大小球分选机控制系统设计

大小球分选机控制系统设计系别：专业班：姓名：学号：指导教师：2010年6月大小球分选机控制系统设计CompetingSortingMachineControl

SystemDesign#随着我国社会经济的迅猛发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。为了改变落后的生产状态，缓解日趋紧张的供求关系，我们研究就得开发多工步搬运机械手。可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。PLC是在激烈的市场竞争中产生的，20世纪60年代末，美国汽车制造业竞争激烈。为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出要求为：（1）能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统，既传统的继电一接触器控制，它简单易懂，价格低廉,能够满足生产工艺改动频繁的需要；（2）编程简单，抗电磁干扰强；（3）模块式结构；输入、输出电压是交流115V（美国标准），输出能直接驱动继电器和电磁阀；（4）具有数据通信功能。就是把继电一接触器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电一接触器控制的硬接线逻辑不易修改。美国数字设备公司（DEC）在1969年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配线上应用成功，实现装配线的自动控制。采用PLC构成机械手的自动控制系统，可通过修改PLC控制程序，改变对机械手模型的控制要求。机械手横轴水平面内作前后方向运动，竖轴能在垂直面内作上下两方向运动，底座能作正反两方向旋转，手能正反两方向旋转，并且底座能在任意位置停止的功能。PLC应用系统设计基础知识PLC应用系统设计主要包括硬件设计、软件设计、施工设计和安装调试等内容。本课程设计着重在系统设计和程序设计。PLC简介可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。它主要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PLC。在PLC出现之前，在工业控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产变化的适应性差。20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制能力增强，同时可靠性能高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图像显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。已成为工业自动化控制领域中占据主导地位的通用工业控制装置。PLC控制系统设计的原则和内容PLC的选择除了应满足技术指标的要求外，还应着重考虑产品的技术支持与售后服务等情况。最大限度地满足被控对象或产生过程的控制要求。对于一些原来用继电接触器线路不易实现的要求，使用PLC后，将很容易实现。在满足控制要求前提下，力求使控制简单、经济、操作和维护方便。对一些过去较为繁琐的控制可利用PLC的特点加以简化，通过内部程序化外部接线及操作方式。保证控制系统的安全、可靠。同时采取“软件兼施”的办法。考虑到生产的发展和工艺的改进，选择PLC容量及I/O点数时，应适当留有裕量。一个系统完成后，往往会发现一些原来没有考虑到的问题，或者新提出的问题，如果事先留有裕量。则PLC系统极易修改。同时对日后系统工艺的变更提供方便。当然对于不同的用户，要求的侧重点不同，设计的原则也应有所区别，如果以提高产品和安全为目标，则应将系统可靠性放在设计的重点，设置考虑采取冗余控制系统；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化；如果系统工艺经常变更，则事先充分考虑。PLC的选型在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点。1.3.1性能与任务相适应对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC,如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联信网4等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。1.3.2PLC的处理速度应满足时实控制的要求PLC工作时，从输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这种现象成为PLCI/O响应滞后，即输入量的变化，一般要在1〜2个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允许的。但有些设备的实时性要求教高，不允许有教大的滞后时间。例如，PLC的I/O点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间。1.3.3PLC应用系统结构合理、机型系列应统一PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。在使用时，应按实际具体情况进行选择。结合以上几点，在设计PLC机械手在大小球分选系统中用的PLC的选型为FX2N系列的可编程控制器，FX2N系列的PLC采用一体化箱体结构，其基本单元将所有的电路，含CPU、储存器、输入输出接口及电源等都装在一个模块内，是一个完整的控制装置。这样结构紧凑，体积小巧，成本低，安装方便。FX2N系列PLCFX^系列基本单元的输入输出比为1：1。为了实现输入输出点数的灵活配置及功能的灵活扩展，FX2N系列PLC还配有扩展单元、扩展模块及特殊功能单元。扩展单元是用于增加I/O点数的装置，内部设有电源。扩展模块用于增加I/O点数及改变I/O比例，内部无电源，用电由基本单元或扩展单元供给。因扩展单元及模块无CPU，必须与基本单元一起使用。特殊功能单元是一些专门用途的装置。FX2N系列PLC都是同宽同高不同长度的模块，这样几个模块拼装起来后就成了一个整齐的长方形结构。根据输入和输出点的需要，即选择FX2N—48MR-001的PLC。PLC控制系统硬件设计2.1按钮和行程开关的选择2.1.1按钮的选择原则根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式，防水式，紧急式等。根据用途，选用合适的型式，如钥匙式，紧急试，带灯式等。按控制回路的要求，确定不同的按钮数，如单钮，双钮，三钮，多钮等。按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色。按钮的参数：一般规格为交流500V，允许持续电流为5A，红色按钮表示停止按钮，绿色表示启动，为了区别按钮颜色，按钮的选择为LA25—D，指带指示灯的按钮。2.1.2行程开关的选择行程开关的分类：直动式，滚动式和微动式三种。直动式行程开关的优点是结构简单，成本低，但容易烧蚀触头。滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点,但其结构复杂，价格也较高，所以选择微动式行程开关体积小，动作灵敏，适用于小型机构中使用。即型号为LX32—4S2.2接近开关、转换开关、刀开关的选择2.2.1接近开关的选择接近开关是一种对接近它的物体有“感知”能力的元件一位移传感器，利用传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。在设计中，接近开关SQO用于检测是否有球，SQ1—SQ5分别用于传送机械手上下左右运动的定位。接近开关分为霍尔接近开关，超声波接近开关，高频振荡式接近开关，霍尔接开关用于检测磁场，一般用磁场钢作为被检测体。超声波接近开关适用检测不能或不可触及的目标，其控制功能不受声、电、关等因素干扰，检测物体可以是固体、液体、或粉末状态的物体，只要能反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成，高频振荡式接近开关用于检测各种金属，主要由高频振荡器，集成电路晶体管放大器和输出器三部分组成。接近开关的产品种类十分丰富，常用的国产解决开关有LJ,3SG和LX18等。LJ5系列接近开关采用磁振荡原理，用来检测金属物体的存在。它采用国际统一的外形及安装尺寸，圆柱螺纹安装，外壳防护等级IP65，允许周围温度范围-25°C〜-30°C。同一产品适用电压范围为AC30〜200V,DC10〜30V（二线型）和（三线型），开关寿命可达3000万次以上，接近开关类型即为LJ5A—10/3302.2.2转换开关的选择转换开关是一种多档位，多触点，能够控制多回路的主令电器，可以用于控制小容量电动机的启动、换向、调速、正反转控制等，常用的万能转换开关有LW2、LW5、LW6、LW8等系列，在设计机械手大小球分选系统中操作方式有手动，单周期，连续。所以选LW5系列的万能转换开关比较使用。2.2.3刀开关的选择刀开关是一种手动电器，为了简单，方便，选择HD型单投刀开关，分为1级，2级，3级，其型号为HD13B—200/3。2.3时间继电器、接触器的选择2.3.1时间继电器的选择时间继电器是一种利用电磁原理或机械动作原理来实现触点延时接通或断开的自动控制电器。它在电气控制系统中是一个非常重要的元器件。一般分为通电延时和断电延时两种类型。从动作的原理上有电子式、机械式等。电子式的是采用电容充放电再配合电子元件的原理来实现延时动作。机械式的样式较多，有利用气囊、弹簧的气囊式；钟表擒纵装置的；也有使用小型罩极同步电机带动凸轮的，现在会有更多的新式的时间继电器出现。时间继电器的用途就是配合工艺要求，执行延时指令。经过调查对比，JS27系列时间继电器是国内厂家90年代针对起重电控行业特点开发的产品，适用于交流50HZ，电压至380V。直流电压至220V的电路中，控制延时通断，能在起重机工作振动和户外等工作，符合设计的要求，即时间继电器型号为JS27A。2.3.2接触器的选择接触器是一种用来自动接通或断开大电流电路的电器。它可以频繁地接通或断开交直流电路，并实现远程控制。其主要控制对象是电动机，也可以用于电热设备、电焊机、电容器组等其他负载。它具有低压释放保护功能，还具有控制容量大、过载能力强、寿命长、设备简单经济等特点，是电力拖动自动控制线路中使用最为广泛的电器元件之一。接触器的选型：根据负载性质选择接触器类别，一般交流负载选择交流接触器，直流负载选择直流接触器。根据被控电路电流大小和使用类别选择接触器的额定电流。根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压。根据控制电路的电压等级选择接触器线圈的额定电压。根据以上所述选择交流电磁式接触器，CJ12系列接触器适用于交流50HZ，额定工作电压至380V,额定电流至600A的电路中。供远距离接通如分断电路及对电动机频繁进行等设备上。其型号为CJ12—600。2.4熔断器、电动机的选择2.4.1熔断器的选择熔断器是一种简单而有效的保护电器。在电路中主要起短路保护作用。熔断器主要由熔体和安装熔体的绝缘管(绝缘座)组成。使用时，熔体串接于呗保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔体呗瞬时熔断而分断电路，起保护作用。熔断器具有结构简单，体积小，重量轻，使用维护方便，价格低廉，分断能力较高，限流能力良好等优点，常用的熔断器有插入式熔断器、螺旋式熔断器、封闭式熔断器、快速熔断器、自复熔断器等型式的熔断器，RT系列为有填封闭管式熔断器，可在500V以下交流系统中作过载及短路保护用，这种熔断器为螺栓连接，可直接连在母线排上,尤其适合开关熔断器组选用，RT15型熔断器最大额定电流400A，额定分断能力100KA。2.4.2电动机的选择电动机是选交流的，而电动机分为异步电动机和同步电动机两大类，异步电动机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。由于异步电动机具有结构简单，制造，使用方便，运行可靠，成本低廉，效率较高等优点而得到广泛应用。例如，在工业生产中，异步电动机用于拖动中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械和矿山机械等；在农业生产中，异步电动机用于拖动水泵，粉碎机以及其他农副产品的加工机械；在民用电器方面的电风扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。所以电动机选交流异步电动机为好，即选三相异步电动机，为笼型异步电动机。2.5电磁阀的选择电磁式电器在电气控制线路中使用量最大，类型也很多，各类电磁式电器在工作原理和构造上基本相同。就结构而言，大都有两部分组成：感应部分——电磁机构；执行部分——触点系统。电磁阀是工业过程自动化控制系统用的执行器，它的优点：耐高温电磁阀是间接先导式平衡电磁阀，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用范围广等，设计所选用的电磁阀为双线圈电磁阀2个,型号为VF3230,单线圈电磁阀1个,型号为VF3130。PLC机械手在大小球分选系统中的设计3.1机械手总体结构方案分析在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，如图3-1为使用传送带将大、小球分类选择传送装置的示意图。为设计一个机械手对大小球进行分选，实现将工件夹起后，通过电动机和限位开关把工件下放到指定的地方，机械手通过PLC控制，可以达到整个过程的全自动依次运行。工作顺序是向下，抓住球，向上，向右运行，向下，释放，向上和向左运行至左上点（原点）抓球和释放球的时间为1秒。■■卜绅垃丈呼枚图3-1机械手动作示意图■■卜绅垃丈呼枚图3-1机械手动作示意图3.1.1任务的要求工作方式设置为手动操作和自动操作；有必要的电气保护和连锁。3.1.2设计分析机械结构和运动过程如上图所示是一气动机械手动作示意图,其功能是将大、小球经过机械手分选系统把它们分别放在大球位，和小球位。气动机械手的升降和左右移行分别使用了双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时能保持在原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。上升、下降对应的电磁阀线圈分别是YV2、YV1,右行、左行对应的电磁阀线圈分别是YV3、YV4。机械手的夹使用单线圈电磁阀YV5,线圈通电时夹紧大小球，断电时松开大小球。通过设置限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别对机械手的下降、上升、左行、右行进行限位，而夹手不带限位开关，它是通过延时1.7S来表示夹紧、松开动作的完成的。3.1.3控制要求机械手的控制要求分为手动操作和自动操作两种方式。自动操作又分为单步、单周期和连续运行等3种。手动操作供维修用，既用按钮要求对机械手的每一种动作进行单独控制。女口，按“上升”按钮，机械手上升，松开“上升”按钮，停止上升。单步运行供调试用。既每按一次启动按钮，机械手按自动工作循环的步序向前执行一个动作后停止。单周期运行首次检验用。当机械手在原位时，按下启动按钮，机械手自动执行一个周期的动作后，停止在原位。自动连续运行正常工作用。当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始地执行各步动作。直到按下停止按钮，机械手就停止。3.2机械手操作面板示图如上图为机械手的操作面板，机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。手动工作方式时，用各种按钮的点动实现相应的动作；回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则机械手自动返回原位；单步工作启动方式时，每按一次启动按钮，机械手向前执行一步；选择单周期工作方式时，每按一次启动按钮，机械手只运行一个周期就停下；连续工作方式时，机械手在原位，只要按下启动按钮，机械手就会连续循环动作，直到按下停止按钮，机械手才会最后运行到原位并停下；而在传送大小球的过程中，机械手必须升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其他大小球。3.2.1程序设计的总体结构机械手系统的程序总体结构如下图3-3所示，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、单周期和连续运行的程序，因它们的工作顺序相同，所以可将它们合编在一起。CJ是条件跳转应用指令，指针标号P□是其操作数。该指令用于某种条件下跳过自动CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间。如果选择“手动”工作方式，

即X0为ON,XI为OFF,则PLC执行完公用程序后，将跳到自动程序到P0处，由于X0动断触点断开，所以直接执行“手动程序”由于P1处的X1的动断触点闭合，所以又跳过原位程序。如果选择“单步”和“连续”方式，贝U只执行公用程序和自动程序。I/O口点分配及I/O口设备3.3.1I/O口点分配表3-1I/O口点分配输入元件输出继电器输入元件输出继电器输入元件输出继电器接近开关X0停止按钮X7电磁阀Y1上限位开关X3电磁阀按钮X11原位指示Y5下限位开关X2上升暗钮X12左移Y4左限位开关X1下降暗钮X13右移Y3左移暗钮X14上升Y2大球位X5右移按钮X15下降Y0小球位X4单周/连续X16启动按钮X6手动X17上图可见，系统的输入点分配是：XI为左限位开关，X2为下限位开关（小球动作、大球不动作），X3为上限位开关，X4为释放小球的中间位置开关，X5是释放大球的右限位开关，X0为系统的运行开关。系统的输出点分配是：Y0是机械臂下降，Y2是机械臂上升，Y1是吸球口，Y3是机械臂右移，Y4是机械臂左移，Y5是机械臂停在原点的指示灯。3.3.2I/O口设备启动SA停止SB大球位SQ5小球位SQ4上限位SQ3启动SA停止SB大球位SQ5小球位SQ4上限位SQ3下限位SQ2左限位SQ1接近开关SQ0X7Y5X6Y4X5X4Y3X3Y2X2Y1XIY0X0COM2+243比沿°口设备KM1KM2HL原位指示KM2左移KM1右移YV2上移丫A电磁阀YV2下移QS3.4状态流程图和步进梯形图3.4.1状态流程图根据工艺要求，该控制流程根据吸住的是（大球、小球）有两个分支，此处应为分支点，且属于选择性分支。分支在机械臂下降之后根据接近开关（X0）的通断,分别将球吸住、上升、右行到SQ4或SQ5处下降，此处应为汇合点。然后再释放、上升、左移到原点。其状态转移图如图3-5所示。状态流程图：当限位开关闭合，机械手臂电磁阀线圈未通电和球箱中存在铁球开关动，这时，按下启动按扭，机械手臂开始下降，由定时器TO控制下降时间，完成动作转换。为保证机械手臂抓住和松开铁球，采用定时器TO控制抓球时间，采用定时器TO控制放球时间。机械手臂抓球和放球动作是由电磁阀线圈通电后产生的电磁吸力将铁球吸住，线圈失电后,电磁吸力消失，铁球在重力作用下而下落.为保证电磁阀在机械手运行中始终通电，采用SET指令控制电磁阀线圈得电，RST指令使电磁阀线圈失电。血002_LinriQ用Ik屯展tkI?丹X17丹止X7::H¥r氓拓丁TDX2丄工車ZE-丁苹也-启用X7SJSXD—||善虑五丹关<5F><20T^tk下用也323TlS23£S8|——下善zjzXETf?tkS£^-]SET|n<tF>klo上用ikS30-saisetYip■酝■■*=也卫」―|率|——上善-I-X3上胃也图3-5状态转移图S27>3Arftk3.4.2步进梯形图M8002□o

sn^ugTXIX3Y1—K10X3—I|—iSEIpE斗SETYLS26TIPy®^.07~~II~~|3E~HSE7|T324SETX4X5—0D—Q0—11—11—ISE-EaaSE8—IseiEE?S29TS30T卜K10EHS3QMl—|SETfc3ilS3L—OO-H®XIX7

HHHETSD!—IHHHSET1S21IENDl图3-6步进梯形图4调试4.1基本指令顺序控制程序将梯形图程序输入到计算机。对程序进行调试运行。将转换开关SA旋至“手动”挡，按下相应的动作按钮，观察机械手的动作情况。将转换开关SA旋至“回原位”，按下回原位按钮，观察机械手是否回原位。将SA旋至“单步”档，每按启动按钮，观察机械手是否向前执行下一动作。将SA旋至“单周期”挡，每按一次启动按钮，观察机械手是否运行下一个周期就停下。将SA旋至“连续”挡，按下启动按钮，观察机械手是否连续运行。记录调试程序的结果。4.2基本指令与步进指令控制程序将顺序功能图转换为梯形图输入到计算机。对程序进行调试运行。将转换开关选至“连续”挡，先按回原位按钮，再按启动按钮，观察机械手是否连续运行。记录调试程序的结果。4.3基本指令、初始状态指令配合步进指令顺序控制程序将控制程序输入到计算机。对程序进行调式运行与基本指令顺序控制的相同。记录调试程序的结果。一个学期的毕业设计就要告一段落，纵观整个设计过程，经历了不少的挫折和失败，但最终获得了一定的成功。可以说在这一过程中我的收获很大，充分认识到自己的薄弱环节，通过理论分析与实践的反复进行和论证，许多问题都有了较好的解决方案。软件部分采用各部分程序直接转的方式，依次实现了PLC流程图、梯形图、指令表三种机械手控制方式。用此种方法编写程序条理清晰，连贯性强，但若要增加其它机械手控制方式或进行扩展，程序会变得相当复杂而且容易出错，出错后调试修改也很困难。收进的方式是将各部分程序写成程序，方便调用和调试。另外，在本次设计的中，计时、计数、移位等均用软件定时。此种方法的优点是程序编写比较简单，不需要再编写分支、汇合状态移图的程序，且由于本课对定时精确度要求并不高，适宜采用。若是在对定时精度要求比较高的情况下，应采用单片机的中断功能进行硬件定时。通过此次设计，了解了PLC机械手在大小球分选系统的工作原理，首次学习了一些机械手的工作原理及使用方法。其中电路及软件实现是此次设计的主要部分。通过这次综合实践，我更加看清了自己的不足之处。通过查阅资料以及在老师和同学的帮助下，最终基本达到了设计目的。巩固了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。特别是老师严谨负责的态度给我启发不小。在这次的设计实践过程中，我认识到不管做什么事，尤其是科学实践，都需要大胆假设，小心求证。任何一个方案都要经过详细周全的论证后才能着手去做，否则即使很快做出来，但经不起推敲和考验。本次设计主要用FX2N系列PLC机械手在大小球分选系统进行控制。在本设计第一章中主要先阐述本次设计的意义，同时通过分析当前机械手的发展现状来说明本次设计所要做的工作。在第二章硬件设计中，通过阐述本设计中机械手的工作原理，对PLC的选型以及对输入端口和输出端口的选择以及分类画出I/O接线