基于PLC控制的大小鐵球分揀系統(tǒng)設計

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摘要 機械手的積極作用正日益為人們所認識，其一，它能部分的代替人的勞動并能達到生產(chǎn)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。因為，它能大大的改善工人的勞動條件，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因此，受到各先進單位的重視并投入了大量的人力物力加以研究和應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲的場合，應用的更為廣泛。在我國，盡快幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要對流水線上的產(chǎn)品進行分揀，本課題擬開發(fā)物料搬運機械手，采用三菱FS2N系列PLC，對機械手的上下、左右以及抓取運動進行控制。用于分揀大小球的機械裝置。我們利用可編程技術，集合相應的硬件裝置，控制機械手完成各種動作。 關鍵詞：機械手、PLC、大小球 目 錄 第1章 緒論.............................................................1 第 2 章 PLC的論述......................................................2 2.1 PLC的定義 .........................................................2 2.2 PLC的特點 ..................................................2 2.3 PLC的基本組成及各部分作用............................................4 2.4 FX2N系列PLC型號名稱的含義 ..........................................7 2.5 PLC的選型 ................................................7 2.6 PLC的應用領域................................................... 9 第3章 PLC控制系統(tǒng)硬件設計 ........................................10 3.1 按鈕和行程開關的選擇..............................................10 3.2 接近開關、轉換開關、刀開關的選擇..................................10 3.3 時間繼電器、接觸器的選擇 ............................................10 3.4 熔斷器、電動機的選擇 ........................................11 3.5 電磁閥的選擇.......................................................11 3.6 感應器的選擇.......................................................11 第4章 大小球分撿控制系統(tǒng) .........................................13 4.1 系統(tǒng)要求............................................................13 4.2 大小球分撿控制系統(tǒng)的工作原理.........................................13 4.3 輸入 / 輸出端口分配及硬件連接......................................14 4.4 大小鐵球分撿系統(tǒng)控制原理圖 ...................................15 4.5 大小球分撿控制系統(tǒng)的順序功能圖 .....................................16 4.6 大小鐵球分撿系統(tǒng)控制輸入/輸出接線 .............................17 4.7 大小鐵球分撿系統(tǒng)控制梯形圖 .................................18 致謝 ...........................................................20 參考文獻 ................................................21 第1章緒論 進入二十世紀八十年代以來，隨著微機技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，極大推動了PLC在世界范圍內(nèi)的發(fā)展，使其在生產(chǎn)中的地位越來越重要，因此筆者認為在中技層次的電類教學中開展PLC等新技術的教學是非常必要的。然而對于中技層次的培訓，一般由于種種顧慮，使學校還不能把PLC投入到中技的教學中來。但PLC等先進技術在社會中已達到廣泛應用，社會需要具備此項技術的人才。因此我們必須采取一些方法解決實施的問題。 可編程序控制器(PLC)是在繼電接觸器控制和計算機控制基礎上開發(fā)的工業(yè)自動控制裝置,是計算機技術在工業(yè)控制領域的一種應用技術。進入二十世紀八十年代以來，隨著微機技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，極大推動了PLC在世界范圍內(nèi)的發(fā)展，其功能越來越強大，應用范圍越來越廣闊，已廣泛應用在各種機械和生產(chǎn)過程的自動控制中。 我國在七十年代末期開始對PLC進行研究、生產(chǎn)和應用。在近十年來，取得了非常好的成績。特別是在應用方面，隨著國力的增強和生產(chǎn)力的提高，PLC已經(jīng)滲透到了各個領域。在生產(chǎn)方面，為了提高生產(chǎn)效率和工業(yè)的自動化，我們引進了許多在世界上都處于領先技術的成套設備，如上海寶鋼集團上馬的第一期工程中，就采用了250臺PLC，二期工程中有采用了180臺。再如，總部坐落在北京的神華集團，其下屬神東公司，其優(yōu)質(zhì)煤的日產(chǎn)量在世界首屈一指，所使用的采煤設備是當前世界最好的三家公司的最新產(chǎn)品，因而大量地使用PLC等先進技術。還有三峽工程、秦川電站、天津開發(fā)區(qū)的康師傅方便面生產(chǎn)線等都用了PLC控制?，F(xiàn)在PLC不但應用于冶金、礦業(yè)、機械、輕工等工業(yè)自動控制中，在其他領域它也有著廣泛地應用。例如，市政建設中的水處理，瀝青、混凝土的拌和；日常生活中的電梯、車庫的自動化管理等、貨物存取等；商業(yè)中的自動售貨機，啤酒罐裝及釀酒等；另外還在環(huán)保、娛樂業(yè)中也有應用。 以前PLC應用得比較少時，只需要有較少的技術人員掌握即可滿足生產(chǎn)要求，但是隨著PLC應用范圍的擴展、功能的日益強大，同時PLC在生產(chǎn)中的地位越來越重要，只有少數(shù)專業(yè)技術人員懂得PLC的現(xiàn)狀再也不能滿足企業(yè)控制技術發(fā)展的要求了?，F(xiàn)在招聘維修電工不但基本技術要扎實，還要懂得PLC技術、變頻技術及微機技術的原理和故障鑒別等。而對于在生產(chǎn)線上的普通操作也應該懂得一些關于PLC、變頻器等方面的基本知識，這樣既可便于生產(chǎn)操作，又可以對生產(chǎn)和維修有很多幫助，如幫助維修人員明確故障的范圍和現(xiàn)象，縮短故障維修時間，更好的保證生產(chǎn)的順利進行。這也正好符合PLC當初的設計初衷，即：是操作人員使用方便，不存在計算機與傳統(tǒng)電氣控制間的專業(yè)“鴻溝”。 綜上所述，針對目前，中技電類畢業(yè)生畢業(yè)后主要面向企業(yè)的電氣維修及操作人員分配的現(xiàn)狀，因此筆者認為在中技層次的電類教學中開展PLC等新技術的教學是非常必要的。 第2章PLC的論述 2.1 PLC的定義 可編程序控制器，英文Programmable Controller,簡稱PC。但由于PC容易和個人計算機(Personal Computer) 混淆，故人們?nèi)粤晳T地用PLC作為可編程序控制器的縮寫.它室一個以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置,專為在工業(yè)現(xiàn)場應用而設計,它采用可編程序的儲存器,用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術運算等操作指令,并通過數(shù)字式或模擬式輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 2.1.1 PLC的應用 PLC是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應用于生產(chǎn)實踐。 2.1.2 PLC的發(fā)展 可編程序控制器一直在發(fā)展中，所以至今尚未對其下最后的定義。國際電工學會（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2發(fā)布了可編程序控制器標準草案的第一，二，三稿。 在第三稿中，對PLC作了如下定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P的外圍設備，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。 定義強調(diào)了PLC是：1 數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)--也是一種計算機 2 專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計 3 面向用戶指令--編程方便 4 邏輯運算、順序控制、定時計算和算術操作 5 數(shù)字量或模擬量輸入輸出控制 6 易與控制系統(tǒng)聯(lián)成一體 7 易于擴充 2.2 PLC的特點 為適應工業(yè)環(huán)境使用，與一般控制裝置相比較，PLC機有以下特點： 2.2.1 可靠性高，抗干擾能力強 工業(yè)生產(chǎn)對控制設備的可靠性要求： (1)平均故障間隔時間長 (2)故障修復時間（平均修復時間）短 任何電子設備產(chǎn)生的故障，通常為兩種： ①偶發(fā)性故障。由于外界惡劣環(huán)境如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓、欠電壓、振動等引起的故障。這類故障，只要不引起系統(tǒng)部件的損壞，一旦環(huán)境條件恢復正常，系統(tǒng)也隨之恢復正常。但對PLC而言，受外界影響后，內(nèi)部存儲的信息可能被破壞。 ②永久性故障。由于元器件不可恢復的破壞而引起的故障。 如果能限制偶發(fā)性故障的發(fā)生條件，如果能使PLC在惡劣環(huán)境中不受影響或能把影響的后果限制在最小范圍，使PLC在惡劣條件消失后自動恢復正常，這樣就能提高平均故障間隔時間；如果能在PLC上增加一些診斷措施和適當?shù)谋Ｗo手段，在永久性故障出現(xiàn)時，能很快查出故障發(fā)生點，并將故障限制在局部，就能降低PLC的平均修復時間。為此，各PLC的生產(chǎn)廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使PLC除了本身具有較強的自診斷能力，能及時給出出錯信息，停止運行等待修復外，還使PLC具有了很強的抗干擾能力。 2.2.2 通用性強，控制程序可變，使用方便 PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設備更新的情況下，不必改變PLC的硬設備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。 2.2.3 功能強，適應面廣 現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產(chǎn)機械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個生產(chǎn)過程。 2.2.4 編程簡單，容易掌握 目前，大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖相當接近。通過閱讀PLC的用戶手冊或短期培訓，電氣技術人員和技術工很快就能學會用梯形圖編制控制程序。同時還提供了功能圖、語句表等編程語言。 PLC在執(zhí)行梯形圖程序時，用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行（PLC內(nèi)部增加了解釋程序）。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時間要長一些，但對于大多數(shù)機電控制設備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。 2.2.5 減少了控制系統(tǒng)的設計及施工的工作量 由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。同時，PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強的監(jiān)視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。 2.2.6 體積小、重量輕、功耗低、維護方便 PLC是將微電子技術應用于工業(yè)設備的產(chǎn)品，其結構緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強抗干擾能力，易于裝入設備內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。以三菱公司的F1-40M型PLC為例：其外型尺寸僅為305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、適應環(huán)境溫、濕度變化的能力?，F(xiàn)在三菱公司又有FX系列PLC，與其超小型品種F1系列相比：面積為47%,體積為36%，在系統(tǒng)的配置上既固定又靈活，輸入輸出可達24～128點。 2.2.7 硬件措施 主要模塊均采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，大量開關動作由無觸點的電子存儲器完成，I/O系統(tǒng)設計有完善的通道保護和信號調(diào)理電路。 ①屏蔽--對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。 ②濾波--對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，如LC或π型濾波網(wǎng)絡，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊之間的相互影響。 ③電源調(diào)整與保護--對微處理器這個核心部件所需的+5V電源，采用多級濾波，并用集成電壓調(diào)整器進行調(diào)整，以適應交流電網(wǎng)的波動和過電壓、欠電壓的影響。 ④隔離--在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效地隔離I/O接口與CPU之間電的聯(lián)系，減少故障和誤動作；各I/O口之間亦彼此隔離。 ⑤采用模塊式結構--這種結構有助于在故障情況下短時修復。一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障，能迅速更換，使系統(tǒng)恢復正常工作；同時也有助于加快查找故障原因。 2.2.8 軟件措施 有極強的自檢及保護功能。 ①故障檢測--軟件定期地檢測外界環(huán)境，如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過低及強干擾信號等。以便及時進行處理。 ②信息保護與恢復--當偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時，不破壞PLC內(nèi)部的信息。一旦故障條件消失，就可恢復正常，繼續(xù)原來的程序工作。所以，PLC在檢測到故障條件時，立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲器，軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被沖掉。 ③設置警戒時鐘WDT（看門狗）--如果程序每循環(huán)執(zhí)行時間超過了WDT規(guī)定的時間，預示了程序進入死循環(huán)，立即報警。 ④加強對程序的檢查和校驗--一旦程序有錯，立即報警，并停止執(zhí)行。 ⑤對程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進行電池后備--停電后，利用后備電池供電，有關狀態(tài)及信息就不會丟失。 PLC的出廠試驗項目中，有一項就是抗干擾試驗。它要求能承受幅值為1000V，上升時間1nS，脈沖寬度為1μS的干擾脈沖。一般，平均故障間隔時間可達幾十萬～上千萬小時；制成系統(tǒng)亦可達4～5萬小時甚至更長時間。 2.3 PLC的基本組成及各部分作用 PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)基本相同。按結構形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。 整體式PLC是將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構成主機。另外還有獨立的1/0擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是PLC的核心，1/0單元是連接CPU與現(xiàn)場設備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機等外部設備的連接。 組合式PLC將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能1/0單元、通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m.無論哪種結構類型的PLC，都可以根據(jù)需要進行配置與組合。 2.3.1 中央處理單元(CPU)： CPU在PLC中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是PLC的運算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務: (1)接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)； (2)診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤; (3)用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數(shù)據(jù)寄存器保存起來; (4)PLC進入運行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作; (5)將用戶程序的執(zhí)行結果送至輸出端。 現(xiàn)代PLC使用的CPU主要有以下幾種: (1)通用微處理器，如8080, 8088, Z80A, 8085等。通用微處理器的價格便宜，通用性強，還可以借用微機成熟的實時操作系統(tǒng)、豐富的軟硬件資源。 (2)單片機，如8051等。單片機由于集成度高、體積小、價格低和可擴充性好，很適合在小型PLC上使用，也廣泛地用于PLC的智能UO模塊。 (3)位片式微處理器，如AMD2900系列等。位片式微處理器是獨立于微型機的另一分支。它主要追求運算速度快，它以4位為一片。用幾個位片級聯(lián)，可以組成任意字長的微處理器。改變微程序存儲器的內(nèi)容，可以改變計算機的指令系統(tǒng)。位片式結構可以使用多個微處理器，將控制任務劃分為若干個可以并行處理的部分，幾個微處理器同時進行處理。這種高運算速度與可以適應用戶需要的指令系統(tǒng)相結合，很適合于以順序掃描方式工作的PLC使用。 2.3.2 存儲器 根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下3種: (1)系統(tǒng)程序存儲器:和各種計算機一樣，PLC也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了PLC的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器ROM或EPROM. (2)用戶程序存儲器:用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的RAM。由于RAM掉電會丟失數(shù)據(jù)，因此使用RAM作用戶程序存儲器的PLC，都有后備電池(鏗電池)保護RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序?qū)懭隕PROM.目前較先進的PLC(如歐姆龍公司的CPMIA型PLC)采用快閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨時讀寫，掉電時數(shù)據(jù)不會丟失，不需用后備電池保護。 (3)工作數(shù)據(jù)存儲器:工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分數(shù)據(jù)存儲在RAM中，以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映象寄存器用來存儲PLC的開關量輸入/輸出和定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的ON/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標準格式是每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)行時的某些可變參數(shù)值，如定時器和計數(shù)器的當前值和設定值。它還用來存放A/0轉換得到的數(shù)字和數(shù)學運算的結果等。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可保持數(shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。 2.3.3 1/0單元 I/0單元也稱為I/0模塊。PLC通過I/0單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設備的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉換成中央處理器能 夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理，將處理結果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點對應的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設備的執(zhí)行元件. 2.3.4 電源部分 PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V, +12V, +24V的直流電源，使PLC能正常工作。 電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結構的CPU，通常電源封裝到機殼內(nèi)部;對于模塊式PLC，有的采用單獨電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個模塊中。 2.3.5 擴展接口 擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 2.3.6 通信接口 為了實現(xiàn)“人一機”或“機一機”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機和其他的PLC或計算機相連。當PLC與打印機相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印;當與監(jiān)視器相連時.可將過程圖像顯示出來;當與其他PLC相連時，可以組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實現(xiàn)更大規(guī)模的控制;當與計算機相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結合的綜合性控制。 2.3.7 編程器 編程器的作用是提供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。 編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉化為機器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機編程，也可以脫機編程，具有LCD或CRL圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用PC作為編程器，PLC生產(chǎn)廠家配有相應的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的互相轉換。程序被下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳送。現(xiàn)在很多PLC已不再提供編程器，而是提供微機編程軟件了，并且配有相應的通信連接電纜。 2.4 FX2N系列PLC型號名稱的含義 ①系列序號：如1S，1N，2N ②表示輸入輸出的總點數(shù)：FX2N系列PLC的最大輸入輸出點數(shù)為256點。 ③表示單元類型：M為基本單元，E為輸入輸出混合擴展單元與擴展模塊，EX為輸入專用擴展模塊，EY為輸出專用擴展模塊。 ④表示輸出形式：R為繼電器輸出（有干接點，交流、直流負載兩用）； T為晶體管輸出（無干接點，直流負載用）； S為雙向晶閘管輸出（無干接點，交流負載用）。 ⑤表示電源形式：D為DC24V電源，24V直流輸入；H為大電流輸出擴展模塊(1A／1點)；V為立式端子排的擴展模塊；C為接插口輸入方式；F為輸入濾波時間常數(shù)為1ms的擴展模塊；L為TTL輸入擴展模塊；S為獨立端子(無公共端)擴展模塊；若無標記，則為AC電源，24V直流輸入，橫式端子排，標準輸出(繼電器輸出為2A／1點；晶體管輸出為0.5A／1點；雙向晶閘管輸出為0.3A／1點)。 2.5 PLC的選型 在PLC系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。 2.5.1 輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算 I/O點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進行圓整。根據(jù)估算的方法故本課題的I/O點數(shù)為輸入40點，輸出21點。 2.5.2 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(diào)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(nèi)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(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的PLC內(nèi)存容量選擇應能存儲5000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。 2.5.3 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。 根據(jù)本課題所設計的自動門控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。 （1）控制功能 PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。 （2）編程功能 離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現(xiàn)場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型PLC中常采用。 五種標準化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準（IEC6113123），同時，還應支持多種語言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。 （3）診斷功能 PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。 PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。 2.5.4 機型的選擇 （1）PLC的類型 FX2系列可編程控制器主機分為16、24、32、64、80、128點六檔，還有各種輸入和輸出擴展單元，這樣在增加I/O點數(shù)時，不必改變機型，可以通過擴展模塊實現(xiàn)，降低了經(jīng)濟投入。本課題設計的立體倉庫控制系統(tǒng)有輸入信號40個，輸出信號21個。其中，外部輸入元件包括：檢測元件、按鈕、取、送、急停、限位開關、超限位保護等等；輸出有三個步進電機的正反向、動作指示、錯誤顯示等等。按照上述配置，所選I/O點不得低于61點，結合實際情況，所選I/O點為80點。因此我所選型號為FX2N-80MR。 （2）經(jīng)濟性的考慮 選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。 輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量相應增加，因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。本課題所設計的立體倉庫屬于小型控制系統(tǒng)，結合經(jīng)濟性的考慮因此選擇整體型PLC。 2.6 PLC的應用領域 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時日常維護也變得容易起來，更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類: 2.6.1 開關量邏輯控制 取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于控制單臺設備，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 2.6.2 工業(yè)過程控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量(即模擬量)，PLC采用相應的A/D和D/A轉換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 2.6.3 運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 2.6.4 數(shù)據(jù)處理 PLC具有數(shù)學運算(含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 2.6.5 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信包括PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡的發(fā)展，現(xiàn)在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 但是，可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編制。 第3章 PLC控制系統(tǒng)硬件設計 3.1 按鈕和行程開關的選擇 3.1.1按鈕的選擇原則 (1)根據(jù)使用場合，選擇控制按鈕的種類，如開啟式，防水式，緊急式等。 (2)根據(jù)用途，選用合適的型式，如鑰匙式，緊急試，帶燈式等。 (3)按控制回路的要求，確定不同的按鈕數(shù)，如單鈕，雙鈕，三鈕，多鈕等。 (4)按工作狀態(tài)指示和工作情況的要求選擇按鈕及指示燈的顏色。 3.1.2行程開關的選擇 行程開關的分類：直動式，滾動式和微動式三種。直動式行程開關的優(yōu)點是結 構簡單，成本低，但容易燒蝕觸頭。滾動式行程開關克服了直動式行程開關的缺點，但其結構復雜，價格也較高，所以選擇微動式行程開關體積小，動作靈敏，適用于小型機構中使用。 3.2 接近開關、轉換開關、刀開關的選擇 3.2.1接近開關的選擇 接近開關是一種對接近它的物體有“感知”能力的元件—位移傳感器，利用傳感器對接近物體的敏感特性達到控制開關通或斷的目的，當有物體移向接近開關，并接近到一定距離時，位移傳感器才有“感知”，開關才會動作。在設計中，接近開關SBO用于檢測是否有球，SB1—SB5分別用于傳送機械手上下左右運動的定位。 接近開關分為霍爾接近開關，超聲波接近開關，高頻振蕩式接近開關，霍爾接開關用于檢測磁場，一般用磁場鋼作為被檢測體。超聲波接近開關適用檢測不能或不可觸及的目標，其控制功能不受聲、電、關等因素干擾，檢測物體可以是固體、液體、或粉末狀態(tài)的物體，只要能反射波用的電子裝置及調(diào)節(jié)檢測范圍用的程控橋式開關等幾個部分組成，高頻振蕩式接近開關用于檢測各種金屬，主要由高頻振蕩器，集成電路晶體管放大器和輸出器三部分組成。 3.2.2轉換開關的選擇 轉換開關是一種多檔位，多觸點，能夠控制多回路的主令電器，可以用于控制小容量電動機的啟動、換向、調(diào)速、正反轉控制等，常用的萬能轉換開關有LW2、LW5、LW6、LW8等系列，在設計機械手大小球分選系統(tǒng)中操作方式有手動，單周期，連續(xù)。 3.2.3 刀開關的選擇 刀開關是一種手動電器，為了簡單，方便，選擇HD型單投刀開關，分為1級，2級，3級。2.3時間繼電器、接觸器的選擇 3.3 時間繼電器、接觸器的選擇 3.3.1時間繼電器的選擇 時間繼電器在控制電路中用于時間的控制，有JS23，JS27A，JSK□，7PR，SS—18等系列的時間繼電器。 3.3.2接觸器的選擇 接觸器的選型要求： （1）根據(jù)負載性質(zhì)選擇接觸器類別，一般交流負載選擇交流接觸器，直流負載選擇直流接觸器。 （2）根據(jù)被控電路電流大小和使用類別選擇接觸器的額定電流。 （3）根據(jù)被控電路電壓等級來選擇接觸器的額定電壓。 （4）根據(jù)控制電路的電壓等級選擇接觸器線圈的額定電壓。 3.4 熔斷器、電動機的選擇 3.4.1熔斷器的選擇 熔斷器在電路中主要起短路保護作用，用于保護線路，熔斷器具有結構簡單，體積小，重量輕，使用維護方便，價格低廉，分斷能力較高，限流能力良好等優(yōu)點，熔斷器有NT、RT、RL、RLS2、FA4等型式的熔斷器，RT系列為有填封閉管式熔斷器，可在500V 以下交流系統(tǒng)中作過載及短路保護用，這種熔斷器為螺栓連接，可直接連在母線排上，尤其適合開關熔斷器組選用，RT15型熔斷器最大額定電流400A，額定分斷能力100KA。 3.4.2電動機的選擇 電動機是選交流的，而電動機分為異步電動機和同步電動機兩大類，異步電動機主要用作電動機，去拖動各種生產(chǎn)機械。由于異步電動機具有結構簡單，制造，使用方便，運行可靠，成本低廉，效率較高等優(yōu)點而得到廣泛應用。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，異步電動機用于拖動中小型軋鋼設備，各種金屬切削機床，輕工機械和礦山機械等；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，異步電動機用于拖動水泵，粉碎機以及其他農(nóng)副產(chǎn)品的加工機械；在民用電器方面的電風扇、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機等也都是用異步電動機拖動的。 3.5 電磁閥的選擇 電磁閥的分類：國內(nèi)外的電磁閥從原理上分為三大類(即：直動式、分步童先導式)，而從閥瓣結構和材料上的不同與原理上的區(qū)別又分為六個分支小類(直動膜片結構、分步重片結構、先導膜式結構、直動活塞結構、分步直動活塞結構、先導活塞結構)。電磁閥的優(yōu)點：耐高溫電磁閥是間接先導式平衡電磁閥，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、使用范圍等。 3.6 感應器的選擇 3.6.1感應器的分類 按技術分類：超聲波傳感器 - 溫度傳感器 - 濕度傳感器 - 氣體傳感器 - 氣體報警器 - 壓力傳感器 - 加速度傳感器 - 紫外線傳感器 - 磁敏傳感器 - 磁阻傳感器 - 圖像傳感器 - 電量傳感器 - 位移傳感器 按應用分類：壓力傳感器 - 溫濕度傳感器 - 溫度傳感器 - 流量傳感器 - 液位傳感器 - 超聲波傳感器 - 浸水傳感器 - 照度傳感器 - 差壓變送器 - 加速度傳感器 - 位移傳感器 - 稱重傳感器 3.6.2個別介紹 （1）溫度傳感器：溫度傳感器一般是將溫度轉化為電子數(shù)據(jù)的電子元件。使用電阻隨溫度變化的導電體制作的溫度傳感器。最常用的是使用鉑，在0C時電阻為100歐姆的元件（Pt100） 半導體溫度傳感器一般集成有放大和調(diào)整電路 晶體振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化因此可以非常精確地測量溫度 使用熱電效應測量溫度的熱電偶 焦電性物質(zhì)的表面電荷密度隨溫度變化而變化，因此其表面電荷強度可以用來測量溫度。 （2）壓力傳感器：壓力傳感器是用于測量液體與氣體的壓強的傳感器。與其他傳感器類似，壓力傳感器工作時將壓力轉換為電信號輸出。壓力傳感器在很多監(jiān)測與控制應用中得到廣泛的使用。除了直接的壓力測量，壓力傳感器同時也可用于間接測量其他量，如液體/氣體的流量，速度，水面高度或者海拔。壓力傳感器在使用的技術，設計，性能表現(xiàn)，工作適應條件與價格上有很大的差異。保守估計，全世界有50種以上技術的壓力傳感器和至少300家企業(yè)生產(chǎn)壓力傳感器。同時，也有一類的壓力傳感器設計用于動態(tài)測量高速變化的壓強。示例的應用有引擎氣缸的燃燒壓力或者渦輪發(fā)動機中氣體的壓強監(jiān)測。這樣的傳感器一般以壓電材料制造，例如石英。一些壓力傳感器，例如應用于交通執(zhí)行照相機中的，則以二進制方式運行，也就是，當壓力達到某數(shù)值，則傳感器控制接通或斷開電路，這類型的壓力傳感器也被稱作壓力開關。 （3）圖像傳感器是一種能將可視圖像轉化為電子信號的設備，主要應用于數(shù)碼照相機與其它成像設備中。一般由一組CCD或CMOS傳感器（如有源像素傳感器）組成。 　　彩色圖像傳感器，按其對色彩的分辨方式可分成以下幾大類： 　?、儇惾~(Bayer)傳感器，一種廉價也最常見的圖像傳感器，使用貝葉濾波器使得不同的像素點只對紅、藍、綠三原色光中的一種感光，這些像素點交織在一起，然后通過demosaicing內(nèi)插來恢復原始圖像。 　?、贔oveon X3 傳感器，用于某些Sigma及寶麗來數(shù)碼照相機。它的每一像素點都有三重傳感器，可以對所有顏色感光。 　?、?CCD 傳感器，如某些松下數(shù)碼照相機，通過雙色棱鏡分光，并采用3塊獨立的CCD傳感器，一般認為圖像還原質(zhì)量最好但價格比較昂貴。貝葉(Bayer)傳感器，一種廉價也最常見的圖像傳感器，使用貝葉濾波器使得不同的像素點只對紅、藍、綠三原色光中的一種感光，這些像素點交織在一起，然后通過demosaicing內(nèi)插來恢復原始圖像。 第4章大小球分撿控制系統(tǒng) 4.1系統(tǒng)要求 在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要對流水線上的產(chǎn)品進行分撿，圖 3-1-1 是用于分撿小球大球的機械裝置。工作順序是向系下，抓住球，向上，向右運行，向下，釋放，向上和向左運行至左上點（原點）抓球和釋放球的時間均為 1 秒。 圖4-1 大小球分撿控制系統(tǒng)示意圖 4.2 大小球分撿控制系統(tǒng)的工作原理 當撿球裝置停在左極限SQ1處時，按下啟動按鈕X6，撿球裝置下降撿球平板，當下降的撿球平板碰到下限開關SQ2時，停止下降，撿球裝置給平板處的電磁線圈（KM）通電，撿球平板產(chǎn)生電磁吸力吸住鋼球，此時壓力感應器用來判斷是吸住的大球還是小球，如果壓力感應器的輸出Y6斷開，說明吸住的是小球，而Y6如是閉合的，則說明吸住的是大球。當吸住鋼球后，撿球平板上升，碰到上限開關后開始右行，SQ4為小球位限位開關，SQ5為大球位限位開關，在右行的過程中，如果吸住的是大球，則要到碰到SQ5才停止右行，下降到下限開關位置，斷電釋放鋼球，然后上升到上限開關位置停止上升，開始左行，碰到左極限停止左行；而如果是吸住的小球，則在右行的時候碰到SQ4就停止右行，下降到下限開關出停止下行，斷電釋放鋼球，然后上升到上極限位置停止上升，開始左行，到左極限停止左行，重新開始新一輪撿球過程，如此反復執(zhí)行。 4.3 輸入 / 輸出端口分配及硬件連接 系統(tǒng)的輸入點分配是： X1 為左限位開關， X2 為下限位開關（小球動作、大球不動作）， X3 為上限位開關， X4 為釋放小球的中間位置開關， X5 是釋放大球的右限位開關， X0 為系統(tǒng)的運行開關。系統(tǒng)的輸出點分配是： Y0 是機械臂下降， Y2 是機械臂上升， Y1 是吸球口， Y3 是機械臂右移， Y4 是機械臂左移， Y5 是機械臂停在原點的指示燈。 表4-2 大小鐵球分撿系統(tǒng)控制輸入/輸出分配表 輸入 輸出 輸入繼電器 電路元件 作用 輸出繼電器 電路元件 作用 X1 SQ1 左限位 Y0 KM1 下移 X2 SQ2 下限位 Y1 KM2 電磁鐵 X3 SQ3 上限位 Y2 KM3 上移 X4 SQ4 小球右限位 Y3 KM4 右移 X5 SQ5 大球右限位 Y4 KM5 左移 X6 SB2 啟動按鈕 Y5 HL 原點指示燈 X0 SB1 原始位置 4.4大小鐵球分撿系統(tǒng)控制原理圖 圖4-3大小鐵球分撿系統(tǒng)控制電氣原理圖 4.5 大小球分撿控制系統(tǒng)的順序功能圖 圖4-5 大小球分撿系統(tǒng)控制順序功能圖 4.6 大小鐵球分撿系統(tǒng)控制輸入/輸出接線圖 圖4-6 大小鐵球分撿系統(tǒng)控制輸入/輸出接線 4.7 大小鐵球分撿系統(tǒng)控制梯形圖 圖4-7 大小鐵球分撿系統(tǒng)控制梯形圖 圖4-8 大小鐵球分撿系統(tǒng)控制梯形圖 圖4-9 大小鐵球分撿系統(tǒng)控制梯形圖 致謝 本課題在選題及研究過程中得到吳老師的悉心指導, 他嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；他們循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。 楊老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。，楊老師踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時三載，卻給以終生受益無窮之道。同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，在此謹向楊老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 感謝楊老師等對我的教育培養(yǎng)。他們細心指導我的學習與研究，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們! 參考文獻 [1] 趙曙光,郭萬有,楊頌華編著. 《可編程邏輯器件原理、開發(fā)與應用》[M] . 西安：西安電子 科技大學出版社,2000. 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