基于SFC指令的升降机装置设计.docx
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基于SFC指令的升降机装置设计
基于SFC指令的升降机装置设计
毕业论文（设计）
论文题目：
基于SFC指令的升降机装置设计
学生姓名：
周浩
学号：
1008060336
所在院系：
电气信息工程学院
专业名称：
电气工程及其自动化
届次：
2014届
指导教师：
苗磊
前言1
1本系统的介绍、意义及主要内容2
1.1升降机装置的介绍及应用现状2
1.2升降机装置的意义3
1.3本文研究的主要内容3
2升降机装置的硬件设计3
2.1方案提出3
2.2方案论证3
2.3PLC的简介与选型3
2.4传感器的介绍与选择8
2.5整个系统驱动的分析与选择9
2.6执行机构的介绍与选择10
3系统的控制要求和程序流程图11
3.1系统的控制要求11
3.2程序流程图12
4系统的软件设计及编程12
4.1GXDeveloper编程软件相关介绍13
4.2本系统控制程序梯形图14
5仿真实现18
6总结和展望19
参考文献：
20
基于SFC指令的升降机装置设计
学生：
周浩（指导教师：
苗磊）
（淮南师范学院电气信息工程学院）
摘要：
此装置在社会各行各业如：
机械制造、冶金、轻工、重工、采矿、港口、码头、仓库等行业得到广泛运用，升降机装置可以极大提高企事业单位在该环节的生产效率。
本设计采用三菱公司所出产的可编程控制器，设计一个基于三菱PLC的升降机装置。
实现分辨的物体大小，并利用电机、传送带，把它放入相应的层中，实现四层传输这次设计最主要的就是分配。
用PLC可以把整个系统进一步简化，体积变得更小，并且PLC的抗干扰很强，可靠特别性高，操作更加方便，维护更加简单。
关键字：
升降；分配；PLC；节约
BasedontheSFCinstructionelevatordevicedesign
Student:
ZHOUHao（GuidanceTeacher:
MIAOLei）
（CollegeofElectricalandInformationEngineering,HuainanNormalUniversity）
Abstract:
Thisdevicehasbeenwidelyusedinthesocietyfromallwalksoflifesuchasmachinerymanufacturing,metallurgy,lightindustry,heavyindustry,mining,ports,docks,warehouses,andetc.Theelevatordevicecangreatlyenhancetheproductionefficiencyofenterprisesandinstitutionsinthelink.ThisdesignadoptsprogrammablecontrollerwhichproducedbyUSESmitsubishi.DesigningaliftdevicebasedonmitsubishiPLCtodistinguishthesizeoftheobjectandusingtheelectricalmachinery,conveyorbelt,putitinthecorrespondinglayertotransfertothefourlevels.Theuppermostaspectofthisdesignisdistribution.UsingPLCcanfurthersimplifythewholesystem,smallervolume,andPLChasstronganti-jammingandhighreliability,moreconvenientoperation,maintenanceeasier.
Keywords:
rise and fall;distribution;PLC;savings
前言
升降机装置在工业的领域上有相当重要的地位。
这种装置可以按要求将物品分类并同过电机运送到各个层去，因而可以省去人的繁重的体力劳动，可以达到很高的自动化和机械化生产，并在一些人可以避免有害的环境保护工作，保障工人的人身安全，因此这种装置被广泛用于劳动密集型或危险系数较高的行业中，如：
建筑工程、冶金、物流等。
目前，升降机装置在国内各行业也有一些应用，但应用水平、系统规模、配套设施等差别非常大[5]。
对比了国内的国外的升降机装置，在不同行业的应用范围，我们可以发现。
国外的自动化的程度更加的高。
但在我国，因为工业发展起步晚，人力在升降机作业的比重比较高。
在发达国家，升降机设备在中小型项目已经成为不可缺少的一部分,在升降机装置的应用上自动化程度越来越高。
在发达国家，升降机在大型和中小型项目已经成为不可缺少的一部分。
升降机多数是由控制装置、分类装置、输送装置等三部分组成,它们是通过计算机网络联结在一起,配合相应的人工控制及相应的人工处理环节构成了一个完整的升降机装置[14]。
1本系统的介绍、意义及主要内容
1.1升降机装置的介绍及应用现状
升降机装置是先进的工程建设中所必需的设施之一。
它具有很高的升降分拣效率，可以说，升降机是提高升降效率的一项关键因素。
升降机装置早已成为各类工程必不可少的一部分。
升降电机是升降机装置的一个重要设备。
它需要建立自己的长或短的机械传输线的设计，根据具体情况，要有协调机电控制系统，计算机网络及通信系统，这一系统不仅占地面积大，而且占用空间大[1]。
升降机装置一般由控制装置、输送装置等组成。
用来辨别检测装置所发出信号并接收，然后送入处理中心进一步的信号处理的装置是控制装置，根据处理结果的信号要求来控制分类装置对物体进行自动分类的。
根据分检信号判断，决定某物体该进入哪一层。
分层装置最重要的是分层指示命令，它是由控制装置发出，当不同信号的物体经过该装置时，分类装置动作，使改变在输送装置把物体运送进入其相应的层。
一个输送装置或输送带的重要组成部分，它的主要作用是输送自动控制装置和对象的分类方法，以及相应的传输层。
此类升降机装置目前在工程建筑有着最好的应用，在其他行业也有一定的应用，如生产制造、机械制造等也有一定的运用。
但由于成本较大而且收益周期比较长等缺点使得这一系统在这些行业都处于最初的应用阶段，并未实现高度的自动化控制[5]。
1.2升降机装置的意义
升降机装置是一个能够自动工作的系统，大力的节约人力成本，并且能提高了生产的效率。
因为这些优点它成为工程必不可少的设备之一。
（1）分层误差率很低升降机装置的分层误差率的大小主要取决于所输入分层信息的准确性高低，这些又是传感器采集的信号的准确性所决定的[20][21]。
（2）可以大批量地、不间断的分层货物因为使用的工作方式是自动化作业。
升降机不会受到各种自然因素和人体力等方面的影响。
可以长时间的连续地运行，同时由于升降机装置单位时间分层件数非常多，它的分层效率比人力高出许多倍。
（3）升降机装置的作业基本上已实现无人化升降机装置设计的目的之一就是为了减少生产过程对人力的依赖，并提高生产的效率，因此升降机能减少人力m的数量。
升降机装置本身并不需要人工，人在此的作用是将外面送了的物料送入系统，以及系统的维护、设备检修等，还有就是将分层好的物体摆放。
1.3本文研究的主要内容
本文主要研究在标准化包装的前提下物体升降分层。
针对现在我国工业生产中不同大小物体传输各个层效率低下设计的。
因此可以减少生产的人员，提高生产的效率，达到节约成本的目的。
这里有两个步骤：
（1）分检，即检测，通过设置在进料道口的高度检测设备检测通过该处的物料的高度，将检测结果传送到升降机上。
（2）分配，通过控制中心分析检测到的结果将物料送进不同的层中，再由传送带送到目的地。
本文通过将编程软件与模拟软件联合使用，将升降机装置完整的展现出来。
2升降机装置的硬件设计
2.1方案的提出
方案一：
利用PLC实现分层控制。
它的重要的是分层模块，分层做得好实现就简单。
PLC本身简单经济，控制方便，稳定性特别的好。
编程简单，易于使用。
它的控制框如图1所示。
图1方案一框图
方案二：
利用单片机进行升降机的控制，容易扩展，价格也便宜，有很多类型，但不稳定,不方便实用。
它的控制框如图2所示。
图2方案二框图
2.2方案的论证
用PLC来实现升降机的控制它简单，很方便，非常经济易实现。
且抗干扰能力强。
所以工程中常用PLC来控制，控制稳定所以用PLC是可以实现功能是可行的，所以选择方案一。
2.3PLC的简介与选型
2.3.1PLC的简介
早期的可编程控制器主要是把它用来替代继电器控制系统的，固此它的功能非常简单，只能进行简单的开关量逻辑的控制，所以称为可编程逻辑控制器（programmablelogiccontroller）:
简称PLC[12]。
升降机是基于PLC的基础上研究的，PLC（ProgrammableLogicController），乃是一种电子装置，早期称为顺序控制器“SequenceController”，1978NEMA（NationalElectricalManufactureAssociation）美国国家电气协会正式命名为ProgrammableLogicController，PLC）。
可编程控制器是一种数字运算的系统，它是为了工业设计的。
它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并且通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机器的生产过程。
外围的器件的连接要方便整个工业系统。
所以我们可认为PLC实质上就是一台工业控制所用的计算机[2][3]。
2.3.2PLC的功能与特点
（1）功能简介
开关逻辑和顺序控制功能；模拟控制功能；定时/计时控制功能；步进控制功能；运动控制功能；数据处理功能；通信联网功能。
（2）PLC的特点
编程简单，易于使用；PLC非常稳定，受到外界坏境的影响很小。
比较的可靠，结构又简单，方便通用。
功能完善；设计、施工和调试的周期短；功耗非常低、体积特别小、重量很轻、维护操作也方便。
2.3.3PLC的分类与选型
PLC种类较多，主要有三菱、西门子、海为等，可以生产成套大、中、小均有配套且目前用得最广泛的主要是西门子、三菱。
根据不同系统中的控制要求PLC点数：
实际输入的点数为19点，输出点数为9点，综合对比了一下三菱FX系列、西门子S系列、中I/O点数为48点各型号的PLC的价格多少、性能高低、实用场合怎样等各方面，选择三菱FX-PLC：
三菱是日本的制造商最重要的生产，推出了FX1、FX2C、FX0S、FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC等系列。
根据本次系统设计的要求我所选的是FX2N—48MR，合计总共48点———24点输入，DC24V，有24点继电器输出；尺寸（mm）：
182x90x87 ，其性能、价格都优于其他PLC，能够满足本次设计的要求，而且实现也比较方便，快捷。
这次的选型是按照最优的方案，来选的，实现了经济适用的目标，不会造成过多的浪费，功能也基本实现了，满足这次设计的要求。
其实物如图3FX2N-48MR实物图所示。
图3FX2N—48MR实物图
FX2N系列是FX系列先进的一款，它包容标准的特点，运行程序变得更快，和一个完整的通信功能，适用于世界各地的生产，满足电力的大量个人的特殊功能模块的需求，为工厂自动化提供了控制能力和灵活性。
此型号的PLC有24个输入节点，24个输出节点。
在本系统中需要19个输入信号，9个输出信号，因此选FX2N-48MR型PLC作为本系统的主控单元[3][6]。
2.3.4PLC的输入、输出端子的分配
根据选定的模型要求选定PLC型号，FX2N-48MR型PLC它有48个节点，输入输出分别各有24点，其中19个输入节点分别接12个光电传感器，和为物体高度检测传感器，它是将四个传感器叠加在一起，用来检测物体的高度；8个物体位置传感器，用来检测分层后物体传送的位置，执行机构根据这些传感器动作；6个开关信号，分别为物体供给开关、传送带启动开关、连续供给控制开关、物体位置开关。
9个输出节点分别接供给指令、传送带1正转、升降机上升、升降机下降、升降机旋转、下段输送带接线端子Y5正转、中段输送带接线端子Y6正转、中上段输送带接线端子Y7正转、上段输送带接线端子Y10正转。
根据此次系统对输入、输出节点的具体要求，对本次系统中PLC的输入、输出端子进行分配[20]。
如表1升降机装置的输入、输出端子分配表所示。
表1升降机装置的输入、输出端子分配表
输入装置
端子符号
输出装置
端子符号
光电传感器1
X000
供给指令
Y000
光电传感器2
X001
光电传感器3
X002
传送带1正转
Y001
光电传感器4
X007
光电传感器5
X010
升降机上升
Y002
光电传感器6
X011
光电传感器7
X012
升降机下降
Y003
光电传感器8
X013
光电传感器9
XO14
升降机旋转
Y004
光电传感器10
X015
光电传感器11
X016
下段输送带正传
Y005
光电传感器12
X017
连续供给控制开关
X025
中段输送带正传
Y006
手动供给控制开关
X020
物体位置开关
X004
中上段输送带正传
Y007
物体位置开关
X005
物体位置开关
X006
上段输送带正传
Y010
物体位置开关
X026
升降机开关
X003
传送带1开关
X024
2.3.5PLC的外部接线图
根据上表1可以画出PLC外部硬件的接线图，如图4PLC的外部接线图所示。
图4PLC的外部接线图
2.4传感器的介绍与选择
2.4.1传感器的定义和分类
传感器是物理量变化转变为电信号器件。
它最主要是用于检测环境的物理变化，提供准确的信息为有效地控制系统的动作。
它通常是把物理变化转换成为电信号，然后经过模数转换的过程，送入控制中心。
2.4.2传感器的主要特性
传感器的静态特性它指传感器在静态工作下输入、输出的特性。
其参数有：
漂移、线性度、总精度、复性、灵敏度、滞后等等。
传感器的动态特性是传感器在输入改变的时候，他的输出是怎样变化特性。
在现实的工作中，传感器的动态特性经常用它对某些标准输入信号的响应代表。
2.4.3传感器的选择
根据本设计的要求，需要对物体的大小进行检测，因此需要能检测物体高度的传感器。
本系统选择的是光电传感器，将三个类似于光电门的传感器叠起来，根据每次物料遮挡到光源到光电传感器的光路的不同用来检测物料的高度。
它具有不用接触、精度特别、反应很快等优点。
图5光电传感器的物图所示。
图5光电传感器的实物图
2.5整个系统驱动的分析与选择
系统的齿轮传动系统驱动致动器的运动，根据驱动系统的电源可以分为气动，机械，液压，气动，液液联合工会和各种各样的方式。
。
目前采用的主要有气压、液压、电气这三种驱动的方式[19]。
液压传动，功率重量比大，可以实现频繁和顺利转移和换向，易于实现过载保护套，你可以自润滑，特别是使用寿命长。
但容易泄露污染环境，需要配备油源。
工作噪声较大成本较高等缺点。
这些缺点都是致命的，不够安全，可以造成重大事故。
电气驱动，控制精度非常高，驱动力较大，响应特别的快，信号的检测、传递、处理都很方便的，精确度高等优点。
气压驱动具有价格便宜、安装系统结构简单，方便安装、功率体积比高、无污染及抗干扰超强、但是它也又精度不高缺点。
综合以上优缺点对这些驱动有了一定的了解，初步知道该选择哪种驱动装置，下面进行更为准确的比较。
表2各种驱动方式的比较。
表2各种驱动方式的比较
项目名称
气压驱动
液压驱动
电气驱动
系统结构
很简单
复杂
较复杂
安装的自由度
小
中
大
输出的力
小
稍大
大
定位精度
一般
一般
很高
动作的速度
稍大
稍大
大
响应速度
慢
快
快
清洁度
污染
污染
清洁
维护程度
较简单
复杂
需要专门的技术
价格
稍高
一般
高
技术的要求
较低
较低
最高
控制自由度
小
小
大
通过对以上三种驱动方式的比较，本系统选用电气驱动的方式，能够满足了本设计的要求。
2.6执行机构的介绍与选择
传送带一般包括：
牵引件、、驱动装置、涨紧装置、改向装置和支承件、承载构件等。
支承件用以承托牵引件或承载构件，可采用托辊、滚轮等等16][17]。
电机有交流电机和直流电机两大类，作为驱动曳引机或负载的驱动电机，属于电动机的一类。
然后给它供电也分为两种类型的直流和交流电动机，异步电动机的基本上，转子的转速也被称为同步转速低于定子的旋转磁场的速度。
。
交流电机的定子供电电源是三相的，但电压可以分为好多种；如220V、380V、420V、440V等，大部分是380V。
交流电源频率是工频的，但常有50Hz和60Hz两类.选用380V50HZ交流电机[10][11][15]。
如图6现模拟的三层升降机各硬件安装。
图6现场模拟图
图7开关操作面板
3系统的控制要求和程序流程图
3.1系统的控制要求
本系统是自动区分不同物体的大小并传送各个层面上而设计的升降机，主要实现对物料的大、中上、中、小三种不同规格的物体自动升到相应的层面，其具体控制过程为：
（1）接通电源，黄灯亮，系统启动。
（2）按下传送带启动开关，传送带开始工作。
（3）按下物料供给开关，供给物体开始工作，供给物体（每按一次供给一个），按下连续供给开关，系统将自动连续供给物体。
（4）物体经过传送带送到安装传感器的地方，由于物体的大小不一，传感器将检测的相应信号送到PLC中心进行处理。
（5）根据PLC处理的结果，控制升降机处理不同大小的物体，将不同的物体传送到不同层的的传送带上，小物体送到传送到接线端子Y5,中物体送到传送带接线端子Y6，大中物体送到传送带接线端子Y7，四层类似大物体送上传送带接线端子Y10。
（6）若检测到小物体，将物体送上传送带接线端子Y5，当传感器X10检测到物体时，传送带接线端子Y5启动，传感器X11检测到物体传送带停止。
（7）若检测到中物体，将物体送上传送带接线端子Y6，当传感器X12检测到物体时，传送带接线端子Y6启动，传感器X13检测到物体传送带停止。
（8）若检测到中上物体，将物体送上传送带接线端子Y7，当传感器X14检测到物体时，传送带接线端子Y7启动，传感器X15检测到物体传送带停止。
（9）四层大物体类似若检测到大物体，将物体送上传送带接线端子Y10，当传感器X16检测到物体时，传送带接线端子Y10启动，传感器X17检测到物体传送带停止。
（10）升降机回到开始位置。
3.2程序流程图
行程开始
图8程序流程图
4系统的软件设计及编程
4.1GXDeveloper编程软件相关介绍
GXDeveloper是三菱PLC的编程软件，适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
它可以进行梯形图、Label、FB、ST及SFC、指令表语言程序设计，网络参数的设定，他能够进行程序线上的实时更改、监控和调试，它还可以异地读写PLC程序的功能[10][15][18]。
此次系统程序的编写就是运用了指令进行的设计。
如图9GXDeveloper编程软件的编程窗口所示。
图9GXDeveloper编程软件的编程窗口
4.2本系统控制顺序功能图
图10顺序功能图
根据本次系统的程序要求，设计出的SFC指令。
图11自动和手动程序
如图11自动和手动程序，作用是判断物体供给是手动还是自动，自动或手动供给物料。
图12判断物体大小程序
如图12为判断物体大小程序，用来判断物体大小，传到PLC中以方便PLC控制电机，将物体传至相应的层中，实现自动分层的目的。
本次设计的核心程序就是判断物体大小的程序。
只有这方面做好了，才能实现高度的自动化。
图13循环程序
如图13所示循环程序，当某种物体达到一定层后，将循环执行程序，对下个物体进行判断执行，并把它送入相应的层中。
图14小物体运送程序
图14小物体运送程序，其他大小物体的程序编写与小物体的类似。
设计程序完成被下载到好后到操作系统中，下载三菱使用一种特殊的编程电缆。
这根电缆的一头接在电脑串口上，一头接在PLC串口上。
电缆连接之后，打开编程软件，点击要下载的文件。
选择菜单栏里的“在线”中选择“PLC写入”，便可以下载程序到PLC中。
传送程序时应注意以下问题:
（1）计算机的RS-232端口及PLC之间必须用指定的缆线及转换器连接。
（2）执行完“PLC写入”后，计算机中的程序将被丢失，原有的程序将被读入的程序所替代，PLC模式改变成被设定的模式。
（3）在“写入PLC”时，PLC应停止运行，程序必须在RAM或EE-PROM内存保护关断的情况下写出，然后进行校验[2][3][6][21]。
PLC程序的传送如图15传送相关参数设置所示。
图15传送相关参数设置
图16程序传送
5仿真实现
这是一款用于教学的仿真软件，其中的各种仿真场景不提供二次开发功能，因此有些功能在此仿真系统中不能完全的展示出来，但其基本的直观的仿真功能还是能很好的实现的，直观的模拟出现场的场景。
下面进行三层的仿真，四层也是类似的。
图17小物件仿真
图18中等物件的仿真
图19大物件的仿真
6总结和展望
综全文所述，升降机设计可编程控制器PLC进行控制，可以实现大批量的、持续的传输物体至各层，并将其合适的分配，误差率低并可以大大的降低劳动强度，在减少人力成本的同时还可以很大的提高生产效率。
在设计升降机系统前阅读了大量的资料，不但了解了升降机系统的发展史、应用现状，还学习了三菱PLC相关知识、传感器技术、气动技术等相关知识。
本文所设计的系统，不仅可以用于大部分非易碎物料大小的传输，还可以通过增加高度传感器的精确度进行更为精细的传输各层，可以通过传送带升降机将物料直接送到使用目的地。
在未来的发展中，升降机将实现更高的集成度，更智能的控制方式，更低的误差率及更高的生产效率。
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