PLC在冷阴极灯管生产线的设计应用毕业设计论文.docx
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PLC在冷阴极灯管生产线的设计应用毕业设计论文
本科毕业设计(论文)
课题名称PLC在冷阴极灯管生产线的设计应用
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摘要
目前,在冷阴极灯管(CCFL)生产线上,大多使用手工生产。
由于冷阴极灯管细小且易碎,人工生产工作量大,导致生产效率低,同时也会产生生产质量上的问题。
本文的目标是:
采用西门子S7-300PLC对CCFL的后续生产工序进行自动化改造,以提高产品的生产效率。
文中分析了CCFL后续的大致生产工艺。
进行了生产线的硬件设计,包括PLC、SM输入/输出模块、MM420变频器及电机等部分。
软件设计利用STEP-7编程,主要有变频器控制电机运转、机械手控制产品上线传送、功能检测、清洁、计数及移位、自动包装等六个部分。
所有程序在S7-PLCSIM中仿真并下载至硬件进行调试。
仿真和硬件调试的结果符合CCFL生产工艺要求,自动化程度大为提高,具有很好的应用价值。
关键词:
CCFL生产线;PLC;软件编程;仿真;调试
Abstract
Atpresent,owingtothethinnessandfragileness,theColdCathodeFluorescentLamp(CCFL)onassemblylinesmostlydependsonmanualworkwhichconsumesmuchlaborandresultsinlowproductionefficiencyandpoorproductquality.ThetargetofthispaperisthattheautomatedmodificationbyusingtheSiemensS7-300PLCintheCCFL’ssubsequentproductionprocesswillimprovetheefficiency.
ThispaperanalyzedtheCCFL’ssubsequentproductionprocessanddesignedthehardwareoftheassemblylines,includingPLC,SMInput/OutputModule,MM420FrequencyConversionandMotor,etc..ThedesignofthesoftwareusedSTEP-7toprogram,includingsuchsixpartsasmotorcontrolbyfrequencyinverter,workpiece-supply-manipulatorcontrol,functionalcheck,cleaning,countingandtransfer,automaticpacking.AlltheprogramsweresimulatedinS7-PLCSIMandloadeddowntothehardwaretodebug.
TheresultofthesimulationandthehardwaredebuggingmatchedthedemandoftheCCEF’sproductionprocessandbroughtgreatimprovementintheautomatization,showingthatthedesignhadgreatvalueontheapplication.
Keywords:
CCFLassemblyline;PLC;softwareprogram;simulation;debug
第一章绪论
1.1课题的工程背景
1.1.1可编程序控制器(PLC)的诞生背景及意义
1.PLC诞生的时代背景
上世纪70年代,继电器控制系统广泛应用于工业控制领域,特别是制造业。
然而由于继电器控制系统自身的不足使得其在应用过程中,面临了许多挑战。
当时,计算机已经在很多科研机构、高等学校和大型企业开始应用,但主要用于数值运算。
由于计算机本身的复杂性,编程难度高,难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因,未能在工业控制中广泛应用。
2.PLC的定义
PLC即可编程逻辑控制器(ProgrammablelogicController),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
”
3.PLC诞生的过程
1968年美国GM通用汽车公司(GeneralMotorsCorporation)根据“多品种小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略提出这样的设想:
试图寻找一种新型控制器,以尽量减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件和接线,减少维护与升级时间,减低成本。
希望将计算机功能完备、灵活、通用等优点与继电器控制系统简单易懂、操作方便、价格便宜等优点相结合,设计一种通用的控制装置以满足生产需求。
因此提出十项技术指标(有名的GM10条):
1)编程简单方便,可在现场修改程序;
2)硬件维护方便,最好是插入式结构;
3)可靠性要高于继电器控制装置;
4)体积要小于继电器控制装置;
5)可将数据直接送入管理计算机;
6)成本上可与继电器竞争;
7)输入可以是交流115V;
8)输出为交流115V,2A以上,能直接驱动电磁阀;
9)扩展时,原有系统只需做很小的改动;
10)程序存储器容量至少可扩展到4KB。
1969年美国DEC数字设备公司(DigitalEquipmentCorporation)生产出第一台符合十项技术要求的可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,并在美国通用汽车自动装配线上应用成功,从而开创了工业控制的新局面。
4.PLC的意义
PLC在现代工业控制领域中已经得到了广泛的应用。
PLC投入运行后,通过计算机显示与控制,提高了过程自动化的程度,可实现无人调节操作,减少了操作环节,降低了运行成本,使系统的管理和控制上了一个新台阶。
以PLC的控制功能而言,具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点。
它通用性强,适应面广,特别在数字量输入/输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。
39年来,PLC从无到有,实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃;其功能从弱到强,实现了逻辑控制到数字控制的进步;其应用领域从小到大,实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。
今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备,在世界各地发挥着越来越大的作用。
1.1.2冷阴极灯管(CCFL)的概念及现状
1.CCFL的基本概念
冷阴极灯的全称是冷阴极荧光灯,是一种低气压辉光气体放电灯。
我们日常使用的普通荧光灯,是一种低气压弧光热阴极放电灯。
它两端的电极比较热,也叫热阴极灯。
而冷阴极灯两端电极的温度相对较低,俗称冷阴极灯。
它的英文全称是ColdCathodeFluorescentLamp,简称为CCFL,意思是冷阴极荧光灯,这是相对于我们日常使用的荧光灯而言的,荧光灯的全称为HotCathodeFluorescentLamp,简称为HCFL。
2.CCFL的特点
1)由于采用辉光放电,因此电极的温度低,阴极溅散相对缓慢,灯的寿命长。
一般可以达到30000小时上下。
可以根据使用场合的形状弯曲,良体裁衣。
2)灯头接触处可以直接挨上,没有阴影。
3)不需要预热电极,多次开关对灯的寿命没有影响。
4)调光容易。
灯电亮后,维持灯亮度的维持电压比较低,容易实现平滑调光。
5)显色指数高。
一般在85以上,最高可以达到99;
6)高亮度、高功效、高寿命、低功耗;
7)有良好的耐震动性;
8)能在低温时快速启动;
9)色温控制准确;
10)体积小,重量轻;
11)发热小。
3.CCFL的现状
在现今所有种类的显示器中,液晶显示器(LCD-LiquidCrystalDisplays)已经成为主流产品;而作为其背光源的材料中,则是以CCFL为关键零组件(Keycomponent)。
背光源用CCFL从上个世纪九十年代初开始在日本面世以来,由于其具有灯管细小、结构简单、灯管表面亮度高、灯管温升小,便于加工成各种形状、寿命长等等优异的特性,迅速在各种类型的背光源、扫描器中得到广泛的使用。
随着CCFL自身技术的发展和信息技术、办公设备、日用产品的迅猛发展,CCFL的应用范围也越来越广,需求量也急剧增长,尤其是近二年来通信设备向高性能化、多机能化和精细化发展和LCD背光源用灯管向大尺寸、长寿命发展,对CCFL提出了各种各样的特殊要求,促进了CCFL性能的提高,反过来又促进了应用的扩大。
目前全世界CCFL的月产量已达到2500万支以上并仍在迅速地增长。
因此,将PLC应用到CCFL生产线上已经成为一个必然的趋势。
1.2目的及意义
1.2.1课题的研究目的
在CCFL的生产过程中,有很多琐碎的操作环节,如果采用传统的人工生产,不仅产品产量上不去,工人劳动量大,而且产品质量也很成问题。
本文是将现今自动生产中多用的PLC控制技术运用到CCFL生产当中去,力求达到提高产品生产量,节约劳动力,进而提高生产效率的目的。
1.2.2课题的研究意义
在现今这个电子信息时代,电子器件的发展一日千里,市场对于作为一般电子产品必不可少的零部件之一的CCFL的需求量可想而知了。
那么只要提高CCFL的生产效率和产品质量就可以成为这个市场的很好的占据这个有利的市场,而且发展前景不可限量。
然而,将PLC自动控制与CCFL生产线相结合无疑是一个很好的办法。
本文就是研究如何将PLC与CCFL的后续生产相结合的。
PLC作用于CCFL生产的好处:
自动生产流水线使产品的生产量得到了相当大的提高;PLC能够代替人工从事大部分的生产工作,节约了大部分的人力劳动;还可以通过程序参数的改变来调整生产,大大提高了产品生产的灵活性;自动控制生产细致准确,能够保证产品的生产质量。
1.3论文的主要内容
本文主要研究了CCFL的生产工艺,利用PLC控制CCFL后续的生产工艺过程,解决了生产传送,质量检测和清洁包装等问题。
除本章绪论外,本文主要内容如下:
第二章是对CCFL’assly(冷阴极灯管组装)大体工艺过程的分析。
另外,讲述了每一个生产环节的操作步骤。
第三章对PLC控制系统硬件进行分析,包括各控制部件型号的选择。
第四章简述了STEP7的使用过程及硬件组态的步骤,还分了六个部分来讲述PLC控制CCFL生产的具体软件编程。
第五章是仿真测试和硬件调试的结果,并列举了第三部分的仿真和硬件测试的经过。
第六章对全文进行了总结,同时对今后的研究作了展望。
第二章CCFL’assly工艺过程分析
2.1CCFL的原理
CCFL是属于荧光灯的一种,其发光原理非常类似日光灯。
在有涂布荧光体的玻管中封入惰性气体(Ne-Ar混合气)与微量的活性金属气体,并于玻管两端的电极间外加一高压电场(高频率),使其产生气体放电现象;自由电子从阴极发射,经过一长串的能量搬运(与惰性气体碰撞),蓄积了相当程度的动能,最后和低压的活性金属原子相撞,电子将动能传给原子使其激发。
这受激原子返回基态时,所吸收的能量被以紫外线(253.7nm)的形式释放,而荧光体吸收此光能后,再转变成可见光放射出来。
自由电子不断地被外电场加速,上述的过程也就不断地在灯管中进行。
图2-1CCFL发光原理图
2.2CCFL’assly的大致生产过程
图2-2CCFL’assly的大致生产流程图
2.2.1线材裁切
线材裁切的基本操作步骤如下:
2.2.2线材组立
线材组立的基本操作步骤如下:
2.2.3灯管前置
灯管前置的基本操作步骤如下:
2.2.4灯罩前置
灯罩前置的基本操作步骤如下:
2.2.5灯管焊接
灯管焊接的基本操作步骤如下:
2.2.6灯管组装
灯管组装的基本操作步骤如下:
第三章控制系统硬件设计
3.1PLC类型的选择
3.1.1西门子S7-300系列PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,如图所示:
图3-1PLC基本结构图
S7-300系列PLC则是模块化结构设计的PLC,各个单独模块之间可进行广泛组合和扩展。
它以CPU为核心,通过总线扩展输入/输出模块、通信模块和闭环控制模块等其他模块组成系统。
其实际的物理系统组成主要由以下几部分组成:
中央处理器(CPU)、负载电源模块(PS)、信号模块(SM)、通信处理模块(CP)、功能模块(FM)、接口模块(IM)。
3.1.2PLC的物理组成部分
1.中央处理单元(CPU)
S7-300系列PLC主要包括以下几种型号的CPU:
CPU312,CPU312C,CPU313C,CPU313C-2DP,CPU313C-PtP,CPU314C-2DP,CPU315C等。
每种CPU有其不同的性能,例如:
型号中含有“C”的表示带有计数器;型号中含有的“2DP”的表示带有PROFIBUSDP主站/从站接口;型号中含有“PtP”的表示带有15针PtP接口。
本次课程设计所选用的CPU的型号是CPU313C-2DP。
2.负载电源模块(PS)
负载电源模块用于将120/230V交流电源转换为24V直流电源,供其他模块使用。
它与CPU模块和其他信号模块之间通过电缆相连。
额定输出电流有2A、5A和10A三种。
本次课程设计所选用的PS的额定输出电流是5A。
3.信号模块(SM)
信号模块是数字量输入/输出和模拟量输入/输出模块的总称,它们使不同的过程信号电平和PLC的内部信号电平相匹配。
信号模块主要有SM321(数字量输入模块)、SM322(数字量输出模块)、SM331(模拟量输入模块)、SM332(模拟量输出模块)。
每个模块都带有一个背板总线连接器,用于与PLC和其他模块间的数据通信。
本次课程设计所选用的是SM323(DI16∕DO16×DC24V∕0.5A)模块。
图3-2CPU313C-2DP实物
图3-3SM模块实物
4.通信处理模块(CP)
通信处理模块用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信,用于实现点对点连接等。
它可以减轻CPU处理通信的负担,并减少用户对通信功能的编程工作。
5.功能模块(FM)
功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务。
6.接口模块(IM)
接口模块用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。
3.2变频器(MM420)及电机
3.2.1MM420变频器的概况
MM420变频器用于驱动普通应用对象的情况下,只要对它进行简单的组态,就可以满足您对特定传动系统的控制要求。
在功率较小时,单相电源和三相电源都可作为MM420变频器的供电电源,而且,由于变频器采用的是模块化设计,您可以选用各种选件,非常方便地对传动装置进行扩展,从而实现多种标准功能。
所以,这种变频器是在常规情况下通用的。
MM420变频器还有其他一些特点,例如:
插入式模板和不用螺丝的接线端子,它们在插入、拔出、接线和拆线时都非常方便,变频器的配置真的就像孩子玩游戏一样。
3.2.2MM420变频器的特点
·结构紧凑,体积小
·便于安装
·多用途的输入和输出
·FCC(磁通电流控制)控制功能保证驱动系统具有很高的控制品质,即使是在负载出现变化时也是这样
·有多种调试方法:
可以用操作面板进行调试,也可以通过免费提供的软件调试工具进行调试
·模块化系统,可用选件加以扩展
·可对加速和减速时间进行设置(0-650秒)
·复合制动功能可实现可控的快速制动
·允许设置4个跳转频率,可以在驱动系统出现谐振时把机械所受的应力降低到最小
·自动再起动功能增加了设备的利用率
·当变频器与正在转动的电动机接通时,电动机所受的冲击应力最小
·可以接入IT网络中使用
·内置的各种保护和过载保护功能
·变频器具有多种型号(带有集成的EMC滤波器或不带集成的EMC滤波器),可供用户选用MM420通用型变频器,优点很多,性能卓越。
3.2.3MM420变频器的典型应用
MM420变频器可作为传送带系统、物料运输系统、水泵、风机、机械加工设备的传动装置。
表3-1MICROMASTER420变频器的技术数据
电源电压和额定功率
200-240V±10%,1AC,0.12至3kW(0.16至4HP);
200-240V±10%,3AC,0.12至5.5kW(0.16至7.5HP);
380-480V±10%,3AC,0.37至11kW(0.5至15HP);
运行温度
-10°C至+50°C
工艺参数的控制
具有内置的PID控制器
控制方式
FCC(磁通电流控制),多点特性(可编程的V/f特性控制),线性V/f控制
输入
3个数字输入,1个模拟输入
输出
1个模拟输出,1个继电器接点输出
与自动化系统的链接
本变频器是组成自动化系统的理想驱动装置,
可以与SIMATICS7-300链接,
或集成到SIMATIC和SIMOTION的TIA系统中
图3-4硬件连接示意图
第四章控制系统软件设计
4.1STEP-7
4.1.1STEP-7的概述
STEP7是用于SIMATIC可编程序控制器组态和编程的标准软件包,其用户接口是基于当前最新水平的人机控制工程设计,可以轻松方便地使用。
STEP7编程软件适用于SIMATICS7,是供其编程、监控和参数设置的标准工具。
STEP7是一个强大的工程工具,用于整个项目流程的设计。
从项目实施的计划配置、实施模块设置、集成测试调试到运用维护阶段,都需要不同功能的工程工具。
STEP7工程工具包含了整个项目流程的各种功能要求:
CAD/CAE支持、硬件组态、网络组态、仿真、过程诊断等。
STEP7标准软件包提供一系列的应用程序(工具):
1)SIMATIC管理器
2)SymbolEditor(符号编辑器)
3)诊断硬件
4)编程语言
5)硬件组态
6)Netpro(网络组态)
4.1.2STEP-7的硬件组态
STEP7软件中的硬件组态就是模拟真实的PLC硬件系统,将电源、CPU和信号模块等设备安装到相应的机架上,并对PLC硬件模块的参数进行设置和修改的过程。
当用户需要修改模块的参数或地址,需要设置网络通信,或者需要将分布式外设连接到主站的时候,都要做硬件组态。
其基本组态步骤如下:
1)首先在STEP7中新建一个项目,输入项目名称,并选择项目的存储位置。
2)在出现的项目名上右击选择插入一个“SIMATIC300station”。
3)选择插入的300站,双击右侧窗口中的Hardware图标,打开硬件组态窗口。
4)逐一在窗口中添加内容。
首先在右侧的硬件目录“SIMATIC300/RACK-300”中双击“Rail”插入机架;接着在机架的第一行放置电源模块(PS),本次设计在该处放置的是PS3075A;机架的第二行放置CPU模块,本次设计在该处放置的是CPU313C-2DP(6ES7313-6CE00-0AB0);第三行放置接口模块,用于扩展更多的机架,本次设计无须扩展机架,故此处空置;第四行之后放置其他模块,如信号模块、通信模块等。
本次设计在第四行放置了SM323DI16/DO16×DC24V/0.5A(6ES7323-1BL00-0AA0)。
通过以上四个步骤,硬件组态就基本完成了。
最后
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