基于PLC的邮件分拣机控制系统设计.doc

图书分类号：密 级：毕业设计(论文)基于PLC的邮件分拣机控制系统设计MAIL SORTING MACHINE BASED ON PLC CONTROL SYSTEM DESIGN学生姓名学院名称信电工程学号班级专业名称电气工程及其自动化指导教师2014年5月23日徐州工程学院毕业设计(论文)徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要本论文利用PLC对分拣系统进行控制设计，摆脱了使用继电器进行分拣的系统，缺乏较好的稳定性，适应性不够强，且不能满足特殊的控制要求等缺陷，实现了对邮件进行自动分拣的主要目标。本论文充分利用了可编程逻辑控制器的优秀性能，设计出了具有运行稳定、故障率低等优势的系统。本论文首先介绍了论文题目的起源及其背景资料、订立的系统实施方案、设计思想和合理性推断；随后对系统开始进行硬件选型、硬件电路设计，软件程序设计，并绘制了梯形图；接下来又对系统进行调试以确定其可行性，然后利用MCGS组态软件对整个系统进行组态仿真；最后，本论文对全部的设计内容和结果进行总结陈述。关键词 可编程逻辑控制器（PLC）；邮件分拣AbstractUsing PLC to design sorting system gets rid of the defect of using relay for sorting system lack of stability and adaptability, and can not meet the requirement of the special control. And PLC sorting system realizes the main target for automatic sorting mail. This paper makes full use of the excellent performance of Programmable Logic Controller to design a system which has advantages of stable operation and low failure rate. This article firstly introduces the origin and background of the topic of the thesis, and then establishes a system implementation scheme, design idea and rationality of inference. Secondly the system starts hardware selection, hardware circuit design, software program design, and draws the ladder diagram. Then the system debugging is carried out to determine the feasibility, and then the thesis using the MCGS configuration software makes configuration simulation of the whole system. Finally, this article summarizes the result of the total design content and presentation.Keywords Programmable Logic Controller (PLC) sorting mail III目 录1绪论11.1选题的研究背景和研究意义11.2邮件分拣系统的现状与发展趋势11.3本设计的主要研究内容22总体设计方案32.1控制要求分析32.2 可编程逻辑控制器（PLC）介绍32.2.1 PLC的硬件构成32.2.2 PLC的特点42.2.3 控制系统的PLC工作流程53系统硬件设计63.1 PLC控制系统设计的基本原则63.2 PLC控制系统设计的一般步骤63.3元件选择及电器功能说明73.3.1系统元件总览73.3.2 PLC的选型83.3.3驱动元件的选择83.3.4传感器的选择93.3.5条形码扫描器103.3.6拨码器103.3.7其他元器件选择103.4邮件分拣系统的主电路图113.5 PLC的硬件接线图123.6 I/O地址分配124邮件分拣系统的程序设计144.1 PLC编程软件144.1.1编程语言144.1.2 STEP7-Micro/WIN编程软件144.2邮件分拣系统的控制要求154.3程序流程图154.4邮件分拣系统的PLC程序编写165系统调试205.1系统调试结果205.2调试中遇到的问题236组态软件256.1 MCGS组态简介256.2 PLC与组态软件的连接256.3 组态设计256.3.1主控制窗口设计256.3.2组态仿真26结论31致谢32参考文献33附录34411绪论1.1选题的研究背景和研究意义现代化的社会生活离不开邮政工作。由于人们生活水平的不断提高，社会的快速进步，邮政工作也变得越来越复杂化。邮件分拣系统在最早的时候完全是由人力作业的系统。系统在工作时是由人工提取、人工搬运来进行货物的分类与运送。这种系统的分拣效率不高，且出错率较高，无法适应目前邮件分拣的快速度和高准确性的要求。因此，为了改变这种情况，以实现邮件分拣作业的智能化，提升邮件的分拣速度，减少多余的人力，适应现代化社会的发展需求，从而依靠自动控制系统来实现邮件自动分拣这一新兴工程诞生了。由于科技的快速进步，各类自动化机械设备在分拣系统中开始被启用。信息的传递和处理出现了以计算机控制技术为主要方式的时代。邮件分拣系统的最重要的设计要求就是时刻把握住机械化、自动化和智能化这三点自动化设计的方向和准则。伴随着计算机控制技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器（PLC）开始登上了历史大舞台，其功能也在短短的几十年时间内发展得越来越多样化。可编程逻辑控制器是一种把微处理器作为其核心，将微机控制技术、自动化技术以及通信技术进行综合性研发而成的新兴工业自动控制设备。在实际应用上，PLC有着远超同类设备的巨大优越性，它具有稳定性强，抗干扰能力强；适用范围广泛，应用方式灵活多变；程序编写简单，容易应用；功能完善，扩展功能强大；控制系统设计、调试、安装方便快捷；体积小，易于满足机电一体化的要求等特点。与目前的工控自动系统中的其他具有类似功能的硬件相比较，可编程逻辑控制器的地位已开始逐渐上升，它越来越被设计人员所喜爱，逐步成为最重要、最被广泛应用的工控装置，PLC应用的宽度和广度已经逐渐成为评定某个国家的工业自动化水平高低的标准之一。1.2邮件分拣系统的现状与发展趋势近年来邮政行业发生了翻天覆地的巨大变化。邮政通信的技术复杂化程度不断增涨，邮件分拣已基本实现了机械化，正在朝着自动化的方向挺进，利用机械实现邮件的自动分拣则是其中的关键。我国的邮件分拣研究于20世纪70年代中后期开始起步，40多年来，科研工作者们在世界分拣技术的发展进程中不断有了革命性的进展。现在已经得到普遍应用的邮件分拣机一小时的额定分拣量约为4万到5万封信。邮件自动分拣系统的诞生提高了邮政工作的效率，并减少了出错率。邮件分拣系统的优势有以下的几个方面：1.分拣误差率低。分拣的误差率越低，则分拣的准确性越高，分拣系统越可靠。分拣信息的输入机制在很大的程度上决定了邮件分拣系统的分拣准确度。假如采用人工键盘或者语音识别的方式进行信息输入，那么出现误差的概率在4.0%左右；如果采用扫描条形码的输入方式，除非条形码的印刷出现了差错，不然将不会出错。因此，在目前的邮件自动分拣系统中，条形码技术逐步代替了原始的输入方式来实现邮件的分拣作业。 2.能长时间、大批量作业。由于流水线自动作业方式已经被设计者们由工业自动化生产中逐渐地移植到了邮件分拣系统中，因此目前的邮件分拣系统可以克服气候因素、时间因素、人为因素等限制在较长的时间内连续运行。同时由于邮件自动分拣系统在单位时间内分拣数量大，因此可以实现大批量分拣。 3.分拣作业人工需求量小。提高邮件分拣的自动化水平是为了简化生产工作流程、减少工作的人数，减轻员工的工作强度，而这个目标也就是设计者创立自动分拣系统的初衷。因此目前的邮件分拣系统已经逐步实现了提升人员工作效率，长效无人作业的目标。1.3本设计的主要研究内容本课题需要实现利用PLC对邮件自动分拣系统控制过程进行设计，并使用实验室的邮件分拣模块对系统进行调试以确保程序的可行性，最后再对系统进行组态验证。在本设计中需要完成的研究内容如下：(1)系统运行的原理设计；(2)选择正确的元器件型号以及正确分配输入输出量；(3)对PLC控制程序进行梯形图的设计；(4)硬件的安装与PLC程序的调试；(5)运用MCGS组态对邮件分拣系统进行组态验证。2总体设计方案M4M5邮件SP1SP2SP3SP4M1M2M3一区二区三区四区2.1控制要求分析邮件检测启动L2L1错误提示进邮件 图2-1 邮件分拣系统模拟图如图2-1所示，M5是控制传送带运行的电动机。M1M4是四个推杆电动机，分别用来控制四个推杆对各个地区的邮件进行分拣。一区四区的邮箱分别代表了4个不同的分拣区域，用来装入对应地区的邮件。SP1SP4是用来控制4个地区推杆电动机动作的接近开关。L1为进邮件提示灯，L2为无效邮码提示灯。2.2 可编程逻辑控制器（PLC）介绍2.2.1 PLC的硬件构成PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元与输出单元、通信接口、扩展接口等部件构成。在这些组成部件之中，核心部件是CPU。连接CPU与生产现场的输入以及输出端口的组成部件就是输出单元以及输入单元。通信接口则是连接上位机、编程器等控制设备的端口。1.中央处理单元（CPU）PLC的核心部件就是CPU。不同型号的PLC的CPU属性往往是不同的，在PLC控制系统运行的过程中，CPU按照编写好的程序指令，安排PLC进行有序的工作。2存储器存储器主要分为两大类。第一类是可读/写的随机存储器，第二类是只读存储器。存储器是PLC的主要构成元件之一，它是主要用来实现存放用户编写的程序和工作时产生的数据的功能元件。3输入/输出单元输入/输出单元通常也被称作为I/O单元或I/O模块。PLC通过输入接口可以接收受控对象的数据，并把这些数据作为对受控对象进行控制的根据。系统工作结束后，PLC会将已经被处理完毕的结果通过输出接口传输到受控对象之中，以此来完成控制过程，以达到控制要求。4通信接口PLC配备有多种通信接口，大部分通信接口都装备着通信处理器。通信接口是PLC用来与监视器、打印机、微机等设备通信的部件。PLC与监视器连接，可以把控制的运行过程通过能流图的方法表现出来。2.2.2 PLC的特点一、器件结构简易，使用方便。由于PLC产品的系统化和集成化，PLC提供种类齐全的硬件装置让用户来选择。当受控对象的硬件设置完成后，就可修改程序以适应控制要求的变化。二、功能强大，适应性强。最新的PLC同时拥有逻辑运算、顺序控制、计时、计数、D/A和A/D的转换以及数据处理等功能。它既可对数字量进行控制，也可对模拟量进行控制。它既可控制单一的生产机械和生产线，也可以控制单一的生产过程。三、稳定性强。使用继电器和开关控制的邮件分拣系统虽然也具有比较好的抗干扰能力，但是这类控制系统运用了大量的机械触头，使得设备的连线非常繁琐复杂，器件长时间的使用无法避免地会造成器件的损耗，这会极大地降低系统的可靠性。然而PLC运用微电子技术，开关的动作由不包含触点的电子存储器来动作，因此绝大部分的继电器和纷繁复杂的接线被编写的程序所替代，所以此系统的寿命极大增涨，可靠性也就极大地提高。三、系统的设计、安装、调试方便快捷。PLC使用软件程序替代了使用继电器控制的系统中的绝大部分控制硬件，还拥有非常齐全的模块化结构，同时由于其使用用户编写的程序来取代绝大部分的硬件控制来实现其功能，这使得安装时的接线工作量极大地减少。所以只需要一台PLC和电脑就可以完成对用户程序的调试与仿真，但是继电器开关的系统则需要在生产现场进行实时调试，不仅工作量非常大而且出错率较高，不便于控制系统的实现。四、器件体积小，质量轻，功耗低。因为PLC是将微电子技术运用在工业生产中的设备，并且它拥有结构紧密、体积小、质量轻、功耗低的优势，同时还具有良好的适应环境变化的能力，因此PLC可以非常方便地安置在设备的内部，从而更加容易实现设备的机电一体化要求。2.2.3 控制系统的PLC工作流程PLC的工作原理用一句话来概括就是 “顺序扫描，连续循环”。在本系统中，通过扫描器、拨码器、启动和复位开关以及接近开关对分拣信息进行采集与输入，再通过PLC对接触器和指示灯进行控制。结合上述设想的控制功能，PLC的工作流程图如图2-2所示： PLC接触器状态显示开关量输入模块启动开关复位开关扫描器拨码器接近开关图2-2 控制系统的PLC工作流程图3系统硬件设计3.1 PLC控制系统设计的基本原则设计者们在对控制系统进行设计时必须遵循要尽量满足被控对象的控制要求这一客观要求。因此，设计者们在使用PLC对控制系统进行设计时，应当遵循以下几条原则：1.尽量满足被控对象的控制要求满足受控对象的控制要求是设计系统的客观前提，只有设计出符合实际要求的系统才具有现实生产的实际意义。因此，设计人员在开始设计之前就必须对被控对象进行深入研究，收集被控对象的相关资料。2.确保PLC控制系统的可靠性能够进行较长时间工作的，安全稳定地运行的PLC控制系统才具有可供生产运用的实际意义。因此，设计人员在系统设计、系统元件的选择、编写程序上要全方位地考虑，来确保控制系统的可靠性。3.力求简单、高效以及便宜一个PLC控制工程可能能够提高产品的效能，带来相当的经济和社会效益，但是一个新工程的投资也会导致投入资金的增长。因此，在满足控制要求的基础上，首先要注意不断地提高工程的收益，然后也需要争取降低设计的成本。这就需要设计人员不仅要设计出简单、经济的控制系统，而且需要设计出使用简洁、维护方便、成本低廉的控制系统。4.适应发展的需求因为科学技术的快速发展，控制系统的设计要求也在相应地提高，所以设计者们在设计的时候要适时地考虑往后控制系统的发展和更新的需求。这就要设计者们在对PLC元件进行选型、确定输入以及输出模块、分配I/O接口和计算内存容量的时候，要适当地留下裕量，方便满足往后发展的要求和工艺的进步。3.2 PLC控制系统设计的一般步骤1.分析被控对象并提出控制要求仔细分析受控对象的工作要求和控制需求，理解被控对象内部的配合，提出被控对象对控制系统的控制需求，确立设计方案，拟定设计任务计划书。2.确定输入与输出设备根据所要实现的系统的控制要求，来确立系统中所需要的输入设备和输出设备，接着拟定与PLC相连的输入以及输出设备，最终确定PLC的I/O接口分布图。3.选择PLC根据系统提出的要求对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等具体要求进行选择。4.分配I/O接口并设计PLC外部硬件线路图（1）分配I/O接口确立PLC的I/O接口与输入/输出设备的连接图或对应的分布图，该步骤也可以在第2步中就进行。（2）设计PLC外部硬件线路设计出系统剩余部分的电气线路图，包括了主电路图与PLC外围的控制电路图。到此为止，就基本完成了对控制系统的硬件电气设计。5.程序设计（1）程序设计根据系统提出的控制要求，运用适当的设计方式来设计PLC的梯形图程序。设计出来的程序要必须满足系统的控制要求，在此前提下设计者对系统的各个控制功能进行逐一编写，然后逐步地完善系统所要求的功能。（2）程序模拟调试程序模拟调试就是用各种元器件或者仿真和组态软件模拟现场的实际情况，为程序的运行创造出一定的实现环境。根据生产现场的实现方式的不同，模拟调试分为硬件模拟调试法和软件模拟调试法这两种实现方式。3.3元件选择及电器功能说明3.3.1系统元件总览系统中所需要用到的元件如表3-1：表3-1 系统元件选择序列名称型号数量1PLCCPU-22612电动机Y2-63M1-453传送带DV6014启动/复位按钮LA23-D-GW26指示灯XDN1-2427熔断器TRF250-800158交流接触器3TB4059快速断路器DZ47-60 1P 1A110热继电器NR2-25G/Z 0.5A53.3.2 PLC的选型本设计根据控制要求需要11个输入点和11个输出点，因此本设计选择西门子S7-200系列的CPU-226型PLC。这个型号的PLC拥有24个输入、16个输出的数字量I/O接口，256个定时器，足够满足本设计的硬件配置要求。在对元器件进行选型的时候需要注意，CPU-226型PLC的输出口是继电器型，因此可以既可以接交流负载也可以接直流负载。3.3.3驱动元件的选择驱动系统是一种由驱动元件来进行传动的组合装置。驱动系统可以根据其使用的动力源的区别，而被分为液压、气压、电气和机械等多种传动方式。表3-2 各种控制方式的比较项目气压传动液压传动电气传动机械传送系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高动作速度大稍大大小通过表3-2可知，电气驱动的精确度最高，邮件分拣系统的精确度较高，因此本文选择电气传动的驱动方式。电气传动中需要考虑的是电动机的选择，本设计中需要选择2种电动机。第一种电动机需要控制传送带的运动，由于邮件的质量一般不超过70Kg，传送带的摩擦系数一般取0.3，假设传送带移动速度为0.2 m/s，可以根据式(3.1)求出负载功率为41.16 W。 式（3.1）式中 表示传送带平移作用力； 表示传送带平移速度； 表示传送带摩擦因数； 表示邮件质量； 表示重力加速度。在查询了小型三相异步电动机的型号后，本论文先选择了Y2-63M1-4型三相异步电动机。此型号的电动机性能如表3-3所示，其效率为0.57，一般的传送带系统的传动效率为0.8，由式（3.2）可求得为90.26 W。由于此电动机需要频繁启动，因此在选择电动机的功率上要选择较大一点的电动机，一般选择1.2倍的电动机，而Y2-63M1-4型三相异步电动机的额定功率为120W，满足设计的要求。 式（3.2）式中 表示电动机的效率；表示传送带系统的传动效率。在选择电动机的型号时还需要检验电动机的转矩是否满足等效负载转矩的要求。可以根据式（3.3）求出电动机的等效负载转矩为0.35Nm，而Y2-63M1-4型三相异步电动机的额定转速可根据式（3.4）求得为0.83 Nm，完全满足本设计的要求，因此本设计选择了Y2-63M1-4型三相异步电动机。表3-3 Y2-63M1-4型三相异步电动机性能表型号额定功率额定电流转速效率功率因数最大转矩最小转矩堵转转矩额定转矩额定转矩额定转矩kWAr/min%倍倍倍Y2-63M1-40.120.41370570.722.21.72.1 式（3.3）式中 表示电动机转子转速。 式（3.4）式中 表示电动机的额定功率；表示电动机转子的额定转速。第二种电动机用于控制分拣推杆，其选择方法类似于第一种电动机。假设推动速度为0.2 m/s，邮件与传送带的摩擦因数为0.3，推杆系统的传动效率一般为0.8，可以根据式（3.1）求出负载功率为41.16W，所以本设计选择了Y2-63M1-4型三相异步电动机。同时还要检验电动的转矩是否符合等效负载转矩的要求，由式（3.3）可以求得等效负载转矩为0.35 Nm，因此本设计选择了Y2-63M1-4型三相异步电动机。综上所述，本论文的系统一共需要5台Y2-63M1-4型三相交流电动机。3.3.4传感器的选择传感器是一种检测被测对象的各种物理量的状态变化，再将这种状态变化量转化为电信号的电气元件。它主要的使用范围有检测系统与作业的对象、工作环境的状态，为准确地控制系统的工作提供相应的信息。在本设计中，需要用到接近开关。由于邮件检测的实物要求，接近开关必须要能准确地识别纸制、塑料、金属等属性的材料，同时由于只有当邮件通过时接近开关才会动作，所以输出方式必须是常开型。因此，本设计选用了CP-18R8DN型接近开关。CP-18R8DN型接近开关是一种圆柱形电容式交流接近开关，感应距离为8mm，可感应非金属材料，输出方式为常开型，工作电压为交流24V。3.3.5条形码扫描器在对邮码进行检测时要使用扫描器。扫描器是一种自身可以发射光线去照射邮件上的邮码，然后利用光电转换器来接收邮码的反射光线，并将反射光线的亮暗区别转换为数字信号进行处理的装置。由于在对邮件上的邮码进行检测的过程中，邮件的大小形状、包裹方式、邮码位置等不尽相同，因此，本设计选用了LS 6004-I000型全方位扫描器。3.3.6拨码器拨码器将条形码扫描器传输过来的信号进行数字过滤，以便实现稳定的信号输出，以此来完成数字信息的转换，从而传输到PLC中进行精准的控制。本设计选用DS-05型拨码器，此种拨码器有5个拨码开关，工作电压直流24V，额定电流0.025A，足够满足本设计的要求。3.3.7其他元器件选择（一）接触器的选择接触器是一种利用电磁感应来对电动机进行控制的元器件。在选择接触器的型号时，需要考虑接触器触头的额定电流，额定电流是在大于8小时的运行情形下的接触器的运行电流，一般按照负荷额定电流的1.52.0倍来选取。由于本设计选用的电动机的额定工作电流为0.4A，因此本设计选用了3TB40西门子交流接触器，此接触器主触头的额定工作电流为1A,主触头工作电压为交流24V，满足电动机的电流要求。（二）熔断器熔断器是一种用于过电流保护的保护元件，它串联在线路中，当出现长时间的过电流时，高温会融断熔断器的熔体以达到保护电路的目的。本设计选择的电动机额定电流为0.4A，一般用来保护电动机的熔断器的额定电流为负载额定电流的1.52.5倍。因此，本设计选择了TRF250-800型熔断器，额定电流为0.8A，最大工作电压为250V，满足设计要求。（三）断路器断路器是一种串联在电路中，能够对线路和电动机进行实时保护，在欠电压和过电流等异常工作状态时进行动作的保护元件。一般取负载额定电流的1.52倍，在需要频繁启动的电动机电路中则需要增加倍数。本论文选取DZ47-60 1P 1A型断路器，此种断路器动作电流为1A，工作电压为220V400V，满足设计要求。（四）热继电器热继电器是一种通过流过的电流所产生的热量使不同膨胀系数的金属片发生不同程度的形变，以分断接触器控制电路来断开主电路的电气保护元件。热继电器的额定电流一般取1.2倍的负载额定电流，因此本论文选择了NR2-25G/Z 0.5A型号的热继电器，额定电流为0.5A，满足设计要求。3.4邮件分拣系统的主电路图根据控制要求设计出如图3-1所示的主电路图。系统是通过PLC对KM1KM9这9个接触器进行控制，进而控制M1M5这5个电动机的正反转以达到控制要求的。图3-1 主电路图3.5 PLC的硬件接线图根据控制要求可得PLC系统的I/O接线图如图3-2所示：图3-2 PLC的I/O接线图3.6 I/O地址分配本文分拣系统的I/O对应分配表如表3-3所示。由表可知，系统总共需要I/O端口数为11个输入，11个输出。表3-4 分拣系统I/O口分配表输入编号输出编号启动I0.0红灯L1提示进邮件Q0.0邮件检测I0.1绿灯L2提示无效邮码Q0.1拨码器1号线I0.21号电机正转KM1Q0.2拨码器2号线I0.32号电机正转KM2Q0.3拨码器3号线I0.43号电机正转KM3Q0.4续表3-4拨码器4号线I0.54号电机正转KM4Q0.5接近开关1（SP1）I0.65号电机正转KM5Q0.6接近开关2（SP2）I0.71号电机反转KM6Q0.7接近开关3（SP3）I1.02号电机反转KM7Q1.0接近开关4（SP4）I1.13号电机反转KM8Q1.1复位开关I1.24号电机反转KM9Q1.24邮件分拣系统的程序设计4.1 PLC编程软件4.1.1编程语言梯形图是一种PLC程序设计中常用的编程语言。梯形图的优点是：其具有广泛的直观性和对应性；与系统的继电器控制的动作一致，设计人员便于掌控。在运用梯形图进行编程时需要注意其与原有的继电器控制的区别，在梯形图中的能流并不是通常意义上的电流，其内部的辅助继电器也并不是实际存在着的继电器。因此，设计人员在应用时需要注意区分其与继电器控制的概念的异同。4.1.2 STEP7-Micro/WIN编程软件STEP7-Micro/WIN编程软件是西门子S7-200可编程逻辑控制器的配套编程软件。STEP7-Micro/WIN的界面窗口如图4-1所示。主界面可以分成以下几个模块：浏览条、指令树、数据块、状态图、符号表、输出窗口和程序编辑器。图4-1 STEP7-Micro/WIN软件的界面窗口4.2邮件分拣系统的控制要求按下启动按钮后5号电动机开始工作，传送带启动，红灯L1亮提示可以进入邮件，从拨码器开始读入邮码，当1号信号线上有信号输入则表示进入了1号邮件，当2号信号线上有信号输入则表示进入了2号邮件，当3号信号线上有信号输入表示进入了3号邮件，当4号信号线上有信号输入则表示进入了4号邮件。如果是这4个区的邮码中的任意一个，则红灯L1熄灭，传送带将邮件传送到对应14号邮箱位置处时接近开关有信号输入，传送带停止，对应的推杆电动机将邮件推到对应的邮箱内，完成后推杆反转回归原位，传送带继续启动，L1灯亮，提示可以继续放入邮件。如果邮码错误，传送带停止，绿灯L2闪烁提示无效邮码，需要重新按下启动按钮系统才能继续分拣。4.3程序流程图本设计的程序流程图如图4-2所示：邮件检测若可判别，L1熄灭，电动机5继续运行传送带停止，推杆电机启动L1亮，推杆电机反转，传送带继续启动不可判别，绿灯L2闪烁，电动机5停止运行重启系统启动，红灯L1亮，电动机5运行图4-2 本设计的程序流程图4.4邮件分拣系统的PLC程序编写本论文的梯形图程序编写没有用到子程序，所有的功能都在主程序中实现，并通过调试确保了程序的正确性与可行性，完整的程序可参照附录。（一）系统启动程序如图4-3所示：当按下启动按钮后，系统启动并自锁，红灯L1点亮，提示可以进入邮件；当完成某一区的分拣后，L1重新点亮，提示可以进入邮件。图4-3 系统启动程序（二）传送带启动程序如图4-4所示：当按下启动按钮（I0.1）时传送带启动；当某区的邮件分拣结束后，推杆电动机开始反转时，传送带重新启动。图4-4 传送带启动程序（二）传送带停止程序如图4-5所示：按下复位开关时，传送带停止；当各个区的接近开关有信号输出时，传送带停止；当出现无效邮码时传送带停止。图4-5 传送带停止程序（三）邮码信号自锁程序邮码检测信号的输入和邮码输入信号是一个瞬时量而不是一个过程量。因此，本设计在每一个邮码输入后都加上了自锁，再利用辅助继电器实现对分拣系统的控制,同时为了使信号自锁在下次邮码输入前清零，本设计又通过借用控制推杆电动机的定时器来分断自锁信号，如图4-6所示就是将1区邮码自锁的梯形图程序，其中T40是控制1区推杆电动机正转时间的定时器。图4-6 1区邮码自锁的梯形图程序（四）1号推杆电动机正转分拣程序在完成对1区邮码信号的自锁之后，传送带将邮件向前传送，直到1区的接近开关感应到邮件后，传送带停止，1号分拣电动机启动，计时器T40开始计时，4秒后完成对邮件的分拣，电动机的自锁断开，传送带重新运行，如图4-7所示：图4-7 1号推杆电动机正转分拣程序（五）1号推杆电动机反转程序如图4-8和图4-9所示：当1号电动机完成对邮件的分拣后，接触器的触头KM6合上，电动机开始反转，4秒后停止。图4-8 1号推杆电动机反转程序图4-9 1号推杆电动机反转计时程序（六）故障报警程序本论文主要考虑了2种系统可能出现的故障情形：第一种，输入的邮码不是已知的邮码中的任何一种；第二种，输入的邮码同时出现几个区的邮码。下图（网络25和网络26）就是将2种故障情形合一而成的故障报警程序。邮码检测输入后自锁，直到14区的接近开关有输入后解锁。在推杆将邮件分拣之前，如果出现不满足图4-10所示的比较指令的信号则判断为故障邮码，传送带停止，L2闪烁。图4-10 无效邮码故障处理梯形图程序5系统调试5.1系统调试结果（一）系统硬件连线图按照设计的硬件连接图连接好实物如图5-1，其中由于学校的邮件分拣模块功能不能满足本设计的需求，所以本设计将推杆电机的反转输出（Q0.7-1.2）连接到红绿黄3个灯管上。邮件分拣模块上已经点亮的4盏红灯表示电动机待机。图5-1 PLC硬件连接图（二）运用STEP7-Micro/WIN软件对程序进行监控如图5-2所示：图5-2 程序实时监测图（三）如图5-3所示：按下启动按钮（I0.0），红灯L1亮，提示可以放入邮件。图5-3 系统启动工作图（四）如图5-4所示：按下模拟邮件检测的按钮I0.1，L1熄灭，同时传送带电动机启动。图5-4 邮码检测信号输入后系统状态图（五）如图5-5所示：按下按钮2区邮码I0.3，再按下接近开关I0.7，M2开始正转分拣，传送带停止。图5-5 2区邮件分拣状态图（六）如图5-6所示：M2正转结束后开始反转，绿灯HL2亮，推杆回归原位，传送带继续启动。图5-6 推杆电动机反转示意图（七）2区推杆回归原位后，L1重新点亮。其它3区的分拣过程同2区。当出现无效邮码时，如图5-7所示：传送带停止，绿灯L2闪烁。图5-7 无效邮码故障状态图5.2调试中遇到的问题（一）邮码信号自锁程序在进行梯形图程序的编写过程中，刚开始本设计并没有考虑到邮码检测信号的输入和邮码输入信号是一个瞬时量而不是一个过程量，导致了程序在调试过程中必须要保持模拟按钮一直接通，而这是不实际的也不合理的。因此，本设计在每一个信号输入后都加上了自锁，再利用辅助继电器实现对分拣系统的控制。但是，在对信号进行自锁之后必须在下个信号进来之前就断开，所以本设计又通过借用控制推杆电动机的定时器来分断自锁信号，如图5-8所示：图5-8 1区邮码自锁的梯形图程序（二）故障报警程序在编写故障报警程序的过程中，本设计考虑了两种故障情形：第一种，输入的邮码不是已知的邮码中的任何一种；第二种，输入的邮码同时出现几个区的邮码。因此本设计在最初的程序编写中，将着两种故障情形分别用两种处理程序进行报警，但是在调试过程中，本设计利用了STEP7-Micro/WIN中的程序监控功能对程序的运行过程进行了实时监控，本设计发现梯形图中的能流出现同时运行的冲突，在此基础上本设计将程序进行修改，把两种故障情形合成了一种处理监控程序图，如图5-9所示：图5-9无效邮码故障处理梯形图程序6组态软件6.1 MCGS组态简介MCGS组态是一款用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件，主要用于数据的采集与监测、前端数据的处理与控制等作用。本文应用了MCGS5.5通用版组态来对论文的系统进行组态的调试。6.2 PLC与组态软件的连接由于学校实训楼9楼实验室里的电脑无法安装MCGS组态以及其他各类软件，因此本论文在进行组态仿真时在8楼实验室中进行，又因为8楼实验室没有邮件分拣模块，所以本设计在调试成功后使用指示灯来代替各类输出，连接图如图6-1所示：图6-1 MCGS组态仿真硬件连接图6.3 组态设计6.3.1主控制窗口设计打开MCGS通用版5.5，新建项目后进入“用户窗口”界面将本系统所要用到的各类元器件画在窗口内，如图6-2所示：图6-2 用户窗口制作图6.3.2组态仿真（一）完成“用户窗口”的设计后，进入“实时数据库窗口”对需要用到的变量进行编译，设置变量的属性。由于本系统中不需要对数据进行显示，所以各个变量都设置成开关量，如图6-3所示：图6-3 实时数据库的变量设置（二）完成对“实时数据窗口”的设置后，进入“设备窗口”对I/O口进行定义和设置。由于设备定义时不能以数字开头，所以本设计将1-4区邮码输入定义为A-B区邮码输入，如图6-4所示：图6-4 设备窗口设置（三）完成“设备定义窗口”的设计后，进入“用户窗口”对每一个制作的元件进行对象定义与动画连接设置，如图6-5就是对接近开关1进行设置：图6-5 设置对象动画(四)全部的设置完成后，运行组态，点击“启动”按钮，L1亮，如图6-6：图6-6 启动系统（五）点击“邮件检测”按钮，L1熄灭，传送带电动机M5闪烁，邮件开始随着传送带运动，如图6-7所示：图6-7 邮件检测状态图（六）按下1区邮码输入按钮，当邮件运动到1区时，按下接近开关1，传送带停止，1号电动机开始正转，开始对邮件进行分拣，如图6-8所示：图6-8 1区邮件分拣图（七）邮件分拣完成后，1号电动机反转，传送带电动机M5继续启动，如图6-9所示： 图6-9 1区推杆电动机反转图（八）1区电动机反转结束后，L1亮，提示可以继续放入邮件,如图6-10所示。到此一次完整的分拣过程就结束了，其他3区的分拣过程也是如此。图6-10 分拣完成后的状态图（九）故障情形。点击邮件检测按钮，然后在硬件的按钮中同时按下I0.2和I0.3按钮，此时传送带电动机M5停止运行，红灯L2开始闪烁，如图6-11所示：图6-11 无效邮码状态图结论本文使用可编程逻辑控制器（PLC）对邮件分拣系统进行了完整的设计，并通过调试与仿真验证了设计的正确性与可行性，实现了对不同区域的邮件进行准确的分拣，并且制作了故障报警系统以提高系统的分拣准确性，减小了误差率。本文在对PLC控制技术进行深入研究的基础上，完成了以下几个方面的工作：（1）对系统的分拣控制要求进行了完善，考虑了多种故障处理方案，完成了PLC程序设计。（2）对系统的控制流程进行了优化，对梯形图程序进行了调试，增强了系统运行的稳定性和准确性。（3）对系统的生产现场进行了组态仿真，以确保了系统的社会现实性与可行性。（4）对系统的各种元器件进行了计算与挑选，丰富了论文内容。最终，本论文实现了满足控制要求的邮件自动控制分拣的设计。利用扫描器对邮码进行检测，启动传送带。检测完成后利用拨码器对PLC进行分区输入，传送带将邮件传送到对应的邮箱处，接触开关接收到信号后传送带停止，启动对应区域的推杆电动机将邮件推入对应的邮箱中。然后传送带重新启动，推杆电动机反转回归原位，红灯L1亮提示可以继续分拣邮件。至此，一次完整的邮件分拣就完成了。当出现了无效邮码时，传送带停止，绿灯L2闪烁，需要再次按下启动按钮才能继续分拣。致谢本次毕业论文设计要十分感谢笔者的毕业论文指导老师曹言敬，在她的督促下笔者才能不慌不忙、脚踏实地地完成论文设计。她对笔者的悉心教导帮助笔者解决了一些程序上的疏漏和论文内容上的不妥之处，她对PLC方面的深入研究让笔者颇为叹服，她对待工作一丝不苟的态度使笔者对毕业后的工作产生了深远悠长的影响。同时，笔者还要感谢信电工程学院的全体老师和同学在大学四年中给我的关怀和照顾，让笔者在这四年中学到了很多对工作和生活有用的知识，锻炼了笔者的耐心和承受力，磨砺了笔者的脾气和心性，让笔者决定在离开学校后把这种精神传承下去，迎接充满挑战的漫长人生，笔者对此充满了信心。在此，笔者表示由衷的感谢。参考文献1 陈宏.可编程控制器(PLC)的选型J.化工进展,2004, 22(12): 1354-1356.2 周万珍,高鸿斌编.PLC分析与设计应用M.北京：电子工业出版社,2004:88-118.3 张万忠编.电气控制与PLC控制技术M.北京：化学工业出版社,2005:124-153.4 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