基于PLC分拣系统设计.docx

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基于PLC分拣系统设计

毕业设计说明书

基于PLC分拣系统设计

专业

学生姓名

班级

学号

指导教师

完成日期

2013年6月7日

基于PLC分拣系统设计

1绪论

1.1选题背景与意义

这篇设计三菱PLC软件为背景，主要是对基于PLC控制分拣系统进行说明。

在20世纪80年代，微电子技术和计算机技术的迅速发展极大的推动了PLC的发展，在分拣系统中采用工业机械设备，不仅可以提高产品的控制力度，而且对人身安全保障进一步加强，改善了工作的环境，减轻劳动力度，大大的提高劳动生产率，可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置，如今在机械手控制系统中使用最多的控制方式。

如PLC可进行模拟量控制、位置控制和PID控制等，易于实现柔性制造系统。

远程通信功能的实现更使PLC如虎添翼。

采用FX-TRN-BEG-C仿真软件作为平台，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化。

这样一来更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平。

这篇论文设计主要是介绍的是基于PLC分拣系统的设计。

1.2分拣系统研究的主要内容

首先对基于PLC的分拣系统做一个大体的介绍，了解分拣系统的发展历史、工作情况及控制系统组成；接着阐述PLC的特点；然后全面介绍可编程控制器FX2N；随后确定主电路图；利用PLC编程实现分拣系统的控制；完成PLC选型和I/O接口的分配和连接，编制梯形图；最后进行仿真跟调试以达到预期的效果。

2系统方案设计

系统设计方案主要是根据设计要求，首先确定系统结构框图，然后对各种控制器件进行性能价格比较，选择合适的方案设计。

现分别叙述如下。

2.1设计要求

根据任务书的内容，本次设计的基于PLC分拣系统设计必须满足如下要求。

A.满足工艺上的要求。

B.要能够正确地传送出大中小件物品。

C.能够画出系统流程图。

D.设计出硬件接线图。

E.进行梯形图编制。

F.通过仿真证明这篇设计的正确性。

2.2系统结构框图

系统以数字控制作为控制核心，以输入端口的信号为数据输入，经过数字处理器进行处理，确定输出达到要求的控制结果。

其结构框图如图2-1所示。

图2-1系统结构框图

2.3主要控制器件选择

数字处理器的选择是最关键的一个部分，一般情况，数字处理器有PLC和单片机两种选择，单片机虽然市场上比较低廉，但是设计复杂，程序编制比较繁琐，而且抗干扰能力差。

但PLC接线方便，控制简单，编程方便，抗干扰能力强，因此要根据实际情况，要综合考虑。

这篇设计所选用的数字处理器需要满足低功耗、低价格、开发简单的特点。

下面分别介绍单片机和PLC各自特点。

A．单片机的特点

单片机具有小巧灵活，成本低，易于产品化，可靠性高；控制能力强，具有位操作指令，也可实现多机和分布式控制。

单片机的主要系列是51单片机，性价比高。

也有16以及32位的ARM芯片。

根据单片机的特点，单片机主要应用在测控系统中，如电镀生产自动控制系统，人工气候测控系统等，这些应用主要是达到测量与控制的目的；智能仪表，如温度，浓度，压力等，这主要是推动仪表的数字化，多功能化；单片机的多机应用系统可分为功能集散系统，并行多机处理及局部网络系统。

B．PLC特点

a．通用灵活，功能完善，抗干扰能力强

PLC具有各种扩展单元，结构形式多种做样。

可以方便地适用不同工业控制需要的I/O节点数，为了工业局部网络，它还有许多通信连网的接口模块等。

它也可用于各种数字控制领域。

现今PLC的功能单元越来越多，让PLC的控制也编程非常容易，即使是复杂的系统。

b．编程简单方便，深受工程技术人员欢迎

PLC也就是用工业控制计算机，它的接口多，功能强，编程方便，简单易学。

很多编程人员都用PLC编程。

c．调试周期短，维护方便，容易改造

PLC采用了软件来取代大量的中间继电器、计数器等器件，而安装线则比继电器控制系统少了很多。

如此一来，便减少了设计和施工的工作量，同时PLC软件设计和调试都在实验室模拟进行，模拟好后再进行现场调试，方便省时。

这也大大提高了工作效率，缩短设计时间，加快了系统的设计周期。

d．体积小，重量轻，能耗低

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧密，坚固，功耗低。

它在系统上配置灵活，同时所具有的技术条件，能在高温，震动等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰下工作，这便是PLC产品的市场存在价值。

综上所述，本次设计经过比较后选用PLC作控制核心。

2.4其他外围电气原件的选择简介

本次采用220V电压等级的接触器。

接触器电压等级选择很重要，应根据其所控制负载任务等情况,选择接触器的电流压等级。

按键，是一种电闸（或称开关），用来控制机械或程式的某些功能。

若按钮是红色的，则是用来停止某一功能，若按钮是绿色的，则可开始某一项功能。

按钮的形状通常是圆形或方形。

按键这个最基本人机接口工具，电子产品大都有用到。

现代工艺中按键的外观也变的越来越多样化。

本次采用普通工业按钮。

对于电阻极大的指示灯，一般通过电流小，在电压达不到额定电压时不能亮。

一般情况下这种指示灯内有一个电容，而且一个小小的指示灯是耐不了220V的电压的。

因此选用36V电压等级。

用于电气控制系统中实现顺序控制、定位控制和位置状态检测的行程开关。

用于控制机械设备的行程及限位保护。

构造：

由操作头、触点系统和外壳组成。

感应开关也是分拣系统中所必须的，当检测到物体的时候开关会自动接通负载。

物件不离开且在活动，开关就会持续导通；当物件由此离开后，开关会延长一段时间自动关闭，物件到的时候灯亮，物件离开的时候灯熄，安全节能，又亲切方便。

2.5编程语言的选择

当前，PLC为客户提供了多种多样编程语言，以来适应用户编制程序的需要。

PLC通常提供的有以下几种编程语言：

梯形图、指令表、顺序功能图和功能块图。

A、梯形图

梯形图编程的语言是在继电器控制系统原理图的前提下演化而来的。

梯形图的特点是易于理解、简单明了、形象、直观，非常适合于开关量逻辑的控制，是PLC最普遍、最基本的编程语言。

B、语句表（STL）

语句表是用助记符来表达PLC的各种功能。

一般可以与梯形图互相转化，互为补充。

目前，大多数PLC都有语句表编程功能。

C、顺序功能图（SFC）

顺序功能图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，同时也是设计PLC顺序控制程序的一种有力工具。

D、功能块图（FBD）

逻辑功能图沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图，使用非常方便。

3PLC简介基本结构和工作原理简介

3.1PLC的发展史与简介

随着计算机技术的发展，存储逻辑开始进入工业控制领域。

近30年来，PLC不断发展更新，功能日益强大。

一些大规模的集成电路和数据通信技术的逐渐改善，PLC的发展过程大致分为三大阶段：

早期PLC的雏形是在世界性技术不断改造下，需要找寻更可靠的功能好且响应快的工业控制器，经过多次尝试，从而把计算机的功能以及继电器控制系统的简单移动操作方便等优点集合，从而创立了工业控制的新局面，这就称为可编程序逻辑控制器。

中期的PLC发展，也就是20世纪70年代中期到80年代中后期。

随着微电子技术和计算机技术的发展，PC具有了更多功能，增加了运算，数据传送等功能，而且做到了小型化，微电脑技术的工业控制器，它为工业控制方面带来了很大的改革。

到了20世纪80年代中了后期至今。

集成电路有了更大规模的发展，微处理器的构成的微机化PLC也有了惊人的变化，功耗和体积，设计，性能等方面有了新的突破。

目前PLC已经在智能化方面得到了很好的发展。

可以实现控制的几乎是全程自动化，只需要简单的人为控制。

他在工业控制中占又非常重要的地位的原因，也是因为它具有这样的特点。

而这篇设计也对PLC的发展、基本结构也做了相关的介绍。

PLC的指令系统相当完善，它有各种各样的I/O接口、有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，PLC也具有下列基本功能：

程序与数据存储功能；逻辑处理功能；高速计数功能；数据运算功能；中断处理（可以实现各种内外中断）功能；准确定时功能；联网通信功能；自检测、自诊断功能。

根据本课题所设计的部件分配控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。

A．控制功能

PLC的开关量逻辑控制功能应用的最为广泛。

它可用于单机控制或多机控制，也可用于运动控制，位置的变化，如何变动，在什么方向上运动，这些运动程序都是由PLC语言完成。

B．数据处理

如今的PLC具有数学运算，包括函数逻辑运算、数据传输、排序和查表等功能，可以完成数据的采集，分析和处理。

数据处理一般应用在大中型控制系统中，它具有CNC功能，也就是计算机数字控制功能，把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密集合起来。

C．通信连网

如今的PLC几乎都采用了通信，网络技术，有RS232和RS485接口，乐意进行远程I/O控制。

那么多台PLC彼此之间也就可以联网，通信，外部器件和一台或者多台PLC的信号处理单元之间可以实现程序和数据的交换，例如一些程序转移，数据文档转移，一些监视诊断也是可以的。

3.2PLC的基本构成

PLC实质上是一种工业计算机，所以与计算机的组成十分相似。

PLC内部通过各种总线连接，外部根据相应设备与控制装置整个组成PLC控制系统。

CPU通过各类总线与储存单元还有各类接口相连。

作为PLC的核心，CPU不断采集输入信号，刷新系统输出，执行用户程序。

PLC的存储器有用户存储器和系统存储器两种。

系统存储器用于存放系统程序，用户存储器用于存放用户程序。

3.3PLC的基本工作原理

在PLC中有大量各种各样的继电器，这些继电器一般是用计算机中存储器来模拟的，称为软继电器，存储器中的一位有两种状态：

0和1。

通常用0来表示继电器失电，用1表示继电器得电。

PLC可以分成3个相对独立的电路：

输入部分电路：

由PLC内部的24V直流电源、输入继电器等与外部输入按钮、接点组成，用于接收外部输入信号

逻辑部分电路：

它是一种控制程序，以梯形图的形式表达，它的表达方式和控制电路基本一样，是联系输入和输出的桥梁

输出部分电路：

由PLC内部的输出继电器接点等与外部负载和外部电源组成，用于外部输出控制。

因此PLC的控制原理和分析方法与常规控制电路基本上是一样的。

尽管PLC仿照了常规电器的控制原理，但它毕竟是一个计算机控制系统，有着计算机控制的方式和特点，它的工作过程分为几个阶段：

A．输入采样阶段

B．程序处理阶段

C输出刷新结果阶段

3.4PLC的扫描工作方式

可编程序控制器的工作方式是采用循环扫描方式进行工作的，PLC扫描工作过程除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。

每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。

PLC就是这样周而复始地重复上述循环的。

PLC工作的全过程一般可以分为三部分：

上电处理、扫描过程、诊断处理。

如图3-1所示。

图3-1PLC的扫描过程

PLC的指令系统相当完善，它有各种各样的I/O接口、有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，PLC也具有下列基本功能：

根据本课题所设计的部件分配控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。

A．控制功能

PLC的开关量逻辑控制功能应用的最为广泛。

它可用于单机控制或多机控制，也可用于运动控制，位置的变化，如何变动，在什么方向上运动，这些运动程序都是由PLC语言完成。

B．数据处理

如今的PLC具有数学运算，包括函数逻辑运算、数据传输、排序和查表等功能，可以完成数据的采集，分析和处理。

数据处理一般应用在大中型控制系统中，它具有CNC功能，也就是计算机数字控制功能，把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密集合起来。

C．通信连网

如今的PLC几乎都采用了通信，网络技术，有RS232和RS485接口，乐意进行远程I/O控制。

3.5三菱PLC仿真软件FX-TRN-BEG-C说明

三菱模拟软件FX-TRN-BEG-C是针对FX系列PLC系列设计的一套模拟软件，初学者如果熟悉三菱PLC，就可以编制程序输入后通过动画证明程序是否正确。

FX系列PLC拥有非常高的运行速度，是三菱公司的主要产品，其在容量，数度，网络功能方面都有很大的加强。

它有很多子系列，FX1S,FX2N等，而FX2N是FX家族系列中最先进的系列，它是小型化，高速度具有高处理及可扩展大量满足单个需要功能模块的特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力其换代产品，各种功能都有了极大的提升。

程序容量：

FX系列的各个产品的内置容量各不相同。

AM可使用存储盒，最大可扩充至16K步。

软件指令非常多，它的一些指令能满足很高的数据处理。

可以用简单指令控制复杂的系统。

便利指令数字开关的数据，各种控制指令等。

ASCIIcode印刷，HEXASCII变换等。

时计控制内置时钟的数据校验，读出、写入、加减法等。

FX2N型PLC是FX系列中最先进的超级微型PLC，其主要是通过输入端子和输出端子与外部控制电器联系的。

为了反映输入和输出的工作状态，PLC设置了输入和输出信号灯，例如某输入端子连接的按钮闭合，对应输入端子的输入信号灯亮，某输出端子连接的继电器线圈动作时，对应输出端子的信号灯亮，为观察PLC的输入输出工作状态提供了方便。

在编程时候，三菱PLC仿真软件FX-TRN-BEG-C软件和GXDeveloper软件有很多相同，操作手法几乎相同，如需要常开触点，菜单栏上就有，常开，常闭节点指令

。

上升沿和下降沿指令

等。

程序编制完成后，必须转换，这和软件一模一样，都是按F4。

如果程序正确，编译就能成功，如果程序有错误，界面就会提示“不能转换”，这就需要重新审查所编的程序，转换成功后，原本背景为灰色的程序就变成背景为透明，然后把程序输入到PLC中，仿真就可以运行了。

三菱PLC仿真软件FX-TRN-BEG-C软件操作步骤如下。

首先安装三菱FX系列PLC，打开安装程序FXTRN，如图3-2所示。

图3-2FX-TRN-BEG-C软件开始界面

出现对话框，选择从头开始，点击高级挑战，如图3-3所示。

图3-3FX-TRN-BEG-C软件选择项目界面

选择指定的项目后，双击项目，产生如图3-4所示。

图3-4FX-TRN-BEG-C软件项目开始界面

接下来是梯形图的编辑，编辑完了以后就是按F4，再PLC的写入，然后运行，最后调试。

4PLC分拣系统的设计

4.1系统功能的介绍和控制的细节

系统的工作流程为SW1控制自动或手动，SW2控制推出机构操作，两个开关SW1和SW2作用是不同的。

工件通过电机Y1、Y2、Y4、Y5控制的传送带到达X1、X2和X3传感器自动识别物品的大中小类型。

当工件被判断为大时，分拣器Y3向下打，工件通过Y2控制的传送带传送到限位开关X4后在传送带右端落下；当工件被判断为中时，分拣器Y3向上打，工件通过Y4控制的传送带传送到限位开关X5，后产生取出指令，由Y7控制的机械手将工件搬运到储物箱中；当工件被判断为小时，分拣器Y3向下打，工件通过传送带Y2移动到感应开关X6时，传送带停止，由Y6控制的推出机构动作，将物件推落。

按此流程循环控制系统动作。

4.2分拣系统的I/O口清单

根据设计的内容，把输入和输出端口的地址分配如表4-1所示。

表4-1输入口分配

名称

输入端口

功能说明

SQ1（限位开关）

机械手在原点位置

SQ2（感应开关）

判断物件的大小，如有感应，是大物件

SQ3（感应开关）

判断物件的大小，如有感应，是中物件

SQ4（感应开关）

判断物件的大小，如有感应，是小物件

SQ5（限位开关）

工件掉落指令

SQ6（限位开关）

物件在桌面上

SQ7（感应开关）

检测到小部件使推出机构动作

SQ9（限位开关）

X10

机械手在原点位置

SQ10（限位开关）

X11

部件在桌子上

SQ11（感应开关）

X12

机器人操作完成

SB1（按钮）

X20

手动按钮供给指令

SB2（按钮）

X21

手动第一传送带指令

SB3（按钮）

X22

手动第二传送带指令

SB4（按钮）

X23

手动机械手指令

SA1

X24

自动和手动切换

SA2

X25

推出工件

输出口分配表如表4-2所示：

表4-2输出口分配表

名称

输出口

功能

KM1（接触器）

工件供给

KM2（接触器）

第一输送带正转

KM3（接触器）

第二输送带正转

YV1（电磁阀）

分拣器

KM4（接触器）

第三输送带正转

KM5（接触器）

第四输送带正转

YV2（电磁阀）

推出机构

YV3（电磁阀）

取出指令

指示灯

Y20

大物件指示灯

指示灯

Y21

中物件指示灯

指示灯

Y22

小物件指示灯

指示灯

Y23

推出工件指示灯

从输入端口和输出端口分配地址可以看到，输入有感应开关，限位开关、按

钮等组成，而输出有接触器、电磁阀和指示灯等组成，能够满足系统的硬件要求。

4.3分拣系统硬件接线图

PLC分拣系统的硬件接线图如图4-1所示。

图4-1硬件接线图

从图4-1可以看出，PLC输入继电器接的有限位开关、感应开关、起动按钮等，输出接的是接触器、指示灯、电磁阀等，值得注意的是，Y3的分拣器是电磁阀。

4.4PLC分拣系统的电路原理图

PLC分拣系统的主电路图如图4-2所示。

图4-2PLC控制主电路

从主电路可以得知，本次设计共有5个电动机，分别控制工件的供给、第一、第二、第三、第四传动带的运行，第三、第四传动带需要把大中小工件送往不同的位置，交流异步电动机的主电路主要是由空气开关、熔断器、接触器、热继电等构成，主要起着保护电机作用，对于欠压保护，过电流保护和过热保护都能起到作用。

从而保证了系统的正常运行。

4.5梯形图及部分程序说明

梯形图是本次设计的关键部分，现对某些重要程序进行解释说明。

图4-3编制程序的说明及解释（a）

（a）如图4-3所示，X24是自动手动转换开关，当X24闭合时候，系统就处于自动状态，否则就是处于手动状态，X20是自动、手动状态时候的起动按钮，当在按下X20的时候，Y0得电并自锁，供给指令Y0发出，供给工件。

同时闪烁灯在以下情况下点亮。

红灯：

当机器人补给一个部件时点亮

绿灯：

当传送带移动时点亮

黄灯：

当传送带停止时点亮

图4-4编制程序的说明及解释（b）

（b）如图4-4所示，对于工件的大、中、小，是通过三个感应开关X0、X1、X2来判断的，由三个感应开关控制分拣器Y3，当检测到大、小物件时，分拣器Y3被置为ON，当检测到中物件时，分拣器Y3被置为OFF，为下一步工序打下基础。

图4-5编制程序的说明及解释（c）

（c）如图4-5所示，X24置为ON时为自动，此时第一传送带、第二传送带、第三传送带转动，同时开始计数，十个为一组。

M5为中间继电器，当X6检测到小物件时，控制推出机构Y6动作。

X25为手动控制推出机构。

图4-6编制程序的说明及解释（d）

（d）如图4-6所示，当检测出是大工件、中工件或小工件时候，Y3动作，把大工件或小工件推出到第三个或者第四个传送带，传送带根据工件的大小，传送到指定位置。

特别指出小工件需要Y6推落。

图4-7编制程序的说明及解释（e）

（e）如图4-7所示，对于中工件，由第三传动带正转到传送桌子上被X11检测到后，取出指令Y7动作，把中工件送到指定位置。

X23为手动控制取出指令Y7。

当检测部件X4、X6、X10检测到工件的同时，检测工件大中小传感装置复位。

图4-8编制程序的说明及解释（f）

（f）如图4-8所示，中间继电器M11的添加使开关X24可以达到自动控制的效果。

图4-9编制程序的说明及解释（g）

（g）如图4-9所示，在传送带上检测到大、中、小部件时输入传感器上（X1），中（X2）,下（X3）分拣时对应的指示灯亮起，大物件对应指示灯Y20，中物件对应指示灯Y21，小物件对应指示灯Y22

图4-10编制程序的说明及解释（h）

（h）如图4-10所示，124条指令是为了在工件被计数到十时使计数器清零，方便下一次循环。

下面的指令是使计数完成的同时第四传送带停止运转。

具体程序见附录。

5基于PLC控分拣系统的PLC仿真调试

5.1仿真界面

仿真界面如图5-1所示。

图5-1分拣系统仿真界面

从仿真界面可以看出，本软件通过动画演示来证明程序编写的正确性。

当程序编写好后，动画就按照程序指令来进行。

5.2仿真过程说明

PLC写入完成后，转换开关X24处于闭合，系统处于手动状态，按下X20后，供给个工件如图5-2所示。

图5-2手动状态仿真运行图

（1）

按下X21，第一、第二、第三传送带工作，使供给的工件继续移动，X23控制第二机械手工作，抓住工件，送入工件箱。

若工件为大工件或小工件，则还需按下X22使第四传送带工作，其中为小工件时，移动到指定位置需松开X22按下X25，推出机构动作将小工件推落，大工件一直按住X22就可以自动掉落。

如图5-3所示。

图5-3手动状态仿真运行图

（2）

在全自动过程中，把X24打在闭合位置，按下X20，系统自动运行，大工件到达指定位置，如图5-4所示。

图5-4自动状态仿真运行图（3）

小工件到达指定位置，如图5-5所示。

图5-5自动状态仿真运行图（4）

通过上面的动画演示，证明本次设计硬件系统和软件系统的正确性。

结束语

毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整地设计出基于PLC的分拣系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态。

通过实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。

通过这次毕业设计，提高了我的意志力和品质力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压力，学会了独立思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。

这是我们希望看到的，也正是我们进行毕业设计的目的所在。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却更加丰富。

通过与陈冲老师的沟通和交流，我了解到此系统的适用条件，此设备的选用标准，以及各种器件适用性。

我的能力也得到了提高，提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。

最终按质按量完成本次设计。

我的收获是很难用语言来描述的。

非常感谢陈中老师的指导与帮助。

参考文献

[1]王庭有.可编程控制器原理及应用（第二版）[M].北京：

国防工业出版社，2008.

[2]李建兴.可编程控制器应用技术[M].北京：

机械工业出版社，20

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