自动线分拣单元控制系统设计毕业论文doc之欧阳育创编.docx

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自动线分拣单元控制系统设计毕业论文doc之欧阳育创编

摘要

时间：

2021.02.04

创作：

欧阳育

本课题主要运用气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制技术以及变频器技术等专业核心课程展开自动线分拣单元控制系统设计。

分拣单元是自动生产线的最后一单元，是整条生产线中不可缺少的自动生产设备，它靠气动传动，依靠气缸等执行元件推动物料，在控制系统中起着举足轻重的作用，而控制运行的PLC系统要求也越来越高，要求达到系统运行的“稳”、“准”、“快”的运行目的。

该系统主要由PLC、逻辑控制电路组成，其中包括交流电机、变频器、传感器和笔形气缸组成为一体的自动控制系统。

本机控制单元采用三菱公司的PLC对机器进行全过程控制，其控制系统结构简单，运行效率高，易于理解与掌握。

关键词：

PLC交流电机变频器编码器传感器

摘要...........................................................Ⅰ

第一章绪论......................................................1

第二章可编程控制器的概述........................................3

2.1PLC的基本概念...............................................3

2.1.1PLC的特点...............................................3

2.1.2PLC的发展阶段...........................................5

2.2PLC的分类与应用及前景.......................................6

2.2.1PLC的分类...............................................6

2.2.2可编程控制器PLC的应用与前景.............................7

2.3可编程控制器的几种编程语言...................................9

2.3.1梯形图编程语言...........................................9

2.3.2功能块图编程语言........................................10

2.4传感器的概述................................................10

2.4.1磁性传感器的工作原理....................................11

2.4.2电感式接近开关的工作原理................................11

2.4.3光电式接近开关的工作原理................................12

2.4.4光纤传感器的工作原理....................................13

2.4.5金属传感器的工作原理....................................14

2.4.6电磁换向阀的工作原理....................................14

2.5气动装置的概述..............................................15

2.5.1气泵的认识与选择........................................15

2.5.2空气压缩机..............................................16

2.5.3储气罐..................................................17

2.5.4压力控制阀..............................................17

2.5.5辅助元件................................................17

2.5.6气动执行元件............................................18

第三章材料分拣装置硬件系统.....................................20

3.1基本功能及控制要求..........................................20

3.2系统的结构设计..............................................20

3.3材料分拣装置的组成及各部的功能..............................21

第四章PLC硬件设计.............................................24

4.1PLC选型....................................................24

4.2I/O地址分配................................................24

4.3I/O连接图..................................................25

第五章PLC软件设计.............................................26

5.1程序流程图..................................................26

5.2梯形图及说明................................................27

5.3PLC指令....................................................29

第六章控制系统的调试...........................................30

6.1硬件调试....................................................30

6.2软件调试....................................................30

6.3整体调试....................................................30

结论.............................................................32

致谢.............................................................33

参考文献.........................................................34

附录一...........................................................35

附录二...........................................................36

第一章绪论

随着科学技术的发展,工业自动化程度的不断提高,市场竞争的激烈，传统的人工分拣生产效率低，成本高，企业竞争力差，已经无法满足现代化生产的需要。

因此，企业都迫切需要改进生产技术，提高生产效率，节约成本，增强竞争力，而可编程控制器的出现则克服了这些困难，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置，是自动化控制系统的关键设备。

自动分拣系统具有以下主要特点：

1、能连续、大批量地分拣货物。

由于大生产中采用的流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时自动分拣系统单位时间分拣件数多。

因此自动分拣系统可以连续运行100个小时以上，每小时可分拣7000件包装商品，如用人工则每小时只能分拣150件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。

2、分拣误差率极低。

自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，则误差率在3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有差错，否则不会出错。

因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。

3、分拣作业基本是无人化。

国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻员工的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。

分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于以下工作：

（1）送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货。

（2）由人工控制分拣系统的运行。

（3）分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车。

（4）自动分拣系统的经营、管理与维护。

物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续地分拣货物，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。

而且分拣系统能灵活的与其它物流设备无缝连接，实现对物料实物流，物料信息流的分配与管理，其设计采用标准化，模块化的组装，具有系统布局灵活，维护，检修方便等特点。

材料分拣装置使用了PLC技术，传感器技术，位置控制技术，电气传动和气动技术，是实际工业现场生产设备的微缩模型。

应用PLC结合气动技术，传感器技术和位置控制技术，设计不同的自动分拣控制系统，该系统灵活性较强，程序开发简单，适用于进行材料分拣的生产线的要求，且可以实现不同材料的自动分拣和归类功能。

本文设计的材料分拣系统可以实现以下功能：

（1）分拣出金属与非金属。

（2）分拣某一颜色块。

（3）分拣出金属中某一颜色块。

（4）分拣出非金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块。

（5）分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块。

分拣颜色：

红，黄，蓝；分拣材料：

铁，铝，塑料。

第二章可编程控制器的概述

2.1PLC的基本概念

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC，其硬件结构示意图如图2-1所示。

图2-1PLC的硬件结构示意图

2.1.1PLC的特点

1、PLC的主要特点

（1）高可靠性

1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。

3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

4）采用性能优良的开关电源。

5）对采用的器件进行严格的筛选。

6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

（2）丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：

•交流或直流；

•开关量或模拟量；

•电压或电流；

•脉冲或电位；

•强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

•按钮

•行程开关

•接近开关

•传感器及变送器

•电磁线圈

•控制阀

直接连接，另外为了提高操作性能，它还有多种人——机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

（3）采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外绝大多数PLC均

采用模块化结构，PLC的各个部件包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户需要自行组合。

（4）编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

（5）安装简单维修方便

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行使用，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。

2、PLC的功能

（1）逻辑控制

（2）定时控制

（3）计数控制

（4）步进（顺序）控制

（5）PID控制

（6）数据控制

（7）通信和联网

（8）其它

PLC具有数据处理能力，还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：

定位控制模块，CRT模块。

2.1.2PLC的发展阶段

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

1、早期的PLC（60年代末—70年代中期）

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。

这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。

它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。

装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器，另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。

在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。

因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等，其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

2、中期的PLC（70年代中期—80年代中后期）

在70年代微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化，美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU），这样使PLC的功能大大增强。

在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。

3、近期的PLC（80年代中后期至今）

进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高，而且为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片，这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

2.2PLC的分类与应用及前景

2.2.1PLC的分类

PLC的种类繁多，其规格和性能也各不相同，对PLC的分类，通常根据其形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

1、按PLC结构形式分类

根据PLC结构形式的不同，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC

整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等各部件都集中装在一个机箱内，有结构紧凑、体积小、价格低的特点，小型PLC一般都采用这种整体式机构。

整体式PLC由不同PLC点数的基本单元和扩展单元组成，基本单元内有CPU、I/O接口，与I/O扩展单元相连的扩展口、以及编程器或EPROM写入器相连的接口等。

扩展单元内有I/O，没有CPU，基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。

整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

（2）模块式PLC

模块式PLC是将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及其他模块。

模块式PLC由框架或基板和各种模块组成，模块装在框架或基板的插座上。

这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修，大、中型PLC一般都采用这种模块式结构。

另一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。

叠装式PLC其CPU，电源，I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是非电缆联接，并且各模块可以叠装，这样不但系统可以灵活配置，还可以做的体积小巧。

2、按功能分类

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低、中、高档次。

（1）低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断监控等基本功能，还可以少量模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较等功能，主要用于逻辑控制，顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较，数据转换，远程I/O，子程序，通信联网等功能，有些还可增设中断控制，PID控制等功能，适应于复杂控制系统。

（3）高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加了符号算术运算，矩阵运算，位逻辑运算，平方根运算及其他特殊功能函数的运算，制表及表格传递功能等。

高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

3、按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型，中型和大型三类。

（1）小型PLC——I/O点数<256点，单CPU，8位或16微处理器，用户存储器容量4K以下。

CE-I型美国通用电气（GE）公司

TI100美国德洲仪器公司

FF1F2日本三菱电气公司

C20C40日本欧姆龙公司

SF200德国西门子公司

EX20EX40日本东芝公司

SR-20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司

（2）中型PLC——I/O点数256~2048点，双CPU，用户存储器容量2-8K。

S7-300德国西门子

SR-400中外合资无锡华光电子工业有限公司

SU-5SU-6德国西门子公司

C-500日本立石公司

CE-ШGE公司

（3）大型PLC——I/O点数>2048点，多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8~16K。

S7-400德国西门子公司

GE-IVGE公司

C-2000立石公司

K3三菱公司

2.2.2可编程控制器PLC的应用与前景

一、PLC的应用

目前，在国内外PLC已广泛应用冶金，石油，化工，剪彩，机械制造，电力，汽车，轻工，环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格的不断提高，且应用领域不断扩大，从应用类型看大致可归纳为以下几个方面：

1、强量逻辑运算

利用PLC最基本的逻辑运算，定时，计收等功能实现逻辑运算，可取代传统的继电器控制用于单片机控制，多机群控制，生产自动线控制等。

例：

机床，注塑机印刷机械，装配生产线，电镀流水线及电梯的控制等。

这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。

2、运动控制

大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广泛用于各种机械设备。

例如：

各种机床，装配机械，机器人等进行运动控制。

3、过程控制

大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出，所以PLC可实现模拟量控制而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。

这一功能已广泛用于铝炉，反应堆，水处理，酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面。

4、数据处理

现代的PLC都具有数学运算数据传递、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集，分析和处理，同时通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。

例如：

CNC设备进行处理。

5、通信联网

PLC的通信包括PLC与PLC，PLC与计算机，PLC与其它智能设备之间的通信。

PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元，通信转换单元相连构成网络，来实现信息的交换和构成。

PLC在问世以来，经过40多年的发展，在国外也取得了较好的发展。

在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。

目前，世界上有200多个厂家生产PLC。

较多的有美国：

AB通用电气、莫迪康公司；日本：

松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：

西门子公司；法国：

TE施耐德公司。

韩国：

三星、LG公司等。

二、PLC的发展前景

1、产品规模向大小两个方向发展。

大：

I/O点数达14336点，32位微处理器，多CPU并行工作，大容量存储器，扫描速度快高速。

小：

整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。

2、PLC在闭环过程中应用日益广泛。

3、不断加强通讯功能。

4、新器件和模块不断推出。

管理分散控制的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。

2.3可编程控制器的几种编程语言

可编程控制器的编程语言按IEC61131-3国际标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言。

图形化编程语言包括:

梯形图（LD-LadderDiagram）、功能块图（FBD-FunctionBlockDiagram）、顺序功能图（SFC-SequentialFunctionChart）。

文本化编程语言包括:

指令表（IL-InstructionList）和结构化文本（ST-StructuredText）。

这些语言是基于WINDOWS操作系统的编程语言，而SFC编程语言则在两类编程语言中均可使用。

下面分别来介绍这两种编程语言。

2.3.1梯形图编程语言（LD-LadderDiagram）

梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是PLC编程中被最广泛使用的一种图形化语言。

由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式，而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。

梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右侧的电力轨线。

每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，一个简单的梯形图程序如图2-2所示:

图2-2梯形图程序示例

梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事件发生的条件表示在梯形的左面,事件发生的结果表示在梯级的右面。

梯形图编程语言具有如下特点:

（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性。

（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习。

（3）对于复杂控制系统描述，仍不够清晰。

（4）可读性仍不够好。

几乎所有PLC厂商提供的PLC都支持梯形图编程语言,而且都比较容易理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。

比如