基于PLC控制的滚柱直径分拣系统设计毕业论文 精品推荐.docx

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基于PLC控制的滚柱直径分拣系统设计毕业论文精品推荐

西南科技大学

本11机制毕业生毕业论文

题目:

基于PLC控制的滚柱直径分拣系统设计

院系名称：

电子电气工程系

专业班级：

本11机制电

摘要

工业的发达程度是衡量一个国家综合国力的重要标准。

而工业的发展对轴承的性能、寿命及可靠性提出了更高的要求，轴承的质量取决于设计、制造和检测环节。

而影响滾柱质量的关键因素是滾柱直径的误差。

在实际生产中因测量量较大，人工测量存在读数误差。

在本文中介绍一种由PLC控制的滾柱直径分拣系统，通过机械传递、传感测量的方式完成滾柱的自动检测与分拣，在提高测量精度的同时提高了分拣的效率。

本设计通过推杆将滾柱推至限位挡块处，钨钢测头测量直径误差后，将所得信号转换为电信号经放大电路放大后送入PLC的模拟量处理模块，据此打开相应的电磁翻板，再由推杆将滾柱送入不同的分料箱，料箱中装有油类物质，在滾柱下落过程中起缓冲运用，保证滾柱的精度。

经过软件仿真得知，本设计方案切实可行，可用于滾柱的直径测量与分拣，通过此系统既可节约成本亦能提高分拣效率，有良好的市场发展前景。

关键词：

PLC精密测量滾柱分拣

TitleTherollerdiametersortingsystembasedonPLCcontroldesign

Abstract

Industrialdevelopmentlevelisanimportantstandardtomeasureacountry'scomprehensivenationalstrength.andputforwardhigherrequirementsforperformance,lifeandreliabilityofthebearingindustry,bearingthequalitydependsonthedesign,manufacturingandtestingprocess.Thekeyfactorsaffectingthequalityofrolleriserrorrollerdiameter.Inthestrengthinproductionformeasuringamountislarger,thereiserrorinreadingthemanualmeasurement.APLCcontrolrollerdiametersortingsysteminthispaper,throughmechanicaltransmission,sensingandmeasuringmethodofrollerautomaticdetectionandsorting,sortingefficiencyisincreasedinimprovingmeasurementaccuracyatthesametime.

Thisdesignthroughthepushrodrollerispushedtothelimitblock,tungstenprobediametermeasurementerror,theresultingsignalsareconvertedtoelectricalsignalsbytheanalogprocessingmoduleamplificationcircuitintoPLC,thenopenthecorrespondingelectromagneticturningplate,thepushrodrollerintotheseparatingboxdifferentInthematerialboxwithoilsubstances,Thebufferusedinrollerfallingprocess,toensuretheprecisionroller.

Throughsimulationsoftwaretolearn,thedesignschemeisfeasible,Canbeusedtomeasurethediameterandthesortingroller,throughthissystemcannotonlysavethecostbutalsocanimprovethesortingefficiency,thereisagoodmarketprospect.

KeyWords:

PLCprecisionmeasurementRollersorting

目次

1绪论

1．1设计说明

滚柱分拣一直是机械制造流程中不可或缺的一项，而传统的人工分拣存在劳力浪费、测量误差大等诸多的弊端，所以滚柱自动分拣装置应运而生，此装置可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。

它可以分拣物品、代替人的繁重劳动。

可以实现生产的自动化，可以广泛应用于机械制造等行业。

自动分拣系统一般由输送装置、测量装置、控制装置及分拣装置组成。

 控制装置的作用是接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求进行自动分类。

这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量、检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。

而本课题正是基于检测装置对滚柱直径的测量，进而进行实现滚柱的分类。

可编程控制器（PLC）是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、能耗低等优点，已成为目前在自动控制系统中使用最多的控制方式。

使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。

本课题试图设计PLC对物料分拣的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对物料按预先设定的程序进行分拣。

采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可代替人工进行单调持久的作业。

本设计主要完成分拣系统的硬件选型与软件设计。

1．2设计意义

自动分拣系统目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。

其优越性如下：

1．能连续、大批量地分拣货物  由于采用大生产中使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，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，它可以连续运行100个小时以上，如用人工分拣则每小时只能分拣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，而高精度传感器测量误差极小因此能够保障测量的精度要求。

3．分拣作业基本实无人化减少人员的使用，减轻工员的劳动强度，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控制分拣系统的运行，分拣线末端由人工将分拣出来的物料进行储存，自动分拣系统的经营、管理与维护。

1．3主要研究的内容

随着自动分拣技术的飞速发展和应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。

本课题主要研究物料分拣机以下几个方面的内容：

1．滚柱自动分拣装置执行系统的分析与选择

执行系统是由传动部件与机械构件组成，是实现各种运动的实体。

主要包括落料斗、气缸、测微器、挡板等。

2．滚柱分拣装置驱动系统的分析与选择

驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。

通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择电气驱动的方式。

3．滚柱分拣装置控制系统的设计

控制系统是分拣装置的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。

本系统采用可编程控制器（PLC）对各执行机构进行控制，主要包括对PLC的型号选择、传感器类型进行选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。

1．4解决的关键问题

1．滚柱分拣装置的设计问题，要求分拣装置结构简单、经济、具有一定的代表性。

2．滚柱分拣装置的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决物料和控制系统的协调问题。

3．执行部件的运动精度的问题。

4．传感器的类型选择。

5．软件类型选择及运用。

6．元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。

1．5课题来源及本文的主要研究内容

1．课题来源

本课题来源于实际生产应用。

2．本课题研究的主要内容

本课题的主要设计内容是利用S7-300可编程控制器（PLC）、光电传感器、电感测微器、相敏检波电路、电压放大电路、电控阀以及各种指示灯和主令器件组成的电气控制系统，实现精密滚柱直径筛选系统的控制。

而本文主要是利用软件系统仿真来实现其控制要求。

2工艺方案设计及要求

2．1系统控制要求

2.1.1滚珠直径分拣系统控制系统示意图

滚珠直径分拣系统示意图如图2.1所示。

系统由1个推料气缸、1个落料管、1个电感测微器、1个限位挡板7个料斗及料斗电磁翻板组成。

在落料管的底端装有缺料传感器B0，有料时为0，无料时为1；推料气缸为双向作用气缸，由电控阀Ta和Tb控制，当Ta得电时，气缸缩回，Tb得电时气缸伸出，在气缸的两端各装1个位置传感器（常开），气缸缩回到位时B8-1为动作，气缸伸出到位时B8-2动作；测量机构的钨钢测头，在弹簧的作用下能自然接触被测滚柱，不需要驱动装置，测量机构可根据滚柱直径误差大小输出-10～+10V的电压信号；限位挡板装有位置传感器B9（常开），挡板伸出到位时B9动作，缩回到位时B9复位；在7个料斗入口处均装有1个光电传感器（B1～B7，常开）及1个电磁翻板（Y1～Y7），每落下一个滚柱，光电传感器就产生一个脉冲信号以便对落下的滚柱进行计数。

图2.1滚珠直径分拣系统

2.1.2系统控制说明

初始状态：

各料斗的电磁翻板均处于关闭位置、气缸推杆（Y8）及限位挡板（Y9）处于伸出位置。

在初始状态，按下启动按钮，系统首先检查落料管中有无滚柱，如果没有滚柱则发出报警（按消警按钮可消除警报），补充滚柱后需再次按下启动按钮；如果有滚柱，则推料气缸缩回，被测滚柱由落料管落下，然后推料气缸伸出将滚柱推到钨钢测头的下方，也就是限位挡板的位置，然后钨钢测头开始测试滚柱直径的误差，并将测量值送相敏检波电路处理，再送电压放大器放大，最后将与直径误差值成正比的电压值（±10V）送可编程控制器（PLC）的模拟量输入模块。

经可编程控制器（PLC）处理后，根据误差大小来决定具体打开哪一个翻板（Y1～Y7），再由电磁机构将限位挡板抽离，滚柱在推料气缸的作用下落入对应料斗并计数，如果料斗计数满则发出报警信号（按消警按钮可消除警报），更换料斗后可再按启动按钮继续进行滚柱测量；如果料斗计数器未满，则直接进入下一个滚柱的测量，并如此循环。

按停止按钮系统停机并复位：

限位挡板伸出、推料气缸伸出、各电磁翻板关闭。

2．2任务分析

由于测量机构所产生的是±10V的模拟电压信号，所以需要通过AI模块将误差信号送入可编程控制器（PLC）进行处理,将转换后的数字-32768～+32768用规格化功能子程序（FC105）进一步转换为0～100的实型数字。

①如果误差值<15，则将滚柱送入料斗1；

②如果误差值≥15且<30，则将滚柱送入料斗2；

③如果误差值≥30且<45，则将滚柱送入料斗3；

④如果误差值≥45且≤55，则将滚柱送入料斗4；

⑤如果误差值>55且≤70，则将滚柱送入料斗5；

⑥如果误差值>70且≤85，则将滚柱送入料斗6；

⑦如果误差值>85，则将滚柱送入料斗7。

2．3相敏检波

2.3.1相敏检波的概述和特点

1.相敏检波电路的概述

相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。

2.相敏检波的特点

包络检波有两个问题：

一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。

第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。

对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。

为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。

相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。

从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。

有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。

2.3.2相敏检波电路的选频与鉴相特性概述

1.相敏检波电路的选频特性

相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。

以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。

对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。

2.相敏检波电路的鉴相特性

如果输入信号us为与参考信号uc（或Uc）同频信号，但有一定相位差，这时输出电压uo=Usm/2cos∮，即输出信号随相位差∮的余弦而变化。

由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。

2．4控制系统的选型

2.4.1PLC的基本概念

PLC=ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

是工业控制的核心部分。

2.4.2PLC的基本结构

可编程控制器主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几组成。

PLC硬件结构如图2.2所示。

2.4.3S7-300PLC的特点

1.概述

S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器（PLC）系列产品之一。

其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。

2.S7-300系列出色表现在以下几个方面：

图2.2PLC的硬件结构

（1）功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。

现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。

（2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备。

它能在不同环境下运行，可靠性十分强悍。

（3）安装简单，容易维修。

PLC可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，写入程序即可运行。

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。

PLC还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便。

（4）抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。

隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。

对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。

另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。

正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。

通过以上措施，保证了PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。

（5）环境要求低。

PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。

这是PLC产品的市场生存价值。

（6）易学易用。

PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

PLC编程大多采用类似继电器控制电路的梯形图形式，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。

[2]

2．5西门子可编程控制器模块连接

S7-300采用紧凑的，无槽位限制的模块结构，其模块主要有电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）、通信处理器（CP）。

标准模块式结构化可编程控制器（PLC）：

各种模块相互独立，并安装在固定的机架（导轨）上，构成一个完整的可编程控制器（PLC）应用系统。

如：

西门子S7-300、S7-400系列。

S7-300用背板总线将除电源之外的各个模块连接起来。

背板总线继承在模块上，模块U形总线连接器连接，每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后，如图2.3所示。

图2.3S7-300模块连接图

2．6S7-300/400系列可编程控制器（PLC）的工作过程

可编程控制器（PLC）工作流程图，如图2.4所示。

图2.4可编程控制器（PLC）工作流程图

3硬件、软件选择

根据控制要求，系统有7个电磁翻板驱动器Y1～Y7；1个电磁挡板驱动器Y9；2个双作用气缸的电磁阀驱动（Ta和Tb）；7个料斗满指示灯H1～H7；1个落料管缺料指示灯H0；1个报警器HA；1个启动按钮；1个停止按钮；1个消警按钮；1个落料管缺料传感器B0；7个料斗落料传感器B1～B7；2个推料气缸位置传感器；1个电磁挡板位置传感器；1个测量机构。

所以至少需要19个数字量输出端子、14个输入端子和1个模拟量输入通道。

3．1PLC模块选型

3.1.1模块选型

根据控制要求，系统至少需要19个数字量输出端子、14个数字量输入端子和1个模拟量输入通道。

所以各模块的选择型号如下：

电源：

PS30710A（定货号6ES7307-1KA00-0AA0）

CPU：

CPU315（定货号6ES7315-1AF03-0AB0）

数字量输入模块：

DI32XDC24V（定货号6ES7321-1BL80-0AA0）

数字量输出模块：

DI32XDC24V/0.5A（定货号6ES7322-1BL00-0AA0）

模拟量输入模块：

AI8X16Bit（定货号6ES7331-7NF10-0AB0）

PLC模块选型如图3.1所示。

图3.1PLC模块选择

3.1.2PLC模块参数

1.数字量输入模块SM321

数字量输入模块（DI）的功能是给PLC输入I、O信号（开、关信号）。

SM321数字量输入模块有两种输入方式：

直流输入和交流输入。

根据输入方式和点数不同，SM321又可分为多种类型。

SM321数字量输入模块常用类型的的输入点数有8点、16点和32点等。

2.数字量输出模块SM322

数字量输出模块（DO）的功能是从PLC输出I、O信号（开、关信号）。

SM322数字量输出模块有三种输出类型，晶体管输出型、晶闸管（可控硅）输出型、继电器输出型。

晶体管输出型模块只能驱动直流负载（既要求负载连接直流电源），其过载能力差，但响应速度快；晶闸管输出型模块智能驱动交流负载，其过载能力差但单响应速度快；继电器输出型模块既可以驱动直流负载，也能驱动交流负载，其导通电阻小、过载能力强，但响应速度慢（继电器的机械触电通断速度慢），不适合动作频繁的场合。

SM322数字量输出模块的输出点数有8点、16点和32点等。

模块选型参数如表3-1所示：

表3-1模块选型参数

3．2计数模块和比较模块

3.2.1计数器

计数器（COUNTERS）：

它们不是实际存在的。

它们是模拟的计数器，编程后可以用来对脉冲计数。

在S7-300PLC的CPU中保留一块存储区作为计数器计数值存储区。

每个计数器占用一个16位的字和一个二进制位。

计数器字用来存放它的当前计数值，计数器触点的状态由它的位的状态来决定。

用计时器地址（C和计数器号组成，如C1）来存取当前计数值和计数器位，不同的CPU支持32～256个计数器。

计数器字中的第0～11位表示计数值BCD码，计数范围是0～999。

当计数值达到上限999时，停止计数。

计数值达到下限0时，停止计数。

计数器进行置数（设置初始值）操作时，累加器1低字中的内容改装入计数器字。

计数器的计数值，将以此为初值增加或减小。

计数器字的计数值为二进制格式时，计数值只占用计数器字的0～9。

典型的计数器可以做加计数、减计数和双向计数。

因为它们是模拟的，所以限制了它们的计数速度。

有些厂家也在PLC中加入基于硬件的高速计数器。

我们可以认为它们是实际存在的。

大多数情况下，这些计数器可以做加计数、减计数和双向计数。

3.2.2比较器

比较指令用于比较累加器2与累加器1中的数据大小。

比较时，应确保两个数的数据类型相同，数据类型可以是整数、双整数或实数。

若比较的结果为真，则RLO为1，否则为0。

比较指令影响状态字位CC1和CC0。

3．3传感器选型

3.3.1传感器

传感器（英文名称：

transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以成为换能器、检测器、和探头等。

常用传感器的输出信号多为易于处理的电量，如电压、电流、频率和数字信号等。

3.3.2直线位移传感器

直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。

为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。

传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。

将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。

直线位移传感器参数如表3-2所示，实物图如图3.2所示。

表3-2直线位移传感器参数

特点

参数

BW通用拉杆系类

75mm

可用电性行程（A、E）

75mm

电阻±10％

5KΩ

独立线性率

0.05%

机械行程（M、T）

82mm

最大工作速度

10m/s

建议使用电流

≤10μA

使用温度范围

﹣60～150℃

尺寸A

155mm

图3.2BWL75

3.3.3滑动式直线位移传感器：

通用滑块导电塑胶膜系列，有效行程75mm～3000mm，两端均有4mm缓冲行程，精度0.05%～0.02%FS。

外壳表面阳极处理，防腐蚀；内置导电塑料测量单元，无温漂，寿命长；具有自动电气接地功能。

密封等级为IP54（向下安装时为IP57），DIN430650标准插头插座，可以适用在大多数通用场合，特别是长度方向受到限制，对中