机电一体化毕业设计（论文）-基于PLC的100厘米以下距离控制系统设计

无锡科技职业学院毕业论文毕业设计（论文）报告题 目 基于PLC的100厘米以下距离控制系统设计院 系 中德机电学院 .专 业 机电一体化技术 .班 级 .姓 名 .学 号 指导教师 . 2011年11月21日2012年4月13日23无锡科技职业学院毕业论文摘 要自从可编程控制器（PLC）诞生以来，电气工程技术人员感受最深刻的也正是可编程控制器二次开发编程十分容易。它在很大程度上使得工业自动化设计从专业设计院走进了厂矿企业，变成了普通工程技术人员甚至普通工人力所能及的工作。再加上其体积小、可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善、适用性强、安装接线简单等众多优点，在问世后的短短几十年中获得了突飞猛进的发展，在工业控制中得到了非常广泛的应用。传送带在工业生产中是必不可少的，以可编程控制器（PLC）为控制核心的距离传送控制系统，在它的接口上接有各种元器件，本系统结合所学，应用到了气压缸、传送带、光电传感器，各种元器件之间的逻辑关系是通过程序来表达的，改变这种关系只要重新编排原来的程序就行了，比较方便。本课程设计就是以可编程控制器（PLC）为控制核心的100厘米以下距离控制系统。关键词：PLC , 气压缸 ， 光电传感器 Abstract Since programmable controller (PLC) since birth, electrical engineering and technical personnel feel the most profound is programmable controller second development programming is easy. It in the very great degree makes industrial automation design from professional design institute into the mines, became common engineering and technical personnel and even ordinary workers can do. Plus its small size, high reliability and anti-interference ability strong, control the perfect function, and wide applicability, installation simple wiring numerous advantages, the advent of the short in decades won by leaps and bounds development, in the industrial control obtained very widely. The conveyor belt in the industrial production is indispensable to programmable controller (PLC) as the core to control the distance transmission control system, in its various components are connected to the interface, this system with what they have learned and applied to the air cylinder, conveyor belts, photoelectric sensors, all kinds of components of the logical relationship between the by the program is to express, the change this relationship as long as to redo the original program will do, more convenient. This course is designed to programmable controller (PLC) as the core to control the 100 cm distance under control system.Keywords: PLC, Pneumatic cylinder, Photoelectric sensor目 录摘 要1前 言2第1章 PLC的基本知识1.1 PLC的定义31.2 PLC的特点41.3 PLC的主要分类51.4 PLC的基本组成61.5 PLC的工作原理71.6 PLC的编程语言8第3章 三菱PLC3.1 常用几款三菱PLC介绍及选用93.2 三菱FX2N系列PLC的特点10第4章 气缸4.1 气缸的定义114.2 气缸的结构124.3 气缸的种类134.4 气缸的作用14第5章 光电传感器5.1 光电传感分类及选用155.2 神视EQ-30系列长距离设定反射型光电传感器介绍16第6章 PLC的100厘米以下距离控制设计6.1 功能描述及设计要求176.2 PLC电气接口186.3 I/O地址分配表196.4 梯形图206.5 三菱FX2N系列PLC仿真21毕业设计总结22参考文献23 前言所谓的PLC控制系统实际上是通过可编程控制器来实现PLC对整个系统的一种控制。它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器是一种基于计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程的存储LC都承担着极其重要的角色，从而被称作“先进国家工业三大支柱”之一。近年来，PLC在工业生产的许多领域，如冶金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交通、食品、环保、轻器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成一系列逻辑、顺寻、定时、计数、运算等确定的功能，来控制各类的机电一体化设备和生产过程。当今的PLC吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，得到了快速的发展。从单机自动化到整条生产线的自动化，P工、建材等工业部门得到了广泛的应用。本论文的内容主要是基于PLC的100厘米以下距离控制的设计，是通过三菱FX2N系列PLC来控制的。该类型具有与PLC应用实际紧密联系、突出实践性、侧重典型性、淡化纯理论性、强调综合应用性的特点。本论文分为四个章节，分别为PLC的基本知识；PLC的基本组成和工作原理；三菱PLC；基于PLC的100厘米以下距离控制设计。其中的内容还附有图片和例题，使得内容更加的丰富。 第1章 PLC的基本知识随着自动化技术的不断发展，PLC这一新型控制器件脱颖而出，逐步成为工厂里使用做多的自动化控制设备，同时，伴随着微电子技术、计算机技术、使得PLC逐步成为一种非常普及的工业控制器。 1.1 PLC的定义 PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器。PLC是一种数字式的电子装置，它使用了可编程序的存储器以存储指令，能完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或生产过程。1.2 PLC的特点 可靠性高、抗干扰能力强 编程简单、使用方便 设计、安装容易，维护工作量少 功能完善、通用性强 体积小、能耗低 性能价格比高1.3 PLC的主要分类 PLC按照输入和输出即I/O的点数多少可分为下图所表示的5种类型: PLC规模分类表类型I/O点数存储器容量/KB超小型24以下12小型24-25628中型256-1024816大型1024-81921664超大型大于819264256PLC按结构形式分类可分为厢体式和模块式两种。(1)厢体式又称为单元式或整体式。厢体式PLC将电源，CPU,I/0等都集中装在一个机箱内，结构紧凑，体积小，价格低。一般超小型PLC都采用这种结构，小型PLC多数也属厢体式，它由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU,I/O和电源，扩展单元内没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。(2)模块式结构的PLC将各部分分成若干个单独的模块，如电源模块，CPU模块，I/O模块和各种功能模块。第2章PLC的基本组成和工作原理 2.1 PLC的基本组成 PLC实质上是一种专门用于工业控制的通用计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，主要有中央处理器(CPU)，存储器(RAM,ROM)，输入输出接口电路（I/O接口），电源及外部设备几大部分构成。 中央处理器（CPU）：(1)从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令(2)将各种输入信号取入(3) 把运算结果送到输出端(4) 响应各种外部设备的请求 存储器：(1)系统存储器系统程序存储器+系统数据存储器(2)用户存储器RAM/EPROM/EEPROM 输入/ 输出（I/O）：(1)输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。(2)输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。 电源：PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。模块的PLC，是独立的电源模块；整体式PLC电源集成在厢体内。PLC的电源多为高精度的开关电源；掉电保护电路供电的后备电源多为锂电池。 外部设备：PLC的外部设备主要有：编程设备 触摸屏 操作面板 文本显示器 打印机等。2.2 PLC的工作原理运行） PLC的工作方式：采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。循环扫描过程如下：内部处理通信操作输入处理程序执行输出处理停止 工作过程：主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。1) 内部处理阶段：在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。2) 通信服务阶段在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。3) 输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序的执行阶段。4) 程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。若用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。5) 输出处理程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 PLC的运行方式：(1)运行工作模式：当处于运行工作模式时，PLC要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。(2)停止模式：当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。2.3 PLC的编程语言 PLC目前常用的编程指令：梯形图语言、助记符语言、顺序功能图。手持编程器常用助记符编程语言。计算机软件编程采用梯形图语言，也有采用顺序功能图的。v 本系统采用梯形图的编程语言： 梯形图（Ladder Diagram）程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。其特点： 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性； 与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习； 第三章 三菱PLC 3.1、常用几款三菱PLC介绍及选用 三菱PLC是一种集成型小型单元式PLC。且具有完整的性能和通讯功能等扩展性。如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。 FX1N系列: 是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC。 FX2N系列: 是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 FX3U: 是三菱电机公司新近推出的新型第三代三菱PLC,可能称得上是小型至尊产品。基本性能大幅提升，晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令，从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。 FX1NC FX2NCFX3UC三菱PLC: 在保持了原有强大功能的基础上实现了极为可观的规模缩小I/O型接线接口降低了接线成本，并大大节省了时间。v 本设计采用三菱FX2N系列PLC来完成控制任务。3.2、三菱FX2N系列PLC的特点： 三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超 小程序装置，除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连 接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。 其特点： 系统配置即固定又灵活； 编程简单； 备有可自由选择，丰富的品种； 令人放心的高性能； 高速运算； 使用于多种特殊用途； 外部机器通讯简单化； 共同的外部设备。 第4章 气缸4.1 气缸的定义： 引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。4.2 气缸的结构： 气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成，其内部结构如图所示：4.3 气缸的种类： 气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类。做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种：单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。 双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。 膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。它的密封性能好，但行程短。 冲击气缸：这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速(1020米/秒)运动的动能，借以做功。冲击气缸增加了带有喷口和泄流口的中盖。中盖和活塞把气缸分成储气腔、头腔和尾腔三室。它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等多种作业。做往复摆动的气缸称摆动气缸，由叶片将内腔分隔为二，向两腔交替供气，输出轴做摆动运动，摆动角小于 280。此外，还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。 v 本系统选用的是弹簧压回型的单作用气缸：4.4 气缸的作用： 将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转运动。 第五章 光电传感器 传感器是现在及将来在自动化控制系统中最为重要的一个部分，其可以将外界模拟量的变化转化为电信号的输出，从而实现了一个工作系统针对外界的变化而做出相应控制动作的功能。5.1 光电传感分类及选用 光电传感器分类：1) 漫反射型：2) 反射板型：3) 对射型4) 槽型5) 光纤传感器：塑料光纤型，玻璃光纤型6) 色标传感器，颜色传感器，荧光传感器7) 光通讯8) 激光测距：三角反射原理型，相位差原理型，时间差原理型9) 光栅10) 防爆/隔爆型 选用类型： v 在本次设计中，采用的是神视EQ-30系列长距离设定反射型光电传感器 （见图）。 5.2神视EQ-30系列长距离设定反射型光电传感器介绍： 特点： 不受物体颜色或背景的影响 长检测距离2m 两种设定距离(远距离和近距离)： 小型：虽然较小，但它的检测距离仍可达到2m长 不受透镜污染影响：即使在污染的环境下，透镜表面附着了灰尘、污垢或烟雾，限定检测的检测性能仍好于扩散反射型传感器 工作参数：电源电压1030V DC周围照明度白炽灯：受光面照明度3,000x反应时间2ms以下应差工作距离的10%以下第6章 PLC的100厘米以下距离控制设计6.1功能描述及设计要求：本系统虽然简单，但是很实用，被广泛应用于工业生产流水线上，完成既定距离传送的自动控制。其动作过程如图： 其功能为：工作时间，传送带工作，输送产品，在产品被运送到指定位置，气压缸推手发生动作，讲产品送上搬运车。 设计要求：a. 按下启动按钮SB1，电机M运转，驱动传送带移动。 b. 产品2到达指定点A，光电传感器检测到产品2并产生脉冲信号，此时使传送带停止运行、气压缸发生工作，将产品2推送上搬运车。气压缸采用自动归位型。 c. 传送带上的产品2被推送到搬运车上，光电传感器检测不到产品，此时使传送带继续运行，直到检测到产品1。 d. 循环执行。 e. 按下停止按钮SB2，电机M停止，传送带停止传送。6.2 PLC电气接口: 图PLC接线图6.3 I/O地址分配表：输入名称输出名称X000启动按钮SB1Y000电动机KM0X001停止按钮SB2Y001气压缸KM1X002光电开关SQ内部功能说明M1 电动机启动辅助继电器M2电动机停止辅助继电器M3光电开关辅助继电器 PLC控制I/O口与内部资源的分配6.4 梯形图: PLC控制梯形图6.5 三菱FX2N系列PLC仿真: 1.按下启动按钮SB1，电机M运转，驱动传送带移动。 2. 产品2到达指定点A，光电传感器检测到产品2并产生脉冲信号，此时使传送带停止运行、气压缸发生工作，将产品2推送上搬运车。气压缸采用自动归位型。3. 传送带上的产品2被推送到搬运车上，光电传感器检测不到产品，此时使传送带继续运行，直到检测到产品1。 4.循环执行。 5.按下停止按钮SB2，电机M停止，传送带停止传送。毕业设计总结几个月的毕业设计也接近尾声了，经过这几个月的努力和老师的帮助，毕业设计