基于YL235A的机械手分拣生产线设计

1 基于 YL-235A 设备的工件分拣生产线设计本文的设计任务就是设计一条能够自动对于金属与非金属、黑色以及非黑色工件进行识别，并且将这些工件进行分拣堆放的自动生产线。执行系统与电控系统组成了生产线。PLC 自从问世以来就在自动控制各个行业发挥着难以取代的核心控制作用。PLC 运行可靠，适用于各种恶劣的工业环境，PLC 和工控机（IPC）相比，其运行可靠、可扩展性好、便于电气连接、控制更专业，但是工控机良好的人机界面，方便高级语言都是 PLC 所不能比拟的。组态软件在很多场合应用于控制，可整个控制的中心往往还是 PLC，组态软件（上位机）所起的控制作用很小。人机界面一般用于简单的动作控制，工艺参数的编制，配方的设定等等，虽然在概念上属于控制范畴，但它并未真正起到核心控制作用，因为真正长期的自动运行控制是由 PLC 完成。我们不经常使用工控机作为核心控制部分的原因有两点：第一，工控机不适于在很恶略的环境下运行；第二，工控机经常采用的 Windows 系统并不能够让人放心，其长期运行效果并不好。尽管 PLC、IPC 在自动化控制中扮演不同角色，在许多运行连续时间较短，环境相对比较好的地方，人们还是希望使用 IPC 进行核心控制。使用 IPC 进行核心控制有很多种实现方式，当然其中最为简单的办法就是使用组态软件。在工厂和企业里面 PLC 一直是实现自动化的有效方式，而且目前国内真正懂得 PLC 的人才太少，希望针对本次实训对我们自动化的人大有裨益！2 1 工件分拣生产线的工作流程及工作原理本次毕业设计项目亚龙 YL-235A 工件分拣生产线设计主要包含了电气自动化专业学习中所涉及的诸如电机驱动、机械传动、气动、触摸屏控制、可编程控制器、传感器，变频调速等多项技术，为我们提供了一个典型的综合设计环境，使学生对过去学过的诸多单科的专业和基础知识，在这里能得到全面的认识与巩固、综合的训练和实际运用。亚龙 YL-235A 型光机电一体化实训考核装置既包含了机电一体化专业所涉及的基础知识、专业知识和基本的机电技能要求，也体现了当前先进技术在生产实际中的应用。同时为我们提供了一个典型的、可进行综合训练的工程环境，为我们构建了一个可充分发挥学生潜能和创造力的实践平台3 1.1 工作流程图 1 工作流程图1.2 工作原理在触摸屏上按启动按扭后，装置进行复位过程，当装置复位到位后，由 PLC 启动送料电机驱动放料盘旋转，物料由送料盘滑到物料检测位置，物料检测光电传感器检测；如果送料电机运行若干秒钟后，物料检测光电传感器仍未检测到物料，则说明送料机构已经无物料或故障，这时要停机并报警；当物料检测光电传感器检测到有物料，将给 PLC 发出信号,由 PLC 驱动机械手臂伸出手爪下降抓物，然后手爪提升臂缩回，手臂向右旋转到右限位，手臂伸出，手爪下降，将物料放到传送带上，落料口的物料检测传感器检测到物料后启动传送带输送物料，同时机械手按原来位4 置返回，进行下一个流程；传感器则根据物料的材料特性、颜色等特性进行辨别，分别由 PLC 控制相应电磁阀使气缸动作，对物料进行分拣。1.3 YL235A 器材简介YL235A 的准备器材由:实训控制台一台（电源模块、按钮模块、PLC 模块、变频器模块、警示灯） ，电工常用工具一套，计算机一台，连接导线若干，机械手模拟显示模块一块，传送带和物料槽、变频器、电机构成。电源模块：三相电源总开关（带漏电和短路保护） 、熔断器。单相电源插座用于模块电源连接和给外部设备提供电源，模块之间电源连接采用安全导线方式连接。图 2 电源模块按钮模块：提供了多种不同功能的按钮和指示灯（DC24V） ，急停按钮、转换开关、蜂鸣器。所有接口采用安全插连接。内置开关电源（24V/6A 一组，12V/2A 一组， ）为外部设备工作提供电源。图 3 按钮模块PLC 模块：采用西门子 S7-200CN 系列数字量输出模块 EM222 输出，所有接口采用安全插连接。图 4 PLC 模块5 变频器模块：三菱 E540-0.75KW 控制传送带电机转动，所有接口采用安全插连接。图 5 变频器警示灯：共有绿色和红色两种颜色。引出线五根，其中并在一起的两根粗线是电源线（红线接“+24” ，黑红双色线接“GND” ） ，其余三根是信号控制线（棕色线为控制信号公共端，如果将控制信号线中的红色线和棕色线接通，则红灯闪烁，将控制信号线中的绿色线和棕色线接通，则绿灯闪烁） 。图 6 警示灯6 2 课题控制要求及意外情况处理工件分拣设备能自动完成金属工件、黑色塑料工件与白色塑料工件的传送、分拣与包装任务。图 设备控制流程图2.1 课题控制要求图 5 工件分拣概况图清理模式清查模式运行模式H L 2蜂鸣器S B 1S B 2按下按下按下按下按下按下按下按下同时按下7 2.1.1 初始状态通电后，红色警示灯闪亮，提示工件分拣设备送电。此时，设备的相关部件应为初始状态。相关部件的初始状态为：供料盘的拨杆停止转动。机械手停止在左限止位置，气爪松开，手臂气缸和悬臂气缸活塞杆缩回。传送带停止运行，分拣气缸 A、B、C 的活塞杆全部缩回复位。急停按钮处于复位位置（常开触点断开、常闭触点闭合） 。2.1.2 启动在设备相关部件为初始状态的情况下，才能按下启动按钮 SB5 使设备进入运行，红色警示灯灭，绿色警示灯闪亮。如图所示图 运行启动2.1.3 送料 按下启动按钮 SB5 后，若物料盘上的出口传感器检测无物料，则送料电动机开启，驱动物料盘旋转送料，当出料口传感器检测到物料后停止送料；如果送料电动机运行 20 秒后，出料口传感器仍没检测到物料，则停止送料，红色警示灯闪亮，报警器报警，直到按下复位按钮才停止报警，并重新开始。8 图 31 物料传送机构1磁性开关 D-C73 2传送机构 3落料口传感器 4落料口 5料槽6电感式传感器 7光纤传感器 8过滤调压阀 9节流阀 10三相异步电机 11光纤放大器 12推料气缸落料口传感器：检测是否有物料到传送带上，并给 PLC 一个输入信号。落料孔：物料落料位置定位。料槽：放置物料。电感式传感器：检测金属材料，检测距离为 35mm。光纤传感器：用于检测不同颜色的物料，可通过调节光纤放大器来区分不同颜色的灵敏度。三相异步电机：驱动传送带转动，由变频器控制。推料气缸：将物料推入料槽，由电控气阀控制。2.1.4 机械手搬送工件图 30 机械手搬运机构9 1旋转气缸 2非标螺丝 3气动手爪 4手爪磁性开关 Y59BLS 5提升气缸6磁性开关 D-C73 7节流阀 8伸缩气缸 9磁性开关 D-Z73 10左右限位传感器 11缓冲阀 12安装支架手爪提升气缸：提升气缸采用双向电控气阀控制。磁性传感器：用于气缸的位置检测。检测气缸伸出和缩回是否到位，为此在前点和后点上各一个，当检测到气缸准确到位后将给 PLC 发出一个信号；（在应用过程中棕色接 PLC 主机输入端，蓝色接输入的公共端）手爪: 抓取和松开物料由双电控气阀控制，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，在控制过程中不允许两个线圈同时得电。旋转气缸：机械手臂的正反转，由双电控气阀控制。接近传感器：机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。 （在应用过程中 棕色线接直流 24V 电源“+”、蓝色线接直流 24V 电源“-”、黑色线接 PLC 主机的输入端）双杆气缸：机械手臂伸出、缩回，由电控气阀控制。气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。当出料口传感器检测到物料且机械手和各气缸活塞杆的位置正确时，按下启动按钮，机械手开始搬物加工。机械手悬臂伸出下降夹紧物料，夹紧 1 秒后上升缩回右转伸出下降放物，延时 1 秒后上升缩回左转至左侧极限位置停止，等待传送带上的工件分拣完成后再进行下一次搬物。控制部分驱动部分传送机构行程检测装置手部 传感装置被装配物件10 图 4 机械手控制流程图2.1.5 工件的分拣通过皮带输送机位置的进料口到达传送带上的工件，按下面的方式分拣：进料口放入工件后，传送带启动。放入传送带上金属、白色塑料或黑色塑料中每种工件的第一个，由位置的气缸 A 推入出料斜槽 D；每种工件第二个由位置的气缸 B 推入出料斜槽 E；每种工件第二个以后的则由位置的气缸 C 推入出料斜槽 F。每次将工件推入斜槽，气缸活塞杆缩回后，机械手再进行搬运下一个工件。推料时，传送带要先停止。当出料斜槽 D 和 E 中各有 1 个金属、白色塑料和黑色塑料工件时，设备停止运行，绿色警示灯灭，红色警示灯闪亮，报警器报警 2 秒，等待下一轮的工作。 2.1.6 设备的停止需要停止工作，按下停止按钮 SB6。按下停止按钮 SB6 时，所有正在工作的部件，应完成当前工件分拣成功后，设备才能停止运行，绿色警示灯灭，红色警示灯闪亮。再次启动时，设备继续运行。2.2 工件分拣设备的意外情况处理机械手在夹持工件时可能会出现意外，请对这种情况作出下述处理与保护：由于位置的机械手取件平台的工件相互挤压，使机械手气爪夹持不到工件就提升。发生此种情况时，机械手应立刻回到初始状态并停止，同时蜂鸣器发出鸣叫声。当出现这种情况，蜂鸣器发出鸣叫后，工作人员应按下急停按钮 QS 使设备停止运行。QS 按下后，蜂鸣器停止发声。当故障排除后，作人员将 QS 复位，设备将在停止时保持的状态上继续运行。调试问题与解决：1、PLC I/O 设置错误。解决：重新设置修改 I/O。2、PLC 上电不运行。解决：没有将 PLC 开关档位调到 RUN 位置，调到 RUN 位置运行。触摸屏点击按钮没有反应。3、触摸屏点击按钮没有反应。解决：设置变量错误，重新修改变量。4、触摸屏程序无法下载。解决：设置通讯接口错误，重新修改后正常可下载。5、通电后元器件不动作。解决：气源没有打开，打开后正常。11 3.工件分拣生产线硬件设计3.1 机械部分硬件设计工业机械手是工业生产发展中的必然产物。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。这种新颖技术装备的出现和应用，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用，因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构型式亦各不相同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地、重复循环地进行工作。此外，还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上与工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。例如，早期就有一种由人直接用绳索牵引进行操作的随动机械手和近期发展起来的由人工进行操纵的机械手（如平衡吊） ，以及一些就近按钮控制或遥控的非全自动的单循环的机械手等。机械手的总体设计要进行全面综合考虑，尽可能使之做到结构简单、紧凑、容易操作、安全可靠、安装维修方便、经济性好。机械手在工业生产中的应用，几乎遍及各行各业。图 9 工件分拣概况图3.1.1 工件分拣传送装置的设计工件分拣传送装置的配置及功能：（1）落料口传感器的功能有检测是否有物料到传送带上，并给 PLC 一个输入信号。 （2）落料孔的功能有物料落料位置定位。12 （3）料槽的功能是放置物料。 （4）电感式传感器是检测金属材料，检测距离为35mm。 （5）光纤传感器是用于检测不同颜色的物料，可通过调节光纤放大器来区分不同颜色的灵敏度。 （6）三相异步电机是驱动传送带转动，由变频器控制。 （7）推料气缸是将物料推入料槽，由电控气阀控制。调试模式传送带启动传送带正转停止传送带停开始图 18 传送带3.1.2 机械手装置的设计整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪松紧。 （1）手爪提升气缸是提升气缸采用双向电控气阀控制。 （2）磁性传感器是用于气缸的位置检测。检测气缸伸出和缩回是否到位，为此在前点和后点上各一个，当检测到气缸准确到位后将给 PLC 发出一个信号；（在应用过程中棕色接 PLC 主机输入端，蓝色接输入的公共端） （3）手爪是抓取和松开物料由双电控气阀控制，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，在控制过程中不允许两个线圈同时得电。（4）旋转气缸是机械手臂的正反转，由双电控气阀控制。 （5）接近传感器是机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。 （在应用过程中 棕色线接直流 24V13 电源“+”、蓝色线接直流 24V 电源“-”、黑色线接 PLC 主机的输入端）（6）伸缩气缸是机械手臂伸出、缩回，由电控气阀控制。气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。 （7）缓冲器是 旋转气缸高速正转和反转时，起缓冲减速作用。3.1.3 气动装置设计本装置气动主要分为两部分：一、气动执行元件部分有单出杆气缸、单出双杆气缸、旋转气缸、气动手爪。二、气动控制元件部分有单控电磁换向阀、双控电磁换向阀、节流阀、磁性限位传感器。当压缩空气从 A 管嘴进入气动执行器时，气体推动双活塞向两端 (缸盖端)直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮逆时针方向转动 90 度，阀门即被打开。此时气动执行阀两端的气体随 B 管嘴排出。反之，当压缩空气从 B 官嘴进入气动执行器的两端时，气体推动双塞向中间直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮顺时针方向转动 90 度，阀门即被关闭。此时气动执行器中间的气体随 A 管嘴排出。以上为标准型的传动原理。根据用户需求，气动执行器可装置成与标准型相反的传动原理，即选准轴顺时针方向转动为开启阀门，逆时针方向转动为关闭阀门。单作用(弹簧复位型 )气动执行器 A 管嘴为进气口，B 管嘴为排气孔(B 管嘴应安装消声器)。A 管嘴进气为开启阀门，断气时靠弹簧力关闭阀门图 6 气路原理图按下按钮 SB4，选择指示灯组为 “2”状态，指示灯 HL6 常亮、HL4 与 HL5 熄灭，即为气缸、的调试。然后按下按钮 SB5，气缸活塞杆伸出、按下按14 钮 SB6，气缸活塞杆缩回。再按下按钮 SB5，气缸 活塞杆伸出，按下按钮SB6，气缸活塞杆缩回。再按下按钮 SB5，气缸 活塞杆伸出，按下按钮 SB6，气缸活塞杆缩回。3.2 电气部分硬件设计图 7 电气硬件结构图3.2.1 电路设置的设计PLC 大多采用成批输入 /输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行。一个完整的周期可分为三个阶段： 输入刷新阶段 程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器程序处理阶段 所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。 输出刷新阶段 将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。一般地，PLC 的一个扫描周期约 10ms，另外，可编程序控制器的输入/输出还有响应滞后（输入滤波约 10ms） ，继电器机械滞后约 10ms，所以，一个信号从输入到实际输出，大约有 20-30ms 的滞后。表 1 电路的设置输 入 地 址 输 出 地 址序号 地址 备注 序号 地址 备注1 I0.0 启动 1 Q0.0 驱动转盘电机人机界面P L C变频器 伺服系统编码器15 2 I0.1 停止 2 Q0.1 驱动手爪放松3 I0.2 气动手爪传感器 3 Q0.2 驱动手爪夹紧4 I0.3 旋转左限位传感器 4 Q0.3 驱动手臂左转5 I0.4 旋转右限位传感器 5 Q0.4 驱动手臂右转6 I0.5 气动手臂伸出传感器 6 Q0.5 驱动手臂伸出7 I0.6 气动手臂缩回传感器 7 Q0.6 驱动手臂缩回8 I0.7 手爪提升限位传感器 8 Q0.7 驱动手抓上升9 I1.0 手爪下降限位传感器 9 Q1.0 驱动手抓下降10 I1.1 物料检测传感器 10 Q1.1 驱动推料一伸出11 I1.2 推料一伸出限位传感器 11 Q1.2 驱动推料二伸出12 I1.3 推料一缩回限位传感器 12 Q1.3 驱动推料三伸出13 I1.4 推料二伸出限位传感器 13 Q1.4 驱动蜂鸣报警14 I1.5 推料二缩回限位传感器 14 Q1.5 驱动变频器五端子15 I1.6 推料三伸出限位传感器 15 Q1.6 驱动变频器六端子16 I1.7 推料三缩回限位传感器 16 Q1.7 驱动变频器七端子17 I2.0 启动推料一传感器 17 Q2.0 驱动绿色指示灯18 I2.1 启动推料二传感器 18 Q2.1 驱动红色指示灯19 I2.2 启动推料三传感器 20 I2.3 传送带入料检测光电传感器3.2.2.变频器的设计通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器” 。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC） 。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC） 。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的 n0，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。 变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术，价格昂贵但性16 能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。随着技术的发展，成本的降低，变频器一定还会得到更广泛的应用。变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流） 、滤波、逆变（直流变交流） 、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部 IGBT 的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。图 三菱变频器、三菱变频器参数设置的方法：1、连续按压 键，直至进入参数写入状态，此时 LED 显示为：Pr.0。2、按压 键，把参数调至 Pr.340，开始调整 Pr.340 参数。3、按压 ，LED 显示 Pr.340 的初始值，按压 键把 Pr.340 的值调整到 2。4、持续按压 键，直至 Pr.340 呈闪亮状态，松开按键。5、连续按压 键，直至返回参数设定状态，LED 显示为：Pr.0。6、以相同的方法把 Pr.79 调整为 1。7、连续按压 键，直至返回频率显示状态，LED 显示为：0。8、参数设置完成。表 2 变频器参数设定值序号 参数号 设置值 说明1 P0010 302 P0970 1 恢复出厂值3 P0003 3 参数访问级别4 P0004 0 参数过滤器17 5 P0010 1 快速调试6 P0100 07 P0304 380 电动机的额定电压8 P0305 0.18 电动机的额定电流9 P0307 0.03 电动机的额定功率10 P0310 50 电动机的额定频率11 P0311 1395 电动机的额定速度12 P0700 2 选择命令源13 P1000 1 选择频率设定值14 P1080 0 电动机最小频率15 P1082 50.00 电动机最大频率16 P1120 2 斜坡上升时间17 P1121 2 斜坡下降时间18 P3900 1 结束快速调试P0003 3P1040 10HZP0003 2 参数访问级别P0004 7 参数过滤器P0700 1 选择命令源P0701 17 固定频率设定值P0702 17 固定频率设定值P0703 17 固定频率设定值P0004 10 参数过滤器P1000 3 固定频率P1001 X 频率1P1002 X 频率2P1004 X 频率33.2.3 PLC 控制的设计PLC 实质是一种专用于工业控制的具有计算机特点的控制器。按照物理结构，PLC 分为整体式和模块化。整体式每一 I/O 点的平均价格比模块式的便宜，所以人们一般倾向于在小型控制系统中采用整体式 PLC。但是模块化 PLC 的功能扩展方便灵活，I/点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O 模块的种类和块数、特殊I/O 模块的使用等方面的选择余地都比整体式 PLC 大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便。因此，对于较复杂的和要求较高的系统一般应选用模块化PLC。18 图 7 电器连接图在本设计中，由于输入/输出点数较多，为了便于以后的扩充，所以选择了模块化 PLC 结构。在模块化 PLC 结构中，PLC 由电源（PS） 、中央处理器（CPU） 、信号模板（SM） 、功能模板（FM） 、通信处理器（CP）等五种模块组成。PLC 机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比，并且性能与任务相适应。对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型 PLC（如西门子公司的 S7-300 系列、OMRON 公司的 CPM1/CPM2 系列、三菱的 FX 系列等）都可以满足要求。PLC 是一种以微型处理器为基础的通用工业自动控制装置，它综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术，具有体积小、功能强、程序设计简单、维修方便、可靠性高等优点，特别适于在恶劣的工业环境中使用，被称为现代工业自动化的支柱之一。自诊断检测 P L C 与编程器 、 计算机等的通信请求执行程序输入采样输出刷新结果图 8 PLC 工作流程19 3.2.4 触摸屏的设计触摸屏（Touch panel) 又成为触控面板，是个可接入触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连接装置，可用以替代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。图 10 触摸屏外观触摸屏的工作特点：可靠性高，正面的防护等级为 IP65。通用性强，大多数 HMI 设备基于 Windows CE 操作系统。接口丰富，可以连接各主要生产厂家的 PLC。是全集成自动化的一个重要组成部分，对不同的自动化系统具有开放性。创新的 HMI 解决方案，例如移动面板和 MP370 的软 PLC 功能。使用统一的组态软件 WinCC fiexible 对所有的操作员设备组态，支持多种语言，全球通用。触摸屏是一种最直观的操作设备，只要用手指触摸屏幕上图形对象，计算机便会执行相应的操作。人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然，达到完美的统一。20 为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给 CPU，它同时能接收 CPU 发来的命令并加以执行。处理器单元 显示单元输入单元存贮单元通讯接口界面组态软件（ 运行于 P C 机 ）设备驱动处理器系统内核软件（ 运行于 H M I 硬件 ）人机界面硬件构成人机界面软件构成图 10 人机界面工作原理图21 4 工件分拣生产线软件设计启动 物料装配 机械手 B 袋装口 C 返回口运行模式开始图 16 PLC 运行模式图4.1PLC 工作流程设计在 PLC 控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入 PLC。PLC 经过运算、处理后，再将结果以数字量的形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。所以，在 PLC 和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置。这个装置就是输入/输出（I/O）模块。不同的信号形式，需要不同类型的 I/O 模块。不同的 I/O 模块，其电路和性能不同，它直接影响着 PLC 的应用范围和价格，应该根据实际情况合理选择。在本设计的智能化厌氧环境发生实验系统中，需要与 PLC 连接的设备有电源、开关、指示灯、急停按钮、各种传感器（磁感应接近开关和气电转换开关）、继电器、电磁阀等设备。输入模块的选择：在本设计中，实验系统中的输入设备如急停按钮、传感器等，它们都只有两种状态：通或断，对这类信号的拾取需要通过数字量输入模块来实现。输入模块最常见的为 24V 直流输入，还有直流 5V、12V、48V，交流 115V/220V 等。在本设计中，传感器的电源供电 24V 直流，因此选择 24V 直流输入数字量模块。其中，开关的作用是启动和停止该系统的运行；急停按钮的作用当系统发生紧急情况或遇故障无法排除时，按下该按钮，使设备能够立即停止运行，起到了防护作用。当各个工位接收到“启动”的信号传输后，夹紧气缸和穿刺气缸开始工作。每个工位夹紧气缸的松、紧限位和穿刺气缸的上、下限位的磁感应接近开关共有四个，22 总共十二个；在夹紧气缸和穿刺气缸的两个极限位置分别装有一个磁感应接近开关，磁感应接近开关的基本工作原理是：当磁性物质接近传感器时，传感器便会动作，并输出传感器信号。若在气缸的活塞（或活塞杆）上安装上磁性物质，在气缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应接近开关，就可以用这两个传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。当气缸的活塞杆运动哪一端时，哪一端的磁感应接近开关就动作并发出电信号。在 PLC 自动控制中，可以利用该信号判断夹紧气缸和穿刺气缸的运动状态或所处的位置，目的是简介判断工位是否处于正确位置。在传感器上设置有 LED 显示用于显示传感器的信号状态，供调试使用。传感器动作时，输出信号1，LED 灯亮；传感器不动作时，输出信号为 0，LED 灯不亮。本系统中还设有三个气-电转换开关，作用是判断充氮气和抽真空是否达到预设的充气压力和真空压力。通过调查统计得知：本系统中共有 23 个输入点设备，所以需要选择一块 DI32DC24 的信号模板作为输入模块。输出模块的选择。在本设计中，许多控制对象，如指示灯的亮和灭、真空泵的启动和停止、继电器的触点、蜂鸣器、阀门的打开和关闭等，对它们的控制只需通过二值逻辑“1”和“0”来实现。这种信号通过数字量输出模块去驱动。数字量输出模块按输出方式不同分为继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型等。在本设计中选择是继电器输出型。根据统计，本设计中的输出设备共需要输出点数 20，所以需要选择一块DO32DC24V/0.5A 的信号模板作为输出模块。其中，在指示灯和真空泵都安有继电器线圈，其作用控制真空泵的电源和控制三层的各颜色指示灯。当夹紧气缸和穿刺气缸完成动作后，通过控制真空通道和氮气通道的电磁阀线圈，控制各工位的真空通道和氮气通道及穿刺气缸的上下位、夹紧气缸的松紧位。4.2 PLC 的总程序设计23 图 8 总程序图I0.2 在主程序中用于加紧限位，I0.0 在主程序中用于启动按钮，I0.7 在主程序中用于上限位，I0.6 在主程序中用于缩回限位，I0.3 在主程序中用于左转限位。图 9 分程序图Q0.5 在程序中代表的是伸出继电器，I1.4 在程序中代表推料二前点，I1.6 在程序中代表推料 3 前点，I1.2 在程序中代表推料一前点。24 图 10 子程序图I1.4 在程序中代表推料二前点，I1.6 在程序中代表推料三前点，P代表的是上升沿。图 11 机械手程序图SM0.0 该位总是打开。SM0.1 首次扫描周期时该位打开，一种用途是调用初始25 化子程序。SM0.2 如果保留性数据丢失，该位为一次扫描周期打开。该位可用作错误内存位或激活特殊启动顺序的机制。SM0.3 从电源开启条件进入 RUN（运行）模式时，该位为一次扫描周期打开。该位可用于在启动操作之前提供机器预热时间。4.2.1 机械手的程序设计26 图 12 机械手分程序图M 表示辅助继电器，I 表示输入继电器，Q 表示输出继电器辅助继电器 M0.0 在程序内部使用,不能提供外部输出；输入继电器 I0.0 为接收外部输入设备的信号；输出继电器 Q0.0 为输出程序执行结果并驱动外部设备4.2.2 复位部分程序设计27 图 12 复位部分程序SM0.0 该位总是打开。SM0.1 首次扫描周期时该位打开，一种用途是调用初始化子程序。SM0.2 如果保留性数据丢失，该位为一次扫描周期打开。该位可用作错误内存位或激活特殊启动顺序的机制。SM0.3 从电源开启条件进入 RUN（运行）模式时，该位为一次扫描周期打开。该位可用于在启动操作之前提供机器预热时间。28 4.2.3 工件分拣部分程序设计图 13 工件分拣部分程序图Q1.1 在工件分拣程序中代表推料继电器，I1.2 在工件分拣程序中代表推料前点。图 14 工件分拣部分程序图I1.2 在工件分拣程序中代表推料前点，I2.3 在工件分拣程序中代表无聊检测光电传感器。29 图 15 工件分拣部分程序图M 表示辅助继电器，I 表示输入继电器，Q 表示输出继电器辅助继电器 M0.0 在程序内部使用,不能提供外部输出；4.3 组态流程设计为了操作上的方便人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成 触摸检测部件安装在显示器屏幕前面用于检测用户触摸位置。接受后送触摸屏控制器.而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息并将它转换成触点坐标,再送给 CPU 它同时能接收 CPU 发来的命令并加以执行。图 24 触摸屏程序控制功能转换图欢迎界面运行模式控制界面触摸界面点击按钮欢迎界面复位启动气缸复位气缸 活塞杆推出S B 3S B 5S B 4S B 630 欢迎界面：为启动界面，即启动触摸屏后自动进入的界面，如图 27 所示。图右上角设置一个指示灯。在本界面状态，若系统已进入运行模式，则该指示灯闪烁，催促操作人员将界面切换到运行模式监控界面。图 10 运行模式监控界面运行模式监控界面：运行模式监控界面包括一个自锁按钮（ SB3） 、三个自复位按钮( SB4、 SB5、 SB6)、两个指示灯( HL4、 HL6)、两个用于装配件计数的显示（B 槽和 C 槽）和一个置于界面右下角用于切换界面的按钮（切换到欢迎界面） 。触摸屏应连接到 PLC 的编程口。通过二个用户窗口的组态来实现对设备的监控,组态用户界面应具有下列功能： 测试模式欢迎界面测试模式控制界面触摸界面点击按钮测试模式欢迎界面机械手调试输送机调试气缸调试S B 5S B 4S B 6图 23 测试模式欢迎界面触摸屏程序控制功能转换图31 测试模式欢迎界面：为启动界面，即启动触摸屏后自动进入的界面，如图 25 所示。图右上角设置一个指示灯。在本界面状态，若系统已进入测试模式，则该指示灯闪烁，催促操作人员将界面切换到