基于PLC控制的大小铁球分拣系统设计

摘要机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分的代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因为，它能大大的改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用的更为广泛。在我国，尽快几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分拣，本课题拟开发物料搬运机械手，采用三菱FS2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。用于分拣大小球的机械装置。我们利用可编程技术，集合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。关键词：机械手、PLC、大小球目 录第1章 绪论.1第 2 章 PLC的论述.22.1 PLC的定义 .22.2 PLC的特点 .22.3 PLC的基本组成及各部分作用.42.4 FX2N系列PLC型号名称的含义 .72.5 PLC的选型 .72.6 PLC的应用领域. 9第3章 PLC控制系统硬件设计 .10 3.1 按钮和行程开关的选择.103.2 接近开关、转换开关、刀开关的选择.10 3.3 时间继电器、接触器的选择 .10 3.4 熔断器、电动机的选择 .113.5 电磁阀的选择.11 3.6 感应器的选择.11第4章 大小球分捡控制系统 .134.1 系统要求.134.2 大小球分捡控制系统的工作原理.134.3 输入 / 输出端口分配及硬件连接.144.4 大小铁球分捡系统控制原理图 .154.5 大小球分捡控制系统的顺序功能图 .164.6 大小铁球分捡系统控制输入/输出接线 .174.7 大小铁球分捡系统控制梯形图 .18致谢 .20参考文献 .21第1章绪论进入二十世纪八十年代以来，随着微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了PLC在世界范围内的发展，使其在生产中的地位越来越重要，因此笔者认为在中技层次的电类教学中开展PLC等新技术的教学是非常必要的。然而对于中技层次的培训，一般由于种种顾虑，使学校还不能把PLC投入到中技的教学中来。但PLC等先进技术在社会中已达到广泛应用，社会需要具备此项技术的人才。因此我们必须采取一些方法解决实施的问题。可编程序控制器(PLC)是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置,是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术。进入二十世纪八十年代以来，随着微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了PLC在世界范围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动控制中。我国在七十年代末期开始对PLC进行研究、生产和应用。在近十年来，取得了非常好的成绩。特别是在应用方面，随着国力的增强和生产力的提高，PLC已经渗透到了各个领域。在生产方面，为了提高生产效率和工业的自动化，我们引进了许多在世界上都处于领先技术的成套设备，如上海宝钢集团上马的第一期工程中，就采用了250台PLC，二期工程中有采用了180台。再如，总部坐落在北京的神华集团，其下属神东公司，其优质煤的日产量在世界首屈一指，所使用的采煤设备是当前世界最好的三家公司的最新产品，因而大量地使用PLC等先进技术。还有三峡工程、秦川电站、天津开发区的康师傅方便面生产线等都用了PLC控制。现在PLC不但应用于冶金、矿业、机械、轻工等工业自动控制中，在其他领域它也有着广泛地应用。例如，市政建设中的水处理，沥青、混凝土的拌和；日常生活中的电梯、车库的自动化管理等、货物存取等；商业中的自动售货机，啤酒罐装及酿酒等；另外还在环保、娱乐业中也有应用。以前PLC应用得比较少时，只需要有较少的技术人员掌握即可满足生产要求，但是随着PLC应用范围的扩展、功能的日益强大，同时PLC在生产中的地位越来越重要，只有少数专业技术人员懂得PLC的现状再也不能满足企业控制技术发展的要求了。现在招聘维修电工不但基本技术要扎实，还要懂得PLC技术、变频技术及微机技术的原理和故障鉴别等。而对于在生产线上的普通操作也应该懂得一些关于PLC、变频器等方面的基本知识，这样既可便于生产操作，又可以对生产和维修有很多帮助，如帮助维修人员明确故障的范围和现象，缩短故障维修时间，更好的保证生产的顺利进行。这也正好符合PLC当初的设计初衷，即：是操作人员使用方便，不存在计算机与传统电气控制间的专业“鸿沟”。综上所述，针对目前，中技电类毕业生毕业后主要面向企业的电气维修及操作人员分配的现状，因此笔者认为在中技层次的电类教学中开展PLC等新技术的教学是非常必要的。第2章PLC的论述2.1 PLC的定义可编程序控制器，英文Programmable Controller,简称PC。但由于PC容易和个人计算机(Personal Computer) 混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写.它室一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置,专为在工业现场应用而设计,它采用可编程序的储存器,用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令,并通过数字式或模拟式输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。2.1.1 PLC的应用PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。2.1.2 PLC的发展可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿。在第三稿中，对PLC作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。定义强调了PLC是：1 数字运算操作的电子系统-也是一种计算机 2 专为在工业环境下应用而设计 3 面向用户指令-编程方便 4 逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作 5 数字量或模拟量输入输出控制 6 易与控制系统联成一体 7 易于扩充2.2 PLC的特点为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：2.2.1 可靠性高，抗干扰能力强 工业生产对控制设备的可靠性要求：(1)平均故障间隔时间长(2)故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种： 偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。 永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。2.2.2 通用性强，控制程序可变，使用方便 PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。2.2.3 功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。2.2.4 编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。2.2.5 减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。2.2.6 体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24128点。2.2.7 硬件措施主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。屏蔽-对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。滤波-对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。电源调整与保护-对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。隔离-在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。采用模块式结构-这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。2.2.8 软件措施有极强的自检及保护功能。故障检测-软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。信息保护与恢复-当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。设置警戒时钟WDT（看门狗）-如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。加强对程序的检查和校验-一旦程序有错，立即报警，并停止执行。对程序及动态数据进行电池后备-停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。PLC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1S的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万上千万小时；制成系统亦可达45万小时甚至更长时间。2.3 PLC的基本组成及各部分作用 PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。2.3.1 中央处理单元(CPU)：CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1)接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；(2)诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;(3)用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;(4)PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;(5)将用户程序的执行结果送至输出端。现代PLC使用的CPU主要有以下几种:(1)通用微处理器，如8080, 8088, Z80A, 8085等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。(2)单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。(3)位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。2.3.2 存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:(1)系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.(2)用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。(3)工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。2.3.3 1/0单元I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.2.3.4 电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V, +12V, +24V的直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。2.3.5 扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。2.3.6 通信接口为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。2.3.7 编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。2.4 FX2N系列PLC型号名称的含义系列序号：如1S，1N，2N表示输入输出的总点数：FX2N系列PLC的最大输入输出点数为256点。表示单元类型：M为基本单元，E为输入输出混合扩展单元与扩展模块，EX为输入专用扩展模块，EY为输出专用扩展模块。表示输出形式：R为继电器输出（有干接点，交流、直流负载两用）； T为晶体管输出（无干接点，直流负载用）； S为双向晶闸管输出（无干接点，交流负载用）。表示电源形式：D为DC24V电源，24V直流输入；H为大电流输出扩展模块(1A1点)；V为立式端子排的扩展模块；C为接插口输入方式；F为输入滤波时间常数为1ms的扩展模块；L为TTL输入扩展模块；S为独立端子(无公共端)扩展模块；若无标记，则为AC电源，24V直流输入，横式端子排，标准输出(继电器输出为2A1点；晶体管输出为0.5A1点；双向晶闸管输出为0.3A1点)。2.5 PLC的选型 在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。2.5.1 输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入40点，输出21点。2.5.2 存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。2.5.3 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。（1）控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。（2）编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。（3）诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。2.5.4 机型的选择（1）PLC的类型FX2系列可编程控制器主机分为16、24、32、64、80、128点六档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。本课题设计的立体仓库控制系统有输入信号40个，输出信号21个。其中，外部输入元件包括：检测元件、按钮、取、送、急停、限位开关、超限位保护等等；输出有三个步进电机的正反向、动作指示、错误显示等等。按照上述配置，所选I/O点不得低于61点，结合实际情况，所选I/O点为80点。因此我所选型号为FX2N-80MR。（2）经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的立体仓库属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选择整体型PLC。2.6 PLC的应用领域 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类:2.6.1 开关量逻辑控制取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.6.2 工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。2.6.3 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。2.6.4 数据处理PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。2.6.5 通信及联网PLC通信包括PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。第3章 PLC控制系统硬件设计3.1 按钮和行程开关的选择3.1.1按钮的选择原则(1)根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式，防水式，紧急式等。(2)根据用途，选用合适的型式，如钥匙式，紧急试，带灯式等。(3)按控制回路的要求，确定不同的按钮数，如单钮，双钮，三钮，多钮等。(4)按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色。3.1.2行程开关的选择行程开关的分类：直动式，滚动式和微动式三种。直动式行程开关的优点是结构简单，成本低，但容易烧蚀触头。滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点，但其结构复杂，价格也较高，所以选择微动式行程开关体积小，动作灵敏，适用于小型机构中使用。 3.2 接近开关、转换开关、刀开关的选择3.2.1接近开关的选择接近开关是一种对接近它的物体有“感知”能力的元件位移传感器，利用传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。在设计中，接近开关SBO用于检测是否有球，SB1SB5分别用于传送机械手上下左右运动的定位。 接近开关分为霍尔接近开关，超声波接近开关，高频振荡式接近开关，霍尔接开关用于检测磁场，一般用磁场钢作为被检测体。超声波接近开关适用检测不能或不可触及的目标，其控制功能不受声、电、关等因素干扰，检测物体可以是固体、液体、或粉末状态的物体，只要能反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成，高频振荡式接近开关用于检测各种金属，主要由高频振荡器，集成电路晶体管放大器和输出器三部分组成。3.2.2转换开关的选择转换开关是一种多档位，多触点，能够控制多回路的主令电器，可以用于控制小容量电动机的启动、换向、调速、正反转控制等，常用的万能转换开关有LW2、LW5、LW6、LW8等系列，在设计机械手大小球分选系统中操作方式有手动，单周期，连续。3.2.3 刀开关的选择刀开关是一种手动电器，为了简单，方便，选择HD型单投刀开关，分为1级，2级，3级。2.3时间继电器、接触器的选择3.3 时间继电器、接触器的选择3.3.1时间继电器的选择时间继电器在控制电路中用于时间的控制，有JS23，JS27A，JSK，7PR，SS18等系列的时间继电器。3.3.2接触器的选择接触器的选型要求：（1）根据负载性质选择接触器类别，一般交流负载选择交流接触器，直流负载选择直流接触器。（2）根据被控电路电流大小和使用类别选择接触器的额定电流。（3）根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压。（4）根据控制电路的电压等级选择接触器线圈的额定电压。3.4 熔断器、电动机的选择3.4.1熔断器的选择熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路，熔断器具有结构简单，体积小，重量轻，使用维护方便，价格低廉，分断能力较高，限流能力良好等优点，熔断器有NT、RT、RL、RLS2、FA4等型式的熔断器，RT系列为有填封闭管式熔断器，可在500V以下交流系统中作过载及短路保护用，这种熔断器为螺栓连接，可直接连在母线排上，尤其适合开关熔断器组选用，RT15型熔断器最大额定电流400A，额定分断能力100KA。3.4.2电动机的选择电动机是选交流的，而电动机分为异步电动机和同步电动机两大类，异步电动机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。由于异步电动机具有结构简单，制造，使用方便，运行可靠，成本低廉，效率较高等优点而得到广泛应用。例如，在工业生产中，异步电动机用于拖动中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械和矿山机械等；在农业生产中，异步电动机用于拖动水泵，粉碎机以及其他农副产品的加工机械；在民用电器方面的电风扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。3.5 电磁阀的选择电磁阀的分类：国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即：直动式、分步童先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构)。电磁阀的优点：耐高温电磁阀是间接先导式平衡电磁阀，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用范围等。3.6 感应器的选择3.6.1感应器的分类按技术分类：超声波传感器 - 温度传感器 - 湿度传感器 - 气体传感器 - 气体报警器 - 压力传感器 - 加速度传感器 - 紫外线传感器 - 磁敏传感器 - 磁阻传感器 - 图像传感器 - 电量传感器 - 位移传感器按应用分类：压力传感器 - 温湿度传感器 - 温度传感器 - 流量传感器 - 液位传感器 - 超声波传感器 - 浸水传感器 - 照度传感器 - 差压变送器 - 加速度传感器 - 位移传感器 - 称重传感器3.6.2个别介绍（1）温度传感器：温度传感器一般是将温度转化为电子数据的电子元件。使用电阻随温度变化的导电体制作的温度传感器。最常用的是使用铂，在0C时电阻为100欧姆的元件（Pt100） 半导体温度传感器一般集成有放大和调整电路 晶体振荡器的振荡频率随温度变化因此可以非常精确地测量温度 使用热电效应测量温度的热电偶 焦电性物质的表面电荷密度随温度变化而变化，因此其表面电荷强度可以用来测量温度。（2）压力传感器：压力传感器是用于测量液体与气体的压强的传感器。与其他传感器类似，压力传感器工作时将压力转换为电信号输出。压力传感器在很多监测与控制应用中得到广泛的使用。除了直接的压力测量，压力传感器同时也可用于间接测量其他量，如液体/气体的流量，速度，水面高度或者海拔。压力传感器在使用的技术，设计，性能表现，工作适应条件与价格上有很大的差异。保守估计，全世界有50种以上技术的压力传感器和至少300家企业生产压力传感器。同时，也有一类的压力传感器设计用于动态测量高速变化的压强。示例的应用有引擎气缸的燃烧压力或者涡轮发动机中气体的压强监测。这样的传感器一般以压电材料制造，例如石英。一些压力传感器，例如应用于交通执行照相机中的，则以二进制方式运行，也就是，当压力达到某数值，则传感器控制接通或断开电路，这类型的压力传感器也被称作压力开关。（3）图像传感器是一种能将可视图像转化为电子信号的设备，主要应用于数码照相机与其它成像设备中。一般由一组CCD或CMOS传感器（如有源像素传感器）组成。 彩色图像传感器，按其对色彩的分辨方式可分成以下几大类： 贝叶(Bayer)传感器，一种廉价也最常见的图像传感器，使用贝叶滤波器使得不同的像素点只对红、蓝、绿三原色光中的一种感光，这些像素点交织在一起，然后通过demosaicing内插来恢复原始图像。 Foveon X3 传感器，用于某些Sigma及宝丽来数码照相机。它的每一像素点都有三重传感器，可以对所有颜色感光。 3CCD 传感器，如某些松下数码照相机，通过双色棱镜分光，并采用3块独立的CCD传感器，一般认为图像还原质量最好但价格比较昂贵。贝叶(Bayer)传感器，一种廉价也最常见的图像传感器，使用贝叶滤波器使得不同的像素点只对红、蓝、绿三原色光中的一种感光，这些像素点交织在一起，然后通过demosaicing内插来恢复原始图像。第4章大小球分捡控制系统4.1系统要求 在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，图 3-1-1 是用于分捡小球大球的机械装置。工作顺序是向系下，抓住球，向上，向右运行，向下，释放，向上和向左运行至左上点（原点）抓球和释放球的时间均为 1 秒。 图4-1 大小球分捡控制系统示意图4.2 大小球分捡控制系统的工作原理当捡球装置停在左极限SQ1处时，按下启动按钮X6，捡球装置下降捡球平板，当下降的捡球平板碰到下限开关SQ2时，停止下降，捡球装置给平板处的电磁线圈（KM）通电，捡球平板产生电磁吸力吸住钢球，此时压力感应器用来判断是吸住的大球还是小球，如果压力感应器的输出Y6断开，说明吸住的是小球，而Y6如是闭合的，则说明吸住的是大球。当吸住钢球后，捡球平板上升，碰到上限开关后开始右行，SQ4为小球位限位开关，SQ5为大球位限位开关，在右行的过程中，如果吸住的是大球，则要到碰到SQ5才停止右行，下降到下限开关位置，断电释放钢球，然后上升到上限开关位置停止上升，开始左行，碰到左极限停止左行；而如果是吸住的小球，则在右行的时候碰到SQ4就停止右行，下降到下限开关出停止下行，断电释放钢球，然后上升到上极限位置停止上升，开始左行，到左极限停止左行，重新开始新一轮捡球过程，如此反复执行。4.3 输入 / 输出端口分配及硬件连接系统的输入点分配是： X1 为左限位开关， X2 为下限位开关（小球动作、大球不动作）， X3 为上限位开关， X4 为释放小球的中间位置开关， X5 是释放大球的右限位开关， X0 为系统的运行开关。系统的输出点分配是： Y0 是机械臂下降， Y2 是机械臂上升， Y1 是吸球口， Y3 是机械臂右移， Y4 是机械臂左移， Y5 是机械臂停在原点的指示灯。表4-2 大小铁球分捡系统控制输入/输出分配表输入输出输入继电器电路元件作用输出继电器电路元件作用X1SQ1左限位Y0KM1下移X2SQ2下限位Y1KM2电磁铁X3SQ3上限位Y2KM3上移X4SQ4小球右限位Y3KM4右移X5SQ5大球右限位Y4KM5左移X6SB2启动按钮Y5HL原点指示灯X0SB1原始位置4.4大小铁球分捡系统控制原理图 图4-3大小铁球分捡系统控制电气原理图 4.5 大小球分捡控制系统的顺序功能图图4-5 大小球分捡系统控制顺序功能图4.6 大小铁球分捡系统控制输入/输出接线图图4-6 大小铁球分捡系统控制输入/输出接线4.7 大小铁球分捡系统控制梯形图图4-7 大小铁球分捡系统控制梯形图图4-8 大小铁球分捡系统控制梯形图图4-9 大小铁球分捡系统控制梯形图致谢本课题在选题及研究过程中得到吴老师的悉心指导, 他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。杨老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。，杨老师踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向杨老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢杨老师等对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!参考文献 1 赵曙光,郭万有,杨颂华编著. 可编程逻辑器件原理、开发与应用M . 西安：西安电子 科技大学出版社,2000. 2 郑瑜平编. 可编程控制器M .北京：北京航空航天大学出版社,2001.3 三菱微型可编程控制器（FX2N系列）使用手册.4 谢克明,夏路易主编. 可编程控制器原理与程序设计M .北京：电子工业出版社,2002.5 廖常初主编. PLC编程及应用M .北京：机械工业出版社,20026 陈远龄机床电气自动控制M重庆：重庆大学出版社，2004.7 廖常初PLC 的编程方法与工程应用M重庆：重庆大学出版社，2001.8贺哲荣流行PLC 实用程序及设计M西安：西安电子科技大学出版社，2006.第 21 页 共 26 页