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 Degreethe Design of Material Sorting Based on PLC Control System Candidate：Specialty：Mechanical Design and Manufacture A2ASCPU 支持 32 個 PID 回路。而 QnASCPU 的回路數(shù)目無限制，可隨內(nèi)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(nèi)存量可擴充到 2M 字節(jié)；有多種特殊模塊可選擇，包括網(wǎng)絡，定位控制，高速計數(shù)，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(nèi)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(jù)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(shù)，選擇 FX2N-48MR-001型 PLC[20]。3.1.6 PLC 的技術指標161)FX2N 系列小型 PLC 一般技術指標 一般技術指標主要是指 PLC 產(chǎn)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(shù)。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(chǎn)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 AC12W/24V DC最大負載燈負載 100W 30W 1.5W/24V DC開路漏電流 ____ 1mA/100V AC 2.4mA/240V AC0.1mA/30V DC最小負載 ____ 0.4VA/100V AC 2.3VA/240V AC____17OFF-NO 約 10ms 1ms 以下 0.2ms 以下響應時間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-32EFX-48MFX-48EFX-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/VA30 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(shù) [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(chǎn)生電磁場接近開關時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用到接近開關，使開關內(nèi)部電路參數(shù)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(chǎn)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(nèi)可以保證傳感器的電氣性能及安全工作。182）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(nèi)，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(jīng)負載再接至電源，以免損壞內(nèi)部元件。當負載電流US2/RP 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(shù)是否正確無誤，采取相應措施處理，直到出現(xiàn)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?，同時 LED 亮，說明工作正常；194）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(jù)安裝要求，合理選用外形及檢測距離。2）根據(jù)供電，合理選用工作電壓。3）根據(jù)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(jù)使用對象的要求合理選擇接線方式 [26]表 3.5 國內(nèi)、國際常用色線對照類型 國際 國內(nèi)+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(jù)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(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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20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(xiàn)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(xiàn)非接觸的檢測可以無須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)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(xiàn)顏色判別通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)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、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開關是一種采用脈沖調制的主動式光電探測系統(tǒng)型電子開關，它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍色光等，可非接觸，無損傷地迅速和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質的狀態(tài)和動作。接觸式行程開關存在響應速度低、精度差、接觸檢測容易損壞被檢測物及壽命短等缺點，而晶體管接近開關的作用距離短，不能直接檢測非金屬材料。但是，新型光電開關則克服了它們的上述缺點，而且體積小、功能多、壽命長、精度高、響應速度快、檢測距離遠以及抗光、電、磁干擾能力強。這種新型的光電開關已被用作物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、色標檢出、沖床和剪切機以及安全防護等諸多領域。此外，利用紅外線的隱蔽性，還可在銀行、倉庫、商店、辦公室以及其它需要的場合作為防盜警戒之用 [29]。對于非金屬物料，小、中、大 3 個接近開關均無檢測信號。當工件到達各傳送帶時，各傳送帶前方的光電開關動作，啟動傳送帶，實現(xiàn)非金屬物料的傳送，并通過傳送帶輸出端的光電開關進行計數(shù) [30]。213.3 本章小結本章主要介紹了各個器件的選型，包括 PLC 的選型，接近開關的選型兩部分。同時對各個器件的工作原理等做了詳細的分析更加完善了設計內(nèi)容。第 4 章 物料分揀控制系統(tǒng)的軟件設計進行控制系統(tǒng)的軟件設計前，應深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求，確定 I/O 點地址，編制 I/O 分配表，最后根據(jù)系統(tǒng)控制要求和控制流程要求進行 PLC程序設計和調試 [31]。4.1 控制系統(tǒng) I/O 分配 參考表 4.1，系統(tǒng)的 I/O 分配如表 4.1 所示。表 4.1 I/O 分配表輸入 輸出序號 輸入 外 部 元 件 序號 輸出端子 外 部 元 件1 X0 工件原位點 1 Y0 供料2 X1 上接近開關 2 Y1 傳送帶 13 X2 中接近開關 3 Y2 傳送帶 24 X3 下接近開關 4 Y3 傳送帶 35 X4 2 段接近開關 5 Y4 傳送帶 46 X5 3 段接近開關 6 Y5 小工件推出7 X6 4 段接近開關 7 Y6 中工件推出8 X7 出 4 段接近開關 8 Y7 大工件推出9 X10 2 段到位接近開關 9 Y20 傳送帶 1 工作指示2210 X11 3 段到位接近開關 10 Y21 傳送帶 2 工作指示11 X12 4 段到位接近開關 11 Y22 傳送帶 3 工作指示12 X20 啟動按鈕 12 Y23 傳送帶 4 工作指示13 X21 停止按鈕 13在控制系統(tǒng)中，操作盤的設計如圖 4.1 所示，包括一個啟動按鈕 PB1(X20)和一個停止按鈕 PB2（X21），以及 1、2、3、4 段傳送帶運行指示燈 PL1（Y20 ）、PL2(Y21)、PL3(Y22)、PL4(Y23) [32]。燈顯示PL1 PL2 PL3 PL4Y20 Y21 Y22 Y23操作開關PB1 X20 PB2 X21圖 4.1 操作盤4.2 PLC 外部接線圖23根據(jù)表 4.1、4.2 分配輸入/輸出信號與 PLC 輸入/輸出接口分配情況及所選定的PLC，得到 PLC 的外部接線圖如圖 4.1 所示 [33]。 圖 4.2 PLC 外部接線圖244.3 軟件設計控制系統(tǒng)的軟件設計是整個物料分揀控制系統(tǒng)設計的關鍵和核心。它在結構和功能上的合理劃分與巧妙實現(xiàn)，對提高物料分揀控制系統(tǒng)整體可靠性、實用性具有重要的意義，同時也是降低制造成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。為此本章在分析了當前傳送帶廣泛采用的控制器結構及 PLC 的發(fā)展之后，提出了采用 PLC 的控制方法 [34]。這套系統(tǒng)根據(jù)控制要求進行軟件程序設計。軟件設計的主要工作是完成對物料尺寸大小的判斷、傳送帶的啟動和停止控制、物料的推出以及對不同物料進行計數(shù)等任務。圖 4.3 所示為啟動設備的程序。按下啟動按鈕，X020 閉合，M20 輸出，啟動設備；按下停止按鈕，則 X021 斷開，M20 為 0，設備停止。計數(shù)器執(zhí)行到設置值則 M31 常閉觸點斷開，M20 為 0，設備停止。在設備重新啟動時，通過 PLS M0 指令輸出一復位脈沖，實現(xiàn)啟動時對定時器和計數(shù)器的復位。圖 4.3 啟動設備圖 4.4 所示為開始供料及對傳送帶 1 的控制。只要有工件到達，Y000 輸出，啟