領先地位。從自動化生產(chǎn)線的角度來看，德國制造業(yè)舉世聞名，其產(chǎn)品具有出色的耐用性和精確的夾持力，并且能夠在人機交互和機器互連方面具有巨大的技術優(yōu)勢。所以，我國不僅要積極引進國外的先進技術，而且還要吸收和創(chuàng)造這些先進技術，增加對自身研發(fā)的投資，從而獲得工業(yè)自動化的核心技術，真正的參與進工業(yè)自動化中。而從國家政策的宏觀角度和企業(yè)就業(yè)的微觀角度來看，增加自動化技術的研發(fā)和推廣也是非常有必要的。自動線又叫做自動化生產(chǎn)線，它是由傳送帶系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，通過順序流程組合自動設備或者輔助設備組來自動完成產(chǎn)品的全部或部分的生產(chǎn)過程。根據(jù)《2020-2026年中國制造業(yè)生產(chǎn)和銷售和投資趨勢分析報告》來說，我國制造業(yè)的自動化率約為30％，而歐美等國家的自動化率則超過90％。未來的工業(yè)發(fā)展趨勢是不斷開發(fā)新產(chǎn)品和新市場，擴大內(nèi)需，開拓新的增長點，增強自主創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力。從事有關于自動化生產(chǎn)的企業(yè)必須要加強創(chuàng)新能力和提高產(chǎn)品質量的技術水平。擁有自主知識產(chǎn)權是打造行業(yè)知名品牌的必要條件，這也是自動化行業(yè)發(fā)展壯大的基礎。在現(xiàn)代國際化趨勢的影響下，當今世界正在向自動化、智能化和數(shù)字化領域進發(fā)。中國經(jīng)濟正在以自動化為驅動力進行升級和重新改造，并大規(guī)模引入機器人技術以減少企業(yè)運營中的人工成本。這些變化在流行之前就已經(jīng)開始了，但是世界流行加速了它。自動化浪潮不僅在中國如火如荼，而且還會在全球商業(yè)環(huán)境中碩果累累。1.3本課題主要內(nèi)容該主題的目的是為了實現(xiàn)全自動電動機定子生產(chǎn)線的控制。在分析電機定子程序的生產(chǎn)現(xiàn)狀的基礎上，提出了一種可以使電機定子實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，并對生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計進行系統(tǒng)研究。此設計的各章節(jié)安排如下：第一章是緒論：具體闡述了本文的研究背景及意義，系統(tǒng)概述了電機生產(chǎn)技術、工業(yè)機器人在工業(yè)中的一些運用以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后介紹了本文的研究目的、研究內(nèi)容及章節(jié)安排。第二章是電機定子生產(chǎn)線總體規(guī)劃設計：主要寫了電機定子生產(chǎn)線的組成和總體規(guī)劃布局以及對所用到的按鈕和傳感器進行了介紹，找到一種適合用在電機定子生產(chǎn)線上的相關模塊，然后對這些模塊進行組裝形成大概的一些工藝流程。第三章是電機定子生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的硬件設計：主要寫了系統(tǒng)控制要求和控制系統(tǒng)硬件的設計，對設計的大體框架進行構思，進行控制方案的選擇、硬件設備的選型以及外圍電路的設計等等。第四章為電機定子生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的軟件設計：這章需要畫出控制系統(tǒng)流程圖和順序功能圖?？傮w規(guī)劃了控制流程圖和程序結構圖，采用模塊化的思想進行編程。使用博途軟件自帶的仿真器對所編寫的程序進行仿真調(diào)試，排除程序中的錯誤，打好調(diào)試基礎，縮短調(diào)試時間。第五章為上位機的設計：在博途軟件中采用自帶的HMI界面進行觸摸屏的設計，通過仿真調(diào)試來確定此畫面是否可行，并通過人機交互界面對其進行說明。第六章為仿真調(diào)試環(huán)節(jié)：通過仿真觸摸屏來進行上位機的調(diào)試，并在實驗室進行實物調(diào)試用此來確定該設計是否可以用于生產(chǎn)。第七章為總結與展望：最后這章的總結與展望不僅是對本系統(tǒng)設計工作的總結，也是對我下一階段的目標方向進行了展望。電機定子生產(chǎn)線系統(tǒng)總體設計2.1系統(tǒng)的需求分析在現(xiàn)代社會中，全自動生產(chǎn)是非常有必要的，因為現(xiàn)在是工業(yè)社會，在工業(yè)生產(chǎn)中，方便、高產(chǎn)量、高效率的要求成為了大家追逐的重點。時代發(fā)展需要從人工時代快速轉變?yōu)橹悄軙r代，所以電機定子生產(chǎn)線的全自動化在之后的生產(chǎn)生活中是非常有必要的。本次控制系統(tǒng)為了滿足生產(chǎn)過程中不同情況下的控制需要，主要將控制系統(tǒng)的操作部分分為了手動模式和自動模式，手動模式運用在調(diào)試和出現(xiàn)故障檢修時，此時自動運行程序不起作用，工作人員可以對各個設備進行啟動停止。而人機交互系統(tǒng)能夠監(jiān)視現(xiàn)場設備。正常的工作模式是在自動運行模式下，各臺設備按照邏輯關系自動啟停，且設備間具有互鎖關系。各臺設備要能夠對外提供設備準備就緒信號、完成設備作業(yè)信號以及設備故障報警信號。控制系統(tǒng)要求能監(jiān)控整條生產(chǎn)線的運行狀態(tài)并具有報警功能。2.2系統(tǒng)的工藝流程市場上大多數(shù)的電機定子生產(chǎn)線上都是由供料單元、加工單元、裝配單元、傳送單元和分揀單元這五個單元組成的。下面就對這五個單元進行具體的分析：供料單元本設計中的供料單元主要包括了物料倉、物件傳送裝置等。如果有必要，它還能夠將放置在料倉中的待加工的物件自動送出到物料臺上，以便輸送單元的機械爪將物件抓取并移動到下一工作單元。圖2-1供料單元加工單元此設計的加工單元里主要有物件搬運設備和物件加工設備。它可以把該設備物料臺上的物件（物件由輸送單元的機械爪裝置送達）送到?jīng)_壓機構下面，完成一次沖壓加工動作，然后再送回到物料臺上，待輸送單元的機械爪取出物件。圖2-2加工單元裝配單元此設計的裝配單元主要囊括了裝配工作區(qū)和裝配物件搬運設備。它可以完成將單元料倉內(nèi)的物件送入到已經(jīng)加工的半成品物件中進行裝配的過程。圖2-3裝配單元傳送單元此設計的傳送單元主要由伺服電機、氣缸、氣動系統(tǒng)以及限位開關等組成。它可以把物件精準的定位到指定單元的物料臺，并在該物料臺上抓取物件，把抓取到的物件傳送到指定地點然后放下。圖2-4輸送單元分揀單元此設計中分揀單元主要包括了部分傳送帶和分揀裝置。它能夠將上一單元送來的已經(jīng)加工好、裝配好的物件進行分揀，使得加工好了的物件能放入物料倉中，當檢測出未加工完成的物件時則由分揀單元再次傳送到加工單元進行加工。圖2-5分揀單元2.3控制系統(tǒng)總體方案設計本課題的系統(tǒng)控制結構如下圖2-6所示，它里面包括了人機交互系統(tǒng)、按鈕信號、傳感器信號、主控制系統(tǒng)、變頻器、伺服驅動器、伺服電機、最終執(zhí)行終端、電磁閥、氣動系統(tǒng)、機械手、機械爪以及繞線機等設備。圖2-6控制系統(tǒng)硬件總體規(guī)劃本控制系統(tǒng)設計通過PLC作為主控器，控制電機定子生產(chǎn)線的運行和各種變頻器、電磁閥、機械爪和繞線機、插線機等設備的運行狀態(tài)，使用西門子觸摸屏作為上位機進行監(jiān)控。通過外部的按鈕信號控制整個系統(tǒng)的啟停狀態(tài)，其中按鈕信號里包含了啟動按鈕、停止按鈕和限位開關。在設計中，每個設備的前后都有一個限位開關，用來檢測設備的運行狀態(tài)是否都在控制的范圍內(nèi)；傳感器信號中的霍爾傳感器用來分別控制物件在傳送帶上的具體位置，光電傳感器用來記錄上料和下料時物件的數(shù)量；變頻器用于速度控制，它能夠驅動伺服電機運行使設備產(chǎn)生動力而正常運轉，由伺服電動機控制最終控制終端，進行執(zhí)行輸出的命令操作，從而達到生產(chǎn)線上的旋轉部分和傳送帶部分能夠正常工作；機械爪和機械手都是由PLC控制的，通過程序的編寫，讓它們作出相應的動作，繞線機和其他設備也是通過主控制器來控制的。2.4本章小結本章內(nèi)容主要對電機定子生產(chǎn)線的需求分析、工藝流程和方案設計進行分析。首先分析了此設計的生產(chǎn)需求，根據(jù)需求對工藝流程進行分析，隨后給出設計方案。3電機定子生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件設計通過上述的設計需求和方案設計的分析，此設計由PLC、傳感器、限位開關、變頻器、伺服電機、上位機等設備，所以本設計需要對PLC、傳感器、限位開關、變頻器、伺服電機、上位機等進行選型。3.1PLC選型本設計分別使用了56個數(shù)字量輸入和31個數(shù)字量輸出，而根據(jù)S7-1200選型手冊，選擇點數(shù)為16的擴展模塊，所需模塊數(shù)計算如下：數(shù)字量輸入模塊數(shù)量為(68-14)/16＝3.375個≈４個；數(shù)字量輸出模塊數(shù)量為(68-10)/16＝3.375個≈４個。而CPU1214C具有24個數(shù)字量的I/O點（14輸入/10輸出）。按照上述I/O模塊的選擇規(guī)則，還需考慮20%的裕量，所以這次控制系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)的計算結果為：數(shù)字輸入量點數(shù)＝56*（１＋20％）＝67.2點＜68點數(shù)字輸出量點數(shù)＝31*（１＋20％）＝37.2點＜68點其中，數(shù)字量輸入模塊型號選擇SM1223DC/RLY，數(shù)字量輸出模塊型號選擇SM1223DC/RLY。所以在CPU本身的基礎上選擇了3個擴展模塊，分別為2個DI/16*24VDC/DQ16*Relay模塊和DI16/DQ16*24VDC模塊。根據(jù)整條生產(chǎn)線的設計方案，本控制系統(tǒng)包含一個機械爪，一個機械手，而且西門子PLC具有適用范圍最廣、產(chǎn)品線多、集成塊多等特點。綜合以上的結論，選擇西門子系列PLC作為本次設計的主要控制器是可以的。而根據(jù)西門子PLC的選型手冊，可以選擇西門子S7-200系列、S7-300系列、S7-1200系列和S7-1500系列。下表是西門子各系列的優(yōu)缺點及適用范圍介紹。表1西門子各系列PLC簡要介紹名稱優(yōu)點缺點適用范圍S7-200運行穩(wěn)定，使用簡單方便，價格便宜等。輸入/輸出點數(shù)有限適用于小型控制系統(tǒng)S7-300運行方便，穩(wěn)定性高，功能指令豐富等。價格昂貴適用于中大型控制系統(tǒng)S7-1200S7-1200采用集成化網(wǎng)口，不需要添加接口模塊，使用方便，通訊連接方便等。價格昂貴適用于廣泛的自動化應用。S7-1500接線方便，可靠性高，處理速度快等。價格昂貴適用范圍更廣基于上述對于各西門子系列的了解和對各系列的經(jīng)濟性能的比較，所以決定采用西門子S7-1200系列的PLC作為這次硬件設計的主要模塊。選擇S7-1200系列CPU，該系列CPU具有DC/DC/DC，AC/DC/RLY，DC/DC/RLY三種型號。S7-1200系列擁有125KB工作存儲器；24VDC電源，具有板載DI14x24VDC漏型/源型、板載DQ10x24VDC及AI2和AQ2；板載6個高速計數(shù)器和4個脈沖輸出，信號板擴展板載I/O；多達3個用于串行通信的通信模塊，多達8個用于I/O擴展的信號模塊；0.04ms/1000條指令；2個PROFINET端口，用于編程、HMI和PLC間數(shù)據(jù)通信。經(jīng)過綜合考慮，CPU選擇1214C-DC/DC/DC能滿足控制要求，其訂貨號為6ES7214-1AG40-0XB0。圖3-1S7-1200CPU實物圖圖3-2SM1223DC/RLY實物圖3.2傳感器的選型光電傳感器是將光信號變換成電信號，通過感應到光線強弱的改變從而變換為大小變化的電信號。本設計在傳送帶的末端處設置了光電傳感器用做數(shù)量檢測，因為在整個流程中，需要對電機定子的數(shù)量進行檢測，所以需要選擇一個對于物件本身敏感度比較好的傳感器來進行計數(shù)，而硅鋼片的本身屬于比較亮的一種，完全可以通過光線的強弱來進行計數(shù)。光敏傳感器的選型主要是考慮分辨率、有效距離、固定方式。根據(jù)它們的這些條件要求選擇了ZAZR品牌的光敏二極管模塊型光敏傳感器，因為它采用靈敏的光敏二極管，而且它的方向性比較好，能夠感知固定方向的光源，輸出信號與波型較好，價格便宜，便于安裝使用。表2ZAZR光敏傳感器性能指標供貨商類型工作電壓輸出接線方式靈敏度ZAZR光敏二極管3.3-5V數(shù)字開關量兩線制可調(diào)節(jié)圖3-3光敏傳感器實物圖圖3-4光敏傳感器接線原理圖霍爾傳感器是利用霍爾效應原理將被測物理量轉換為電動勢的傳感器，它廣泛地應用于電流、磁場、位移和壓力等物理量的測量。位置檢測在這次設計中具有非常重要的地位，因為許多的地方都會用到它，本次設計有三條傳送帶，每個傳送帶具有3米左右的長度，因此對于物件的定位需求也非常精確，要是有偏差就會導致機械爪抓取不到物件，而白白浪費資源，出現(xiàn)故障。所以在傳送帶的開始和末端安裝位置檢測的傳感器是非常有必要的，這樣會在物件經(jīng)過的路徑上進行檢測，以便對它進行修正，讓機械爪能夠及時的抓取物件，避免出現(xiàn)故障。所以在傳送帶上需要選擇精確度很高的傳感器來進行位置檢測，在AKM的EW-632系列、EW-732系列、SEC的SS559和SS569系列和霍尼韋爾的SS49E/SS59ET系列中根據(jù)他們的經(jīng)濟性和能效性，本設計最終選擇霍尼韋爾的SS49E/SS59ET霍爾式傳感器。因為它的精確度比較高，還具有很好的定位功能，其實物圖和性能參數(shù)如下圖所示：圖3-5霍爾效應原理圖圖3-6SS49E/SS59ET霍爾式傳感器圖3-7SS49E/SS59ET霍爾式傳感器輸出框圖表2SS49E/SS59ET的性能參數(shù)供電電壓供電電流精度線性度位置重復精度工作溫度3.0~6.5V6mA精度高線性度好位置重復精度高（可達μm級）-40℃~100℃3.3限位開關的選型限位開關也稱為行程開關。它可以安裝在靜態(tài)或者動態(tài)對象上。當對象的狀態(tài)發(fā)生改變時，觸點就會打開和閉合，因此對象的運動受到限制，從而防止了事故的發(fā)生。限位開關的工作原理是利用機器之間的碰撞來移動限位開關的觸點并相應地設置或釋放電路。限位開關通常用于限制機械運動的行程和位置。這使得對象可以停止，更改其速度或自己來回移動。在本次設計中，限位開關運用在所有能用到限位的地方，比如說①對于物件在傳送帶運動時，會因為故障而導致出現(xiàn)物件直接從傳送帶傳送出去，機械爪抓取不到的情況；②機械爪因為要去抓取超出量程的物件而導致機械爪回不到原本的位置；這時候安裝限位開關就非常有必要了，它能夠在設備發(fā)生故障時及時斷開電路，返回設備固定點。所以這次設計中需要根據(jù)它的誤動作、抗壓能力和防護等級等方面進行考慮。歐姆龍公司的產(chǎn)品對于限位開關的技術比較成熟，所以選擇歐姆龍限位開關中的安全限位開關，它的型號為D4N-1120，接點為速動型。它的實物圖和接線圖以及它的性能指標如下所示：圖3-8D4N-1120型實物圖圖3-9外部接線圖表3主要性能參數(shù)產(chǎn)品型號D4N-1120電壓額定值240VAC電流額定值10A抗壓能力強防護等級1級（IP67）誤動作300m/s2以上封裝Bulk使用環(huán)境溫度-30℃~70℃3.4變頻器的選型傳送帶的速度也是需要進行調(diào)節(jié)的，如果速度過快則會導致使用率大大減少，造成能源的浪費，如果速度過慢，則會影響產(chǎn)能和后面的生產(chǎn)進度。這次設計需要對傳送帶的速度進行控制，速度太快對于傳送帶的使用壽命具有很高的損耗，速度太慢也不行，所以對于傳送帶的速度設置是非常有必要的，因此需要使用變頻器來作為控制傳送帶速度的一種方式。變頻器主要由主電路、整流器、平波回路、逆變器等組成，能夠減少對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備的使用壽命。變頻器作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要產(chǎn)品，已經(jīng)運用了很多年，各種技術都非常成熟。因為這次設計需要具有很高的可靠性和靈活性，所以這次我選擇了西門子MM430變頻器，它的功率范圍為7.5KW-250KW，對于控制傳送帶的速度是比較不錯的一款變頻器了。圖3-10MM430的接線圖圖3-11MM430實物圖在本次設計中采用了變頻器的多段速功能，在設置P1000=3的時候，用開關量端子選擇固定頻率的組合，實現(xiàn)電機的多重速度運行，將一個數(shù)字輸入量對應一個固定頻率則有下表：表4MM430型變頻器多段速功能設置表端子編號對應頻率對應參數(shù)5P1001P07016P1002P07027P1003P07038P1004P070416P1005P070517P1006P0706必要說明：頻率給定值P1000的端子編號必須是3，當選擇同時激活時，選定的頻率一定要是它們的總和。選用此變頻器是因為它能夠快速響應，且?guī)в性鰪婋姍C動態(tài)響應和控制特性特點，它通過磁通電流控制，在出現(xiàn)故障時能夠快速限制電流等等。3.5伺服電機的選型伺服電機的工作原理是通過驅動器來控制三相電（U/V/W），從而形成電磁場，讓轉子在此磁場的作用下轉動，同時將反饋信號傳給驅動器，驅動器將反饋值與目標值進行比較，從而調(diào)整轉子轉動的角度。伺服電機的作用是驅動控制對象，當被控對象的轉距和轉速受信號電壓控制，信號電壓的大小和極性改變時，電機的轉動速度和方向也跟著變化。伺服電機可以用來控制速度，而且位置精度高。它可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速用來驅動控制對象。伺服電機轉子轉速收到輸入信號后，反應速度快，能立刻進行工作，高速性能好，過載能力強，低速運行平穩(wěn)同時也可以適應高速運行，而且伺服電機相較于其他步進電機具有散熱能力好，噪聲小的特點。它可以用來控制底盤和傳送帶的移動，大大提高了生產(chǎn)效率。伺服電動機的選擇也比較廣泛，但我還是選擇了三菱的伺服電機，且它的功率為2.0KW且?guī)е苿拥腍F-SP352/MR-J3-350A系列。圖3-12三菱伺服電機實物圖圖3-13三菱伺服電機接線圖表5三菱伺服電機基本參數(shù)說明額定輸出功率額定轉矩額定速度額定電流軸允許負載3.5KW16.7N.m2000r/min16A79mm3.6西門子上位機選型常用的上位機軟件有MCGS、博途HMI、WINCC、KINGVIEW組態(tài)軟件等，根據(jù)這次設計的要求，選擇使用博途HMI系列自帶的觸摸屏，他們分為精簡面板、精智面板以及移動面板。精簡面板可以處理簡單的HMI任務，它主要分為：KTP400BasicPN型、KTP700BasicPN/DP型、KTP900BasicPN型、KTP1200BasicDP/PN型以及KP300單色PN型。精智面板則用于完成要求苛刻的人機界面任務，主要有以下幾種：KTP400精智面板、KP400精智面板、TP700精智面板、KP700精智面板、TP900精智面板、KP900精智面板、TP1200精智面板等等。所以本控制系統(tǒng)的觸摸屏選擇了西門子SIMATIC精智系列面板TP700ComfortOutdoor型，該觸摸屏為電阻式，具有7寸TFT顯示屏，擁有800x480像素，16M色；觸摸屏采用1xMPI/PROFIBUSDP，1x支持MRP和RT/IRT的PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)接口（2個端口）；2x多媒體卡插槽；3xUSB，訂貨號為6AV2124-0GC01-0AX0。圖3-14西門子SIMATIC精智系列面板TP700Comfort型3.8電氣線路設計（１）主回路和控制回路設計電機定子生產(chǎn)線的電氣線路設計主要設計了主回路電路和控制回路電路，主回路進線電源采用三線五線制，額定電壓380V，主回路接觸器K1控制總電源的接通，如圖3-15、圖3-16所示。圖3-15主回路設計圖3-16控制回路設計（２）PLC信號控制電路PLC輸入信號包括傳感器信號、按鈕信號等，輸出信號包括伺服電機信號、指示燈信號以及其他設備等，使用S7-1200PLC發(fā)送脈沖信號要使用CPU本體中的輸出點。如圖3-17所示：圖3-17輸入/輸出控制電路所以本控制系統(tǒng)的I/O分配表可以如表6所示。表6PLC的輸入輸出分配表PLC輸入輸出分配表輸入注釋輸出注釋I0.0啟動Q0.0啟動指示燈I0.1停止Q0.1停止指示燈I0.2手動、自動Q0.2傳送帶I0.3定子鐵芯到位限位Q0.3機械爪吸合I0.4定子鐵芯機械爪上限位Q0.4定子鐵芯機械爪上升I0.5定子鐵芯機械爪下限位Q0.5定子鐵芯機械爪下降I0.6定子鐵芯機械爪左限位Q0.6定子鐵芯機械爪左移I0.7定子鐵芯機械爪右限位Q0.7定子鐵芯機械爪右移I1.0底盤旋轉隔膜到位檢測Q1.0定子鐵芯機械手上升I1.1底盤旋轉繞組到位檢測Q1.1機械手下降I1.2底盤旋轉薄膜到位檢測Q1.2機械手上升I1.3底盤旋轉倉庫到位檢測Q1.3機械手伸出I1.4搬運機械爪上限位Q1.4機械手縮回I1.5搬運機械爪下限位Q1.5機械手爪吸合I1.6搬運機械爪前限位Q1.6機械手底盤正轉I1.7搬運機械爪后限位Q1.7機械手底盤反轉I2.0隔膜機架推出到位檢測Q2.0薄膜盤縮回I2.1隔膜機架位到位檢測Q2.1薄膜架固定I2.2壓線到位檢測Q2.2粘膜機運行I2.3壓線回位檢測Q2.3隔膜架吸合I2.4繞組盤收縮推出檢測Q2.4隔膜架松開I2.5收縮到位檢測Q2.5隔膜電機運行I2.6繞組位檢測Q2.6隔膜閥射出隔膜I2.7伸出到位檢測Q2.7隔膜架推出I3.0薄膜盤收縮到位檢測Q3.0繞組盤收縮I3.1薄膜位檢測Q3.1繞組架固定I3.2傳送帶啟動按鈕Q3.2繞組電機運行I3.3機械爪吸合啟動按鈕Q3.3壓線頂伸出I3.4定芯機械爪上升啟動按鈕I3.5定芯機械爪下降啟動按鈕I3.6定芯機械爪左移啟動按鈕I3.7定芯機械爪右移啟動按鈕I4.0定芯機械手上升啟動按鈕I4.1機械手下降啟動按鈕I4.2機械手上升啟動按鈕I4.3機械手伸出啟動按鈕I4.4機械手縮回啟動按鈕I4.5機械手爪吸合啟動按鈕I4.6機械手底盤正轉啟動按鈕I4.7機械手底盤反轉啟動按鈕I5.0薄膜盤縮回啟動按鈕I5.1薄膜架固定啟動按鈕I5.2粘膜機運行啟動按鈕I5.3隔膜架吸合啟動按鈕I5.4隔膜架松開啟動按鈕I5.5隔膜電機運行啟動按鈕I5.6隔膜閥射出隔膜啟動按鈕I5.7隔膜架推出啟動按鈕I6.0繞組盤收縮啟動按鈕I6.1繞組架固定啟動按鈕I6.2繞組電機運行啟動按鈕I6.3壓線頂伸出啟動按鈕3.9本章小結這章節(jié)主要寫了生產(chǎn)線控制的硬件設計，介紹了各部分的選型以及它們的作用，通過選型可以知道整個設計的大概模型，通過電氣線路的設計可以幫助我們更好的理解此次設計的大概流程和接線。輸入輸出點的確定也可以讓程序的設計更加明朗。

4電機定子生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件設計基于上述硬件設備的選型，系統(tǒng)軟件設計主要對此設計進行流程圖、下位機和上位機的設計，對PLC進行編程，包括對系統(tǒng)的狀態(tài)控制（啟動、停止和報警）、隔膜安裝、繞組安裝、薄膜粘帶、自動運行、底盤控制。以下對各個系統(tǒng)軟件功能進行詳細說明。4.1控制系統(tǒng)流程圖設計根據(jù)設計要求和控制要求，規(guī)劃控制系統(tǒng)的流程圖，如下圖4-1所示：圖4-1控制系統(tǒng)流程圖如果這個控制系統(tǒng)已打開電源，則必須首先要初始化系統(tǒng)，然后在控制面板上選擇手動/自動模式。如果選擇了自動模式，并且每個設備都沒有警報，則所有設備都準備就緒。準備裝載機械爪抓住倉庫中的物件。當上料機允許物料離開料倉時，機械手將物件送入傳送帶。機械手離開工作區(qū)后，啟動繞線機；繞線機完成后，機械爪取出工件并傳遞給下一個單元，如果下一個設備允許接收，則機械爪將送出工件到下一個設備，隨后機械手將取走物料并依次卸料。首先，需要使用機械手抓取工件，然后取出空的托盤。啟動信號由機械爪發(fā)出，從而開啟計數(shù)功能。如果機械爪抓住工件為8n次（n=1、2，...），并發(fā)送啟動信號。如果機械爪抓取的工件數(shù)量是8*15=120次，系統(tǒng)將要求更換裝載小車。生產(chǎn)線末端的機械爪的啟動信號還是由機械爪發(fā)送。如果下料的數(shù)量為16n次（n=1、2，...），則生產(chǎn)線末端的機械爪將卸下托盤。如果定子的數(shù)量是16*16=256次，系統(tǒng)將要求更換卸貨車。4.2下位機設計本設計將電機定子生產(chǎn)線控制程序劃分為主程序和各個模塊程序（隔膜安裝程序模塊FC1、繞組安裝模塊FC2、薄膜粘帶程序模塊FC3、自動運行程序模塊FC4、底盤控制FC5）等子程序。1、主程序：系統(tǒng)的啟動需要通過手動給它幅值才會實現(xiàn)，將其值修改為1，則系統(tǒng)開始啟動，啟動燈亮；隨后手動模式和自動模式開始工作，底盤控制開始運行，將手動、自動強制為1，則自動模式被禁止，手動模式開始運行。下圖是報警的相關程序，當人體進入危險區(qū)域時，系統(tǒng)會發(fā)出警報，這時系統(tǒng)的停止燈和警報燈開始常亮，提示系統(tǒng)出現(xiàn)故障；當危險解除后，警報燈復位，系統(tǒng)進行安全確認，重新運行。手動控制程序是通過各控制的啟動按鈕來分別控制各個輸出，例如傳送帶、機械爪、機械手、薄膜盤等。當給手動運行幅值為1時，按下各控制設備的啟動按鈕，則相應的設備進行動作。2、隔膜安裝程序：隔膜架到位后，通過上升沿來進行觸發(fā)，每來一個上升沿，MOVE模塊就開始運作，將前面的賦值給隔膜步驟進行輸出。當上述隔膜步驟的數(shù)據(jù)類型為實數(shù)型，且值為1時，線路開始接通，隔膜架開始吸合，隔膜架吸合后電機開始動作，等到時鐘時間到位，開始彈射出隔膜，計數(shù)器進行計數(shù)并賦值給下一模塊進行運作。隔膜步驟被賦值為實數(shù)2時，隔膜電機開始復位，隔膜電機運行常閉斷開；計數(shù)器復位重新開始計數(shù)，隔膜架推出置位，當隔膜架推出到位后，傳感器進行檢測，檢測到位后，利用MOVE模塊進行賦值給下一步。隔膜步驟被賦值為實數(shù)3時，隔膜架復位，隔膜閥開始關閉，結束隔膜程序運行。3、繞組安裝程序：繞組模塊中，將步驟賦值為實數(shù)1時，繞組盤收縮置位開啟，等物件到達檢測位后繞組架固定置位，繞組電機運行置位，過3s后繞組安裝運行啟動開始繞制銅線。將步驟賦值為實數(shù)2時，繞組電機運行復位，壓線頂伸出裝置置位，經(jīng)傳感器檢測到壓線后賦值給繞組步驟進行進一步操作。4、薄膜粘帶程序：當給薄膜安裝步驟賦值時，薄膜盤縮回置位，當傳感器檢測到物件時薄膜架固定位開始置位，粘膜機運行置位，當設定的時間結束后，將值賦給接下來的薄膜安裝步驟。開始進行薄膜粘帶的安裝。具體程序如下圖所示：5、自動運行程序：調(diào)用運行模塊，每來一個上升沿進行觸發(fā)，等到脈沖過來后賦值給運行步驟。對運行步驟進行實數(shù)賦值，則機械手下降動作進行復位，機械手上升動作進行置位。當搬運機械爪到達下限位后則將機械爪上移。觸發(fā)上升沿，機械手的底盤正轉置位。當?shù)妆P旋轉到倉庫位后經(jīng)由傳感器發(fā)出信號進行檢測，開始下料。整個流程運行結束，則復位返回到隔膜安裝模塊的上方，等待下一步指令，具體程序如下圖所示：6、底盤控制程序：底盤控制程序是通過伺服電機來進行控制的，直接調(diào)用模塊來控制機械手底盤的正轉還是反轉，此模塊可直接調(diào)用，用來模擬真實的底盤旋轉。4.3本章小結本章對全自動電機定子生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進行了設計。首先設計了控制系統(tǒng)的總體方案，將系統(tǒng)分為幾個部分，并分別對它們的程序進行說明。

5上位機設計在本次課題中，PortalTIA中的HMI界面用作監(jiān)視PLC的主機。它具有使用簡單，應用程序規(guī)模自由，適應性強等優(yōu)點，并且可以在各種不同的環(huán)境中運行。以下對上位機的設計進行詳細說明。5.1HMI的簡介HMI是操作人員與基層設備之間的一種接口，它能夠實現(xiàn)各個模塊間的信息交互。操作員可以通過人機交互界面上的虛擬按鈕將指令實時傳輸?shù)娇刂破?，然后現(xiàn)場設備執(zhí)行相應的動作并給出反饋信號，這些反饋信號將傳輸?shù)娇刂破饕约霸谌藱C交互界面中顯示，用來實時監(jiān)視現(xiàn)場的工作狀態(tài)。利用觸摸屏不僅可以節(jié)省PLC的外圍I/O點，還能簡化現(xiàn)場布線，降低了商業(yè)生產(chǎn)成本，并使控制系統(tǒng)更加直觀,讓用戶的體驗感變得友好。這次設計使用西門子KTP700觸摸屏作為上位機，并使用TIAPortal軟件配置觸摸屏。該軟件可用于S7-1200/1500，S7-300/400和WINCC的組態(tài)和編程，將STEP-7與WINCC等集成在一個平臺上，具有易于管理公共數(shù)據(jù)和程序的優(yōu)點。處理配置數(shù)據(jù)和可視數(shù)據(jù)等，極大地簡化了編程和配置的難度，并縮短了研究周期。KTP700觸摸屏通過PROFINET與S7-1200實時通信，以完成電動機定子生產(chǎn)線的運行，監(jiān)視和報警功能。5.2HMI界面設計1、打開博途，添加新設備，選擇HMI設備。根據(jù)需求，需要選擇精智面板里的7寸顯示屏，最終選擇的是TP700ComfortOutdoor型。具體如下圖所示：2、雙擊型號后，進入根畫面；至此我們所有的觸摸屏設計都是在這個面板上完成的。3、在左側工具箱中選擇合適的圖形，添加到界面中。4、按照需求選擇相應的圖形進行組合，從而得到整個生產(chǎn)線的大致畫面。5.3本章小結本章主要寫了觸摸屏的具體應用，具體實現(xiàn)方法，為這次設計做了充分準備。

6仿真調(diào)試在完成了本課題的硬件設計、軟件設計、上位機設計以后需要對整體進行調(diào)試，本課題使用在線模擬仿真測試，在仿真模擬調(diào)試成功以后再進行實驗室的硬件調(diào)試工作。6.1運行調(diào)試在博途軟件中將PLC與HMI進行連接，連接完成后進行仿真調(diào)試。點擊仿真按鈕將會出現(xiàn)如下所示的仿真圖框，等待一段時間后會出現(xiàn)下載預覽選項表，點擊裝載，裝載成功后的下載結果，需要將無動作改為啟動模塊，至此已經(jīng)下載進仿真軟件中。點擊按鈕，將會出現(xiàn)如下所示的畫面，此畫面是模擬輸入的的界面，需要重新創(chuàng)建新項目，項目創(chuàng)建完成后點擊SIM表格。表格創(chuàng)建完成后，在名稱處輸入啟動、停止、手動/自動，這樣就可以通過外部按鈕來實現(xiàn)仿真。等到準備工作結束后，開始進行仿真，下圖為系統(tǒng)啟動時，觸摸屏的監(jiān)視畫面。系統(tǒng)啟動時啟動燈亮，其他指示燈不變，各按鈕也無其他變化，轉換為灰色。下圖為停止運行時的監(jiān)控畫面，停止燈亮，其他所有模塊都是停止狀態(tài)。此圖為報警時系統(tǒng)的監(jiān)測情況，設備出現(xiàn)故障時或者人身安全受到威脅時，報警指示燈亮，其他設備的狀態(tài)為停止狀態(tài)。6.2實驗室調(diào)試在上述仿真結束后，進入實訓室進行實物仿真，將軟件與PLC進行連接，并接好各自的輸入輸出線，將程序下載到PLC中，就會出現(xiàn)如下圖所示的調(diào)試圖。該圖為系統(tǒng)啟動時的接線圖，此時啟動指示燈亮。下圖是在自動運行狀態(tài)下，繞線程序運行時，對應的指示燈常亮，當工作結束后，指示燈熄滅。6.4本章小結本章節(jié)是在TIAPORTAL軟件中進行了硬件組態(tài)，根據(jù)規(guī)劃的順序功能圖,編寫梯形圖程序，并使用S7-PLCSIM仿真器對程序仿真調(diào)試，逐步排查程序中有問題的步驟，為之后實物調(diào)試奠定好基礎，縮短總的調(diào)試時間。

7總結與展望（1）總結隨著現(xiàn)代社會的生產(chǎn)需要，各行各業(yè)開始了用機器人代替人工這股風潮，所以在未來社會中，機器人取代人力勞動都是可以預見和可以互相操作的，往后我們的發(fā)展方向就著重于怎樣操控機器了。對于電機定子生產(chǎn)線控制系統(tǒng)來說，可以分為兩大部分，它們分別是①機器人對于物料的抓取與傳送，②由于在控制工程中對于流水線上的傳送帶操作比較多，因此系統(tǒng)整體的運行的成功與否是非常重要的。這次設計對于我之后繼續(xù)學習有關自動化方向是非常必要的，他讓我提前了解到了工業(yè)中應用最多的生產(chǎn)線的整個流程，為以后的工作打下了堅實基礎。它還讓我了解了機器人與PLC