本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于 PLC 的物料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系部名稱: 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 08-1 班 學(xué)生姓名: XXX 指導(dǎo)教師: XXX 職 稱: XXX 二○一二年六月The Graduation Design for Bachelor's Degreethe Design of Material Sorting Based on PLC Control System Candidate:Specialty:Mechanical Design and Manufacture A2ASCPU 支持 32 個(gè) PID 回路。而 QnASCPU 的回路數(shù)目無(wú)限制,可隨內(nèi)存容量的大小而改變;程序容量由 8K 步至 124K 步,如使用存儲(chǔ)器卡,QnASCPU 則內(nèi)存量可擴(kuò)充到 2M 字節(jié);有多種特殊模塊可選擇,包括網(wǎng)絡(luò),定位控制,高速計(jì)數(shù),溫度控制等模塊。FX2N 系列 PLC 是功能齊全的中小型 PLC,其控制規(guī)模包括 16 點(diǎn)/32 點(diǎn)/48 點(diǎn)/64點(diǎn)/80 點(diǎn)/128 點(diǎn) PLC,輸出具有繼電器/晶體管/晶閘管輸出,內(nèi)置 8KB 容量的EEPROM 存儲(chǔ)器, CPU 運(yùn)算處理速度 0.55-0.7μs/基本指令,可連接 I/O 擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊。根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求可以了解系統(tǒng)所需要的 I/O 點(diǎn)數(shù),選擇 FX2N-48MR-001型 PLC[20]。3.1.6 PLC 的技術(shù)指標(biāo)161)FX2N 系列小型 PLC 一般技術(shù)指標(biāo) 一般技術(shù)指標(biāo)主要是指 PLC 產(chǎn)品的工作條件與一般工作環(huán)境的適應(yīng)程度。PLC是專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的,充分考慮了工業(yè)環(huán)境種種惡劣因數(shù)。其技術(shù)指標(biāo)如表 3-1 所示。表 3.1 一般技術(shù)指標(biāo)環(huán)境溫度 0~55℃環(huán)境濕度 35%~85%RH(不結(jié)露)抗震 JIS C0911 標(biāo)準(zhǔn) 10~55Hz 0.55mm(最大 2g)3 軸方向各 2h抗沖擊 JIS C0912 標(biāo)準(zhǔn) 10g 3 軸方向各 3 個(gè)抗噪音干擾 用噪音仿真器產(chǎn)生電壓為 1000Vp-p,噪音脈沖寬度為 1μs,頻率為30~100Hz 噪音,在此噪音干擾下 PLC 正常工作耐壓 1500AC 1min絕緣電壓 5M 以上,500V DC接地 第 3 種接地,不能接地時(shí),亦可浮空使用環(huán)境 禁止腐蝕性氣體,嚴(yán)禁塵埃2)性能技術(shù)指標(biāo)性能技術(shù)指標(biāo)標(biāo)志某種 PLC 在硬件和軟件反面所具備功能。不同機(jī)型差異較大,在 PLC 選型時(shí)要逐一考慮該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)能否滿足要求。PLC 的性能包括:輸入指標(biāo)、輸出指標(biāo)和電源指標(biāo)方面。如表 3-2、3-3、3-4 所示。表 3.2 輸入技術(shù)指標(biāo)輸入電壓 24V DC 隔離 光電耦合輸出電流 7mA 響應(yīng)時(shí)間 10ms表 3.3 輸出技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目 繼電器輸出 SSR 輸出 晶體管輸出外部電源 250V AC,30V DC 85~242V AC 5~30V DC電阻負(fù)載 2A/點(diǎn) 0.3A/點(diǎn),0.8A/4 點(diǎn) 0.5A/1 點(diǎn),0.8A/4點(diǎn)感性負(fù)載 80VA 15VA/100V AC 30VA/240V AC12W/24V DC最大負(fù)載燈負(fù)載 100W 30W 1.5W/24V DC開路漏電流 ____ 1mA/100V AC 2.4mA/240V AC0.1mA/30V DC最小負(fù)載 ____ 0.4VA/100V AC 2.3VA/240V AC____17OFF-NO 約 10ms 1ms 以下 0.2ms 以下響應(yīng)時(shí)間NO-OFF 約 10ms 最大 10 ms 0.2ms 以下隔離方式 繼電器隔離 光電晶閘管隔離 晶體管隔離表 3.4 電源技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目 FX-16M FX-24M FX-32M FX-32EFX-48MFX-48EFX-64M FX-80M電源電壓 (100~240V)+10%-15%AC 50/60Hz(120/240V 電源系統(tǒng))瞬間斷電允許時(shí)間 對(duì)于 10ms 以下的瞬間斷電控制動(dòng)作不受影響電源熔絲 250V 2A, 5mm*20mm 250V 5A,5mm*20mm電力消耗/VA30 35 40 50 60 70傳感器無(wú)擴(kuò)展模塊電源有擴(kuò)展模塊24V DC 250mA 以下24V DC 100mA 以下(擴(kuò)展 16 點(diǎn)時(shí))24V DC 400 mA 以下 24V DV 150 mA(擴(kuò)展 32 點(diǎn)時(shí))3.2 傳感器的選擇對(duì)于金屬物料分揀的小、中、大采用 3 個(gè)接近開關(guān)進(jìn)行判斷。接近開關(guān)分別放置于傳送帶 1 的上方,并調(diào)整好固定高度。2、3、4 傳送帶的啟動(dòng)分別通過(guò)安裝于傳送帶前方的光電接近開關(guān)進(jìn)行控制。物料的到位由裝設(shè)在汽缸處的接近開關(guān)檢測(cè),通過(guò) PLC 程序控制判斷由哪個(gè)汽缸執(zhí)行推出動(dòng)作并進(jìn)行計(jì)數(shù) [21]。3.2.1 電感式接近開關(guān)傳感器的選擇 采用電感式接近開關(guān),這種開關(guān)有時(shí)也叫渦流式接近開關(guān)。它是利用導(dǎo)電物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)接近開關(guān)時(shí),使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用到接近開關(guān),使開關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化,由此識(shí)別出有無(wú)導(dǎo)電物體移近,進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電體。接近開關(guān)由于具有體積小、重復(fù)定位精度高、使用壽命長(zhǎng)、抗干擾性能好、可靠性高、防塵、放油等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化生產(chǎn)線。傳感器的接線方式采用直流(DC)二線常開(NO)型。1.電感式接近開關(guān)傳感器的電氣指標(biāo)1)工作電壓:是指電感式接近開關(guān)傳感器的供電電壓范圍,在此范圍內(nèi)可以保證傳感器的電氣性能及安全工作。182)工作電流:是指電感式接近開關(guān)傳感器連續(xù)工作時(shí)的最大負(fù)載電流。3)電壓降:是指在額定電流下開關(guān)導(dǎo)通時(shí),在開關(guān)兩端或輸出端所測(cè)量到的電壓,4)空載電流:是指在沒(méi)有負(fù)載時(shí),測(cè)量所得的傳感器自身所消耗的電流。5)剩余電流:是指開關(guān)斷開時(shí),流過(guò)負(fù)載的電流。6)極性保護(hù):防止電源極性誤接的保護(hù)功能。7)短路保護(hù):超過(guò)極限電流時(shí),輸出會(huì)周期性地封閉或釋放,直至短路被清除。2.使用方法1)直流兩線制接近開關(guān)的 ON 狀態(tài)和 OFF 狀態(tài)實(shí)際上是電流大、小的變化,當(dāng)接近開關(guān)處于 OFF 狀態(tài)時(shí),仍有很小電流通過(guò)負(fù)載,當(dāng)接近開關(guān)處于 ON 狀態(tài)時(shí),電路上約有 5V 的電壓降,因此在實(shí)際使用中,必須考慮控制電路上的最小驅(qū)動(dòng)電流和最低驅(qū)動(dòng)電壓,確保電路正常工作。2)直流三線制串聯(lián)時(shí),應(yīng)考慮串聯(lián)后其電壓降的總和。3)如果在傳感器電纜線附近,有高壓或動(dòng)力線存在時(shí),應(yīng)將傳感器的電纜線單獨(dú)裝入金屬導(dǎo)管內(nèi),以防干擾。4)使用兩線制傳感器時(shí),連接電源時(shí),需確定傳感器先經(jīng)負(fù)載再接至電源,以免損壞內(nèi)部元件。當(dāng)負(fù)載電流US2/RP 為假負(fù)載消耗功率;R 為假負(fù)載阻值;IL 為傳感器的負(fù)載電流 [23]3.使用儀器萬(wàn)用表、示波器、電源(+12V)4.調(diào)試步驟1)接好電源,測(cè)量 T1 的 c 極電壓應(yīng)為 6V;2)用示波器觀察 T1 的 e 極,應(yīng)有高頻振蕩波形;若無(wú)振蕩波形,應(yīng)仔細(xì)檢查電感線圈接線是否正確,T1 周圍 R、C 參數(shù)是否正確無(wú)誤,采取相應(yīng)措施處理,直到出現(xiàn)振蕩波形為止;3)用示波器觀察輸出,應(yīng)為高電平,且 LED 不亮,然后用金屬物體靠近電感線圈,其輸出應(yīng)變?yōu)榈碗娖?,同時(shí) LED 亮,說(shuō)明工作正常;194)若不正常,應(yīng)檢查 T2、T3、T4 的狀態(tài)及周圍元件,無(wú)金屬物體接近電感線圈時(shí),T2 導(dǎo)通,T3、T4 截止,有金屬物體接近時(shí), T2 截止,T4 導(dǎo)通 [24]。5.電感式接近開關(guān)傳感器的選型1)根據(jù)安裝要求,合理選用外形及檢測(cè)距離。2)根據(jù)供電,合理選用工作電壓。3)根據(jù)實(shí)際負(fù)載,合理選擇傳感器[/URL]工作電流。4)選擇接線方式 [25]。6.可根據(jù)使用對(duì)象的要求合理選擇接線方式 [26]表 3.5 國(guó)內(nèi)、國(guó)際常用色線對(duì)照類型 國(guó)際 國(guó)內(nèi)+V 棕 紅GND 藍(lán) 黑Vout 黑 綠3.2.2 光電接近開關(guān)的選擇光電開關(guān)(光電傳感器)是光電接近開關(guān)的簡(jiǎn)稱,它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射,由同步回路選通電路,從而檢測(cè)物體有無(wú)。物體不限于金屬,所有能反射光線的物體均可能被檢測(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出,接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)物體進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)采用漫反射式光電開光,它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器,當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí),物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器,于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí),漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測(cè)模式。光電開關(guān)是傳感器大家族中的成員,它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。由于光電開關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的(即電緣絕),所以它可以在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用 [27]。 1.光電開關(guān)特點(diǎn)有:1) 檢測(cè)距離長(zhǎng) 如果在對(duì)射型中保留 10m 以上的檢測(cè)距離等,便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段(磁性、超聲波等) 無(wú)法離檢測(cè)。 2)對(duì)檢測(cè)物體的限制少由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理,所以不象接近傳感器等將檢測(cè)物20體限定 在金屬,它可對(duì)玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)。 3)響應(yīng)時(shí)間短光本身為高速,并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成,所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間,響應(yīng)時(shí)間非常短。 4)分辨率高能通過(guò)高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn),或通過(guò)構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng),來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。 5)可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè)可以無(wú)須機(jī)械性地接觸檢測(cè)物體實(shí)現(xiàn)檢測(cè),因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成損傷。因此,傳感器能長(zhǎng)期使用。 6)可實(shí)現(xiàn)顏色判別通過(guò)檢測(cè)物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長(zhǎng)和檢測(cè)物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì),可對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。 7)便于調(diào)整在投射可視光的類型中,投光光束是眼睛可見的,便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行調(diào)整 [28]。采用集成電路技術(shù)和 SMT 表面安裝工藝而制造的新一代光電開關(guān)器件,具有延時(shí)、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開關(guān)是一種采用脈沖調(diào)制的主動(dòng)式光電探測(cè)系統(tǒng)型電子開關(guān),它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍(lán)色光等,可非接觸,無(wú)損傷地迅速和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動(dòng)作。接觸式行程開關(guān)存在響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測(cè)容易損壞被檢測(cè)物及壽命短等缺點(diǎn),而晶體管接近開關(guān)的作用距離短,不能直接檢測(cè)非金屬材料。但是,新型光電開關(guān)則克服了它們的上述缺點(diǎn),而且體積小、功能多、壽命長(zhǎng)、精度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)。這種新型的光電開關(guān)已被用作物位檢測(cè)、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判別、速度檢測(cè)、定長(zhǎng)剪切、孔洞識(shí)別、信號(hào)延時(shí)、自動(dòng)門傳感、色標(biāo)檢出、沖床和剪切機(jī)以及安全防護(hù)等諸多領(lǐng)域。此外,利用紅外線的隱蔽性,還可在銀行、倉(cāng)庫(kù)、商店、辦公室以及其它需要的場(chǎng)合作為防盜警戒之用 [29]。對(duì)于非金屬物料,小、中、大 3 個(gè)接近開關(guān)均無(wú)檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)工件到達(dá)各傳送帶時(shí),各傳送帶前方的光電開關(guān)動(dòng)作,啟動(dòng)傳送帶,實(shí)現(xiàn)非金屬物料的傳送,并通過(guò)傳送帶輸出端的光電開關(guān)進(jìn)行計(jì)數(shù) [30]。213.3 本章小結(jié)本章主要介紹了各個(gè)器件的選型,包括 PLC 的選型,接近開關(guān)的選型兩部分。同時(shí)對(duì)各個(gè)器件的工作原理等做了詳細(xì)的分析更加完善了設(shè)計(jì)內(nèi)容。第 4 章 物料分揀控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)前,應(yīng)深入了解和分析被控對(duì)象的工藝條件和控制要求,確定 I/O 點(diǎn)地址,編制 I/O 分配表,最后根據(jù)系統(tǒng)控制要求和控制流程要求進(jìn)行 PLC程序設(shè)計(jì)和調(diào)試 [31]。4.1 控制系統(tǒng) I/O 分配 參考表 4.1,系統(tǒng)的 I/O 分配如表 4.1 所示。表 4.1 I/O 分配表輸入 輸出序號(hào) 輸入 外 部 元 件 序號(hào) 輸出端子 外 部 元 件1 X0 工件原位點(diǎn) 1 Y0 供料2 X1 上接近開關(guān) 2 Y1 傳送帶 13 X2 中接近開關(guān) 3 Y2 傳送帶 24 X3 下接近開關(guān) 4 Y3 傳送帶 35 X4 2 段接近開關(guān) 5 Y4 傳送帶 46 X5 3 段接近開關(guān) 6 Y5 小工件推出7 X6 4 段接近開關(guān) 7 Y6 中工件推出8 X7 出 4 段接近開關(guān) 8 Y7 大工件推出9 X10 2 段到位接近開關(guān) 9 Y20 傳送帶 1 工作指示2210 X11 3 段到位接近開關(guān) 10 Y21 傳送帶 2 工作指示11 X12 4 段到位接近開關(guān) 11 Y22 傳送帶 3 工作指示12 X20 啟動(dòng)按鈕 12 Y23 傳送帶 4 工作指示13 X21 停止按鈕 13在控制系統(tǒng)中,操作盤的設(shè)計(jì)如圖 4.1 所示,包括一個(gè)啟動(dòng)按鈕 PB1(X20)和一個(gè)停止按鈕 PB2(X21),以及 1、2、3、4 段傳送帶運(yùn)行指示燈 PL1(Y20 )、PL2(Y21)、PL3(Y22)、PL4(Y23) [32]。燈顯示PL1 PL2 PL3 PL4Y20 Y21 Y22 Y23操作開關(guān)PB1 X20 PB2 X21圖 4.1 操作盤4.2 PLC 外部接線圖23根據(jù)表 4.1、4.2 分配輸入/輸出信號(hào)與 PLC 輸入/輸出接口分配情況及所選定的PLC,得到 PLC 的外部接線圖如圖 4.1 所示 [33]。 圖 4.2 PLC 外部接線圖244.3 軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)物料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實(shí)現(xiàn),對(duì)提高物料分揀控制系統(tǒng)整體可靠性、實(shí)用性具有重要的意義,同時(shí)也是降低制造成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。為此本章在分析了當(dāng)前傳送帶廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)及 PLC 的發(fā)展之后,提出了采用 PLC 的控制方法 [34]。這套系統(tǒng)根據(jù)控制要求進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)的主要工作是完成對(duì)物料尺寸大小的判斷、傳送帶的啟動(dòng)和停止控制、物料的推出以及對(duì)不同物料進(jìn)行計(jì)數(shù)等任務(wù)。圖 4.3 所示為啟動(dòng)設(shè)備的程序。按下啟動(dòng)按鈕,X020 閉合,M20 輸出,啟動(dòng)設(shè)備;按下停止按鈕,則 X021 斷開,M20 為 0,設(shè)備停止。計(jì)數(shù)器執(zhí)行到設(shè)置值則 M31 常閉觸點(diǎn)斷開,M20 為 0,設(shè)備停止。在設(shè)備重新啟動(dòng)時(shí),通過(guò) PLS M0 指令輸出一復(fù)位脈沖,實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)對(duì)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的復(fù)位。圖 4.3 啟動(dòng)設(shè)備圖 4.4 所示為開始供料及對(duì)傳送帶 1 的控制。只要有工件到達(dá),Y000 輸出,啟