基于PLC控制的气动实验装置设计
基于PLC控制的气动实验装置设计
本课题采用西门子公司S7-200可编程控制器，设计了气动实验台。实试验台由气缸、吸盘、接近开关、电磁阀、PLC控制面板、杆状铝材等组成。通过接近开关控制气缸行程。利用PLC控制吸盘气缸等气动执行部件自动运行，实现既定动作顺序。实验台各个模块可以自由组装和调试，通过编写PLC控制程序并调试运行，可实现多种运行目标，模拟工厂机床运行过程。为了方便PLC接线，设计了PLC控制面板。本课题所设计的实验装置模拟工厂冲床的上下料及加工过程。PLC程序采用梯形图语言编程语言编制，并运用子程序及顺控指令。
本课题所设计的实验台可以满足机械专业和机电专业学生的自主课程实验，该装置技能进行机电设备安装、PLC应用技术、电气控制技术、自动控制技术、机电一体化技术等专业知识模块的单项实训项目的教学，也能进行机电一体化设备、气动系统、自动控制系统的综合技能训练。
关键词 可编程控制器，气动试验台，气动技术
1 引言1
1.1 课题来源1
1.2 课题的研究目的和意义1
1.3 课题的内容和要求2
1.4 课题成果的要求2
1.5 课题的简介2
2 实验台设计4
2.1 实验台结构简介4
2.2 可编程控制器（PLC）8
2.3 控制系统硬件设计9
2.3.1 设计要求与步骤9
2.3.2 控制系统硬件元件选型11
2.3.3 控制系统硬件设计结果19
2.4 控制系统软件设计29
2.4.1 STEP7软件简介29
2.4.2 控制系统软件设计结果31
3 气动实验台控制系统设计实例32
3.1 实例133
3.2 实例237
3.3 实例341
结论45
致谢46
参考文献47
1 引言
气动技术是实现工业自动化的重要手段。气压传动的介质为压缩空气，环境污染小，工程实现容易，因此气压传动是一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术。气动技术在机械、化工、电子、电气、纺织、食品、包装、印刷、轻工、汽车等各个制造行业，尤其在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用，极大地提高了制造业的生产效率和产品质量。气动产业是装备制造业、工业自动化的基础性产业，更是核心技术之一。衡量一个国家的工业化先进与否，就是看它的自动化程度，看它的自动化控制的综合能力。气动技术已经经过了近30年来的不断研究与创新，几乎所有工业自动化流程的第一步设计方案都从气动技术开始的。因此，在现代工业自动化领域中，其战略意义十分重大。
气动系统的控制主要有气控、电控和混合控制。采用气动逻辑回路设计方法进行气动设计。全气控气动系统常用于易燃、易爆的场合或较简单的气动设备。在工业控制中，无论是液压或气动设备，大多采用电控。普通的继电器控制由于采用硬接线，不便更改程序，而由可编程控制器组成的控制系统，采用软接线方便生产工艺流程的更改。
控制系统的前身是现场基地式仪表和后期的继电器。随着电气控制设备，尤其是电子计算机的迅猛发展，控制技术也发生了深刻的变化。可编程序控制器技术也在飞速的进步和改进，PLC控制系统就是其中一项较为先进的控制技术。它能够适用于较为恶劣的工业环境当中,并具重量轻、体积小、性价比高等特点。采用电脑或微处理器进行智能控制，从70年代开始在冶金、化工电力、轻工、石油等工业过程应用并迅猛发展。
1．1 课题来源
课题来源于实验室，设计一种气动实验装置。以气动元件作为控制对象，采用PLC控制系统进行控制。该设备要能满足课程实验需要，又可以满足课外选修实验及创新实践功能的需要。根据该装置的控制要求，设计一电气控制系统。要求控制可靠，灵活，运行稳定。
1．2 课题的研究目的和意义
本课题是利用PLC控制系统进行控制，在实验台上，学生根据自己的设计在PLC面板上选择接线柱、开关、按钮等进行连线并布局组成回路，然后按设计要求进行PLC编程并调试，最终实现其运行。
该装置既能进行机电设备安装、PLC应用技术、电气控制技术、自动控制技术、机电一体化技术等专业知识模块的单项实训项目的教学，也能进行机电一体化设备、气动系统、自动控制系统的综合技能训练，对提升学生技能具有重要作用。
1．3 课题的内容和要求
1．参与完成气动实验装置总体设计；
2．参与完成实验装置机械部分设计；
3．完成控制系统设计及元件的选型；
4．按照毕业设计要求完成毕业设计论文。
1．4 课题成果的要求
1．运用计算机辅助设计功能完成气动原理及电控原理图的设计；
2．参与完成部分方案的研制和调试工作；
3．完成电控部分方案的设计和调试；
4．完成毕业设计说明书1份，字数达到学校的要求。
1．5 课题的简介
气动控制实验台是一种机电一体化综合性试验设备。学生可自己动手设计气动回路，用模块上提供的气动元件快速组成回路，根据工艺过程，在PC机上可以编制不同梯形图程序，并灌入PLC进行全机试验。
图1.1 实验台模块化结构示意图
1．微机编程系统
利用STEP 7 MicroWIN软件可以在普通的微机上采用梯形图编程法编制梯形图，操作者无需记忆繁杂的运行指令就能编入梯形图。在计算机屏幕上可上下滚动以便把梯形图程序全部显示出来, 因此直观性能很强, 大大提高了编程速度, 对教学及科研十分必要。
利用软件的实时仿真功能, 可将梯形图程序的所有I/O点、内存继电器、计时器、计数器等的开关状态及其数据资料在屏幕上以列表形式显示出来, 并可用键盘的输入, 改变其开关状态以测试所编入的程序能否正确运行, 即仿真。如果编入的程序有误、或需要修改程序的话, 可以随时用键盘修改程序, 因此提高了编程的速度和可靠性, 特别是直观性很强。
2．可编程序控制器(PLC)控制系统
由于利用软件在PC机上编程, 用户程序全部存储在电可擦除的只读存储器(EEPROM)内。在PC机与PLC之间用连接电缆连接后, 即可将在PC上仿真后正确无误的程序输入到PLC里。
利用软件监视功能在屏幕上来察看内外部元件和工作状态和数据;也可以强行设置/复位任何一I/O位或强行改变定时器的当前值。当微机气动控制实验台的执行元件: 气缸的工作程序不需经常改变时,也可以脱开PC机,由PLC直接控制气动执行元件按固定的程序工作。
PLC与上位机(普通的PC机)通讯,在屏幕上利用梯形图(LAD)编程语言直接编程、仿真、修改、监控,可联网通讯,直观性强,特别是与其他类型的PLC相比,价格低廉，很适合于示教设备的控制。
3．电气控制系统
是与PLC相配套的电磁换向阀—气缸—感应开关(接近开关) 等元件组成的机电一体化的控制系统,可进行单缸或多缸不同程序工作状态的试验。
气压传动由于具有一系列突出的优点,近几年来发展很快，并得到广泛的应用。微型计算机的应用更是飞速的发展，微机技术与气动控制技术的结合作为机电一体化技术的重要领域之一，微机气动控制综合性实验台，从满足教学和科研开发的双重要求出发，采用计算机编程、可编程序控制器PLC直接控制气动系统按程序工作。对于电磁换向阀控制的多缸回路, 根据其传动的设备类型不同, 可能有多种不同的工艺程序要求, 这就必须有相应的控制程序, 这正是应用PLC的特点所在。
其结构设计的特点为：
(1)气动、电气系统结构采用模块化设计，它由气动控制元件模块、气动动力元件模块(气动三大件等)、气动执行元件模块(气缸)、电气控制模块(控制按钮、显示指示灯及PLC等)等。据试验内容不同, 可组成多种气动系统，机动灵活，拆装方便，节约重复性元件。
(2)气动元件采用小功率的元件，传感器采用感应开关, 动作时由发光二极管显示, 以便程序工作时观察其动作过程。
(3)气动管路的连接采用快插式接头, 便于快速组成不同气动回路, 部分电气线路的连接也采用接插式接头, 便于快速组合电气线路。
本课题采用西门子公司S7-200可编程控制器，设计了气动实验台。实试验台由气缸、吸盘、接近开关、电磁阀、PLC控制面板、杆状铝材等组成。通过接近开关控制气缸行程。利用PLC控制吸盘气缸等气动执行部件自动运行，实现既定动作顺序。实验台各个模块可以自由组装和调试，通过编写PLC控制程序并调试运行，可实现多种运行目标，模拟工厂机床运行过程。为了方便PLC接线，设计了PLC控制面板。本课题所设计的实验装置模拟工厂冲床的上下料及加工过程。PLC程序采用梯形图语言编程语言编制，并运用子程序及顺控指令。
本课题所设计的实验台可以满足机械专业和机电专业学生的自主课程实验，该装置技能进行机电设备安装、PLC应用技术、电气控制技术、自动控制技术、机电一体化技术等专业知识模块的单项实训项目的教学，也能进行机电一体化设备、气动系统、自动控制系统的综合技能训练。
关键词 可编程控制器，气动试验台，气动技术
1 引言1
1.1 课题来源1
1.2 课题的研究目的和意义1
1.3 课题的内容和要求2
1.4 课题成果的要求2
1.5 课题的简介2
2 实验台设计4
2.1 实验台结构简介4
2.2 可编程控制器（PLC）8
2.3 控制系统硬件设计9
2.3.1 设计要求与步骤9
2.3.2 控制系统硬件元件选型11
2.3.3 控制系统硬件设计结果19
2.4 控制系统软件设计29
2.4.1 STEP7软件简介29
2.4.2 控制系统软件设计结果31
3 气动实验台控制系统设计实例32
3.1 实例133
3.2 实例237
3.3 实例341
结论45
致谢46
参考文献47
1 引言
气动技术是实现工业自动化的重要手段。气压传动的介质为压缩空气，环境污染小，工程实现容易，因此气压传动是一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术。气动技术在机械、化工、电子、电气、纺织、食品、包装、印刷、轻工、汽车等各个制造行业，尤其在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用，极大地提高了制造业的生产效率和产品质量。气动产业是装备制造业、工业自动化的基础性产业，更是核心技术之一。衡量一个国家的工业化先进与否，就是看它的自动化程度，看它的自动化控制的综合能力。气动技术已经经过了近30年来的不断研究与创新，几乎所有工业自动化流程的第一步设计方案都从气动技术开始的。因此，在现代工业自动化领域中，其战略意义十分重大。
气动系统的控制主要有气控、电控和混合控制。采用气动逻辑回路设计方法进行气动设计。全气控气动系统常用于易燃、易爆的场合或较简单的气动设备。在工业控制中，无论是液压或气动设备，大多采用电控。普通的继电器控制由于采用硬接线，不便更改程序，而由可编程控制器组成的控制系统，采用软接线方便生产工艺流程的更改。
控制系统的前身是现场基地式仪表和后期的继电器。随着电气控制设备，尤其是电子计算机的迅猛发展，控制技术也发生了深刻的变化。可编程序控制器技术也在飞速的进步和改进，PLC控制系统就是其中一项较为先进的控制技术。它能够适用于较为恶劣的工业环境当中,并具重量轻、体积小、性价比高等特点。采用电脑或微处理器进行智能控制，从70年代开始在冶金、化工电力、轻工、石油等工业过程应用并迅猛发展。
1．1 课题来源
课题来源于实验室，设计一种气动实验装置。以气动元件作为控制对象，采用PLC控制系统进行控制。该设备要能满足课程实验需要，又可以满足课外选修实验及创新实践功能的需要。根据该装置的控制要求，设计一电气控制系统。要求控制可靠，灵活，运行稳定。
1．2 课题的研究目的和意义
本课题是利用PLC控制系统进行控制，在实验台上，学生根据自己的设计在PLC面板上选择接线柱、开关、按钮等进行连线并布局组成回路，然后按设计要求进行PLC编程并调试，最终实现其运行。
该装置既能进行机电设备安装、PLC应用技术、电气控制技术、自动控制技术、机电一体化技术等专业知识模块的单项实训项目的教学，也能进行机电一体化设备、气动系统、自动控制系统的综合技能训练，对提升学生技能具有重要作用。
1．3 课题的内容和要求
1．参与完成气动实验装置总体设计；
2．参与完成实验装置机械部分设计；
3．完成控制系统设计及元件的选型；
4．按照毕业设计要求完成毕业设计论文。
1．4 课题成果的要求
1．运用计算机辅助设计功能完成气动原理及电控原理图的设计；
2．参与完成部分方案的研制和调试工作；
3．完成电控部分方案的设计和调试；
4．完成毕业设计说明书1份，字数达到学校的要求。
1．5 课题的简介
气动控制实验台是一种机电一体化综合性试验设备。学生可自己动手设计气动回路，用模块上提供的气动元件快速组成回路，根据工艺过程，在PC机上可以编制不同梯形图程序，并灌入PLC进行全机试验。
图1.1 实验台模块化结构示意图
1．微机编程系统
利用STEP 7 MicroWIN软件可以在普通的微机上采用梯形图编程法编制梯形图，操作者无需记忆繁杂的运行指令就能编入梯形图。在计算机屏幕上可上下滚动以便把梯形图程序全部显示出来, 因此直观性能很强, 大大提高了编程速度, 对教学及科研十分必要。
利用软件的实时仿真功能, 可将梯形图程序的所有I/O点、内存继电器、计时器、计数器等的开关状态及其数据资料在屏幕上以列表形式显示出来, 并可用键盘的输入, 改变其开关状态以测试所编入的程序能否正确运行, 即仿真。如果编入的程序有误、或需要修改程序的话, 可以随时用键盘修改程序, 因此提高了编程的速度和可靠性, 特别是直观性很强。
2．可编程序控制器(PLC)控制系统
由于利用软件在PC机上编程, 用户程序全部存储在电可擦除的只读存储器(EEPROM)内。在PC机与PLC之间用连接电缆连接后, 即可将在PC上仿真后正确无误的程序输入到PLC里。
利用软件监视功能在屏幕上来察看内外部元件和工作状态和数据;也可以强行设置/复位任何一I/O位或强行改变定时器的当前值。当微机气动控制实验台的执行元件: 气缸的工作程序不需经常改变时,也可以脱开PC机,由PLC直接控制气动执行元件按固定的程序工作。
PLC与上位机(普通的PC机)通讯,在屏幕上利用梯形图(LAD)编程语言直接编程、仿真、修改、监控,可联网通讯,直观性强,特别是与其他类型的PLC相比,价格低廉，很适合于示教设备的控制。
3．电气控制系统
是与PLC相配套的电磁换向阀—气缸—感应开关(接近开关) 等元件组成的机电一体化的控制系统,可进行单缸或多缸不同程序工作状态的试验。
气压传动由于具有一系列突出的优点,近几年来发展很快，并得到广泛的应用。微型计算机的应用更是飞速的发展，微机技术与气动控制技术的结合作为机电一体化技术的重要领域之一，微机气动控制综合性实验台，从满足教学和科研开发的双重要求出发，采用计算机编程、可编程序控制器PLC直接控制气动系统按程序工作。对于电磁换向阀控制的多缸回路, 根据其传动的设备类型不同, 可能有多种不同的工艺程序要求, 这就必须有相应的控制程序, 这正是应用PLC的特点所在。
其结构设计的特点为：
(1)气动、电气系统结构采用模块化设计，它由气动控制元件模块、气动动力元件模块(气动三大件等)、气动执行元件模块(气缸)、电气控制模块(控制按钮、显示指示灯及PLC等)等。据试验内容不同, 可组成多种气动系统，机动灵活，拆装方便，节约重复性元件。
(2)气动元件采用小功率的元件，传感器采用感应开关, 动作时由发光二极管显示, 以便程序工作时观察其动作过程。
(3)气动管路的连接采用快插式接头, 便于快速组成不同气动回路, 部分电气线路的连接也采用接插式接头, 便于快速组合电气线路。
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