本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于 PLC 的物料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系部名稱： 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 08-1 班 學(xué)生姓名： XXX 指導(dǎo)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(gè) 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(chǔ)器卡，QnASCPU 則內(nèi)存量可擴(kuò)充到 2M 字節(jié)；有多種特殊模塊可選擇，包括網(wǎng)絡(luò)，定位控制，高速計(jì)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(diǎn)/32 點(diǎn)/48 點(diǎn)/64點(diǎn)/80 點(diǎn)/128 點(diǎn) 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(chǔ)器， CPU 運(yùn)算處理速度 0.55-0.7μs/基本指令，可連接 I/O 擴(kuò)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(diǎn)數(shù)，選擇 FX2N-48MR-001型 PLC[20]。3.1.6 PLC 的技術(shù)指標(biāo)161)FX2N 系列小型 PLC 一般技術(shù)指標(biāo) 一般技術(shù)指標(biāo)主要是指 PLC 產(chǎn)品的工作條件與一般工作環(huán)境的適應(yīng)程度。PLC是專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，充分考慮了工業(yè)環(huán)境種種惡劣因數(shù)。其技術(shù)指標(biāo)如表 3-1 所示。表 3.1 一般技術(shù)指標(biāo)環(huán)境溫度 0～55℃環(huán)境濕度 35%～85%RH（不結(jié)露）抗震 JIS C0911 標(biāo)準(zhǔn) 10～55Hz 0.55mm（最大 2g）3 軸方向各 2h抗沖擊 JIS C0912 標(biāo)準(zhǔn) 10g 3 軸方向各 3 個(gè)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(shí)，亦可浮空使用環(huán)境 禁止腐蝕性氣體，嚴(yán)禁塵埃2)性能技術(shù)指標(biāo)性能技術(shù)指標(biāo)標(biāo)志某種 PLC 在硬件和軟件反面所具備功能。不同機(jī)型差異較大，在 PLC 選型時(shí)要逐一考慮該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)能否滿足要求。PLC 的性能包括：輸入指標(biāo)、輸出指標(biāo)和電源指標(biāo)方面。如表 3-2、3-3、3-4 所示。表 3.2 輸入技術(shù)指標(biāo)輸入電壓 24V DC 隔離 光電耦合輸出電流 7mA 響應(yīng)時(shí)間 10ms表 3.3 輸出技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)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(fù)載 2A/點(diǎn) 0.3A/點(diǎn)，0.8A/4 點(diǎn) 0.5A/1 點(diǎn)，0.8A/4點(diǎn)感性負(fù)載 80VA 15VA/100V AC 30VA/240V AC12W/24V DC最大負(fù)載燈負(fù)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(fù)載 ____ 0.4VA/100V AC 2.3VA/240V AC____17OFF-NO 約 10ms 1ms 以下 0.2ms 以下響應(yīng)時(shí)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(shù)指標(biāo)項(xiàng)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(shí)間 對(duì)于 10ms 以下的瞬間斷電控制動(dòng)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(kuò)展模塊電源有擴(kuò)展模塊24V DC 250mA 以下24V DC 100mA 以下（擴(kuò)展 16 點(diǎn)時(shí)）24V DC 400 mA 以下 24V DV 150 mA（擴(kuò)展 32 點(diǎn)時(shí)）3.2 傳感器的選擇對(duì)于金屬物料分揀的小、中、大采用 3 個(gè)接近開關(guān)進(jìn)行判斷。接近開關(guān)分別放置于傳送帶 1 的上方，并調(diào)整好固定高度。2、3、4 傳送帶的啟動(dòng)分別通過安裝于傳送帶前方的光電接近開關(guān)進(jìn)行控制。物料的到位由裝設(shè)在汽缸處的接近開關(guān)檢測(cè)，通過 PLC 程序控制判斷由哪個(gè)汽缸執(zhí)行推出動(dòng)作并進(jìn)行計(jì)數(shù) [21]。3.2.1 電感式接近開關(guān)傳感器的選擇 采用電感式接近開關(guān)，這種開關(guān)有時(shí)也叫渦流式接近開關(guān)。它是利用導(dǎo)電物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)接近開關(guān)時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用到接近開關(guān)，使開關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無導(dǎo)電物體移近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電體。接近開關(guān)由于具有體積小、重復(fù)定位精度高、使用壽命長(zhǎng)、抗干擾性能好、可靠性高、防塵、放油等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)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(guān)傳感器的電氣指標(biāo)1）工作電壓：是指電感式接近開關(guān)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(guān)傳感器連續(xù)工作時(shí)的最大負(fù)載電流。3）電壓降：是指在額定電流下開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，在開關(guān)兩端或輸出端所測(cè)量到的電壓，4）空載電流：是指在沒有負(fù)載時(shí)，測(cè)量所得的傳感器自身所消耗的電流。5）剩余電流：是指開關(guān)斷開時(shí)，流過負(fù)載的電流。6）極性保護(hù)：防止電源極性誤接的保護(hù)功能。7）短路保護(hù)：超過極限電流時(shí)，輸出會(huì)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(guān)的 ON 狀態(tài)和 OFF 狀態(tài)實(shí)際上是電流大、小的變化，當(dāng)接近開關(guān)處于 OFF 狀態(tài)時(shí)，仍有很小電流通過負(fù)載，當(dāng)接近開關(guān)處于 ON 狀態(tài)時(shí)，電路上約有 5V 的電壓降，因此在實(shí)際使用中，必須考慮控制電路上的最小驅(qū)動(dòng)電流和最低驅(qū)動(dòng)電壓，確保電路正常工作。2）直流三線制串聯(lián)時(shí)，應(yīng)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(dòng)力線存在時(shí)，應(yīng)將傳感器的電纜線單獨(dú)裝入金屬導(dǎo)管內(nèi)，以防干擾。4）使用兩線制傳感器時(shí)，連接電源時(shí)，需確定傳感器先經(jīng)負(fù)載再接至電源，以免損壞內(nèi)部元件。當(dāng)負(fù)載電流US2/RP 為假負(fù)載消耗功率；R 為假負(fù)載阻值；IL 為傳感器的負(fù)載電流 [23]3.使用儀器萬用表、示波器、電源（+12V）4.調(diào)試步驟1）接好電源，測(cè)量 T1 的 c 極電壓應(yīng)為 6V；2）用示波器觀察 T1 的 e 極，應(yīng)有高頻振蕩波形；若無振蕩波形，應(yīng)仔細(xì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變?yōu)榈碗娖?，同時(shí) LED 亮，說明工作正常；194）若不正常，應(yīng)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(shí)，T2 導(dǎo)通，T3、T4 截止，有金屬物體接近時(shí)， T2 截止，T4 導(dǎo)通 [24]。5.電感式接近開關(guān)傳感器的選型1）根據(jù)安裝要求，合理選用外形及檢測(cè)距離。2）根據(jù)供電，合理選用工作電壓。3）根據(jù)實(shí)際負(fù)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(duì)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(duì)照類型 國際 國內(nèi)+V 棕 紅GND 藍(lán) 黑Vout 黑 綠3.2.2 光電接近開關(guān)的選擇光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)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(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)物體進(jìn)行檢測(cè)。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(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過時(shí)，物體將光電開關(guān)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(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測(cè)模式。光電開關(guān)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(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。由于光電開關(guān)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(chǎng)合得到應(yīng)用 [27]。 1.光電開關(guān)特點(diǎn)有：1) 檢測(cè)距離長(zhǎng) 如果在對(duì)射型中保留 10m 以上的檢測(cè)距離等，便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段（磁性、超聲波等） 無法離檢測(cè)。 2)對(duì)檢測(cè)物體的限制少由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理，所以不象接近傳感器等將檢測(cè)物20體限定 在金屬，它可對(duì)玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)。 3）響應(yīng)時(shí)間短光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間非常短。 4）分辨率高能通過高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。 5）可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè)可以無須機(jī)械性地接觸檢測(cè)物體實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長(zhǎng)期使用。 6）可實(shí)現(xiàn)顏色判別通過檢測(cè)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(zhǎng)和檢測(cè)物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。 7）便于調(diào)整在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行調(diào)整 [28]。采用集成電路技術(shù)和 SMT 表面安裝工藝而制造的新一代光電開關(guān)器件，具有延時(shí)、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(guān)是一種采用脈沖調(diào)制的主動(dòng)式光電探測(cè)系統(tǒng)型電子開關(guān)，它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍(lán)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(zhì)的狀態(tài)和動(dòng)作。接觸式行程開關(guān)存在響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測(cè)容易損壞被檢測(cè)物及壽命短等缺點(diǎn)，而晶體管接近開關(guān)的作用距離短，不能直接檢測(cè)非金屬材料。但是，新型光電開關(guān)則克服了它們的上述缺點(diǎn)，而且體積小、功能多、壽命長(zhǎng)、精度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)。這種新型的光電開關(guān)已被用作物位檢測(cè)、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判別、速度檢測(cè)、定長(zhǎng)剪切、孔洞識(shí)別、信號(hào)延時(shí)、自動(dòng)門傳感、色標(biāo)檢出、沖床和剪切機(jī)以及安全防護(hù)等諸多領(lǐng)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(chǎng)合作為防盜警戒之用 [29]。對(duì)于非金屬物料，小、中、大 3 個(gè)接近開關(guān)均無檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)工件到達(dá)各傳送帶時(shí)，各傳送帶前方的光電開關(guān)動(dòng)作，啟動(dòng)傳送帶，實(shí)現(xiàn)非金屬物料的傳送，并通過傳送帶輸出端的光電開關(guān)進(jìn)行計(jì)數(shù) [30]。213.3 本章小結(jié)本章主要介紹了各個(gè)器件的選型，包括 PLC 的選型，接近開關(guān)的選型兩部分。同時(shí)對(duì)各個(gè)器件的工作原理等做了詳細(xì)的分析更加完善了設(shè)計(jì)內(nèi)容。第 4 章 物料分揀控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)前，應(yīng)深入了解和分析被控對(duì)象的工藝條件和控制要求，確定 I/O 點(diǎn)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(jìn)行 PLC程序設(shè)計(jì)和調(diào)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(hào) 輸入 外 部 元 件 序號(hào) 輸出端子 外 部 元 件1 X0 工件原位點(diǎn) 1 Y0 供料2 X1 上接近開關(guān) 2 Y1 傳送帶 13 X2 中接近開關(guān) 3 Y2 傳送帶 24 X3 下接近開關(guān) 4 Y3 傳送帶 35 X4 2 段接近開關(guān) 5 Y4 傳送帶 46 X5 3 段接近開關(guān) 6 Y5 小工件推出7 X6 4 段接近開關(guān) 7 Y6 中工件推出8 X7 出 4 段接近開關(guān) 8 Y7 大工件推出9 X10 2 段到位接近開關(guān) 9 Y20 傳送帶 1 工作指示2210 X11 3 段到位接近開關(guān) 10 Y21 傳送帶 2 工作指示11 X12 4 段到位接近開關(guān) 11 Y22 傳送帶 3 工作指示12 X20 啟動(dòng)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(shè)計(jì)如圖 4.1 所示，包括一個(gè)啟動(dòng)按鈕 PB1(X20)和一個(gè)停止按鈕 PB2（X21），以及 1、2、3、4 段傳送帶運(yùn)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(guān)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(hào)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(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)物料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實(shí)現(xiàn)，對(duì)提高物料分揀控制系統(tǒng)整體可靠性、實(shí)用性具有重要的意義，同時(shí)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(dāng)前傳送帶廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)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(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)的主要工作是完成對(duì)物料尺寸大小的判斷、傳送帶的啟動(dòng)和停止控制、物料的推出以及對(duì)不同物料進(jìn)行計(jì)數(shù)等任務(wù)。圖 4.3 所示為啟動(dòng)設(shè)備的程序。按下啟動(dòng)按鈕，X020 閉合，M20 輸出，啟動(dòng)設(shè)備；按下停止按鈕，則 X021 斷開，M20 為 0，設(shè)備停止。計(jì)數(shù)器執(zhí)行到設(shè)置值則 M31 常閉觸點(diǎn)斷開，M20 為 0，設(shè)備停止。在設(shè)備重新啟動(dòng)時(shí)，通過 PLS M0 指令輸出一復(fù)位脈沖，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)對(duì)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的復(fù)位。圖 4.3 啟動(dòng)設(shè)備圖 4.4 所示為開始供料及對(duì)傳送帶 1 的控制。只要有工件到達(dá)，Y000 輸出，啟