基于触控屏和PLC的分拣站电气控制系统设计毕业设计.docx

1、基于触控屏和PLC的分拣站电气控制系统设计毕业设计摘要可编程序控制器(PLC)是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。目前，可编程序控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，其广泛的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。本文针对继电器控制系统可靠性较差、使用不够灵活方便等缺陷，利用PLC进行设计，达到了控制邮件分拣目的。在系统中充分利用PLC在控制方面的卓越性能实现了系统运行可靠、故障率低的功能。本论文在内容安排上首先介绍了题目的来源与意义及其相关的背景：系统方案的确定、总体的组成、设计思想与理论依据等。随后对系统

2、进行了详细设计，包括：部分硬件设计、安装；软件设计并编制梯形图；系统通调试等。最后，论文对全文进行总结。关键词：PLC控制；邮件分拣；触控屏 AbstractProgrammable Logic Controller (PLC) is a latemodel automatic equipment as core with microprocessor. Its development is based on computer technology , automatization technology and communicationsAt the present，PLC has beco

3、me the most important automatic equipment and been applied widely ,The degree and extent of PLC development are the symbols of automatic level in one countryThe main body of a book has been designed specifically for the relay controlling system reliability defects such as relatively poor，using lack

4、to go to the lavatory nimbly，making use of PLC to be in progress，has reached the purpose controlling the mail sortingPLC is in frequency transformer in fully utilizing in system，use the varying voltage exchanging frequency conversion to drag moving a technology ,the starting having realized reliably

5、，the malfunction leads the low functionThis paper first introduces the background related to it and the meaning and source of this title，the definition of systematic scheme，overall composition and design thought and theoretical basis；then carries out detailed design of the system which includes cont

6、rol circuit hardware and assembly；Software design and a ladder diagram；System communication by and debugging and so onIn the master system design，Configuration software is used to build dynamic operation pictures with Windows style，such as parameter setting frame，process monitor frame，data processin

7、g frame，fault location and system animation，etcFinally ,a conclusion is given Keywords：PLC controls ；Sorting mail；Touch screen目录1 绪论1.1 课题的研究背景及意义随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个企业都迫切地需要改进技术，提高效率，尤其在需要进行分拣及缓冲、传送的单位，以往一直采用人工分拣的方法，效率低成本高。为解决上述问题，将PLC技术应用到分拣装置中用以提高生产效率降低生产成本是一个很好的途径。本文就介绍了PLC在邮件分拣系统中的应用。1.2

8、PLC的概述目前，世界上有200多个厂家生产300多品种PLC产品，而我国PLC生产厂有约30家，却并没有真正形成大规模的生产能力和名牌产品，其中有一部分厂家是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产。但同时，我国在PLC应用方面却很活跃，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售30亿人民币，应用的行业也很广阔川。所以说，对我国PLC生产厂家来说如何生产出拥有自主知识产权的PLC产品，并形成规模化生产，打造中国自己的PLC品牌是其面临的一大课题。一句话，PLC自诞生之日起就成为自动控制领域一颗耀眼的明星，到今天已经发展为一个极其巨大的产业，也形成了其在自动化控制领域中短期内不可被替代的地位。P

9、LC即可编程控制器（Pragrammable Logic Controller）是一种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。1.2.1 PLC的产生背景在PLC诞生之前，工业控制设备的主流品种是以继电器、接触器为

10、主体的控制装置。继电器、接触器是一些电磁开关。其结构是由励磁线圈、铁心磁路、触点等部件组成。其中触点是接通或断开电路的部件，按励磁线圈通电前的状态又可分为常开和常闭两种类型。线圈通电前呈断开状态的为常开触点，呈接通状态的为常闭触点。同一只接触器或继电器常有多对常开、常闭触点。当励磁线圈通电，衔铁在磁力作用下被铁心吸合时，常开触点接通，常闭触点断开，以完成电路连接的切换。触点又分为主触点及辅助触点。用于主回路，控制较大电流的触点是主触点。用于控制电路，只能通过较小电流的触点称为辅助触点。通过继电器、接触器及其它控制元件的线路连接，可以实现一定的控制逻辑，从而实现生产设备的各种操作控制。人们将由导

11、线连接决定器件间逻辑关系的控制方式称为接线逻辑。随着工业自动化程度的不断提高，使用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不断暴露出来。首先是复杂的系统使用成百上千个各种各样的继电器，成千上万根导线连接得密如蛛网。只要有一个继电器、一根导线出现故障，系统就不能正常工作，这就大大降低了这种接线逻辑系统的可靠性。其次是这样的系统维修及改造很不容易，特别是技术改造，当试图改变设备的工作过程以改善设备的功能时，人们宁愿新生产一套控制设备也都不愿意将继电器控制柜中的线路重接。而在20世纪60-70年代，社会的进步要求制造业生产出小批量、多品种多规格、低成本、高质量的产品以满足市场需要，不断地提出改善生产机械功能

12、的要求。加上当时电子技术已经有了一定的发展，于是人们开始寻求一种以存储逻辑代替接线逻辑的新型工业控制设备。这就是PLC。1.2.2 PLC的发展过程1968年，美国通用汽车公司(GM)为适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种能减少重新设计控制系统和接线、降低成本、缩短时间的措施，并设想把计算机功能的完备、灵活通用和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向用户的，自然语言，编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第1台PLC，并在GM公司的汽车自动

13、装配线上首次使用，获得成功。从此，这项新技术便迅速发展起来。1971年日本从美国引进了该项新技术，很快就研制出了日本第1台PLC。1973-1974年，西德和法国也相继研制出了自己的第1台PLC。中国从1974年开始研制，1977年应用于工业生产。限于当时的元器件条件和计算技术的发展水平，早期的PLC主要由分立元件和小规模集成电路组成。1959-1973年是PLC的初创时期。在这个时期，PLC从有触点不可编程的硬接线顺序控制器发展成为小型机的无触点可编程逻辑控制器，可靠性比以往的继电器控制系统有较大提高，灵活性也有所增强。其主要功能限于逻辑运算、计时、计数和顺序控制，CPU由中小规模集成电路组

14、成，存储器为磁芯存储器。1974-1977年是PLC的发展中期。在这个时期，由于8位单片CPU和集成存储器芯片的出现，PLC得到了迅速发展和完善，并逐步趋向系列化和实用化，普遍应用于工业生产过程控制。PLC除了原有功能外，又增加了数值运算、数据的传递和比较、模拟量的处理和控制等功能，可靠性进一步提高，开始具备自诊断功能。1978-1983年，PLC进入成熟阶段。这个时期，微型计算机行业已出现了16位CPU，MCS-51系列单片机也由Intel公司推出，使PLC也开始朝着大规模、高速度和高性能方向发展，PLC的生产量在国际上每年以30%的递增量迅速增长。在结构上，PLC除了采用微处理器及EPRO

15、M，EEP-ROM，CMCS RAM等LSI电路外，还向多微处理器发展，使PLC的功能和处理速度大大提高；PLC的功能又增加了浮点运算、平方、三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等，初步形成了分布式可编程控制器的网络系统，具有通讯功能和远程I/O处理能力，编程语言较规范和标准化。此外自诊断功能及容错技术发展迅速，使PLC系统的可靠性得到了进一步提高。1984年后，PLC的规模更大，存储器的容量又提高了1个数量级（最高可达896K），有的PLC已采用了32位微处理器，多台PLC可与大系统一起连成整体的分布式控制系统，在软件方面有的已与通用计算机系统兼容。编程语言除了传统的梯形图、流程图语句

16、表外，还有用于算术的BASIC语言、用于机床控制的数控语言等。在人机接口方面，采用了现实信息等更多直观的CRT，完全代替了原来的仪表盘，使用户的编程和操作更加方便灵活。PLC的I/O模件一方面发展自带微处理器的智能I/O模件，另一方面也注意增大I/O点数，以适应控制范围的增大和在系统中使用A/D，D/A通讯及其他特殊功能模件的需要。同时，各PLC生产厂家还注意提高I/O的密集度，生产高密度的I/O模件，以节省空间，降低系统的成本。1.2.3 PLC的特点一、控制结构简单，通用性强，使用方便。由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，当控制对象的硬件配置确定以

17、后，就可通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。二、功能性强，适应面广。现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可对模拟量进行控制，既可控制1台生产机械、1条生产线，也可控制1个生产过程。PLC还具有通讯联络功能，可与上位干扰信号有良好的抑制作用。软件方面，设置故障检测与诊断程序。采用以上抗干扰措施后，PLC平均无故障时间大大延长。三、抗干扰能力强，可靠性高。继电器接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭

18、时受电弧的损害，大大降低了系统的可靠性。而PLC采用微电子技术，带领的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线呗软件程序所取代，故其寿命长，可靠性大大提高。微机虽然有很强的功能但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而PLC在电子线路、机械结构及结构上都吸取了生产控制经验，主要模块都采用了大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施所有这些使P

19、LC具有较高的抗干扰能力，目前各生产厂家生产的PLC，平均无故障期都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时、四、编程方法简单，容易掌握。PLC配备有易于接受和掌握的梯形图语言。该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。五、控制系统的设计、安装、调试方便。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件，硬软件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线工作量大大减小，设计人员只要有一台PLC就可进行控制系统的设计并可在实验室

20、进行模拟调试，而继电接触器系统需在现场调试，工作量大且繁琐。六、体积小，质量小，功耗低，由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品，因而结构紧凑，坚固，体积小，质量小，功耗低，而且具有很好的抗震性和适应环境温度湿度变化的能力,因此PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化较理想的控制设备七、维修方便工作量小 PLC具有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能，对于其内部工作状态、通信状态异常状态和输入输出点的状态均有显示。工作人员通过它可以检查出故障原因，工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。1.3 PLC控制系统程序设计的步骤

21、在对一个控制系统进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确的、合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。PLC程序设计的主要步骤是： 对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步。 设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 根据梯形图编制语句表程序清单。 用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。 待控制台(柜)及现场施工

22、完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足要求为止。 编制技术文件。 交付使用。2 邮件自动分拣系统最初的分拣系统是完全基于人力的作业系统。通过人工搜索、搬运来完成货物的提取。这种分拣系统的作业效率低下，无法满足现代化物流配送对速度和准确性的高要求。随着科学技术的飞速发展，分拣系统中开始运用各种各样的自动化机械设备。计算机控制技术和信息技术成为信息传递和处理的重要手段。机械化、自动化、智能化成为现代分拣系统的主要特点与发展趋势。自动分拣系统(automatic sorting system)是二战后在美国、日本以及欧洲的大中型物流中心广泛采用的一种分拣系统。一般由

23、控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口四部分组成，它们通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的分拣系统。随着计算机技术的飞速发展，可编程控制器应运而生。并且功能也越来越强大。在应用上，PLC有着其他设备无以比拟的优越性，它可靠性高，抗干扰能力高；适用性强，应用灵活；编程方便，易于使用；功能强大，扩展能力强；控制系统设计、安装、调试方便；维修方便，维修工作量少；体积小，质量轻，易于实现机电一体化。2.1 自动分拣系统概述现代社会已将物流的高科技(自动分拣桃、自动化立体仓库、信息处理及通讯自动化等)广泛应用于各个流通领域。自动分拣系统(Automatic Sorti

24、ng System)现在已成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。可以肯定，随着物流大环境的逐步改善，科学技术日新月异的进步，特别是感测技术(激光扫描)、电子标签及计算机控制技术等的引入使用，自动分拣系统在我国发展空间巨大。2.2 自动分拣系统的主要特点在我国，自动分拣系统主要用于邮政业的信函分拣或机场的行李分拣等场合。自动分拣系统具有传统的人工分拣无可比拟的优势，其主要特点如下： 分拣效率高：由于采用流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等因素的限制，可以连续运行，而且单位时间分拣件数多，因此它能够连续大批量的分拣物品。一般情况下，自动分拣系统可连续运行100个小时以上

25、。中等效率的分拣系统每小时可分拣7000件物品。比起人工每小时最多分拣150件的效率来说，有点特别明显。更重要的是不需要大量的劳动力来从事分拣作业。实现了从劳动密集型到技术密集型的转变。 分拣误差率低：自动分拣系统的分拣误差率主要取决于所输入分拣信息的准确性。而这又取决于分拣信息的输入机制。其中携带货物的相关载体和识别装置起着主导作用。如果采用人工输入，则误差率在3%以上；如果采用条形码输入，在条形码喷码无误和无破损的情况下出错率很低。目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物；如果采用当前广泛研究的电子标签，则不仅解决了分拣过程中读取信息的不便，而且提高了系统的抗干扰能力和运行稳定性。 分

26、拣作业基本实现无人化：国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少劳动力的使用，降低劳动强度，自动分拣系统能最大限度减少人员的使用，基本做到无人作业。分拣系统本身并不需要人员，在分拣过程中主要从事以下工作：送货小车抵达自动分拣作业线的进货端时，由人工接货；由人工控制分拣系统的运行；分拣系统的末端用人工将分拣出来的货物进行分包、堆盘、装车；自动分拣系统系统的经营、管理与维护。 自动分拣系统最早在我国邮政部门使用。邮件分拣作业是自动分拣的一个重要的应用领域，邮件分拣机依据邮件的地址，迅速、准确地将发往不同地点的邮件从众多邮件中按邮政编码分拣出来。自动分拣系统的使用，改变了传统的手工作业的分拣方式，大

27、大减轻了笨重的体力劳动，而且更为重要的是提高了邮件分拣作业的准确性。我国人口众多，人员之间的联系紧密，邮件数量相当巨大。近年来，随着我国经济的发展和社会的进步，邮政事业得到了空前发展。邮政通信网的技术含量不断增加，技术装备水平也在不断提高，邮件处理已基本实现机械化，并且朝着自动化的方向迈进。其中，利用机器自动分拣邮件是一个重要的课题。国内的研究工作起源于20世纪70年代中期。20多年来，科技人员不断跟踪国际分拣技术的发展状况，推陈出新。截止1998年底，全国共有106套邮件自动分拣设备投入运行。供货厂家有国家邮政局上海研究所、德国SIEMENS公司、日本NEC公司。本文主要介绍邮件分拣机的工作

28、原理。下图为某邮件分拣机的工作原理框图。它主要通过对在传送带上通过的邮件进行扫码获得邮件的信息，识别出邮政编码后由邮政编码的数字信息来控制邮件流向。图2.1 邮件分拣系统的工作原理图2.3 邮件分拣系统PLC控制硬件部分2.3.1 PLC控制范围及要求：自动准确识别邮政编码。对邮政编码不符合规格的邮件进行处理(剔除)，并根据邮政编码的不同加以分类，实现邮件的准确自动分拣；自动计件，能够实时监测邮件的分拣数量。硬件部分的分拣机是将软件识别出的邮政编码的编码信息随传送带分拣入各个代表唯一地址的邮箱中，如编码信息代表上海的就拣入上海的邮箱。2.3.2 分拣机的动作过程分拣机工作过程如下：当传送带开始

29、工作，绿灯L1亮，红灯L2灭，电机M5驱动带有推头的主链运行，扫码器读取传送带上的邮件的邮码，将结果送入PLC进行邮件的识别分析，得到邮件邮政编码的数字编码信息。检测发生器S1检测到有邮件，若邮码信息正确，L2亮，L1灭，系统根据邮件的邮码启动相应的推杆定时器，PLC从定时器中采集脉冲数，当定时器动作时就表示邮件到达分拣箱时，推进器(M1M4)将邮件推进相应的邮箱。随后L2灭，L1亮，继续分拣。若邮码信息出错，则L2闪烁，电机M5停止动作，待重新启动后，再运行。具体结构见图2.2。 图2.2 分拣站动作过程2.4 机型的选择及输入输出的确定2.4.1 内存估计用户程序所需的内存容量受以下几个因

30、素的影响：内存利率：开关量输入，输出点数；用户的程序水平。所需内存字数=开关量(输入+输出)总点数10；所需内存字数=模拟量点数100(只有模拟量输入)；所需内存字数=模拟量点数200(模拟量输入输出同时存)。2.4.2 响应时间可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接受持续时间小于扫描周期的输入信号。所以，系统响应时间没特殊要求，不需要考虑这方面的问题。邮件分拣是一个比较固定的、环境条件较好的工艺过程，要实现的功能也相对简单，无A/D和DA转换、加减运算。另外，控制程序也比较固定，不需要在线编程，选用整体式PLC就可以满足工艺的要求了。综合前面的工艺要求与I/0点数可知，在机型上可选用

31、西门子公司生产的CPU型号为226型的微型可编程控制器。2.4.3 输入输出的确定表2.1可编程控制器系统I/O点数估算。系统I/O分配见下表输入输出端子功能端子功能I0.0启动Q0.0指示进邮件I0.1邮件检测Q0.1指示邮码是否正常I0.2读码器输出的邮码Q0.2传送带运转接触器I0.3读码器输出的邮码Q0.3指定邮码的推杆接触器I0.4读码器输出的邮码Q0.4指定邮码的推杆接触器I0.5读码器输出的邮码Q0.5指定邮码的推杆接触器I0.6复位Q0.6指定邮码的推杆接触器Q0.7指定邮码的推杆接触器由表可知共需I/O点数为7个输入，8个输出其硬件连接图如下：图2.3 PLC外部接线图图2.

32、4 为分拣机与PLC的硬件连接图3 PLC控制程序控制系统选用SIEMENS S7-200 CPU226CN型PLC，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及其他智能模块通信等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。邮件入箱控制软件设计流程：一是邮件检测；二是编码信息检测；三是编码信息转化为脉冲信号；四是邮件入箱；五是出错控制。PLC控制部分程序流程图如下。图2.5检测程序流程图3.1 梯形图程序图2.6程序梯形图设计3.2 程序图中各辅助触点的作用辅助继