毕业设计（论文）-邮件分拣系统设计.doc

哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)I摘要自动分拣控制系统在各个行业都应用广泛：物流配送、邮政、采集、海运、仓管等行业得到广泛运用，分拣系统极大提升各单位生产效率。初次设计后，进行了整体思路、流程调整。硬件组成方面适当优化调节各组成部分方位、并有细微角度修正，达到平稳系统运作、理想化传感器角度的目的。硬件整体调整完善后，开始软硬件协调测试，最终促成本设计中邮件输入、邮件输送、邮件分拣的系统过程。本系统在机械自动化理念及分拣系统基础原理上，根据给定的要求,以邮件为对象选取 PLC 控制核心、MCGS 监控软件的简单组合，进而设计出邮件安全分拣系统的控制和监控。将 PLC 做主控器,结合传感器应用等技术,能够实时监控和保障邮件的安全分拣。系统具有思路简明、运行稳定、分拣精度高、易控制的特点,若分拣对象改变,只需简单改动便可达到良好效果。关键词：邮件分拣；安全平稳；传感器；PLC；监控软件哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)IIAbstractSorting control system in all sectors of society such as: logistics and distribution center, post office, mining, ports, terminals, warehouses and other industries are widely used, we can see that the sorting system can greatly improve the level of production enterprises efficiency.Familiar with the goods in the automatic and sorting system principle foundation, according to certain request to sort the Mitsubishis PLC as control core, Mcgs software for monitoring software, the design gives material sorting control system. The transport of goods and materials sorting system mainly by PLC controller, combined with pneumatic device, the sensor technology, configuration and monitoring technology, on-site control product automatic sorting. System has a high degree of automation, stable operation and high precision, easy control sorting based on the features of different sorting object, slightly modifying the system can be realized requirements.After completed its design of the system, executing the overall commissioning. In hardware, testing the installation location and angle of the various parts to make it run the block material and the angle of the sensor suitable for installation. After the various parts of the hardware debug range of motion, integrating hardware and software debugging to achieve material sorting system, feeding, delivery and sorting of the entire processKey words：Material sorting；sensor；Pneumatic device；PLC；Mcgs software哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)III目录摘摘要要 .IABSTRACT.II第第 1 章章前言前言.11.1任务的提出.11.2分拣系统基本介绍.11.3本文研究的主要内容.21.4方案论证.3第第 2 章章自动分拣系统中硬件设计自动分拣系统中硬件设计.42.1PLC 的选型.42.2传感器的选择.72.3驱动部分的分析与选择.92.4执行机构的选择.92.5其他元器件及其选择.112.6硬件结构设计.122.8本章小结.15第第 3 章章自动分拣系统的软件程序设计自动分拣系统的软件程序设计.163.2监控软件.183.3PLC 与组态软件通信.203.4本章小结.22第第 4 章章调试及模拟实验调试及模拟实验.234.1调试.234.2模拟实验开始.244.3本章小结.27哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)IV第第 5 章章结果分析结果分析.285.1数据表格输出.285.2 本章小结.28结结论论.29参考文献参考文献.30致致谢谢.32哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)1第 1 章前言1.1任务的提出近年邮政事业得到了空前发展。邮政通信网的技术含量不断增加，技术装备水平也在不断提高，邮件处理已基本实现机械化，并且朝着自动化的方向迈进。其中，利用机器自动分拣邮件是一个重要的课题。国内的研究工作起源于 20 世纪 70 年代中期。20 多年来，科技人员不断跟踪国际分拣技术的发展状况，推陈出新。截止 1998 年底，全国共有 106 套邮件自动分拣设备投入运行，1998 年完成的重大科研成果，它不是简单地将理信机和 OVCS 分拣系统拼成一台设备，而是一次读取图像，完成理信和分拣，且具有语音提示、格口显示、分层停机、标签制作等功能，处理效率为 32 000 件/h。该机的研制成功标志着我国邮件分拣设备的制造技术已达到国际先进水平。邮件分拣系统系统改变了人工分拣的工作方式分拣，极大提高了效率。作为通用工业控制计算机，30 年来，可编程控制器（PLC）从无到有实现了工业控制领域接线逻辑到储存的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制，过程控制，及集散控制等各种任务的跨越。她具有可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强，体积小，重量轻，能耗低等一系列的优点。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等各个行业。与计算机，通信技术并称为现代工业控制的三大支柱。邮政工作和人们的生活是息息相关的。随着人们生活水平的提高，社会的不断发展，邮政工作也越来越多样复杂。但传统邮件的分拣大多采用手工操作，这样的后果是不但效率低，工作量十分的繁重而且误差率级高。为了改善这种状况，实现邮件处理的高度自动化，提高邮件的处理速度，减少大量的人力，以适应现代化的发展，从而由 PLC 控制的邮件分拣十分必要的。邮件分拣技术，正是基于科技，经济发展的需要，研发并不断完善的。1.2分拣系统基本介绍二次世界大战之后，自动分拣系统逐渐在西方多个国家进入应用领域，成为发达国家先进物流中心，配送中心，流通中心必需具备的设施条件之一。（1）能连续、大批量地分拣货物由于采用大生产中使用的流水线自动作哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)2业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，它可以连续运行 100 个小时以上，每小时可分拣 7000 件包装商品，如用人工分拣则每小时只能分拣 150 件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作 8 小时。 （2） 分拣误差率极低自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，则误差率在 3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有差错，否则不会出错。因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。 （3）分拣作业基本实无人化国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货，由人工控制分拣系统的运行，分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车，自动分拣系统的经营、管理与维护。 对于分拣系统的应用前景，主要着眼于分拣系统的可靠性，优越性，应用领域的适用性以及系统的经济效益、成本等方而来考虑。但因分拣系统其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，所以，在发达国家，物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也普遍存在。对于自动分拣系统因其自身存在的一些问题，在一定程度上限制了其应用的领域及其范围。1.3本文研究的主要内容以邮件分拣系统为设计目的，认真设计以 PLC 控制的自动邮件安全分拣系统，本次设计的邮件安全分拣系统通过要求与比较传感器的基本知识和参数，择优选取硬件系统中所需的元器件并完成 PLC 的选型。在了解 PLC 与组态软件的相关知识后，为本选题构思软硬件的协调设计，设计出主电路与控制回路，并建立了软件模拟，设计中，确定了 I/O 分配，并按控制条件汇成 PLC 梯形图设计。在实际工作过程中，需要对全过程控制状态进行实时监控，理想情况下可运用组态软件建立其实际的模型，搭配动态画面设定、数据报表输出，做出较完整的监控界面。初次设计后，进行整体思路、运作流程调整。硬件组成方面适当优化调节各组成部分方位、并有细微角度修正，达到平稳系统运作、理想化传感器角度的目的。硬件整体调整完善后，开始软硬件协调测试，最终促成本设计中邮件输入、邮件输送、邮件分拣的系统全过程。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)31.4方案论证本课题是基于区分邮件的不同而设计的邮件分拣系统，主要是实现对特别处理后的邮件 A、邮件 B 和不同颜色邮件的自动分拣，具体方案初步设计如下：（1）接通电源，按下启动开关，系统进入启动状态，指示灯绿灯亮。（2）系统启动后，邮件输入传感器(光电传感装置)检测到邮件传送带无邮件或各气缸未复位时，传送带须继续运行一个行程 10后自动停机,指示灯红灯亮。（3）系统启动后，邮件输入传感器(光电传感装置)检测到传送带有邮件，每隔 2S 气缸动作一次，动作时间维持为 1，将待测邮件推到传送带上，待测物体开始在传送带上运行，并对其进行计数。（4）当电感传感器检测到邮件 A 时，且其对应的接近开关感应到邮件接近，对应气缸将待测物体推下，并对其进行计数。（5）当电容检测传感器检测到邮件为邮件 B 时，且其对应的接近开关感应到邮件接近，对应气缸动作将被检测到的邮件推下，并对其进行计数。（6）当颜色检测传感器检测到邮件为红色时，且其对应的接近开关感应到邮件接近，相应气缸动作将待测物体推下，并对其进行计数。（7）剩余邮件在传送带上继续传送，当最后导轨对应的接近开关感应到邮件接近，其气缸动作将被检测到的邮件推下，并对其进行计数。图 1-1邮件分拣系统的示意图本方案理论上具有可操作性无明显逻辑错误，初步判断可进行实验验证。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)4第 2 章自动分拣系统中硬件设计2.1PLC 的选型2.1.1PLC 基本结构输出输出电电 路路系统程序处理器系统程序处理器用户程序处理器用户程序处理器输入输入电电 路路电源电源编程器编程器中央处理单元中央处理单元图 2-1PLC 结构框图（1）中央处理单元（CPU）中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作任务等。（2）存储器存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序以及运算数据的单元。可编程序控制器配有两种存储器，即系统存储器(EPROM)和用户存储器(RAM)。（3）输入/输出（I/O）电路输入输出电路是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。 输入口用来接收生产过程的各种参数，输出口用来送出可编程控制器的运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。按照信号的种类归类有直流信号输入、输出，交流信号的输入、输出；按照信号的输人、输出形式分有数字量输入、输出，开关量输入、输出，模拟量输入、输出。（4）电源可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源以及为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。（5）编程器编程器是 PLC 的重要外部设备，利用编程器可将用户程序送入 PLC 的用户程序存储器，调试程序、监控程序的执行过程。编程器从结构上可分为三种类型，哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)5简易编程器、图形编程器和通用计算机编程。2.1.2PLC 的扫描工作过程PLC 扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。1)输入采样 PLC 在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读人到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。PLC 在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输人端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。2)程序执行PLC 完成了输入采样工作后，按顺序从 0000 号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。3)输出刷新 在执行到 END 指令，即执行完了用户的所有程序后，PLC 将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。PLC 工作过程除了包括上述三个主要阶段外，还要完成内部处理、通信处理等工作，在内部处理阶段，PLC 检查 CPU 模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，PLC 与其他的带微处理器的智能装置实现通信1114 。2.1.3PLC 的分类我国 PLC 的分类尚无统一的标准。据性能，应用范围可将其如下分为：1、按性能分类根据 PLC 的 I/O 点数、用户程序存储器容量和控制功能的不同，可将其分为小型、中型和大型二类。小型 PLC 又称低档 PLC，它的 I/O 点数小于 128 点，用户程序存储器容量小于 4K 字，功能简单，以开关量控制为主，可实现条件控制、顺序控制、定时记数控制。适用于单机或小规模生产过程。中型 PLC 又称中档 PLC，它的 I/O 点数在 128512 点之间，用户程序存储器容量为 4K8K 字，功能比较丰富、兼有开关量和模拟量的控制能力，具有浮点数运算、数制转换、中断控制、通信联网和PID 调节等功能。适用于小型连续生产过程的复杂逻辑控制和闭环过程控制。大型 PLC 又称高档 PLC，它的 I/O 点数在 512 点以上，用户程序存储器容量达到 8K 字以上，控制功能完善，在中档机的基础上，扩大和增加了函数运算、数据库、监视、记录、打印及中断控制、智能控制、远程控制的功能。适用于大哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)6规模的过程控制、集散式控制系统和工厂自动化网络。2、按结构分类根据 PLC 的构成形式，可将 PLC 分为整体式和机架式 (模块式)两大类。整体式 PLC 是将 CPU、存储单元、输入输出模块和电源部件集中配置在一个机箱内。这种 PLC 输入输出点数少、体积小，价格低，便于装入设备内部。小型 PLC通常采用这种结构。机架式 PLC 将各单元做成独立的模块，使用时将这些模块分别插入机架底板的插座上。可根据生产实际的控制要求建立模块，构成不同的控制系统。这种 PLC 输入输出点数多，配置灵活方便，易于扩展。大中型 PLC 通常采用这种结构。3、按应用范围分类根据应用范围的不同，可将 PLC 分为通用型和专用型两类。通用型 PLC 作为标准工业控制装置可在各个领域使用，而专用型 PLC 是为了某类控制要求专门设计的 PLC，如数控机床专用型、锅炉设备专用型、报警监视专用型等。由于应用的专一性，使其控制质量大大提高9 。2.1.4PLC 型号选择PLC 种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON 的 PLC。根据系统中的控制要求 PLC 点数：实际输入点 15 点，实际输出点 8 点，综合对比三菱 FX 系列（包括 FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等） 、西门子系列、OMRON 系列中 I/O 点数为 32 点各型号的 PLC 的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择 PLC 型号为：FX2N32MR，合计总数 32 点16 点输入，DC24V，16 点继电器输出；尺寸（mm）：2208790，其性能、价格都优于其他 PLC。FX2N 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。FX2N 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列。由于 FX2N 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。该型号 PLC 有 16 个输入节点，16 个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)72.2传感器的选择2.2.1传感器的原理简介国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器是一个完整的测量装置（或系统） ，能把被测非电量转换为与之有确定关系的有用电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。3传感器一般由敏感元件、变换元件和其他辅助元件组成。但是随着传感器集成技术的发展，传感器的信号调理与转换电路也会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集成在同一芯片之上。因此，信号调理电路以及所需辅助电源都应作为传感器组成的一部分，如图 2-2 所示。图 2-2传感器的组成示意图敏感元件感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件，如膜片和波纹管，可以把被测压力变成位移量。若敏感元件能直接输出电量（如热电偶） ，就兼为传感元件了。还有一些新型传感器，如压阻式和谐振式压力传感器、差动变压器式位移传感器等，其敏感元件和传感器就完全是融为一体的。变换元件又称传感元件，是传感器的重要组成元件。它可以直接感受被测量（一般为非电量）且输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。传感元件也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。例如，差动变压器式压力传感器，并不直接感受压力，而只是感受与被测压力成确定关系的衔 位移量，然后输出电量。一般情况下使用的都是这种传感元件。信号调理与转换电路能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。信号调理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多种类，常用的电路有电桥、放大器、振动器和阻抗变换器等。传感器根据使用要求的不同，可以做的很简单，也可以做的很复杂；可以使带反敏敏感感元元件件辅助电源辅助电源变变换换元元件件信号信号调理调理与与转换转换电路电路非非电电量量电电参参量量电电量量被被测测量量哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)8馈的闭环系统，也可以是不带反馈的开环系统。因此，传感器的组成将依不同的情况而有所差异2 。2.2.2传感器的选择传感器是将被检测对象的各物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。根据本设计的要求需要对位置检测装置、视觉传感器进行选用。位置检测装置检测气缸动作是否到位，视觉传感器是为了完成对邮件的识别。（1）位置检测装置在本设计中，当气缸执行动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关的品种规格很多，按其操作结构可分为直动、滚轮直动、杠杆单、双轮等。选用行程开关时，应根据不同使用场合，满足各方面的要求来进行选择。本设计中采用直线接触式磁感应开关检测气缸回位动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。（2）视觉传感器系统视觉的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能够对不同的物体进行识别，本系统采用邮件传感器和颜色传感器，对邮件进行分拣。电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，用来检测金属物体。它由LC 高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化。由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。本系统用该器件来检测 A 邮件。电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关。它的测量头通常是构成电容器的一个极板,而另一个极板是待测物体的本身。当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。由此，便可控制开关的接通和关断。本装置中电容传感器是用于检测邮件 B 邮件1 。根据不同邮件有不同的颜色，可以针对一种颜色的邮件进行拣出。颜色传感器同样也属于具有开关量输出的位置传感器。它是在 Si 等多数光电二极管之前，分别放置 R（红） 、G（绿） 、B（蓝）三种颜色的彩色滤光器，以便处理各自的输出信号并识别彩色的方法。在本邮件分拣系统选用是用来识别红色与绿色的邮件。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)9目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型：色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色 LED 光源；RGB（红绿蓝）颜色传感器，它检测物体的对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。这类装置许多是温反射型、光束型、光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸脂外壳中。典型的输出有：NPN 和 PNP、继电器和模拟输出。为了便于 PCL 控制程序的编写，综合其各种情况，在本设计，选择 RGB 颜色传感器着为识别邮件颜色的装置，继电器输出方式，便于 PLC 控制系统的简单化，控制系统更容易实现45 。2.3驱动部分的分析与选择系统的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，其驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。表 2-1各种控制方式的比较：项目气压传动液压传动电气传动机械传送系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能有污染清洁较清洁维护简单比气动复杂需要专门技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小危险性几乎无问题注意着火一般无问题无特殊问题通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本1618 。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)10图 3.1 驱动系统原理图2.4执行机构的选择在气压传动系统中，组成气动回路是为了驱动用于各种不同目的机械装置，其最重要的三个控制内容是：力的大小、运动的方向和运动的速度。与生产装置相连接的各种类型的气缸，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现对三个内容的控制，正是利用它们组成了各种气动控制回路。现今各控制系统中分拣执行机构主要有以下几种：（1）机械手夹持式夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。夹持式手部设计时应注意以下事项：手指应有一定的开闭范围；手指应具有适当的夹紧力；要保证工件在手指内的定位精度；结构紧凑，重量轻，效率高；通用性和可换性。19（2）气吸式气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件邮件致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)11塑料等表面光滑工件的抓取。（3）气缸式气缸输出直线往复式气缸是气动执行元件之一。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。其工作原理：对于前伸/回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸，反之，活塞杆回缩；对于上升/下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。当气缸动作时动作限位开关断开，气缸快速弹出，此时 阀复位，当气压太大时而气缸没有复位时气缸复位限位开关感应动作从而关闭 阀从而起到保护气缸的作用。气缸式的执行机构动作比较稳定，易于维修，控制过程简单，所以该邮件分拣系统执行机构选择气缸推动式15 。图 2-3 执行机构示意图2.5其他元器件及其选择邮件传送带是一个邮件手动入库而自动出库的装置，底部有一个光电传感器。使用时可先人为地将邮件放入邮件传送带上，此时光电传感器检测到邮件时系统开始运行。当系统运行时，启动传送带并由气缸将邮件库内底层邮件推入传送带。传送带是由单向感应电机驱动的皮带式输送装置。调压阀、空气滤器与气压指示仪表集中于一个模块上，它们接收来自气源的气压并传送到下面的 5 个气阀中。调节调压阀降压，使其输出压力与每台气动设备和装置所需要的压力一致，并保持该压力的稳定。空气过滤器作用是滤除压缩空气中的水分、油滴以及杂质微粒等危害，以达到系统要求的净化程度。油雾器是一种特殊的注油装置，它以压缩空气为动力，将润滑油喷成雾状并混合于压缩空气中，并随空气进入需要润滑的部件，使压缩空气具有润滑气动元件的能力。自动分选部分由传感器、 换向阀、气缸及传输轨道组成。当传感器检测到相应邮件时，对应的 换向阀动作驱动气缸动作将其推人应去的滑道。例如：当传输带传输带滑道滑道活活塞塞活活 塞塞 杆杆前伸前伸/回缩气缸回缩气缸缸筒缸筒邮件邮件驱动驱动机构机构哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)12电感传感器感应到邮件时，对应的气缸动作，将邮件推入对应的传输轨道。传输轨道主要作用是当气缸推出邮件时导出邮件。单向感应电动机作为执行机构用于带动传输带输送邮件前行。内置电源可以将 220 交流电转换成 24 伏的直流电供给各个传感器与气阀以及转接板上的各个指示灯，同时也为单向感应电动机提供稳定的 220 伏电压。控制器采用三菱 FX2N-32MR 型 PLC。它接受邮件传送带光电传感器、各邮件传感器、 换向阀、感应电动机、气缸位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和各电磁阀动作。添加其它的传感器。用户可以根据自己的需求选择相应的传感器安装即可。系统元件选择如表 2-2。表 2-2系统元件选择序号名称型号数量备注1PLCFX2N-32MR116 输入，16 输出，继电器输出形式2空气压缩机FB-0.048/71噪音低、性能稳定、工作安全可靠,功率 0.55KW3气阀SVK01205换向阀, 交流：110v,220v（50hz） 直流：24V4气缸SCDJB10-45S5产品与气阀的型号相配套推动邮件进行分拣5感应开关D-C735额定电压：DC24V AC110V额定电流：DC：540mAAC: 520mA气缸回位限位开关6接近开关CAT2-12GM5静电容量式接近开关判断邮件是否到位7光电开关E3R-5DE41判断有无邮件7电感式接传感器BLJ18A4-8-Z/B1Z1额定电压：DC：636V额定电流：300mA8电容式传感器E2K-X81ME11静电容量型近接开关额定电压:DC1224V(DC1030V)9颜色传感器E3S-VS1E41额定电压：DC：1224V额定电流：400mA10电动机YN60-61感应电动机减速电机参数 功率：6W电压：110V频率：50HZ电流：0.20A额定转速：1440r/min11内置电源MD35-341输入电压：AC220 伏 15%输出电压：DC24 伏11传输导轨4铝合金12传送带1橡胶传送带2.6硬件结构设计自动分拣系统的 PLC 控制用于对相关对象的自动化分拣，其硬件结构框图如图 2-3 所示。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)13图 2-3系统的硬件结构框图根据邮件分拣系统的结构框图，可得出其结构示意图如图 2-3 所示。按下启动按钮后，电动机 M 运行，绿灯 L2 亮，传送带运转，表示可以进邮件。邮件经传感器对其进行识别，检测其分别为邮件 A、邮件 B、红色，其相对应的气缸进行动作，将邮件推入导轨内，若不是上述的几种邮件，则最后剩余的气缸动作，将其推入导轨内，以完成对其的分拣。2.7I/O 口的选择及 PLC 接线根据邮件分拣系统的工作过程由可知，系统的控制有输入信号 15 个，均为开关量。输出信号有 8 个，其中一个控制电动机，两个控制指示灯，剩下的控制气阀，也都是开关量。根据控制要求可得 PLC 系统的接线图如图 2-4 所示PLCX00X01X02X03X04X05X06X07X10X11X12X13X14X15X17Y00Y01Y02Y03Y04Y05Y06Y07COMCOM2COM1SB1SQ1SQ2SQ3SQ4SASBSCSNSW1SW2SW3SW4SW5SB2YV1YV2YV3YV4YV5KML1L2图 2-4PLC 系统外部接线图哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)14根据分拣系统的需要配置出 I/O 对应功能，列表如表 2-3 所示：表 2-3分拣系统 I/O 口配置三菱 plc(I/O)分拣系统接口(I/O)备注x00SB1启动按钮x01sQ1传输邮件接近开关x02sQ2邮件 A 接近开关x03sQ3邮件 B 接近开关x04sQ4绿色邮件接近开关x05sA电感传感器x06sB电容传感器x07sC颜色传感器x10sN判断邮件输入有无（光电传感器）x11sw1传输气缸回位限位开关x12sw2A 邮件气缸回位限位开关x13SW3邮件 B 邮件气缸回位限位开关X14SW4红色邮件气缸回位限位开关X15SW5其他邮件气缸回位限位开关输入部分X17SB2停止按钮y00yv1传输 换向阀y01yv2邮件 A 换向阀y02yv3邮件 B 换向阀y03yv4红色邮件 换向阀Y04yv5其他邮件 换向阀y05m传送带Y06LD1红色指示灯输出部分Y07LD2绿色指示灯2.8本章小结通过本章的学习了解以下知识点：1. PLC 基本结构、扫描过程及分类，不同种类的对比和分析。2.传感器的基本组成、种类及不同种类的对比分析。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)153.驱动机构的分析、选择。4.执行机构特点的分析与对比。5.自动分拣系统对相关对象自动分拣的硬件结构框图。6.系统其它元件的选择与系统接线情况。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)16第 3 章自动分拣系统的软件程序设计3.1程序设计使用三菱电机公司提供专用的编程软件。早期是 MEDOC，目前是 GPPW 编程软件和 SWOPC-FXGP/WIN-C 编程软件包。GX 编程软件（GX 开发器）可以用于生成涵盖所有三菱电机公司 PLC 设备的软件包，使用该软件可以为FX/A/QnA/Q 系列 PLC 生成程序。GX 使用 Windows 操作平台，用梯形图、指令表或者 SFC 进行编程，程序可以与原先包括基于 DOS 操作系统的程序在内的编程软件相兼容。三菱 SWOPC-FXGP/WIN-C 编程软件如图 3-1 是应用于 FX 系列 PLC 的中文编程软件，可在 Windows 9x 或 Windows 3.1 及以上操作系统运行。邮件分拣系统采用该软件作为编程软件10 。图 3-1SWOPC-FXGP/WIN-C 窗口根据分拣系统的要求设计出的梯形图程序如下：哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)17哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)18图 3-2分拣系统的程序梯形图当程序设计好之后必须下载到 PLC 中才可以运行系统，下载时使用的是三菱PLC 专用的编程电缆 SC09。这根电缆的一端是接电脑的 RS232 串口，一端接在 PLC 的 RS422 通讯串口上。当电缆接好之后，打开软件，进入要下载的文件。先转换文件，然后选择菜单栏里的“PLC”选择“传送”-“写入”，便可以下载程序到PLC 中。传送程序时，应注意以下问题：1） 计算机的 RS-232 端口及 PLC 之间必须用指定的缆线及转换器连接；2） 执行完“读入”后，计算机中的程序将被丢失，原有的程序将被读入的程序所替代，PLC 模式改变成被设定的模式；3） 在“写出”时，PLC 应停止运行，程序必须在 RAM 或 EE-PROM 内存保护关断的情况下写出，然后进行校验11 。PLC 程序的传送如图 3-3 所示：哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)19图 3-3PLC 程序的传送3.2监控软件监控组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。 本系统采用 MCGS 作为上位机的监控软件。邮件分拣 MCGS 组态软件设计是对分拣系统的实时采集以及监控，从而实现操作者可以远离操作现场就能实现对生产线的控制。组建工程的总体规划是先建立一个用户窗口，其次是编辑画面和定义数据对象，再次是动画连接和编写控制流程，最后是设备的连接和调试。MCGS 组态软件是由北京昆仑自动化有限公司研制开发的，其英文全称为Monitor and Control Generated System，即“监视与控制通用系统”。MCGS 系统包括组态环境和运行环境两部分。用户的所有组态配置过程都在组态环境中运行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)20上。组态结果数据库完成了 MCGS 系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图 4-1 所示。图 3-4组态环境向运行环境的过渡由 MCGS 生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成，如图 4-2 所示。其中，运行时只有用户窗口是可见的，常被称为“前台”，其余部分被称为“后台”29 。图 3-5MCGS 组态环境的结构3.2.1MCGS 的主要特点和基本功能（1）简单灵活的可视化操作界面。MCGS 采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得 MCGS 的组态工作既简单直观，又灵活多变。（2）丰富、生动的多媒体画面。MCGS 以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息;通过对图形大小的变化、颜色的改变、明暗的闪烁、图形的移动翻转等多种乎段，增强画面的动态显示效果。（3）实时数据库为用户分步组态提供极大方便。MCGS 构成的五个部分中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数组态环境组态环境组态生成组态生成应用系统应用系统组态结果组态结果数据库数据库运行环境运行环境解释执行解释执行组态结果组态结果 主控窗口主控窗口设备窗口设备窗口用户窗口用户窗口实时数据实时数据库运行策略运行策略系系统统菜菜单单系系统统参参数数启启动动参参数数设设备备构构建建设设备备构构建建图元图元图符图符动画动画构建数数据据对对象象报报警警处处理理存存盘盘处处理理启启动动 策略策略循循环环策策 略略推推出出策策略略自自定定义义策策略略哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)21据区，是整个系统的核心。 MCGS 组态软件功能强大、界面友好,使用 MCGS 组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，组态配制出性能高、可靠性高和高度专业化的工业控制监控系统27 。3.3PLC 与组态软件通信对组态的通讯参数进行设置，打开设备窗口分别添加如下两个设备：通用串口父设备和 FX 系列编程口。在 MCGS 工作台上，单击设备窗口，再单击设备组态按钮进入设备组态：设备窗口。单击工具箱，打开设备工具箱窗口，再单击设备管理按钮，打开设备管理窗口，如图 3-6 所示25 。图 3-6添加设备哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)22图 3-7设备的添加再对 FX 系列编程口进行设置，双击 FX 系列编程口弹出设备属性编辑对话框，对它的参数作如表 3-7 和图 3-8 设置，当设置好参数后点击检查，无误后点确定。表 4-1通道连接的设置对应数据对象通道类型SB1只读 X00000SQ1只读 X00001SQ2只读 X00002SQ3只读 X00003SQ4只读 X00004SA只读 X00005SB只读 X00006SC只读 X00007SN只读 X00010SW1只读 X00011SW2只读 X00012SW3只读 X00013SW4只读 X00014SW5只读 X00015SB2只读 X00017YV1读写 Y00000YV2读写 Y00001YV3读写 Y00002YV4读写 Y00003YV5读写 Y00004M读写 Y00005LD1读写 Y00006LD2读写 Y00007哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)23图 3-8通道设置3.4本章小结1.对三菱 SWOPC-FXGP/WIN-C 编程软件的了解使用。2.使用三菱 SWOPC-FXGP/WIN-C 编程软件完成软件程序编写。3.了解监控组态软件 MCGS 的主要特点和基本功能，使用 MCGS 进行实时监控。4.对组态的通讯参数进行设置并添加设备完成通道连接的设置。哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)24第 4 章调试及模拟实验4.1调试在软件与硬件都已经准备好之后，开始对系统进行调试。这个过程便于我们发现问题与不足。通上电源，观察指示灯，一切正常之后开始加邮件。通过运行，在邮件放上邮件传送带后发现邮件容易被打飞。从两个方面解决这个问题，首先调低气压，但波动较大，仍然无法解决问题；从另一个方面入手在出槽口的一端加上挡板，通过试验，大部分邮件可以正常步入传送带。此问题顺利得到解决。将动力连通。调节气源管上的螺栓以调节动作力度，直至力度合适为止。邮件随传输带传送到传感器时，传感器并不能感应到邮件，说明传感器与物体的距离不适合。通过多次调试找到了适合的位置，即传感器的底部与传送带的距离。传感器通过在通电状态下，将待分拣的邮件块放置在传送带上，通过不停调节电位器，观察监控画面的对应开关的通断，并通过调节角度等将传感器调节至最佳状态。电感传感器与传送带最合适距离为 28CM，电容传感器与传送带最佳距离为 25CM。颜色传感器最合适距离为 30CM， 传感器对应的各个动力在感应到邮件后便开始工作，但由于不稳定性的原因，邮件不是被打飞，就是根本没有触到邮件。首先将总气源的气压稳定在 2.5Mp, 然后逐个调试气阀的进气开关，使气缸的气量保留在合适适中的位置。在软件与硬件都已经准备好之后，开始对系统进行调试。将硬件各部分的动作幅度进行调试之后，运行 PLC 程序，进行软硬件的结合，观察邮件分拣系统中传输、传送与分拣的过程，完成系统的调试。图 1-1邮件分拣系统的示意图哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)254.2模拟实验开始建立模拟实验。打开 MCGS 组态环境这个软件，进入它的主界面。设计出监控的画面如下：图 4-2监控的主控画面在上图中，邮件分拣系统的各部分的结构如下：1、转接面板2、单向感应电动机 3、三菱 PLC4、调压阀、空气滤器、油雾器与气压指示表5、内置电源6、传送带7、挡板8、邮件传送带9、换向阀10、气缸回位限位开关（磁感应开关）11、气缸 112、判断邮件传感器 13、邮件输入传感器14、传输轨道哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文)264.2.1动画连接所谓动画连接，实际上是将用户窗口内创建的图形对象与实时数据库中定义的数据对象，建立起对应的关系，在不同的数值区间内设置不同的图形状态属性（如颜色、大小、位置移动、可见度、闪烁效果等） ，将物理对象的特征参数以动画图形方式来进行描述。MCGS 实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。动画组态的设置主要有颜色动画连接、位置动画连接、输入输出连接和特殊动画连接。邮件分拣组态设计中的动画设计也是在这四种连接方式的基础上设置的26 。1、颜色动画连接所谓颜色动画连接就是指将图形对象的颜色属性与数据对象值之间建立相关性关系，使图元、图符对象的颜色属性随着数据对象值的变化而变化，用这种方式实现颜色不断变化的动画效果。如在监控图中，当邮件 A 传送至对应位置时，对应传感器上方的指示灯由红色变为绿色，其设置如图 4-3 所示。图 4-3颜色动画的连接2、位置动画连接位置动画连接包括图形对象的水平移动、垂直移动和大小变化三种属性，使图形对象的位置和大小随着数据对象