渦輪增壓器組件的裝配與檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目 渦輪增壓器組件的裝配與檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院 電氣與自動化工程學(xué)院 </p><p>　　年 級 2011級 專 業(yè) 自動化 </p><p>　　班 級 自動化113 學(xué)

2、號 160111126 </p><p>　　學(xué)生姓名 俞雷 </p><p>　　校內(nèi)導(dǎo)師 毛麗民 職 稱 實(shí)驗(yàn)師 </p><p>　　校外導(dǎo)師 朱廣海 職 稱 工程師 </p><p>　　論文提交日期

3、 2015-05-12 </p><p>　　常熟理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)誠信承諾書</p><p>　　本人鄭重聲明： 所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識

4、到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。</p><p>　　常熟理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用授權(quán)說明</p><p>　　本人完全了解常熟理工學(xué)院有關(guān)收集、保留和使用畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的規(guī)定，即：本科生在校期間進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬常熟理工學(xué)院。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)被查閱和借閱；學(xué)?？梢詫厴I(yè)設(shè)計(jì)(論文)的全部或部分內(nèi)

5、容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），并且本人電子文檔和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。</p><p>　　保密的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)在解密后遵守此規(guī)定。</p><p>　　渦輪增壓器組件的裝配與檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　渦輪增壓

6、器作為提高功率、節(jié)能減排的裝置，正被越來越多的應(yīng)用到各種各樣的現(xiàn)代汽車中，正因?yàn)槿绱?，對渦輪增壓器的需求量也越來越大。</p><p>　　針對這樣的現(xiàn)狀，提高對渦輪增壓器的裝配效率以及裝配質(zhì)量必將成為渦輪增壓器裝配最為重要的課題。為了提高裝配系統(tǒng)對裝配流程變化的適應(yīng)能力，加強(qiáng)裝配系統(tǒng)的可靠性，本設(shè)計(jì)將結(jié)合渦輪增壓器裝配的特點(diǎn)，集成應(yīng)用S7-300PLC、OPC、PROFIBUS-DP、Ethernet、LabV

7、iew、工業(yè)控制機(jī)以及圖像處理等相關(guān)技術(shù)。設(shè)計(jì)出對渦輪增壓器組件的裝配與檢測系統(tǒng)，以高效地實(shí)現(xiàn)裝配任務(wù)。</p><p>　　經(jīng)實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)有助于提高裝配效率以及質(zhì)量，有效地降低了生產(chǎn)的成本，間接地提高了產(chǎn)業(yè)效益。該設(shè)計(jì)也在實(shí)際應(yīng)用過程中滿足了現(xiàn)實(shí)需求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：渦輪增壓器 S7-300PLC LabView OPC PROFIBUS-DP 圖像處理<

8、;/p><p>　　A Design of Assembly and Testing System of Turbocharger Components</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Turbocharger as a device to improve the power, energy saving

9、and emission reduction, is being applied more and more to a variety of modern car. Because of this, the demand for the turbocharger is also growing. </p><p>　　In view of this situation, to improve efficiency

10、 and quality of turbocharger assembly will become the most important issue for the turbocharger assembly. In order to improve the system to adapt to changes in the assembly process capability and strengthen the reliabili

11、ty of assembly systems, this design will combine the characteristics of the turbocharger assembly, integrated and applied S7-300PLC, OPC, PROFIBUS-DP, Ethernet, LabView, industrial control machine and image processing an

12、d other rela</p><p>　　The practice proved that the design is helpful to improve assembly efficiency and quality, effectively reduce the cost of production, and indirectly improve the industrial efficiency. I

13、n the actual application process, the design meets the practical needs.</p><p>　　Key words: Turbocharger; S7-300PLC; LabView; OPC; PROFIBUS-DP ;image processing</p><p><b>　　目錄</b><

14、;/p><p><b>　　1.緒論8</b></p><p>　　1.1 研究背景8</p><p>　　1.2 研究意義9</p><p>　　1.3 研究的主要內(nèi)容9</p><p>　　1.4本章小結(jié)10</p><p>　　2. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)11</

15、p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述11</p><p>　　2.2 系統(tǒng)裝配組件介紹11</p><p>　　2.3 系統(tǒng)工作流程12</p><p>　　2.2 本章小結(jié)13</p><p>　　3.系統(tǒng)硬件介紹14</p><p>　　3.1 S7-300PLC介紹14</p

16、><p>　　3.1.1 工作原理14</p><p>　　3.1.2 組成部分14</p><p>　　3.1.3 特點(diǎn)15</p><p>　　3.2 Rexroth電動螺絲刀系統(tǒng)16</p><p>　　3.2.1 電動螺絲刀16</p><p>　　3.2.2 螺絲刀控制器16&

17、lt;/p><p>　　3.3 SMC電磁閥島18</p><p>　　3.4 IAI電缸及控制器18</p><p>　　3.4.1 電缸控制器18</p><p>　　3.4.2 電缸19</p><p>　　3.5本章小結(jié)20</p><p><b>　　4.硬件設(shè)計(jì)21

18、</b></p><p>　　4.1系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)框圖21</p><p>　　4.2 S7-300PLC控制器I/O設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.2.1 S7-300PLC數(shù)字I/O分配表21</p><p>　　4.2.2 S7-300PLC的接線圖22</p><p>　　4.3 電缸控制系

19、統(tǒng)設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.3.1 電缸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析24</p><p>　　4.3.2 電缸控制器接線24</p><p>　　4.3.3 電缸控制器的設(shè)置與地址分配25</p><p>　　4.4 螺絲刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.4.1 螺絲刀系統(tǒng)通信27</p>

20、<p>　　4.4.2 螺絲刀控制器操作27</p><p>　　4.5 本章小結(jié)32</p><p>　　5．系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)33</p><p>　　5.1系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)33</p><p>　　5.2 OPC通信介紹34</p><p>　　5.3 Profibus-DP現(xiàn)場總線34&l

21、t;/p><p>　　5.4 Ethernet通信35</p><p>　　5.5 本章小結(jié)35</p><p>　　6.人機(jī)界面與檢測技術(shù)設(shè)計(jì)36</p><p>　　6.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)36</p><p>　　6.1.1 人機(jī)界面概念介紹36</p><p>　　6.1.2 人機(jī)界面

22、展示36</p><p>　　6.1.3 PLC與HMI通訊38</p><p>　　6.1.4 PLC與HMI數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)有無檢測39</p><p>　　6.2 檢測技術(shù)設(shè)計(jì)40</p><p>　　6.2.1 有無檢測40</p><p>　　6.2.2 尺寸檢測40</p><p&g

23、t;　　6.4 本章小結(jié)41</p><p>　　7.總結(jié)與展望42</p><p><b>　　7.1 總結(jié)42</b></p><p><b>　　7.2 展望42</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p>

24、<b>　　附錄44</b></p><p>　　附錄一 系統(tǒng)氣路圖44</p><p>　　附錄二 系統(tǒng)主電源回路設(shè)計(jì)圖45</p><p>　　附錄三 系統(tǒng)實(shí)物圖47</p><p><b>　　致謝48</b></p><p><b>　　1.緒論&

25、lt;/b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　渦輪增壓器是一種利用內(nèi)燃機(jī)運(yùn)作所產(chǎn)生的廢氣通過由定子和轉(zhuǎn)子組成的結(jié)構(gòu)驅(qū)動之空氣壓縮機(jī)。與機(jī)械增壓器功能相若，兩者都可增加進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)或鍋爐的空氣流量，從而令機(jī)器效率提升。常見用于汽車引擎中，透過利用排出廢氣的熱量及流量，渦輪增壓器能提升內(nèi)燃機(jī)的馬力輸出。</p>

26、<p>　　自從上世紀(jì)初渦輪增壓出現(xiàn)以來，掀開了內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上的新篇章。在提高內(nèi)燃機(jī)的比功率和燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放等方面，渦輪增壓技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，被譽(yù)為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上的第二個(gè)里程碑。盡管最初在車用發(fā)動機(jī)上是否采用渦輪增壓曾產(chǎn)生過廣泛爭論，但是隨著渦輪增壓器效率的提高和匹配技術(shù)的發(fā)展，60年代渦輪增壓開始在車用發(fā)動機(jī)領(lǐng)域得到廣泛使用。特別是上世紀(jì)70年代汽油機(jī)增壓技術(shù)取得突破后，渦輪增壓更是得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，至今依然保

27、持著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。目前，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)的重型柴油機(jī)已100%采用增壓器，中小型汽車柴油機(jī)采用增壓器達(dá)80%，最明顯的是轎車柴油機(jī)和汽油機(jī)越來越多地采用渦輪增壓。而國內(nèi)目前汽車發(fā)動機(jī)的增壓化率還很低，主要是在一些大中型汽車柴油機(jī)上采用，輕型車也有部分采用增壓發(fā)動機(jī)，例如南京Iveco采用的Sofim發(fā)動機(jī)裝備的就是K14型增壓器。但是近幾年，國內(nèi)增壓器市場發(fā)展很快，自89年以來，我國增壓器需求約以每年30%的速度遞增。根據(jù)

28、我國汽車發(fā)動機(jī)市場現(xiàn)狀和2000年汽車發(fā)展規(guī)劃設(shè)想，到2000年主機(jī)配套和維修配件及出口的增壓器之和約為115萬臺。因此，渦輪增壓技術(shù)在車用發(fā)</p><p>　　隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，市場競爭和環(huán)境保護(hù)對車用發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性以及廢氣、噪聲排放等方面提出了越來越高的要求，因而也就促使渦輪增壓技術(shù)不斷向更高水平發(fā)展。為適應(yīng)這種要求，不但需要發(fā)展各種增壓系統(tǒng)，更重要的是研究出效率高、流量范圍廣、與發(fā)動機(jī)匹配良

29、好的渦輪增壓器。隨著研究的不斷深入，渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，加上如今國內(nèi)家用汽車市場不斷擴(kuò)大，對于渦輪增壓器的生產(chǎn)提出了新要求——提高生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本。</p><p><b>　　1.2 研究意義</b></p><p>　　近年來發(fā)動機(jī)所使用的渦輪增壓技術(shù)越來越得應(yīng)用到許多類型的汽車上，隨之而來的是市場對渦輪增壓器的大量需求。更何況渦輪增壓器具有以下優(yōu)點(diǎn):&

30、lt;/p><p>　　1.提高發(fā)動機(jī)升功率。在發(fā)動機(jī)排量不變的情況下可以通過增加進(jìn)氣密度，讓發(fā)動機(jī)可以多噴油，從而提高發(fā)動機(jī)的功率，加裝增壓器后的發(fā)動機(jī)的功率及扭矩要增大20%~30%。反之在同樣的功率輸出的要求下可以降低發(fā)動機(jī)的缸徑，縮小發(fā)動機(jī)的體積和重量。部分高海拔地區(qū)，海拔越高，空氣越稀薄，帶渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)就可以克服因高原空氣稀薄導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)的功率下降。</p><p>　　2.提

31、到燃燒率。渦輪增壓器發(fā)動機(jī)通過改善發(fā)動機(jī)的燃燒效率，減少發(fā)動機(jī)廢氣中顆粒物和氮氧化物等有害成分的排量。渦輪增壓器是柴油發(fā)動機(jī)達(dá)到歐二以上排放標(biāo)準(zhǔn)不可缺少的配置。提供高原補(bǔ)償?shù)墓δ堋?lt;/p><p>　　3.提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低油耗。由于帶渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)燃燒性能更好，可以節(jié)省燃油3%-5%。為了給渦輪增壓器的組裝設(shè)計(jì)更加高效的自動化生產(chǎn)設(shè)備，因此設(shè)計(jì)汽車渦輪增壓器組件的組裝系統(tǒng)，用以提高渦輪增壓器的生產(chǎn)效率、產(chǎn)

32、品合格率、降低生產(chǎn)成本。</p><p>　　隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，渦輪增壓器應(yīng)用的越來越廣泛，市場對渦輪增壓器的需求也越來越大，面對市場的需求，催生了對于渦輪增壓器加速生產(chǎn)，提高產(chǎn)品合格率的需求。所以研究渦輪增壓器的裝配與檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要！</p><p>　　1.3 研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題基于自動化控制技術(shù)以及測試與檢測技術(shù)設(shè)計(jì)一種渦輪

33、增壓器組件的裝配與檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用來實(shí)現(xiàn)渦輪增壓器組件的組裝，包括SWA、CH、Bearing、TSA、Pin、Shroud的檢測與組裝。汽車渦輪增壓器組件的裝配與檢測系統(tǒng)以S7-300PLC為控制核心，以LabVIEW為上位機(jī)，用西門子觸摸屏控制整個(gè)流程的執(zhí)行。整個(gè)系統(tǒng)大致可以分為視覺檢測部分，渦輪增壓器裝配部分，位移傳感器校準(zhǔn)部分，三部分完成渦輪增壓器的檢測與組裝。按照上述對于該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的介紹，對論文內(nèi)容分為下述幾章來詳述。<

34、;/p><p>　　第一章為緒論，主要介紹了本設(shè)計(jì)的研究背景、研究意義以及研究的主要內(nèi)容，并概述了設(shè)計(jì)報(bào)告的章節(jié)安排。</p><p>　　第二章進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的介紹，將經(jīng)過根據(jù)生產(chǎn)裝配要求而研討論證的方案進(jìn)行敘述，并介紹了系統(tǒng)的裝配組件以及系統(tǒng)工作的流程。</p><p>　　第三章介紹了系統(tǒng)的部分硬件設(shè)備，這些設(shè)備將擔(dān)負(fù)設(shè)備運(yùn)行的重任。</p><

35、p>　　第四章主要講述了關(guān)于硬件部分的設(shè)計(jì)情況，包含了整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、主控制器I/0分配，以及詳述關(guān)于對電缸的控制和螺絲刀系統(tǒng)的控制。</p><p>　　第五章將主要敘述了關(guān)于系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行敘述，并具體介紹OPC技術(shù)、Profibus-DP總線以及Ethernet通信。這些通信構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的脈絡(luò)。</p><p>　　第六章以控制界面以及檢測技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行描述

36、，并對主要運(yùn)用的圖像處理技術(shù)進(jìn)行敘述，以及講述HMI的設(shè)計(jì)。</p><p>　　第七章總結(jié)與展望，對本次設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，并對還可完善之處進(jìn)行展望。</p><p><b>　　1.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先對渦輪增壓器進(jìn)行了介紹，通過對其背景與研究的意義進(jìn)行的深入了解，認(rèn)識到對于提高渦輪增壓器的生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本的重

37、要性。這對本次設(shè)計(jì)的必要性有了更加清晰的認(rèn)識。針對本設(shè)計(jì)也做了論文敘述的行文安排。</p><p><b>　　2. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述</p><p>　　該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分：</p><p>　　1．作為整個(gè)裝配系統(tǒng)的控制核心S7-300PLC，通過控制螺絲刀

38、以及電缸與氣缸的運(yùn)動負(fù)責(zé)控制渦輪增壓器的各個(gè)組件的安裝。其中對于螺絲刀的控制，是通過對螺絲刀控制器進(jìn)行控制；對于電缸的控制，是通過對電缸控制器進(jìn)行控制；對于氣缸的控制，是通過閥島進(jìn)行控制。同時(shí)，S7-300PLC通過多種傳感器傳感器進(jìn)行探孔、校準(zhǔn)等工作。</p><p>　　2. 作為整個(gè)檢測系統(tǒng)的控制核心LabView，通過工業(yè)相機(jī)對渦輪增壓器組件進(jìn)行拍照與所建立好的模板進(jìn)行匹配檢測。整個(gè)檢測過程主要運(yùn)用了圖像

39、處理等相關(guān)知識。并將檢測結(jié)果告知S7-300PLC。在系統(tǒng)完成裝配與檢測工作后，控制打印機(jī)打印相關(guān)條形碼。</p><p>　　3. 整個(gè)系統(tǒng)的通信方式，主要分為PROFIBUS-DP通信以及Ethernet通信方式,并采用OPC技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中S7-300PLC與電缸控制器、螺絲刀控制器、觸摸屏HMI、閥島之間通過DP總線進(jìn)行通信，而工業(yè)控制機(jī)與S7-300PLC之間則是通過網(wǎng)線連接進(jìn)行OPC通信。<

40、;/p><p>　　2.2 系統(tǒng)裝配組件介紹</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)組裝以下這些渦輪增壓器的組件（系統(tǒng)裝配組件示意圖如下圖所示）：</p><p>　　軸承（Bearing）</p><p>　　護(hù)罩（Shroud）</p><p>　　活塞環(huán)（Piston Ring 簡稱Ring）</p><

41、p>　　定位栓（Pin Locating簡稱Pin）</p><p>　　中心殼體（Center Housing 簡稱CH）</p><p>　　軸輪組件（Shaft Wheel Assembly簡稱：SWA）</p><p>　　推入式定位組件（Thrust Spacer Assembly簡稱：TSA）</p><p>　　圖2.1

42、系統(tǒng)裝配組件示意圖</p><p>　　2.3 系統(tǒng)工作流程</p><p>　　將設(shè)備上電，下載設(shè)備所生產(chǎn)產(chǎn)品的參數(shù)，按復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位操作。將放置SWA、CH、Bearing、TSA、PIN在相應(yīng)夾具上。用位移傳感器檢測Shroud是否正確,夾具檢測SWA直徑與否。按雙手按鈕（啟動按鈕），用位移傳感器檢測Shroud的直徑是否正確，將正確的Shroud放置在CH上。按啟動按鈕，相機(jī)1拍

43、照檢測SWA，相機(jī)2檢測shroud是否放置在CH上，相機(jī)3檢測pin。一切均正確無誤后，取下SWA，按單手按鈕，X1/Z1電缸走位置（SWA夾具運(yùn)動至CH正下方），放置SWA，氣缸下壓。X1/Z1電缸分別運(yùn)動至Bearing、TSA檢測位，相機(jī)1進(jìn)行檢測。無誤后，X1/Z1電缸運(yùn)動將Bearing插入CH，X2/Y1電缸運(yùn)動進(jìn)行探孔，再次運(yùn)動并進(jìn)行打螺絲，最后將TSA插入CH，完成后打印電缸、氣缸進(jìn)行回初始位置狀態(tài)，打印條碼，完成此次

44、流程。系統(tǒng)工作流程如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 系統(tǒng)工作流程圖</p><p><b>　　2.2 本章小結(jié)</b></p><p>　　通過研究生產(chǎn)要求，針對生產(chǎn)過程并經(jīng)過多次修改論證后進(jìn)行上述設(shè)計(jì)方案，在這過程中對整個(gè)設(shè)計(jì)的流程更加清楚，在編寫程序時(shí)也將更加得心應(yīng)手。對于后面的調(diào)試工作也有著巨大幫助。也為真正實(shí)現(xiàn)后面的設(shè)計(jì)

45、工作提供了最為重要的理論基礎(chǔ)。</p><p><b>　　3.系統(tǒng)硬件介紹</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用S7-300PLC作為控制核心，通過DP總線方式控制電缸控制器、閥島以及螺絲刀控制器來實(shí)現(xiàn)對渦輪增壓器組件的裝配。在本章中將會對S7-300PLC、電缸、氣缸、電缸控制器、閥島、以及螺絲刀控制器進(jìn)行簡單介紹。</p><p>　　

46、3.1 S7-300PLC介紹</p><p>　　S7-300是德國西門子公司生產(chǎn)的可編程序控制器(PLC)系列產(chǎn)品之一。其模塊化結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及性價(jià)比高、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動沖擊性能好，使其在廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域中，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。S7-300在本系統(tǒng)中起核心控制作用。S7-300PLC如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 S7-300PLC&

47、lt;/p><p>　　3.1.1 工作原理</p><p>　　PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OB1 是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。在起動完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1 中可以調(diào)用其它邏輯塊(FB, SFB, FC 或SFC)。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。在循環(huán)程序處理過程中，CPU 并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址

48、區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU 內(nèi)部的輸入/輸出過程映像區(qū)（在CPU的系統(tǒng)存儲區(qū)）。</p><p>　　3.1.2 組成部分</p><p>　　西門子s7-300的基本組成部件有如下幾部分：</p><p>　　1.電源模塊（PS）：將市電電壓（AC120/230V）轉(zhuǎn)換為DC24V，為CPU和24V直流負(fù)載電路（信號模塊、傳感器、執(zhí)行器等）提供直流電源。輸出電

49、流有2A、5A、10A三種</p><p>　　2.CPU模塊：各種CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有數(shù)字量和模擬量輸入/輸出點(diǎn)，有的CPU集成有PROFIBUS－DP等通信接口。CPU前面板上有狀態(tài)故障指示燈、模式開關(guān)、24V電源端子、電池盒與存儲器模塊盒（有的CPU沒有）</p><p>　　3.信號模塊（SM）：（1）數(shù)字量輸入模塊：24V DC，120/230V AC；（2）

50、數(shù)字量輸出模塊：24V DC，繼電器（3）模擬量輸入模塊：電壓，電流，電阻，熱電偶（4）模擬量輸出模塊：電壓，電流</p><p>　　4.功能模塊 (FM)：功能模塊主要用于對時(shí)間要求苛刻、存儲器容量要求較大的過程信號處理任務(wù)。</p><p>　　5.計(jì)數(shù)：計(jì)數(shù)器模塊</p><p>　　6.定位：快速/慢速進(jìn)給驅(qū)動位置控制模塊、電子凸輪控制器模塊、步進(jìn)電動機(jī)定

51、位模塊、伺服電動機(jī)定位模塊等</p><p>　　7.閉環(huán)控制：閉環(huán)控制模塊</p><p>　　8.工業(yè)標(biāo)識系統(tǒng)：接口模塊、稱重模塊、位置輸入模塊、超聲波位置解碼器等。</p><p>　　9.接口模塊 (IM)：接口模塊用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架（CR）和擴(kuò)展機(jī)架（ER）。S7－300通過分布式的主機(jī)架和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，最多可以配置32個(gè)信號模塊、功能模塊和通信處

52、理器。</p><p>　　10.通訊處理器(CP)：擴(kuò)展中央處理單元的通訊任務(wù),其接網(wǎng)方式：點(diǎn)到點(diǎn)連接；PROFIBUS；工業(yè)以太網(wǎng)。</p><p><b>　　3.1.3 特點(diǎn)</b></p><p>　　? 循環(huán)周期短、處理速度高</p><p>　　? 指令集功能強(qiáng)大（包含350多條指令），可用于復(fù)雜功能<

53、;/p><p>　　? 產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊，可用于空間有限的場合</p><p>　　? 模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)更加靈活</p><p>　　? 有不同性能檔次的CPU模塊可供選用</p><p>　　? 功能模塊和I/O模塊可選擇</p><p>　　? 有可在露天惡劣條件下使用的模塊類</p><p>　　

54、3.2 Rexroth電動螺絲刀系統(tǒng)</p><p>　　基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線，如 Ethernet/IP、ModbusTCP 和 PROFINET。帶有依照 IEC 61131-3 集成的自由可編程邏輯的擰緊系統(tǒng)可為用戶對整個(gè)擰緊過程提供無數(shù)自動化選項(xiàng)。Rexroth電動螺絲刀系統(tǒng)可以輕松地集成到整個(gè)系統(tǒng)中。Rexroth電動螺絲刀系統(tǒng)的操作軟件保證所有擰緊過程編程清晰且方便，并提供多個(gè)診斷和測試功能。<

55、/p><p>　　3.2.1 電動螺絲刀</p><p>　　Rexroth電動螺絲刀配置有控制器。裝有調(diào)節(jié)和限制扭矩的機(jī)構(gòu)，用于擰緊和旋松螺釘用的電動工具。該電動工具，主要用于裝配線，是大部分生產(chǎn)企業(yè)必備的工具之一。電動螺絲刀作為機(jī)械部件，正常工作離不開電源，電批電源為電動螺絲刀提供能量及相關(guān)控制功能。 帶動馬達(dá)的轉(zhuǎn)動。由于電動螺絲刀馬達(dá)的參數(shù)不一樣，在電批電源輸出同等功率的情況下，轉(zhuǎn)速會不

56、一樣。電動螺絲刀分為：直桿式，手槍式，安裝式三類，本項(xiàng)目中采用直桿式。</p><p>　　Rexroth電動螺絲刀有如下特點(diǎn):</p><p>　　(1)高品質(zhì)，高可用性</p><p>　　ErgoSpin手持扳手和力士樂的緊縮主軸的在更多的耐力測試，測試在超過一百萬tightenings滿載無需維護(hù)。</p><p>　　(2) Rex

57、roth電動螺絲刀系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)可靠的緊縮過程。</p><p>　　清晰的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化操作和顯示的排列單位，方便，靈活的參數(shù)化。從控制器到該工具允許直觀的操作。安全調(diào)試增加，對新的任務(wù)適應(yīng)的靈活性。</p><p>　　3.2.2 螺絲刀控制器</p><p>　　Rexroth電動螺絲刀系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)所有重要的擰緊和監(jiān)控功能，例如扭矩、轉(zhuǎn)向角、屈服點(diǎn)和擰緊監(jiān)控，有助于

58、安全地控制螺栓連接。實(shí)現(xiàn)多步驟互連擰緊過程，該過程可以輕松地進(jìn)行調(diào)整。Rexroth電動螺絲刀系統(tǒng)的清晰而靈活的模塊化設(shè)計(jì)保證可以輕松而用戶友好地安裝模塊，并根據(jù)手頭上的任務(wù)精確調(diào)整擰緊系統(tǒng)。此模塊化設(shè)計(jì)還確保了可以簡單而快速地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)以符合變化的需求和信息。標(biāo)準(zhǔn)組件已經(jīng)過一百萬負(fù)載循環(huán)的測試以保證高等級信任度和系統(tǒng)可靠性。Rexroth電動螺絲刀系統(tǒng)的電氣、電子和可編程系統(tǒng)組件不包含機(jī)械指令 2006/42/EC 意義上的任何安全組件

59、。因此，標(biāo)準(zhǔn) EN ISO 13849“ 安全相關(guān)的控制部件” 不包含這些組件。模塊化擰緊軸僅通過一根連接電纜連接到電子元件，并配有扭矩和轉(zhuǎn)向角傳感器以始終監(jiān)控?cái)Q緊。可以通過一個(gè)通信設(shè)備對最多帶有 40 個(gè)擰緊通道的擰緊系統(tǒng)進(jìn)行控制。可以通過根據(jù)需要安裝的各種接口模塊從外部連接擰緊系統(tǒng)。Rexroth電動螺絲刀系統(tǒng)支持現(xiàn)場總線，如 PROFIBUS 和 DeviceNet，以及基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線，如 EtherNet/IP、Modbu

60、sTCP 和 PR</p><p>　?。?）緊湊，功能強(qiáng)大；安全和快速調(diào)試；升緊縮結(jié)果一目了然；升堅(jiān)固：IP54，EMC級別IV；升USB和基于以太網(wǎng)的總線系統(tǒng)。</p><p>　?。?）集成的邏輯。隨著靈活的集成符合可編程邏輯IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)緊固過程用戶有可無數(shù)的自動化選項(xiàng)。</p><p>　　圖3.2 螺絲刀控制器</p>&

61、lt;p>　　3.3 SMC電磁閥島</p><p>　　閥島是新一代氣電一體化控制元器件，已從最初帶多針接口的閥島發(fā)展為帶現(xiàn)場總線的閥島，繼而出現(xiàn)可編程閥島及模塊式閥島。閥島技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，不僅確保了 電控閥的布線容易，而且也大大地簡化了復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)試、性能的檢測和診斷及維護(hù)工作。借助現(xiàn)場總線高水平一體化的信息系統(tǒng)，使兩者的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，具有廣泛的應(yīng)用前景。</p><p

62、>　　3.4 IAI電缸及控制器</p><p>　　3.4.1 電缸控制器</p><p>　　本系統(tǒng)選用SEP系列 8軸聯(lián)控型電缸用定位型控制器。該控制器有如下特點(diǎn)：</p><p><b>　?。?）更精巧的體形</b></p><p>　　MSEP控制器最多可控制8軸，但尺寸僅幅寬123􁶱

63、×高度115􁶱的小體積。與以往控制器比，尺寸縮小了約60%，大大縮減控制柜中占用空間。</p><p>　　(2)可通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)總線，直接指定坐標(biāo)、速度等數(shù)據(jù)移動,支持DeviceNet、CC-LinkPROFIBUS-DP、MECHATROLINK、CompoNet、EtherCAT、EtherNet/IP等主流的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)總線規(guī)格。</p><p>　　(3)

64、兼容脈沖馬達(dá)/ 伺服馬達(dá)</p><p>　　MSEP支持在1臺控制器上控制脈沖馬達(dá)型電缸和伺服馬達(dá)型電缸，當(dāng)需要組合使用不同系列的驅(qū)動軸時(shí)，可以大幅減少配線、設(shè)置、安裝所需工時(shí)，并且進(jìn)一步提高控制器性價(jià)比。</p><p>　　(4)支持絕對型控制方式</p><p>　　支持使用電池作為備份電源，可以在控制器斷電時(shí)保存位置數(shù)據(jù)，所以無需原點(diǎn)復(fù)位操作即可恢復(fù)動作。

65、緊急停止或瞬間斷電等原因造成的斷電情況發(fā)生時(shí)，可以立刻恢復(fù)設(shè)備動作。</p><p>　　(5)支持對移動次數(shù)和移動距離的計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)量與稼動率的常時(shí)把握，確定維護(hù)作業(yè)的時(shí)機(jī)。計(jì)算驅(qū)動軸的總行走距離與移動次數(shù)并記錄在控制器中，當(dāng)超過預(yù)設(shè)值后可向外部輸出信號。通過這一功能，使包括加注潤滑脂、定期檢查等作業(yè)的時(shí)機(jī)得到量化，提高維護(hù)效率。</p><p><b>　　(6)日歷功能

66、</b></p><p>　　可準(zhǔn)確記錄報(bào)警發(fā)生的日程時(shí)刻搭載的日歷功能（時(shí)鐘功能），可以準(zhǔn)確記錄報(bào)警發(fā)生的日程時(shí)刻等歷史信息，使故障原因的解析更加方便。（可保存最近10天內(nèi)的報(bào)警信息。）</p><p>　　圖3.3 電缸控制器</p><p><b>　　3.4.2 電缸</b></p><p>　　電缸

67、原理：電缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，同時(shí)將伺服電機(jī)最佳優(yōu)點(diǎn)-精確轉(zhuǎn)速控制，精確轉(zhuǎn)數(shù)控制，精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成-精確速度控制，精確位置控制，精確推力控制；實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動系列的全新革命性產(chǎn)品。</p><p>　　電缸特點(diǎn)：閉環(huán)伺服控制，控制精度達(dá)到0.01mm；精密控制推力，增加壓力傳感器，控制精度可達(dá)1%；很容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動控制。噪音

68、低，節(jié)能，干凈，高剛性，抗沖擊力，超長壽命，操作維護(hù)簡單。電缸可以在惡劣環(huán)境下無故障，防護(hù)等級可以達(dá)到IP66。長期工作，并且實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，高速度，高精度定位，運(yùn)動平穩(wěn)，低噪音。所以可以廣泛的應(yīng)用在造紙行業(yè)，化工行業(yè)，汽車行業(yè)，電子行業(yè)，機(jī)械自動化行業(yè)，焊接行業(yè)等。</p><p>　　低成本維護(hù)：電缸在復(fù)雜的環(huán)境下工作只需要定期的注脂潤滑，并無易損件需要維護(hù)更換，將比液壓系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)減少了大量的售后服務(wù)成本。&

69、lt;/p><p>　　液壓缸和氣缸的最佳替代品：電缸可以完全替代液壓缸和氣缸，并且實(shí)現(xiàn)環(huán)境更環(huán)保，更節(jié)能，更干凈的優(yōu)點(diǎn)，很容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動控制。</p><p>　　配置靈活性：可以提供非常靈活的安裝配置，全系列的安裝組件：安裝前法蘭，后法蘭，側(cè)面法蘭，尾部鉸接，耳軸安裝，導(dǎo)向模塊等；可以與伺服電機(jī)直線安裝，或者平行安裝；可以增加各式附件：限位開關(guān)，行星減速機(jī)，預(yù)緊

70、螺母等；驅(qū)動可以選擇交流制動電機(jī)，直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)。</p><p><b>　　圖3.4 電缸</b></p><p><b>　　3.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了介紹了選取的器件以及設(shè)計(jì)中需要運(yùn)用到的部分功能進(jìn)行了介紹。對于運(yùn)用的器件和功能的認(rèn)識，將有助于我們對下面硬件的設(shè)計(jì)原理與軟件

71、仿真的實(shí)現(xiàn)，以及電路的功能的實(shí)現(xiàn)有更好的理解。幫助讀者在接下來的設(shè)計(jì)中更容易弄清其起到的作用。這也就是為什么將本章放在本設(shè)計(jì)前面進(jìn)行介紹。</p><p><b>　　4.硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　S7-300PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，通過與HMI觸摸屏以及工控機(jī)相互通信，并采集來自傳

72、感器信號，將處理結(jié)果發(fā)送給閥島、相機(jī)、螺絲槍、電缸等功能模塊，以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的正常運(yùn)行功能。其中S7-300還將會不斷的讀取螺絲刀控制器反饋回來的扭力值以及旋轉(zhuǎn)的角度，同時(shí)也會讀取電缸控制器反饋回來的電缸當(dāng)前位置等信息。</p><p>　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　4.2 S7-300PLC控制器

73、I/O設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 S7-300PLC數(shù)字I/O分配表</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，對S7-300PLC的I/進(jìn)行了以下的分配設(shè)計(jì)如表4.1所示。通過這樣的設(shè)計(jì)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并給設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的處理結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能。表4.1只介紹了數(shù)字I/O的分配，對于通過螺絲刀控制器、電磁閥島等擴(kuò)展的I/O以及模擬I/O口未進(jìn)行說明。</p>

74、<p>　　表4.1 數(shù)字I/O分配表</p><p>　　4.2.2 S7-300PLC的接線圖</p><p>　　本系統(tǒng)中，給S7-300配置了32位數(shù)字量輸入模塊、16位數(shù)字量輸入模塊、32位數(shù)字量輸出模塊各一個(gè)，以及兩個(gè)12位雙通道模擬量輸入模塊。每個(gè)模塊對應(yīng)著連接不同的對象。S7-300各個(gè)模塊的接線圖如下圖所示。</p><p>　　圖4.2

75、 32位數(shù)字量輸入模塊接線圖</p><p>　　圖4.3 16位數(shù)字量輸入模塊接線圖</p><p>　　圖4.4 32位數(shù)字量輸出模塊接線圖</p><p>　　圖4.5 12位雙通道模擬量輸入模塊接線圖</p><p>　　4.3 電缸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.1 電缸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析</p

76、><p>　　本系統(tǒng)采用IAI的SEP系列MSEP的電缸控制器，該控制器最多可以控制8臺電缸。本設(shè)計(jì)中將控制4臺電缸。電缸控制器通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與PLC進(jìn)行通信。本系統(tǒng)中的四個(gè)電缸兩兩組合成兩個(gè)獨(dú)立模塊，一個(gè)用于運(yùn)送組件進(jìn)行裝配，另一個(gè)用于探孔打螺絲。其中X1/Z1為一組，X2/Y1為一組。四個(gè)電缸與電缸控制器具體的拓?fù)鋱D如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.6 電缸控

77、制系統(tǒng)的拓?fù)鋱D</p><p>　　4.3.2 電缸控制器接線</p><p>　　電缸控制器的接線分為以下幾塊（接線示意圖如圖4.2所示）：</p><p>　　A.電缸控制器的電源插口，按照電源插口上的標(biāo)志接0V,24V及GND。</p><p>　　B.將電缸控制器的急停插口，任意選其中一組線連接到急停開關(guān)。</p>&l

78、t;p>　　C. PROFIBUS-DP接口自然是連接到PLC。</p><p>　　D.將4根電缸上帶有馬達(dá)編碼器的電纜，連接到控制器上的插口上。</p><p>　　注：接線圖中的PC與電缸控制器的連線主要用于電缸控制器的配置以及單獨(dú)進(jìn)行軟件控制時(shí)采用的接線方式。</p><p>　　圖4.7 電缸控制器接線圖</p><p>　　

79、4.3.3 電缸控制器的設(shè)置與地址分配</p><p>　　通過PC用軟件設(shè)置電缸控制器的參數(shù)，在網(wǎng)關(guān)中設(shè)定4根有效軸，并選擇4根軸的模式都為直接數(shù)值模式（Direct Indication Mode），并在PLC導(dǎo)入EDS文件，進(jìn)行組態(tài)，在PLC上設(shè)定字節(jié)數(shù)。由于采用的是直接數(shù)值模式以及控制4根軸（四臺電缸），所以需要分配40個(gè)字，其中前八個(gè)字用于配置網(wǎng)關(guān)，后面每根軸配置8個(gè)字。直接數(shù)值模式下PLC與電缸控制器

80、通過DP通信的數(shù)據(jù)傳送示意圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.8 PLC與電缸控制器數(shù)據(jù)通信示意圖</p><p>　　配置每根軸的8個(gè)字又可進(jìn)行細(xì)分。下面假設(shè)PLC分配的字是 1000-1039。那么1000-1007 是分配給網(wǎng)關(guān)控制的，1008-1015是分配給第1根軸的，1016-1023是分配給第2根軸的，1024-2031是分配給第3根軸的，1032-1039是分配給

81、第4根軸的。</p><p>　　再以第一軸為例1008，1009兩個(gè)word組合就是目標(biāo)位置(Target Position) 單位0.01mm；1010,1011兩個(gè)word組合是位置寬幅（Positioning Width），單位0.01mm，這個(gè)默認(rèn)給10的數(shù)值就可以了；1012是運(yùn)動速度(Speed)，單位1mm/s；1013是加減速(Acceleration/ Deceleration)，單位0.01

82、G，默認(rèn)請給30的數(shù)值；1014是推壓力(Push)，特殊動作使用，正常移動不必給數(shù)值；1015是控制信號(Control Signal)，需單獨(dú)分開配置，都各有具體意義。電缸1在PLC中開辟的地址如表4.2所示。</p><p>　　表4.2 電缸1在DB2的地址</p><p>　　4.4 螺絲刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.4.1 螺絲刀系統(tǒng)通信<

83、;/p><p>　　本設(shè)計(jì)中螺絲刀控制器分別進(jìn)行Profibus-DP現(xiàn)場總線與Ethernet通信，因此S7-300PLC可以通過Profibus-DP進(jìn)行控制螺絲刀控制器，調(diào)用其中的程序號進(jìn)行打螺絲控制。同時(shí)可以運(yùn)用上位機(jī)進(jìn)行Ethernet通信，對控制器進(jìn)行程序的編寫與測試。</p><p>　　圖4.9 螺絲刀控制器通信示意圖</p><p>　　4.4.2 螺

84、絲刀控制器操作</p><p>　　1.雙擊打開桌面圖標(biāo)。</p><p>　　圖4.9螺絲刀控制器軟件圖標(biāo)</p><p>　　2.在項(xiàng)目欄中選擇PC，點(diǎn)擊“接口（N）”，如下圖所示。</p><p><b>　　圖4.10 </b></p><p>　　3.點(diǎn)擊擴(kuò)展，配置擰緊控制單元，輸入螺絲

85、槍控制器IP地址、擰緊控制單元名，根據(jù)需要添加一定注釋，完成后點(diǎn)擊插入。對已經(jīng)插入的，可以選中進(jìn)行修改甚至刪除。完成配置后點(diǎn)擊保存，并確認(rèn)。</p><p><b>　　圖4.11</b></p><p>　　4.在已經(jīng)配置好的擰緊控制單元中選擇需要控制的對象，也可以直接輸入對應(yīng)螺絲槍控制器的IP地址。完成后，點(diǎn)擊確認(rèn)，如下圖所示。</p><p&

86、gt;<b>　　圖4.12</b></p><p>　　5.點(diǎn)擊“擰緊程序”按鈕，出現(xiàn)擰緊程序窗口，如下圖所示。</p><p><b>　　圖4.13</b></p><p>　　6.編寫螺絲槍程序。</p><p>　?。?）選中程序號，如下圖所示；</p><p>&

87、lt;b>　　圖4.14</b></p><p>　?。?）例如選擇程序號6，點(diǎn)擊插入擰緊步驟，如下圖所示；</p><p><b>　　圖4.15</b></p><p>　?。?）雙擊添加的擰緊步驟，進(jìn)行該步驟程序設(shè)定，設(shè)定該步驟名稱，扭矩，轉(zhuǎn)速，時(shí)間等參數(shù)，如下圖所示。</p><p><b

88、>　　圖4.16</b></p><p>　　7.按6中步驟設(shè)置好每個(gè)程序號后，點(diǎn)擊項(xiàng)目欄“管理”，選中“登錄及注銷”，如下圖所示。</p><p><b>　　圖4.17</b></p><p>　　8.輸入密碼Robert，點(diǎn)擊確認(rèn)，如下圖所示。</p><p><b>　　圖4.18&l

89、t;/b></p><p>　　9.登錄后，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕，將設(shè)定的程序號發(fā)送至螺絲槍控制器，如下圖所示。</p><p><b>　　圖4.19</b></p><p>　　10.發(fā)送完成后，可以點(diǎn)擊“順序測試”進(jìn)行程序測試，如下圖所示。</p><p><b>　　圖4.20</b>&l

90、t;/p><p>　　11.選中程序號，點(diǎn)擊“啟動”按鈕，測試該程序號，如下圖所示。（注：順序測試階段，螺絲槍控制器不受PLC控制，只受螺絲槍控制器控制）</p><p><b>　　圖4.21</b></p><p>　　12.一切設(shè)置無誤后，點(diǎn)擊項(xiàng)目欄“管理”，選中“登錄及注銷”，進(jìn)行注銷，如下圖所示。</p><p>

91、<b>　　圖4.22</b></p><p><b>　　4.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹第三章所介紹的硬件所進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其中主要介紹本設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制核心S7-300PLC的設(shè)計(jì)、電缸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)螺絲刀系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。通過整個(gè)系統(tǒng)框圖的展現(xiàn)，對整個(gè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)將有所認(rèn)識與了解，這對認(rèn)識各個(gè)功能硬件與整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)系

92、有著十分重要的作用。</p><p><b>　　5．系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5.1系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用Profibus-DP現(xiàn)場總線與Ethernet通信方式相結(jié)合的通信方式進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的通信。在以Ethernet通信的基礎(chǔ)上采用OPC技術(shù)完成數(shù)據(jù)的交換。其中工控機(jī)與PLC以網(wǎng)線連接的方式進(jìn)行O

93、PC通信，上位機(jī)可以通過Ethernet通信方式控制螺絲刀控制器。PLC與電缸控制器、電磁閥島、螺絲刀控制器以及觸摸屏HIM進(jìn)行以PLC為主站的Profibus-DP通信。對于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖</p><p>　　采用以上方式進(jìn)行通信，針對S7-300PLC還需要進(jìn)行硬件組態(tài)。首先需要在STEP7軟件中安裝螺絲刀

94、控制器、SMC電磁閥島、電缸控制器的GSD文件，然后在各個(gè)設(shè)備分別掛在DP或Ethernet通信網(wǎng)絡(luò)上。組態(tài)完成后如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.1系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖</p><p>　　5.2 OPC通信介紹</p><p>　　OPC（過程控制的對象連接與嵌入技術(shù)）是過程控制中的一種數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，它是基于Windows的OLE（對象連接與嵌入），

95、COM（組件對象模型）和DCOM（分布式組件對象模型）技術(shù)的通信標(biāo)準(zhǔn)，包括了一整套的標(biāo)準(zhǔn)接口，屬性和方法，用于過程控制和制造自動化系統(tǒng)，為其對于不同的軟件和硬件設(shè)備的交互式數(shù)據(jù)訪問提供了可能性。</p><p>　　OPC提供了在基于Windows平臺的組態(tài)軟件和基于現(xiàn)場控制的控制器之間的數(shù)據(jù)交換有效的實(shí)現(xiàn)方法。OPC工藝流程中的控制裝置無論采取什么軟件或著硬件，OPC將為所有這些軟件或者硬件提供公共接口。組態(tài)軟

96、件可以不必了解這些硬件設(shè)備的詳細(xì)信息，而是按照OPC服務(wù)器提供的接口來訪問現(xiàn)場控制設(shè)備的數(shù)據(jù)，最終提高效率，靈活性，開放性和互操作性。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用了以LabView作為OPC服務(wù)器的方式進(jìn)行OPC通訊。這種方式下只需將PLC中的地址添加到OPC 服務(wù)器中便可直接獲取數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行讀寫操作。</p><p>　　5.3 Profibus-DP現(xiàn)場總線</p>

97、<p>　　現(xiàn)場總線Profibus是一種國際開放與獨(dú)立的設(shè)備制造商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛應(yīng)用于制造業(yè)等領(lǐng)域的過程自動化，工業(yè)自動化?，F(xiàn)場總線Profibus由三個(gè)相互兼容標(biāo)準(zhǔn)部分組成，即PROFIBUS DP，PROFIBUS PA，PROFIBUS FMS。它是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控，數(shù)據(jù)通信和現(xiàn)場設(shè)備層控制的現(xiàn)場總線技術(shù)。</p><p>　　Profibus-DP用于現(xiàn)場級的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)

98、換，其主要特點(diǎn)是：中央控制站（主站）周期性地讀取從站的輸入信息，并周期性地發(fā)送輸出信息從站。在這種總線訪問方式中：主站之間的通信是通過令牌環(huán)，和主站與從站之間的通信是通過主從方式。Profibus-DP是允許單個(gè)主站或多主站的系統(tǒng)。多達(dá)126站可以連接到同一總線。系統(tǒng)配置的描述包括：站號，站地址，輸入/輸出數(shù)據(jù)，輸入/輸出數(shù)據(jù)格式，格式和診斷信息的總線參數(shù)。每個(gè)PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)都可以包括以下三種類型的設(shè)備。</p

99、><p>　　第一：DP主站1（DPM1）：DP主站1是中央控制器，它與DP從站的預(yù)定信息的周期內(nèi)交換信息。</p><p>　　第二：DP主站2（DPM2）：DP主站車站是一個(gè)程序員，配置設(shè)備或操作面板，它是用于DP系統(tǒng)的配置中，并完成系統(tǒng)的運(yùn)行和達(dá)到監(jiān)控的目的。</p><p>　　第三：DP從站：DP從站是外圍設(shè)備收集和發(fā)送信息的輸入輸出。</p>

100、<p>　　5.4 Ethernet通信</p><p>　　Ethernet是適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的協(xié)議體系。它是基于CIP(Controland Information Proto-Col)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。它是一種是面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，能夠保證網(wǎng)絡(luò)上隱式(控制)的實(shí)時(shí)I/O信息和顯式信息(包括用于組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、診斷等) 的有效傳輸。</p><p>　　Ethernet采用帶沖突檢測的

101、載波幀聽多路訪問（CSMA/CD）機(jī)制。Ethernet中節(jié)點(diǎn)都可以看到在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的所有信息，因此，可以說Ethernet是一種廣播網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　Ethernet通信的工作過程如下：</p><p>　　當(dāng)以太網(wǎng)中的一臺主機(jī)要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它將按如下步驟進(jìn)行：</p><p>　　1、監(jiān)聽信道上是否有信號在傳輸。如果有的話，表明信道處于忙狀態(tài)，就繼續(xù)監(jiān)

102、聽，直到信道空閑為止。</p><p>　　2、若沒有監(jiān)聽到任何信號，就傳輸數(shù)據(jù)</p><p>　　3、傳輸?shù)臅r(shí)候繼續(xù)監(jiān)聽，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機(jī)等待一段時(shí)間后，重新執(zhí)行步驟1（當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，涉及沖突的計(jì)算機(jī)會發(fā)送會返回到監(jiān)聽信道狀態(tài)。</p><p><b>　　5.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　

103、本章主要闡述了本設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，并展示了整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D。對OPC通信技術(shù)以及Ethernet通信和Profibus-PD現(xiàn)場總線做了一定的介紹。通過這一章，將會對整個(gè)系統(tǒng)的通信技術(shù)有所了解，并對系統(tǒng)的主控制器如何與各個(gè)功能模塊進(jìn)行通信有所認(rèn)識，這對認(rèn)識整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作方式有著重要作用。</p><p>　　6.人機(jī)界面與檢測技術(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　6.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)<

104、;/p><p>　　6.1.1 人機(jī)界面概念介紹</p><p>　　WinCC flexible，西門子公司工業(yè)全集成自動化（TIA）的子產(chǎn)品，是一款面向機(jī)器的自動化概念的HMI軟件。WinCC flexible 用于組態(tài)用戶界面以及操作和監(jiān)視機(jī)器與設(shè)備，提供了對面向解決方案概念的組態(tài)任務(wù)的支持。本設(shè)計(jì)的控制界面采用西門子觸摸屏為顯示和控制平臺，便采用WinCC flexible來進(jìn)行人機(jī)界

105、面開發(fā)。</p><p>　　6.1.2 人機(jī)界面展示</p><p>　　根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，分別設(shè)計(jì)了手動模式界面以及自動模式界面。</p><p>　　其中手動模式下，控制畫面主要由主畫面、X1/Z1電缸調(diào)試界面、Y1/X2電缸調(diào)試界面、氣缸調(diào)試界面、螺絲刀系統(tǒng)界面等構(gòu)成。手動界面主要是設(shè)備處在調(diào)試狀態(tài)時(shí)使用，在該界面下可以控制設(shè)備的工作狀態(tài)并得到相關(guān)傳感器的檢

106、測信息，以及電缸的當(dāng)前位置信息等。在手動狀態(tài)下還有個(gè)重要界面就是報(bào)警界面，這些報(bào)警信息提示設(shè)備不在正常狀態(tài)下，一旦出現(xiàn)報(bào)警情況，報(bào)警畫面將彈出，并顯示報(bào)警信息。出現(xiàn)報(bào)警，設(shè)備將停止動作，這時(shí)需要通過復(fù)位操作來將設(shè)備回歸初始正常狀態(tài)。在手動模式下的主要的功能畫面如下圖所示。</p><p>　　圖6.1 手動主畫面 圖6.2 X1/Z1電缸調(diào)試界面</p>

107、;<p>　　圖6.3 氣缸調(diào)試界面 圖6.4 用戶管理界面</p><p>　　圖6.5 螺絲刀系統(tǒng)界面 圖6.6 報(bào)警信息界面</p><p>　　自動模式界面用于日常正常生產(chǎn)時(shí)的工作，將設(shè)備的選擇按鈕撥到自動模式，人機(jī)界面自動跳轉(zhuǎn)到自動模式，自動模式由自動模式主畫面以及開

108、辟了個(gè)最后一次產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖6.7 手動主畫面 圖6.8 X1/Z1電缸調(diào)試界面</p><p>　　6.1.3 PLC與HMI通訊</p><p>　　首先，需要完成軟件設(shè)置。在“項(xiàng)目”工作空間，選擇 “通訊”中的“連接”。在HMI設(shè)備中設(shè)置類型（選擇Simatic）、波特率（設(shè)置為150

109、0000）、地址（設(shè)置為3）；在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置配置文（選擇DP）；在PLC設(shè)備中設(shè)置地址（設(shè)置為2）、擴(kuò)展插槽（設(shè)置為0）、機(jī)架（設(shè)置為0）。軟件配置圖如圖6.9所示。</p><p>　　接下需要完成硬件方面的設(shè)置。首先在觸摸屏上電時(shí)點(diǎn)擊圖6.10的“Control Panel”按鈕，選擇圖6.11中紅色圓圈內(nèi)圖標(biāo)，按圖6.12對觸摸屏的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置完成后點(diǎn)擊 “OK按鈕”，畫面將切換到圖6.10。觸

110、摸屏通信參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊圖6.10中的 “Transfer”按鈕，觸摸屏處于等待狀態(tài)，此時(shí)可以將HMI程序下載到觸摸屏中。</p><p><b>　　圖6.9軟件配置圖</b></p><p>　　圖6.10上電啟動顯示界面 圖6.11選擇參數(shù)設(shè)置界面</p><p>　　圖6.12參數(shù)設(shè)置界面<

111、;/p><p>　　6.1.4 PLC與HMI數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)有無檢測</p><p>　　想要實(shí)現(xiàn)觸摸屏對渦輪增壓器裝配站實(shí)時(shí)監(jiān)控，則需利用相應(yīng)的外部變量來實(shí)現(xiàn)PLC與HMI二者的信息交互，且外部變量應(yīng)與S7-300中建立的變量一致，其外部變量如表所示：</p><p>　　表6.1 部分HMI中設(shè)置的外部變量</p><p>　　上述表中的相關(guān)變量，

112、將通過顯示控件、輸入控件等形式，出現(xiàn)字整個(gè)系統(tǒng)的控制界面中，通過這些變量，實(shí)現(xiàn)了PLC與HIM 的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了HIM對整個(gè)系統(tǒng)的控制，這極大的方便了對系統(tǒng)的操作、調(diào)試、以及生產(chǎn)。</p><p>　　6.2 檢測技術(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的檢測技術(shù)主要運(yùn)用LabView進(jìn)行圖像處理操作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的檢測。通過檢測以防止整個(gè)系統(tǒng)組件裝配出現(xiàn)裝反、少裝、漏裝、裝錯(cuò)等現(xiàn)象。整個(gè)檢測技

113、術(shù)分為兩種進(jìn)行：1.有無檢測；2.尺寸檢測。其中尺寸檢測分為水平距離檢測與垂直距離檢測。并將最終的檢測結(jié)果通過OPC通訊的方式，將數(shù)據(jù)寫進(jìn)PLC中的地址中。</p><p>　　6.2.1 有無檢測</p><p>　　在有無檢測中，主要針對組件是否放置進(jìn)行圖像處理。放置組件與未放置組件兩種情況下采集的圖片在標(biāo)定區(qū)域處，將會有很大差別，這個(gè)差別尤其體現(xiàn)在圖像的灰度值上。因此采用對放置組件的