大小球自动分拣装置设计

1绪论

工业生产的各个领域,无论是过程限制系统还是传动限制系统,都包含着大

量的开关量和模拟量。开关量也称数字量，如电动机的启停、阀门的开闭、电子

线路的转置位与复位、计时、计数等；模拟量也称连续量,如不断变更的温度、

压力、速度、流量、液位等。

从生产机械所应用的电器与限制方法看，最初是采纳一些手动电器来限制

执行电器,这类手动限制适用于一些容量小、操作单一和场合。随后发展为采纳

自动限制电器的继电-接触器限制系统。这种限制系统的特点是结构简洁，价格

低廉,维护便利，抗干扰强，因而广泛应用于各类机械设备上。但由于该限制形式

是固定接线,通用和敏捷性差，又由于采纳有触点的开关动作,工作频率低,触点

易损坏，牢靠性差。

随着生产力的发展和科学技术的进步，人们对所用限制设备不断提出新的

要求。具有程序变更简洁、程序存储量大、通用性强等优点的由集成电路组成

的依次限制器应运而生。

所谓依次限制，是以预先规定也的时间或条件为依据,按预先规定好的动作

次序,对限制过程各阶段依次地进行以开关量为主的自动限制。曾经流行的依次

限制器主要有3种类型:基本逻辑型、条件步进型和时间步进型。其特点是:通

用性和敏度性强,通过更改程序可以很便利地适应常常更改的限制要求，简洁对

大型、困难系统进行限制,但程序的实现和更改方式并没有从本质上变更,仍旧

是对硬件进行设置和更改。

1.1选题背景

1969年,结合讦算机技术与继电器接触限制技术诞生出了可编程逻辑限制

器（），它具有逻辑限制、定时、计数等功能，并取代了继电-接触器限制。采

纳计算机存储程序和依次执行的原理;编程语言采纳直观的类似继电-接触器限

制电路图的梯形语言，这使得限制现场的工作人员可以很简洁地学习和运用。限

制程序的更改可以通过干脆变更存储器中的应用软件来实现，由于软件的更改

极易实现,从而在实现方式上有了本质的飞跃,其通用性和敏捷性进一步增加C

随着时代的发展技术也在不断的发展，相继出现了以微处理器为核心的可

编程序限制（）和日中心微处理器0、大规模集成电路、电子开关、功率输出

器件等组成的可编程限制器（）。在其技术发展迅猛的今日，这个课题值得我们

去细致探讨与学习应用CL2]o

PLC基本单元

输入端口输出端口

电源

也

费

单

单

兀

元CPU

总线

编程器-

用

写入器-3扩

接

打印机-量

接

口

兀

人机界面-口

上位计算机-

图1—1的基本组成

1.2可编程限制器（）历史与发展趋势

1.2.1可编程限制器的历史

1969年，美国数字设备公司（公司）研制出第一台可编程序限制器14,在美

国通用汽车公司的生产线上试用胜利，并取得了满足的效果,可编程序限制器自

此诞生。

可编程序限制器自问世以来，发展极为快速。1971年，日本起先生产可编程

序限制器。1973年，欧洲起先生产可编程序限制器。到现在世界各国的一些闻

名的电气工厂几乎都在生产可编程序限制器装置。可编程序限制器已作为一个

独立的T业设备被列入生产中，成为当代电限制装置的主导°

1.2.2可编程限制器的发展趋势

早期的可编程序限制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，它采纳

了一些计算机技术但简化了计算机的内部电路,对工业现场环境适应性较好,指

令系统简洁,一般只具有逻辑运算的功能。伴随着微电子技术、限制技术与信息

技术的不断发展，可编程序限制器也在不断的发展。可编程序限制器的发展趋势

主要体现在以下几个方面：

⑴速度更快，体积更小；

(2)工业限制技术的集成；

(3)开放性与与主流计算机的结合；

(4)仿真软件的开发；

(5)实现远程服务⑶"。

1.3的工作原理

是基于电子计算机的工业限制器,从产生的背景来看系统与继电-接触器限

制系统有着极深的渊源，因此,可以比照继电-接触器限制系统来学习的工作原

理。

1.3.1P的等效电路

一个继电-接触器限制系统必定包括3个部分:输入部分、逻辑电路部分、

输出部分。输入部分的组成元件大体上是各类按钮、转换开关、行程开关、接

近开关、光电开关等；输出部分则是各种电磁阀线圈、接触器、信号指示灯等

执行元件。将输入与输出联系起来的就是逻辑电路部分,一般由继电器、计数器、

定时器等元件的触点、线圈依据要求的逻辑关系连接而成,能够依据肯定的输入

状态输出所要求的限制动作C

系统也同样包含这3个部分，唯一的区分是的逻辑电路部分用软件来实现,

用户所编制的限制程序体现了特定的输入/输出逻辑关系。

输入

SB1W

FR

图1-2等效电路

当用来完成限制任务时，可将输入条件接入,而用的输出单元驱动接触器,

它们之间要满足的逻辑关系由程序实现。如图1—2所示,输入按钮信号经过的

接线端子进入输入接口电路的输出经过输出接口、输出端子驱动接触器；用户

程序所采纳的编程语言为梯形图语言。输入映像对应的是内部的数据存储器,

而非实际的继电器线圈。

图中X、Y分别表示输入、输出接口的地址，也对应着存储器空间中特定的

存储位，这些位的状态（或者）表示相应的输入、输出端口状态。每一个输入、输

出端口的地址是唯一固定的的接线端子号与这些地址一一对应。由于全部的输

入、输出状态都是由存储器位来表示的，它们并不是物理上实际存在的继电器线

圈，所以常称它们为“软元件”，它们的常开、常闭触点可以在程序中无限次运

用。

1.3.2P的T作过程

的工作过程以循环扫描的方式进行，当处于运行状态时,其运行周期可划分

为3个基本阶段:输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。

1）输入采样阶段

在这个阶段逐个扫描每个输入端口，将全部输入设备的当前状态保存到相

应的存储区，把专用于存储输入设备状态的存储区称为输入映像寄存器。

输入映像寄存器的状态被刷新后,将始终保存,直到下一个循环才会被重新

刷新,所以当输入采样阶段结束后，假如输入设备的状态发生变更，也只能在下

一个周期才能被接收到。

2）程序执行阶段

将全部的输入状态采集完毕后,进入用户程序的执行阶段。所谓用户程序的

执行并非是系统将的工作交由用户程序来管理所执行的指令仍旧是系统程序中

的指令。在系统程序的指示下从用户程序存储区逐条读取用户指令，经说明后执

行相应动作，产生相应结果，刷新相应的输出映像寄存器,期间须要用到输入映

像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。

当在系统程序的管理下扫描用户程序时，依据先下而上、先左后右的依次依

次读取梯形图中的指令。

当用户程序被完全扫描一遍后,全部的输出映像都被依次刷新,系统进入下

一个阶段一一输出刷新阶段。

3）输出刷新阶段

在这个阶段，系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经

过输出接口、输出端子输此驱动外部负载。输出锁存器始终将状态保持到下一

个循环周期，而输出映像寄存器的状态在程序执行阶段是动态的5叫

1.4系统设计的基础学问

的系统设计主要为软件设计，它是硬件学问和软件学问的综合体现，既要

有、计算机、限制技术的学问，又要有现场实践的阅历。其中第一步就是要依

据被控对象（机电设备或过程）的限制要求与系统功能设计的要求，为应用软

件的编程提出明确的目的、依据、要求和指标，并依据其编写相应的程序。

1.4.1P限制系统设计的原则

1）最大限度的满足被设备或生产过程的限制要求；

2）在满足限制要求的前提下，力求简洁、经济，操作便利；

3）保证限制系统工作平安牢靠；

4）考虑到今后的发展改进，应适应留有进一步扩展的余地。

1.4.2P限制系统设计的内容

1）拟定限制系统设计的技术条件,它是整个设计的依据；

2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；

3）选定的型号；

4）编制的输入/输出安排表或绘制输入/输出端子接线图；

5）依据系统要求编写软件说明书，然后再进行程序设计；

6）重视人机界面的设计，增加人与机器之间的友善关系;

7）设计操作台、电气柜与非标准电器元部件；

8）编写设计说明书和运用说明书。

1.4.3P限制系统设计的一般步骤

由于的结构的工作方式与一般微型计算机和继电器相比各有特点，所以其

设计的步骤也不相同，具体设计步骤如下：

1）具体了解被控对象的生产工艺过程，分析限制要求；

2）依据限制要求确定所需的用户输入/输出设备；

3）选择类型；

4）安排的点,设计连接图；

5）软件设计，同时可进行限制台的设计和现场施工；

6）系统调试,固化程序,交付运用。

其设计步骤流程如图1-3所示。

设计

程序

设计

电路

硬外部

件

设软

计件

设

计

配线

安装

PLC

调

程序初

调成

现场

骤

设计步

制系统

-3限

图1

型

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1.5

下

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性能

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求

制的要

实时限

应满足

理速度

(2)的处

工作时，从输入信号限制存在着滞后现象，即输入量的变更，一般要在「2

个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业限制是允许的。但有些设备

的实时性要求较高，不允许有较大的滞后时间。例如的点数在几十到几干点范围

内，这时用户应用程序的长短对系统响应速度的快慢会有较大的差别。滞后时间

应限制在几十毫秒之内，应小于一般继电器的反应时间°

(3)应用系统结构合理,机型系列应统一

在结构上分为整体式和模块式两种。整体式结构把的和共同放在一块电路

板上,省去插接环节,体积小,每一点的平均价格比模块式的便宜,适用于工艺过

程比较稳定、限制要求比较简洁的系统。模块式的功能扩展点数的增减,输入与

输出点数的比例，都比整体式敏捷。修理更改模块、推断与处理故障更便利，适

用于工艺过程变更较多、限制要求困难的系统。

综合以上的几点,本课题选用的为系列1A2A型。

1.6容量的选择

首先要对限制任务进行具体的分析，把全部点找出来，包括开关量的模拟量,

以与这些点的性质。点的性质主要是指它们是直流信号还是沟通信号,它们的

电源电压，以与输出是用继电器型还是晶体管或是可控硅型。限制系统输出点的

类型特别关键，假如它们这中既有沟通220V的接触器、电磁阀，又有直流24V

的指示灯,则最终选用的的输出点数有可能大于实际点数。因为的输出点一般是

儿个一组共用一个公共端,这一组输出只能有一种电源的种类和等级。不细致选

择简洁造成输出点数的奢侈,增加成本。

确定选用的类型和的点数以后，就要对用户存储器容量进行估算。用户程序

所需内存容量受到内存利用率、开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数

和用户编程水同等几个主要因素的影响。开关量输入/输出总点数是计算所需内

存容量的重要依据。一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6:4。这方面

的阅历公式是依据开关量输入、开关量输出的总点数给出的所需内存字数计算

分式为：

所需内存字数二开关量（输入+输出）总点数X10

具有模拟量限制的系统就要用到数字传送和运算等功能指令，这些功能指

令的内存利用率较低，因此所占的内存数较多。在只有模拟量输入的系统中，一

般要对模拟量进行读入、数字滤波、传送和比较运算。在模拟量输入和输出同

时存在的状况下,运算较为困难，内存须要量大。一般状况下的阅历公式为：

只有模拟量输入时:所需内存字数=模拟量点数X100

模拟量输入/输出同时存在:所需内存字数=模拟量点数x200

这些阅历公式的算法是在10个模拟量左右，当点数小于10时，内存字数要

适当加大，点数多时可适当削减。

对于同样的系统，不同用户编写的程序可能会使程序长短和执行时间差距

很大,一般来说,对初学者应为内存多留一些余量。阅历计算公式:总存储器字数

二（开关输入点数+开关输出点数）x10+模拟点数X150。然后按计算存储器字

数的25%考虑余量。

常用的内存有、Ez和带锂电池供电的。一般微型和小型的存储容量是固定

的，介于1〜2之间。用户应用程序占用多少内存与很多因素有关,如点数、限制

要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略地估算。依据

阅历，每个点与有关功能元件占用的内存大致如下：

•开关量输入元件：1020点;

•开关量输出元件：510点；

•定时器/计速器：2个；

・模拟量：100150点;

•通信接口：一个接口一般须要300B以上。

依据上而算出的总字节数再考虑25%左右的备用量，就可估算出用户程序所

需的内存容量,从而选择合适的内存。

2设计方案的选择

依据任务书设定的课题内容和要求，我们须要采纳编程来实现在系统运行

的限制；而对于分拣的方式，我们则有不同的选择，下面是重点考虑的2种设

计方案：

1.采纳输送带分拣大小球

这种设计方案主要采纳输送带输送球体，并在主输送带上安装传感器，通

过传感器分辨别出球体大小，然后通过输送带的分支结构，将进行过直径检测

的球体分别输送到不同的球缸中。其示意图如下图2-1

图2—1输送带分拣天小球示意图

这种设计方案的优点是：能够实现大规模的分拣，并且传感器的选择多样,

不局限于某一类型的传感器；但对于本次的课题来说，它并不适合。此次的课

题设计属于小型的设计探讨，采纳上述的方案设计会造成资源的奢侈，所以这

个方案不被采纳。

2.机械臂吸附小球

其次种方案是通过磁铁吸附钢球并通过机械臂沿横梁的左右移动来达到大

小球分拣的目的。其示意图如下图2—2,相对于第一种方案，它具有小型简便,

节约资源等优点。

小球往左大球往右

图2—2机械臂分拣大小示意图

而这种方案对于实现机械臂的左右移动主要有2种方法：

（1）利用液压缸实现机械臂双向运动

（2）利用电动机正反转限制机械臂左右移动

两种方法各有其优越之处，都是本课题探讨很好的实现方法，因为液压驱

动通常用液压油作为工作介质，但基于环保和节约的原则，本次选择采纳电力

驱动电动机正反转限制机械臂的移动。

3限制系统的硬件设计

3.1限制按钮和行程开关的选择

3.1.1限制按钮的选择

限制按钮简称按钮，是一种结构简洁运用广泛的手动主令电器，在限制电

路中作远距离手动限制电磁式电器运用，也可以用来转换各种信号电路和电气

联锁电路等。

限制按钮可做成单式（一个按钮）、复式（两个按钮）和三联式（有三个按

钮）的型式。这便于识别各个按钮的作用，避开误操作，通常在按钮上作不同

标记或涂以不同颜色。

这次系统的设计须要用到三联式按钮，分别表示启动、复位和停止。

3.1.2行程开关的选择

行程开关分为直动式,滚轮式和微动式3种。直动式行程开关的优点是结构

简洁,成本低，但简洁烧坏触头;滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点,

但其结构困难，价格也较高。

因为机械臂的行程比较小而作用力也很小，我们采纳具有瞬时动作和微小

行程的微动开关。

3.2接触器、时间继电器、熔断器的选择

3.2.1接触器的选择

电磁式接触器是利用电磁吸力的作用使主触头闭合或分断电动机电路或其

他负载电路的限制电器。其最主要用途是限制电机的起动、反转、制动和调速

等，因此它是电力拖动限制系统中最重要也是最常用的限制器。

在工业电气中，接触器的型号很多，电流在5A-1000A的不等，其用处相当

广泛。通用接触器可大致分以下两类：

1沟通接触器：主要有电磁机构。触头系统。灭弧装置等组成；常用的是

10、12、12B等系列;

2直流接触器：一般用于限制直流电器设备，线圈中通以直流电，直流接

触器的动作原理和结构基本上与沟通接触器是相同的C

表3—1接触器常见运用类别与典型用途

电流种类运用类别典型用途

1无感或微感负载、电阻炉

2绕线式电动机的启动和中断

（沟通）

3笼型电动机的启动和中断

4笼型电动机的启动、反接制动、反向和点

动

1无感或微感负载、电阻炉

（直流）

2并励电动机的启动、反接制动、反向和点

3动

串励电动机的启动、反接制动、反向和点

动

如上表所示，此次探讨中我们须要利用电动机的正反向转动来达到自动分

拣的目的，且运转于沟通电路中，所以我们选用4类别的接触器⑺。