FX系列PLC机械手传送带设计方案

1、作者：Pan Hon glia ng仅供个人学习它完成了物件在以前的控基于PLC的传送带机械手控制系统设计摘 要工业机械手传送带系统是流水线自动化生产的重要组成部分，的运送、抓取、转移等功能是大规模集成控制系统的基础工作单元。 制系统中，大多数是用继电器做为开关量控制，自动化程度低，效率损耗较大， 已经不能适应目前的生产需要。该控制系统采用可编程控制器为核心，通过对信号的采集、处理、输出一系 列的集中控制，使生产更安全稳定高效。设计中完成了硬件和软件的设计。实现了传感器、变频器、机械手等硬件的调配控制，实现传送带自动减速，机械手抓 放等功能。PLC作为控制核心的使用比原有的系统控制性更强，应变

2、更灵活，操作更简 单，使系统拥有可靠性高，稳定性好、抗干扰能力强，维护方便等众多优点，为 安全高效的工业生产提供了更好的硬件环境。 关键词：机械手传送带；PLC继电器；自动控制；THE DESIGN OF PLC-based CONTROL CONVEYORMANIPULATOR SYSTEMAbstractIn dustrial man ipulator con veyor belt assembly lineautomati onsystemis an important productioncomponent,which completed the delivery of theitem

3、s, crawls, tran sfer fun cti on is a large-scale in tegrated con trol system based on the work unit. In previous control system, the majority is used as a relay switchcontrol,a lower degree of automation,greaterefficie ncy loss, can not meet curre nt producti on n eeds.The con trol system uses a pro

4、grammable con troller as the core, the signal acquisition, processing, the output of a series of centralized control, make the production more efficient security and stability.Completed the design of the hardware and softwaredesign.Implementationof sen sors, con verters, and other hardware mani pula

5、tor con trol of the deployme nt and achieve con veyor brake automatically. Mecha ni cal up grasp ing fun cti ons.PLC as the con trol over the use of the core of the orig inal con trol systemstr on ger,the cha nge should be flexible, operate more simple, thesystem has high reliability, stability, an

6、ti-jam ming capability and convenient maintenance and many other adva ntages, safe and efficie nt in dustrial producti on provided a better hardware en vir onment.Keywords : Mani pulator con veyor belt PLC RelayAutomatic Con trol引 言自改革开放以来，我国的工业化以非常快的速度在发展着， 工业自动化的趋 势也是越来越明显，并逐渐取代着原来的大量人工劳动力的生产方式。而在

7、高自动化的流水线上，机械手传送带工作单元可以说是用的最广泛的一种控制技术。现在，随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，工业机械手传送带工作单 元的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美。随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、板手 等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视，同时也要求 供料机构更加灵活、柔性化。对机械手的控制系统提出了更高的要求， 原来的继 电器控制方式已经逐渐不能满足生产的需要。 可编程控制器（PLC控制性更强， 应变更灵活，操作更简单，已经逐渐取代继电器控制系统成为新的控制方式。可编程控制器（简称PLC由

8、于其将系统的继电器技术，计算机技术和通信 技术融为一体，以其可靠性高，稳定性好、抗干扰能力强，以及编程简单，维护 方便，通讯灵活等众多优点，广泛应用于工业生产过程和装置的自动控制中。 PLC 不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成定时、计算和各种闭环控制功能。设置性 能完善、质量可靠、技术先进的可编程控制器PLC控制皮带运输系统，可以实现 高自动化的传送带机的集中控制（包括遥控）及保护。而对于基于PLC的机械手传送带的研究和设计正是目前工业生产中所需要 的。绪 论工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任

9、 务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力， 在国民经济各领域有着广阔 的发展前景。随着工业自动化的发展，出现了数控加工中心，它在减轻工人的劳 动强度的同时，大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序，通常 仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低；后者因设计复杂，需较多继电器，接线繁杂，易受车体振动干扰，而存在可靠性差、 故障多、维修困难等问题。可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动 作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力 ，保证了系统运行的可靠性，降 低了维修率，提高

10、了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器 技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有 多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在现今的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型， 机械手的使用已经 越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂 中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地 区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率咼，以及交带来的挑战。随着我国工业生产的飞跃发展，自动

11、化程度的迅速提高，实现工件的装卸、 转向、输送或操持焊枪、喷枪、板手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已 愈来愈引起人们的重视，同时也要求供料机构更加灵活、 柔性化。对机械手的控 制系统提出了更高的要求，原来的继电器控制方式已经逐渐不能满足生产的需要。 可编程控制器（PLC控制性更强，应变更灵活，操作更简单，已经逐渐取代继 电器控制系统成为新的控制方式。本次设计正是基于PLC控制系统，控制一个机械手传送带工作单元的设计。 对于生产流水线的组成及自动化的基础建设有着重要的意义。第1章总体方案设计1.1课题介绍本次设计是基于PLC的传送带机械手控制系统。在这个系统中，有两条传送 带。当物件F放置

12、在甲传送带上，传送到快要接近机械手的时候时， 在实现自动 减速并前停止在机械手的正下方。机械手自动降下 ，对准物体，抓起物件移至乙 传动带上方放下物件，物件F由乙传送带运走，并在需要的时候自动减速、停止。在机械手抓起物件后，甲传送带继续运行并且将下一个物件运至机械手的正 下方。机械手放下物件在乙传送带后自动返回原位抓起下一个物件。如图1-1:放图1-11.2方案设计及工艺参数方案设计为了实现既定目标主要是要解决3个问题：传送带物件自动减速停止的实现； 机械手自动抓取放置返回的实现； 传送带、机械手再启动的条件。其整体结构入 如下（图1-2）:传送带物件自动停止的实现主要是采取光传感器的使用，在

13、传感器检测到物件后，发送信息给PLC由PLC通过变频器控制电机实现传送带的减速、停止功 能。机械手移动抓取是通过PLC控制电磁阀对汽缸进行充气来控制机械手的上下 左右移动，并使用PLC的定时功能实现抓放功能。传送带、机械手的自动启动停止是 PLC直接控制。图1-2整体结构框图这里采用的是FX2N系列的PLC因为整个系统的工作流程是一环环相套的。 都是由前一个状态触发后一个状态，所以这里采用的是步进控制系统，传感器、 机械手的限位作为输入信号，控制信号作为输出信号。在整体的设计构思中，全部以工业实际应用的效果为出发点，所以要低成本， 高效率、高安全性和稳定性。同时考虑到这种传送带机械手工作单元是

14、流水线上 使用较多的基础单元，所以在传感器的选取、机械手的控制方式上采用了较常见 和简单的设计。这样可以让使用范围更宽阔。如果有更为精确的需要，只要将其 中的一些部件按照精度要求更换即可。工艺参数电动机：功率为1KW最大转速为900转/分钟传送带宽度：1M传感器有效范围1.5M变频器1.3系统架构及工作流程图根据此次设计所要实现的目标，可以将整个工作单元分成三个运行系统：1、 传送带传动调速系统；2、物件搬运系统；3、各部分硬件的自动控制系统。其中，自动控制系统又可以称为中央控制系统，由一个中央处理器（这里使用可编程控制器即PLC为主控单元，接受从信号采集器件即传感器处采集来的 信号，经过处理

15、发送给各部分硬件执行相应的操作。从而实现传动系统的调速功 能和机械手的搬运动作等。具体系统工作流程图如下：（图1-3）物品F被放置传感器A1甲带减速传感器A21甲带停止机械手完成对物件的对 准、前身、夹紧步骤抓取图1-3工作流程图第二章传送带传动及调速系统的设计传送带传动及调速系统是实现将物件传送至相应位置并在需要的时候能实 现自动减速、停止功能的系统。由电动机，信号采集器，调速控制器、传送带4个部件构成。电动机提供传送带传送的源动力，信号采集器采用光传感器进行信 号采集，调速控制器采用变频器调速方式。在指定的位置安装光传感器后，物件传送到相应位置被传感器检测到后，由传感器将此信息传送给中央处

16、理器件 -PLC，再由PLC发出指令给变频器，由变频器控制电机的转速达到实现传送 带减速、停止的功能。下面详细介绍各个部件的工作方式及选取。2.1电动机的介绍及选用交流电动机诞生于19世纪末，由于它具有控制方便、适应性强、维护便利等 一系列优点，所以很快成为工业社会的重要核心， 是传动系统中的主力。同时根 据不同生产过程的需要，孕育了各种各样的电动机调速装置和技术， 并逐步得到 打发展。电动机选用及运行参数本次设计的设定，电动机采用的是三相异步电动机，需求功率为1KW转速为900 转/分钟。所以选择YP2-100L-6型电动机其主要参数如下：型号YP2-100L-6额定功率（Kvy1.1额定电

17、流（A）3.0额定转矩（N.M）11.2额定转速（r/mi n ）910最大转矩/额定转矩2.2转动惯量（kg/m2）0.0069重量（kg）27电力拖动系统及变频调速电动机是电力拖动系统中的原动机，它将电能转化为机械能，去拖动各种类 型生产机械的工作机构运动，以实现各种生产工艺的要求，如驱动轧钢机的轧锟 起重机的提升机包括本次设计所实现的传送带传动系统等等.电力拖动系统的组 成如图2-2所示：这里的调速采用变频调速，由传感器采集信号送PCL控制变频器完成，上图 中的电器控制设备一处可细分为如下流程（图2-3）:2.2光传感器的介绍及选用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单元，

18、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。在本次设计中，由于需要采集的信息是物体的移动， 所以采用的是光电传感 器，光电传感器是一种小型电子设备， 它可以检测出其接收到的光强的变化。 在 机械手和传送带自动控制系统中实现自动控 制的信息采集作用。光电传感器的分类厂漫反射<反射I回归反射光电传感器< 对射图2-31）漫反射型影响检测的因素：安装角度；测量物体的颜色；振动优点：安装最简单，方便 缺点：图2-4漫反射型传感器漫反射光电传感器是检测最不稳定的。被 测 物 体2）回归反射型影响检测的因素：被测物的光主亮度；反光

19、镜的安装角度97年前，以上两方面确实是回归型传感器存在的影响因素。但后来该类型传感器增加了 功能：即该功能的一个重要特点就是：反光镜可以把纵波转换为横波。发射器发射的是纵 波，而接收器只能接收横波。发射器发射的纵波经过反光镜把纵波转变成横波， 由接收器接收。由于物体没有把纵波转变为横波的功能，因此，无论物体光亮度如何，只能把发射器发射的纵波返回，接收器不能接收到横波信号，这样，就可 以准确地检测物体的有无。优点：可检测透明物体和光亮度高的物体；检测稳定，安装方便缺点：当反光镜或传感器表面有灰尘时， 检测精度降低。可以改变安装方式，经常擦拭 灰尘来消除此影响。反光镜角度影响检测精度(3) 对射型

20、影响检测的因素：被测物的透光性；被测物的大小优点：检测精度最高缺点：安装不方便，占用较大安装空间；能检测透明和体积小的物体发射器接收器图2-6对射型传感器(4) 距离型传感器 原理：该传感器的检测距离是一定的，因此，检测的发射光和反射光间的角度也是 一定值。当传感器检测被测物时，检测到发射光和由被检测物返回的反射光之间 的角度和设定的角度不同，此时，传感器就认为检测到物体。另外，该传感器发射器是点发射，而接收器是面接收。这样，就允许被测 物有一个更大的偏转角度。优点：和物体的颜色无关；被测物可以偏转更大的角度；有灰尘挡住时，自动增强入射 光和反射光的强度，保证检测精度不受灰尘的影响；安装方便常

21、用参数1、应差距离当物体移到传感器临界检测距离时，传感器有输出；而当物体向右移动时， 传感器并不随之就没有输出了，而是移动一段距离后，传感器才没有输出。这段 距离就是应差距离。应差距离越小越好，现在应差距离一般在Imnrr 6mm、可。2、检测距离指传感器最大检测的距离。对于漫反射型传感器来说，是可以检测到物体的最大 距离；回归反射型传感器是传感器和反光镜间的距离； 对射型传感器是发射器和 接收器间距离。3、IP等级IP等级指传感器的防尘防水的等级(前一数字是防尘等级，后一数字是防水等 级)。如：IP68 :完全防尘，可以长时间在水中工作；IP67 :完全防尘，可以在 水中工作90分钟；IP6

22、5 :完全防尘，防水喷溅。4、L(ight)-ON/D(ark)ON 模式L(ight)-ON :没有检测物时，传感器有输出 D(ark)-ON :有检测物时，传感器有输出 光电传感器选用原则：1、能用对射，用对射。不能用对射时再考虑其它方式2、光点直径被测物的大小由于生产线上的物件有外形上的不规则性，直反式的光电传感器可能不能及 时发出相应的信息，或者效果不明显。并且由于机械手必须准确抓握物件， 防止 物件的损伤，所以对时间反应上要求较为严格。同时传送带宽度为1M所以此次设计选用对射式光传感器。2.3变频调速及变频器的选用根据异步电动机的转速关系，当极数不变时，电动机转子转速与定子电源频 率

23、成正比，因此连续地改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转 速，这种调速方法称为变频调速，它完全不同于前面提到的各种调速方式。变频调速具有较好的调速性能，是现代交流调速方法中具有重要意义的一种调速方法。 变频器简介变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向， 而作为变频调速系统的 核心一变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素， 除了变频器本身制 造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。1.变频器的基本结构变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电 机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制， 整流电路将交流

24、电变 换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的 CPU以及一些相应的电路。变频器的分类变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频 器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等； 按照用途分类，可以分为通用变频器、 高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。变频器中常用的控制方式1非智能控制方式在交

25、流变频器中使用的非智能控制方式有 V/f协调控制、转差频率控制、矢 量控制、直接转矩控制等。(1) V/f 控制V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速 的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制 方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变 低频转矩特性。(2) 转差频率控制转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动

26、机具有对应的输出转矩。 这种控制方式，在控 制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制， 因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性， 并对急速的加 减速和负载变动有良好的响应特性。矢量控制矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间， 又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的 PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转 差频率控制的

27、矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。(4)直接转矩控制直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机 的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链 的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和 精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%勺额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。最优控制最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同， 可以根据最优控制的 理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中， 就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略， 以实现一定条件

28、下的电 压最优波形。(6)其他非智能控制方式在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。2智能控制方式智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在 变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。(1)神经网络控制神经网络控制方式应用在变频器的控制中， 一般是进行比较复杂的系统控制， 这时对于系统的模型了解甚少，因此神经网络既要完成系统辨识的功能， 又要进 行控制。而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器，因此在多个变频器级 联时进行控制比较适合。但是神经网络的层数太多或者算法

29、过于复杂都会在具体 应用中带来不少实际困难。模糊控制模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率， 使电动机的升速时间得到控制， 以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分，这种控制方式尤其适用于多输入单 输出的控制系统。（3）专家系统专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式，因此，专家 系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息，另外还要有推理机制，以 便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤为重要的， 关系着专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频器的电压， 又可以控 制其电流。学习控

30、制学习控制主要是用于重复性的输入， 而规则的PWM&号（例如中心调制PWM） 恰好满足这个条件，因此学习控制也可用于变频器的控制中。 学习控制不需要了 解太多的系统信息，但是需要12个学习周期，因此快速性相对较差，而且，学 习控制的算法中有时需要实现超前环节，这用模拟器件是无法实现的，同时，学习控制还涉及到一个稳定性的问题，在应用时要特别注意。变频器的选用此次设计由于采用了 1kw,转速为900转/分钟的变频电动机，所以选取了功率为1.5kw，3.5kVA的日立J100-015HFE型变频器。 主要性能参数如下：型号名称日立J100-015HFE型变频器适用电机额定值1.5kw连续输出

31、交流输入电源额定值额定输出电压380额定输出电流3.8A控制方式空间矢量PWM功率器件只能功率模块转矩控制无速度传感器矢量，V/F控制输出频率范围0.5-360HZ最大频率调节+15Hz频率分辨率0.01Hz设定频率分辨率数字设定：0.1模拟设定：fmax/100（输入为 10V） fmax/500（输入为5V）频率精度数字设定：0.1% （最小频率为0.1HZ）模拟设定：土 0.2%起动转矩*5150%± 3hz 下2.4本章小结本章主要完成了传送带传动与调速系统的设计及所设计的硬件的选用，传动与调速系统是整个工作单元实现工作目标的第一步，光传感器在这里以采集信号作为整个工作单元开

32、始自动控制的开端。 当物件行走到指定地点，传送带停止 时，则将自动转入物件搬运系统的工作，将在下个章节做详细介绍。第二章物件搬运系统的设计3.1总体设计思路此次设计中，物件搬运系统是一个自动运行的系统。要求机械手在物件运至 指定位置并停止后，能够抓取物件搬移到另外一条传送带上， 然后返回搬运下一 个物件。其中控制系统还是采取了 PLC控制。物件搬运系统的核心部件是机械手，为了机械手能够准确定位及自动控制， 这里机械手的行动采用了气缸气动控制方式。 气缸的行动方向则由PLC控制的电 磁阀控制完成。具体结构图（图3-1）如下：由电磁阀控制气体的进口方向，从而推动气缸活塞的左右运动，达到控制机 械手

33、左右，上下，抓握等动作。下面将分别介绍气缸和电磁阀的工作原理、特性 及选型。0气缸电 磁阀图3-1气缸运作结构图3.1气缸的介绍及选用气动元件及双向活塞式气缸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 运动的元件，称为气动元件。在气动执行元件中，使用最多的是直线运动的气缸。按照将空气压力转换成 力的受压不见的机构不同，有活塞式和非活塞式（如膜片式）目前使用最多的是 活塞式。此次设计中采用的活塞式单杆双向气缸。双向气缸的活塞前进或后退都能输出动力， 行程可根据需要选择。一般气缸 两段都带有缓冲装置，当活塞运动到终端时，活塞撞击的力量很大，所以缓冲装 置可以有效的减少冲撞

34、力。同时，气缸的两端还设有行程开关，用以检测气缸是否行驶到了极限位置。 当气缸行驶到极限位置时，行程开关闭合，电磁阀停止供气。气缸工作原理此次设计中，为了实现机械手在一个方向上的双向移动，所以选用双向气缸。 如图2-11,当a道进气时，活塞带动机械手向右移动；当 b道进气时，活塞带 动机械手向左移动。3.1.3气缸的选用气缸的选用主要考虑的CJ2型，缸径20mm长度为600mm勺标准型双向气缸是气缸直径，气缸长度等。此次设计中，采用了。SMC3.2电磁阀的介绍及选用 电磁阀简介及分类追朔电磁阀的发展史，到目前为止，国内外的电磁阀从原理上分为三大类（即: 直动式、分步直动式、先导式），而从阀瓣结

35、构和材料上的不同与原理上的区别 又分为六个分支小类（直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活 塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构）。一、直动式电磁阀原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断 电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过25mm二、分步直动式电磁阀原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口压差w 0.05Mpa, 通电时，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口压差0.05Mpa,通电时，电磁力先打开先导小阀，主阀下腔压力上升，上 腔压力下降，

36、从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀和主阀利用弹簧力 或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。特点：在零压差或真空、高压时亦能可靠工作，但功率较大，要求竖直安装。三、先导式电磁阀原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围 形成上低下高的压差，推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导 孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速进入上腔室在关阀件周围形成下低上高的压差, 推动关闭件向下移动，关闭阀门。特点：流体压力范围上限很高，但必须满足流体压差条件。电磁阀工作原理图此次设计采用的是直动式电磁阀，其工作原理是电磁阀内线圈通断电来控制 阀门所在位置，以控制气流的行驶方

37、向，从而达到使气缸活塞两边运动的目的。当需要气缸活塞向右运动时，即气缸左边空间进气。此时PLC给出信号，电 磁阀开关打开，线圈断电，使弹簧处于放松状态。气体从a管进入气缸。如图 2-12I i IJ/图3-3电磁阀打幵气流方向当需要活塞向左运动时，贝皿磁阀开关闭合，线圈带电，产生磁力。弹簧被压缩，气体此时只能从b管进入气缸，推动活塞运动。如图2-15 :图3-4电磁阀关'闭气流方向电磁阀的选用 电磁阀的选用一般从以下五点考虑：、适用性： 管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度。电磁阀允许液体粘度一般在 20CST以下，大于20CS

38、T应注明。工作压差，管路最高压差在小于 0.04MPa时应 选用如ZS,2W,ZQDF,ZC系列等直动式和分步直动式；最低工作压差大于0.04MPa 时可选用先导式（压差式）电磁阀；最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力； 一般电磁阀都是单向工作，因此要注意是否有反压差，如有安装止回阀。流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器，一般电磁阀对介质要求清洁度要好。电 源电流和消耗功率应根据输出容量选取，电源电压一般允许土10%左右，必须注意交流起动时VA值较高。二、可靠性： 电磁阀分为常闭和常开二种；一般选用常闭型，通电打开，断电关闭；但在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。寿命试验，工厂一般属

39、于型式试验项目，确切地说我国还没有电磁阀的专业标准，因此选用电磁阀厂家时慎重。动作时间很短频率较高时一般选取直动式， 大口径选用快速系列。三、安全性：一般电磁阀不防水，在条件不允许时请选用防水型，工厂可以定做。电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力，否则使用寿命会缩短或产生其它意外情况。有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型，强腐蚀性流体 宜选用塑料王（SLF电磁阀。爆炸性环境必须选用相应的防爆产品。四、经济性： 有很多电磁阀可以通用，但在能满足以上三点的基础上应选 用最经济的产品。五、根据持续工作时间长短来选择：常闭、常开、或可持续通电。1、当电磁阀需要长时间开启，并且持续的时间多余关闭

40、的时间应选用常开 型。2、要是开启的时间短或开和关的时间不多时，则选常闭型。鉴于以上特点，此次设计选择电磁阀型号为：SY3120-5LD-C& 33.3本章小结物件搬运系统主要的工作就是电磁阀控制气动机械手完成物件的抓取、搬运、放置的过程。它和传送带的传动调速系统一样，都是工作在自动控制系统的控制 之下。自动控制系统以PLC为主控单元，接受从信号采集器件即传感器处采集来的 信号，经过处理发送给各部分硬件执行相应的操作。 自动控制系统是整个工作单 元的指挥者和调度者，其具体的设计将在下个章节详细介绍。第四章 自动控制系统的设计及软件编写如果说硬件系统是仿佛是人的躯干，那么软件系统就是可以

41、控制躯干完成各 种动作的大脑中枢。所以软件系统的优劣直接影响到整个工作单元运行的效果 此次设计中，软件系统是由PLC（可编程控制器）作为中央控制器进行设计。 4.1可编程控制器简介可编程控制器（Programmable Controller ）是计算机家族中的一员，是为 工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻 辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC但是为了避免与个人计算机（Personal

42、Computer ）的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC国际电工委员会（IEC）在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是 一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编 程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算 ，顺序控制，定时，计数与算 术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械 或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一 个整体，易于扩充其功能的原则设计。”多年来，可编程控制器（以下简称 PLC从其产生到现在，实现了接线逻辑 到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步

43、；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。今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的 各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥 着越来越大的作用4.1.1 PLC的基本结构和主要特点PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机 相同，其机构图入图4-1 :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

44、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。图4-1 PLC硬件系统结构框图为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU勾成冗余系 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。PLC的主要特点有：可靠性高；I/O接口模块丰富；采用模块化结构；编程 简单易学；安装

45、简单，维修方便。4.1.2 PLC的应用领域目前，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，使用情况主要分为如 下几类：1 开关量逻辑控制取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控 制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机 床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2. 工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变 化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算 法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一

46、般闭环控制系统中用得较多 的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛 的应用。3. 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块， 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、 机床、机器人、电梯等场合。4. 数据处理PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据 转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处 理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5. 通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化 网络的发展，

47、现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便4.2 I/O 口确定及PLC的选取控制要求分析PLC的控制系统中有输入/输出设备，常见的输入电器有按钮、行程开关、 转换开关、接近开关、霍耳开关、各种传感器等。输入电器有接触器、继电器、 电磁阀、指示灯及其他有关显示、执行电器等。正确的连接输入/输出电路，是保证PLC安全可靠工作的前提。此次设计中，PCL需要完成由传感器接收信号经过处理再输出变频器和电磁 阀的任务。所以对应的输入输出设备有传感器、限位开关、变频器、电磁阀等。其中传感器、限位开关是输入设备，变频器、电磁阀以及指示灯是输出设备。输入接口确定：设计中，要实现两条传送带的调速功能，所以需要接入

48、4个传感器；气缸的限位分上下左右，所以需要接入4个限位开关。总输入接口如下：1、 传感器4*12、 限位开关4*13、总启动，停止 2*1共需要10个输入接口。输出接口确定：设计中，输出设备包括控制传送带的变频器和控制机械手的电磁阀。变频器要实现两条传送带的减速、停止功能；电磁阀要实现机械手的上下、左右、抓放的动 作。总输出接口如下：1、 变频器2*22、 电磁阀3*13、 两条传送带启动2*14、机械手原位指示灯1*1 共需要10个输出接口。的选取根据设计要求，需要10个输入接口，10个输出接口。所以选取I/O接口为16/16 的三菱 FX2N-32MR-00型 PLC4.3 I/O分配及主

49、要器件的I/O连接图此次设计I/O设备主要为传感器、限位开关、变频器、电磁阀等。总I/O口为16/16，使用接口为10/10。其输入/输出地址表如下：表4-1系统输入/输出地址表输入输出器件代号地址号功能说明器件代号地址号功能说明SB1X0总启动KM1Y0启动传送带ASB2X1总停止KM2Y1启动传送带BKM8X2传感器1KM3Y2传送带A减速KM9X3传感器2KM4Y3传送带B减速KM10X4传感器3KM5Y4机械手上下运动KM11X5传感器4KM6Y5机械手左右运动SQ1X6机械手上限位KM7Y6机械手抓放运动SQ2X7机械手下限位HL1Y7机械手原位SQ3X10机械手左限位KM12Y10

50、变频器1高频控制开关SQ4X11机械手右限位KM13Y11变频器2高频控制开关下面将分别说明每个器件的连接电路和程序设计。4.5 PLC对传送带调速系统的控制在第二章中已经介绍，传送带调速系统主要是由电动机、传感器、变频器组成，要实现传送带的启动、减速、停止，就需要由传感器检测到物体后给PLC一个信号，然后由PLC处理后，将信号输出给变频器以控制电动机运转。由于 PLC与电动机不能直接相连，与变频器和传感器也要考虑COM口的连接问题，所以为了更有效的连接及维护，与硬件设备的连接统一以继电器作为中转。PLC与传感器连接电路对射式传感器的工作是以红外线射入接受器，如果有物体进过，则遮住红外线，接受

51、器会生成一个电平信号送给 PLC PLC根据这个电平信号判断有无物体 通过传感器所在位置。其连接电路如图 4-2 :图4-2 PLC与传感器连接图与变频器连接电路当传感器检测到物件后，将信号送给PLC PLC将控制变频器执行减速、停 止的调速运动。如图3-3所示，当继电器KM1KM3接通时，变频器正常频率。也 就是电动机带动传送带高速运动。当 KM1KM2接通，KM3关闭时，电动机带动传 送带减速。当KM1断开，电动机停止运转，传送带停止。图4-3 PLC与变频器连接图传送带调速系统状态转移图及程序关于传送带调速系统的程序设计，采用了步进指令，这样可以简洁明了的 完成工作，其状态转移图（4-4

52、）如下：图4-4传送带调速系统状态转移图 传送带调速系统程序如下：SETS0STLS0LDX0SETS20STLS20SETY0LDX2ANIY10SETS21STLS21OUTY2LDX3SETS22STLS22RSTY04.6 PLC对物件搬运系统的控制物件搬运系统是整个工作单元中自动化成分最高的工作系统，其控制结构图如下：（图4-5）与电磁阀连接电路图4-6 PLC与电磁阀连接电路如图4-6所示，当丫5处于长闭状态，KM1闭合，线圈带电产生磁力，吸引活塞往左运动。控制气流从右侧进入气缸。反之，KM1打开，磁力消失，活塞在弹簧弹力的作用下向右运动，气流从左边进入气缸。如此，就达到了通过丫5

53、的开合控制气缸进气方向，即控制了机械手的运动方向的目的。与限位开关的连接PLC 与限位开关是通过一个磁性开关相作用的，当气缸运动到限位点时， 状态开关动作，活塞此方向动作结束，转入下一个动作。机械手工作的状态转移图如下（图4-8):图4-8执行到S25状态时，机械手完成了抓取 移动> 放下的工作，然后 返回原位等待下一个物件到来，再重复动作。物件搬运系统设计程序如下：1SETS2018SETS232STLS2019STLS233SETY420SETY54LDX7:21LDX115OUTT0 K1022 OUTT3 K106LDT023LDT37SETS2124ANIY18STLS2125

54、SETS249RETY626STLS2410OUTT1 K3027 SETY411LDT128LDX712SETS2229OUTT4 K1013STLS2230LDT414RSTY431SETS2515LDX632STLS2516OUTT2 K1033 RSTY617LDT234OUTT5 K304.7PLC工作可靠性措施PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行， PLC系统的 抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键。 因此，分析研究PLC应用中的可靠性和 抗干扰技术是十分必要的。要提高PLC控制系统的可靠性，一是在硬件上采取措 施;二是在软件上设计相应的保护程序；因此，PLC控制

55、系统的抗干扰非常重要。干扰源PLC系统的干扰源根据其来源分为内部干扰源和外部干扰源。内部干扰源主要包括：由于元器件布局不合理造成内部信号相互串扰；线路中存在的电容性元 件引起的寄生振荡；数字地、模拟地和系统地处理不当。外部干扰源包括供电电 源电压波动和高次谐波的干扰；开关通断形成的高、低频干扰；动力强电信号在系 统中产生感应电势引起的干扰；其它设备通过电容耦合串入控制系统而引起的干 扰等。按钮、继电器等工作时触点间产生的电弧，雷击和静电产生的火花放电， 接触器线圈、断电器线圈、电磁铁线圈等感应负载断开时产生的浪涌电压，外界 的高频加热器、高频淬火设备、杂乱的无线电波信号、电源电压的波动等等，以 上这些都是能够使PLC出现误动作的典型干扰源，以下简单介绍