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大小球分离机的自动控制系统的设计作者：林振摘 要 随着经济不断发展，人们的生活水平不断提高，将PLC应用到分离机的电气控制系统，可实现分离机的自动化控制，降低系统的运行费用。在设计中，选择了可编程控制器(PLC)作为工业中常用分离机的控制系统，这对提升工业分离机的整体技术性能起到了良好的作用。分离机的主体部分也就是工业中常用的机械手，结合部分的先进的电子技术（传感器）而构成的统一整体。 关键词 PLC 机械手 传感器 大小球 第一章 绪论随着科学技术的高速发展，自动控制技术在人类活动的各个领域中的应用越来越广泛，它的水平已成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要标志。自动控制技术作为自动化的强有力的手段，越来越多地与计算机技术、电子技术、信息技术结合起来，对促进我国的现代化建设起到越来越重要的作用。目前，在一些自动化、智能化等机电设备中，计算机技术与自动控制技术精密地结合，进一步推动了现代工业的发展，可见计算机基础知识、计算机控制技术在机电设备控制中的应用。所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，使其按照一定规律的运动和变化。要实现对各种生产过程和生产设备的限制，常常需要使其中的某些物理量（如温度、压力、位置、速度等）保持恒定，或者让它们按照一定的规律变化。要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时地控制和调整，以抵消外界的干扰和影响。目前绝大多数自动控制系统都是使用计算机来实现的，而计算机的广泛应用也大大促进了自动控制技术的应用与发展，并且出现了许多新的自动控制理论，使得自动控制技术正在向着深度和广度两个发向发展。在广度方面，已经深入到国民经济的各个领域，从工业过程控制、农业生产、国防技术到家用电器等都已广泛使用计算机来进行自动控制，控制对象也从单一对象的局部控制发展到对整个工厂、整个企业等大规模复杂对象进行控制。在深度方面，则向着智能化方向发展，出现了自适应、自学习等智能控制方法。1.1控制对象的介绍企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得生产物的分离成为生产系统中的一个重要环节，诸如根据物体的大小、重量、质量等将不同的产品送往生产商所希望的地方。大小球分离机的自动控制正是用来实现此类需要的控制系统，随着PLC的发展，国外生产线上的物品分类控制系统多采用该控制系统，而且有些制造厂还开发研制了出了专用的逻辑处理控制芯片，在我国的大部分企业中，有关物品的分类的自动控制系统大多是从国外引进的，成本高，为了满足现代化生产的需要，让PLC技术与自动化技术相结合，充分的利用到我国企业的生产线上，让该系统在各种环境下都能够工作，而且成本低，易控制，安全可靠，效率高。在我国的大部分企业中，对于物品分类这一块，基本上都是将PLC与机械手和相应的传感器相结合，来达到对物品的分类；本设计正是运用此方法来达到控制对大小球的分类的，此类控制方法所需设备投入少，技术含量不太高，适应于我国现在的大多数企业的需要。1.2 PLC的简介1. 可编程控制器的产生和发展可编程控制器的产生和发展与继电器有很密切的关系。继电器由于在故障的查找和排查中有很大的困难，又可能会花费大量的时间，严重的影响生产。这就要求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更可靠、更容易维护、更能适应经常变动的工艺条件。于是可编程控制器应运而生了。可编程控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器之所以能够高速发展，除了顺应工业自动化的客观需要外，还由于其具有许多适合工业控制的独特优点，它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点有：（1）可靠性高，抗干扰能力强 2编程简单，操作方便（3）系统的设计、安装、调试工作量小、维护方便4）体积小、能耗低可编程控制器将朝着以下几个方面发展：（1）向微型化、专业化的方向发展2）向大型化、高速度、高性能方向发展（3）编程语言日趋标准（4）与其他工业控制产品更加融合（5）与现场总线结合（6）通信联网能力增强2. 可编程控制器的基本组成PLC的硬件系统结构图如图(1-1)所示PLC软件系统分为系统程序和用户程序两大类。系统程序包含系统的管理程序、用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理、及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。系统程序在用户使用可编程控制器之前就已经装入机内，并永久保存，在各种控制工作中并不需要做什么调整。用户程序是用户为达到某种控制目的，采用PLC厂家提供的编程语言编写的程序，是一定控制功能的表述。同一台PLC用于不同的控制目的时就需要编制不同的用户程序。用户程序存入PLC后，如需改变控制目的，还可以多次改写。输入模块中央处理器CPU存储器编程器输出模块图1-1 PLC的硬件系统结构图3. 可编程控制器基本工作原理可编程控制器有二种基本的工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态，其中运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程控制器停机或切换到停止工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环和分为（内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理）5个阶段,可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入/输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。 第二章 总体设计2.1 控制要求1. 任务要求左上为原点，按下启动按钮后，其动作顺序为：下降 抓球（延1秒） 上升 右行（左行） 下降 释放球（延1秒） 上升 左行（右行）依次往复运行，依次将大小球分别放到两边的容器当中；当按下停止按钮后，其停止动作。2. 设计要求左上为原点，按下启动按钮SB1后 ，传送带开始由A点把球往B点传送（机械手位于B点的上方），当球到达B点时，传感器1产生信号开关，使机械臂下降，到达下限位开关后，机械手抓球（延时1秒）后上升；当机械臂到达上限位时，机械臂根据传感器2(力敏传感器)感测到大球或小球的重量产生不同的开关量，若是大球，则将其送到右边的大球容器中，若为小球信号，则将其送往左面的小球容器中。当机械手将其送到相应的容器后按照原路线返回到原点。等到下一个球的到来时，机械手再次动作，并根据传感器产生的不同的信号开关量，将大小球送往相应的容器中，然后再回到原点，依次往复运行。当按下停止按钮时，传送带停止运动，机械手完成一个周期的运动后回到原点后也停止运动。 注：(1)机械手完成一个周期所用的时间少于另一个球到达传感器1所需的时间。(2)力敏传感器产生的开关量在一个周期内不会消失。2.2 顺序功能图顺序控制就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，使生产过程中各个执行机构自动而有序的进行工作。本设计由于整个动作过程都是按照一定的工作顺序进行的，故使用顺序控制法比较容易。顺序控制设计法是一种先进的设计方法，很容易被接受，也很适合广大学者的学习，因为在现在很多工厂所使用的机械，其大多都是按照一定的先后动作进行运作的。其程序的调试、修改和阅读也很容易，并且大大缩短了设计周期，提高了设计效率。绘制顺序功能图的注意事项：（1）两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开。（2）两个转换绝对不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。（3）顺序功能图中的初始步一般对应于系统等待启动的初始状态，初始步可能没有输出处于ON 状态，但初始步是必不可少的。（4）自动控制系统应能多次重复执行同一工艺过程，因此在顺序功能图中一般应有由步和有向连线组成的闭环。（5）在顺序功能图中，只有当某一步的前级步是活动步时，该步才有可能变成活动步。本设计的顺序功能图中多次使用到了选择序列结构，使其更加适合现在很多工厂机械控制的需要。根据设计的控制要求的顺序功能图如图(2-1)所示。本设计的顺序功能图中除了使用最基本的单序列结构外，还多次使用了选择序列结构。选择序列的分支是指前一级步后面紧跟着若干个后续步可供选择各分支都有相应的转换条件，分支表示的转换的短线只能标在水平线之下。选择序列的合并是指将几个选择分支合并到一个公共序列上，各分支也都有各自的转换条件，转换条件只能标在水平线上。第三章 大小球分离机的PLC控制的硬件组成3.1 大小球分离机的原理图为了便于分析，根据控制的要求，本设计结合了一幅大小球分离机的原理图。使我对其大体的动作过程有了大概的了解，也使自己的思维更加清晰，图中给出了大小球分离机的在整个运动过程中所需的一些主要元器件和一些文字说明如图(3-1)所示。3.2 大小球分离机的外部接线图设计中使用三菱FX2N-48MR型可编程控制器实现大小球分离机的PLC控制的输入/输出接线，根据顺序功能图可知，设计所需的输入与输出，故其外部接线图如图(3-2)所示。3.3 输入/输出元件的地址分配在大小球分离机的PLC控制中,有9个输入控制元件,有7个输出元件。系统输入/输出元件的地址分配如表（3-1）所示。本设计选用三菱FX2N-48MR型可编程控制器，实现大小球分离机的PLC控制的输入/输出接线。由于分离机的PLC控制的输入/输出较多及设备的限制，可只接输入部分，输出由对应触头的LED是否亮来指示。表3-1 I/O 口分配表输入输出输入元件输入点输出元件输出点启动按钮SB1X0下降KM1Y0传感器1产生的信号开关SB2X1夹紧KM2Y1下限位开关SQ1X2上升KM3Y2上限位开关SQ2X3右行KM4Y3压力传感器产生的开关信号（大球）SB3X4左行KM5Y4压力传感器产生的开关信号（小球）SB4X5松开KM6Y5右限位开关SQ3X6传送带KM7Y6左限位开关SQ4X7停止按钮SB5X10（注：由于在模拟实验中，受实验器材的限制，在模拟实验中用相应的输入开关作为输入量；输出量用相应的指示灯代替，其中输入量SB3 SB4 SB5 用常闭开关代替。）第四章 大小球分离机的PLC控制的软件组成4.1梯形图的设计绘制梯形图时要注意很多细节性的知识，设计中选用的是FX系列的可编程控制器，其设计必须遵循FX系列可编程控制器梯形图的设计方法，梯形图如图(4-1)所示。FX系列可编程控制器梯形图的设计具有以下几个原则：（1）水平不垂直，即梯形图的接点应画在水平线上,不能画在垂直分支上。（2）线圈右边无接点，即不能将接点画在线圈右边,只能在接点的右边接线圈。（3）有串联电路并联时,应将接点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。有并联电路相串联时,应将接点最多的并联回路放在梯形图的最左边。（4）双线圈输出不可用。 4.2 程序分析按下启动按钮后，传送带开始从A点向B点传送球（大球或小球），当球到达B点后，由传感器1 感测到有球到达B点，产生的信号开关（X1）促使机械臂开始下降，当机械手到达下限位后，机械手开始抓紧球（延时1秒）后开始上升；与此同时传感器2 依据大小球的重量产生不同的开关信号（大球信号开关X4，或小球信号X5）给机械臂，若传感器2 感测到的是大球信号，则大球信号开关X4接通，当机械手到达上限位开关SQ2后，就把信号传给机械臂，使机械臂向右运动，到达右限位SQ3后机械臂就开始向下运动；当机械手碰到下限位SQ1时，机械手开始松开，把球放在大球容器中，延时1秒后开始机械臂向上运动，到达上限位开关SQ2后向左运动，使其回到原点。若传感器2 感测到的是小球信号，则当机械手在抓住球后，运动到达上限位SQ2的时候，由于小球信号开关X5接通机械臂开始向左运动，到达左限位开关SQ4后开始向下运动，当机械手到达下限位开关SQ1后机械手开始松开，把球放在小球容器中延时1秒后向上运动；到达上限位开关SQ2后，机械臂向右运动，到达右限位开关SQ3后停止运动，使机械手回到原点。当传感器1再次感测到信号时，再次使信号开关X1接通，使其循环往复的进行。当需要停止机械手运动时，在机械手回到原点时按下停止按钮X10，机械手停止运作。7
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