【《基于PLC的物料分拣系统硬件和软件系统设计案例》7400字】

基于PLC的物料分拣系统硬件和软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u25237基于PLC的物料分拣系统硬件和软件系统设计案例 118238第1章硬件器型的选择 1316701.1PLC型号的选择 191251.1.1几类PLC的比较 1219581.1.2FX2N型号PLC的介绍 250621.2检测元件 397391.2.2分拣运动限位开关选择 5281891.3变频器和驱动系统 5118301.3.1变频器的选型 597751.3.2驱动系统的类型及选择 6209671.4电动机的选择 878131.5输入输出点的分配设计 9269501.2.1I/O分配表 9223731.2.2PLC的接线图 1016724第2章物料分拣自动系统软件设计 11185152.1物料分拣自动控制系统的工作步骤 12327442.2PLC编程语言和软件的选择 12252502.2.1编程语言的选择 1242122.2.2编程软件的选择 13280722.3系统控制程序的编写 13第1章硬件器型的选择1.1PLC型号的选择对PLC型号的选择依据是根据PLC各型号的适用功能以及其容量大小，并在保证可靠的前提下尽量做到具备最高性价比。1.1.1几类PLC的比较现今市场上，存在各种型号的PLC产品，不胜枚举，对应其功能也是应有尽有，但是每个公司的PLC产品都各具特点。目前市场上使用最多的是由三菱、欧姆龙及西门子三个公司生产的PLC产品，下面将对该三个公司的产品做一个比较。（1）西门子PLC西门子公司生产的PLC是目前市场上应用范围最广泛的，尤其是S7系列的PLC，其功能之强大，更是在PLC市场上独树一帜。总体来说，西门子公司生产的PLC，不论是独立运行，抑或是与网络相结合，都能实现很好的控制功能，性价比很高。西门子的产品，虽然在价格上较高于其他同类产品，编程也较为复杂，但是在性能的可靠性上占有极大的优势。特别是在处理模拟量的输入时，精度要比三菱、欧姆龙公司的PLC精度高很多。值得一提的是，西门子公司的PLC，在编程上除了常规的梯形图、顺序功能图、助记符以外，还增加了指令表和结构文本两种编程语言，令其使用起来更加方便。西门子系列的产品特别适用于要求有高精度、高可靠性的生产设备。但是西门子系列PLC的价格昂贵，从产品设计的成本考虑，不选择西门子公司的PLC作为本设计的控制器。（2）欧姆龙公司的PLC欧姆龙公司生产的PLC深受广大用户的喜爱。它的结构灵活，不受环境影响，可以随时任意扩展用户接口。其最大的特点就是传输速度较快，传输质量较高，带宽稳定，抗干扰能力较好，通信方便，容易实现远程的实时监测。但欧姆龙公司是针对数字量的设备而生产，对模拟量的处理远不如三菱公司和西门子公司。所以，欧姆龙公司的PLC一般用于数字量输入较多的工业设备，并不用于模拟量输入较多的设备。（3）三菱公司的PLC三菱公司是我国最大的生产PLC的公司，生产各种类型的PLC，其产品在各个行业都有广泛应用。而且，三菱公司PLC的价格适中，适合绝大多数的公司使用。其安装方便，程序的编写较简单，编程技巧易于掌握，且操作较方便，在出现故障后，维修较容易，适合对于PLC的初学者。综上，通过对以上三家公司产品的对比，再依据本次设计对设备可靠性及生产工艺的要求，本设计选择三菱公司的PLC产品，可以满足对生产设备可靠性控制的要求。三菱公司是较早推进PLC到中国市场的公司，旗下的小型F系列产品，经过升级优化推出了F1/F2系列，早期在我国有着不小的销量。这极大地刺激了我国国内市场的发展需求，并且被引入到高等院校的教材中，各大出版社公司以日本三菱公司PLC为基础的模版普及地讲解其结构及与之相对应的程序编写方式。一些国内的PLC生产商和厂家充分地利用了市场需求，以三菱PLC为主要生产线的自动化控制系统设计方式快速地获得了一大片的市场和使用者，其PLC编程语言的所有指令集全都是要求与三菱公司的PLC得以兼容。三菱PLC以较高的性价比，低廉的价格和很高的产品质量称合了中国工业化自动控制系统行业的需求，把握了这个市场。其高性能，低价格的特点也使其广泛应用在国内工业发展。1.1.2FX2N型号PLC的介绍这次的PLC选型选择的是三菱公司旗下生产的FX2N-48MR型号。FX2N是整个FX系列中目前可以实现的功能最多、兼容性最好，且功能实现也是最稳定的小型PLC。其中的用户端内存为8Kb，最大I/O点数量目标可以被扩展为256个。FX2N-48MR系列PLC是日本三菱公司研发和生产的一种具有较高性价比的微型可编程控制器，这种系列产品能够满足多种类型的自动化管理控制需求。由于FX2N-48MR具有一个紧密集成和整合性高的设计、优良的延展性、适当的价格以及强大的指令实施能力，使得FX2n-48MR能够几乎完美地满足了一个较小规模的控制需要，十分符合本次研究所设计的一个自动化控制系统。在机械结构上，其外壳紧合坚固，安装便捷，接线、操作简易。除此之外，它还包括一些能够满足单个所需的大量专门功能模块，可以给工厂生产过程中的自动化应用带来最大限度的可操作性与现场实践的灵活性。图1.0展示了FX2N-48MR的PLC实物图。图1.1FX2N-48MR实物图综上所述，FX2N-48MR具备以下优点：1.系统配置既固定又灵活;2.编程简单;3.备有可自由选择的丰富品种;1.性能的高可靠性;2.运算速率高;6.适用于多种特殊用途;7.外部机器通讯简单化;8.共同的外部设备。1.2检测元件在本自动分拣系统的设计中，要求对物料正确的检测分类是通过传感器检测反馈实现的。本设计主要针对物料的运动限位、物料的材质及颜色、物料口有无物料进行检测反馈。为了成功实现该系统自动分拣的核心任务，设计一个实用性强、控制方便的控制系统，对于检测元件的选择是必不可少且十分关键的步骤。为了在保证系统安全稳定运转的同时，又能将经济投入降到最低，对各类传感器的选择就显得尤为重要。选择检测元件的根据：要尽量做到成本低、功能适用性强、检测重复准确率高且工作性能稳定。1.2.1传感器的选择本系统的设计研究主要针对铁、铝物料，以及黑色、白色塑料物料这四种物料的自动分拣，检测任务通常采用光电传感器、金属传感器、电磁传感器以及颜色传感器。光电检测传感器：是将光学电信号或者其他信号数据转换为电信号的一种传感器件。它们的主要工作作用原理主要是以光电辐射效应为理论基础。光电辐射效应就是指当发射光线照射到某些磁性物体上时，物质的整个电子系统会直接吸收这些发射光子的全部能量从而由此产生了与之交互相应的光子放电辐射效应。光电式传感器本身由于具有无需接触、响应速度快、性能可靠等优势，因此被广泛地研究并应用于现代工业中的自动化制造设备和工业机器人中。在本设计中，光电传感器主要实现了物料口是否有料的控制检测任务。图1.3展示了一类光电传感器。图1.3光电传感器实物图金属传感器：金属传感器分为利用电磁感应高频振荡型，使用磁铁磁力型和利用电容变化电容型。接近传感器可以不与目标物实际接触情况下检测靠近传感器金属目标物。电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器检测面与外界构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面对，回路电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制开关信号。在本设计中，金属传感器主要实现了对金属和塑料两类物料的控制检测任务。图1.4展示了一类金属传感器。图1.4金属传感器实物图电磁传感器：电磁传感器又叫电磁式传感器、磁电传感器等，电磁传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。在本设计中，电磁传感器主要实现了对铁质、铝质物料的控制检测任务。图1.5展示了一类电磁传感器。图1.5电磁传感器实物图颜色检测传感器：这种物体色彩检测传感器又称为颜色识别传感器或颜色传感器，它的主要功能是将一个对比物体的参考颜色与前面已经准确表示并设教好了的其他物体参考色的颜色之间互相进行高度对比而对其加以区分，当两个对比物体的参考之间在一定颜色误差值的范围内互相进行吻合时，就可能会直接产生颜色检测的准确结果。图1.6展示了一类颜色传感器。图1.6颜色传感器实物图1.2.2分拣运动限位开关选择在本系统的分拣过程中，主要的“拣”是由气缸执行完成的，故而气缸能否准确地将运行到对应位置的物料推给至物料槽中的过程非常之重要。为了检测物料在输送搬运过程中各个运动器件的运行位置，也可以说是对往复运动的行程进行检测控制。考虑到设计方便、加工工艺可靠性、安装的便捷以及调试等各方面，选择磁性开关用于检测气缸的运动位置，提供气缸的伸缩位置信号。1.3变频器和驱动系统1.3.1变频器的选型本次设计变频器部分选型拟采用实验室提供的施耐德的一款变频器，型号为ATV11HU18M2A。其输出信号频率范围为0.5～200Hz，使用的是一种无线传感器的磁通向矢量控制。在输入部分，有一路可以进行模拟和逻辑输入，4个可以进行逻辑输入。输出部分是作为一个PWM集电极的开路输出或者说是一个可编程逻辑输出。本次设计选取的变频器输入为电位器速度给定，是通过DA模块将数字量转化为模拟量即为电位差的变化来改变变频器的输出，以达到调频控制电机。图1.7展示了变频器实物图。图1.7变频器实物图1.3.2驱动系统的类型及选择本文研究的物料分拣自动控制系统中，驱动控制模块是其实现运行的关键之一。而根据不同的驱动形式，其又各自具有不同的驱动特点：电气驱动：该驱动方式的优点体现在其控制工作驱动力大，精度高，且对具体工作要求的反馈响应迅速，与此同时在信号检测、传递以及处理方面也很简单方便。但该驱动方式需要装备大量特殊的电气设备，则随之而来的运行成本很高，从工业利润的角度出发限制了该驱动方式的适用范围。从而，更加经济化的驱动方式得以开发，其中主要代表为气压驱动。图1.8是一种电气驱动器。图1.8电气驱动器液压驱动：本驱动方式虽然笨重，功重比（功率重量比）大，但可经常应用于需要常变速换向的工业场合下，且工作状态相对稳定。其次，该驱动方式对实现电路过载保护较为简便，并且可充分利用自身驱动方式携有的液压油，发挥其润滑作用，从而大大延长其使用寿命。相应地，该驱动方式的缺点显而易见：必须依靠油压实现驱动控制，从而产生了如若液压油泄露事故将带来的环境污染问题等，极大地影响了环境保护。同时，配备油源、更换油源等，直接导致其驱动成本较高。另外，该驱动处于工作状态时，会带来极大的噪声污染。图1.9是一种液压驱动器。图1.9液压驱动器气压驱动：该驱动方式的优点明显：无需专用的油源，原料为空气，成本低廉；结构简易；功率体积比较高；避免了潜在的漏油问题，绿色环保；工业场合下的抗干扰能力较强，因此气压驱动的适用范围很广。气压驱动技术自被开发以来，因其稳定性能、低廉成本，从而大量应用于所有现代化生产领域及自动化生产线上。据了解，众工业发达国家如美、德、日等均广泛运用气动驱动技术，实现各类生产发展的巨大进步。我国制造业近年来也与世界接轨，对气动驱动技术的应用也已逐步完善，越来越多地选择使用气动驱动元件，使得我国各类产业均有明显发展提升。综上，气压驱动技术为世界各行各业的生产提供了巨大的动力来源，已然成为一种特别的动力驱动技术。图1.10是一种气压驱动器。图1.10气压驱动器表1.1各类驱动系统的对比驱动方式气压液压电气系统结构简易复杂复杂安装自由度大大小输出功率较大大小定位精度一般一般较高动作速度快较快快响应速度慢快快清洁度清洁有潜在污染清洁维护简捷较复杂需特殊技术价格成本一般较高很高技术要求较低较高很高控制自由度广广一般危险性几乎无潜在易燃一般无综上述各类驱动方式的特点，“表1.1”总结了各控制方式的特点，比较结果如上：依照表格给出的对比结果，不难得出：气动驱动方式既能同时满足本设计的任务要求，也能极大程度地节约生产成本，应为本物料分拣自动控制系统设计中驱动模块的首选。综上，本设计选用气压驱动中的双作用直线标准气缸。1.4电动机的选择本次设计因客观原因限制，拟采用电动机来模拟传输模块的运作。本次设计选用的是三相异步电动机（如图1.11），靠变频器给定的滤波变化来控制转速，接法采用的是三相星形接法（如图1.12）。图1.12三相星形接法图1.11三相异步电动机与变频器实物连接图1.5输入输出点的分配设计1.2.1I/O分配表本次设计中，选用的FX2N-48MR型号PLC拥有24个输入以及24个输出，设计中所需一共28个端口，完全满足本次设计的输入输出需要，并且也留个足够的输入输出口裕度，且经过综合考虑，以及硬件的基础上，本次设计选用21个输入端口，7个输出端口。表1.2I/O分配表输入变量输出变量说明输入端口说明输出端口启动X0自动运行Y0停止X1变频器低速Y1复位X2变频器中速Y2有料检测传感器X3/Y3金属传感器X4/Y4电磁传感器X5推料气缸1电磁阀Y5物料到位光电1X6推料气缸2电磁阀Y6物料到位光电2X7推料气缸3电磁阀Y7物料到位光电3X10/Y8物料到位光电4X11/Y9推料气缸1推出到位X12推料气缸4电磁阀Y10推料气缸2推出到位X13推料气缸3推出到位X14推料气缸4推出到位X15清零按钮1X16清零按钮2X17清零按钮3X20清零按钮4X21颜色传感器X221.2.2PLC的接线图本次设计选用的是三菱FX2N系列PLC，根据上文确定的变量及对应的I/O端口分配绘制了相应的硬件接线图，如下图所示：图1.13物料分拣自动控制系统PLC接线图第2章物料分拣自动系统软件设计本设计中我们准备采用GXWORK2作为编程的软件，这种编程软件可以适用于三菱公司的FX2N-48MR系列PLC。完成了硬件设计部分之后，下一步便是软件部分的设计，这是设计的核心所在，按照控制系统需要完成的目的和功能以及硬件部分的设计要求，考虑PLC控制系统的输入输出地址分配情况。按照本设计所准备实现的功能和目的，首先开始进行主程序流程图的绘制和子程序流程图的绘制，然后进行输入输出地址分配，然后再按照不同的功能编写对应的功能模块，编写程序梯形图。2.1物料分拣自动控制系统的工作步骤物料分拣自动控制的工作流程可以描述为以下几个步骤：（1）X0、X1作为总开关，X0是启动开关，X1是停止开关，当第一次按下X0程序运行时，整体控制程序自动闭环循环；（2）当系统开始启动后，有料检测模块开始工作，接收到PLC中的有料检测指令后，有料检测传感器开始检测，即X3开关闭合。若有料，则将信号反馈至驱动系统，物料将处于被运输状态。（3）接下来PLC继续向X4、X5、X22发出工作指令。金属传感器、电磁传感器以及颜色传感器同时进入检测模式，对传输台上的物料进行类别检测。若是铁质物料，则物料被运输至1号物料槽的中间位置，此时X6光电传感器检测到物料到位，Y5接收到推料指令使得铁质物料被推给进入1号物料槽；若是铝质物料，则物料被运输至3号物料槽的中间位置，此时X10光电传感器检测到物料到位，Y7接收到推料指令使得铝质物料被推给进入3号物料槽；若是黑色塑料，则物料被运输至2号物料槽的中间位置，此时X7光电传感器检测到物料到位，Y6接收到推料指令使得黑色塑料被推给进入2号物料槽；若是白色塑料，则物料被运输至4号物料槽的中间位置，此时X11光电传感器检测到物料到位，Y10接收到推料指令使得白色塑料被推给进入4号物料槽。（4）物料从被检测上台，到被检测判定出类别的过程，传输带都通过变频器的低速指令Y1，控制物料处于平缓慢速运输状态；一旦物料类型确定，PLC随即发出分拣指令，此时传输带通过变频器的中速指令Y2，控制物料处于中速运输状态，在被对应限位开关检测到后，再继续进行后续分拣工作。（5）根据各个推料气缸的推料次数，即Y5、Y6、Y7、Y10分别的指令执行次数来累计各个物料槽中的物料数量，若系统完成某特定周期的分拣任务后，可通过X16、X17、X20、X21清零按钮实现系统清零。(6)物料分拣系统一旦进入有料且物料被分拣的正常工作状态时，正常工作状态指示灯亮，否则不亮。2.2PLC编程语言和软件的选择2.2.1编程语言的选择目前PLC常用的编程语言主要有梯形图、指令表、先级功能图以及各种功能块的顺序示意图。本流程设计中所选择采用的梯形图主要目的是因为设计工作中的流程软件设计的简单性和可靠度,故我们选择了梯形图语言作为本次流程设计的主要软件系统编程设计语言。梯形图符号是一种用图形符号在传统电路信息图中的相互关系来准确表示各种控制关系的一种新型编程设计语言,也是从我们传统电路继电器的电路图形符号信息图的技术发展演变历程过来逐步发展而来的,所以它们所要绘制和输出的电路图形符号信息图的符号与我们传统电路继电器的电路图形符号信息图中的梯形符号和相互结构都非常相似。在对图进行分析绘制这种梯形图时,可将上图PLC中所有两个参与控制逻辑电路组合的放电元件进行观察后看到,它们既和驱动继电器同样,具有放电动合、切断触点及放电线圈,且这些触点的能量得失以及电平也会直接影响引起触点的进行相应放电动作。再通过充分利用额定母线设计取代了额定电源线,能量和电流的设计概念直接取代了基于继电器系统集成路母线设计中的额定电流流等概念,即可通过充分利用基于继电器系统集成路的线路网框图的各种类似设计思路图来进行设计绘制梯形图。2.2.2编程软件的选择本次的软件设计方案将直接采用三菱PLC梯形图软件编程应用软件系统来对其进行设计实现,在梯形图软件编程应用软件的的选择上本次新的设计方案选取了一款日本三菱公司最新正式发布的梯形图软件编程应用软件GXWORKS2,GXWORKS2是一款专门开发用于对三菱PLC软件进行梯