先进控制技术综合训练
MPS加工单元下位PLC 控制系统设计
——设计说明书
姓 名：
学 号：
班 级：控制工程基地一班
学 院：电气工程与信息工程学院
指导教师：赵正天
日 期：20##年12月2号
________年____季学期
摘要
本设计主要完成MPS加工单元下位PLC控制系统的设计，加工单元用于在旋转平台上检测及加工工件。即在具有四个工位的加工旋转平台上模拟钻孔加工、模拟检测加工质量，并通过旋转工作台模拟物流传送的过程。对加工单元的控制实现主要是通过PLC来实现，本设计采用西门子S7-300来实现。编程通过STEP7实现。
目录
第一章：绪论...........................................................................5
第二章: MPS装置介绍............................................................6
第三章: S7300简介..................................................................9
第四章:加工单元的组成及程序设计......................................12
第五章:存在的问题及心得体会..............................................21
第六章:参考文献......................................................................21
第一章绪论
近年来，各国为实现提高系统的定位精度以适应工业需要，尝试了
各种控制方式和控制策略，并对气动伺服系统做了大量工作。当临时需要对各个单元进行新的分配任务或产品变化时，可以很方便地改动或重新设计其新部件，当位置改变时，只要重新编程，就能很快地投产，从而降低了安装和转换工作的费用 1。模块化生产培训系统(MPS，Modular ProductiontrainingSystem)是一种模拟自动化生产加工单元，它由德国FESTO公司结合现代工业企业的特点开发研制而成。它可以大量代替单调往复或高精度的工作，用以满足前沿产品和自动化设备更新的需要。
基于MPS 装置即模块化加工系统，其典型应用就是物料分拣过程，在这个过程中所涉及的内容包括传感器技术，自动控制原理，气动和电气控制，电气安装和机械安装以及PLC人机界面，可为内容丰富，非常适合教学训练及开发。
随着计算机技术的发展加上PLC控制技术的不断提高，集计算机技术于一体的自动分拣智能控制系统，充分利用两者的优势进行互补，可靠性高，控制功能完善，实时性好，用户界面友好。一个适合的物料分拣系统可以减轻工人的劳动强度，提高分拣的质量，提高劳动生产率，因此在工业生产的多个领域具有非常广泛的应用前景。
该课题具有一定的使用价值，一方面可以利用MPS装置控制系统来模拟工厂自动化仓库的运作过程，了解其工作原理和方式，另一方面可以作为学校教学和企业培训的范例，通过MPS控制系统的研究与开发，进一步熟悉电子、机械、气动、传感器和PLC等方面的知识，可以说达到了知识巩固与提高的目的，有增强了学生的动手能力。
对于MPS进行物料分拣的控制方式常见可有两种，一种使用单片机实现，另一种是用PLC来实现，利用单片机来进行控制系统实际对硬件的依赖性比较小，成本低，但是缺乏稳定性，很难在工业生产中应用;而利用PLC进行控制系统的设计，虽然硬件投入较大，成本较高，但具有很高的稳定性，因此被广泛应用。
第二章MPS装置介绍
（1）基本组成
MPS由供料单元、检测单元、加工单元、操作手单元、和分拣单元等5个单元组成。其中，每个单元都可自成一个独立的系统，同时油都是一个机电一体化系统。各个单元的执行机构主要是气动执行机构，这些执行机构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。
在MPS设备上应用了多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的通过状态、物体的材质及颜色等。传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一，是现代工业实现高度自动化的前提之一。
在控制方面，MPS设备采用PLC进行控制，用户可根据需要选择不同厂家的PLC。MPS设备的硬件结构是相对固定的，但学习者可根据自己对设备的理解、对生产加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写PLC控制程序实现该工艺过程，从而实现对MPS设备的控制。
(2)MPS装置的介绍
MPS个工作单元相互独立，其控制系统均采用CPU313C-2DP进行控制，为了实现供料、检测、加工、搬用、分拣等完整工作流程需要将各种工作单元组合在一起并通过握手信号相互交换工作状态等信息。握手信号可以采用I/O方式，也可以采用总线方式来实现。
由于5个工作单元均采用CPU313C-2DP进行控制，因此可以采用基于PROFIBUS DP的只能从站主-从通信方式。将供料工作单元设为主站，其他四个工作单元设为智能从站，主站可直接与各个从站交换数据，智能从站之间通过主站交换数据。站点地址及数据分配如下表所示：
（3）基本功能
MPS设备给学习者提供了一个半开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何分配、最终使MPS模拟一个什么样的生产加工控制过程、MPS作为一条自动生产流水线具有怎样的操作运行模式等，学习这都可以根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出PLC程序，是MPS设备实现一个最符合实际的自动控制过程。
但MPS设备的每个单元都具有最基本的功能，学习者只能在这些基本功能的基础上进行设计与发挥。
各个单元的基本功能如下：
（1）供料单元的基本功能：按照需要将放置在料仓重的待加工工件自动的取出，并将其传送到第二个工作单元——检测单元。
（2）检测单元的基本功能：将供料单元送来的待加工工件进行颜色及材质的识别，并进行高度检测，将符合要求的工件通过上滑槽分流到下一工作单元——加工工作单元；将不符合工件要求的从下滑槽剔除。
（3）加工单元的基本功能：将检测单元送来的待加工工件进行模拟钻孔加工，并可以对加工结果进行检测。
（4）操作手单元基本功能：将加工单元加工后的工件从加工单元取走，取出的工件可以有两个流向：对符合要求的工件送往下一个工作单元——分拣单元；对不符合要求的工件，则放到本单元滑槽中剔除。
（5）分拣单元的基本功能：可以讲将上一单元传送过来的工件按颜色和材质的不同，分别从不同的滑槽分流。
第三章S7-300PLC简介
SIMATIC S7-300PLC属于模块化中小型PLC系统，可以满足中等性能要求的应用。它采用模块化、无风扇的结构，易于布置安装，可自由扩展，便于用户掌握使用。S7-300 PLC的编程软件是STEP 7。 用户程序由组织块(OB)、功能块(FB,FC)、数据块(DB)构成。 OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制 程序的运行。OB1是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。 功能块(FB,FC)实际上是用户子程序，分为带“记忆”的功能块FB和不 带“记忆”的功能块FC。前者有一个数据结构与该功能块的参数表完全 相同的数据块(DB)附属于该功能块,并随着功能块的调用而打开，随着功 能块的结束而关闭。该附属数据块(DB)叫做背景数据块，存在背景数据 块中的数据在FB块结束时继续保持，也即被“记忆”。功能块FC没有背 景数据块，当FC完成操作后数据不能保持。 数据块(DB)是用户定义的用于存放数据的存储区。 S7 CPU还提供标准系统功能块(SFB,SFC)。
S7-300 CPU有三个基本存储区： （１）系统存储区：ＲＡＭ类型，用于存放操作数据（Ｉ／Ｏ、位存储、定时器、计数器等）。 （２）装载存储区：物理上是ＣＰＵ模块中的部分ＲＡＭ，加上内置的ＥＥＰＲＯＭ或选用的可拆卸ＦＥＰＲＯＭ卡，用 于存放用户程序。 （３）工作存储区：物理上是占用ＣＰＵ模块中的部分ＲＡＭ，其存储内容是ＣＰＵ运行时，所执行的用户程序单元（逻辑块和功能块）的复制件。ＣＰＵ程序所能访问的存储区为系统存储区的全部、工作存储区 中的数据块ＤＢ、暂时局部数据存储区、外设Ｉ／Ｏ存储区等
输入(I) 输入过程映象表扫描周期开始，操作系统读取过程输入值并录入表中，在处理过程中，程序使用这些值 每个CPU周期，输入存储区在输入映象表中所存放的输入状态值，它们是外设输入存储区头128Byte的映象 输出(Q) 输出过程映象表在扫描周期中，程序计算输出值并存放该表中，在扫描周期结束后，操作系统从表中读取输出值，并传送到过程输出口，过程输出映象表是外设输出存储区的头128Byte的映象位存储区(M)存储位存放程序运算的中间结果外设输入(PI) 外设输出(PQ)I/O:外设输入 I/O:外设输出外设存储区允许直接访问现场设备（物理的或外部的输入和输出），外设存储区可以字节，字和双字格式访问，但不可以位方式访问 定时器(T) 定时器为定时器提供存储区 计时时钟访问该存储区中的计时单元，并以减法更新计时值 定时器指令可以访问该存储区和计时单元计数器(C)计数器为计数器提供存储区，计数指令访问该存储区 临时本地数据(L) 本地数据堆栈（Ｌ堆栈）在ＦＢ、ＦＣ可ＯＢ运行时设定。在块变量声明表中声明的暂时变量存在该存储区中，提供空间以传送某些类型参数和存放梯形图中间结果。块结束执行时，临时本地存储区再行分配。不同的CPU提供不同数量的临时本地存储区 数据块(DB) 据块ＤＢ块存放程序数据信息，可被所有逻辑块公用（“共享”数据块）或（被ＦＢ特定占用“背景”数据块）
中央处理单元ＣＰＵ的主要特性，包括存储器容量、指令执行时间、最 大Ｉ／Ｏ点数、各类编程元件（位存储器、计数器、定时器、可调用块） 数量等。 S7-300可编程控制器CPU314的技术数据 程序存储量 24K 每1K语句执行时间 0.3ms 计数器 64个（C0~C63） 计数范围：0~999 定时器 128个（T0~T127） 定时范围：10ms~9990s 通讯接口 MPI 编程软件 STEP7 位存储器 2048个（MB0~MB255） 数据块 最多127（DB0保留） 大小：最大8KB 嵌套深度：8层 机架 最多4个 每个机架的信号模块数：最多8个 应用场合 对编程范围和操作处理速度有高要求的大型设备
S7-300的CPU有四种工作方式，通过可卸的专用钥匙控制： （１）ＲＵＮ－Ｐ：可编程运行方式。 （２）ＲＵＮ：运行方式。 （３）ＳＴＯＰ：停机方式。 （４）ＭＲＥＳ：ＣＰＵ清零 用钥匙开关进行程序的清除 在开始一个新的编程工作时，我们需要将中央处理器进行清零处理。它 将很容易地通过操作CPU上的钥匙开关来实现。为此我们必须进行以下 的操作步骤： 1．接通PLC工作电源，并等待至CPU的自检测运行完成 2．转动钥匙开关至MRES位置，并保持这个状态，直至STOP发光 二极管从闪动转为常亮状态 3．钥匙开关转至STOP位置并迅速转回MRES位置，保持这个状态， STOP发光二极管开始快速闪动 4．STOP发光二极管的快速闪动，表示CPU已被清零 5．松开钥匙开关，这时钥匙会自动返回STOP位置 6．可编程控制器已被清零，并可以传输新的控制程序 程序的下传只能是钥匙开关在STOP或RUN－P位置进行
第四章加工单元的组成及程序设计
在加工工作单元，工件将在旋转平台上被检测及加工。本单元是MPS系统中唯一一只使用电器驱动器的工作单元。该工作单元主要由PLC、控制面板、继电器、旋转工作台、孔深检测电磁装置、钻磨装置、电磁拨叉、电磁夹紧装置、各工位工件检测传感器、旋转工作台定位传感器等组成。加工工作单元的主要作用是对工件进行孔深检测并做出好坏标志，然后对工件进行钻磨加工，并将加工过的工件送到下游站。
具体要求如下：
（1）上电时要求先点亮允许复位指示灯，按复位按钮，个工作部位应回到初始状态（电磁夹紧装置释放、孔深检测电磁装置复位、电磁拨叉复位、钻磨电机控制继电器释放、工作台电机控制继电器释放、钻磨装置下降控制继电器释放、钻孔装置上升控制继电器并设置本站忙标志）。
（2）按复位按钮工作部件回到初始位置后应点亮允许启动指示灯，按启动按钮工作单元开始工作。
（3）工作单元开始工作后，如果下游站处于空闲状态且本站工作输入位置有工件，则旋转工作台转动。旋转工作台转动过程中，如果定位传感器动作。则旋转工作台停止准备进行孔深检测机钻磨。
（4）如果孔深检测工位有工件，则执行孔深检测；钻磨工位有工件，则执行钻磨；输出位置有工件，则由电磁拨叉将工件送到下游站。如果3个工位都有工件，则同时执行孔深检测、钻磨及输出操作，同时结束本次工作循环。
（5）在输出位置如果又合格工件，则点亮允许复位指示灯。
任务实施：
（一）系统资源的配置
加工工作单元采用CPU313C-2DP进行控制，资源分配如下表所示：
第六 第六章
加工单元的程序设计
（1）加工单元梯形图：
第五章存在的问题及心得体会
此次实验基本上完成了实验要求，但存在不少问题。首先，为保证MPS整个过程的顺利、安全运行，应当设立各个工作站衔接启动的次序，本站是否启动应该受到上一站完成、下一站准备好的信号的双重作用。而此次实验未能达到要求，本站的启动只和本站工件准备好否、转盘是否在初始位置有关；其次，模拟的具体工艺有些未达到，比如在检测时，若工件合格，应设置相应的标志符，若不合格，则设置不合格标志符；并以此来判断是否进行下一步的打磨步骤，而此次实验未达到；还有，钻磨过程大大简化。
实验过程中，磨难颇多。先遇到的问题是怎样将编好的程序下载至相应的PLC单元中，涉及到硬件设置中的相关参数的设定，在老师的指导下顺利的解决了这个问题；再者，程序出现的问题，未实现相应的功能，复位、开始、停止按钮对应的功能实现等等，在编程的过程中一定要牢牢树立程序顺序执行、返回执行等的结合。
在调试时，应该有人守候在设备旁，时刻注意设备的运行情况，一旦发生执行机构相互冲突的事件应及时操作保护设施，如切断设备执行机构的控制信号回路、切断气源，以免造成设备的损伤。建议在调试时，先将安装在加紧气缸杆前端的夹紧装置和安装在检测气缸杆上的探测装置拆掉，以免在调试过程中由于程序错误而发生转动工作台和他们之间的冲突，从而避免设备的损坏。在程序调试完毕后，再将其恢复。
第六章参考文献
1.《化生产加工系统应用技术》主编：刘增辉 主审：朱运利 电子工业出版社
2.《可编程控制器原理及程序设计》主编：姜秀汉、汤楠 电子工业出版社
3.《机电一体化系统设计》张建明 北京理工大学出版社
第二篇：串行并行加工实验报告
广东外语外贸大学
实验心理学教学实验报告
课程名称：实验心理学
论文题目：串行并行加工实验
学生姓名：
串行-并行加工实验
姓名
（广东外语外贸大学心理学系，广州，510006）
摘 要本次实验中，我们将利用JGW-B型心理实验台对串行并行的加工方式做初步的探究，检验在辨别复杂刺激时信息加工是串行方式还是并行方式，并得出了一些结果，并分析了其中的可能会造成误差的一些因素。
关键词串行，并行，加工实验
1 引言
心理学中从信息处理的角度看，人脑的语言加工有串行和并行两种加工方式。串行加工指操作程序一个接一个先后进行，并行加工指操作程序同时进行。 复杂刺激是指包括几种特征的刺激。判断两个复杂刺激的异同，是用串行加工还是用并行加工呢？对这个问题曾从两个方面进行研究。一方面是观察反应时间是否随刺激的复杂程度而变化，如果用串行加工，也就是一个特征一个特征的挨次比较，判断两个刺激异同所需要的时间，就会随刺激复杂程度的增加而延长；如果用平行加工，也就是两个刺激—呈现就对所有特征同时进行比较，判断两个刺激异同所用的时间就不受特征数目的影响。另一方面是比较判断两个复杂刺激异同的反应时间，要判断两个刺激“相同”，需要对每个特征都加以比较才能判断；要判断二者“不同”，只要找到一个特征不同就可以下判断。所以，在用串行加工的条件下，只要检查出一个特征不同，即可停止并做出“不同”的判断，结果，判断“不同”比判断“相同”的反应时就要短些。用并行加工时，做出这两种判断的反应时可能没有多大差别。 本次实验目的是检验在辨别复杂刺激时信息加工是串行方式还是并行方式。
2方法
2.1被试
1名广东外语外贸大学大二本科生。
2.2仪器
2.2.1 JGW-B型心理实验台速示器单元，计时计数单元，手键一个。
2.2.2 卡片两套，第一套为白背景上有左右两个相同图片的卡片，图形为正三角形、正方形和圆形3种，每种图形分别有红、绿、蓝3种颜色，共有9种不同的色形组合，每种5张，共45 张。正方形边长=正三角形的高=圆的直径=2cm，两图形之间的水平距离2cm。第二套为白背景上有两个特征不同的图形卡片，其中行不同色同的、色不同形同的和色形均不同的各15张，共45张。图形的大小和两图形间的距离与第一套卡片相同，注视点卡片一张。
2.3实验步骤：
2.3.1将两套卡片混合，按随机原则排成顺序并列表，其中前45张为第一组，后45张为第二组，表中列出每次应作的正确反应。
实验顺序（卡片号） 1 2 3 4 5 …… 90
应作出的正确反应
被试的反应
反应时
2.3.2 接上电源；将导线连接的一端接速示器的“反应时检出”，另一端接计时计数器的“反应时输入”；反应时手键接在计时计数器的被试侧“手键”插口上。
2.3.3 速示器电源选择“ＯＮ”，灯亮表示接通电源。用明度测试卡调节Ａ，Ｂ视场的明度达到基本一致；在“工作方式选择”栏，将Ａ选为“定时”，Ｂ选为“背景”，选“Ａ—Ｂ”顺序方式；在“时间选择”栏，将Ａ定为“５００”。
2.3.4打开计时计数器电源，电源灯亮，计时屏幕显示“０.０００”，“正确次数”和“错误次数”均显示“０”，表示电源接通。“工作方式选择”为“反应时”。 .
2.3.5将注视点卡片输入Ｂ视场。被试坐在桌前，面部贴紧速示器观视窗，两眼注视屏幕中心注视点，左，右两手食指分别放在红黄反应键上。
2.3.6 指导语：“我发出“预备”口令后实验开始，你判断屏幕上两个图形是否相同，你认为相同就用左手食指按键，并报告“同”，若认为“不同”就用右手食指按键，并报告“不同”。两个图形必须在大小，形状和颜色上完全一样才算相同。”
2.3.7 主试将第一组卡片按表的顺序依次输入Ａ视场。主试每输入一张卡片，发出“预备”口令１—２秒后按速示器的“触发”键，计时计数器自动记录被试每次的反应时间和反应结果。第一组卡片呈现完毕后，按计时计数器的“打印”键，打印本组实验结果。
2.3.8 休息５分钟后按以上程序重复第二组卡片的实验。
2.4实验设计
本实验为1×2被试内实验设计。自变量为呈现卡片的相同或者不同。每个被试共计操作90次，实验最终获得90个数据。
3 结果
3.1数据处理工具
使用SPSS 18.0 for windows对所得数据进行整理和统计。
3.3呈现的卡片同于不同对被试反应的影响
表1被试对不同卡片做出反应的反应时的描述
同时,我们对实验结果做了独立样本t检验，显著性P=0.008<0.01，达到了显著水平，说明在刺激变复杂之后，被试的反应时显著增加。
4 讨论
4.1刺激的复杂程度对被试反应时的影响，从而检验信息加工方式
刺激的复杂程度在本次实验的操作定义为不同的卡片，在两个图形的卡片中，有些完全相同，有些形状或者颜色不同，后者为相对复杂的刺激。实验结果处理后发现两组存在这显著的差异。刺激更复杂，所需要的反应时也更长。这与在辨别复杂刺激时信息加工是串行方式的假设是一致的。
4.2错误反应对实验的影响
实验操作中，被试在90次实验操作中，共有6次反应错误，为了防止该反应错误对实验结果的影响，所以我们剔除了这6个数据。
4.3练习效应对结果的影响
实验结果前后两组的M分别为424、452，SD分别为126、88。我们对这两组做了独立样本的t检验发现被试在前后两组前后的差异不显著。
5 小结
5.1在辨别复杂刺激时信息加工是串行方式；
5.2在实验中基本不存在练习效应，其原因可能是因为反应时更倾向于先天的能力，尚有待其他实验验证；