基于PLC的FMS系统中物料搬运单元监控系统设计
基于PLC的FMS系统中物料搬运单元监控系统设计[20200209100754]
摘要：柔性制造系统（FMS）是一套以计算机对物料搬运单元进行监控为核心的，可以完成
生产、加工和储存等工作的自动化系统，已被广泛地应用于生产制造业当中。物料搬运单
元是 FMS 中首要的一环，本文对其进行了详细分析，完成了监控系统的设计。首先，我
们简单的介绍下课题的背景与意义；其次，在详细分析物料搬运单元硬件构成与功能的基
础上，给出了监控系统的硬件线路设计与接线；然后重点阐述了基于 PLC 控制程序的设计
以及人机画面的设计与组态；最后，对整个系统进行了调试。最终，调试结果表明，整个
系统的控制精度及稳定性都符合要求，达到了设计要求。
关键词：柔性制造系统 PLC 物料搬运,监控系统
*查看完整论文请+Q: 351916072
第一章 绪论.1
1.1 课题的背景. 1
1.1.1 背景. 1
1.1.2 柔性制造系统的重要性. 1
1.1.3 柔性制造系统国内外发展现状. 1
1.2 本次设计主要任务及目标. 2
1.3 本课题研究的目的与意义. 3
1.4 本文设计的主要内容及章节安排. 3
第二章 供料搬运单元的构成与功能4
2.1 供料搬运单元的基本结构. 4
2.2 料筒单元的结构与功能. 4
2.2.1 料筒单元的功能. 4
2.2.2 料筒单元的结构组成. 5
2.2.3 接近开关的结构与功能. 5
2.3 传送单元的结构与功能. 6
2.3.1 传送单元的功能. 6
2.3.2 传送单元的结构组成. 6
2.3.3 光电开关的结构与功能. 7
2.3.4 驱动装置的功能与结构. 8
2.4 机械手搬运单元的结构与功能. 9
2.4.1 夹持式机械手臂的功能与结构. 9
2.4.2 吸附式机械手臂的功能与结构. 10
2.4.3 伺服电机与驱动器的功能与结构. 11
2.4.4 机械手臂的应用意义. 14
2.4.5 限位开关. 14
2.5 接线图 15
第三章 自动搬运循环加工单元的功能与结构18
3.1 自动搬运循环加工单元的结构. 18
3.2 机械手搬运单元的结构与功能. 18
3.2.1 夹持式机械手臂的功能. 18
3.2.2 夹持式机械手臂的结构. 19
3.3 加工机床单元的功能与结构. 19
3.3.1 加工机床的各个元器件. 20
3.3.2 光电开关. 20
3.3.3 加工转头. 20
3.4 接线图 21
第四章 PLC 控制系统设计. 25
4.1 PLC 选型25
4.1.1 I/O 点数统计25
4.1.2 S7-200 的介绍25
4.1.3 S7-200 工作原理及其特点25
4.2 PLC 接线图26
4.3 搬运单元 PLC 的程序设计28
4.3.1 机械手臂、料筒和电容、电感的 I/O 分配表28
4.3.2 传送单元的接线分配表. 29
4.3.3 搬运单元的工序控制流程. 31
4.3.4 搬运单元的程序设计. 32
4.4 自动搬运循环加工单元程序设计. 33
4.4.1 自动搬运循环加工单元的接线分配图. 34
4.4.2 自动搬运循环加工单元的流程图. 35
4.4.3 自动搬运循环加工单元的程序设计. 35
第五章 监控界面设计与组态 36
5.1 MCGS 软件36
5.1.1 MCGS 组态软件的整体结构36
5.1.2 MCGS 组态软件组成部分36
5.2 组态画面的介绍. 37
5.2.1 物料搬运单元画面. 37
5.2.2 自动搬运单元循环画面. 38
5.3 监控画面设计 39
5.3.1 设备的选择. 39
5.3.2 页面绘制. 40
5.3.3 变量的连接. 40
5.4 系统的调试及注意事项. 42
5.4.1 设备调试. 42
5.4.2 注意事项. 42
第六章 总结与展望 43
6.1 总结. 43
6.2 展望. 43
参考文献.44
附录.45
致谢 84
第一章 绪论
1.1 课题的背景
1.1.1 背景
自从祖国改革开放以来，我国的经济得到了快速的发展，物价也随之节节升高。然而
随着物价的横飞，人工成本的急剧增加，这也带来了新的问题与挑战。我国是人口大国，
廉价的劳动力使得我国许多公司大多从事产品代加工的工作。但是人工成本的剧增使得这
些劳动密集型企业被迫面临裁员、搬迁偏远地方、甚至破产的命运。与此同时，伴随着招
工难的企业越来越多，一些国外先进的生产体系纷纷被引进过来，以满足不同企业生产需
求。柔性制造系统就是其中之一，它在产品搬运制造、提高效率、无人操作以降低生产成
本等方面的优势吸引了国内许多的传统企业。
1.1.2 柔性制造系统的重要性
柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，简称 FMS），由物料自动储运系统和
计算机信息物料搬运单元监控系统组合成的整体。它由统一的一组数字物料搬运单元监控
加工设备、信息物料搬运单元监控系统和物料储运系统组成。
我们一般可以从以下两个方面对它进行描述，如何能够高效率、高质量地对多种零件
进行加工：
（1）是一个计算机物料搬运单元监控的生产系统；
（2）这些机床通过物料输送系统联成一体。
1.1.3 柔性制造系统发展现状
在 1954 年，美国麻省理工学院制造出来第一台数字物料搬运单元监控铣床，这使得
机械加工行业的发展得到了历史性的突破。
1.2 本次设计主要任务及目标
物料搬运单元是 FMS 系统的核心部分，其设计是否精妙将直接影响到公司的生产率。
任何企业生产产品都是从物料搬运开始的，可以说，没有物料搬运单元就没有整条 FMS
生产流水线。本文中，将着重、详细地阐述物料搬运单元的设计
物料搬运监控系统是用自动化机构代替人手完成物料的选取、搬运以及加工的自动化
装置，在国外已得到广泛应用。目前，随着人力成本的不断增加，不少国内企业也纷纷开
始引进物料搬运监控系统代替人工，以达到降低生产成本的目的。物料搬运监控系统的结
构主要包括机械手搬运机构、传送带选取物料机构、加工机构以及触摸屏监控机构。目前
市场上的物料搬运监控系统大多采用 PLC 来控制，涉及传感器、步进电机、机械手臂等。
具有很强的代表性，是工业设备中的典型控制对象。
本毕业设计课题以昆山巨林科教实业有限公司生产的基于 PLC 的 FMS 系统物料搬运
单元监控装置为控制对象，以高效率、全自动和性能稳定为控制目标，完成整个控制系统
设计。本文中控制器采用性价比较高的西门子 PLC 来实现，步进电机采用和信公司生产的 M Serie 0.2KW，
触摸屏则采用了北京昆仑通态 TPC7602K 人机界面。
1.3 本课题研究的目的与意义
目的
本课题所选被控对象为物料搬运监控系统，这在工业自动化生产应用中是一个经典的
案例。物料搬运监控系统具备可靠性高、性价比高、效率高等优点，在自动化搬运、加工
的电子行业、机械行业等各行业得到了广泛的应用。随着现代化建设时代的到来，自动化
在各行各业中发挥了重要的作用，自动化生产线也在不断的增多，本课题研制的物料搬运
监控系统及其产业化生产的前景是非常宏大的。
意义
将自己大学四年所学的基础理论知识，通过此次电气控制系统的设计，应用到实际实
践生产中，与此同时，培养基本的分析和解决实际问题的能力。进行 PLC 系统开发、综合
训练触摸屏的使用，从而达到能够进行 PLC、触摸屏系统设计的目的。
1.4 本文设计的主要内容及章节安排
第一章：绪论，介绍物料搬运单元监控系统的研究背景，突出本课题研究的目的及意
义，最后阐述本系统的设计的主要任务及目标。
第二章：供料搬运单元的结构与功能，将系统装置分成五个部分进行讲解，分别介绍
了各个部分的组成及功能，并详细地说明了伺服电机与驱动器的原理以及夹持式机械臂的
设计。
第三章：自动搬运循环加工单元的结构与功能，将系统装置分成四个部分进行讲解，
分别介绍了各个部分的组成及功能，并详细地说明了四个加工工位。
第四章：PLC 控制系统设计，介绍了用什么编程软件控制系统以及原因。详细地分析
了各个部分的各执行机构程序的设计。
第五章：人机界面控制程序设计，通过触摸屏，可以显示各个部分运行的状态以及远
程对系统进行监控。
第六章：总结与展望，对于本系统在设计过程中所遇到的问题以及解决方案进行阐述，
并对 FMS 系统在未来发展光明前景的进行叙述。
摘要：柔性制造系统（FMS）是一套以计算机对物料搬运单元进行监控为核心的，可以完成
生产、加工和储存等工作的自动化系统，已被广泛地应用于生产制造业当中。物料搬运单
元是 FMS 中首要的一环，本文对其进行了详细分析，完成了监控系统的设计。首先，我
们简单的介绍下课题的背景与意义；其次，在详细分析物料搬运单元硬件构成与功能的基
础上，给出了监控系统的硬件线路设计与接线；然后重点阐述了基于 PLC 控制程序的设计
以及人机画面的设计与组态；最后，对整个系统进行了调试。最终，调试结果表明，整个
系统的控制精度及稳定性都符合要求，达到了设计要求。
关键词：柔性制造系统 PLC 物料搬运,监控系统
*查看完整论文请+Q: 351916072
第一章 绪论.1
1.1 课题的背景. 1
1.1.1 背景. 1
1.1.2 柔性制造系统的重要性. 1
1.1.3 柔性制造系统国内外发展现状. 1
1.2 本次设计主要任务及目标. 2
1.3 本课题研究的目的与意义. 3
1.4 本文设计的主要内容及章节安排. 3
第二章 供料搬运单元的构成与功能4
2.1 供料搬运单元的基本结构. 4
2.2 料筒单元的结构与功能. 4
2.2.1 料筒单元的功能. 4
2.2.2 料筒单元的结构组成. 5
2.2.3 接近开关的结构与功能. 5
2.3 传送单元的结构与功能. 6
2.3.1 传送单元的功能. 6
2.3.2 传送单元的结构组成. 6
2.3.3 光电开关的结构与功能. 7
2.3.4 驱动装置的功能与结构. 8
2.4 机械手搬运单元的结构与功能. 9
2.4.1 夹持式机械手臂的功能与结构. 9
2.4.2 吸附式机械手臂的功能与结构. 10
2.4.3 伺服电机与驱动器的功能与结构. 11
2.4.4 机械手臂的应用意义. 14
2.4.5 限位开关. 14
2.5 接线图 15
第三章 自动搬运循环加工单元的功能与结构18
3.1 自动搬运循环加工单元的结构. 18
3.2 机械手搬运单元的结构与功能. 18
3.2.1 夹持式机械手臂的功能. 18
3.2.2 夹持式机械手臂的结构. 19
3.3 加工机床单元的功能与结构. 19
3.3.1 加工机床的各个元器件. 20
3.3.2 光电开关. 20
3.3.3 加工转头. 20
3.4 接线图 21
第四章 PLC 控制系统设计. 25
4.1 PLC 选型25
4.1.1 I/O 点数统计25
4.1.2 S7-200 的介绍25
4.1.3 S7-200 工作原理及其特点25
4.2 PLC 接线图26
4.3 搬运单元 PLC 的程序设计28
4.3.1 机械手臂、料筒和电容、电感的 I/O 分配表28
4.3.2 传送单元的接线分配表. 29
4.3.3 搬运单元的工序控制流程. 31
4.3.4 搬运单元的程序设计. 32
4.4 自动搬运循环加工单元程序设计. 33
4.4.1 自动搬运循环加工单元的接线分配图. 34
4.4.2 自动搬运循环加工单元的流程图. 35
4.4.3 自动搬运循环加工单元的程序设计. 35
第五章 监控界面设计与组态 36
5.1 MCGS 软件36
5.1.1 MCGS 组态软件的整体结构36
5.1.2 MCGS 组态软件组成部分36
5.2 组态画面的介绍. 37
5.2.1 物料搬运单元画面. 37
5.2.2 自动搬运单元循环画面. 38
5.3 监控画面设计 39
5.3.1 设备的选择. 39
5.3.2 页面绘制. 40
5.3.3 变量的连接. 40
5.4 系统的调试及注意事项. 42
5.4.1 设备调试. 42
5.4.2 注意事项. 42
第六章 总结与展望 43
6.1 总结. 43
6.2 展望. 43
参考文献.44
附录.45
致谢 84
第一章 绪论
1.1 课题的背景
1.1.1 背景
自从祖国改革开放以来，我国的经济得到了快速的发展，物价也随之节节升高。然而
随着物价的横飞，人工成本的急剧增加，这也带来了新的问题与挑战。我国是人口大国，
廉价的劳动力使得我国许多公司大多从事产品代加工的工作。但是人工成本的剧增使得这
些劳动密集型企业被迫面临裁员、搬迁偏远地方、甚至破产的命运。与此同时，伴随着招
工难的企业越来越多，一些国外先进的生产体系纷纷被引进过来，以满足不同企业生产需
求。柔性制造系统就是其中之一，它在产品搬运制造、提高效率、无人操作以降低生产成
本等方面的优势吸引了国内许多的传统企业。
1.1.2 柔性制造系统的重要性
柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，简称 FMS），由物料自动储运系统和
计算机信息物料搬运单元监控系统组合成的整体。它由统一的一组数字物料搬运单元监控
加工设备、信息物料搬运单元监控系统和物料储运系统组成。
我们一般可以从以下两个方面对它进行描述，如何能够高效率、高质量地对多种零件
进行加工：
（1）是一个计算机物料搬运单元监控的生产系统；
（2）这些机床通过物料输送系统联成一体。
1.1.3 柔性制造系统发展现状
在 1954 年，美国麻省理工学院制造出来第一台数字物料搬运单元监控铣床，这使得
机械加工行业的发展得到了历史性的突破。
1.2 本次设计主要任务及目标
物料搬运单元是 FMS 系统的核心部分，其设计是否精妙将直接影响到公司的生产率。
任何企业生产产品都是从物料搬运开始的，可以说，没有物料搬运单元就没有整条 FMS
生产流水线。本文中，将着重、详细地阐述物料搬运单元的设计
物料搬运监控系统是用自动化机构代替人手完成物料的选取、搬运以及加工的自动化
装置，在国外已得到广泛应用。目前，随着人力成本的不断增加，不少国内企业也纷纷开
始引进物料搬运监控系统代替人工，以达到降低生产成本的目的。物料搬运监控系统的结
构主要包括机械手搬运机构、传送带选取物料机构、加工机构以及触摸屏监控机构。目前
市场上的物料搬运监控系统大多采用 PLC 来控制，涉及传感器、步进电机、机械手臂等。
具有很强的代表性，是工业设备中的典型控制对象。
本毕业设计课题以昆山巨林科教实业有限公司生产的基于 PLC 的 FMS 系统物料搬运
单元监控装置为控制对象，以高效率、全自动和性能稳定为控制目标，完成整个控制系统
设计。本文中控制器采用性价比较高的西门子 PLC 来实现，步进电机采用和信公司生产的 M Serie 0.2KW，
触摸屏则采用了北京昆仑通态 TPC7602K 人机界面。
1.3 本课题研究的目的与意义
目的
本课题所选被控对象为物料搬运监控系统，这在工业自动化生产应用中是一个经典的
案例。物料搬运监控系统具备可靠性高、性价比高、效率高等优点，在自动化搬运、加工
的电子行业、机械行业等各行业得到了广泛的应用。随着现代化建设时代的到来，自动化
在各行各业中发挥了重要的作用，自动化生产线也在不断的增多，本课题研制的物料搬运
监控系统及其产业化生产的前景是非常宏大的。
意义
将自己大学四年所学的基础理论知识，通过此次电气控制系统的设计，应用到实际实
践生产中，与此同时，培养基本的分析和解决实际问题的能力。进行 PLC 系统开发、综合
训练触摸屏的使用，从而达到能够进行 PLC、触摸屏系统设计的目的。
1.4 本文设计的主要内容及章节安排
第一章：绪论，介绍物料搬运单元监控系统的研究背景，突出本课题研究的目的及意
义，最后阐述本系统的设计的主要任务及目标。
第二章：供料搬运单元的结构与功能，将系统装置分成五个部分进行讲解，分别介绍
了各个部分的组成及功能，并详细地说明了伺服电机与驱动器的原理以及夹持式机械臂的
设计。
第三章：自动搬运循环加工单元的结构与功能，将系统装置分成四个部分进行讲解，
分别介绍了各个部分的组成及功能，并详细地说明了四个加工工位。
第四章：PLC 控制系统设计，介绍了用什么编程软件控制系统以及原因。详细地分析
了各个部分的各执行机构程序的设计。
第五章：人机界面控制程序设计，通过触摸屏，可以显示各个部分运行的状态以及远
程对系统进行监控。
第六章：总结与展望，对于本系统在设计过程中所遇到的问题以及解决方案进行阐述，
并对 FMS 系统在未来发展光明前景的进行叙述。
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