本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計基于 PLC 的物料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計系部名稱： 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)班級： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 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 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(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(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(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）24V DC 400 mA 以下 24V DV 150 mA（擴(kuò)展 32 點(diǎn)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(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，通過 PLC 程序控制判斷由哪個汽缸執(zhí)行推出動作并進(jìn)行計數(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)有時也叫渦流式接近開關(guān)。它是利用導(dǎo)電物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場接近開關(guān)時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個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、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，在開關(guān)兩端或輸出端所測量到的電壓，4）空載電流：是指在沒有負(fù)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(guān)斷開時，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，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(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，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，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)動電流和最低驅(qū)動電壓，確保電路正常工作。2）直流三線制串聯(lián)時，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，有高壓或動力線存在時，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，連接電源時，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 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，T2 導(dǎo)通，T3、T4 截止，有金屬物體接近時， 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(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(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對物體進(jìn)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(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時，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。當(dāng)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(guān)是首選的檢測模式。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合得到應(yīng)用 [27]。 1.光電開關(guān)特點(diǎn)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(shí)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(jìn)行檢測。 3）響應(yīng)時間短光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時間，響應(yīng)時間非常短。 4）分辨率高能通過高級設(shè)計技術(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)行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。 5）可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測可以無須機(jī)械性地接觸檢測物體實(shí)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(shí)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(zhì)，可對檢測物體的顏色進(jìn)行檢測。 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，便于對檢測物體的位置進(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、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)制的主動式光電探測系統(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)和動作。接觸式行程開關(guān)存在響應(yīng)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(diǎn)，而晶體管接近開關(guān)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(guān)則克服了它們的上述缺點(diǎn)，而且體積小、功能多、壽命長、精度高、響應(yīng)速度快、檢測距離遠(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、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(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(guān)均無檢測信號。當(dāng)工件到達(dá)各傳送帶時，各傳送帶前方的光電開關(guān)動作，啟動傳送帶，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)行計數(shù) [30]。213.3 本章小結(jié)本章主要介紹了各個器件的選型，包括 PLC 的選型，接近開關(guān)的選型兩部分。同時對各個器件的工作原理等做了詳細(xì)的分析更加完善了設(shè)計內(nèi)容。第 4 章 物料分揀控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計前，應(yīng)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(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 輸入 外 部 元 件 序號 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(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)計控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是整個物料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計的關(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。軟件設(shè)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(jìn)行計數(shù)等任務(wù)。圖 4.3 所示為啟動設(shè)備的程序。按下啟動按鈕，X020 閉合，M20 輸出，啟動設(shè)備；按下停止按鈕，則 X021 斷開，M20 為 0，設(shè)備停止。計數(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)備重新啟動時，通過 PLS M0 指令輸出一復(fù)位脈沖，實(shí)現(xiàn)啟動時對定時器和計數(shù)器的復(fù)位。圖 4.3 啟動設(shè)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(dá)，Y000 輸出，啟