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机械毕业设计全套

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JDC01-027@基于PLC的堆垛机自动控制系统,机械毕业设计全套

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1 第 1章 绪 论 随着科学技术 和工业生产的飞速发展。现代物流技术领域内出现了一种新型仓储方式 自动化立体仓库。自动化立体仓库系统是一种用立体货架储存物资，由计算机控制管理和自动控制的堆垛机进行存取作业的仓库它占地面积小、自动化程度高，因此被广泛运用在机 场码头、造纸、食品服装，化工制药、啤酒厂和其他行业的物流系统中。 自动立体仓库作为物资存储和物流调节的重要手段及现代物流系统的重要组成部分，不但在现代经济中起着非常重要的作用，而且在一定程度上体现着一个国家的经济发展水平 。 1.1 自动化立体仓库简介 1.1.1 国外发展状况 立体仓库是存储的机电一体化高科技集成系统，它集机械、电子计算机、通信、网络、传感器和自动控制等多种技术于一体，以搬运机械化、控制自动化、管理微机化、信息网络化为特征，成为现代化物流设计中产品生产与存储的枢纽。 自动化立体仓库系统主要由货物储存系统、货物存取系统、运输系统、控制和管理等系统所构成，它采用 PLC控制、变频器调速、 光电检测定位、步进驱动控制及计算机管理等一系列自动控制技术。 它已 经在世界范围内的仓储领域得到广泛应用。 据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化立体仓库 2000多座，日 本拥有 38000多座，德国拥有 1000多座，英国有 400多座，前苏联有 1500多座 。 90年代后，堆垛机在使用范围和性能上有了很大的发展 。 1.1.2 国内研究动态及发展水平 我国自动化立体仓库的设施一向比较落后，上世纪 60年代才出现机械化物料搬运，从 70年代才开始自行设计仓库中的各种设备， 80年代初引进国外先进技术设计生产 ，到 90年代我国才进入自动化立体仓库的发展时期，设备的生产和使用才有了较大的发展， 开始使用电子计算机管理，仓库实现了半自动化和自动化。目前，我国已 建成并投入使用的自动化立体仓库已有数百座， 在堆垛机、输送机、分配机的设计制造及控制方面积累了丰富的经验，取得不少的进步；但与国外厂商相比，在自动化程度、信息处理，可靠性方面还存在很大的差距。因此，我国 必须投入大量人力物力才能建成具有世界先进水平的自动化立体仓库。 nts 2 1.2 堆垛机控制系统简介 堆垛机是自动化立体仓库的主要设备，仓库中的所有货物的出入库等作业都要通过堆垛机来完成。 从功能上堆垛机可以分为以下几部分： 机械手部分、推铲部分、升降台部分 ；从机构上堆垛机一般由水平行走机构、起升机构、载货台、 机械手 等基本设备组成。 可编程控制器 (PLC)专为工 业环境下应用而设计，通过数字或模拟输入输出控制各类型的机械或生产控制可编程控制器具有体积小，可读性好，抗干扰能力强，可靠性高，易于使用等优点，并且在功能实现上可以根据用户要求的变化只需要在软件上调整即可。 1.3 课题来源及研究内容 1.3.1 课题背景来源 随着消费方式的变化，罐装啤酒正被越来越多的消费者接受，逐渐成为国内啤酒市场一股新生的力量。据有关统计数据显示，近年来，国内罐装啤酒市场的增长速度平均维持在 10-15%。远远高于整个啤酒市场年均 7%的增长速度。 2005年国内罐装啤酒的总量已经达到了 30亿 罐。除百威、嘉士伯等国际知名啤酒品牌外，青岛、燕京、雪花，蓝带、艾尔、哈啤等国内啤酒企业也纷纷加大了罐啤的推广力度。 随着国内生活水平的提高，罐装啤酒正逐渐成为国内家庭啤酒消费的主流产品，高品质、大容量将成为啤酒市场未来的发展趋势。与此同时 ，伴随啤酒行业微利时代的来临，罐装啤酒也成为啤酒企业新的利润点。 在此背景下，啤酒厂把 500ml罐装啤酒作为力推产品。力求打破现有国内罐装啤酒市场 355ml主导的天下。 图 1.1 啤酒厂生产车间分 布图 图 1.1所示的是啤酒厂生产车问的分布图。我们设计了基于 PLC的堆垛机 控制系统 。项目中作为底层单元的 PLC完成对现场 开 /关量的控制处理，设计程序使其同样也具备 记数、抓取、码垛等 功能 。 本文以啤酒厂 输送码垛 为例，提出一种采用 PLC控制的系统。本系统根据堆剁机具体的要求和特点构建而成，及时掌握堆剁机的运行参数及运行状态，了解整个控制nts 3 过程所发生的一切 并能快速做出反映，提高工作质量与效率。 实现对 PLC进行监控，充分发挥 PLC可靠、灵活的控制性能 ，提高整个控制系统的整体自动化程度。 1.3.2 本课题研究的内容 本文研究的主要内容： 1 堆垛机控制系统简介，国内外发展状况及研究动态； 2 PLC 可编程逻辑控制器技术； 3 堆垛机控制系统的硬件设计； 4 堆垛机控制系统的软件设计。 nts 4 第 2章 PLC可编程逻辑控制器技术 2.1 PLC的定义 可编程控制器 (Programmable Logical controller)是 60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司 (DEC)为美国通用公司 (GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上。当时人们把这第一台可编程控制器叫做可编程序逻辑控制器 PLC或 PC，只是用来取代继电接触控制，仅有执行继电器逻辑、计时 、计数等较少的功能。 70年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们把微机技术应用到可编程控制器中，使得它兼有计算机的一些功能。不但用逻辑控制编程取代了硬件连线逻辑，还增加了运算，数据传送与处理及对模拟量进行控制等功能，使之真正成为一种电子计算机工业控制设备 。 1980年美国电气制造商协会 (National E1ectricalIanufactory Associ8tion简 NEMA)把这种新的控制设备正式命名为可编程序控制器 PC。为了与个人计算机的专称 PC相区别，故常常把可编程序控制器简称为 PLC。 1987年美国电气制造商协会给出的可编程序控制器的定义为： 可编程序控制器是一种带有指令存储器和数字或模拟 I O接口，以位运算为主，能完成逻辑，顺序，计时，计数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。随着科学技术的进步和可编程控制器的不断发展，功能不断增强，其定义也会发生改变 。 2.2 PLC的基本结构和功能 2.2.1 PLC的基本结构 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，它采用了典型的计算机结构，主要由CPU、 RAM、 ROM和输入输出接口电路等组成，其硬件结构基本上与微型计算机相同，其基本结构 如图 2.1所示 。 图 2.1 PLC的基本组成 nts 5 1.输入部件 这是 PLC与输入控制信号连接起来的部件。输入部件接受从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成中央处理器能够接受和处理的数字信号。 2.输出部件 这是 PLC与被控设备连接起来的部件。输出部件接受进过中央处理器处理过的输出数字信号，并将它转换成被控设备或显示装置所能接受的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。 3.中央处理单元 中央处理单元包括微处理器、系统程序存储器和用户程序存储器。微处理器 是 PLC的核心部件，整个 的工作过程都是在中央处理单元的统一指挥和协调下 行的，它的主要任务是按一定的规律和要去读入被控对象的各种工作状态，然后根据用户所编制的应用程序的要求去处理有关数据，最后在向被控对象送出相应的控制信号。存储器是保存系统程序和用户程序的器件。系统存储器主要用于存放系统正常工作所必须的程序，如管理、监控、指令解释程序，这些程序与用户无直接的关系。用户存储器主要用于存放用户按控制要求所编制的程序，可以通过编程器 进行必要的修改。 4.电源部件 电源部分将外部接入的交直流电源转换成 CPU、存储器等电子电 路工作所需的直流电源。 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用，它的好坏直接影响 PLC的功能和可靠性。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此 PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。目前大部分 PLC使用开关式稳压电源。 5.编程器 编程器是 PLC必不可少的重要外围设备。主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视 PLC的工作状态 。 2.2.2 PLC的功能 PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化 (FA)和计算机集成制造系统 (CIMS)内占重要地位。 PLC系统一般由以下基本功能构成 ： 1.控制功能 逻辑控制： 具有与、 或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继 电器进行开关量控制。 定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：接通延时、关nts 6 断延时和定时脉冲等方式。 计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。 顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台 PLC可作为多部步进 控制器使用。 2.数据采集、存储与处理功能 数学运算功能： 基本算术：加、减、乘、除。 扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算。 比较： 大于、小于和等于。 数据处理：选择、组织、规格化、移动和先入先出。 模拟数据处理： PID、积分和滤波。 3.输入输出接口调理功能 具有 A D， D A转换功能，通过 I O模块完成对模拟量的控制和调节。 位数和精度可以根据用户要求选择。 具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。 4.通信、联网功能 现代 PLC大多数都采用了通信、网络技术，有 Rs232或 Rs485接口，可进行远程控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元 之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、 监视和诊断。 通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据 的转移。 在系统构成时，可由一台计算机与多台 PLC构成 “集中管理、分散控制 ”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控 制。 一般 SCADA系统，现场端和远程端也可以采用 PLC作现场机。 5.人机界面功能 提供操作者以监视机器设备工作过程必需的信息。 允许操作者和 PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。实现人机界面功能的手段：从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的 CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算 机的分散和集中操作与监视系统。 6.编程、调试等 使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。 nts 7 2.3 PLC的工作原理及方式 最初研制生产的 PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点 (包括其常开或常闭触 点 )在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 PLC的 CPU则采用顺 序逻辑扫描用户程序的运 行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点 (包括其常开或常闭触点 )不会立即动作，必须等扫描到该触点 时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时问一般在 100ms以上，而 PLC扫描用户程序的时间一般均小于 100ms。因此， PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 扫描技术。这样在对于 I 0响应要求不高的场合， PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什 么区别了。 PLC是采用 “顺序扫描，不断循环 ”的方式进行工作的即在 PLC运行时 ， CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号 (或地址号 )作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每 次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。 PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。见图 2.2。 图 2.2 PLC扫描周期 示意图 PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应 的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。 PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。 输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式 (继电器、晶体管或晶闸管 )输出，驱动相应输出设备工作。 nts 8 一般来说， PLC的扫描周期还包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷 新等所有时间的总和。 PLC的 I 0响应比一般微机组成的工业控制系统慢的多， 其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。 在进行程序设计时，这是必须要考虑的一个 因素。 以上是一般的 PLC的工作原理，但在现代出现的比较先进的 PLC中，输入映像刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作，提高了 PLC的执行效率。在实际的工控应用之中，编程人员应当知道以上的工作原理，才能编写出质量好、效率高的工艺程序。 2.4 PLC的发展趋势 由于 CIMS、工程自动化和过程控制等大系统和复杂的应用 要求， PLC的主要发 展趋势为： 1.高功能、高速度和大容量。 提高 PLC的处理能力，使 PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的 PLC的扫描速度可达 0.1ms/k步左右 。 PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的 PLC最高可达几十兆字节。 2.网络化和强化通信能力。网络动态化己经很成功，并且现场总线技术 (Profibus)在工业控制中也得到了越来越来越广泛的应用。 使得 PLC通过现场总线能构成更加灵活实用的分布式网络；加强 PLC联网通信的能力，是 PLC技术进步的 潮流。 PLC的联网通信有两类：一 类是 PLC之间联网通信，各 PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是 PLC与计算机之间的联网通信，一般 PLC都有专用通信 模块与计算机通信。为了加强联网通信能力， PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统， PLC已成为集散控制系统 (DCS)不可缺少 的重要组成部分。 3.编程语言多样化。 在 PLC系统结构不断发展的同时， PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数 PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流 程图语言、与计算机兼容的高级语言 (队 SIC、 c语言等 )等。多种编程语言的并存、互补与发展是 PLC进步的一种趋势。 4.PLC与工控机联合。 PLC和其他控制系统之间界限越来越模糊，在应用方向也出现了类似的情况。 最流行的向 PC技术融合。 PLC日益加速渗入到 DCS中， PLC自身控制也分散化。 相对 PC为基础的控制器，优势在小型 PLC上。 5.增强外部故障的检测与处理能力。 根据统计资料表明：在 PLC控制系统的故障中， CPU占 5%， I/O接口占 l5%。输入设备占 45%，输出设备占 3%，线路占 5%。前二项共 20%故障属于 PLC的内部故障，它可通过 PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而nts 9 其余 80%的故障属于 PLC的外部故障。因此， PLC生产厂家都致力于研制，发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。 2.5 本章小结 本章介绍了 可编程控制器 的 定义、 基本功能、基本结构以及工作原理， 对其发展趋势也有了更好的展望， PLC是本设计系统的核心元件。对于控制功能的实现取得了至关重要的作用。 nts 10 第 3章 堆垛机控制系统 总体 方案 设计 3.1 开发思路分析 啤酒生产线 成品码垛装置拟采用机械手抓钩啤酒成品箱的方式 ,主要工作流程如下 ： 啤酒成品经装箱后由传送带送至机械手下方 ,进入光电开关检测区域记数先将成品箱转动 90。再由传送带送至下个检测区域检测记数推铲部分将成品箱往前方推进（以 3、 2； 2、 3的码垛方式往前推进）最后以推铲部分将其送到升降台进行检测记数（ 5 5的垛型码 5层最后由叉车运走）。 图 3.1 啤酒箱垛型 其中 : 1.机械手抓取和松开采用气动控制 和 旋转部分采用电机 传动控制 ； 2.推铲部分采用电机传动控制 ； 3.升降部 分采用电机传动控制 。 3.2 控制 系统 总体方案 设计 根据以上原理与控制要求 ,考虑到码垛速度比较快 ,且对定位有一定的要求 ,故主要硬件系统构成如图 3.2。 如图 3.2所示，光电传感器检测货物，因为检测的是模拟信号需经 FX2N-4AD模块将模拟信号转换成数字量送到 PLC里， PLC通过运行程序驱动机械手抓取，角位移传感器控制机械手旋转的角度，检测的也是模拟信号，需经 FX2N-AD模块将模拟信号转换成数字量送到 PLC里， PLC通过运行程序驱动机械手电机旋转的角度。 nts 11 图 3.2 控制系 统硬件构成图 光电传感器检测货 物 ，没有光电信号时将 检测到的模拟信号经 FX2N-4AD模块转换成数字量送到 PLC， PLC通过 运行程序 驱动升降电动机正转，升降台下降。当再一次有光电信号时将检测到模拟信号经 FX2N-4AD模块转换成数字量送到 PLC,PLC通过运行程序驱动电动机停转。当啤酒箱码好垛后被运走后，称重传感器得到个信号同样经 FX2N-4AD模块将模拟信号转换成数字量送到 PLC里， PLC通过运行程序驱动升降台电动机反转， 反转到一定的位移，直线位移传感器接到个模拟信号经由 FX2N-4AD模块将其转化成数字量送到 PLC里， PLC通过运行程 序驱动电动机停转。升降台回到原位。 3.3 元 器件 选型 3.3.1 PLC的选择 根据 控制的需要 初步设计方案的分析如图 3.2， 在保留一定余留点数的前提下，合理选择 PLC的机型和 I/O点的点说。根据下表可知 IO接线口的输入点 15个和输出点 13个。 接近选用 FX2N系列的初步确定 型号： FX2N-48MR；合计总数 48点 24点输入，DC24V， 24点继电器输出；尺寸（ mm）： 1828790；品牌： MITSUBISH/三菱，产地：日本 。 nts 12 表 3.1 PLC输入点列表 1 X0 机械手启动按钮 2 X1 机械 手光电传感器 3 X2 角位移传感器 4 X3 机械手停止按钮 5 X10 推铲启动按钮 6 X11 推铲光电传感器 7 X12 原位点限位开关 8 X13 A号位限位开关 9 X14 B号位限位开关 10 X15 推铲停止按钮 11 X20 升降启动按钮 12 X21 升降光电传感器 13 X22 升降称重传感器 14 X23 升降光栅位移传感器 15 X24 升降停止按钮 表 3.2 PLC输入点列表 1 Y0 机械手电动机正转 2 Y1 机械手电动机反转 3 Y2 机械手 电动机正转指示灯 4 Y3 机械手电动机反转指示灯 5 Y4 气压机械手驱动 6 Y10 推铲原点指示灯 7 Y11 推铲运行指示灯 8 Y12 推铲电动机正转 9 Y13 推铲电动机反转 10 Y20 升降电动机正转 11 Y21 升降电动机反转 12 Y22 升降电动机正转指示灯 13 Y23 升降电动机反转指示灯 nts 13 其主要的工作特性： 1.集成型和高性能 CPU 电源 输入输出三为一体。对 6种基本单元，可以以最小 8点为单位连接输 入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出 256点。 2.高速运算 基本指令： 0.08s/指令 。 应用指令： 100s/指令 。 3.存储器规格 内置 8000步 RAM存储器 ； 安装存储盒后，最大可以扩展到 16000步 。 4.丰富的软元件范围 辅助继电器： 3072点，定时器： 256点，计数器： 235点 。 数据寄存器： 8000点 。 3.3.2 模数 (A/D)转换电路 由于本设计用的 接口较多， A/D转换器我们采用串行的，以节省 I/O口，我选的是FX2N-4AD。 表 3.3 FX2N-4AD的技术指 标 项 目 输 入 电 压 输 入 电 流 模拟量输出范围 -10+10V（ 输入电阻 200W） -20+20Ma（输入电阻 250W） 表 3.4 FX2N主要性能 项 目 输 入 电 压 输 入 电 流 数字输出 12位，最大值 +2047， 最小值 -2048 分辨率 5Mv 20A 总体精度 1 1 转换速度 15ms(6ms高速 ) 隔离 模数电路之间采用光电隔离 电源规格 主单元提供 5v30mA直流，外部提供 24V55mA直流 占用 IO点数 占用 8个 IO点，可分配为输入或输出 适用 PLC FX1N,FX2N,FX2NC 1.FX2N-4AD的接线如图 3.3所示。 nts 14 图 3.3 系统接 线图 2.注意事项 （ 1） FX2N-4AD通过双绞屏蔽电缆来连接。电缆应原理电源线或其他可能产生电气干扰的电线。 （ 2） 如果输入有电压波动，或在外部中有电气干扰，可以接一个平滑电容器（ 0.1F0.47F25v）。 （ 3） 缓冲存储器（ BFM）分配 FX2N-4AD共有 32个缓冲器，每个 BFM均为 16位， BFM的分配如 表 3.2所示 。 3.3.3 电机的选择 1.机械 手的电机计算 工作台直径： 1000mm 单元货物： 101 m kg 载荷重量： 402 m kg 机械手旋转直径： 1000mm 假设启动时间： 1At s 循环时间： 3Tt s 运行距离： 36 090TDS = 7853609014.31000 mm nts 15 转动速度： 1m in15.714.321 0 0 06078560 ATTT ttDSn 转动惯量： 75.81 0 0 0/2 0 0 0/5.0 2212 mrmDJ kgm2 启动功率： （动态和静态功率的总和） 21 PPP （ 3.1） 动态启动功率为： 04.091200121 trnJP T kW 静态启动功率为： 00 02.095 5010 00220 022 TngmP kW 则 04 02.000 02.004.021 PPP kW 选择的电机： 由于功率很小则选其最小型号： Y90S-6 表 3.5 机械 手部分 电动机的技术数据 电 动 机 型 号 额 定 功 率 kW 满 载 转 速(rmin) 额 定 转 矩 质 量 kg Y90S-6 0.75 910 2.0 23 2.推铲部分的电机计算 自重： 100M kg 满载时的重量： 350Lm kg 速度： sV 8.0max 功率： 1 0 0 0m a xVgmP LX = 5.38.01 0 0 08.010350 kW 由功率确定电动 机型号： Y160M1-8 nts 16 表 3.6 推铲部 分电动的技术数据 电 动 机 型 号 额 定 功 率 KW 满 载 转 速(rmin) 额 定 转 矩 质 量 Kg Y160M1-8 4 720 2.0 119 3.升降台部分电动机的计算 自重： 30M kg 满载时的重量： 80Lm kg 速度： sV 8.0max 功率： 8.08.010008.010801000m a x VgmP LX kW 选择的电动机： Y90L-6 表 3.7 升降台部分电动的技术数据 电动机型号 额定功率 kW 满载转速 (rmin) 额定转矩 质量 kg Y90L-6 1.1 910 2.0 23 3.3.4 传感器的选择 根据设计方案确定选定传感器的种类：光电传感器、角位移传感器、直线位移传感器、称重传感器。 1、光电传感器属于光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，对所有能反射光线的物体均可检测。根据货物的长度和传送带的宽度确定检测的最大距离 1000mm，确定光电传感器的型号：S3Z-LS61(NPN)， 检测距离 0.2-2m受光面照明度白炽灯 3000ix以下太阳光 10000ix以下。 图 3.4 NPN型 表 3.8 单个货物参数 单 元 货 物 410mm 210mm 180mm 单 元 重 量 10Kg 2.角位移传感器 是采用磁感位置编码技术 (中国发明专利 ZL01106543.5)研制而成nts 17 的新一代角位移位置控制器 ,具有无触点、无噪音、无磨损、高灵敏度、高可靠性、抗冲击与振动、寿 命较长的特点。 360可连续转动测量无死区，测量数据既可全数字化输出，（无需二次仪表，完全没有二次仪表带来的二次测量误差，系统整体测量准确度更高 )，又可使用电压方式输出，使用方便简单，数字信号传送距离长 (可达 1km)，可以广泛应用于各种自动化控制或者测量领域。多只传感器可方便的组成庞大的测量或控制网络 (在一根控制或测量主线上最多可连接 255只传感器 )，轻松达到以往传统传感器较难实现的群控、群测目的。 主要技术参数：量程范围： 0-360。确定型号： M151982。 3.根据单元货物的长度及环境确定直线传感器 的型号： PK直线传感器 。 表 3.9 技术参 数 主要特征： 100至 2000mm行程 ； 用 M5螺纹机械联结 ； 独立线性达 0.05%； 重复性 0.01mm； 无限分辨率 ； 额 定 载 荷 3kg150kg 综 合 精 度 0.05(线性 +滞后 +重复性 ) 灵 敏 度 2.0mVV 蠕 变 m in3005.0 SF 零 点 输 出 1 F S 零 点 温 度 影 响 0.05 10 输 出 温 度 影 响 0.05 10 工 作 温 度 -20 +65 输 入 阻 抗 385 10 输 出 阻 抗 350 10 绝 缘 电 阻 5000M 安 全 过 载 150 FS 供 桥 电 压 建议 10VDC 材 质 合金钢 接 线 方 式 电源（ +）红线 电源（ -）绿线 输出（ +）黄线 输出（ -）白线 nts 18 超出理论电气行程无电气信号的变化 ； 位移速率达 ： PKL型 4m/s； PKH型 10m/s； 工作温度 ： -30 +100 ； 电气连接： PKM 4极 DIN43650 ISO4400标准接头 ； PKB5极 DIN43322接头 ； 使用寿命 100106次或 25106米， 二者取小 (有 效的电气行程之 内 )。 4.称重传感器（根据单元货物的重量 10 5 5=250KG） 确定传感器型号 ： TJH-1。 3.4 本章小结 本章通过围绕基本设计要求，设定基本的输入输出点，通过对所需内存的估计，选定了 FX2N-48MR型号的 PLC，并全面细致的表述出了此型号 PLC的具体参数性能指标等。另外还对原器件进行了选择，并对它们进行了特点阐述。 nts 19 第 4 章 系统的硬 件系统设计 4. 1 系统的硬件设计 根据设计的要求我 们 把此设计的硬件总体框图如下 ： 图 4.1 控制系统的 IO 口的外部接线图 如图所示，它主要由三部分组成：机械手外部接线、推铲部分外部接线和升降台部分的外部 接线。 4.1.1 机械手部分 机械手也由两部分组成： 1.气动控制机械手抓取和松开货物。 2.由电机控制机械手的旋转。图 4.2气动控制部分，缩回位置抓取货物伸开则松开货物。 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重 物nts 20 一般在 30公斤以下，在同样抓重 物 条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 气 动技术有以下优点 ： 1.介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大 气，处理方便； 一般不需设置回收管道和容器 :介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题 。 2.阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。 3.动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要 0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。 4.能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因 此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。 5.工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。 6.成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。 图 4.2 气动控 制 如图 4.3 所示， 当啤酒箱经由机械手下方时，光电传感器 检测（同时 第一 计数器nts 21 对货物计数当计数器等于 3 后电机停止转动 ；当它记满后第二个计数器计数当它记满后第三个计数 当再记满后电机正转抓取货物同时第四个再计数。 ）得不到信号，将信息传达给 PLC， PLC 程序 运行 驱动机械手抓取 线圈得电， 电动机正转，同时得到角位移传感器一个 90旋转的信号。当机械手松开，啤酒箱输送走后，光电传感器得到信号，再将信息传给 PLC， PLC 程序驱动 线圈得电， 电机反转，再由角位移传感器控制旋转角度。 图 4.3 机械手部分 的 IO 口接线图 4.1.2 推铲部分 如图 4.4 所示， 当啤酒箱输送到光电传感器检测范围呢计数器计数，当计数器记满 3 个数后给 PLC 个信号 ,PLC 驱动线圈得电，电机正转。当货物碰到限位 开关给 PLC个信号， PLC 驱动线圈得电，电机反转。当回到原点碰到限位开关， PLC 驱动电机停止转动。 当第二个计数器记满 2 个数后给 PLC 个信号 ,PLC 驱动线圈得电，电机正转。当货物碰到第二个限位开关给 PLC 信号， PLC 驱动线圈得电，电机反转。 当回到原点碰到限位开关， PLC 驱动电机停止转动。当第三个计数器记满 2 个数后给 PLC 个信号 ,PLC 驱动线圈得电，电机正转。当货物碰到限位开关给 PLC 信号，PLC 驱动线圈得电，电机反转。当回到原点碰到限位开关， PLC 驱动电机停止转动。 当第四个计数器记满 3 个数后给 PLC 信号 ,PLC 驱动线圈得电，电机正转。当货物碰到第二个限位开关给 PLC 个信号， PLC 驱动线圈得电，电机反转。 nts 22 图 4.4 推铲 部分的 IO 口接线图 4.1.3 升降台部分 当推铲将 5 个啤酒箱推到光电传感器检测区域内，光电传感器失去信号，将信息传递给 PLC， PLC 程序驱动线圈得电，电机正转下降一个单位同时关电传感器得到信号，将信息传递给 PLC， PLC 程序驱动线圈失电，电机停转。当计数器对下降的单位记满 5 个格后 啤酒箱被叉车运走后，称重传感器得到信号，再将信息传送给 PLC， PLC程序驱动线圈得电，电机反转。当直线位移 传感器得到信号后将信号传递给 PLC， PLC程序驱动线圈失电，电机停止转动升降台回到原点。 图 4.4 升降台部分的 IO 口接线图 nts 23 4.2 本章小结 本章对系统的三个部分 （机械手部分、推铲部分以及升降部分）的硬件 进行了 设计，确定了 PLC 输入端的所接元器件的个数和种类以及输出端所驱动元器件的个数和种类。 nts 24 第 5 章 系统的软件设计 5.1 系统的软件设计 整个软件系统主要分三个部分 ， 机械手抓取旋转 90、 推铲输送 和 升降台的升降 ，图 5为控制程序的结构框图。 根据以上的软件系统构架 ,程序开发 主要采用 PLC编程 ，主要机构子程序 ： 主要分为三大块 :机械手旋转 系统、 推铲输送系统 、 升降台升降 系统 ，这样简化了程序结构 ， 加强了程序的可读性 ,对日后的维修和维护提供了极大的便利。 图 5.1 机械手部分的程序流程图 nts 25 5.1.1 机械手部分 图 5.2 机械手部分的梯形图 如图 5.1所示，当 系统启动后 光电传感器检测并计数有信号则继续检测当没有接受到信号时机械手开始抓取货物并旋转 90，旋转过后松开货物，货物经传输带送走光 电传感器接受到信号电机反转 90 。当机械手部分计数器 C0=3时电机停止转动同时光电传感器继续检测（ C0不等于 3则继续检测）。机械手部分的计数器 C1开始计数， C1=2后 C2计数（ C1不等于 2则继续检测）， C2=2后光电传感器检测无信号则机械手抓取电机正转 90 后松开。当有信号后电机反转 90。同时机械手部分计数器 C3开始计数 C3=3后完成一个循环。 nts 26 如图 5.2所示， X0强制 ON， Y0得电。 X1OFF有光电信号 Y0失电 ， X2为 ON,Y1得电 ； X1无信号 ON， Y0得电 ， Y1失电 。 C0对 X1计数（ C3对 C0复位） C0=3时 Y0失电 ，Y1也失电 ； C0给 C1复位 ， 给 X1计数 C1=2后对 C2复位 ， 给 X1计数 C2=2后 X1无信号 ON，Y0得电。 计数 C2=2后 X1OFF有光电信号 Y0失电， X2为 ON,Y1得电； C2给 C3复位后，C3给 X1计数， C3=3后 C0又计数 。 推铲部分程序流程图： 图 5.3 推铲部分程序流程图 nts 27 5.1.2 推铲部分 如图 5.3所示，系统启动后光电传感器检测同时推铲部分的计数器 C0计数当 C0=3时电机正转带动推铲往前运行 ，（ C0不等于 3则继续检测） ，当碰到限位开关 A电机 立即反转推铲返回原位 O处，电机停止转动 ，没有碰到限位开关 A则继续正转运行 。光电传感器检测计数器 C1开始计数 C1=2时电机正转带动推铲往前运行， （ C1不等于 2则继续检测）， 当碰到限位开关 B电机立即反转推铲返回原位 O处，电机停止转动 ，没有碰到限位开关 B则继续运行 。光电传感器检测计数器 C2计数 C2=2时电机正转带动推铲往前运行 （ C2不等于 2则继续检测） ，当碰到限位开关 A电机立即反转推铲返回原位 O处， 电机停止转动，没有碰到限位开关 A则继续正转运行。光电传感器检测计数器 C3开始 计数 C3=3时电机正转带动推铲往前运 行（ C3不等于 3则继续检测），当碰到限位开关 B电机立即反转推铲返回原位 O处，电机停止转动，没有碰到限位开关 B则继续运行。完成一个循环。 nts 28 图 5.4 推铲部分梯形图 如图 5.4所示： 1.当推铲处在原位时，压下原位开关 SQ1， X12接通 Y10，原位指示灯亮。 2.当推铲向 A号位行驶。按下启动按钮 SB3（ X10） ,Y11被 X10触电接通并自锁，运行指示灯并保持整个运行过程。此时 Y11的常开触点接通移位寄存器的数据输入端IN， M100置 “1”（其常闭触点 断开，常开触点闭合）， M100和 X14的触点，接通 Y12线圈，前进接触器得 电吸合，电机正转，推铲向 A号驶去。 nts 29 升降台部分程序流程图： 图 5.5 升降台部分的程序流程图 3.推铲返回原位。当推铲行至 A号位时，限位开关 SQ2动作， X13常闭触点断开 Y12线圈， KM3失电，电动机停转推铲停止。与此同时 X13接通移位寄存器位移输入 CP端，将 M100中的 “1”移到 M101， M101常闭触点断开， M100补 “0”，而 M101常开触点闭合，Y13接通，接触器得电吸合，电动机反转，推铲返回原位 。 4.推铲驶向 B号位又返回原位。当推铲碰到原位限位开关 SQ1， X12断开 Y13线圈nts 30 通路， KM4失电释放，电动机停转。与此同时， X12与 M101接通移位输入通路，将M101中的 “1”移到 M102， M100的 “0”移到 M101， M100仍补 “0”。 M102接通 YKM3线圈，推铲驶向 B号位（因为 M102和 X13仍接通 Y12， M100为 “0”），直至推铲碰到 B号位限位开关 SQ3， X14断开 Y12，推铲停止前进。与此同时， X14与 M102接通移位输入通路，将 M102中的 “1”移到 M103， M103为 “1”，其余位全 为 “0”。 M103接通 Y13线圈，推铲返回。 5.如果发生意外情况，不论推铲运行在什么位置，只要按下停车按钮 SB4，电动机立即停转，推铲停止运行。 5.1.3 升降台部分 如图 5.5所示， 系统启动后光电传感器检测有无信号输出升降台部分的计数器 C0计数，无信号电机正转升降台落一个单位（有信号则继续检测） ，有信号后电机停止转动，往复上一个动作当计数器 C0=5时电机停止正转 （ C0不等于 5则继续计数） 。当称重传感器有输出信号后电机反转当位移传感器得到信号后电机停止转动。完成一个循环。 图 5.6 升降台部分梯形图 如图 5.6所示， X20强制 ON， Y20得电， X21有信号 OFF， Y20失电， C20对 X21计数， C20=5后 Y20失电， X22有信号 ON后 Y21得电， X23有信号后 Y21也失电。 5.2 本章小结 本章 根据控制要求，实现了堆垛机的软件 设计，软件 主要 包括机械手部分、推铲部分、升降台部分的流程图和梯形图。 在软件中采用了四个计数值分别为三、二、二、三的计数器，分别实现相邻两层方向不同啤酒箱的计数 。 nts 31 第 6章 程序的仿真调试 6.1 使用模拟软件包进行程序测试 PLC的用户程序设计好后，要用实际的 PLC硬件来调 试 。 但以下情况则需要对程序进行仿真调试：程序设计好后， PLC硬件尚未购回；控制设备不在本地，设计者需对程序进行修改和调试；在实际系统中进行某些调试有一定风险。 用 PLC调试和 仿真软件三菱 GX Developer对梯形图进行调试。三菱 DX Developer语言编写的程序仿真，见图 6 1。 图 6.1 模拟 PLC 硬件用户界面 nts 32 6.1.1 机械手部分梯形图的调试 图 6.2 机械手梯形图的调试结果 图 6.2所示， 当货物运行到机械手下方，机械手传感器起作用，此时 X1的触点断开，Y0线圈得电，其信号由低电平 变为高电平，对应该输出端 PLC所接的接触器 KM1线圈得电 其位于主电路中的常开主触点闭合，从而使 机械手电动机正转，机械手旋转。 经过三菱 PLC调试仿真软件调试，机械手部分的梯形图合格。 6.1.2 推铲部分梯形图的调试 图 6.3 推铲部分 梯形图的调试结果 如图 6.3所示 ， 某一层的五箱货物堆满后，位于 B号位的行程开关起作用，此时 M102的触点闭合， Y12线圈得电，其信号由低电平变为高电平，对应该输出端 PLC所接的接触器 KM3的线圈得电，其位于主电路中的常开主触点闭合，从而使推铲电动机反转直nts 33 至反回原位。 经过 三菱 PLC调试仿真软件调试，推铲部分的梯形图合格。 6.1.3 升降台部分梯形图的调试 图 6.4 升降台梯形图的调试结果 图 6.4所示，当 X20强制 ON触点闭合 后高电 平 ， Y20线圈得电 ， 电动机正转 Y20由低电 平 变高电频，电机自锁； X21低电 平 ， 其信号由高电平变为低电平，对应该输出端 PLC所接的接触器 KM5的线圈得电，其位于主电路中的常开主触点闭合，从而使升降台电动机正转； 同时 C20对 X21计数，等 C20=5时， Y20线圈