基于PLC的物料分揀控制系統(tǒng)設計

基于PLC的物料分揀控制系統(tǒng)設計,基于PLC的物料分揀控制系統(tǒng)設計,基于,plc,物料,分揀,控制系統(tǒng),設計 本科學生畢業(yè)設計 基于PLC的物料分揀控制系統(tǒng)設計 系部名稱： 機電工程學院 專業(yè)班級： 機械設計制造及其自動化08-1班 學生姓名： XXX 指導教師： XXX 職 稱： XXX 二○一二年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree the Design of Material Sorting Based on PLC Control System Candidate： Specialty：Mechanical Design and Manufacture & Automation Class：Mechannism 08-1 Supervisor： 2012-06·Harbin 摘 要 傳送帶在先進制造領域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動?？梢詫崿F生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因此被廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 本文在縱觀了近年來傳送帶發(fā)展狀況的基礎上，結合傳送帶方面的設計，對傳送帶技術進行了系統(tǒng)的分析，提出了PLC控制的設計方案。采用整體化的設計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點并進行互補優(yōu)化。對物料分揀傳送帶的整體結構、執(zhí)行結構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了分析和設計。在其驅動系統(tǒng)中采用氣動驅動，控制系統(tǒng)中選擇PLC的控制單元來完成對金屬工件根據工件大小進行大中小分類，并進行計數；對非金屬材料通過傳送帶向后傳送，并進行計數；實現對傳送帶啟動，停止的控制等功能。 通過以上部分的工作，得出了經濟型、實用型、高可靠型物料分揀傳送帶的設計方案，對其他經濟型PLC控制系統(tǒng)的設計也有一定的借鑒價值。 關鍵詞：PLC；物料分揀；傳送帶；控制系統(tǒng)；自動化 Ⅰ  ABSTRACT The conveyor belt plays an extremely important role in the field of advanced manufacture. It can handle cargo, sort items and take the place of the heavy labor of the people. It can achieve the mechanization and automation of production, and can operate in hazardous environments in order to protect the personal safety, which is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sector. This article has investigated the latest development of conveyor belt, combined the design of conveyor belt, carried out a systematic analysis on the conveyor belt technology, and put forward a PLC control program. This design uses the idea of overall design, and gives full consideration to the software and hardware characteristics and complementary optimization. It has also analyzed and designed the overall structure of the material sorting conveyor, the executive structure of the drive system and control system. In its drive system and control system, pneumatic drive and PLC’s control unit have been not only used to classify medium and small metal materials and count based on the materials’ size, but also used to transmit and count non-metallic materials by conveyor, which achieves the functions on the conveyor belt to start, stop, control. Throughout the above work, this design has obtained an economical, practical, highly reliable material sorting conveyor design program, which also has a reference value for other economic PLC control system’s design. Key words: PLC；Material sorting；Conveyor belt；Control system；Automation Ⅱ Ⅱ 目 錄 摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract ………………………………………………………………………………Ⅱ 第1章 緒論………………………………………………………………………………1 1.1 課題研究目的和意義……………………………………………………………1 1.2 課題研究現狀及分析……………………………………………………………2 1.3 設計內容及擬解決主要問題……………………………………………………6 第2章 物料分揀控制系統(tǒng)的總體方案設計……………………………………… 7 2.1 技術要求…………………………………………………………………………7 2.2 系統(tǒng)的構成………………………………………………………………………7 2.3 系統(tǒng)流程圖及工作原理………………………………………………………… 8 2.4 本章小結…………………………………………………………………………9 第3章 物料分揀控制系統(tǒng)的硬件設計 ……………………………………10 3.1 PLC的選擇………………………………………………………………………10 3.2 傳感器的選擇……………………………………………………………………18 3.3 本章小結…………………………………………………………………………21 第4章 物料分揀控制系統(tǒng)的軟件設計……………………………………22 4.1控制系統(tǒng)I/O分配………………………………………………………………22 4.2 PLC外部接線圖………………………………………………………………24 4.3軟件設計…………………………………………………………………………25 4.4本章小節(jié)………………………………………………………………………… 29 結論……………………………………………………………………………………… 30 參考文獻 ………………………………………………………………………………31 致謝………………………………………………………………………………………33 附錄………………………………………………………………………………………34 第1章 緒 論 1.1 課題研究目的和意義 近二十年來, 電氣技術的應用領域迅速拓寬, 尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合, 使整個系統(tǒng)自動化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產線的迅速發(fā)展,對氣動技術提出了更多更高的要求。本文主要針對生產線上的自動化設計了一個四段物料分揀傳送帶，實現生產的自動化。啟動后，供料傳送帶啟動并開始供料，當物料為金屬物料時，首先判斷物料尺寸大小，傳送帶輸出物料分別對大、中、小物料進行計數，物料到位，通過汽缸將物料推出，然后停止傳送帶；當物料為非金屬時，直接將物料輸送出去，并對非金屬物料進行計數 [1]。 伴隨著機電一體化在各個領域的應用，機械設備的自動控制成分顯得越來越重要，由于工作的需要，人們經常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。因此機傳送帶就在這樣誕生了,其中的自動分揀傳送帶是近代自動控制領域中出現的一項新技術，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認識：它能部分地代替人工操作；能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；廣泛的應用傳送帶，可以逐步改善勞動條件，更強與可控的生產能力，加快產品更新?lián)Q代，提高生產效率和保證產品質量，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，減少勞動風險，提高機床，減少工藝過程中的工作量及降低停產時間和庫存，顯著地提高勞動生產率，提高企業(yè)競爭力，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。本設計擬開發(fā)的基于PLC的物料分揀傳送帶可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，可分揀重量較大的工件，采用PLC控制，和傳統(tǒng)繼電器控制相比較，具有穩(wěn)定性高，接線簡單，抗干擾能力強，維修方便等優(yōu)點。可以簡化控制線路，節(jié)省成本，進一步提高勞動生產率。 PLC具有許多明顯的優(yōu)點： 1）高可靠性：PLC所有的輸入輸出接口電路都采用光電隔離，使工業(yè)現場的外部電路與PLC內部電路之間實現電氣隔離；PLC各輸入上均采用R-C濾波技術，其濾波時間常數一般為10-20ms；PLC各模塊采用了性能良好的開關電源；PLC所采用的器件都進行嚴格的篩選和老化。 2）豐富的輸入輸出模塊：PLC針對不同的工業(yè)現場信號，有豐富的模塊供用戶選用，如：DC/AC,數字量/模擬量，電壓/電流，脈沖/電位等等。PLC相應的輸入輸出模塊與工業(yè)現場的多種器件或者設備相連接。與輸入模塊相連有按鈕、行程開關、接近開關等；與輸出模塊相連的有電磁閥、接觸器、電機、指示燈等。為了提高PLC的功能，它還提供了多種人機對話的接口模塊；為了組成工業(yè)局部網絡，PLC還有多種通信模塊。 3） 采用模塊化結構：除了廂體式的小型PLC，目前絕大多數PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件如CPU、電源等都采用模塊化設計，由機架和電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能用戶可自己組合。 4）編程簡單：PLC的編程大多數采用類似于繼電器控制線路的梯形圖格式，形象直觀，易學易懂。 5）安裝簡單，維修方便[2]。 1.2 課題研究現狀及分析 1.2.1 國內外PLC發(fā)展現狀和趨勢 工業(yè)生產過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字設備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認的第一臺PLC[3]。 限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數功能。20世紀70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產物。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展[4]。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ系列等多種產品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產廠家?？梢灶A期，隨著我國現代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地[5]。 1.2.2 PLC的發(fā)展趨勢 21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用[6]。 其主要表現為： 1）產品規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展 大：I/O點數達14336點、32位為微處理器、多CPU并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化。 小：由整體結構向小型模塊化結構發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本。 2）PLC在閉環(huán)過程控制中應用日益廣泛 3）不斷加強通訊功能 4）新器件和模塊不斷推出高檔的PLC除了主要采用CPU以提高處理速度外，還有帶處理器的EPROM或RAM的智能I/O模塊、高速計數模塊、遠程I/O模塊等專用化模塊。 5）編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標準化有各種簡單或復雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，亦有高檔的PLC指令系統(tǒng)。 6）發(fā)展容錯技術采用熱備用或并行工作、多數表決的工作方式。 7）追求軟硬件的標準化[7]。 1.2.3 國內外傳送帶發(fā)展現狀和發(fā)展趨勢 17世紀中，美國開始應用架空索道傳送散狀物料；19世紀中葉，各種現代結構的傳送帶輸送機相繼出現。1868年，在英國出現了皮帶式傳送帶輸送機；1887年，在美國出現了螺旋輸送機；1905年，在瑞士出現了鋼帶式輸送機；1906年，在英國和德國出現了慣性輸送機。此后，傳送帶輸送機 受到機械制造、電機、化工和冶金工業(yè)技術進步的影響，不斷完善，逐步由完成車間內部的傳送，發(fā)展到完成在企業(yè)內部、企業(yè)之間甚至城市之間的物料搬運，成為物料搬運系統(tǒng)機械化和自動化不可缺少的組成部分。傳送帶一般按有無牽引件來進行分類。具有牽引件的傳送帶一般包括牽引件、承載構件、驅動裝置、張緊裝置、改向裝置和支承件等。牽引件用以傳遞牽引力，可采用輸送帶、牽引鏈或鋼絲繩；承載構件用以承放物料，有料斗、托架或吊具等；驅動裝置給輸送機以動力，一般由電動機、減速器和制動器(停止器)等組成；張緊裝置一般有螺桿式和重錘式兩種，可使牽引件保持一定的張力和垂度，以保證傳送帶正常運轉；支承件用以承托牽引件或承載構件，可采用托輥、滾輪等。具有牽引件的傳送帶設備的結構特點是：被運送物料裝在與牽引件連結在一起的承載構件內，或直接裝在牽引件(如輸送帶)上，牽引件繞過各滾筒或鏈輪首尾相連，形成包括運送物料的有載分支和不運送物料的無載分支的閉合環(huán)路，利用牽引件的連續(xù)運動輸送物料。這類的傳送帶設備種類繁多，主要有帶式輸送機、板式輸送機、小車式輸送機、自動扶梯、自動人行道、刮板輸送機、埋刮板輸送機、斗式輸送機、斗式提升機、懸掛輸送機和架空索道等。沒有牽引件的傳送帶設備的結構組成各不相同，用來輸送物料的工作構件亦不相同。它們的結構特點是：利用工作構件的旋轉運動或往復運動，或利用介質在管道中的流動使物料向前輸送。例如，輥子輸送機的工作構件為一系列輥子，輥子作旋轉運動以輸送物料；螺旋輸送機的工作構件為螺旋，螺旋在料槽中作旋轉運動以沿料槽推送物料；振動輸送機的工作構件為料槽，料槽作往復運動以輸送置于其中的物料等[8]。 1.2.4 傳送帶設備的發(fā)展方向　 未來傳送帶設備將向著大型化發(fā)展、擴大使用范圍、物料自動分揀、降低能量消耗、減少污染等方面發(fā)展。大型化包括大輸送能力、大單機長度和大輸送傾角等幾個方面。水力輸送裝置的長度已達440公里以上帶式輸送機的單機長度已近15公里，并已出現由若干臺組成聯(lián)系甲乙兩地的“帶式輸送道”。不少國家正在探索長距離、大運量連續(xù)輸送物料的更完善的輸送機結構。擴大輸送機的使用范圍，是指發(fā)展能在高溫、低溫條件下有腐蝕性、放射性、易燃性物質的環(huán)境中工作的，以及能輸送熾熱、易爆、易結團、粘性物料的傳送帶設備。常見傳送帶有TD75型和DTⅡ型傳送帶,帶式輸送機[9]。 1.2.5 本設計所采用的傳送機構就是帶式傳送機. 帶式傳送機是在一定的線路上連續(xù)輸送物料的物料搬運機械，又稱連續(xù)輸送機。輸送機可進行水平、傾斜和垂直輸送，也可組成空間輸送線路，輸送線路一般是固定的。輸送機輸送能力大，運距長，還可在輸送過程中同時完成若干工藝操作，所以應用十分廣泛。帶式輸送機（直線式）該輸送機用于物料的輸送。采用不銹鋼網帶作為載體，適用于各種食品行業(yè)的烘干、去濕、冷凍等、熱處理等；不銹鋼制成，具有耐高溫、便于清洗等特點；具體尺寸可以根據客戶要求定做。帶式輸送機應用行業(yè)：食品、冶金、電力、煤炭、化工、建材、碼頭、糧食等。帶式輸送機結構形式有： 水平直線輸送、提升爬坡輸送、轉彎輸送等多種形式，輸送帶上還可增設提升擋板、側擋板等附件，能滿足各種工藝要求。帶式輸送機輸送機材質：有A3低碳鋼、201不銹鋼、304不銹鋼等。驅動方式有：減速電機驅動。調速方式有：變頻調速、無極變速[10]。 1.3 設計內容及擬解決主要問題 隨著傳送帶技術的飛速發(fā)展和傳送帶應用領域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經濟性強。本論文主要研究物料分揀傳送帶以下幾個方面的內容： 1）對金屬工件根據工件大小進行大中小分類，并進行計數。 2）對非金屬材料通過傳送帶向后傳送，并進行計數。 3）實現對傳送帶啟動，停止的控制。 主要解決問題如下： 1)分揀裝置設計 2)分揀裝置控制系統(tǒng)流程設計 3)PLC的選擇 4)傳感器選擇 5)控制系統(tǒng)I/O分配[11]  第2章 物料分揀控制系統(tǒng)的總體方案設計 2.1技術要求 1）對于金屬工件能根據工件大小進行大、中、小分類，并按大、中、小分揀至不同的分裝箱內，同時對不同類型的工件進行計數。 2）本系統(tǒng)還將對不同材料進行分揀，對于非金屬材料則通過傳送帶向后輸送，并進行非金屬工件的計數。 3）能實現4段傳送帶的運轉、停止的順序控制。 2.2 系統(tǒng)的構成 正如圖2.1所顯示，系統(tǒng)的主要組成部分分為傳送帶四條、接近開關十個。 圖2.1物料分揀裝置示意圖 2.3 系統(tǒng)流程圖及工作原理 · 啟動 供料 傳送帶1輸送 計數到？ 結束 物料尺寸 傳送帶輸送 計數 到位？ 推出 大？ 停轉傳送帶2 物料尺寸 傳送帶輸送 計數 到位？ 推出 中？ 停轉傳送帶2 物料尺寸 傳送帶輸送 計數 到位？ 推出 ??？ 停轉傳送帶2 傳送帶輸送 非金屬工件 圖2.2分揀裝置控制系統(tǒng)流程圖 如圖2.2所示，啟動后，供料傳送帶啟動并開始供料，當物料為金屬物料時，首先判斷物料尺寸大小，傳送帶輸出物料分別對大、中、小物料進行計數，物料到位，通過汽缸將物料推出，然后停止傳送帶；當物料為非金屬時，直接將物料輸送出去，并對非金屬物料進行數[12]。 2.4 本章小結 本章根據技術要求設計了主系統(tǒng)結構框圖，系統(tǒng)的構成，以及系統(tǒng)的工作原理。通過圖示可以清晰地看出系統(tǒng)結構的連接方式。物料分揀控制系統(tǒng)以FX2N-48MR-001為中心，控制傳送帶來實現其預期的結果。 第3章 物料分揀控制系統(tǒng)的硬件設計 物料分揀控制系統(tǒng)的硬件設計包括PLC的選擇和傳感器的選擇兩部分 [13] 。 3.1 PLC的選用 3.1.1什么是PLC PLC的全稱是Programmable Logic Controller（可編程序控制器）,剛引入國內時，曾簡稱為PC。后來，IBM-PC獲得廣泛應用，PC成了個人電腦的代名詞，才改為PLC。PLC還有另外的一個意思是Power Line Carrier(電力線載波) [14]。 3.1.2 PLC與單片機的區(qū)別 1）PLC是建立在單片機之上的產品，單片機是一種集成電路，兩者不具有可比性。 2）單片機可以構成各種各樣的應用系統(tǒng)，從微型、小型到中型、大型都可，PLC是單片機應用系統(tǒng)的一個特例。 3）不同廠家的PLC有相同的工作原理，類似的功能和指標，有一定的互換性，質量有保證，編程軟件正朝標準化方向邁進。這正是PLC獲得廣泛應用的基礎。而單片機應用系統(tǒng)則是八仙過海，各顯神通，功能千差萬別，質量參差不齊，學習、使用和維護都很困難。 最后，從工程的角度，談談PLC與單片機系統(tǒng)的選用； 4）對單項工程或重復數極少的項目，采用PLC方案是明智、快捷的途徑，成功率高，可靠性好，手尾少，但成本較高。 5）對于量大的配套項目，采用單片機系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點，但這要有相當的研發(fā)力量和行業(yè)經驗才能使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運行。最好的方法是單片機系統(tǒng)嵌入PLC的功能，這樣可大大簡化單片機系統(tǒng)的研制時間，性能得到保障，效益也就有保證[15]。 3.1.3 PLC與繼電器系統(tǒng)的異同 繼電器接觸器是以電磁開關為主體的低壓電器元件，其構成的系統(tǒng)是用導線依一定的規(guī)律將它們連接起來，實現不同的控制功能。 從邏輯控制看，PLC與繼電器系統(tǒng)的區(qū)別主要是: （一）組成器件不同 （二）觸點數量不同 （三）實時控制的方法不同 （四）工作方式不同[16] 3.1.4 PLC 的硬件組成與各部分的作用 可編程控制器(PLC)是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。其結構如下圖: 可編程控制器基本單元（M） 電源 按鈕 微處理器（CPU） 接觸器 輸 輸 限位開關 入 運算器 出 指示燈 接 接 KV.觸點 口 控制器 口 電磁閥 COM端 電源 編輯器 其它PC 外 存儲器 擴 擴 打印機 設 展 展 計算機 接 系統(tǒng)程序 用戶程序 接 單 寫入器 口 口 元 圖3.1 PLC硬件基本組成的簡化框圖 由圖可見，PLC的硬件是由主機（基本單元）、I/O擴展模塊以及各種外部設備組成，通過各自的端口聯(lián)成一個整體。其主要組成及各部分作用是： 1）CPU CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯(lián)系的數據、控制及狀態(tài)總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態(tài)或數據，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。 2）存儲器 存儲器分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器, 用戶存儲器包括用戶程序存儲器和數據存儲器兩種，前者用于存放用戶程序，后者用來存放用戶程序執(zhí)行過程中使用NO/OFF狀態(tài)量或數值量，以生成用戶數據區(qū)。用戶存儲器內容由用戶根據控制需要可讀可寫，可任意修改、刪除?？刹捎酶呙芏?、低功耗的CMOS RAM或EPROM與EEPROM。他在PLC技術指標中的內存容量系指用戶存儲器容量，是PC等級的一項重要指標；系統(tǒng)存儲器用于固化PLC生產廠家編寫的各種系統(tǒng)工作程序，相當于單片機的監(jiān)控程序或個人計算機的操作系統(tǒng)，在很大程度上他決定該種PC的性能和質量，用戶無法更改或調用。 3）輸入、輸出單元（I/O單元） I/O口單元稱為I/O接口電路，PLC程序執(zhí)行過程中需要用的各種開關量、數字量或模擬量等各種外部設備或設定量，都通過輸入電路進入PLC。而程序執(zhí)行結果又是通過輸出電路送到控制現場實現外部控制功能。由于生產過程當中的信號電平、頻率是多種多樣的，外部執(zhí)行機構所需的電平、頻率也是千差萬別的，而CPU處理的信號只是標準電平，其工作節(jié)拍又與外部環(huán)境不一樣。所以PLC與通用計算機I/O電路有著類似的作用，即電平變換、速度匹配、驅動功率放大、信號隔離等。不同的是，PC產品的I/O單元是顧及其工作環(huán)境和各種要求而經過精心設計和制造的。通用計算機則要求擁護根據使用條件自行開發(fā)，其可靠性、抗干擾能力往往達不到系統(tǒng)要求[17]。 (1) 輸入接口電路 各種PLC輸入電路大致相同，其輸入方式有三種類型：一種是直流輸入（DC12V或24V），另一種是交流輸入（AC100～120V或200～240V），第三種是交直流輸入（交直流12V或24V）。外部輸入器件可以是無源觸點，如按鈕、行程開關、主令開關等，也可以是有源器件，如各類傳感器、集電極開路的晶體管接近開關、光電開關等。在PLC內部電源容量允許前提下，有源輸入器件可采用PLC輸出電源，否則必須外設電源。當輸入信號為模擬量時，信號必須經過專用的模擬量輸入模塊進行A/D轉換，然后通過輸入電路進行PLC。輸入信號是通過輸入斷子經RC濾波、光電隔離進入內部電路。圖3.2是一個直流24V輸入連路的內部原理線路，由裝在PLC面板上的來顯示某一輸入點是否有信號輸入。 +24V LED 內 部 電 源 輸入口 COM 接近開關 圖3.2 24V輸入接口電路 (2) 輸出接口電路 為適應不同負載需求，各類PLC的輸出有三種方式，即繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。繼電器輸出最常用，適用交直流負載，其特點是帶負載能力強，但動作頻率和響應速度慢。晶體管適應直流負載，其特點是動作頻率高，響應速度快，但帶負載能力小。晶閘管輸出使用交流負載，響應速度快，帶載能力不大。 外部負載直接與PLC輸出端子相聯(lián)，輸出電路的負載電源由用戶根據負載要求自行分配。輸出電路僅是提供輸出通道。同時考慮不同類型，不同性質負載的接線要求，通常PLC輸出端口的公共端子是分組設置的。每4-8點共一個COM端子，各組相互隔離。在實際應用中應該注意各類PLC輸出端子的輸出電流不能超出其額定值，同時還要注意輸出電流與負載性質有關，例如FX2型PLC繼電器輸出的負載能力在電源電壓250V以下時，電阻性負載為2A/點；感性負載為80VA/點，燈負載為100W/點。 4. 電源單元 PLC對供電電源要求不高，可直接采用普通單相交流電。允許電源電壓額定值在+10%～-15%范圍內波動。也有用直流24V供電。PLC內部有一個高質量開關型穩(wěn)壓電源，用于對CPU、I/O單元供電，還可以為外部傳感器提供DC24V電源[18]。 3.1.5 PLC的選型原則 1、輸入輸出（I/O）點數的估算 I/O點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統(tǒng)計的輸入輸出點數，再增加10%～20%的可擴展　余量后，作為輸入輸出點數估算數據。實際訂貨時，還需根據制造廠商PLC的產品特點，對輸入輸出點數進行圓整。 2、存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量I/O點數的10～15倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。控制功能的選擇：該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 3、對PLC響應時間的要求 響應速度即響應時間包括輸入濾波時間，輸出濾波時間和掃描周期。PLC一般以順序掃描工作方式進行工作，對小于掃描時間的輸入信號，有可能造成接收信號不可靠。因此，對有維持很短時間的輸入信號來講，需要選取掃描速度高的PLC。一般機器對掃描時間的限定值為100～200ms，而實際上執(zhí)行一千條指令僅需時間1～10ms ,對一般規(guī)模的PLC程序，則輸入信號能維持在10ms左右就完全能安全地被接收到，但對模擬量輸入則需要考慮與PLC的響應時間的配合問題。 4、系統(tǒng)可靠性 根據生產環(huán)境及工藝要求，應采用功能完善可靠性適宜的PLC。對可靠性要求極高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余控制系統(tǒng)或熱備份系統(tǒng)。 5、編程器與外圍設備 小型PLC控制系統(tǒng)一般選用價格便宜的簡易編程器；如果系統(tǒng)較大或多臺PLC共用，可以選用功能強，編程方便的圖形編輯器；如果有現成的個人計算機，可選用能在計算機上使用的編程軟件[19]。 3.1.5 三菱PLC分類： FX1S系列:三菱PLC是一種集成型小型單元式PLC。且具有完整的性能和通訊功能等擴展性。如果考慮安裝空間和成本是一種理想的選擇。 FX1N系列:是三菱電機推出的功能強大的普及型PLC。具有擴展輸入輸出，模擬量控制和通訊、鏈接功能等擴展性。是一款廣泛應用于一般的順序控制三菱PLC。 FX2N系列:是三菱PLC是FX家族中最先進的系列。具有高速處理及可擴展大量滿足單個需要的特殊功能模塊等特點，為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。 FX3U:是三菱電機公司新近推出的新型第三代三菱PLC,可能稱得上是小型至尊產品?；拘阅艽蠓嵘w管輸出型的基本單元內置了3軸獨立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令，從而使得定位控制功能更加強大，使用更為方便。 FX1NC、FX2NC、FX3UC三菱PLC:在保持了原有強大功能的基礎上實現了極為可觀的規(guī)?？s小I/O型接線接口降低了接線成本，并大大節(jié)省了時間。 Q系列三菱PLC:三菱機公司推出的大型PLC,CPU類型有基本型CPU，高性能型CPU，過程控制CPU,運動控制CPU,冗余CPU等。可以滿足各種復雜的控制需求。三菱電機中國事業(yè)的快速發(fā)展，為了更好地滿足國內用戶對三菱PLC，Q系列產品高性能、低成本的要求，三菱電機自動化特推出經濟型QUTESET型三菱PLC，即一款以自帶64點高密度混合單元的5槽Q00JCOUSET；另一款自帶2塊16點開關量輸入及2塊16點開關量輸出的8槽Q00JCPU-S8SET，其性能指標與Q00J完全兼容，也完全支持GX-Developer等軟件，故具有極佳的性價比。 A系列三菱PLC: 使用三菱專用順控芯片（MSP），速度/指令可媲美大型三菱PLC;A2ASCPU支持32個PID回路。而QnASCPU的回路數目無限制，可隨內存容量的大小而改變；程序容量由8K步至124K步，如使用存儲器卡，QnASCPU則內存量可擴充到2M字節(jié)；有多種特殊模塊可選擇，包括網絡，定位控制，高速計數，溫度控制等模塊。 FX2N系列PLC是功能齊全的中小型PLC，其控制規(guī)模包括16點/32點/48點/64點/80點/128點PLC，輸出具有繼電器/晶體管/晶閘管輸出，內置8KB容量的EEPROM存儲器，CPU運算處理速度0.55-0.7μs/基本指令，可連接I/O擴展模塊和特殊功能模塊。 根據控制系統(tǒng)的控制要求可以了解系統(tǒng)所需要的I/O點數，選擇FX2N-48MR-001型PLC[20]。 3.1.6 PLC的技術指標 1)FX2N系列小型PLC一般技術指標 一般技術指標主要是指PLC產品的工作條件與一般工作環(huán)境的適應程度。PLC是專為工業(yè)控制設計的，充分考慮了工業(yè)環(huán)境種種惡劣因數。其技術指標如表3-1所示。 表3.1 一般技術指標 環(huán)境溫度 0～55℃ 環(huán)境濕度 35%～85%RH（不結露） 抗震 JIS C0911標準 10～55Hz 0.55mm（最大2g）3軸方向各2h 抗沖擊 JIS C0912標準 10g 3軸方向各3個 抗噪音干擾 用噪音仿真器產生電壓為1000Vp-p,噪音脈沖寬度為1μs,頻率為30～100Hz噪音，在此噪音干擾下PLC正常工作 耐壓 1500AC 1min 絕緣電壓 5M以上，500V DC 接地 第3種接地，不能接地時，亦可浮空 使用環(huán)境 禁止腐蝕性氣體，嚴禁塵埃 2)性能技術指標 性能技術指標標志某種PLC在硬件和軟件反面所具備功能。不同機型差異較大，在PLC選型時要逐一考慮該項技術指標能否滿足要求。 PLC的性能包括：輸入指標、輸出指標和電源指標方面。如表3-2、3-3、3-4所示。 表3.2 輸入技術指標 輸入電壓 24V DC 隔離 光電耦合 輸出電流 7mA 響應時間 10ms 表3.3 輸出技術指標 項目 繼電器輸出 SSR輸出 晶體管輸出 外部電源 250V AC，30V DC 85～242V AC 5～30V DC 最大負載 電阻負載 2A/點 0.3A/點，0.8A/4點 0.5A/1點，0.8A/4點 感性負載 80VA 15VA/100V AC 30VA/240V AC 12W/24V DC 燈負載 100W 30W 1.5W/24V DC 開路漏電流 ____ 1mA/100V AC 2.4mA/240V AC 0.1mA/30V DC 最小負載 ____ 0.4VA/100V AC 2.3VA/240V AC ____ 響應時間 OFF-NO 約10ms 1ms以下 0.2ms以下 NO-OFF 約10ms 最大10 ms 0.2ms以下 隔離方式 繼電器隔離 光電晶閘管隔離 晶體管隔離 表3.4 電源技術指標 項目 FX-16M FX-24M FX-32M FX-32E FX-48M FX-48E FX-64M FX-80M 電源電壓 （100～240V）+10%-15%AC 50/60Hz(120/240V電源系統(tǒng)) 瞬間斷電允許時間 對于10ms以下的瞬間斷電控制動作不受影響 電源熔絲 250V 2A，　5mm*20mm 250V 5A,5mm*20mm 電力消耗/VA 30 35 40 50 60 70 傳感器無擴展模塊電源有擴展模塊 24V DC 250mA以下 24V DC 100mA以下（擴展16點時） 24V DC 400 mA以下 24V DV 150 mA（擴展32點時） 3.2傳感器的選擇 對于金屬物料分揀的小、中、大采用3個接近開關進行判斷。接近開關分別放置于傳送帶1的上方，并調整好固定高度。2、3、4傳送帶的啟動分別通過安裝于傳送帶前方的光電接近開關進行控制。物料的到位由裝設在汽缸處的接近開關檢測，通過PLC程序控制判斷由哪個汽缸執(zhí)行推出動作并進行計數[21]。 3.2.1電感式接近開關傳感器的選擇 采用電感式接近開關，這種開關有時也叫渦流式接近開關。它是利用導電物體在接近這個能產生電磁場接近開關時，使物體內部產生渦流。這個渦流反作用到接近開關，使開關內部電路參數發(fā)生變化，由此識別出有無導電物體移近，進而控制開關的通或斷。這種接近開關所能檢測的物體必須是導電體。接近開關由于具有體積小、重復定位精度高、使用壽命長、抗干擾性能好、可靠性高、防塵、放油等特點被廣泛應用于各種自動化生產線。傳感器的接線方式采用直流（DC）二線常開（NO）型。 1.電感式接近開關傳感器的電氣指標 1）工作電壓：是指電感式接近開關傳感器的供電電壓范圍，在此范圍內可以保證傳感器的電氣性能及安全工作。 2）工作電流：是指電感式接近開關傳感器連續(xù)工作時的最大負載電流。 3）電壓降：是指在額定電流下開關導通時，在開關兩端或輸出端所測量到的電壓， 4）空載電流：是指在沒有負載時，測量所得的傳感器自身所消耗的電流。 5）剩余電流：是指開關斷開時，流過負載的電流。 6）極性保護：防止電源極性誤接的保護功能。 7）短路保護：超過極限電流時，輸出會周期性地封閉或釋放，直至短路被清除。 2.使用方法 1）直流兩線制接近開關的ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)實際上是電流大、小的變化，當接近開關處于OFF狀態(tài)時，仍有很小電流通過負載，當接近開關處于ON狀態(tài)時，電路上約有5V的電壓降，因此在實際使用中，必須考慮控制電路上的最小驅動電流和最低驅動電壓，確保電路正常工作。 2）直流三線制串聯(lián)時，應考慮串聯(lián)后其電壓降的總和。 3）如果在傳感器電纜線附近，有高壓或動力線存在時，應將傳感器的電纜線單獨裝入金屬導管內，以防干擾。 4）使用兩線制傳感器時，連接電源時，需確定傳感器先經負載再接至電源，以免損壞內部元件。當負載電流<3mA時，為保證可靠工作，需接假負載[22]。 R≤US/（IL-3） P>US2/R P為假負載消耗功率； R為假負載阻值； IL為傳感器的負載電流[23] 3.使用儀器 萬用表、示波器、電源（+12V） 4.調試步驟 1）接好電源，測量T1的c極電壓應為6V； 2）用示波器觀察T1的e極，應有高頻振蕩波形；若無振蕩波形，應仔細檢查電感線圈接線是否正確，T1周圍R、C參數是否正確無誤，采取相應措施處理，直到出現振蕩波形為止； 3）用示波器觀察輸出，應為高電平，且LED不亮，然后用金屬物體靠近電感線圈，其輸出應變?yōu)榈碗娖剑瑫rLED亮，說明工作正常； 4）若不正常，應檢查T2、T3、T4的狀態(tài)及周圍元件，無金屬物體接近電感線圈時，T2導通，T3、T4截止，有金屬物體接近時，T2截止，T4導通[24]。 5.電感式接近開關傳感器的選型 1）根據安裝要求，合理選用外形及檢測距離。 2）根據供電，合理選用工作電壓。 3）根據實際負載，合理選擇傳感器[/URL]工作電流。 4）選擇接線方式[25]。 6.可根據使用對象的要求合理選擇接線方式[26] 表3.5國內、國際常用色線對照 類型 國際 國內 +V 棕 紅 GND 藍 黑 Vout 黑 綠 3.2.2 光電接近開關的選擇 光電開關（光電傳感器）是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可能被檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對物體進行檢測。系統(tǒng)采用漫反射式光電開光，它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，物體將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產生了開關信號。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關是首選的檢測模式。光電開關是傳感器大家族中的成員，它把發(fā)射端和接收端之間光的強弱變化轉化為電流的變化以達到探測的目的。由于光電開關輸出回路和輸入回路是電隔離的（即電緣絕），所以它可以在許多場合得到應用[27]。 1.光電開關特點有： 1) 檢測距離長 　　 如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實現其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法離檢測。 　　 2)對檢測物體的限制少 由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近傳感器等將檢測物體限定 在金屬，它可對玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進行檢測。 　　 3）響應時間短 光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構成，所以不包含機械性工作時間，響應時間非常短。 　　 4）分辨率高 能通過高級設計技術使投光光束集中在小光點，或通過構成特殊的受光光學系統(tǒng)，來實現高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。 　 5）可實現非接觸的檢測 可以無須機械性地接觸檢測物體實現檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。 　 6）可實現顏色判別 通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質，可對檢測物體的顏色進行檢測。 　　 7）便于調整 在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調整[28]。 采用集成電路技術和SMT表面安裝工藝而制造的新一代光電開關器件，具有延時、展寬