带高度分拣的工件提升系统.doc

苏州经贸职业技术学院毕业设计摘 要本设计是用PLC来根据高度的变化自动控制工件的传送方式,主要是根据工艺要求：两个传感器、一个气动装置以及模拟量高度监测器。在设计中介绍了两种控制方式：手动控制和PLC控制,手动控制是通过按扭实现的,PLC控制程序是根据在生产过程中根据高度的变化来运行的,两种控制方式是通过按扭进行切换。本设计主要讨论PLC控制,手动控制只是简单的介绍。在设计中介绍了控制系统的总体设计方案、硬件的选择以及PLC控制系统的软件设计。关键词 PLC 带高度传输 控制系统目 录第一章 绪论 4第二章 PLC的发展 52. 1PLC的定义52.2PLC基本结构52.3 PLC的工作原理7第三章带高度控制系统设计与分析83.1 系统总体概述 83.2 系统控制要求 93. 3 系统总体方案设计 9第四章系统的硬件设计124. 1 PLC的选型 124. 2 电动机的选型 124. 3 气动缸134.4 按钮 134.5 电源 134.6托物平台 144.7传动滚轮 144.8接受平台 154.9按钮盒盖板 164.10传感器固定板 164.11升降气缸支座 164.12 B气缸支撑架 174.13 C气缸支撑架 174.14电动机支架板 18第五章带高度控制系统软件设计与分析195.1 高度传输自动控制气动原理图 195.2 PLC控制端口接线图 195.3输入/输出地址编号 205.4PLC控制编程 21总结24谢辞25参考文献26第一章 绪论在可编程序控制器（PLC）问世之前，继电器、接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。继电器、接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。另外，大型控制系统用继电器、接触器控制，使用的继电器数量多，控制系统的体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作效率低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差。单片机PLC采用了继电器简单易懂、使用方便、价格低的优点，与计算机的功能完善，通用性、灵活性的优点结合起来，将继电器控制的硬件逻辑变为计算机的软件逻辑编程，采用程序修改方式改变控制功能在现在工业中PLC控制系统正逐渐取代继电器控制系统。随着经济建设的不断发展,机械自动化应用不断增多,可编程控制器在国民经济和生活中有着广泛的应用。带高度控制系统的传动工件的作用在工厂中起到了很大的应用。目前系统的控制普遍采用了两种方式,一是通过按钮进行手动控制。第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代手动控制。从控制方式和性能上来说,第二种方法比较好因为它实现了自动化的控制要求。而PLC可靠性高,程序设计方便灵活,抗干扰能力强、运行稳定等特点,所以现在的自动化控制系统广泛采用可编程控制器来实现。第二章 PLC的发展2. 1PLC的定义PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的电子装置.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,计时,计数和算术运算等操作指令,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。2.2 PLC基本结构PLC的基本结构如图3-1所示。CPU模块I/O模块编程器电源接口图3-1PLC的基本结构：1、中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。PLC常用的存储器类型：（1）RAM（Random Assess Memory）这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。PLC存储空间的分配：虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区；（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）；（3）用户程序存储区系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。（1）I/O映象区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。（2）系统软设备存储区 ：除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。1.逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。 另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。2.数据寄存器与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字(16 bits)。 另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。3.计时器4.计数器用户程序存储区：用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。电源：PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可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。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。2.3 PLC的工作原理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。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。第三章带高度控制系统软件设计与分析31 系统总体概述该系统运用了PLC系统的数字运算操作的电子系统,具有安全,可靠,性能稳定,抗干扰小等特点。结合气动系统的油管连接可以方便布置传动机构。装置的重量轻,结构紧凑,惯性小。传递运动均匀平稳,负载变化时速度交稳定。并可在大范围实现无级调速。此外该系统中又结合了传感器,传感器一类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。传感器能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。该设计当电源接通时,按下启动按钮PLC接通并通过自检,此后PLC系统按照预设的程序开始运行并通过传感器带动气动回路运作,但PLC始终对此系统有着控制的作用。气动回路托物平台进行对工件的传输, 如果一个工件到达了提升平台（气缸A）,用传感器检测出工件的高低,如果工件高,通过气缸B传送,如果工件低,通过气缸C传送。其原理可用下图3.1.1表示。图3.1.13. 2 系统控制要求本设计的系统控制要求有手动控制和PLC控制两种。手动控制是通过按钮进行一步一步的控制,PLC控制是将以编写好的程序写入PLC中通过PLC实行自动控制。无论是手动控制还是PLC控制都要求:工件先被托物平台托起,工件通过传感器被检测到,决定按B气动回路传送还是按C气动回路传送。该设计的控制要求可以用下图表示图3.2.1。电动机行程开关A气路传输控制器传感器检测B气路传输C气路传输工件上升图4.2.133 系统总体方案设计331 手动控制方案的确定1、现场手动控制直接经过电控部分来分别控制各个元件,其所需开关有：手动控制/PLC控制的转换开关电动机的启动/停止开关急停按钮B气缸磁性开关按钮C气缸磁性开关按钮两个升降气缸磁性开关2、输出开关量开关有：电动机转动的信号灯启动指示灯根据该设计的要求及上文所述可知带高度分拣的工件提升系统的自动控制流程图如下图3.3.1。图3.3.1332 系统中PLC控制方案的确定 根据现场具备的条件及系统的控制要求,得到带高度控制系统的控制I/O点配置及参数显示,主要包括：1输入开关量：PLC控制检测控制选择开关电动机控制按钮B气缸磁性开关 C气缸磁性开关传感器输入量两个升降气缸磁性开关2输出开关量：上下运动的电机起停电动机的正反转按钮手动模式信号灯PLC控制模式信号灯气缸电磁阀升降气缸电磁阀根据该设计的要求及上文所述可知带高度分拣的工件提升系统的自动控制流程图如下图3.3.2。图3.3.2第四章系统的硬件设计41 PLC的选型PLC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备。目前,世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品,但中国主要用的PLC主要有欧州的德国西门子,法国的TE等,美国的ABB,日本的三菱和立石等。在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步就是PLC工程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。对输入/输出点数的选择:要先弄清楚控制系统的输入/输总点数,再按实际所需总点数的15%-20%留出备用量后确定所需PLC点数。根据系统的要求与系统的分析我们选择输入/输出点数为48的PLC。对存储容量的选择:应先做粗略的估算,留有余量。通常情况下应按估算容量的50%-100%留下存储空间。对输出/输入响应时间的选择: PLC的输入/输出响应时间包括输入电路延迟,输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟。对PLC结构形式的选择:在相同功能和相同输入/输出点数据的情况下,整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活,维修方便,容易判断故障等优点,要按实际需要选择PLC的结构形式。综合以上的分析该设计选择三菱FX2N系列输入/输出点数为48的PLC即为FX2N-48MR。42 电动机的选型电动机的选型确实是个相当复杂的问题。根据工作特点选用不同的电动机,如：直流电机、交流电机、单相电机、三相电机、高压电机、防爆电机、立式电机、卧式电机、等等电动机（Motors）是把电能转换成机械能的设备,它是利用通电线圈在磁场中受力转动的现象制成,分布于各个用户处,电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机,电力系统中的电动机大部分是交流电机,可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用,使电动机转动。各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机 ）。它使用方便 、运行可靠 、价格低廉 、结构牢固,但功率因数较低,调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高,而且其转速与负载大小无关,只决定于电网频率,工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机。该设计电动机的选择是直流电动机。又工件的质量较小我们选择24V直流电动机。该电动机的额定功率为60瓦的天晴电子制造的电动机。其电动机子的其它性能如下图图4.2.1。图4.2.1其中电动机的通用技术如下表4.2.2：表4.2.2项目规格绝缘电阻在常温、常湿下电机额定运转后，以DC500V兆欧表测量绕组与外壳的绝缘电阻应为100兆欧以上。绝缘耐压在常温、常湿下电机额定运转后，在绕组与外壳间施加50Hz或60Hz、1.5KV电压一分钟，无异常。温 升在装上减速箱或同等散热板进行额定运转时，以电阻测定其绕组温度上升值为75k以下。绝缘等级 E级（120）过热保护措施可内藏过热保护装置（自动复位型） 动作温度：1205 复位温度：8215 （此功能需定制）使用环境温度 -10+40（无冻结）使用环境湿度 85%以下（无结露）43 气动缸气动缸根据系统的要求选择,系统要求容易控制,机动性好,方便以及成本不高节俭等要求。气动缸可分为单作用气动缸,双作用气动缸,组合气动缸和摇摆气动缸等。单作用气压缸柱塞仅单向运动,返程行程是利用自重或负载将活塞推回。双作用气动缸有两个气动接口符合设计中的气路自动恢复等要求。选择双作用气动缸。双作用气动缸又可分为,单活塞杆气动缸,双活塞气动缸和伸缩气动缸。本设计中要求简单,节省等特点。根据实验即理论我们可以得到在该设计中无论是单活塞气动缸还是双活塞气动缸都可以。所以我们选择双作用气动缸,单端活塞杆,活塞上安装有磁环,其用于驱动行程开关动作。其中B,C回路中的气动缸为双作用气动缸弹簧复位,弹簧复位的主要功能是气动回路在执行一次动作后,由于弹簧的弹力使气动回路恢复到执行之前的状态。4.4 按钮按钮通常用作短时接通或断开小电流控制电路的开关。按钮是由按钮冒,复位弹簧,桥式触头和外壳等组成,通常制成具有常开触头和常闭触头的复合结构。在本次设计中我们主要运用的按钮有:开始按钮,急停按钮,复位按钮,上电按钮,停止按钮,手动按钮,自动按钮,B气缸磁性开关按钮,C气缸磁性开关按钮。4.5电源电源的选择要考虑许多。是该设计中的一个很重要的环节,电源有许多种按电流的性质可分为直流电源和交流电源。其中每种性质的电源又有高压,低压之分。考虑到经济等,结合前面电动机的选型,我们选择220V交流电源作为PLC的电源。24V直流电源作为该设计中直流电动机的电源。24V电源可以在本设计中与电动机的型号配套, 24V直流电源可以提高该设计的安全性,低于36V的电对于人来说是没有多大伤害的,相对是安全。所以在本次设计中电源的选择220VAC/24VD4.6托物平台该设计中托物平台是铝制品，有一定的尺寸其尺寸的大小在下图图4.6.1中有标出来。图4.6.14.7传动滚轮传动滚轮在该设计中主要起到了传送工件的作用，传动滚轮也是个铝合金制品。其大小规格如下图图4.7.1所示。图4.7.14.8接受平台当工件通过传感器选定通过B气动回路还是通过C气动回路传送分拣工件时,必需有一个工件接受平台来接收工件。所以该设计我们需要两个接受平台来完善该设计。接受平台的大小及尺寸如下图图4.8.1所示。图4.8.14.9按钮盒盖板按钮在该设计中必不可少，该设计需要按钮盒盖板来固定按钮。其按钮盒盖板结构如下图图4.9.1所示。图4.9.14.10传感器固定板传感器固定板的尺寸结构如下图图4.10.1所示。图4.10.14.11升降气缸支座升降气缸的支座的尺寸及结构如下图图4.11.1所示。图4.11.14.12 B气缸支撑架B气缸支撑架的尺寸及结构如下图图4.12.1所示。图4.12.14.13 C气缸支撑架C气缸支撑架的尺寸及结构如下图图4.13.1所示。图4.13.14.14电动机支架板电动机支架板的尺寸及结构如下图图4.14.1所示。图4.14.1第五章带高度控制系统软件设计与分析5.1高度传输自动控制气动原理图该设计的最终目的是通过PLC控制电动机带动机械手夹(托)工件上升，通过传感器检测工件的大小，按大小规格启动气缸磁性开关B或C，最终利用气动回路进行传输。所以在本设计中气动回路也是很重要的一部份，气动回路的好坏决定了该系统传动的速度大小，速度均匀，系统地稳定性等特点。根据以上分析我们选择图5.1的气动回路，如下所示。图5.15.2 PLC控制端口接线图PLC控制端口的接线是该设计中最重要的一部分，PLC是该设计中的控制器相当于大脑对于人这么重要，所以要求不能有一点的粗忽。一个接口的错误就会使整个设计无法正常的工作。该设计中PLC控制端口接线图如下图5.2。图5.25.3输入输出地址编号输入/输出地址编号如下图