基于PLC的邮件分拣机控制系统设计之欧阳美创编.docx
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基于PLC的邮件分拣机控制系统设计之欧阳美创编
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
MAILSORTINGMACHINEBASEDONPLCCONTROLSYSTEMDESIGN
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。
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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
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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
Abstract
UsingPLCtodesignsortingsystemgetsridofthedefectofusingrelayforsortingsystemlackofstabilityandadaptability,andcannotmeettherequirementofthespecialcontrol.AndPLCsortingsystemrealizesthemaintargetforautomaticsortingmail.ThispapermakesfulluseoftheexcellentperformanceofProgrammableLogicControllertodesignasystemwhichhasadvantagesofstableoperationandlowfailurerate.
Thisarticlefirstlyintroducestheoriginandbackgroundofthetopicofthethesis,andthenestablishesasystemimplementationscheme,designideaandrationalityofinference.Secondlythesystemstartshardwareselection,hardwarecircuitdesign,softwareprogramdesign,anddrawstheladderdiagram.Thenthesystemdebuggingiscarriedouttodeterminethefeasibility,andthenthethesisusingtheMCGSconfigurationsoftwaremakesconfigurationsimulationofthewholesystem.Finally,thisarticlesummarizestheresultofthetotaldesigncontentandpresentation.
KeywordsProgrammableLogicController（PLC）sortingmail
1绪论1
1.1选题的研究背景和研究意义1
1.2邮件分拣系统的现状与发展趋势1
1.3本设计的主要研究内容2
2总体设计方案3
2.1控制要求分析3
2.2可编程逻辑控制器（PLC）介绍3
2.2.1PLC的硬件构成3
2.2.2PLC的特点4
2.2.3控制系统的PLC工作流程5
3系统硬件设计6
3.1PLC控制系统设计的基本原则6
3.2PLC控制系统设计的一般步骤6
3.3元件选择及电器功能说明7
3.3.1系统元件总览7
3.3.2PLC的选型8
3.3.3驱动元件的选择8
3.3.4传感器的选择9
3.3.5条形码扫描器10
3.3.6拨码器10
3.3.7其他元器件选择10
3.4邮件分拣系统的主电路图11
3.5PLC的硬件接线图12
3.6I/O地址分配12
4邮件分拣系统的程序设计14
4.1PLC编程软件14
4.1.1编程语言14
4.1.2STEP7-Micro/WIN编程软件14
4.2邮件分拣系统的控制要求15
4.3程序流程图15
4.4邮件分拣系统的PLC程序编写16
5系统调试20
5.1系统调试结果20
5.2调试中遇到的问题23
6组态软件25
6.1MCGS组态简介25
6.2PLC与组态软件的连接25
6.3组态设计25
6.3.1主控制窗口设计25
6.3.2组态仿真26
结论31
致谢32
参考文献33
附录34
1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
2.1控制要求分析
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。
M1~M4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。
SP1~SP4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
2.2.1PLC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。
2.2.2PLC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：
图2-2控制系统的PLC工作流程图
3系统硬件设计
3.1PLC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。
3.2PLC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
1
PLC
CPU-226
1
2
电动机
Y2-63M1-4
5
3
传送带
DV60
1
4
启动/复位按钮
LA23-D-GW
2
6
指示灯
XDN1-24
2
7
熔断器
TRF250-800
15
8
交流接触器
3TB40
5
9
快速断路器
DZ47-601P1A
1
10
热继电器
NR2-25G/Z0.5A
5
3.3.2PLC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0.2m/s，可以根据式（3.1）求出负载功率
为41.16W。
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90.26W。
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0.35N·m，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0.83N·m，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3-3Y2-63M1-4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
kW
A
r/min
%
倍
倍
倍
Y2-63M1-4
0.12
0.4
1370
57
0.72
2.2
1.7
2.1
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0.2m/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0.35N·m，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LS6004-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1.5～2.0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
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